JP2010524710A - コーティングされた超硬合金切削工具とその製造のための前処理及びコーティング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、超硬合金切削工具コーティング層の表面粗さと母材に対する結合力とがいずれも卓越に改善されるコーティング前処理方法を提供する。
【解決手段】本発明の前処理方法は、超硬合金切削工具の母材表面から該当母材のタングステンカーバイド粒度に相応する０．５〜５μｍの範囲程度の焼結表面層を適切に除去し、組織が不均一な多孔質焼結表面層が除去されてブラスティング前処理に比べて組織密度と平滑度が高い母材表面が提供される。コーティング層と母材との間の十分な結合力を確保するために、多孔質の焼結表面が除去されながら現れるタングステンカーバイド粒子の周囲に存在する焼結気孔の面積比率を５％以上確保するようにする。
【選択図】図６

Description

本発明は、コーティングされた超硬合金切削工具及びその製造方法に関する。

切削工具表面のコーティング層は、工具の耐摩耗性を増大させて摩擦を低減する等、工具の寿命を向上させるための重要な要素である。切削工具表面のコーティング層の表面粗さが高ければ、むしろ切削抵抗が大きくなり、被削除と融着されてコーティング層が剥離されやすくなる。その結果、工具の性能が低下して寿命が短縮される。これを防止するためには、コーティング層の表面粗さを向上させ、かつ、コーティング層と母材との結合力を改善する必要がある。

超硬合金切削工具の母材は、タングステンカーバイド（ＷＣ）粉末とコバルト（Ｃｏ）粉末を所定の形状に成形した後、高温で加熱して焼結することによって得られる。焼結時に温度変化に直接露出された母材の表面は、組織が緻密で均一の内部に比べてタングステンカーバイドとコバルトとの比率が均一ではなく、凹凸が甚だしく形成される。このような超硬合金切削工具の表面にコーティング層を形成する場合、超硬合金切削工具の表面のタングステンカーバイドとコバルトの不均一な組成と組織がその上に形成されるコーティング層の形状に悪影響を及ぼし、均一のコーティング層が形成できないだけでなく、母材とコーティング層との結合力が弱くなり、コーティング層が容易に剥離される。従って、超硬合金切削工具の母材にコーティング層を形成しても、工具の性能を向上させて寿命を延長するという本然の目的を達成することができない。さらに、従来のコーティング技術、例えばアークイオンプレーティング（Arc Ion Plating）によってコーティング層を形成すればコーティング層表面に巨大液滴（macro droplet）が形成されるので、コーティング工程によってコーティング層の表面粗さがさらに悪化することがある。

これを改善するためにコーティング後に表面の粗さを改善させる“後処理工程”を行うことができるが、これはコーティングされた超硬合金切削工具の表面粗さを効果的に改善させることか難しい。また、コーティング層と母材との結合力を根本的に向上させることもできない。母材に対するコーティング層の結合力はコーティング層に後処理を実施しても改善されないためである。

また、コーティングを行う前の段階において超硬合金切削工具の母材表面を処理する“前処理工程”として、ブラスティング(blasting)法が適用できる。ブラスティング法とは、数十マイクロンの大きさを有するアルミナのような硬質粒子を切削工具の母材表面上に高速噴射して表面の一部と表面に付着された異物とを除去して仕上げることを言う。しかし、ブラスティングをしても超硬合金切削工具の不均一な組織及び激しい凹凸が十分に除去されず、コーティング層の表面粗さ及び母材に対する結合力を十分に改善させることは難しい。

本発明は、前記のような従来技術の問題を解決するために創案したものであって、超硬合金切削工具コーティング層の表面粗さと母材に対する結合力とがいずれも卓越に改善されるコーティング前処理方法を提供することにその目的がある。

また、本発明は前処理された超硬合金切削工具にコーティング層を形成する改善されたコーティング方法を提供することにも目的がある。

また、本発明はコーティング層の表面粗さと母材に対する結合力がいずれも卓越した超硬合金切削工具を提供することにも目的がある。

前記のような目的及びその他の目的を達成するために、本発明の前処理方法は超硬合金切削工具の母材表面から該当母材のタングステンカーバイド粒度に相応する０．５〜５μｍの範囲程度の焼結表面層を適切に除去する。これによって、組織が不均一な多孔質焼結表面層が除去されてブラスティング前処理に比べて組織密度と平滑度が高い母材表面が提供される。この時、コーティング層と母材との間の十分な結合力を確保するために多孔質の焼結表面が除去されながら現れる表面のタングステンカーバイド粒子の周囲に存在する焼結気孔(open pore)の面積比率を５％以上確保するようにする。

前記表面層の除去にはブラシによるラッピング処理法が用いられる。
前処理された母材表面はＣＶＤ、ＰＶＤなど公知となったコーティング方法によってコーティングされる。コーティング工程後にコーティング層表面粗さをさらに向上させるためにブラスティング、ブラッシングなどによる後処理工程が施行されてもよい。

所定の厚さの焼結表面層を除去する前処理工程後に母材をコーティングすれば、コーティング層形成の起点になるコーティング材の核が母材表面に均一に生成されるので、その結果ＰＶＤコーティングを基準に表面粗さＲａ０．０５〜０．２μｍの優れたコーティング層を得ることができる。このように、前処理された後、コーティングされた超硬合金切削工具は表面粗さに優れるため、ブラスティングやブラッシングによる後処理工程をコーティング表面に追加して行っても短時間でＲａ０．０５〜０．１５μｍの表面粗さを得ることができる。

また、前処理工程で母材表面に５％以上確保された焼結気孔の面積比率がコーティング層（特に、ＰＶＤコーティング層）と母材との滑りを抑制するアンカー効果(anchor effect)を提供する。従って、コーティング層と母材との結合力が卓越に改善される。

本発明によって前処理工程を経た後、コーティングされた超硬合金切削工具は既存のブラスティング法により前処理された後コーティングされた超硬合金切削工具に比べて約２５％以上優れたコーティング工具の工具寿命を得ることができる。

ブラスティング法によって前処理された超硬合金切削インサート母材の断面模式図である。 母材上にコーティング層が形成された図１の超硬合金切削インサートの断面模式図である。 ブラスティング法によって前処理された超硬合金切削インサートの母材表面の電子顕微鏡写真である。 本発明によって前処理された超硬合金切削インサート母材の断面模式図である。 母材上にコーティング層が形成された図４の超硬合金切削インサートの断面模式図である。 本発明の一実施例によって前処理された超硬合金切削インサートの母材表面の電子顕微鏡写真である。 ブラスティング法によって前処理された超硬合金切削インサート母材に対するコーティング層の密着強度を示すために押し込み試験を行った後の切削インサートを光学顕微鏡で撮影した写真である。 本発明によって前処理された超硬合金切削インサート母材に対するコーティング層の密着強度を示すために押し込み試験を行った後の切削インサートを光学顕微鏡で撮影した写真である。

以下では、添付した図面を参照して本発明のコーティングされた超硬合金切削工具について説明する。

図１は、ブラスティング法により前処理された超硬合金切削インサート母材の断面模式図である。図１から、ブラスティング後にも焼結工程後の表面が十分に均一に研磨されておらず、表面の激しい凹凸が残っていることが分かる。図１の母材表面上にコーティング層が形成されれば、図２に示すように、コーティング層厚が一定ではなく、表面に激しい凹凸が形成されるので表面粗さが大きい。

図３は、ブラスティング法によって前処理された超硬合金切削インサート母材の表面を電子顕微鏡で３，０００倍拡大撮影した写真である。前記超硬合金切削インサート母材の組成はＷＣ−８％Ｃｏであり、１．５ ｂａｒ圧力でブラスティング法によって前処理された。図３に示すように、母材表面の組織が不均一であることが分かる。

図４は、本発明によって前処理された超硬合金切削インサート母材の断面模式図である。超硬合金母材の表面から概ねタングステンカーバイド粒度に相応する厚さが除去されて緻密で均一の内部組織が表面に現れている。従って、図５に示すように、その上に形成されるコーティング層の表面粗さは卓越に改善される。

一方、図６は本発明によって前処理された超硬合金切削インサート母材表面を電子顕微鏡で１０，０００倍拡大撮影した写真である。前記超硬合金切削インサート母材の組成はＷＣ−８％Ｃｏであり、５０秒間回転ブラシを用いて５０秒間前処理された。図６において黒く見える部分は母材表面の焼結気孔である。本発明によって前処理された超硬合金切削インサートの母材表面に前記焼結気孔の面積比率が５％以上確保されれば、コーティング層と母材との滑りを抑制するアンカー効果（anchor effect）が顕著に向上する。前記焼結気孔の面積比率は母材の表面組織写真を光学顕微鏡で撮影した後、公知となった映像スキャンプログラムを用いて表面組織の陰影比率を計算することによって測定することができる。

図７及び図８は、超硬合金切削インサート母材に対するコーティング層の密着強度を比較するために押し込み試験（indentation test）を行った後、顕微鏡で１００倍拡大撮影した写真である。図７は、超硬合金切削インサート母材をブラスティング法で前処理した後、約４μｍの厚さのＡｌＴｉＮコーティング層をＰＶＤコーティングしたものである。図８は、超硬合金切削インサート母材を本発明によって前処理した後、図７のコーティング層と同一の組成及び厚さのコーティング層をコーティングしたものである。前記押し込み試験においては、ロックウェル硬度器ＨＲａが用いられ、先端が概ね球形である圧子が６０ｋｇの荷重で押し込まれた。

図７と図８を比較してみれば、図７の切削インサートのコーティング層では圧子の加圧によって形成された凹部周辺に多少の亀裂が観察される反面、図８の切削インサートのコーティング層には亀裂なく圧子の形状通り球形凹部が明確に形成されたことを確認することができる。図７の亀裂はコーティング層と母材の相互結合強度が低くて生じた結果である。
以下、本発明によって前処理して製造されたコーティングされた超硬合金切削工具の実験例を説明する。

［実験１］
本発明者は、本発明によって製造されたコーティング切削工具の切削性能試験を下記のように実施した。

切削性能試験は、切削工具の切削刃の側面（flank face）の摩耗量が０．２５ ｍｍに達するまでかかる時間を切削工具の寿命とし、各切削工具の寿命を評価した。切削途中に切削刃の欠損（breakage）、チッピング（chipping）、剥離またはコーティング層剥離が発生した場合には、そのような欠損、チッピングや剥離が発生するまでの時間を切削工具の寿命として評価した。

前記切削性能試験において、前処理後にＴｉＮ／ＭＴＣＮ／ａ−Ａｌ_２Ｏ_３／ＴｉＮコーティング層（母材から遠くなる順序で記載する）がＣＶＤコーティングされたＩＳＯ規格に従うＣＮＭＧ４３２である超硬合金材ターニングインサートＡで、ステンレススチール被削材(SUS304)を切削した。また、前処理後にＡｌＴｉＮコーティング層がＰＶＤコーティングされて前記ターニングインサートＡと同一の規格の超硬合金材ターニングインサートＢでインコネル被削材(Inconel718)を切削した。本発明者は、切削インサートＡ及びＢのそれぞれに対し、本発明による前処理方法が適用された場合と従来のブラスティング法による前処理方法が適用された場合を試験した。

切削条件は、インサートＡの場合、切削速度（ｖ）＝２００ｒｐｍ、移送量（ｆ）＝０．３０ ｍｍ／ｒｅｖ、切削深さ（ｄ）＝２．０ｍｍ、湿式であった。また、インサートＢの場合、切削条件は切削速度（ｖ）＝６０ｒｐｍ、移送量（ｆ）＝０．１６ｍｍ／ｒｅｖ、切削深さ（ｄ）＝１．０ｍｍ、湿式であった。その結果を下の[表１]に表示する。

上記の[表１]から確認されるように、本発明により前処理された後コーティングされた切削インサートが従来のブラスティング法により前処理された後コーティングされた切削インサートに比べて工具寿命が長いことを確認することができる。切削インサートＡの場合、本発明によって前処理されたものが従来のブラスティング法によって前処理された場合に比べて工具寿命が約２８％長く、切削インサートＢの場合、本発明によって前処理されたものが従来のブラスティング法によって前処理されたものに比べて工具寿命が約２６％長い。

これは、本発明により製造された超硬合金切削工具のコーティング層表面が微細で平滑であり、切削抵抗が小さくて被削材との融着が十分にされないだけでなく、母材とコーティング層の結合力も非常に向上した結果である。

以上、本発明を例示的な実施例を挙げて説明したが、本技術分野の通常の知識を有する者であれば本発明の範囲を逸脱しなくてもこれから多様な変形実施が可能であるという点を理解するはずである。

Claims (6)

1. 超硬合金切削工具母材の表面を０．５〜５μｍの範囲で均一に除去して表面が平滑な面を有しながらタングステンカーバイド粒子の周囲に存在する焼結気孔の面積比率が５％以上が残存するようにする段階と、
   前記除去された表面上にコーティングする段階と、
   を備える、コーティングされた超硬合金切削工具の製造方法。
2. 前記コーティングを実施した後、コーティング層の表面粗さを向上させるためにコーティング層を後処理する段階をさらに備える、請求項１に記載のコーティングされた超硬合金切削工具の製造方法。
3. 前記除去はブラシを用いた表面処理によって行われる、請求項１または２に記載のコーティングされた超硬合金切削工具の製造方法。
4. コーティング層の表面粗さかＲａ０．２μｍ以下である、請求項１または２に記載のコーティングされた超硬合金切削工具の製造方法。
5. 超硬合金母材とその表面のコーティング層とで構成されるコーティングされた超硬合金切削工具であり、
   表面粗さがＲａ０．２μｍ以下であり、
   コーティングの前に超硬合金母材の表面を０．５〜５μｍの範囲で均一に除去してコーティングの前に母材表面のタングステンカーバイド粒子の周囲に存在する焼結気孔の面積比率が５％以上である、
   コーティングされた超硬合金切削工具。
6. 前記除去された母材の表面は、ブラシによる表面加工面である、請求項５に記載のコーティングされた超硬合金切削工具。