JP5515734B2

JP5515734B2 - 表面被覆切削工具

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Publication number: JP5515734B2
Application number: JP2009294235A
Authority: JP
Inventors: 英彰高島; 秀充高岡; 晃長田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: JP2011131348A

Description

本発明は、例えば、チタン合金等の難削材の切削加工において、炭化ホウ素（以下、Ｂ_４Ｃで示す）と、アルミナ（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す），窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）および炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）のうちの少なくともいずれか１種とからなる付着強度、靭性、耐摩耗性にすぐれた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、硬質薄膜の成膜法としては、物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法等がよく知られており、工具基体の表面に、これらの成膜法で硬質膜を被覆形成することにより、耐摩耗性を向上させるとともに表面被覆切削工具の長寿命化が図られている。
例えば、特許文献１に示されるように、超硬合金からなる工具基体の表面にＰＶＤ法により高硬度のＢ_４Ｃ被覆層を形成した表面被覆切削工具において、工具基体とＢ_４Ｃ層との付着強度を高めるために、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層等からなる下地層を介在形成することが提案されている。

硬質薄膜の他の成膜法としては、近年、エアロゾルデポジション（ＡｅｒｏｓｏｌＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ。以下、ＡＤで示す）法が開発され、このＡＤ法を利用して、工具基体表面に硬質膜を成膜する表面被覆切削工具について注目されている。
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、セラミックス膜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。

上記ＡＤ法の具体的な適用例として、例えば、特許文献２には、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）材料との複合膜をＡＤ法によって形成することにより、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。
また、特許文献３には、ダイヤモンド微粒子とセラミック（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＡｌＳｉＮＯ，ＳｉＣ，ＴａＣ，Ｂ_４Ｃ，ＢＮ，ＳｉＮ，Ｙ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，ＭｇＯ）粒子との複合膜をＡＤ法によって形成することにより、密着性にすぐれ、Ａｌ合金の切削ですぐれた耐摩耗性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。
また、特許文献４には、ＡＤ法によってダイヤモンド膜を形成したダイヤモンド被覆工具が示され、このダイヤモンド被覆工具は摩擦係数が小さく耐摩耗性に優れることが述べられている。
しかし、特許文献２に示される表面被覆切削工具はチタン合金など難削材の切削において、耐摩耗性が十分とはいえない。また、特許文献３、４に示されるものは、チタン合金などの硬質材料の切削時に、チッピングが起こりやすいことから、チタン合金の切削には適さない。上記の観点から、チタン合金などの硬質材料の切削には、硬質皮膜に硬さと靭性が求められる。
特許文献５では、窒素を含むＤＬＣ膜を最外層をとし、周期律表ΙＶａ，Ｖａ，ＶΙａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、並びにＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ及びこれらの化合物、混合物からなる中間層から構成される表面被覆切削工具について述べられている。特許文献５に示される表面被覆切削工具はチタン合金など難削材の切削において、耐摩耗性が十分とはいえない。

特許２８４１７４９号明細書特開２００６−１３１９９２号公報特開２００９−６２６０７号公報特開２００８−１９４６４号公報特開平１１−２９１１０３号公報

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

本発明は、高電圧・高温・真空装置を必要とせず、作製コストの低減を図るとともに、チタン合金等の難削材の切削加工にあたり、ＡＤ法により膜の組成を変調させて成膜することにより、付着強度、靭性、耐摩耗性にすぐれ、かつ、長期の使用に亘りすぐれた切削性能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を提供することを目的とする。

本発明者等は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）のうちの少なくともいずれか１種とからなる複合硬質膜に着目し、ＡＤ法によってこれを成膜することにより、工具基体との密着性に優れた複合硬質膜が形成される。アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が靭性および耐酸化性に優れ，炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）が硬さに優れ、窒化チタン（ＴｉＮ）がアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の中間に位置することから、切削目的により３種類の混合粉末の組成を任意に調整することで、靭性、耐酸化性、硬さを併せ持ちかつ切削目的に応じた複合皮膜を形成することができる。さらに、超硬合金焼結体、ｃＢＮ焼結体、サーメットあるいは高速度鋼等を工具基体とし、その表面にＡＤ法で複合硬質膜を成膜するにあたり、工具基体の表面と平行な複合硬質膜の平面における炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の占有線分と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の占有合計線分をその膜厚方向に沿って調整し、線分比率傾斜構造の複合硬質膜とすることによって、付着強度、靭性および耐摩耗性にすぐれたチタン合金等の難削材の切削加工に好適な表面被覆切削工具が得られることを見出したのである。ここで、本発明でいう「占有線分」、「占有合計線分」及び「線分比率」は、次のように定義する。即ち、「占有線分」とは、工具基体の表面と平行な複合硬質膜の平面における基準長さの線分に占める粉末の占める線分の長さであり、「占有合計線分」とは、工具基体の表面と平行な複合硬質膜の平面における基準長さの線分に占めるアルミナ、炭化チタン及び炭窒化チタンの占有線分の合計であり、「線分比率」とは、工具基体の表面と平行な複合硬質膜の平面における基準長さの線分に占める各粉末の「占有線分」の割合である。例えばＢ_４Ｃの線分比率は「炭化ホウ素の占有線分／（炭化ホウ素の占有線分＋占有合計線分（＝アルミナ＋炭化チタン＋炭窒化チタンの占有線分））」で示される。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）工具基体の表面に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）のうちの少なくともいずれか１種と炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）との複合硬質膜が1〜１５μｍの膜厚で被覆形成された表面被覆切削工具であって、工具基体の表面と平行な上記複合硬質膜の炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の線分比率と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の合計線分比率とを比較したとき、工具基体側ではアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の合計線分比率が高く、また、表層側では炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の線分比率が高くなる線分比率傾斜構造を備えていることを特徴とする表面被覆切削工具。」
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、複合硬質膜を形成する工具基体としては、炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料、高速度工具鋼等の、既によく知られている各種切削工具基体材料を用いることができる。
本発明では、上記工具基体表面に、前記ＡＤ（ＡｅｒｏｓｏｌＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により複合硬質膜を成膜する。
まず、本発明の複合硬質膜の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の炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）粉末と、粒径が０．１〜１．０μｍのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末，窒化チタン（ＴｉＮ）粉末および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）粉末の何れか１種以上を、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基板に高速で吹き付けることで、基板上に炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）のうちの少なくともいずれか１種との所望の線分比率を有する複合膜を成膜することができる。

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、複合硬質膜の下部層を形成する成膜初期段階では、原料微粒子粉末中のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末，窒化チタン（ＴｉＮ）粉末および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）粉末の何れか１種以上からなる粉末の比率が高くなるように、また、複合硬質膜の上部層を形成する成膜後期段階では、原料微粒子粉末中の炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）粉末の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、工具基体の表面と平行な上記複合硬質膜の平面で観察した場合、工具基体側ではアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の合計線分比率が高く、また、表層側では炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の線分比率が高く、かつ、線分比率傾斜構造を備える複合硬質膜を成膜する。
なお、本発明の複合硬質膜は、その焼結性を高めるために、成膜後、真空中での熱処理などを行ってもよい。
本発明の複合硬質膜は、工具基体側ではアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の合計線分比率が高く、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）線分比率が低くなっているため、工具基体との密着性に優れ、かつ、靭性に優れる。
一方、複合硬質膜の表層側では炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の線分比率が高く、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の合計線分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る。
本発明の複合硬質膜は、その膜厚が1μｍ未満であると、すぐれた耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮することはできず、一方、その膜厚が１５μｍを超えると、膜内に発生した残留応力により、剥離やチッピングが生じやすくなるため、複合硬質膜の膜厚は、1〜１５μｍと定めた。

図２に示すように、上記の線分比率傾斜構造を有する本発明の複合硬質膜の具体例としては、例えば、
工具基体表面から順に、０．５〜２μｍの層厚を有する第１層、0〜５μｍの層厚を有する第２層および０．５〜１０μｍの層厚を有する第３層を形成し、
第１層では、[炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の占有線分]：[アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の占有合計線分]＝１：９〜３：７の比率とし、
第２層では、[炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の占有線分]：[アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の占有合計線分]＝３：７〜５：5の比率とし、
第３層では、[炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の占有線分]：[アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の占有合計線分]＝５：５〜７：３の比率とし、かつ、
第１層、第２層および第３層の各層のなす界面においても、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の占有線分と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の占有合計線分が線分比率傾斜構造を有し、かつ各層内においても同様の傾斜構造を有することから、膜全体として傾斜構造を有する複合硬質膜構造が挙げられる。

上記のとおり、本発明の表面被覆切削工具は、工具基体の表面に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）のうちの少なくともいずれか１種と炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）との複合硬質膜が形成され、かつ、複合硬質膜中のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ），炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の占有合計線分と、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の占有線分は、工具基体側ではアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化チタン（ＴｉＮ），炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の合計線分比率が高く、一方、表層側では炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の線分比率が高くなる線分比率傾斜構造を備えているので、複合硬質膜全体として、硬さ、靭性、付着強度に優れ、特に、チタン合金等の難削材の切削加工において、すぐれた付着強度、靭性、耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するとともに、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硬質膜を成膜するための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膜の層構造の一例を示す。

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。
なお、ここでは工具基体材料として超硬合金基体を使用したが、工具基体としては、ｃＢＮ焼結体、サーメットあるいは高速度鋼等の通常用いられる工具基体を使用することがもちろん可能である。

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超硬合金基体１〜１０を製造した。

ついで、上記の超硬合金基体を、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Ｂ_４Ｃ粉末と、表２に示される配合率で混合された粒径が０．１〜１．０μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末，ＴｉＮ粉末，ＴｉＣＮ粉末との原料微粒子を、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、Ａｒガスを用いて、合計ガス圧力を３００Ｐａ、ガス搬入速度５Ｌ／ｍｉｎで原料微粒子をエアロゾル化した。Ｂ_４Ｃ粉末とＡｌ_２Ｏ_３粉末，ＴｉＮ粉末，ＴｉＣＮ粉末の膜内の構成比率を調整するため、成膜初期の第１層ではＢ_４Ｃの粉末が入ったエアロゾル発生器に入るガスの流量を５―４０Ｐａに設定し、膜内のＢ_４Ｃの構成比率を低く設定した。また第２層では４０―１３０Ｐａに設定し、膜内のＢ_４Ｃの構成比率を設定した。第３層では第２層では１３０―１７０Ｐａに設定し、膜内のＢ_４Ｃの構成比率が高くなるように設定した。エアロゾル化したＢ_４Ｃ粉末とＡｌ_２Ｏ_３粉末，ＴｉＮ粉末，ＴｉＣＮ粉末の混合粉末を成膜炉の直前で混合し、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、かつ、ノズルを５ｍｍ／ｓｅｃで移動させることにより、工具基体表面に、表３および図２に示される所定膜厚、所定のＢ_４Ｃ／（Ａｌ_２Ｏ_３＋ＴｉＮ＋ＴｉＣＮ）比率の複合膜（図２では、第１層，第２層，第３層として示す）を、Ｂ_４ＣおよびＡｌ_２Ｏ_３粉末，ＴｉＮ粉末，ＴｉＣＮ粉末が入ったエアロゾル容器内のガス圧を調整することで形成し、
ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状の表２に示される本発明複合硬質膜被覆工具１〜１０（以下、本発明工具１〜１０という）を作製した。

比較のため、実施例で使用した超硬合金基体１〜１０の上に、膜厚が１．０―４．５μｍであるＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３膜を成膜し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状の表４に示される比較例複合硬質膜被覆工具１〜１０（以下、比較例工具１〜１０という）を作製した。

上記本発明工具１〜１０の層厚方向の線分比率を、オージェ電子分光により工具基体表面と平行な複合硬質膜の平面について線分析し、基準長さの線分に占める元素構成より、工具基体表面と平行な複合硬質膜の平面における各粉末の占有線分を算出し、それぞれの粉末の線分比率を算出したところ、それぞれ図２に示される目標とするＢ_４Ｃ／（Ｂ_４Ｃ＋Ａｌ_２Ｏ_３＋ＴｉＮ＋ＴｉＣＮ）線分比率と実質的に同じ値を示した。
表３に層厚方向のＢ_４Ｃ／（Ｂ_４Ｃ＋Ａｌ_２Ｏ_３＋ＴｉＮ＋ＴｉＣＮ）線分比率を示す。
また、本発明工具１〜１０の膜厚を走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。
これらの測定値を、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：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＢ３１０）の丸棒、
切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：０．１０ｍｍ、
切削時間：５分
の条件での、Ｔｉ合金の乾式高速連続切削加工試験、
《切削条件２》
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＢ３１０）の丸棒、
切削速度：１１０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：０．１５ｍｍ、
切削時間：５分
の条件での、Ｔｉ合金の湿式高速連続切削加工試験、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件１，２による切削加工試験の測定結果を表５に示した。

表５に示される結果から、本発明工具１〜１０は、複合硬質膜がＡｌ_２Ｏ_３，ＴｉＮ，ＴｉＣＮのうちの少なくともいずれか１種と、Ｂ_４Ｃとの複合膜として構成され、かつ、工具基体側ではＡｌ_２Ｏ_３，ＴｉＮ，ＴｉＣＮの合計線分比率が高く、また、表層側ではＢ_４Ｃの線分比率が高くなる線分比率傾斜構造を備えていることから、チタン合金等の難削材の切削加工では、硬質被覆層がすぐれた付着強度、高温硬さ、靭性を備え、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、比較例工具１〜１０においては、付着強度不足、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、この発明の複合硬質膜を被覆形成した表面被覆切削工具は、チタン合金等の難削材の切削加工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

工具基体の表面に、アルミナ，窒化チタンおよび炭窒化チタンのうちの少なくともいずれか１種と炭化ホウ素との複合硬質膜が１〜１５μｍの膜厚で被覆形成された表面被覆切削工具であって、工具基体の表面と平行な上記複合硬質膜の平面における炭化ホウ素の占有線分と、アルミナ、窒化チタン及び炭窒化チタンの占有合計線分を比較したとき、工具基体側ではアルミナ、窒化チタン及び炭窒化チタンの占有合計線分比率が高く、また、表層側では炭化ホウ素の占有線分比率が高くなる線分比率傾斜構造を備えていることを特徴とする表面被覆切削工具。