JP5109199B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、超硬合金からなる基材上に被覆層を形成した表面被覆切削工具に関する。

従来より、切削工具の耐摩耗性等の特性を向上させることを目的として、超硬合金からなる基材上に化学蒸着法（ＣＶＤ法）により被覆層を形成することが行なわれてきた。しかし、被覆層を化学蒸着法により形成すると、その形成時においてη相と呼ばれるＷとＣｏとの複炭化物が超硬合金基材の表面部に形成されることが知られていた。このη相は、数μｍというかなり分厚い厚みを有したものであり、表面被覆切削工具の強度を低下させたり、基材と被覆層との剥離の原因になるものと考えられていた。

このため、このη相を形成させない方法が種々検討されたところ、η相を全く形成させないよりも０．１〜２μｍの厚みでη相を形成させる方が基材と被覆層との密着性が向上するとの提案がなされている（特許文献１）。

しかしながら、この提案により基材と被覆層との密着性はある程度向上することが期待できるが、表面被覆切削工具の強度を低下させるという問題は十分には解決されていない。昨今の切削加工技術においては、表面被覆切削工具に対して極めて高度な性能が要求されており、強度の向上ならびに基材と被覆層との密着性の更なる向上が求められているのが現状である。
特許第３４６０５６５号公報

本発明は、上述のような現状に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、強度が向上するとともに基材と被覆層との密着性が向上した表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明の表面被覆切削工具は、超硬合金からなる基材とそれを被覆する１層以上の被覆層とを備え、該基材は、その表面部にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ未満の表面層を有することを特徴とする。

ここで、上記被覆層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。

また、上記被覆層のうち該表面層と接する最下層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。このような最下層は、０．０５μｍ以上２μｍ以下の厚みであることが特に好ましい。

また、上記被覆層は、化学蒸着法により形成されることが好ましい。なお、上記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用刃先交換型切削チップのいずれかであることが好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、上記の通りの構成を有することにより、強度が向上するとともに基材と被覆層との密着性が飛躍的に向上したものである。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、超硬合金からなる基材とそれを被覆する１層以上の被覆層とを備えるものである。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用刃先交換型切削チップ等として極めて有用である。

＜基材＞
本発明の基材は、超硬合金からなるものである。このような超硬合金は、この種の表面被覆切削工具の基材として用いられる従来公知のものを特に限定することなく使用することができる。たとえば、ＷＣとＣｏとを主成分として含むＷＣ基超硬合金をこのような超硬合金として挙げることができる。このようなＷＣ基超硬合金は、さらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ等の炭化物、窒化物、炭窒化物等を含むことができる。

＜表面層＞
本発明の基材は、その表面部にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ未満の表面層を有することを特徴とする。このように基材の表面部において特定の厚みを有する表面層を形成したことにより、切削工具としての強度が飛躍的に向上したとともにこの表面層上に被覆層を積層させると基材と被覆層との密着性が飛躍的に向上したものとなる。

この表面層の厚みが、０．００５μｍ未満の場合、基材と被覆層との密着性向上の効果が低く、一方０．１μｍ以上となる場合も基材と被覆層との密着性向上の効果が低くなるとともにさらに強度が低下する場合もある。このように特定範囲の厚みを有する表面層を形成させた場合にのみ特異的に優れた効果が示される詳細なメカニズムは未だ十分に解明できていないが、恐らく表面層の厚みがこの範囲となる場合に被覆層とこの表面層との間で化学的な相互拡散が生じることによりこれら両者の密着性が向上するものと推測される。すなわち、表面層の厚みが０．００５μｍ以下であるとこの相互拡散が有効に生じないと考えられる。一方、表面層の厚みが０．１μｍを超えると、基材中においてこの表面層と表面層以外の部分との界面においてその界面部分の密着性が低下し、その結果として基材と被覆層との密着性が低下するものと推測される。

このような表面層の厚みは、より好ましくはその上限が０．０９μｍ、さらに好ましくは０．０８μｍ、その下限が０．００７μｍ、さらに好ましくは０．０１μｍである。このような表面層の厚みは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）等とＥＤＳ（蛍光Ｘ線元素分析）、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）等とを組み合わせる方法や、カロテスト（簡易精密膜厚測定機）で被覆層と基材との界面を露出させた後村上氏試薬でエッチング処理を行ない、それを金属顕微鏡で観察する等により測定することができ、また組成等の同定はＸ線回折により行なうことができる。

なお、このような表面層は、基材全面の表面部に形成されていることが好ましいが、基材の表面部において部分的に表面層が形成されていない場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。

ここで、ＷとＣｏとの複炭化物とは、Ｗ_XＣｏ_YＣ_Z（式中、Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ独立して任意の正の数を表す）という一般式で示される化合物をいう。たとえばＷ₃Ｃｏ₃Ｃ、Ｗ₆Ｃｏ₆Ｃ、Ｗ₄Ｃｏ₂Ｃ、Ｗ₂Ｃｏ₄Ｃ、Ｗ₉Ｃｏ₃Ｃ₄、Ｗ₁₀Ｃｏ₃Ｃ_3.4等が挙げられる。しかしながら、これらの組成に関係なくいずれも同様の効果が示されるため、本発明においては特に組成を特定することなく単に「ＷとＣｏとの複炭化物」という表現を採用するものとする。このようなＷとＣｏとの複炭化物は、この種の表面被覆切削工具の超硬合金基材において形成されるη相の組成と同一のものであり、本発明の表面層はこのη相の厚みを特定したものである。

また、ＷとＣｏとの複炭化物を主成分とするとは、不可避不純物等の他の成分を少量（０．３質量％以下）含み得ることを意味する。

このような本発明の表面層は、たとえば以下のようにして基材の表面部に形成することができる。すなわち、まず基材を洗浄液を用いて０．５〜５分間洗浄する（このような処理工程を洗浄工程というものとする）。洗浄液としては、エチルアルコール等のアルコール系洗浄液、塩酸、酒石酸等の酸系洗浄液、およびアルカリイオン水等を挙げることができる。洗浄液として酸系洗浄液を用いると表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、それ以外の洗浄液を用いると表面層の厚みは薄くなる傾向を示す。また、洗浄時間を長くすると表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、洗浄時間を短くすると表面層の厚みは薄くなる傾向を示す。

次いで、上記のような洗浄工程を経た基材を高温加熱処理する（このような処理工程を高温加熱工程というものとする）。この高温加熱工程は、１または２以上の気体を５〜５０ｌ／ｍｉｎ．の流量で用いて、５０ｈＰａ〜大気圧（１０１３ｈＰａ）の圧力条件下、８５０〜１３００℃に０〜２０分間、基材を保持する処理工程をいう。基材をこのように高温加熱処理することにより基材の表面部に所定の厚みの表面層を形成することができる。

ここで、上記気体としては、Ａｒ、Ｈ₂、ＣＨ₄、Ｎ₂、ＣＨ₃ＣＮ、ＴｉＣｌ₄、ＣＯ等を挙げることができ、２以上を用いる場合は任意の分圧比とすることができる。一方、上記の圧力条件は、それを低くすると表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、高くすると（大気圧下）表面層の厚みが薄くなる傾向を示す。また、保持時間は短過ぎても長過ぎても表面層の厚みは厚くなる傾向を示す。以上の条件を適宜調節することにより表面層の厚みを制御することができる。

上記のようにして基材の表面部に表面層を形成することができるが、表面層の厚みは後述の被覆層（特にその最下層）の形成条件によっても制御することが可能である。

＜被覆層＞
本発明の表面被覆切削工具は、上記の基材を被覆する１層以上の被覆層を備える。ここで、被覆層が基材を被覆するとは、基材の全面を被覆するようにして形成されていても良いし、基材の一部分のみを被覆するようにして形成されていても良いことを意味する。しかし、被覆層の形成目的が切削工具の諸特性の向上にあることから、被覆層は基材の全面を被覆するかもしくは一部分を被覆する場合であっても切削性能の向上に寄与する部位の少なくとも一部分を被覆することが好ましい。なお、本発明において、被覆層が基材を被覆するとは、被覆層が基材の表面層上に形成されることを意味するが、被覆層の一部が表面層を介さず直接基材上に形成されるとしても本発明の範囲を逸脱するものではない。また、本発明の被覆層が２層以上形成される場合は、それらが基材（表面層）上に順次積層されるものとする。

このような本発明の被覆層の厚み（被覆層が２以上積層される場合は全体の厚み）は、０．５μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。その厚みが０．５μｍ未満の場合、耐摩耗性等の諸特性の向上作用が十分に示されないことがあり、一方、４０μｍを超えてもそれ以上の諸特性の向上が認められないことから経済的に有利ではない。しかし、経済性を無視する限りその厚みは４０μｍ以上としても何等差し支えなく、本発明の効果は示される。このような被覆層の厚みの測定方法としては、たとえば表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。

そして、このような被覆層（２層以上形成される場合はその各層）は、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素によって構成されるか、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。

上記のような元素または化合物としては、たとえばＣｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢ₂、ＴｉＯ₂、ＴｉＢＮ、ＴｉＢＮＯ、ＴｉＣＢＮ、ＺｒＣ、ＺｒＯ₂、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＣＮＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＺｒＮ、ＴｉＡｌＣ、ＮｂＣ、ＮｂＮ、ＮｂＣＮ、Ｍｏ₂Ｃ、ＷＣ、Ｗ₂Ｃ等を挙げることができる。なお、本発明において上記のように化合物を化学式で表わす場合、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。たとえば単に「ＴｉＣＮ」と記す場合、「Ｔｉ」と「Ｃ」と「Ｎ」の原子比は５０：２５：２５の場合のみに限られず、また「ＴｉＮ」と記す場合も「Ｔｉ」と「Ｎ」の原子比は５０：５０の場合のみに限られない。これらの原子比としては従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。

なお、本発明の被覆層は、化学蒸着法により形成されることが好ましい。このような化学蒸着法としては、従来公知の方法を特に限定することなく使用することができ、条件等が限定されることはない。たとえば、８５０〜１０５０℃程度の成膜温度を採用することができ、使用するガスとしてもアセトニトリル等のニトリル系のガス等従来公知のガスを特に限定することなく使用することができる。

＜最下層＞
本発明において、上記被覆層のうち上記表面層と接する最下層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。このように上記表面層と接する最下層をこのような化合物で構成することにより、基材（すなわち表面層）との密着性を特に向上させることができる。

このような化合物としては、たとえばＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＮ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮＯ、ＨｆＮ、ＨｆＣＮ、ＣｒＮ等を挙げることができる。

このような最下層の厚みは、０．０５μｍ以上２μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは上限が１μｍであり、下限が０．１μｍである。最下層の厚みが０．０５μｍ未満の場合、基材と被覆層との密着性向上の効果が低く、一方２μｍを超える場合も基材と被覆層との密着性向上の効果が低くなるとともにさらに強度が低下する場合もある。

なお、最下層の厚みを薄くすると表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、最下層の厚みを厚くすると表面層の厚みが薄くなる傾向を示す。このように、最下層の厚みにより表面層の厚みを制御することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１〜３７および比較例１〜７＞
１．０質量％のＴａＣ、０．５質量％のＮｂＣ、６質量％のＣｏおよび残部ＷＣからなる組成の超硬合金粉末をプレスし、続けて真空雰囲気中で１４５０℃、１時間焼結し、その後平面研削処理および刃先稜線に対してＳｉＣブラシによる刃先処理（すくい面側から見て０．０５ｍｍ幅のホーニングを施す）を行なうことにより、形状がＣＮＭＧ１２０４０８Ｎ−ＧＵ（住友電工ハードメタル社製）の超硬合金製チップを作製し、これを超硬合金からなる基材とした。この基材は、表面に脱β層は形成されていなかった。なお、基材は、各実施例および比較例毎に２個ずつ準備した。

次いで、各基材に対して表１および表２記載の洗浄工程を実施した。表１および表２中、酸系洗浄剤とは塩酸、酒石酸、およびアルカリイオン水などからなる酸系洗浄剤により洗浄を実施したことを意味するが、この酸系洗浄剤とアルカリ洗浄剤や中性洗剤などとを組み合わせて洗浄を行なうこともできる。

続いて、洗浄工程を経た各基材に対して表１および表２記載の高温加熱工程を実施することにより、各基材の表面部にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする表面層を形成した。なお、表１および表２中、高温加熱工程において使用した気体の「種類」の欄において、ある温度から異なった気体を導入する旨の記載がされているものについては、その異なった気体が導入された後の分圧比を「分圧比」の欄に示してある。また、「保持時間」とは、表に記載した温度で保持する時間を示すが、「０」と表記されているものは温度が表記載の温度に到達した時点で最下層の形成を開始することを示す。

引き続き、表面層を形成した各基材に対して被覆層として表１および表２記載の最下層を表１および表２記載の成膜温度および表４記載の条件で化学蒸着法により形成した。このようにして形成された最下層の厚みを表１および表２に示す。最下層の厚みについては、成膜時間によって調整した。なお、表１、表２および表４における膜質とは、最下層（表４に関しては最下層以外を含む）を構成する化合物の種類を示す。また、表４における「混合ガス組成」の欄に記載されている「残」の表記は、その表記のあるガスによって残部が占められることを意味する。

さらに、最下層が形成された各基材に対して、表３に記載した構成の被覆層を表４に記載した条件により化学蒸着法により形成した。すなわち、各実施例／各比較例の２個の基材（各実施例／各比較例毎に最下層を形成するまでは同一の工程を経たもの）に対して、一方の基材には表３記載の被覆層Ａを形成し、他方の基材には表３記載の被覆層Ｂを形成した。なお、表３中の第２層は、上記最下層上に形成するものとし、続けて第３層以降の層をその第２層上に順次形成したことを示している。

このようにして、超硬合金からなる基材とそれを被覆する１層以上の被覆層とを備え、該基材は、その表面部にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ未満の表面層を有する、実施例１〜３７の表面被覆切削工具ならびにそれらに対する比較用の比較例１〜７の表面被覆切削工具を作製した。なお、各表面被覆切削工具の表面層の厚みを、カロテストで被覆層と基材との界面を露出させた後村上氏試薬でエッチング処理を行ない、それを金属顕微鏡で観察する方法により測定し、その結果を表１および表２に示す。

そして、このようにして得られた表面被覆切削工具について、下記条件で連続切削試験および断続切削試験を行なうことにより強度および基材と被覆層との密着性の程度を評価した。その結果を表５および表６に示す。なお、表５中被覆層の項における「Ａ」という表記は、表３における被覆層Ａが形成されたことを示し、表６中被覆層の項における「Ｂ」という表記は、表３における被覆層Ｂが形成されたことを示す。

＜連続切削試験の条件＞
使用ホルダ：ＰＣＬＮＲ２５２５−４３（住友電工ハードメタル社製）
被削材：ＳＣＭ４３５（ＨＢ＝２４６）丸棒
切削速度：２４０ｍ／ｍｉｎ.
送り：０．２６ｍｍ／ｒｅｖ.
切込み：２．０ｍｍ
湿式／乾式：湿式（水溶性油）
評価：クレータ摩耗が進行し、切れ刃欠損が発生するまでの時間（分）を求めた。時間が長いもの程耐摩耗性に優れていることを示し、基材と被覆層との密着性が強力であることを示している。

＜断続切削試験の条件＞
使用ホルダ：ＰＣＬＮＲ２５２５−４３（住友電工ハードメタル社製）
被削材：ＳＣＭ４３５（ＨＢ＝２４６）角材
切削速度：１１０ｍ／ｍｉｎ.
送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ.
切込み：２．０ｍｍ
切削時間：１分間
湿式／乾式：乾式
評価：１０切れ刃にて試験を行ない、欠損した切れ刃数を求めた。欠損した切れ刃数が少ないもの程、強度に優れていることを示す。

表５および表６より明らかなように、本発明の実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具に比し、強度に優れ、かつ基材と被覆層との密着性が強力であることが確認された。実施例の表面被覆切削工具において、このように優れた効果が示されるのは、基材の表面部にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ未満の表面層が形成されていることに起因することは明らかである。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (6)

1. 超硬合金からなる基材とそれを被覆する１層以上の被覆層とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記基材は、その表面部にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ未満の表面層を有する表面被覆切削工具。
2. 前記被覆層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される請求項１記載の表面被覆切削工具。
3. 前記被覆層のうち前記表面層と接する最下層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記最下層は、０．０５μｍ以上２μｍ以下の厚みである請求項３記載の表面被覆切削工具。
5. 前記被覆層は、化学蒸着法により形成される請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
6. 前記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用刃先交換型切削チップのいずれかである請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。