JP5157014B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
上記硬質酸化物被膜層の厚みd1と上記Al酸化物層の厚みd2とは、d1/(d1+d2)>0.05を満たすことが好ましい。
上記被覆層Xは、1層以上形成され、少なくとも1層は、MT−CVD法により形成されたTiCNを層全体の50質量%以上含有する層であることが好ましい。
上記基材は、超硬合金、サーメット、酸化アルミニウム系セラミックス、および窒化珪素系セラミックスの少なくともいずれかであることが好ましい。
本発明の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備えるものである。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、例えばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切り工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップとして極めて有効に用いることができる。そして、本発明の被覆切削工具は、鋼や鋳鉄などの旋削加工用刃先交換型切削チップとして特に有効に用いることができる。
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定無く使用することができる。例えば、超硬合金(例えばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていたりしてもよく、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、1層または2層以上からなる。そして、それらの層のうち少なくとも1の層は、以下で詳述するAlとZrの含有量を特定の範囲で連続的に変化させて形成した硬質酸化物被膜層である。本発明における被膜は、この硬質酸化物被膜層を含む限り、さらに他の層を含んでいても差し支えない。なお、本発明における被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限定されるものではなく、部分的に被膜が形成される態様をも含む。
本発明における硬質酸化物被膜層はAlとZrとからなる複合被膜により形成される硬質酸化物被膜層である。この硬質酸化物被膜層は、AlとZrの含有量が硬質酸化物被膜層の厚み方向に沿って変化する組成構造を有し、この変化は、Alの含有量が極大となるAl極大含有点とZrの含有量が極大となるZr極大含有点とを含み、Al極大含有点とZr極大含有点とは繰り返し存在し、Al極大含有点におけるAlの含有量比率Al/(Al+Zr)は、原子比で0.9999<Al/(Al+Zr)≦1であり、Zr極大含有点におけるZrの含有量比率Zr/(Al+Zr)は、原子比で0.001≦Zr/(Al+Zr)≦0.2である。このような硬質酸化物被膜層を含むことにより、被膜の硬度が高くなり、かつ断熱性が向上するので、鋼や鋳鉄に対する耐摩耗性が向上する。本発明における硬質酸化物被膜層は、Alの酸化物以外に不可避不純物を含むものとする。たとえば、Alの酸化物としてはα−アルミナ、κ−アルミナ、γ−アルミナ、θ−アルミナ、δ−アルミナ、η−アルミナ、χ−アルミナ、無定形アルミナなどが挙げられる。各硬質酸化物被膜層は、これらの酸化物の1種または2種以上から形成することができる。
上記被膜は、周期律表IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、AlおよびSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素、または、周期律表IVa族、Va族およびVIa族の元素、AlおよびSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素と硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選択される少なくとも1種とからなる化合物、からなる被覆層Xを含むことが好ましい。このような被覆層Xを設けることによって、耐摩耗性と靭性とのバランスをより高めることができる。被覆層Xを構成する元素または化合物が2種以上により構成される場合、その組み合わせは特に限定されるものではない。上記のような元素または化合物としては、たとえばCr、Ti、Al、Si、V、Zr、Hf、TiC、TiN、TiCN、TiNO、TiCNO、TiB2、TiO2、TiBN、TiBNO、TiCBN、ZrC、ZrO2、HfC、HfN、TiAlN、AlCrN、CrN、VN、TiSiN、TiSiCN、AlTiCrN、TiAlCN、ZrCN、ZrCNO、Al2O3、AlN、AlCN、ZrN、TiZrN、TiZrCN、TiZrC、TiAlC、NbC、NbN、NbCN、Mo2C、WC、W2C等を挙げることができる。なお、本発明において上記のように化合物を化学式で表わす場合、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。たとえば単に「TiCN」と記す場合、「Ti」と「C」と「N」の原子比は50:25:25の場合のみに限られず、また「TiN」と記す場合も「Ti」と「N」の原子比は50:50の場合のみに限られない。これらの原子比としては従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする(以下の化学蒸着層、物理蒸着層、実施例等において同じ)。
上記被膜には、Al酸化物層を含むことが好ましく、このAl酸化物層は上記硬質酸化物被膜層の直下に形成されることが好ましい。Al酸化物層を含むことによって、被膜の密着力をより向上させることができる。この場合、硬質酸化物被膜層とAl酸化物層との境界において、Alの組成は、連続的に変化してもよいし、断続的や、不連続に変化するものであってもよく、いずれの態様であっても、Al酸化物層を含むことによる密着力の向上効果は発揮されるものである。
上記被膜は、その最下層(基材直上層)として、チタン化合物を層全体の50質量%以上含有するチタン化合物層が形成されていることが好ましい。このようなチタン化合物を特定量含むチタン化合物層を最下層として設けることで、積層される被膜の密着力をより向上させることができる。
上記被膜は、耐溶着性を改善できる点からは、その最表面層が酸化物からなる層であることが好ましい。このような酸化物からなる層としては、上記Al酸化物を主体とする層や、Ti、Hf等の酸化物を主体とする層を用いることが好ましい。また、チップの使用状態(認識性、すなわち未使用であるか既使用であるか)を明確にするために、すくい面および逃げ面の少なくともいずれか一方を、明るい光沢のある層が表面層として残るように、上記表面被覆切削工具は、刃先稜線部を有する構造を有することが好ましく、該刃先稜線部において、上記硬質酸化物被膜層、Al酸化物層および被覆層Xの少なくともいずれかが露出し、刃先稜線部以外の部分を、硬質酸化物被膜層が露出した構成とすることが好ましい。
上記被膜は、被膜を形成する少なくとも1以上の層が圧縮残留応力を有するかまたは応力を有さない層とすることすることができ、これらの層が、上記硬質酸化物被膜層およびAl酸化物層の少なくともいずれかであることが好ましい。
本発明における被膜は、上記のような硬質酸化物被膜層以外の他の層をさらに1以上含むことができる。そのような他の層の形成位置は特に限定されず、このような他の層を形成することにより、たとえば、密着力をさらに向上させ高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果がさらに向上したり、あるいは潤滑性を付与したり、被削材との凝着を抑制したりすることができるという効果を達成することもできる。
本発明における被膜は、化学蒸着法(CVD法)および物理蒸着法(PVD法)のうち、基材との密着性や化学的安定性より、化学蒸着法により形成されるものである。
4.0質量%TiCN、1.2質量%TaC、0.6質量%NbC、0.3質量%ZrC、0.2質量%Cr3C2、8.0質量%Coと残部がWCである組成比で配合した原料粉末をボールミルで48時間湿式混合した後、乾燥させ、その後100MPaの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を2Paの真空中において、1430℃で1時間保持した。その後、圧粉体を取り出し、座面を平研した後、刃先処理(SiCブラシですくい面から見て0.06mmのホーニング)を行ない、JIS規格、B−4120(1998)に規定されているCNMA120408形状のWC超硬合金製切削チップ基材を準備した。基材を厚み方向に切断した面を、ダイヤモンドペーストを用いてラッピングして金属顕微鏡で観測し、この基材の表面には15μmの脱β層が形成されていることを確認した。
上記のようにして製造された実施例1〜11の表面被覆切削工具について、以下の切削条件により連続旋削試験を実施することにより、逃げ面摩耗量を測定した。逃げ面摩耗量が小さいもの程耐摩耗性に優れていることを示す。その結果を以下の表4に示す。
被削材:SCM435丸棒
切削速度:380m/min
送り:0.33mm/rev.
切込み:2.0mm
切削油:無し
切削時間:6分
(鋳鉄の耐摩耗性試験:切削条件)
被削材:FCD450丸棒
切削速度:330m/min
送り:0.34mm/rev.
切込み:1.5mm
切削油:無し
切削時間:10分
(靭性試験:切削条件)
下記切削条件で切削により20コーナーを切削して破損率を算出し、得られた表面被覆切削工具の靭性を評価した。
切削速度:95m/min
送り:0.46mm/rev.
切込み:2.0mm
切削油:無し
切削時間:0.5分
被膜の構成を表5とし、各硬質酸化物被膜層Xを表6に示すものを用いた以外は実施例1と同様にして、表面被覆切削工具を得た。
被膜の構成を表8とし、各硬質酸化物被膜層Xを表9に示すものを用いた以外は実施例1と同様にして、表面被覆切削工具を得た。
硬質酸化物被膜層O:成膜条件「C−Zr」で15秒間保持した後、成膜条件「C−Al」で15秒間保持する工程を500回繰り返す。
硬質酸化物被膜層P:成膜条件「C−Zr」で20秒間保持した後、成膜条件「C−Al」で20秒間保持する工程を350回繰り返す。
硬質酸化物被膜層Q:成膜条件「C−Zr」で80秒間保持した後、成膜条件「C−Al」で80秒間保持する工程を90回繰り返す。
硬質酸化物被膜層R:成膜条件「C−Zr」で25分間保持した後、成膜条件「C−Al」で25分間保持する工程を5回繰り返す。
硬質酸化物被膜層S:成膜条件「C−Zr」で60分間保持した後、成膜条件「C−Al」で60分間保持する工程を2回繰り返す。
被膜の構成を表10とし、各硬質酸化物被膜層Xを表11に示すものを用いた以外は実施例1と同様にして、表面被覆切削工具を得た。
硬質酸化物被膜層U1:成膜条件「A−Zr」で5分間保持した後、成膜条件「A−Al」で5分間保持する工程を5回繰り返した。
硬質酸化物被膜層U2:成膜条件「A−Zr」で5分間保持した後、成膜条件「A−Al」で5分間保持する工程を7回繰り返した。
硬質酸化物被膜層U3:成膜条件「A−Zr」で10分間保持した後、成膜条件「A−Al」で10分間保持する工程を15回繰り返す。
硬質酸化物被膜層U4:成膜条件「A−Zr」で13分間保持した後、成膜条件「A−Al」で13分間保持する工程を18回繰り返す。
硬質酸化物被膜層U5:成膜条件「C−Zr」で30秒間保持した後、成膜条件「C−Al」で30秒間保持する工程を2回繰り返した。
被膜の構成を表12とし、上記硬質酸化物被膜層B、A1を用いた以外は実施例1と同様にして、表面被覆切削工具を得た。
被膜の構成を表13とした以外は実施例1と同様にして、表面被覆切削工具を得た。
実施例2、6、12および比較例7、9、10で得られた表面被覆切削工具について、それぞれ表15または表16に示すように、#320SiCブラシ、振動バレル機または#320弾性砥石を用いて刃先稜線部の被覆層除去処理を行ない、表15または表16に記載した各部位の構成を有するチップを準備した。
実施例2、6、12および比較例7、9、10で得られた表面被覆切削工具について、砥粒50μmのアルミナ、吐出圧0.1MPa湿式ブラスト処理を行ない、被膜を表17に記載したように内層を露出させて、圧縮残留応力等を導入した。圧縮残留応力は、X線応力測定装置を用いたsin2ψ法により測定した。
上記表15または表16の実施例2ア〜2エ、実施例6ア〜6エ、実施例12ア〜12サで得られた表面被覆切削工具について、上記(内層露出2)の方法を用いてブラスト処理を行ない、−0.1〜−0.2MPaの圧縮応力を導入したところ、それぞれに試験の耐摩耗性の改善即ち逃げ面摩耗量は0.001〜0.002mm減少したのに対し、靭性の改善即ち破損率はいずれも5〜15%低下した。
基材として、表18に示す各配合組成のものを用いた以外は、実施例1と同様の手順により表面被覆切削工具を製造した。基材および被膜層の組み合わせを表19に示す。なお、被膜層としては、表1および表6に示す実施例と、表13に示す比較例とのものを適用した。
被削材:SCM415丸棒
切削速度:380m/min
送り:0.36mm/rev.
切込み:2.0mm
切削油:無し
切削時間:7分
(鋳鉄の耐摩耗性試験:切削条件)
被削材:FCD450丸棒
切削速度:320m/min
送り:0.30mm/rev.
切込み:1.0mm
切削油:無し
切削時間:15分
(靭性試験:切削条件)
下記切削条件で切削により20コーナーを切削して破損率を算出し、得られた表面被覆切削工具の靭性を評価した。
切削速度:90m/min
送り:0.46mm/rev.
切込み:2.5mm
切削油:無し
切削時間:0.5分
基材として、表20に示す各配合組成のものを用いた以外は、実施例1と同様の手順により表面被覆切削工具を製造した。基材および被膜層の組み合わせを表21に示す。なお、被膜層としては、表1または表6に示す実施例および表13に示す比較例のものを適用した。また、得られた表面被覆切削工具について、下記条件で切削評価を行なった。結果を表21に示す。
被削材:S35C丸棒
切削速度:280m/min
送り:0.34mm/rev.
切込み:2.0mm
切削油:無し
切削時間:6分
(鋳鉄の耐摩耗性試験:切削条件)
被削材:FC200丸棒
切削速度:450m/min
送り:0.42mm/rev.
切込み:2.0mm
切削油:無し
切削時間:20分
(靭性試験:切削条件)
下記切削条件で切削により20コーナーを切削して破損率を算出し、得られた表面被覆切削工具の靭性を評価した。
切削速度:100m/min
送り:0.44mm/rev.
切込み:2.5mm
切削油:無し
切削時間:0.5分
Claims (17)
- 基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、1層または2層以上の層からなり、化学蒸着法により形成され、
前記被膜のうち少なくとも1層は、AlとZrとを少なくとも含む硬質酸化物被膜層であり、
前記硬質酸化物被膜層は、AlとZrの含有量が前記硬質酸化物被膜層の厚み方向に沿って変化する組成構造を有し、前記変化は、Alの含有量が極大となるAl極大含有点とZrの含有量が極大となるZr極大含有点とを含み、前記Al極大含有点と前記Zr極大含有点とが繰り返し存在し、
前記Al極大含有点におけるAlの含有量比率Al/(Al+Zr)は、原子比で0.9999<Al/(Al+Zr)≦1であり、
前記Zr極大含有点におけるZrの含有量比率Zr/(Al+Zr)は、原子比で0.001≦Zr/(Al+Zr)≦0.2であり、
前記硬質酸化物被膜層は酸化ジルコニウムを含有しない表面被覆切削工具。 - 前記硬質酸化物被膜層は、その厚みが0.05μm以上20μm以下である請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 隣接する前記Al極大含有点と前記Zr極大含有点とが交互に繰り返し存在し、その間隔は0.005μm以上1μm以下である請求項1または2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、周期律表IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、AlおよびSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素、または、該元素と硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選択される少なくとも1種の元素とからなる化合物、からなる被覆層Xを含む請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、Al酸化物層をさらに含み、
前記Al酸化物層は、Al酸化物を含む層であり、前記硬質酸化物被膜層の直下に形成される請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、TiBxNy(x、yは原子%を表し、0.001<x/(x+y)<0.2を満たす)からなるTiBN層をさらに含み、
前記TiBN層は、前記Al酸化物層の直下に形成される請求項5に記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、TiBaNbOc(a、bおよびcは原子%を表し、0.0005<a/(
a+b+c)<0.2、かつ0<c/(a+b+c)<0.5を満たす)からなるTiBNO層をさらに含み、
前記TiBNO層は、前記Al酸化物層の直下に形成される請求項5に記載の表面被覆切削工具。 - 前記Al酸化物は、α−アルミナである請求項5〜7のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記硬質酸化物被膜層の厚みd1と前記Al酸化物層の厚みd2とは、d1/(d1+d2
)>0.05を満たす請求項5〜8のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 - 前記硬質酸化物被膜層と前記Al酸化物層とは、その合計厚みが0.5μm以上20μm以下である請求項5〜9のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記表面被覆切削工具は、刃先稜線部を有し、
前記刃先稜線部において、前記硬質酸化物被膜層、前記Al酸化物層および前記被覆層Xの少なくともいずれかが露出し、
前記刃先稜線部以外の部分は、前記硬質酸化物被膜層が露出する請求項3〜10のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、この被膜を形成する少なくとも1以上の層が圧縮残留応力を有するか、または応力を有さない層である請求項1〜11のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記圧縮残留応力を有するかまたは応力を有さない層は、前記硬質酸化物被膜層および前記Al酸化物層の少なくともいずれかである請求項12に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層Xは、1層以上形成され、少なくとも1層は、MT−CVD法により形成されたTiCNを含有する層である請求項4〜13のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、その最下層としてチタン化合物を含有するチタン化合物層が形成される請求項1〜14のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、その厚みが1μm以上25μm以下である請求項1〜15のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、酸化アルミニウム系セラミックス、および窒化珪素系セラミックスの少なくともいずれかである請求項1〜16のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
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