JP7025693B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
そして、被覆工具の切削性能改善を目的として、従来から、数多くの提案がなされている。
また、特許文献2には、基材と、基材上に形成される耐摩耗層と、この耐摩耗層上に形成される最表層とを有する被覆切削工具において、前記最表層は、Al窒化物からなる六方晶の結晶構造を持ち、Alの一部を、置換元素の合計含有量が原子比で0.01~0.15となるように置換(ただし、置換元素は、B、CrおよびTiからなる)した被覆工具が提案され、この被覆工具によれば、クロムモリブデン鋼(SCM440)、合金工具鋼(SKD11)の切削加工において、耐摩耗性、耐欠損性、耐チッピング性に優れるとされている。
前記特許文献1~3で提案されている従来被覆工具においては、これを、炭素鋼や合金鋼などの通常の切削条件での切削加工に用いた場合には、特段の問題は生じないが、Ti基合金、ステンレス鋼等の難削材の断続切削加工に用いた場合には、切削初期段階の低温領域における潤滑性に劣るばかりか、切削加工時の発熱によって被削材および切粉は高温に加熱されて粘性が増大し、これに伴って、被覆工具の硬質被覆層表面に対する溶着性が一段と増すようになり、その結果、切刃部における溶着、チッピングの発生が急激に増加し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体あるいは高速度工具鋼等からなる工具基体の表面に、AlとTiとCrとBの複合窒化物(以下、「(Al,Ti,Cr,B)N」で示す)層からなる硬質被覆層を設けた前記被覆工具は、高温硬さと耐酸化性を備えることから耐摩耗性にすぐれる被覆工具としてよく知られている(前記特許文献1~3参照)。
そして、本発明者らは、前記(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層を被覆した被覆工具において、切削加工時の硬質被覆層の潤滑性を高め、被削材と硬質被覆層とが潤滑膜を介して接触するようにすることで、熱伝導率が低く、工具材料との化学親和性の高い被削材であるTi基合金、ステンレス鋼等の難削材への切削工具としての適用性を高めることができ、その結果、Ti基合金、ステンレス鋼等の難削材の断続切削加工において、溶着、チッピング等の発生を防止することができるとともに、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を得られることを見出した。
このように、切削加工時の硬質被覆層表面に、Znの液化あるいはマグネリ相の生成・液化によって、低温から高温までの幅広い温度領域において、硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。
「(1)炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、0.5~10μmの平均層厚を有するAlとTiとCrとBとWとZnの複合窒化物層であり、
前記複合窒化物層を、
組成式:(AlaTibCr(1-(a+b+c+d+e))BcWdZne)N
で表したとき、0.40≦a≦0.85、0.05≦b≦0.30、0.005≦c≦0.100、0<d≦0.100、0.005≦e≦0.050(ただし、a、b、c、d、eは、いずれも原子比を示す)を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
(2)前記組成式:(AlaTibCr(1-(a+b+c+d+e))BcWdZne)NにおけるAlの含有割合aは、0.55≦a≦0.68を満足することを特徴とする前記(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。
本発明の硬質被覆層は、AlとTiとCrとBとWとZnの複合窒化物(以下、「(Al,Ti,Cr,B,W,Zn)N」で示す場合がある)層であるが、(Al,Ti,Cr,B,W,Zn)N層の平均層厚が0.5μm未満の場合には、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が10μmを超えると、チッピング、欠損等の異常損傷を発生する恐れがあるので、(Al,Ti,Cr,B,W,Zn)N層の平均層厚は、0.5~10μmとすることが望ましい。
(Al,Ti,Cr,B,W,Zn)N層を構成する成分の組成を、
組成式:(AlaTibCr(1-(a+b+c+d+e))BcWdZne)N
で表したとき、0.40≦a≦0.85、0.05≦b≦0.30、0.005≦c≦0.100、0<d≦0.100、0.005≦e≦0.050(ただし、a、b、c、d、eは、いずれも原子比を示す)を満足することが必要であるが、これは次の理由による。
しかし、Al成分の含有割合aが0.40未満の場合、あるいは、Ti成分の含有割合bが0.30を超える場合には、Alの含有割合が少なくなり過ぎて、所望のすぐれた高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、一方、Al成分の含有割合aが0.85を超える場合、あるいは、Ti成分の含有割合bが0.05未満の場合には、Ti成分、Cr成分が少なくなりすぎることにより高温強度が低下し、切刃にチッピング(微小欠け)などが発生し易くなるとともに、六方晶構造の相が生成され高温硬さも低下することから、Al成分の含有割合aは、0.40≦a≦0.85、Ti成分の含有割合bは0.05≦b≦0.30と定める。
なお、耐溶着性、耐チッピング性を維持しつつ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するためには、Al成分の含有割合aは、0.55≦a≦0.68を満足することが好ましい。
B成分の酸化物およびW成分の酸化物は、それぞれ異なる温度で液化し(酸化硼素は約450℃、酸化タングステンは約680℃でそれぞれ液化する)、また、約550℃以上でWの酸化物は潤滑性を有するマグネリ相を生成し、さらに、Zn成分は約411℃という低温で液化するため、硬質被覆層の構成成分として、B成分、Zn成分およびW成分を含有することによって、切削加工に際して、低温から高温までの幅広い温度領域において、硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。
ただ、B成分の含有割合cが0.005未満では、十分な酸化物が形成されず、また、Zn成分の含有割合eが0.005未満では十分な液化が生じないため、潤滑性向上効果が十分ではない。
一方、B成分の含有割合cが0.100を超える場合には、脆化するため、チッピングが発生しやすくなり、また、Zn成分の含有割合eが0.050を超える場合には、被膜が脆化するため、チッピングが発生しやすくなる。
よって、B成分の含有割合c及びZn成分の含有割合eは、それぞれ、0.005≦c≦0.100、0.005≦e≦0.050とする。
ただ、W成分の含有割合dが0.100を超えると、硬質被覆層の硬さは低下し、耐摩耗性が低下することから、W成分の含有割合dは、0<d≦0.100(好ましくは、0.005≦d≦0.100)とする。
(a)まず、炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体または高速度工具鋼のいずれかで構成された工具基体を洗浄・乾燥した状態で、AIP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する。
(b)装置内を排気して10-2Pa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、0.5~2.0PaのArガス雰囲気に設定し、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-200~-1000Vの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによって5~30分間ボンバード処理する。
(c)ついで、装置内を10-2Pa以下の真空に保持しながら、また、ヒーターで装置内を、620℃~650℃の温度に維持する。次いで、装置内に配置した所定組成のAl-Ti-Cr-B-W-Zn合金からなるカソード電極(蒸発源)とアノード電極の間に、例えば、電流:100Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば、4Paの反応雰囲気とし、一方、前記工具基体には、例えば、-100Vのバイアス電圧を印加した条件で蒸着することにより、前記工具基体の表面に、目標組成、目標平均層厚の(Al,Ti,Cr,B,W,Zn)N層を形成する。
上記工程(a)~(c)により、本発明の被覆工具を作製することができる。
以下の実施例では、本発明の被覆工具をフライス加工で使用した場合について説明するが、旋削加工、ドリル加工等で用いることを何ら排除するものではない。
また、工具基体としては、WC基超硬合金を用いた場合について説明するが、TiCN基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体、高速度工具鋼を工具基体として用いた場合であっても同様の効果が得られる。
(b)まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒーターで工具基体を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、工具基体表面をアルゴンイオンによって5~30分間ボンバード洗浄し、
(c)ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表2に示す窒素圧とし、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の温度を表2に示す温度範囲内に維持するとともに表2に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Al-Ti-Cr-B-W-Zn合金ターゲットとアノード電極との間に表2に示すアーク電流を流してアーク放電を発生させて(Al,Ti,Cr,B,W,Zn)N層を蒸着形成することにより、表3に示す硬質被覆層を備えた本発明被覆工具(以下、本発明工具という)1~7を作製した。
即ち、本発明工具1~7の(Al,Ti,Cr,B,W,Zn)N層について、工具基体表面と平行方向に20μmの観察範囲において、上部層縦断面に対して0.01μm以下の空間分解能の元素マッピングを行い、被覆した(Al,Ti,Cr,B,W,Zn)N層の組成を測定した。
さらに、(Al,Ti,Cr,B,W,Zn)N層の平均層厚を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて測定した。
表3に、これらの測定値をそれぞれ示す。
また、参考のために、前記特許文献1に示される成分組成を満足する硬質被覆層(具体的には、(Al,Ti,Cr,B)N層)を有する従来被覆工具1(以下、従来工具1という)及び前記特許文献3に示される成分組成を満足する硬質被覆層(具体的には、(Al,Ti,Cr,B,W)N層)を有する従来被覆工具2(以下、従来工具2という)を表4に示す条件のアークイオンプレーティング法で作製した。
また、従来工具1、2についても、硬質被覆層の組成分析、平均層厚の測定を行った。
表5に、これらの値をそれぞれ示す。
切削試験:湿式正面フライス、センターカット切削加工、
被削材:JIS・Ti-6Al-4V合金(60種) ブロック材
幅60mm、長さ250mm、
カッタ径:85mm、
切削速度:69m/min.、
切り込み:3mm、
送り:0.3mm/rev.、
切削時間:13分、
表6に、前記切削試験の結果をそれぞれ示す。
これに対して、比較工具1~7及び従来工具1、2は、硬質被覆層の潤滑性が十分でないため、溶着、チッピング発生によって、工具寿命が短命であった。
特に、従来工具1、2は、切削初期段階で切削抵抗が増加し、欠損が発生したため、短時間で寿命に至った。
Claims (2)
- 炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、0.5~10μmの平均層厚を有するAlとTiとCrとBとWとZnの複合窒化物層であり、
前記複合窒化物層を、
組成式:(AlaTibCr(1-(a+b+c+d+e))BcWdZne)N
で表したとき、0.40≦a≦0.85、0.05≦b≦0.30、0.005≦c≦0.100、0<d≦0.100、0.005≦e≦0.050(ただし、a、b、c、d、eは、いずれも原子比を示す)を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記組成式:(AlaTibCr(1-(a+b+c+d+e))BcWdZne)NにおけるAlの含有割合aは、0.55≦a≦0.68を満足す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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