JP2001198723A - 被覆超硬エンドミル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、高硬度材の乾式高速切削で長い工具
寿命を達成するため、切粉が赤熱し工具に凝着する、高
温のためエンドミル刃先部が微少に塑性変形を防ぎ工具
寿命を延す超硬エンドミルを提供する。 【構成】ＡｌとＴｉを主成分とし、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂの一
種以上から構成される皮膜とＣｒを主成分とし、Ｃ、
Ｎ、Ｏ、Ｂの一種以上から構成される皮膜を少なくとも
２層以上被覆した超硬エンドミルにおいて、その母材で
ある超硬合金のＣｏの含有量が５重量％から１２重量
％、保磁力が１５ｋＡ／ｍ以上であり、Ｃｏの（１１
１）面から算出される格子定数が３．５６５Å以上で構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は乾式高速切削におい
て、耐溶着性及び耐塑性変形性に優れた被覆超硬エンド
ミルに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年切削加工は高速化の傾向にあり、切
削温度も極めて高くなっている。従って、従来一般的で
あったＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の被覆では、耐酸化性が十分
でなく、それを解決するために、耐酸化性の優れるＴｉ
ＡｌＮ系皮膜が用いられるようになってきた。ＴｉＡｌ
Ｎ系Ｔｉ系皮膜より耐酸化性は優れるものである。さら
に最近では、特開平８−１３２３１０号公報、特開平１
１−１５６９９２号公報のように、潤滑性膜を加えた工
具が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は高硬度材の
高速切削を詳細に実施した結果、高硬度材の乾式高速切
削においては、長い工具寿命を達成するために、新に二
つの現象に対する対策が必要であることを確認した。一
つは切粉が赤熱し、工具に凝着することが確認されこれ
に対する解決策。もう一つは、高温のため、エンドミル
刃先部が微少に塑性変形し、これに伴い摩耗が進行する
ことが確認されこれに対する解決策である。この二つの
現象が工具寿命を低下せしめるとともに、加工面の仕上
げ面粗さを劣化させる要因となっている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、ＡｌとＴｉを主成分とし、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂの一種以
上から構成される皮膜とＣｒを主成分とし、Ｃ、Ｎ、
Ｏ、Ｂの一種以上から構成される皮膜を少なくとも２層
以上被覆した超硬エンドミルにおいて、その母材である
超硬合金のＣｏの含有量が５重量％から１２重量％、保
磁力が１５ｋＡ／ｍ以上であり、Ｃｏの（１１１）面か
ら算出される格子定数が３．５６５Å以上であることを
特徴とするものである。すなわち、本発明では、皮膜の
改良においては、一般にＴｉＡｌＮ系は鋼との摩擦係数
が０．８前後と高いため、皮膜に潤滑性を持たせるため
に鋼との摩擦係数の低いＣｒＮ系皮膜との複合多層化に
より、０．４程度まで低減することを確認した。ＣｒＮ
系は耐凝着性には優れるものの軟らかく耐摩耗性には劣
るため、耐摩耗性に優れるＴｉＡｌＮ系皮膜との多層構
造とするほうがより好ましいがＴｉＡｌＮ系との２層構
造でも十分である。また、皮膜のみの耐凝着生の改善で
は、切削寿命が２割程度しか向上するにすぎなかった。
さらに詳細に検討を重ねた結果凝着は、母材そのもの発
生している事実を突き止めるに至った。つまり、切削初
期において、母材は皮膜で保護されているため、皮膜の
耐凝着性の改善により効果が確認されるわけであるが、
切削中期以降は母材が露呈し、皮膜のみの効果ではその
凝着防止に対する寄与が少ない訳である。

【０００５】

【作用】母材で発生する凝着は、超硬合金中のＣｏと鋼
の間で発生する。鋼と超硬合金を高温で拡散接着しその
接合強度を測定した結果、接合強度は超硬合金のＣｏの
ミーンフリーパス、つまりＷＣ粒子の平均粒子間距離に
強く依存することが確認された。ＷＣ粒子間距離が大き
い場合、つまりＷＣ粒子間のＣｏの厚さが厚い場合接合
強度は著しく高くなる傾向にあった。従って母材での凝
着を抑制するためには、ＷＣ粒子間のＣｏの厚さをある
数値以下にすると凝着が改善できることを見出した。Ｗ
Ｃ粒子間のＣｏの厚さは超硬合金の保磁力と相関があ
り、ＷＣ粒子間のＣｏの厚さが薄くなるにともない保磁
力は増加する。従って、超硬合金の保磁力をある数値以
上にする必要があるわけである。接合強度はある保磁力
以上で著しく減少し、結果母材での凝着を著しく抑制す
るものである。

【０００６】次に耐塑性変形性はＣｏの格子定数を規定
することにより解決される。塑性変形は超硬合金の中の
金属相であるＣｏですべりが発生することにより生ず
る。塑性変形が発生すると切れ味が悪くなり凝着が加速
されることも実験により明らかとなった。Ｃｏに固溶す
るＷ、Ｔｉ、Ｔａと言った重金属成分を増やしＣｏ金属
相を固溶強化することにより、耐塑性変形性は改善され
る。これら成分の固溶量の増加にともないＣｏの格子定
数は増加する。固溶量を増加させる手法としては、合金
のカーボン量を低い側で制御するか、もしくは焼結後急
冷却するかにより達成される。

【０００７】上述のように、ＴｉＡｌＮ系皮膜とＣｒＮ
系皮膜の複合化、及び母材のＷＣ粒子間距離の調整、並
びにＣｏを固溶強化し耐塑性変形性を抑制するという３
点の同時改良により、皮膜のみの改良では２割程度の寿
命向上にすぎなかったが、寿命は６割以上改善されると
ともに、仕上げ面粗さも極めて優れる結果となった。さ
らに耐酸化性を高める目的でＴｉＡｌＮを主成分とする
層のＴｉの一部をＣｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｓｉ等の成分に置
換することが有効で、さらに寿命の向上が可能となる。
これら成分はＴｉＡｌＮ結晶の主に粒界の格子欠陥に偏
析し、粒界を緻密化し酸素の拡散を抑制するものであ
る。

【０００８】次に、ＣｒＮ系皮膜にＶを添加することに
より、切削中皮膜表面に潤滑性の優れるＶの酸化物が形
成されＣｒＮ系の潤滑性を飛躍的に高めることが可能と
なった。一方ＣｒＮ系皮膜は潤滑性を有するものの、硬
度が低く耐摩耗性の観点からはあまり好ましいものでは
ない。この欠点を克服するためには、Ｓｉ、もしくはＴ
ｉの添加が有効である。Ｓｉ、Ｔｉ添加によりＣｒＮ系
皮膜の硬度は向上し、結果潤滑性を保ちながら、耐摩耗
性を付与でき、さらに切削寿命を向上せしめることが可
能である。さらに、潤滑性改善のＶと硬度向上のＴｉ、
Ｓｉの一種を複合添加することがより好ましい。

【０００９】次に数値限定した理由について説明する。
Ｃｏ含有量は５重量％未満であると超硬合金の靭性が低
下し、チッピングが発生し易くなり、１３重量％を超え
ると鋼との凝着が顕著となるため５重量％以上１３重量
％以下とした。Ｃｏの格子定数は３．５６５Å未満であ
ると、Ｃｏの固溶強化が十分でなく切削中に塑性変形の
発生、それに伴う凝着の発生が生じ好ましくないため、
３．５６５Å以上とした。保磁力は１５ｋＡ／ｍ未満で
あると凝着が発生し易くなるため１５ｋＡ／ｍ以上とし
た。さらに好ましい範囲は５〜８重量％のＣｏ含有超硬
に対しては１５ｋＡ／ｍ以上、８〜１１重量％のＣｏ含
有超硬に対しては２０ｋＡ／ｍ以上、１１〜１３重量％
のＣｏ含有超硬に対しては、２５ｋＡ／ｍ以上である。

【００１０】

【実施例】以下実施例に従い本発明を説明する。アーク
イオンプレーティング法により、表１に示す本発明例及
び比較例を作成した。皮膜の組成は蒸発源であるカソー
ドの金属ターゲットの組成を調整することにより調整し
た。炉の片側にＴｉＡｌ系ターゲット、反対側にＣｒ系
ターゲットを設置し交互に放電せさることにより多層化
を行った。被覆条件は基体に印可するバイアス電圧は１
５０Ｖ、反応圧力は１Ｐａで一定とし、皮膜厚さは全て
の例において総厚３０００ｎｍとした。超硬合金は市販
の平均粒径０．５μ、０．８μ、１．５μのＣｒをドー
ピングしたＷＣ粉末、及び同１μのＣｏ粉末をアルコー
ル中、アトライターで１０時間混合した後、乾燥させ、
丸棒をラバープレスし、１３５０℃〜１４００℃１時間
真空焼結することにより作成した。ＷＣ粒径及び焼結温
度により合金の保磁力を調整した。また本発明例の合金
においては、焼結後窒素ガスを封入することにより、急
冷却を行い、目的とするＣｏの格子定数を得た。比較例
においては炉冷した。

【００１１】

【表１】

【００１２】表１に示した本発明例及び比較例におい
て、以下の切削条件で切削評価を実施した。その結果を
表２に示す。本条件においてはエンドミルが赤変し折損
するまで切削を実施し、折損までの切削長を寿命とし
た。また面粗さは切削１ｍ後に測定し比較した。 切削条件１ 被削材：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６２） 工具：φ８ｍｍ、６枚刃エンドミル 切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ 切りこみ：８ｍｍｘ０．４ｍｍ 送り：０．０３ｍｍ／刃 乾式切削

【００１３】

【表２】

【００１４】表２から明らかなように、本発明例１〜９
では、ＷＣ粒径とＣｏ量を調整し、の格子常数とした例
で、ＷＣ粒径が小さいほど、寿命が延びる傾向にある。
更に、本発明例１０〜１４では、試料番号４の超硬合金
を用いて、膜質を酸素を含有するＴｉＡｌＮｏ−ＣｒＶ
Ｎ膜を用いて、２０％前後の寿命延長が計れた。次にＣ
ｒＶＮに酸素及び／又は他元素を添加した本発明例１５
〜２０では、更なる効果が確認された。また、同様に、
本発明例２１〜２７のＴｉＡｌＮ膜中に他元素を添加し
た場合にも、添加した元素によりその作用が特徴付けら
れた。最後に、本発明例２８〜３１は、２層から６００
層まで層を重ねた場合であり、全膜厚は同じであり、層
を重ねるごとに耐摩耗性は改善された。また、本発明例
の面粗さは１．４ミクロン以下で、また、イレギュラー
なカッターマークもなく良好な結果が得られた。本発明
例においては、凝着、塑性変形の発生が少なく長寿命で
ある。特に塑性変形が発生し易い高硬度材高速条件下で
はさらに比較例との差が顕著であることも明らかであ
る。

【００１５】比較例では、Ｃｏ量が少ない比較例３２、
Ｃｏ量が多い比較例３３、３４では、初期欠損、摩耗に
より寿命となった。格子常数を３．５６５未満とした比
較例３５〜３７では、切削初期は良いが、母材が露出す
ると急速に摩耗が進行し、寿命となった。更に、比較例
３７の母材を用いて、様々な膜質、膜の構成を試験した
比較例３８〜４６では、若干の効果はあるものの、膜が
作用する切削初期は良いが、母材が露出すると急速に摩
耗が進行し、寿命となった。

【００１６】更に、表１に示した本発明例及び比較例に
おいて、ボールエンドミルを製作し、以下の条件におい
て、５０ｍ切削あとの外周刃の最大摩耗を測定し比較し
た。また、仕上げ面粗さは５０ｍ切削後、切削方向にお
いて測定し比較した。その結果も表２に併記する。 切削条件２ 被削材：Ｓ５０Ｃ（ＨＲＣ３５） 工具：φ１０ｍｍ、ボールエンドミル 切削速度：３１４ｍ／ｍｉｎ 切りこみ：０．３ｍｍ、ピック０．３ｍｍ 送り：０．５ｍｍ／刃 乾式切削

【００１７】表２より、本発明例は、ボールエンドミル
に特有な回転中心付近の切削のみを継続して行う条件で
あり、回転中心付近の損傷、特に凝着の影響を観察する
と、５０ｍ切削後でも、摩耗が１６５ミクロン以下と小
さく、また凝着等も少なく、面粗さも２．４ミクロン以
下が安定して得られている。比較例においては、摩耗量
も大きいが、それ以上に面粗さが大きな数値となってい
る。これは、母材が露出するしてくる５０ｍ切削後で
は、母材に切屑の一部が凝着をおこし、切削面がむしれ
るような状態となっている為である。また、本発明によ
り高硬度材の高速切削において、被削材の凝着の防止、
並びに刃先に発生する塑性変形の抑制により、極めて長
い間の切削が可能となった。また、炭素鋼の切削におい
ても同様の結果となった。これは限定された超硬合金と
限定された皮膜の相乗効果によることは言うまでもない
ことである。また本発明例は凝着が発生し易いその他の
被削材においても同様な効果が確認された。

【００１８】

【発明の効果】本発明を適用することにより、乾式高速
切削で長い工具寿命が得られた。特に、凝着と耐塑性変
形性を必須とする高硬度材において優れるとともに、凝
着が発生し易いその他の被削材においても同様である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＡｌとＴｉを主成分とし、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂ
   の一種以上から構成される皮膜とＣｒを主成分とし、
   Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂの一種以上から構成される皮膜を少なく
   とも２層以上被覆した超硬エンドミルにおいて、その母
   材である超硬合金のＣｏの含有量が５重量％から１２重
   量％、保磁力が１５ｋＡ／ｍ以上であり、Ｃｏの（１１
   １）面から算出される格子定数が３．５６５Å以上であ
   ることを特徴とする被覆超硬エンドミル。
2. 【請求項２】請求項１記載の被覆超硬エンドミルにおい
   て、前記ＡｌとＴｉを主成分とし、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂの一
   種以上から構成される皮膜のＴｉの一部をＺｒ、Ｃｒ、
   Ｓｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｙの一種または二種以上で置き換えた
   ことを特徴とする被覆超硬エンドミル。
3. 【請求項３】請求項１及び２記載の被覆超硬エンドミル
   において、前記Ｃｒを主成分とし、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂの一
   種以上から構成される皮膜のＣｒの一部をＶ、Ｓｉ、Ｔ
   ｉの一種または二種以上で置き換えたことを特徴とする
   被覆超硬エンドミル。