JP2007160465A - 高速切削加工で硬質潤滑層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

高速切削加工で硬質潤滑層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 Download PDF

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Abstract

【課題】高速切削加工で硬質潤滑層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具を提供する。
【解決手段】表面被覆超硬合金製切削工具が、超硬基体の表面に、(a)マグネトロンスパッタリング装置にて、磁場中成膜されたTiN層またはTiCN層の密着接合層、(b)同じく磁場中成膜され、非晶質炭素と非晶質WCの2相混合相からなる非晶質分散相と、組成式:(Ti1−X)C1−Y(ただし、原子比で、X:0.01〜0.3、Y:0.5〜0.8)、を満足する(Ti,W)CNからなる結晶質連続相の組織、W:2〜18原子%、Ti:30〜45原子%、窒素:30〜45原子%、を含有し、残りが炭素(ただし、5〜25原子%含有)と不可避不純物からなる全体組成、を有する硬質潤滑層、以上(a)および(b)を蒸着形成してなる。
【選択図】図1

Description

この発明は、各種の鋼や鋳鉄などの鉄鋼材料、さらにAl合金やCu合金などの非鉄材料の切削加工を、特に高速で行なった場合にも、硬質潤滑層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具(以下、被覆超硬工具という)に関するものである。
一般に、被覆超硬工具として、各種の鋼や鋳鉄などの鉄鋼材料、さらにAl合金やCu合金などの非鉄材料の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、また前記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。
また、上記の被覆超硬工具として、
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)系サーメットからなる超硬基体の表面に、
(a)0.1〜3μmの平均層厚を有し、かつ、スパッタリング装置にて、カソード電極(蒸発源)としてTiターゲットを用い、窒素とArの混合ガス、または炭化水素の分解ガスと窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気で形成された、いずれも結晶質の窒化チタン(以下、TiNで示す)層および炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)層のいずれか、または両方からなる密着接合層、
(b)1〜10μmの平均層厚を有し、かつ、スパッタリング装置にて、カソード電極(蒸発源)として、Tiターゲットを用い、炭化水素の分解ガスと窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気で形成され、透過型電子顕微鏡による観察で、図3に概略模式図で例示される通り、非晶質炭素の分散相が5〜35面積%の割合を占め、残りが、オージェ分光分析装置による測定で、
組成式:TiC1−Y(ただし、原子比で、Y:0.5〜0.8)、
を満足するTiCNの結晶質連続相からなる組織および組成を有する硬質潤滑層、
以上の密着接合層および硬質潤滑層を蒸着形成してなる、被覆超硬工具が知られている。
さらに、上記の従来被覆超硬工具が、例えば図4(a)に概略平面図で、同(b)に概略正面図で示される通り、カソード電極(蒸発源)がTiターゲットのスパッタリング装置を設けた蒸着装置の中央部に設置された回転テーブル上に上記の超硬基体を自転自在に装入し、例えば表1に示される条件で、グロー放電を発生させて、前記超硬基体の表面に、TiN層およびTiCN層のいずれか、または両方からなる密着接合層を蒸着形成し、ついで同じく表1に示される条件で、前記密着接合層の上に、上記の硬質潤滑層を蒸着形成することにより製造されることも知られている。
Figure 2007160465
特開昭58−6971号公報
近年の切削加工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も強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、特に切削加工を高速で行うのに用いた場合には、硬質潤滑層を構成する非晶質炭素の分散相およびTiCNの連続相のいずれも摩耗進行がきわめて速く、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、特に高速切削加工で被覆超硬工具を構成する硬質潤滑層の耐摩耗性向上を図るべく、研究を行った結果、
(a)例えば図2(a)および(b)にそれぞれ概略平面図および概略正面図で示される通り、カソード電極(蒸発源)がTiターゲットのスパッタリング装置と、カソード電極(蒸発源)がWCターゲットのスパッタリング装置のそれぞれに、電磁コイルを設けてマグネトロンスパッタリング装置とした蒸着装置を用い、前記電磁コイルにより磁場を形成して、硬質潤滑層の形成を行うと、この結果形成された硬質潤滑層は、透過型電子顕微鏡による組織観察で、非晶質分散相と、結晶質連続相で構成されるようになると共に、前記非晶質分散相は非晶質炭素と非晶質炭化タングステン(以下、WCで示す)の2相混合相、前記結晶質連続相はTiとW(タングステン)の複合炭窒化物[以下、(Ti,W)CNで示す]からなる組織をもつものとなること。
Figure 2007160465
(b)上記(a)の硬質潤滑層を形成するに際して、蒸着装置内に反応ガスとして導入される炭化水素と窒素とArのそれぞれの流量と、マグネトロンスパッタリング装置のWCターゲットとTiターゲットに印加されるスパッタ電力を調整、例えば表2に示される形成条件で前記硬質潤滑層の形成を行ない、この結果形成された硬質潤滑層が、図1に透過型電子顕微鏡による組織観察結果が模式図で例示される通り、非晶質分散相が5〜35面積%の割合を占め、残りが結晶質連続相からなると共に、オージェ分光分析装置で測定して、
W:2〜18原子%、
Ti:30〜45原子%、
窒素:30〜45原子%、
を含有し、残りが炭素(ただし、5〜25原子%含有)と不可避不純物からなる全体組成を有し、さらに前記結晶質連続相の(Ti,W)CN相が、
組成式:(Ti1−X)C1−Y(ただし、原子比で、X:0.01〜0.3、Y:0.5〜0.8)、
を満足するものとすると、前記非晶質分散相では非晶質WC相、前記結晶質連続相ではW成分の作用で、高温強度および高温硬さが著しく向上し、高速切削加工でも切刃部にチッピング(微少欠け)の発生なく、一段とすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
(c)被覆超硬工具の密着接合層を構成するTiN層およびTiCN層を、図2に示される蒸着装置を用い、表2に示される条件で、電磁コイルによる磁場中形成すると、結晶粒微細化効果がもたらされることから、層強度が向上し、高速切削加工での耐チッピング性向上に寄与するようになること。
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系サーメットからなる超硬基体の表面に、
(a)0.1〜3μmの平均層厚を有し、かつ、マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極(蒸発源)としてTiターゲットを用い、窒素とArの混合ガス、または炭化水素の分解ガスと窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜された、TiN層およびTiCN層のいずれか、または両方からなる密着接合層、
(b)1〜10μmの平均層厚を有し、かつ、透過型電子顕微鏡による観察で、非晶質分散相が5〜35面積%の割合を占め、残りが結晶質連続相からなると共に、前記非晶質分散相は非晶質炭素と非晶質WCの2相混合相、前記結晶質連続相は、オージェ分光分析装置による測定で、
組成式:(Ti1−X)C1−Y(ただし、原子比で、X:0.01〜0.3、Y:0.5〜0.8)、
を満足する(Ti,W)CN相、からなる組織、
マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極(蒸発源)として、WCターゲットとTiターゲットを用い、炭化水素の分解ガスと窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜され、
W:2〜18原子%、
Ti:30〜45原子%、
窒素:30〜45原子%、
を含有し、残りが炭素(ただし、5〜25原子%含有)と不可避不純物からなる全体組成、
以上の組織および組成を有する硬質潤滑層、
以上の密着接合層および硬質潤滑層を蒸着形成してなる、高速切削加工で硬質潤滑層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、これを構成する密着接合層および硬質潤滑層について、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
(a)密着接合層の平均層厚
TiN層およびTiCN層のいずれか、または両方からなる密着接合層は、超硬基体表面および硬質潤滑層のいずれにも強固に接合し、さらに磁場中成膜による結晶粒の微細化効果で強度が向上して、耐チッピング性向上に寄与する作用をゆうするが、その平均層厚が0.1μm未満では、所望のすぐれた密着接合性を確保することができず、一方その平均層厚が3μmを越えると、特に高速切削加工で熱塑性変形を起こし易くなり、これが硬質潤滑層におけるチッピング発生の原因となることから、その平均層厚が0.1〜3μmと定めた。
(b)硬質潤滑層のW含有量
W成分は、結晶質連続相ではTiと共に複合炭窒化物を形成して、前記結晶質連続相がの高温強度および高温硬さを向上させ、また非晶質分散相では非晶質WC相を形成し、すぐれた潤滑性を有する非晶質炭素と共存して、前記非晶質分散相の高温強度を向上させ、もって硬質潤滑層の高速切削加工での耐摩耗性向上に寄与する作用をもつが、その含有量が2原子%未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が18原子%を越えると潤滑性が急激に低下するようになることから、その含有量を2〜18原子%と定めた。
(c)硬質潤滑層のTi含有量
Ti成分には、上記の通り、結晶質連続相がTiCNからなる場合に比して、一段とすぐれた高温強度と高温硬さを有する(Ti,W)CNを形成して、結晶質連続相の耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が30原子%未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が45原子%を越えると高温硬さが急激に低下するようになることから、その含有量を30〜45原子%と定めた。
(d)硬質潤滑層の窒素含有量
N成分には一部の炭素と共に、結晶質連続相の(Ti,W)CNを形成し、これの高温強度を向上させる作用があるが、その含有量が30原子%未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が45原子%を越えると高温硬さが急激に低下するようになることから、その含有量を30〜45原子%と定めた。
(e)硬質潤滑層の炭素含有量
炭素成分には、非晶質分散相の非晶質炭素と非晶質WCの2相混合相を形成し、前記非晶質分散相が非晶質炭素によるすぐれた潤滑性と、非晶質WCによるすぐれた高温強度を具備するようになるほか、結晶質連続相の(Ti,W)CNを形成して、これの高温硬さを向上させる作用があるが、その含有量が5原子%未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が25原子%を越えると高温強度が低下し、高速切削加工ではチッピングが発生し易くなることから、その含有量を20〜35原子%と定めた。
(f)硬質潤滑層の非晶質分散相の割合
その割合が5面積%未満では、所望の潤滑性を確保することができず、一方その割合が25面積%を越えると、摩耗進行が急激に促進するようになることから、その割合を5〜30面積%と定めた。
(g)硬質潤滑層の結晶質連続相の組成式
上記組成式におけるX値が0.01未満ではW含有による上記の作用、すなわち高温強度および高温硬さの向上効果を十分に確保することができず、一方X値が0.3を越えると、Tiに対する割合が多くなり過ぎて、高速切削加工ではチッピングが発生し易くなることから、X値を0.01〜0.3と定めた。
また、上記組成式における炭素(C)成分は高温硬さ、窒素(N)成分は高温強度をそれぞれ向上させる作用があり、したがって、Y値が0.5未満になると、N成分に比してC成分の相対割合が増加し、高温硬さは向上するが、高温強度は低下するようになり、一方X値が0.8を越えると、反対にC成分の相対割合が減少し、高温硬さが低下するようになり、前者ではチッピング発生、後者では摩耗促進の原因となることから、Y値を0.5〜0.8と定めた。
(h)硬質潤滑層の平均層厚
その平均層厚が1μm未満では、所望の潤滑性および耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が10μmを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を1〜10μmと定めた。
この発明の被覆超硬工具は、硬質潤滑層が非晶質炭素と非晶質WCの2相混合相からなる非晶質分散相と、(Ti,W)CNからなる結晶質連続相で構成され、前記非晶質分散相は前記非晶質WCの共存で高温強度が著しく向上し、また前記結晶質連続相はW成分の共存含有で高温硬さおよび高温強度が向上することから、各種の鋼や鋳鉄などの鉄鋼材料、さらにAl合金やCu合金などの高速切削で、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものである。
つぎに、この発明の被覆超硬工具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0.8〜3μmの平均粒径を有するWC粉末、TiC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3 2 粉末、およびCo粉末を用意し、これら原料粉末を、表3示される配合組成に配合し、ボールミルで84時間湿式混合し、乾燥した後、100MPa の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を6Paの真空中、温度:1400℃に1時間保持の条件で焼結して、いずれもWC基超硬合金からなる炭素鋼切削用超硬基体素材とAl合金およびCu合金切削用超硬基体素材を製造し、前記炭素鋼切削用超硬基体素材には切刃部分にR:0.03のホーニング加工を施してISO規格・TNMG160408のチップ形状をもった超硬基体A−1〜A−10とし、また前記Al合金およびCu合金切削用超硬基体素材には研磨加工を施してISO規格・TEGX160304Rのチップ形状をもった超硬基体A−1′〜A−10′とした。
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、Mo2 C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4に示される配合組成に配合し、ボールミルで84時間湿式混合し、乾燥した後、100MPaの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を2kPaの窒素雰囲気中、温度:1500℃に1時間保持の条件で焼結して、いずれもTiCN系サーメットからなる炭素鋼切削用超硬基体素材とAl合金およびCu合金切削用超硬基体素材を製造し、前記炭素鋼切削用超硬基体素材には切刃部分にR:0.03のホーニング加工を施してISO規格・TNMG160408のチップ形状をもった超硬基体B−1〜B−6とし、また前記Al合金およびCu合金切削用超硬基体素材には研磨加工を施してISO規格・TEGX160304Rのチップ形状をもった超硬基体B−1′〜B−6′とした。
ついで、上記の超硬基体A−1,1′〜A−10,10′およびB−1,1′〜B−6,6′のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図2に示される蒸着装置内の回転テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の超硬基体をリング状に装着し、一方側のマグネトロンスパッタリング装置のカソード電極(蒸発源)として、純度:99.9質量%のTiターゲット、他方側のマグネトロンスパッタリング装置のカソード電極(蒸発源)として、純度:99.6質量%のWCターゲットを前記回転テーブルを挟んで対向配置し、
(a)まず、装置内を真空排気して0.01Paの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を200℃に加熱した後、Arガスを装置内に導入して0.5Paの圧力のAr雰囲気とし、この状態で前記回転テーブル上で自転しながら回転する前記超硬基体に−800Vのバイアス電圧を印加して前記超硬基体表面を20分間Arガスボンバード洗浄し、
(b)ついで、前記蒸着装置の対向配置の両マグネトロンスパッタリング装置の電磁コイルに、いずれも電圧:50V、電流:10Aの条件で印加して、前記超硬基体の装着部における磁束密度を140G(ガウス)とした磁場を形成すると共に、前記蒸着装置内の加熱温度を400℃とした状態で、反応ガスとして窒素とArを、窒素流量:250sccm、Ar流量:230sccmの割合で導入して、1Paの窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気、または反応ガスとしてCと窒素とArを、C流量:40sccm、窒素流量:250sccm、Ar流量:230sccmの割合で導入して、1PaのCの分解ガスと窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気とし、Tiターゲットのカソード電極(蒸発源)には出力:12kW(周波数:40kHz)のスパッタ電力を印加し、一方上記超硬基体には、−100Vのバイアス電圧を印加した条件でグロー放電を発生させることにより、前記超硬基体の表面に表5,6に示される目標層厚のTiN層およびTiCN層のいずれか、または両方からなる密着接合層を形成し、
(c)ついで、蒸着装置内の真空度を0.01Pa、超硬基体の装着部における磁束密度を20秒周期で150Gから300Gまで偏かさせ、蒸着装置内の加熱温度を400℃、および超硬基体に印加のバイアス電圧を−100Vに保持したままで、表2に示される通り、前記蒸着装置内に反応ガスとして、C(炭化水素)と窒素とArを、C流量:10〜50sccm、窒素流量:75〜175sccm、Ar流量:200〜250sccmの範囲内の所定の流量で導入して、反応雰囲気を、1Pa以下のCの分解ガスと窒素とArの混合ガスとすると共に、前記両マグネトロンスパッタリング装置のWCターゲットのカソード電極(蒸発源)には、出力:2〜5kW(周波数:40kHz)の範囲内の所定のスパッタ電力、同Tiターゲットには、出力:10〜30kW(周波数:40kHz)の範囲内の所定のスパッタ電力を同時に印加した条件で、同じく表5,6に示される目標組織および目標組成、さらに目標層厚の硬質潤滑層を蒸着形成することにより、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ(以下、本発明被覆超硬チップと云う)1,1′〜16,16′をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、上記超硬基体A−1,1′〜A−10,10′およびB−1,1′〜B−6,6′のそれぞれの表面を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図4に示される通り、カソード電極(蒸発源)がTiターゲットのスパッタリング装置を設けた蒸着装置の回転テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の超硬基体をリング状に装着し、
(a)まず、装置内を真空排気して0.01Paの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を200℃に加熱した後、Arガスを装置内に導入して0.5Paの圧力のAr雰囲気とし、この状態で前記回転テーブル上で自転しながら回転する前記超硬基体に−800Vのバイアス電圧を印加して前記超硬基体表面を20分間Arガスボンバード洗浄し、
(b)ついで、前記蒸着装置内の加熱温度を400℃とした状態で、装置内に反応ガスとして窒素とArを、窒素流量:250sccm、Ar流量:230sccmの割合で導入して、1Paの窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気、または反応ガスとしてCと窒素とArを、C流量:40sccm、窒素流量:250sccm、Ar流量:230sccmの割合で導入して、1PaのCの分解ガスと窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気とし、Tiターゲットのカソード電極(蒸発源)には出力:12kW(周波数:40kHz)のスパッタ電力を印加し、一方上記超硬基体には、−100Vのバイアス電圧を印加した条件でグロー放電を発生させることにより、前記超硬基体の表面に表7,8に示される目標層厚のTiN層およびTiCN層のいずれか、または両方からなる密着接合層を蒸着形成し、
(c)ついで、上記蒸着装置内の加熱温度は同じ400℃、超硬基体に印加するバイアス電圧も同じ−100Vとした状態で、表1に示される通り、前記蒸着装置内に反応ガスとして、C(炭化水素)と窒素とArを、C流量:50〜150sccm、窒素流量:200〜300sccm、Ar流量:200〜250sccmの範囲内の所定の流量で導入して、反応雰囲気を、1Pa以下のCの分解ガスと窒素とArの混合ガスとすると共に、前記Tiターゲットには、出力:5 〜10kW(周波数:40kHz)の範囲内の所定のスパッタ電力を印加した条件で、上記密着接合層の上に、同じく表7,8に示される目標組織および目標組成、さらに目標層厚の硬質潤滑層を蒸着形成することにより、従来被覆超硬工具に相当する比較表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ(以下、比較被覆超硬チップと云う)1,1′〜16,16′をそれぞれ製造した。
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ1,1′〜16,16′および比較被覆超硬チップ1,1′〜16,16′を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・AC9B−T7の丸棒、
切削速度:230m/min.、
切り込み:1.2mm、
送り:0.3mm/rev.、
切削時間:20分、
の条件(切削条件Aという)でのAl合金の乾式高速切削加工試験(通常の切削速度は100m/min.)、
被削材:JIS・PBC3Bの丸棒、
切削速度:150m/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Cu合金の乾式高速切削加工試験(通常の切削速度は90m/min.)、さらに、
被削材:JIS・S58Cの丸棒、
切削速度:180m/min.、
切り込み:2.5mm、
送り:0.3mm/rev.、
切削時間:15分、
の条件(切削条件Cという)での炭素鋼の湿式高速切削加工試験(通常の切削速度は130m/min.)を行なった。いずれの切削加工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9に示した。
Figure 2007160465
Figure 2007160465
Figure 2007160465
Figure 2007160465
Figure 2007160465
Figure 2007160465
Figure 2007160465
原料粉末として、平均粒径:4.5μmを有する中粗粒WC粉末、同0.8μmの微粒WC粉末、同1.3μmのTaC粉末、同1.2μmのNbC粉末、同1.2μmのZrC粉末、同1.8μmのCr32粉末、同1.5μmのVC粉末、同1.0μmの(Ti,W)C(質量比で、TiC/WC=50/50)粉末、および同1.8μmのCo粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表10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72時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、100MPaの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、6Paの真空雰囲気中、7℃/分の昇温速度で1370〜1470℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に1時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が8mm、13mm、および26mmの3種の超硬基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の3種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表9に示される組合せで、切刃部の直径×長さがそれぞれ6mm×13mm、10mm×22mm、および20mm×45mmの寸法、並びにいずれもねじれ角30度の4枚刃スクエアの形状をもった超硬基体(エンドミル)C−1〜C−8をそれぞれ製造した。
ついで、これらの超硬基体(エンドミル)C−1〜C−8を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図2に示される蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、表11に示される目標層厚のTiN層およびTiCN層のいずれか、または両方からなる密着接合層、および同じく表11に示される目標組織および目標組成、さらに目標層厚の硬質潤滑層を蒸着形成することにより、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製エンドミル(以下、本発明被覆超硬エンドミルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、上記の超硬基体(エンドミル)C−1〜C−8を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図4に示される蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、表12に示される目標層厚のTiN層およびTiCN層のいずれか、または両方からなる密着接合層、並びに同じく表12に示される目標組織および目標組成、さらに目標層厚の硬質潤滑層を蒸着形成することにより、従来被覆超硬工具に相当する比較表面被覆超硬合金製エンドミル(以下、比較被覆超硬エンドミルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル1〜8および比較被覆超硬エンドミル1〜8のうち、本発明被覆超硬エンドミル1〜3および比較被覆超硬エンドミル1〜3については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・AC8A−T5の板材、
切削速度:350m/min.、
軸方向切り込み:3.5mm、
径方向切り込み:1mm、
テーブル送り:2400mm/分、
の条件でのAl合金の乾式高速側面切削加工試験(通常の切削速度は300m/min.)、本発明被覆超硬エンドミル4〜6および従来被覆超硬エンドミル4〜6については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・C3561の板材、
切削速度:350m/min.、
軸方向切り込み:8mm、
径方向切り込み:1.5mm、
テーブル送り:2600mm/分、
の条件でのCu合金の乾式高速側面切削加工試験(通常の切削速度は280m/min.)、本発明被覆超硬エンドミル7,8および比較被覆超硬エンドミル7,8については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S28Cの板材、
切削速度:165m/min.、
軸方向切り込み:10mm、
径方向切り込み:1.5mm、
テーブル送り:2200mm/分、
の条件での炭素鋼の湿式高速側面切削加工試験(通常の切削速度は100m/min.)をそれぞれ行い、いずれの側面切削加工試験でも切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる0.1mmに至るまでの切削長を測定した。この測定結果を表11,12にそれぞれ示した。
Figure 2007160465
Figure 2007160465
Figure 2007160465
上記の実施例2で製造した直径が8mm(超硬基体C−1〜C−3形成用)、13mm(超硬基体C−4〜C−6形成用)、および26mm(超硬基体C−7、C−8形成用)の3種の丸棒焼結体を用い、この3種の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ4mm×13mm(超硬基体D−1〜D−3)、8mm×22mm(超硬基体D−4〜D−6)、および16mm×45mm(超硬基体D−7、D−8)の寸法、並びにいずれもねじれ角30度の2枚刃形状をもった超硬基体(ドリル)D−1〜D−8をそれぞれ製造した。
ついで、これらの超硬基体(ドリル)D−1〜D−8の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図4に示される蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、表13に示される目標層厚のTiN層およびTiCN層のいずれか、または両方からなる密着接合層、さらに同じく表13に示される目標組織および目標組成、さらに目標層厚の硬質潤滑層を蒸着形成することにより、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製ドリル(以下、本発明被覆超硬ドリルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、上記の超硬基体(ドリル)D−1〜D−8の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図4に示される蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、表14に示される目標層厚のTiN層およびTiCN層のいずれか、または両方からなる密着接合層、並びに同じく表14に示される目標組織および目標組成、さらに目標層厚の硬質潤滑層を蒸着形成することにより、従来被覆超硬工具に相当する比較表面被覆超硬合金製ドリル(以下、比較被覆超硬ドリルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル1〜8および比較被覆超硬ドリル1〜8のうち、本発明被覆超硬ドリル1〜3および比較被覆超硬ドリル1〜3については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・AC4CH−T6の板材、
切削速度:200m/min.、
送り:0.5mm/rev、
穴深さ:10mm、
の条件でのAl合金の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は120m/min.)、本発明被覆超硬ドリル4〜6および比較被覆超硬ドリル4〜6については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・C3713の板材、
切削速度:220m/min.、
送り:0.5mm/rev、
穴深さ:28mm、
の条件でのCu合金の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は150m/min.)、本発明被覆超硬ドリル7,8および比較被覆超硬ドリル7,8については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・STKM18Bの板材、
切削速度:160m/min.、
送り:0.5mm/rev、
穴深さ:35mm、
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は90m/min.)、をそれぞれ行い、いずれの湿式穴あけ切削加工試験(水溶性切削油使用)でも先端切刃面の逃げ面摩耗幅が0.3mmに至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表13,14にそれぞれ示した。
Figure 2007160465
Figure 2007160465
この結果得られた本発明被覆超硬工具としての本発明被覆超硬チップ1,1′〜16,16′、本発明被覆超硬エンドミル1〜8、および本発明被覆超硬ドリル1〜8、並びに従来被覆超硬工具に相当する比較被覆超硬チップ1,1′〜16,16′、比較被覆超硬エンドミル1〜8、および比較被覆超硬ドリル1〜8の硬質潤滑層について、その組織および組成を透過型電子顕微鏡およびオージェ分光分析装置、その層厚を走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも目標組織および目標組成、さらに目標層厚と実質的に同じ組織および組成、さらに平均層厚(断面5箇所の平均値)を示した。
表5〜14に示される結果から、非晶質炭素と非晶質WCの2相混合相からなる非晶質分散相と、(Ti,W)CN相の結晶質連続相からなり、前記非晶質分散相では前記非晶質WCの共存によって高温強度が向上し、また、前記結晶質連続相ではW成分の含有によって高温強度および高温硬さが一段と向上した硬質潤滑層を蒸着形成してなる本発明被覆超硬工具は、いずれもAl合金やCu合金、さらに鋼の切削加工を、高速条件で行なった場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質潤滑層が、TiCN連続相と非晶質炭素の分散相からなる組織を有する従来被覆超硬工具(比較被覆超硬工具)においては、高速切削条件では、前記硬質潤滑層の摩耗進行がきわめて速く、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、この発明の被覆超硬工具は、通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に各種の被削材の切削加工を、高速切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、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。
本発明被覆超硬工具の硬質潤滑層を透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果を示す模式図である。 本発明被覆超硬工具の密着接合層および硬質潤滑層を形成するのに用いた蒸着装置を示し、(a)は概略平面図、(b)は概略正面図である。 従来被覆超硬工具(比較被覆超硬工具)の硬質潤滑層を透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果を示す模式図である。 従来被覆超硬工具(比較被覆超硬工具)の密着接合層および硬質潤滑層を形成するのに用いた蒸着装置を示し、(a)は概略平面図、(b)は概略正面図である。

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系サーメットからなる超硬基体の表面に、
    (a)0.1〜3μmの平均層厚を有し、かつ、マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極(蒸発源)としてTiターゲットを用い、窒素とArの混合ガス、または炭化水素の分解ガスと窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜された、窒化チタン層および炭窒化チタン層のうちのいずれか、または両方からなる密着接合層、
    (b)1〜10μmの平均層厚を有し、かつ、透過型電子顕微鏡による観察で、非晶質分散相が5〜35面積%の割合を占め、残りが結晶質連続相からなると共に、前記非晶質分散相は非晶質炭素と非晶質炭化タングステンの2相混合相、前記結晶質連続相は、オージェ分光分析装置による測定で、
    組成式:(Ti1−X)C1−Y(ただし、原子比で、X:0.01〜0.3、Y:0.5〜0.8)、
    を満足するTiとW(タングステン)の複合炭窒化物、からなる組織、
    マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極(蒸発源)として、炭化タングステンターゲットとTiターゲットを用い、炭化水素の分解ガスと窒素とArの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜され、
    W:2〜18原子%、
    Ti:30〜45原子%、
    窒素:30〜45原子%、
    を含有し、残りが炭素(ただし、5〜25原子%含有)と不可避不純物からなる全体組成、
    以上の組織および組成を有する硬質潤滑層、
    以上の密着接合層および硬質潤滑層を蒸着形成してなる、高速切削加工で硬質潤滑層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具。
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