JP4485146B2 - 高速切削加工で硬質被覆層が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 - Google Patents
高速切削加工で硬質被覆層が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 Download PDFInfo
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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耐摩耗性を有し、さらに高温硬さおよび耐熱性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴う高速切削加工で、長期に亘って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、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、組成式:(Al1-X TiX )N(ただし、原子比で、X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1〜10μmの平均層厚で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(Al,Ti)N層が、構成成分であるAlによって高温硬さと耐熱性、同Tiによって高温強度を具備することから、前記被覆サーメット工具を各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いた場合に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、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、一方上記サーメット基体には、例えば−100Vのバイアス電圧を印加した条件で、前記サーメット基体の表面に、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(例えば特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特許第2644710号明細書
【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、切削加工は高速化の傾向にあるが、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、これを高い発熱を伴う高速切削条件で用いた場合、摩耗進行が著しく促進するようになることから、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、特に高速切削加工ですぐれた耐摩耗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を構成する(Al,Ti)Nからなる硬質被覆層は、層厚全体に亘って均質な高温硬さと耐熱性、および高温強度を有するが、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(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(Al,Ti)N層の形成にカソード電極(蒸発源)として用いられたAl−Ti合金に相当する相対的にTi含有量の高いAl−Ti合金、他方側に相対的にTi含有量の低いAl−Ti合金をいずれもカソード電極(蒸発源)として対向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、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(Al,Ti)N層を形成すると、この結果の(Al,Ti)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Ti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最低含有点が形成され、また前記サーメット基体が上記の他方側の相対的にTi含有量の低いAl−Ti合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にAl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最低含有点とAl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最低含有点から前記Al最高含有点、前記Al最高含有点から前記Al最低含有点へAlおよびTi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(Al,Ti)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最低含有点が、組成式:(Al1-X TiX )N(ただし、原子比で、Xは0.35〜0.60を示す)、
上記Al最高含有点が、組成式:(Al1-Y TiY )N(ただし、原子比で、Yは0.05〜0.30を示す)、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Al最低含有点と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Al最高含有点部分では、上記の従来(Al,Ti)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Al最低含有点部分は、上記従来(Al,Ti)N層と同等の組成、すなわち前記Al最高含有点部分に比して相対的にAl含有量が低く、Ti含有量の高い組成をもつので、高い高温強度を保持し、かつこれらAl最低含有点とAl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高い高温強度を保持した状態で、すぐれた高温硬さと耐熱性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(Al,Ti)N層を0.8〜8μmの平均層厚で下側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(アルゴン)と酸素の混合ガスの反応雰囲気中で、金属Alのスパッタリングを行い、前記(Al,Ti)N層に重ねて上側層として0.2〜3μmの平均層厚で酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)層を蒸着形成すると、この結果の硬質被覆層は、上記従来(Al,Ti)N層に比して一段とすぐれた高温硬さと耐熱性を有する上記繰り返し連続変化成分濃度分布構造の(Al,Ti)N層と、すぐれた高温耐酸化性を有する前記Al2O3層との共存によって、すぐれた高温耐摩耗性を発揮するようになり、したがって、硬質被覆層が前記下側層と上側層からなる被覆サーメット工具は、高い発熱を伴う鋼や鋳鉄などの高速切削加工に用いた場合にも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、サーメット基体の表面に、AIP装置とSP装置を備え、装置中央部に前記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)下側層として、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最低含有点形成用Al−Ti合金、他方側のカソード電極(蒸発源)としてAl最高含有点形成用Al−Ti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、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、
層厚方向にそって、Al最高含有点とAl最低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Al最低含有点、前記Al最低含有点から前記Al最高含有点へAlおよびTi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最低含有点が、組成式:(Al1- XTiX)N(ただし、原子比で、Xは0.35〜0.60を示す)、
上記Al最高含有点が、組成式:(Al1- YTiY)N(ただし、原子比で、Yは0.05〜0.30を示す)、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Al最低含有点とAl最高含有点の間隔が、0.01〜0.1μmであり、平均層厚が0.8〜8μmである(Al,Ti)N層、
(b)上側層として、上記蒸着装置内雰囲気をAr(アルゴン)と酸素の混合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)である金属Al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下側層に重ねて、0.2〜3μmの平均層厚を有するAl 2 O 3 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、高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗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)下側層におけるAl最高含有点の組成
Al最高含有点の(Al,Ti)NにおけるAl成分には高温硬さと耐熱性を向上させ、一方同Ti成分には、高温強度を向上させる作用があるので、前記Al最高含有点では相対的にTi含有量を低くし、Al含有量を高くして、高熱発生を伴う高速切削に適応するすぐれた高温硬さと耐熱性を具備せしめたものであるが、Tiの割合を示すY値がAlとの合量に占める割合(原子比、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、高い高温強度を有するAl最低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Y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、高速切削に要求されるすぐれた高温硬さと耐熱性を確保することができなくなることから、Y値を0.05〜0.30と定めた。
【0012】
(b)下側層におけるAl最低含有点の組成
上記の通りAl最高含有点は高温硬さと耐熱性のすぐれたものであるが、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、上記の従来(Al,Ti)N層と同等の組成、すなわち相対的にTi含有割合が高く、一方Al含有量が低く、これによって高い高温強度を有するようになるAl最低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Tiの割合を示すX値がAl成分との合量に占める割合で0.35未満では、所望のすぐれた高温強度を確保することができず、一方同X値が0.60を越えると、Alに対するTiの割合が多くなり過ぎて、Al最低含有点の高温硬さと耐熱性が不十分となり、摩耗促進の原因となることから、Al最低含有点でのTiの割合を示すX値を0.35〜0.60と定めた。
【0013】
(c)下側層におけるAl最高含有点とAl最低含有点間の間隔
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、この結果下側層にすぐれた高温硬さと耐熱性、および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、Al最低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)下側層の平均層厚
その平均層厚が0.8μm未満では、硬質被覆層に上記下側層のもつすぐれた高温特性を具備せしめることができず、この結果上側層であるAl2O3層が存在しても、硬質被覆層がすぐれた高温耐摩耗性を発揮することができず、一方その平均層厚が8μm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0.8〜8μmと定めた。
【0015】
(e)上側層の平均層厚
硬質被覆層は、上記の通り下側層のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性と、上側層であるAl2O3層のもつすぐれた高温耐酸化性との共存によって、高い発熱を伴なう高速切削ですぐれた高温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、硬質被覆層のもつ高温耐酸化性が不十分であり、この結果硬質被覆層に所望のすぐれた高温耐摩耗性を具備せしめることができず、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。
【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、硬質被覆層の下側層形成に、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Al最低含有点形成用Al−Ti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側層形成用金属Al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Al最低含有点形成用Al−Ti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Al最低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最低含有点から前記Al最高含有点、前記Al最高含有点から前記Al最低含有点へAlおよびTi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(Al,Ti)N層を硬質被覆層の下側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Al最低含有点形成用Al−Ti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酸素とArの混合ガス(容量比で、酸素/Ar=1/10)に切り替えて、装置内を2Paの反応雰囲気とすると共に、カソード電極である前記金属Alとアノード電極との間に20Aの電流を流して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Al2O3層を硬質被覆層の上側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Al−Ti合金(一方側のみ)および金属Alを併設装着し、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Al−Ti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(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、ついで前記Al−Ti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同じく酸素とArの混合ガス(容量比で、酸素/Ar=1/10)に切り替えて、装置内を2Paの反応雰囲気とすると共に、カソード電極である前記金属Alとアノード電極との間に20Aの電流を流してスパッタリングを行ない、前記(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着形成したもののうちの半数について、同じく表5に示される目標層厚のAl2O3層を硬質被覆層の上側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:JIS・SCM440の丸棒、
切削速度:320m/min.、
切り込み:1.5mm、
送り:0.2mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験、
被削材:JIS・S45Cの長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:320m/min.、
切り込み:1.5mm、
送り:0.25mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件での炭素鋼の乾式断続高速切削加工試験、
被削材:JIS・FC300の丸棒、
切削速度:320m/min.、
切り込み:1.5mm、
送り:0.2mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件での鋳鉄の乾式連続高速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Al最低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最低含有点から前記Al最高含有点、前記Al最高含有点から前記Al最低含有点へAlおよびTi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(Al,Ti)N層からなる下側層と、同じく表8に示される目標層厚のAl2O3層からなる上側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(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、さらに前記(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着形成したもののうちの半数について、同じく表9に示される目標層厚のAl2O3層を硬質被覆層の上側層として蒸着形成しすることにより、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:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD11の板材、
切削速度:200m/min.、
溝深さ(切り込み):2mm、
テーブル送り:850mm/分、
の条件での工具鋼の乾式高速溝切削加工試験、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:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S50Cの板材、
切削速度:320m/min.、
溝深さ(切り込み):3mm、
テーブル送り:1400mm/分、
の条件での炭素鋼の乾式高速溝切削加工試験、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:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SNCM439の板材、
切削速度:320m/min.、
溝深さ(切り込み):6mm、
テーブル送り:900mm/分、
の条件での合金鋼の乾式高速溝切削加工試験をそれぞれ行い、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Al最低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最低含有点から前記Al最高含有点、前記Al最高含有点から前記Al最低含有点へAlおよびTi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(Al,Ti)N層からなる下側層と、同じく表10に示される目標層厚のAl2O3層からなる上側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(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、さらに前記(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着形成したもののうちの半数について、同じく表11に示される目標層厚のAl2O3層を硬質被覆層の上側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:平面寸法:100mm×250、厚さ:50mmのJIS・SKD61の板材、
切削速度:90m/min.、
送り:0.1mm/rev、
穴深さ:8mm、
の条件での工具鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、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:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・FCD400の板材、
切削速度:130m/min.、
送り:0.25mm/rev、
穴深さ:16mm、
の条件でのダクタイル鋳鉄の湿式高速穴あけ切削加工試験、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:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・FC300の板材、
切削速度:190m/min.、
送り:0.4mm/rev、
穴深さ:24mm、
の条件での鋳鉄の湿式高速穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速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下側層におけるAl最低含有点とAl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の硬質被覆層の下側層について、厚さ方向に沿ってAlおよびTi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硬質被覆層では、Al最低含有点とAl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最低含有点から前記Al最高含有点、前記Al最高含有点から前記Al最低含有点へAlおよびTi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硬質被覆層を構成する(Al,Ti)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上側層および下側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、硬質被覆層が(Al,Ti)N層の下側層とAl2O3層の上側層で構成され、前記下側層が層厚方向にAl最高含有点とAl最低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最低含有点から前記Al最高含有点、前記Al最高含有点から前記Al最低含有点へAlおよびTi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本発明被覆サーメット工具は、いずれも鋼や鋳鉄の切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、前記硬質被覆層が前記下側層によるすぐれた高温硬さと耐熱性および前記上側層によるすぐれた高温耐酸化性を具備することから、切削時にすぐれた高温耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層(下側層)が層厚方向に沿って実質的に組成変化のない(Al,Ti)N層からなる比較被覆サーメット工具においては、高温を伴う高速切削加工では切刃部の摩耗進行が速く、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、この発明の被覆サーメット工具は、特に各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件では勿論のこと、切削加工を高速条件で行なった場合にもすぐれた高温耐摩耗性を発揮し、長期に亘って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)
- 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン系サーメットからなるサーメット基体の表面に、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、装置中央部に前記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)下側層として、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最低含有点形成用Al−Ti合金、他方側のカソード電極(蒸発源)としてAl最高含有点形成用Al−Ti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、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、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、
層厚方向にそって、Al最高含有点とAl最低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Al最低含有点、前記Al最低含有点から前記Al最高含有点へAlおよびTi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最低含有点が、組成式:(Al1- XTiX)N(ただし、原子比で、Xは0.35〜0.60を示す)、
上記Al最高含有点が、組成式:(Al1- YTiY)N(ただし、原子比で、Yは0.05〜0.30を示す)、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Al最低含有点とAl最高含有点の間隔が、0.01〜0.1μmであり、平均層厚が0.8〜8μmであるAlとTiの複合窒化物層、
(b)上側層として、上記蒸着装置内雰囲気をAr(アルゴン)と酸素の混合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)である金属Al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下側層に重ねて、0.2〜3μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
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、高速切削加工で硬質被覆層が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。
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