JP2011031318A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】難削材の切削加工においても、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。
【解決手段】Ｔｉ化合物層とＡｌ₂Ｏ₃層からなる硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具において、すくい面と被削材との接触部分の硬質被覆層に、切刃に対して平行に複数の凹部を形成し、該凹部は直径３０〜５０μｍ、深さ１〜３μｍの形状を有し、さらに、該複数の凹部を、１００〜２００μｍの相互間隔で形成することにより、切刃稜線部で溶着物を安定的に滞留させ、その結果として、溶着物の急激かつ衝撃的な脱離を抑制し耐チッピング性の向上を図る。
【選択図】 図１

Description

この発明は、被削材自身が高い粘性を有し、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も高く、この結果切削抵抗のきわめて高いものとなる軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の切削加工においても、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（以下、被覆工具という）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、
Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層及び炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層と、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ₂Ｏ₃で示す）層で構成された硬質被覆層を化学蒸着形成してなる被覆工具がすぐれた耐摩耗性を発揮することは広く知られている。

特開平６−３１５０３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、また、各種の被削材を切削可能とするための工具の汎用性も求められている。しかし、上記従来の被覆工具では、被削材自身が高い粘性を有し、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も高く、この結果切削抵抗が極めて高いものとなる軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の切削加工に用いた場合には、切刃に被削材の溶着や構成刃先が形成されやすく、そして、切削加工中にこれらの溶着物が工具表面に対して溶着・脱落を繰り返すことで、硬質被覆層の剥離や破壊による摩耗、切刃のチッピングが進行して工具寿命が短くなるという問題がある。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の切削加工に用いた場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆工具を提供すべく鋭意研究を行った結果、
切刃稜線部にホーニング部を有する被覆工具の、すくい面と被削材との接触部分の硬質被覆層に、複数の凹部を形成することで、切刃稜線部で溶着物が安定的に滞留し、その結果として、溶着物の急激かつ衝撃的な脱離が抑制され、長期の使用にわたってすぐれた耐チッピング性が発揮されることを知見した。

また、上記の複数の凹部は、すくい面と被削材との接触部分の硬質被覆層に、例えば、レーザービーム照射によって形成され、直径３０〜５０μｍかつ深さ１〜３μｍの形状を有し、さらに、該複数の凹部は、相互に１００〜２００μｍの間隔で形成されている場合に、切刃稜線部での溶着物の安定的な滞留が図られるため、切削加工時に溶着物が急激かつ衝撃的に脱離することによってもたらされるチッピング発生を抑制することができることを知見した。

この発明は、上記知見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、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層及び炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなる２〜１０μｍの層厚のＴｉ化合物層及び２〜５μｍの層厚の酸化アルミニウム層とからなる硬質被覆層が、４〜１５μｍの合計層厚で被覆形成された表面被覆切削工具において、
切刃稜線部にはホーニング部を有し、かつ、すくい面と被削材との接触部分の硬質被覆層には、切刃に対して平行に複数の凹部が形成され、該凹部は直径３０〜５０μｍ、深さ１〜３μｍの形状を有し、さらに、該複数の凹部は、１００〜２００μｍの相互間隔で形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

以下に、この発明の被覆工具について詳細に説明する。
（１）Ｔｉ化合物層
ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、Ｔｉの炭化物（ＴｉＣ）層、窒化物（ＴｉＮ）層、炭窒化物（ＴｉＣＮ）層、炭酸化物（ＴｉＣＯ）層及び炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層は、基本的には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が高温強度を具備するようにするほか、工具基体及びＡｌ₂Ｏ₃層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用を有する。
ただ、上記１層または２層以上からなるＴｉ化合物層の合計層厚が２μｍ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、その合計層厚が１０μｍを越えると、特に高熱発生を伴う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、Ｔｉ化合物層の（合計）層厚を２〜１０μｍと定めた。

（２）Ａｌ₂Ｏ₃層
Ａｌ₂Ｏ₃層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を備え、高熱発生を伴う難削材の切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮するが、その層厚が２μｍ未満では、工具寿命が短命であり、一方、その層厚が５μｍを越えて厚くなりすぎると、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その層厚は２〜５μｍとする。
また、Ｔｉ化合物層とＡｌ₂Ｏ₃層の合計層厚が４μｍ未満であると、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、合計層厚が１５μｍを超える場合には、チッピング、欠損、剥離等が発生しやすくなることから、Ｔｉ化合物層とＡｌ₂Ｏ₃層の合計層厚は４〜１５μｍと定めた。

（３）硬質被覆層の複数の凹部
Ｔｉ化合物層とＡｌ₂Ｏ₃層からなる硬質被覆層を備え、切刃稜線部にホーニング部を有する被覆工具の、すくい面と被削材との接触部分の硬質被覆層に、例えば、レーザービームの出力、レーザースポット径、走査条件を調整しながら照射することにより、図１に斜視図、図２に断面図を示すように、直径３０〜５０μｍ、深さ１〜３μｍの形状を有し、かつ、相互に１００〜２００μｍの間隔（ここで、「間隔」とは、凹部の中心間距離をいう）を有する複数の凹部を形成する。
切削加工時に形成される溶着物は、一般的に、切削加工の進行とともに被覆工具表面への溶着・脱離を繰り返し、溶着物の脱離時に、硬質被覆層自体のチッピング、欠損、剥離等を生じさせることになるが、本発明の被覆工具においては、すくい面と被削材との接触部位には、切刃に対して平行に複数の凹部が形成され、切削加工時に生成した溶着物の一部が上記複数の凹部内に安定して滞留するため、溶着物の急激かつ衝撃的な脱離が抑制され、その結果として、硬質被覆層のチッピング発生等による異常損傷が大幅に低減される。

硬質被覆層に形成される上記凹部の形状について、その直径が３０μｍ未満では溶着物が安定して滞留することができず、一方、その直径が５０μｍを超えると、硬質被覆層自体の耐摩耗性が低下するとともに、欠損等を発生しやすくなり、また、凹部の深さが１μｍ未満では溶着物が安定して滞留することができず、一方、その深さが３μｍを超えると、切削加工時に硬質被覆層の破壊が生じやすくなることから、凹部の直径は３０〜５０μｍ、また、凹部の深さは１〜３μｍと定めた。

また、硬質被覆層に形成される複数の凹部相互の間隔（凹部の中心間距離）については、その間隔が１００μｍ未満では、切削加工時に硬質被覆層の破壊が進み、その結果、耐摩耗性が低下し、一方、その間隔が２００μｍを超えると、溶着物が安定して滞留することができなくなるため、複数の凹部の相互間隔を１００〜２００μｍと定めた。
上記凹部の形状、間隔は、例えば、レーザービームの出力、レーザースポット径、走査条件を調整することによって、容易に調整・変更することができる。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層をＴｉ化合物層とＡｌ₂Ｏ₃層で構成した表面被覆工具において、切刃稜線部にはホーニング部を有し、かつ、すくい面と被削材との接触部分の硬質被覆層には、切刃に対して平行に複数の凹部が形成され、そして、該凹部内には溶着物が安定して滞留し、溶着物の急激かつ衝撃的な脱離が抑制されることにより、硬質被覆層のチッピング、欠損、剥離等の発生による異常損傷を大幅に低減し長期間の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮することができる。

すくい面と被削材との接触部分に凹部が形成された本発明の表面被覆切削工具の斜視図である。 すくい面と被削材との接触部分に凹部が形成された本発明の表面被覆切削工具の断面図である。

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：０．０３ｍｍ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、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：０．０３ｍｍ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）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４、５に示される組み合せ、目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｂ）同じく、表３に示される条件にて、表４、５に示される目標層厚でＡｌ₂Ｏ₃層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成し、
（ｃ）ついで、切刃すくい面部に、
種別：ＹＡＧレーザー、
出力：８〜１０（Ｗ）、
レーザースポット径：０．０３〜０．０５（ｍｍ）、
の条件でレーザービームを照射し、表４、５に示される形状、間隔の凹部を形成することにより本発明被覆工具１〜１０をそれぞれ製造した。
なお、本発明では、上記凹部の形成は、レーザービーム照射ばかりでなく、電子ビーム照射によって形成してもよく、凹部形成手段を特に限定するものではない。

比較の目的で、表３に示される条件で、表６、７に示される組み合せ、目標層厚でＴｉ化合物層、Ａｌ₂Ｏ₃層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、一方、硬質被覆層に凹部を形成しない比較被覆工具１〜１０をそれぞれ製造した。

上記本発明被覆工具１〜１０および比較被覆工具１〜１０の硬質被覆層の構成層の厚さを、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。
さらに、本発明被覆工具１〜１０について、凹部の形状及び凹部間隔（中心間距離）の測定は、光学顕微鏡を用いて測定（表面測定）し、凹部深さの測定は、走査型電子顕微鏡を用いて測定（縦断面測定）する方法により行なった。

つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１０および比較被覆サーメット工具１〜１０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またはクランプ駒による挟み締め止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ６３０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： ６ ｍｉｎ．、
の条件（切削条件Ａという）でのステンレス鋼の乾式連続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．３０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ ｍｉｎ．、
の条件（切削条件Ｂという）でのステンレス鋼の乾式断続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４４３の丸棒、
切削速度： ２２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．３５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ ｍｉｎ．、
の条件（切削条件Ｃという）での高マンガン鋼の乾式連続切削試験を行い、
いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅が、一般に切削工具の使用寿命の目安とされている０．３ｍｍに至るまでの切削時間を測定した。
この測定結果を表８に示した。

表４〜８に示される結果から、本発明被覆工具１〜１０はいずれも、すくい面と被削材との接触部分の硬質被覆層には、切刃に対して平行に複数の凹部が形成され、該凹部に溶着物が安定して滞留するため、溶着物の急激かつ衝撃的な脱離が抑制されることにより、軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の切削加工でも硬質被覆層のチッピング、欠損、剥離等の発生を防止することができ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層表面に本発明のような凹部が形成されていない比較被覆工具１〜１０においては、難削材の切削加工では切刃部にチッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生し、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、この発明の被覆工具は、各種鋼や鋳鉄などの切削加工は勿論のこと、特に、切削時の被覆工具表面部の硬質被覆層に対する反応性が高く、切削抵抗のきわめて大きな軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の切削加工でも、チッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものである。

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た工具基体の表面に、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層及び炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなる２〜１０μｍの層厚のＴｉ化合物層及び２〜５μｍの層厚の酸化アルミニウム層とからなる硬質被覆層が、４〜１５μｍの合計層厚で被覆形成された表面被覆切削工具において、
   切刃稜線部にはホーニング部を有し、かつ、すくい面と被削材との接触部分の硬質被覆層には、切刃に対して平行に複数の凹部が形成され、該凹部は直径３０〜５０μｍ、深さ１〜３μｍの形状を有し、さらに、該複数の凹部は、１００〜２００μｍの相互間隔で形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。

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