表面被覆切削工具
【課題】 逃げ面における突発欠損を抑制しつつ、すくい面での被膜の酸化を抑制して耐摩耗性を向上させて溶着や境界損傷が発生しやすい切削条件においても工具寿命が長い切削工具を提供する。
【解決手段】 基体の表面にＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被膜が被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする表面被覆切削工具であって、前記被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことによって、すくい面における溶着や摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における境界損傷を抑制することができる。
【解決手段】 基体の表面にＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被膜が被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする表面被覆切削工具であって、前記被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことによって、すくい面における溶着や摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における境界損傷を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基体の表面に被膜を成膜してなる表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、表面被覆切削工具では耐摩耗性や摺動性、耐欠損性が必要とされるため、ＷＣ基超硬合金やＴｉＣＮ基サーメット等の硬質基体の表面に様々な被膜を成膜して表面被覆工具の耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。
【０００３】
かかる被膜として、ＴｉＣＮ層やＴｉＡｌＮ層が一般的に広く採用されているが、より高い耐摩耗性と耐欠損性の向上を目的として種々な被膜が開発されつつある。
【０００４】
例えば、特許文献１では、ＴｉＡｌ複合化合物層のエッジ部におけるＴｉ／Ａｌ比をエッジ部以外の部位におけるＴｉ／Ａｌ比よりも高くすることによって、耐摩耗性に優れた切削性能を示す切削工具となることが開示されている。また、特許文献２では、すくい面における被膜の膜厚を０．５〜２．０μｍ、逃げ面における皮膜の膜厚を１〜４μｍと、すくい面における層厚よりも厚くするとともに、逃げ面における膜厚が切刃に向かって薄くなる構成とすることによって、被膜のチッピングを抑制できることが開示されている。
【特許文献１】特開平８−２６３７０６号公報
【特許文献２】特開２００１−３４７４０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のようにエッジ部とエッジ部以外の部位におけるＴｉ／Ａｌ比を変える方法では、通常の一般的な切削条件においては耐摩耗性が向上するものの、切削条件によっては逃げ面における靭性が低下して逃げ面に突発的に境界損傷が発生することがあり、耐欠損性の向上が望まれていた。また、高速切削等の切削条件においてはすくい面にて切削された高温の切屑が接触しながら通過するためにすくい面における被膜の酸化が進行して、溶着や摩耗が激しくなることがあった。
【０００６】
また、特許文献２のように単純に逃げ面における層厚をすくい面における膜厚よりも厚くした構成では、断続加工やフライス加工のような加工条件においては逃げ面における耐欠損性が悪くて突発的な境界損傷が発生しやすくなり、工具寿命が安定しないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、逃げ面における突発欠損を抑制しつつ、すくい面での被膜の酸化を抑制して耐摩耗性を向上させて溶着や境界損傷が発生しやすい切削条件においても工具寿命が長い切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の表面被覆工具は、基体の表面にＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被膜が被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする表面被覆切削工具であって、前記被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことを特徴とする。
【０００９】
このとき、前記すくい面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｒ、前記逃げ面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｆとしたとき、Ｔｉｆ／Ｔｉｒが１．０３〜１．５であることが望ましい。
【００１０】
また、上記構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚よりも大きいことが望ましい。また、この構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚に対して１．５倍以上であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の表面被覆工具は、被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことが大きな特徴であり、これによって、すくい面における被膜の耐酸化性が高くて、酸化による溶着や摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における被膜の耐欠損性が高くて突発的に発生する境界損傷を抑制することができる結果、溶着や欠損の発生しやすい切削条件においても長寿命な切削工具とするができる。
【００１２】
ここで、上記構成において、前記すくい面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｒ、前記逃げ面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｆとしたとき、Ｔｉｆ／Ｔｉｒが１．０３〜１．５であることが、すくい面および逃げ面に求められる耐摩耗性および耐欠損性のバランスを最適化する点で望ましい。
【００１３】
また、上記構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚よりも大きいことが、逃げ面を耐欠損性が高い組成でありながら耐摩耗性に優れた構成とすることができる点で望ましい。さらに、この構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚に対して１．５倍以上、特に１．５〜２であることが、すくい面における被膜の摩耗抑制と逃げ面における境界損傷の防止とのバランスの点で望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）は、基体の表面にＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被膜が被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする構成となっている。
【００１５】
そして、本発明によれば、前記被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことが大きな特徴であり、これによって、すくい面における被膜の耐酸化性が高くて、酸化による溶着や摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における被膜の耐欠損性が高くて突発的に発生する境界損傷を抑制することができる結果、溶着や欠損の発生しやすい切削条件においても長寿命な切削工具とするができる。
【００１６】
ここで、上記構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚よりも大きいことが望ましい。また、この構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚に対して１．５倍以上であることが望ましい。
【００１７】
また、被膜は、単純なＴｉ１−ａＡｌａＮにて構成されていても良いが、例えば、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦ｘ≦１である。）にて構成されていてもよい。中でも、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなることが耐酸化性、耐摩耗性および耐欠損性を高める点で望ましい。さらには、上記組成の中でも、Ｔｉ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄＡｌａＭｂＷｃＳｉｄ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなることが望ましく、この組成領域では、酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くて切削時の耐摩耗性が向上するとともに切刃先端に発生しやすいチッピングが抑制できて耐欠損性が高いものとなる。また、金属ＭはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であるが、中でもＮｂまたはＭｏを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に最も優れる点で望ましい。
【００１８】
さらに、被膜の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被膜表面に発生するドロップレットの過剰な発生を抑制するために、ｘ（Ｃ含有比率）の特に望ましい範囲は０≦ｘ≦０．５である。なお、被膜の組成はエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。
【００１９】
ここで、前記すくい面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｒ、前記逃げ面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｆとしたとき、Ｔｉｆ／Ｔｉｒが１．０３〜１．５であることが、すくい面および逃げ面に求められる耐摩耗性および耐欠損性のバランスを最適化する点で望ましい。
【００２０】
なお、被膜中の各元素の含有比率は、透過型電子顕微鏡測定装置に備え付けられたエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析装置を用いて測定することができ、被膜中のＴｉ含有比率は各元素のピーク強度の総和とＴｉ元素のピーク強度との比率で算出される。ここで、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法におけるＴｉのＬα線のピーク（エネルギー０．４ｋｅＶ付近）についてはＮ元素のＫα線のピークと重なって正確な測定ができないために、Ｎ元素が含有される可能性がある場合にはこのピークは算出に用いるピークから外してＴｉのＫα線のピーク（エネルギー４．５ｋｅＶ付近）を用いてＴｉｒ、Ｔｉｆとも算出し、その比Ｔｉｆ／Ｔｉｒを求める。また、本発明によれば、Ｔｉｒ、Ｔｉｆの測定に際してはそれぞれ被膜の任意５箇所以上の測定値に基づいてその平均値として求めるものとする。
【００２１】
また、被膜は基体の表面に対して垂直に伸びる柱状結晶を主体とした組織からなるとともに、柱状結晶は、被膜全体のＴｉ含有比率であるＴｉｒ、Ｔｉｆの平均値をＴｉｔとしたとき、比Ｔｉａ／Ｔｉｔが１．２〜５となるＴｉ含有比率がＴｉａの富Ｔｉ柱状結晶が分散していることが望ましく、これによって、被膜内に発生する内部応力を低減して工具の耐欠損性を改善することができる。
【００２２】
しかも、上記構成によって、被膜の内部に発生する残留応力を低減できて被膜の厚みを厚くしても自己破壊することなく安定した成膜が可能であるとともに、被膜の靭性が高くて耐欠損性が向上する。そのため、上記被膜は厚膜化しても被膜がチッピングしにくく、被膜の膜厚が０．５〜６μｍであっても、被膜が剥離やチッピングすることを防止できて十分な耐摩耗性を維持することができる。
【００２３】
また、被膜中の柱状結晶の平均結晶幅に対して富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅が３倍以上であることが、被膜中の内部応力を効果的に低減することができる点で望ましい。特に、被膜中の内部応力を低減しつつ被膜の硬度を維持するためには、被膜中の柱状結晶の平均結晶幅に対して富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅が５〜３０倍の範囲であることが望ましい。また、この構成において、柱状結晶の平均結晶幅が０．０２〜０．１μｍであり、富Ｔｉ柱状結晶の平均結晶幅が０．１〜１μｍであることが、被膜中の内部応力をさらに効果的に低減することができるとともに、被膜の硬度および耐酸化性を維持できる点で望ましい。なお、被膜中の柱状結晶の結晶幅は、柱状結晶をなす被膜の中間の厚さにあたる部分に引いた線Ａにて測定する。被膜中の柱状結晶の平均結晶幅ｗｔは線Ａの１００ｎｍ以上の長さＬを特定し、この長さＬの線Ａを横切る粒界の数を数えて、長さＬ／粒界の数によって算出することができる。富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅については、同様の位置にて各富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅ｗａをそれぞれ測定する。また、本発明における柱状結晶とは基体表面と平行な方向の結晶幅に対して基体表面と垂直な方向の結晶長さが１．５倍以上長い結晶のことを指す。
【００２４】
また、上記構成において、富Ｔｉ柱状結晶が平均０．５〜１０μｍの間隔で存在することが、被膜の高硬度を維持したまま被膜中の内部応力を効果的に低減することができる点で望ましい。
【００２５】
また、基体としては、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やサーメットの他、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、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。
【００２６】
（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。
【００２７】
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、基体の表面に、被膜を成膜する。被膜の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被膜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（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用いる。
【００２８】
このとき、本発明によれば、上記金属または合金ターゲットとともに別途Ｔｉの金属または化合物ターゲットを準備し、Ｔｉターゲットはチャンバの上壁面位置に、それ以外の金属または合金ターゲットはチャンバの側壁面位置にセットし、後述の成膜条件にて成膜することによって、成膜された被膜の組成を本発明の構成とすることができる。
【００２９】
成膜条件としては、このターゲットを用いて、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（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させる条件が好適に採用できる。このとき、窒素に対するアルゴンガス流量が１：９〜４：６の割合の窒素（Ｎ２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用いて、イオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被膜を成膜する。このとき、基体のセット位置は逃げ面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットする。
【００３０】
なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で上記被膜を成膜する際には、被膜の結晶構造を考慮して高硬度な被膜を作製できるとともに基体との密着性を高めるために３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。
【実施例】
【００３１】
平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．２質量％、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．８質量％の割合で添加、混合し、刃先交換式切削工具（ＣＮＭＧ０４０８）インサート形状に成型して焼成した。そして、研削工程を経た後、アルカリ、酸、蒸留水の順によって表面を洗浄してインサート基体を作製した。
【００３２】
そして、表１に示すターゲットを装着したアークイオンプレーティング装置内に上記基体をセットし基体を５００℃に加熱して表１に示す被膜を成膜した。なお、メインターゲットはチャンバの側壁面に３個、サブターゲットはチャンバの上壁面に１個セットした。また、成膜条件は窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを総圧力４Ｐａの雰囲気中、アーク電流１５０Ａ、バイアス電圧５０Ｖとした。
【表１】
【００３３】
得られたインサートについて、キーエンス社製走査型電子顕微鏡（VE8800）を用いて倍率５００００倍にて組織観察を行い、被膜を構成する結晶の形状や膜厚（ｔｒ、ｔｆ）を確認した。また、同装置に付随のＥＤＡＸアナライザ（AMETEK EDAX-VE9800）を用いて加速電圧１５ｋＶにてエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法の一種であるＺＡＦ法により被膜の組成の定量分析を行い、すくい面と逃げ面それぞれについてＴｉとＡｌの比率であるＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）を算出した（Ｔｉｒ、Ｔｉｆ）。なお、この方法で測定できなかった元素については、ＰＨＩ社製Ｘ線光電子分光分析装置（Quantum2000）を用い、Ｘ線源はモノクロＡｌＫ（２００μｍ、３５Ｗ、１５ｋＶ）を測定領域約２００μｍに照射して測定を行った。結果は表２に示した。
【表２】
【００３４】
また、上記被膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察して組織状態を確認し、エネルギー分散分光（ＥＤＳ）分析法によって被膜を構成する結晶の組成を定量して富Ｔｉ柱状結晶の有無を確認した。また、１μｍ×５μｍの任意領域３箇所について富Ｔｉ柱状結晶の存在割合を平均間隔として算出した。結果は表３に記載した。
【００３５】
さらに、得られたインサート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３に記載した。
【００３６】
切削方法：肩削り（ミリング加工）
被削材 ：ＳＫＤ１１
切削速度：１５０ｍ／分
送り ：０．１２ｍｍ／刃
切り込み：横切り込み１０ｍｍ、深さ切り込み３ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：１０分間切削した時点で、逃げ面摩耗量と切刃におけるチッピング状態を測定。
【表３】
【００３７】
表１〜３より、ＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において同じか低い試料Ｎｏ．１１〜１３では、いずれもチッピングや摩耗の進行が早く工具寿命が短かった。
【００３８】
これに対し、ＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高い試料Ｎｏ．１〜１０では、耐欠損性と耐摩耗性が良くて切削性能に優れたものであった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は基体の表面に被膜を成膜してなる表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、表面被覆切削工具では耐摩耗性や摺動性、耐欠損性が必要とされるため、ＷＣ基超硬合金やＴｉＣＮ基サーメット等の硬質基体の表面に様々な被膜を成膜して表面被覆工具の耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。
【０００３】
かかる被膜として、ＴｉＣＮ層やＴｉＡｌＮ層が一般的に広く採用されているが、より高い耐摩耗性と耐欠損性の向上を目的として種々な被膜が開発されつつある。
【０００４】
例えば、特許文献１では、ＴｉＡｌ複合化合物層のエッジ部におけるＴｉ／Ａｌ比をエッジ部以外の部位におけるＴｉ／Ａｌ比よりも高くすることによって、耐摩耗性に優れた切削性能を示す切削工具となることが開示されている。また、特許文献２では、すくい面における被膜の膜厚を０．５〜２．０μｍ、逃げ面における皮膜の膜厚を１〜４μｍと、すくい面における層厚よりも厚くするとともに、逃げ面における膜厚が切刃に向かって薄くなる構成とすることによって、被膜のチッピングを抑制できることが開示されている。
【特許文献１】特開平８−２６３７０６号公報
【特許文献２】特開２００１−３４７４０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のようにエッジ部とエッジ部以外の部位におけるＴｉ／Ａｌ比を変える方法では、通常の一般的な切削条件においては耐摩耗性が向上するものの、切削条件によっては逃げ面における靭性が低下して逃げ面に突発的に境界損傷が発生することがあり、耐欠損性の向上が望まれていた。また、高速切削等の切削条件においてはすくい面にて切削された高温の切屑が接触しながら通過するためにすくい面における被膜の酸化が進行して、溶着や摩耗が激しくなることがあった。
【０００６】
また、特許文献２のように単純に逃げ面における層厚をすくい面における膜厚よりも厚くした構成では、断続加工やフライス加工のような加工条件においては逃げ面における耐欠損性が悪くて突発的な境界損傷が発生しやすくなり、工具寿命が安定しないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、逃げ面における突発欠損を抑制しつつ、すくい面での被膜の酸化を抑制して耐摩耗性を向上させて溶着や境界損傷が発生しやすい切削条件においても工具寿命が長い切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の表面被覆工具は、基体の表面にＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被膜が被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする表面被覆切削工具であって、前記被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことを特徴とする。
【０００９】
このとき、前記すくい面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｒ、前記逃げ面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｆとしたとき、Ｔｉｆ／Ｔｉｒが１．０３〜１．５であることが望ましい。
【００１０】
また、上記構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚よりも大きいことが望ましい。また、この構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚に対して１．５倍以上であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の表面被覆工具は、被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことが大きな特徴であり、これによって、すくい面における被膜の耐酸化性が高くて、酸化による溶着や摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における被膜の耐欠損性が高くて突発的に発生する境界損傷を抑制することができる結果、溶着や欠損の発生しやすい切削条件においても長寿命な切削工具とするができる。
【００１２】
ここで、上記構成において、前記すくい面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｒ、前記逃げ面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｆとしたとき、Ｔｉｆ／Ｔｉｒが１．０３〜１．５であることが、すくい面および逃げ面に求められる耐摩耗性および耐欠損性のバランスを最適化する点で望ましい。
【００１３】
また、上記構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚よりも大きいことが、逃げ面を耐欠損性が高い組成でありながら耐摩耗性に優れた構成とすることができる点で望ましい。さらに、この構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚に対して１．５倍以上、特に１．５〜２であることが、すくい面における被膜の摩耗抑制と逃げ面における境界損傷の防止とのバランスの点で望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）は、基体の表面にＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被膜が被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする構成となっている。
【００１５】
そして、本発明によれば、前記被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことが大きな特徴であり、これによって、すくい面における被膜の耐酸化性が高くて、酸化による溶着や摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における被膜の耐欠損性が高くて突発的に発生する境界損傷を抑制することができる結果、溶着や欠損の発生しやすい切削条件においても長寿命な切削工具とするができる。
【００１６】
ここで、上記構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚よりも大きいことが望ましい。また、この構成において、前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚に対して１．５倍以上であることが望ましい。
【００１７】
また、被膜は、単純なＴｉ１−ａＡｌａＮにて構成されていても良いが、例えば、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦ｘ≦１である。）にて構成されていてもよい。中でも、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなることが耐酸化性、耐摩耗性および耐欠損性を高める点で望ましい。さらには、上記組成の中でも、Ｔｉ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄＡｌａＭｂＷｃＳｉｄ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなることが望ましく、この組成領域では、酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くて切削時の耐摩耗性が向上するとともに切刃先端に発生しやすいチッピングが抑制できて耐欠損性が高いものとなる。また、金属ＭはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であるが、中でもＮｂまたはＭｏを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に最も優れる点で望ましい。
【００１８】
さらに、被膜の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被膜表面に発生するドロップレットの過剰な発生を抑制するために、ｘ（Ｃ含有比率）の特に望ましい範囲は０≦ｘ≦０．５である。なお、被膜の組成はエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。
【００１９】
ここで、前記すくい面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｒ、前記逃げ面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｆとしたとき、Ｔｉｆ／Ｔｉｒが１．０３〜１．５であることが、すくい面および逃げ面に求められる耐摩耗性および耐欠損性のバランスを最適化する点で望ましい。
【００２０】
なお、被膜中の各元素の含有比率は、透過型電子顕微鏡測定装置に備え付けられたエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析装置を用いて測定することができ、被膜中のＴｉ含有比率は各元素のピーク強度の総和とＴｉ元素のピーク強度との比率で算出される。ここで、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法におけるＴｉのＬα線のピーク（エネルギー０．４ｋｅＶ付近）についてはＮ元素のＫα線のピークと重なって正確な測定ができないために、Ｎ元素が含有される可能性がある場合にはこのピークは算出に用いるピークから外してＴｉのＫα線のピーク（エネルギー４．５ｋｅＶ付近）を用いてＴｉｒ、Ｔｉｆとも算出し、その比Ｔｉｆ／Ｔｉｒを求める。また、本発明によれば、Ｔｉｒ、Ｔｉｆの測定に際してはそれぞれ被膜の任意５箇所以上の測定値に基づいてその平均値として求めるものとする。
【００２１】
また、被膜は基体の表面に対して垂直に伸びる柱状結晶を主体とした組織からなるとともに、柱状結晶は、被膜全体のＴｉ含有比率であるＴｉｒ、Ｔｉｆの平均値をＴｉｔとしたとき、比Ｔｉａ／Ｔｉｔが１．２〜５となるＴｉ含有比率がＴｉａの富Ｔｉ柱状結晶が分散していることが望ましく、これによって、被膜内に発生する内部応力を低減して工具の耐欠損性を改善することができる。
【００２２】
しかも、上記構成によって、被膜の内部に発生する残留応力を低減できて被膜の厚みを厚くしても自己破壊することなく安定した成膜が可能であるとともに、被膜の靭性が高くて耐欠損性が向上する。そのため、上記被膜は厚膜化しても被膜がチッピングしにくく、被膜の膜厚が０．５〜６μｍであっても、被膜が剥離やチッピングすることを防止できて十分な耐摩耗性を維持することができる。
【００２３】
また、被膜中の柱状結晶の平均結晶幅に対して富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅が３倍以上であることが、被膜中の内部応力を効果的に低減することができる点で望ましい。特に、被膜中の内部応力を低減しつつ被膜の硬度を維持するためには、被膜中の柱状結晶の平均結晶幅に対して富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅が５〜３０倍の範囲であることが望ましい。また、この構成において、柱状結晶の平均結晶幅が０．０２〜０．１μｍであり、富Ｔｉ柱状結晶の平均結晶幅が０．１〜１μｍであることが、被膜中の内部応力をさらに効果的に低減することができるとともに、被膜の硬度および耐酸化性を維持できる点で望ましい。なお、被膜中の柱状結晶の結晶幅は、柱状結晶をなす被膜の中間の厚さにあたる部分に引いた線Ａにて測定する。被膜中の柱状結晶の平均結晶幅ｗｔは線Ａの１００ｎｍ以上の長さＬを特定し、この長さＬの線Ａを横切る粒界の数を数えて、長さＬ／粒界の数によって算出することができる。富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅については、同様の位置にて各富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅ｗａをそれぞれ測定する。また、本発明における柱状結晶とは基体表面と平行な方向の結晶幅に対して基体表面と垂直な方向の結晶長さが１．５倍以上長い結晶のことを指す。
【００２４】
また、上記構成において、富Ｔｉ柱状結晶が平均０．５〜１０μｍの間隔で存在することが、被膜の高硬度を維持したまま被膜中の内部応力を効果的に低減することができる点で望ましい。
【００２５】
また、基体としては、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やサーメットの他、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、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。
【００２６】
（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。
【００２７】
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、基体の表面に、被膜を成膜する。被膜の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被膜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（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用いる。
【００２８】
このとき、本発明によれば、上記金属または合金ターゲットとともに別途Ｔｉの金属または化合物ターゲットを準備し、Ｔｉターゲットはチャンバの上壁面位置に、それ以外の金属または合金ターゲットはチャンバの側壁面位置にセットし、後述の成膜条件にて成膜することによって、成膜された被膜の組成を本発明の構成とすることができる。
【００２９】
成膜条件としては、このターゲットを用いて、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（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させる条件が好適に採用できる。このとき、窒素に対するアルゴンガス流量が１：９〜４：６の割合の窒素（Ｎ２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用いて、イオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被膜を成膜する。このとき、基体のセット位置は逃げ面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットする。
【００３０】
なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で上記被膜を成膜する際には、被膜の結晶構造を考慮して高硬度な被膜を作製できるとともに基体との密着性を高めるために３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。
【実施例】
【００３１】
平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．２質量％、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．８質量％の割合で添加、混合し、刃先交換式切削工具（ＣＮＭＧ０４０８）インサート形状に成型して焼成した。そして、研削工程を経た後、アルカリ、酸、蒸留水の順によって表面を洗浄してインサート基体を作製した。
【００３２】
そして、表１に示すターゲットを装着したアークイオンプレーティング装置内に上記基体をセットし基体を５００℃に加熱して表１に示す被膜を成膜した。なお、メインターゲットはチャンバの側壁面に３個、サブターゲットはチャンバの上壁面に１個セットした。また、成膜条件は窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを総圧力４Ｐａの雰囲気中、アーク電流１５０Ａ、バイアス電圧５０Ｖとした。
【表１】
【００３３】
得られたインサートについて、キーエンス社製走査型電子顕微鏡（VE8800）を用いて倍率５００００倍にて組織観察を行い、被膜を構成する結晶の形状や膜厚（ｔｒ、ｔｆ）を確認した。また、同装置に付随のＥＤＡＸアナライザ（AMETEK EDAX-VE9800）を用いて加速電圧１５ｋＶにてエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法の一種であるＺＡＦ法により被膜の組成の定量分析を行い、すくい面と逃げ面それぞれについてＴｉとＡｌの比率であるＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）を算出した（Ｔｉｒ、Ｔｉｆ）。なお、この方法で測定できなかった元素については、ＰＨＩ社製Ｘ線光電子分光分析装置（Quantum2000）を用い、Ｘ線源はモノクロＡｌＫ（２００μｍ、３５Ｗ、１５ｋＶ）を測定領域約２００μｍに照射して測定を行った。結果は表２に示した。
【表２】
【００３４】
また、上記被膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察して組織状態を確認し、エネルギー分散分光（ＥＤＳ）分析法によって被膜を構成する結晶の組成を定量して富Ｔｉ柱状結晶の有無を確認した。また、１μｍ×５μｍの任意領域３箇所について富Ｔｉ柱状結晶の存在割合を平均間隔として算出した。結果は表３に記載した。
【００３５】
さらに、得られたインサート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３に記載した。
【００３６】
切削方法：肩削り（ミリング加工）
被削材 ：ＳＫＤ１１
切削速度：１５０ｍ／分
送り ：０．１２ｍｍ／刃
切り込み：横切り込み１０ｍｍ、深さ切り込み３ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：１０分間切削した時点で、逃げ面摩耗量と切刃におけるチッピング状態を測定。
【表３】
【００３７】
表１〜３より、ＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において同じか低い試料Ｎｏ．１１〜１３では、いずれもチッピングや摩耗の進行が早く工具寿命が短かった。
【００３８】
これに対し、ＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高い試料Ｎｏ．１〜１０では、耐欠損性と耐摩耗性が良くて切削性能に優れたものであった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面にＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被膜が被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする表面被覆切削工具であって、前記被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記すくい面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｒ、前記逃げ面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｆとしたとき、Ｔｉｆ／Ｔｉｒが１．０３〜１．５であることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚に対して１．５倍以上であることを特徴とする請求項３記載の表面被覆切削工具。
【請求項１】
基体の表面にＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被膜が被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする表面被覆切削工具であって、前記被膜におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記すくい面よりも前記逃げ面において高いことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記すくい面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｒ、前記逃げ面における前記被膜のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉｆとしたとき、Ｔｉｆ／Ｔｉｒが１．０３〜１．５であることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記逃げ面における前記被膜の膜厚が前記すくい面における前記被膜の膜厚に対して１．５倍以上であることを特徴とする請求項３記載の表面被覆切削工具。
【公開番号】特開２００８−２６４９７５（Ｐ２００８−２６４９７５Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１４２０９（Ｐ２００７−１１４２０９）
【出願日】平成１９年４月２４日（２００７．４．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２４日（２００７．４．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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