JP2021126719A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
そして、工具基体と硬質皮膜層との界面に注目して、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。
また、特許文献2に記載した被覆工具は、TiN層へのW、Coの拡散量は多いものの、ステンレス鋼の連続切削に用いたときには、耐摩耗性が十分でなく、特許文献3に記載された被覆工具では、ステンレス鋼の連続切削に用いたとき、下方下地層として用いられるTiCN層は靭性が不足して硬質皮膜(硬質被覆層)の剥離が起こってしまうことがある。
「(1)工具基体と該工具基体の表面に第1層とその上部の第2層を含む複数の層を有する表面被覆切削工具であって、
前記第1層は、前記工具基体と接するTiN層であり、前記工具基体側にありTiN結晶粒子の平均粒径が30nm以下で、5.0〜35.0原子%のCを含む下部層と、前記第2層側にありTiN結晶粒子の平均粒径が50nm以上である上部層を有しており、
前記第2層は硬質被覆層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
(2)前記下部層は0.07〜0.75μmの平均層厚であり、前記上部層は0.03〜0.25μmの平均膜厚であって、前記下部層と前記上部層の平均層厚比が(2.3〜3.5):1であることを特徴とする前記(1)の表面被覆切削工具。
(3)前記第2層は、Alの酸化物層または窒化物層、あるいは、Tiの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、または、炭窒化酸化物層の少なくとも一つであって、その合計平均層厚が1.0〜20.0μmであることを特徴とする前記(1)または(2)の表面被覆切削工具。
(4)前記下部層は、前記TiN結晶粒子の粒界に、Wを3.0〜15.0原子%、Coを3.0〜15.0原子%含むことを特徴とする前記(1)ないし(3)のいずれかの表面被覆切削工具。」
硬質皮膜は、図1に模式的に示すように、工具基体から工具表面に向かって、第1層、第2層の少なくとも2層を有しており、第1層は上部層と下部層を有している。ただし、上部層と下部層の境界の図示は省略している。
以下、各層について説明する。
第1層は、工具基体に接するTiN層であって、下部層と上部層を有している。第1層の平均層厚は0.10〜1.00μmがより好ましい。その理由は、この範囲にあるとより一層確実にステンレス鋼の連続切削加工において、優れた耐剥離性と耐チッピング性を発揮することができるためである。
下部層は、第1層の工具基体側にあるTiN層であり、Cを5.0〜35.0原子%含有し、TiN結晶粒子の平均粒径が30nm以下の層である。
Cを5.0〜35.0原子%含有しているため、TiN結晶粒子の平均粒径が30nm以下の微粒となり、工具基体に由来するW、Coが拡散する経路が多くなって、TiN結晶粒子の粒界はW、Coに富み、下部層は工具基体に強固に密着する。
ここで、Cの含有範囲を前記範囲とする理由は、5.0原子%未満であるとTiN結晶粒の平均粒径を十分に小さくすることができず、一方、35.0原子%を超えるとCが過剰になって、TiN層の靱性が損なわれるためである。
ここで、TiN粒子の粒界および粒内におけるCの含有量、および粒界のCo、Wの含有量は、粒界を、硬質被覆層の縦断面(工具基体に垂直な断面)を電界放出型電子顕微鏡で観察し、EsB検出器を用いた組成像により判断した後、それぞれ、透過型電子顕微鏡を用いて観察し、エネルギー分散型X線分光法により測定する。
そして、他の層の平均層厚も同様にして求めることができる。
上部層は第1層の第2層側にあるTiN層であり、TiNの平均粒径が50nm以上の層である。平均粒径を50nm以上とすることにより、W、Coが拡散する経路が少なくなり、第2層へのW、Coの拡散を防止することができ、上部層は拡散防止層の役割を果たすことできる。この役割をより確実に果たすためには、上部層のTiN結晶の粒界におけるW、Coの含有割合(測定方法は前述したとおり)は、それぞれ、1原子%以下となるようにすることよりが好ましい。
さらに、下部層と上部層の平均層厚比が(2.3〜3.5):1であれば、より確実に、優れた耐摩耗性、耐剥離性、および、耐チッピング性を発揮する。
まず、前述したように、工具基体に垂直な断面(縦断面)の電界放出型電子顕微鏡で観察を行い、EsB検出器を用いた組成像によりTiN結晶粒の粒界を判別する。次に、工具基体表面から層厚方向に工具表面に向かって3nm間隔で、工具基体に平行な直線を何本も引く。各直線の長さ(Li)は、それぞれ、TiN結晶粒子の粒界を67個以上貫通する長さとし、Liを貫通する67個以上のTiN結晶粒子の粒界数で除したものを平均粒径とする。
すなわち、各直線における平均粒径Di=Li/(TiN結晶粒子の粒界数)である。
第2層は、表面被覆切削工具に耐溶着性、耐チッピング性を与えるために設けるものであって、公知の表面被覆工具に硬質被覆層として用いられるものであればよい。その中で、特に、Alの酸化物層または窒化物層、あるいは、Tiの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、または、炭窒化酸化物層の少なくとも一つが好ましく、その合計平均層厚が1.0〜20.0μmであることが好ましい。
ここで、合計平均層厚を1.0〜20.0μmとする理由は、1.0μm未満では、第2層を設ける目的が十分に達成できず、20.0μmを超えると結晶粒が粗大化しやすくなり、耐チッピング性が低下するためである。
工具基体は、Coを含むWC超硬合金であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用できる。
本発明の被覆工具の第1層および第2層は、例えば、以下のようにして成膜することができる。
(1)成膜前の工程
反応ガス組成(容量%):N2:40.0〜60.0%、H2:残
反応雰囲気温度:900〜1100℃
反応雰囲気圧力:5.0〜20.0kPa
反応時間:120分〜180分
(2)下部層の成膜工程
反応ガス組成(容量%):TiCl4:3.5〜5.0%、N2:15.0〜35.0%、
H2:残
反応雰囲気温度:900〜1100℃
反応雰囲気圧力:5.0〜20.0kPa
(3)上部層の成膜工程
反応ガス組成(容量%):TiCl4:3.5〜5.0%、N2:40.0〜50.0%、
Ar:残
反応雰囲気温度:900〜1100℃
反応雰囲気圧力:5.0〜20.0kPa
第2層の成膜工程は、表面被覆工具硬質被覆層として用いられる公知のものでよい。例えば、第2層として好ましいAlの酸化物層または窒化物層、あるいは、Tiの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、または、炭窒化酸化物層の少なくとも一つを成膜するための公知の方法を適宜採用すればよい。
ここでは、本発明の被覆工具の具体例として、工具基体としてWC基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体は前述のとおりWCに限定されることはなく、また、工具としてドリル、エンドミル等に適用した場合も同様である。
(1)成膜前の工程
反応ガス組成(容量%):N2:40.0〜60.0%、H2:残
反応雰囲気温度:900〜1100℃
反応雰囲気圧力:5.0〜20.0kPa
反応時間:120分〜180分
(2)下部層の成膜工程
反応ガス組成(容量%):TiCl4:3.5〜5.0%、N2:15.0〜35.0%、
H2:残
反応雰囲気温度:900〜1100℃
反応雰囲気圧力:5.0〜20.0kPa
(3)上部層の成膜工程
反応ガス組成(容量%):TiCl4:3.5〜5.0%、N2:40.0〜50.0%、
Ar:残
反応雰囲気温度:900〜1100℃
反応雰囲気圧力:5.0〜20.0kPa
第2層の成膜工程(条件)は、表2に示したとおりである。
被削材:SUS304鋼の丸棒(φ 100mm)
切削速度:200m/分
切込み:1.5mm
1回転当たりの送り:0.3mm
切削時間:15分
被削材:SUS316鋼の丸棒(φ 100mm)
切削速度:150m/分
切込み:2.0mm
1回転当たりの送り:0.2mm
切削時間:15分
被削材:SUS630鋼の六角材(φ 80mm)
切削速度:100m/分
切込み:2.0mm
1回転当たりの送り:0.15mm
切削時間:15分
表4〜6の切削試験の結果から明らかなように、本発明被覆工具は、いずれの切削試験においても、高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して大きな負荷がかかるステンレス鋼の連続切削に対して優れた耐剥離性、耐チッピング性を発揮している。これに対して、第1層に下部層、上部層の少なくともいずれかを有していない比較被覆工具は、短時間で寿命にいったっている。
Claims (4)
- 工具基体と該工具基体の表面に第1層とその上部の第2層を含む複数の層を有する表面被覆切削工具であって、
前記第1層は、前記工具基体と接するTiN層であり、前記工具基体側にありTiN結晶粒子の平均粒径が30nm以下で、5.0〜35.0原子%のCを含む下部層と、前記第2層側にありTiN結晶粒子の平均粒径が50nm以上である上部層を有しており、
前記第2層は硬質被覆層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記下部層は0.07〜0.75μmの平均層厚であり、前記上部層は0.03〜0.25μmの平均膜厚であって、前記下部層と前記上部層の平均層厚比が(2.3〜3.5):1であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第2層は、Alの酸化物層または窒化物層、あるいは、Tiの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、または、炭窒化酸化物層の少なくとも一つであって、その合計平均層厚が1.0〜20.0μmであることを特徴とする請求項1または2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記下部層は、前記TiN結晶粒子の粒界に、Wを3.0〜15.0原子%、Coを3.0〜15.0原子%含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
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