特許 7549293 表面被覆切削工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-03

(45)【発行日】2024-09-11

(54)【発明の名称】表面被覆切削工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20240904BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20240904BHJP

   B23C 5/16 20060101ALN20240904BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 A

C23C14/06 P

C23C14/06 C

B23C5/16

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021014036

(22)【出願日】2021-01-30

(65)【公開番号】P2022117522

(43)【公開日】2022-08-12

【審査請求日】2023-12-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100208568

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 孔一

(74)【代理人】

【識別番号】100204526

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 靖

(74)【代理人】

【識別番号】100139240

【弁理士】

【氏名又は名称】影山 秀一

(72)【発明者】

【氏名】唐 浩峻

(72)【発明者】

【氏名】引田 和宏

【審査官】荻野 豪治

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－２３０４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－１６５５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－６０６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／３０６４７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００７－２２２９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１７５１６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－１８８５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２８４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５３８９４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｂ ２７／１４ － ２７／１６

Ｂ２３Ｂ ５１／００ － ５１／１４

Ｃ２３Ｃ １４／００ － １６／５６

Ｂ２３Ｃ ５／１６ － ５／２４

Ｂ２３Ｐ １５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具基体と該工具基体上の硬質被覆層とを有する表面被覆切削工具であって、
前記硬質被覆層は０．５～５．０μｍの平均層厚である硼化ハフニウム層を含み、
前記硼化ハフニウム層は、その平均組成を組成式：ＨｆＢｘで表したとき、ｘが１．０～２．５であって、
かつ、その層厚方向に、前記平均組成に対して、ハフニウムの含有割合が高く、硼素の含有割合が低い第１層と、前記平均組成に対して、ハフニウムの含有割合が低く、硼素の含有割合が高い第２層とが、交互に積層され、
前記第１層および前記第２層のそれぞれの平均層厚が２～２０ｎｍである、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。

【請求項2】

前記第１層におけるハフニウムの含有割合の平均値をＣ_ＡＨｆ（原子％）、硼素の含有割合の平均値をＣ_ＡＢ（原子％）、前記第２層におけるハフニウムの含有割合の平均値をＣ_ＢＨｆ（原子％）、硼素の含有割合の平均値をＣ_ＢＢ（原子％）とするとき、
０．３≦｜Ｃ_ＡＨｆ－Ｃ_ＢＨｆ｜＝｜Ｃ_ＡＢ－Ｃ_ＢＢ｜≦５．０
であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。

【請求項3】

前記硼化ハフニウム層は、六方晶構造の結晶粒を有する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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、特に、Ｔｉ基合金のような表面被覆切削工具との溶着性の高い材料（以下、Ｔｉ基合金のような溶着性の高い材料という）を切削加工に供した場合であっても、優れた耐クラック性、耐摩耗性を長期間の使用にわたって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。

【背景技術】

【0002】

従来、超硬合金等を工具基体とし、この工具基体の表面に硬質被覆層を蒸着法により形成した被覆工具が知られている。この被覆工具は耐摩耗性を有しているが、この耐摩耗性をさらに向上させるべく、種々の提案がなされ、金属硼化物を含む硬質被覆層に関する提案もなされている。

【0003】

例えば、特許文献１には、工具基体の表面にＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒから選択される１種以上の金属元素からなる硼化物被覆層を被覆し、該硼化物被覆層は六方晶の結晶構造を有し、Ｘ線回折において最強回折強度を（００１）面に有し、残留圧縮応力が０．１ＧＰａ以上である被覆工具が記載され、前記硬質被覆層は工具基体への密着性を犠牲とすることなく、高硬度であるとされている。

【0004】

また、例えば、特許文献２には、工具基体の表面に中間皮膜を介して硬質被覆層を被覆し、前記硬質被覆層はＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒから選択される１種以上の元素の硼化物であって、六方晶の結晶構造であり、前記中間皮膜は、ＡｌｘＭｙ（ｘ＋ｙ＝１００、４０≦ｘ≦９５、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂの１種以上）からなる窒化物または炭窒化物であり、前記工具基体の側が立方晶の結晶構造、前記硬質被覆層側が六方晶の結晶構造を有している被覆工具が記載され、前記硬質被覆層は耐摩耗性に優れ、工具基体と高い密着性を有しているとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００８－２３８２８１号公報

【文献】特開２０１２－２２８７３５号広報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

切削加工装置の高性能化や自動化はめざましく、その一方で、難削材と呼ばれる材料の切削加工が求められている。そして、この要求は、Ｔｉ基合金のような切削時に溶着の発生しやすい材料の切削加工も例外ではない。
前記特許文献１および２に記載された被覆工具は、工具基体と被覆層との密着性に優れるものの、Ｔｉ基合金の切削加工に供したときの耐久性については言及がない。

【0007】

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであって、Ｔｉ基合金等の溶着の発生しやすい（溶着性の高い）材料の切削加工においても、優れた切削性能を発揮する被覆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】

【0008】

本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具は、
工具基体と該工具基体上の硬質被覆層とを有し、
前記硬質被覆層は０．５～５．０μｍの平均層厚である硼化ハフニウム層を含み、
前記硼化ハフニウム層は、その平均組成を組成式：ＨｆＢｘで表したとき、ｘが１．０～２．５であって、
かつ、その層厚方向に、前記平均組成に対して、ハフニウムの含有割合が高く、硼素の含有割合が低い第１層と、前記平均組成に対して、ハフニウムの含有割合が低く、硼素の含有割合が高い第２層とが、交互に積層され、
前記第１層および前記第２層のそれぞれの平均層厚が２～２０ｎｍである。

【0009】

さらに、前記実施形態に係る被覆工具は、以下の事項を一つ以上満足してもよい。
（１）前記第１層におけるハフニウムの含有割合の平均値をＣ_ＡＨｆ（原子％）、硼素の含有割合の平均値をＣ_ＡＢ（原子％）、前記第２層におけるハフニウムの含有割合の平均値をＣ_ＢＨｆ（原子％）、硼素の含有割合の平均値をＣ_ＢＢ（原子％）とするとき、
０．３≦｜Ｃ_ＡＨｆ－Ｃ_ＢＨｆ｜＝｜Ｃ_ＡＢ－Ｃ_ＢＢ｜≦５．０
であること。
（２）前記硼化ハフニウム層は、六方晶構造の結晶粒を有すること。

【発明の効果】

【0010】

前記によれば、Ｔｉ基合金等の溶着性の高い材料の切削加工においても、耐摩耗性および耐溶着性の向上した表面被覆切削工具を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明における第１層と第２層の交互積層構造において、ハフニウム（Ｈｆ）と硼素（Ｂ）の含有割合の変化を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明者は、硼化ハフニウムを含む硬質被覆層について鋭意検討を行った。その結果、硼化ハフニウム層は、その層厚方向に、平均組成に対してハフニウムの含有割合が高く、硼素の含有割合が低い第１層と、前記平均組成に対して、ハフニウムの含有割合が低く、硼素の含有割合が高い第２層とが、交互に積層された構造を有するとき、Ｔｉ基合金のような切削時に溶着の発生しやすい材料の切削加工においても優れた耐摩耗性および耐溶着性を有するという知見を得た。

【0013】

以下では、本発明の実施形態に係る被覆工具について詳細に説明する。
なお、本明細書および特許請求の範囲において数値範囲を「Ａ～Ｂ」（Ａ、Ｂはともに数値である）と表現するとき、その範囲は上限（Ｂ）および下限（Ａ）の数値を含んでおり、上限（Ｂ）と下限（Ａ）の単位は同じである。
なお、本明細書でいう工具基体の表面とは、硬質被覆層の最も工具基体の表面に近い層と工具基体の界面の粗さ曲線について、平均線を算術的に求めたものである。

【0014】

１．硼化ハフニウム層
本実施形態に係る硼化ハフニウム層について、順に説明する。

【0015】

（１）平均層厚
硼化ハフニウム層の平均層厚は、０．５～５．０μｍであることが好ましい。その理由は、０．５μｍ未満であると、被覆層が薄いため長期にわたって耐摩耗性を発揮することが困難であり、一方、５．０μｍを超えると欠損やチッピングが発生しやすくなるためである。平均層厚は、１．０～２．５μｍであることがより好ましい。

【0016】

ここで、硬質被覆層の平均層厚は、例えば、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ ｓｙｓｔｅｍ）、クロスセクションポリッシャー装置（ＣＰ：Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）等を用いて、硬質被覆層を任意の位置の縦断面（工具基体表面に垂直な面）で切断して観察用の試料を作製し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により複数箇所（例えば、５箇所）を観察して、得られた層厚を算術平均することにより得ることができる。

【0017】

（２）平均組成
硼化ハフニウム層の平均組成は、組成式：ＨｆＢｘで表したとき、ｘが１．０～２．５であることが好ましい。ここで、ｘは原子比である。
ｘを前記範囲とする理由は、ｘが１．０未満になると、硼化ハフニウム層において金属ハフニウムとしての物性が顕著になってＴｉ基合金等の切削加工において、被削材との親和性が高まり耐凝着性が低下し、一方、ｘが２．５を超えると、四硼化物等の硼素を多く含む硼化物の物性に近づき、結晶構造が六方晶の結晶粒の占める割合が低下し硬さが低下してしまうためである。

【0018】

ｘは、１．５～２．０であることがより好ましい。
なお、被覆層中にはＡｒ、Ｃ、Ｏなどの不可避不純物が含まれるが、前記のｘ値を左右しない。

【0019】

硼素の含有量（ｘ）は以下のようにして測定する。
電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）を用い、電子線を硬質被覆層の表面、もしくは、硬質被覆層の任意の位置の縦断面の５箇所に照射し、それぞれの箇所から得られた硬質被覆層を構成する元素に対応する特性Ｘ線を解析することで各元素の含有量の定量化を行い、その結果を算術平均する。

【0020】

（３）交互積層構造
硼化ハフニウム層は、その層厚方向に、前記平均組成に対して、ハフニウムの含有割合が高く、硼素の含有割合が低い第１層と、前記平均組成に対して、ハフニウムの含有割合が低く、硼素の含有割合が高い第２層とが、交互に積層され、かつ、
前記第１層および前記第２層のそれぞれの平均層厚が２～２０ｎｍであることが好ましい。
これにより、十分な耐摩耗性および耐凝着性が発揮される。

【0021】

ここで、この交互積層構造は、ＨＡＤＤＦ－ＳＴＥＭ（Ｈｉｇｈ－ａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像の観察において、明るい層と暗い層が交互に視認することにより、その存在を確認することができる。ここで、明るい層は第１層に相当し、暗い層は第２層に相当する。

【0022】

また、前記第１層のおけるハフニウムの含有割合の平均値をＣ_ＡＨｆ（原子％）、硼素の含有割合の平均値をＣ_ＡＢ（原子％）、前記第２層におけるハフニウムの含有割合の平均値をＣ_ＢＨｆ（原子％）、硼素の含有割合の平均値をＣ_ＢＢ（原子％）とするとき、
０．３≦｜Ｃ_ＡＨｆ－Ｃ_ＢＨｆ｜＝｜Ｃ_ＡＢ－Ｃ_ＢＢ｜≦５．０
であることよりが好ましい。
この関係式が成り立つとき、Ｔｉ基合金等の溶着性の高い材料の切削加工において、耐摩耗性および耐凝着性がより一層発揮される。

【0023】

ここで、Ｃ_ＡＨｆ（原子％）、Ｃ_ＡＢ（原子％）、Ｃ_ＢＨｆ（原子％）、Ｃ_ＢＢ（原子％）とは、それぞれ、硼化ハフニウム層の縦断面において、ＳＴＥＭを用いたエネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＳ）により工具基体から工具表面方向に交互積層が少なくとも２０層以上となる範囲（すなわち、第１層あるいは第２層のそれぞれに測定点は１０点以上がある）でライン分析を行い、測定した範囲における第１層の平均組成、および第２層の平均組成である。 上記のＣ_ＡＨｆ、Ｃ_ＡＢ、Ｃ_ＢＨｆおよびＣ_ＢＢの数値は第１層及び第２層のＨｆＢｘにおけるx値より計算される。

【0024】

（４）結晶構造
硼化ハフニウム層には、六方晶の結晶構造を有する結晶粒を含むことが好ましい。六方晶構造の結晶粒を有するとは、（００１）面、（１００）面、（１０１）面に対応するＸ線回折ピークを有することをいい、六方晶以外の結晶構造を有する結晶粒の存在を排除しない。すなわち、たとえば、アモルファス相を有していてもよい。

【0025】

ここで、六方晶の（００１）面、（１００）面、（１０１）面の各回折ピーク強度の測定は、Ｃｕ－Ｋα線（波長λ：０．１５４０５ｎｍ）を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折法を用いることができる。

【0026】

ここで、六方晶の（００１）面は、（０００１）面と表すこともある。同様に、（１００）面は、（１０－１０）面、（１－１００）面、（０１－１０）面、（－１１００）面、（－１０１０）面、（０－１１０）面と表され、（１０１）面は、（１０－１１）面、（１－１０１）面、（０１－１１）面、（－１１０１）面、（－１０１１）面、（０－１１１）面と表わされることがある。これらはそれぞれ等価な関係にある面指数である。

【0027】

（５）ナノインデンテーション硬さ
硼化ハフニウム層のナノインデンテーション硬さは、２５～４０ＧＰａであることが好ましい。ナノインデンテーション硬さがこの範囲にあるとき、Ｔｉ基合金等の溶着性の高い材料の切削加工において、耐摩耗性および耐凝着性がより一層発揮される。

【0028】

ナノインデンテーション硬さの測定は、超微小押し込み硬さ試験機を用いて測定する。ナノインデンテーション試験法（ＩＳＯ１４５７７）に基づき、硼化ハフニウム層の表面を研磨し、ダイヤモンド製のＢｅｒｋｏｖｉｃｈ圧子を用い、押し込み荷重として１９６２μＮ（＝２００ｍｇｆ）にて測定を行う。

【0029】

２．その他の層（下部層）
硬質被覆層として、本実施形態のハフニウム硼化物層を含む硬質被覆層はＴｉ基合金のような切削工具との溶着性の高い材料を切削により加工する場合においても、十分に優れた耐クラック性、耐摩耗性を長期間の使用にわたって発揮するが、前記硬質被覆層とは別に、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、０．１～２．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物（化学量論的な化合物に限定されない）層を含む下部層を工具基体に隣接して設けた場合には、この層が奏する効果と相俟って、より一層優れた耐チッピング性、および、耐熱亀裂性を発揮することができる。

【0030】

ここで、下部層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に奏されず、一方、２．０μｍを超えると下部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。

【0031】

３．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、さらに、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）、またはｃＢＮ焼結体のいずれかであることが好ましい。

【実施例】

【0032】

次に、実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

【0033】

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、ＶＣ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、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、直径が４ｍｍの超硬基体形成用丸棒焼結体を作製し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さがそれぞれ２ｍｍ×４ｍｍ、ねじれ角４０度の４枚刃スクエア形状を持ったＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）１および２を製造した。

【0034】

続いて、これら工具基体１および２を以下の（ａ）～（ｄ）の手順により下部層（一部の工具基体に対してのみ設けた）と硬質被覆層を形成した。

【0035】

（ａ）前記工具基体１、２のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、高出力パルススパッタリング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って装着し、一方、高出力パルススパッタリング装置内には、回転テーブルを挟んで対向する４か所に板状のＴｉターゲットと、ハフニウムと硼素の焼結体ターゲットを同種類のターゲットが中心に対して対面となる位置に配置した。

【0036】

（ｂ）前記装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記回転テーブル上で自転しながら公転する工具基体に－２００Ｖの直流バイアス電圧を印加した後、前記装置内へ反応ガスとしてアルゴン（以下Ａｒと表記する）ガスを導入し、２．０Ｐａの雰囲気とする。さらに前記装置内に具備されるタングステンフィラメントへ４０Ａの電流を流すことによりＡｒイオンを励起させ、前記工具基体を１時間、Ａｒボンバード処理した。

【0037】

（ｃ）前記装置内に反応ガスとしてＡｒガスと窒素ガスを導入して０．６Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記Ｔｉターゲットに表２に示される所定のパルススパッタ条件で高出力パルススパッタを行い、もって前記工具基体の表面に、表２に示される平均層厚のＴｉＮ層を硬質被覆層の下部層として成膜した。ただし、すべての工具基体に下部層を形成したわけではない。

【0038】

（ｄ）引き続き、装置内に導入するガスのうち窒素ガスを閉じ、Ａｒガスに切り替えると共に、装置内雰囲気を０．５Ｐａとし、十分に窒素ガスの排出がなされ、Ａｒガスのみの装置内雰囲気となった後、ハフニウムと硼素からなる焼結体ターゲットに表２に示される所定のパルススパッタ条件で、層厚に対応した時間で高出力パルススパッタを行い、表３に示す本発明被覆エンドミル（以下、本発明被覆工具という）１～１２を製造した。

【0039】

また、比較の目的で、これら工具基体１～２に対して、表４に示す条件で前記（ａ）～（ｄ）の手順により下部層と硬質被覆層を形成し、表５に示す比較被覆エンドミル（以下、比較被覆工具という）１～９を製造した。ただし、すべての工具基体に下部層を形成したわけではない。

【0040】

なお、表３、５における「全体ＨｆＢｘ層の平均ｘ（原子比）」とは、ＨｆＢ層の第１層および第２層を併せた平均ｘ（原子比）を、「交互積層の第１層のＨｆＢｘ層のｘ（原子比）」とは、交互積層の第１層のＨｆＢｘ層のｘ（原子比）の平均値を、また、「交互積層の第２層のＨｆＢｘ層のｘ（原子比）」とは、交互積層の第２層のＨｆＢｘ層のｘ（原子比）の平均値を、それぞれ、表す。

【0041】

【表1】

【0042】

【表2】

【0043】

【表3】

【0044】

【表4】

【0045】

【表5】

【0046】

次に、本発明被覆工具１～１２、比較被覆工具１～９に対して、以下の切削試験を行い、その結果を表６に示す。

【0047】

エンドミルによる側面加工によって湿式切削試験を実施した。
被削材：Ｔｉ基合金（質量％で、Ｔｉ－６％Ａｌ－４％Ｖ合金）のブロック材（幅１９０ｍｍ×２５０ｍｍ）
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ
回転速度：１２７３２ｍｉｎ^－１
送り速度：１，０１９ｍｍ／ｍｉｎ
軸方向切込み量（ａｐ）：２．０ｍｍ
径方向切込み量（ａｅ）：０．２ｍｍ
エンドミル刃外径：２ｍｍ
切削長１５０ｍ（切削時間として１４０分に相当）まで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、チッピング発生の有無を観察した。

【0048】

【表6】

【0049】

表６に示す結果から明らかなように、本発明被覆工具１～１２は、Ｔｉ基合金の湿式切削試験であっても優れた耐摩耗性および耐溶着性を有していることがわかる。
これに対して、比較被覆工具１～９は、チッピングが発生し短時間の工具寿命であった。

【図1】