JP2016165787A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等を、高熱発生を伴う高速切削条件で切削した場合にもすぐれた耐摩耗性および耐欠損性を発揮する被覆工具を提供する。【解決手段】表面被覆切削工具において、下地層は、0.5〜5.0μmの平均層厚を有し、組成式:(Al1−gTig)N(0.25≦g≦0.75)、中間層は、0.1〜1.0μmの平均層厚を有し、組成式:(Al1−aTia)(O1−bNb)(0.25≦a≦0.75,0.50≦b≦0.9)、上部層は一層平均層厚がそれぞれ1〜50nmの薄層Aと薄層Bの交互積層構造からなり、薄層Aは、組成式:(Al1−cCrc)(O1−dNd)(0.20≦c≦0.60,0.01≦d≦0.50)、薄層Bは、組成式:(Al1−eMne)(O1−fNf)(0.10≦e≦0.50,0.01≦f≦0.50)を満足し、硬質被覆層全体の合計平均層厚は1.1〜11.0μmである。【選択図】図3
Description
本発明は、表面被覆切削工具(以下、被覆工具という)に関し、さらに詳しくは、例えば、チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等の高熱発生を伴うとともに切刃への溶着性が著しい被削材を高速切削した場合に、硬質被覆層がすぐれた高温安定性、耐熱性、耐摩耗性、耐溶着性を発揮する被覆工具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インサート、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、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミル工具などが知られている。
近年、金属材料の切削加工においては高能率化の要求が高く、切削速度を高速化させることが求められている。このため、切削工具の工具基体表面を被覆する被膜に対して耐摩耗性や耐欠損性を向上させることが要求されている。
特許文献1には、アルミニウム酸化物を基とする硬質被覆層であって、Al1−xMx(O1−YNY)z(0≦X≦0.5、0<Y≦0.4、Z>0)で表される組成を有し、この組成におけるMは、Ti,Zr,V,Nb,Mo,W,Y,Mg,Si,Bから選択される少なくとも1種の元素であるAlM(ON)系硬質被覆層が開示されている。さらに同文献には、このような硬質被覆層は、耐摩耗性と耐熱性にすぐれており、基材の温度が1000℃以下で、具体的には400〜600℃で形成できると開示されている。
また、特許文献2は、被覆工具の工具基体上に被膜を形成するものであって、この被膜が、第1超多層膜と第2超多層膜とを各々1以上交互に積層させてなる複合超多層膜を含み、前記第1超多層膜が、A1層とB層とを各々1層以上交互に積層することにより構成され、前記第2超多層膜が、A2層とC層とを各々1層以上交互に積層することにより構成され、前記A1層とA2層が、各々TiN、TiCN、TiAlNまたはTiAlCNのいずれかにより構成され、前記B層が、TiSiNまたはTiSiCNにより構成され、前記C層が、AlCrNまたはAlCrCNにより構成されることにより、耐摩耗性と耐熱性を維持しつつ、脆性の問題を低減した積層系硬質被覆層を有する被覆工具を提供することを開示している。
さらに、別の従来被覆工具として、例えば、図2に概略説明図で示される物理蒸着装置の1種であるアークイオンプレーティング装置に工具基体を装入し、ヒーターで工具基体を、450℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するAl−Cr合金がセットされたカソード電極(蒸発源)との間に、電流:100Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して窒素雰囲気とし、一方、前記工具基体には、例えば、−200Vのバイアス電圧を印加した条件で、工具基体の表面に蒸発した粒子を蒸着させることにより(Al,Cr)N層からなる硬質被覆層が形成されることも知られている(例えば、特許文献3参照)。
ところが、近年の切削加工装置の自動化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらには低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削工具には被削材の材種にできるだけ影響を受けない汎用性、すなわち、できるだけ多くの材種の切削加工が可能な切削工具が求められる傾向にあるが、(Al,Cr)N層からなる被覆層を用いた従来被覆工具においては、これを、鋼や鋳鉄などの被削材の通常切削速度での切削加工に用いた場合には問題ないが、チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等を、高い発熱を伴うとともに、切刃部への衝撃性および溶着性が著しい高速切削条件で切削した場合には、(Al,Cr)N層は高硬度な皮膜であるが、その硬度や高い残留応力のため、皮膜自体が崩壊したり、剥離したりする問題があり、この結果、切刃部における欠損(微少欠け)の発生が急激に増加し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
例えば、特許文献1によれば、耐摩耗性と耐熱性をある程度向上させることは可能であるが、このようなAlM(ON)系硬質被覆層の問題として脆性を示すことから切削時の衝撃等により被膜自体が破壊したり剥離したりするという問題があった。
また、特許文献2による積層系硬質被覆層によっても、過酷な切削条件下においては積層構造を構成する個々の被膜自体の破壊や剥離を十分に防止することができず、結果として十分な硬質被覆層全体としての耐摩耗性を得ることができない場合があった。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等を、高熱発生を伴う高速切削条件で切削した場合においてもすぐれた耐熱性、耐摩耗性および耐溶着性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示す被覆工具を提供することである。
また、特許文献2による積層系硬質被覆層によっても、過酷な切削条件下においては積層構造を構成する個々の被膜自体の破壊や剥離を十分に防止することができず、結果として十分な硬質被覆層全体としての耐摩耗性を得ることができない場合があった。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等を、高熱発生を伴う高速切削条件で切削した場合においてもすぐれた耐熱性、耐摩耗性および耐溶着性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示す被覆工具を提供することである。
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、特にチタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等を高温発熱が伴い、かつ切刃への溶着性が著しい被削材を高速切削条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐熱性、耐摩耗性および耐溶着性を併せ持つ被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った。
その結果、次のような新規な知見を得た。
(1)(Al,Cr)(ON)層は、耐摩耗性があり、酸素を所定量含有することで耐熱性を向上させることができる。
(2)(Al,Mn)(ON)層は、Mn酸化物自身が非常に安定な物質であり、これがAl酸化物中に導入されることにより、Al酸化物の高温安定性を向上させるという効果を奏する。さらにこれを発展させて、Al,Mnの複合酸窒化物とすることで、各々の酸化物と比べ耐摩耗性が向上する。その結果、切削中に熱の発生しやすい難削材などに対して、すぐれた耐熱性、耐摩耗性、耐溶着性を示す。
(3)しかしながら、前述の(Al,Cr)(ON)層、(Al,Mn)(ON)層をそれぞれ単独で用いた場合、(Al,Cr)(ON)層だけでは、耐摩耗性は確保できたとしても耐熱性に乏しく、逆に、(Al,Mn)(ON)層を単独で用いた場合、耐熱性は確保できても、耐摩耗性に乏しく切削工具の硬質被覆層として実用的ではない。また、それぞれの層の層厚を厚くして耐摩耗性を稼ごうとすると、層内に生じる残留圧縮応力の関係でチッピングが生じやすくなり、長期に亘って切削性能を維持することができない。
(1)(Al,Cr)(ON)層は、耐摩耗性があり、酸素を所定量含有することで耐熱性を向上させることができる。
(2)(Al,Mn)(ON)層は、Mn酸化物自身が非常に安定な物質であり、これがAl酸化物中に導入されることにより、Al酸化物の高温安定性を向上させるという効果を奏する。さらにこれを発展させて、Al,Mnの複合酸窒化物とすることで、各々の酸化物と比べ耐摩耗性が向上する。その結果、切削中に熱の発生しやすい難削材などに対して、すぐれた耐熱性、耐摩耗性、耐溶着性を示す。
(3)しかしながら、前述の(Al,Cr)(ON)層、(Al,Mn)(ON)層をそれぞれ単独で用いた場合、(Al,Cr)(ON)層だけでは、耐摩耗性は確保できたとしても耐熱性に乏しく、逆に、(Al,Mn)(ON)層を単独で用いた場合、耐熱性は確保できても、耐摩耗性に乏しく切削工具の硬質被覆層として実用的ではない。また、それぞれの層の層厚を厚くして耐摩耗性を稼ごうとすると、層内に生じる残留圧縮応力の関係でチッピングが生じやすくなり、長期に亘って切削性能を維持することができない。
本発明は、このような知見に基づき、下地層、中間層、(Al,Cr)(ON)層からなる薄層A、(Al,Mn)(ON)層からなる薄層B、各層の平均層厚、薄層Aと薄層Bの層厚の関係、硬質被覆層全体の合計層厚などと切削性能との関係を詳しく解析した結果得られたものであって、具体的には、以下のような構成からなる。
本発明は、前記研究結果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を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
(a)前記工具基体表面に形成された0.5〜5.0μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−gTig)N(ここで、gはAlとTiの合量に占めるTiの含有割合を示し、原子比で、0.25≦g≦0.75である)を満足する下地層と、
(b)前記下地層の表面に形成された0.1〜1.0μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−aTia)(O1−bNb)(ここで、aはAlとTiの合量に占めるTiの含有割合を示し、原子比で、0.25≦a≦0.75である。また、bはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.50≦b≦0.9)を満足する中間層と、
(c)前記中間層の表面に形成された薄層Aと薄層Bの交互積層構造からなり、交互積層の合計平均層厚が0.5〜5.0μmである上部層とからなり、
(d)前記薄層Aは、1〜50nmの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−cCrc)(O1−dNd)(ここで、cはAlとCrの合量に占めるCrの含有割合を示し、原子比で、0.20≦c≦0.60である。また、dはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.01≦d≦0.50)を満足するAlとCrとの複合窒酸化物層からなり、
(e)前記薄層Bは、1〜50nmの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−eMne)(O1−fNf)(ここで、eはAlとMnの合量に占めるMnの含有割合を示し、原子比で、0.10≦e≦0.50である。また、fはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.01≦f≦0.50)を満足するAlとMnとの複合窒酸化物層からなり、
(f)前記下地層および前記上部層の層厚は、前記中間層の層厚よりも厚く、前記硬質被覆層全体の合計平均層厚は1.1〜11.0μmであることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とする。
「 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で構成された工具基体の表面に硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
(a)前記工具基体表面に形成された0.5〜5.0μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−gTig)N(ここで、gはAlとTiの合量に占めるTiの含有割合を示し、原子比で、0.25≦g≦0.75である)を満足する下地層と、
(b)前記下地層の表面に形成された0.1〜1.0μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−aTia)(O1−bNb)(ここで、aはAlとTiの合量に占めるTiの含有割合を示し、原子比で、0.25≦a≦0.75である。また、bはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.50≦b≦0.9)を満足する中間層と、
(c)前記中間層の表面に形成された薄層Aと薄層Bの交互積層構造からなり、交互積層の合計平均層厚が0.5〜5.0μmである上部層とからなり、
(d)前記薄層Aは、1〜50nmの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−cCrc)(O1−dNd)(ここで、cはAlとCrの合量に占めるCrの含有割合を示し、原子比で、0.20≦c≦0.60である。また、dはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.01≦d≦0.50)を満足するAlとCrとの複合窒酸化物層からなり、
(e)前記薄層Bは、1〜50nmの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−eMne)(O1−fNf)(ここで、eはAlとMnの合量に占めるMnの含有割合を示し、原子比で、0.10≦e≦0.50である。また、fはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.01≦f≦0.50)を満足するAlとMnとの複合窒酸化物層からなり、
(f)前記下地層および前記上部層の層厚は、前記中間層の層厚よりも厚く、前記硬質被覆層全体の合計平均層厚は1.1〜11.0μmであることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とする。
次に、本発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、前記の通りに数値限定した理由を説明する。
工具基体表面に形成する(Al,Ti)Nからなる下地層の組成:
本発明に係る後述する薄層Aと薄層Bは、化学的に安定であることから、工具基体とも結合しにくい。すなわち、薄層Aおよび薄層Bは工具基体表面との高い密着性を得難いため、工具基体との間に下地層および中間層を設ける必要がある。下地層としては、工具基体表面との密着性にすぐれた(Al,Ti)Nからなる窒化物が好適に用いられる。下地層を形成する窒化物の一部が酸化物となると工具基体表面との密着性が低下する。そのため、下地層として形成する窒化物は、その酸化開始温度が十分に高く、皮膜の形成時に酸化しないことが条件となる。下地層に用いる窒化物を組成式:(Al1−gTig)Nで表したとき、gの値が、原子比で、0.25≦g≦0.75である場合、酸化開始温度が850℃程度となるため、切削時の高圧・高温環境下でAlが酸化し、非晶質Al2O3の保護膜を形成するため、熱的にも安定しており、高速切削時の耐摩耗性がすぐれている。
したがって、工具基体表面には0.5〜5.0μmの平均層厚を有し、組成式:(Al1−gTig)N(ここで、gはAlとTiの合量に占めるTiの含有割合を示し、原子比で、0.25≦g≦0.75である)を満足する下地層を形成する。
本発明に係る後述する薄層Aと薄層Bは、化学的に安定であることから、工具基体とも結合しにくい。すなわち、薄層Aおよび薄層Bは工具基体表面との高い密着性を得難いため、工具基体との間に下地層および中間層を設ける必要がある。下地層としては、工具基体表面との密着性にすぐれた(Al,Ti)Nからなる窒化物が好適に用いられる。下地層を形成する窒化物の一部が酸化物となると工具基体表面との密着性が低下する。そのため、下地層として形成する窒化物は、その酸化開始温度が十分に高く、皮膜の形成時に酸化しないことが条件となる。下地層に用いる窒化物を組成式:(Al1−gTig)Nで表したとき、gの値が、原子比で、0.25≦g≦0.75である場合、酸化開始温度が850℃程度となるため、切削時の高圧・高温環境下でAlが酸化し、非晶質Al2O3の保護膜を形成するため、熱的にも安定しており、高速切削時の耐摩耗性がすぐれている。
したがって、工具基体表面には0.5〜5.0μmの平均層厚を有し、組成式:(Al1−gTig)N(ここで、gはAlとTiの合量に占めるTiの含有割合を示し、原子比で、0.25≦g≦0.75である)を満足する下地層を形成する。
中間層を構成する(Al,Ti)(ON)層の組成:
下地層と上部層の間に形成された平均層厚0.1〜1.0μmの中間層である(Al,Ti)(ON)層は、下部層と上部層の密着強度を高める作用をする。
同時に、中間層の構成成分であるTi成分によって、すぐれた高温強度を備え、また、Al成分によって、高温硬さと耐熱性を補完する。しかし、中間層を、組成式:(Al1−aTia)(O1−bNb)で表したとき、AlとTiとの合量に占めるTiの含有割合を示すaの値(原子比)が0.25未満になると、高温強度を確保することができないために刃先の境界部分において異常損傷を生じ欠損を発生しやすくなり、一方、Tiの含有割合を示すaの値が0.75を越えると、相対的にAlの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、aの値を0.25〜0.75と定めた。
OとNの合量に占めるNの含有割合を示すbの値(原子比)は、(Al,Ti)(ON)層の高硬度するために必須の成分Nの含有割合である。その効果を十分なものとするためには、OとNの合量に対してNの含有割合が半分以上を占めている必要がある。しかし、bの値が0.9を超えてしまうと、相対的にOの含有割合が0.1未満となってしまい、Oの添加により耐熱性を向上させるという効果と密着強度強化の効果が十分に奏されなくなる。したがって、bの値は0.50〜0.9と定めた。
下地層と上部層の間に形成された平均層厚0.1〜1.0μmの中間層である(Al,Ti)(ON)層は、下部層と上部層の密着強度を高める作用をする。
同時に、中間層の構成成分であるTi成分によって、すぐれた高温強度を備え、また、Al成分によって、高温硬さと耐熱性を補完する。しかし、中間層を、組成式:(Al1−aTia)(O1−bNb)で表したとき、AlとTiとの合量に占めるTiの含有割合を示すaの値(原子比)が0.25未満になると、高温強度を確保することができないために刃先の境界部分において異常損傷を生じ欠損を発生しやすくなり、一方、Tiの含有割合を示すaの値が0.75を越えると、相対的にAlの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、aの値を0.25〜0.75と定めた。
OとNの合量に占めるNの含有割合を示すbの値(原子比)は、(Al,Ti)(ON)層の高硬度するために必須の成分Nの含有割合である。その効果を十分なものとするためには、OとNの合量に対してNの含有割合が半分以上を占めている必要がある。しかし、bの値が0.9を超えてしまうと、相対的にOの含有割合が0.1未満となってしまい、Oの添加により耐熱性を向上させるという効果と密着強度強化の効果が十分に奏されなくなる。したがって、bの値は0.50〜0.9と定めた。
上部層の薄層A層を構成する(Al,Cr)(ON)層の組成:
後述する薄層Bと共に交互積層構造を構成する薄層Aの(Al1−cCrc)(O1−dNd)層は、層全体に亘って均質な耐摩耗性と耐熱性および靭性を示すが、その構成成分であるCr成分によって、すぐれた高温強度と高温潤滑性を備えるようになり、また、Al成分によって、高温硬さと耐熱性を補完する。そのため、高温切削条件下でも低摩擦係数が維持され、すぐれた耐熱性を発揮するようになるが、Alとの合量に占めるCrの含有割合を示すc値(原子比、以下同じ)が0.20未満になると、高温強度を確保することができないために刃先の境界部分において異常損傷を生じ欠損を発生しやすくなるため長寿命を期待することはできず、一方、Alとの合量に占めるCrの含有割合を示すc値が0.60を越えると、相対的にAlの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さを確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、c値を0.20〜0.60と定めた。
OとNの合量に占めるNの含有割合を示すd(原子比)は、(Al,Cr)(ON)層の高硬度維持と耐熱性維持の観点から定められたものであるが、dの値が0.50を超えると、相対的なOの含有割合の減少によって耐熱性が低下し、一方、dの値が0.01以下となると硬さが低下する。したがって、dの値を0.01を超え0.50以下と定めた。
後述する薄層Bと共に交互積層構造を構成する薄層Aの(Al1−cCrc)(O1−dNd)層は、層全体に亘って均質な耐摩耗性と耐熱性および靭性を示すが、その構成成分であるCr成分によって、すぐれた高温強度と高温潤滑性を備えるようになり、また、Al成分によって、高温硬さと耐熱性を補完する。そのため、高温切削条件下でも低摩擦係数が維持され、すぐれた耐熱性を発揮するようになるが、Alとの合量に占めるCrの含有割合を示すc値(原子比、以下同じ)が0.20未満になると、高温強度を確保することができないために刃先の境界部分において異常損傷を生じ欠損を発生しやすくなるため長寿命を期待することはできず、一方、Alとの合量に占めるCrの含有割合を示すc値が0.60を越えると、相対的にAlの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さを確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、c値を0.20〜0.60と定めた。
OとNの合量に占めるNの含有割合を示すd(原子比)は、(Al,Cr)(ON)層の高硬度維持と耐熱性維持の観点から定められたものであるが、dの値が0.50を超えると、相対的なOの含有割合の減少によって耐熱性が低下し、一方、dの値が0.01以下となると硬さが低下する。したがって、dの値を0.01を超え0.50以下と定めた。
上部層の薄層B層を構成する(Al,Mn)(ON)層の組成:
前述した薄層Aと共に交互積層構造を構成する薄層Bの(Al1−eMne)(O1−fNf)層は、層全体に亘って均質な耐摩耗性と耐熱性および靭性を示すが、その構成成分であるMn成分によって、すぐれた高温安定性を備えるようになり、また、Al、Mnの複合酸窒化物とすることで各々の酸化物と比べて耐摩耗性が向上する。その結果、切削成分によって、高温硬さと耐熱性を補完する。そのため、高温切削条件下でも低摩擦係数が維持され、すぐれた耐熱性を発揮するようになるが、Alとの合量に占めるMnの含有割合を示すe値(原子比、以下同じ)が0.10未満になると、高温強度を確保することができないために刃先の境界部分において異常損傷を生じ、欠損を発生しやすくなるため長寿命を期待することはできず、一方、Alとの合量に占めるMnの含有割合を示すe値が0.50を越えると、相対的にAlの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、e値を0.10〜0.50と定めた。
OとNの合量に占めるNの含有割合を示すf(原子比)は、(Al,Mn)(ON)層の高硬度維持と耐熱性維持の観点から定められたものであるが、
fの値が0.50を超えると、相対的なOの含有割合の減少によって耐熱性が低下し、一方、fの値が0.01以下となると硬さが低下する。したがって、fの値を0.01を超え0.50以下と定めた。
前述した薄層Aと共に交互積層構造を構成する薄層Bの(Al1−eMne)(O1−fNf)層は、層全体に亘って均質な耐摩耗性と耐熱性および靭性を示すが、その構成成分であるMn成分によって、すぐれた高温安定性を備えるようになり、また、Al、Mnの複合酸窒化物とすることで各々の酸化物と比べて耐摩耗性が向上する。その結果、切削成分によって、高温硬さと耐熱性を補完する。そのため、高温切削条件下でも低摩擦係数が維持され、すぐれた耐熱性を発揮するようになるが、Alとの合量に占めるMnの含有割合を示すe値(原子比、以下同じ)が0.10未満になると、高温強度を確保することができないために刃先の境界部分において異常損傷を生じ、欠損を発生しやすくなるため長寿命を期待することはできず、一方、Alとの合量に占めるMnの含有割合を示すe値が0.50を越えると、相対的にAlの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、e値を0.10〜0.50と定めた。
OとNの合量に占めるNの含有割合を示すf(原子比)は、(Al,Mn)(ON)層の高硬度維持と耐熱性維持の観点から定められたものであるが、
fの値が0.50を超えると、相対的なOの含有割合の減少によって耐熱性が低下し、一方、fの値が0.01以下となると硬さが低下する。したがって、fの値を0.01を超え0.50以下と定めた。
(d)下地層、中間層および薄層Aおよび薄層Bからなる上部層の平均層厚ならびに硬質被覆層の合計層厚:
本発明の硬質被覆層の下地層は、その平均層厚が、0.5μm未満では、下地層に要求される耐摩耗性を十分に確保することができず、一方、5.0μmを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、下地層の平均層厚は、0.5〜5.0μmと定めた。
また、中間層を構成する(Al,Ti)(ON)層は、その平均層厚が0.1μm未満であると、下地層と上部層との密着強度を高める効果が少なく、一方、その平均層厚が1.0μmを超えた場合には、膜強度の低下により、チッピング、欠損が発生しやすくなるため、中間層の平均層厚は0.1〜1.0μmと定めた。
また、上部層は、それぞれの組成の異なる薄層Aと薄層Bとを交互に積層して構成した交互積層構造とすることで、それぞれの層の粒子の成長の粗大化が防止され、粒子の微細化が図られ、膜強度が向上するとともに、この積層構造によってクラックの伝播・進展が防止されることで耐欠損性、耐チッピング性が向上するが、薄層Aおよび薄層Bのそれぞれ一層平均層厚が1nm未満になると、各薄層を所定組成のものとして明確に形成することが困難であるばかりか、各薄層の有する前記のすぐれた特性を発揮することができない。一方、薄層Aおよび薄層Bのそれぞれ一層平均層厚が50nmを超えると、粒子の粗大化による膜強度の低下により、耐欠損性、耐チッピング性が低下することから、薄層A、薄層Bのそれぞれの一層平均層厚は1〜50nmと定めた。
さらに、薄層Aと薄層Bの交互積層構造からなる上部層の合計平均層厚が0.5μm未満では、長期の使用にわたって、すぐれた耐欠損性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮することはできず、一方、上部層の合計平均層厚が5.0μmを超えると、欠損、チッピングが発生しやすくなることから上部層の合計平均層厚は0.5〜5.0μmと定めた。
また、前述した下地層と中間層と薄層Aおよび薄層Bとの交互積層構造からなる上部層とを加えた硬質被覆層全体の合計平均層厚は、1.1μm未満では、前述した交互積層構造の備えるすぐれた耐欠損性、耐チッピング性を十分に発揮することができず、一方、11.0μmを超えると、反対に、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、硬質被覆層全体の合計平均層厚は、1.1〜11.0μmと定めた。
更に、下地層の平均層厚、あるいは、上部層の合計平均層厚が、中間層の平均層厚以下になると、硬質被覆層全体に占める下地層、上部層の割合が相対的に下がってしまい、耐摩耗性を十分に確保することができないため、下地層の平均層厚、あるいは、上部層の合計平均層厚は、中間層の平均層厚より厚くすることとした。
本発明の硬質被覆層の下地層は、その平均層厚が、0.5μm未満では、下地層に要求される耐摩耗性を十分に確保することができず、一方、5.0μmを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、下地層の平均層厚は、0.5〜5.0μmと定めた。
また、中間層を構成する(Al,Ti)(ON)層は、その平均層厚が0.1μm未満であると、下地層と上部層との密着強度を高める効果が少なく、一方、その平均層厚が1.0μmを超えた場合には、膜強度の低下により、チッピング、欠損が発生しやすくなるため、中間層の平均層厚は0.1〜1.0μmと定めた。
また、上部層は、それぞれの組成の異なる薄層Aと薄層Bとを交互に積層して構成した交互積層構造とすることで、それぞれの層の粒子の成長の粗大化が防止され、粒子の微細化が図られ、膜強度が向上するとともに、この積層構造によってクラックの伝播・進展が防止されることで耐欠損性、耐チッピング性が向上するが、薄層Aおよび薄層Bのそれぞれ一層平均層厚が1nm未満になると、各薄層を所定組成のものとして明確に形成することが困難であるばかりか、各薄層の有する前記のすぐれた特性を発揮することができない。一方、薄層Aおよび薄層Bのそれぞれ一層平均層厚が50nmを超えると、粒子の粗大化による膜強度の低下により、耐欠損性、耐チッピング性が低下することから、薄層A、薄層Bのそれぞれの一層平均層厚は1〜50nmと定めた。
さらに、薄層Aと薄層Bの交互積層構造からなる上部層の合計平均層厚が0.5μm未満では、長期の使用にわたって、すぐれた耐欠損性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮することはできず、一方、上部層の合計平均層厚が5.0μmを超えると、欠損、チッピングが発生しやすくなることから上部層の合計平均層厚は0.5〜5.0μmと定めた。
また、前述した下地層と中間層と薄層Aおよび薄層Bとの交互積層構造からなる上部層とを加えた硬質被覆層全体の合計平均層厚は、1.1μm未満では、前述した交互積層構造の備えるすぐれた耐欠損性、耐チッピング性を十分に発揮することができず、一方、11.0μmを超えると、反対に、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、硬質被覆層全体の合計平均層厚は、1.1〜11.0μmと定めた。
更に、下地層の平均層厚、あるいは、上部層の合計平均層厚が、中間層の平均層厚以下になると、硬質被覆層全体に占める下地層、上部層の割合が相対的に下がってしまい、耐摩耗性を十分に確保することができないため、下地層の平均層厚、あるいは、上部層の合計平均層厚は、中間層の平均層厚より厚くすることとした。
図3に示されるように本発明の硬質被覆層は、下地層を構成する(Al,Ti)N層、中間層を構成する(Al,Ti)(ON)層、上部層の薄層Aを構成する(Al,Cr)(ON)層、および、上部層の薄層Bを構成する(Al,Mn)(ON)層からなる。
そして、上記各層は、例えば、図1に概略説明図で示される物理蒸着装置の1種であるアークイオンプレーティング装置に工具基体を装入し、ヒーター(図示せず)で装置内を、例えば、500℃の温度に加熱した状態で、
(a)アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Ti合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば、5.0Paの反応雰囲気とし、工具基体には、例えば、−70Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の下地層である(Al,Ti)N層が形成される。
(b)アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Ti合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が50:50)とし、工具基体には、例えば、−100Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の中間層である(Al,Ti)(ON)層が形成される。
(c)アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Cr合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が50:50)とし、工具基体には、例えば、−100Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の薄層Aである(Al,Cr)(ON)層が形成される。
(d)ついで、装置内に所定組成のAl−Mn合金からなるカソード電極(蒸発源)を配置し、アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Mn合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が50:50)とし、一方、工具基体には、例えば、−100Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、前記薄層A上に所定の目標層厚の薄層Bを構成する(Al,Mn)(ON)層が形成される。
前記(c)、(d)を所定の合計層厚になるまで、交互に繰り返すことにより、本発明の硬質被覆層を蒸着形成することができる。
そして、上記各層は、例えば、図1に概略説明図で示される物理蒸着装置の1種であるアークイオンプレーティング装置に工具基体を装入し、ヒーター(図示せず)で装置内を、例えば、500℃の温度に加熱した状態で、
(a)アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Ti合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば、5.0Paの反応雰囲気とし、工具基体には、例えば、−70Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の下地層である(Al,Ti)N層が形成される。
(b)アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Ti合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が50:50)とし、工具基体には、例えば、−100Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の中間層である(Al,Ti)(ON)層が形成される。
(c)アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Cr合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が50:50)とし、工具基体には、例えば、−100Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の薄層Aである(Al,Cr)(ON)層が形成される。
(d)ついで、装置内に所定組成のAl−Mn合金からなるカソード電極(蒸発源)を配置し、アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Mn合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が50:50)とし、一方、工具基体には、例えば、−100Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、前記薄層A上に所定の目標層厚の薄層Bを構成する(Al,Mn)(ON)層が形成される。
前記(c)、(d)を所定の合計層厚になるまで、交互に繰り返すことにより、本発明の硬質被覆層を蒸着形成することができる。
本発明の被覆工具の一態様によれば、硬質被覆層が(Al,Ti)N層からなる下地層と、(Al,Ti)(ON)層からなる中間層、さらに、(Al,Cr)(ON)層からなる薄層Aと(Al,Mn)(ON)層からなる薄層Bとの交互積層構造を有する上部層から構成されていることによって、中間層が、下地層と上部層の密着強度を高めるとともに、薄層Aが奏するすぐれた耐摩耗性および耐熱性と、薄層Bが奏するすぐれた高温硬さと耐熱性および靭性との相乗効果によって、硬質被覆層は、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性、潤滑性、耐衝撃性、耐欠損性、耐チッピング性を有することから、その結果、特に、チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等の大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速切削加工であっても、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性、耐熱性を発揮するものである。
つぎに、本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、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、ISO規格・CNMG120408のインサート形状をもったWC基超硬合金製の工具基体A−1〜A−6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、Mo2C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、ISO規格・CNMG120408のインサート形状をもったTiCN基サーメット製の工具基体B−1〜B−4を形成した。
(a)ついで、前記工具基体A−1〜A−6およびB−1〜B−4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に示されるアークイオンプレーティ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、前記回転テーブルを挟んで対向する3つのカソード電極(蒸発源)を配置し、第1の電極として、下地層形成用の所定組成を有するAl−Ti合金、第2の電極として、薄層A形成用の所定組成を有するAl−Cr合金、第3の電極として、薄層B形成用の所定組成を有するAl−Mn合金を配置し、
(b)まず、装置内を排気して0.1 Pa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、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Al−Ti合金(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)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表3に示される目標組成、目標層厚の下地層としての(Al,Ti)N層を蒸着形成した。
(d)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が50:50)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表3に示される目標組成、目標層厚の中間層としての(Al,Ti)(ON)層を蒸着形成した。
(e)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が50:50)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Cr合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表4に示される目標組成、目標層厚の薄層Aとしての(Al,Cr)(ON)層を蒸着形成した。
(f)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が50:50)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−50〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Al−Mn合金とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させ、前記薄層Aの上に、表4に示される目標組成、目標層厚の薄層Bとしての(Al,Mn)(ON)層を蒸着形成した後、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(e)、(f)を交互に繰り返して、表4に示される目標合計平均層厚の交互積層を中間層の上に蒸着形成し、本発明被覆工具としての表面被覆インサート(以下、本発明被覆インサートと云う)1〜10をそれぞれ製造した。
(b)まず、装置内を排気して0.1 Pa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、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Al−Ti合金(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)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表3に示される目標組成、目標層厚の下地層としての(Al,Ti)N層を蒸着形成した。
(d)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が50:50)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表3に示される目標組成、目標層厚の中間層としての(Al,Ti)(ON)層を蒸着形成した。
(e)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が50:50)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Cr合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表4に示される目標組成、目標層厚の薄層Aとしての(Al,Cr)(ON)層を蒸着形成した。
(f)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が50:50)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−50〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Al−Mn合金とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させ、前記薄層Aの上に、表4に示される目標組成、目標層厚の薄層Bとしての(Al,Mn)(ON)層を蒸着形成した後、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(e)、(f)を交互に繰り返して、表4に示される目標合計平均層厚の交互積層を中間層の上に蒸着形成し、本発明被覆工具としての表面被覆インサート(以下、本発明被覆インサートと云う)1〜10をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、
(a)前記工具基体A−1〜A−6およびB−1〜B−4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に示されるアークイオンプレーティ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、前記回転テーブルを挟んで対向する3つのカソード電極(蒸発源)を配置し、第1の電極として、下地層形成用の所定組成を有するAl−Ti合金、第2の電極として、薄層A形成用の所定組成を有するAl−Cr合金、第3の電極として、薄層B形成用の所定組成を有するAl−Mn合金を配置し、
(b)まず、装置内を排気して0.1 Pa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、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Al−Ti合金(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)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表5に示される目標組成、目標層厚の下地層としての(Al,Ti)N層を蒸着形成した。
(d)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が90:10)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表5に示される目標組成、目標層厚の中間層としての(Al,Ti)(ON)層を蒸着形成した。(e)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が90:10)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Cr合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表6に示される目標組成、目標層厚の薄層Aとしての(Al,Cr)(ON)層を蒸着形成した。
(f)引き続いて、装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が5:95)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−500Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Al−Mn合金とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体の表面に、表6に示される目標組成、目標層厚の薄層Bとしての(Al,Mn)(ON)層を蒸着形成した後、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(e)、(f)を交互に繰り返して、表6に示される目標合計平均層厚の交互積層を中間層の上に蒸着形成し、比較被覆工具としての表面被覆インサート(以下、比較被覆インサートと云う)1〜6をそれぞれ製造した。
各層の形成条件(バイアス電圧、酸素分圧、窒素分圧)を同じく表5、6に示す。
なお、比較被覆インサート1については、交互積層の形成を行わず、(Al,Ti)N層のみからなる硬質被覆層とした。
(a)前記工具基体A−1〜A−6およびB−1〜B−4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に示されるアークイオンプレーティ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、前記回転テーブルを挟んで対向する3つのカソード電極(蒸発源)を配置し、第1の電極として、下地層形成用の所定組成を有するAl−Ti合金、第2の電極として、薄層A形成用の所定組成を有するAl−Cr合金、第3の電極として、薄層B形成用の所定組成を有するAl−Mn合金を配置し、
(b)まず、装置内を排気して0.1 Pa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、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Al−Ti合金(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)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表5に示される目標組成、目標層厚の下地層としての(Al,Ti)N層を蒸着形成した。
(d)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が90:10)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表5に示される目標組成、目標層厚の中間層としての(Al,Ti)(ON)層を蒸着形成した。(e)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が90:10)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Cr合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表6に示される目標組成、目標層厚の薄層Aとしての(Al,Cr)(ON)層を蒸着形成した。
(f)引き続いて、装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が5:95)に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−500Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Al−Mn合金とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体の表面に、表6に示される目標組成、目標層厚の薄層Bとしての(Al,Mn)(ON)層を蒸着形成した後、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(e)、(f)を交互に繰り返して、表6に示される目標合計平均層厚の交互積層を中間層の上に蒸着形成し、比較被覆工具としての表面被覆インサート(以下、比較被覆インサートと云う)1〜6をそれぞれ製造した。
各層の形成条件(バイアス電圧、酸素分圧、窒素分圧)を同じく表5、6に示す。
なお、比較被覆インサート1については、交互積層の形成を行わず、(Al,Ti)N層のみからなる硬質被覆層とした。
本発明被覆インサート1〜10および比較被覆インサート1〜6について、以下の切削条件で切削試験を行った。
被削材:質量%で、Ni−19%Cr−18.5%Fe−5.2%Cd−5%Ta−3%Mo−0.9%Ti−0.5%Al−0.3%Si−0.2%Mn−0.05%Cu−0.04%Cの組成を有するNi基合金の丸棒、
切削速度: 60 m/min.、
切り込み: 1.8 mm、
送り: 0.18 mm/rev.、
切削時間: 6 分、
の条件(切削条件A)でのNi基合金の湿式連続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、35m/min.、0.15mm/rev.)、
被削材:JIS・SUS304(HB170)の丸棒、
切削速度: 155 m/min.、
切り込み: 2.0mm、
送り: 0.32mm/rev.、
切削時間: 9 分、
の条件(切削条件B)でのステンレス鋼の湿式連続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、115 m/min.、0.30 mm/rev.)、
被削材:質量%で、Ti−6%Al−4%Vの組成を有するTi基合金の丸棒、
切削速度: 120 m/min.、
切り込み: 2.5mm、
送り: 0.30 mm/rev.、
切削時間: 10 分、
の条件(切削条件C)でのTi基合金の湿式連続高速高切込切削加工試験(通常の切削速度、切込および送りは、それぞれ、100 m/min.、2.0mm.、0.2 mm/rev.)、
を行い、いずれの高速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7に示した。
被削材:質量%で、Ni−19%Cr−18.5%Fe−5.2%Cd−5%Ta−3%Mo−0.9%Ti−0.5%Al−0.3%Si−0.2%Mn−0.05%Cu−0.04%Cの組成を有するNi基合金の丸棒、
切削速度: 60 m/min.、
切り込み: 1.8 mm、
送り: 0.18 mm/rev.、
切削時間: 6 分、
の条件(切削条件A)でのNi基合金の湿式連続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、35m/min.、0.15mm/rev.)、
被削材:JIS・SUS304(HB170)の丸棒、
切削速度: 155 m/min.、
切り込み: 2.0mm、
送り: 0.32mm/rev.、
切削時間: 9 分、
の条件(切削条件B)でのステンレス鋼の湿式連続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、115 m/min.、0.30 mm/rev.)、
被削材:質量%で、Ti−6%Al−4%Vの組成を有するTi基合金の丸棒、
切削速度: 120 m/min.、
切り込み: 2.5mm、
送り: 0.30 mm/rev.、
切削時間: 10 分、
の条件(切削条件C)でのTi基合金の湿式連続高速高切込切削加工試験(通常の切削速度、切込および送りは、それぞれ、100 m/min.、2.0mm.、0.2 mm/rev.)、
を行い、いずれの高速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7に示した。
実施例1と同様、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、TaN粉末、およびCo粉末からなる原料粉末を、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、直径が13mmの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが10mm×22mmの寸法、並びにねじれ角30度の4枚刃スクエア形状をもったWC基超硬合金製の工具基体(エンドミル)A−1〜A−6をそれぞれ製造した。
ついで、これらの工具基体(エンドミル)A−1〜A−6の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、実施例1と同一の条件で、表8に示される目標組成、目標層厚の(Al,Ti)N層からなる下地層と、表8に示される目標組成、目標層厚の(Al,Ti)(ON)層からなる中間層と、表9に示される目標組成、目標層厚の(Al,Cr)(ON)層からなる薄層Aと(Al,Mn)(ON)層からなる薄層Bとの交互積層構造からなる表9に示される目標合計平均層厚の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本発明表面被覆超硬製エンドミル(以下、本発明被覆エンドミルと云う)1〜10をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、前記工具基体(エンドミル)A−1〜A−5の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、実施例1と同様工程で、表8に示される形成条件(バイアス電圧、窒素分圧)を用いて、表10に示される目標組成、目標層厚の(Al,Ti)N層からなる下地層と、表10に示される目標組成、目標層厚の(Al,Ti)(ON)層からなる中間層と、表11に示される目標組成、目標層厚の(Al,Cr)(ON)層からなる薄層Aと(Al,Mn)(ON)層からなる薄層Bとの交互積層構造からなる表8に示される目標合計平均層厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較被覆工具としての表面被覆超硬製エンドミル(以下、比較被覆エンドミルと云う)1〜5をそれぞれ製造した。
なお、比較被覆エンドミル1については、交互積層の形成を行わず、(Al,Ti)N層のみの硬質被覆層とした。
なお、比較被覆エンドミル1については、交互積層の形成を行わず、(Al,Ti)N層のみの硬質被覆層とした。
つぎに、本発明被覆エンドミル1〜10および比較被覆エンドミル1〜5について、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ni−19%Cr−14%Co−4.5%Mo−2.5%Ti−2%Fe−1.2%Al−0.7%Mn−0.4%Siの組成を有するNi基合金の板材、
切削速度: 70 m/min.、
溝深さ(切り込み): 2 mm、
テーブル送り: 130mm/分、
の条件でのNi基合金の湿式高速溝切削加工試験(通常の切削速度および溝深さは、それぞれ、50 m/min.および1.0 mm)、
を行い、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9、11にそれぞれ示した。
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ni−19%Cr−14%Co−4.5%Mo−2.5%Ti−2%Fe−1.2%Al−0.7%Mn−0.4%Siの組成を有するNi基合金の板材、
切削速度: 70 m/min.、
溝深さ(切り込み): 2 mm、
テーブル送り: 130mm/分、
の条件でのNi基合金の湿式高速溝切削加工試験(通常の切削速度および溝深さは、それぞれ、50 m/min.および1.0 mm)、
を行い、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9、11にそれぞれ示した。
実施例2で製造した直径が13mmの丸棒焼結体を用い、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ8mm×22mmの寸法、並びにねじれ角30度の2枚刃形状をもったWC基超硬合金製の工具基体(ドリル)A−1〜A−6をそれぞれ製造した。
ついで、これらの工具基体(ドリル)A−1〜A−6の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、実施例1と同一の条件で、表12に示される目標組成、目標層厚の(Al,Ti)N層からなる下地層と、表12に示される目標組成、目標層厚の(Al,Ti)(ON)層からなる中間層と、表13に示される目標組成、目標層厚の(Al,Cr)(ON)層からなる薄層Aと、同じく表9に示される目標組成および目標層厚の(Al,Mn)(ON)層からなる薄層Bとの交互積層構造からなる同じく表13に示される目標合計層厚の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本発明表面被覆超硬製ドリル(以下、本発明被覆ドリルと云う)1〜10をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、前記工具基体(ドリル)A−1、2、4〜6の表面に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、実施例1と同様工程で、表14に示される形成条件(バイアス電圧、窒素分圧)を用いて、表14に示される目標組成、目標層厚の(Al,Ti)N層からなる下地層と、表14に示される目標組成、目標層厚の(Al,Ti)(ON)層からなる中間層と、表15に示される目標組成、目標層厚の(Al,Cr)(ON)層からなる薄層Aと、表15に示される目標組成、目標層厚の(Al,Mn)(ON)層からなる薄層Bとの交互積層構造からなる表10に示される目標合計層厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較被覆工具としての表面被覆超硬製ドリル(以下、比較被覆ドリルと云う)1〜5をそれぞれ製造した。なお、比較被覆ドリル1については、交互積層の形成を行わず、(Al,Ti)N層のみの硬質被覆層とした。
つぎに、本発明被覆ドリル1〜10および比較被覆ドリル1〜5について、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ni−19%Cr−18.5%Fe−5.2%Cd−5%Ta−3%Mo−0.9%Ti−0.5%Al−0.3%Si−0.2%Mn−0.05%Cu−0.04%Cの組成を有するNi基合金の板材、
切削速度: 65 m/min.、
送り: 0.18 mm/rev、
穴深さ: 25 mm、
の条件でのNi基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、20m/min.および0.12mm/rev)、
を行い(水溶性切削油使用)、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が0.3mmに至るまでの穴あけ加工数を測定した。
この測定結果を表13、15にそれぞれ示した。
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ni−19%Cr−18.5%Fe−5.2%Cd−5%Ta−3%Mo−0.9%Ti−0.5%Al−0.3%Si−0.2%Mn−0.05%Cu−0.04%Cの組成を有するNi基合金の板材、
切削速度: 65 m/min.、
送り: 0.18 mm/rev、
穴深さ: 25 mm、
の条件でのNi基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、20m/min.および0.12mm/rev)、
を行い(水溶性切削油使用)、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が0.3mmに至るまでの穴あけ加工数を測定した。
この測定結果を表13、15にそれぞれ示した。
この結果得られた本発明被覆工具としての本発明被覆インサート1〜10、本発明被覆エンドミル1〜10、および本発明被覆ドリル1〜10の硬質被覆層を構成する薄層Aである(Al,Cr)(ON)層と薄層Bである(Al,Mn)(ON)層の組成、比較被覆工具としての比較被覆インサート1〜6、比較被覆エンドミル1〜5、および、比較被覆ドリル1〜5の硬質被覆層を構成する薄層Aである(Al,Cr)(ON)層と薄層Bである(Al,Mn)(ON)層の組成、また、下地層である(Al,Ti)N層および中間層である(Al,Ti)(ON)層の組成を透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散X線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、前記硬質被覆層を構成する各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等しい平均層厚(5ヶ所の平均値)を示した。
表7、9、11、13、15に示される結果から、本発明被覆工具は、工具基体の上に所定の組成、目標層厚の下地層、さらに、所定の組成、目標層厚の中間層を形成した後、所定の組成、目標層厚の薄層Aと、所定の組成、目標層厚の薄層Bとからなる交互積層を形成した結果、薄層Aである(Al,Cr)(ON)層によって、工具基体表面に強固に密着接合した状態で、耐欠損性、高温硬さ、高温強度が向上し、薄層Bである(Al,Mn)(ON)層がすぐれた耐熱性および耐摩耗性を有するとともに、組成が異なる薄層Aと薄層Bとの交互積層による相乗効果によって、耐衝撃性、耐チッピング性、耐クラック進展性を向上させる結果、チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等の高速切削加工でも、すぐれた耐欠損性が確保され、チッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、硬質被覆層を構成する各層のいずれかが本発明で規定した組成、平均層厚を逸脱する比較被覆工具においては、いずれもチタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼の高速切削加工では、耐摩耗性が十分でなく、かつ皮膜の靭性が低下するために、切刃部にチッピングが発生するようになり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
これに対して、硬質被覆層を構成する各層のいずれかが本発明で規定した組成、平均層厚を逸脱する比較被覆工具においては、いずれもチタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼の高速切削加工では、耐摩耗性が十分でなく、かつ皮膜の靭性が低下するために、切刃部にチッピングが発生するようになり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
前述のように、本発明の被覆工具は、一般的な被削材の切削加工は勿論のこと、特に、チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等の高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の自動化、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)
- 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を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
(a)前記工具基体表面に形成された0.5〜5.0μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−gTig)N(ここで、gはAlとTiの合量に占めるTiの含有割合を示し、原子比で、0.25≦g≦0.75である)を満足する下地層と、
(b)前記下地層の表面に形成された0.1〜1.0μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−aTia)(O1−bNb)(ここで、aはAlとTiの合量に占めるTiの含有割合を示し、原子比で、0.25≦a≦0.75である。また、bはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.50≦b≦0.9)を満足する中間層と、
(c)前記中間層の表面に形成された薄層Aと薄層Bの交互積層構造からなり、交互積層の合計平均層厚が0.5〜5.0μmである上部層とからなり、
(d)前記薄層Aは、1〜50nmの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−cCrc)(O1−dNd)(ここで、cはAlとCrの合量に占めるCrの含有割合を示し、原子比で、0.20≦c≦0.60である。また、dはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.01≦d≦0.50)を満足するAlとCrとの複合窒酸化物層からなり、
(e)前記薄層Bは、1〜50nmの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−eMne)(O1−fNf)(ここで、eはAlとMnの合量に占めるMnの含有割合を示し、原子比で、0.10≦e≦0.50である。また、fはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.01≦f≦0.50)を満足するAlとMnとの複合窒酸化物層からなり、
(f)前記下地層および前記上部層の層厚は、前記中間層の層厚よりも厚く、前記硬質被覆層全体の合計平均層厚は1.1〜11.0μmであることを特徴とする表面被覆切削工具。
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JP2015047646A JP2016165787A (ja) | 2015-03-10 | 2015-03-10 | 表面被覆切削工具 |
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WO2019072083A1 (zh) * | 2017-10-10 | 2019-04-18 | 岭南师范学院 | 一种柔性硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具 |
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-
2015
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