JP5407432B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
また、工具基体の表面に、Al成分を必須とし、これにCr、Si、Moを所定量含有する複合窒化物層を硬質被覆層として形成することにより高速切削性能の改善を試みた被覆工具も提案されている(特許文献4)。
そして、本発明者等は、硬質被覆層が、CrとAlの複合窒化物((Cr,Al)N)の単層で構成されていた上記の従来被覆工具において、(Cr,Al)N層を下部層とし、この上に、CrとSiとWの複合窒化物(以下、(Cr,Si,W)Nで示す)層を上部層として構成すると、切削加工時の高熱発生により、硬質被覆層の構成成分であるSi,Wは層表面で酸化されて、シリコン酸化物及びタングステン酸化物の形態で層表面に存在するようになり、そして、上記シリコン酸化物及びタングステン酸化物がすぐれた潤滑性を有するために切削時の切屑流れが改善され、切粉の溶着、剥離等を原因とした欠損の発生が抑えられ、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能が発揮されるようになること、特に、ドリルの硬質被覆層を、(Cr,Al)N層からなる下部層と、(Cr,Si,W)N層からなる上部層とで形成した場合には、ドリルのフルート溝などで切屑排出性が良好となるため、ウエット切削は勿論のこと、ドライ切削においてもすぐれた切削性能が発揮されるようになること、
を見出したのである。
「 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、
(a)下部層として、0.5〜5μmの平均層厚を有し、
組成式:(Cr1−XAlX )N
で表した場合、Xは0.4〜0.7(ただし、Xは原子比を示す)を満足するCrとAlの複合窒化物層、
(b)上部層として、0.5〜5μmの平均層厚を有し、
組成式:(Cr1−Y―Z SiYWZ) N
で表した場合、Yは0.05〜0.3、Zは0.3〜0.5(ただし、Y、Zは原子比を示す)を満足するCrとSiとWの複合窒化物層、
上記(a)、(b)からなる硬質被覆層を蒸着形成し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。
さらに、Si成分及びW成分は、いずれも切削加工時の高熱により硬質被覆層の層表面において潤滑性にすぐれたシリコン酸化物、タングステン酸化物として存在し、これら酸化物の存在によって切屑流れが改善され、切粉の溶着、剥離等を原因とする欠損の発生が抑えられる。
上部層の構成成分であるSi成分の含有割合(Y値)が0.05未満では所望の耐熱性向上効果を期待することはできず、一方その含有割合(Y値)が0.3を越えると、Si原子による格子ひずみが大きくなりすぎて、所望の高温強度が得られなくなることから、Y値を原子比で0.05〜0.3と定めた。また、同じく上部層の構成成分であるW成分の含有割合(Z値)が0.2未満では所望の潤滑性向上効果を期待することはできず、一方その含有割合(Z値)が0.5を越えると、相対的なCr成分の含有割合の減少により、所望の高温強度が得られなくなることから、Z値を原子比で0.2〜0.5の範囲内とする必要があるが、この発明では、Z値を原子比で0.3〜0.5と定めた。
さらに、切削加工時の高温により、上部層の表面にはクロム酸化物、タングステン酸化物、シリコン酸化物が形成され、特に、上部層の表層に緻密かつ潤滑性にすぐれたシリコン酸化物が形成されるが、所望の潤滑性を得るためには、Si成分の含有割合(Y値)及びW成分の含有割合(Z値)を、それぞれ、0.05〜0.3及び0.2〜0.5とすることが必要であり、この範囲から外れたような場合には、潤滑性、切屑排出性が低下し、高送り、高切込みの重切削加工において、耐折損性、耐摩耗性が低下するようになる。
また、上部層の平均層厚が0.5μm未満では、長期の使用に亘って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5μm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0.5〜5μmと定めた。
基体の温度: 450〜600 ℃
バイアス電圧: −30〜−70 V
窒素分圧: 2〜4 Pa
という蒸着条件によって蒸着形成することができる。
まず、前記Cr−Al合金からなるカソード電極とアノード電極との間に100Aの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記工具基体の表面に、表3に示される目標組成および目標層厚の(Cr,Al)N層を下部層として蒸着形成し、
ついで、前記Cr−Si−W合金からなるカソード電極とアノード電極との間に100Aの電流を流してアーク放電を発生させ、もって下部層の表面に、表3に示される目標組成および目標層厚の(Cr,Si,W)N層を上部層として蒸着形成することにより、本発明被覆工具としての本発明表面被覆インサート(以下、本発明被覆インサートと云う)1〜14をそれぞれ製造した。
被削材:JIS・S10Cの丸棒、
切削速度: 135 m/min.、
切り込み: 3.5 mm、
送り: 0.12 mm/rev.、
切削時間: 50 分、
の条件(切削条件Aという)での炭素鋼の乾式連続重切削加工試験、
また、上記本発明被覆インサート9〜14および比較被覆インサート9〜14について、これを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・S15Cの丸棒、
切削速度: 145 m/min.、
切り込み: 3.5 mm、
送り: 0.14 mm/rev.、
切削時間: 50 分、
の条件(切削条件Bという)での炭素鋼の乾式連続重切削加工試験
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件A,Bによる切削加工試験の測定結果を表5に示した。
まず、前記Cr−Al合金からなるカソード電極とアノード電極との間に100Aの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記工具基体の表面に、表7に示される目標組成および目標層厚の(Cr,Al)N層を下部層として蒸着形成し、
ついで、前記Cr−Si−W合金からなるカソード電極とアノード電極との間に100Aの電流を流してアーク放電を発生させ、もって下部層の表面に、表7に示される目標組成および目標層厚の(Cr,Si,W)N層を上部層として蒸着形成することにより、本発明被覆工具としての本発明表面被覆cBN基インサート(以下、本発明被覆インサートと云う)21〜28をそれぞれ製造した。
[切削条件C]
被削材:JIS・SUJ2(高周波焼入れ材)の丸棒、
切削速度: 120 m/min.、
切り込み: 0.4 mm、
送り: 0.14 mm/rev.、
切削時間: 10 分、
の条件での焼入れ鋼の乾式連続重切削加工試験、
を行い、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・S45Cの板材、
切削速度: 150 m/min.、
溝深さ(切り込み): 3.5 mm、
テーブル送り: 500 mm/min.、
の条件での炭素鋼の乾式溝切削加工試験、
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・SUS316の板材、
切削速度: 50 m/min.、
溝深さ(切り込み): 5.0 mm、
テーブル送り: 450 mm/min.、
の条件でのステンレス鋼の乾式溝切削加工試験、
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・SUS304の板材、
切削速度: 48 m/min.、
溝深さ(切り込み): 10 mm、
テーブル送り: 320 mm/min.、
の条件でのステンレス鋼の乾式溝切削加工試験、
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: 70 m/min.、
送り: 0.15 mm/rev.、
穴深さ: 12 mm
の条件での軟鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
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: 38 m/min.、
送り: 0.08 mm/rev.、
穴深さ: 16 mm
の条件でのステンレス鋼の乾式穴あけ切削加工試験、
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: 40 m/min.、
送り: 0.12 mm/rev、
穴深さ: 20 mm
の条件での高マンガン鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの穴あけ切削加工試験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の(Cr,Al)N層、(Cr,Si,W)N層および比較被覆工具の(Cr,Al)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。
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、
(a)下部層として、0.5〜5μmの平均層厚を有し、
組成式:(Cr1−XAlX )N
で表した場合、Xは0.4〜0.7(ただし、Xは原子比を示す)を満足するCrとAlの複合窒化物層、
(b)上部層として、0.5〜5μmの平均層厚を有し、
組成式:(Cr1−Y―Z SiYWZ) N
で表した場合、Yは0.05〜0.3、Zは0.3〜0.5(ただし、Y、Zは原子比を示す)を満足するCrとSiとWの複合窒化物層、
上記(a)、(b)からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具。
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