JP5995091B2 - 付着強度と耐チッピング性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
(b)工具基体表面に所定の凹凸を形成させた上に、蒸着初期には所定のエネルギー状態で微粒硬質被覆層を形成させると、主として高結晶性の硬質被覆層が形成されるが、窪み部にのみ選択的に低結晶領域が形成され、蒸着後期には初期よりも高い、所定のエネルギー状態で微粒硬質被覆層を形成させると、全体が高結晶性の硬質被覆層が形成される。
(c)窪み部に形成された低結晶領域は、付着力、耐衝撃性の向上に寄与し、突出部に形成された高結晶領域は、耐摩耗性の向上に寄与する。
(d)前述した工具基体表面の凹凸は、ボンバードプロセスによって形成することができる。
「(1) 炭化タングステン基超硬合金焼結体からなる工具基体の表面に、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、組成式:(AlxTi1−x)N(x=0.5〜0.7)(但し、xは原子比)の成分系からなる平均層厚0.5〜7.0μmの複合窒化物層を少なくとも含み、
前記複合窒化物層を断面方向から観察した場合に、粒子幅が10nm以上の結晶粒が50面積%以上存在し、且つ、工具基体の界面の平均界面を示す線分よりも工具基体側に凹んだ深さ100nm以上、幅50nm以上の窪み部が存在するとともに該窪み部において前記工具基体の平均界面を中心にして高さ200nm×窪みの幅で規定される複合窒化物領域が、硬質被覆層領域の面積に対して粒子幅10nm以上の結晶粒の存在割合が5面積%以下である低結晶質領域であることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 前記工具基体の界面の平均界面を示す線分よりも複合窒化物層側に突出している前記平均界面からの高さ100nm以上、幅50nm以上の突出部が存在するとともに該突出部において前記工具基体の平均界面から高さ200nm×突出部の幅で規定される領域中のうち複合窒化物領域が、前記結晶粒の存在割合が60面積%以上である高結晶質領域であることを特徴とする(1)に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
なお、本発明における平均界面とは、複合窒化物層と工具基体を断面から観察した場合に界面付近に存在する1つの直線であって、観察像上で、硬質被覆層と工具基体が接する曲線がこの線より複合窒化物層側に突出している部分の面積と、この面より凹んでいる部分の面積が等しくなるような面を意味している。
本発明の表面被覆切削工具の硬質被覆層は、炭化タングステン基超硬合金焼結体からなる工具基体の表面に蒸着形成された(AlxTi1−x)N(x=0.5〜0.7)(但し、xは原子比)の成分系からなる平均層厚0.5〜7.0μmの複合窒化物層を少なくとも含んでいる。
前述のような複合窒化物層において、粒子幅が10nm以上の微細結晶粒が存在しているとき、皮膜の硬度が向上し、複合窒化物層の耐摩耗性が向上する。しかしながら、微粒結晶粒の存在割合が50面積%未満であると、微粒結晶粒の皮膜の硬度向上に対する寄与度が十分でないためこのましくない。そのため微細結晶粒の存在割合は50面積%以上と定めた。
ここで、本発明における粒子幅とは、結晶粒の面積と同じ面積をもつ真円の直径をいう。
本発明における硬質被覆層は、工具基体へ前処理として行うボンバード工程を、圧力勾配型プラズマガンにより形成した活性の高いTiおよびArの混合プラズマ中で処理することによって工具基体に窪み部を設け、更にその後の皮膜の形成条件のうち、蒸着初期10分間の形成条件を、例えば、−30〜−20Vのバイアス電圧と300度の工具基体温度という条件のもとで形成することにより、皮膜の結晶化がされづらくなり、結果としてその窪み部にのみ粒子幅が10nm以上の結晶粒の存在割合が5面積%以下の低結晶質領域を形成することが出来る。その結果、窪み部に発生しやすい引っ張りの熱応力を緩和することが出来、工具として用いた場合に、すぐれた付着強度と耐チッピング性を発揮する。本発明においては、通常、引張応力が集中する原因になりがちな工具基体表面の窪み部上に、低結晶質領域を選択的に形成させるという新規な着想により、付着強度と耐チッピング性を向上させることに成功した。なお、窪み部に存在する粒子幅が10nm以上の結晶粒の存在割合が5面積%を超えると、窪み部に発生する引っ張りの熱応力の緩和が十分になされないため、好ましくない。
本発明における硬質被覆層は、前記の構成に加えて、工具基体に突出部を設け、−30Vのバイアス電圧と300度の工具基体温度という条件のもとで形成することにより、窪み部には低結晶質領域を形成したまま、その突出部に粒子幅が10nm以上の結晶粒の存在割合が60面積%以上の高結晶質領域を選択的に形成させることができ、その結果、耐摩耗性を一層向上させることが出来る。しかしながら、粒子幅が10nm以上の結晶粒の存在割合が60面積%未満では、結晶性が十分でなく、耐摩耗性を一層向上させるという効果が十分に発揮されないため好ましくない。
本発明における硬質被覆層は、前記の構成に加えて、TiN、(Ti,Al)N、Ti(C,N)、(Al,Cr)N、CrNからなる1層または2層以上の上部層を形成することにより、切削初期での耐酸化性を向上させるとともに、被削材に対する耐溶着性も向上し、切削における更なる長寿命化を図ることが出来る。
さらに、前記構成に加えて、工具基体の界面に平均界面を示す線分よりも複合窒化物層側に突出している平均界面からの高さ100nm以上、幅50nm以上の突出部が存在するとともに該突出部において工具基体の平均界面から高さ200nm×突出部の幅で規定される領域中のうち複合窒化物領域が、粒子幅10nm以上の結晶粒の存在割合が60面積%以上である高結晶質領域であることにより、耐摩耗性が飛躍的に向上する。
しかも、前述のように工具基体表面に窪み部と突出部が存在していることにより、いわゆるアンカー効果と呼ばれる作用が奏され、工具基体表面の凹凸と複合窒化物層の凹凸がうまく噛み合い、くさびのように働くことと、両者の接触面積が増加することの相乗効果により、工具基体と複合窒化物層との付着効果が向上する。
工具基体温度:400〜430℃、
蒸発源1:金属Ti、
蒸発源1に対するプラズマガン放電電力:10kW、
アシストプラズマガン放電電力:2kW、
放電ガス流量割合:アルゴン(Ar)ガス 35vol%、
工具基体に印加するバイアス電圧:1kV、
処理時間:15min.、
工具基体温度:380〜430℃、
蒸発源1:金属Ti、
蒸発源1に対するプラズマガン放電電力:8〜9kW、
蒸発源2:金属Al、
蒸発源2に対するプラズマガン放電電力:9〜11kW、
反応ガス流量割合:窒素(N2)ガス 80vol%
放電ガス流量割合:アルゴン(Ar)ガス 20vol%、
蒸着初期10分間に工具基体に印加するバイアス電圧:−30〜−20V、
という表2に示される形成条件のもと10分間蒸着形成を行い、続いて
工具基体温度:380〜430℃、
蒸発源1:金属Ti、
蒸発源1に対するプラズマガン放電電力:8〜9kW、
蒸発源2:金属Al、
蒸発源2に対するプラズマガン放電電力:9〜11kW、
反応ガス流量割合:窒素(N2)ガス 80vol%
放電ガス流量割合:アルゴン(Ar)ガス 20vol%、
蒸着初期10分以降に工具基体に印加するバイアス電圧:−90V、
蒸着時間:40〜280min.、
という表2に示される形成条件のもと表3に示される所定の目標層厚および組成を有するTiとAlの複合窒化物層の形成を行い、本発明表面被覆切削工具としての本発明インサート1〜8をそれぞれ製造した。
工具基体温度:380〜430℃、
蒸発源1:金属Ti、
蒸発源1に対するプラズマガン放電電力:8〜9kW、
蒸発源2:金属Al、
蒸発源2に対するプラズマガン放電電力:9〜11kW、
反応ガス導入口1および2の反応ガス流量割合:窒素(N2)ガス 100vol%
プラズマガン用放電ガスの流量割合:アルゴン(Ar)ガス 35vol%、
蒸着初期10分間に工具基体に印加するバイアス電圧:−90V〜−30V、
蒸着初期10分以降に工具基体に印加するバイアス電圧:−90V〜−30V、
という表4に示される形成条件のもと表5に示される所定の目標層厚および組成を有するTiとAlの複合窒化物層の形成を行い、比較表面被覆切削工具としての比較インサート1〜8をそれぞれ製造した。
被削材:JIS・SCM440の長さ方向等間隔8本縦溝入り丸棒、
切削速度: 220 m/min.、
切り込み: 1.5mm、
送り: 0.25 mm/rev.、
切削時間: 4分、
の条件(切削条件A)での合金鋼の乾式断続高速切削加工試験(通常の切削速度は、200m/min.)、
被削材:JIS・S45Cの長さ方向等間隔8本縦溝入り丸棒、
切削速度: 220m/min.、
切り込み: 1.5mm、
送り: 0.15mm/rev.、
切削時間: 5分、
の条件(切削条件B)での炭素鋼の乾式断続高速切削加工試験(通常の切削速度は、220m/min.)、
被削材:JIS・SCM415の長さ方向等間隔6本縦溝入り丸棒
切削速度: 230m/min.、
切り込み: 1.5mm、
送り: 0.25mm/rev.、
切削時間: 5分、
の条件(切削条件C)での合金鋼の乾式断続高速切削加工試験(通常の切削速度は、200m/min.)を行い、いずれの断続旋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6に示した。
高さ:層厚の2倍相当 × 幅:50μm × 厚さ:100nm
の薄片に加工した後、透過型電子顕微鏡を用いて、観察加速電圧200kVの条件のもと、本発明インサート1〜12および比較インサート1〜12の複合窒化物層を観測し、さらに、直径が複合窒化物層の層厚相当の電子線を複合窒化物層に照射してエネルギー分散型分光分析装置を用いて、複合窒化物層の組成を求めたところ、その組成が表3、5に示す目標組成と実質的に同じ組成を有していることを確認した。
また、本発明工具のより応用的な実施例として、表3に示すように、硬質被覆層の上部に、(Al,Ti)N、(Al,Cr)N、Ti(C,N)といった耐摩耗性にすぐれる硬質膜、あるいは、TiNやCrNなどの潤滑性にすぐれる膜を被覆しても、剥離、欠損、チッピングを発生することなくすぐれた工具特性を長期に亘って発揮することが明らかである。
Claims (2)
- 炭化タングステン基超硬合金焼結体からなる工具基体の表面に、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、組成式:(AlxTi1−x)N(x=0.5〜0.7)(但し:xは原子比)の成分系からなる平均層厚0.5〜7.0μmの複合窒化物層を少なくとも含み、
前記複合窒化物層を断面方向から観察した場合に、粒子幅が10nm以上の結晶粒が層全体の平均値で50面積%以上存在し、且つ、前記工具基体の界面の平均界面を示す線分よりも工具基体側に凹んだ深さ50nm以上、幅50nm以上の窪み部が存在するとともに該窪み部において前記工具基体の平均界面を中心にして高さ200nm×窪みの幅で規定される領域中の硬質被覆層領域の面積に対して、粒子幅10nm以上の結晶粒の存在割合が5面積%以下である低結晶質領域であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記工具基体の界面の平均界面を示す線分よりも複合窒化物層側に突出している前記平均界面からの高さ100nm以上、幅50nm以上の突出部が存在するとともに該突出部において前記工具基体の平均界面から高さ200nm×突出部の幅で規定される領域中の硬質被覆層領域の面積に対して、前記結晶粒の存在割合が60面積%以上である高結晶質領域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。
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