JP2004082230A - 精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサート - Google Patents

Abstract

【目的】精密旋盤加工において、加工精度を維持するために、皮膜の高硬度をはかり、耐摩耗性に優れ、更に耐チッピング性に優れた工具寿命の長い硬質皮膜被覆インサートを提供する。
【構成】超硬合金基体に硬質層を少なくとも１層以上被覆してなる硬質皮膜被覆インサートにおいて、該硬質皮膜は少なくとも１層がＳｉ又はＢを含有し、ＥＳＣＡ分析においてＳｉと窒素の結合エネルギー又はＢと窒素の結合エネルギーが確認され、該超硬合金基体はＷＣの平均粒径Ｄが０．１０≦Ｄ≦１．０μｍ、Ｃｏ含有量Ｅが重量％で５≦Ｅ≦１２であることを特徴とする精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサート。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ハードディスクドライブのハブや、その軸等の精密旋盤切削加工に使用される被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスクドライブのハブや軸の切削加工は、高能率化の要求に伴い高速化傾向にあり、切削温度も上昇するため、工具の耐摩耗性が問題になりつつある。切削工具に被覆される皮膜もＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ）に代わり、皮膜の耐摩耗性を改善した（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜を被覆した被覆切削工具が一般的となってきた。ハードディスクドライブのハブや、その軸の加工においても、Ｔｉ（ＣＮ）や（ＴｉＡｌ）Ｎを被覆したインサートが現在一般的に使用されている。ハードディスクドライブのハブや、その軸の加工においては、ミクロンオーダーでの加工精度及びその加工精度の維持が近年要求されているが、従来の（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜をベースにした単純な皮膜では高速切削に伴い、耐摩耗性が劣化し、満足できる工具寿命が達成されていない。特開２０００−３４３３０５号公報では、インサートの切刃部分にあるブレーカー溝の表面粗さを研磨加工によって平滑化し、その加工処理面にＴｉＣ等の硬質皮膜を物理蒸着法により被覆することにより、切刃での溶着を回避し、加工面の仕上げ状態を改善して、工具の長寿命化を図ることが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
加工精度の維持ができなくなる原因は、工具逃げ面摩耗の発生により刃先が後退することや、チッピングが発生することによる。本発明は、逃げ面の耐摩耗性を向上すべく、皮膜の高硬度化を達成し、同時に耐チッピング性を改善し、このような切削分野において、十分に満足できる工具寿命を実現するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは皮膜の高硬度化にあたり、添加成分を鋭意検討した結果、超硬合金基体に金属成分として４ａ、５ａ、６ａ族の元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂのうち１種以上より選択された金属元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏのうち１種以上より選択された非金属元素からなる硬質層のＥＳＣＡ（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｆｏｒ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓの略）分析においてＳｉと窒素の結合エネルギー又はＢと窒素の結合エネルギーが確認される硬質皮膜とすることにより、皮膜が極めて高硬度化する事実を確認するに至った。次に、基体である該超硬合金はＷＣの平均粒径Ｄが０．１０≦Ｄ≦１．０μｍであり、Ｃｏ含有量Ｅが重量％で５≦Ｅ≦１２である。更に、該基体直上の硬質層が金属成分としてＴｉ、Ａｌ、Ｃｒのうち１種以上より選択された元素、Ｎ、Ｃ、Ｏのうち１種以上より選択されたと非金属元素を含む硬質皮膜であることが好ましく、該硬質皮膜はＳｉを含有し、その結晶粒子の粒径を粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径として求めた場合、最小結晶粒径が０．５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である微結晶であることが好ましい。又、耐チッピング性を改善するために、該インサートの切刃稜線の硬質皮膜を機械的に研磨し、稜線部の膜厚を薄くするか又は稜線部の皮膜を除去することが好ましい。
【発明の実施の形態】
【０００５】
最近主流であるＴｉＮにＡｌを添加した（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜や４ａ、５ａ、６ａ族の組み合わせ、例えばＴｉＮにＣｒを添加した（ＴｉＣｒ）Ｎ、ＴｉＮにＺｒを添加した（ＴｉＺｒ）Ｎ等は、添加成分がＴｉと置換する置換型固溶体を形成する。このような固溶体窒化物皮膜はＴｉＮより高硬度になるものの、固溶強化機構の範囲での高硬度化であり、硬度向上に限界を有する。本発明者らは、ＳｉやＢはＴｉとの置換型では浸入せず、窒素と結合し、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ又はＢＮとして皮膜内部に介在する形態をとるため、著しく高い歪エネルギーを発生し、その結果著しい高硬度を達成するものである。図１は、ＴｉＳｉターゲットを用い被覆基体温度４５０℃とし、窒素ガス、酸素ガスを使用し、反応ガス圧５Ｐａ及び、負バイアス電圧を３００Ｖ、正バイアス電圧を２０Ｖとし、その振幅は負を８０％、正を２０％に設定し、その周波数を１５ｋＨｚとし（ＴｉＳｉ）（ＮＯ）皮膜をアークイオンプレーティング法により被覆を行った時の皮膜のＥＳＣＡ解析結果である。図１ではＳｉとＮとの結合エネルギー回折ピークが確認される。図２はＴｉＢターゲットを用い（ＴｉＢ）（ＮＯ）皮膜をアークイオンプレーティング法により被覆した時の皮膜のＥＳＣＡ解析結果である。図２ではＢとＮとの結合エネルギー回折ピークが確認される。
【０００６】
基体である超硬合金はＷＣの平均粒径Ｄが０．１０≦Ｄ≦１．０μｍの微粒超硬合金であることが好ましい。これは本発明の用途においては、耐チッピング性が問題となるためである。ＷＣの平均粒径は、０．１０μｍ未満となると工具刃先などからの粒子の脱落により急激な性能劣化、例えば耐摩耗性の低下等が発生するようになり、その一方で粒径が１．０μｍを超えると強度及び靭性が低下するよになるため、平均粒径Ｄは０．１０≦Ｄ≦１．０μｍが好ましい。粗大粒子は強度低下の原因となる破壊の起点箇所となるため、可能な限り含有割合を小さく制御する必要がある。超硬合金において、耐チッピング性に問題が発生し易いものは、切削性能において満足する結果が得られない。一方、Ｃｏ含有量は少ないと焼結性が低下しかつ結合相が形成しがたくなり、強度が低下するので５％以上が必要である。Ｃｏ含有量が１２％を超えて多いと耐摩耗性が劣化する傾向にあり、十分な工具寿命が達成されないので、Ｃｏ含有量Ｅは重量％で５≦Ｅ≦１２であることが好ましい。
【０００７】
次に、高硬度化を成しうることが被覆方法そのものを改善することにより可能である。被覆中にイオンエネルギーを逐次変化させることによりなされる。例えば、被覆中に基体に付与するバイアス電圧を逐次変化させる、また、同じようにパルスバイアスを用いる等の被覆方法である。このようにイオンエネルギーを逐次変化させることにより、イオンの基体表面での拡散距離が変化し、Ｓｉの濃度の不均一性が発生することになる。また被覆温度もイオンの拡散距離を支配し、結晶形態、特に結晶粒径を制御する重要な因子となる。このように、被覆時に逐次イオンエネルギーを変化させた場合はＳｉやＢは単純にＮと結合し、皮膜内部に介在するのではなく、例えばＴｉＮにＳｉを添加した場合、Ｓｉの拡散距離が変化し、Ｓｉ濃度に富む（ＴｉＳｉ）Ｎ相と、Ｓｉに乏しい（ＴｉＳｉ）Ｎ相が混在する形態となる。結晶粒径はイオンエネルギーの大きさ及び変化のさせ方でナノオーダーまで制御することが可能である。ナノオーダーに制御した場合、更に高硬度化させることができる。
【０００８】
更に、被覆温度が低い程結晶は微細化し皮膜硬度を上昇せしめるとともに結晶粒界を緻密にすることにより、結晶粒界への酸素の拡散を介して進行する皮膜酸化を抑制し、耐酸化性を改善する。好ましくは、最小結晶粒径が０．５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の微結晶である場合、特に優れた結果となる。Ｓｉに富む結晶は３５０℃〜４００℃の被覆温度範囲ではアモルファス相となり、この場合アモルファス相と結晶質相との結晶粒界の整合化により格子欠陥が著しく減少し、酸素の拡散は更に低減される。これらの改善により、Ｓｉ含有皮膜の耐酸化性を更に改善するとともに、微細化に伴う皮膜の高硬度化を可能にし、切削工具に対して十分にその特性が発揮されうる皮膜を被覆することが可能である。ＳｉやＢを含有する皮膜は組織、結晶形態の制御が重要であり、特に、ＳｉやＢ以外の成分は限定されるものではない。本発明者らの研究ではその皮膜の金属成分がＴｉとＳｉである場合に、切削における最も優れた動的耐酸化性、耐摩耗性を示した。この場合、先に説明した結晶形態に加え、切削中に皮膜表面にＳｉ酸化物より生成自由エネルギーの低いＴｉ酸化物を形成するために、Ｔｉが皮膜内で外向拡散し、表面に粉状のＴｉＯを形成し、表面近傍のＳｉは内向拡散し、ＴｉＯ層直下には非常に緻密なＳｉ酸化物層が形成される。粉状のＴｉＯは潤滑に寄与し、緻密なＳｉ酸化物は下地との密着性に優れるとともに、酸素拡散のバリヤーとして機能し、その結果、最も優れた動的耐酸化性を示したものと思われる。ハードディスクドライブのハブや軸に用いられるステンレスの高速切削では特に動的耐酸化性が重要となるため、この場合が最も長寿命を達成した。
【０００９】
Ｓｉを含有する皮膜の金属成分がＣｒとＳｉである場合、Ｃｒが有する自己潤滑性の効果が付与され、鋼切削時に刃先に発生する溶着現象が著しく抑制され、極めて優れた加工表面が得られる。特にステンレス切削では溶着が発生し易いため、この皮膜が最も優れた仕上げ面を達成した。このような組織、結晶形態の制御によりＳｉ含有皮膜の低応力化は可能であり、Ｓｉを含有する皮膜は単層であっても問題はない。しかしながら重切削の場合、剥離が発生することがあり、基体表面には密着性に優れる皮膜を下地層として用いるのがより好ましい。この密着性付与層の組成は特に限定されるものではない。（ＴｉＡｌ）Ｎ系の硬質皮膜、（ＣｒＡｌ）Ｎ系の硬質皮膜を採用する場合はＴｉＮ系皮膜を用いる場合より高速切削特性が改善される。ＴｉＮ系皮膜の場合は重切削で特に安定した切削が可能となる。Ｂの添加は切削性能の改善に効果的である。特に、高イオンエネルギーとなる条件下で成膜した場合、ＢはＢＮ窒化物として皮膜内に介在し、このＢＮ相が皮膜の自己潤滑性を高める作用を発揮し、切削抵抗は減少し、長寿命化が達成される結果となる。
【００１０】
耐チッピング性を向上させるために、被覆後の切刃の処理が有効である。切刃部分の皮膜は圧縮応力が高く、切削途中で部分的に脱落し、その結果、チッピングが発生する場合がある。従って、被覆後、機械的処理等により、切刃部の皮膜を除去するか、皮膜の厚さを減少させておくと、初期より安定した切削が可能である。被覆中に付着したドロップレット等の欠陥を磁気研磨やショットブラスト等の機械的処理により除去することも好ましい。
【００１１】
このような構成を採用することで、ステンレスの高速切削加工及び高硬度ステンレス切削加工などの過酷な切削環境下においても、皮膜剥離を生ずることなく皮膜の耐チッピング性及び硬さを改善し、切削性能が極めて良好となり、従来技術の課題を完全に解決することが可能である。本発明の被覆切削工具は、その被覆方法については、特に限定されるものではないが、被覆基体への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮した場合、比較的低温での被覆が可能であり、被覆した皮膜に圧縮応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング法であることが望ましい。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００１２】
【実施例１】
アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲットならびに反応ガスを用いて被覆を行った。被覆条件１として、被覆基体温度４５０℃とし、反応ガス圧力を５Ｐａ及び、負バイアス電圧を３００Ｖ、正バイアス電圧を２０Ｖとし、その振幅は負を８０％、正を２０％に設定し、その周波数を１５ｋＨｚとするパルスバイアス方式とし、表１に示す本発明例の被覆を行った。被覆条件２として、被覆基体温度４５０℃とし、反応ガス圧力を２Ｐａ及び、単純に負バイアス電圧を１００Ｖに設定した被覆を行った。
【００１３】
【表１】

【００１４】
被覆基体にはＷＣの平均粒径が０．８μｍのＷＣ粉末を用い、Ｃｏ量は必要により調整した。工具には、皮膜の膜厚が３μｍとなるように被覆した。必要に応じて多層膜とした。表１の中でＳｉ、Ｂを含有する層をＡ層、Ｓｉ、Ｂを含有しない層をＦ層とし、Ｆ層の被覆条件は、被覆基体温度４５０℃、反応ガス圧力を２Ｐａ、及び負バイアス電圧を１００Ｖとした。また、切削試験を行い得られた結果についても表１中に併記する。
従来例の被覆条件３はアークイオンプレーティング装置を用い、本発明例と同一の成膜前処理を行った後、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲットならびに反応ガスである窒素ガスを用い、被覆基体温度４００℃とし、反応ガス圧力を５Ｐａ及び負バイアス電圧を７０Ｖにし、従来までの成膜方法を用い、表２に示す各組成の皮膜を被覆して、本発明例と同一の切削諸元で切削評価を行った。その結果を表２に示す。また（ＴｉＡｌ）Ｎ系皮膜におけるＴｉとＡｌ比は１対１である。
【００１５】
切削諸元は、被削材がＳＵＳ３０４材で、寸法がφ５．１ｍｍ、長さ２０ｍｍ、切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ、切り込みは０．１ｍｍ、送りは０．０５ｍｍ／回転、乾式切削、完成加工径はφ５．０００ｍｍである。表１中には５０ケ加工した場合の外径及び加工径が５．０３０ｍｍになった時までの加工数を表１に併記する。切削試験の評価では、刃先の後退量が少なく、完成加工径により近いものが優れていることになる。
【００１６】
【表２】

【００１７】
表１より、本発明例１〜８はＳｉ、Ｂを入れた単層の結果である。中でも（ＴｉＳｉ）（ＣＮ）が比較的優れた結果を示した。本発明例９〜１４は（ＴｉＡｌ）Ｎ、ＴｉＮとの多層にした例である。単層の場合より若干寿命は低下する傾向にあるが、密着性は改善された。本発明例１５、１６は被覆条件を比較したものである。本発明例１５は他の本発明例と同様にＳｉのイオンエネルギーを変化させ偏析させたもの、本発明例１６は被覆条件２で被覆したものである。被覆条件２の被覆方法でも従来例に比べれば効果は認められる。これは皮膜内部にＳｉとＮの結合体を形成していると考えられる。Ｓｉのイオンエネルギーを変化させ偏析させたものの方がより長寿命であることが確認された。本発明例１７から２２はその他の組み合わせの事例である。中でも（ＡｌＳｉ）Ｎは格段に優れた結果を示す。本発明例２３、２４は皮膜に酸素を添加した事例であるが、遜色のない結果である。本発明例２５〜２７は（ＣｒＡｌ）Ｎ系皮膜との組み合わせ事例である。表２より、従来例２８〜３７はいずれも本発明例に対して切削性能が劣る結果となった。即ち、何れの従来例においても、５０個加工後の外径寸法変化は０．０４５ｍｍ以上と大きく増加しており、加工精度の劣化が早い結果となった。更に、外径が５．０３０ｍｍに至るまでの加工数においても従来例３５の４１本が最も多い状態であり、満足のできる工具寿命が得られていない。
【００１８】
【実施例２】
実施例１の本発明例４のインサートを用い、切刃の処理効果を確認した。
本発明例３８は、刃先にダイヤペーストを塗布し、バフによりラップして刃先部分の膜厚を２μｍに処理したもの、同様に本発明例３９は膜厚を１μｍに処理したもの、本発明例４０は皮膜を除去し基体を露出させたものである。
切削評価の方法は実施例１と同様であるが、被加工物はφ１ｍｍの貫通穴を３ｍｍ間隔に設け、断続切削となるようにしたものである。５ケ加工した時の被加工物の外径を測定した結果を表３に示す。
【００１９】
【表３】

【００２０】
表３より、断続切削になると刃先が初期にチッピングを起こし加工物の径が太くなる現象が発生し易くなる傾向がある。本発明例４においては刃先処理を施していない結果、３回行ったテストの中で、２回のテストにおいて初期に刃先のチッピングの発生が見られ、その結果、被加工物の外径が０．０１ｍｍ以上大きくなる現象が発生した。刃先の処理を行った本発明例３８、３９、４０は、初期にチッピングを起こし易い切削条件である断続切削においても、優れた安定性を確保し、３回のテスト全てにおいて被加工物の外径寸法変化を０．００２ｍｍ以下になっていることが確認された。
【００２１】
【発明の効果】
以上の如く、本発明の精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサートは、皮膜の高硬度化を達成することにより、工具逃げ面の摩耗による刃先後退を低減し、加工精度を長く維持することが可能となり、同時に刃先の耐チッピング性を改善して格段に長い工具寿命が得られ、旋削加工における生産性の向上、コスト低減に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例の皮膜のＥＳＣＡ解析結果で、ＳｉとＮとの結合エネルギー回折ピークを示す。
【図２】図２は、本発明例の皮膜のＥＳＣＡ解析結果で、ＢとＮとの結合エネルギー回折ピークを示す。

Claims (4)

1. 超硬合金基体に金属成分として４ａ、５ａ、６ａ族の元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂのうち１種以上より選択された金属元素と、Ｎ、Ｃ、Ｏのうち１種以上より選択された非金属元素からなる硬質層を少なくとも１層以上被覆してなる硬質皮膜被覆インサートにおいて、該硬質皮膜は少なくとも１層がＳｉ又はＢを含有し、ＥＳＣＡ分析においてＳｉと窒素の結合エネルギー又はＢと窒素の結合エネルギーが確認され、該超硬合金基体はＷＣの平均粒径Ｄが０．１０≦Ｄ≦１．０μｍ、Ｃｏ含有量Ｅが重量％で５≦Ｅ≦１２であることを特徴とする精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサート。
2. 請求項１記載の精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサートにおいて、該基体直上の硬質層が金属成分としてＴｉ、Ａｌ、Ｃｒのうち１種以上より選択された元素、Ｎ、Ｃ、Ｏのうち１種以上より選択されたと非金属元素を含む硬質皮膜であることを特徴とする精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサート。
3. 請求項１に記載の精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサートにおいて、該硬質皮膜はＳｉを含有し、その結晶粒子の粒径を粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径として求めた場合、最小結晶粒径が０．５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である微結晶であることを特徴とする精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサート。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサートにおいて、該インサートの切刃稜線の硬質皮膜を機械的に研磨し、稜線部の膜厚を薄くするか又は稜線部の皮膜を除去したことを特徴とする精密旋盤加工用硬質皮膜被覆インサート。

Images