JP2008049453A - 硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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からなる工具基体の表面に、1〜8μmの平均層厚を有し、かつ、層厚方向にそって、Al最高含有点とTi−Si最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在する組成変化(Al,Ti,Si)N層を被覆した表面被覆切削工具において、Al最高含有点におけるAl、Ti、Siの含有割合は、それぞれ、0.35〜0.60、0.35〜0.55、0.03〜0.10であり、また、Ti−Si最高含有点におけるAl、Ti、Siの含有割合は、それぞれ、0.10〜0.25、0.60〜0.80、0.10〜0.25である。
【選択図】 なし
Description
1〜5μmの層厚を有し、組成式:(AlXTi1−X−YSiY)N(ただし、原子比で、Xは0.05〜0.75、Yは0.01〜0.1を示す)を満足する硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆工具が知られており、そして、前記被覆工具の硬質被覆層[以下、(Al,Ti,Si)N層という]は、すぐれた高温硬さと耐酸化性、耐摩耗性を有し、通常の条件下で、各種の一般鋼や普通鋳鉄などの切削に用いた場合に、すぐれた切削性能を発揮することが知られている。
(イ)例えば図1(a)に概略平面図で、同(b)に概略正面図で示される構造の(Al,Ti,Si)N蒸着用アークイオンプレーティング装置とTiSi蒸着用マグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置を用い、装置中央部に工具基体(例えば、超硬基体)装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に、所定組成のAl−Ti−Siカソード電極(蒸発源)を備えた(Al,Ti,Si)N蒸着用アークイオンプレーティング装置、他方側に、Ti−Siターゲット(蒸発源)を備えたTiSi蒸着用マグネトロンスパッタリング装置を対向配設し、また工具基体装着用回転テーブル上に、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工具基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として、前記回転テーブルを回転させると共に、形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で工具基体自体も自転させながら、前記の(Al,Ti,Si)N蒸着用アークイオンプレーティング装置のAl−Ti−Siカソード電極(蒸発源)とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、それと同時に、対向配設したTiSi蒸着用マグネトロンスパッタリング装置のTi−Siターゲット(蒸発源)にパルス電圧を印加しTiSiをスパッタすると、アークイオンプレーティングとスパッタリングによってAlとTiとSiの窒化物層(以下、(Al,Ti,Si)N層で示す)が蒸着形成され、そして、上記窒化物層は、回転テーブル上に配置された工具基体が、上記一方側のAl−Ti−Siカソード電極(蒸発源)に最も接近した位置で、相対的に、蒸着層中のAlの含有割合が最大となる領域(以下、Al最高含有点という)が形成され、また、前記工具基体が、上記他方側のTi−Siターゲット(蒸発源)に最も接近した位置で、相対的に、蒸着層中のTi、Siの含有割合が最大となる領域(以下、Ti−Si最高含有点という)が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向に沿って、前記Al最高含有点とTi−Si最高含有点が回転テーブルの回転速度に応じた所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Al最高含有点から前記Ti−Si最高含有点、前記Ti−Si最高含有点から前記Al最高含有点へ、Al、Ti、Siの含有量がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造の蒸着層(以下、組成変化(Al,Ti,Si)N層という)が形成されること。
以上(イ)、(ロ)に示される研究結果を得たのである。
「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た工具基体を、一方にカソード電極としてAl−Ti−Siを、また、他方にターゲットとしてTi−Siを設けた蒸着装置の回転テーブル上に載置し、前記工具基体を回転テーブルで回転させながら、Al−Ti−Siカソード電極側でのアークイオンプレーティングと、Ti−Siターゲット側でのスパッタリングにより、工具基体表面にAlとTiとSiの窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(a)前記硬質被覆層は1〜8μmの平均層厚を有し、硬質被覆層の層厚方向に沿って、前記Al−Ti−Siカソード電極近傍で形成されるAl最高含有点と前記Ti−Siターゲット近傍で形成されるTi−Si最高含有点とが0.03〜0.1μmの間隔をおいて交互に繰り返し存在し、
(b)前記Al最高含有点から前記Ti−Si最高含有点、前記Ti−Si最高含有点から前記Al最高含有点へと、Al、Ti、Siの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
(c)前記Al−Ti−Siカソード電極近傍で形成される前記Al最高含有点におけるAl成分、Ti成分、Si成分は、その含有割合(ただし、原子比)を、それぞれX、Y、Zで表したときに、Xは0.35〜0.60、Yは0.35〜0.55、Zは0.03〜0.10で、かつ、X+Y+Z=1を満足し、
(d)前記Ti−Siターゲット近傍で形成される前記Ti−Si最高含有点におけるAl成分、Ti成分、Si成分は、その含有割合(ただし、原子比)を、それぞれX、Y、Zで表したときに、Xは0.10〜0.25、Yは0.60〜0.80、Zは0.10〜0.25で、かつ、X+Y+Z=1を満足する組成変化(Al,Ti,Si)N層を蒸着形成してなる、
特に高硬度鋼の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具(表面被覆切削工具)」に特徴を有するものである。
組成変化(Al,Ti,Si)N層におけるAlは、高温硬さおよび耐熱性を向上させ、同Tiは高温強度を向上させ、同Si成分は一段と耐熱性を向上させる作用がある。したがって相対的にAl成分の含有割合が高いAl最高含有点ではすぐれた高温硬さと所定の耐熱性を備えるが、Alの含有割合(X値)が0.35未満の場合には、硬質被覆層として最小限要求される高温硬さ、耐熱性を保持することができず、また、Tiの含有割合(Y値)が0.35未満の場合には、高温強度の不足によるチッピング発生の恐れがあり、さらに、Siの含有割合(Z値)が0.03未満の場合には、硬質被覆層の耐熱性の向上を期待できない。一方、Alの含有割合(X値)が0.60を超える場合、あるいは、Siの含有割合(Z値)が0.10を越えるような場合には、相対的にTiの含有割合が低下するため、高温強度を確保することができず、また、Tiの含有割合(Y値)が0.55を超えるような場合には、相対的なAl含有割合の低下、Si含有割合の低下により、高温硬さ、耐熱性を確保することができなくなることから、Alの含有割合(X値)を0.35〜0.60、Tiの含有割合(Y値)を0.35〜0.55、また、Siの含有割合(Z値)を0.03〜0.10とそれぞれ定めた。
硬質被覆層のTi−Si最高含有点において、組成変化(Al,Ti,Si,)N層は、すぐれた高温強度とより一段とすぐれた耐熱性を備えるが、Ti含有割合(Y値)が0.80を超えたり、Si含有割合(Z値)が0.25を超えたり、あるいは、Al含有割合(X値)が0.10未満となったような場合には、(Al,Ti,Si)N層中のAl成分含有量の相対的な減少により、所定の高温硬さを確保することができず、硬質被覆層の摩耗進行が促進するようになり、一方、Ti含有割合(Y値)が0.60未満、Si含有割合(Z値)が0.10未満になると、あるいは、Al含有割合(X値)が0.25を超えるような場合には、(Al,Ti,Si)N層中のTiおよびSiの含有割合の低減により、十分な高温強度の確保と十分な耐熱性の確保ができなくなることから、Alの含有割合(X値)を0.10〜0.25、Tiの含有割合(Y値)を0.60〜0.80、また、Siの含有割合(Z値)を、0.10〜0.25(いずれも、原子比)に定めた。
この発明の硬質被覆層は、その層厚方向に亘って、窒化物を構成する成分の濃度が、Al最高含有点からTi−Si最高含有点へと、また、Ti−Si最高含有点からAl最高含有点へと連続的に変化するものであるため、例えば、成分濃度が不連続な変化をする複数層の積層構造からなる硬質被覆層に比べれば、複数層間での剥離等の恐れは無く硬質被覆層自体の密着強度・接合強度は非常にすぐれたものであるが、Al最高含有点とTi−Si最高含有点間の間隔が0.03μm未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果それぞれの層に所望の高温硬さ、高温強度、耐熱性を確保することができなくなり、またその間隔が0.1μmを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちTi−Si最高含有点であれば高温硬さの不足、また、Al最高含有点であれば特に高温強度の不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなったり、また、摩耗進行が促進されるようになることから、その間隔を0.03〜0.1μmと定めた。
なお、Al最高含有点とTi−Si最高含有点間の間隔は、(Al,Ti,Si)N蒸着用アークイオンプレーティング装置とTiSi蒸着用マグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置を用い、アークイオンプレーティングとスパッタリングを同時に行って蒸着膜を形成する際に、例えば、工具基体を装着した回転テーブルの回転速度を制御することによって調整することができるので、回転テーブルの回転速度を適宜に設定することにより、Al最高含有点とTi−Si最高含有点間の間隔が上記数値範囲内の所望の値となる組成変化(Al,Ti,Si)N層を容易に形成することができる。
その平均層厚が1μm未満では、硬質被覆層が所望の高温硬さ、高温強度および耐熱性を長期に亘って確保することができず、その結果、高硬度鋼の高速切削における耐摩耗性の向上を期待することができず、一方、その平均層厚が8μmを越えると、切刃にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を1〜8μmと定めた。
(b)ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して2Paの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加して、カソード電極とアノード電極との間に90Aの電流を流してアーク放電を発生させ、
(c)また、それと同時に、Ti−Siターゲットにパルス電源を用いて4.5kWのパルス電力を印加してTiSiをスパッタし、
(d)前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の表面に、表3,4に示される目標組成のAl最高含有点とTi−Si最高含有点とが交互に、同じく表3、表4に示される目標間隔で繰り返し存在し、また、前記Al最高含有点から前記Ti−Si最高含有点、前記Ti−Si最高含有点から前記Al最高含有点へと、Al、Ti、Siの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、同じく表3、表4に示される目標層厚の組成変化(Al,Ti,Si)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、ISO・CNMG120408に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆工具1〜16をそれぞれ製造した。
なお、上記実施例では、Al最高含有点とTi−Si最高含有点との目標間隔は、回転テーブルの回転速度を0.5〜10rpmの範囲内で変化させることにより、所定の目標間隔値となるように調整した。
被削材:JIS・SKD61(硬さ:52HRC)の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 180 m/min.、
切り込み: 1.0 mm、
送り: 0.25 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件A)での合金工具鋼の乾式高速断続切削加工試験(通常の切削速度は、120m/min.)、
被削材:JIS・SKD11(硬さ:60HRC)の丸棒、
切削速度: 150 m/min.、
切り込み: 1.0 mm、
送り: 0.25 mm/rev.、
切削時間: 10 分、
の条件(切削条件B)での合金工具鋼の乾式高速連続切削加工試験(通常の切削速度は、80m/min.)、
被削材:JIS・SUJ2(硬さ:65HRC)の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 120 m/min.、
切り込み: 0.8 mm、
送り: 0.20 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件C)での軸受鋼の乾式高速断続切削加工試験(通常の切削速度は、80m/min.)、を行い、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7に示した。
本発明被覆エンドミル1〜3および従来被覆エンドミル1〜3については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD11(硬さ:60HRC)の板材、
切削速度: 60 m/min.、
溝深さ(切り込み): 0.3 mm、
テーブル送り: 80 mm/分、
の条件での合金工具鋼の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は、30m/min.)、
本発明被覆エンドミル4〜6および従来被覆エンドミル4〜6については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUJ2(硬さ:65HRC)の板材、
切削速度: 50 m/min.、
溝深さ(切り込み): 0.5 mm、
テーブル送り: 75 mm/分、
の条件での軸受鋼の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は、25m/min.)、
本発明被覆エンドミル7,8および従来被覆エンドミル7,8については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD61(硬さ:52HRC)の板材、
切削速度: 40 m/min.、
溝深さ(切り込み): 1 mm、
テーブル送り: 40 mm/分、
の条件での合金工具鋼の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は、20m/min.)
をそれぞれ行い、いずれの溝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に至るまでの切削溝長を測定した。この測定結果を表9,10にそれぞれ示した。
本発明被覆ドリル1〜3および従来被覆ドリル1〜3については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUJ2(硬さ:65HRC)の板材、
切削速度: 70 m/min.、
送り: 0.12 mm/rev、
穴深さ: 8 mm、
の条件での軸受鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は、40m/min.)、
本発明被覆ドリル4〜6および従来被覆ドリル4〜6については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD61(硬さ:52HRC)の板材、
切削速度: 90 m/min.、
送り: 0.18 mm/rev、
穴深さ: 12 mm、
の条件での合金工具鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は、50m/min.)、
本発明被覆ドリル7,8および従来被覆ドリル7,8については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD11(硬さ:60HRC)の板材、
切削速度: 60 m/min.、
送り: 0.20 mm/rev、
穴深さ: 24 mm、
の条件での合金工具鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は、35m/min.)、
をそれぞれ行い、いずれの湿式高速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11,12にそれぞれ示した。
Claims (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た工具基体を、一方にカソード電極としてAl−Ti−Siを、また、他方にターゲットとしてTi−Siを設けた蒸着装置の回転テーブル上に載置し、前記工具基体を回転テーブルで回転させながら、Al−Ti−Siカソード電極側でのアークイオンプレーティングと、Ti−Siターゲット側でのスパッタリングにより、工具基体表面にAlとTiとSiの窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(a)前記硬質被覆層は1〜8μmの平均層厚を有し、硬質被覆層の層厚方向に沿って、前記Al−Ti−Siカソード電極近傍で形成されるAl最高含有点と前記Ti−Siターゲット近傍で形成されるTi−Si最高含有点とが0.03〜0.1μmの間隔をおいて交互に繰り返し存在し、
(b)前記Al最高含有点から前記Ti−Si最高含有点、前記Ti−Si最高含有点から前記Al最高含有点へと、Al、Ti、Siの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
(c)前記Al−Ti−Siカソード電極近傍で形成される前記Al最高含有点におけるAl成分、Ti成分、Si成分は、その含有割合(ただし、原子比)を、それぞれX、Y、Zで表したときに、Xは0.35〜0.60、Yは0.35〜0.55、Zは0.03〜0.10で、かつ、X+Y+Z=1を満足し、
(d)前記Ti−Siターゲット近傍で形成される前記Ti−Si最高含有点におけるAl成分、Ti成分、Si成分は、その含有割合(ただし、原子比)を、それぞれX、Y、Zで表したときに、Xは0.10〜0.25、Yは0.60〜0.80、Zは0.10〜0.25で、かつ、X+Y+Z=1を満足する組成変化(Al,Ti,Si)N層を蒸着形成してなる、
硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具。
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JP2006229873A JP2008049453A (ja) | 2006-08-25 | 2006-08-25 | 硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 |
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---|---|---|---|---|
JP2004345006A (ja) * | 2003-05-21 | 2004-12-09 | Mitsubishi Materials Corp | 高速重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表面被覆立方晶窒化硼素基焼結材料製切削工具 |
JP2006026867A (ja) * | 2004-07-21 | 2006-02-02 | Mitsubishi Materials Corp | 高速重切削で表面被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 |
JP2006026862A (ja) * | 2004-07-21 | 2006-02-02 | Mitsubishi Materials Corp | 高速重切削で表面被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 |
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