JP5488823B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
しかし、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金の高速切削においては、切刃表面温度が高温になるため、交互積層構造からなる硬質被覆層内にはその層厚が増大するほど内部応力(歪み)が蓄積されるようになるが、この内部応力(歪み)が切削加工時の高熱によって開放される際に、スキトリ摩耗が進展し易く、寿命が短いという問題点があった。
これに加えて、硬質被覆層中にTiN層からなる単一層からなる単層領域が形成されたことによって、層厚の増大にしたがって複層領域に蓄積された内部応力(歪み)は、単層領域の存在によって緩和されるようになるため、硬質被覆層全体としては、大きな内部応力(歪み)が発生することはなく、その結果として、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金の高速切削において、層間剥離の発生が抑制される。
さらに、硬質被覆層の表面付近に前記単層領域および複層領域よりも厚い(Al,Ti,Si)N層からなる単一層を形成することにより、硬質被覆層に高硬度および耐熱性が付与され、耐スキトリ摩耗性を向上させることができる。
「 工具基体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、
前記硬質被覆層が、1〜50nmの層厚の薄層Aと1〜50nmの層厚の薄層Bとが交互に積層された100〜500nmの層厚の複層領域と100〜500nmの層厚の単一層Aからなる単層領域とを備えるとともに前記複層領域と単層領域との交互積層構造として構成される層厚0.3〜3.0μmの下部層と、
0.3〜1μmの層厚の単一層Bからなる中間層と、
1〜50nmの層厚の薄層Cと1〜50nmの層厚の薄層Dとが交互に積層された100〜500nmの層厚の複層領域と100〜500nmの層厚の単一層Cからなる単層領域とを備えるとともに前記複層領域と単層領域との交互積層構造として構成される層厚0.2〜1.0μの上部層とからなり、かつ、
(a)前記薄層A、薄層C、単一層A、単一層Cは、
Tiの窒化物層からなり、
(b)前記薄層B、薄層D、単一層Bは、
組成式:[Al1−X−YTiXSiY]N
で表した場合、Xは0.15〜0.94、Yは0.01〜0.15(但し、原子比)を満足するAlとTiとSiとの複合窒化物層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
なお、本発明において、スキトリ摩耗とは、マージン部が、加工穴壁面と摩擦することによって生じる、特にドリルにおいて生じる摩耗のことを意味している。
後述する薄層Bまたは薄層D((Al,Ti,Si)N層)と交互に積層されて本発明の硬質被覆層の複層領域を形成するTiN層からなる薄層Aまたは薄層Cは、強度、層間密着性にすぐれることから、薄層Bまたは薄層Dと交互に積層されることにより、薄層Bまたは薄層Dに相対的に不足する特性を補完すると同時に、複合領域の強度を高め、層間密着性を高めるための層である。
前述した薄層Aまたは薄層C(TiN層)と交互に積層されて本発明の硬質被覆層の複層領域を形成する(Al,Ti,Si)N層からなる薄層Bまたは薄層Dは、Si成分によって、すぐれた耐酸化性を有するため、Ni基合金、Co基合金等の高速切削における高温下においても、すぐれた高硬度を維持する。
(Al,Ti,Si)N層からなる薄層Bおよび薄層Dを、
組成式:[Al1−X−YTiXSiY]N
で表した場合、Xは0.15〜0.94、Yは0.01〜0.15(但し、原子比)を満足するAlとTiとSiとの複合窒化物層からなるが、Tiの含有割合を示すXの値(但し、原子比)が、0.15未満であると、前記薄層Bおよび薄層Dの有する高靭性、潤滑性さが不十分となり、一方、Xの値が0.94を超えると、前記薄層Bおよび薄層Dの高耐酸化温度が低下するようになることから、Xの値は、0.15〜0.94(但し、原子比)と定めた。また、Siの含有割合を示すYの値(但し、原子比)が、0.01未満であると、前記薄層Bおよび薄層Dの有する高温硬さが不十分となり、一方、Yの値が0.15を超えると、前記薄層Bおよび薄層Dの高温靭性、高温強度が低下するようになることから、Yの値は、0.01〜0.15(但し、原子比)と定めた。
薄層Aと薄層Bもしくは薄層Cと薄層Dとを交互に積層して構成した複層領域では、それぞれの層が隣接して組成の異なる層を形成することにより、それぞれの層の粒子の成長の粗大化が防止され、粒子の微細化が図られ、膜強度が向上するとともに、この積層構造によってクラックの伝播・進展が防止されることで耐欠損性、耐チッピング性が向上するが、前記薄層A、薄層B、薄層C、薄層Dのそれぞれの層厚が1nm未満では、各薄層を所定組成のものとして明確に形成することが困難であるばかりか、各薄層の有する前述したようなすぐれた特性を発揮することができず、一方、それぞれの層厚が50nmを超えると、粒子の粗大化による膜強度の低下により、耐欠損性、耐チッピング性が低下することから、薄層A、薄層B、薄層C、薄層Dのそれぞれの層厚を、1〜50nmと定めた。
また、薄層Aと薄層Bもしくは薄層Cと薄層Dとを交互に積層した複層領域は、その領域厚みが100nm未満では、薄層Bもしくは薄層Dの備える高硬度を充分発揮して耐摩耗性の向上を図ることができず、一方、その領域厚みが500nmを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、薄層Aと薄層Bもしくは薄層Cと薄層Dとを交互に積層した複層領域の領域厚みは、100〜500nmであることが望ましい。
前記複層領域と交互に積層される単層領域における単一層Aおよび単一層Cの成分・組成は、複層領域における薄層Aおよび薄層Cと同様であり、この単一層が強度、密着性にすぐれることも前記薄層Aおよび薄層Bと同様である。
しかし、この単層領域は、前述したような作用効果に加えて、複層領域において増大蓄積された内部応力(歪み)を、単層領域の存在によって緩和できるという点で大きな技術的な意義があり、また、切削加工時に硬質被覆層に加わった衝撃力を、この単層領域で緩和する作用もある。
したがって、硬質被覆層全体としては、その内部に大きな内部応力(歪み)が形成されることはなく、その結果として、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削において、層間剥離の発生が抑制される。
ただ、単層領域の領域厚さが100nm未満の場合、内部応力の緩和作用、衝撃力の緩和作用が十分期待できず、一方、その厚さが500nmを超えると、硬質被覆層全体として耐酸化性、高温硬さが低下するようになることから、単層領域の領域厚さは、100〜500nmと定めた。
本発明のもっとも特徴的な技術的事項である硬質被覆層の表面近傍に形成される単一層Bの成分・組成は、複層領域における前述した薄層Bおよび薄層Dと同様であり、この単一層が高硬度であり、耐熱性にすぐれることも薄層Bおよび薄層Dと同様である。
しかしながら、この中間層は、前述した単層領域および複層領域よりも厚く形成するとともに、硬質被覆層中の表面付近、すなわち、露出することなく、しかも、工具基体の影響が及びにくい表面から特定の深さに形成することにより、スキトリ摩耗の進展を抑制する作用を発揮する。
ただ、中間層の厚さが0.3μm未満の場合、前記作用が十分期待できず、一方、1.0μmを超えると、硬質被覆層全体として高温靭性、高温強度が低下するようになることから、中間層の厚さは、0.3〜1.0μmと定めた。
中間層は、前述のようにスキトリ摩耗の進展を抑制するという作用を発揮するが、硬質被覆層の表面に露出していると摩耗が進行し易いため好ましくなく、また、基体に近すぎると中間層と基体との熱膨張係数の違いなどから耐剥離性が低下するため好ましくない。
そこで、下部層の厚さは、0.3〜3.0μm、上部層の厚さは、0.2〜1.0μmと定めた。
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、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末およびCo粉末を用意し、これら原料粉末を、表1に示される配合組成に配合し、ボールミルで72時間湿式混合し、乾燥した後、100MPa の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を6Paの真空中、温度:1400℃に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:0.02のホーニング加工を施してISO規格・CNMG120408のチップ形状をもったWC基超硬合金製の工具基体A−1〜A−5を形成した。
[工具基体の装置への装着と前処理]
(a)ついで、前記工具基体A−1〜A−5のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図1に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、一方側のカソード電極(蒸発源)として、TiN層形成用金属Ti、対向する他方側のカソード電極(蒸発源)として、表2に示される目標組成に対応した成分組成をもった(Al,Ti,Si)N層形成用Al−Ti−Si合金を前記回転テーブルを挟んで配置する。
なお、金属Tiからなるカソード電極(蒸発源)は、薄層A、薄層C、単一層A、単一層Cの蒸着形成および工具基体のボンバード洗浄用に用い、Al−Ti−Si合金からなるカソード電極(蒸発源)は、薄層B、薄層D、単一層Bの蒸着形成に用いる。
[工具基体表面のボンバード洗浄工程]
(b)まず、装置内を排気して0.5Pa以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を500℃に加熱した後、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加して、例えば、金属Ti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、もって工具基体表面をボンバード洗浄する。
[硬質皮膜層の下部層の形成]
(c)(単層領域の形成)ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し10Paの反応雰囲気を維持したまま、前記回転テーブル上で6〜48rpmの速度で自転しながら、回転テーブルの回転中心軸の周りに1〜8rpmの速度で回転(公転)する複層領域が形成された工具基体に、−30Vの直流バイアス電圧を印加し、金属Ti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ることによって、前記工具基体の表面に、表2、3に示される目標組成および目標層厚の単層領域を蒸着形成する。
(d)(複層領域の形成)さらに、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して9Paの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で、6〜48rpmの速度で自転しながら、同時に、回転テーブルの回転中心軸の周りに1〜8rpmの速度で回転(公転)する工具基体に−70Vの直流バイアス電圧を印加し、金属Tiカソード電極とアノード電極との間に80Aの電流を流してアーク放電を発生させ、同時に、回転テーブルを挟んで金属Tiカソード電極に相対向して配置したAl−Ti−Si合金カソード電極とアノード電極との間に80Aの電流を流してアーク放電を発生させ、金属Tiカソード電極近傍に位置する工具基体には薄層Aを、また、Al−Ti−Si合金カソード電極近傍に位置する工具基体には薄層Bを蒸着し、ついで、回転テーブルが回転することによって、薄層Aが蒸着された工具基体に対しては薄層Bを蒸着し、薄層Bが蒸着された工具基体に対しては薄層Cを蒸着し、同様にして、薄層Aと薄層Bとを交互に繰り返し蒸着することにより、工具基体の表面に、表2、3に示される目標組成および目標層厚の薄層Aと薄層Bとを交互に積層した複層領域を形成する。
(e)そして、前記(c)、(d)の工程を、表3に示される目標とする硬質被覆層の下部層の層厚になるまで交互に繰り返し行う。
[硬質皮膜層の中間層の形成]
(f)ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して9Paの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で、6〜48rpmの速度で自転しながら、同時に、回転テーブルの回転中心軸の周りに1〜8rpmの速度で回転(公転)する工具基体に−50Vの直流バイアス電圧を印加し、Al−Ti−Si合金カソード電極とアノード電極との間に60Aの電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体の表面に、表2、3に示される目標組成および目標層厚の単一層B(中間層)を形成する。
[硬質皮膜層の上部層の形成]
(g)ついで、前記(c)〜(e)と同様の方法で、表2、3に示される目標組成および目標層厚の薄層Cと薄層Dとを交互に積層した複層領域と、表2、3に示される目標組成および目標層厚の単一層Cからなる単層領域とを、表3に示される目標とする硬質被覆層の上部層の層厚になるまで交互に繰り返して蒸着形成する。
以上の工程により、図2に示されるような、複層領域と単層領域との交互積層構造からなる下部層と上部層とを有するとともに、下部層と上部層との間に(Al,Ti,Si)N層からなる中間層を有する硬質被覆層が蒸着形成されたISO・CNMG120408に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆工具としての本発明被覆チップ1〜10をそれぞれ製造した。
[工具基体表面の前処理]
(h)比較の目的で、これら工具基体A−1〜A−5を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ、図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極(蒸発源)として、それぞれ、表4に示される目標組成に対応した成分組成をもった金属TiおよびAl−Ti−Si合金を装着し、まず、装置内を排気して0.5Pa以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を500℃に加熱した後、前記工具基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記金属Ti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ることによって、前記工具基体表面を金属Tiでボンバード洗浄をする。
[硬質皮膜層の形成]
(i)(複層領域の形成)ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して10Paの反応雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加するバイアス電圧を−50Vに下げて、前記金属Tiのカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させることによって、前記工具基体の表面に、表4に示される目標組成および目標層厚のTiN層を蒸着形成し、ついで、前記Al−Ti−Si合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させることによって、前記工具基体の表面に、表4に示される目標組成および目標層厚の(Al,Ti,Si)N層を蒸着形成し、前記TiN層と(Al,Ti,Si)N層の蒸着形成を交互に繰り返すことにより、表4に示される目標組成および目標層厚の交互積層からなる複層領域を形成する。
(j)(単層領域の形成)ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し10Paの反応雰囲気を維持したまま、前記回転テーブル上で6〜48rpmの速度で自転しながら、回転テーブルの回転中心軸の周りに1〜8rpmの速度で回転(公転)する複層領域が形成された工具基体に、−30Vの直流バイアス電圧を印加し、金属Tiのカソード電極とアノード電極との間に60Aの電流を流してアーク放電を発生させることによって、前記工具基体の表面に、表4に示される目標組成および目標層厚の単層領域を蒸着形成する。
(k)ついで、前記(i)、(j)を、表4に示される目標層厚になるまで交互に繰り返し行うことにより、硬質被覆層を有するISO・CNMG120408に規定するスローアウエイチップ形状の比較被覆工具としての比較被覆チップ1〜10をそれぞれ製造した。
つぎに、前記の各種の被覆チップを、いずれも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、本発明被覆チップ1〜10および比較被覆チップ1〜10について、
被削材:質量%で、Ni−19%Cr−18.5%Fe−5.2%Cd−5%Ta−3%Mo−0.9%Ti−0.5%Al−0.3%Si−0.2%Mn−0.05%Cu−0.04%Cの組成を有するNi基合金の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 40m/min.、
切り込み:4.5mm、
送り: 0.3mm/rev.、
切削時間: 5分、
の条件(切削条件A)でのNi基合金の乾式高速断続切削加工試験(通常の切削速度は、30m/min.)、
被削材:質量%で、Co−23%Cr−6%Mo−2%Ni−1%Fe−0.6%Si−0.4%Cの組成を有するCo基合金の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 35m/min.、
切り込み: 4mm、
送り: 0.35mm/rev.、
切削時間: 5分、
の条件(切削条件B)でのCo基合金の乾式高速断続切削加工試験(通常の切削速度は、25m/min.)、
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。この測定結果を表5に示した。
原料粉末として、平均粒径0.8μmのWC粉末、同2.3μmのCr3C2粉末、同1.5μmのVC粉末および同1.8μmのCo粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表6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セトン中で24時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、100MPaの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、6Paの真空雰囲気中、7℃/分の昇温速度で1370〜1470℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に1時間保持後、炉冷の条件で焼結して、工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが10mm×22mmの寸法、並びにねじれ角45度の4枚刃スクエア形状をもったWC基超硬合金製の工具基体(エンドミル)C−1〜C−4をそれぞれ製造した。
ついで、これらの工具基体(エンドミル)C−1〜C−4の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、前記実施例1と同一の条件で、層厚方向に沿って表7に示される目標組成および目標層厚の、薄層Aと薄層Bとが交互に積層された複層領域および前記薄層Aと同一成分・組成からなる単層領域との交互積層構造からなる硬質被覆層を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被覆エンドミル1〜8をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、前記工具基体(エンドミル)C−1〜C−4の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、前記実施例1と同一の条件で、工具基体(エンドミル)C−1〜C−4の表面に、表8に示される目標組成および目標層厚のTiN層と(Al,Ti,Si)N層との交互積層からなる複層領域とTiN層からなる単層領域とを交互積層することにより形成された硬質被覆層を有する比較被覆工具としての比較被覆エンドミル1〜8をそれぞれ製造した。
つぎに、前記本発明被覆エンドミル1〜8および比較被覆エンドミル1〜8について、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ni−19%Cr−14%Co−4.5%Mo−2.5%Ti−2%Fe−1.2%Al−0.7%Mn−0.4%Siの組成を有するNi基合金の板材、
切削速度: 35m/min.、
溝深さ(切り込み): 0.3 mm、
テーブル送り: 70mm/分、
の条件でのNi基合金の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度および溝深さは、それぞれ、20/min.および0.15mm)、
を行い、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7、8にそれぞれ示した。
前記実施例2で製造した丸棒焼結体を用い、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが8mm×48mmの寸法、並びにねじれ角30度の2枚刃形状をもったWC基超硬合金製の工具基体(ドリル)D−1〜D−4をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、前記工具基体(ドリル)D−1〜D−4の表面に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、前記実施例1と同一の条件で、工具基体(ドリル)D−1〜D−4の表面に、表10に示される目標組成および目標層厚のTiN層と(Al,Ti,Si)N層との交互積層構造からなる複層領域とTiN層からなる単層領域とを交互に積層してなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較被覆工具としての比較被覆ドリル1〜8をそれぞれ製造した。
つぎに、本発明被覆ドリル1〜8および比較被覆ドリル1〜8について、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ni−19%Cr−18.5%Fe−5.2%Cd−5%Ta−3%Mo−0.9%Ti−0.5%Al−0.3%Si−0.2%Mn−0.05%Cu−0.04%Cの組成を有するNi基合金の板材、
切削速度: 25m/min.、
送り: 0.18mm/rev.、
穴深さ: 15mm、
の条件でのNi基合金の湿式高速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、20m/min.および0.10mm/rev.)、
を行い(水溶性切削油使用)、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9、10にそれぞれ示した。
また、本発明被覆ドリル1〜8および比較被覆ドリル1〜8について、上記と同じ被削材を60穴加工した後、マージン部の溝側から二番取り面側への摩耗量を測定することにより、耐スキトリ摩耗性を評価した。その結果を表11に示した。
これに対して、硬質被覆層がTiN層と(Al,Ti,Si)N層との交互積層からなる複合領域とTiN層からなる単層領域との交互積層構造のみで構成された、中間層が存在しない比較被覆工具においては、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金の高速切削加工では、特に耐スキトリ摩耗性が十分でないために、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
Claims (1)
- 工具基体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、
前記硬質被覆層が、1〜50nmの層厚の薄層Aと1〜50nmの層厚の薄層Bとが交互に積層された100〜500nmの層厚の複層領域と100〜500nmの層厚の単一層Aからなる単層領域とを備えるとともに前記複層領域と単層領域との交互積層構造として構成される層厚0.3〜3.0μmの下部層と、
0.3〜1μmの層厚の単一層Bからなる中間層と、
1〜50nmの層厚の薄層Cと1〜50nmの層厚の薄層Dとが交互に積層された100〜500nmの層厚の複層領域と100〜500nmの層厚の単一層Cからなる単層領域とを備えるとともに前記複層領域と単層領域との交互積層構造として構成される層厚0.2〜1.0μの上部層と
からなり、かつ、
(a)前記薄層A、薄層C、単一層A、単一層Cは、
Tiの窒化物層からなり、
(b)前記薄層B、薄層D、単一層Bは、
組成式:[Al1−X−YTiXSiY]N
で表した場合、Xは0.15〜0.94、Yは0.01〜0.15(但し、原子比)を満足するAlとTiとSiとの複合窒化物層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
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