JP4330100B2 - 硬質被覆層が高速断続切削ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削チップ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に鋼や鋳鉄などの高速断続切削で、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切削チップ（以下、被覆切削チップという）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、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チップ基体の表面に、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１種の単層または２種以上の複層からなるＴｉ化合物層の下層と、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ₂Ｏ₃で示す）層の上層で構成された硬質被覆層を３〜２０μｍの平均層厚で化学蒸着してなる被覆切削チップが知られており、この被覆切削チップが、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられていることも知られている。
【０００３】
また、一般に、上記の被覆切削チップの硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層およびＡｌ₂ Ｏ₃ 層が粒状結晶組織を有し、かつ前記Ａｌ₂Ｏ₃層はα型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどが広く実用に供されることも良く知られており、さらに例えば特開平６−８０１０号公報や特開平７−３２８８０８号公報に記載されるように、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の靭性向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年の切削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、切削加工は一段と高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆切削チップにおいては、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、特にこれを切削条件の最も厳しい高速断続切削、すなわち切刃部に熱的機械的衝撃がきわめて速いピッチで加わる高速断続切削に用いた場合には、硬質被覆層の上層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層中に層形成時に自然発生的に存在するようになる無数の微細クラックが原因で切刃部（硬質被覆層）にはチッピング（微小欠け）が発生し易くなり、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、特に鋼や軟鋼などの高速断続切削に用いた場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削チップを開発すべく研究を行った結果、
上記の従来被覆切削チップの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、Ｖ（バナジウム）の窒化物（以下、同じくＶＮで示す）層および炭窒化物（以下、ＶＣＮで示す）層のうちの１種の単層または２種の複層からなるＶ炭・窒化物層を、最外層として０．１〜５μｍの平均層厚で化学蒸着すると、この結果の被覆切削チップにおいては、切削時の発熱で切刃部が加熱され、高熱発生を伴なう高速断続切削では切刃部の温度が約７００℃以上にも達することから、前記最外層を構成するＶＮ層およびＶＣＮ層からなるＶ炭・窒化物層は酸化して酸化バナジウム（以下、Ｖ₂Ｏ₅で示す）となり、このＶ₂Ｏ₅は融点が６６８℃と低く、このため溶融して硬質被覆層の上層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層の無数の微細クラックに入り込んで、前記Ａｌ₂Ｏ₃層に対する熱的機械的衝撃を著しく緩和し、この結果前記微細クラックが原因のチッピング発生を著しく抑制することから、高い発熱と衝撃を伴う高速断続切削でも長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するようになるという研究結果を得たのである。
【０００６】
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、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成されたチップ基体の表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種の単層または２種以上の複層からなるＴｉ化合物層の下層と、Ａｌ₂Ｏ₃層の上層で構成された硬質被覆層を３〜２０μｍの平均層厚で化学蒸着してなる被覆切削チップにおいて、
上記硬質被覆層の上層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層の表面に、さらに最外層として、切削時に溶融Ｖ ₂ Ｏ ₅ となって上記硬質被覆層の上層を構成するＡｌ ₂ Ｏ ₃ 層の無数の微細クラックに入り込んで、前記Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 層に対する熱的機械的衝撃を緩和するＶＮ層およびＶＣＮ層のうちの１種の単層または２種の複層からなるＶ炭・窒化物層を０．１〜５μｍの平均層厚で化学蒸着してなる、硬質被覆層が高速断続切削ですぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削チップに特徴を有するものである。
【０００７】
なお、この発明の被覆切削チップにおいて、上記最外層の平均層厚を、０．１〜５μｍとしたのは、その平均層厚が０．１μｍ未満では、所望の耐チッピング性を確保することができず、一方この耐チッピング性付与作用は５μｍの平均層厚で十分満足に行うことができるという理由にもとづくものである。
さらに、硬質被覆層の平均層厚を３〜２０μｍとしたのは、その層厚が３μｍ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２０μｍを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由によるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆切削チップ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０．５〜４μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ（質量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＷＣ＝３０／７０）粉末、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂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、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１４１０℃に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０３ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製のチップ基体ＡおよびＣ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【０００９】
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（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ₂ Ｃ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、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製のチップ基体ａ，ｃ，ｄ，およびｆを形成した。
【００１０】
ついで、これらのチップ基体ＡおよびＣ〜Ｆおよびチップ基体ａ，ｃ，ｄ，およびｆの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表４に示される目標層厚のＴｉ化合物層およびＡｌ₂Ｏ₃層からなる硬質被覆層、さらに最外層としてＶ炭・窒化物層を形成することにより本発明被覆切削チップ１〜９をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表５に示される通り、上記最外層としてのＶ炭・窒化物層の形成を行わない以外は同一の条件で従来被覆切削チップ１〜９をそれぞれ製造した。
【００１１】
なお、この結果得られた本発明被覆切削チップ１〜９および従来被覆切削チップ１〜９について、これの硬質被覆層および最外層を、オージェ分光分析装置を用いて観察（層の縦断面を観察）したところ、硬質被覆層はそれぞれＴｉ化合物層およびＡｌ₂Ｏ₃層からなり、最外層はＶ炭・窒化物層からなることが確認された。また、これらの被覆切削チップの硬質被覆層の構成層および最外層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（同じく縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
【００１２】
つぎに、上記の各種の被覆切削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、本発明被覆切削チップ１〜５および従来被覆切削チップ１〜５については、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速断続切削試験を行った。
【００１３】
さらに、本発明被覆切削チップ６〜９および従来被覆切削チップ６〜９については、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：０．５ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：０．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速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６に示した。
【００１４】
【表１】

【００１５】
【表２】

【００１６】
【表３】

【００１７】
【表４】

【００１８】
【表５】

【００１９】
【表６】

【００２０】
【発明の効果】
表４〜６に示される結果から、最外層としてＶ炭・窒化物層を形成した本発明被覆切削チップ１〜９は、熱的機械的衝撃がきわめて高く、かつ高い発熱を伴なう鋼の高速断続切削でも、前記Ｖ炭・窒化物層が酸化してＶ₂Ｏ₅となり、これが溶融して硬質被覆層の上層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層の無数の微細クラックに入り込んで、前記Ａｌ₂Ｏ₃層に対する熱的機械的衝撃を緩和することから、前記Ａｌ₂Ｏ₃層における微細クラックが原因の切刃部のチッピング発生が著しく抑制され、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記Ｖ炭・窒化物層の形成のない従来被覆切削チップ１〜９においては、高速断続切削では前記Ａｌ₂Ｏ₃層における微細クラックが熱的機械的衝撃に耐えられず、これが原因で切刃部にチッピングが発生し易くなり、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、この発明の被覆切削チップは、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特に熱的機械的衝撃がきわめて高く、かつ高い発熱を伴なう切削条件の最も厳しい高速断続切削でもすぐれた切削性能を発揮するものであり、したがって切削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。

Claims (1)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成されたチップ基体の表面に、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１種の単層または２種以上の複層からなるＴｉ化合物層の下層と、酸化アルミニウム層の上層で構成された硬質被覆層を３〜２０μｍの平均層厚で化学蒸着してなる表面被覆切削チップにおいて、
   上記硬質被覆層の上層を構成する酸化アルミニウム層の表面に、さらに最外層として、切削時に溶融酸化バナジウムとなって上記硬質被覆層の上層を構成する酸化アルミニウム層の無数の微細クラックに入り込んで、前記酸化アルミニウム層に対する熱的機械的衝撃を緩和するＶの窒化物層および炭窒化物層のうちの１種の単層または２種の複層からなるＶ炭・窒化物層を０．１〜５μｍの平均層厚で化学蒸着したことを特徴とする硬質被覆層が高速断続切削ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削チップ。