JP3508746B2 - 高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、特に鋼や鋳鉄な
どの高速切削ですぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮す
る表面被覆超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具と
いう）に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】一般に、切削工具には、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スローアウエイチッ
プ、前記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、さらに前記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、また前記スローアウエイチップを着
脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと
同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具な
どが知られている。 【０００３】また、一般に、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
ティング装置を用い、基本的に、例えば雰囲気を１．３
×１０-3Ｐａの真空として、ヒータで装置内を５００℃
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Ｔｉ−Ｖ合金がセットされたカソード電極（蒸発
源）との間に、例えば電圧：３５Ｖ、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、一方炭化タングステン（以
下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以
下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットからなる基体（以
下、これらを総称して超硬基体と云う）には、例えば−
１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬基
体の表面に、例えば特許第３０４５１８４号明細書に記
載されるように、ＴｉとＶの複合窒化物［以下、（Ｔ
ｉ，Ｖ）Ｎで示す］で構成された硬質被覆層を１〜１０
μｍの平均層厚で蒸着することにより被覆超硬工具を製
造することが知られている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】近年の切削加工装置の
ＦＡ化および高性能化はめざましく、一方で切削加工に
対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求
は強く、これに伴い、切削加工は高速化を追求する傾向
にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを
鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工に用いた場合に
は問題はないが、これを高速切削に用いた場合には、切
刃部の熱塑性変形が原因で偏摩耗が発生し、この結果摩
耗進行が著しく促進されるようになり、比較的短時間で
使用寿命に至るのが現状である。 【０００５】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、特に鋼や鋳鉄などの高速切削加
工に用いた場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮する被覆
超硬工具を開発すべく研究を行った結果、上記の従来被
覆超硬工具の硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層の
組成を、組成式：（Ｔｉ1-XＶX）Ｎで表わした場合、原
子比で、Ｘ：０．２０〜０．５５を満足するものに特定
した上で、これにＳｉをＴｉおよびＶの合量に占める割
合（原子比）で、０．０１〜０．２５を満足する割合で
固溶含有させると、この結果の硬質被覆層はすぐれた耐
熱塑性変形性を具備するようになることから、この硬質
被覆層を物理蒸着してなる被覆超硬工具は、これを高速
切削加工に用いても切刃部に偏摩耗の発生なく、かつ欠
けやチッピング（微小欠け）などの発生もなく、すぐれ
た耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになる、という
研究結果を得たのである。 【０００６】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、超硬基体の表面に、組成式：（Ｔ
ｉ1-(X+Y)ＶXＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．
２０〜０．５５、Ｙは０．０１〜０．２５を示す）を有
するＴｉとＶとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｖ，
Ｓｉ）Ｎで示す］からなる硬質被覆層を１〜１０μｍの
平均層厚で物理蒸着してなる、高速切削ですぐれた耐摩
耗性を発揮する被覆超硬工具に特徴を有するものであ
る。 【０００７】なお、この発明の被覆超硬工具において、
硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ｖ，Ｓｉ）ＮにおけるＶ
はＴｉＮに対して硬さおよび耐熱性を向上させるために
固溶するものであり、したがって組成式：（Ｔｉ
1-(X+Y)ＶXＳｉY）ＮのＸ値が原子比で０．２０未満で
は所望の硬さおよび耐熱性を確保することができず、一
方そのＸ値が同０．５５を越えると、ＴｉＮによっても
たらされるすぐれた靭性が急激に低下するようになり、
切刃部に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由
で、Ｘ値を原子比で０．２０〜０．５５、望ましくは
０．３〜０．５と定めた。 【０００８】また、硬質被覆層におけるＳｉは、上記の
通り硬質被覆層にすぐれた耐熱塑性変形性を具備せし
め、もって高い発熱を伴なう高速切削でも切刃部におけ
る偏摩耗の発生を著しく抑制し、硬質被覆層がすぐれた
耐摩耗性を発揮するようにする作用をもつが、組成式：
（Ｔｉ1-(X+Y)ＶXＳｉY）ＮのＹ値が原子比で０．０１
未満では所望のすぐれた耐熱塑性変形性を硬質被覆層に
付与せしめることができず、一方そのＹ値が同０．２５
を超えるとＶ同様に靭性が急激に低下するようになるこ
とから、Ｙ値を０．０１〜０．２５、望ましくは０．１
〜０．２と定めた。 【０００９】さらに、硬質被覆層の平均層厚を１〜１０
μｍとしたのは、その層厚が１μｍでは所望のすぐれた
耐摩耗性を長期に亘って確保することができず、一方そ
の層厚が１０μｍを越えると、硬質被覆層の剥離が発生
し易くなるという理由によるものである。 【００１０】 【発明の実施の形態】つぎに、この発明の被覆超硬工具
を実施例により具体的に説明する。 （実施例１）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、Ｖ
Ｃ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 粉末、Ｔ
ｉＮ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、１００ＭＰ
ａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐ
ａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼
結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０５のホーニング加
工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８の形状を
もったＷＣ基超硬合金製のチップ超硬基体Ａ１〜Ａ１０
を形成した。 【００１１】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（重量比でＴｉＣ／
ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ2 Ｃ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、切刃
部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規
格・ＣＮＭＧ１２０４０８の形状をもったＴｉＣＮ系サ
ーメット製のチップ超硬基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。 【００１２】ついで、これらのチップ超硬基体Ａ１〜Ａ
１０およびＢ１〜Ｂ６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、それぞれ図１に例示される
通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、一方
カソード電極（蒸発源）として種々の組成をもったＴｉ
−Ｖ−Ｓｉ合金またはＴｉ−Ｖ合金を装着し、装置内を
排気して１．３×１０-3Ｐａ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、Ａｒガスを装
置内に導入して２．５ＰａのＡｒ雰囲気とし、この状態
で超硬基体に−８００ｖのバイアス電圧を印加して超硬
基体表面をＡｒガスボンバート洗浄し、ついで装置内を
２．５Ｐａの窒素ガス（反応ガス）の雰囲気とすると共
に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−１００ｖ
に下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にア
ーク放電を発生させ、もって前記超硬基体Ａ１〜Ａ１０
およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、表３、４に示さ
れる目標組成および目標層厚の硬質被覆層を蒸着するこ
とにより、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆
超硬合金製スローアウエイチップ（以下、本発明被覆超
硬チップと云う）１〜１８、および従来被覆超硬工具と
しての従来表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ
（以下、従来被覆超硬チップと云う）１〜１８をそれぞ
れ製造した。 【００１３】なお、この結果得られた本発明被覆超硬チ
ップ１〜１８および従来被覆超硬チップ１〜１８の硬質
被覆層について、その厚さ断面中央部をオージェ分光分
析装置を用いて測定したところ、それぞれ表３、４に示
される目標組成（目標Ｘ値および目標Ｙ値）と実質的に
同じ値を示し、またその厚さを、走査型電子顕微鏡を用
いて測定したところ、いずれも同じく表３、４に示され
る目標層厚と実質的に同じ平均値（５点測定の平均値）
を示した。 【００１４】つぎに、この結果得られた各種の被覆超硬
チップを工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止
めした状態で、上記本発明被覆超硬チップ１〜１０およ
び従来被覆超硬チップ１〜１０については、 被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、 切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：２ｍｍ、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：１０分、 の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、 被削材：ＪＩＳ・Ｓ４０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入
り丸棒、 切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：１．５ｍｍ、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：１０分、 の条件での炭素鋼の乾式高速断続旋削加工試験を行い、
また上記本発明被覆超硬チップ１１〜１８および従来被
覆超硬チップ１１〜１８については、 被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、 切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：１．５ｍｍ、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：１０分、 の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、 被削材：ＪＩＳ・Ｓ４０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入
り丸棒、 切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：１ｍｍ、 送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：１０分、 の条件での炭素鋼の乾式高速断続旋削加工試験を行い、
いずれの旋削加工試験でも切刃部の逃げ面摩耗幅を測定
した。この測定結果を表３、４に示した。 【００１５】 【表１】 【００１６】 【表２】 【００１７】 【表３】 【００１８】 【表４】【００１９】（実施例２）原料粉末として、平均粒径：
５．５μｍを有する中粗粒ＷＣ粉末、同０．８μｍの微
粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍ
のＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μ
ｍのＣｒ3Ｃ2粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０
μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ粉末、同１．８μｍのＣｏ粉末、
および同１．２μｍの炭素（Ｃ）粉末を用意し、これら
原料粉末をそれぞれ表５に示される配合組成に配合し、
さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミ
ル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定
形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体
を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３
７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この
温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が８
ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種の超硬基体形成
用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体
から、研削加工にて、表５に示される組合せで、切刃部
の直径×長さがそれぞれ６ｍｍ×１３ｍｍ、１０ｍｍ×
２２ｍｍ、および２０ｍｍ×４５ｍｍの寸法をもち、か
つ６枚刃スクエア形状のエンドミル超硬基体ａ〜ｈをそ
れぞれ製造した。 【００２０】ついで、これらのエンドミル超硬基体ａ〜
ｈ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、同じく図１に例示される通常のアークイオンプレ
ーティング装置に装入し、上記実施例１と同一の条件
で、表６に示される目標組成および目標層厚をもった硬
質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆超硬工具と
しての本発明表面被覆超硬合金製エンドミル（以下、本
発明被覆超硬エンドミルと云う）１〜８および従来被覆
超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製エンドミル
（以下、従来被覆超硬エンドミルと云う）１〜８をそれ
ぞれ製造した。 【００２１】また、この結果得られた本発明被覆超硬エ
ンドミル１〜８および従来被覆超硬エンドミル１〜８の
硬質被覆層について、その厚さ断面中央部をオージェ分
光分析装置を用いて測定したところ、それぞれ表６に示
される目標組成と実質的に同じ値を示し、またその厚さ
を、走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれ
も同じく表６に示される目標層厚と実質的に同じ平均値
（５点測定の平均値）を示した。 【００２２】つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１
〜８および従来被覆超硬エンドミル１〜８のうち、本発
明被覆超硬エンドミル１〜３および従来被覆超硬エンド
ミル１〜３については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１の板材、 切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、 半径方向切り込み：０．２ｍｍ、 軸方向切り込み：６ｍｍ、 テーブル送り：４００ｍｍ／ｍｉｎ．、 の条件での焼き入れ鋼の乾式高速側面切削加工試験、本
発明被覆超硬エンドミル４〜６および従来被覆超硬エン
ドミル４〜６については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ１１の板材、 切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、 半径方向切り込み：０．４ｍｍ、 軸方向切り込み：１２ｍｍ、 テーブル送り：６５０ｍｍ／ｍｉｎ．、 の条件でのダイス鋼の乾式高速側面切削加工試験、本発
明被覆超硬エンドミル７〜８、および従来被覆超硬エン
ドミル７〜８については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、 切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．、 半径方向切り込み：０．８ｍｍ、 軸方向切り込み：２４ｍｍ、 テーブル送り：３５０ｍｍ／ｍｉｎ．、 の条件での炭素鋼の乾式高速側面切削加工試験、をそれ
ぞれ行い、いずれの切削加工試験でも切刃部の外周刃の
逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる０．１ｍｍに至
るまでの切削長を測定した。この測定結果を表６にそれ
ぞれ示した。 【００２３】 【表５】 【００２４】 【表６】 【００２５】（実施例３）上記の実施例２で製造した直
径が８ｍｍ（超硬基体ａ〜ｃ形成用）、１３ｍｍ（超硬
基体ｄ〜ｆ形成用）、および２６ｍｍ（超硬基体ｇ、ｈ
形成用）の３種の丸棒焼結体を用い、この３種の丸棒焼
結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれ
ぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ（超硬基体ａ’〜ｃ’）、８ｍｍ
×２２ｍｍ（超硬基体ｄ’〜ｆ’）、および１６ｍｍ×
４５ｍｍ（超硬基体ｇ’、ｈ’）の寸法をもったドリル
超硬基体ａ’〜ｈ’をそれぞれ製造した。 【００２６】ついで、これらのドリル超硬基体ａ’〜
ｈ’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に例示される通常
のアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施
例１と同一の条件で、表７に示される目標組成および目
標層厚をもった硬質被覆層を蒸着することにより、本発
明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製ドリ
ル（以下、本発明被覆超硬ドリルと云う）１〜８、およ
び従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製ド
リル（以下、従来被覆超硬ドリルと云う）１〜８をそれ
ぞれ製造した。 【００２７】さらに、この結果得られた本発明被覆超硬
ドリル１〜８および従来被覆超硬ドリル１〜８の硬質被
覆層についても、その厚さ断面中央部をオージェ分光分
析装置を用いて測定したところ、それぞれ表７に示され
る目標組成と実質的に同じ値を示し、またその厚さを、
走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも同
じく表７に示される目標層厚と実質的に同じ平均値（５
点測定の平均値）を示した。 【００２８】つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜８
および従来被覆超硬ドリル１〜８のうち、本発明被覆超
硬ドリル１〜３および従来被覆超硬ドリル１〜３につい
ては、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、 切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、 の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（水溶
性切削油使用）、本発明被覆超硬ドリル４〜６および従
来被覆超硬ドリル４〜６については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：２
０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、 切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、 の条件での炭素鋼の乾式高速穴あけ切削加工試験、本発
明被覆超硬ドリル７〜８および従来被覆超硬ドリル７〜
８については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：４
５ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、 切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、 の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（水溶
性切削油使用）、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速穴
あけ切削加工試験でも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７にそれぞれ示した。 【００２９】 【表７】【００３０】 【発明の効果】表３〜７に示される結果から、硬質被覆
層がすぐれた耐熱塑性変形性を有する（Ｔｉ，Ｖ，Ｓ
ｉ）Ｎ層からなる本発明被覆超硬工具は、いずれも鋼の
切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、切刃部に偏
摩耗の発生なく、かつ欠けやチッピングの発生もなく、
すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が
（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層で構成された従来被覆超硬工具におい
ては、高速切削加工では切刃部に熱塑性変形が原因の偏
摩耗が発生し、これが摩耗進行を著しく促進することか
ら、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかであ
る。上述のように、この発明の被覆超硬工具は、各種の
鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、
特に高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性を示し、長期に
亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切
削加工装置のＦＡ化および高性能化、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。
どの高速切削ですぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮す
る表面被覆超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具と
いう）に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】一般に、切削工具には、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スローアウエイチッ
プ、前記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、さらに前記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、また前記スローアウエイチップを着
脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと
同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具な
どが知られている。 【０００３】また、一般に、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
ティング装置を用い、基本的に、例えば雰囲気を１．３
×１０-3Ｐａの真空として、ヒータで装置内を５００℃
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Ｔｉ−Ｖ合金がセットされたカソード電極（蒸発
源）との間に、例えば電圧：３５Ｖ、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、一方炭化タングステン（以
下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以
下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットからなる基体（以
下、これらを総称して超硬基体と云う）には、例えば−
１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬基
体の表面に、例えば特許第３０４５１８４号明細書に記
載されるように、ＴｉとＶの複合窒化物［以下、（Ｔ
ｉ，Ｖ）Ｎで示す］で構成された硬質被覆層を１〜１０
μｍの平均層厚で蒸着することにより被覆超硬工具を製
造することが知られている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】近年の切削加工装置の
ＦＡ化および高性能化はめざましく、一方で切削加工に
対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求
は強く、これに伴い、切削加工は高速化を追求する傾向
にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを
鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工に用いた場合に
は問題はないが、これを高速切削に用いた場合には、切
刃部の熱塑性変形が原因で偏摩耗が発生し、この結果摩
耗進行が著しく促進されるようになり、比較的短時間で
使用寿命に至るのが現状である。 【０００５】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、特に鋼や鋳鉄などの高速切削加
工に用いた場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮する被覆
超硬工具を開発すべく研究を行った結果、上記の従来被
覆超硬工具の硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層の
組成を、組成式：（Ｔｉ1-XＶX）Ｎで表わした場合、原
子比で、Ｘ：０．２０〜０．５５を満足するものに特定
した上で、これにＳｉをＴｉおよびＶの合量に占める割
合（原子比）で、０．０１〜０．２５を満足する割合で
固溶含有させると、この結果の硬質被覆層はすぐれた耐
熱塑性変形性を具備するようになることから、この硬質
被覆層を物理蒸着してなる被覆超硬工具は、これを高速
切削加工に用いても切刃部に偏摩耗の発生なく、かつ欠
けやチッピング（微小欠け）などの発生もなく、すぐれ
た耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになる、という
研究結果を得たのである。 【０００６】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、超硬基体の表面に、組成式：（Ｔ
ｉ1-(X+Y)ＶXＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．
２０〜０．５５、Ｙは０．０１〜０．２５を示す）を有
するＴｉとＶとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｖ，
Ｓｉ）Ｎで示す］からなる硬質被覆層を１〜１０μｍの
平均層厚で物理蒸着してなる、高速切削ですぐれた耐摩
耗性を発揮する被覆超硬工具に特徴を有するものであ
る。 【０００７】なお、この発明の被覆超硬工具において、
硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ｖ，Ｓｉ）ＮにおけるＶ
はＴｉＮに対して硬さおよび耐熱性を向上させるために
固溶するものであり、したがって組成式：（Ｔｉ
1-(X+Y)ＶXＳｉY）ＮのＸ値が原子比で０．２０未満で
は所望の硬さおよび耐熱性を確保することができず、一
方そのＸ値が同０．５５を越えると、ＴｉＮによっても
たらされるすぐれた靭性が急激に低下するようになり、
切刃部に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由
で、Ｘ値を原子比で０．２０〜０．５５、望ましくは
０．３〜０．５と定めた。 【０００８】また、硬質被覆層におけるＳｉは、上記の
通り硬質被覆層にすぐれた耐熱塑性変形性を具備せし
め、もって高い発熱を伴なう高速切削でも切刃部におけ
る偏摩耗の発生を著しく抑制し、硬質被覆層がすぐれた
耐摩耗性を発揮するようにする作用をもつが、組成式：
（Ｔｉ1-(X+Y)ＶXＳｉY）ＮのＹ値が原子比で０．０１
未満では所望のすぐれた耐熱塑性変形性を硬質被覆層に
付与せしめることができず、一方そのＹ値が同０．２５
を超えるとＶ同様に靭性が急激に低下するようになるこ
とから、Ｙ値を０．０１〜０．２５、望ましくは０．１
〜０．２と定めた。 【０００９】さらに、硬質被覆層の平均層厚を１〜１０
μｍとしたのは、その層厚が１μｍでは所望のすぐれた
耐摩耗性を長期に亘って確保することができず、一方そ
の層厚が１０μｍを越えると、硬質被覆層の剥離が発生
し易くなるという理由によるものである。 【００１０】 【発明の実施の形態】つぎに、この発明の被覆超硬工具
を実施例により具体的に説明する。 （実施例１）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、Ｖ
Ｃ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 粉末、Ｔ
ｉＮ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、１００ＭＰ
ａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐ
ａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼
結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０５のホーニング加
工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８の形状を
もったＷＣ基超硬合金製のチップ超硬基体Ａ１〜Ａ１０
を形成した。 【００１１】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（重量比でＴｉＣ／
ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ2 Ｃ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、切刃
部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規
格・ＣＮＭＧ１２０４０８の形状をもったＴｉＣＮ系サ
ーメット製のチップ超硬基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。 【００１２】ついで、これらのチップ超硬基体Ａ１〜Ａ
１０およびＢ１〜Ｂ６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、それぞれ図１に例示される
通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、一方
カソード電極（蒸発源）として種々の組成をもったＴｉ
−Ｖ−Ｓｉ合金またはＴｉ−Ｖ合金を装着し、装置内を
排気して１．３×１０-3Ｐａ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、Ａｒガスを装
置内に導入して２．５ＰａのＡｒ雰囲気とし、この状態
で超硬基体に−８００ｖのバイアス電圧を印加して超硬
基体表面をＡｒガスボンバート洗浄し、ついで装置内を
２．５Ｐａの窒素ガス（反応ガス）の雰囲気とすると共
に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−１００ｖ
に下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にア
ーク放電を発生させ、もって前記超硬基体Ａ１〜Ａ１０
およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、表３、４に示さ
れる目標組成および目標層厚の硬質被覆層を蒸着するこ
とにより、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆
超硬合金製スローアウエイチップ（以下、本発明被覆超
硬チップと云う）１〜１８、および従来被覆超硬工具と
しての従来表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ
（以下、従来被覆超硬チップと云う）１〜１８をそれぞ
れ製造した。 【００１３】なお、この結果得られた本発明被覆超硬チ
ップ１〜１８および従来被覆超硬チップ１〜１８の硬質
被覆層について、その厚さ断面中央部をオージェ分光分
析装置を用いて測定したところ、それぞれ表３、４に示
される目標組成（目標Ｘ値および目標Ｙ値）と実質的に
同じ値を示し、またその厚さを、走査型電子顕微鏡を用
いて測定したところ、いずれも同じく表３、４に示され
る目標層厚と実質的に同じ平均値（５点測定の平均値）
を示した。 【００１４】つぎに、この結果得られた各種の被覆超硬
チップを工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止
めした状態で、上記本発明被覆超硬チップ１〜１０およ
び従来被覆超硬チップ１〜１０については、 被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、 切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：２ｍｍ、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：１０分、 の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、 被削材：ＪＩＳ・Ｓ４０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入
り丸棒、 切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：１．５ｍｍ、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：１０分、 の条件での炭素鋼の乾式高速断続旋削加工試験を行い、
また上記本発明被覆超硬チップ１１〜１８および従来被
覆超硬チップ１１〜１８については、 被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、 切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：１．５ｍｍ、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：１０分、 の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、 被削材：ＪＩＳ・Ｓ４０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入
り丸棒、 切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：１ｍｍ、 送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：１０分、 の条件での炭素鋼の乾式高速断続旋削加工試験を行い、
いずれの旋削加工試験でも切刃部の逃げ面摩耗幅を測定
した。この測定結果を表３、４に示した。 【００１５】 【表１】 【００１６】 【表２】 【００１７】 【表３】 【００１８】 【表４】【００１９】（実施例２）原料粉末として、平均粒径：
５．５μｍを有する中粗粒ＷＣ粉末、同０．８μｍの微
粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍ
のＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μ
ｍのＣｒ3Ｃ2粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０
μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ粉末、同１．８μｍのＣｏ粉末、
および同１．２μｍの炭素（Ｃ）粉末を用意し、これら
原料粉末をそれぞれ表５に示される配合組成に配合し、
さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミ
ル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定
形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体
を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３
７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この
温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が８
ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種の超硬基体形成
用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体
から、研削加工にて、表５に示される組合せで、切刃部
の直径×長さがそれぞれ６ｍｍ×１３ｍｍ、１０ｍｍ×
２２ｍｍ、および２０ｍｍ×４５ｍｍの寸法をもち、か
つ６枚刃スクエア形状のエンドミル超硬基体ａ〜ｈをそ
れぞれ製造した。 【００２０】ついで、これらのエンドミル超硬基体ａ〜
ｈ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、同じく図１に例示される通常のアークイオンプレ
ーティング装置に装入し、上記実施例１と同一の条件
で、表６に示される目標組成および目標層厚をもった硬
質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆超硬工具と
しての本発明表面被覆超硬合金製エンドミル（以下、本
発明被覆超硬エンドミルと云う）１〜８および従来被覆
超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製エンドミル
（以下、従来被覆超硬エンドミルと云う）１〜８をそれ
ぞれ製造した。 【００２１】また、この結果得られた本発明被覆超硬エ
ンドミル１〜８および従来被覆超硬エンドミル１〜８の
硬質被覆層について、その厚さ断面中央部をオージェ分
光分析装置を用いて測定したところ、それぞれ表６に示
される目標組成と実質的に同じ値を示し、またその厚さ
を、走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれ
も同じく表６に示される目標層厚と実質的に同じ平均値
（５点測定の平均値）を示した。 【００２２】つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１
〜８および従来被覆超硬エンドミル１〜８のうち、本発
明被覆超硬エンドミル１〜３および従来被覆超硬エンド
ミル１〜３については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１の板材、 切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、 半径方向切り込み：０．２ｍｍ、 軸方向切り込み：６ｍｍ、 テーブル送り：４００ｍｍ／ｍｉｎ．、 の条件での焼き入れ鋼の乾式高速側面切削加工試験、本
発明被覆超硬エンドミル４〜６および従来被覆超硬エン
ドミル４〜６については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ１１の板材、 切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、 半径方向切り込み：０．４ｍｍ、 軸方向切り込み：１２ｍｍ、 テーブル送り：６５０ｍｍ／ｍｉｎ．、 の条件でのダイス鋼の乾式高速側面切削加工試験、本発
明被覆超硬エンドミル７〜８、および従来被覆超硬エン
ドミル７〜８については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、 切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．、 半径方向切り込み：０．８ｍｍ、 軸方向切り込み：２４ｍｍ、 テーブル送り：３５０ｍｍ／ｍｉｎ．、 の条件での炭素鋼の乾式高速側面切削加工試験、をそれ
ぞれ行い、いずれの切削加工試験でも切刃部の外周刃の
逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる０．１ｍｍに至
るまでの切削長を測定した。この測定結果を表６にそれ
ぞれ示した。 【００２３】 【表５】 【００２４】 【表６】 【００２５】（実施例３）上記の実施例２で製造した直
径が８ｍｍ（超硬基体ａ〜ｃ形成用）、１３ｍｍ（超硬
基体ｄ〜ｆ形成用）、および２６ｍｍ（超硬基体ｇ、ｈ
形成用）の３種の丸棒焼結体を用い、この３種の丸棒焼
結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれ
ぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ（超硬基体ａ’〜ｃ’）、８ｍｍ
×２２ｍｍ（超硬基体ｄ’〜ｆ’）、および１６ｍｍ×
４５ｍｍ（超硬基体ｇ’、ｈ’）の寸法をもったドリル
超硬基体ａ’〜ｈ’をそれぞれ製造した。 【００２６】ついで、これらのドリル超硬基体ａ’〜
ｈ’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に例示される通常
のアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施
例１と同一の条件で、表７に示される目標組成および目
標層厚をもった硬質被覆層を蒸着することにより、本発
明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製ドリ
ル（以下、本発明被覆超硬ドリルと云う）１〜８、およ
び従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製ド
リル（以下、従来被覆超硬ドリルと云う）１〜８をそれ
ぞれ製造した。 【００２７】さらに、この結果得られた本発明被覆超硬
ドリル１〜８および従来被覆超硬ドリル１〜８の硬質被
覆層についても、その厚さ断面中央部をオージェ分光分
析装置を用いて測定したところ、それぞれ表７に示され
る目標組成と実質的に同じ値を示し、またその厚さを、
走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも同
じく表７に示される目標層厚と実質的に同じ平均値（５
点測定の平均値）を示した。 【００２８】つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜８
および従来被覆超硬ドリル１〜８のうち、本発明被覆超
硬ドリル１〜３および従来被覆超硬ドリル１〜３につい
ては、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、 切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、 の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（水溶
性切削油使用）、本発明被覆超硬ドリル４〜６および従
来被覆超硬ドリル４〜６については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：２
０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、 切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、 の条件での炭素鋼の乾式高速穴あけ切削加工試験、本発
明被覆超硬ドリル７〜８および従来被覆超硬ドリル７〜
８については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：４
５ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、 切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、 送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、 の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（水溶
性切削油使用）、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速穴
あけ切削加工試験でも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７にそれぞれ示した。 【００２９】 【表７】【００３０】 【発明の効果】表３〜７に示される結果から、硬質被覆
層がすぐれた耐熱塑性変形性を有する（Ｔｉ，Ｖ，Ｓ
ｉ）Ｎ層からなる本発明被覆超硬工具は、いずれも鋼の
切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、切刃部に偏
摩耗の発生なく、かつ欠けやチッピングの発生もなく、
すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が
（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層で構成された従来被覆超硬工具におい
ては、高速切削加工では切刃部に熱塑性変形が原因の偏
摩耗が発生し、これが摩耗進行を著しく促進することか
ら、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかであ
る。上述のように、この発明の被覆超硬工具は、各種の
鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、
特に高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性を示し、長期に
亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切
削加工装置のＦＡ化および高性能化、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】アークイオンプレーティング装置の概略説明図
である。
である。
フロントページの続き
(72)発明者 田中 裕介
兵庫県明石市魚住町金ヶ崎西大池179番
地１ エムエムシーコベルコツ−ル株式
会社内
(56)参考文献 特開2001−121315（ＪＰ，Ａ)
特開2001−121314（ＪＰ，Ａ)
特開2000−326107（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−156992（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B23B 27/14
B23B 51/00
B23C 5/16
C23C 14/06
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 炭化タングステン基超硬合金基体または
炭窒化チタン系サーメット基体の表面に、組成式：（Ｔ
ｉ1-(X+Y)ＶXＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．
２０〜０．５５、Ｙは０．０１〜０．２５を示す）を有
するＴｉとＶとＳｉの複合窒化物からなる硬質被覆層を
１〜１０μｍの平均層厚で物理蒸着してなる高速切削で
すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工
具。
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (3)
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| JP2001052282 | 2001-02-27 | ||
| JP2001239183A JP3508746B2 (ja) | 2001-02-27 | 2001-08-07 | 高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 |
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|---|---|
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2001
- 2001-08-07 JP JP2001239183A patent/JP3508746B2/ja not_active Expired - Fee Related
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