JP4748450B2 - 高速断続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切削工具 - Google Patents
高速断続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切削工具 Download PDFInfo
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Description
組成式:(Ti1−XAlX)N(ただし、原子比で、Xは0.4〜0.6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]層からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、かつ前記被覆工具の硬質被覆層である(Ti,Al)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ようになることから、これを各種の一般鋼や普通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。
(a)従来被覆工具の硬質被覆層を構成する(Ti,Al)N層は、例えば、通常の物理蒸着装置の1種であるアークイオンプレーティング装置にて、工具基体を装入し、ヒータで装置内を例えば500℃に加熱した状態で、所定組成のTi−Al合金からなるカソード電極(蒸発源)とアノード電極との間に例えば100Aの電流を印加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2Paの反応雰囲気とし、一方工具基体には例えば−50Vのバイアス電圧を印加するという条件下(以下、通常成膜条件という)で、成膜されるが、これを、図1(a)、(b)に示すように、例えば、炉体の上下面外周および4側面外周の計6箇所に電磁コイル1〜6を設置し、電磁コイルにDC電力を供給し、それぞれの電磁コイルに400G程度の磁場を発生させると、炉内には特殊な磁場の状態が形成され、そして、このような特殊な磁場中で、前記通常成膜条件による(Ti,Al)N層の蒸着成膜を行うと、この結果の(Ti,Al)N層(以下、改質(Ti,Al)N層という)は、通常成膜条件で形成された(Ti,Al)N層に比べ、一段と高温強度が向上し、すぐれた耐機械的衝撃性を具備するようになることから、特に激しい機械的衝撃を伴う高速断続切削加工でも、前記硬質被覆層はすぐれた耐チッピング性を発揮し、長期にわたってすぐれた耐摩耗性を示すようになること。
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図3(a),(b)に概略説明図で例示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(001)面および(011)面の法線がなす傾斜角(図3(a)には前記結晶面のうち(001)面の傾斜角が0度、(011)面の傾斜角が45度の場合、同(b)には(001)面の傾斜角が45度、(011)面の傾斜角が0度の場合を示しているが、これらの角度を含めて前記結晶粒個々のすべての傾斜角)を測定し、この場合前記結晶粒は、上記の通り格子点にTi、Al、窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するNaCl型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で1つの構成原子を共有する格子点(構成原子共有格子点)の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がN個(NはNaCl型面心立方晶の結晶構造上2以上の偶数となる)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で表し、個々のΣN+1がΣN+1全体(ただし、頻度の関係でNの上限値を28とする)に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフを作成した場合、いずれのTiAlN層もΣ3に最高ピークが存在するが、前記従来(Ti,Al)N層は、図5に例示される通り、Σ3の分布割合が30%以下の相対的に低い構成原子共有格子点分布グラフを示すのに対して、前記改質(Ti,Al)N層は、図4に例示される通り、Σ3の分布割合が50%〜80%のきわめて高い構成原子共有格子点分布グラフを示し、この高いΣ3の分布割合は、蒸着成膜時の炉内磁場分布によって変化すること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
1〜6μmの平均層厚を有するTiとAlの複合窒化物からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層の組成式を(Ti1−XAlX)Nと表したときに、
0.4≦X≦0.6(ただし、Xは原子比を示す)を満足し、かつ、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(001)面および(011)面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にTi、Al、窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するNaCl型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で1つの構成原子を共有する格子点(構成原子共有格子点)の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がN個(NはNaCl型面心立方晶の結晶構造上2以上の偶数となる)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で表した場合、個々のΣN+1がΣN+1全体(ただし、頻度の関係でNの上限値を28とする)に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ3に最高ピークが存在し、かつ前記Σ3のΣN+1全体に占める分布割合が50%〜80%である構成原子共有格子点分布グラフを示す窒化チタンアルミニウム層、
で構成したことを特徴とする高速断続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工具(表面被覆切削工具)に特徴を有するものである。
(a)組成式(Ti1−XAlX)N
組成式(Ti1−XAlX)Nで表される成分組成の硬質被覆層におけるTi成分は高温強度の維持、Al成分は高温硬さと耐熱性の向上に寄与することから、硬質被覆層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐熱性を具備する層であるが、Alの含有割合Xが60原子%を超えると、硬質被覆層の高温硬さと耐熱性は向上するものの、Ti含有割合の相対的な減少によって、高温強度が低下しチッピングを発生しやすくなり、一方、Alの含有割合Xが40原子%未満になると、高温硬さと耐熱性が低下し、その結果、耐摩耗性の低下がみられるようになることから、Alの含有割合Xの値を0.40〜0.60と定めた。
上記の改質(Ti,Al)N層の構成原子共有格子点分布グラフにおけるΣ3の分布割合は、上記の通り蒸着成膜時の炉内磁場分布を変化させることによって50%〜80%とすることができるが、この場合Σ3の分布割合が50%未満では、高速断続切削加工で、硬質被覆層にチッピングが発生しない、すぐれた高温強度向上効果を確保することができず、したがってΣ3の分布割合は高ければ高いほど望ましいが、Σ3の分布割合を80%を越えて高くすることは層形成上困難であることから、Σ3の分布割合を50%〜80%と定めた。このように前記改質(Ti,Al)N層は、上記の通り(Ti,Al)N自体のもつ高温硬さと高温強度と耐熱性に加えて、さらに一段とすぐれた高温強度を有するようになる。
硬質被覆層の平均層厚が1μm未満では、自身のもつ耐熱性、高温硬さおよび高温強度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1〜6μmと定めた。
(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500℃に加熱した後、Arガスを導入して、0.7Paの雰囲気とすると共に、前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−200Vの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオン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工具基体に−50Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記カソード電極(改質(Ti,Al)N層形成用の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、同時に、図1に示されるように装置(炉体)の上下面外周および4側面外周の計6箇所に設置した各電磁コイル1〜6に給電して表4に示す磁場を生じさせ、装置内に直流磁場を形成し、前記工具基体の表面に、表5〜7に示される目標組成および目標層厚の改質(Ti,Al)N層を蒸着形成することにより、本発明被覆工具1〜18をそれぞれ製造した。
すなわち、上記構成原子共有格子点分布グラフは、上記の改質(Ti,Al)N層および従来(Ti,Al)N層の表面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に70度の入射角度で15kVの加速電圧の電子線を1nAの照射電流で、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、30×50μmの領域を0.1μm/stepの間隔で、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(001)面および(011)面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で1つの構成原子を共有する格子点(構成原子共有格子点)の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がN個(NはNaCl型面心立方晶の結晶構造上2以上の偶数となる)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で現した場合、個々のΣN+1がΣN+1全体(ただし、頻度の関係でNの上限値を28とする)に占める分布割合を求めることにより作成した。
なお、図4は、本発明被覆工具1の改質(Ti,Al)N層の構成原子共有格子点分布グラフ、図5は、従来被覆工具1の従来(Ti,Al)N層の構成原子共有格子点分布グラフをそれぞれ示すものである。
切削条件(A−1);
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: 250 m/min、
切り込み: 1.5 mm、
送り: 0.24 mm/rev、
切削時間: 3 分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は180m/min)、
切削条件(B−1);
被削材:JIS・S50Cの長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 280 m/min、
切り込み: 1.6 mm、
送り: 0.20 mm/rev、
切削時間: 3 分、
の条件での炭素鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は200m/min)、
切削条件(C−1);
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: 250 m/min、
切り込み: 2.0 mm、
送り: 0.21 mm/rev、
切削時間: 3 分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は180m/min)を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表8に示した。
切削条件(A−2);
被削材:JIS・SNCM439の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 250 m/min、
切り込み: 2.0 mm、
送り: 0.15 mm/rev、
切削時間: 3 分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は150m/min)、
切削条件(B−2);
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: 280 m/min、
切り込み: 2.5 mm、
送り: 0.12 mm/rev、
切削時間: 3 分、
の条件での炭素鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は180m/min)、
切削条件(C−2);
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: 240 m/min、
切り込み: 1.5 mm、
送り: 0.16 mm/rev、
切削時間: 3 分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は150m/min)を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表9に示した。
切削条件(A−3);
被削材:JIS・SCM415(HRC61)の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 180 m/min、
切り込み: 0.15 mm、
送り: 0.12 mm/rev、
切削時間: 6 分、
の条件での浸炭焼入合金鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は120m/min)、
切削条件(B−3);
被削材:JIS・SCr420(HRC60)の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 200 m/min、
切り込み: 0.2 mm、
送り: 0.10 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件での浸炭焼入クロム鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は110m/min)、
切削条件(C−3);
被削材:JIS・SUJ2(HRC58)の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 220 m/min、
切り込み: 0.12 mm、
送り: 0.08 mm/rev、
切削時間: 3 分、
の条件での焼入軸受鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は130m/min)を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表10に示した。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、または立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料で構成された工具基体の表面に、
1〜6μmの平均層厚を有するTiとAlの複合窒化物からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層の組成式を(Ti1−XAlX)Nと表したときに、
0.4≦X≦0.6(ただし、Xは原子比を示す)を満足し、かつ、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(001)面および(011)面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にTi、Al、窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するNaCl型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で1つの構成原子を共有する格子点(構成原子共有格子点)の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がN個(NはNaCl型面心立方晶の結晶構造上2以上の偶数となる)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で表した場合、個々のΣN+1がΣN+1全体(ただし、頻度の関係でNの上限値を28とする)に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ3に最高ピークが存在し、かつ前記Σ3のΣN+1全体に占める分布割合が50%〜80%である構成原子共有格子点分布グラフを示す窒化チタンアルミニウム層、
で構成したことを特徴とする高速断続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切削工具。
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