JP3003986B2 - 表面被覆超硬合金製スローアウェイインサート - Google Patents
表面被覆超硬合金製スローアウェイインサートInfo
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Description
極めて優れる表面被覆超硬合金製スローアウェイインサ
ートに関するものである。
超硬合金の表面に被覆させることに関しては、特公平４
ー５３６４２号など、従来のＴｉの窒化物、炭窒化物、
及び炭化物に対して、Ａｌを添加することにより、その
効果を確認した事例は数多くある。しかしながら、これ
らの確認事例は、従来の皮膜組成にＡｌを添加すること
による耐酸化性が向上するといった硬質皮膜そのものの
改善が行われたにすぎない。従って、表面被覆超硬合金
製スローアウェイインサートにおいて、十分に皮膜の密
着性が得られていないのが現状である。特に最近におい
ては、熱処理後の高硬度鋼材を加工する傾向にあり、こ
の様な鋼材を従来のＴｉ及びＡｌを主成分とした表面被
覆超硬合金製スローアウェイインサートを用いて加工し
た場合、耐酸化性が不十分になること、また、切削応力
が高く容易に皮膜剥離が生じてしまい、十分な工具寿命
が得られない。
覆超硬合金製スローアウェイインサートにおける耐酸化
性、及び耐剥離性を改善すべく鋭意研究を重ねた結果、
次の知見を得た。最近の高硬度鋼材をスローアウェイイ
ンサートを用いて切削加工をした場合、インサート先端
部分は、７００℃〜８００℃の高温にさらされる。従来
のＴｉ及びＡｌを主成分とした超硬合金製スローアウェ
イインサートに被覆した場合、鋼と皮膜との摩擦抵抗が
大きく、切削加工中におけるインサート先端部分は、更
に高温にさらされ、８５０℃〜９００℃にまで達する。
よって、この様な表面被覆超硬合金製スローアウェイイ
ンサートにおいては、皮膜自身の耐酸化性の限界を超え
てしまい、例えば、ＴｉＯ2 等といった非常にポーラス
な酸化膜が形成される。また、この様な切削温度の場
合、皮膜の酸化だけでは免れず、超硬合金基体にまで酸
化が及んでしまう。その結果、皮膜、基体ともに脆弱な
ものとなり、欠損や剥離を生じ不十分な工具寿命となる
のである。また、切削加工中、表面被覆スローアウェイ
インサートに付与される切削応力は、非常に高いために
皮膜が剥離し、やはり不十分な工具寿命となるのであ
る。上記のように、この様な高硬度鋼材の加工に対して
更に長い工具寿命、すなわち耐酸化性及び切削初期から
終期にわたり耐剥離性を改善し、膜本来の耐摩耗性が発
揮できるような密着性を高めること課題としたものであ
る。
観点から更に鋭意研究を行った結果、ＴｉとＡｌの複合
窒化物、炭窒化物、炭化物を被覆したスローアウェイイ
ンサートにおいて、その皮膜のＸ線回折における（１１
１）面の回折強度をＩａ（１１１）、（２２０）面の回
折強度をＩｂ（２２０）とした時にＩｂ（２２０）／Ｉ
ａ（１１１）の値が１．０＜Ｉｂ／Ｉａ≦５．０の範囲
とし、さらには（２００）面の回折強度をＩｃ（２０
０）とした時に、Ｉｃ（２００）／Ｉａ（１１１）の値
が２．０≦Ｉｃ／Ｉａ≦４０．０、且つ、Ｉｂ／Ｉａ＜
Ｉｃ／Ｉａの範囲とし、またＡｌの一部をＡｌに対して
０．０３原子％以上３０．０原子％以下の範囲でＺｒ、
Ｈｆ、Ｙ、Ｓｉのうち１種もしくは２種以上に置き換え
たインサートである。
（１１１）、（２００）、（２２０）面の回折強度Ｉ
が、Ｉ（１１１）＜Ｉ（２２０）≦Ｉ（２００）となる
ことで、皮膜の耐酸化性及び皮膜と超硬合金基体との密
着性が大幅に改善できることを見い出した。通常、従来
のＴｉ及びＡｌを主成分とする硬質皮膜のうち（１１
１）面に強い配向を示す皮膜は、非常に微細な柱状晶の
構造をとる。また、皮膜内部の残留応力も非常に大きい
ため、粒界破壊を生じる。この様に微細な柱状晶を持つ
皮膜は、その粒界に生じた微細なクラックに沿って酸素
が侵入する。切削加工中では、８５０℃〜９００℃もの
高温にさらされるため侵入してきた酸素の拡散エネルギ
ーが更に大きくなり、皮膜中の成分との酸化反応が促進
され、ついには、超硬合金基体にまで酸化が及んでしま
うのである。また、この様な皮膜は、被加工物との衝撃
により皮膜中にクラックが伝播し易く、容易に欠損や剥
離に至ってしまう。
ける（１１１）面と（２２０）面の回折強度をそれぞれ
Ｉａ（１１１）、Ｉｂ（２２０）とした場合、Ｉｂ（２
２０）／Ｉａ（１１１）の値が、１．０＜Ｉｂ（２２
０）／Ｉａ（１１１）≦５．０の範囲で皮膜の結晶粒径
が大きくなることを見い出したのである。また、皮膜の
結晶粒径が大きくなることで、粒界破壊が減少し、この
現象が密着性及び耐酸化性に大きく影響を及ぼすことを
見い出した。この数値を限定したのは、Ｉｂ／Ｉａ≦
１．０、Ｉｂ／Ｉａ＞５．０であると微細な粒界破壊を
多く持つ（１１１）面に強く配向する皮膜となり、結晶
状態に変化が見られず、切削加工を行っても密着性な
ど、効果が見られなかったため上記範囲に限定した。
面と（２００）面の回折強度をそれぞれ、Ｉａ（１１
１）、Ｉｃ（２００）とした場合、Ｉｃ（２００）／Ｉ
ａ（１１１）の値が２．０≦Ｉｃ／Ｉａ≦４０．０の範
囲で皮膜の粒界破壊の減少が認められ、前述同様大きな
影響を及ぼすことを見い出した。この数値に限定したの
は、前述同様Ｉｃ／Ｉａ＞２．０、Ｉｃ／Ｉａ＞４０．
０となる皮膜は、結晶に変化が見られないためである。
更に、皮膜のＸ線強度について、Ｉｂ／Ｉａ＜Ｉｃ／Ｉ
ａと限定した理由について述べる。Ｉａ（１１１）、Ｉ
ｂ（２２０）、Ｉｃ（２００）とした場合、Ｉｂ／Ｉａ
＞Ｉｃ／Ｉａとなると皮膜中の粒界破壊が増加し、微細
な柱状晶となってしまい、目的とする効果が得られなく
なるため、Ｉｂ／Ｉａ＞Ｉｃ／Ｉａとしたわけである。
物、炭窒化物、炭化物において、Ａｌの一部をＡｌに対
して０．０３原子％以上１０．０原子％以下の範囲でＺ
ｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｉのうち１種もしくは２種以上の成分
に置き換えることにより、更に耐酸化性及び超硬合金基
体との密着性が向上することを見い出した。これらの成
分の添加により粒界破壊は、著しく減少するためであ
る。例えば、添加成分をＸとした場合、皮膜が大気中の
高温にさらされると従来のＴｉとＡｌを主成分とした皮
膜の場合、ＴｉＯ2と言ったような非常にポーラスな酸
化膜が形成されてしまったが、添加成分Ｘを加えること
により、（Ｔｉ，Ｘ）Ｏ2といった緻密な酸化膜が形成
され、外部の酸化が皮膜中に侵入してくる量が著しく減
少することを見い出した。この添加成分の添加量を限定
した理由について述べる。添加成分Ｘがいずれのもので
あっても、Ａｌに対し０．０３原子％未満である場合、
粒界破壊を減少させる効果は認められなかった。また、
切削加工中に形成される酸化膜もＴｉＯ2及びＸＯ2が主
体の非常にポーラスな酸化膜を形成し、本発明者らが目
的とする効果が認められなかった。また、添加成分Ｘが
Ａｌに対し、３０．０原子％より多く添加されると皮膜
の残留圧縮応力が、−８．０〜−１０．０ＧＰａと非常
に大きくなり、超硬合金基体との密着性が著しく劣化す
ることを確認した。更に、本発明者らが発明した、Ｔｉ
及びＡｌの窒化物、炭窒化物及び炭化物の皮膜と比較し
て熱膨張率が、１．５倍以上になることが認められ、皮
膜の高温物性を低下させるため、この範囲に限定したの
である。以下、実施例に基づいて詳細に説明する。
ようにＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物、及び炭化物
を３μｍの膜厚になるようにＳＥＥ４２ＴＮ−Ｇ９型超
硬合金製スローアウェイインサートに被覆した。また、
この時の比較のため発明品を作成した装置を用いて、比
較材を作成した。これらの試料を用いて正面フライス盤
を用いてフライス切削を切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、１
刃当たりの送り量０．１ｍｍ／刃、切り込み深さ２ｍ
ｍ、被削材にＳＫＤ６１（ＨＲＣ４５）材、１２５ｍｍ
巾、２５０ｍｍ長さを用い乾式で行い、作成した表面被
覆超硬合金製スローアウェイインサートに剥離が発生す
るまでの切削可能距離を表１に併記した。
２．０≦Ｉｃ／Ｉａ≦４０．０でＩｂ／Ｉａ＜Ｉｃ／Ｉ
ａの時に、本発明品は、著しく耐剥離性が向上すること
が分かる。この試験は、正常に摩耗が進行するか否かを
見るためのものであり、いかに硬く、酸化しない膜を被
覆しても切削時の抵抗により剥がれては意味のないもの
となる。本発明品は高硬度材切削による喰い付き時の繰
り返し衝撃、例えば試料番号１では１．１６ｍとなって
いるが、１１，６００回の喰い付きまでは皮膜の剥離が
生じないとを表している。
物、炭窒化物、及び炭化物のうち、Ａｌの一部をＡｌに
対して０．０３原子％以上３０．０原子％以下の範囲の
組成になるようにＺｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｉのうち１種もし
くは２種以上添加して表２に示すような成分の皮膜を、
所定の試験片に３μｍの厚さになるように被覆した。そ
の試料を用いて大気中８００℃で１時間保持し、形成さ
れた酸化層の厚さを測定した。その結果も表２に併記す
る。
し耐酸化性に酸化の進行が食い止められ、特に同一成分
の膜であってもＸ線回折の違いにより全く異なる酸化挙
動を示すことが分かった。また、Ａｌの一部を添加元素
により置換した試料は酸化をより食い止めることができ
た。
ローアウェイインサートに３μｍの厚さになるよう被覆
し、実施例１に示す切削条件にて切削試験を行い、作成
した皮膜の剥離が発生するまでの切削可能距離を表２に
併記した。表２より、本発明品は、摩耗が正常な状態で
進行し、膜本来の耐摩耗性を発揮させることが出来た。
金製スローアウェイインサートを使用した工具は、高硬
度鋼材の切削において、剥離せず、酸化しずらいため、
優れた工具寿命が得られる。
Claims (3)
- 【請求項１】 ＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物、炭
化物を被覆したスローアウェイインサートにおいて、そ
の皮膜のＸ線回折における（１１１）面の回折強度をＩ
ａ（１１１）、（２２０）面の回折強度をＩｂ（２２
０）とした時にＩｂ（２２０）／Ｉａ（１１１）の値が
１．０＜Ｉｂ／Ｉａ≦５．０の範囲としたこと特徴とす
る表面被覆超硬合金製スローアウェイインサート。 - 【請求項２】 請求項１記載の表面被覆超硬合金製スロ
ーアウェイインサートにおいて、その皮膜のＸ線回折に
おける（１１１）面の回折強度をＩａ（１１１）、（２
００）面の回折強度をＩｃ（２００）とした時にＩｃ
（２００）／Ｉａ（１１１）の値が２．０≦Ｉｃ／Ｉａ
≦４０．０、且つ、Ｉｂ／Ｉａ＜Ｉｃ／Ｉａの範囲とし
たことを特徴とする表面被覆超硬合金製スローアウェイ
インサート。 - 【請求項３】 請求項１乃至２の表面被覆超硬合金製ス
ローアウェイインサートにおいて、Ａｌの一部をＡｌに
対して０．０３原子％以上３０．０原子％以下の範囲で
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｉのうち１種もしくは、２種以上に
置き換えたことを特徴とする表面被覆超硬合金製スロー
アウェイインサート。
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8150100A JP3003986B2 (ja) | 1996-05-21 | 1996-05-21 | 表面被覆超硬合金製スローアウェイインサート |
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-
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