JP4582412B2 - 高硬度鋼の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高速度工具鋼製切削工具 - Google Patents
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組成式:(Cr1-X AlX)N(ただし、原子比で、Xは0.45〜0.65を示す)、
を満足するCrとAlの複合窒化物[以下、(Cr,Al)Nで示す]層からなる硬質被覆層を2〜6μmの平均層厚で蒸着形成してなる被覆超硬工具が知られており、かかる従来被覆超硬工具においては、硬質被覆層を構成する前記(Cr,Al)N層が、構成成分であるAlによって高温硬さ、同Crによって高温強度、さらにCrとAlの共存含有によってすぐれた高温耐酸化性を具備することから、切削時に相対的に高い発熱を伴う合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐摩耗性を示すことも知られている。
(a)上記従来の硬質被覆層を構成する(Cr,Al)N層において、これにSi成分を含有させて、CrとAlとSiの複合窒化物[以下、(Cr,Al,Si)Nで示す]層とすると、Si成分の含有に比例して硬質被覆層の熱遮断性が向上することによって、切削加工時に発生した高熱が硬質被覆層から工具基体へと伝わり工具基体自体が鈍って硬度、強度の低下を招くということが防止されるようになるが、その含有割合は精々1〜10原子%程度までであって、これ以上含有させると、Al成分の含有割合が45〜65原子%であることと相俟って、Cr成分の含有割合が低下するようになることから、上記従来の(Cr,Al)N層の具備するすぐれた高温硬さ、高温強度、および高温耐酸化性のうち、特に高温強度が低下するようになるばかりでなく、この程度のSi含有割合では、上記の高硬度鋼の高速切削加工に際して、熱遮断性を十分発揮し、発生した熱による工具基体の鈍化(硬度および強度の低下)を防止することはできないこと。
組成式:[Cr1-(A+B)AlASiB]N(ただし、原子比で、Aは0.01〜0.10、Bは0.35〜0.50を示す)を満足するものとし、もってAl成分の低含有によって高温硬さおよび高温耐酸化性は不十分となるが、高Si含有によって熱遮断性を一段と向上せしめた(Cr,Al,Si)N層(以下、薄層Aという)と、
上記薄層Aに比して、相対的にAl含有割合を相対的に高く、一方Si含有割合を相対的に低くして、
組成式:[Cr1-(C+D)AlCSiD]N(ただし、原子比で、Cは0.20〜0.35、Dは0.15〜0.30を示す)を満足するものとし、もって前記薄層Aに比して、低Si含有で相対的に熱遮断性は低いものとなるが、Al含有割合を相対的に高くした分、高い高温硬さおよび高温耐酸化性を有する(Cr,Al,Si)N層(以下、薄層Bという)、
を、それぞれの一層平均層厚を5〜20nm(ナノメーター)の薄層とした状態で、交互積層すると、薄層Aおよび薄層Bの交互積層構造の(Cr,Al,Si)N層(この場合、前記薄層Aおよび薄層Bとも35原子%以上のCr成分を含有するので、高い高温強度を保持する)においては、上記の高Si含有の薄層Aによる工具基体の特性劣化を防止するすぐれた熱遮断性と、上記の相対的に高いAl含有の薄層Bによる高温硬さおよび高温耐酸化性を具備するようになること。
組成式:[Cr1-(E+F)AlESiF]N(ただし、原子比で、Eは0.45〜0.65、Fは0.01〜0.10を示す)を満足する単一相構造の(Cr,Al,Si)N層は、高硬度鋼の高速切削加工で要求される工具基体への十分な熱遮断性を具備するものではないが、Al成分の高含有によってすぐれた高温硬さおよび高温耐酸化性を具備するので、これを上記の薄層Aと薄層Bの交互積層構造を有する(Cr,Al,Si)N層の下部層として硬質被覆層を構成すると、この結果の硬質被覆層は、すぐれた熱遮断性および高温強度、さらにすぐれた高温硬さおよび高温耐酸化性を備えたものとなるので、この硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削工具は、上記の高熱発生を伴う高硬度鋼の高速切削加工でも、工具基体自体の鈍化による特性劣化(硬度および強度の低下)を生じることなく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮すること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
(a)いずれも(Cr,Al,Si)Nからなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は0.5〜1.5μm、前記下部層は2〜6μmの平均層厚をそれぞれ有し、
(b)上記上部層は、いずれも一層平均層厚が5〜20nm(ナノメ−タ−)の薄層Aと薄層Bの交互積層構造を有し、
上記薄層Aは、
組成式:[Cr1-(A+B)AlASiB]N(ただし、原子比で、Aは0.01〜0.10、Bは0.35〜0.50を示す)を満足する(Cr,Al,Si)N層、
上記薄層Bは、
組成式:[Cr1-(C+D)AlCSiD]N(ただし、原子比で、Cは0.20〜0.35、Dは0.15〜0.30を示す)を満足する(Cr,Al,Si)N層、からなり、
(c)上記下部層は、単一相構造を有し、
組成式:[Cr1-(E+F)AlESiF]N(ただし、原子比で、Eは0.45〜0.65、Fは0.01〜0.10を示す)を満足する(Cr,Al,Si)N層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、高硬度鋼の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ハイス工具(表面被覆高速度工具鋼製切削工具)に特徴を有するものである。
(a)下部層の組成式および平均層厚
上記の通り、硬質被覆層を構成する(Cr,Al,Si)N層におけるAl成分には高温硬さ、同Cr成分には高温強度を向上させると共に、AlおよびCrが共存含有した状態で高温耐酸化性を向上させ、さらに同Si成分には熱遮断性を向上させる作用があり、下部層ではAl成分の含有割合を相対的に多くして、高い高温硬さおよび高温耐酸化性を維持するが、Alの含有割合を示すE値がCrとSiとの合量に占める割合(原子比、以下同じ)で0.45未満では、所望のすぐれた高温硬さおよび高温耐酸化性を確保することができず、摩耗進行が急激に促進するようになり、一方Alの割合を示す同E値が同0.65を越えると、高温強度が急激に低下し、この結果チッピング(微少欠け)などが発生し易くなることから、E値を0.45〜0.65と定めた。
また、Siの割合を示すF値がCrとAlの合量に占める割合で、0.01未満では、所定の熱遮断性向上効果を確保することができず、一方同F値が0.10を超えると、高温強度に明確な低下傾向が現れるようになることから、F値を0.01〜0.10と定めた。
さらに、その平均層厚が2μm未満では、自身のもつすぐれた高温硬さおよび熱遮断性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が6μm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2〜6μmと定めた。
上部層の薄層Aの(Cr,Al,Si)NにおけるSi成分には、上記の通り相対的にその含有割合を高くして、熱遮断性を向上させ、もって高熱発生を伴う高硬度鋼の高速切削加工で、工具基体である高速度工具鋼の材料特性(硬度、強度)が高熱によって低下することを防止する作用があるが、その含有割合を示すB値がCrとAlの合量に占める割合で、0.35未満では前記作用に所望のすぐれた効果を確保することができず、一方同B値が0.50を越えると、隣接して相対的に高温硬さおよび高温耐酸化性のすぐれた薄層Bが存在しても、上部層の高温硬さおよび高温耐酸化性の低下は避けられず、摩耗が促進するようになることから、B値を0.35〜0.50と定めた。
また、Alの割合を示すA値がCrとSiの合量に占める割合で、0.01未満では、最低限の高温硬さおよび高温耐酸化性を確保することができず、摩耗促進の原因となり、一方同A値が0.10を超えると、高温強度が低下するようになり、チッピング発生の原因となることから、A値を0.01〜0.10と定めた。
上部層の薄層Bにおいては、Si成分の含有割合を相対的に低くし、Al成分の含有割合を高く維持することで、相対的に高い高温硬さおよび高温耐酸化性を具備せしめ、隣接する薄層Aの高温硬さおよび高温耐酸化性の不足を補強し、もって、前記薄層Aの有するすぐれた熱遮断性と、前記薄層Bの有する高温硬さおよび高温耐酸化性を具備した上部層を形成するものであるが、組成式におけるAlの含有割合を示すC値が0.20未満では、所望の高温硬さおよび高温耐酸化性を確保することができず、摩耗進行が促進するようになり、一方同C値が0.35を越えると、上部層全体の高温強度が低下するようになり、チッピング発生の原因となることから、C値を0.20〜0.35と定めた。
また、Siの割合を示すD値がCrとAlの合量に占める割合で、0.15未満になると、上部層全体の熱遮断性低下が避けられず、一方同D値が0.30を超えると、高温強度が急激に低下するようになることから、D値を0.15〜0.30と定めた。
それぞれの一層平均層厚が5nm未満ではそれぞれの薄層を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果上部層に所望のすぐれた熱遮断性および所定の高温硬さおよび高温耐酸化性を確保することができなくなり、またそれぞれの一層平均層厚が20nmを越えるとそれぞれの薄層がもつ欠点、すなわち薄層Aであれば高温硬さおよび高温耐酸化性不足、薄層Bであれば熱遮断性不足が層内に局部的に現れ、これが原因でチッピングが発生し易くなり、また、摩耗進行が促進されるようになることから、それぞれの一層平均層厚を5〜20nmと定めた。
その平均層厚が0.5μm未満では、自身のもつすぐれた熱遮断性および高温硬さを硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が1.5μm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0.5〜1.5μmと定めた。
直径が8mm、13mm、および26mmの3種の寸法の高速度工具鋼(JIS・SKH55)素材から、機械加工にて、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、また、いずれもねじれ角45度の4枚刃スクエア形状をもった高速度工具鋼エンドミル(以下、ハイスエンドミルという)基体1〜9をそれぞれ製造した。
(b)まず、装置内を排気して0.1Pa以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を300〜400℃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、かつ前記下部層形成用Cr−Al−Si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、もってハイスエンドミル基体表面を前記Cr−Al−Si合金によってボンバード洗浄し、
(c)装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して3Pa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ハイスエンドミル基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記下部層形成用Cr−Al−Si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、もって前記ハイスエンドミル基体の表面に、表1に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する(Cr,Al,Si)N層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
(d)ついで装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して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ハイスエンドミル基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層A形成用Cr−Al−Si合金のカソード電極とアノード電極との間に50〜200Aの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記ハイスエンドミル基体の表面に所定層厚の薄層Aを形成し、前記薄層A形成後、アーク放電を停止し、代って前記薄層B形成用Cr−Al−Si合金のカソード電極とアノード電極間に同じく50〜200Aの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、所定層厚の薄層Bを形成した後、アーク放電を停止し(この場合薄層Bの形成から開始してもよい)、再び前記薄層A形成用Cr−Al−Si合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Aの形成と、前記薄層B形成用Cr−Al−Si合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Bの形成を交互に繰り返し行い、もって前記ハイスエンドミル基体の表面に、層厚方向に沿って表1に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Aと薄層Bの交互積層からなる上部層を同じく表1に示される全体目標層厚で蒸着形成することにより、本発明被覆ハイス工具としての本発明表面被覆高速度工具鋼製エンドミル(以下、本発明被覆ハイスエンドミルと云う)1〜9を製造した。
また、比較の目的で、上記のハイスエンドミル基体1〜9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2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、同じく表2に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する(Cr,Al)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較表面被覆高速度工具鋼製エンドミル(以下、比較被覆ハイスエンドミルと云う)1〜9をそれぞれ製造した。
つぎに、本発明被覆ハイスエンドミル1〜9および比較被覆ハイスエンドミル1〜9のうち、
(a−1)本発明被覆ハイスエンドミル1〜3および比較被覆ハイスエンドミル1〜3については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法のJIS・SKD61(硬さ:HRC55)の板材、
切削速度: 30 m/min.、
溝深さ(切り込み): 3 mm、
テーブル送り: 120 mm/分、
の条件での合金鋼の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は20m/min.)を行い、
(a−2)本発明被覆ハイスエンドミル4〜6および比較被覆ハイスエンドミル4〜6については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法のJIS・SKD11(硬さ:HRC58)の板材、
切削速度: 40 m/min.、
溝深さ(切り込み): 5 mm、
テーブル送り: 150 mm/分、
の条件での合金鋼の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は20m/min.)を行い、
(a−3)本発明被覆ハイスエンドミル7〜9および比較被覆ハイスエンドミル7〜9については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法のJIS・SUJ2(硬さ:HRC56)の板材、
切削速度: 35 m/min.、
溝深さ(切り込み): 12 mm、
テーブル送り: 110 mm/分、
の条件での軸受鋼の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は20m/min.)を行い、
上記(a−1)〜(a−3)の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。
上記(a−1)〜(a−3)の測定結果を表1,2にそれぞれ示した。
ついで、これらのハイスドリル基体1〜9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、表3に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する(Cr,Al,Si)N層からなる下部層と、同じく層厚方向に沿って表3に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Aと薄層Bの交互積層からなる上部層を同じく表3に示される全体目標層厚で蒸着形成することにより、本発明表面被覆ハイスドリル(以下、本発明被覆ハイスドリルと云う)1〜9をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、上記のハイスドリル基体1〜9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2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、同じく
表4に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する(Cr,Al)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較表面被覆ハイスドリル(以下、比較被覆ハイスドリルと云う)1〜9をそれぞれ製造した。
つぎに、上記本発明被覆ハイスドリル1〜9および比較被覆ハイスドリル1〜9のうち、
(b−1)本発明被覆ハイスドリル1〜3および比較被覆ハイスドリル1〜3については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法のJIS・SUJ2(硬さ:HRC56)の板材、
切削速度: 28 m/min.、
送り: 0.2 mm/rev、
穴深さ: 8 mm、
の条件での軸受鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は18m/min.)を行い、
(b−2)本発明被覆ハイスドリル4〜6および比較被覆ハイスドリル4〜6については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法のJIS・SKD61(硬さ:HRC55)の板材、
切削速度: 30 m/min.、
送り: 0.3 mm/rev、
穴深さ: 18 mm、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は18m/min.)を行い、
(b−3)本発明被覆ハイスドリル7〜9および比較被覆ハイスドリル7〜9については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法のJIS・SKD11(硬さ:HRC58)の板材、
切削速度: 25 m/min.、
送り: 0.25 mm/rev、
穴深さ: 30 mm、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は18m/min.)を行い、
上記(b−1)〜(b−3)の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。
上記(b−1)〜(b−3)の測定結果を表 3,4にそれぞれ示した。
この結果得られた本発明被覆ハイス工具(本発明表面被覆高速度工具製切削工具)としての本発明被覆ハイスエンドミル1〜9および本発明被覆ハイスドリル1〜9の(Cr,Al,Si)Nからなる硬質被覆層を構成する上部層の薄層Aおよび薄層B、さらに同下部層の組成、並びに、比較被覆ハイスエンドミル1〜9および比較被覆ハイスドリル1〜9の(Cr,Al)Nからなる硬質被覆層の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型X線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
Claims (1)
- 高速度工具鋼で構成された切削工具基体の表面に、
(a)いずれもCrとAlとSiの複合窒化物からなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は0.5〜1.5μm、前記下部層は2〜6μmの平均層厚をそれぞれ有し、
(b)上記上部層は、いずれも一層平均層厚がそれぞれ5〜20nm(ナノメ−タ−)の薄層Aと薄層Bの交互積層構造を有し、
上記薄層Aは、
組成式:[Cr1-(A+B)AlASiB]N(ただし、原子比で、Aは0.01〜0.10、Bは0.35〜0.50を示す)を満足するCrとAlとSiの複合窒化物層、
上記薄層Bは、
組成式:[Cr1-(C+D)AlCSiD]N(ただし、原子比で、Cは0.20〜0.35、Dは0.15〜0.30を示す)を満足するCrとAlとSiの複合窒化物層、からなり、
(c)上記下部層は、単一相構造を有し、
組成式:[Cr1-(E+F)AlESiF]N(ただし、原子比で、Eは0.45〜0.65、Fは0.01〜0.10を示す)を満足するCrとAlとSiの複合窒化物層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、高硬度鋼の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高速度工具鋼製切削工具。
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