JP5013261B2

JP5013261B2 - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP5013261B2
Application number: JP2007247537A
Authority: JP
Inventors: 哲彦本間; 亨長谷川
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: JP2009078309A

Description

この発明は、特にダクタイル鋳鉄などの切削加工を、高熱発生を伴い、切刃に対して高負荷がかかる高速高送り条件で行った場合であっても、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（以下、被覆工具という）に関するものである。

従来、炭化タングステン基（ＷＣ基）超硬合金または炭窒化チタン基（ＴｉＣＮ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）の表面に、
（ａ）チタンの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、ＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層または炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうち少なくとも１層以上のＴｉ化合物層からなり、０．１〜５μｍの平均層厚を有する内層、
（ｂ）酸化アルミニウム層からなり、５〜５０μｍの平均層厚を有する中間層、
（ｃ）ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層またはＴｉＣＮＯ層のうちの少なくとも１層以上のＴｉ化合物層からなり、５〜１００μｍの平均層厚を有する外層、
上記（ａ）〜（ｃ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が知られている。
そして、上記被覆工具に対して、硬質被覆層の平滑化を図るため、あるいは、硬質被覆層に亀裂を導入して層内に残留する引張応力を開放するために、バレル処理やショットブラスト処理を施すことは周知の技術である。
特開平８−１５８０５２号公報

近年の切削加工の省力化および省エネ化に対する要求は強く、これに伴い、連続切削はもとより断続切削においても加工条件は一段と高速化、高送り化し、高能率加工が求められている。そして、自動車部品や工作機械部品の分野においては、従来、ＪＩＳ規格ＦＣＤ４５０相当のダクタイル鋳鉄が多用されてきたが、最近では、より軽量化、小型化が望まれ、そのためより強度の高いＪＩＳ規格ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００相当の強靭なダクタイル鋳鉄の使用量が増加傾向にある。ところで、上記の従来被覆工具を用い、従来切削条件でＦＣＤ４５０相当のダクタイル鋳鉄を加工する場合には、特段の問題は見られなかったが、例えば、上記ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００相当のより強靭なダクタイル鋳鉄を、高速高送り条件で切削加工しようとした場合には、チッピングなどの異常損傷が発生しやすくなり、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、ダクタイル鋳鉄などの高速高送り切削条件下における硬質被覆層の耐チッピング性の向上を図るべく、硬質被覆層の内部応力とチッピング発生との関連に着目し鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。

（ａ）まず、本発明者らは、ダクタイル鋳鉄の高速高送り切削条件に用いた使用後の従来被覆工具の刃先損傷状態を観察した結果、チッピングは、硬質被覆層表面に存在する亀裂を起点として進行していることを見出した。そして、この硬質被覆層表面に存在する亀裂は、工具基体表面に硬質層を被覆した後、硬質被覆層の平滑化および硬質被覆層中に残留する引張応力を開放する目的で行ったバレル処理やショットブラスと処理によって導入された亀裂であることも突き止めた。通常、８００〜１０００℃の高温下で、化学蒸着法により蒸着形成された硬質被覆層には、工具基体と硬質被覆層を構成する材料の熱膨張の度合いの違いから、冷却工程で硬質被覆層に発生した引張応力が残留し、あるいは、その引張残留応力に耐え切れなくなり、硬質被覆層の一部には亀裂が発生・存在するようになる（以下、このようにして形成された亀裂を「冷却亀裂」とよぶ）。また、バレル処理やショットブラスト処理等の機械的処理は、硬質被覆層内に存在する残留応力の緩和・開放を一つの目的として行われるが、この機械的処理を施すことによって、冷却亀裂が拡大したり、硬質被覆層内に存在する亀裂の密度は増加することになる（以下、機械的処理によって形成されたこのような亀裂を、上記冷却亀裂と区別するために、「２次亀裂」とよぶ）。
そして、ダクタイル鋳鉄などの強靭な被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷がかかる高速高送り条件で切削加工を行った場合には、上記の２次亀裂の存在により硬質被覆層の強度が低下し、チッピング等の異常損傷の原因となることを見出した。

（ｂ）そこで、本発明者らは、上記従来被覆工具でいう内層を、最内層、内層および内側密着層とからなる三層構造で構成し、同じく上記従来被覆工具でいう外層を、外側密着層と外層とからなる三層構造で構成し、特に、本発明では、内層を高窒素含有割合のＴｉＣＮ層（以下、単に高窒素ＴｉＣＮ層で示す）、外層を高炭素含有割合のＴｉＣＮ層（以下、単に高炭素ＴｉＣＮ層で示す）で構成し、最内層−内層−内側密着層−中間層−外側密着層−外層という特定な層構造の硬質被覆層を有する被覆工具を作製し、これを強靭なダクタイル鋳鉄の高速高送り切削加工に供したところ、このように特定な層構造を有する被覆工具は、チッピング等の異常損傷を発生することもなく、長期の使用に亘って、すぐれた工具特性を発揮することを見出したのである。

（ｃ）上記最内層−内層−内側密着層−中間層−外側密着層−外層という特定な層構造からなる硬質被覆層が、すぐれた耐チッピング性を発揮するようになるのは、次のような理由によるものと推定される。
即ち、上記最内層−内層−内側密着層−中間層−外側密着層−外層という構造からなる硬質被覆層は、硬質被覆層を蒸着形成した後の引張残留応力が、最内層側から外層側へ向かうにしたがって低下する応力分布となっている(図１参照)。そして、上記層構造（応力分布）の硬質被覆層を形成した後、外層表面に対して乾式もしくは湿式ブラスト処理を行うと、外層は残留応力の十分な開放が図られる。しかし、最内層は工具基体に、また、内層は内側密着層に、それぞれ強固に密着接合しており、しかも、最内層あるいは内層は、もともと大きな引張の残留応力がかかっているため、最内層側あるいは内層側では完全な残留応力の開放は行われ得ない。そうすると、最内層あるいは内層に残る引張残留応力、即ち、上記ブラスト処理では開放することができなかった最内層、内層に残る引張残留応力は、外層に対しては、（中間層、外側密着層を介して）圧縮応力として作用する（図２参照）ことになり、結果として、外層に存在している冷却亀裂の拡大を抑制し、さらに、上記ブラスト処理による過多な２次亀裂の導入を抑制することになる。したがって、切刃に対して高負荷がかかる強靭なダクタイル鋳鉄の高速高送り切削加工においても、前記硬質被覆層はすぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた性能を発揮するようになる。

この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「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表面に、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
（ａ）最内層として、０．１〜０．５μｍの平均層厚を有する窒化チタン層、
（ｂ）内層として、
組成式：Ｔｉ（Ｃ_ＸＮ_１−Ｘ）
で表した場合、Ｘが０．２〜０．５（但し、原子比）を満足し、１〜３μｍの平均層厚を有する炭窒化チタン層、
（ｃ）内層と中間層の密着層として、０．１〜１μｍの合計平均層厚を有し、炭酸化チタン層または炭窒酸化チタン層の１層以上からなる内側密着層、
（ｄ）中間層として、１〜５μｍの平均層厚を有するα型酸化アルミニウム層、
（ｅ）中間層と外層の密着層として、０．１〜１μｍの合計平均層厚を有し、炭酸化チタン層または炭窒酸化チタン層の１層以上からなる外側密着層、
（ｆ）外層として、
組成式：Ｔｉ（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）
で表した場合、Ｙが０．６〜１（但し、原子比）を満足し、３〜１０μｍの平均層厚を有する炭窒化チタン層または炭化チタン層、
上記（ａ）〜（ｆ）の各層で構成された硬質被覆層の表面に、乾式もしくは湿式ブラストが施された表面被覆切削工具（被覆工具）。」
に特徴を有するものである。

この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、上記の通りに限定した理由を以下に説明する。

(ａ)最内層（ＴｉＮ層）
最内層のＴｉＮ層は、所定の高温硬さを有し、工具基体からのバインダー成分が硬質被覆層中へと拡散するのを抑止し、硬質被覆層と工具基体との密着強度向上に寄与するが、その平均層厚が０．１μｍ未満では、所望の効果を発揮することができず、一方、０．５μｍを超えると、内層の残留応力の値に影響を与えてしまい、外層側に向かって引張残留応力が次第に減少する応力分布を形成し難くなるので、その平均層厚を０．１〜０．５μｍと定めた。

(ｂ)内層
炭窒化チタン層（ＴｉＣＮ層）からなる内層は、最内層（ＴｉＮ層）および内側密着層（ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層）のいずれに対してもすぐれた密着強度を有する。
内層のＴｉＣＮ層を、
組成式：Ｔｉ（Ｃ_ＸＮ_１−Ｘ）
で表した場合、Ｘが０．２〜０．５（但し、原子比）を満足する必要があるが、その理由は次のとおりである。
即ち、中間層であるα型酸化アルミニウム層（α型Ａｌ_２Ｏ_３層）の熱膨張係数は８．２×１０^−６／℃前後であるから、外層側に向かって残留引張応力が小さくなるようにするためには、内層の熱膨張係数が中間層のそれより大であることが必要であり、そのためには、上記組成式：Ｔｉ（Ｃ_ＸＮ_１−Ｘ）において、Ｘの値を０．５以下としなければならない。ただ、Ｘの値が０．２より小さくなると、内層に発生する残留引張応力が大きくなりすぎて、内層自体の強度が低下し、チッピング等の異常損傷を発生しやすくなるので、Ｘの値を０．２〜０．５と定めた。また、内層の平均層厚が１μｍ未満では、外層側に向かって引張残留応力が次第に減少する応力分布を形成することが困難であり、その平均層厚が３μｍを超えると、ダクタイル鋳鉄の高速高送り切削で異常損傷が発生しやすくなることから、内層の平均層厚を１〜３μｍと定めた。

(ｃ)内側密着層（ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層）
炭酸化チタン層（ＴｉＣＯ層）または炭窒酸化チタン層（ＴｉＣＮＯ層）の１層以上からなる内側密着層は、内層と中間層（α型Ａｌ_２Ｏ_３層）との密着強度を増し、硬質被覆層の耐チッピング性を向上させる効果があるが、その合計平均層厚が０．１μｍ未満では密着強度向上効果がみられず、一方、その層厚が１μｍを超えると、本来ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層の強度が、ＴｉＣＮ層やα型Ａｌ_２Ｏ_３層に比べて劣るものであるため、チッピングなどの異常損傷が起き易くなることから、その合計平均層厚は０．１〜１μｍと定めた。

（ｄ）中間層（α型Ａｌ_２Ｏ_３層）
中間層であるα型Ａｌ_２Ｏ_３層は、熱的および化学的に非常に安定した層であって、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、被覆工具の耐摩耗性を担保するが、その平均層厚が１μｍ未満では所望の性能を発揮することができず、一方、その平均層厚が５μｍを超えるとするが、ダクタイル鋳鉄の高速高送り切削時に異常損傷が発生しやすくなることから、中間層の平均層厚を１〜５μｍと定めた。

(ｅ)外側密着層（ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層）
内側密着層の場合と同様に、炭酸化チタン層（ＴｉＣＯ層）または炭窒酸化チタン層（ＴｉＣＮＯ層）の１層以上からなる外側密着層は、中間層（α型Ａｌ_２Ｏ_３層）と外層との密着強度を増し、硬質被覆層の耐チッピング性を向上させる効果があるが、その合計平均層厚が０．１μｍ未満では密着強度向上効果がみられず、一方、その層厚が１μｍを超えると、本来ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層の強度が、ＴｉＣＮ層やα型Ａｌ_２Ｏ_３層に比べて劣るものであるため、チッピングなどの異常損傷が起き易くなることから、その合計平均層厚は０．１〜１μｍと定めた。

(ｆ)外層
炭窒化チタン層（ＴｉＣＮ層）または炭化チタン層（ＴｉＣ層）からなる外層は、外側密着層（ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層）に対してすぐれた密着強度を有する。
外層のＴｉＣＮ層またはＴｉＣ層を、
組成式：Ｔｉ（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）
で表した場合、Ｙが０．６〜１（但し、原子比）を満足する必要があるが、その理由は次のとおりである。
即ち、中間層であるα型酸化アルミニウム層（α型Ａｌ_２Ｏ_３層）の熱膨張係数は８．２×１０^−６／℃前後であるから、外層側に向かって残留引張応力が小さくなるようにするためには、外層の熱膨張係数を中間層のそれより小さくすることが必要であり、そのためには、上記組成式：Ｔｉ（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）において、Ｙの値を０．６以上としなければならない。
また、外層の平均層厚は３μｍ未満では、外層側に向かって引張残留応力が次第に減少する応力分布を形成することが困難であり、一方、その平均層厚が１０μｍを超えると、ダクタイル鋳鉄の高速高送り切削で異常損傷が発生しやすくなることから、外層の平均層厚を３〜１０μｍと定めた。

本発明では、上記した最内層−内層−内側密着層−中間層−外側密着層−外層という構造からなる硬質被覆層を蒸着形成した後、硬質被覆層の表面平滑化、残留応力低減のために、Ａｌ_２Ｏ_３粒子やＳｉＣ粒子を圧縮空気や水圧などを用いた乾式もしくは湿式ブラスト処理を施すが、処理後の硬質被覆層表面（外層）の表面粗さが、準拠規格ＪＩＳ・Ｂ０６０１−１９９４に従う測定において、Ｒａが０．３μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下となるように処理を行うことにより、ダクタイル鋳鉄の高速高送り切削加工時の硬質被覆層の異常損傷の発生を効果的に抑制することができる。

この発明の被覆工具は、最内層側から外層側へと向かって、引張残留応力が次第に減少するように、最内層−内層−内側密着層−中間層−外側密着層−外層という層構造で硬質被覆層を蒸着形成した後、該硬質被覆層表面（外層）にブラスト処理を施すことによって、外層に対して圧縮応力を作用させ、また、外層に存在している冷却亀裂の拡大を抑制し、かつ、過多な２次亀裂の形成をも抑制することにより、高熱発生を伴い、切刃に対して高負荷がかかる強靭ダクタイル鋳鉄の切削加工においても、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。

つぎに、この発明の被覆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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末およびＣｏ粉末を準備し、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ルコール中で１０時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８（超硬基体Ａ〜Ｄ）およびＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１（超硬基体Ｅ、Ｆ）の所定の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、超硬基体Ａ〜Ｄについては、Ｒ：０．０７ｍｍのホーニング加工を、また、超硬基体Ｅ、Ｆについては、切刃部に幅０．１５ｍｍ、角度２０度のチャンフォーホーニング加工することにより、ＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆ表面に、まず、表２、表３に示される条件で、最内層、内層、内側密着層、中間層、外側密着層および外層を、それぞれ表４に示される目標（合計）平均層厚となるように化学蒸着して硬質被覆層を形成し、ついで、硬質層表面（外層）に、Ａｌ_２Ｏ_３砥粒を１５ｍａｓｓ％含んだ研磨液を、投射圧力０．２ＭＰａの条件でブラスト処理し、表４に示される表面粗さの本発明被覆工具１〜１８を製造した。

比較の目的で、表２、表３に示される条件で、かつ、表５に示される層構造および目標合計（平均）層厚となるように化学蒸着して硬質被覆層を形成し、ついで、硬質層表面を、本発明被覆工具１〜１８の場合と同じ条件でブラスト処理を施し、表５に示される層構造および表面粗さの比較被覆工具１〜１８を製造した。

さらに、上記の本発明被覆工具１〜１８および比較被覆工具１〜１８について、これらの硬質被覆層の構成層をオージェ分光分析装置を用いて観察（層の縦断面を観察）したところ、目標組成と実質的に同じ組成を有することが確認され、また、これらの被覆工具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（同じく縦断面測定）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。

まず、上記の本発明被覆工具１〜４、７〜１０、１３〜１６および比較被覆工具１〜４、７〜１０、１３〜１６について、次の切削条件Ａ、Ｂにより、ターニング加工評価を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ６００の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り量：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の湿式高速高送り切削試験（通常の切削速度および送り量は、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ８００の丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り量：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の湿式高速高送り切削試験（通常の切削速度および送り量は、それぞれ、１５０ｍ／ｍｉｎ、０．２ｍｍ／ｒｅｖ．）、

次に、上記の本発明被覆工具５、６、１１、１２、１７、１８および比較被覆工具５、６、１１、１２、１７、１８について、次の切削条件Ｃ、Ｄにより、ミーリング加工評価を実施した。
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ６００のブロック材
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
一刃送り量：０．３５ｍｍ／刃、
切削時間：５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式高速高送り切削試験（通常の切削速度および一刃送り量は、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ、０．１５ｍｍ／刃）、
[切削条件Ｄ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ７００のブロック材
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
一刃送り量：０．３２ｍｍ／刃、
切削時間：５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の湿式高速高送り切削試験（通常の切削速度および一刃送り量は、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ、０．１５ｍｍ／刃）、
そして、上記の各切削試験Ａ〜Ｄにおける切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、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、本発明被覆工具１〜１８においては、最内層側から外層側へと向かって、引張残留応力が次第に減少するように、最内層−内層−内側密着層−中間層−外側密着層−外層という層構造で硬質被覆層を構成し、しかも、該硬質被覆層にブラスト処理を施すことによって、外層に対して圧縮応力を作用させ、また、外層に存在している冷却亀裂の拡大を抑制し、かつ、過多な２次亀裂の形成をも抑制することにより、高熱発生を伴い、切刃に対して高負荷がかかる強靭ダクタイル鋳鉄の高速高送り切削加工においても、すぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、最内層側から外層側へと向かって、引張残留応力が次第に減少するように構成されていない層構造の比較被覆工具１〜１８においては、高速高送り切削の厳しい切削条件に耐えられず、硬質被覆層にはチッピング、欠損、層間剥離が発生し、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、この発明の被覆工具は、各種の鋼、ステンレス鋼および鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に、高い熱発生を伴うとともに、切刃部に高負荷がかかる強靭ダクタイル鋳鉄の高速高送り切削条件でも、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、切削装置の高性能化なら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。

ブラスト処理を施す前の、本発明被覆工具の硬質被覆層の残留応力の分布状況を示す概要説明図である。ブラスト処理を施した後の、本発明被覆工具の硬質被覆層の残留応力の分布状況を示す概要説明図である。

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表面に、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
（ａ）最内層として、０．１〜０．５μｍの平均層厚を有する窒化チタン層、
（ｂ）内層として、
組成式：Ｔｉ（Ｃ_ＸＮ_１−Ｘ）
で表した場合、Ｘが０．２〜０．５（但し、原子比）を満足し、１〜３μｍの平均層厚を有する炭窒化チタン層、
（ｃ）内層と中間層の密着層として、０．１〜１μｍの合計平均層厚を有し、炭酸化チタン層または炭窒酸化チタン層の１層以上からなる内側密着層、
（ｄ）中間層として、１〜５μｍの平均層厚を有するα型酸化アルミニウム層、
（ｅ）中間層と外層の密着層として、０．１〜１μｍの合計平均層厚を有し、炭酸化チタン層または炭窒酸化チタン層の１層以上からなる外側密着層、
（ｆ）外層として、
組成式：Ｔｉ（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）
で表した場合、Ｙが０．６〜１（但し、原子比）を満足し、３〜１０μｍの平均層厚を有する炭窒化チタン層または炭化チタン層、
上記（ａ）〜（ｆ）の各層で構成された硬質被覆層の表面に、乾式もしくは湿式ブラストが施された表面被覆切削工具。