JP2007111813A - 硬質被覆層が高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ - Google Patents

Abstract

【課題】高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削チップを提供する。
【解決手段】チップ基体の表面に、下部層としてＴｉ化合物層、上部層としてα型Ａｌ₂Ｏ₃層、の硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削チップにおいて、前記上部層のα型Ａｌ₂Ｏ₃層の全面に、いずれも０．５〜５μｍの平均層厚を有する、ＣｒＮ層、ＨｆＮ層、ＺｒＮ層、およびＶＮ層のうちのいずれか１層からなる金属窒化物層で構成された研磨材層を蒸着形成した状態で、ウエットブラストにて、噴射研磨材としてＡｌ₂Ｏ₃微粒を配合した研磨液を噴射し、工具取り付け孔周辺部の前記研磨材層を残して、前記上部層のα型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面を研磨して、その表面粗さをＲａ：０．２μｍ以下としてなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工に用いた場合に、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ（以下、被覆切削チップという）に関するものである。

従来、一般に、図３に概略斜視図で示される通り、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成され、かつ中心部に工具取りつけ孔を有する基体（以下、これらを総称してチップ基体という）の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
下部層として、炭化チタン（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化チタン（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化チタン（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化チタン（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層（以下、α型Ａｌ₂Ｏ₃層で示す）、
で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削チップが知られており、この被覆切削チップが、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることは良く知られている。

また、上記の被覆切削チップにおいて、これの硬質被覆層の構成層は、一般に粒状結晶組織を有し、さらに、下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の強度向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
さらに、上記の被覆切削チップの硬質被覆層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層（上部層）の表面を、切削性能を向上させる目的でウエットブラスト処理して、平滑化することも知られている。
特開平６−３１５０３号公報 特開平６−８０１０号公報 特開平８−２７６３０５号公報

近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆切削チップにおいては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、特に切削速度が３５０ｍ／ｍｉｎ．を越える高速で切削加工を行なうのに用いた場合には、硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層にチッピング（微少欠け）が発生し易く、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記のα型Ａｌ₂Ｏ₃層が硬質被覆層の上部層を構成する被覆切削チップに着目し、特に前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層の耐チッピング性向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）上記の従来被覆切削チップにおける硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面に、ウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％の酸化アルミニウム（以下、Ａｌ₂Ｏ₃で示す）微粒を配合した研磨液を噴射して、研磨すると、前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層は、準拠規格ＪＩＳ・Ｂ０６０１−１９９４に基いた測定（以下の表面粗さは全てかかる準拠規格に基いた測定値を示す）で、Ｒａ：０．３〜０．６μｍの表面粗さを示すようになるが、この結果の前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面を、ウエットブラストにてＲａ：０．３〜０．６μｍの表面粗さに平滑化した被覆切削チップを用いても、切削速度が３５０ｍ／ｍｉｎ．を越えた高速切削加工では切刃部におけるチッピング発生を満足に抑制することはできないこと。

（ｂ）一方、図２に概略斜視図で示される通り、上記の従来被覆切削チップにおける硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、通常の化学蒸着装置を用い、通常の条件、例えば表３に示される条件で、いずれも０．５〜５μｍの平均層厚を有する窒化クロム（以下、ＣｒＮで示す）層、窒化ハフニウム（以下、ＨｆＮで示す）層、窒化ジルコニウム（以下、ＺｒＮで示す）層、および窒化バナジウム（以下、ＶＮで示す）層のうちのいずれか１層からなる金属窒化物層を蒸着形成した状態で、
上記（ａ）におけると同じくウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％のＡｌ₂Ｏ₃微粒を配合した研磨液を噴射すると、上記金属窒化物層（以下、金属窒化物研磨材層という）は、前記Ａｌ₂Ｏ₃微粒によって粉砕微粒化し、金属窒化物微粒となって前記Ａｌ₂Ｏ₃微粒の共存下で研磨材として作用し、硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面を研磨することになり、この結果研磨後の前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面は、Ｒａ：０．２μｍ以下の表面粗さにまで平滑化されるようになり、この上部層であるα型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面がＲａ：０．２μｍ以下の表面粗さに平滑化した被覆切削チップを用いて、高速切削加工を行った場合、３５０ｍ／ｍｉｎ．を越える切削速度でも切刃部におけるチッピング発生が防止され、前記硬質被覆層は長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。

（ｃ）上記の通り、切削速度が３５０ｍ／ｍｉｎ．を越えた高速切削加工では、被覆切削チップの切刃部にかかる負荷はきわめて高いものになるため、特にフライス切削の場合、工具本体への被覆切削チップの取り付けに際しては、きわめて高い締め付け力で取り付けが行なわれることになり、この結果被覆切削チップの工具取り付け孔周辺部の硬質被覆層に対する圧縮応力はきわめて高いものとなるので、特に上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層は、ビッカース硬さ（Ｈｖ）で約３０００の高硬度を有することと相俟って、これに割れが発生し易くなり、これが原因で硬質被覆層に剥離やチッピングが発生し易くなるが、図１に概略斜視図で示される通り、前記ウエットブラストに際して、工具取り付け孔周辺部を研磨せず、この部分の金属窒化物研磨材層を残した状態にしておくと、前記金属窒化物研磨材層はＨｖ：１２００〜１７００の範囲内の所定の硬さを有し、前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層に比して相対的に低い硬さをもつものであるため、工具本体への被覆切削チップの取り付けに際して、高い締め付け力の緩衝層として作用し、この結果前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層に対する圧縮応力が著しく小さなものとなることから、剥離やチッピングの原因となる割れの発生が防止されるようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成され、かつ中心部に工具取り付け孔を有するチップ基体の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
下部層として、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有するα型Ａｌ₂Ｏ₃層、
で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削チップにおいて、
上記硬質被覆層の上部層であるα型Ａｌ₂Ｏ₃層の全面に、いずれも０．５〜５μｍの平均層厚を有する、ＣｒＮ層、ＨｆＮ層、ＺｒＮ層、およびＶＮ層のうちのいずれか１層からなる金属窒化物研磨材層を蒸着形成した状態で、
ウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％のＡｌ₂Ｏ₃微粒を配合した研磨液を噴射し、
上記の金属窒化物研磨材層のウエットブラストによる粉砕化金属窒化物微粒と、噴射研磨材としてのＡｌ₂Ｏ₃微粒の共存下で、上記工具取り付け孔周辺部の金属窒化物研磨材層を残して、上記硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面を研磨して、切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の表面粗さを準拠規格ＪＩＳ・Ｂ０６０１−１９９４に基いた測定で、Ｒａ：０．２μｍ以下としてなる、硬質被覆層が高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削チップに特徴を有するものである。

以下に、この発明の被覆切削チップの硬質被覆層および金属窒化物研磨材層、さらにウエットブラストで用いられる研磨液のＡｌ₂Ｏ₃微粒に関して、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）硬質被覆層
（ａ−１）下部層のＴｉ化合物層
Ｔｉ化合物層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、チップ基体とα型Ａｌ₂Ｏ₃層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層のチップ基体に対する密着性を向上させる作用を有するが、その全体平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その全体平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速切削では熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その全体平均層厚を３〜２０μｍと定めた。

（ａ−２）上部層のα型Ａｌ₂Ｏ₃層
上記のα型Ａｌ₂Ｏ₃層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、被覆切削チップの切削性能向上に寄与するが、その平均層厚が１μｍ未満では、所望のすぐれた切削性能を長期に亘って発揮させることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。

（ｂ）金属窒化物研磨材層
上記の通り、金属窒化物研磨材層は、ウエットブラスト時に、研磨液に噴射研磨材として配合したＡｌ₂Ｏ₃微粒によって粉砕微粒化し、金属窒化物微粒となって前記Ａｌ₂Ｏ₃微粒との共存下で研磨材として作用し、硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面を研磨するが、この場合、金属窒化物研磨材層の平均層厚が０．５μｍ未満では、ウエットブラスト時における粉砕化金属窒化物微粒の割合が少な過ぎて、研磨機能を十分に発揮することができないばかりでなく、前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層に対する圧縮応力の分散緩和作用を十分に確保することができず、一方、その平均層厚が５μｍを越えると、研磨液に噴射研磨材として配合したＡｌ₂Ｏ₃微粒とのバランスがくずれて、相対的に多くなり過ぎ、この場合も研磨機能が急激に低下するようになり、いずれの場合もα型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面をＲａ：０．２μｍ以下の表面粗さに研磨することができなくなるいことから、その平均層厚を０．５〜５μｍと定めた。

（ｃ）研磨液のＡｌ₂Ｏ₃微粒の割合
研磨液のＡｌ₂Ｏ₃微粒には、ウエットブラスト時に金属窒化物研磨材層の粉砕化金属窒化物微粒と共存した状態で、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面を研磨する作用があるが、その割合が水との合量に占める割合で１５質量％未満でも、また６０質量％を越えても研磨機能が急激に低下するようになることから、その割合を１５〜６０質量％と定めた。

この発明の被覆切削チップは、硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面が、Ｒａ：０．２μｍ以下の表面粗さに研磨され、さらに工具取り付け孔周辺部に存在する金属窒化物研磨材層が、工具本体への被覆切削チップの取り付けに際して、高速切削加工では不可欠の高い締め付け力の緩衝層として作用することから、前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層に対する圧縮応力が著しく小さなものとなり、この結果前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層における剥離やチッピングの原因となる割れ発生が防止されるようになり、したがって、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、切削速度が３５０ｍ／ｍｉｎ．を越える高速で行うのに用いた場合にも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。

つぎに、この発明の被覆切削チップを実施例により具体的に説明する。

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、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ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、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製のチップ基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。

また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ₂Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製のチップ基体ａ〜ｆを形成した。

ついで、これらのチップ基体Ａ〜Ｆおよびチップ基体ａ〜ｆのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表５に示される目標層厚のＴｉ化合物層およびα型Ａｌ₂Ｏ₃層を硬質被覆層の下部層および上部層として蒸着形成し（図３参照）、
ついで、同じく表３に示される金属窒化物研磨材層形成条件で金属窒化物研磨材層を、同じく表５に示される組み合わせおよび目標層厚で蒸着形成し（図２参照）、
引き続いて、上記の金属窒化物研磨材層形成の被覆切削チップに、表４に示されるブラスト条件で、かつ表５に示される組み合わせでウエットブラストを施して、工具取り付け孔周辺部に金属窒化物研磨材層を存在させた状態で、前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層（上部層）の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面を、同じく表５に示される表面粗さに研磨することにより本発明被覆切削チップ１〜１３をそれぞれ製造した（図１参照）。

また、比較の目的で、表６に示される通り、上記金属窒化物研磨材層の形成を行なわないで、ウエットブラストを硬質被覆層のα型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面に直接施す以外は同一の条件で従来被覆切削チップ１〜１３をそれぞれ製造した。
この結果得られた従来被覆切削チップ１〜１３の硬質被覆層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層のウエットブラスト後の表面粗さを表７に示した。

また、上記本発明被覆切削チップ１〜１３の硬質被覆層および研磨材層の組成、さらに従来被覆切削チップ１〜１３の硬質被覆層の組成を、それぞれ厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定したところ、いずれも目標組成と実質的に同じ組成を示し、さらに同構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。

つぎに、上記の本発明被覆切削チップ１〜１３および従来被覆切削チップ１〜１３の各種の被覆切削チップについて、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２００の丸棒、
切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１４分、
の条件（切削条件Ａという）での普通鋳鉄の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ２０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度
は２００ｍ／ｍｉｎ）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｃという）での合金鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度
は２５０ｍ／ｍｉｎ）を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表７に示した。

表５〜７に示される結果から、本発明被覆切削チップ１〜１３は、いずれも硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面が、Ｒａ：０．２μｍ以下の表面粗さに研磨され、さらに工具取り付け孔周辺部に存在する金属窒化物研磨材層が、工具本体への被覆切削チップの取り付けに際して、３５０ｍ／ｍｉｎを越える高速切削加工では不可欠の高い締め付け力の緩衝層として作用することから、上部層のα型Ａｌ₂Ｏ₃層における剥離やチッピングの原因となる割れ発生が防止され、鋼および鋳鉄の高速切削加工で、すぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面粗さが、Ｒａ：０．３〜０．６μｍを示す従来被覆切削チップ１〜１３においては、いずれも３５０ｍ／ｍｉｎを越える高速切削加工では、工具取り付けに高い締め付け力を必要とすることと相俟って、前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層にチッピングが発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の被覆切削チップは、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特に切削加工を３５０ｍ／ｍｉｎを越えた高速で行う場合にもすぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

硬質被覆層の一部を切り欠いて示した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。 研磨材層の一部を切り欠いて示した金属窒化物研磨材層蒸着形成の被覆切削チップの概略斜視図である。 硬質被覆層の一部を切り欠いて示した従来被覆切削チップの概略斜視図である。

Claims (1)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成され、かつ中心部に工具取り付け孔を有するチップ基体の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
   下部層として、炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、炭酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
   上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
   で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる、表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップにおいて、
   上記硬質被覆層の上部層である酸化アルミニウム層の全面に、いずれも０．５〜５μｍの平均層厚を有する、窒化クロム層、窒化ハフニウム層、窒化ジルコニウム層、および窒化バナジウム層のうちのいずれか１層からなる金属窒化物層で構成された研磨材層を蒸着形成した状態で、
   ウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％の酸化アルミニウム微粒を配合した研磨液を噴射し、
   上記の研磨材層のウエットブラストによる粉砕化金属窒化物微粒と、噴射研磨材としての酸化アルミニウム微粒の共存下で、上記工具取り付け孔周辺部の研磨材層を残して、上記硬質被覆層の上部層を構成する酸化アルミニウム層の表面を研磨して、切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の表面粗さを準拠規格ＪＩＳ・Ｂ０６０１−１９９４に基いた測定で、Ｒａ：０．２μｍ以下としたことを特徴とする、硬質被覆層が高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ。

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