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JP2004345078A - Pvd被覆切削工具 - Google Patents

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晋也 今村
Hideki Moriguchi
秀樹 森口
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Abstract

【課題】 形状精度が高く、良好な仕上げ面が得られ、長時間加工することができるPVD被覆切削工具を提供する。
【解決手段】 本発明のPVD被覆切削工具は、超硬質合金またはサーメットを母材とし、母材をコーティング層でPVD法により被覆した切削工具であり、母材は、表面粗さRaが0.3μm以下であり、母材の硬質粒子の平均粒径が0.3〜1.5μmであり、切れ刃がポジ形状のシャープエッジである。また、コーティング層は、内層と外層とを有し、内層と外層の厚さの合計が2.0μm以下であり、内層は、4a族、5a族、6a族、AlおよびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種と、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種とからなり、外層は、硼素、珪素、炭素および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種と、Tiとからなることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、切れ味に優れ、良好な加工面を有し、形状精度が高い加工品を得ることができるPVD被覆切削工具に関する。特に、電子機器部品などのように、高い精度が要求される加工分野で使用されるPVD被覆切削工具に関する。
一般に、電子機器、時計およびカメラ部品などの旋削加工では、形状精度や加工面の表面粗さなどにおいて、高い精度が求められる。また、近年の電子機器などの小型化に伴い、それらの部品については、さらに高い形状精度や表面粗さが要求されるようになっている。従来より、このような高精度部品の加工用工具には、TiAINまたはTiCNなどが被覆されたコーティングチップが広く使用されている。一般的なコーティングチップでは、厚さ3〜5μm程度のコーティング層が被覆されるが、高精度部品加工では加工送りおよび切込みが小さい場合が多く、コーティング層がチッピングしやすい。一旦、チッピングが発生すると、加工面粗さが低下したり、工具補正量が増加するため、使用できなくなる場合が多く、高精度加工用工具として使用することは難しい。
このような問題を解決するために、母材の表面粗さを小さくした上で、2μm以下のTiCN系コーティング層で母材を被覆する方法が知られている(特許文献1参照)。かかる方法により、安定な構成刃先を発生させ、刃先を構成刃先で保護することで、加工寸法の安定化を図ることができるとしている。一方、高硬度なTiAlN系コーティングでシャープエッジ形状を被覆する場合、被膜の高い残留圧縮応力により、コーティング層が剥離しやすくなり、わずかな衝撃で剥離してしまう。かかる問題を解決するために、切れ刃に幅0.1〜20μmのホーニングRまたはチャンファを設けることにより、TiAlN系コーティング層を安定して成膜する方法が知られている(特許文献2参照)。
特開2001−277004号公報 特開2002−160108号公報
しかし、コーティング層のチッピングを防止するために、2μm以下のTiCN系コーティング層を形成し、刃先を構成刃先で保護する方法では、構成刃先を利用するため、構成刃先の脱落時に工具が欠ける虞がある。また、TiAIN系などと比較して硬度が低いTiCN系コーティングのため、コーティング層が早期に摩耗して母材が露出し、必要以上に構成刃先が成長して寸法精度が低下するなどの問題がある。一方、TiAlN系コーティング層の剥離を防止するために、切れ刃にホーニングRまたはチャンファを設けると、切削抵抗が高くなり、被削材が溶着して加工面が白濁したり、表面粗さの低下および寸法バラツキが生じやすい。
本発明の課題は、形状精度が高く、良好な仕上げ面が得られ、長時間加工することができるPVD被覆切削工具を提供することにある。
本発明のPVD被覆切削工具は、超硬質合金またはサーメットを母材とし、母材をコーティング層でPVD法により被覆した切削工具であり、母材は、表面粗さRaが0.3μm以下であり、母材の硬質粒子の平均粒径が0.3〜1.5μmであり、切れ刃がポジ形状のシャープエッジである。また、コーティング層は、内層と外層とを有し、内層と外層の厚さの合計が2.0μm以下であり、内層は、4a族、5a族、6a族、AlおよびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種と、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種とからなり、外層は、硼素、珪素、炭素および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種と、Tiとからなることを特徴とする。このため、本発明のPVD被覆切削工具は、精密加工用具として好適である。
コーティング層は、内層が外層より高硬度で、内層が外層より厚く、内層と外層の厚さの合計が0.5〜1.5μmであり、外層がTiNからなる態様が好ましい。また、コーティング層は、母材との界面に厚さ0.5μm以下のTiNまたはCrNからなる最下層を備えるものが好適である。また、コーティング層は、−3.0〜0GPaの圧縮残留応力を有することが好ましい。さらに、コーティング層の表面に存在するマクロパーティクルが少なく、直径5μm以上のマクロパーティクルが10個/mm2以下であることが好ましい。
母材が超硬質合金により構成されるときは、超硬質合金は、Coを3〜12質量%含み、ビッカース硬度が14〜22GPaであるものが望ましい。一方、母材がサーメットにより構成されるときは、サーメットは、Coを5〜12質量%含み、ビッカース硬度が14GPa〜22GPaであるものが望ましい。
本発明のPVD被覆切削工具は、旋削加工用スローアウェイチップ、たとえば、内径加工用スローアウェイチップとして好適であり、ハードディスク関連部品加工用の工具として有用である。
本発明のPVD被覆切削工具によれば、寸法バラツキが小さく、高精度で、白濁のない良好な仕上げ面で長時間加工することができる。このため、精密加工用の工具として有用であり、特に、μm単位の高い精度が要求される電子機器、時計およびカメラ部品などの旋削加工に利用することができる。
本発明のPVD被覆切削工具は、図1に示すように、超硬質合金またはサーメットを母材1とし、母材1上にPVD法により被覆したコーティング層2を備える。コーティング層2は、外層2aと内層2bを有し、内層と外層の厚さの合計が2.0μm以下である。内層は、4a族、5a族、6a族、AlおよびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種と、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種とからなる。外層は、硼素、珪素、炭素および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種と、Tiとからなる。一方、母材は、表面粗さRaが0.3μm以下であり、母材の硬質粒子の平均粒径が0.3〜1.5μmであり、切れ刃がポジ形状のシャープエッジである。
図4は、切れ刃の底面43を水平に保持したときの刃先40の断面図を示す。ポジ形状とは、図4に示すように、刃先40のくさび角θが90°より小さいことを表す。特に、すくい面41のすくい角aが0°以上であり、逃げ面42の逃げ角bが5°以上であり、くさび角θが80°以下である態様が好ましい。また、ここでいうシャープエッジとは、刃先の半径が0.01mm以下の非常に鋭利な刃先形状を表すが、すくい面41および逃げ面42を研磨加工する際に発生する刃先先端の欠けまたはチッピングが発生した非鋭利な刃先もシャープエッジに含まれる。
かかる特徴を有することにより、本発明のPVD被覆切削工具は、耐チッピング性、耐摩耗性、加工面粗さおよび形状精度に優れる。したがって、精密加工用の切削工具として好ましく使用することができる。
コーティング層は、母材の切れ刃がポジ形状で、シャープエッジの場合でも、コーティング層が剥離することなく形成できる点で、内層と外層の厚さの合計は2.0μm以下とし、好ましくは1.5μm以下とする。一方、良好な加工面と優れた形状精度を得る点で、内層と外層の厚さの合計は、0.5μm以上とするのが好ましい。一方、コーティング層は、切削開始初期に外層が正常摩耗することで、コーティング層の異常チッピングを抑え、加工面粗さの低下および工具補正量の増加を抑制する点で、内層が外層より厚いものが好ましい。具体的には、内層が外層より、0.1〜0.8μm厚い態様が好ましい。
また、切削開始初期に外層が正常摩耗することにより同様の効果を奏する点で、内層が外層より高硬度であるコーティング層が好ましい。高硬度な内層が耐摩耗性を高めるため、工具寿命が大幅に向上するという効果も発揮する。具体的には、内層の硬度が、外層の硬度の1.05〜2倍程度であることが好ましく、1.1〜1.5倍がより好ましい。このような外層の材質としては、たとえば、TiNが好適である。
コーティング層は、PVD法により形成する。PVD法によりコーティングすると、コーティング層に圧縮残留応力が加わるため、母材がシャープエッジ形状であっても、刃先の強度を低下させることなく、良好な切削性能が得られる。PVD法としては、たとえばアークイオンプレーティング法などが好適である。コーティング層の圧縮残留応力は、コーティング層が自己破壊することなく、良好な密着性を有する点で、−3.0〜0GPaに制御することが好ましく、−2.8〜−0.5GPaがより好ましい。また、コーティング層の密着性を高める点で、図1に示すように、コーティング層2は母材1との界面に、厚さ0.5μm以下のTiNもしくはCrNからなる最下層2cを備える構成が好ましく、最下層2cの厚さは0.3μm以下がより好ましい。
アークイオンプレーティング法により形成したコーティング層の表面には、マクロパーティクルと呼ばれる硬質粒子が存在する。このコーティング層の表面に存在するマクロパーティクルの大きさが小さく、密度が小さいほど、切削抵抗が下がり、被削材の溶着を防ぐことができるため、工具寿命および被削材の加工面品位が向上する。マクロパーティクルの密度は、直径5μm以上のものが10個/mm2以下が好ましい。直径5μm以上のマクロパーティクルの密度が10個/mm2より大きいと、被削材がマクロパーティクルに溶着して切削抵抗を上げるために、工具寿命が短くなり、被削材の加工面品位を低下させるため、好ましくない。
マクロパーティクルの密度は、SEM(Scanning Electron Microscope)観察によって評価することができる。少なくとも1000倍以上の倍率で試料表面の写真撮影を行ない、写真上でマクロパーティクルの数を数えることにより密度を求めることができる。
図5は、マクロパーティクル51が生成する過程を、コーティング層の断面で模式的に示したものである。工具の刃先52にコーティング層53を被覆する過程で、ターゲットから溶着粒子54が飛散し、コーティング層表面に付着する。コーティング層の表面をSEMで観察すると、いろいろの外径の丸い溶着粒子が確認できる。しかし、このような溶着粒子は、本発明において望ましいものではない。溶着粒子54は、コーティング層の成長過程で飛散してくるので、図5に示すように、溶着粒子54は、コーティング層53のいろいろな厚さの所に存在しているものと推定される。
本発明の切削工具は、超硬質合金またはサーメットを母材とする。超硬質合金またはサーメットの組成は、特に限定されるものではなく、超硬質合金としては、K種超硬質合金(WC−Co系)またはP種超硬質合金(WC−β−Co系)のいずれも使用することができる。また、サーメットとしては、たとえば、TiC−Ni−Mo2C系サーメットを使用することができる。母材の表面粗さRaは、被削材の溶着を少なくし、加工精度が高まる点で、0.3μm以下とし、0.2μm以下が好ましい。また、母材の硬質粒子は、粒子の脱落による加工面粗さの低下を防止するとともに、表面粗さRaを0.3μm以下に制御しやすい点で、微粒子とする。具体的には、硬質粒子の平均粒径は0.3〜1.5μmとし、0.5〜1.3μmが好ましい。
本発明における硬質粒子の平均粒径は、つぎのようにして算出する。まず、基材切断面をラッピングし、SEMにて10000倍の倍率で写真撮影を行なう。図6に、基材切断面のSEM写真を模式的に例示する。図6に示すように、写真上に任意の直線を描き、その直線によってヒットされる単位長さ当りの硬質粒子の数をNとし、任意の単位面積内に含まれる硬質粒子の数をNとすると、平均粒径dは、つぎのFullmanの式を用いて求めることができる。
=(4/π)・(N/N
母材が超硬質合金からなるときは、超硬質合金は、脆化を防止する点で、Coを3質量%以上含有するものが好ましく、5質量%以上が含有するものがより好ましい。一方、硬度を高める点で、Coは12質量%以下が好ましく、10質量%以下がより好ましい。また、超硬質合金のビッカース硬度は、母材露出後の耐摩耗性を維持する点で、高硬度のものが好ましい。具体的には、14〜22GPaが好ましく、15〜22GPaがより好ましい。同様に、母材がサーメットからなるときは、サーメットは、脆化を防止する点で、Coを5質量%以上含有するものが好ましく、8質量%以上が含有するものがより好ましい。一方、硬度を高める点で、Coは12質量%以下とするのが好ましく、10質量%以下がより好ましい。また、サーメットのビッカース硬度は、母材露出後の耐摩耗性を維持する点で、高硬度のものが好ましい。具体的には、14〜22GPaが好ましく、15〜22GPaがより好ましい。
このような母材とコーティング層からなる本発明の切削工具を使用すると、加工面の表面粗さRaが0.15μm以下となり、白濁のない良好な加工面品位が得られ、被削材の寸法変化も小さくなる。したがって、たとえば、内径加工用スローアウェイチップなどの旋削加工用スローアウェイチップとして好ましく使用することができる。特に、高精度な加工が要求されるハードディスク関連部品の加工用切削工具として好適である。
実施例1〜12
本発明の効果を実証するために、12種類の試料(実施例1〜12)を作成した。試料に用いた母材は、WCの平均粒径が1.0μm、Coの含有量が10質量%、ビッカース硬度が15GPaである超硬質合金とした。この母材を用いて、図2に示す形状の刃先交換チップを作成した。刃先交換チップは、頂角55°の菱形形状をなし、逃げ面には7°の逃げ角を形成し、すくい面には20°のすくい角を形成した。また、高精度な加工を行なうために、研磨された母材の切れ刃は、ポジ形状で切れ味のよいシャープエッジとし、すくい面と逃げ面の表面粗さRaは、0.2μmとした。つぎに、母材の上に、PVD法として通常のアークイオンプレーティング法により、表1に示すコーティング層を形成した後、一般的に用いられるホルダに刃先交換チップを取り付け、外径旋削加工を行ない、切削評価を行なった。
Figure 2004345078
切削評価は、直径12mm、長さ10mmの丸材であり、SUS430Fからなる被削材に対して、切削速度50m/分、切り込み量0.1mm、送り速度0.05mm/回で、不水溶性油剤を用いた湿式条件で行ない、1000個加工して、10個、100個、500個および1000個毎に、加工面品位および寸法バラツキを評価した。加工面品位は、加工した被削材を目視により判定し、特に良好な加工面である場合に◎、良好な加工面である場合に○、また、白濁した加工面である場合に×と評価した。加工面品位の評価結果を表2に示す。一方、寸法バラツキは、1000個加工し、10個、100個、500個および1000個加工する毎に、終了直前の10個の被削材について、外径を測定し、最大のものと最小のものとの直径の差を測定し、直径の差が5μm以下である場合に◎、5μmを越えて20μm未満である場合に○、20μm以上である場合に×と評価した。寸法バラツキの結果を表3に示す。
Figure 2004345078
Figure 2004345078
表2の結果から明らかなとおり、実施例1〜12のいずれの試料も、1000個加工しても、良好な加工面が維持されていた。さらに、本発明品の中でも、コーティング層における内層と外層の厚さの合計が0.5〜1.5μmであり、母材との界面にTiNまたはCrNの最下層を備え、かつ、外層がTiNである実施例1、3および7の試料は、1000個加工した後も、特に良好な加工面を有していた。また、表3の結果から明らかなとおり、寸法バラツキが小さく、特に、コーティング層における内層と外層の厚さの合計が0.5〜1.5μmであり、母材との界面にTiNまたはCrNの最下層を備え、かつ外層がTiNである実施例1、3および7では、1000個加工しても、直径の差が5μm以下であり、寸法バラツキが小さいことがわかった。
比較例1〜6
表1に示すコーティング層を形成した。また、比較例6についてのみ、刃先交換チップを、すくい角0°、逃げ角0°、くさび角90°のネガ形状とした。これらの点以外は、実施例1〜12と同様にして、加工面品位および寸法バラツキを評価した。加工面品位の結果を表2に示す。また、寸法バラツキの結果を表3に示す。表2の結果から明らかなとおり、外層が形成されていない比較例1と、外層がTiAlNである比較例3では、初期にコーティング層がチッピングを起こし、加工面が白濁した。また、コーティング層がTiNの単層からなる比較例2では、耐摩耗性不足のため初期にコーティング層が摩耗してしまい、超硬質合金が露出して加工面が白濁した。一方、内層と外層の厚さの合計が2.0μmよりも厚い比較例4と比較例5では、チッピングするため、500個加工時には、加工面は既に白濁していた。また、刃先がネガ形状である比較例6では、切削抵抗高く、加工初期から加工面が白濁し、寸法バラツキも大きかった。
一方、比較例における寸法バラツキは、加工面品位と同様に、加工数量が少ないときは良好であったが、加工数量が増大するにつれて、コーティング層のチッピングおよび超硬質合金の露出などが発生し、寸法バラツキが増大した。したがって、本発明によれば、工具の切れ味を確保したまま、摩耗による母材の露出を防ぐことができるため、良好な加工面品位が長時間にわたり維持され、寸法バラツキも小さくなることがわかった。
実施例13〜15
母材である超硬質合金が切削性能に及ぼす影響を確認するため、表4に示す超硬質合金を用いた以外は、実施例1と同様にして、刃先交換チップを作成した。作製後、1000個加工し、加工面の品位と寸法バラツキを調査した。調査した結果を表4に示す。加工面品位および寸法バラツキの評価方法は、実施例1と同様である。
Figure 2004345078
表4の結果から明らかなように、実施例13〜15では、白濁のない美しい加工面が得られ、寸法バラツキは小さかった。
比較例7〜9
表4に示す超硬質合金を用いた以外は、実施例1と同様にして、刃先交換チップを作成した。作製後、1000個加工し、加工面の品位と寸法バラツキを調査した。調査した結果を表4に示す。加工面品位および寸法バラツキの評価方法は実施例1と同様である。比較例7〜9では、母材である超硬質合金における硬質粒子の平均粒径が1.5μmより大きいため、加工面品位が悪く、寸法バラツキも大きかった。
実施例16,17
母材であるサーメットが切削性能に及ぼす影響を確認するため、サーメットとして、表5に示すTiCNを用いた以外は、実施例1と同様にして、刃先交換チップを作成した。作製後、1000個加工し、加工面の品位と寸法バラツキを調査した。調査した結果を表5に示す。加工面品位および寸法バラツキの評価方法は実施例1と同様である。
Figure 2004345078
表5の結果から明らかなとおり、実施例16,17では、白濁のない美しい加工面が得られ、寸法バラツキも小さかった。
比較例10
母材であるサーメットとして、表5に示すTiCNを用いた以外は、実施例1と同様にして、刃先交換チップを作成した後、1000個加工し、加工面の品位と寸法バラツキを調査した。調査した結果を表5に示す。加工面品位および寸法バラツキの評価方法は実施例1と同様である。比較例10では、硬質粒子の平均粒径が2.5μmと大きく、母材硬度が低いため、工具の摩耗が初期に進展しやすく、加工面品位が悪く、寸法バラツキも大きかった。
以上の実施例および比較例では、外径旋削加工を行ない、切削評価を行なった。しかしながら、図2に示すような刃先交換チップを取り付けた外径および端面旋削加工用工具だけではなく、図3に示すような刃先交換チップを取り付けた内径旋削加工用工具、さらには、溝入れ加工用工具、ねじ切り加工用工具といった旋削加工用工具全般で同様の効果が得られた。特に、本発明の切削工具は、ハードディスク関連部品のような高精度な加工が必要な分野で優れた性能を発揮した。なお、図3に示す刃先交換チップは、先端に切れ刃3を有し、ホルダ取付け部4により保持されて、内径旋削加工用工具として使用される。
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。
本発明のPVD被覆切削工具の表面付近の構造を示す拡大断面図である。 本発明のPVD被覆切削工具を構成する刃先交換チップの斜視図である。 本発明のPVD被覆切削工具を構成する内径旋削加工用刃先交換チップの斜視図である。 切れ刃の底面を水平に保持したときの刃先の断面図である。 マクロパーティクルが生成する過程を、模式的に示した断面図である。 基材切断面のSEM写真を模式的に示したものである。
符号の説明
1 母材、2 コーティング層、2a 外層、2b 内層、2c 最下層、3 切れ刃、4 ホルダ取付け部。

Claims (13)

  1. 超硬質合金またはサーメットを母材とし、該母材をコーティング層でPVD法により被覆した切削工具であって、
    前記母材は、表面粗さRaが0.3μm以下であり、前記母材の硬質粒子の平均粒径が0.3〜1.5μmであり、切れ刃がポジ形状のシャープエッジであり、
    前記コーティング層は、内層と外層とを有し、内層と外層の厚さの合計が2.0μm以下であり、
    前記内層は、4a族、5a族、6a族、AlおよびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種と、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種とからなり、
    前記外層は、硼素、珪素、炭素および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種と、Tiとからなる
    ことを特徴とするPVD被覆切削工具。
  2. 前記PVD被覆切削工具は、精密加工用に用いられることを特徴とする請求項1に記載のPVD被覆切削工具。
  3. 前記コーティング層は、内層が外層より高硬度であることを特徴とする請求項1または2に記載のPVD被覆切削工具。
  4. 前記コーティング層は、内層が外層より厚く、内層と外層の厚さの合計が0.5μm〜1.5μmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
  5. 前記コーティング層は、外層がTiNからなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
  6. 前記コーティング層は、母材との界面に厚さ0.5μm以下のTiNまたはCrNからなる最下層を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
  7. 前記コーティング層は、−3.0GPa〜0GPaの圧縮残留応力を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
  8. 前記コーティング層の表面に存在する直径5μm以上のマクロパーティクルが、10個/mm2以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
  9. 前記母材を構成する超硬質合金は、Coを3質量%〜12質量%含み、ビッカース硬度が14GPa〜22GPaであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
  10. 前記母材を構成するサーメットは、Coを5質量%〜12質量%含み、ビッカース硬度が14GPa〜22GPaであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
  11. 前記切削工具は、旋削加工用スローアウェイチップであることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
  12. 前記切削工具は、内径加工用スローアウェイチップであることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
  13. 前記切削工具は、ハードディスク関連部品加工用の工具であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載のPVD被覆切削工具。
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