JP4333177B2 - 重切削加工条件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、硬質被覆層が高強度と高靭性を有し、かつ高温硬さと耐熱性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を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、被覆超硬工具には、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、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、さらに切刃が断続切削加工形態をとる面削加工や溝加工、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、被覆超硬工具として、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)基サーメットからなる基体(以下、これらを総称して超硬基体と云う)の表面に、組成式:(Al1-Y TiY )N(ただし、原子比で、Yは0.35〜0.60を示す)を満足するAlとTiの複合窒化物[以下、(Al,Ti)Nで示す]層からなる硬質被覆層を1〜15μmの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具が提案され、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられている(例えば参考文献1参照)。
【0004】
さらに、上記の被覆超硬工具が、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超硬基体を装入し、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、所定組成を有するAl−Ti合金ターゲットがセットされたカソード電極(蒸発源)との間に、例えば電流: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を導入して、例えば2Paの反応雰囲気とし、一方上記超硬基体には、例えば−100Vのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬合金基体の表面に、上記(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知られている(例えば参考文献1参照)。
【0005】
【参考文献1】
特許第2644710号
【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、切削加工は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、上記の従来被覆超硬工具においては、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は、特に硬質被覆層の強度および靭性不足が原因でチッピング(微小割れ)が発生し易くなり、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、特に重切削加工条件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超硬工具を開発すべく、上記の従来被覆超硬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超硬工具を構成する(Al,Ti)N層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な高温硬さと耐熱性、および強度を有するが、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、すなわち装置中央部に超硬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、一方側にカソード電極(蒸発源)として相対的にAl含有量の高い(Ti含有量の低い)Al−Ti合金ターゲットを設け、他方側に前記Al−Ti合金ターゲットと対向配置した状態で、いずれもカソード電極(蒸発源)として相対的にTi含有量が高い(Al含有量が低い)Ti−Al合金ターゲットと金属Coターゲットを並設したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブル上に中心軸から半径方向に所定位置離れた位置に外周部に沿って複数の超硬基体をリング状に装着し、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、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で超硬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Al−Ti合金ターゲットおよび前記Ti−Al合金ターゲットからAlおよびTi成分、さらに前記金属CoターゲットからCo成分をそれぞれ雰囲気中にイオン化放出すると、AlおよびTi成分は反応雰囲気の窒素と反応して窒化物を形成するが、Coは雰囲気窒素とは反応しないままの状態を保持するので、前記超硬基体の表面には、TiとAlの複合窒化物の素地にCoが分散分布してなる2相組織[以下、(Ti,Al)N−Coで示す]層が形成されるようになり、この結果の(Ti,Al)N−Co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超硬基体が上記の一方側の相対的にAl含有量の高い(Ti含有量の低い)Al−Ti合金ターゲットのカソード電極(蒸発源)に最も接近した時点で層中の素地にAl最高含有点が形成され、この場合Coは存在せず、また前記超硬基体が上記の他方側の相対的にTi含有量が高い(Al含有量が低い)Ti−Al合金ターゲットおよび金属Coターゲットのカソード電極に最も接近した時点で、層中の素地にはTi最高含有点が形成されると共に、前記素地のTi最高含有点にはCo最高割合分散点が存在するようになり、上記回転テーブルの回転によって層中の素地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、さらに前記Al最高含有点のCo不存在点と前記Ti最高含有点のCo最高割合分散点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点から前記素地のAl最高含有点およびCo不存在点、前記素地のAl最高含有点およびCo不存在点から前記素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点へTiおよびAl含有量、さらにCoの分散割合が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−Co層において、対向配置の一方側のカソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金ターゲットにおけるTi含有量を上記の従来Al−Ti合金ターゲットのTi含有量に相当するものとし、かつ同他方側のカソード電極(蒸発源)であるTi−Al合金ターゲットにおけるAl含有量を上記の従来Al−Ti合金ターゲットのAl含有量に比して相対的に低いものとし、かつ上記の通り前記金属Coターゲットを前記Ti−Al合金ターゲットに併設すると共に、超硬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、
上記素地のTi最高含有点が、組成式:(Ti1-X AlX )N(ただし、原子比で、Xは0.05〜0.35を示す)、
を満足し、さらに前記素地のTi最高含有点におけるはCo最高割合分散点のCoの分散割合を、素地との合量に占める割合で1〜10原子%とし、
上記素地のAl最高含有点が、組成式:(Al1-Y TiY )N(ただし、原子比で、Yは0.35〜0.60を示す)、
を満足し、
かつ隣り合う上記素地のTi最高含有点とAl最高含有点の厚さ方向の間隔を0.01〜0.1μmとすると、
上記素地のAl最高含有点部分では、Coが存在しないことと相俟って、上記の従来(Al,Ti)N層と同等のAl含有量となることから、前記従来(Al,Ti)N層と同等のすぐれた高温硬さと耐熱性(高温特性)を示し、一方上記の素地のTi最高含有点部分では、前記Al最高含有点部分に比してAl含有量が低く、Ti含有量が高く、かつCoの分散割合が最も高くなることと相俟って、一段と高い強度と靭性が確保され、かつこれら素地の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特性を保持した状態で一段と高い強度と靭性を具備するようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の(Al,Ti)N−Co層からなる被覆超硬工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、特に高い機械的衝撃を伴うので高強度と高靭性が要求される、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も、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮するようになること。
以上(a)および(b)に示される研究結果を得たのである。
【0009】
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、(Ti,Al)N−Co層からなる硬質被覆層を1〜15μmの全体平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具にして、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、素地に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、さらに前記Ti最高含有点にはCo最高割合分散点が存在し、一方前記Al最高含有点にはCoが存在せず、かつ前記素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点から前記素地のAl最高含有点およびCo不存在点、前記Al最高含有点およびCo不存在点から前記Ti最高含有点およびCo最高割合分散点へTiおよびAlの含有量、さらにCoの分散割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
上記素地のTi最高含有点が、組成式:(Ti1-X AlX )N(ただし、原子比で、Xは0.05〜0.35を示す)、
を満足し、さらに前記素地のTi最高含有点におけるCo最高割合分散点のCoの分散割合が、素地との合量に占める割合で1〜10原子%であり、
上記素地のAl最高含有点が、組成式:(Al1-Y TiY )N(ただし、原子比で、Yは0.35〜0.60を示す)、
を満足し、
かつ隣り合う上記の素地のTi最高含有点とAl最高含有点の間隔が、0.01〜0.1μmである、
重切削加工条件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超硬工具に特徴を有するものである。
【0010】
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、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)素地のAl最高含有点の組成
Al最高含有点の(Al,Ti)NにおけるAl成分は、高温硬さおよび耐熱性(高温特性)を向上させ、同Ti成分は強度を向上させる目的で含有するものであり、したがってTi成分の含有割合が高くなればなるほど強度は向上したものになるが、Tiの割合を示すY値がAlとの合量に占める割合(原子比)で0.35未満では、高強度および高靭性を有するCo分散分布のTi最高含有点が隣接して存在しても層自体の強度および靭性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、一方同Y値が同0.60を越えると、前記高温特性に所望の向上効果が得られないことから、Al最高含有点でのTiの割合を示すY値を0.35〜0.60と定めた。
【0011】
(b)素地のTi最高含有点の組成
上記の通り素地のAl最高含有点は高温特性のすぐれたものであるが、反面強度および靭性の劣るものであるため、このAl最高含有点の強度および靭性不足を補う目的で、Ti含有割合が高く、これによって高強度および高靭性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、したがってAlの割合を示すX値がTiとの合量に占める割合(原子比)で0.35を越えると、所望のすぐれた強度および靭性を確保することができず、切刃部におけるチッピング発生の原因となり、一方同X値が0.05未満になると、相対的にTiの割合が多くなり過ぎて、Ti最高含有点に所望の高温特性を具備せしめることができなくなり、摩耗進行が急激に促進されるようになることから、素地のTi最高含有点でのAlの割合を示すX値を0.05〜0.35と定めた。
【0012】
(c)素地のTi最高含有点におけるCoの分散割合
さらに、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加工条件では、硬質被覆層により一段と高い強度および靭性が要求されることから、素地のTi最高含有点とCo最高割合分散点を共存させることにより、靭性の一段の向上を図ったものであり、したがって、Coの分散割合が素地の(Ti,Al)Nとの合量に占める割合で1原子%未満では所望の靭性向上効果が得られず、一方、同分散割合が同10原子%を超えると、硬質被覆層全体の高温特性が急激に低下し、摩耗進行が著しく促進されるようになることから、その分布割合を1〜10原子%と定めた。
【0013】
(d)素地のTi最高含有点(Co最高割合分散点)とAl最高含有点(Co不存在点)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、この結果層に所望の高強度および高靭性、さらに高温特性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Ti最高含有点であれば高温特性不足、Al最高含有点であれば強度および靭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、摩耗進行が促進され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)硬質被覆層の全体平均層厚
その層厚が1μm未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が15μmを越えると、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】
【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、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3 C2 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基超硬合金製の超硬基体A1〜A10を形成した。
【0016】
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系サーメット製の超硬基体B1〜B6を形成した。
【0017】
ついで、上記の超硬基体A1〜A10およびB1〜B6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に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上に、中心軸から半径方向に所定位置離れた位置に外周部にそって装着し、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素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点形成用Ti−Al合金ターゲットおよび金属Coターゲット、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Al最高含有点およびCo不存在点形成用Al−Ti合金ターゲットを前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバート洗浄用金属Tiターゲットも装着し、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超硬基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極の前記金属Tiターゲット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、もって超硬基体表面をTiボンバート洗浄し、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超硬基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、前記Ti−Al合金ターゲットおよびAl−Ti合金ターゲットのカソード電極とアノード電極との間には150Aの電流、そして前記金属Coターゲットとアノード電極との間にはCo最高割合分散点のCo割合に応じて50〜80Aの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体の表面に、層厚方向に沿って表3,4に示される目標組成の素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点と素地のAl最高含有点およびCo不存在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、かつ前記素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点から前記素地のAl最高含有点およびCo不存在点、前記Al最高含有点およびCo不存在点から前記Ti最高含有点およびCo最高割合分散点へTiおよびAlの含有量、さらにCoの分散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に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、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と云う)1〜16をそれぞれ製造した。
【0018】
また、比較の目的で、これら超硬基体A1〜A10およびB1〜B6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2に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、カソード電極(蒸発源)として種々の成分組成をもったAl−Ti合金ターゲットを装着し、さらにボンバート洗浄用金属Tiターゲットも装着し、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、前記超硬基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極の前記金属Tiターゲット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、もって超硬基体表面をTiボンバート洗浄し、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、超硬基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、前記カソード電極のAl−Ti合金ターゲット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、もって前記超硬基体A1〜A10およびB1〜B6のそれぞれの表面に、表5,6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(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、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と云う)1〜16をそれぞれ製造した。
【0019】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ1〜16および従来被覆超硬チップ1〜16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の丸棒、
切削速度:180m/min.、
切り込み:4mm、
送り:0.3mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件(通常の切り込み量は1.5mm)での合金鋼の乾式連続高切り込み切削加工試験、
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:200m/min.、
切り込み:1.5mm、
送り:0.6mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件(通常の送り量は0.2mm/rev.)での合金鋼の乾式断続高送り切削加工試験、さらに、
被削材:JIS・FC300の丸棒、
切削速度:200m/min.、
切り込み:4mm、
送り:0.3mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件(通常の切り込み量は1.5mm)での鋳鉄の乾式連続高切り込み切削加工試験を行い、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3〜6に示した。
【0020】
【表1】
【0021】
【表2】
【0022】
【表3】
【0023】
【表4】
【0024】
【表5】
【0025】
【表6】
【0026】
(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の寸法を有し、かついずれもねじれ角:30度の4枚刃スクエア形状をもった超硬基体(エンドミル)C−1〜C−8をそれぞれ製造した。
【0027】
ついで、これらの超硬基体(エンドミル)C−1〜C−8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、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素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点と素地のAl最高含有点およびCo不存在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、かつ前記素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点から前記素地のAl最高含有点およびCo不存在点、前記Al最高含有点およびCo不存在点から前記Ti最高含有点およびCo最高割合分散点へTiおよびAlの含有量、さらにCoの分散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8に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、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)1〜8をそれぞれ製造した。
【0028】
また、比較の目的で、上記の超硬基体(エンドミル)C−1〜C−8を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図2に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、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(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、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)1〜8をそれぞれ製造した。
【0029】
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル1〜8および従来被覆超硬エンドミル1〜8のうち、本発明被覆超硬エンドミル1〜3および従来被覆超硬エンドミル1〜3については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD61の板材、
切削速度:60m/min.、
軸方向切り込み:10mm、
径方向切り込み:3mm、
テーブル送り:640mm/分、
の条件(通常の軸方向切り込み量は6mm、径方向切り込み量は1mm)での工具鋼の乾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4〜6および従来被覆超硬エンドミル4〜6については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SCM440の板材、
切削速度:100m/min.、
軸方向切り込み:15mm、
径方向切り込み:2mm、
テーブル送り:1200mm/分、
の条件(通常のテーブル送りは400mm/分)での合金鋼の乾式高送り側面切削加工試験、本発明被覆超硬エンドミル7,8および従来被覆超硬エンドミル7,8については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUS304の板材、
切削速度:50m/min.、
軸方向切り込み:30mm、
径方向切り込み:8mm、
テーブル送り:160mm/分、
の条件(通常の軸方向切り込み量は20mm、径方向切り込み量は4mm)でのステンレス鋼の湿式高切り込み側面切削加工試験(水溶性切削油使用)をそれぞれ行い、いずれの側面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に至るまでの切削長を測定した。この測定結果を表8、9にそれぞれ示した。
【0030】
【表7】
【0031】
【表8】
【0032】
【表9】
【0033】
(実施例3)
上記の実施例2で製造した直径が8mm(超硬基体C−1〜C−3形成用)、13mm(超硬基体C−4〜C−6形成用)、および26mm(超硬基体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(超硬基体D−1〜D−3)、8mm×22mm(超硬基体D−4〜D−6)、および16mm×45mm(超硬基体D−7、D−8)の寸法を有し、かついずれもねじれ角:30度の2枚刃形状をもった超硬基体(ドリル)D−1〜D−8をそれぞれ製造した。
【0034】
ついで、これらの超硬基体(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に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、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素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点と素地のAl最高含有点およびCo不存在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、かつ前記素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点から前記素地のAl最高含有点およびCo不存在点、前記Al最高含有点およびCo不存在点から前記Ti最高含有点およびCo最高割合分散点へTiおよびAlの含有量、さらにCoの分散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10に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、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)1〜8をそれぞれ製造した。
【0035】
また、比較の目的で、上記の超硬基体(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2に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、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(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、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)1〜8をそれぞれ製造した。
【0036】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル1〜8および従来被覆超硬ドリル1〜8のうち、本発明被覆超硬ドリル1〜3および従来被覆超硬ドリル1〜3については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD61の板材、
切削速度:40m/min.、
送り:0.2mm/rev、
穴深さ:10mm
の条件(通常の送り量は0.08mm/rev、)での工具鋼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および従来被覆超硬ドリル4〜6については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SCM440の板材、
切削速度:70m/min.、
送り:0.4mm/rev、
穴深さ:20mm
の条件(通常の送り量は0.16mm/rev、)での合金鋼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7,8および従来被覆超硬ドリル7,8については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・FCD700の板材、
切削速度:70m/min.、
送り:0.6mm/rev、
穴深さ:40mm
の条件(通常の送り量は0.24mm/rev、)でのダクタイル鋳鉄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。
【0037】
【表10】
【0038】
【表11】
【0039】
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1〜16、本発明被覆超硬エンドミル1〜8、および本発明被覆超硬ドリル1〜8を構成する硬質被覆層における素地のTi最高含有点(Co最高割合分散点)と素地のAl最高含有点(Co不存在点)の組成、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆超硬チップ1〜16、従来被覆超硬エンドミル1〜8、および従来被覆超硬ドリル1〜8の硬質被覆層について、厚さ方向に沿ってTiおよびAlの含有量、さらにCo分散割合をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、本発明被覆超硬工具の硬質被覆層では、素地にTi最高含有点とAl最高含有点、さらにCo最高割合分散点とCo不存在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Ti最高含有点およびCo最高割合分散点から前記Al最高含有点およびCo不存在点、前記Al最高含有点およびCo不存在点から前記Ti最高含有点およびCo最高割合分散点へTiおよびAlの含有量、さらにCoの分散割合が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、また硬質被覆層の全体平均層厚も目標全体層厚と実質的に同じ値を示した。一方前記従来被覆超硬工具の硬質被覆層では厚さ方向に沿って組成変化が見られず、かつ目標組成と実質的に同じ組成および目標全体層厚と実質的に同じ全体平均層厚を示すことが確認された。
【0040】
【発明の効果】
表3〜11に示される結果から、硬質被覆層が層厚方向に、一段と高い強度と靭性を有する素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点と、すぐれた高温硬さと耐熱性を有する素地のAl最高含有点およびCo不存在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Ti最高含有点およびCo最高割合分散点から前記Al最高含有点およびCo不存在点、前記Al最高含有点およびCo不存在点から前記Ti最高含有点およびCo最高割合分散点へTiおよびAlの含有量、さらにCoの分散割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する本発明被覆超硬工具は、いずれも各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、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も、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層が層厚方向に沿って実質的に組成変化のない(Al,Ti)N層からなる従来被覆超硬工具においては、前記硬質被覆層がすぐれた高温硬さと耐熱性を有するものの、強度および靭性に劣るものであるために、重切削条件での加工では切刃部にチッピングが発生し、これが原因で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、通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、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も、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すものであるから、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】この発明の被覆超硬工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング装置を示し、(a)は概略平面図、(b)は概略正面図である。
【図2】従来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた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)
- 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、TiとAlの複合窒化物の素地にCoが分散分布してなる2相組織層からなる硬質被覆層を1〜15μmの全体平均層厚で物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具にして、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、TiとAlの複合窒化物からなる素地にTi最高含有点とAl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、さらに前記素地のTi最高含有点にはCo最高割合分散点が存在し、一方前記素地のAl最高含有点にはCoが存在せず、かつ前記素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点から前記素地のAl最高含有点およびCo不存在点、前記素地のAl最高含有点およびCo不存在点から前記素地のTi最高含有点およびCo最高割合分散点へTiおよびAlの含有量、さらにCoの分散割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
上記素地のTi最高含有点が、組成式:(Ti1-X AlX )N(ただし、原子比で、Xは0.05〜0.35を示す)、
を満足し、さらに前記素地のTi最高含有点におけるCo最高割合分散点のCoの分散割合が、素地との合量に占める割合で1〜10原子%であり、
上記素地のAl最高含有点が、組成式:(Al1-Y TiY )N(ただし、原子比で、Yは0.35〜0.60を示す)、
を満足し、
かつ隣り合う上記素地のTi最高含有点とAl最高含有点の間隔が、0.01〜0.1μmであること、
を特徴とする重切削加工条件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超硬合金製切削工具。
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