JP5686247B2 - 表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具 - Google Patents
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(a)cBNの含有割合が高い(70vol%以上)cBN基超高圧焼結材料からなるcBN工具基体の表面に、非晶質構造のBN(以下、aBNで示す)層を下部層として形成し、次いで、この上に、TiとBとNの複合化合物(以下、TiBNで示す)層を中間層として形成し、さらにこの上に、TiとAlの複合窒化物(以下、TiAlNで示す)層を上部層として形成したところ、下部層は、cBN工具基体および中間層の双方に対し強固な付着強度を備えるとともに、中間層は、上部層に対して優れた付着強度を有することを見出した。
(b)また、TiAlN層は、耐摩耗性にすぐれているが、耐溶着性に劣る。そのため、逃げ面にコーティングすることは、耐摩耗性の向上に繋がるが、切屑と接触するすくい面、ホーニング面では溶着が起こり、膜の剥離や摩耗が大きく、チッピング、欠損の原因となる。そこで、すくい面、ホーニング面に耐溶着性にすぐれたTiBN層を露出させることによって、溶着が起こりにくく、耐クレータ摩耗性が向上し、また、逃げ面には、耐摩耗性にすぐれたTiAlN層を上部層として残すことで、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を示し、安定した切削性能を発揮する。すなわち、すくい面、ホーニング面の上部層であるTiAlN層を除去して中間層のTiBN層を露出させることにより、TiBN層のもつすぐれた潤滑性、耐溶着性が発揮され、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工および断続切削加工を行なった場合においても、溶着が起こりにくく、耐クレータ摩耗性が向上し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を示し、安定した切削性能を発揮するものである。
「(1) 立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料を母材とする工具本体のすくい面と逃げ面との交差稜線部にホーニングを施した切刃部が形成されているとともに、前記工具本体の表面に、該工具本体側から順に下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
(a)前記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の立方晶窒化ほう素の含有量が70容量%以上であり、
(b)前記下部層は、平均層厚0.1〜0.3μmの非晶質BN層、
(c)前記中間層は、平均層厚0.1〜0.3μmのTiとBとNの複合化合物層、
(d)前記上部層は、平均層厚1.0〜2.0μmのTiとAlの複合窒化物層、であるとともに、
(e)前記工具基体のすくい面とホーニング面は、前記上部層が除去されることにより中間層が主として露出していることを特徴とする表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。
(2) 前記中間層は、
組成式:Ti0.33(1−X)B0.67(1−X)NX
で表した場合、Xの値(但し、原子比)が0.05〜0.5を満足する組成割合のTiとBとNの複合化合物層であり、また、
前記上部層は、
組成式:(Ti1−YAlY)N層
で表した場合、Yの値(但し、原子比)が0.4〜0.65を満足する組成割合のTiとAlの複合窒化物層である(1)に記載の表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。」
を特徴とするものである。
超高圧焼結材料製工具基体中の窒化ほう素(cBN)は、きわめて硬質で、焼結材料中で分散相を形成し、そしてこの分散相によって耐摩耗性の向上を図ることができる。
下部層(非晶質のBN層(aBN層)):
下部層は、cBN工具基体および中間層(TiBN層)の双方に対し強固な付着強度を有するが、下部層の平均層厚が0.1μm未満では、付着強度向上効果が十分でなく、一方、その平均層厚が0.3μmを超えると耐摩耗性が劣るからであるから、平均層厚は0.1〜0.3μmと定めた。
中間層(TiBN層):
中間層は、TiとBとNの複合化合物層から構成するが、中間層の平均層厚が0.1μm未満では、付着強度向上効果が十分でなく、一方、その平均層厚が0.3μmを超えると、耐摩耗性が低下傾向を示し、長期の使用に亘って満足できる工具特性を発揮することができなくなることから、平均層厚は0.1〜0.3μmと定めた。
組成式:Ti0.33(1−X)B0.67(1−X)NX
で表した場合、Xの値(但し、原子比)が0.05〜0.5を満足する組成割合であるときに、下部層と上部層に対して、一段と優れた付着強度を示す。
上部層(TiAlN層):
TiAlN層からなる上部層は、すぐれた高温強度、高温硬さ、耐熱性および耐高温酸化性を具備する層であるが、該上部層を、
組成式:(Ti1−YAlY)N層
で表した場合、Yの値(但し、原子比)が0.4〜0.65を満足する組成割合であるときに、最も好ましい特性を発揮する。
前記cBN工具基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、前記装置内に自転公転自在に支持装着し、
(a)まず、装置内を真空排気して0.5Pa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、Arガスを導入し、1.5PaのArガス雰囲気とし、cBN工具基体1に−100Vの直流バイアス電圧を印加して、前記cBN工具基体をArガスボンバード洗浄し、
(b)ついで、前記装置内に、ArとN2との混合ガス(Ar/N2=50%)を導入し、作動圧を3.3Paになるように制御し、前記回転テーブル上で自転しながら回転するcBN工具基体側に−20Vの直流バイアス電圧を印加し、h−BN焼結体ターゲット側に500Wの13.56MHzの周波数の高周波を印加することにより、cBN工具基体の上に表2に示される目標膜厚のaBN層(下部層)を形成し、
(c)ついで、前記装置内をArとN2との混合ガス(Ar/N2=50%)雰囲気に維持し、かつ、作動圧を3.3Pa,500℃に維持したまま、前記回転テーブル上で自転しながら回転するcBN工具基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加して、TiB2焼結体のターゲットに直流電源を用いてスパッタを行うことにより、前記aBN層(下部層)の表面に表2に示される目標層厚、所定組成のTiBN層からなる中間層(TiBN層)を形成し、
(d)ついで、装置内を500℃とした状態で、cBN工具基体に−15〜−25Vの直流バイアス電圧を印加して、Ti−Al合金カソード電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させ、前記中間層(TiBN層)の表面に表3に示される目標層厚、所定組成のTiAlN層からなる上部層を形成することにより、
ISO規格TNGA160408に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆cBN基焼結工具1〜6を作製した。
(e)さらに、図2の断面図に示すように、スローアウエイチップ形状の本発明被覆cBN基焼結工具のすくい面とホーニング面の上部層をウエットブラスト処理により、中間層を露出させる。ウエットブラスト処理は、噴射研磨材を含有した液体(一般には水)である研磨液を被処理物に噴射して研磨を行なうものであり、弾性砥石やブラシを用いた機械加工はもとより、乾式のブラスト処理と比べても、液体が被処理物との間で噴射研磨材の運動エネルギーを減衰させるため、加工エネルギーの比較的弱いソフトな加工となる。このため、本発明のような最外層の除去に用いることにより、露出されられた中間層表面への研磨傷の発生も少なく抑えることができ、例えば、算術平均粗さRaで0.1μm以下の表面粗さの平滑なすくい面およびホーニング面を形成することができる。
《切削条件1》
被削材:FCD700、
切削速度: 350 m/min、
送り: 0.2 mm/rev、
切込み: 0.15 mm、
切削時間: 15 分
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式・高速連続切削加工試験。逃げ面摩耗量が0.5mmに達するまでの切削時間を工具の寿命とする。(通常の切削条件は、切削速度:250m/min、切り込み:0.2mm、送り:0.15mm/rev)、
《切削条件2》
被削材: 0.5C−1.5Cu−4Ni−0.5Mo−残Fe
切削速度: 190 m/min、
送り: 0.15 mm/rev、
切込み: 0.2 mm、
切削時間: 15 分
の条件での焼結合金の湿式・断続切削加工試験。刃先が欠損するまでの切削時間を工具寿命とする。(通常の切削条件は、切削速度:150mm/min、切り込み:0.1mm、送り:0.15mm/rev)。
Claims (2)
- 立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料を母材とする工具本体のすくい面と逃げ面との交差稜線部にホーニングを施した切刃部が形成されているとともに、前記工具本体の表面に、該工具本体側から順に下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
(a)前記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の立方晶窒化ほう素の含有量が70容量%以上であり、
(b)前記下部層は、平均層厚0.1〜0.3μmの非晶質BN層、
(c)前記中間層は、平均層厚0.1〜0.3μmのTiとBとNの複合化合物層、
(d)前記上部層は、平均層厚1.0〜2.0μmのTiとAlの複合窒化物層、であるとともに、
(e)前記工具基体のすくい面とホーニング面は、前記上部層が除去されることにより中間層が主として露出していることを特徴とする表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。 - 前記中間層は、
組成式:Ti0.33(1−X)B0.67(1−X)NX
で表した場合、Xの値(但し、原子比)が0.05〜0.5を満足する組成割合のTiとBとNの複合化合物層であり、また、
前記上部層は、
組成式:(Ti1−YAlY)N層
で表した場合、Yの値(但し、原子比)が0.4〜0.65を満足する組成割合のTiとAlの複合窒化物層である請求項1に記載の表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。
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