JP2014159072A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】工具基体表面に、(Al,Cr)Nからなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具で、すくい面と逃げ面の交差稜線部近傍の逃げ面上、すくい面上において、2D法で残留応力を測定した場合、上記交差稜線部と平行な方向の圧縮残留応力σ11は0.5GPa≦σ11≦4.5GPa、σ11と直交する方向の圧縮残留応力σ22は0GPa≦σ22≦4.0GPa、σ11−σ22≧0.5GPaの関係を満足し、硬質被覆層は、交差稜線部から少なくとも100μmまでの範囲の位置において、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が0〜50長さ%を占める薄層Aと、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が50〜100長さ%を占める薄層Bの交互積層で構成し、一方、交差稜線部から150μmを超える位置では、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶が0〜50長さ%を占める。
【選択図】図1
Description
そして、上記被覆工具は、プラズマ電流150A、Arガス流量50cc/min、N2ガス流量100cc/min、C2H2ガス流量10cc/min、成膜圧力0.53〜0.8Pa、バイアス電圧−150〜−200Vという物理蒸着法で作製し得ることが示されている。
上記従来の被覆工具においては、ある程度の耐チッピング性、耐摩耗性の向上は望み得るものの、これを炭素鋼、合金鋼などの、高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合には、依然として、チッピングが発生しやすく、あるいは、摩耗損耗が大きくなり、これらを原因として、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
「(1)炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、AlとCrの複合窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(a)上記硬質被覆層は、平均膜厚が1〜10μm、AlとCrの合量に占めるCrの含有割合は0.2〜0.5(但し、原子比)であり、
(b)上記硬質被覆層は、上記交差稜線部から少なくとも100μmまでの範囲の位置において、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が0〜50長さ%を占める薄層Aと、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が50〜100長さ%を占める薄層Bの交互積層で構成され、薄層Aと薄層Bの微細結晶粒の割合の差が10長さ%以上であり、かつ交互積層の最表面は薄層Aで構成され、一方上記交差稜線部から150μm以上離れた位置においては、上記硬質被覆層は0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が0〜50長さ%を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2)上記硬質被覆層の逃げ面上あるいはすくい面上の表面において、逃げ面とすくい面の交差稜線部から50μmの位置を中心位置とした半径50μmの範囲内で2D法により残留応力を測定した場合、上記交差稜線部と平行な方向の圧縮残留応力σ11は、0.5GPa≦σ11≦4.5GPaの関係を満足し、上記σ11と直交する方向の圧縮残留応力σ22は、0GPa≦σ22≦4.0GPaの関係を満足し、さらに、上記σ11とσ22は、σ11−σ22≧0.5GPaの関係を満足する(1)に記載の表面被覆切削工具。
(3)交差稜線部から100μmまでの範囲の位置において、上記薄層Aと薄層Bの平均膜厚は、それぞれ0.5〜5.0μmであることを特徴とする(2)に記載の表面被覆切削工具。
(4)交差稜線部から100μmまでの範囲の位置において、上記薄層Aと薄層Bの合計層数が2〜20層であることを特徴とする(3)に記載の表面被覆切削工具。
(5)交差稜線部から100μmまでの範囲の位置において、硬質被覆層の平均膜厚に対して、薄層Aの平均膜厚が占める割合は、50〜70%であることを特徴とする(4)に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
(a)硬質被覆層の種別、平均膜厚:
この発明の硬質被覆層は、AlとCrの複合窒化物層((Al,Cr)N層)からなる。
上記(Al,Cr)N層は、Al成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、Cr成分が高温強度を向上させ、さらにCrとAlの共存含有によって高温耐酸化性が向上することから、高温硬さ、耐熱性、高温強度及び高温耐酸化性にすぐれた硬質被覆層として既によく知られている。
本発明では、Alとの合量に占めるCrの含有割合(原子比、以下同じ)が0.2未満では、高速切削加工時の高温強度を確保することが困難となり、一方、Alとの合量に占めるCrの含有割合(原子比)が0.5を越えると、相対的にAlの含有割合が少なくなり、高温硬さの低下、耐熱性の低下を招き、その結果、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性が劣化するようになることから、Alとの合量に占めるCrの含有割合(原子比)は、0.2〜0.5と定めた。
また、(Al,Cr)N層からなる硬質被覆層の平均膜厚は、1μm未満では、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮することができず、工具寿命短命の原因となり、一方、その平均膜厚が10μmを越えると、刃先部にチッピングが発生し易くなることから、その平均膜厚は1〜10μmと定めた。
本発明では、上記(Al,Cr)N層からなる硬質被覆層の逃げ面上あるいはすくい面上において、逃げ面とすくい面の交差稜線部(以下、「切れ刃稜線部」という)から50μmの位置を中心位置とした半径50μmの範囲内において測定される圧縮残留応力の値σ11、σ22を、所定の数値範囲に定め、かつ、σ11とσ22の相互の関係を規定することによって、耐チッピング性、耐摩耗性の改善を図っている。
図1(b)、図2(b)において、切れ刃稜線部と1点で接した半径50μmの範囲内の逃げ面のAlとCrの複合窒化物層において、2D法(2次元X線回折/フルデバイリングフィッティング法)により2方向の圧縮残留応力σ11、σ22を測定した。σ11は逃げ面とすくい面の交差稜線部と平行な方向、σ22は上記σ11と直交する方向の圧縮残留応力である。なお測定範囲は全て逃げ面の領域を含み、逃げ面の領域からはみ出さないものとする。
本発明によれば、σ11は、0.5GPa≦σ11≦4.5GPaの関係を満足し、σ22は、0GPa≦σ22≦4.0GPaの関係を満足し、さらに、上記σ11、σ22は、σ11−σ22≧0.5GPaの関係を満足することが望ましい。
さらに、本発明では、σ11、σ22相互の関係について、σ11−σ22≧0.5GPaと定めたが、これは次のような理由による。
即ち、切削加工時にチッピング、摩耗を起こす力の方向(σ22の方向)に対して直交する方向(σ11の方向)に大きな圧縮残留応力が存在することで、このσ11が、チッピング、摩耗を発生させる力に対して抵抗する役割を果たすことによって、チッピング、摩耗の発生・進展を抑制する。
ただ、σ22が大きくなり、σ11とσ22の関係が、σ11−σ22<0.5GPaとなったような場合には、切れ刃稜線部に対して残留応力が集中することになるので、チッピングが発生しやすくなる。
したがって、本発明では、σ11、σ22相互の関係について、σ11−σ22≧0.5GPaと定めた。
この発明では、逃げ面とすくい面の交差稜線部からの距離に応じて、硬質被覆層の層構造を異ならしめることにより、耐チッピング性、耐摩耗性の向上を図る。
即ち、交差稜線部から少なくとも100μmまでの範囲の位置においては、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が0〜50長さ%を占める薄層Aと、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が50〜100長さ%を占める薄層Bの交互積層で構成され、薄層Aと薄層Bの微細結晶粒の割合の差が10長さ%以上である硬質被覆層を構成する。
一方、上記交差稜線部から150μmを超える位置においては、上記硬質被覆層は、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が0〜50長さ%を占める、即ち、前記薄層Aと同じ結晶幅分布を有する結晶にて硬質被覆層が構成される。
なお、上記交差稜線部から100μmを超え150μm未満の範囲の位置においては、薄層Aと薄層Bの交互積層構造から、次第に、薄層Aと同じ結晶幅分布を示す結晶に層構造が変化していく遷移領域となる。
なお、本発明でいう「長さ%」とは、工具基体刃先から切り出した逃げ面側の断面あるいはすくい面側の断面において、工具基体表面と平行な方向に各層の中間領域の幅20μmの範囲に亘って測定した結晶粒界間の距離を結晶幅とした場合、測定した全結晶幅20μmに対する着目した大きさの結晶粒(例えば、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒)の結晶幅の合計の割合を「長さ%」と定義した。
これは、刃先近傍の硬質被覆層が、微細結晶粒が少ない薄層Aのみにて構成されている場合には、高熱発生を伴う高速切削条件で優れた耐摩耗性を発揮するものの、刃先近傍でクラックが発生し易くなり、その結果、耐チッピング性が低下してくることから、交差稜線部から少なくとも100μmまでの範囲の位置である刃先近傍においては、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が0〜50長さ%を占める薄層Aと、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が50〜100長さ%を占める薄層Bの交互積層構造として硬質被覆層を構成することにより、所定の耐摩耗性を確保しつつ耐チッピング性の向上を図る。
ここで、薄層Aにおいて、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒の占める割合を50長さ%以下としたのは、これが50長さ%を超える場合には、圧縮残留応力の増大により、膜の剥離が発生しやすくなり、耐摩耗性が低下するためである。
また薄層Bにおいて、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒の占める割合を50長さ%以上としたのは、これが50長さ%未満となった場合には、結晶粒が増大し結晶粒界が減少するため耐チッピング性が低下するという理由による。
薄層Aと薄層Bの微細結晶粒の割合の差が10長さ%以上としたのは、薄層Aでは微細結晶粒が少ないためにクラックが多く、刃先近傍でクラックを起因とした亀裂が発生しやすくなる。一方で、薄層Bでは微細結晶粒の割合が多いために、クラックの進展を防ぐことができる。この際、微細結晶粒の割合が薄層Aと薄層Bの微細結晶粒の割合の差が10長さ%以上なければ、薄層Bのクラックの進展を防止する効果が低下し、高速切削時における耐チッピング性が低下する。
薄層Aと薄層Bの平均膜厚が、それぞれ5μmを超える場合にはチッピングが発生しやすくなり、一方、それぞれの平均膜厚が0.5μm未満の場合には、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することができなくなるので、交差稜線部から100μmまでの範囲の位置における薄層Aと薄層Bの平均膜厚は、それぞれ0.5〜5.0μmであることが望ましい。
また、同じく刃先近傍の硬質被覆層について、交差稜線部から100μmまでの範囲の位置において測定した場合、薄層Aと薄層Bの合計層数が2〜20層である場合に、刃先近傍の耐チッピング性と耐摩耗性をバランスよく向上させることができる。
さらに、同じく刃先近傍の硬質被覆層について、交差稜線部から100μmまでの範囲の位置において測定した場合、薄層Aと薄層Bの交互積層からなる硬質被覆層の平均膜厚に対して、その平均膜厚の50〜70%を薄層Aの平均膜厚が占める場合に、刃先近傍の耐チッピング性と耐摩耗性をバランスよく向上させることができる。
交差稜線部から100μmまでの範囲の位置における硬質被覆層において、薄層Aと薄層Bの平均膜厚が0.5μm未満である場合、薄層Aと薄層Bの合計層数が20層を超える場合、硬質被覆層の平均膜厚に対して薄層Aが占める平均膜厚の割合が50%未満の場合には、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、薄層Aと薄層Bの平均膜厚が5.0μmを超えるような場合、薄層Aと薄層Bの合計層数が2層未満の場合、また、硬質被覆層の平均膜厚に対して薄層Aが占める平均膜厚の割合が70%を超える場合には、チッピングを発生しやすくなるので、交差稜線部から少なくとも100μmまでの範囲の位置における薄層Aと薄層Bの平均膜厚は、それぞれ0.5〜5.0μmであることが望ましく、薄層Aと薄層Bの合計層数が2〜20層であることが望ましく、さらに、硬質被覆層の平均膜厚に対して、その50〜70%を薄層Aの平均膜厚が占めることが望ましい。
なお、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が50長さ%以上を占めるようになると、層中の圧縮残留応力が増加し、膜の剥離を起こしやすくなり、また、膜の自壊の影響によって、耐摩耗性が低下することから、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒の占める割合は50長さ%以下であることが望ましい。
この発明の硬質被覆層は、例えば、図3(a)、(b)に示すようなアークイオンプレーティング装置(AIP装置)を用い、工具基体の温度を370〜450℃に維持しつつ、工具基体をAIP装置内で自公転させ、ターゲットと工具基体間に所定の磁場を印加しながら蒸着することによって、形成することができる。
まず、炭化タングステン(WC)基超硬合金からなる工具基体を洗浄・乾燥し、AIP装置内の回転テーブル上に装着し、真空中で基体洗浄用のTi電極とアノード電極との間に100Aのアーク放電を発生させて、工具基体に−1000Vのバイアス電圧を印加しつつ工具基体表面をボンバード洗浄し、
ついで、Al−Cr合金ターゲットの表面最大磁場が100mTであっても、アークスポットがターゲット外側に移動することで発生する異常放電発生を防止するように磁場を印加し、
ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し9.3Paの雰囲気圧力とし、工具基体の温度を370〜450℃に維持し、工具基体に−50Vのバイアス電圧を印加しつつ、Al−Cr合金ターゲット(カソード電極)とアノード電極との間に100Aのアーク放電を発生させ、工具基体を支持して自公転させつつ、Al−Cr合金ターゲットの表面最大磁場を45〜100mTとなるよう制御して薄層Aを蒸着し、また、Al−Cr合金ターゲットの表面最大磁場が0〜22mTとなるように制御して薄層Bを蒸着し、薄層Aと薄層Bを交互に蒸着することによって、本発明の圧縮残留応力および結晶形態を有する(Al,Cr)N層からなる硬質被覆層を蒸着形成することができる。
ここでは、エンドミルに適用した場合について説明するが、これに限られるものではなく、インサート、ドリル等に対しても当然に適用できるものであることは言うまでもない。
(b)まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒーターで工具基体を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、かつ、Tiカソード電極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ボンバード洗浄し、
(c)ついで、図4に示すように、ターゲットの背面に電磁コイルを配置するとともに、ターゲット周側にフェライト磁石を配置した上記Al−Cr合金ターゲットに、表面最大磁場が0〜22mT及び45〜100mTの範囲内となるように表2に示す種々の磁場を印加し、
(d)ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して9.3Paの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の温度を370〜450℃の範囲内に維持するとともに−50Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Al−Cr合金ターゲット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、表面最大磁場が45〜100mTの範囲内となるように磁場を印加して薄層Aを蒸着し、また、表面最大磁場が0〜22mTの範囲内となるように磁場を印加して薄層Bを蒸着し、薄層Aと薄層Bとを交互に蒸着することにより、工具基体の表面に、表1に示される組成、交互積層構造および目標膜厚の(Al,Cr)N層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての表面被覆エンドミル1〜15(以下、本発明1〜15という)をそれぞれ製造した。
硬質被覆層の組成は、EPMAを用いて交差稜線部から100μmまでの範囲の位置で5点測定を行い、それらの平均値から算出した。
比較の目的で、上記の工具基体(エンドミル)A〜Eに対して、上記実施例における(c)、(d)の条件を変更し(例えば、磁場を形成しないもの、ターゲット周側にフェライト磁石を配置しないで磁場を形成したもの、磁場の大きさが0〜22mTあるいは45〜100mTの範囲を外れるもの等)て、その他は実施例と同一の条件で、比較例被覆工具としての表面被覆エンドミル(以下、比較例1〜15という)をそれぞれ製造した。
2D法(2次元X線回折/フルデバイリングフィッティング法)とは、2次元に広がる回折線全体を同時に検出することでデバイリング全体の歪みから全応力成分を算出する方法である。
σ11、σ22については、それぞれ5点測定を行い、その測定値の平均値をσ11、σ22とした。
表2、表3に、上記で測定・算出したσ11,σ22,σ11−σ22の値を示す。
解析法:2D法(2次元X線回折/フルデバイリングフィッティング法)
X線源:Cu−Kα線 出力=50kV,22mA
X線回折ピーク:2θ=80°(220)面のピークを使用
なお、(Al,Cr)Nのポアソン比=0.200、ヤング率=300000MPaを用いて残留応力を算出した。
表2・表3に、上記で測定した各位置における0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒の割合を示す。
工具基体刃先から逃げ面側の断面を切り出し、その断面をSEMにて観察する。図5に断面の概要を示す。薄層Aならびに薄層Bの境界部間の中間領域(それぞれの薄層が表面ならびに界面に存在する場合は、表面ならびに界面と薄層A・B間の境界部との中間領域)にて、工具基体表面と平行に直線を引き、結晶粒界間の距離を結晶幅と定義する。逃げ面とすくい面の交差稜線部から50μm離れた位置を中心とした、幅100μmの範囲に存在する結晶の結晶幅を測定し、測定した全結晶幅の和に対する結晶幅が0.3μm未満の結晶の幅の和を「交差稜線部から100μmまでの範囲の位置における0.3μm未満の微細結晶粒の割合(長さ%)」とした。また、交差稜線部から200μm離れた位置を中心とした、幅100μmの範囲に存在する結晶の結晶幅を測定し、測定した全結晶幅の和に対する結晶幅が0.3μm未満の結晶幅の和を「交差稜線部から150μm以上離れた位置における0.3μm未満の微細結晶粒の割合(長さ%)」とした。
表2、表3に、これらの測定値、算出値を示す。
具体的な測定法は、図5に示すように工具基体刃先から逃げ面側の断面を切り出し、その断面をSEMにて観察し、逃げ面とすくい面の交差稜線部から25μm、50μmならびに75μm離れた位置における膜厚を測定し、その3点の平均値を平均膜厚とした。
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S55Cの板材、
切削速度: 284 m/min.、
溝深さ(切り込み): 2.0 mm、
切削幅: 0.3 mm
送り: 2000 mm/min.、
切削長:340 m、
の条件(切削条件Aという)での炭素鋼の高速溝切削加工試験を実施し、さらに、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUS304 の板材、
切削速度: 100 m/min.、
溝深さ(切り込み): 10 mm、
切削幅: 1 mm
送り: 450 mm/min.、
切削長:90 m、
の条件(切削条件Bという)でのステンレス鋼の高速溝切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
なお逃げ面摩耗幅が0.1mmを超えた場合は寿命とみなし、その時の切削長を記録した。
この測定結果を表4に示した。
これに対して、硬質被覆層の残留圧縮応力の値が本発明で規定する範囲を外れた比較例被覆工具あるいは本発明で規定した薄層A、薄層Bを有さない比較例被覆工具では、チッピングの発生あるいは耐摩耗性の低下によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
Claims (5)
- 炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、AlとCrの複合窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(a)上記硬質被覆層は、平均膜厚が1〜10μm、AlとCrの合量に占めるCrの含有割合は0.2〜0.5(但し、原子比)であり、
(b)上記硬質被覆層は、上記交差稜線部から少なくとも100μmまでの範囲の位置において、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が0〜50長さ%を占める薄層Aと、0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が50〜100長さ%を占める薄層Bの交互積層で構成され、薄層Aと薄層Bの微細結晶粒の割合の差が10長さ%以上であり、かつ交互積層の最表面は薄層Aで構成され、一方上記交差稜線部から150μm以上離れた位置においては、上記硬質被覆層は0.3μm未満の結晶幅の微細結晶粒が0〜50長さ%を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 上記硬質被覆層の逃げ面上あるいはすくい面上の表面において、逃げ面とすくい面の交差稜線部から50μmの位置を中心位置とした半径50μmの範囲内で2D法により残留応力を測定した場合、上記交差稜線部と平行な方向の圧縮残留応力σ11は、0.5GPa≦σ11≦4.5GPaの関係を満足し、上記σ11と直交する方向の圧縮残留応力σ22は、0GPa≦σ22≦4.0GPaの関係を満足し、さらに、上記σ11とσ22は、σ11−σ22≧0.5GPaの関係を満足する請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 交差稜線部から100μmまでの範囲の位置において、上記薄層Aと薄層Bの平均膜厚は、それぞれ0.5〜5.0μmであることを特徴とする請求項2に記載の表面被覆切削工具。
- 交差稜線部から100μmまでの範囲の位置において、上記薄層Aと薄層Bの合計層数が2〜20層であることを特徴とする請求項3に記載の表面被覆切削工具。
- 交差稜線部から100μmまでの範囲の位置において、硬質被覆層の平均膜厚に対して、薄層Aの平均膜厚が占める割合は、50〜70%であることを特徴とする請求項4に記載の表面被覆切削工具。
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