JP2006055950A

JP2006055950A - 被覆切削工具

Info

Publication number: JP2006055950A
Application number: JP2004241050A
Authority: JP
Inventors: Jun Watanabe; 潤渡辺; Itsuo Yazaki; 逸夫矢崎; Yohei Sone; 葉平曽根
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】
近年、切削加工工程の高能率化、省力化に伴い、切削加工は高速化や高送り高切り込みなどの重切削化の傾向にある。また被加工部品の軽量化に伴い、部品材料の難削化が進んでいる。そこで、本発明はこれらの切削加工において長寿命を実現する被覆切削工具の提供を目的とする。
【解決手段】
基材の表面に被覆層が被覆された被覆切削工具であって、被覆層はα型Ａｌ₂Ｏ₃柱状晶からなる平均厚さ２．５〜２０μｍの中間層とその表面に被覆された平均厚さ０．１〜２．０μｍの最外層とを含み、最外層表面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａは０．２μｍ以下である被覆切削工具。

Description

本発明は被覆切削工具に関するもので、特にダクタイル鋳鉄や低炭素鋼などの切削加工に最適な被覆切削工具に関するものである。

従来、硬質材料基体の表面に化学蒸着法および／または物理蒸着法により硬質な被覆層を被覆した被覆切削工具は広く実用されている。被覆切削工具の従来技術としてα型Ａｌ₂Ｏ₃層を含む被覆層を被覆した被覆切削工具がある（例えば、特許文献１参照。）。

切削加工工程の高能率化、省力化に伴い切削加工は高速、高送り、高切り込みなどの重切削化の傾向にある。また部品の軽量化に伴い材料の高強度化し難削化が進んでいる。このような過酷な条件下で切削する場合において、従来の被覆切削工具は、被覆層の表面粗さが大きく被削材が溶着しやすいため、切れ刃部分の圧着分離損傷や切削抵抗の増大に起因する微小欠損が起こりやすく、切削工具として優れた性能を長時間維持することが困難であるという問題がある。

特開平６−３１６７５８号公報

近年、切削加工工程の高能率化、省力化に伴い、切削加工は高速化や高送り高切り込みなどの重切削化の傾向にある。また被加工部品の軽量化に伴い、部品材料の難削化が進んでいる。そして切削工具はこのような過酷な条件下での使用を強いられる傾向にある。そこで、本発明は切削加工において長寿命を実現する被覆切削工具の提供を目的とする。

本発明者等は被覆切削工具について研究を行ったところ、被覆切削工具に被覆された多層の各層の表面粗さを平滑とすることで、切れ刃部分の圧着分離損傷や微小欠損を抑制でき耐摩耗性および耐欠損性を向上させて工具寿命を延長させるという知見を得たのである。

具体的には、粗粒化しやすいα型Ａｌ₂Ｏ₃を細い柱状晶にして表面を平滑にするとともに、α型Ａｌ₂Ｏ₃の表面に被覆する最外層も薄く被覆して粒成長を防止し、被覆切削工具の表面を平滑にした。被覆切削工具の表面を平滑にすると切削加工時に被削材の溶着を著しく低減させることができる。そして溶着の低減により、切れ刃部分の圧着分離損傷や微小欠損を抑制でき、耐摩耗性および耐欠損性を向上させることができる。

すなわち、本発明は、基材の表面に被覆層が被覆された被覆切削工具であって、被覆層はα型Ａｌ₂Ｏ₃柱状晶からなる平均厚さ２．５〜２０μｍの中間層とその表面に被覆された平均厚さ０．２〜２．０μｍの最外層とを含み、最外層表面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａは０．２μｍ以下である被覆切削工具である。

本発明被覆切削工具の基材は、従来から切削工具または被覆切削工具の基材として用いられている硬質材料であり、具体的には、超硬合金、サーメット、セラミックス、超高圧焼結体などを挙げることができる。

本発明被覆切削工具の被覆層は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ，κ型Ａｌ₂Ｏ₃、α型Ａｌ₂Ｏ₃などを挙げることができる。

本発明被覆切削工具の被覆層は、中間層と、中間層の表面に被覆された最外層とを含む。具体的な層構成として、基材側から中間層、最外層を被覆する２重構造の層構成、基材側から内層、中間層、最外層を被覆する３重構造の層構成などを挙げることができる。

本発明被覆切削工具の中間層は細いα型Ａｌ₂Ｏ₃柱状晶からなる。α型Ａｌ₂Ｏ₃は高温でも相転移を起こさず化学的安定性および高温硬さに優れているため被覆切削工具の中間層として用いると好ましい。しかし従来の製造方法では粗粒のα型Ａｌ₂Ｏ₃が被覆され、被覆切削工具の表面粗さを大きくするという問題があった。そこで、α型Ａｌ₂Ｏ₃層と接する下地層の最上部をＡｌとＯを含む微粒結晶により構成された層とし、これに従来より低温でα型Ａｌ₂Ｏ₃を被覆することにより、基材と平行な方向における平均粒径が０．５μｍ以下の細いα型Ａｌ₂Ｏ₃柱状晶を被覆した。なお、基材と平行な方向における平均粒径は０．０５〜０．５μｍの範囲となる。これは、基材と平行な方向における平均粒径が０．５μｍを超えると表面粗さが大きくなり、０．０５μｍ未満を得ることは現状の化学蒸着法では難しいためである。本発明のα型Ａｌ₂Ｏ₃柱状晶の中間層表面は非常に平滑であり、中間層の表面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａは０．２μｍ以下になる。なお、中間層の平均厚さ２．５〜２０μｍとしたのは、２．５μｍ未満では耐酸化性が不十分であるためすくい面のクレーター摩耗が進行しやすく、２０μｍを超えると刃先の耐欠損性が低下するためである。

本発明被覆切削工具の最外層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃柱状晶からなる中間層の表面に被覆してコーナーの使用または未使用の識別を容易にする。最外層をα型Ａｌ₂Ｏ₃としなかった理由は、α型Ａｌ₂Ｏ₃を被覆すると、その被覆条件により表面から見て黒色、茶色などの暗色を呈するようになりコーナー識別性を低下させる。そのため平均厚さ０．１〜２．０μｍの最外層を被覆する。最外層は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮなどを挙げることができる。なお最外層の平均厚さが、０．１μｍ未満になると最外層の色が薄くなりコーナー使用の識別性が低下し、２．０μｍを超えると粗粒化して最外層の表面粗さを大きくする。そのため最外層の平均厚さを０．１〜２．０μｍと定めた。

本発明被覆切削工具の最外層の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａは、０．２μｍ以下とした。これは、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる中間層を細い柱状晶とすることで、中間層の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａを０．２μｍ以下とし、最外層の平均厚さを０．１〜２．０μｍとすることで実現できる。逆に最外層の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａが０．２μｍを超えると耐溶着性が低下する。

本発明被覆切削工具の最外層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の中の少なくとも１種からなる最外下部層とその表面に被覆されたκ型Ａｌ₂Ｏ₃からなる最外上部層とで構成されると好ましい。最外下部層はコーナー識別性を向上させる効果がある。最外下部層として具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮを挙げることができる。最外上部層をκ型Ａｌ₂Ｏ₃とすると鋼や鋳鉄などの鉄成分との反応性が低いため溶着を低減させる。なお、最外層または最外上部層をα型Ａｌ₂Ｏ₃としなかった理由は、α型Ａｌ₂Ｏ₃を被覆すると表面から見て黒色、茶色などの暗色を呈するようになりコーナー識別性が低下する。ところがκ型Ａｌ₂Ｏ₃を被覆すると最外下部層の色をそのまま透過して見ることができるためコーナー識別性が低下しない。κ型Ａｌ₂Ｏ₃からなる最外上部層の平均厚さは、０．１〜１．０μｍとすると好ましい。０．１μｍ未満ではκ型Ａｌ₂Ｏ₃を被覆させる効果がほとんど見られず、１．０μｍを超えると粗粒化して最外層の表面粗さが大きくなるためである。

本発明被覆切削工具の内層は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＮＯなどを挙げることができる。

本発明被覆切削工具は、機械加工をすることなく表面が平滑であるため、被削材と接するとき、被覆層の表面の微小な凹凸に起因する切削抵抗が小さく、耐溶着性に優れており、圧着分離損傷や刃先の微小欠損が発生せず、長時間に亘り優れた切削性能を安定して発揮する。金属の中でも切削中に刃先付近に溶着物を生じやすいダクタイル鋳鉄や低炭素鋼などを高速、高送り、高切り込みで切削加工するとき優れた耐溶着性を示し、圧着分離損傷や刃先の微小欠損などが発生せず長時間に亘って優秀な切削性能を発揮する。

基材としてＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８形状の９１．５ＷＣ−０．５ＴｉＣ−１．８ＴａＣ−０．２ＮｂＣ−６．０Ｃｏ（以上重量％）組成の超硬合金、を用意した。この基材を洗浄した後、外熱式化学蒸着装置を用い、原料ガスは９９．５体積％以上の高純度ガスを使用し、従来から用いられている化学蒸着法により基材に内層として表１に示したガス条件、温度、圧力および流量でねらい厚さ１．０μｍのＴｉＮ（ａ）層とねらい厚さ８．０μｍのＴｉＣＮ（ａ）層とねらい厚さ０．５μｍのＴｉＡｌＣＮＯ（ａ）層を被覆した。次いで内層の表面に発明品１〜４及び比較品１〜３は表２のα型Ａｌ₂Ｏ₃（ａ）層を被覆し、比較品４は表２のα型Ａｌ₂Ｏ₃（ｂ）層を被覆した。次いで中間層の表面にＴｉＮ（ｂ）層、ＴｉＮ（ｃ）層、ＴｉＣＮ（ｂ）層、ＴｉＣＮ（ｃ）層、ＴｉＡｌＣＮＯ（ｂ）層、κ型Ａｌ₂Ｏ₃（ｃ）層を表３、４に示したガス条件、温度、圧力および流量で表５に示す層構成および厚さになるように被覆して発明品１〜４、比較品１〜４の被覆切削工具を作製した。

発明品１〜４、比較品１〜４の被覆切削工具の断面組織を走査型電子顕微鏡により１００００倍に拡大して観察して、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる中間層の基材と平行な方向の平均粒径を測定し、中間層と最外層との界面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａ、最外層の表面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａ、各被覆層の平均厚さを測定し、その結果を表６に記載した。

さらに発明品１〜４および比較品１〜４の切削試験を行った。円筒形にＶ型の４本の溝を入れたＦＣＤ７００（硬さ：ＨＢ２４０）を被削材に用いて、切削速度：Ｖ＝２５０ｍ／ｍｉｎ、切り込み：ａｐ＝２ｍｍ、送り：ｆ＝０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、水溶性切削油使用という切削条件で断続試験を行い、切削試験後のコーナー摩耗が０．４ｍｍに達するまでの切削パス数、または、刃先が欠損に至るまでの切削パス数を５回測定し、その平均を求めた。平均切削パス数と損傷状態を表６に併記する。

表６に示される結果から、最外層の表面の算術平均粗さＲａが０．０８〜０．１４μｍの発明品１〜４は、比較品１〜４に比べて平均切削パス数が２倍以上に増加することが分かる。発明品１〜４は被覆層の表面を機械加工をすることなく平滑であるため、被削材と接する時の被覆層表面の微小な凹凸に起因する切削抵抗が小さく、且つ被削材に対する耐溶着性が優れており、圧着分離損傷や刃先の微小欠損が発生せず、長時間に亘り優れた切削性能を安定して発揮する。

Claims

基材の表面に被覆層が被覆された被覆切削工具であって、被覆層はα型Ａｌ₂Ｏ₃柱状晶からなる平均厚さ２．５〜２０μｍの中間層とその表面に被覆された平均厚さ０．１〜２．０μｍの最外層とを含み、最外層表面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａは０．２μｍ以下である被覆切削工具。
最外層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の中の少なくとも１種からなる最外下部層とその表面に被覆されたκ型Ａｌ₂Ｏ₃からなる最外上部層とで構成された請求項１に記載の被覆切削工具。