JP3598035B2

JP3598035B2 - 被覆超硬エンドミル

Info

Publication number: JP3598035B2
Application number: JP2000007945A
Authority: JP
Inventors: 剛史石川
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2020-01-17
Also published as: JP2001198723A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は乾式高速切削において、耐溶着性及び耐塑性変形性に優れた被覆超硬エンドミルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年切削加工は高速化の傾向にあり、切削温度も極めて高くなっている。従って、従来一般的であったＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の被覆では、耐酸化性が十分でなく、それを解決するために、耐酸化性の優れるＴｉＡｌＮ系皮膜が用いられるようになってきた。ＴｉＡｌＮ系Ｔｉ系皮膜より耐酸化性は優れるものである。さらに最近では、特開平８−１３２３１０号公報、特開平１１−１５６９９２号公報のように、潤滑性膜を加えた工具が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は高硬度材の高速切削を詳細に実施した結果、高硬度材の乾式高速切削においては、長い工具寿命を達成するために、新に二つの現象に対する対策が必要であることを確認した。一つは切粉が赤熱し、工具に凝着することが確認されこれに対する解決策。もう一つは、高温のため、エンドミル刃先部が微少に塑性変形し、これに伴い摩耗が進行することが確認されこれに対する解決策である。この二つの現象が工具寿命を低下せしめるとともに、加工面の仕上げ面粗さを劣化させる要因となっている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、金属成分がＡｌとＴｉを主成分とし、非金属成分がＮを含む皮膜と、金属成分がＣｒを主成分とし、非金属成分がＮを含む皮膜を、少なくとも２層以上被覆した超硬エンドミルにおいて、その母材は炭化タングステン基超硬合金からなり、、Ｃｏの含有量が５重量％から１３重量％、保磁力が１９．８ｋＡ／ｍ以上、Ｃｏの（１１１）面から算出される格子定数が３．５６５Å以上であり、前記金属成分がＣｒを主成分とし、非金属成分がＮを含む皮膜のＣｒの一部をＶ、Ｓｉ、Ｔｉの一種以上で置き換えたことを特徴とする被覆超硬エンドミルである。すなわち、本発明では、皮膜の改良においては、一般にＴｉＡｌＮ系は鋼との摩擦係数が０．８前後と高いため、皮膜に潤滑性を持たせるために鋼との摩擦係数の低いＣｒにＶ、Ｓｉ、Ｔｉの一種以上のＮ系皮膜との複合多層化により、０．４程度まで低減することを確認した。ＣｒＮ系は耐凝着性には優れるものの軟らかく耐摩耗性には劣るため、耐摩耗性に優れるＴｉＡｌＮ系皮膜との多層構造とするほうがより好ましいがＴｉＡｌＮ系との２層構造でも十分である。また、皮膜のみの耐凝着生の改善では、切削寿命が２割程度しか向上するにすぎなかった。さらに詳細に検討を重ねた結果凝着は、母材そのもの発生している事実を突き止めるに至った。つまり、切削初期において、母材は皮膜で保護されているため、皮膜の耐凝着性の改善により効果が確認されるわけであるが、切削中期以降は母材が露呈し、皮膜のみの効果ではその凝着防止に対する寄与が少ない訳である。
【０００５】
【作用】
母材で発生する凝着は、超硬合金中のＣｏと鋼の間で発生する。鋼と超硬合金を高温で拡散接着しその接合強度を測定した結果、接合強度は超硬合金のＣｏのミーンフリーパス、つまりＷＣ粒子の平均粒子間距離に強く依存することが確認された。ＷＣ粒子間距離が大きい場合、つまりＷＣ粒子間のＣｏの厚さが厚い場合接合強度は著しく高くなる傾向にあった。従って母材での凝着を抑制するためには、ＷＣ粒子間のＣｏの厚さをある数値以下にすると凝着が改善できることを見出した。ＷＣ粒子間のＣｏの厚さは超硬合金の保磁力と相関があり、ＷＣ粒子間のＣｏの厚さが薄くなるにともない保磁力は増加する。従って、超硬合金の保磁力をある数値以上にする必要があるわけである。接合強度はある保磁力以上で著しく減少し、結果母材での凝着を著しく抑制するものである。
【０００６】
次に耐塑性変形性はＣｏの格子定数を規定することにより解決される。塑性変形は超硬合金の中の金属相であるＣｏですべりが発生することにより生ずる。塑性変形が発生すると切れ味が悪くなり凝着が加速されることも実験により明らかとなった。Ｃｏに固溶するＷ、Ｔｉ、Ｔａと言った重金属成分を増やしＣｏ金属相を固溶強化することにより、耐塑性変形性は改善される。これら成分の固溶量の増加にともないＣｏの格子定数は増加する。固溶量を増加させる手法としては、合金のカーボン量を低い側で制御するか、もしくは焼結後急冷却するかにより達成される。
【０００７】
上述のように、ＴｉＡｌＮ系皮膜とＣｒＮ系皮膜の複合化、及び母材のＷＣ粒子間距離の調整、並びにＣｏを固溶強化し耐塑性変形性を抑制するという３点の同時改良により、皮膜のみの改良では２割程度の寿命向上にすぎなかったが、寿命は６割以上改善されるとともに、仕上げ面粗さも極めて優れる結果となった。さらに耐酸化性を高める目的で、前記Ｔｉの一部をＺｒ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｙの一種以上で、非金属成分の一部をＣ、Ｏ、Ｂの一種以上に置換することが有効で、さらに寿命の向上が可能となる。これら成分はＴｉＡｌＮ結晶の主に粒界の格子欠陥に偏析し、粒界を緻密化し酸素の拡散を抑制するものである。
【０００８】
次に、ＣｒＮ系皮膜にＶを添加することにより、切削中皮膜表面に潤滑性の優れるＶの酸化物が形成されＣｒＮ系の潤滑性を飛躍的に高めることが可能となった。一方ＣｒＮ系皮膜は潤滑性を有するものの、硬度が低く耐摩耗性の観点からはあまり好ましいものではない。この欠点を克服するためには、Ｓｉ、もしくはＴｉの添加が有効である。Ｓｉ、Ｔｉ添加によりＣｒＮ系皮膜の硬度は向上し、結果潤滑性を保ちながら、耐摩耗性を付与でき、さらに切削寿命を向上せしめることが可能である。さらに、潤滑性改善のＶと硬度向上のＴｉ、Ｓｉの一種を複合添加することがより好ましい。
【０００９】
次に数値限定した理由について説明する。Ｃｏ含有量は５重量％未満であると超硬合金の靭性が低下し、チッピングが発生し易くなり、１３重量％を超えると鋼との凝着が顕著となるため５重量％以上１３重量％以下とした。Ｃｏの格子定数は３．５６５Å未満であると、Ｃｏの固溶強化が十分でなく切削中に塑性変形の発生、それに伴う凝着の発生が生じ好ましくないため、３．５６５Å以上とした。保磁力は１５ｋＡ／ｍ未満であると凝着が発生し易くなるため１５ｋＡ／ｍ以上とした。さらに好ましい範囲は５〜８重量％のＣｏ含有超硬に対しては１５ｋＡ／ｍ以上、８〜１１重量％のＣｏ含有超硬に対しては２０ｋＡ／ｍ以上、１１〜１３重量％のＣｏ含有超硬に対しては、２５ｋＡ／ｍ以上である。
【００１０】
【実施例】
以下実施例に従い本発明を説明する。アークイオンプレーティング法により、表１に示す本発明例及び比較例を作成した。皮膜の組成は蒸発源であるカソードの金属ターゲットの組成を調整することにより調整した。炉の片側にＴｉＡｌ系ターゲット、反対側にＣｒ系ターゲットを設置し交互に放電せさることにより多層化を行った。被覆条件は基体に印可するバイアス電圧は１５０Ｖ、反応圧力は１Ｐａで一定とし、皮膜厚さは全ての例において総厚３０００ｎｍとした。超硬合金は市販の平均粒径０．５μ、０．８μ、１．５μのＣｒをドーピングしたＷＣ粉末、及び同１μのＣｏ粉末をアルコール中、アトライターで１０時間混合した後、乾燥させ、丸棒をラバープレスし、１３５０℃〜１４００℃１時間真空焼結することにより作成した。ＷＣ粒径及び焼結温度により合金の保磁力を調整した。また本発明例の合金においては、焼結後窒素ガスを封入することにより、急冷却を行い、目的とするＣｏの格子定数を得た。比較例においては炉冷した。
【００１１】
【表１】

【００１２】
表１に示した本発明例及び比較例において、以下の切削条件で切削評価を実施した。その結果を表２に示す。本条件においてはエンドミルが赤変し折損するまで切削を実施し、折損までの切削長を寿命とした。また面粗さは切削１ｍ後に測定し比較した。
切削条件１
被削材：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６２）
工具：φ８ｍｍ、６枚刃エンドミル
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
切りこみ：８ｍｍｘ０．４ｍｍ
送り：０．０３ｍｍ／刃
乾式切削
【００１３】
【表２】

【００１４】
表２から明らかなように、本発明例１、２のＣｏ量５．５％、本発明例３、４、６のＣｏ量８．０％、本発明例７、８のＣｏ量１２．５％では、ＷＣ粒径が小さいほど、寿命が延びる傾向にある。本発明例５、本発明例９の格子定数を３．５７４オングストロームと他の試料に比較し高くした例では、更に寿命が向上した。更に、本発明例１０、１１では、試料番号４の超硬合金を用いて、膜質を酸素を含有するＴｉＡｌＮＯ−ＣｒＶＮ膜を用いて、２０％前後の寿命延長が計れた。本発明例１２、１３は、膜質を硼素を含有するＴｉＡｌＮＢ−ＣｒＶＮ膜を用いて、本発明例１４は、膜質を炭素を含有するＴｉＡｌＮＣ−ＣｒＶＮ膜を用いて、２０％前後の寿命延長が計れた。次にＣｒＶＮに酸素及び／又は他元素を添加した本発明例１５〜２０では、更なる効果が確認された。最後に、本発明例２ 1 〜２４は、２層から６００層まで層を重ねた場合であり、全膜厚は同じであり、層を重ねるごとに耐摩耗性は改善された。また、本発明例の面粗さは１．４ミクロン以下で、また、イレギュラーなカッターマークもなく良好な結果が得られた。本発明例においては、凝着、塑性変形の発生が少なく長寿命である。特に塑性変形が発生し易い高硬度材高速条件下ではさらに比較例との差が顕著であることも明らかである。
【００１５】
比較例では、Ｃｏ量が少ない比較例２５、Ｃｏ量が多い比較例２６、２７では、初期欠損、摩耗により寿命となった。格子定数を３．５６５未満とした比較例２８〜３０では、切削初期は良いが、母材が露出すると急速に摩耗が進行し、寿命となった。更に、比較例３０の母材を用いて、様々な膜質、膜の構成を試験した比較例３１〜３９では、若干の効果はあるものの、膜が作用する切削初期は良いが、母材が露出すると急速に摩耗が進行し、寿命となった。
【００１６】
更に、表１に示した本発明例及び比較例において、ボールエンドミルを製作し、以下の条件において、５０ｍ切削あとの外周刃の最大摩耗を測定し比較した。また、仕上げ面粗さは５０ｍ切削後、切削方向において測定し比較した。その結果も表２に併記する。
切削条件２
被削材：Ｓ５０Ｃ（ＨＲＣ３５）
工具：φ１０ｍｍ、ボールエンドミル
切削速度：３１４ｍ／ｍｉｎ
切りこみ：０．３ｍｍ、ピック０．３ｍｍ
送り：０．５ｍｍ／刃
乾式切削
【００１７】
表２より、本発明例は、ボールエンドミルに特有な回転中心付近の切削のみを継続して行う条件であり、回転中心付近の損傷、特に凝着の影響を観察すると、５０ｍ切削後でも、摩耗が１６５ミクロン以下と小さく、また凝着等も少なく、面粗さも２．４ミクロン以下が安定して得られている。比較例においては、摩耗量も大きいが、それ以上に面粗さが大きな数値となっている。これは、母材が露出するしてくる５０ｍ切削後では、母材に切屑の一部が凝着をおこし、切削面がむしれるような状態となっている為である。また、本発明により高硬度材の高速切削において、被削材の凝着の防止、並びに刃先に発生する塑性変形の抑制により、極めて長い間の切削が可能となった。また、炭素鋼の切削においても同様の結果となった。これは限定された超硬合金と限定された皮膜の相乗効果によることは言うまでもないことである。また本発明例は凝着が発生し易いその他の被削材においても同様な効果が確認された。
【００１８】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、乾式高速切削で長い工具寿命が得られた。特に、凝着と耐塑性変形性を必須とする高硬度材において優れるとともに、凝着が発生し易いその他の被削材においても同様である。

Claims

金属成分がＡｌとＴｉを主成分とし、非金属成分がＮを含む皮膜と、金属成分がＣｒを主成分とし、非金属成分がＮを含む皮膜を、少なくとも２層以上被覆した超硬エンドミルにおいて、その母材は炭化タングステン基超硬合金からなり、Ｃｏの含有量が５重量％から１３重量％、保磁力が１９．８ｋＡ／ｍ以上、Ｃｏの（１１１）面から算出される格子定数が３．５６５Å以上であり、前記金属成分がＣｒを主成分とし、非金属成分がＮを含む皮膜のＣｒの一部をＶ、Ｓｉ、Ｔｉの一種以上で置き換えたことを特徴とする被覆超硬エンドミル。
請求項１記載の被覆超硬エンドミルにおいて、前記金属成分がＡｌとＴｉを主成分とし、非金属成分がＮを含む皮膜のＴｉの一部をＺｒ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｙの一種以上で、非金属成分のＮの一部をＣ、Ｏ、Ｂの一種以上で置換したことを特徴とする被覆超硬エンドミル。
請求項１記載の被覆超硬エンドミルにおいて、前記金属成分がＣｒを主成分とし、非金属成分がＮを含む皮膜の、非金属成分Ｎの一部をＣ、Ｏ、Ｂの一種以上で置き換えたことを特徴とする被覆超硬エンドミル。