JP5261018B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
被覆層を形成することは困難であった。
また、上記被覆層を構成する物理蒸着層の少なくとも1層がTiを含むことが好ましい。
また、上記基材は、超硬合金であって、超硬合金は、WCの結晶粒を含み、結晶粒の平均粒径は、0.3μm以上2.5μm以下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る被覆層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、たとえばドリル、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等として極めて有用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なく使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえば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。
ため、切削工具として優れた耐剥離性を実現できる。このようなWCの結晶粒の平均粒径は、走査型電子顕微鏡や結晶方位解析装置を用いて基材表面(被覆層との界面領域)中の所定の長さを有する任意の線分(この線分は基材表面に平行な位置関係を有するものとする)上に存在するWCの結晶粒の個数を測定することにより、その所定長さ中に存在するWCの結晶粒の長さをその個数で除することによって求めるものとする。その測定される線分の所定長さは、2〜100μm程度とすることが好ましく、より好ましくは5〜50μm程度とするのが好適である。誤差を排除し、基材全体の数値を代表するのに十分なものであると考えられるからである。
本発明の表面被覆切削工具の基材上に形成される被覆層は、1以上の物理蒸着層を含むものである。すなわち、被覆層は、単一組成の1層の物理蒸着層のみから構成されていてもよいし、少なくとも1層の組成が異なる2以上の物理蒸着層によって構成されていてもよい。なお、本発明の被覆層は、基材上の全面を被覆する態様のみに限られるものではなく、部分的に被覆層が形成されていない態様をも含む。
本発明の表面被覆切削工具の被覆層は、少なくとも1層以上の物理蒸着層を有している。ここで、物理蒸着層とは、PVD(物理蒸着)法により形成される被膜のことをいう。本発明で用いられるPVD法としては、従来公知のPVD法を特に限定することなく用いることができる。このようなPVD法としては、たとえばバランストマグネトロンスパッタリング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法、アークイオンプレーティング法、蒸着法等を挙げることができる。特に、PVD法としては、アークイオンプレーティング法、バランストマグネトロンスパッタリング法またはアンバランストマグネトロンスパッタリング法を採用することが好ましい。
性などの優れた特性を発揮するため好ましい。
たとえば、物理蒸着層がTiNにCrおよびVの少なくとも一方を添加した(Ti,Cr,V)N膜からなる場合には、摺動性に優れる傾向にある。また、物理蒸着層がTiNにSiおよびAlの少なくとも一方を添加した(Ti,Si,Al)N膜からなる場合には、耐酸化性と耐摩耗性に優れる傾向にある。また、物理蒸着層がTiNにHfを添加した(Ti,Hf)N膜からなる場合には、耐摩耗性と耐溶着性に優れる傾向にある。また、物理蒸着層がTiNにWを添加した(Ti,W)N膜からなる場合には、耐アブレシブ
摩耗に優れる傾向にある。また、物理蒸着層がTiNにZr、TaおよびMoの少なくとも1種を添加した(Ti,Zr,Ta,Mo)N膜からなる場合には、耐摩耗性に優れるとともに、高温での潤滑性にも優れる傾向にある。また、物理蒸着層がTiNにNbを添加した(Ti,Nb)N膜からなる場合には、高温での潤滑性に特に優れる傾向にある。また、物理蒸着層が10原子%未満のNbを添加した(Ti,Nb)N膜からなる場合には、耐溶着性に加えて、耐摩耗性も向上する傾向にある。
本発明においては、物理蒸着層のミクロな結晶性を高めることにより、大幅に被覆層の耐摩耗性を向上させて高耐摩耗性の表面被覆切削工具を得ている。このような表面被覆切削工具は高能率で高速な切削加工を可能とし、高硬度な被削材や高強度な被削材の切削加工において工具寿命を大幅に延長することができる。
まず、表面被覆切削工具の基材として、以下の表1に示す材質と工具形状を有する旋削加工用刃先交換型チップ基材を用意した。
上記のガスをチャンバー内に導入した後にチャンバー内の圧力を10Paとし、上記の蒸発源を放電させることにより行なった。ここで、スパッタ電力は20kWとし、パルスDC電圧のパルス周波数を100kHzとし、ON時間を1ミリ秒とし、OFF時間を9ミリ秒とした。
実施例15:−40VのDC電圧
実施例16:−35VのDC電圧
実施例17:ON時間の電圧が−35Vでそれ以外は上記と同一の条件のパルスDC電圧実施例18:ON時間の電圧が−40Vでそれ以外は実施例17と同一の条件のパルスDC電圧
また、アークイオンプレーティング法による実施例26〜32の第1層はバイアス電圧を−55VのDC電圧として形成し、アークイオンプレーティング法による実施例26〜32の第2層はバイアス電圧を変更して形成した(実施例26:−20VのDC電圧、実施例27:−25VのDC電圧、実施例28:−30VのDC電圧、実施例29:−35VのDC電圧、実施例30:−40VのDC電圧、実施例31:−50VのDC電圧、実施例32:−55VのDC電圧)。さらに、アンバランストマグネトロンスパッタリング法による実施例26〜32の第3層はパルスDC電圧のON時間の電圧を−40Vで一定にする一方でOFF時間の電圧を以下のように変更して形成した。
実施例26:OFF時間の電圧が+60V
実施例27:OFF時間の電圧が+50V
実施例28:OFF時間の電圧が+40V
実施例29:OFF時間の電圧が+30V
実施例30:OFF時間の電圧が+20V
実施例31:OFF時間の電圧が+10V
実施例32:OFF時間の電圧が+5V
表2に、上記のようにして作製された実施例1〜45および比較例1〜6の旋削加工用刃先交換型チップの被覆層の構成を示す。
実施例1〜32および比較例1〜4の超硬合金からなる基材を用いた旋削加工用刃先交換型チップについては、以下の条件により旋削耐摩耗性試験と一部断続のある旋削耐欠損性試験を行なった。その結果を表4に示す。
(実施例1〜32および比較例1〜4の旋削耐摩耗性試験)
被削材:SCM435丸棒
切削速度:270m/min
切込み:2.0mm
送り:0.3mm/rev.
旋削方式:乾式
(実施例1〜32および比較例1〜4の一部断続のある旋削耐欠損性試験)
被削材:SCM435 4本溝入り丸棒(HB270)
切削速度:100m/min
切込み:1.0mm
送り:0.32mm/rev.
旋削方式:乾式
表4に示すように、実施例1〜32の旋削加工用刃先交換型チップは、比較例1〜4の旋削加工用刃先交換型チップと比較して、旋削耐摩耗性試験における工具寿命が長くなっているため、耐摩耗性に優れることが確認された。
実施例33〜40および比較例5のサーメットからなる基材を用いた旋削加工用刃先交換型チップについては、以下の条件により旋削耐摩耗性試験と一部断続のある旋削耐欠損性試験を行なった。その結果を表4に示す。
(実施例33〜40および比較例5の旋削耐摩耗性試験)
被削材:SCM435丸棒
切削速度:180m/min
切込み:1.5mm
送り:0.25mm/rev.
旋削方式:乾式
(実施例33〜40および比較例5の一部断続のある旋削耐欠損性試験)
被削材:SCM435 4本溝入り丸棒(HB270)
切削速度:100m/min
切込み:1.0mm
送り:0.15mm/rev.
旋削方式:乾式
表4に示すように、実施例33〜40の旋削加工用刃先交換型チップは、比較例5の旋削加工用刃先交換型チップと比較して、旋削耐摩耗性試験および一部断続のある旋削耐欠損性試験における工具寿命が長くなっているため、耐摩耗性および耐欠損性(靭性)に優れることが確認された。
実施例41〜45および比較例6のcBN焼結体からなる基材を用いた旋削加工用刃先交換型チップについては、以下の条件により旋削耐摩耗性試験と一部断続のある旋削耐欠損性試験を行なった。その結果を表4に示す。
(実施例41〜45および比較例6の旋削耐摩耗性試験)
被削材:硬度HRC63の焼入鋼(SUJ2材)の丸棒
切削速度:150m/min
切込み:0.2mm
送り:0.1mm/rev.
旋削方式:乾式
(実施例41〜45および比較例6の一部断続のある旋削耐欠損性試験)
被削材:外周6箇所にV字状の溝を有する浸炭焼き入れした硬度HRC60のSCM−415材
切削速度:150m/min
切込み:0.2mm
送り:0.1mm/rev.
旋削方式:乾式
表4に示すように、実施例41〜45の旋削加工用刃先交換型チップは、比較例6の旋削加工用刃先交換型チップと比較して、旋削耐摩耗性試験および一部断続のある旋削耐欠損性試験における工具寿命が長くなっているため、耐摩耗性および耐欠損性(靭性)に優れることが確認された。
り、上記の表2〜表4の1〜45の表記はそれぞれ実施例1〜実施例45を示している。
Claims (9)
- 基材と、該基材上に形成される被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、厚さが2nm以上20nm以下の互いに組成が異なる2種以上の物理蒸着層が繰り返し積層された超多層膜を含み、
前記表面被覆切削工具の少なくとも刃先部における前記被覆層の厚さが17μm以上50μm以下であって、
前記物理蒸着層はそれぞれ、IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、B、SiおよびAlからなる群から選択された少なくとも1種の元素のホウ化物、窒化物、炭化物、酸化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物からなり、
前記物理蒸着層の各層のX線回折法によるX線回折ピークの最大の回折強度の和Icと、前記基材のX線回折法によるX線回折ピークの最大の回折強度Isubとの比Ic/Isubが1以上100以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記Ic/Isubが10以上90以下であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記物理蒸着層の結晶構造が立方晶型であり、
前記物理蒸着層の前記最大の回折強度を有するX線回折ピークが、(111)面、(200)面、(220)面または(311)面に対応するピークであることを特徴とする請求項1または2に記載の表面被覆切削工具。 - 前記物理蒸着層の前記最大の回折強度を有する前記X線回折ピークが(200)面に対応するピークであることを特徴とする請求項3に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層全体の残留応力が+1Gpa〜−1Gpaであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層を構成する前記物理蒸着層の少なくとも1層がTiを含む化合物からなることを特徴とする請求項1〜5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、サーメットまたはcBN焼結体であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金であって、
前記超硬合金は、WCの結晶粒を含み、
前記結晶粒の平均粒径は、0.3μm以上2.5μm以下であることを特徴とする請求項1〜7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、旋削用に用いられることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
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