JP3829322B2 - 耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐摩耗被覆層が、炭化タングステン基超硬合金基体(以下、超硬基体という)表面に対する密着性にすぐれると共に、耐チッピング性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの断続切削を、高い機械的および熱的衝撃の加わる高切込みおよび高送りなどの重切削条件で行った場合にも、前記耐摩耗被覆層に剥離やチッピング(微小欠け)の発生なく、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、上記の切削工具として、上記超硬基体の表面に、
(a)耐摩耗被覆層の下側硬質層として、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、ヒータで装置内を、例えば雰囲気を0.5Paの真空として、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−Al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:90A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、または窒素ガスとメタンガスを導入し、一方超硬基体には、例えば−200Vのバイアス電圧を印加した条件で、例えば特開昭62−56565号公報に記載されるように、組成式:(Ti1−XAlX)Nおよび同(Ti1−XAlX)C1−YNY(ただし、原子比で、Xは0.15〜0.65、Yは0.5〜0.99を示す)を満足するTiとAlの複合窒化物[以下、(Ti,Al)Nで示す]層および複合炭窒化物[以下、(Ti,Al)CNで示す]層のうちのいずれかの単層、あるいは両方の複層を、0.5〜15μmの平均層厚で物理蒸着し、
(b)さらに、同上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)層、および例えば特開昭57−39168号公報や特開昭61−201778号公報に記載されるAl2O3の素地に酸化ジルコニウム(以下、ZrO2で示す)相が分散分布してなるAl2O3−ZrO2混合層(以下、Al2O3−ZrO2混合層と云う)のいずれか、または両方を、0.5〜10μmの平均層厚で化学蒸着してなる、被覆超硬工具が知られており、これが各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることもよく知られるところである。
【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、切削工具には切削条件にできるだけ影響を受けない汎用性が要求される傾向にあるが、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連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、これを切刃が断続切削形態をとるエンドミルやドリルによる切削加工、さらにスローアウエイチップにあっては断続旋削加工など(以下、これらを総称して「断続切削」という)を高切込みおよび高送りなどの重切削条件で行なう切削加工に用いた場合には、切削時に発生する高い機械的および熱的衝撃によって、前記耐摩耗被覆層が超硬基体表面から剥離し易くなり、また前記耐摩耗被覆層を構成する下側硬質層および上側硬質層とも、きわめて硬質であるために高い機械的および熱的衝撃を伴う重切削条件での断続切削では、前記耐摩耗被覆層にチッピングも発生し易く、この結果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、上記の従来被覆超硬工具を構成する耐摩耗被覆層の超硬基体表面に対する一段の密着性向上および靭性向上を図るべく研究を行った結果、
(a)上記の超硬基体をアークイオンプレーティング装置に装着し、まず、カソード電極を用いずに、
装置内雰囲気温度(超硬基体温度):300〜500℃、
雰囲気ガス:Ar、
雰囲気圧力:1〜10Pa、
アーク放電電流:(アーク電源−OFF)、
超硬基体印加バイアス電圧:−800〜−1000V、
処理時間:2〜10分、
の条件で上記超硬基体の表面を前処理した後で、さらに超硬基体表面に、カソード電極として金属Tiを用い、
装置内雰囲気温度:450〜550℃、
雰囲気ガス:Ar、
雰囲気圧力:1〜10Pa、
アーク放電電流:100〜200A、
超硬基体印加バイアス電圧:−900〜1200V、
の条件でアークイオンプレーティング表面処理を施すと、上記超硬基体の表面上には、蒸着層としての金属Ti層の形成はなく、前記超硬基体自体の表面部に、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果に基く判別で、非晶質化層の形成が確認されること。
なお、アークイオンプレーティング装置を用いての金属Ti層の蒸着形成は、
装置内雰囲気温度:300〜500℃、
雰囲気ガス:(使用せず)、
雰囲気圧力:0.1Pa以下の真空、
カソード電極:金属Ti、
アーク放電電流:50〜100A、
超硬基体印加バイアス電圧:−30〜−100V、
の条件で一般に行われていること。
【0006】
(b)上記の表面部に非晶質化層が形成された超硬基体表面に、前記非晶質化層を表面から1〜50nmの範囲内の平均深さに亘って形成した状態で、上記の従来被覆超硬工具の耐摩耗硬質層の下側硬質層を構成する(Ti,Al)N層を、同じくアークイオンプレーティング装置を用いて、きわめて靭性に富んだ窒化チタン(以下、TiNで示す)層を介して形成し、さらに同じく上側硬質層のAl2O3層および/またはAl2O3−ZrO2混合層を、例えば化学蒸着法にて形成すると、前記非晶質化層は高い活性を有し、反応性の高いものであることから、前記TiN層の蒸着形成時に、これと反応して前記超硬基体表面と前記TiN層との間にはきわめて強固な密着性が確保され、この強固な密着性は前記TiN層と前記下側硬質層、および前記下側硬質層と前記上側硬質層の間にも確保されること。
【0007】
(c)したがって、この結果形成された被覆超硬工具においては、これを高い機械的および熱的衝撃を伴なう、重切削条件での断続切削加工に用いた場合にも、前記耐摩耗被覆層には剥離の発生がなくなり、かつ前記耐摩耗被覆層自体の靭性が前記TiN層の介在によって著しく向上し、耐摩耗被覆層のチッピング発生も抑制できることから、前記耐摩耗被覆層のもつすぐれた耐摩耗性が十分に発揮されるようになること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
【0008】
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、
(1)アークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成されたTiN層からなり、かつ0.1〜5μmの平均層厚を有する下地靭性層、
(2)同じくアークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成された、
組成式:(Ti1−XAlX)N(但し、原子比で、Xは0.15〜0.65を示す)、
を満足する(Ti,Al)N層の単層、または複層からなり、かつ0.5〜15μmの平均層厚を有する下側硬質層、
(3)いずれも化学蒸着装置を用いて蒸着形成された、Al2O3層、およびAl2O3の素地にZrO2相が分散分布してなるAl2O3−ZrO2混合層のうちのいずれかの単層、または両方の複層からなり、かつ0.5〜10μmの平均層厚を有する上側硬質層、
以上(1)〜(3)で構成された耐摩耗被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬工具において、
上記超硬基体の表面部に、アークイオンプレーティング装置を用い、表面から1〜50nmの範囲内の平均深さに亘って、
(a)Arガス雰囲気で、カソード電極を用いずに、前記超硬基体へのバイアス電圧印加のみの条件で前記超硬基体表面を前処理した状態で、
(b)同じくArガス雰囲気とし、カソード電極として設けた金属Tiを用いて発生させたアーク放電雰囲気で、前記超硬基体表面を処理するアークイオンプレーティング表面処理を施して、前記超硬基体表面上に蒸着層としての金属Ti層の形成なく、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果に基く判別による非晶質化層を形成してなる、
耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を有する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【0009】
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、超硬基体の表面部に形成された非晶質化層、並びに耐摩耗被覆層について、上記の通り数値限定した理由を説明する。
(1)超硬基体の表面部の非晶質化層
非晶質化層には、上記の通り耐摩耗被覆層(下地靭性層)との間にすぐれた密着性を形成する作用があるが、その深さが1nm未満では所望のすぐれた密着性を下地靭性層であるTiN層との間に確保することができず、一方超硬基体表面に対するTiN層の密着性向上効果は表面からの平均深さが50nmで十分であることから、その平均深さを1〜50nmと定めた。
【0010】
(2)下地靭性層
下地靭性層には、上記の通り耐摩耗被覆層の靭性を向上させ、高い機械的および熱的衝撃を伴う重切削条件での断続切削でも、前記耐摩耗被覆層にチッピングが発生するのを著しく抑制する作用があるが、その平均層厚が0.1μm未満では耐摩耗被覆層に所望の靭性を確保することができず、一方その平均層厚が5μmを越えると、重切削条件での断続切削では前記耐摩耗被覆層に偏摩耗の原因となる塑性変形が発生し易くなることから、その平均層厚を0.1〜5μmと定めた。
【0011】
(3)下側硬質層
下側硬質層を構成する(Ti,Al)N層には、耐摩耗被覆層に硬さと靭性を付与せしめ、もってチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を上側硬質層との共存において発揮する作用がある。すなわち前記下側硬質層におけるAlは高靭性を有するTiNに対して硬さを高め、もって耐摩耗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:(Ti1−XAlX)NのX値が0.15未満では所望の硬さ向上効果が得られず、一方その値が0.65を越えると、耐摩耗被覆層にチッピングが発生し易くなると云う理由によりX値を0.15〜0.65(原子比)と定めたものである。
また、この場合その平均層厚が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、一方その層厚が15μmを越えると、耐摩耗被覆層にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を0.5〜15μmと定めた。
【0012】
(4)上側硬質層
上側硬質層を構成するAl2O3層およびAl2O3−ZrO2混合層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、上記の下側硬質層と共存した状態で耐摩耗被覆層の耐摩耗性を一段と向上させる作用があるが、その平均層厚が0.5μm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10μmを越えると、耐摩耗被覆層にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を0.5〜10μmと定めた。
【0013】
【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、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2 粉末、TiN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、100MPa の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を6Pa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、いずれもスローアウエイチップ形状をもったISO規格・SNGA120412の超硬基体A−1〜A−5をそれぞれ形成した。
【0014】
ついで、これら超硬基体A−1〜A−5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、前記超硬基体A−1〜A−5のそれぞれの表面に、まず、
装置内雰囲気温度(超硬基体温度):400℃、
雰囲気ガス:Ar、
雰囲気圧力:3Pa、
カソード電極:(使用せず)、
アーク放電電流:(アーク電源−OFF)、
超硬基体印加バイアス電圧:−900V、
処理時間:3分、
の条件で前処理した後で、さらに、
装置内雰囲気温度:500℃、
雰囲気ガス:Ar、
雰囲気圧力:3Pa、
カソード電極:金属Ti、
アーク放電電流:150A、
超硬基体印加バイアス電圧:−1000V、
の条件でアークイオンプレーティング表面処理を施すことにより、上記超硬基体A−1〜A−5の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面からの形成深さは上記の条件でのアークイオンプレーティング表面処理の処理時間を調整することにより行った。
さらに、上記超硬基体A−1〜A−5の表面部に形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察(倍率:50万倍)し、この観察結果に基づいて判別および測定したところ、それぞれ表3,5に示される表面からの平均深さ(5点測定の平均値)を示した。
【0015】
引き続いて、同じアークイオンプレーティング装置にて、まず、
(a)まず、下地靭性層として、
装置内雰囲気温度:500℃、
雰囲気ガス:窒素ガス、
雰囲気圧力:6Pa、
カソード電極:金属Ti、
アーク放電電流:70A、
超硬基体印加バイアス電圧:−50V、
の条件で、上記の表面部に非晶質化層が形成された超硬基体A−1〜A−10のそれぞれの表面に、表3,5に示される目標層厚のTiN層を蒸着形成し、
(B)ついで、下側硬質層として、
装置内雰囲気温度:500℃、
雰囲気ガス:窒素ガス、
雰囲気圧力:6Pa、
カソード電極:種々の成分組成をもったTi−Al合金、
アーク放電電流:70A、
超硬基体印加バイアス電圧:−90V、
の条件で、上記のTiN層の表面に、それぞれ表3,5に示される目標組成および目標層厚の(Ti,Al)N層の単層、または複層を蒸着形成し、
(C)さらに、上記下側硬質層の表面に、上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、表2に示される条件で同じく表4、6に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のAl2O3層、またはAl2O3−ZrO2混合層を蒸着形成することにより、図2(a)に概略斜視図で、同(b)に概略縦断面図で示される形状を有する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)1〜5、11、12、14をそれぞれ製造した。
【0016】
また、比較の目的で、表7〜10に示される通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体A−1〜A−5の表面に対する上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体A−1〜A−5の表面部に非晶質化層の形成を行わず、さらに下地靭性層であるTiN層の形成も行なわない以外は、同一の条件で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)1〜5、11、12、14をそれぞれ製造した。
【0017】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ1〜5、11、12、14および従来被覆超硬チップ1〜5、11、12、14について、これ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、
被削材:JIS・SNCM439の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:130m/min.、
切り込み:5mm、
送り:0.19mm/rev.、
切削時間:5分、
の条件での合金鋼の乾式高切り込み断続切削試験、
被削材:JIS・SKD61の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:35m/min.、
切り込み:1.6mm、
送り:0.45mm/rev.、
切削時間:5分、
の条件でのダイス鋼の乾式高送り断続切削試験、さらに、
被削材:JIS・FCD500の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:160m/min.、
切り込み:7mm、
送り:0.15mm/rev.、
切削時間:5分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式高切り込み断続切削試験を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表4,6,8,10に示した。
【0018】
【表1】
【0019】
【表2】
【0020】
【表3】
【0021】
【表4】
【0022】
【表5】
【0023】
【表6】
【0024】
【表7】
【0025】
【表8】
【0026】
【表9】
【0027】
【表10】
【0028】
(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2.3μmのCr3C2粉末、同1.5μmのVC粉末、同1.0μmの(Ti,W)C粉末、および同1.8μmのCo粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表11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1370〜1470℃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8mm、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8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の寸法をもったエンドミル用超硬基体B−1、B−2、B−4、B−6、B−8をそれぞれ製造した。
【0029】
ついで、これらの超硬基体のうち、B−1、B−2、B−4、B−8を、それぞれアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、これらの表面に上記実施例1と同一の条件で、前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を施して、上記超硬基体B−1、B−2、B−4、B−8の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面からの形成深さは同じくアークイオンプレーティング表面処理の処理時間を調整することにより行なった。
また、上記超硬基体B−1、B−2、B−4、B−8の表面部に形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察(倍率:50万倍)し、この観察結果に基づいて判別および測定したところ、それぞれ表12,14に示される表面からの平均深さ(5点測定の平均値)を示した。
【0030】
引き続いて、同じアークイオンプレーティング装置にて、これらの表面に、いずれも上記実施例1と同一の条件で、まず、下地靭性層として表12,14に示される目標層厚のTiN層を蒸着形成し、ついで下側硬質層として同じく表12,14に示される目標組成および目標層厚の(Ti,Al)N層の単層、または複層を蒸着形成し、さらに前記下側硬質層の表面に、上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、同じく表2に示される条件で同じく表13,15に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のAl2O3層、またはAl2O3−ZrO2混合層を蒸着形成することにより、図3(a)に概略正面図で、同(b)に切刃部の概略横断面図で示される形状を有する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、2、4、8、9、12をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表16〜19に示される通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体B−1、B−2、B−4、B−8の表面に対する上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体B−1、B−2、B−4、B−8の表面部に非晶質化層が存在せず、さらに下地靭性層であるTiN層の形成も行なわない以外は、同一の条件で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、2、4、8、9、12をそれぞれ製造した。
【0031】
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル1、2、4、8、9、12および従来被覆超硬エンドミル1、2、4、8、9、12のうち、本発明被覆超硬エンドミル1、2、9、従来被覆超硬エンドミル1、2、9については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・FC300の板材、
回転速度:5300min−1、
軸方向切り込み:12mm、
径方向切り込み:1.6mm、
送り:585mm/min、
の条件での鋳鉄の湿式高切り込み側面切削加工試験、本発明被覆超硬エンドミル4、12、従来被覆超硬エンドミル4、12については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SNCM439の板材、
回転速度:2100min−1、
軸方向切り込み:20mm、
径方向切り込み:2.6mm、
送り:250mm/min、
の条件での合金鋼の湿式高切り込み側面切削加工試験、本発明被覆超硬エンドミル8、従来被覆超硬エンドミル8については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD61(硬さ:HRC52)の板材、
回転速度:650min−1、
軸方向切り込み:26mm、
径方向切り込み:1.4mm、
送り:68mm/min、
の条件での焼入れ鋼の湿式高切り込み側面切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの側面切削加工試験(いずれの試験も水溶性切削油使用)でも外周刃の逃げ面摩耗量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13,15にそれぞれ示した。
【0032】
【表11】
【0033】
【表12】
【0034】
【表13】
【0035】
【表14】
【0036】
【表15】
【0037】
【表16】
【0038】
【表17】
【0039】
【表18】
【0040】
【表19】
【0041】
(実施例3)
上記の実施例2で製造した直径が8mm(超硬基体B−1、B−2形成用)、13mm(超硬基体B−4、B−6形成用)の2種の丸棒焼結体を用い、この2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C−1、C−2)、8mm×22mm(超硬基体C−4、C−6)の寸法をもったドリル用超硬基体C−1、C−2、C−4、C−6をそれぞれ製造した。
【0042】
ついで、これらの超硬基体C−1、C−2、C−4、C−6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に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、これら超硬基体の表面に、これらの表面に上記実施例1と同一の条件で、前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を施して、上記超硬基体C−1、C−2、C−4、C−6の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面からの形成深さは同じくアークイオンプレーティング表面処理の処理時間を調整することにより行なった。
また、上記超硬基体C−1、C−2、C−4、C−6の表面部に形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察(倍率:50万倍)し、この観察結果に基づいて判別および測定したところ、それぞれ表20,22に示される表面からの平均深さ(5点測定の平均値)を示した。
【0043】
引き続いて、同じアークイオンプレーティング装置にて、これらの表面に、いずれも上記実施例1と同一の条件で、まず、下地靭性層として表20,22に示される目標層厚のTiN層を蒸着形成し、ついで下側硬質層として同じく表20,22に示される目標組成および目標層厚の(Ti,Al)N層の単層、または複層を蒸着形成し、さらに上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、同じく表2に示される条件で同じく表21,23に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のAl2O3層、またはAl2O3−ZrO2混合層を蒸着形成することすることにより、図4(a)に概略正面図で、同(b)に溝形成部の概略横断面図で示される形状を有する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、2、4、6、9、10、12をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表24〜27に示される通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体C−1、C−2、C−4、C−6の表面に対する上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体C−1、C−2、C−4、C−6の表面部に非晶質化層が存在せず、さらに下地靭性層であるTiN層の形成も行なわない以外は、同一の条件で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、2、4、6、9、10、12をそれぞれ製造した。
【0044】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル1〜16および従来被覆超硬ドリル1、2、4、6、9、10、12のうち、本発明被覆超硬ドリル1、2、9、10、従来被覆超硬ドリル1、2、9、10については、
被削材:平面寸法:100mm×250厚さ:50mmのJIS・FC300の板材、
切削速度:48m/min.、
送り:0.40mm/rev、
の条件での鋳鉄の湿式高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル4、6、12、従来被覆超硬ドリル4、6、12については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SNCM439の板材、
切削速度:50m/min.、
送り:0.38mm/rev、
の条件での合金鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高送り穴あけ切削加工試験(いずれの試験も水溶性切削油使用)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21、23、25、および27にそれぞれ示した。
【0045】
【表20】
【0046】
【表21】
【0047】
【表22】
【0048】
【表23】
【0049】
【表24】
【0050】
【表25】
【0051】
【表26】
【0052】
【表27】
【0053】
また、この結果得られた本発明被覆超硬工具としての本発明被覆超硬チップ1〜5、11、12、14、本発明被覆超硬エンドミル1、2、4、8、9、12、および本発明被覆超硬ドリル1、2、4、6、9、10、12、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆超硬チップ1〜5、11、12、14、従来被覆超硬エンドミル、2、4、8、9、12、および従来被覆超硬ドリル1、2、4、6、9、10、12の硬質被覆層の組成および層厚を、エネルギー分散型X線測定装置およびオージェ分光分析装置、さらに走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、表3〜27の目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成および平均層厚(任意5ヶ所測定の平均値との比較)を示した。
【0054】
【発明の効果】
表3〜27に示される結果から、本発明被覆超硬工具は、いずれもきわめて高い熱的および機械的衝撃を伴なう鋼および鋳鉄の重切削条件での断続切削加工でも、超硬基体表面部に形成された非晶質化層によって前記超硬基体表面と耐摩耗被覆層の間には強固な密着性が確保され、かつ前記耐摩耗被覆層自体がすぐれた靭性を具備することから、前記耐摩耗被覆層に密着性および靭性不足が原因の剥離やチッピングの発生はなく、耐摩耗被覆層は上側硬質層および下側硬質層の共存と相俟ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記非晶質化層および下地靭性層の形成がない従来被覆超硬工具においては、前記重切削条件での断続切削では耐摩耗被覆層の密着性および靭性不足が原因で剥離やチッピングが発生し、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連続切削や断続切削加工は勿論のこと、特に高い機械的および熱的衝撃を伴なう、重切削条件での断続切削加工に用いた場合にも、耐摩耗被覆層が超硬基体表面に対してすぐれた密着性を示し、かつすぐれた靭性も保持し、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、切削加工の汎用性に十分満足に対応でき、切削加工のさらに一段の省力化および省エネ化、さらに低コスト化を可能とするものである。
【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。
【図2】(a)は被覆超硬チップの概略斜視図、(b)は被覆超硬チップの概略縦断面図である。
【図3】(a)は被覆超硬エンドミルの概略正面図、(b)は同切刃部の概略横断面図である。
【図4】(a)は被覆超硬ドリルの概略正面図、(b)は同溝形成部の概略横断面図である。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金基体(超硬基体)の表面に、
(1)アークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成された窒化チタン層からなり、かつ0.1〜5μmの平均層厚を有する下地靭性層、
(2)同じくアークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成された、
組成式:(Ti1−XAlX)N(但し、原子比で、Xは0.15〜0.65を示す)、
を満足するTiとAlの複合窒化物層の単層、または複層からなり、かつ0.5〜15μmの平均層厚を有する下側硬質層、
(3)いずれも化学蒸着装置を用いて蒸着形成された、酸化アルミニウム層、および酸化アルミニウムの素地に酸化ジルコニウム相が分散分布してなる酸化アルミニウム−酸化ジルコニウム混合層のうちのいずれかの単層、または両方の複層からなり、かつ0.5〜10μmの平均層厚を有する上側硬質層、
以上(1)〜(3)で構成された耐摩耗被覆層を蒸着形成してなる表面被覆超硬合金製切削工具において、
上記超硬基体の表面部に、アークイオンプレーティング装置を用い、表面から1〜50nmの範囲内の平均深さに亘って、
(a)Arガス雰囲気で、カソード電極を用いずに、前記超硬基体へのバイアス電圧印加のみの条件で前記超硬基体表面を前処理した状態で、
(b)同じくArガス雰囲気とし、カソード電極として設けた金属Tiを用いて発生させたアーク放電雰囲気で、前記超硬基体表面を処理するアークイオンプレーティング表面処理を施して、前記超硬基体表面上に蒸着層としての金属Ti層の形成なく、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果に基く判別による非晶質化層を形成したこと、
を特徴とする耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具。
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