JP2010284759A

JP2010284759A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP2010284759A
Application number: JP2009141291A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Takashima; 英彰高島; Hidemitsu Takaoka; 秀充高岡
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2010-12-24

Abstract

【課題】焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削加工で、すぐれた耐欠損性と耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮する表面被覆切削工具を提供すること。
【解決手段】立方晶窒化ほう素粒子を７０ｖｏｌ％以上含有し、残部は硬質分散相と結合相とからなる立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体の表面に、Ｃｒ_{０．３３（１−Ｘ）}Ｂ_{０．６７（１−Ｘ）}Ｎ_Ｘ（但し、Ｘは原子比で、０．０５〜０．５）を満足するＣｒ、ＢおよびＮの複合化合物層からなる中間層と、（Ｃｒ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ（但し、Ｙは原子比で、０．４〜０．７）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層からなる上部層を順次形成して硬質被覆層を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削加工において、すぐれた耐欠損性と耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮する優れた切削性能を有する表面被覆切削工具に関する。

従来、鋼、鋳鉄等の鉄系被削材の切削加工には、被削材との親和性の低い工具材料として、立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）を用いることは良く知られている。
例えば、ｃＢＮ焼結体それ自体を切削工具として使用した場合（特許文献１，２参照）には、ｃＢＮ焼結体は、通常、ｃＢＮ粉末を、金属、セラミック等の結合材と混合し、超高圧高温処理により焼結体として製造することが一般的であるが、この焼結体は、結合材を含むために、ｃＢＮに比して、硬度、熱伝導性等が劣り、ｃＢＮが本来備える特性を充分に生かしきれてはいない。
また、ｃＢＮ焼結体を工具基体とし、その表面にＣｒとＡｌの複合窒化物系硬質膜を被覆することにより、切削工具の耐欠損性、耐摩耗性を高め、切削工具としての特性向上を図ることも行われている（特許文献３参照）。
そして、ｃＢＮ焼結体からなる工具基体表面にＣｒとＡｌの複合窒化物系硬質膜を被覆した表面被覆切削工具（以下、従来被覆工具という）においては、耐摩耗性のより一層の向上を図るため、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ含有割合を高くする試みがなされているが、ｃＢＮ含有割合を７０ｖｏｌ％程度以上に高めた場合には、ＣｒとＡｌの複合窒化物系硬質膜と工具基体との付着強度が低下傾向を示すようになるため、近年の過酷な切削条件に耐えられるほどには、ｃＢＮ工具基体と硬質膜の付着強度が十分ではないのが現状である。

特許第４１７７８４５号明細書特許第４１６０８９８号明細書特表２００８−５２９８０９号公報

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は、通常の切削条件に加えて、より高速条件下での切削加工が要求される傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じない。しかし、これを、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削に用いた場合には、ｃＢＮ工具基体と硬質膜の付着強度が十分でないため、これが原因で、欠損を生じやすく、そのため、比較的短時間で使用寿命に至り、長期の使用に亘って、十分な耐摩耗性を発揮することができない。
したがって、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮させるためには、ｃＢＮ工具基体と硬質膜の付着強度を向上させることが大きな課題となっている。

本発明者等は、ｃＢＮ焼結体を工具基体材料とし、硬質被覆層としてＣｒとＡｌの複合窒化物を形成した被覆工具において、基体と硬質膜間の付着強度を確保・向上させるための中間層について鋭意研究したところ、次のような知見を得た。

ｃＢＮの含有割合が高い（７０ｖｏｌ％以上）ｃＢＮ焼結体からなる工具基体（以下、ｃＢＮ工具基体という）表面に、
組成式：Ｃｒ_{０．３３（１−Ｘ）}Ｂ_{０．６７（１−Ｘ）}Ｎ_Ｘ（但し、Ｘは原子比で、０．０５〜０．５）
を満足するＣｒ、ＢおよびＮの複合化合物（以下、ＣｒＢＮで示す）層からなる中間層を形成し、この上に、ＣｒとＡｌの複合窒化物（以下、ＣｒＡｌＮで示す）からなる上部層を被覆形成したところ、前記ＣｒＢＮ層は、ｃＢＮ工具基体とＣｒＡｌＮからなる上部層のいずれに対しても強固な付着強度を有するため、上記ｃＢＮ工具基体−ＣｒＢＮ中間層−ＣｒＡｌＮ上部層からなる被覆工具は、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削加工において、耐欠損性に優れ、その結果として、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出した。

さらに、本発明者等は、上記ＣｒＢＮ中間層において、Ｎ含有割合を中間層の層厚方向に沿って、ｃＢＮ工具基体側からＣｒＡｌＮ上部層側へ徐々に高める傾斜組成とすることにより、ｃＢＮ工具基体−ＣｒＢＮ中間層間の付着強度およびＣｒＢＮ中間層−ＣｒＡｌＮ上部層間の付着強度がより一層強固なものとなり、その結果、より一段と優れた耐欠損性を発揮し、工具寿命も大幅に伸びることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「７０ｖｏｌ％以上の立方晶窒化ほう素を含有し、残部は硬質分散相と結合相とからなる立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体の表面に、
組成式：Ｃｒ_{０．３３（１−Ｘ）}Ｂ_{０．６７（１−Ｘ）}Ｎ_Ｘ（但し、Ｘは原子比で、０．０５〜０．５）を満足するＣｒ、ＢおよびＮの複合化合物層からなる平均層厚０．０５〜１．０μｍの中間層と、
組成式：（Ｃｒ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ（但し、Ｙは原子比で、０．４〜０．７）
を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層からなる平均層厚０．５〜５．０μｍの上部層を、
順次形成した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。

立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体（ｃＢＮ工具基体）：
超高圧焼結材料製工具基体中の窒化ほう素（ｃＢＮ）は、きわめて硬質で、焼結材料中で分散相を形成し、そしてこの分散相によって耐摩耗性の向上を図ることができる。
一般的には、ｃＢＮ含有割合が７０ｖｏｌ％以上となると、硬さは向上するものの、硬質被覆層との密着性が低下し、欠損発生の原因となるが、本発明では、ＣｒＢＮ中間層を介在形成することにより、ｃＢＮ工具基体−ＣｒＡｌＮ層の付着強度を十分確保することができるため、ｃＢＮ含有割合が７０ｖｏｌ％以上の高含有量のｃＢＮ工具基体をも切削工具として利用することが可能となった。
本発明では、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を備える表面被覆切削工具を提供するという観点から、ｃＢＮ含有割合は７０ｖｏｌ％以上とする。

なお、ｃＢＮ焼結体の他の構成成分、例えば、結合相等としては、周期律表ＶＩａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物ならびにこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも１種とアルミニウム化合物のセラミックス系結合材を用いることができる。

中間層（ＣｒＢＮ層）：
中間層は、
組成式：Ｃｒ_{０．３３（１−Ｘ）}Ｂ_{０．６７（１−Ｘ）}Ｎ_Ｘ（但し、Ｘは原子比で、０．０５〜０．５）を満足するＣｒ、ＢおよびＮの複合化合物層で構成する。
ＣｒＢＮ中間層が介在形成されていない場合には、ｃＢＮ工具基体とＣｒＡｌＮ硬質被覆層の付着強度は、専ら、格子定数、結晶構造が類似するｃＢＮ焼結体中の結合相成分とＣｒＡｌＮとの結合によって確保されることになるが、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ成分と硬質被覆層成分ＣｒＡｌＮの結合力はそれ程大きくないため、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ成分の含有割合が高くなった場合には、その密着強度を高めるためには、ｃＢＮの結晶構造と上部層の結晶構造を併せ持つ中間層を介在させることが必要とされる。
ところで、ＣｒＢＮは、ＣｒＮをはじめとする多様な化合物（例えば、ＢＮ，Ｃｒ_２Ｂ，ＣｒＢ_２，ＣｒＢ_４，Ｃｒ_２Ｎ等）からなる複雑な複合体であり（「ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ」４４５（２００３）９６−１０４参照）、ＣｒＮと同程度の硬さを有するばかりか、ＣｒＢＮ中のＣｒＮは、ＣｒＡｌＮのＢ１結晶構造と同じ結晶構造を有するとともに、ＣｒＢＮ中のＢＮはｃＢＮと化学的な親和性を有することから、高ｃＢＮ含有ｃＢＮ工具基体とＣｒＡｌＮ層からなる硬質被覆層（上部層）の間に中間層としてＣｒＢＮ層を介在形成することにより、ｃＢＮ工具基体とＣｒＡｌＮ硬質被覆層の付着強度向上を図ることができる。
ただ、ＢとＮの含有割合を示すＸの値が０．０５未満である場合には、ＣｒＢ_２，ＣｒＢ_４等が多くなり、膜質が脆くなるためｃＢＮ工具基体との付着強度が低下し、一方、Ｘが０．５を超える場合には、窒素過多となり、硬質膜としての硬さを保てず、かつ、ＣｒＡｌＮ層との付着強度が低下するようになることから、Ｘの値（原子比）は、０．０５〜０．５と定めた。

また、ＣｒＢＮ中間層における層厚方向へのＮ含有割合の分布は、ｃＢＮ工具基体側からＣｒＡｌＮ上部層側へ徐々に高める傾斜組成とすることにより、ｃＢＮ工具基体−ＣｒＢＮ中間層間の付着強度およびＣｒＢＮ中間層−ＣｒＡｌＮ上部層間の付着強度がより一層強固なものとなり、その結果、より一段と優れた耐欠損性を発揮し、工具寿命も大幅に伸びる。

ＣｒＢＮからなる中間層の平均層厚は、０．０５μｍ未満では十分な付着強度向上効果を期待できず、一方、平均層厚が１．０μｍを超えると耐摩耗性が低下傾向を示し、長期の使用に亘って満足できる工具特性を発揮することができなくなることから、中間層の平均層厚は、０．０５〜１．０μｍと定めた。

ＣｒＢＮ中間層の形成は、例えば、ターゲットとしてＣｒＢ_２焼結体を用い、Ａｒ＋Ｎ_２雰囲気中で、ＤＣスパッタリングによって形成することができる。
また、スパッタリングによるＣｒＢＮの成膜に際し、雰囲気ガス中のＮ_２ガス成分の含有比率を、成膜時間の経過とともに相対的に高めていくことによって、ＣｒＢＮ中間層を組成傾斜構造とすることができる。

上部層（ＣｒＡｌＮ層）：
硬質被覆層の上部層は、
組成式：（Ｃｒ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ層（但し、Ｙは原子比で、０．４〜０．７）
を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物（ＣｒＡｌＮ）層によって構成する。
上記Ｃｒ成分は所定の高温強度の維持に寄与し、Ａｌ成分は高温硬さ、耐熱性、耐高温酸化性の向上に寄与することから、硬質被覆層の上部層を構成するＣｒＡｌＮ層は、所定の高温強度とすぐれた高温硬さ、耐熱性および耐高温酸化性を具備する層であるが、Ａｌの含有割合Ｙが０．７を超えると上部層の耐高温酸化性は向上するものの、Ｃｒ含有割合の相対的な減少によってＢ１結晶構造を保つことが困難となり、耐摩耗性が著しく低下し、一方、Ａｌの含有割合Ｙが０．４未満になると、高温硬さ、耐熱性が低下し、その結果、耐摩耗性の低下がみられるようになることから、Ａｌの含有割合Ｙの値を０．４〜０．７と定めた。
また、上部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつ高温硬さ、耐熱性および耐高温酸化性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が５μｍを越えると、欠損が生じ易くなることから、その平均層厚を０．５〜５μｍと定めた。
ＣｒＡｌＮ層からなる上部層は、通常用いられるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法によって成膜することができる。

上記のとおり、本発明では、７０ｖｏｌ％以上のｃＢＮを含有するｃＢＮ工具基体表面にＣｒＡｌＮ層からなる硬質被覆層を形成するにあたり、ｃＢＮ工具基体とＣｒＡｌＮ層の間に、双方に対する密着強度が高いＣｒＢＮ層（好ましくは、組成傾斜構造）を中間層として介在形成するため、基体と被覆層間の密着強度が向上し、その結果、本発明の表面被覆切削工具は、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削という厳しい切削条件下で用いた場合でも、欠損発生の恐れはなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を維持し、工具寿命の大幅な延長を図ることが可能である。

この発明の被覆工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置とＤＣスパッタリング（ＤＣ−ＳＰ）装置を併設した蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。

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。

原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＡｌＮ粉末、Ｎｉ粉末、Ａｌ粉末、Ｃｏ粉末、Ｗ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８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：４ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置またはダイヤモンド切断機にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＣＩＳ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正方形）をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ｎｉ：２．５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、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、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもち、ｃＢＮ含有割合が７０ｖｏｌ％以上である表２に示される組成からなるｃＢＮ工具基体１〜１０を製造した。

ついで、図１に示される成膜装置、即ち、ＣｒＢ_２焼結体ターゲットを備えたスパッタリング装置およびＣｒ−Ａｌ合金ターゲットを備えたアークイオンプレーティング装置を併設した成膜装置の内部にｃＢＮ工具基体を装着し、
上記のｃＢＮ工具基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、前記装置内に自転公転自在に支持装着し、
（ａ）まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４５０〜６００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入し、１．５ＰａのＡｒガス雰囲気とし、ｃＢＮ工具基体１に−２００Ｖのパルスバイアス電圧を印加して、前記ｃＢＮ工具基体をＡｒガスボンバード洗浄し、
（ｂ）ついで、前記装置内の温度を５００℃とした状態で、反応ガスとしてＮ_２とＡｒを、Ｎ_２：３ｓｃｃｍ、Ａｒ：５０ｓｃｃｍの割合で導入して、必要に応じ、スパッタの進行とともに、窒素含有割合を増加させるように調整しつつ、０．３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転するｃＢＮ工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、ＣｒＢ_２焼結体のターゲットに直流電源を用いてスパッタを行うことにより、前記ｃＢＮ工具基体の表面に表３に示される目標層厚、所定組成（および目標傾斜組成）のＣｒＢＮ層からなる中間層を形成し、
（ｃ）ついで、装置内を５００℃とした状態で、ｃＢＮ工具基体に−１０〜−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ｃｒ−Ａｌ合金カソード電極とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、ｃＢＮ工具基体表面に表３に示される目標層厚、所定組成のＣｒＡｌＮ層からなる上部層を形成することにより、
ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状の本発明表面被覆切削工具１〜１０を作製した。

比較のため、実施例で使用したｃＢＮ工具基体１〜１０の上に、表４に示されるＣｒＡｌＮ層からなる硬質被覆層を、アークイオンプレーティング法により０．５〜５μｍの平均層厚で蒸着形成することにより、比較例表面被覆切削工具１〜１０を作製した。

上記本発明表面被覆切削工具１〜１０について、中間層（ＣｒＢＮ層）および上部層（ＣｒＡｌＮ層）の膜組成を、また、比較被覆表面被覆切削工具１〜１０についてＣｒＡｌＮ層の膜組成を、オージェ電子分光分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
なお、表３における中間層のＸ値について、工具基体側とは、０．０１μｍ（膜厚方向）×１μｍ（界面と平行な方向）の領域での測定の平均値、上部層側とは、同様に、０．０１μｍ（膜厚方向）×１μｍ（界面と平行な方向）の領域での測定の平均値をいい、また、平均Ｘ値とは、中間層の全体（中間層厚）×幅１μｍの領域により測定した値をいう。
さらに、本発明被覆表面被覆切削工具１〜１０および比較被覆表面被覆切削工具１〜１０の各層の層厚を透過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、４に示す。

上記の本発明表面被覆切削工具１〜１０と比較例表面被覆切削工具１〜１０を用い、以下の切削加工条件で切削加工試験を実施した。
《切削条件１》
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒（硬さ：Ｈ_ＲＡ６０）、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：０．１５ｍｍ、
切削時間：１０分
の条件での、焼入れ軸受鋼の湿式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１２０ｍ／ｍｉｎ）、
《切削条件２》
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒（硬さ：Ｈ_ＲＡ６２）、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：０．１５ｍｍ、
切削時間：１０分
の条件で、高硬度クロム鋼の高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ）、
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３〜５に示される結果から、本発明表面被覆切削工具１〜１０は、７０ｖｏｌ％以上のｃＢＮを含有するｃＢＮ工具基体表面に、ＣｒＢＮ層からなる中間層（好ましくは組成傾斜構造）を介して、ＣｒＡｌＮ層からなる上部層が形成されることにより、ｃＢＮ工具基体と硬質膜との密着強度が向上することから、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐欠損性を示すとともに、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮し、工具寿命の大幅な延長が図られるのに対して、比較例表面被覆切削工具１〜１０においては、ｃＢＮ工具基体と硬質膜（ＣｒＡｌＮ層）との付着強度が劣るため膜の剥離や欠損等を発生し、膜が剥離した場合には逃げ面摩耗が進行しやすく耐摩耗性に劣るため、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、この発明の表面被覆切削工具は、高硬度鋼の高速断続切削加工用の切削工具として好適であり、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、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものであるが、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工に使用可能であること勿論である。

Claims

７０ｖｏｌ％以上の立方晶窒化ほう素を含有し、残部は硬質分散相と結合相とからなる立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体の表面に、
組成式：Ｃｒ_{０．３３（１−Ｘ）}Ｂ_{０．６７（１−Ｘ）}Ｎ_Ｘ（但し、Ｘは原子比で、０．０５〜０．５）を満足するＣｒ、ＢおよびＮの複合化合物層からなる平均層厚０．０５〜１．０μｍの中間層と、
組成式：（Ｃｒ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ（但し、Ｙは原子比で、０．４〜０．７）
を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層からなる平均層厚０．５〜５．０μｍの上部層を、
順次形成したことを特徴とする表面被覆切削工具。