(57)【要約】      （修正有）【課題】被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避し、密着性を維持し、小径部材の耐摩耗性を改善する。【解決手段】小径円筒部の直径は、６００μｍ以下で５μｍ以上が好ましい。該小径円筒部に被覆硬質材を形成した後、該被覆硬質材に機械加工等を施すことにより刃部を形成する。これにより被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避する。被覆硬質材は、軸方向に長い柱状結晶組織とすることにより高硬度で優れた耐摩耗性と密着強度に優れる。また、被覆硬質材が非晶質相との混合相である場合、結晶質相による高硬度で優れた耐摩耗性を有する特性と、非晶質相による優れた耐熱性を有する特性との、両特性が得られる。例えば、基体との界面近傍では密着性の点から被覆硬質材を結晶質相とし、刃部の表面近傍では非晶質相を含む混合相とする。【選択図】図２
2007021700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
小径部材は円筒状で、且つ、概略円筒面で形成された小径円筒部を有し、該小径円筒部の先端には被覆硬質材を設け、該被覆硬質材との界面の少なくとも１部は結晶格子縞が連続しており、該被覆硬質材には刃部が設けられていることを特徴とする小径部材。
【請求項２】
請求項１に記載の小径部材において、該被覆硬質材は、軸方向に長い柱状結晶組織となっていることを特徴とする小径部材。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２の何れかに記載の小径部材において、該被覆硬質材は、結晶相と非晶質相とを含む混合相であることを特徴とする小径部材。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の小径部材において、該被覆硬質材の少なくとも１部に切れ刃稜線又は刃溝を有することを特徴とする小径部材。
【請求項５】
請求項１に記載の小径部材において、該小径円筒部の先端に被覆硬質材を形成する工程と、機械的加工手段によって該被覆硬質材に刃部を形成する工程とからなることを特徴とする小径部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、小径部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
小径部材には、部材本体に切れ刃稜線、刃溝等を加工した後、硬質皮膜を被覆する例が特許文献１に、更に、被覆後に皮膜を研削等で一部除去する例が特許文献２に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８２３０１号公報
【特許文献２】特開平９−１１０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明は、被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避し、密着性を維持し、小径部材の耐摩耗性を改善することである。本願発明では、最終形状の工具に被覆硬質材を形成するよりも、むしろ被覆硬質材を形成した後に、刃部を形成した方が有効であり、被覆前に切れ刃稜線、刃溝を設けると、それらの形状、特に凹凸形状に倣って被覆硬質材が成長するため、被覆硬質材の構造欠陥を生じてしまい、特に、エッジ部では被覆硬質材の成長速度差に起因する構造欠陥を引き起こすことが多く、工具として用いたときに被覆硬質材の剥離・脱落の原因となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の小径部材は、円筒状で且つ、概略円筒面で形成された小径円筒部を有し、該小径円筒部の先端には被覆硬質材を設け、該被覆硬質材との界面の少なくとも１部は結晶格子縞が連続しており、該被覆硬質材には刃部が設けられていることを特徴とする小径部材である。上記構成を採用することによって、被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避し、密着性を維持できる。そして小径部材の先端部が被覆硬質材から構成され、これで刃部が形成された小径部材を提供することができる。本明細書における円筒状とは、先端に向い若干のテーパを含む形状であり、概略円筒面は、円筒面に、切れ刃稜線、刃溝等を設けていないことを表している。また、被覆硬質材とは、物理蒸着法や化学蒸着法によって形成された硬質材料であることを表す。
【発明の効果】
【０００６】
本願発明によって、小径部材における被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避し、密着性を維持し、小径部材の耐摩耗性を改善することができた。また、そのその製造方法を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本願発明の小径部材の形態を図１、図２に示す。図１は小径部材本体１の小径側の先端部に被覆硬質材２を設けている。小径部材本体は大径円筒部３と小径円筒部４からなり、小径円筒部は円筒面に、切れ刃稜線、刃溝等を設けていない概略円筒面を有する。図２は小径円筒部を拡大した図であり、小径円筒部の先端部に被覆硬質材を有する。ここで、該先端部における被覆硬質材の界面部の少なくとも１部は、小径部材の基体と被覆硬質材との間で結晶格子縞が連続している。この形態により、被覆硬質材の密着強度の向上に有効である。本発明の概略円筒面を有する小径円筒部における部材本体の直径をＡとしたとき、Ａ値は、６００μｍ以下であることが好ましい。これは、Ａ値が６００μｍ以下の場合に耐摩耗性などの小径部材としての特性が十分に発揮されるからである。一方、Ａ値が５μｍ未満になると、被覆硬質材を形成する前工程におけるプラズマクリーニング工程におけるイオンボンバード処理によって、部材先端の小径円筒部の変形、或いは消滅の可能性があるため、５μｍ以上が好ましい。該小径円筒部に被覆硬質材を形成した後、該被覆硬質材に機械加工等を施すことにより適切な形状の刃部を形成する。これにより被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを取り除き、表面の凹凸が極めて少ない小径部材が得られる。
【０００８】
本願発明の被覆硬質材は、軸方向に長い柱状結晶組織となっていることが好ましい。この場合、被覆硬質材が結晶質相であることにより高硬度で優れた耐摩耗性を発揮すると伴に、基体との密着強度にも優れることから好ましい形態である。また、被覆硬質材が非晶質相との混合相である場合、結晶質相による高硬度で優れた耐摩耗性を有する特性と、非晶質相による優れた耐熱性を有する特性との、両特性が得られるため好ましい。例えば、基体との界面近傍では密着性の点から被覆硬質材を結晶質相とし、刃部の表面近傍では非晶質相を含む混合相とすることによって、より好ましい本発明の形態が得られる。また、例えば、被覆硬質材が窒化硼素皮膜である場合、欠損性にも優れ、安定した耐摩耗性を発揮することができるため好ましい。窒化硼素皮膜は、非晶質、六方晶、立方晶の何れか、またはこれらの混合相でも効果を発揮するからである。また窒化硼素を主体とした被覆硬質材であっても良く、その場合は全体の３０原子％未満を他の元素で置換されたものを含む。ここで他の元素としては、Ｓｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｆ、Ｃｌ、Ｏ、Ｓ等が挙げられる。これらは耐チッピング性の点から好ましい元素である。
【０００９】
本願発明での小径部材の刃部は、外周逃げ面とすくい面が交差するエッジ部に切れ刃稜線を形成する。本発明の小径部材は、切れ刃部の少なくとも１部が被覆硬質材で構成されることによって、逃げ面では耐摩耗性の改善効果が得られ、すくい面では被加工物の溶着、凝着等の低減効果が得られる。従って、加工後の被加工物面の精度を向上させることができる。本発明における小径部材の製造方法は、該小径円筒部の先端に被覆硬質材を形成する工程と、機械的加工手段によって該被覆硬質材に刃部を形成する工程とからなることを特徴とする小径部材の製造方法である。被覆硬質材の欠陥を生ぜず、硬質材本来の耐摩耗性、耐熱性が発揮される。更に、切れ刃等の形状もシャープエッジで形成することができ、加工性能も改善することができる。
【００１０】
機械加工後における刃部の軸直角方向の断面積をＳとした時、Ｓ値は１μｍ２≦Ｓ≦１ｍｍ２であることが好ましい。Ｓ値が１μｍ２未満の場合、刃部を被覆硬質材のみで形成するように加工することは極めて困難である。一方、Ｓ値を１ｍｍ２以下とするのは、耐摩耗性などの小径部材としての特性が十分に発揮されるからである。例えば、刃部は図３から図５の様に、刃部の加工後の形状によって切削工具、プレス金型等の用途にも適用可能である。
【００１１】
本願発明の小径部材において、被覆硬質材の組成は、少なくとも１層が、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｆｅ、より選択される１種以上の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、硫化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物であることにより耐摩耗性を発揮することができるので好ましい。上記の組合せとしては、例えば（ＴｉＳｉ）Ｎ、（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、（ＣｒＳｉ）Ｎ、（ＡｌＣｒ）Ｎ、（ＴｉＡｌ）Ｎ、ＳｉＣ、ＴａＮ、ＷＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯ、ＳｉＯ、ＭｏＳ、ＨｆＮ等が挙げられる。これらの組合せが本発明の目的を達成する上で好適である。窒化硼素、或いは窒化硼素を主体とした被覆硬質材又は硬質炭素材、或いは硬質炭素材と組合せても良い。
【００１２】
部材本体は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、Ｔｉ基合金、超硬合金、サーメット、窒化硼素焼結体の何れかであることが好ましい。被覆硬質材との組合せを適切に選択することによって、耐摩耗性と耐折損性のバランスが好適である。部材本体は、Ｆｅ基合金としては炭素鋼、ステンレス鋼、高速度鋼が挙げられる。超硬合金のＣｏ含有量としては、３重量パーセントから２０重量パーセントの範囲で各種用途に応じて選択することができる。用途は回転工具に適用し、例えばエンドミル、ドリル、リーマで優れた耐摩耗効果を発揮することができる。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１３】
部材本体は、Ｃｏ含有量が７重量％、ＷＣ平均粒径が０．３μｍ〜０．６μｍの超硬合金を使用した。部材本体は大径円筒部と小径円筒部とを備えている。最も径の大きい大径円筒部はシャンク部となり、最も径の小さい小径円筒部が刃部を有する。実施例は、シャンク直径を４ｍｍとした。アークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）法により小径円筒部に被覆硬質材を形成した。例えばＴｉターゲットを用いた場合、小径円筒部の表面にＴｉＮ皮膜を被覆した。その後、小径円筒部の直径が目的値となるように研削加工を実施した。図６より、本発明例１の模式図で、逃げ面６とすくい面７が交差する切れ刃稜線となるエッジ部８を形成し、心厚がＢ、刃部の直径がＤの２枚刃エンドミルに近似の工具形状を作成した。表１に小径部材について本発明例１から３５を示した。また比較例も併記した。比較例の刃部は、図６と同等の形状に研削加工したものを用いた。
【００１４】
【表１】
2007021700.tif 000003
【００１５】
小径部材の断面積の測定には、刃部の軸直角断面を、鏡面加工し、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと言う。）により実測した。測定誤差は、機械的に軸直角断面切断し鏡面加工していること、さらに表面の凹凸等による測定誤差を考慮すると、少なくとも±２μｍの測定誤差が生じると考えられる。表１内でＡＩＰ＋ＳＰは、ＡＩＰ法とスパッタ（以下、ＳＰと記す。）法の同時稼動を示す。ＣＶＤは熱ＣＶＤ示し、ＰＣＶＤはプラズマＣＶＤを示し、ＥＢは電子ビームを用いたイオンプレーティング法を示す。超硬合金は、特に断りのない限り前述の組成を有する超硬合金である。切削評価には下記に示す切削条件を用いた。条件は被削材のみが異なる２条件を設定した。条件１は被削材にマルテンサイト系ステンレス鋼、ＨＲＣ５２を使用、条件２は被削材にオーステナイト系ステンレス鋼、ＨＢ１７０を使用した。切削寿命の評価は、同一試料で３本加工し、切削長さの平均値を折損寿命として示した。
（条件１、２に共通する切削条件）
工具：２枚刃エンドミル
切削方法：側面仕上げ切削加工
切り込み：軸方向、５μｍ、径方向、１μｍ
切削速度：６ｍ／ｍｉｎ
送り：１μｍ／刃
切削油：なし
【００１６】
表１に示す様に本発明例１から３５は、比較例３６、３７に対して安定した折損寿命が得られ、本発明の効果が確認された。本発明例１から２１、及び２４から３５は、同様な超硬合金の基体上に、異なる種類の被覆硬質材を用いた場合を示す。また表１には、被覆硬質材の結晶構造を併記した。被覆硬質材の結晶構造で結晶質と記載したものは、軸方向に長い柱状結晶構造を示したものである。また、非晶質相を含む場合は、柱状結晶構造と微細構造とが混在する形態を示した。ここで示した本発明例の何れもが、被覆硬質材界面に結晶格子縞の連続している箇所のあることを示した。この界面状態により、被覆硬質材の密着性が強固となり、優れた折損寿命が得られた。本発明例７は被覆硬質材が（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎの場合を示す。被覆硬質材が柱状結晶による単独構造の中では、優れた折損寿命が得られた。本発明例１１は被覆硬質材としてＴｉＮ及び（ＴｉＳｉ）ＮをＡＩＰ法とＳＰ法とを併用して作成した場合である。被覆硬質材の最表面側にＳｉを含有した材料を用いており、また非晶質相との混合相となっていたため、より高硬度となり、優れた折損寿命が得られた。
本発明例２２、２３では、基体材料に夫々窒化硼素焼結体、粉末高速度鋼のＨＡＰ４９材を用い、これに被覆硬質材を形成した場合を示す。この場合も界面に結晶格子縞の連続している箇所が存在したため、優れた密着強度と耐摩耗性を示す結果となった。
本発明例２及び本発明例２４から２６は、被覆硬質材からなる刃部の軸直角断面積が異なる場合を示す。断面積のより大きい方が工具寿命は長く、好ましい結果であった。
本発明例２７から３５は、刃部のＤ値とＳ値が夫々異なる場合を示す。これらの範囲においては、何れも優れた耐摩耗性を示し、満足のできる折損寿命が得られた。
比較例３６、３７は、被覆硬質材の早期欠損が発生し、異常摩耗から工具の折損に至る結果となった。これは、被覆硬質材の密着強度が不十分であったためである。即ち、界面に結晶格子縞の連続している箇所が存在しないため、密着性が劣ったのである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、被覆小径部材の正面図を示す。
【図２】図２は、図１の小径円筒部の拡大図を示す。
【図３】図３は、図２の小径円筒部の左側面図を示す。
【図４】図４は、図２の小径円筒部に刃部を形成した後の左側面図を示す。
【図５】図５は、図２の小径円筒部に刃部を形成した後の左側面図を示す。
【図６】図６は、本発明例１の小径円筒部の断面模式図を示す。
【符号の説明】
【００１８】
１：小径部材本体
２：被覆硬質材
３：大径円筒部
４：小径円筒部
５：刃部
６：逃げ面
７：すくい面
８：切れ刃稜線のエッジ部
Ａ：部材本体の直径
Ｂ：心厚
Ｄ：刃部の直径
Ｓ：刃部の軸直角方向の断面積
【図１】
2007021700.tif 000004
【図２】
2007021700.tif 000005
【図３】
2007021700.tif 000006
【図４】
2007021700.tif 000007
【図５】
2007021700.tif 000008
【図６】
2007021700.tif 000009