JP4761136B2

JP4761136B2 - 硬質被覆層が重切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具

Info

Publication number: JP4761136B2
Application number: JP2006061331A
Authority: JP
Inventors: 哲彦本間; 高歳大鹿
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP2007237307A

Description

この発明は、特に各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高負荷のかか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、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サーメット製切削工具（以下、被覆切削工具という）に関するものである。

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基体（以下、これらを総称して工具基体という）のすくい面および逃げ面、さらにこれら両面が交わる切刃稜線部の全面に亘って、
（ａ）下部層として、炭化チタン（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化チタン（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化チタン（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化チタン（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜１２μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜６μｍの平均層厚を酸化アルミニウム層（以下、Ａｌ₂Ｏ₃層で示す）、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削工具が知られており、この被覆切削工具が、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ることは良く知られるところである。

また、上記の被覆切削工具において、これの硬質被覆層の構成層は、一般に粒状結晶組織を有し、さらに、下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の強度向上を目的として、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。
特開平６−３１５０３号公報特開平６−８０１０号公報

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、切削加工の効率化を図る目的で、高い負荷のかかる高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工が行われる傾向にあるが、上記の従来被覆切削工具においては、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、特に加工条件のうちの切り込みや送りなどを高くした場合には、硬質被覆層にチッピング（微少欠け）が発生し易く、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。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来被覆切削工具の硬質被覆層に着目し、これの耐チッピング性向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）通常、上記の従来被覆切削工具における硬質被覆層は、化学蒸着装置で、約１０００℃前後の反応温度で工具基体表面に蒸着され、常温に冷却されることにより形成されるが、前記の冷却過程で、前記工具基体の熱膨張係数に比して前記硬質被覆層の熱膨張係数の方がきわめて大きいので、前記硬質被覆層には引張の応力が残留するようになり、この硬質被覆層中の残留応力が原因で切削加工、特に重切削条件での切削加工に際して、チッピングが発生し易くなること。

（ｂ）これに対して、単一基本形状マーク、例えば円形や三角形および四角形、さらにこれらの類似形などの単一基本形状マークを、前記工具基体のすくい面および逃げ面のいずれか、またはこれら両面の全面に亘って、レーザービームを用いて、例えば図１〜７に前記単一基本形状マークを円形とした場合の実施例で示される通り、前記単一基本形状マークおよび前記単一基本形状マークの集合マークのいずれか、または両方が分散分布し（この場合、図１〜３に例示のものは硬質被覆層の層厚が相対的に薄く、図４，５および図５，７に例示されるに従って層厚が厚くなる場合の分布態様を示す）、かつ前記単一基本形状マークを、上記硬質被覆層の構成層のうちのいずれかの層が露出した掘下げ面とした条件（この場合の前記単一基本形状マークの露出面の掘下げ深さは前記硬質被覆層の層厚に対応して個々に調整されるが、残留応力の効率的低減を図るには層厚の５〜２０％に相当する深さが目安とされる）で照射形成すると、前記硬質被覆層の残留応力が著しく低減するようになり、この硬質被覆層残留応力低減模様を形成した被覆切削工具は、特に高負荷のかかる重切削条件での切削加工に際して、硬質被覆層中の残留応力が原因のチッピングの発生が一段と抑制され、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮すること。
以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。

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、工具基体のすくい面および逃げ面、さらにこれら両面が交わる切刃稜線部の全面に亘って、
（ａ）下部層として、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの２層以上からなり、かつ３〜１２μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜６μｍの平均層厚を有するＡｌ₂Ｏ₃層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を、化学蒸着装置を用いて蒸着形成してなる被覆切削工具において、
上記すくい面および逃げ面のいずれか、またはこれら両面の全面に亘って、単一基本形状マークおよび前記単一基本形状マークの集合マークのいずれか、または両方が分散分布してなると共に、前記単一基本形状マークを、上記硬質被覆層の構成層のうちのいずれかの層が露出した掘下げ面とした硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成してなる、
硬質被覆層が重切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削工具に特徴を有するものである。

なお、この発明の被覆切削工具の硬質被覆層に関し、下部層のＴｉ化合物層は、Ａｌ₂Ｏ₃層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、工具基体とＡｌ₂Ｏ₃層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性を向上させる作用を有するが、その全体平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その全体平均層厚が１２μｍを越えると、偏摩耗の原因となる熱塑性変形を起し易くなることから、その全体平均層厚を３〜１２μｍと定めたものであり、また、上部層のＡｌ₂Ｏ₃層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、被覆切削工具の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が１μｍ未満では、所望のすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮させることができず、一方その平均層厚が６μｍを越えて厚くなりすぎると、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と定めたのである。

この発明の被覆切削工具は、すくい面および逃げ面のいずれか、またはこれら両面の全面に亘って、単一基本形状マークおよび前記単一基本形状マークの集合マークのいずれか、または両方が分散分布してなると共に、前記単一基本形状マークを、硬質被覆層の構成層のうちのいずれかの層が露出した掘下げ面とした硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成することにより、硬質被覆層における引張残留応力が著しく小さなものとなることから、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高負荷のかかる高切り込みや高送りなどの重切削条件で行うのに用いた場合にも、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発揮するようになるものである。

つぎに、この発明の被覆切削工具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、Ｃｒ₃Ｃ₂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、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、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、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１６０６０８に規定する工具形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。

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、Ｍｏ₂Ｃ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、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：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。

ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、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層を硬質被覆層の下部層および上部層として蒸着形成し、
ついで、レーザービーム照射装置を用い、上記硬質被覆層に、
レーザービーム出力：１０Ｗ、
単一基本形状マークの形状：直径が０．５ｍｍの円形、
硬質被覆層残留応力低減模様：図１〜７に示される実施模様のうちのいずれかを表４に示される組み合わせで適用、
単一基本形状マークの露出面の掘下げ深さ：表４に全目標層厚に対する割合で示される深さ、
の条件で硬質被覆層残留応力低減模様を形成することにより本発明被覆切削工具１〜１３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、上記硬質被覆層に硬質被覆層残留応力低減模様の形成を行なわない以外は同一の条件で従来被覆切削工具１〜１３をそれぞれ製造した。

また、上記本発明被覆切削工具１〜１３および従来被覆切削工具１〜１３の硬質被覆層の構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（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。

つぎに、上記の本発明被覆切削工具１〜１３および従来被覆切削工具１〜１３の各種の被覆切削工具について、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、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ａという）での鋳鉄の乾式連続高切り込み切削加工試験（通常の切り込みは２ｍｍ）、
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：３００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式断続高送り切削加工試験（通常の送りは０．３ｍｍ／ｒｅｖ）、さらに、
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：２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．５ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｃという）での合金鋼の乾式断続高切り込み切削加工試験（通常の切り込みは２ｍｍ）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。

表４〜６に示される結果から、本発明被覆切削工具１〜１３は、いずれも硬質被覆層にレーザービーム照射形成された硬質被覆層残留応力低減模様によって、前記硬質被覆層における残留引張応力が著しく低減されることから、鋼や鋳鉄の高切り込みや高送りなどの高い負荷のかかる重切削条件での切削加工でも、前記硬質被覆層にチッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのに対して、前記硬質被覆層残留応力低減模様の形成のない従来被覆切削工具１〜１３においては、いずれも前記重切削条件での切削加工では、硬質被覆層にチッピングが発生し、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工具は、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、特に切削加工を高負荷のかかる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示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、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。

実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図１以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図１，２以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図１〜３以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図１〜４以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図１〜５以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図１〜６以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。

Claims

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工具基体のすくい面および逃げ面、さらにこれら両面が交わる切刃稜線部の全面に亘って、
（ａ）下部層として、炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、炭酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの２層以上からなり、かつ３〜１２μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜６μｍ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）で構成された硬質被覆層を、化学蒸着装置を用いて蒸着形成してなる、表面被覆サーメット製切削工具において、
上記すくい面および逃げ面のいずれか、またはこれら両面の全面に亘って、単一基本形状マークおよび前記単一基本形状マークの集合マークのいずれか、または両方が分散分布してなると共に、前記単一基本形状マークを、上記硬質被覆層の構成層のうちのいずれかの層が露出した掘下げ面とした硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成したこと、
を特徴とする、硬質被覆層が重切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。