JP4120491B2 - 高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた高温硬さと耐熱性、さらにすぐれた高温強度を有し、したがって特にTi基合金やNi基合金、さらにCo基合金およびAl基合金などの非鉄合金材料などの被削材の切削加工を、特に高熱発生を伴なう高速で、かつ高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合に、硬質被覆層がチッピング(微少欠け)などの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具(以下、被覆サーメット工具という)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、被覆サーメット工具には、各種の鉄鋼材料や非鉄合金材料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、被覆サーメット工具として、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)基サーメットで構成されたサーメット基体の表面に、
(a)表面潤滑層として、0.2〜3μmの平均層厚を有する炭素層、
(b)耐摩耗硬質層として、1〜15μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Ti1- Z AlZ )N(ただし、原子比で、Zは0.40〜0.65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、以上(a)および(b)からなる硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆サーメット工具が知られており、前記(Ti,Al)N層が、構成成分であるTiによる高温強度、同Alによる高温硬さと耐熱性を具備することから、前記被覆サーメット工具を特にTi基合金やNi基合金、さらにCo基合金およびAl基合金などの非鉄合金材料などの被削材の連続切削や断続切削加工に用いた場合に、炭素層による表面潤滑効果と相俟って、すぐれた切削性能を発揮することも知られている(例えば特許文献1参照)。
【0004】
さらに、上記の被覆サーメット工具が、例えば図2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に上記のサーメット基体を装入し、前記装置内にはカソード電極(蒸発源)として所定組成を有するTi−Al合金および炭素がそれぞれセットされ、まず、ヒータで装置内を、例えば500℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と前記Ti−Al合金のカソード電極との間に、例えば95Aの電流を流して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て、例えば4Paの反応雰囲気とし、一方上記サーメット基体には、例えば−150Vのバイアス電圧を印加した条件で、前記サーメット基体の表面に、硬質被覆層として上記(Ti,Al)N層からなる耐摩耗硬質層を蒸着し、ついでアノード電極と前記炭素のカソード電極との間に、例えば95Aの電流を流してアーク放電を発生させ、同時に装置内の反応雰囲気を窒素ガスからAr(アルゴン)ガスに切り替えて、1Paの反応雰囲気とし、かつ前記サーメット基体に印加する電圧を50Vとする条件で前記耐摩耗硬質層の上に炭素層を表面潤滑層として形成することにより製造されることも知られている(例えば特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−113604
【0006】
【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、切削加工効率向上の面から、切削加工は高速で、かつ高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なわれる傾向にあるが、上記の従来被覆サーメット工具においては、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、切削加工を高熱発生を伴ない、かつ高い機械的衝撃も加わる高速重切削条件で行なった場合には、特に硬質被覆層の高温硬さおよび耐熱性が不足し、さらに高温強度も不十分であるために、硬質被覆層の摩耗が一段と促進し、かつチッピングも発生し易くなることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【0007】
【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、特に高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆サーメット工具を開発すべく、上記の従来被覆サーメット工具を構成する硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、
(A)上記の図2に示されるアークイオンプレーティング装置を用いて形成された従来被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成する(Ti,Al)Nからなる耐摩耗硬質層は、層厚全体に亘って均質な高温強度、および高温硬さと耐熱性を有するが、例えば図1(a)に概略平面図で、同(b)に概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティング装置(以下、AIP装置と略記する)とスパッタリング装置(以下、SP装置と略記する)が共存の蒸着装置、すなわち装置中央部にサーメット基体装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に上記の従来(Ti,Al)N層の形成にカソード電極(蒸発源)として用いられたTi−Al合金に比してAl含有量の高いAl−Ti合金、他方側に同じく前記の従来Ti−Al合金に比してTi含有量の高いTi含有量の高いTi−Al合金をいずれもカソード電極(蒸発源)として対向配置し、さらに炭素源として例えば炭素粉末成形体も配置した蒸着装置を用い、この装置の前記回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って複数のサーメット基体をリング状に装着し、まず、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される耐摩耗硬質層の層厚均一化を図る目的でサーメット基体自体も自転させながら、前記の回転テーブルの両側に対向配置したカソード電極(蒸発源)とアノード電極との間にそれぞれアーク放電を発生させて、前記サーメット基体の表面に(Ti,Al)N層を形成すると、この結果の(Ti,Al)N層においては、回転テーブル上にリング状に配置された前記サーメット基体が上記の一方側の相対的にAl含有量の高いAl−Ti合金のカソード電極(蒸発源)に最も接近した時点で層中にAl最高含有点が形成され、また前記サーメット基体が上記の他方側の相対的にTi含有量の高いTi−Al合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にTi最高含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向にそって前記Al最高含有点とTi最高含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Al最高含有点から前記Ti最高含有点、前記Ti最高含有点から前記Al最高含有点へTiおよびAlの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造をもつようになること。
【0008】
(B)上記(A)の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の(Ti,Al)N層において、例えば対向配置のカソード電極(蒸発源)のそれぞれの組成を調製すると共に、サーメット基体が装着されている回転テーブルの回転速度を制御して、
上記Al最高含有点が、組成式:(Al 1-X TiX )N(ただし、原子比で、Xは0.05〜0.30を示す)、
上記Ti最高含有点が、組成式:(Ti1-Y AlY )N(ただし、原子比で、Yは0.05〜0.35を示す)、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Al最高含有点とTi最高含有点の厚さ方向の間隔を0.01〜0.1μmとすると、
上記Al最高含有点部分では、上記の従来(Ti,Al)N層に比してAl含有量が相対的に高くなることから、より一段とすぐれた高温硬さと耐熱性を示し、一方上記Ti最高含有点部分では、前記従来(Ti,Al)N層に比してTi含有量が相対的に高くなることから、一段と高い高温強度を具備するようになり、かつこれらAl最高含有点とTi最高含有点の間隔をきわめて小さくしたことから、層全体の特性としてすぐれた高温硬さと耐熱性に加えて、一段とすぐれた高温強度を具備するようになること。
【0009】
(C)さらに、上記(A)および(B)の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の(Ti,Al)N層を1〜15μmの平均層厚で耐摩耗硬質層として蒸着形成し、ついで、同じく図1の蒸着装置におけるSP装置を用い、Arガスの反応雰囲気中で、上記の炭素粉末成形体のスパッタリングを行い、前記(Ti,Al)N層に重ねて表面潤滑層として0.2〜3μmの平均層厚で非晶質炭素(以下、非晶質Cで示す)層を蒸着形成すると、この結果の硬質被覆層は、これの耐摩耗硬質層を構成する(Ti,Al)N層が、上記の繰り返し連続変化成分濃度分布構造によって上記の従来(Ti,Al)N層に比して一段とすぐれた高温硬さと耐熱性、さらに高温強度を有するようになり、したがって硬質被覆層がかかる(Ti,Al)N層と非晶質C層からなる被覆サーメット工具は、非晶質C層による表面潤滑性向上効果と相俟って、特にTi基合金やNi基合金、さらにCo基合金およびAl基合金などの非鉄合金材料などの被削材の高い熱発生および機械的衝撃を伴う高速重切削加工に用いた場合にも、硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
以上(A)〜(C)に示される研究結果を得たのである。
【0010】
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、AIP装置とSP装置を備え、装置中央部にサーメット基体装着用回転テーブルを設けた蒸着装置を用い、
(a)上記回転テーブルを挟んで、上記AIP装置のカソード電極(蒸発源)を両側に対向配置し、一方側のカソード電極(蒸発源)としてAl最高含有点形成用Al−Ti合金、他方側のカソード電極(蒸発源)としてTi最高含有点形成用Ti−Al合金をそれぞれ配置し、前記回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置にテーブルの外周部に沿って複数の上記サーメット基体をリング状に装着し、この状態で蒸着装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、前記サーメット基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極(蒸発源)とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記サーメット基体の表面に蒸着してなる、1〜15μmの平均層厚を有し、
層厚方向にそって、Al最高含有点とTi最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Al最高含有点から前記Ti最高含有点、前記Ti最高含有点から前記Al最高含有点へTiおよびAlの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Al最高含有点が、組成式:(Al1- XTiX)N(ただし、原子比で、Xは0.05〜0.30を示す)、
上記Ti最高含有点が、組成式:(Ti1- YAlY)N(ただし、原子比で、Yは0.05〜0.35を示す)、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Al最高含有点とTi最高含有点の間隔が、0.01〜0.1μmである、(Ti,Al)N層からなる耐摩耗硬質層、
(b)蒸着装置内雰囲気をArガス雰囲気として上記回転テーブルを回転させると共に、前記回転テーブル上に同じくリング状に装着した上記サーメット基体自体も自転させながら、前記回転テーブルに面して配置した上記SP装置のカソード電極(蒸発源)である炭素源とアノード電極との間でスパッタリングを行い、前記回転テーブル上の前記サーメット基体表面に蒸着形成した上記耐摩耗硬質層に重ねて蒸着してなる、0.2〜3μmの平均層厚を有する非晶質C層からなる表面潤滑層、
以上(a)および(b)からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。
【0011】
つぎに、この発明の被覆サーメット工具において、これを構成する硬質被覆層の構成を上記の通りに限定した理由を説明する。
(a)耐摩耗硬質層におけるAl最高含有点の組成
(Ti,Al)N層におけるAl成分には、高温硬さと耐熱性、さらにTi成分には高温強度をそれぞれ向上させる作用があるので、上記Al最高含有点では相対的にAl含有量を高くして、すぐれた高温硬さと耐熱性を確保し、高熱発生を伴なう高速切削条件ですぐれた耐摩耗性を発揮するようにしたものであるが、Tiの割合を示すX値がAlとの合量に占める割合(原子比、以下同じ)で0.05未満になると、相対的にAlの割合が多くなり過ぎて、相対的に高い高温強度を有するTi最高含有点が隣接して存在しても層自体の高温強度の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方Tiの割合を示すX値が同0.30を越えると、相対的にAlの割合が少なくなり過ぎて、高温硬さと耐熱性が低下し、摩耗が促進するようになることから、X値を0.05〜0.30と定めた。
【0012】
(b)耐摩耗硬質層におけるTi最高含有点の組成
上記の通りAl最高含有点は、上記の従来(Ti,Al)N層に比して、相対的にAl含有割合が高く、一方Ti含有量が低く、これによって相対的に高い高温硬さと耐熱性を有するようになるが、反面高温強度の劣るものであるため、このAl最高含有点の高温強度不足を補う目的で、相対的にTi含有割合が高く、一方Al含有量が低く、これによって相対的に高い高温強度を有するようになるTi最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであり、しかしAlの割合を示すY値がTi成分との合量に占める割合で0.05未満になると、所望の高温硬さと耐熱性を確保することができず、これが摩耗促進の原因となり、一方同Y値が0.35を越えると、Tiに対するAlの割合が多くなり過ぎて、Ti最高含有点に所望のすぐれた高温強度を確保することができなくなり、この結果高速重切削条件ではチッピングが発生し易くなることから、Ti最高含有点でのAlの割合を示すY値を0.05〜0.35と定めた。
【0013】
(c)耐摩耗硬質層におけるAl最高含有点とTi最高含有点間の間隔
その間隔が0.01μm未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果耐摩耗硬質層にすぐれた高温硬さと耐熱性、さらに高温強度を確保することができなくなり、またその間隔が0.1μmを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちAl最高含有点であれば高温強度不足、Ti最高含有点であれば高温硬さおよび耐熱性不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなったり、摩耗が促進するようになることから、その間隔を0.01〜0.1μmと定めた。
【0014】
(d)耐摩耗硬質層の平均層厚
その平均層厚が1μm未満では、耐摩耗硬質層のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方その平均層厚が15μmを越えると切刃部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1〜15μmと定めた。
【0015】
(e)表面潤滑層の平均層厚
硬質被覆層は、上記の通り耐摩耗硬質層のもつすぐれた高温硬さと耐熱性、さらに高温強度に加えて、表面潤滑層である非晶質C層のもつすぐれた潤滑性によって、高い熱発生および機械的衝撃を伴なう高速重切削加工で、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するようになるものであるが、その平均層厚が0.2μm未満では、所望の潤滑性向上効果を長期に亘って確保することができず、一方その平均層厚が3μmを越えると切刃部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0.2〜3μmと定めた。
【0016】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆サーメット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、Cr3 C2 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:0.03のホーニング加工を施してISO規格・CNMG120408のチップ形状をもったWC基超硬合金製のサーメット基体A−1〜A−10を形成した。
【0017】
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のチップ形状をもったTiCN系サーメット製のサーメット基体B−1〜B−6を形成した。
また、表面潤滑層である非晶質C層形成用カソード電極(蒸発源)として、99.98質量%の高純度を有する平均粒径:1μmの高純度炭素粉末を100MPaの圧力でプレス成形してなる炭素粉末成形体を用意した。
【0018】
ついで、上記のサーメット基体A−1〜A−10およびB−1〜B−6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、図1に示される蒸着装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、硬質被覆層の耐摩耗硬質層形成に、一方側のカソード電極(蒸発源)として、種々の成分組成をもったAl最高含有点形成用Al−Ti合金、他方側のカソード電極(蒸発源)として、種々の成分組成をもったTi最高含有点形成用Ti−Al合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、さらに同じくカソード電極として上記の表面潤滑層形成用炭素粉末成形体およびボンバード洗浄用金属Tiも装着し、まず装置内を排気して0.5Pa以下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、前記回転テーブル上で自転しながら回転するサーメット基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記金属Tiとアノード電極との間に100Aの電流を流してアーク放電を発生させ、もってサーメット基体表面をTiボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して2Paの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転するサーメット基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、かつそれぞれのカソード電極(前記Al最高含有点形成用Al−Ti合金およびTi最高含有点形成用Ti−Al合金)とアノード電極との間に100Aの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記サーメット基体の表面に、層厚方向に沿って表3,4に示される目標組成のAl最高含有点とTi最高含有点とが交互に同じく表3,4に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Al最高含有点から前記Ti最高含有点、前記Ti最高含有点から前記Al最高含有点へTiおよびAlの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表3,4に示される目標層厚の(Ti,Al)N層を硬質被覆層の耐摩耗硬質層として蒸着形成し、ついで上記のAl最高含有点形成用Al−Ti合金およびTi最高含有点形成用Ti−Al合金のカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内に導入する反応ガスをArガスに切り替えて、装置内を1Paの反応雰囲気とすると共に、カソード電極である前記炭素粉末成形体とアノード電極との間で、スパッタ出力:4kW、周波数:40kHzの条件でスパッタリングを行ない、同じく表3,4に示される目標層厚の非晶質C層を硬質被覆層の表面潤滑層として蒸着形成しすることにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製スローアウエイチップ(以下、本発明被覆チップと云う)1〜16をそれぞれ製造した。
【0019】
また、比較の目的で、これらサーメット基体A−1〜A−10およびB−1〜B−6を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ同じく図1に示される蒸着装置に装入し、カソード電極(蒸発源)として種々の成分組成をもったTi−Al合金(一方側のみ)および上記の炭素粉末成形体を装着し、またボンバード洗浄用金属Tiも装着し、まず、装置内を排気して0.5Pa以下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、前記サーメット基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記金属Tiとアノード電極との間に100Aの電流を流してアーク放電を発生させ、もってサーメット基体表面をTiボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して2Paの反応雰囲気とすると共に、前記サーメット基体に印加するバイアス電圧を−100Vに下げて、前記Ti−Al合金の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、もって前記サーメット基体A−1〜A−10およびB−1〜B−6のそれぞれの表面に、表5に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない(Ti,Al)N層を硬質被覆層の耐摩耗硬質層として蒸着形成し、ついで前記Ti−Al合金のカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内に導入する反応ガスをArガスに切り替えて、同じく装置内を1Paの反応雰囲気とすると共に、カソード電極である前記炭素粉末成形体とアノード電極との間で、同じくスパッタ出力:4kW、周波数:40kHzの条件でスパッタリングを行ない、前記(Ti,Al)N層に重ねて、同じく表5に示される目標層厚の非晶質C層を硬質被覆層の表面潤滑層として蒸着形成することにより、比較被覆サーメット工具としての比較表面被覆サーメット製スローアウエイチップ(以下、比較被覆チップと云う)1〜16をそれぞれ製造した。
【0020】
つぎに、上記の各種の被覆チップを、いずれも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、本発明被覆チップ1〜16および比較被覆チップ1〜16について、
被削材:質量%(以下同じ)で、Ti−6%Al−4%Vの組成を有するTi合金丸棒、
切削速度:140m/min.、
切り込み:2.0mm、
送り:0.1mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件でのTi合金の乾式連続高速高切り込み切削加工試験(通常の切削速度は70m/min.、通常の切り込み量は1.0mm)、
被削材:Al−17%Si−5%Cu−1%Fe−0.5%Mg−0.2%Tiの組成を有する長さ方向等間隔4本縦溝入りAl合金丸棒、
切削速度:240m/min.、
切り込み:3.0mm、
送り:0.15mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件でのAl合金の乾式断続高速高切り込み切削加工試験(通常の切削速度は150m/min.、通常の切り込み量は1.5mm)、
被削材:Ni−18%Mo−8%Al−0.04%Cの組成を有するNi合金丸棒、
切削速度:100m/min.、
切り込み:1.0mm、
送り:0.2mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件でのNi合金の乾式連続高速高送り切削加工試験(通常の切削速度は50m/min.、通常の送り量は0.1mm/rev.)を行い、いずれの切削加工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6に示した。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】
【表4】
【0025】
【表5】
【0026】
【表6】
【0027】
(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[質量比で、TiC/WC=50/50]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7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種のサーメット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7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、並びにいずれもねじれ角30度の4枚刃スクエア形状をもったWC基超硬合金製のサーメット基体(エンドミル)C−1〜C−8をそれぞれ製造した。
【0028】
ついで、これらのサーメット基体(エンドミル)C−1〜C−8の表面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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、層厚方向に沿って表8に示される目標組成のAl最高含有点とTi最高含有点とが交互に同じく表8に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Al最高含有点から前記Ti最高含有点、前記Ti最高含有点から前記Al最高含有点へTiおよびAlの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、同じく表8に示される目標層厚の(Ti,Al)N層からなる耐摩耗硬質層と、同じく表8に示される目標層厚の非晶質C層からなる表面潤滑層で構成された硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製エンドミル(以下、本発明被覆エンドミルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0029】
また、比較の目的で、上記のサーメット基体(エンドミル)C−1〜C−8の表面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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、表9に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない(Ti,Al)N層からなる耐摩耗硬質層と、同じく表9に示される目標層厚の非晶質C層からなる表面潤滑層で構成された硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較被覆サーメット工具としての比較表面被覆サーメット製エンドミル(以下、比較被覆エンドミルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0030】
つぎに、上記本発明被覆エンドミル1〜8および比較被覆エンドミル1〜8のうち、本発明被覆エンドミル1〜3および比較被覆エンドミル1〜3については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法、およびNi−18.5%W−6.2%Al−1.5%Zr−0.15%Cの組成をもったNi合金板材、
切削速度:140m/min.、
溝深さ(切り込み):6mm、
テーブル送り:1600mm/分、
の条件でのNi合金の乾式高速高切り込み溝切削加工試験(通常の切削速度は100m/min.、通常の溝深さは3mm)、本発明被覆エンドミル4〜6および比較被覆エンドミル4〜6については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法、およびTi−6%Al−4%Vの組成をもったTi合金板材、
切削速度:130m/min.、
溝深さ(切り込み):5mm、
テーブル送り:3300mm/分、
の条件でのTi合金の乾式高速高送り溝切削加工試験(通常の切削速度は100m/min.、通常のテーブル送りは1600mm/分)、本発明被覆エンドミル7,8および比較被覆エンドミル7,8については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法、およびNi−22%Cr−13%Mo−4%Fe−3%Wの組成をもったNi合金板材、
切削速度:140m/min.、
溝深さ(切り込み):20mm、
テーブル送り:560mm/分、
の条件でのNi合金の乾式高速高切り込み溝切削加工試験(通常の切削速度は100m/min.、通常の溝深さは10mm)をそれぞれ行い、いずれの溝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に至るまでの切削溝長を測定した。この測定結果を表8、9にそれぞれ示した。
【0031】
【表7】
【0032】
【表8】
【0033】
【表9】
【0034】
(実施例3)
上記の実施例2で製造した直径が8mm(サーメット基体C−1〜C−3形成用)、13mm(サーメット基体C−4〜C−6形成用)、および26mm(サーメット基体C−7、C−8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(サーメット基体D−1〜D−3)、8mm×22mm(サーメット基体D−4〜D−6)、および16mm×45mm(サーメット基体D−7、D−8)の寸法、並びにいずれもねじれ角30度の2枚刃形状をもったWC基超硬合金製のサーメット基体(ドリル)D−1〜D−8をそれぞれ製造した。
【0035】
ついで、これらのサーメット基体(ドリル)D−1〜D−8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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、層厚方向に沿って表10に示される目標組成のAl最高含有点とTi最高含有点とが交互に同じく表10に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Al最高含有点から前記Ti最高含有点、前記Ti最高含有点から前記Al最高含有点へTiおよびAlの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表10に示される目標層厚の(Ti,Al)N層からなる耐摩耗硬質層と、同じく表10に示される目標層厚の非晶質C層からなる表面潤滑層で構成された硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製ドリル(以下、本発明被覆ドリルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0036】
また、比較の目的で、上記のサーメット基体(ドリル)D−1〜D−8の表面に、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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、表11に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない(Ti,Al)N層からなる耐摩耗硬質層と、同じく表11に示される目標層厚の非晶質C層からなる表面潤滑層で構成された硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較被覆サーメット工具としての比較表面被覆サーメット製ドリル(以下、比較被覆ドリルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0037】
つぎに、上記本発明被覆ドリル1〜8および比較被覆ドリル1〜8のうち、本発明被覆ドリル1〜3および比較被覆ドリル1〜3については、
被削材−平面:100mm×250、厚さ:50mmの寸法をもったJIS・ADC12のAl合金板材、
切削速度:150m/min.、
送り:0.4mm/rev、
穴深さ:20mm、
の条件でのAl合金の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は100m/min.、通常の送りは0.2mm/rev.)、本発明被覆ドリル4〜6および比較被覆ドリル4〜6については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法、およびCo−30%Cr−14%Wの組成をもったCo合金板材、
切削速度:100m/min.、
送り:0.3mm/rev、
穴深さ:30mm、
の条件でのCo合金の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は50m/min.、通常の送りは0.15mm/rev.)、本発明被覆ドリル7,8および比較被覆ドリル7,8については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法をもった純Ti板材、
切削速度:100m/min.、
送り:0.35mm/rev、
穴深さ:40mm、
の条件での純Tiの湿式高速高送り穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は50m/min.、通常の送りは0.2mm/rev.)、をそれぞれ行い、いずれの湿式穴あけ切削加工試験(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10、11にそれぞれ示した。
【0038】
【表10】
【0039】
【表11】
【0040】
この結果得られた本発明被覆サーメット工具としての本発明被覆チップ1〜16、本発明被覆エンドミル1〜8、および本発明被覆ドリル1〜8の硬質被覆層を構成する耐摩耗硬質層におけるAl最高含有点とTi最高含有点の組成、並びに比較被覆サーメット工具としての比較被覆チップ1〜16、比較被覆エンドミル1〜8、および比較被覆ドリル1〜8の硬質被覆層の耐摩耗硬質層について、厚さ方向に沿ってTiおよびAlの含有量をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、前記本発明被覆サーメット工具の耐摩耗硬質層を構成する(Ti,Al)N層では、Al最高含有点とTi最高含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ組成および間隔で交互に繰り返し存在し、かつ前記Al最高含有点から前記Ti最高含有点、前記Ti最高含有点から前記Al最高含有点へTiおよびAlの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有することが確認され、一方前記比較被覆サーメット工具の耐摩耗硬質層を構成する(Ti,Al)N層では厚さ方向に沿って組成変化が見られなかったが、目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、上記の硬質被覆層の表面潤滑層および耐摩耗硬質層の平均層厚を走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ値を示した。
【0041】
【発明の効果】
表3〜11に示される結果から、硬質被覆層の耐摩耗硬質層が、層厚方向にAl最高含有点とTi最高含有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ前記Al最高含有点から前記Ti最高含有点、前記Ti最高含有点から前記Al最高含有点へTiおよびAlの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有する(Ti,Al)N層からなる本発明被覆サーメット工具は、いずれもTi基合金やNi基合金、さらにCo基合金およびAl基合金などの非鉄合金材料などの被削材の切削加工を、高い熱発生を伴なう高速で、かつ高い機械的衝撃も加わる高切り込みや高送りの重切削条件で行っても、前記硬質被覆層の耐摩耗硬質層がすぐれた高温硬さと耐熱性、さらにすぐれた高温強度を具備することから、硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の耐摩耗硬質層が層厚方向に沿って実質的に組成変化のない(Ti,Al)N層からなる比較被覆サーメット工具においては、前記非鉄合金材料からなる被削材の高速重切削加工では、前記耐摩耗硬質層の高温硬さおよび耐熱性不足に加えて、高温強度も不十分であることから、切削開始後比較的短時間で切刃部にチッピングが発生し、使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆サーメット工具は、特にTi基合金やNi基合金、さらにCo基合金およびAl基合金などの非鉄合金材料などの被削材などの通常の切削条件では勿論のこと、切削加工を高速重切削条件で行なった場合にも、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮し、すぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の高性能化、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】被覆サーメット工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた蒸着装置を示し、(a)は概略平面図、(b)は概略正面図である。
【図2】通常の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)
- アークイオンプレーティング装置とスパッタリング装置を備え、装置中央部に炭化タングステン基超硬合金および炭窒化チタン系サーメットのいずれか、または両方からなるサーメット基体の装着用回転テーブルを設けた蒸着装置を用い、
(a)上記回転テーブルを挟んで、上記アークイオンプレーティング装置のカソード電極(蒸発源)を両側に対向配置し、一方側のカソード電極(蒸発源)としてAl最高含有点形成用Al−Ti合金、他方側のカソード電極(蒸発源)としてTi最高含有点形成用Ti−Al合金をそれぞれ配置し、前記回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置にテーブルの外周部に沿って複数の上記サーメット基体をリング状に装着し、この状態で蒸着装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、前記サーメット基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極(蒸発源)とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記サーメット基体の表面に蒸着してなる、1〜15μmの平均層厚を有し、
層厚方向にそって、Al最高含有点とTi最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Al最高含有点から前記Ti最高含有点、前記Ti最高含有点から前記Al最高含有点へTiおよびAlの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Al最高含有点が、組成式:(Al1- XTiX)N(ただし、原子比で、Xは0.05〜0.30を示す)、
上記Ti最高含有点が、組成式:(Ti1- YAlY)N(ただし、原子比で、Yは0.05〜0.35を示す)、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Al最高含有点とTi最高含有点の間隔が、0.01〜0.1μmである、TiとAlの複合窒化物層からなる耐摩耗硬質層、
(b)蒸着装置内雰囲気をArガス雰囲気として上記回転テーブルを回転させると共に、前記回転テーブル上に同じくリング状に装着した上記サーメット基体自体も自転させながら、前記回転テーブルに面して配置した上記スパッタリング装置のカソード電極(蒸発源)である炭素源とアノード電極との間でスパッタリングを行い、前記回転テーブル上の前記サーメット基体表面に蒸着形成した上記耐摩耗硬質層に重ねて蒸着してなる、0.2〜3μmの平均層厚を有する非晶質炭素層からなる表面潤滑層、
以上(a)および(b)からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。
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