JP3899500B2 - 高熱発生切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬材料製切削工具 - Google Patents
高熱発生切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬材料製切削工具 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に高い熱発生を伴なう切削加工で硬質被覆層がすぐれた高温熱伝導性を発揮し、したがって例えば切刃が高温にさらされる高速切削に用いても切刃の摩耗進行が抑制され、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材料製切削工具(以下、被覆超硬工具と云う)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、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400℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と金属Tiまたは金属Alがセットされたカソード電極(蒸発源)との間にアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして、前記カソード電極に前記金属Tiがセットされた場合にはメタンガス、窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスを導入し、また前記金属Alがセットされた場合には酸素ガスを導入し、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)系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−70V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、
(a)いずれも0.1〜5μmの平均層厚を有し、かつそれぞれ組成式:TiCE 、TiNE 、およびTi(C1−F NF )E で表した場合、原子比でE:0.8〜1.2、F:0.3〜0.7を満足する炭化チタン層、窒化チタン層、および炭窒化チタン層のうちの1層または2層以上からなるTi化合物層、
(b)0.1〜10μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:AlOZ 、
で表した場合、原子比でZ:1〜2を満足する酸化アルミニウム層(以下、AlOZ 層と云う)、
以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層を0.5〜20μmの全体平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具を製造することが試みられ、かつ実用化のための研究が行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の切削装置の高性能化および高出力化はめざましく、かつ切削加工の省力化および省エネ化に対する要求もつよく、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを高い熱発生を伴なう高速切削に用いた場合、硬質被覆層を構成するTi化合物層はすぐれた高温熱伝導性を示すものの、同AlOZ層は高温にさらされると熱伝導性が急激に低下することから、切刃の温度上昇が避けられず、これが原因で摩耗進行が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。
【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、高熱発生切削で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AlOZ 層に代わって、高温熱伝導性のすぐれた酸化ジルコニウム、すなわち組成式:ZrOZ (ただし、Zは、原子比で1.5〜2.5を示す)で表される酸化ジルコニウムを主体とし、これのZrの一部を、高温硬さ向上を目的として、Nb、Hf、W、およびMoのうちの1種(以下、Mで示す)で置換してなるZr系複合酸化物からなる硬質被覆層、すなわち組成式:(Zr1−X MX )OZ (ただし、原子比でX:0.01〜0.3、Z:1.5〜2.5を示す)で表されるZr系複合酸化物からなる硬質被覆層を、同じくTi化合物層と共存させた状態で適用すると、この硬質被覆層がZr系複合酸化物層とTi化合物層とで構成された被覆超硬工具は、前記Zr系複合酸化物層およびTi化合物層のもつすぐれた高温熱伝導性、さらに前記Zr系複合酸化物層のもつすぐれた高温硬さによって、これを高い発熱を伴なう例えば鋼などの高速切削に用いても、切刃の摩耗進行が抑制され、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになるという研究結果が得られたのである。
【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、超硬基体の表面に、
(a)いずれも0.1〜5μmの平均層厚を有し、かつそれぞれ組成式:TiCE 、TiNE 、およびTi(C1−F NF )E で表した場合、原子比でE:0.8〜1.2、F:0.3〜0.7を満足する炭化チタン層、窒化チタン層、および炭窒化チタン層のうちの1層または2層以上からなるTi化合物層、
(b)それぞれ個々の平均層厚が0.1〜10μmにして、かつ、
組成式:(Zr1−X MX )OZ 、
(ただし、MはNb、Hf、W、およびMoのうちの1種からなる)、
で表した場合、原子比でX:0.01〜0.3、Z:1.5〜2.5を満足するZr系複合酸化物層、以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層を0.5〜20μmの全体平均層厚で物理蒸着してなる、高熱発生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。
【0006】
つぎに、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化合物層およびZr系複合酸化物層の組成式および平均層厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
(a)Ti化合物層
Ti化合物層は、いずれも同じ構成層であるZr系複合酸化物層に比して高温硬さは低いが、高い靭性を有し、もって硬質被覆層に所定の靭性を具備せしめるのに不可欠のものであり、これによって実用時に切刃に欠けやチッピング(微小欠け)などの欠損が発生するのを抑制する作用を発揮し、かつ相対硬さも窒化チタン層、炭窒化チタン層、および炭化チタン層の順に高くなるが、いずれもZr系複合酸化物層と同等のすぐれた高温熱伝導性をもつものであり、しかし、その平均層厚が0.1μm未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方前記作用は5μmまでの平均層厚で十分であり、これ以上の層厚は不必要であることから、その平均層厚を0.1〜5μmと定めた。
また、それぞれのTi化合物層におけるE値は、その値が0.8未満になると層自体が軟質になりすぎて、耐摩耗性の低下が著しく、一方その値が1.2を越えると層が脆化するようになって欠損発生の原因となることから、E値を0.8〜1.2と定めている。
さらに、炭窒化チタン層におけるF値は、その値が0.3未満になっても、0.7を越えても窒化チタン層と炭化チタン層の中間的性質を保持できなくなることから、F値を0.3〜0.7と定めている。
【0007】
(b)Zr系複合酸化物層
同じく硬質被覆層を構成するZr系複合酸化物層は、上記の通りZrOZ のもつすぐれた高温熱伝導性を保持した状態で、M成分によるすぐれた高温硬さを有し、もって高発熱切削時の耐摩耗性低下を抑制する作用を発揮するが、組成式におけるM成分のZrとの合量に占める割合を示すX値を原子比で0.01〜0.3としたのは、X値が0.01未満ではZr系複合酸化物層の高温硬さに所望の向上効果が得られず、一方X値が0.3を越えると、特に靭性が急激に低下し、所望の切刃に欠けやチッピングなどの欠損が発生し易くなるという理由からであり、望ましくは0.05〜0.25のX値とするのがよい。
また、上記Zr系複合酸化物層におけるZ値を原子比で1.5〜2.5と定めたのは、Z値が1.5未満では相対的にZrに対する酸素の割合が少なくなりすぎて、所望のすぐれた高温熱伝導性を確保することができず、一方Z値が2.5を越えると層自体が急激に脆化し、これが欠損発生の原因となるという理由にもとづくものである。
さらに、上記Zr系複合酸化物層の個々の平均層厚を0.1〜10μmとしたのは、その層厚が0.1μm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10μmを越えると切刃にチッピングが発生し易くなるという理由からであり、望ましくは0.2〜5.0μmとするのがよい。
【0008】
また、硬質被覆層の全体平均層厚を0.5〜20μmとしたのは、その層厚が0.5μm未満では硬質被覆層による耐摩耗性向上に所望の効果が得られず、一方その層厚が0μmを越えると切刃にチッピングが発生し易くなるという理由からであり、望ましくは3〜10μmの平均層厚とするのがよい。
【0009】
【発明の実施の形態】
ついで、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。
原料粉末として、いずれも0.5〜3.5μmの平均粒径を有するWC粉末、TiC粉末、TaC粉末、およびCo粉末を用意し、これら原料粉末を、重量%でWC:90%、TiC:1%、TaC:1%、Co:8%の配合組成に配合し、ボールミルで72時間湿式混合し、乾燥した後、1.5ton/cm2 の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を真空中、温度:1450℃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・SEKN1203AFEN1のチップ形状をもったWC基超硬合金製の超硬基体Aを形成した。
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、TaC粉末、WC粉末、VC粉末、Co粉末、Ni粉末、および黒鉛(C)粉末を用意し、これら原料粉末を、重量%で、TiCN:74.5%、TaC:3%、WC:9.5%、VC:1%、Co:8%、Ni:3%、C:1%の配合組成に配合し、ボールミルで24時間湿式混合し、乾燥した後、1ton/cm2 の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を5torr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・SEEN1203AFEN1のチップ形状をもったTiCN系サーメット製の超硬基体Bを形成した。
【0010】
ついで、これら超硬基体A、B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に示される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)として種々の成分組成をもったZr−M合金、金属Ti、さらに金属Alをそれぞれ装着し、装置内を排気して1×10−5torrの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を400℃に加熱した後、超硬合金基体に−50vのバイアス電圧を印加し、装置内に反応ガスとして、カソード電極を金属TiとしてTi化合物層を形成する場合には、メタンガス、窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスを導入し、またカソード電極をZr−M合金または金属AlとしてZr系複合酸化物層またはAlOZ 層を形成する場合には酸素ガスを導入しながら、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、もって前記超硬合金基体A、Bのそれぞれの表面に、表1〜3に示される目標組成および目標層厚の硬質被覆層を物理蒸着することにより、硬質被覆層がTi化合物層とZr系複合酸化物層で構成された本発明被覆超硬工具1〜8、および硬質被覆層がTi化合物層とAlOZ 層で構成された従来被覆超硬工具1〜4をそれぞれ製造した。
なお、上記の各種の被覆超硬工具について、これの硬質被覆層の断面を走査型電子顕微鏡により観察し、その組成および層厚を測定したところ、表1,2に示される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を示した。
【0011】
この結果得られた各種の被覆超硬工具のうち、本発明被覆超硬工具1〜4および従来被覆超硬合金工具1、2については、
被削材:JIS・SNCM439(硬さ:HR C30)の角材、
切削速度:280m/min、
送り:0.2mm/刃(単刃)、
切り込み:1.5mm、
切削時間:25分、
の条件(切削条件Aと云う)での合金鋼の乾式高速フライス切削試験、並びに、被削材:JIS・SKD61(硬さ:HR C60)の角材、
切削速度:300m/min、
送り:0.08mm/刃(単刃)、
切り込み:1mm、
切削時間:10分、
の条件(切削条件Bと云う)での焼き入れ鋼の乾式高速フライス切削試験を行ない、また本発明被覆超硬工具5〜8および比較被覆超硬工具3、4については、
被削材:JIS・SNCM439(硬さ:HR C32)の角材、
切削速度:350m/min、
送り:0.15mm/刃(単刃)、
切り込み:1.5mm、
切削時間:20分、
の条件(切削条件Cと云う)での合金鋼の乾式高速フライス切削試験、並びに、被削材:JIS・SKD61(硬さ:HR C55)の角材、
切削速度:320m/min、
送り:0.1mm/刃(単刃)、
切り込み:1mm、
切削時間:15分、
の条件(切削条件Dと云う)での焼き入れ鋼の乾式高速フライス切削試験を行ない、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。これらの測定結果を表2、3に示した。
【0012】
【表1】
【0013】
【表2】
【0014】
【表3】
【0015】
【発明の効果】
表1〜3に示される結果から、本発明被覆超硬工具1〜8は、いずれも硬質被覆層を構成するZr系複合酸化物層およびTi化合物層がすぐれた高温熱伝導性を有し、かつ前記Zr系複合酸化物層は高温硬さにすぐれ、また前記Ti化合物層は靭性にすぐれたものであることと相まって、刃先が高温加熱される高硬度鋼の高速切削にも前記硬質被覆層の熱伝導性の低下が抑制され、刃先の過熱が防止されることから、すぐれた耐摩耗性を示し、かつ切刃の摩耗状況も正常であるのに対して、従来被覆超硬工具1〜4は、特に硬質被覆層を構成するAlOZ 層の高温での熱伝導性の低下が著しく、これが原因で刃先の摩耗進行が促進す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工具は、例えば鋼の通常の条件での連続切削および断続切削は勿論のこと、熱発生が高く、刃先の加熱が著しい高速切削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。
【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。
Claims (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、
(a)いずれも0.1〜5μmの平均層厚を有し、かつそれぞれ組成式:TiCE 、TiNE 、およびTi(C1−F NF )E で表した場合、原子比でE:0.8〜1.2、F:0.3〜0.7を満足する炭化チタン層、窒化チタン層、および炭窒化チタン層のうちの1層または2層以上からなるTi化合物層、
(b)それぞれ個々の平均層厚が0.1〜10μmにして、かつ、
組成式:(Zr1−X MX )OZ 、
(ただし、MはNb、Hf、W、およびMoのうちの1種からなる)、
で表した場合、原子比でX:0.01〜0.3、Z:1.5〜2.5を満足するZrと上記M成分とのZr系複合酸化物層、
以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層を0.5〜20μmの全体平均層厚で物理蒸着してなる、高熱発生切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬材料製切削工具。
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