JP2020151805A

JP2020151805A - 硬質被覆層が優れた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具

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Publication number: JP2020151805A
Application number: JP2019052352A
Authority: JP
Inventors: 翔太近藤; Shota KONDO; 亮介山口; Ryosuke Yamaguchi; 佳祐羽富; Keisuke Hatomi
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: JP7373110B2

Abstract

【課題】ステンレス鋼等の高速連続切削加工に供した場合であっても、その被覆層が優れた靭性を備え、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供する。【解決手段】工具基体の表面に、第１層とその上部に第２層を含む複数の層が積層された硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具であって、前記硬質被覆層のうち、前記工具基材と接する前記第１層はＴｉＮ層であり、前記工具基体と前記ＴｉＮ層との界面から０．１μｍの範囲内の界面領域における前記ＴｉＮ層を構成するＴｉＮ結晶粒子の平均粒径が３０ｎｍ以下であり、該界面領域には５．０〜３５．０原子％のＣを含むことを特徴とする、表面被覆切削工具。【選択図】なし

Description

この発明は、ステンレス鋼等を、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する高速連続切削加工した場合に、硬質被覆層が優れた耐チッピング性を備え、長期の使用にわって優れた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。

切削工具の切削性能の改善を目的として、従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金等で構成された工具基体（以下、これらを総称して工具基体ということがある）の表面に、硬質被覆層を形成した被覆工具があり、これらは、優れた耐摩耗性を発揮することが知られている。
前記従来の硬質被覆層を形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速切削条件で用いた場合に、高温強度が不足し、チッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の高温強度の改善について、工具基体からの元素の拡散によりＴｉＮやＴｉＣＮ皮膜に他の元素を添加する提案がなされている。

例えば、特許文献１には、工具基体表面より２層以上被覆し、１層目の厚さを１．０〜５μｍ、２層目以降の厚さを０．５〜１０μｍとする被覆工具において、前記工具基体表面より被覆外層に向かって前記工具基体中の主成分であるＷ、Ｃｏの拡散がｘ線強度比に於いて、Ｗ強度比：０≦Ｗ／（４ａ＋５ａ＋６ａ＋Ｆｅ族）≦０．０４、Ｃｏ強度比：０≦Ｃｏ／（４ａ＋５ａ＋６ａ＋Ｆｅ族）≦０．０２の範囲内であることを特徴とする被覆工具が記載されている。

また、例えば、特許文献２には、工具基体と該工具基体上に形成された１または２以上の層を有する被覆層とを含み、前記層のうち前記工具基体と接する層は、ＴｉＮ層であり、前記ＴｉＮ層は、ＴｉＮとともにＣを含み、前記Ｃは、前記ＴｉＮ層の厚み方向に濃度分布を有しており、前記濃度分布は、前記Ｃの濃度が前記工具基体側から前記被覆層の表面側にかけて減少する領域を含み、前記濃度分布において、前記Ｃの最大濃度と最小濃度の差は、１０原子％以上である、被覆工具が記載されている。

特開平５−２３７７０７号公報特許第６０４１１６０号公報

近年の切削加工では、ステンレス鋼等の難切削材に対しても省力化および省エネ化の要求は強く、被覆工具に対する加工時の負荷が一段と高まっており、被覆工具には、より一層、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の耐異常損傷性が求められるとともに、長期の使用にわって優れた耐摩耗性が求められている。

しかし、前記特許文献１に記載された被覆工具は、ステンレス鋼等の難切削材の高速連続切削加工に供した場合には、早期に寿命に至っていた。

また、前記特許文献２に記載された被覆工具も、ステンレス鋼等の難切削材の高速連続切削加工に供した場合、満足する耐チッピング性、耐摩耗性を有していなかった。

そこで、本発明は、ステンレス鋼等の高速連続切削加工に供した場合であっても、その被覆層が優れた靭性を備え、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者は、前記特許文献１〜２に記載された被覆工具がステンレス鋼等の高速断続切削加工に供した場合に、早期に寿命に至るのかを鋭意検討したところ、工具基体と被覆層との間の密着性が十分でないことを発見し、工具基体と被覆層の密着性は、工具基体に接する被覆層部分の特定部分にのみ所定量のＣを拡散させることによりなし得るという新規な知見を得た。

本発明は、この知見に基づくものであって、
「（１）工具基体の表面に、第１層とその上部に第２層を含む複数の層が積層された硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具であって、
前記硬質被覆層のうち、前記工具基材と接する前記第１層はＴｉＮ層であり、前記工具基体と前記ＴｉＮ層との界面から０．１μｍの範囲内の界面領域における前記ＴｉＮ層を構成するＴｉＮ結晶粒子の平均粒径が３０ｎｍ以下であり、該界面領域には５．０〜３５．０原子％のＣを含むことを特徴とする、表面被覆切削工具。
（２）前記界面領域には、工具基体との界面から０．１μｍの範囲内で、前記ＴｉＮ結晶粒子の粒界に、３．０〜１５．０原子％のＣｏ、３．０〜１５．０原子％のＷの少なくとも一方を含むことを特徴とする、前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記界面領域では、前記ＴｉＮ結晶粒の粒界におけるＣの含有割合がその粒内における含有割合よりも３．０〜１０．０原子％高いことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４）前記ＴｉＮ層は、０．１〜１．０μｍの平均層厚であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記第２層として、周期表の４〜６族元素およびＡｌからなる群より選ばれた１または２以上の元素からなる炭化物層、窒化物層、酸化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、炭窒酸化物層のいずれか１層または２以上の層が、１．０〜２０．０μｍの合計層厚で形成されていることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
である。

本発明は、ステンレス鋼等の高速連続切削加工に供した場合であっても、その被覆層が優れた靭性を備え、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する。

以下、本発明について詳述する。本明細書、特許請求の範囲で「Ｘ〜Ｙ」と表記して範囲を記載する場合は、範囲の上限と下限を含むこと（すなわち、Ｘ以上Ｙ以下）を表しており、Ｘに単位の記載がなくＹにのみ単位の記載がされているときは、Ｘの単位はＹの単位と同じである。

硬質被覆層：
硬質被覆層は、第１層とその上部（工具表面側）の第２層からなり、工具基体に接する第１層はＣを含むＴｉＮ層であり、第２層は、周期表の４〜６族元素およびＡｌからなる群より選ばれた１または２以上の元素からなる炭化物層、窒化物層、酸化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、炭窒酸化物層のいずれか１層または２以上の層である。

（１）第１層：
第１層は、ＴｉＮ層であり（ここでいうＴｉＮとは、化学量論的にＴｉとＮが化合しているものに限らない）、工具基体と硬質被覆層との密着性を向上させる目的のために設けるものである。その平均層厚は０．１〜１．０μｍである。この平均層厚の範囲とした理由は、０．１μｍ未満であると第１層を設ける前記目的が達成できず、１．０μｍを超えると上部層を薄くせざるを得ず、耐摩耗性が低下するためである。

第１層であるＴｉＮ層は、前記目的を達成するために、工具基体の界面から０．１μｍまでの界面領域では、Ｃ含有量が５．０〜３５．０原子％となるようにＣが存在し、前記界面領域におけるＴｉＮ結晶粒の平均粒径が３０ｎｍ以下であることが好ましい。この理由は、前記界面領域にＣが存在することにより、ＴｉＮ結晶粒の粒径が小さくなって、工具基体中成分が拡散する経路が増加して、工具基体とＴｉＮ層との密着性が向上するためである。

すなわち、前記界面領域を工具基体の界面から０．１μｍまでの領域とする理由は、０．１μｍ未満であると第１層を設ける前記目的が達成できないためである。そして、拡散させるＣを含有量が５．０〜３５．０原子％とする理由は、５．０原子％未満では、後述する前記目的を達成するために必要なＴｉＮ結晶粒の結晶粒を３０ｎｍ以下とすることができず、また、３５．０原子％超えるとＣの含有量が過剰となり、ＴｉＮ層の靱性が損なわれるため工具寿命の低下につながるためである。

ここで、前記界面領域のＴｉＮ粒子において、その結晶粒界におけるＣの含有割合が粒内における含有割合よりも３〜１０原子％高いことがより好ましい。その理由は、３原子％未満である場合はＣの拡散量が少ないため、付着強度向上の効果が十分ではなく、一方で１０原子％を超える場合は、Ｃ原子が過剰に粒界に存在することにより、破壊の起点となり得るためである。

また、前記界面領域には、ＴｉＮ粒子の粒界に、３〜１５原子％のＣｏ、または、３〜１５原子％のＷの少なくとも一方を含むことがより好ましい。その理由は、ＣｏおよびＷの含有量がそれぞれ３原子％未満である場合は母材からの拡散量が少ないため、付着強度向上の効果が十分ではなく、一方で、ＣｏおよびＷの含有量がそれぞれ１５原子％を超えると、これらの原子が過剰に粒界に存在することにより、破壊の起点となり得るためである。

粒界は、硬質被覆層の縦断面（工具基体に垂直な断面）を電界放出型電子顕微鏡で観察し、ＥｓＢ検出器を用いた組成像により判断し、ＴｉＮ粒子の粒界および粒内におけるＣの含有量、および粒界のＣｏ、Ｗの含有量は、それぞれ、透過型電子顕微鏡を用いて観察し、エネルギー分散型Ｘ線分光法により測定する。

ＴｉＮ結晶粒の粒径は３０ｎｍを超えると、工具基体中のＣｏ、Ｗ等の成分が拡散する経路の増加が十分ではなく、第１層を設ける前記目的が達成できない。なお、ＴｉＮ結晶粒の粒径の下限値は特に制約がないが、１．０ｎｍとすることが好ましい。

そして、ＴｉＮの結晶粒の粒径は、ＴｉＮ層領域に工具基体に平行な０．５μｍの長さの直線を横切る粒界の数を数え、０．７５／（横切る粒界の数）μｍとして求める。

（２）第２層
第１層（ＴｉＮ層）の上部（工具表面側）の第２層は、耐摩耗性、耐チッピング性を与えるものであり、周期表の４〜６族元素およびＡｌからなる群より選ばれた１または２以上の元素からなる炭化物層、窒化物層、酸化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、炭窒酸化物層のいずれか１層または２以上を適宜選択したものであり、その合計層厚は１．０〜２０．０μｍであることが好ましい。合計層厚をこの範囲とする理由は、１．０μｍ未満では第２層の効果が十分に発揮されず、２０．０μｍを超えると第２層の結晶粒が粗大化しやすくなって、チッピングが発生しやすくなるためである。

なお、各層の平均層厚は、工具基体に垂直な方向の断面（層厚方向の断面、縦断面）を、走査型電子顕微鏡を用いて、適切な倍率、例えば、倍率５０００倍で観察し、刃先稜線部近傍の観察視野内５点の層厚を測定し、平均して求めた。

工具基体
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例を挙げるならば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、ｃＢＮ焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。

製造方法
本発明に係る硬質被覆層は、第１層の成膜後に第２層を成膜するものであって、それぞれの成膜は、例えば、以下のようにして成膜することができる。ここで、第２層の成膜は、特に制約がなく、公知の成膜方法を適用することができるが、一例として、ＴｉＣＮ層を示す。

１．第１層成膜工程
次の２工程を有する。
（１）ＴｉＮ成膜前の工程
反応ガス組成（容量％）：Ｎ_２：４０．０〜６０．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気温度：９００〜１１００℃
反応雰囲気圧力：５．０〜２０．０ｋＰａ
反応時間：１２０分〜１８０分
（２）ＴｉＮ成膜工程
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ_４：３．５〜５．０％、
Ｎ_２：１５．０〜３５．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気温度：９００〜１１００℃
反応雰囲気圧力：５．０〜２０．０ｋＰａ

２．第２層成膜工程（ＴｉＣＮ層を成膜する場合）
反応ガス組成（容量％）：ＴiＣl_４：１．０〜５．０％、
ＣＨ_３ＣＮ：０．５〜１．５％、Ｎ_２：８．０〜２５．０％、
Ｈ_２：残
反応雰囲気温度：８５０〜９２０℃
反応雰囲気圧力：５．０〜９．０ｋＰａ

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明被覆工具の実施例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、前述のものを用いた場合であっても同様であるし、ドリル、エンドミルに適用した場合も同様である。

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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｃをそれぞれ製造した。

次に、これら工具基体Ａ〜Ｃの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、順に第１層、第２層を形成し、表４に示される本発明被覆工具１〜１２を得た。
成膜条件は、表２〜３に記載したとおりであるが、第１層の成膜工程は、概ね、次のとおりであった。

第１層成膜工程
（１）ＴｉＮ成膜前の工程
反応ガス組成（容量％）：Ｎ_２：４０．０〜６０．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気温度：９００〜１１００℃
反応雰囲気圧力：５．０〜２０．０ｋＰａ
反応時間：１２０分〜１８０分
（２）ＴｉＮ成膜工程
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ_４：３．５〜５．０％、
Ｎ_２：１５．０〜３５．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気温度：９００〜１１００℃
反応雰囲気圧力：５．０〜２０．０ｋＰａ
２．第２層成膜工程
第２層の成膜工程は、表３に示したとおりであった。

また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表２〜３に示される条件によりＣＶＤを行うことにより、表４に示す比較被覆工具１〜１２を製造した。

表４において、平均層厚は、本発明被覆工具１〜１２、比較被覆工具１〜１２の各構成層の縦断面（工具基体表面に垂直な方向の断面）を、走査型電子顕微鏡を用いて適切な倍率(倍率５０００倍)を選択して観察し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して求めた。また、前記界面領域におけるＣ、Ｃｏ、Ｗの含有量は前述の方法により求めた。

続いて、前記本発明被覆工具１〜１２および比較被覆工具１〜１２について、いずれもカッタ径１２５ｍｍの工具鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、以下に示す、ステンレス鋼の湿式切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。表５に、切削試験の結果を示す。なお、比較被覆工具１〜１２については、チッピング発生が原因で切削時間終了前に寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。

切削試験１
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４外径１００ｍｍの丸棒
切削速度：２００ｍ／秒
切り込み：１．５ｍｍ
１回転当たりの送り：０．３ｍｍ
切削時間：１５分

切削試験２
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３１６外径１００ｍｍの丸棒
切削速度：１５０ｍ／秒
切り込み：２．０ｍｍ
１回転当たりの送り：０．２ｍｍ
切削時間：１５分

切削試験３
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ６３０外径１００ｍｍの丸棒
切削速度：１２０ｍ／秒
切り込み：２．０ｍｍ
１回転当たりの送り：０．１５ｍｍ
切削時間：８分

表５に示される結果から、本発明被覆工具は、ステンレス鋼等の高速連続切削において、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮しているが、これに対して、本発明に規定する界面領域におけるＴｉＮ層を構成するＴｉＮ結晶粒子の平均粒径、該領域に含まれているＣ含有量を満足しない比較被覆工具は、チッピングを発生し短時間で工具寿命に至っていることが明らかである。

この発明の被覆工具は、ステンレス鋼の高速連続切削加工ばかりでなく、各種の被削材の被覆工具として使用することができ、しかも、長期の使用にわたって耐チッピング性を有するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネルギー化、さらには、低コスト化にも十分満足に対応できるものである。

Claims

工具基体の表面に、第１層とその上部に第２層を含む複数の層が積層された硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具であって、
前記硬質被覆層のうち、前記工具基材と接する前記第１層はＴｉＮ層であり、前記工具基体と前記ＴｉＮ層との界面から０．１μｍの範囲内の界面領域における前記ＴｉＮ層を構成するＴｉＮ結晶粒子の平均粒径が３０ｎｍ以下であり、該界面領域には５．０〜３５．０原子％のＣを含むことを特徴とする、表面被覆切削工具。
前記界面領域には、工具基体との界面から０．１μｍの範囲内で、前記ＴｉＮ結晶粒子の粒界に、３．０〜１５．０原子％のＣｏ、３．０〜１５．０原子％のＷの少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
前記界面領域では、前記ＴｉＮ結晶粒の粒界におけるＣの含有割合がその粒内における含有割合よりも３．０〜１０．０原子％高い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。
前記ＴｉＮ層は、０．１〜１．０μｍの平均層厚であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
前記第２層として、周期表の４〜６族元素およびＡｌからなる群より選ばれた１または２以上の元素からなる炭化物層、窒化物層、酸化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、炭窒酸化物層のいずれか１層または２以上の層が、１．０〜２０．０μｍの合計層厚で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。