JP2009061543A

JP2009061543A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP2009061543A
Application number: JP2007230928A
Authority: JP
Inventors: Makoto Nishida; 西田　　真; Tetsuhiko Honma; 哲彦本間; Hitoshi Kunugi; 斉功刀; Takeshi Ishii; 剛石井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: JP5224091B2

Abstract

【課題】高硬度材の切削加工等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切削工具を提供する。工具切刃部
【解決手段】表面被覆切削工具の工具切刃部の逃げ面、ホーニング部およびすくい面の表面に蒸着形成する硬質被覆層は、少なくとも、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる内部層とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物のうちの１層または２層以上からなる最表面層とで構成し、また、上記工具切刃部のランド部表面の硬質被覆層はＡｌ_２Ｏ_３層で構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、黒皮偏肉部を有するステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼等の切削加工において、工具切刃部がすぐれた耐チッピング性と耐溶着性を示し、その結果、硬質被覆層が長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具に関するものである。

従来、一般に、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た基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、化学蒸着で形成されたＡｌ₂Ｏ₃層と、化学蒸着で形成されたＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物のうちの１層または２層以上からなる硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具が知られており、この表面被覆切削工具が、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も知られている。
特開昭５８−６７８６１号公報特開２００３−３４０６１０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、切削加工は一段と高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを低合金鋼や炭素鋼などの一般鋼、さらにねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄の高速切削に用いた場合には問題はないが、自身が高い強度を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性が高いステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼製の黒皮偏肉部を有する鍛造部品を高速で加工した場合には切刃にチッピングが発生し、これらが原因で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、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼製等の黒皮偏肉部を有する鍛造部品の高速切削加工に用いた場合でも、表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）がすぐれた耐チッピング性を示す硬質被覆層の層構造について研究を行った結果、
（ａ）一般に、被覆工具の切刃部は、逃げ面−ホーニング部−ランド部−すくい面から構成され、その全体に亘って、硬質被覆層が蒸着形成されているが、このような従来被覆工具を、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼等の高速切削加工に用いた場合には、切刃に被削材が溶着しやすく、切削中にこの溶着物の脱落と生成が繰り返される際に、溶着物とともに硬質被覆層が脱落し、これがチッピングの原因となっていること。

（ｂ）そこで、上記従来被覆工具において、切刃部の逃げ面−すくい面にはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層を形成し、一方、切刃のホーニング部、ランド部には最表面層であるＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層を設けず、内部層のＡｌ₂Ｏ₃層を露出させた層構造となしたところ、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼等の高速切削加工に用いた場合にも、ホーニング部、ランド部には、熱的に安定なＡｌ₂Ｏ₃層が露出形成されているため、被削材の溶着が生じず、その結果、溶着物の脱落、生成に起因するチッピングの発生は低減されること。

（ｃ）しかし、上記被覆工具により、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼製等の黒皮偏肉部を有する鍛造部品の高速切削加工を行った場合には、黒皮偏肉部で一時的に刃先が被削材に切り込まなくなる際に、鍛造時に形成された非常に硬質な被削材表面の酸化層（黒皮）を切刃部のホーニング部だけで擦る状態になるため、Ａｌ₂Ｏ₃層が露出形成されておりＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層が形成されていないホーニング部には、Ａｌ₂Ｏ₃層に新たなチッピングが発生するようになり、硬質被覆層の耐チッピング性は未だ不十分であること。

（ｄ）そこで、切刃部が、逃げ面−ホーニング部−ランド部−すくい面から構成された被覆工具において、図１に示されるように、逃げ面、ホーニング部、すくい面にはＡｌ₂Ｏ₃層からなる内部層と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層を形成し、一方、切刃のランド部には最表面層であるＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層を設けず、内部層のＡｌ₂Ｏ₃層を露出させた層構造となしたところ、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼製等の黒皮偏肉部を有する鍛造部品の高速切削加工に用いた場合に、ランド部には、熱的に安定なＡｌ₂Ｏ₃層が露出形成されているため、切刃ランド部への被削材の溶着が生じず、また、ホーニング部には、高温強度のすぐれたＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層が被覆されていることから、Ａｌ₂Ｏ₃層にチッピングが発生することが防止され、その結果、チッピングが発生することもなく長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮すること。
以上（ａ）〜（ｄ）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、
「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の表面に、少なくとも、Ａｌ_２Ｏ_３層と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる硬質被覆層が蒸着形成され、また、工具切刃部が、逃げ面、ホーニング部、ランド部およびすくい面で構成された表面被覆切削工具において、
上記工具切刃部の逃げ面、ホーニング部およびすくい面の表面に蒸着形成する硬質被覆層は、少なくとも、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる内部層とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層とで構成し、また、上記工具切刃部のランド部表面の硬質被覆層は、Ａｌ_２Ｏ_３層で構成したことを特徴とする表面被覆切削工具（被覆工具）。」
に特徴を有するものである。

以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層について、詳細に説明する。
（１）Ａｌ₂Ｏ₃層（内部層）
Ａｌ₂Ｏ₃層からなる内部層は、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼等の溶着性の高い被削材に対してすぐれた耐溶着性を示すとともに、すぐれた高温硬さ、耐熱性を有し、基本的に、硬質被覆層の耐摩耗性を担保する層であるが、その層厚が１．０μｍ未満では、十分な耐摩耗性を発揮することはできず、また、その層厚が１２μｍを越えると、チッピングを発生し易くなることから、その層厚は１．０〜１２μｍとすることが望ましい。
この発明では、切刃のランド部には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層を設けず、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる内部層を敢て露出させておくことによって、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼製等の黒皮偏肉部を有する鍛造部品等の高速切削加工における被覆工具の耐溶着性を高め、溶着物の生成、脱落に起因するチッピングの発生を防止することができる。
切刃部のランド部のみに、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる内部層を露出形成させる方法としては、例えば、ランド部を含め、切刃部全体にＡｌ_２Ｏ_３層からなる内部層を蒸着形成し、さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上層からなる最表面層を蒸着形成した後、ランド部の最表面層のみを研磨加工により除去すれば、ランド部にＡｌ_２Ｏ_３層からなる内部層を露出させることができる。また、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる内部層を蒸着形成後、ランド部にのみマスキングを施し、この状態で最表面層を蒸着することにより、ランド部のみにＡｌ_２Ｏ_３層からなる内部層を露出させることができる。いずれにしても、この発明では、ランド部のみに、Ａｌ_２Ｏ_３層を露出形成させる手段については、特にその手段を限定するものではなく、いかなる手段をも採用することができる。
なお、工具基体表面にＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成するにあたり、工具基体とＡｌ_２Ｏ_３層の密着性、密着強度等を向上させるために、従来から良く知られているＴｉ化合物（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ）層を、下部密着層として蒸着形成することができる。また、これに加えて、この発明で最表面層として蒸着形成する、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上を下部密着層として蒸着形成することも勿論可能であり、この発明では、工具基体とＡｌ_２Ｏ_３層との間に、下部密着層を介在形成することを何ら排除するものではない。
ただ、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる内部層と工具基体の間に、下部密着層を介在形成した場合には、下部密着層の合計層厚が０．２μｍ未満では、これを設けたことによる効果の向上が少なく、また、合計層厚が２０μｍを超えると、高熱を発生する切削加工において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、その合計層厚は０．２〜２０μｍとすることが望ましい。

（２）Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上（最表面層）
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層は、すぐれた高温強度を備え、硬質被覆層全体としての強度を高めるとともに、耐チッピング性向上に寄与するが、特に、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼製等の黒皮偏肉部を有する鍛造部品の高速切削加工を行った場合には、黒皮偏肉部で一時的に刃先が被削材に切り込まなくなり、硬質な黒皮をホーニング部だけで擦る状態になっても、Ａｌ_２Ｏ_３層の上面に高温強度にすぐれたＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層が被覆されていることによって保護されているので、Ａｌ_２Ｏ_３層にチッピングが発生することを防止できる。
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上を最表面層として設けた場合、その層厚が０．５μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その層厚が６μｍを越えると、易溶着性被削材の切削加工では耐溶着性が劣化し、チッピングが発生しやすくなることから、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層の層厚は、０．５〜６μｍとすることが望ましい。

この発明では、硬質被覆層として、少なくとも、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる内部層と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層とを蒸着形成した被覆工具において、切刃部のランド部のみ、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる内部層を露出形成させていることから、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼製等の黒皮偏肉部を有する鍛造部品等の高速切削加工を行った場合でも、切刃のホーニング部に蒸着形成された高温強度にすぐれた最表面層が硬質な黒皮との擦過によるＡｌ₂Ｏ₃層のチッピング発生を抑制するとともに、切刃ランド部には耐溶着性にすぐれたＡｌ₂Ｏ₃層が露出形成されていることによって、溶着物の生成・脱落に起因するチッピングの発生もなく、その結果、長期の使用に亘ってチッピングの発生なくすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。

つぎに、この発明の被覆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、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、中心部に工具取り付け用ボルト貫通孔を有する形式で、ＩＳＯ規格にＣＮＭＧ１２０４１２として規定されるスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｅ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、工具本体にクランプ駒による挟み締めにより取り付けられる穴なし形式で、ＩＳＯ規格にＣＮＭＮ１２０４１２として規定されるスローアウエイチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｅを形成した。

ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
（ａ）表３に示されるいずれかの条件で、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上を、下部密着層として合計層厚０．２〜２０μｍの厚さで蒸着形成し、
（ｂ）ついで、切刃部の逃げ面、ホーニング部、ランド部、すくい面を含む工具基体の表面に、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：１〜５％、ＣＯ₂：３〜７％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ₂Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ₂：残り、の範囲内の所定の組成、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃の範囲内の所定の温度、
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の条件で表４に示される目標層厚で、Ａｌ₂Ｏ₃層からなる内部層を蒸着形成し、
（ｃ）ついで、上記Ａｌ₂Ｏ₃層からなる内部層の上面に、表３に示される条件にて、表４に示されるそれぞれ目標層厚のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上を最表面層として蒸着形成し、
（ｄ）その後、切刃部のランド部のみに、砥粒を内部に含有した樹脂製のブラシで機械研磨を施し、内部層のＡｌ₂Ｏ₃層を露出させることにより、本発明被覆工具１〜１０をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、表５に示される通り、ホーニング部およびランド部を含め切刃部の全面に最表面層を形成した比較被覆工具１〜５を製造し、また、切刃部の全面に最表面層を形成した後、切刃部のホーニング部とランド部の最表面層を機械研磨で除去し、内部層のＡｌ₂Ｏ₃層を露出させた比較被覆工具６〜１０を製造した。

ついで、上記の本発明被覆工具１〜１０と比較被覆工具１〜１０の硬質被覆層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層の厚さを、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、上記の本発明被覆工具１〜１０および比較被覆工具１〜１０の各種被覆工具について、いずれも工具鋼製バイトの先端部にボルト止めした状態で、黒皮偏肉部を想定した下記の被削材について、切削条件Ａ〜Ｃで切削試験を実施した。
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３１６の楕円形黒皮丸棒（長径３５０ｍｍ，短径３４７ｍｍ）、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０〜１．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分
の条件（切削条件Ａという）でのステンレス鋼の湿式連続高速切削試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＨ３１０の楕円形黒皮丸棒（長径２８０ｍｍ，短径２７６ｍｍ）、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０〜２ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分
の条件（切削条件Ｂという）での耐熱鋼の湿式連続高速切削試験（通常の切削速度は、１１０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＳ１０の楕円形黒皮丸棒（長径３１０ｍｍ，短径３０６ｍｍ）、
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０〜２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分
の条件（切削条件Ｂという）でのステンレス鋳鋼の湿式連続高速切削試験（通常の切削速度は、１２０ｍ／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６に示した。

表６に示される結果から、本発明被覆工具１〜１０は、ステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼製等の黒皮偏肉部を有する鍛造部品等の高速切削加工を行った場合でも、切刃のホーニング部に蒸着形成されたすぐれた高温強度を有するＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層が、被削材の硬質黒皮部との擦過によるチッピングの発生を抑制するとともに、切刃ランド部に耐溶着性にすぐれたＡｌ₂Ｏ₃層が露出形成されていることによって、溶着物の生成・脱落に起因するチッピングの発生を抑え、その結果として、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って示すのに対して、切刃部全面がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の１層または２層以上からなる最表面層で被覆された比較被覆工具１〜５においては、硬質被覆層のチッピング発生によって使用寿命が短く、また、切刃のホーニング部とランド部に、Ａｌ₂Ｏ₃層からなる内部層が露出形成された比較被覆工具６〜１０においては、主として、ホーニング部でのチッピング発生により、やはり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、この発明の被覆工具は、各種鋼や鋳鉄などの通常条件での切削加工は勿論のこと、特にステンレス鋼、耐熱鋼、ステンレス鋳鋼製等の黒皮偏肉部を有する鍛造部品等の高速切削加工に用いた場合であっても、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示し、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。

本発明被覆工具の切刃部近傍の硬質被覆層の概略断面説明図である。

Claims

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の表面に、少なくとも、Ａｌ_２Ｏ_３層と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物のうちの１層または２層以上からなる硬質被覆層が蒸着形成され、また、工具切刃部が、逃げ面、ホーニング部、ランド部およびすくい面で構成された表面被覆切削工具において、
上記工具切刃部の逃げ面、ホーニング部およびすくい面の表面に蒸着形成する硬質被覆層は、少なくとも、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる内部層と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物のうちの１層または２層以上からなる最表面層とで構成し、また、上記工具切刃部のランド部表面の硬質被覆層は、Ａｌ_２Ｏ_３層で構成したことを特徴とする表面被覆切削工具。