JP5168552B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具 Download PDFInfo
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Description
さらに、上記の被覆工具が、例えば図3に概略説明図で示される物理蒸着装置の1種であるアークイオンプレーティング装置に上記の工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば500℃に加熱した状態で、Ti−Si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90A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およびメタンガスを導入して、例えば2Paの反応雰囲気とし、一方前記工具基体には、たとえば−100Vのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、(Ti,Si)(C,N)層を蒸着形成することにより製造されることも知られている。
(a)上記の従来被覆工具は、例えば図3に概略説明図で示される物理蒸着装置の1種であるアークイオンプレーティング(AIP)装置に上記の工具基体を装着し、
装置内加熱温度:300〜500℃、
超硬基体に印加する直流バイアス電圧:−50〜−300V、
カソード電極:Ti−Si合金、
上記カソード電極とアノード電極間のアーク放電電流:60〜100A、
装置内ガス流量:窒素(N2)ガス 300〜500sccm
メタンガス 50〜300sccm
装置内ガス圧力:1.3〜4Pa、
の条件(以下、通常条件という)で、硬質被覆層として(Ti,Si)(C, N )層を形成することにより製造される。
しかし、前記硬質被覆層の形成を、例えば図2に概略説明図で示される物理蒸着装置の1種である圧力勾配型Arプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に上記の工具基体を装着し、
工具基体温度: 550〜600 ℃、
蒸発源: 金属Ti−Si合金、
プラズマガン放電電力: 18〜25 kW、
装置内ガス流量: 窒素(N2)ガス 10〜20 sccm,メタン(CH4)ガス 1〜10 sccm、
装置内ガス圧力: 0.05〜0.2 Pa、
工具基体に印加する直流バイアス電圧: −30〜−50 V
の条件で蒸着を行うと、この結果形成された(Ti,Si)(C,N)層[以下、改質(Ti,Si)(C,N)層という]は、前記従来(Ti,Si)(C, N )層に比し、高切り込み、高送りという厳しい切削条件の重切削加工において、すぐれた耐欠損性を示すこと。
さらに、前記表面研磨面の法線方向に対して0〜15度の範囲内に、結晶方位<100>が存在する結晶粒の面積割合、また、結晶粒界の角度分布における小角粒界の割合は、基体の温度、バイアス電圧、窒素ガス流量、メタンガス流量によって変化すること。
基体の温度:550〜600 ℃
バイアス電圧: −30〜−50 V
窒素ガス流量: 10〜20 sccm
メタンガス流量: 1〜10 sccm
のように調整すると、表面研磨面の法線に対して0〜15度の範囲内に結晶方位<100>が存在する結晶粒の面積割合が結晶粒全面積の50%以上を占め、また、結晶粒界の角度分布において、0<θ≦15°の割合が全粒界の50%以上を占めるという結晶配列を示すようになり、このような結晶配列を示す改質(Ti,Si)(C,N)層を硬質被覆層として形成してなる被覆工具は、重切削加工において長期に亘ってすぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮するようになること。
「 超硬合金、サーメットあるいは立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる切削工具基体の表面に、1〜10μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Ti1−X SiX )(C1−Y NY )
で表した場合、Xは0.01〜0.3、Yは0.40〜0.96(ただし、X、Yはいずれも原子比を示す)を満足するTiとSiの炭窒化物層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記TiとSiの炭窒化物層について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を解析した場合、
(a)表面研磨面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶方位<100>がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、法線方向に対して0〜55度の範囲内にある測定傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計したとき、0〜15度の範囲内の傾斜角区分に結晶方位<100>が存在する結晶粒の面積割合が結晶粒全面積の50%以上である結晶配向を示し、
(b)結晶粒界を構成する隣り合う結晶粒同士のなす角を測定した場合、前記なす角が0度を超え15度以下である小角粒界の割合が全粒界の50%以上を示し、
上記(a)、(b)を同時に満たすTiとSiの炭窒化物層からなる硬質被覆層を、圧力勾配型Arプラズマガンを利用したイオンプレーティングで蒸着形成したことを特徴とする表面被覆切削工具(被覆工具)。」
また、硬質被覆層の平均層厚が1μm未満では、所望の耐摩耗性を確保するのに不十分であり、一方その平均層厚が10μmを越えると、皮膜の剥離やチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を1〜10μmと定めた。
基体の温度: 550〜600 ℃
バイアス電圧: −30〜−50 V
窒素ガス流量: 10〜20 sccm
メタンガス流量: 1〜10 sccm
とすることによって、改質(Ti,Si)(C,N)層の表面研磨面の法線に対して0〜15度の範囲内に結晶方位<100>が存在する結晶粒の面積割合が結晶粒全面積の50%以上を占め、また、結晶粒界の角度分布において、0°<θ≦15°の割合が全粒界の50%以上を占めるという結晶配列を示す改質(Ti,Si)(C,N)層を得られる、という結論に達した。したがって、法線に対して0〜15度の範囲内に結晶方位<100>が存在する結晶粒の面積割合が50%未満、あるいは、結晶粒界の角度分布において、0°<θ≦15°の割合が全粒界の50%未満となった場合には、(Ti,Si)(C,N)層に前記の結晶配列を付与することはできず、その結果、被覆工具にすぐれた耐欠損性を期待することはできない。
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: 235 m/min.、
切り込み: 1.5 mm、
送り: 0.24 mm/rev.、
切削時間: 3 分、
の条件(切削条件A1という)での合金鋼の乾式高速断続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、150m/min、1.2mm、0.18mm/rev.)、
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: 285 m/min.、
切り込み: 1.5 mm、
送り: 0.23 mm/rev.、
切削時間: 3 分、
の条件(切削条件A2という)での炭素鋼の乾式高速断続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、150m/min、1.2mm、0.18mm/rev.)、
被削材:JIS・SUS304の丸棒、
切削速度: 245 m/min.、
切り込み: 2.0 mm、
送り: 0.24 mm/rev.、
切削時間: 8 分、
の条件(切削条件A3という)でのステンレス鋼の乾式高速連続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、180m/min、1.2mm、0.15mm/rev.)、
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
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: 265 m/min.、
切り込み: 1.4 mm、
送り: 0.18 mm/rev.、
切削時間: 3 分、
の条件(切削条件A4という)での合金鋼の乾式高速断続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、180m/min、1.0mm、0.10mm/rev.)、
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: 315 m/min.、
切り込み: 1.4 mm、
送り: 0.15 mm/rev.、
切削時間: 3 分、
の条件(切削条件A5という)での炭素鋼の乾式高速断続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、200m/min、1.0mm、0.12mm/rev.)、
被削材:JIS・SUS304の丸棒、
切削速度: 285 m/min.、
切り込み: 1.4 mm、
送り: 0.19 mm/rev.、
切削時間: 6 分、
の条件(切削条件A6という)でのステンレス鋼の乾式高速連続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、200m/min、1.0mm、0.12mm/rev.)、
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削加工試験A1〜A6の測定結果を表5に示した。
[切削条件B1]
被削材:JIS・SCM415の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 225 m/min.、
切り込み: 0.18 mm、
送り: 0.16 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件での合金鋼の焼入れ材の乾式高速断続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、150 m/min、0.1mm、0.1mm/rev.)、
[切削条件B2]
被削材:JIS・SCr420の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 190 m/min.、
切り込み: 0.18 mm、
送り: 0.21 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件でのクロム鋼の焼入れ材の乾式高速断続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、150 m/min、0.1mm、0.1mm/rev.)、
[切削条件B3]
被削材:JIS・SKD61の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 185 m/min.、
切り込み: 0.22 mm、
送り: 0.2 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件でのダイス鋼の焼入れ材の乾式高速断続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、120 m/min、0.15mm、0.1mm/rev.)、
[切削条件C1]
被削材:JIS・SCr420の丸棒、
切削速度: 265 m/min.、
切り込み: 0.22 mm、
送り: 0.15 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件でのクロム鋼の焼入れ材の乾式高速連続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、200 m/min、0.2mm、0.1mm/rev.)、
[切削条件C2]
被削材:JIS・SUJ2の丸棒、
切削速度: 215 m/min.、
切り込み: 0.2 mm、
送り: 0.22 mm/rev.、
切削時間: 6 分、
の条件での軸受鋼の焼入れ材の乾式高速連続重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、150 m/min、0.15mm、0.15mm/rev.)、
[切削条件C3]
被削材:JIS・SKD61の丸棒、
切削速度: 225 m/min.、
切り込み: 0.22 mm、
送り: 0.21 mm/rev.、
切削時間: 6 分、
の条件でのダイス鋼の焼入れ材の乾式高速連続高速重切削加工試験(通常の切削速度、切り込み及び送りは、それぞれ、140 m/min、0.2mm、0.1mm/rev.)、
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅(mm)を測定した。この測定結果を表9に示した。
本発明被覆エンドミル1〜3および比較被覆エンドミル1〜3については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD61の板材、
切削速度: 132 m/min.、
溝深さ(切り込み): 1.5 mm、
テーブル送り: 1300 mm/min.、
の条件でのダイス鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験(通常の切削速度、切り込みおよび送りは、それぞれ、55m/min、2.0mm、330mm/min.)、
本発明被覆エンドミル4〜6および比較被覆エンドミル4〜6については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUS304の板材、
切削速度: 120 m/min.、
溝深さ(切り込み): 7.0 mm、
テーブル送り: 900 mm/min.、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験(通常の切削速度、切り込みおよび送りは、それぞれ、90m/min、4.0mm、270mm/min.)、
本発明被覆エンドミル7,8および比較被覆エンドミル7,8については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SNCM439の板材、
切削速度: 210 m/min.、
溝深さ(切り込み): 10 mm、
テーブル送り: 1150 mm/min.、
の条件での合金鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験(通常の切削速度、切り込みおよび送りは、それぞれ、120m/min、8mm、360mm/min.)、
をそれぞれ行い、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。この測定結果を表11にそれぞれ示した。
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SS400の板材、
切削速度: 115 m/min.、
送り: 0.24 mm/rev.、
穴深さ: 6 mm
の条件でのダイス鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、40m/min、0.15mm/rev.)、
本発明被覆ドリル4〜6および比較被覆ドリル4〜6については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUS316の板材、
切削速度: 55 m/min.、
送り: 0.13 mm/rev.、
穴深さ: 12 mm
の条件でのステンレス鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、40m/min、0.08mm/rev.)、
本発明被覆ドリル7,8および比較被覆ドリル7,8については、
被削材:平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SCMnH2の板材、
切削速度: 75 m/min.、
送り: 0.16 mm/rev、
穴深さ: 20 mm
の条件での高マンガン鋳鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、40m/min、0.08mm/rev.)、
をそれぞれ行い、いずれの湿式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。この測定結果を表12に示した。
また、これらの本発明被覆工具および比較被覆工具の改質(Ti,Si)(C,N)層および比較(Ti,Si)(C,N)層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標値と実質的に同じ平均層厚(5点測定の平均値)を示した。
また、図5には、比較被覆工具7の比較(Ti,Si)(C,N)層の結晶粒界の角度分布を示す。
上記図4と図5との比較からも明らかなように、改質(Ti,Si)(C,N)層では(100)面の高配向性と小角粒界比率の高い結晶組織を示すのに対して、比較(Ti,Si)(C,N)層では、結晶粒界性格において、特段の特徴あるものとなっていない結晶組織を有していることが明らかである。
Claims (1)
- 超硬合金、サーメットあるいは立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる切削工具基体の表面に、1〜10μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Ti1−X SiX )(C1−Y NY )
で表した場合、Xは0.01〜0.3、Yは0.40〜0.96(ただし、X、Yはいずれも原子比を示す)を満足するTiとSiの炭窒化物層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記TiとSiの炭窒化物層について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を解析した場合、
(a)表面研磨面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶方位<100>がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、法線方向に対して0〜55度の範囲内にある測定傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計したとき、0〜15度の範囲内の傾斜角区分に結晶方位<100>が存在する結晶粒の面積割合が結晶粒全面積の50%以上である結晶配向を示し、
(b)結晶粒界を構成する隣り合う結晶粒同士のなす角を測定した場合、前記なす角が0度を超え15度以下である小角粒界の割合が全粒界の50%以上を示し、
上記(a)、(b)を同時に満たすTiとSiの炭窒化物層からなる硬質被覆層を、圧力勾配型Arプラズマガンを利用したイオンプレーティングで蒸着形成したことを特徴とする表面被覆切削工具。
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JP2008085900A JP5168552B2 (ja) | 2008-03-28 | 2008-03-28 | 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具 |
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