JP3229947B2 - 表面被覆スローアウェイインサート - Google Patents

表面被覆スローアウェイインサート

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順彦 島
和幸 久保田
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Hitachi Tool Engineering Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は耐欠損性、耐剥離性に富
む被覆スローアウェイインサートに関する。
【0002】
【従来の技術】TiとAlを主成分をする硬質被覆部材
に関しては、古くは特公平4−53642号、特公平5
−67705号の各公報にみられるようにTiN皮膜に
対し、Al添加効果を確認した数多くの報告がある。し
かしながら、これらの発明においてはAl添加による皮
膜の耐酸化性の向上、並びに皮膜物性の改善が認められ
たにすぎず、被覆スローアウェイインサートにおいて、
十分に満足される皮膜の密着性を得るに至っていない。
特に最近では金型加工において金型が熱処理後に加工さ
れる傾向が強く、熱処理後の高硬度スチールを加工する
場合においては、従来のTiとAlを主成分とするスロ
ーアウェイインサートにおいては、切削加工中に皮膜の
剥離が発生し易く、剥離により工具寿命が決定され満足
される工具寿命は得られるに至っていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、この様
な問題点を解決すべく、ロックウェル硬度40(Cスケ
ール)を越える高硬度スチールの切削加工評価におい
て、皮膜の密着性を改善すべく鋭意研究を重ねた結果、
次のような事実を見出すに至った。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明に至った第1の知
見は、金型を加工する場合、スローアウェイインサー
ト、エンドミル、ドリルといった種々の工具が用いられ
るわけであるが、それぞれにおいて切削メカニズムの相
違により最適な皮膜設計が異なるべきであることを見出
した点にある。スローアウェイインサートにおいては、
一般的には1刃当たりの送り量が0.1mmを越える場
合が多く、特に高硬度スチール切削において、切削応力
が極めて高く皮膜の剥離が発生し易い。更に、切削温度
が800℃以上に達し、皮膜の高温物性が工具寿命を決
定することが特徴であり、また、刃先が高温になるため
勿論皮膜の耐酸化性も重要な因子となる。従って、高硬
度材のスローアウェイインサートによる切削加工におい
ては、これらの知見を基に皮膜の密着性、高温物性、耐
酸化性を向上せしめることが工具寿命を大幅に改善する
ことになるわけである。
【0005】
【作用】第2の知見は、第1の知見に対し皮膜のX線回
折における(200)面の配向が、皮膜に密着し、高温
物性、耐酸化性を支配することを見出した点にある。つ
まり、(200)面の配向が(111)面の配向より強
くなるに伴い、皮膜の柱状結晶粒径は大きくなり、室温
における靱性を向上させることが可能であるとの結論を
得た。皮膜の剥離はスローアウェイインサートが被加工
物にぶつかるときの極めて高い衝撃力により、皮膜の内
部破壊に起因し発生する場合が多い。スローアウェイイ
ンサートが被削材に食い付くときは比較的温度が低いた
め、皮膜の室温での靱性を高めることが皮膜の内部破壊
を抑制し、前述の高硬度材料切削に対する必要条件の1
つである皮膜の密着性を向上させることに対して極めて
重要であることを見出した。更に、皮膜を(200)面
に配向させることにより、前述の柱状晶結晶粒径粗大化
により、皮膜中の総粒界面積を減少させることができ
る。
【0006】本発明者等の研究によれば、皮膜の酸化の
進行は粒界を介して進行することが確認されており、粒
界面積を減少させることが高硬度材切削に対するもう1
つの必要条件である皮膜の耐酸化性向上に対し、極めて
重要であることは言うまでもない。更に、皮膜が(20
0)面に配向した場合、粒界における欠陥が少なくなる
知見を得ており、この欠陥が少ないことが更に皮膜の耐
酸化性を向上せしめているものとも考えられる。また、
柱状結晶粒を粗大化させることが高温において皮膜の塑
性変形の発生を抑制し、結果的に高温硬度を高めるとい
う知見を得た。このことにより、高硬度材切削における
もう1つの必要条件である高温物性を大巾に改善するこ
とが可能である。
【0007】本発明に至った第3の知見は、上述の(2
00)面に配向せしめたTiとAlの窒化物、炭窒化
物、炭化物皮膜と基体との間にTiの窒化物、炭窒化物
を中間層として用いることにより、更に皮膜の密着性を
向上させることが可能なことを見出した点である。一般
にAlを含有する皮膜を物理蒸着法、特にアークイオン
プレーティング法で蒸着する場合、Alの融点が低いた
めにAl成分に富んだ粗大粒子がターゲットから飛散
し、皮膜の面粗さを悪くする傾向にある。基体のコーテ
ィング初期の段階ではこの様な減少を避け緻密な皮膜を
成膜することが密着性向上に対し効果的であり、Alを
含有しないTiを主成分とするその窒化物、炭窒化物か
らなる中間層を設けることが密着性向上に対し好ましい
結果となる。特に(200)面に配向した、TiとAl
を含む皮膜に対しては、同じく(200)面に配向した
中間層を用いることによりTiとAlを含む皮膜が中間
層に対し、エピタキシャル成長する確率が高く、いっそ
う密着性を改善せしめる。
【0008】本発明に至った第4の知見は前述の切削時
に熱の発生を抑制することにより、より一層工具寿命を
向上させることが可能であることを見出した点にある。
TiとAlの複合窒化物、炭窒化物、炭化物は一般に鋼
に対する摩擦係数が0.40〜0.45と高く、切削時
に刃先が高温になり易い、本発明者等の研究によれば、
これらの皮膜に酸素を含有させることにより、摩擦係数
の低減が可能となり、最外層に用いることにより切削熱
の低減による更なる工具寿命の向上を確認することが出
来た。更には、Tiの炭窒化物、炭酸窒化物、Alの酸
化物の順で更に摩擦係数の低減が計れ、これらの皮膜を
最外層に用いることにより、より一層の工具寿命の向上
を認めるに至った。更に、皮膜の表面を機械的にラップ
し、表面粗さを1μm以下とすることにより、更に摩擦
係数の低減が可能であり、工具寿命を向上させることが
可能である。
【0009】本発明に至った第5の知見は、TiとAl
の複合窒化物、炭窒化物、炭化物にZr、Hf、Y、S
i、W、Crのうち1種もしくは2種以上の成分をTi
に対し、0.05at%から60at%の範囲で置き換
えることにより、より一層の耐酸化性の向上を可能にし
た点にある。これらの成分の添加により、結晶粒界の結
果が限定され皮膜の酸化速度を抑制することが可能であ
ると共に切削加工中に皮膜表面に形成される酸化物層が
より緻密な構造となり、酸素の皮膜内部への拡散を抑制
し皮膜の酸化速度を極めて遅くすることが可能である。
これらの理由については更に研究中である。
【0010】本発明に至った第6の知見は、切削中に発
生する剥離に対する見かけ上の皮膜の密着力(σ1
が、σ2を母材−皮膜界面の密着力、σ3残留圧縮応力と
した時に σ1=σ2−k・σ3(kは定
数) で表されることを見出した点にある。従って、皮膜の残
留応力が高すぎると見かけ上の密着力が低下してしまう
ため、残留応力をある範囲に制御することが皮膜の密着
性を劣化を防ぐわけである。
【0011】次に数値限定をした理由を述べる。(20
0)面の回折強度I(200)(111)面の回折強度
をI(111)とした時、I(200)/I(111)
を1以上とした理由は、(111)面の配向が強くなり
本値が1を下回ると柱状晶層の粒径が細かくなり、室温
靱性の劣化、耐酸化性の劣化、高温高度の低下をもたら
すため1以上とした。
【0012】中間層として用いるTiも窒化物、炭窒化
物層の膜厚は、0.05μm未満であると密着性改善に
対し効果がなく、5μmを越えると皮膜全体の耐摩耗性
を損なうため0.05μm以上5μm以下とした。耐酸
化性向上のため添加するY等の成分は、0.05原子%
以下では耐酸化性に対する効果が少なく60原子%を越
えてTiを置き換えると耐摩耗性を劣化させるため0.
05原子%以上60原子%以下とした。
【0013】残留圧縮応力は、5GPaを越えると密着
性がスローアウェイインサートの使用条件において必要
限を下回り、1GPa以下であると熱クラックが発生し
易くなるため1GPa以上5GPa以下とした。以下、
実施例に基づき本発明を説明する。
【0014】
【実施例】
実施例1 小型アークイオンプレーティング装置を用い表1に示す
条件において、TiとAlの複合窒化物、炭窒化物を5
μmの厚さになるようコーティングを行った。
【0015】
【表1】
【0016】得られたインサートを次の条件においてフ
ライス切削した時の剥離発生までの可能切削距離を表1
に併記した。表1に示されたコーティング条件は装置の
大きさ等により、I(200)/I(111)の値と1
対1に対応はしない。また、切削諸元は、被削材SKD
61(HRC45)、切削速度:100m/分、送り:
0.1mm/刃、切り込み量:2.0mm、インサート
形状:SEE42TN(G9)である。表1より、I
(200)/I(111)が1以上である本発明被覆ス
ローアウェイインサートは格段に剥離に対し効果的であ
ることが認められる。
【0017】実施例2 実施例1で用いた実験装置を用い、表2に示す皮膜構造
となるようにコーティングを行った。膜厚は、5μmに
統一した。実施例1と同一な切削評価を行い、工具寿命
を評価した。その結果を表2に併記する。
【0018】
【表2】
【0019】表2より、1以上のI(200)/I(1
11)値を有する本発明合金に中間層あるいは、最外層
を設けることにより、より一層工具寿命を向上させるこ
とが認められる。また、Al23が最外層として最も効
果的である。本実施例のAl23はTiAl層をコーテ
ィング後プラズマCVDにより0.5μm成膜したもの
である。
【0020】実施例3 実施例1で用いた実験装置を用い表3に示す種々の組成
の(TiAlX)N皮膜を作成した。コーティングされ
た試験片を大気炉中で750℃、30分間保持し、形成
された酸化層の厚みを測定した。その結果も表3に併記
する。
【0021】
【表3】
【0022】表3から明らかなように、Y、Si、W、
Cr、Zr、Hfの添加により皮膜の耐酸化性の改善が
可能である。
【0023】
【発明の効果】本発明を適用することにより、ロックウ
ェル硬度40(Cスケール)を越える高硬度鋼の切削加
工においても十分な皮膜の密着性を保つことが出来、金
型を加工する場合において適用されるスローアウェイイ
ンサートを使用した正面フライス、エンドミル、ドリル
等の様々な工具に適用することが出来る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島 順彦 千葉県成田市新泉13番地の2 日立ツー ル株式会社 成田工場内 (72)発明者 久保田 和幸 千葉県成田市新泉13番地の2 日立ツー ル株式会社 成田工場内 (56)参考文献 特開 平4−103754(JP,A) 特開 平6−210502(JP,A) 特開 平7−108404(JP,A) 特開 平5−177413(JP,A)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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、被
    覆層のX線回折における(111)面の回折強度をI
    (111)、(200)面の回折強度をI(200)と
    した時にI(200)/I(111)の値が1以上にな
    ることを特徴とする表面被覆スローアウェイインサー
    ト。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の表面被覆スローアウェイ
    インサートにおいて、基体とTiとAlの複合窒化物、
    炭窒化物、炭化物被覆層の間に、0.05μm以上5.
    0μm以下の膜厚を有するTiの窒化物、炭窒化物を中
    間層として用いたことを特徴とする表面被覆スローアウ
    ェイインサート。
  3. 【請求項3】 請求項1及び2記載の表面被覆スローア
    ウェイにインサートおいて、TiとAlの複合窒化物、
    炭窒化物、炭化物層の上に、更にTiの炭窒化物、炭酸
    窒化物、TiとAlの複合窒酸化物、炭酸窒化物、炭酸
    化物、酸化物、Alの酸化物のうち1種の単層もしくは
    2種以上の被層を被覆したことを特徴とする表面被覆ス
    ローアウェイインサート。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3記載の表面被覆スローア
    ウェイインサートにおいて、Tiの1部をTiに対し
    0.05原子%以上60原子%以下の範囲でZr、H
    f、Y、Si、W、Cr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スローアウェイイ
    ンサート。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至4記載の表面被覆スローア
    ウェイインサートにおいて、TiとAlの複合窒化物、
    炭窒化物、炭化物に残留する圧縮応力が、1Gpa以上
    5Gpaであることを特徴とする表面被覆スローアウェ
    イインサート。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至4記載の表面被覆スローア
    ウェイインサートにおいて、スローアウェイインサート
    のすくい面側の面粗さを1μm以下にしたことを特徴と
    する表面被覆スローアウェイインサート。
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