JP5446048B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体に対して、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具に関し、特に、焼入鋼等の高硬度鋼の高速切削加工に用いた場合に、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する複合硬質膜を被覆形成した表面被覆切削工具に関する。

従来から、鋼や鋳鉄の切削加工に用いる工具としては、炭化タングステン基超硬合金（以下、ＷＣ基超硬合金という）からなる工具基体の表面に、スパッタ法、プラズマ法等により高硬度の立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）層を被覆した切削工具が知られている。
しかし、従来の切削工具では、ｃＢＮ層に残留する内部応力が大きいために、ＷＣ基超硬合金製の工具基体の表面からｃＢＮ層が剥離しやすく、工具寿命が短いという問題があった。
そこで、特許文献１〜３に示すように、ＷＣ基超硬合金基体とｃＢＮ層との間に、中間層を形成することによりｃＢＮ層の剥離を防止することが試みられており、例えば、特許文献１では、ＴｉＮを、また、特許文献２では、六方晶窒化ほう素（以下、ｈＢＮで示す）を、さらに、特許文献３では、ほう化アルミニウム、ほう窒化アルミニウムを中間層として形成することにより、ｃＢＮ層の剥離を防止し、工具の長寿命化を図っているが、ＷＣ基超硬合金基体とｃＢＮ層との付着強度は未だ十分であるとは言えない。

また、硬質層の成膜法としては、物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法等がよく知られているが、近年、他の成膜法としてＡｅｒｏｓｏｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（以下、ＡＤで示す）法が開発され、このＡＤ法を利用して工具基体表面へ硬質層を成膜した表面被覆切削工具についても注目されている。
ＡＤ法については、非特許文献１に紹介されているが、図１に示されるＡＤ装置において、サブミクロンオーダーの原料超微粒子をエアロゾル発生器に装填し、高圧ガスと混合、エアロゾル化し、中〜低真空に排気された成膜チャンバー内の基板に高速で吹き付けることで金属、セラミックス層を成膜するコーティング手法である。
ＡＤ法の成膜の原理は、「常温衝撃固化現象」と命名されており、特にセラミックスの成膜においては、特定範囲のサイズを持つ微細な粒子がノズルからガスと共に送られた際に得る一定範囲の運動エネルギーを持って基板に衝突する際に、微細結晶に破砕し、この粒子同士が緻密に結合しながら膜を形成するというものである。
このＡＤ法による成膜の特徴としては、
（イ）金属やセラミックス（酸化物、非酸化物）の成膜が可能である。
（ロ）高温の熱処理が不要なため、通常の焼結プロセスでは得られない原料粉組成を維持した熱非平衡なセラミックス組織が得られる。
（ハ）高速（条件によってはＰＶＤ、ＣＶＤの３０倍以上）かつ大面積で緻密な微結晶組織を持つコーティングが可能である。
（ニ）基板は、硬度や弾性率などの機械特性に配慮すれば、Ｓｉ，ＳＵＳ３０４，樹脂，ガラスなど広く選択可能である。
等が挙げられる。

例えば、特許文献４には、上記ＡＤ法の具体的な適用例として、Ａｌ_２Ｏ_３と他のセラミックス（例えば、ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ，ＡｌＮ，Ｃ，ＢＮ）材料との複合層をＡＤ法によって形成することにより、ステンレス鋼、合金鋼の切削ですぐれた切削性能を示す表面被覆切削工具が得られることが述べられている。

特開２００４−３３８０４１号公報 特開平８−１４４０４５号公報 特公平５−２６８６８号公報 特開２００６−１３１９９２号公報

「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｏｌｏｇｙ」Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．２（２００８）ｐ．１３０〜１３８

ＷＣ基超硬合金基体表面に、硬質被覆層として、従来の中間層、ｃＢＮ層を被覆形成した表面被覆切削工具においては、特に、高熱発生を伴う高速切削条件下では、ＷＣ基超硬合金基体と被覆層との付着強度が十分でないために、チッピング、剥離が発生しやすく、これを原因として工具寿命が短いものとなっていた。
そこで、本発明では、ＷＣ基超硬合金製の工具基体表面工具基体との付着強度にすぐれる複合中間層を介するとともに、内部応力の緩和された複合硬質層を形成することにより、焼入鋼等の高硬度鋼の高速切削加工において、耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれ、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明者等は、ＷＣ基超硬合金基体と複合硬質層との間に介在形成する複合中間層について種々研究を行ったところ、次の知見を得た。
まず、ＷＣ基超硬合金基体と複合硬質層との間に、ｃＢＮと炭化タングステン（ＷＣ）との混合相からなる複合中間層を介在形成すると、該複合中間層は、ＷＣ基超硬合金基体に対してすぐれた付着強度を有するとともに、複合中間層中に含有されているｃＢＮ粒子から複合硬質層のｃＢＮ相がエピタキシャル成長するため、複合中間層は、複合硬質層に対してもすぐれた付着強度を有し、その結果、ＷＣ基超硬合金基体と複合硬質層との間にｃＢＮとＷＣとの複合中間層を介在形成することにより、複合硬質層のＷＣ基超硬合金基体に対する付着強度は大幅に向上することを見出した。
さらに、該複合中間層におけるｃＢＮとＷＣの含有比率を層厚方向に沿って組成傾斜構造とした場合（ｃＢＮについては、ＷＣ基超硬合金基体側から複合硬質層側へ向かうにしたがって次第に大きくなり、一方、ＷＣについては、ＷＣ基超硬合金基体側から複合硬質層側へ向かうにしたがって次第に小さくなる）には、ＷＣ基超硬合金基体−複合中間層−複合硬質層間における熱膨張差が縮小し、熱膨張差に起因する複合硬質層の剥離を防止することができる。
次に、複合硬質層をｃＢＮの単一相ではなく、ｃＢＮ相とｈＢＮ相とアモルファスＢＮ（以下、ａＢＮで示す）の複合硬質層として構成した場合には、複合硬質層内で発生した内部応力をｈＢＮ相、ａＢＮ相が緩和するため、複合硬質層内の内部応力を低減することができ、さらに、ｈＢＮ相、ａＢＮ相は潤滑性を有するため、高硬度鋼の高速切削において、溶着発生を抑制し切削抵抗を低減できることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体（ＷＣ基超硬合金基体）の表面に、膜厚０．５〜１０μｍの立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）相、六方晶窒化ほう素（ｈＢＮ）相およびアモルファス窒化ほう素（ａＢＮ）相の混合相からなる複合硬質層が形成された表面被覆切削工具において、
上記工具基体と上記複合硬質層との間に、膜厚０．５〜５μｍの立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）と炭化タングステン（ＷＣ）の混合相からなる複合中間層が形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 上記複合中間層を構成する立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）と炭化タングステン（ＷＣ）の含有比率は、立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）については、工具基体側から複合硬質層側へ向かうにしたがって次第に大きくなり、一方、炭化タングステン（ＷＣ）については、工具基体側から複合硬質層側へ向かうにしたがって次第に小さくなる組成傾斜構造を備えていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

本発明について、以下に説明する。

本発明では、ＷＣ基超硬合金基体と、ｃＢＮ相、ｈＢＮ相およびａＢＮ相の混合相からなる複合硬質層との間に、ｃＢＮとＷＣとの混合相からなる複合中間層を形成するが、その成膜法としては、前記ＡＤ法により成膜することができる。
まず、本発明の複合中間層のＡＤ法による成膜の概要を図１により説明する。
図１において、例えば、粒径が０．１〜１．０μｍのｃＢＮ粉末、粒径が０．１〜１．０μｍのＷＣ粉末を、それぞれエアロゾル発生器内に充填し、これを高圧ガス（Ｈｅ，Ａｒ，Ｎ_２あるいは空気）と混合し、エアロゾル化し、中、低真空圧の成膜チャンバー内のＷＣ基超硬合金基体に高速で吹き付けることで、ＷＣ基超硬合金基体上にｃＢＮとＷＣとの所望の含有比率からなる複合中間層を成膜することができる。

請求項２に係る本発明においては、上記ＡＤ法を利用して成膜するにあたり、複合中間層の成膜初期段階では、原料微粒子粉末中のＷＣ含有比率が高くなるように、また、複合中間層の成膜後期段階では、原料微粒子粉末中のｃＢＮ含有比率が高くなるように、それぞれのエアロゾル発生器内のガス圧を調節することにより、ＷＣ基超硬合金基体側ではＷＣ含有比率が高く、また、表層側（複合硬質層側）ではｃＢＮの含有比率が高くなる組成傾斜構造を備える複合中間層を成膜する。
複合中間層に上記組成傾斜構造を形成した場合、ＷＣ基超硬合金基体側ではＷＣ含有比率が高く、ｃＢＮ含有比率が低くなっているため、ＷＣ基超硬合金基体との密着性に優れ、一方、複合中間層の表層（複合硬質層）側では、ｃＢＮ含有比率が高く、ＷＣ含有比率が低くなっているため、硬質であって耐摩耗性に優れ、さらに、複合硬質層のｃＢＮ相は、複合中間層に含有されるｃＢＮ粒子からエピタキシャル成長しやすいことから、複合中間層と複合硬質層の付着強度も高められる。

本発明の複合中間層は、その膜厚が０．５μｍ未満であると、複合硬質層の成膜時に発生する圧縮応力を緩和する効果が少ないため、ＷＣ基超硬合金基体と複合中間層界面での十分な付着強度を得ることができず、一方、複合中間層の膜厚が５μｍを超えると、複合中間層の強度が弱いため工具寿命の低下を招くことになるので、複合中間層の膜厚は、０．５〜５μｍと定めた。

ＷＣ基超硬合金基体に、例えば、ＡＤ法により、所定膜厚、所定組成傾斜構造の上記複合中間層を形成した後、その表面に、ｃＢＮ相、ｈＢＮ相およびａＢＮ相の混合相からなる複合硬質層を、例えば、マグネトロンスパッタ法により、０．５〜１０μｍの膜厚に形成する。
図２に、マグネトロンスパッタ装置の概略を示す。
例えば、図２において、ｈＢＮをターゲットとしたマグネトロンスパッタ装置と高周波バイアス装置からなる反応容器を所定真空度に排気し、その後、ＡｒとＮ_２の混合ガスを導入し、所定作動圧に制御し、その表面に複合中間層が形成されているＷＣ基超硬合金基体を所定温度（約４５０℃）に保持しながら、ターゲット側に５００Ｗ、ＷＣ基超硬合金基体側に６０Ｗ（自己バイアス電位＝−１５０Ｖ）の同周波数の高周波を印加し、プラズマ放電を発生させることにより、複合中間層上に、ｃＢＮ相、ｈＢＮ相およびａＢＮ相の混合相からなる複合硬質層を成膜する。
図３に、ＷＣ基超硬合金基体、複合中間層および複合硬質層からなる本発明の表面被覆切削工具の断面概略模式図を示す。

複合硬質層は、高硬度で耐摩耗性にすぐれるばかりか、特にその構成相であるｃＢＮ相が、複合中間層中のｃＢＮ粒子からエピタキシャル成長するため複合中間層との付着強度が高く、結果として、ＷＣ基超硬合金基体に対する付着強度も向上する。
さらに、複合硬質層はｃＢＮ単一相ではなく、ｃＢＮ相、ｈＢＮ相とａＢＮ相の混合相からなるため、複合硬質層内で発生した内部応力をｈＢＮ相、ａＢＮ相が緩和・低減する作用を有し、また、ｈＢＮ相、ａＢＮ相は潤滑性を有するため、切削抵抗を低減するとともに溶着発生を抑制できる。

上記のとおり、本発明の表面被覆切削工具は、ＷＣ基超硬合金基体の表面に、ｃＢＮとＷＣとからなる複合中間層、あるいは、組成傾斜構造を有するｃＢＮとＷＣとからなる複合中間層が形成され、その上に、ｃＢＮ相、ｈＢＮ相とａＢＮ相の混合相からなる複合硬質層が形成されていることによって、高硬度で耐摩耗性にすぐれるばかりか、ＷＣ基超硬合金基体との付着強度も大であり、さらに、潤滑性、耐溶着性にもすぐれるため、高熱発生を伴い溶着を生じやすい高硬度鋼の高速切削においても、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、工具寿命の延命化が図られるのである。

本発明の表面被覆切削工具の複合中間層を成膜するためのＡＤ（エアロゾルデポジッション）装置を示し、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は成膜チャンバー内上部の概略平面図である。 本発明の表面被覆切削工具の複合硬質層を成膜するためのマグネトロンスパッタ装置の概略図である。 本発明の表面被覆切削工具の層構造を示す概略模式図である。

以下に、本発明の表面被覆切削工具を実施例に基づいて説明する。

原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで９６時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度２５°のホーニング加工を施し、仕上げ研磨を施すことにより、いずれもＷＣ基超硬合金からなり、かつＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金基体１〜１０を製造した。

ついで、上記のＷＣ基超硬合金基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるＡＤ装置の成膜チャンバー内の公転軸に装着し、
まず、粒径が０．１〜１．０μｍのｃＢＮ粉末と、粒径が０．１〜１．０μｍのＷＣ粉末を、それぞれ、エアロゾル発生器に装入し、粉末の凝集を防ぐため、エアロゾル発生器の下の振動機を振動させながらエアロゾル発生器にガスを流し、（かつ、組成傾斜構造を形成する場合には、ｃＢＮおよびＷＣ粉末が入ったエアロゾル容器内のガス圧を調整しつつ、）Ａｒガスを用いて、ガス圧力８０〜２００Ｐａ、ガス搬入速度２〜１５Ｌ／ｍｉｎで原料粉末を混合し、成膜チャンバー内の超硬合金基体に所定時間ノズルから吹きつけ、また、ノズルを１〜５ｍｍ／ｓｅｃで移動させることにより、ＷＣ基超硬合金基体表面に、表２に示す所定膜厚、所定組成、所定組成傾斜構造を有する本発明の複合中間層を成膜した。

ついで、その表面に上記複合中間層を成膜したＷＣ基超硬合金基体を、図２に示されるマグネトロンスパッタ装置の反応容器内に装着し、反応容器を１０^−７Ｔｏｒｒまで排気した後、ＡｒとＮ_２の混合ガス（Ａｒ／Ｎ_２＝５０％）を導入し、作動圧を２５×１０^−２Ｔｏｒｒになるように制御し、ＷＣ基超硬合金基体を４５０℃に保持しながら、ｈＢＮからなるターゲット側に５００Ｗ、ＷＣ基超硬合金基体側に６０Ｗ（自己バイアス電位＝−１５０Ｖ）の同周波数の高周波を印加し、プラズマ放電を発生させることにより、ＷＣ基超硬合金基体の複合中間層上に、ｃＢＮ相、ｈＢＮ相およびａＢＮ相の混合相からなる複合硬質層を、表２に示す所定膜厚、所定相割合で成膜することで、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状の本発明表面被覆切削工具１〜１０（以下、本発明工具１〜１０という）を作製した。

比較のため、実施例で使用したＷＣ基超硬合金基体１〜５に対して、ＡＤ法により、所定膜厚、所定組成（および所定組成傾斜構造）を有するｃＢＮとＷＣとの混合相からなるｃＢＮ−ＷＣ層（本発明の複合中間層に相当）のみを成膜した表３に示す比較例表面被覆切削工具１〜５（比較例工具１〜５という）を作製した。
また、さらに比較のため、実施例で使用したＷＣ基超硬合金基体６〜１０に対して、マグネトロンスパッタ法により、所定膜厚、所定相割合のｃＢＮ相、ｈＢＮ相およびａＢＮ相の混合相からなる複合硬質層のみを成膜した表３に示す比較例表面被覆切削工具６〜１０（比較例工具６〜１０という）を作製した。

なお、上記本発明工具１〜１０の複合中間層の組成、組成傾斜構造および複合硬質層の相割合、さらに、上記比較例工具１〜５のｃＢＮ−ＷＣ層（本発明の複合中間層に相当）の組成、組成傾斜構造については、オージェ電子分光法により測定した。
また上記本発明工具１〜１０を切断し、断面の複合硬質層を透過型電子顕微鏡により観察し、柱状のｃＢＮを確認し、複合硬質層に占めるｃＢＮ相の割合を算出し、それをｃＢＮの面積割合とした。
また、上記本発明工具１〜１０および上記比較例工具１〜１０の各層の膜厚については、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定し、５ヶ所の測定値の平均値として求めた。
これらの測定値を、表２、表３に示す。

上記の本発明工具１〜１０および比較例工具１〜１０を用い、以下の切削条件で切削加工試験を実施した。
《切削条件１》
被削材： ＪＩＳ・ＳＵＪ２（硬さＨＲＣ：６０）の丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み： ０．２０ｍｍ、
切削時間： ５分
の条件での、焼入れ軸受鋼の乾式連続切削加工試験、
《切削条件２》
被削材： ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０ 硬さＨＲＡ：６２）のの丸棒、
切削速度： ２３０ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ０．１０ ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み： ０．２０ ｍｍ、
切削時間： ５分
の条件での、高硬度クロム鋼の乾式高速断続切削加工試験、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに、チッピング、剥離の有無を観察した。
上記切削条件１，２による切削加工試験の測定結果を表４に示した。

表４に示される結果から、本発明工具１〜１０は、ＷＣ基超硬合金基体表面に、ｃＢＮとＷＣの混合相からなる（組成傾斜構造を有する）複合中間層を介して、ｃＢＮ相、ｈＢＮ相およびａＢＮ相の混合相からなる複合硬質層を被覆したことにより、チッピング、剥離の発生を招くことなくすぐれた耐摩耗性を示し、特に、複合中間層が組成傾斜構造を有する場合には、一段とすぐれた耐摩耗性を示す。
これに対して、比較例工具１〜１０においては、チッピング、剥離の発生あるいは耐摩耗性不足等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の表面被覆切削工具は、焼入鋼等の高硬度鋼の高速切削に用いた場合に好適であるが、他の被削材の切削加工に用いることも勿論可能であり、さらに、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (2)

1. 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、膜厚０．５〜１０μｍの立方晶窒化ほう素相、六方晶窒化ほう素相およびアモルファス窒化ほう素相の混合相からなる複合硬質層が形成された表面被覆切削工具において、
   上記工具基体と上記複合硬質層との間に、膜厚０．５〜５μｍの立方晶窒化ほう素と炭化タングステンの混合相からなる複合中間層が形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 上記複合中間層を構成する立方晶窒化ほう素と炭化タングステンの含有比率は、立方晶窒化ほう素については、工具基体側から複合硬質層側へ向かうにしたがって次第に大きくなり、一方、炭化タングステンについては、工具基体側から複合硬質層側へ向かうにしたがって次第に小さくなる組成傾斜構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。

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