JP3707195B2 - 硬質被覆層がすぐれた密着性を有する表面被覆超硬合金製エンドミル - Google Patents

硬質被覆層がすぐれた密着性を有する表面被覆超硬合金製エンドミル Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた密着性を有し、したがって高速切削にも硬質被覆層が剥離することなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製エンドミル(以下、被覆超硬エンドミルと云う)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、一般に、例えば特開昭62−88509号公報に記載されるように、炭化タングステン(以下、WCで示す)基超硬合金基体(以下、単に超硬基体と云う)の表面に、いずれも中温化学気相蒸着法[一般にMT−CVD法と言い、通常の高温化学気相蒸着法(以下、HT−CVD法と云う)の蒸着温度である1000〜1150℃に比して相対的に低温の700〜980℃で蒸着を行う方法である]にて形成したTiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、窒酸化物層、および炭窒酸化物層(以下、それぞれTiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、TiNO層、およびTiCNO層で示す)のうちの1種または2種以上で構成されたTi化合物層からなる硬質被覆層を0.5〜5μmの平均層厚で形成してなる被覆超硬エンドミルが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の切削加工の省力化および省エネ化はめざましく、これに伴い、切削加工条件は一段と高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬エンドミルにおいては、これを高速条件下で用いると、超硬基体表面に対する硬質被覆層の密着性が不十分であるために、硬質被覆層に剥離が発生し易く、これが原因で摩耗進行が著しく促進され、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【0004】
【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、従来被覆超硬エンドミルに着目し、これを構成する硬質被覆層の密着性向上を図るべく研究を行った結果、
(a)超硬基体が、重量%(以下、%は重量%を示す)で、
結合相形成成分としてCo:5〜20%、
同じく結合相形成成分としてCrおよびVのうちの1種または2種:0.1〜2%、
を含有し、残りが分散相形成成分としてのWCと不可避不純物からなる組成を有し、
かつ前記WCが平均粒径:0.1〜1.5μmの微細粒組織を有すること。
(b)上記(a)の超硬基体を、炭酸ガスまたは四塩化チタンを配合の水素雰囲気中、前記雰囲気圧力を100〜550torrとして、900〜1000℃の温度に〜10分間保持の条件で高温加熱処理すると、表面部に、最表面から所定深さに亘ってCoとWの複合炭化物(以下、Comn Cで示す)が反応生成した表面層が形成されること。
(c)表面部に、上記(b)の反応生成Comn Cが分布する高温加熱形成表面層を有する超硬基体の表面に、いずれもMT−CVD法を用いて、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、TiNO層、およびTiCNO層のうちの1種または2種以上で構成されたTi化合物層、さらに必要に応じてMT−CVD法またはHT−CVD法にて形成した酸化アルミニウム(以下、Al2 3 で示す)層からなる硬質被覆層を0.5〜4.5μmの平均層厚で形成すると、前記Ti化合物層の前記超硬基体表面に対する密着性が、前記超硬基体表面部に形成した高温加熱形成表面層によって著しく向上し、したがって、この結果の被覆超硬エンドミルは、高速切削に用いても硬質被覆層に剥離の発生なく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を示したのである。
【0005】
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、
結合相形成成分としてCo:5〜20%、
同じく結合相形成成分としてCrおよびVのうちの1種または2種:0.1〜2%、
を含有し、残りが分散相形成成分としてのWCと不可避不純物からなる組成を有し、
前記WCが平均粒径:0.1〜1.5μmの微細粒組織を有し、
さらに表面部に、炭酸ガスまたは四塩化チタンを配合の水素雰囲気中、前記雰囲気圧力を100〜550torrとして、900〜1000℃の温度に1〜10分間保持の条件で、最表面から0.1〜2μmの深さに亘って反応生成Comn Cが分布する高温加熱形成表面層を形成してなる、超硬基体の表面に、
いずれもMT−CVD法を用いて形成したTiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、TiNO層、およびTiCNO層のうちの1種または2種以上で構成されたTi化合物層、あるいは前記Ti化合物層、さらに必要に応じてMT−CVD法またはHT−CVD法にて形成したAl2 3 層からなる硬質被覆層を0.5〜4.5μmの平均層厚で形成してなる、硬質被覆層がすぐれた密着性を有する被覆超硬エンドミルに特徴を有するものである。
【0006】
つぎに、この発明の被覆超硬エンドミルにおいて、これを構成する超硬基体の組成、WC粒の平均粒径、Comn Cの分布深さ、および硬質被覆層の平均層厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
(a)Co含有量
Co成分には、焼結性を向上させ、もって超硬基体の靭性を向上させる作用があるが、その含有量が5%未満では所望の靭性向上効果が得られず、一方その含有量が20%を越えると、超硬基体自体の耐摩耗性が低下するようになるばかりでなく、高速切削時の発生熱によって変形が起り易くなることから、その含有量を5〜20%、望ましくは8〜12%と定めた。
【0007】
(b)CrおよびV
これらの成分は、光学顕微鏡で観察した結果に基づくと、結合相形成成分としてのCo中に固溶してこれを強化するほか、WC粒の微細化に寄与し、さらに前記高温加熱形成表面層中に分布する反応生成Comn Cの形成を促進し、もって前記反応生成Comn Cによる硬質被覆層の密着性を向上させる作用をもつが、その含有量が0.1%未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が2%を越えると、同じく光学顕微鏡による観察で析出したCrおよびVの炭化物が第3相として現れるようになり、靭性低下の原因となることから、その含有量を0.1〜2%、望ましくは0.4〜0.8%と定めた。
【0008】
(c)WCの平均粒径
WC粒の微細化により超硬基体の強化を図るものであり、この微細化には上記の通りCrおよび/またはVの結合相への固溶含有が不可欠であり、したがって、その平均粒径が1.5μmを越えると、所望の強度向上効果が得られず、一方その平均粒径が0.1μm未満になると耐摩耗性の低下が避けられないことから、その平均粒径を0.1〜1.5μm、望ましくは0.6〜1.0μmと定めた。
【0009】
(d)Comn Cの分布深さ
その分布深さが0.1μm未満では、高温加熱形成表面層中に占める分布割合が少な過ぎて硬質被覆層に対して所望のすぐれた密着性を確保することができず、一方その分布深さが2μmを越えると、超硬基体最表面部におけるComn Cの分布割合が多くなり過ぎ、これが原因で切刃にチッピング(微小欠け)が発生し易くなることから、その分布深さを0.1〜2μm、望ましくは0.5〜1.5μmと定めた。
【0010】
(e)硬質被覆層の平均層厚
その平均層厚が0.5μm未満では、所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が4.5μmを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を0.5〜4.5μm、望ましくは1.0〜1.5μmと定めた。
【0011】
【発明の実施の形態】
この発明の被覆超硬エンドミルを実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、0.1〜1.5μmの範囲内の所定の平均粒径を有するWC粉末、平均粒径:0.5μmのCr32 粉末、同0.5μmのVC粉末、および同0.5μmのCo粉末を用意し、これら原料粉末を所定の配合割合に配合し、ボールミルで72時間湿式混合し、乾燥した後、1ton/cm2 の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を1×10-3torrの真空中、1350〜1500℃の範囲内の所定の温度に1時間保持の条件で真空焼結して表1に示される成分組成を有し、かつ同じく表1に示される平均粒径のWCで構成された超硬基体a〜を形成した。
【0012】
さらに、これら超硬基体a〜のそれぞれの表面部に、表2に示される条件で同じく表2に示される深さに亘ってComn Cが分布する高温加熱形成表面層を形成することにより超硬基体A〜を製造した。
【0013】
引き続いて、これら超硬基体A〜のそれぞれの表面に、表3に示される条件で表4に示される組成および平均層厚の硬質被覆層を形成することによりシャンク部と切刃部からなり、前記切刃部が2枚刃形状を有し、かつボール半径:5mm、ねじれ角:30度の寸法をもったボールエンドミルタイプの本発明被覆超硬エンドミル(以下、本発明被覆エンドミルと云う)1〜19をそれぞれ製造した。
【0014】
また、比較の目的で、表5に示される通り、高温加熱形成表面層を有する超硬基体A〜に代わって、これの形成がない超硬基体a〜を用いる以外は同一の条件で比較被覆超硬エンドミル(以下、比較被覆エンドミルと云う)1〜19をそれぞれ製造した。
【0015】
ついで、この結果得られた本発明被覆エンドミル1〜19および比較被覆エンドミル1〜19について、
被削材:SKD61(硬さ:HR C53)、
切削速度:500m/min、
1刃当りの送り:0.1mm/刃、
切り込み:0.5mm、
切り込み幅:0.5mm、
切削長:350m、の条件でダウンカットとアップカットを交互に行う合金鋼の高速倣い加工を乾式で行い、切刃の最大逃げ面摩耗幅を測定した。これらの測定結果を表4、5にそれぞれ示した。
【0016】
【表1】
Figure 0003707195
【0017】
【表2】
Figure 0003707195
【0018】
【表3】
Figure 0003707195
【0019】
【表4】
Figure 0003707195
【0020】
【表5】
Figure 0003707195
【0021】
【発明の効果】
表4、5に示される結果から、本発明被覆エンドミル1〜19は、いずれも硬質被覆層に剥離の発生なく、これによってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較被覆エンドミル1〜19においては、いずれも切削途中で硬質被覆層に剥離が発生し、この剥離によって摩耗進行が著しく促進されるようにな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エンドミルは、超硬基体表面に対する硬質被覆層の密着性が、基体表面部に形成した高温加熱形成表面層中に分布するComn Cによって著しく向上したものになっているので、これを通常の切削条件は勿論のこと、高速切削に用いても硬質被覆層に剥離の発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するのである。

Claims (2)

  1. 結合相形成成分としてCo:5〜20重量%、
    同じく結合相形成成分としてCrおよびVのうちの1種または2種:0.1〜2重量%、
    を含有し、残りが分散相形成成分としての炭化タングステンと不可避不純物からなる組成を有し、
    前記炭化タングステンが平均粒径:0.1〜1.5μmの微細粒組織を有し、
    さらに表面部に、炭酸ガスまたは四塩化チタンを配合の水素雰囲気中、前記雰囲気圧力を100〜550torrとして、900〜1000℃の温度に1〜10分間保持の条件で、最表面から0.1〜2μmの深さに亘ってCoとWの反応生成複合炭化物が分布する高温加熱形成表面層を形成してなる、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、
    いずれも中温化学気相蒸着法にて形成したTiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、窒酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの1種または2種以上で構成されたTi化合物層からなる硬質被覆層を0.5〜4.5μmの平均層厚で形成してなる、硬質被覆層がすぐれた密着性を有する表面被覆超硬合金製エンドミル。
  2. 結合相形成成分としてCo:5〜20重量%、
    同じく結合相形成成分としてCrおよびVのうちの1種または2種:0.1〜2重量%、
    を含有し、残りが分散相形成成分としての炭化タングステンと不可避不純物からなる組成を有し、
    前記炭化タングステンが平均粒径:0.1〜1.5μmの微細粒組織を有し、
    さらに表面部に、炭酸ガスまたは四塩化チタンを配合の水素雰囲気中、前記雰囲気圧力を100〜550torrとして、900〜1000℃の温度に1〜10分間保持の条件で、最表面から0.1〜2μmの深さに亘ってCoとWの反応生成複合炭化物が分布する高温加熱形成表面層を形成してなる、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、
    いずれも中温化学気相蒸着法にて形成したTiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、窒酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの1種または2種以上で構成されたTi化合物層と、中温化学気相蒸着法または高温化学気相蒸着法にて形成した酸化アルミニウム層からなる硬質被覆層を0.5〜4.5μmの平均層厚で形成してなる、硬質被覆層がすぐれた密着性を有する表面被覆超硬合金製エンドミル。
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