JP2012110998A - 硬質難削材の高速高送り切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐剥離性と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
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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最表面に、少なくとも、0.5〜5μmの平均層厚を有するCr硼化物層を被覆してなる切削工具であって、前記Cr硼化物層は、複数の平均粒径を有する結晶粒組織の複合組織として構成され、該複合組織は、5〜15nmの平均粒径を有する一次結晶粒の集合体からなる平均粒径30〜70nmの二次結晶粒と、該二次結晶粒の集合体からなる平均粒径100〜600nmの三次結晶粒とから構成されている。
【選択図】図4
Description
(a)0.8〜5μmの平均層厚を有し、かつ、組成式:(Ti1−XAlX)N(ただし、原子比で、Xは0.40〜0.75を示す)を満足する(Ti,Al)N層からなる下部層、
(b)0.1〜0.5μmの平均層厚を有するCrN(窒化クロム)層からなる密着接合層、
(c)0.8〜5μmの平均層厚を有するCrB2(硼化クロム)層からなる上部層、
前記(a)〜(c)で構成された硬質被覆層を形成した被覆工具(以下、従来被覆工具という)が知られており、そして、この従来被覆工具は、Ti系合金や高Si含有Al−Si系合金などの硬質難削材の切削加工を高熱発生を伴う高速切削条件で行った場合にも、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
まず、従来被覆工具(特許文献1)においては、CrB2層を直流スパッタリングで成膜しており、これをTi系合金や高Si含有Al−Si系合金などの硬質難削材などの高速切削加工に用いた場合には特段の問題も生じないが、これを特に各種のNi系合金やTi系合金などの硬質難削材の切削加工を高速高送り切削条件で行うのに用いた場合には、表面組織が密であることから被削材との接触面積が大きく、きわめて高い発熱によって溶着が生じ、また、CrB2層の結晶粒子間の結合も弱かったために、その溶着による硬質被覆層の剥離が起こることを突き止めた。
そこで、本発明者らは、溶着発生が起こりにくく、かつ、結晶粒相互の結合強度の高いCrB2層組織に着目して研究を行ったところ、CrB2層を成膜するに当たり、特許文献1に示される直流スパッタリングではなく、特定条件の高出力パルススパッタリングを採用することによって、各種のNi系合金やTi系合金などの硬質難削材の高速高送り切削条件における切削加工においても、表面組織がポーラスであることから、被削材との接触面積が小さいために発熱しにくく、溶着も生じにくい上に、CrB2層の結晶粒相互の結合強度が強いために硬質被覆層の剥離が生じにくいCrB2層を成膜し得ることを見出したのである。
それにより、この結果の被覆工具は、特に著しい高熱発生を伴う各種のNi系合金やTi系合金などの硬質難削材の高速高送り切削において、すぐれた耐溶着性、結晶粒相互の結合強度、硬さを有するCrB2層からなる表面層によって、特に、溶着に起因する硬質被覆層の剥離が抑制されることで、すぐれた耐剥離性と耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになる、ということを見出したのである。
「 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からなる工具基体の最表面に、少なくとも、0.5〜5μmの平均層厚を有するCr硼化物層を被覆してなる切削工具であって、
前記Cr硼化物層は、複数の平均粒径を有する結晶粒組織の複合組織として構成され、該複合組織は、5〜15nmの平均粒径を有する一次結晶粒の集合体からなる平均粒径30〜70nmの二次結晶粒と、該二次結晶粒の集合体からなる平均粒径100〜600nmの三次結晶粒とから構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。
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最表面に形成するCr硼化物層は、その平均層厚が0.5μm未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方、その平均層厚が5μmを越えると、Ni系合金やTi系合金などの硬質難削材の高速高送り切削では溶着に起因する剥離は抑制できるが、高出力パルススパッタリングが有する皮膜への高い打ち込み効果に起因する大きな圧縮残留応力により、切刃部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0.5〜5μmと定めた。
該複合組織の効果は結晶粒の集合体をなすことにより、該一次結晶粒同士はもとより該二次結晶粒同士の結合力を利用することが出来る点である。該複合組織を構成する一次結晶粒の平均粒径は、5nm未満の結晶粒を有する被膜を成膜することは難しく、一方、その平均粒径が15nmを超えると転位運動を阻害する粒界が減ってしまうために、高い硬さを維持することが出来ない。また、該一次結晶粒の集合体からなる二次結晶粒の平均粒径が30nm未満であると複合組織の長所である結晶粒同士の強い結合力を得るための二次結晶粒を構成する一次結晶粒の数が十分ではなく、70nmを超えると三次結晶粒を構成する二次結晶粒の数が十分ではない。さらに、該二次結晶粒の集合体からなる三次結晶粒の平均粒径は100nm未満では切削時に被削材と接触する面積が大きくなるために、溶着が起きやすく、該複合組織ごと剥離してしまい、一方、600nmを超えると切削時の負荷に耐えることが出来なくなってしまう。
図1に、本発明の被覆工具を製造するための装置の一例として、高出力パルススパッタリング装置を示す。
即ち、図1に示す高出力パルススパッタリング装置において、該高出力パルススパッタリング装置の中央部に工具基体装着用回転テーブルを設け、回転テーブルを挟んで対向する2か所に、CrB2粉末の焼結体(CrB2焼結体)ターゲットを配置し、前記回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って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Ar雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される耐摩耗硬質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、CrB2焼結体ターゲットに対し、6kW以上の高い平均投入電力で高出力パルススパッタリングを行い、0.5〜5μmの平均層厚でCrB2層を蒸着成膜することによって製造することができる。
また、該CrB2層の下地層として耐摩耗層である(Ti,Al)N層を被覆することも有効である。
例えば、この場合の製造方法は、前記回転テーブルを挟んで対向する2か所に、所定の組成を有するTi−Al合金ターゲットを配置し、また、Ti−Al合金ターゲットとは90度ずれた位置で、回転テーブルを挟んで対向する2か所にCrB2粉末の焼結体(CrB2焼結体)ターゲットを配置する。そして、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、蒸着形成される耐摩耗硬質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、Ti−Al合金ターゲットに対する6kW以上の高い平均投入電力の高出力パルススパッタリングを行い、前記工具基体の表面に(Ti,Al)N層を0.5〜0.8μmの平均層厚で耐摩耗硬質層として蒸着成膜し、ついで、装置内の雰囲気を実質的にAr雰囲気に変え、該CrB2層を蒸着成膜することによって製造することができる。
特に、前記特定の条件下の高出力パルススパッタリングによって成膜されたCrB2層は、従来被覆工具のように密着接合層(CrN層)を介さずとも(Ti,Al)N層に対してすぐれた密着強度を有し、さらに、膜硬度が高まる。
また、前記高出力パルススパッタリングによって成膜された(Ti,Al)N層、CrB2層は、何れも密着強度が大であり、高硬度を有している。
(b)まず、装置内を排気して0.1Pa以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を400℃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−200Vの直流バイアス電圧を印加することによって、前記工具基体を1時間Arボンバード処理し、
(c)装置内に反応ガスとしてArガスを導入して、装置内雰囲気を0.5Paとし、表3に示される所定のパルススパッタ条件で層厚に対応した時間でスパッタリングを行い、同じく表4に示される目標層厚のCrB2層を硬質被覆層の表面層として成膜することにより、本発明被覆工具としての本発明表面被覆インサート(以下、本発明被覆インサートという)1〜8をそれぞれ製造した。
(d)また、下地層として(Ti,Al)N層を導入した本発明被覆インサートインサート9〜16を、前記工具基体A−9〜A−10及びB−1〜B−6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、図1に示される高出力パルススパッタリング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って装着し、一方、高出力パルススパッタリング装置内には、回転テーブルを挟んで対向する4か所に所定組成のTi−Al合金ターゲットとCrB2焼結体ターゲットを配置し、
(e)まず、装置内を排気して0.1Pa以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を400℃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−200Vの直流バイアス電圧を印加することによって、前記工具基体を1時間Arボンバード処理し、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して0.6Paの反応雰囲気とすると共に、前記Ti−Al合金ターゲットに表3の条件記号aに示される所定のパルススパッタ条件で高出力パルススパッタを行い、もって前記工具基体の表面に、表4に示される目標組成および目標層厚の(Ti,Al)N層を硬質被覆層の耐摩耗硬質層として成膜し、
(f)CrB2焼結体ターゲットに表3に示される所定のパルススパッタ条件で高出力パルススパッタを行い、装置内に導入するガスを窒素ガスからArガスに切り替えると共に、装置内雰囲気を0.5Paとし、この条件で層厚に対応した時間でスパッタリングを行い、同じく表4に示される目標層厚のCrB2層を硬質被覆層の表面層として成膜することにより製造した。
まず、装置内を排気して0.1Pa以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を400℃に加熱した後、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−200Vの直流バイアス電圧を印加することによって、前記工具基体を1時間Arボンバード処理し、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して0.6Paの反応雰囲気とすると共に、ヒーターで装置内を500℃に加熱した後、前記Ti−Al合金ターゲットとアノード電極との間にアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に下部層として表6に示される目標組成および目標層厚の(Ti,Al)N層を硬質被覆層の耐摩耗硬質層として成膜する。ついで、前記Ti−Al合金のカソード電極(蒸発源)とアノード電極との間のアーク放電を停止し、前記直流スパッタリング装置のカソード電極(蒸発源)として配置した金属Crの直流スパッタリングを開始し、目標組成および目標層厚のCrN層を硬質被覆層の密着接合層として成膜する。そして、金属Crのカソード電極(蒸発源)とアノード電極との間のアーク放電を停止し、前記直流スパッタリング装置内の雰囲気をAr雰囲気として、前記直流スパッタリング装置のカソード電極(蒸発源)として配置したCrB2焼結体の直流スパッタリングを開始し、もって前記CrN層に重ねて上部層として表5に示される所定の直流スパッタ条件で、表6に示す平均層厚のCrB2層を蒸着することにより従来被覆工具としての従来表面被覆インサート(以下、従来被覆インサートという)1〜16をそれぞれ製造した。
表4、表6に、その測定値を示す。
また、図2に、本発明被覆インサート9のCrB2層の水平断面の走査型電子顕微鏡写真(倍率:10万倍)を、図3に、従来被覆インサート9のCrB2層の水平断面の走査型電子顕微鏡写真(倍率:10万倍)を、図4に、本発明被覆インサートの複合組織からなるCr硼化物層の水平断面模式図を示す。
表4、表6に、その測定値を示す。
さらに、前記硬質被覆層のCrB2層および耐摩耗硬質層の平均層厚を走査型電子顕微鏡を用いて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値(5ヶ所の平均値)を示した。
被削材:質量%で、Ti−6%Al−4%V合金の丸棒、
切削速度:100m/min.、
切り込み:1.5mm、
送り:0.4mm/rev.、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Aという)でのTi系合金の乾式高速高送り切削加工試験(通常の切削速度は50m/min.切削送りは0.2mm/rev.)、
を行い、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。
さらに、参考のため、前記工具基体(エンドミル)C−1,C−3,C−5,C−7の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、前記実施例1と同一の条件で、本発明被覆エンドミル1〜8と異なる組成、膜厚、スパッタ条件で成膜することにより、表10に示される参考被覆工具としての参考表面被覆エンドミル(以下、参考被覆エンドミルという)1〜4をそれぞれ製造した。
表9、表10に、その測定値を示す。
表9、表10に、その測定値を示す。
さらに、前記硬質被覆層のCrB2層および耐摩耗硬質層の平均層厚を走査型電子顕微鏡を用いて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値(5ヶ所の平均値)を示した。
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法をもったTi系合金(質量%で、Ti−6%Al−4%V合金)の板材、
切削速度:150m/min.、
溝深さ(切り込み):4mm、
テーブル送り:1400mm/分、
の条件(切削条件Bという)でのTi系合金の乾式高速高送り溝切削加工試験(通常の切削速度は75m/min.テーブル送りは960mm/分、.)、
を行い、溝切削加工試験における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11にそれぞれ示した。
これに対して、従来被覆工具では、表6、表10に示されるように、該複合組織を形成していないため耐溶着性に劣り、硬質難削材の高熱発生を伴う高速高送り切削条件で硬質被覆層の剥離を抑制することができず、硬さも十分でないために耐摩耗性に劣る。また、本発明で規定する範囲から外れるCrB2層を有する参考被覆工具においては、硬質難削材の高熱発生を伴う高速高送り切削加工では切刃部の摩耗進行が速く、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
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からなる工具基体の最表面に、少なくとも、0.5〜5μmの平均層厚を有するCr硼化物層を被覆してなる切削工具であって、
前記Cr硼化物層は、複数の平均粒径を有する結晶粒組織の複合組織として構成され、該複合組織は、5〜15nmの平均粒径を有する一次結晶粒の集合体からなる平均粒径30〜70nmの二次結晶粒と、該二次結晶粒の集合体からなる平均粒径100〜600nmの三次結晶粒とから構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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