(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、被加工材の高硬度化および加工速度の高速化により、切削工具の使用環境はより過酷なものとなっている。特に、熱処理により60HRC以上の高硬度に調整された冷間工具鋼を切削加工する場合、硬質皮膜の剥離や摩耗が早期に生じ易い。そのため、特許文献1、2のような中間皮膜を介してTiSiNやTiSiCNが被覆された被覆切削工具であっても早期に工具寿命に達する場合があった。
本発明は上記のような事情に鑑み行われたものであり、耐久性に優れる被覆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】
【0006】
本発明者は、高硬度材の切削加工において優れた耐久性を示す具体的な皮膜構造を見出して本発明に到達した。
すなわち本発明は、基材と、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがWCの結晶構造に指数付けされ、WとTiを含有する炭化物からなるa層と、
前記a層の上に配置され、金属(半金属を含む。以下同様。)元素の総量に対し、Alの含有比率(原子%)が60%以上75%以下、Tiの含有比率(原子%)が20%以上である窒化物または炭窒化物からなるb層と、前記b層の上に配置され、金属元素の総量に対し、Tiの含有比率(原子%)が最も多いTiSi系の窒化物または炭窒化物からなるc層と、を含み、
前記a層の膜厚は1nm〜10nmであり、前記b層の結晶構造が面心立方格子構造である被覆切削工具である。
前記c層の膜厚は1μm以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、高硬度の冷間工具鋼の切削加工であっても硬質皮膜の剥離や摩耗が抑制されて、被覆切削工具の耐久性を大幅に改善することが可能となる。また、例えば、SUS等の溶着の多い被削材を加工する場合でも被覆切削工具の耐久性を大幅に改善することが可能となる。よって、加工能率の向上及び加工コストの低減を実現することができる。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本発明者の検討によれば、高硬度鋼の切削加工において工具の耐久性を高めるためには、切削加工中の切削抵抗を低減することが重要であることを見出した。そして、特定組成からなる硬質皮膜の上にTiSi系の窒化物または炭窒化物を形成することで、優れた耐摩耗性を確保しつつ、切削加工中の切削抵抗が低減することを確認した。具体的には、Al含有量を高めたAlとTiを含有する窒化物または炭窒化物の上にTiSi系の窒化物または炭窒化物を形成することで、工具寿命が改善されることを確認した。そして、基材とAlとTiを含有する窒化物または炭窒化物との密着性を高めることが重要であり、工具の耐久性をより高めることができる具体的な皮膜構造を見出したことで本発明に到達した。以下、本発明の構成要件について説明をする。
【0010】
本発明において、基材の上に配置されるa層は、ナノビーム回折パターンがWCの結晶構造に指数付けされ、WおよびTiを含む炭化物からなる。基材の直上のa層は、ナノビーム回折パターンがWCの結晶構造に指数付けされ、タングステン(W)を含有する炭化物であることにより、基材である超硬合金との親和性が強くなり密着性が優れると考えられる。また、a層がチタン(Ti)を含有することで、基材とa層の上に配置されるb層の密着性がより高まるとともに、a層の直上にあるb層の硬質皮膜の結晶構造が面心立方格子(fcc;以下、単に「fcc」と省略することがある)構造となり易く被覆切削工具の耐久性が向上する傾向にある。a層は、金属元素の総量に対してTiの含有比率(原子%)が10%以上25%以下であることが好ましい。
また、a層は、薄くなり過ぎても厚くなり過ぎても、基材との密着性を向上させるのに好ましくない。よって、a層の膜厚は、1nm以上10nm以下の範囲とする。a層の膜厚の下限については、好ましくは2nm以上であり、更には3nm以上が好ましい。また、a層の膜厚の上限については、好ましくは7nm以下である。更には6nm以下であることが好ましい。
【0011】
本発明のa層は、WおよびTi以外に皮膜成分および母材成分を含有しても良い。本発明のa層には、基材側のCoや硬質皮膜側のAl、Nが拡散して含まれ得るが、a層は、ナノビーム回折パターンがWCの結晶構造に指数付けされ、タングステン(W)とチタン(Ti)を含有する炭化物であることで、本発明の効果を発揮することができる。a層は、工具刃先の透過型電子顕微鏡観察による断面観察、組成分析、ナノビーム回折パターンより確認することができる。
【0012】
b層は、金属元素の総量に対し、Alの含有比率(原子%)が60%以上75%以下、Tiの含有比率(原子%)が20%以上である窒化物または炭窒化物からなる。
AlとTiを含む窒化物または炭窒化物は、耐熱性と耐摩耗性に優れた皮膜種である。b層は、金属元素の総量に対し、Alの含有比率(原子%)が60%以上とすることで、加工中に切削工具の刃先への溶着が抑制され易くなり、加工中の切削抵抗が低減する傾向にある。b層のAlの含有量が60%未満であると、加工中の切削抵抗が増加するとともに皮膜の耐熱性が低下し易くなる。また、b層のAlの含有量が75%よりも多くなると脆弱な六方最密充墳(hcp;以下、単に「hcp」と省略することがある)構造の結晶構造が主体となり易く、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。
b層はa層の直上に設けることで基材とb層の密着性が高まり、加工中に切削抵抗を低減する効果が有効に発揮されて好ましい。
【0013】
b層の結晶構造をfcc構造とするためには、金属元素の総量に対し、Tiの含有比率(原子%)を20%以上とする。b層のTiが20%未満であると、耐摩耗性が低下するとともに、被覆切削工具として優れた耐久性を実現できるfcc構造とすることが困難となる。高硬度鋼の切削加工において、より優れた耐久性を実現するには、b層は、AlとTiの合計の含有比率(原子%)が90%以上であることが好ましい。
【0014】
b層は、AlとTiの含有量を考慮し、fcc構造の結晶構造を維持する範囲であれば、周期律表の4a族、5a族、6a族の金属元素およびSi、Bから選択される1種または2種以上の元素の合計を金属元素の総量に対し、10%以下の原子比率で含有することができる。また、b層は、窒化物または炭窒化物であれば、皮膜の一部に酸素等の非金属元素を含有してもよい。b層は、耐熱性が優れる傾向にある窒化物であることがより好ましい。b層は、Wを含有することで高硬度鋼だけでなく高炭素鋼やNi基超耐熱合金の切削加工においても優れた耐久性を示す傾向にあり好ましい。Wの含有比率(原子%)は、金属元素の総量に対し、2%以上7%以下とすることが特に好ましい。
本発明においてfcc構造であるとは、電子線回折やX線回折において、fcc構造に対応するピーク強度が最大強度を示すものをいう。本発明においてb層は、皮膜構造の一部にhcp構造を含有してもよい。b層の膜厚は1μm〜5μmであることが好ましい。b層の膜厚の下限については、より好ましくは1.5μm以上である。b層の膜厚の上限については、より好ましくは3μm以下である。
【0015】
高硬度鋼の湿式加工においては、加熱と冷却のサイクルにより硬質皮膜が剥離し易くなることから、高い残留圧縮応力を有する硬質皮膜を保護皮膜として設けることが有効である。本発明では、金属元素の総量に対し、Tiの含有比率(原子%)が最も多いTiSi系の窒化物または炭窒化物からなるc層をb層の上に配置する。c層に高い耐摩耗性を付与するために、金属元素の総量に対し、Tiの含有比率(原子%)を55%以上とすることが好ましい。また、硬質皮膜に高い残留圧縮応力を付与するために、Siの含有比率(原子%)を10%以上とすることが好ましい。c層は耐熱衝撃性が優れる高い残留圧縮応力を有する膜種であり、c層を設けることでb層の摩耗が抑制され、高硬度鋼の切削加工においても持続的に切削抵抗が低下して工具損傷が抑制される傾向にある。
c層に高い残留圧縮応力を付与した上で耐摩耗性をより高めるには、c層は、金属元素の総量に対し、Tiの含有比率(原子%)を60%以上85%以下、Siの含有比率(原子%)を15%以上40%以下とすることが好ましい。
【0016】
c層が薄くなり過ぎると耐摩耗性が低下する傾向にある。また、c層が厚くなり過ぎれば皮膜剥離が発生し易くなる。そのため、c層の膜厚は0.3μm〜5μmとすることが好ましい。c層の膜厚の下限については、より好ましくは0.5μm以上である。c層の膜厚の上限については、より好ましくは3μm以下であり、更には2.5μm以下であることが好ましい。また、c層は、周期律表の4a族、5a族、6a族の金属元素およびAl、Bから選択される1種または2種以上の元素の合計を、金属元素の総量に対し、10%以下の原子比率で含有することができる。
c層は、窒化物または炭窒化物であれば、皮膜の一部に酸素等の非金属元素を含有してもよい。c層は、耐熱性が優れる傾向にある窒化物であることがより好ましい。密着性を高めるためには、b層の直上にはc層を設けることが好ましいが、b層とc層の組成からなる相互積層皮膜を設けてもよい。
【0017】
高硬度鋼の切削加工においては、保護皮膜であるc層が一定以上の膜厚を有することが好ましい。本発明の被覆切削工具は、c層の膜厚を1μm以上とすることで、高硬度な冷間工具鋼を切削加工する場合においても、優れた耐久性を発揮することができ好ましい。例えば、切削速度200m/min以上の高速加工を行った場合でも優れた耐久性を発揮することができ好ましい。更には、切削速度250m/min以上とした場合でも優れた耐久性を発揮することができ好ましい。本発明は、55HRC以上の冷間工具鋼の切削加工に適用することで優れた工具性能を発揮できるので好ましい。更には、60HRC以上の冷間工具鋼の切削加工にも適用でき好ましい。切削速度を上げることで切削に要する時間を短縮できるため金型の製造能率が向上するという効果が期待できる。
なお、本発明における切削速度とは、作業面(刃先)の速度である。つまり、刃先交換式工具であれば、インサートチップをセットしたときのインサート最外刃部の速度、ドリルやエンドミルなどの旋回工具であれば、その外周刃部の速度である。
【0018】
本発明のa層を形成するには、ターゲットの外周にコイル磁石を配備してアークスポットをターゲット内部に閉じ込めるような磁場構成としたカソードを用いてTiボンバードを実施することが好ましい。このようなカソードを用いて炭化物を形成し易い元素種であるTiでボンバード処理することで、基材表面の酸化物が除去されて清浄化されると共にボンバードされたTiイオンが基材表面のWCに拡散して、ナノビーム回折パターンがWCの結晶構造に指数付けされ、WおよびTiを含む炭化物が形成され易くなる。
また、Tiボンバードの際に基材に印加する負のバイアス電圧およびターゲットへ投入する電流が低いとWおよびTiを含む炭化物が形成され難い。そのため、基材に印加する負のバイアス電圧は−1000V〜−700Vとすることが好ましい。また、ターゲットへ投入する電流は80A〜150Aとすることが好ましい。
ボンバードはアルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、炭化水素系ガス等を導入しながら実施してもよいが、炉内雰囲気を1.0×10
−2Pa以下の真空下で実施することで基材表面が清浄化されるとともに、拡散層が形成され易くなり好ましい。
【0019】
本発明の被覆切削工具は、外周刃を主に使用するラジアスエンドミルまたはスクエアエンドミル等の工具に適用することで特に効果が発揮され易く好ましい。
【実施例1】
【0020】
基材として、WC基超硬合金からなるスクエアエンドミルを用い、各条件で硬質皮膜を被覆して被覆切削工具を作製し、その特性評価を行った。硬質皮膜の成膜にはアークイオンプレーティング成膜装置を用いた。真空容器内に設置した基材にはバイアス電源が接続されおり、基材に負のDCバイアス電圧を印加して硬質皮膜を被覆した。
表1に成膜に用いたカソードおよびバイアス条件について示す。本発明のb層、c層を被覆するには、ターゲットの外周および背面に永久磁石を配備し、20.2mTの平均磁束密度のカソード(以下、C1、C2と記載する。)を用いた。本発明例のメタルボンバード処理には、ターゲットの外周にコイル磁石を配備したカソード(以下、C3と記載する。)を用いた。
【0021】
本発明例1〜4および比較例1、5は、基材を真空容器内のパイプ状治具に固定し、約500℃、1×10
−3Paの真空中で加熱脱ガスを行った後、Arプラズマによるクリーニングを行った。そして、8×10
−3Pa以下になるように真空排気して、C3に150Aのアーク電流を供給してTiボンバード処理を4分間実施した。その後、窒素ガスを導入して、C1に電力を投入して窒化物のb層を被覆した。続いてC2に電力を投入して窒化物のc層を被覆した被覆切削工具を作製した。
比較例2、3は、C2にターゲットを設けずに、Tiボンバード処理後に、C1に電力を投入して単層の窒化物皮膜を被覆した。
比較例4は、基材の表面をArプラズマによるクリーニングを行った後に、Tiボンバード処理をせず、窒化物皮膜を被覆した。その後、C1、C2に電力を投入してそれぞれa層、b層を被覆した。
【0022】
【表1】
【0023】
株式会社日本電子製の電子プローブマイクロアナライザー装置(型番:JXA−8500F)を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析(WDS−EPMA)でb層とc層の皮膜組成を測定した。この皮膜組成の分析は、分析用の被覆切削工具を加工して断面観察し、各層を加速電圧10kV、照射電流5×10
−8A、取り込み時間10秒、分析領域直径0.5μmで5点測定してその平均から組成を求めることにより行った。
【0024】
分析用の被覆切削工具を加工してTEM解析を行った。装置は、日本電子株式会社製の電界放出型透過電子顕微鏡(型番:JEM−2010F型)を用いた。制限視野回折パターンから、本発明例1〜4、比較例1〜5のb層は、fcc構造に対応するピーク強度が最大強度を示し、fcc構造であることを確認した。また、hcp構造に対応するピーク強度は僅かに確認された。
【0025】
工具刃先部分について、膜面に垂直な面で切断した場合の切断面をTEMで解析した。a層の組成は付属のUTW型Si(Li)半導体検出器を用いてビーム径1nmで分析した。ナノビーム回折は、カメラ長50cmとし、2nm以下のビーム径で分析した。EDSスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、基材、a層、b層の確認を行った。EDSスペクトル分析結果から、本発明例のa層は、金属元素の含有比率(原子%)でWを最も多く含有し、次いでTiを多く含有することを確認した。金属元素の含有比率(原子%)でWの含有比率(原子%)は約80%であった。また、Tiの含有比率(原子%)は約15%であった。また、WおよびTi以外には硬質皮膜の成分であるAl、Nを含有していた。また、母材成分であるCoも僅かに含有していた。そして、本発明例のa層はナノビーム回折パターンがWCの結晶構造に指数付けが可能であった。EDSスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、本発明例のa層はWCの結晶構造に指数付けされ、タングステン(W)とチタン(Ti)を含有する炭化物であることを確認した。各試料の物性評価の結果を表2に示す。
【0026】
作製した被覆切削工具を用いて切削試験を行った。表2に切削試験結果を示す。切削条件は以下の通りである。
工具:スクエアエンドミル(CEPR6080)
φ8×6枚刃(日立ツール株式会社製)
基材:WC(bal.)−Co(8質量%)−TaC(0.25質量%)−Cr
3C
2(0.9質量%)、WC平均粒径0.6μm、硬度93.4HRAの超硬合金
切削方法:側面切削
被削材:SKD11(60HRC)
切込み:軸方向、9mm、径方向、0.16mm
切削速度:150m/min
一刃送り量:0.06mm/tooth
切削油:エアーブロー
切削距離:10m
【0027】
【表2】
【0028】
本発明例は、保護皮膜として高い残留圧縮応力を有するc層を設けているため、高硬度鋼の切削加工においても工具損傷が少なくなることを確認した。
比較例1は、b層のAl含有量が少ないため、本発明例よりも切削加工中の抵抗が大きくなり工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。
比較例2、3は、保護皮膜として高い残留圧縮応力を有するc層を設けていないため、高硬度鋼の切削加工において、本発明例に比べて工具刃先の最大摩耗幅が大きくなることを確認した。
比較例4は、基材とb層の密着性が十分でないため、工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。
比較例5は、高い残留圧縮応力を付与できないAlCrNを保護皮膜として設けたため、工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。
【実施例2】
【0029】
実施例1で評価した本発明例1、2について、切削速度を速めて評価した。切削条件は以下の通りである。試験結果を表3に示す。
工具:スクエアエンドミル(CEPR6080)
φ8×6枚刃(日立ツール株式会社製)
基材:WC(bal.)−Co(8質量%)−TaC(0.25質量%)−Cr
3C
2(0.9質量%)、WC平均粒径0.6μm、硬度93.4HRAの超硬合金
切削方法:側面切削
被削材:SKD11(60HRC)
切込み:軸方向、9mm、径方向、0.16mm
切削速度:250m/min
一刃送り量:0.06mm/tooth
切削油:エアーブロー
切削距離:1.25m
【0030】
【表3】
【0031】
図1、2に切削試験後の工具刃先の観察写真を示す。c層の膜厚が1μm以上とした本発明例2の方が、本発明例1よりも工具刃先の最大摩耗幅が抑制されており、より高速での切削加工に有効であることが確認された。