JPH11131216A - 被覆硬質工具 - Google Patents
被覆硬質工具Info
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- JPH11131216A JPH11131216A JP31281797A JP31281797A JPH11131216A JP H11131216 A JPH11131216 A JP H11131216A JP 31281797 A JP31281797 A JP 31281797A JP 31281797 A JP31281797 A JP 31281797A JP H11131216 A JPH11131216 A JP H11131216A
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Abstract
覆した工具において、皮膜の密着性を改善し、かつ、耐
酸化性の向上を計った工具を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 Ti、Al及び第三成分からなる化合物
を被覆した工具において、該TiAl及び第三成分の化
合物皮膜のX線回折における(200)面の回折強度を
I(200)、(111)面の回折強度をI(111)
とした場合にI(200)/I(111)の比が2以下
であり、第三成分はSi、Zr、Hf、Y、Nb、N
d、Crの1種もしくは2種以上であり、かつ基体と該
TiAlと第三成分の化合物皮膜の間に2nmから10
00nmの厚さを有するTi、TiAl若しくはTiA
lと第三成分よりなる金属合金層を介在させる。
Description
優れ、その結果、優れた耐摩耗性を有する被覆硬質合金
に関する。
的、かつ、一般的であったが、近年、TiにAlを含有
させ、耐摩耗性・耐酸化性を向上させる研究がなされ、
特開平8−267306号公報には、Alの添加効果を
認める事例も種々存在する。しかしながら、これらの事
例は皮膜にAlを添加することにより、皮膜の耐酸化
性、耐摩耗性といった皮膜そのものの改善が行われたに
すぎない。また、TiAlN皮膜の密着性を改善する方
法として、同号公報にみられるように、TiN皮膜を下
地に用いることも提案されているが、十分な密着性を得
るには至っていないのが現状である。
率化する傾向が強く、切削速度ならびに切削送りは増加
する傾向にある。このような場合工具寿命を支配する因
子としては、皮膜の耐摩耗性、耐酸化性よりも皮膜の密
着性が極めて重要なものとなる。前記Alを添加した皮
膜は一般に残留圧縮応力が高く、その結果皮膜の密着性
が十分満足されるものでなく、この様な高能率な切削加
工においては、しばしば皮膜が剥離し工具の寿命、信頼
性を損なう結果となっている。さらに、高速切削におい
てはさらに皮膜の耐酸化性を向上せしめる必要があるが
いまだ十分な効果は認められていない。従って、この様
な高能率切削においても、長寿命でかつ安定した切削を
実現するためには、皮膜の密着性をさらに高める必要が
ある。一方、密着性を向上させるために、密着性を劣化
させる根本原因である皮膜の残留圧縮応力そのものを低
減させる研究もなされてはいるが、いまだ十分な効果を
みるに至っていないのが現状である。
性を改善すべく鋭意研究を重ねた結果、Alを含有する
高い圧縮応力を有する硬質皮膜の下に軟らかい金属の皮
膜を介在させることにより、Alを含有する硬質皮膜の
高い圧縮応力は吸収緩和され、結果硬質皮膜の密着性を
著しく改善できる知見を得るに至った。耐酸化性の向上
に対しては第三成分を添加することが有効である。
皮膜と基体硬質合金の界面にこの圧縮応力に起因する高
い剪断応力が作用し、この剪断応力が皮膜の密着性を損
なう要因であり、これを緩和、もしくは除去することが
皮膜の密着性を向上させる結果となることを示唆するも
のである。つまり、高い圧縮応力を有する皮膜と基体硬
質合金の間に比較的軟らかい層を介在させることによ
り、この比較的軟らかい皮膜が高い圧縮応力に起因して
界面に発生する剪断応力を吸収、緩和したものと考えら
れる。また、前述したように、Tiの窒化物等を介在さ
せる事例もあるが、本発明者らの研究によれば、Tiの
金属層を用いた場合、より応力の緩和に対して効果的で
ある。金属層は吸収エネルギーが高くまたヤング率が低
いため転位が移動し易く皮膜の応力緩和に対しより効果
的を発揮するものと考えられる。一方、Alを含有させ
たTiの窒化物等を用いた方が密着性の向上に対しては
より優れた効果を発揮することが認められた。これは、
基体硬質合金の表面に空気中に置いておいたときに必ず
形成される僅かな酸化層が存在すると皮膜の密着性は著
しく劣化するが、下地として形成される皮膜中にAlが
少量存在することによりコーティング開始時に、この酸
化層を還元するテルミット反応が起き酸化層を除去し皮
膜の密着性を著しく改善する結果をもたらす。これはA
lの酸化物は生成自由エネルギーが低く極めて形成され
やすいため基体表面の酸化層の酸素とAlのイオンが反
応して皮膜内に酸化物を形成し、基体表面の酸化層を除
去する原理に基ずくものである。
グ条件に強く依存する。一般にイオンのエネルギーが低
い条件下のコーティングにおいては、皮膜の残留圧縮応
力は低い結果となり、反対にイオンのエネルギーが高い
条件下のコーティングにおいては、皮膜の残留圧縮応力
は高くなる。イオンのエネルギーを決定するのは主に基
体に付与するバイアス電圧と真空度である。本発明者ら
の研究によれば皮膜は残留応力が高い場合には皮膜の硬
さが高くまたX線回折において皮膜は(111)に配向
する傾向にある。近年、超硬合金エンドミルは高硬度材
を高速で切削する場合に用いられる傾向にあり、このよ
うな切削においては、刃先が高温になるため、より一層
の耐摩耗性が要求され、皮膜の硬度は高くなければなら
ない。また酸化が発生するため、このような切削条件下
では、より一層皮膜の耐酸化性が要求される。
三成分の添加を試みた結果Si、Hf、Y、Zr、C
r、Nb、Ndにおいてこれら第三成分はTiAlNの
皮膜の結晶粒界に偏析し粒界での酸素の拡散を抑制する
ことが明らかになり、皮膜の耐酸化性が著しく向上する
結果となった。
においては、Alの含有率は5%を下まわると、Alの
添加効果が認められず皮膜の耐摩耗性並びに耐酸化性は
向上せず、75%を越えて含有させるとAlNとしての
特性に近ずき硬さが低下し皮膜の耐摩耗性を損なう結果
となるため、Ti/Al比は95/5から25/75と
した。I(200)/I(111)の比は2以上の場合
は皮膜は残留圧縮応力が低く、硬度がビッカース硬度で
3000を下まわり、刃先が高温になる高硬度材の切削
においては、十分な耐摩耗性を発揮できないため、2以
下とした。また、この介在させる金属層の厚さは2nm
以下であると応力緩和つまり皮膜の密着性の改善に効果
がなく、1000nmを越えると金属層内ですべりが発
生し皮膜が容易に剥離する結果となるため、2nmから
1000nmとした。
超硬合金製のエンドミルを用いて、小型アークイオンプ
レーティング装置を用い表1に示す条件において、本発
明例のコーティングは3元系の金属ターゲット(金属元
素はTi、Alに加え、Si、Hf、Y、Nb、Nd、
Zrの元素を添加して製作したターゲットを用いた。)
を使用して本発明例1〜8を製作した。比較例9〜12
はTi又はTiAlのターゲットを用いてコーティング
を行い被覆超硬合金製のエンドミルを製作した。また、
合金金属層のコーティングにおいては、窒素ガスの導入
を止めて行った。
削テストを行い、折損するまで切削を行った。折損が発
生した時点の切削長を表1に併記した。 エンドミル φ8mm 6枚刃 被削材 SKD11 HRC 60 切削速度 20m/min 送り 0.06mm/刃 切り込み 12mm x 0.8mm 切削方式 乾式切削(Dry)
では、金属層又は合金金属層を介在させているため皮膜
が良く密着しているため高硬度材の切削でも皮膜の剥離
が少なく、長い距離切削ができ、また皮膜を(200)
に配向させているため耐摩耗性も十分で安定な切削が実
現出来た。また第三元素を添加することにより耐酸化性
を向上させしめたのでより耐摩耗性を向上させることが
出来たものである。
合金製エンドミルに本発明例13〜20と比較例21〜
24のコーティングを行い、以下の切削諸元にて切削を
行い50m切削後の摩耗量を求めた。本実施例では皮膜
の厚さを2.0μmに統一した。 エンドミル 2枚刃 Φ10mm 被削材 S50C HRC12 切削速度 100m/min 送り 0.1mm/刃 切り込み 10mmx1mm 切削方式 乾式(Dry)切削 表2に摩耗量を併記する。
金属層を介在させ、かつ、皮膜が(200)に配向して
いる本発明例では、被覆エンドミルは皮膜の密着性が良
好で高速高送りでも極めて安定した切削を実現するもの
である。また、高速高送りでは刃先温度が高くなる傾向
にあり、耐酸化性の効果が発揮され、長寿命な皮膜が得
られた。
硬合金製ドリル(刃径Φ6mm)に本発明例25〜2
9、並びに比較例31〜32に示すコーティングを行
い、以下に示した切削諸元により試験を行った。 被削材 SCM440 切削速度 70m/min 送り 0.1mm/rev 穴深さ 15mm 切削方式 湿式(Wet) 本実施例においても、皮膜の膜厚は3.0μとした。 表3に3000穴加工後の刃先の摩耗量を併記する。
連続的な切削を含む工具では、金属層又は合金金属層を
介在させて良く密着し、耐摩耗性を有すると共に耐酸化
性に優れる元素を添加したものがより有効であった。
か表せないため、各種第三成分の添加効果を、第三成分
を含む皮膜を先の実施例同様にコーティングし、900
℃、大気中で1時間酸化させた。その時に形成した酸化
層の厚さを断面観察にて測定した。その結果を表4に示
す。
される厚さで現した。酸化が膜の内部まで進行すると酸
化により体積膨張が生じ膜は剥がれるか、切削により持
ち去られてしまう。そのため酸化を表面近傍のみに食い
止められれば表面は酸化物となるが内部は緻密な膜が維
持されているため、工具としては十分な機能を有するも
のとなる。特に、Y、Si、Nbでその効果が顕著であ
った。
体−皮膜間に金属又は合金金属層を設け、皮膜に残留す
る応力を低減することにより、フライス切削、エンドミ
ル、ドリル等で作用する食い付き時の衝撃にも十分な密
着性を保つことができ、皮膜本来の耐摩耗性を発揮する
ことができ、また、その皮膜は配向性をI(200)/
I(111)比を2以下に制御し、それに第三成分を添
加することにより、衝撃に耐え、こすり摩耗に優れた耐
摩耗性を発揮するとともに耐酸化性に優れた皮膜とする
ことができた。
Claims (2)
- 【請求項1】 Ti/Alの原子比率が95/5から2
5/75のTiとAl及び第三成分からなる窒化物、炭
窒化物、炭窒酸化物、窒硼化物、炭窒硼化物の単層もし
くは二種以上を多層に被覆した被覆硬質工具において、
該TiAl及び第三成分の化合物皮膜のX線回折におけ
る(200)面の回折強度をI(200)、(111)
面の回折強度をI(111)とした場合にI(200)
/I(111)の比が2以下であり、第三成分はSi、
Zr、Hf、Y、Nb、Nd、Crの1種もしくは2種
以上であり、かつ基体と該TiAlと第三成分の化合物
皮膜の間に2nmから1000nmの厚さを有するT
i、TiAl若しくはTiAlと第三成分よりなる金属
合金層を介在させたことを特徴とする被覆硬質工具。 - 【請求項2】 請求項1記載の被覆硬質工具において、
基体が超硬合金製エンドミル、ドリルであることを特徴
とする被覆硬質工具。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31281797A JPH11131216A (ja) | 1997-10-29 | 1997-10-29 | 被覆硬質工具 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP31281797A JPH11131216A (ja) | 1997-10-29 | 1997-10-29 | 被覆硬質工具 |
Publications (1)
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JPH11131216A true JPH11131216A (ja) | 1999-05-18 |
Family
ID=18033779
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP31281797A Pending JPH11131216A (ja) | 1997-10-29 | 1997-10-29 | 被覆硬質工具 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11131216A (ja) |
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- 1997-10-29 JP JP31281797A patent/JPH11131216A/ja active Pending
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