JP4895586B2

JP4895586B2 - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP4895586B2
Application number: JP2005342875A
Authority: JP
Inventors: ヨウセンシュ
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2025-11-28
Also published as: JP2007144565A

Description

本発明は基体の表面に硬質被覆層を成膜してなる表面被覆切削工具に関する。

現在、切削工具は、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット等の硬質材料の表面に様々な硬質被覆層を成膜して摺動性、耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われており、中でも物理気相合成法にて成膜された硬質被覆層は高硬度で耐摩耗性が高く、種々の用途に広く採用されている。かかる物理気相合成法の中において、特に、硬質被覆層の成膜方法として好適に用いられているアークイオンプレーティング法では、成膜時にドロップレットといわれる粗大溶融粒子が生成し、これが基体の表面に飛来し直径１μｍ以上もあるマクロ粒子となって硬質被覆層中に分散することが知られている。このマクロ粒子の発生は切れ刃のチッピングや欠損の要因となったり、切削加工面の平滑性が損なわれて切削工具の寿命が低下する要因となっている。

そこで、例えば、特許文献１では、アークイオンプレーティング法によって成膜された硬質膜（硬質被覆層）中のマクロ粒子を化学的または機械的に除去するか、またはレーザービームの照射によって微細孔に変えることによって、この微細孔が加工液（切削液）を保持する機能を有して硬質膜の摩擦・摩耗を低減できることが開示されている。

また、特許文献２では、アークイオンプレーティング法にて硬質皮膜（硬質被覆層）を成膜する方法において、ドロップレットをブラスト処理にて除去してポアを存在させたり、成膜時のアセチレンやメタンなどの反応ガスを化学量論比より多く反応させて硬質皮膜中に遊離カーボンを析出させた後でリン酸塩等でこの遊離カーボンを除去してポアを存在させることにより、ポアがミスト加工における切削油剤（切削液）の保持力を高めて硬質皮膜の摩擦・摩耗を抑制できることが開示されている。
特開２００２−１４６５１５号公報特開２００５−１５３０７２号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２のように、硬質被覆層の表面に全面的にボイドを存在させる方法では、切屑を排出するすくい面においては硬質被覆層と切屑との潤滑性が十分であるが、切刃においてはボイドがチッピングや欠損の要因となりやすくなり、またボイド部分が切削されずに残存してしまい加工面が荒れるという問題があった。

本発明は上記問題を解決するためのものであり、その目的は、切屑処理性に優れ、かつ高い耐欠損性と良好な仕上面粗度を有する表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明は、切削液を用いて切削加工する湿式加工に用いる切削工具としては、すくい面においてはボイドを存在せしめて切削液の保持力を高めた方がよいものの切刃においては耐欠損性が高くしかも切削加工面粗度を平滑化するために硬質被覆層の表面にボイドを極力排除したほうがよいとの知見に基づくものである。

すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基体の表面に硬質被覆層を被覆した表面被覆切削工具において、前記硬質被覆層の少なくとも表面にボイドが分散するとともに、前記硬質被覆層の表面の切刃位置に存在する前記ボイドの面積比率が５面積％以下であるとともに、前記硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在する前記ボイドの面積比率が８〜３０面積％であることを特徴とするものである。

ここで、前記硬質被覆層の表面の前記切刃位置に存在する前記ボイドの面積比率が５面積％以下であることが、前記切刃の耐摩耗性および耐欠損性をさらに向上できる点で重要である。

また、前記硬質被覆層の表面の前記すくい面位置に存在する前記ボイドの面積比率が８〜３０面積％であることが、すくい面における切屑処理の際の摩擦抵抗を低減できる点で重要である。

なお、前記硬質被覆層の前記切刃位置における膜厚が前記すくい面位置における膜厚よりも薄いことが、切刃における耐欠損性が高く、かつすくい面において切屑によるこすれ摩耗によっても硬質被覆層が摩滅することなく良好な切屑処理ができる点で望ましい。

さらに、前記切刃が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有する場合に、上記ボイドの分布が容易に実現できる。

本発明の表面被覆切削工具によれば、すくい面においては硬質被覆層表面にボイドが存在して切屑を排出する際の硬質被覆層の摩擦係数が低く切屑の排出性が良好であるとともに、切刃においては硬質被覆層表面のボイドの存在比率が低くて耐欠損性が高くかつ加工面が平滑化できるとともに、結果として優れた切削性能を発揮できるものである。

ここで、前記硬質被覆層の表面の切刃位置に存在するボイドの面積比率が５面積％以下であることによって、前記ボイドが原因でチッピングや欠損が発生することを低減できて前記切刃の耐欠損性をさらに向上させることができる。

また、前記硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在するボイドの面積比率が８〜３０面積％であることによって、すくい面における耐摩耗性と切削液の保持力とを両立させて切屑処理の際の摩擦抵抗を低減できる。

なお、前記硬質被覆層の前記切刃位置における膜厚を前記すくい面位置における膜厚よりも薄くすることによって、切刃における耐欠損性が高く、かつすくい面において切屑によるこすれ摩耗によっても硬質被覆層が摩滅することなく良好な切屑処理ができる。

さらに、前記切刃が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有する場合に、理由は不明であるが上記ボイドの分布が容易に実現できる傾向にある。

本発明の表面被覆切削工具の一例について、本発明の表面被覆切削工具の（ａ）概略斜視図、（ｂ）概略断面図である図１、および本発明の表面被覆切削工具の一例を示す顕微鏡写真である図２を用いて説明する。

図１、図２によれば、本発明の表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）１は、主面にすくい面３を、側面に逃げ面４を、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、基体２の表面に硬質被覆層６を成膜した構成となっている。

硬質被覆層６は、周期律表第４、５、６族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素、硼素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物の少なくとも１層にて構成されている。

本発明によれば、硬質被覆層６の少なくとも表面にボイド８が分散するとともに、硬質被覆層６の切刃５の表面に存在するボイド８の面積比率が、硬質被覆層６の表面のすくい面３位置に存在するボイド８の面積比率に比べて小さいことを特徴とするものである。

これによって、切刃５においては耐欠損性が高くおよび加工面粗度が小さくできるとともに、すくい面３においてはボイド８の存在によって切屑を排出する際の硬質被覆層６の摩擦係数が低く、結果として優れた切削性能を発揮できる。

つまり、硬質被覆層６の表面全体にボイド８が存在する場合には、ボイド８がクラックの起点となりやすくて切刃５における耐欠損性が低下する。逆に、硬質被覆層６の表面全体にボイド８が存在しない場合には、すくい面３における切屑の摩擦抵抗が大きくなり、摩耗が進行したり、切屑がすくい面３に溶着してしまうことがある。すなわち、いずれの場合にも切削性能を高めることができない。

なお、硬質被覆層６の表面に存在するボイド８の面積比率は、硬質被覆層６の表面についての走査型顕微鏡写真等の組織写真５μｍ以上×１０μｍ以上の領域にて観察されるボイド８の面積比率を、ルーゼックス画像解析法によって測定することによって求めることができる。なお、面積比率の算出については任意領域の３箇所以上について測定し、その平均値から算出する。

また、ボイド８のサイズは、平均直径が０．２〜１０μｍ、平均深さが０．１〜２μｍであることが、切削液の保持性が高くかつ硬質被覆層の耐摩耗性がさほど低下しない点で望ましい。

ここで、硬質被覆層６の表面の切刃５の位置に存在するボイド８の面積比率が５面積％以下であることが、衝撃が最もかかる切刃５においてクラックの起点となるボイド８の影響が低減できて切刃５の耐欠損性をさらに向上できる点で望ましい。さらに、硬質被覆層６の切刃５の位置における算術平均粗さ（Ｒａ）は０．１２μｍ以下であることが切刃５の耐欠損性が高く、かつ切削加工時の切削抵抗を低減できるために望ましい。なお、硬質被覆層６の切刃５の位置における算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳＢ０６０１’０１に準拠して触針式表面粗さ測定器を用いて、カットオフ値：０．２５ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて測定することができる。

また、硬質被覆層６の表面の切刃５位置に存在するボイド８の面積比率を５面積％以下とすることにより、ボイド８が原因でチッピングや欠損が発生することを低減できて切刃５の耐欠損性をさらに向上できる。硬質被覆層６の表面の切刃５位置に存在するボイド８の面積比率の好ましい範囲は４面積％以下である。さらに、硬質被覆層６の表面のすくい面３の位置に存在するボイド８の面積比率が８〜３０面積％であることが、すくい面における耐摩耗性と切削液の保持力とを両立させて、すくい面３における切屑処理の際の摩擦抵抗を低減できる点で重要である。硬質被覆層６の表面のすくい面３の位置に存在するボイド８の面積比率の好ましい範囲は８〜２０面積％である。

ここで、切刃５は曲率半径Ｒが０．００５ｍｍ未満のシャープエッジであってもよいが、切刃５が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有する場合のほうが、理由は不明であるが上記特定のボイド８の分布が容易に実現できる傾向にある。切刃５のＲホーニングの好ましい範囲は、曲率半径Ｒ＝０．０２〜０．０５ｍｍである。

さらに、硬質被覆層６の膜厚が０．２〜５．０μｍであることが、硬質被覆層６の耐欠損性が高くて膜剥離を防止できるとともに、硬質被覆層６が十分な潤滑性と耐摩耗性を有するため望ましい。なお、硬質被覆層６の切刃５の位置における膜厚をすくい面３の位置における膜厚よりも薄くすることによって、被削材の衝撃が最も大きい切刃５における耐欠損性が高く、かつすくい面３において切屑によるこすれ摩耗によっても硬質被覆層６が摩滅することなく良好な切屑処理ができる。硬質被覆層６の切刃５の位置における膜厚の好ましい範囲は０．５〜２μｍ、硬質被覆層６のすくい面３の位置における膜厚の好ましい範囲は１．５〜２．５μｍである。

なお、基体２としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金、サーメット、窒化ケイ素や酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相とセラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。

（製造方法）
次に、本発明の表面被覆切削工具の製造方法について説明する。

まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。

次に、この基体表面に、周期律表第４、５、６族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる硬質被覆層を成膜する。

なお、成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理気相合成（ＰＶＤ）法を用いる。成膜方法の数例の詳細について説明すると、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを含む複合硬質層をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタンおよび金属アルミの２種類の金属ターゲットを独立として用いるか、またはチタンアルミ（ＴｉＡｌ）合金をターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させて成膜する。このとき、硬質被覆層の緻密度や基体との密着力を高めるため、および硬質被覆層６中に所定のマクロ粒子１０を分散させるために、３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加しながら成膜することが望ましい。

ここで、本発明における硬質被覆層６中のボイド８の分布状態を実現する方法の一例としては、成膜した硬質被覆層６中のマクロ粒子１０の分布を変えることにより実現が可能となり、具体的には、成膜の途中または終了時にガスボンバード処理を行なう方法が好適である。この方法によれば、ガスボンバード処理ではエッジ部が選択的に研磨されることから、成膜された硬質被覆層６の切刃５表面におけるマクロ粒子１０を選択的に除去することができ、成膜終了後において、硬質被覆層６の切刃５の表面に存在するマクロ粒子１０の面積比率を、硬質被覆層６の表面のすくい面３位置に存在するマクロ粒子１０の面積比率に比べて少ない構成とすることができる。

その後、成膜した硬質被覆層６に対して、ブラスト処理、ブラシと研磨剤を用いた研磨加工等の機械研磨加工によって硬質被覆層６の表面に存在するマクロ粒子１０を除去する。この時、マクロ粒子１０は硬質被覆層６のマクロ粒子１０以外の正常部に埋め込まれた部分ごと除去されることから、マクロ粒子１０が除去された部分にはボイド８が形成される。そして、研磨加工された硬質被覆層６におけるボイド８の分布は研磨加工する前の硬質被覆層６のマクロ粒子１０の分布を反映するために、研磨加工された硬質被覆層６におけるボイド８の分布は、硬質被覆層６の切刃５の表面に存在するボイド８の面積比率を、硬質被覆層６の表面のすくい面３位置に存在するボイド８の面積比率に比べて少ない構成とすることができる。

平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．２質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．６質量％の割合で添加し混合して、プレス成形により溝入切削工具形状（ＧＢＡ４３Ｒ３００ＮＹ）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニング）を施した。

このようにして作製した基体に対してアークイオンプレーティング法により表１に示す種々の組成にて硬質被覆層を成膜した。また、一部の試料については、成膜の途中または終了時に窒素ガスおよびアルゴンガスの混合ガスを用いたボンバード処理を表１の条件で行なって、成膜された硬質被覆層の切刃表面におけるマクロ粒子を除去した。

その後、成膜された硬質被覆層の表面を平均粒径５μｍのアルミナ砥粒を使った湿式マイクロブラスト法を用いて表１の条件にてブラスト処理した。

得られた試料に対して、切刃およびすくい面のランド位置における硬質被覆層の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、ボイドの面積比率を測定した。なお、表１中のボイドの面積比率は、顕微鏡写真について、切刃の稜線に対して平行な方向に１００μｍ×切刃の稜線に対して垂直な方向に５μｍの領域内におけるボイドの面積比率をルーゼックス画像解析法にて求め、任意３箇所における平均値をボイドの面積比率として表１に示した。また、硬質被覆層の膜厚は、切削工具の断面ＳＥＭ写真より求めた。さらに、硬質被覆層の表面の切刃位置における算術平均粗さＲａを接触式の表面粗さ計で任意３箇所について測定し、その平均値から求めた。具体的な測定方法は、ＪＩＳＢ０６０１’０１に準拠して触針式表面粗さ測定器を用いて、カットオフ値：０．２５ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて測定した。

次に、得られた溝入切削工具形状のスローアウェイチップ（切削工具）を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に示した。

切削方法：断続旋削
被削材：ＳＣＭ４４０、４本の５ｍｍ幅溝入り
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：２０００回の衝撃を与えた段階での切刃およびすくい面の状態および欠損に至るまでの衝撃回数

表１、表２より、成膜の途中または終了時にボンバード処理をせず、硬質被覆層の表面全体にボイドが多く発生した試料Ｎｏ．９は、早期にチッピングが発生して工具寿命が短いものであった。また、スパッタ法にて成膜して成膜の途中または終了時にボンバード処理をせず、硬質被覆層の表面全体にボイドが一様な試料Ｎｏ．１０でも、早期にチッピングが発生して工具寿命が短いものであった。さらに、成膜の途中または終了時にボンバード処理することに代えて成膜後にブラスト処理を行い、硬質被覆層の表面全体のボイドを一様に低減した試料Ｎｏ．１１でも、すくい面において切屑の溶着が発生して工具寿命が短いものであった。

これに対して、本発明の範囲内である硬質被覆層の表面のすくい面位置におけるボイドの面積比率が切刃位置におけるそれよりも多い試料Ｎｏ．１〜８では、いずれも摩擦抵抗が低く切屑処理性が良好であり、かつ切刃における耐欠損性にも優れた良好な切削性能を発揮した。中でも、硬質被覆層の表面の切刃位置に存在するボイドの面積比率が５面積％以下で、かつ硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在するボイドの面積比率が１０〜３０面積％の試料Ｎｏ．１〜３、７では特に衝撃回数を延ばすことができて工具寿命が長いものであった。

本発明の表面被覆切削工具の好適例を示す（ａ）概略斜視図、（ｂ）要部拡大断面図である。本発明の表面被覆切削工具の一例を示す図面代用写真である。

符号の説明

１表面被覆切削工具
２基体
３すくい面
４逃げ面
５切刃
６硬質被覆層
８ボイド
１０マクロ粒子

Claims

基体の表面に硬質被覆層を被覆した表面被覆切削工具において、前記硬質被覆層の少なくとも表面にボイドが分散するとともに、前記硬質被覆層の表面の切刃位置に存在する前記ボイドの面積比率が５面積％以下であるとともに、前記硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在する前記ボイドの面積比率が８〜３０面積％であることを特徴とする表面被覆切削工具。
前記硬質被覆層の前記切刃位置における膜厚が前記すくい面位置における膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
前記切刃が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有することを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。