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JP6612864B2 - 切削工具 - Google Patents

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Description

本態様は、基体上にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含むＤＬＣ層を備える切削工具に関する。
ダイヤモンドライクカーボン層（ＤＬＣ層）は、耐摩耗性、潤滑性に優れていることから、切削工具、金型、機械部品へのコーティング材料として用いられている。例えば、特開２００３−０６２７０６号公報（特許文献１）では、アルゴンガスをキャリアガスとし、アークイオンプレーティング法により、水素含有量が５原子％以下のＤＬＣ層を形成することが開示されている。また、特開２０１２−１２５９２３号公報（特許文献２）では、直流プラズマＣＶＤ法によって成膜されたアルゴンを含有するＤＬＣ被膜が開示されている。ＤＬＣ層には、耐摩耗性の改善および被削材との溶着の改善が求められている。
本態様の切削工具は、硬質相と結合相とを含有する硬質合金からなる基体と、該基体の表面に位置し、ダイヤモンドライクカーボンを含有するＤＬＣ層とを具備する切削工具であって、前記ＤＬＣ層は、０．１質量％〜１質量％の比率でアルゴンを含有する第１領域を有するものである。
本実施形態の切削工具の一例である切削インサートについての斜視図である。 図１の切削インサートにおける要部を拡大した断面図である。 図２に相当する部分における他の例を示す断面図である。 図２に相当する部分におけるさらに他の例を示す断面図である。
切削工具の一実施態様を示す切削インサート（以下、単にインサートと略す）１は、図１に示すように、第１面２と、第１面２に隣り合う第２面３と、第１面２及び第２面３が交差する部分に稜線部４とを有している。本実施形態においては、第１面２の少なくとも一部がすくい面をなしており、第２面３の少なくとも一部が逃げ面をなしている。また、稜線部４の少なくとも一部は切刃をなしている。また、インサート１は、第１面２に開口し、第１面２の反対側の面まで貫く貫通孔１０を有している。
また、図２の断面図に示すように、インサート１は、基体５と、この基体５上に位置するＤＬＣ層６を備えている。なお、基体５上に位置するとは、ＤＬＣ層６が被覆前の基体５における表面に位置しているということである。ＤＬＣ層６は、基体５上の少なくとも一部に位置していればよいが、本実施形態においては、基体５のほぼ全体を覆うように位置している。言い換えれば、基体５はＤＬＣ層６によって被覆されている。
ＤＬＣ層６は、主成分としてダイヤモンドライクカーボンを含有している。ここで「主成分として」とは、ＤＬＣ層６が、他の成分よりも多くの質量のダイヤモンドライクカーボンを含有していることを意味している。
本実施形態におけるＤＬＣ層６は、０．１質量％〜１質量％の比率でアルゴンを含有する第１領域７を有している。図２においては、ＤＬＣ層６が第１領域７からなる例を示している。第１領域７は、０．１質量％〜１質量％の比率でアルゴンを含有していることにより、耐摩耗性に優れるとともに、被削材の溶着を抑制できる。そして、第１領域７を有するＤＬＣ６も、耐摩耗性に優れるとともに、被削材の溶着を抑制できる。そのため、本実施形態のインサート１は、ＤＬＣ層６による被覆効果が長期間にわたって維持される。第１領域７中のアルゴンの含有量の望ましい範囲は０．２質量％〜０．５質量％である。
第１領域７におけるアルゴンの含有量が０．１質量％以上である場合とは、成膜にあたって、基体５に向かってアルゴンが照射されていることによる。基体５に向かってアルゴンが照射されることにより、基体５の表面に存在する酸化層が除去され、基体５の表面が清浄化される。そして、基体５の表面が清浄化された状態で成膜されるために、基体５と第１領域７との間の密着性が高まり、耐摩耗性に優れる。したがって、第１領域７におけるアルゴンの含有量が０．１質量％以上であれば、第１領域７の基体５に対する密着性が高く、耐摩耗性に優れるということになる。
第１領域７におけるアルゴンの含有量が１質量％以下である場合には、被削材を切削加工する際に生じる被削材のインサート１への溶着を減少させることができる。なお、アルゴンを照射することなく、アルゴンガスをキャリアガスとし、アークイオンプレーティング法により成膜した場合には、膜におけるアルゴンの含有量は０．１質量％未満となる。また、直流プラズマＣＶＤ法によって成膜した場合には、膜におけるアルゴンの含有量は１質量％を超えるものとなる。
本実施形態において、第１領域７におけるアルゴンの含有量は、ＷＤＳ（波長分散型ＥＰＭＡ）分析法で測定できる。本実施形態では、加速電圧１５ｋＶ、プローブ電流１×１０−７Ａの条件で測定する。分析領域は、可能であれば直径１００μｍ以上の範囲で測定することが望ましいが、直径１００μｍ以上の範囲が取れないときは、直径１００μｍ未満の範囲で測定してもよい。
ＤＬＣ層６の中の厚みの違う位置におけるアルゴンの含有量をそれぞれ測定するためには、ＤＬＣ層６の表面を所定の厚さだけ研磨しながら研磨面にて測定する方法と、ＤＬＣ層６の厚みが変わるように斜めに研磨して、研磨面における各厚みの位置で測定する方法とが挙げられる。
本実施形態では、ＤＬＣ層６の中の１点で測定したアルゴンの含有量が０．１質量％〜１質量％の場合に、第１領域７が存在すると判定する。または、厚みの違う位置におけるアルゴンの含有量をそれぞれ測定して、アルゴンの含有量が０．１質量％〜１質量％の範囲を第１領域７と判定する。
また、ＤＬＣ層６は第１領域７のみの１つの領域によって構成されていてもよいが、図３のように、複数の領域によって構成されていてもよい。図３に示す例においてＤＬＣ層６は、基体５と接する第１領域７と、第１領域７よりもアルゴンの含有比率が少なく、第１領域７上に位置する第２領域８とを有している。
ＤＬＣ層６を断面視した際に、第１領域７及び第２領域８の境界が明確である場合には、第１領域７を第１層、また第２領域８を第２層と言い換えてもよい。なお、第１領域７及び第２領域８の境界は必ずしも明確である必要はない。この境界が明確でない場合には、ＤＬＣ層６における複数の位置でのアルゴンの含有量をそれぞれ測定し、これらの測定結果に基づいて第１領域７及び第２領域８の境界を評価すればよい。
本実施形態においては、第２領域８は第１領域７に比べてアルゴンの含有比率が小さく、第１領域７上に位置している。このような構成を満たしていることにより、ＤＬＣ層６への被削材の溶着を減らすことができる。また、第１領域７は第２領域８に比べてアルゴンの含有比が高い。そのため、図３に示す例におけるインサート１のＤＬＣ層６は基体５との密着性も高い。
また、第２領域８におけるアルゴンの含有比率が０．１質量％未満であるときには、耐溶着性を非常に高いものにできる。
本実施形態において、第１領域７の厚みｔ１が０．１μｍ〜１μｍであり、第２領域８の厚みｔ２が０．１μｍ〜０．６μｍであれば、ＤＬＣ層６の耐溶着性、及び、基体５との密着性を高めることができる。第１領域７の厚みｔ１と、第２領域８の厚みｔ２との比（ｔ２／ｔ１）は０．２〜３．０である。
第１領域７の厚みｔ１と第２領域８の厚みｔ２は、ＤＬＣ層６中の厚みが異なる位置でアルゴン含有量を測定し、アルゴン含有量が０．２質量％〜１質量％の範囲を第１領域７とし、それ以外の部分、すなわち、本実施形態では第１領域７の上層を第２領域として定義する。
ここで第１領域７及び第２領域８の厚みとは、基体５とＤＬＣ層６との界面（以下、基体５の表面と記載する場合がある。）に対して直交する方向での長さを意味している。なお、基体５の表面の位置によっては第１領域７及び第２領域８の厚みの方向が変わる。
本実施形態において、ＤＬＣ層６は、第１面２に位置する部分の厚みが、第２面３に位置する部分の厚みよりも厚い構成となっている。このような構成を満たしているときには、第１面２の少なくとも一部がすくい面となっていることから、すくい面を流れる切屑に対する耐摩耗性を高めることができる。
また、ＤＬＣ層６は、稜線部に位置する部分の厚みが、第１面２及び第２面３に位置する部分の厚みよりも厚い構成となっている。このような構成を満たしているときには、稜線部４の少なくとも一部が切刃をなしていることから、切刃に位置するＤＬＣ層６の厚みが大きいため、切削加工時における耐摩耗性を高めることができる。
なお、稜線部４に位置する部分におけるＤＬＣ層６の厚みは、稜線部４を構成する２つの面（第１面２及び第２面３）に直交する断面において、これら２つの面の２等分線に沿った方向でのＤＬＣ層６の厚みによって評価すればよい。
また、本実施形態においては、基体５は、硬質相と結合相とを含有する硬質合金からなる。硬質合金としては、結合相が鉄族金属からなるとともに、硬質相が炭化タングステンからなる超硬合金や、硬質相が炭窒化チタンからなるサーメットが挙げられる。結合相である鉄族金属は酸化されやすいが、本実施態様によれば、ＤＬＣ層６との密着性が高い。結合相の含有量は５〜１５質量％、特に６〜１０質量％である。基体としては、他にセラミックスであってもよい。
さらに、被覆工具は、本実施態様の切削インサート１に限定されるものではなく、切削工具全般に対して適用可能である。中でも、工具本体が棒状で、先端に底刃を有し、外周の先端側に外周刃を有するとともに、底刃と外周刃に隣接して先端から後方に向けて切屑排出溝を有するドリル、エンドミル、リーマ、ルータであってもよい。それ以外にも、摺動部材や耐摩耗材に適応可能である。
次に、一実施形態のインサート１の他の例について図４を用いて説明する。なお、以下の説明においては、図１〜図３に示すインサート１との相違点について主に説明し、図１〜図３に示すインサート１と同様の構成である点については説明を省略する。
図４に示す例のインサート１は、図１〜図３に示すインサート１と同様に基体５及びＤＬＣ層６を備えているが、ＤＬＣ層６の構成が相違している。具体的には、図４に示す例のインサート１は、複数の第１領域７及び複数の第２領域８を有している。これら複数の第１領域７及び第２領域８は、交互に重なり合った構成となっている。第１領域７を第１層、第２領域８を第２層とみなした場合には、ＤＬＣ層６は第１層及び第２層が交互に積層された積層体とみなすことができる。以下、図４の説明にあたっては、第１領域７を第１層７、第２領域８を第２層８と記載する。
このようにＤＬＣ層６が、互いに重なり合った複数の第１層７及び第２層８を有する構成である場合には、ＤＬＣ層６の耐久性を高めることができる。これは、第１層７及び第２層８の境界部分が増えることによって、ＤＬＣ層６に加わる残留応力を分散させることができるからである。また、ＤＬＣ層６が複数の第１層７及び第２層８を有することによってＤＬＣ層６の厚みを大きくできるという利点も得られる。
複数の第１層７の厚みは、それぞれ同じであってもよいが、複数の第１層７のうち、基体５に最も近い最内層７ａの厚みが最も厚くなっているときには、基体５とＤＬＣ層６との密着性（接合性）を高めることができる。図４においては、第２層８に挟まれた中間層７ｂより最内層７ａが厚い例を示している。
また、複数の第２層８の厚みは、それぞれ同じであってもよいが、第２領域８のうち、第１領域７に挟まれた中間層８ｂの厚みが、基体５から最も離れた最外層８ｃの厚みよりも厚くなっているときには、第１領域７と第２領域８との間に生じる残留応力を第２領域８において良好に緩和することができる。
（製造方法）
次に、上述したＤＬＣ層６を有する被覆工具の製造方法について説明する。
まず、基体５を準備する。例えば、被覆工具がインサート１の場合、焼成によって焼結体を作製した後、所望によって研磨加工を施して、インサート１に対応する形状の基体１を作製する。被覆工具がドリルの場合、円柱状の硬質合金の表面にセンタレス加工を施した後、刃付け加工をして、ドリルの形状の基体を作製する。所望によって、基体の切刃側に研磨加工を施す。
その後、ＤＬＣ層６を成膜する。ＤＬＣ層６の具体的な成膜方法について説明する。まず、グラファイトからなるターゲットを、陰極アークイオンプレーティング装置のチャンバ内に配置するとともに、試料を装置内にセットする。次に、チャンバ内を１００℃〜２００℃に加熱し、アルゴンガスを導入してイオンボンバード処理を行う。その後、一旦アルゴンガスを除去した後、再びアルゴンガスを０．２Ｐａ〜０．５Ｐａとなるように流しながら、バイアス電圧を３０Ｖ〜１００Ｖ印加し、プラズマを立てた状態で、アルゴンのイオンガンを用いて、アルゴンを試料に向かって照射して、アルゴンイオンを注入し、同時にターゲットから炭素源を蒸発させて、基体５の表面にＤＬＣを主成分とする第１領域７を成膜する。
また、第２領域８を成膜するためには、イオンガンを用いずに成膜すればよい。すなわち、アルゴンガスを０．２Ｐａ〜０．５Ｐａとなるように流しながら、バイアス電圧を３０Ｖ〜１００Ｖ印加し、プラズマを立てた状態で、ターゲットから炭素源を蒸発させて、第１領域７が成膜された基体５の表面に第２領域８を成膜する。
金属コバルト（Ｃｏ）粉末を７．０質量％、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．８質量％、残部が平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末の割合で添加、混合し、円柱形状に成型して焼成した。そして、センタレス加工および刃付け加工工程を経てドリル形状（ドリル径φ０．１０５×１．８ｍｍ）の基体を作製した。
アークイオンプレーティング装置に、グラファイトターゲットと基体をセットして、アルゴンを用いて、１００℃でアルゴンボンバード処理を行って、ターゲットおよび基体に表面を清浄化した。そして、表１に示す一部の試料についてはアルゴンのイオンガンを用いてアルゴンを試料に注入しながら、表１に示す成膜条件によって、基体の表面にダイヤモンドライクカーボン層を成膜した。
成膜されたＤＬＣ層について、ＷＤＳ（波長分散型ＥＰＭＡ）分析法によって、アルゴン含有量を測定した。また、ドリルの表面に成膜されたＤＬＣ層をＳＥＭ観察して、ＤＬＣ層の厚みを測定した。
さらに、得られたドリルを用いて以下の切削条件にて切削試験を行い、切削性能を評価した。結果は表１に記載した。
切削方法：マシニングセンタによる肩加工
被削材 ： Ａ５０５２
切削速度（送り）：８００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．１ｍｍ／刃
切り込み：縦切り込み３ｍｍ、横切り込み５ｍｍ
切削状態：エアーブロー
評価方法：切削長、および加工不能になった時点でのドリルの状態（表中、切刃状態と記載）を確認。
表１より、ＤＬＣ層を成膜する際に、イオンガンを用いて成膜しなかった試料Ｎｏ．１０では、アルゴン含有量が０．１質量％未満であり、耐摩耗性が低下し、かつ、ＤＬＣ層の密着性が悪くて、ＤＬＣ層の剥離が見られた。また、ＤＬＣ層を成膜する際のバイアス電圧が１００Ｖを越える試料Ｎｏ．９では、アルゴン含有量が１質量％を超え、被削材の溶着が激しく、かつ被覆層の密着性が悪くなって剥離が見られた。
これに対して、アルゴン含有量が０．１質量％〜１質量％である第１領域７を有する試料Ｎｏ．１〜８では、被削材に対する溶着も大きくなく、耐摩耗性も高く、切削長も長くなった。特に、アルゴン含有量が０．１質量％〜１質量％の第１領域７と、アルゴンの含有比率が０．１質量％未満の第２領域８とを有する試料Ｎｏ．１〜３、５では、耐溶着性が高く、切削長が長かった。また、アルゴン含有量が０．１質量％〜１質量％の第１領域の厚みが０．１μｍ〜１．０μｍであり、アルゴンの含有比率が０．１質量％以下の第２領域の厚みが０．１μｍ〜０．６μｍである試料Ｎｏ．１〜３、５は、切削長がさらに長くなった。
１ 切削インサート（インサート）
２ 第１面（すくい面）
３ 第２面（逃げ面）
４ 稜線部（切刃）
５ 基体
６ ＤＬＣ層
７ 第１領域（第１層）
８ 第２領域（第２層）
１０ 貫通孔

Claims (7)

  1. 硬質相と結合相とを含有する硬質合金からなる基体と、
    該基体の表面に位置し、ダイヤモンドライクカーボンを含有するＤＬＣ層とを具備する切削工具であって、
    前記ＤＬＣ層は、層状の第１領域と、該第１領域の上層に位置する層状の第２領域とを有し、
    前記第１領域は、アルゴンの含有比率が０．２質量％〜１質量％であり、
    前記第２領域は、アルゴンの含有比率が０．１質量％未満である、切削工具。
  2. 前記層状の第１領域及び前記層状の第２領域が、前記ＤＬＣ層の厚み方向に交互に位置している、請求項１に記載の切削工具。
  3. 前記層状の第１領域を複数有し、複数の前記層状の第１領域のうち、前記基体に最も近い最内層の厚みが最も厚い、請求項２に記載の切削工具。
  4. 前記層状の前記第２領域を複数有し、複数の前記層状の第２領域のうち、前記層状の第１領域に挟まれた中間層の厚みが、前記基体から最も離れた最外層の厚みよりも厚い、請求項２または３に記載の切削工具。
  5. 第１面と、
    該第１面に隣り合う第２面と、
    前記第１面及び前記第２面が交差する部分に稜線部とを有し、
    前記ＤＬＣ層は、前記第１面に位置する部分の厚みが、前記第２面に位置する部分の厚みよりも厚い、請求項１〜４のいずれか１つに記載の切削工具。
  6. 前記ＤＬＣ層は、前記稜線部に位置する部分の厚みが、前記第１面及び前記第２面に位置する部分の厚みよりも厚い、請求項５に記載の切削工具。
  7. 前記第１領域の厚みが０．１μｍ〜１μｍであり、前記第２領域の厚みが０．１μｍ〜０．６μｍである、請求項１〜３のいずれか１つに記載の切削工具。
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