JP2011104737A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高硬度鋼の高速重切削加工条件下において、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】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、硬質被覆層として、立方晶構造のＮｂＮと六方晶構造のＮｂＮの混合組織からなり、かつ、該混合組織についてＸ線回折による回折ピーク強度を調査したとき、立方晶構造のＮｂＮの（２００）面からの回折ピーク強度をＩｃ、また、六方晶構造のＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面からの回折ピーク強度をＩｈとした場合、０．０５≦Ｉｃ／Ｉｈ≦１．０を満足する回折ピーク強度比を有する表面被覆切削工具。
【選択図】 図１

Description

この発明は、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件で加工した場合にも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と高硬度を有し、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（以下、被覆工具という）に関するものである。

一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材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、前記被削材の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、さらに前記被削材の面削加工や溝加工、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。

具体的な被覆工具としては、例えば、炭化タングステン基（以下、ＷＣ基で示す）超硬合金または炭窒化チタン基（以下、ＴｉＣＮ基で示す）サーメット等で構成された工具基体の表面に硬質皮膜を蒸着形成し、被覆工具の耐摩耗性、工具寿命の改善を図ったものが一般的に知られている。
例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＭｏＮ、ＷＮからなる一種以上の固体潤滑膜を形成し、この固体潤滑膜と硬質皮膜との組み合わせにより、耐凝着性を高めた被覆工具が知られている。
また、特許文献２に示すように、工具基体表面に、ｈ− [（Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ）_ａ（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ａｌ，Ｓｉ）_１−ａ]（Ｎ，Ｃ，Ｏ，Ｂ）_ｂで表した場合、０．５≦ｂ≦１．０でかつ六方晶構造を有する硬質被覆層を形成することにより、耐摩耗性を改善した被覆工具が知られている。
また、特許文献３に示されるように、硬質被覆層をＸ線回折により測定した場合、六方晶構造の窒化ニオブの（１０３）面からの回折ピーク強度と六方晶構造の窒化ニオブの（１１０）面からの回折ピーク強度の合計量「Ｉｈ」と、立方晶構造の窒化ニオブの（２２０）面からの回折ピーク強度「Ｉｃ」との比の値Ｉｈ／Ｉｃを２．０以下とすることにより、Ｔｉ合金の切削加工に適した被覆工具が提供されることが記載されている。

特開２００１−１７９５３３号公報 特開２００６−３１２２３５号公報 国際公開パンフレット ＷＯ２００９／０３５３９６

近年の切削加工装置のＦＡ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、これに伴って切削加工は一段と高効率化する傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを通常条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、これを特に、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材の、高い発熱を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件で用いた場合には、切削時に発生する高熱によって硬質被覆層が過熱されることにより、高温硬さの低下が生じるとともに、潤滑性が不足し、その結果、耐摩耗性の低下が避けられず、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、高熱を発生し、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件で用いた場合にも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、上記の従来被覆工具に着目し研究を行った結果、以下の知見を得た。

（イ）被覆工具の硬質被覆層を窒化ニオブで構成した場合、窒化ニオブからなる硬質被覆層は、高硬度及び高靭性を備え、かつ、化学的安定性にも優れることが一般的に知られているが、高硬度被削材を、高熱発生を伴うとともに切刃に高負荷が作用する高速重切削条件で使用した場合には、その硬度、靭性は十分であるとはいえない。
そこで、本発明者等は、窒化ニオブが有する複数の化合物形態、複数の結晶構造について詳細に検討したところ、特定の結晶構造からなる窒化ニオブが、特定の割合で混合した混合組織からなる窒化ニオブ層は、一段と優れた高温硬さと高靭性を備え、かつ、高温条件下での高硬度被削材との潤滑性に優れることを見出したのである。

（ロ）即ち、窒化ニオブには、その化合物形態、結晶構造として、β−Ｎｂ２Ｎ（六方晶），γ−Ｎｂ４Ｎ３（正方晶），δ−ＮｂＮ（立方晶），δ’−ＮｂＮ（六方晶），ε−ＮｂＮ（六方晶），η−ＮｂＮ（六方晶）等があるが、アークイオンプレーティングにより窒化ニオブを成膜するにあたり、例えば、窒素圧力を９．３Ｐａとした条件でバイアス電圧を付加し成膜したところ、図１に示すように、バイアス電圧が０〜−６０Ｖでは、立方晶構造の窒化ニオブ（以下、これをｃ−ＮｂＮで示す）が優先的に成膜されるが、バイアス電圧を高くし、−７０Ｖ以上のバイアス電圧範囲で成膜したところ、六方晶構造の窒化ニオブ（以下、これをｈ−ＮｂＮで示す）が優先的に成膜されるようになり、硬質被覆層としては、ｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮの混合組織からなる窒化ニオブが成膜された。
なお、上記成膜したｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮについての結晶構造は、例えば、Ｋα照射によるＸ線回折を行い、その回折ピーク強度位置によって確認することができる。

（ハ）さらに、本発明者等は、バイアス電圧を適正範囲に維持してアークイオンプレーティングで窒化ニオブ層を成膜した場合に、硬質被覆層は所定比率のｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮが存在する混合組織となり、そして、所定比率の混合組織からなる窒化ニオブによって硬質被覆層を構成した場合には、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件において、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮することを見出したのである。

この発明は、上記の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、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
硬質被覆層が、立方晶構造の窒化ニオブ（ｃ−ＮｂＮ）と六方晶構造の窒化ニオブ（ｈ−ＮｂＮ）の混合組織として構成され、かつ、該混合組織についてＸ線回折による回折ピーク強度を測定したとき、
立方晶構造の窒化ニオブ（ｃ−ＮｂＮ）の（２００）面からの回折ピーク強度をＩｃ、
六方晶構造の窒化ニオブ（ｈ−ＮｂＮ）の（１０３）面と（１１０）面からの回折ピーク強度をＩｈとした場合、
０．０５≦Ｉｃ／Ｉｈ≦１．０
を満足する回折ピーク強度比を有す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。

つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層について説明する。

この発明の硬質被覆層は、ｃ−ＮｂＮ（立方晶構造の窒化ニオブ）とｈ−ＮｂＮ（六方晶構造の窒化ニオブ）の混合組織として構成するが、このような混合組織からなる硬質被覆層は、例えば、以下の条件のアークイオンプレーティングによって形成することができる。

成膜条件：
カソード電極： 金属Ｎｂ
反応ガス： Ｎ_２、
反応ガス圧力： １．０〜３０ Ｐａ、
バイアス電圧： −７０〜−２００ Ｖ、
そして、蒸着形成された上記ｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮの混合組織からなる窒化ニオブ層について、Ｋα照射によるＸ線回折を行い、ｃ−ＮｂＮの（２００）面からの回折ピーク強度をＩｃ、また、ｈ−ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面からの回折ピーク強度をＩｈとして、回折ピーク強度比Ｉｃ／Ｉｈの値を求めると、Ｉｃ／Ｉｈは０．０５〜１．０となる。
図１から明らかなように、この回折ピーク強度Ｉｃ，Ｉｈの値は、上記アークプレーティング法における成膜条件の内のバイアス電圧によって変化し、その結果、回折ピーク強度比Ｉｃ／Ｉｈの値（即ち、ｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮとの混合比率）も、上記アークプレーティング法におけるバイアス電圧によって大きく影響される。
そして、バイアス電圧が−７０Ｖ未満の場合には、ｃ−ＮｂＮの形成割合が高くｈ−ＮｂＮの形成が少ないため、回折ピーク強度比Ｉｃ／Ｉｈ＞１．０となるが、ｃ−ＮｂＮの混合比率が増加すると硬質被覆層の硬さを低下させ、耐摩耗性が劣化傾向を示すようになる。
一方、バイアス電圧が−２００Ｖを超えると、優先的にｈ−ＮｂＮが形成され、ｃ−ＮｂＮの形成割合が低下するため、回折ピーク強度比が０．０５＞Ｉｃ／Ｉｈとなるが、ｈ−ＮｂＮの混合比率の増加によって硬質被覆層の硬さ、高硬度被削材に対する潤滑性は大となるものの、半面、硬質被覆層の靭性の低下が生じるため、重切削加工においてチッピングが発生しやすくなる。
したがって、この発明では、ｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮとの混合比率を表す回折ピーク強度比Ｉｃ／Ｉｈの値を０．０５〜１．０と定めた。

なお、この発明でいう「ｈ−ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面からの回折ピーク強度Ｉｈ」は、図１からも分かるように、２θ≒６１．９°に出現する（１０３）面からのＸ線回折強度と、２θ≒６２．６°に出現する（１１０）面からのＸ線回折強度との合計に相当する値である。

この発明では、回折ピーク強度比Ｉｃ／Ｉｈの値を０．０５〜１．０の範囲に維持することによって、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件において切削加工する場合でも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮することによって、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を維持することができる。
なお、ｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮとの混合組織からなるこの発明の硬質被覆層は、その平均層厚が０．３μｍ未満では、長期に亘ってすぐれた潤滑性、耐摩耗性を発揮することができず、工具寿命が短命化し、一方、その平均層厚が８．０μｍを超えるとチッピングを発生しやすくなることから、平均層厚は０．３〜８．０μｍとすることが望ましい。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層を、立方晶構造の窒化ニオブ（ｃ−ＮｂＮ）と六方晶構造の窒化ニオブ（ｈ−ＮｂＮ）の混合組織として構成し、かつ、Ｘ線回折により該混合組織について回折ピーク強度を測定したとき、立方晶構造の窒化ニオブ（ｃ−ＮｂＮ）の（２００）面からの回折ピーク強度Ｉｃと、六方晶構造の窒化ニオブ（ｈ−ＮｂＮ）の（１０３）面と（１１０）面からの回折ピーク強度Ｉｈとの回折ピーク強度比Ｉｃ／Ｉｈを、０．０５〜１．０と定めたことにより、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件において用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮することによって、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を維持するものである。

アークイオンプレーティングにおいて、バイアス電圧とＸ線回折ピーク強度の関係を示す。

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、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ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、ボールミルで７２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、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ１〜Ａ１０を形成した。

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、Ｍｏ_２Ｃ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、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、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。

ついで、上記の工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６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、アークイオンプレーティング装置の回転テーブル上に装着し、アークイオンプレーティング装置のカソード電極として金属Ｎｂを装着し、また、ボンバード洗浄用カソード電極として金属Ｔｉも装着し、
まず装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、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−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、ボンバード洗浄用カソード電極の金属Ｔｉとアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって工具基体表面をＴｉボンバード洗浄し、
ついで、装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入して表３に示される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表３に示される直流バイアス電圧を印加して、金属Ｎｂカソード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、表３に示される目標層厚の窒化ニオブ層を蒸着形成することにより、
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（以下、本発明チップ１〜１６という）をそれぞれ製造した。

比較の目的で、上記の工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれを、本発明と同様な方法でＴｉボンバード洗浄し、
ついで、装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入して表４に示される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表４に示される直流バイアス電圧を印加して、金属Ｎｂカソード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、表４に示される目標層厚の窒化ニオブ層を蒸着形成することにより、
ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の比較例被覆工具１〜１６（以下、比較例チップ１〜１６という）をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明チップ１〜１６および比較例チップ１〜１６のそれぞれの硬質被覆層について、Ｋα照射によるＸ線回折を行い、ｃ−ＮｂＮの（２００）面からの回折ピーク強度Ｉｃ、また、ｈ−ＮｂＮの（１０３）面からの回折ピーク強度Ｉｈを求め、回折ピーク強度比Ｉｃ／Ｉｈの値を算出した。
この算出値を表３、表４に示す。
なお、図１には、比較例チップ１（バイアス電圧−５０Ｖ）、本発明チップ５（バイアス電圧−１００Ｖ）、本発明チップ１０（バイアス電圧−２００Ｖ）、比較例チップ１０（バイアス電圧−３００Ｖ）について測定したＸ線回折チャートを示す。
表３、表４から、本発明チップ１〜１６の回折ピーク強度比Ｉｃ／Ｉｈの値は、いずれも０．０５〜１．０の範囲内であるのに対して、比較例チップ１〜１６の回折ピーク強度比Ｉｃ／Ｉｈの値は、いずれも０．０５〜１．０の範囲を外れたものであることが分かる。

つぎに、上記の各種の被覆チップを、いずれも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、本発明チップ１〜１６および比較例チップ１〜１６について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度：１３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２ ｍｍ、
送り：０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：２ 分、
の条件（切削条件Ａ）での焼入れ合金鋼の乾式高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０（ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度：１９０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２５ ｍｍ、
送り：０．１ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３ 分、
の条件（切削条件Ｂ）での浸炭焼入れ合金鋼の乾式高速高切込み切削加工試験（通常の切削速度および切込みは、それぞれ、１７０ｍ／ｍｉｎ．、０．２ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ３（ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度：２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２５ ｍｍ、
送り：０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：２ 分、
の条件（切削条件Ｂ）での焼入れ軸受鋼の乾式高速高送り・高切込み切削加工試験（通常の切削速度、送りおよび切込みは、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、０．２ｍｍ）、
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５に示した。

表３〜５に示される結果から、本発明の被覆工具は、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件で加工した場合にも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と高硬度を有し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較例被覆工具においては、高硬度被削材を高速重切削条件で加工した場合、硬さ、潤滑性、靭性の不足によって、溶着、チッピング等の発生によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
なお、被覆チップばかりでなく、被覆エンドミル、被覆ドリルを作成し、同様な切削試験を行ったところ、被覆エンドミル、被覆ドリルについても、被覆チップの場合と同様な結果が得られた。

上述のように、この発明の被覆工具は、一般鋼や普通鋳鉄などの切削加工は勿論のこと、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材の高い発熱を伴うとともに、切刃に高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合でも、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性、耐チッピング性を発揮し、すぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置のＦＡ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。

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、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
   硬質被覆層が、立方晶構造の窒化ニオブと六方晶構造の窒化ニオブの混合組織として構成され、かつ、該混合組織についてＸ線回折による回折ピーク強度を測定したとき、
   立方晶構造の窒化ニオブの（２００）面からの回折ピーク強度をＩｃ、
   六方晶構造の窒化ニオブの（１０３）面と（１１０）面からの回折ピーク強度をＩｈ、
   とした場合、
   ０．０５≦Ｉｃ／Ｉｈ≦１．０
   を満足する回折ピーク強度比を有することを特徴とする表面被覆切削工具。

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