WO2007111293A1 - 切削工具およびその製造方法 - Google Patents

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WO2007111293A1
WO2007111293A1 PCT/JP2007/056185 JP2007056185W WO2007111293A1 WO 2007111293 A1 WO2007111293 A1 WO 2007111293A1 JP 2007056185 W JP2007056185 W JP 2007056185W WO 2007111293 A1 WO2007111293 A1 WO 2007111293A1
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cutting
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Kazuhiro Ishii
Osamu Kanda
Takashi Fujii
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Sumitomo Metal Industries, Ltd.
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • Y10T428/2651 mil or less

Definitions

  • the present invention relates to a cutting tool and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a cutting tool suitable for use in high-speed cutting of high hardness steel materials and a manufacturing method thereof.
  • a cemented carbide such as tungsten carbide or a cermet such as titanium carbonitride has been used and the surface thereof has been coated.
  • Patent Document 1 discloses that “a carbide layer of Ti, nitride formed on the surface of a tool base made of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet, Layer, carbonitride layer, carbonate layer, and carbonitride oxide layer composed of one or two or more Ti compound layers, and has an average layer thickness of 3 to 20 ⁇ m
  • B Heat-transformed aluminum oxide having a c-type or ⁇ -type crystal structure in the vapor-deposited state to convert the crystal structure to an ⁇ - type crystal structure, and the heat-transformation cracks are dispersed
  • An upper layer composed of a heat-transformed model aluminum oxide layer having a distributed structure and having an average layer thickness of 3 to: 15 ⁇ m, (c) vapor deposition with a c-type crystal structure in the deposited state / c Type aluminum oxide layer and has an average layer thickness of 0.5-2 xm
  • a surface-coated cermet cutting tool having excellent thermal shock resistance with a hard coating
  • Patent Document 2 states that “a carbide layer, nitride layer of Ti, (a) deposited on the surface of a tool base made of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet, Lamination of one or more of carbonitride, carbonate, and carbonitride layers (B) An aluminum oxide having a ⁇ -type crystal structure is subjected to a heat transformation treatment in a lower layer made of a Ti compound layer having an average layer thickness of 3 to 20 ⁇ , And a lower layer of the heat-transformed diamond aluminum oxide layer having a structure in which the transformation cracks generated by the heat transformation treatment are dispersed and having an average layer thickness of 3 to 15 am.
  • Patent Document 3 states that “a carbide layer, nitride layer, Ti carbide layer formed by chemical vapor deposition on the surface of a tool base composed of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet, A lower layer composed of one or more of a carbonitride layer, a carbonate layer, and a carbonitride layer, and a Ti compound layer having a total average layer thickness of 3 to 20 ⁇ m (B) A structure in which aluminum oxide having a ⁇ -type crystal structure is subjected to heat treatment in a state where chemical vapor deposition is formed to transform into an ⁇ -type crystal structure, and the transformed cracks generated by the heat treatment are dispersed and distributed. And:!
  • Patent Document 4 states that “a surface of a cermet substrate made of a tungsten carbide-based cemented carbide or a titanium carbonitride-based cermet has (a) an oxide having an average layer thickness of 0.2 to 3 xm as an upper layer.
  • a surface coating formed by vapor deposition is used as a cermet cutting tool, and in the lower layer, the A1 highest content point and the A1 lowest content point are alternately present at predetermined intervals along the layer thickness direction, and From A1 highest content point to A1 lowest content point, from A1 lowest content point to A1 highest content point A1 and Ti
  • each component has a component concentration distribution structure in which the content of each of the components continuously changes, and the above-mentioned A 1 minimum content point is the composition formula: (Al Ti) N (where X is 0.35 in terms of atomic ratio)
  • the interval between the adjacent A1 lowest content point and A1 highest content point adjacent to each other is 0.01 to 0.1 lxm, and is composed of a composite nitride layer of A1 and Ti.
  • This is a cutting tool made of surface-coated cermet that exhibits excellent wear resistance with a hard coating layer in high-speed cutting. Is proposed.
  • Patent Document 5 states that "a diamond-coated hard member having a diamond and / or diamond-like carbon film coated on a substrate, and an average surface roughness of the substrate adjacent to the film. Is adjusted to 0.1 lxm to 2.5 ⁇ m in the Ra display, and the average surface roughness of the coating is adjusted to 1.5 xm or less in the Ra display, and the average surface roughness of the coating is Is expressed as Ra (c), and when the average surface roughness of the substrate is expressed as Ra (s), the surface roughness is adjusted to be Ra (c) ⁇ Ra (s) A diamond-coated hard member has been proposed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-188502
  • Patent Document 2 JP 2004-188500 A
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-188575
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-351540
  • Patent Document 5 JP-A-10-287491
  • the surface-covered cermet cutting tools proposed in Patent Documents 1 to 3 described above can be improved in chipping resistance by providing a coating layer having a specific chemical composition.
  • these cutting tools have improved heat resistance, if the film is peeled off due to mechanical factors such as impact during cutting, the performance deteriorates as soon as possible. Also, the thickness of the coating layer is not specified for each part, and the heat resistance effect may be insufficient.
  • the surface-coated cermet cutting tool proposed in Patent Document 4 has an acid surface on the outermost surface.
  • Force with aluminum oxide layer Aluminum oxide has a fatal defect such as a significant deterioration of the adhesion at the film interface in a high temperature range of 800 ° C or higher where the coefficient of linear thermal expansion is large. If the film interface temperature rises during high-temperature cutting or high-speed cutting, sufficient adhesion is not guaranteed, resulting in problems such as rapid deterioration of wear resistance and inability to maintain the cutting function.
  • Patent Document 5 states that the surface roughness can be adjusted so that diamond nuclei can be formed easily and in large quantities when a coating film is formed on the surface of the substrate. The advantages are that it can be used and the film quality is excellent.
  • the present inventors' research has revealed that the cutting life of cutting tools used for high-speed cutting of high-hardness steel materials cannot be explained simply by adjusting the surface roughness. did.
  • the present inventors have intensively studied and completed a cutting tool having a coating layer excellent in thermal shock resistance and peel strength both physically and chemically.
  • the present inventors have also intensively studied the pretreatment applied to the tool base material (metal sintered body) before forming the coating layer, and completed a cutting tool with further improved cutting life.
  • An object of this invention is to provide the cutting tool which has the outstanding tool life.
  • the gist of the present invention is a cutting tool shown in the following (1) and a manufacturing method of the cutting tool shown in the following (2).
  • the cutting tool described above is preferably one in which a coating layer is formed on the tool base material after surface cleaning and surface shape processing by soft particle injection. Also, turn off It is desirable that the total thickness of the coating layer on the flank face of the cutting tool is 2 to 80 ⁇ m. Further, the thickness of the foundation layer, intermediate layer and outermost layer on the flank face is 0 ⁇ 5 to 3 5 / im, 1 ⁇ 0 to 40 111 jovi 0.5 to 5 ⁇ m force S is desirable. It is desirable that the total thickness of the coating layer on the rake face is 2 to 40 xm. In addition, the thicknesses of the foundation layer, intermediate layer and outermost layer on the rake face are:! To 20 zm, respectively. A:! ⁇ 20 zm and 0.01-2 xm are desirable.
  • a feature is that a tool base material composed of a super hard material is subjected to surface cleaning and surface shape processing by jetting soft particles, and then a coating layer is formed by a dry coating method. A method for manufacturing a cutting tool.
  • A1 in the base layer dissociates and diffuses outward during cutting to form A10 near the surface of the coating layer, thereby supplementing the outermost layer. Therefore, stable and excellent heat resistance
  • the adhesion between the tool base material (metal sintered body) and the coating layer can be improved, so that a cutting tool having a longer tool life can be provided. it can.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a cutting tool according to the present invention.
  • the cutting tool 1 according to the present invention moves relatively to the left in FIG. 1 (a) to cut the surface of the workpiece 2.
  • Cutting tools include the power of these turning tools, turning tools, and drilling tools.
  • the flank is a surface that mainly contacts the workpiece in the cutting tool, and is, for example, the surface 3 in the turning tool shown in FIG. 1 (b).
  • the rake face is a face that scoops up the chips of the workpiece, and is, for example, face 4 in the turning tool shown in FIG. 1 (b).
  • the cutting tool of the present invention is formed by forming the following three coating layers on a tool base material composed of a super hard material.
  • the cemented carbide material constituting the tool base material is not particularly limited, but cemented carbide represented by WC-TiC-5% Co, TiC_ 20% TiN_ 15% WC_ 10% Mo C_ 5% Ni The cermet etc. which are represented by. Among these, it is desirable to use cemented carbide from the viewpoint of thermal conductivity and from the viewpoint of alleviating interfacial thermal stress with the coating layer during cutting.
  • the coating layer includes an underlayer composed of AlTiN, an intermediate layer composed of TiN, and A1
  • the outermost layer force composed of O.
  • AlTiN constituting the underlayer is excellent in heat resistance and wear resistance, and these performances are stable up to 1000 ° C, and also have excellent adhesion to the substrate.
  • the temperature rise during cutting dissociates A1 in the underlayer, diffuses outward, reacts with oxygen in the outside air, and forms a protective film composed of Al 2 O on the surface layer (outermost layer) of the coating. Form. Therefore,
  • the stratum was composed of AlTiN.
  • the underlayer is mainly composed of AlTiN and may contain some impurities.
  • the oxidation temperature of TiN constituting the intermediate layer is as low as 700 ° C, it is originally a material suitable for cutting at a low speed or medium speed with relatively little heat generation. However, since it is excellent in adhesion and effective for mechanical delamination, it was designed as an intermediate layer.
  • the intermediate layer is mainly TiN and may contain some impurities.
  • Al O which constitutes the outermost layer, is weak against mechanical peeling, but has excellent heat resistance and wear resistance.
  • the outermost layer is composed of Al 2 O
  • the outermost layer is mainly composed of Al 2 O and may contain some impurities.
  • the outermost layer is made of a material having the highest heat resistance and wear resistance
  • the intermediate layer is made of a material having the best adhesion
  • the underlayer is made of a material that has excellent adhesion, heat resistance, and wear resistance to some extent, and the strength of A1 is dissociated and outwardly diffused by heat during cutting. For this reason, even if the outermost layer and the intermediate layer are peeled off, A1 which has also dissociated the underlying layer force reacts with oxygen on the surface layer of the coating to supplement the protective film of the outermost layer. Wear resistance is obtained.
  • the thickness of the coating layer on the flank Cutting tool of the present invention is preferably a total thickness force 3 ⁇ 4 ⁇ 80 ⁇ m of the coating layer on the flank face.
  • the flank face is the part where the most load is applied during cutting and the heat generation is large, so the coating layer on the flank face should be as thick as possible.
  • the flank coating layer preferably has a total thickness of 2 zm or more.
  • the total thickness of the coating layer on the flank surface exceeds 80 x m, it becomes easy to peel off and weakens against mechanical shock.
  • the time required for film formation becomes longer.
  • the total thickness of the flank coating layer is preferably 2 to 80 zm.
  • the thickness of the underlying layer (AlTiN) on the flank surface is less than 0.5 ⁇ m, sufficient heat resistance may not be obtained. However, if the thickness of the underlayer ( ⁇ ) on the flank surface exceeds 35 zm, it will be easy to peel off and only the time required for film formation will be increased. Therefore, it is desirable that the thickness of the underlayer (AlTiN) on the flank is 0.5 to 35 ⁇ .
  • the thickness of the intermediate layer (TiN) on the flank face is less than 1. 0 ⁇ m, the heat resistance is insufficient and Do Ruosore.
  • the thickness of the intermediate layer (TiN) on the flank surface exceeds 40 / im, it becomes easy to peel off and only the time required for film formation is increased. Therefore, the thickness of the intermediate layer (TiN) on the flank is desirably 1.0 to 40 / im.
  • the thickness of the outermost layer (Al 2 O 3) on the flank is 0.5 / i in order to obtain sufficient heat resistance.
  • the thickness of the outermost layer (Al 2 O 3) on the flank face is 50 ⁇
  • the thickness of the outermost layer (A10) on the flank is 0.5 to 5 x m.
  • the total thickness of the coating layer on the rake face is 2 to 40 ⁇ m.
  • the rake face generates less heat during cutting, but the surface roughness should be smaller because it is where the chips come into contact after cutting. For this reason, the coating layer should be as thin as possible.
  • the coating layer on the rake face should have a total thickness of 40 zm or less. That's right. However, if the total thickness of the coating layer on the rake face is less than 2 / m, sufficient wear resistance may not be obtained because it wears quickly during cutting. For this reason, the total thickness of the coating layer on the rake face is desirably 2 to 40 ⁇ m.
  • the thickness of the underlying layer (AlTiN) on the rake face is less than 1 ⁇ m, sufficient heat resistance and adhesion may not be obtained. However, if the thickness of the underlying layer (AlTiN) on the rake face exceeds 20 x m, it will be easy to peel off, and it will take a long time to form a film. Therefore, it is desirable that the thickness of the underlayer (AlTiN) on the rake face is:! ⁇ 20 ⁇ .
  • the thickness of the intermediate layer (TiN) on the rake face is less than 1 ⁇ m, sufficient heat resistance and adhesion may not be obtained. However, if the thickness force S20 / m of the intermediate layer (TiN) on the rake face is exceeded, it will be easy to peel off, and it will take a long time for film formation. Therefore, the thickness of the intermediate layer (TiN) on the rake face is desirably:! -20 ⁇ m.
  • the thickness of the outermost layer (A10) on the rake face is 0 ⁇ 01 to 2 / m
  • the manufacturing method of the cemented carbide or cermet as the tool base material is not particularly limited.
  • the raw metal powders are sized and mixed, they are pressure-molded and punched with a mold having a predetermined shape.
  • the obtained molded product can be produced by firing in a vacuum.
  • the coating layer manufacturing method is not limited, but for example, physical vapor deposition methods (PVD methods) represented by sputtering, arc ion plating methods, etc., or chemicals represented by thermal CVD methods and plasma CVD methods. Vapor deposition (CVD) can be used. Physical vapor deposition A specific description will be given below, taking the case of law as an example.
  • PVD methods physical vapor deposition methods
  • CVD chemical vapor deposition
  • a mixed powder of metal elements constituting the coating layer is pressed into a predetermined disk shape, vacuum-sintered, and then used as a target, by physical vapor deposition (PVD) such as sputtering, and the target components Is electrically excited in the gas phase.
  • PVD physical vapor deposition
  • the gas phase of the apparatus is filled with nitrogen gas or the like, and chemically bonded on the surface of the film body with the target component excited in the gas phase.
  • a predetermined coating component is deposited on the surface of the film body, and when this is heat-treated, the deposited component becomes a chemically stable composition, and can be formed by a method that adheres to the film body and forms the desired coating layer.
  • the underlayer (AlTiN) of the coating layer can be formed by the following method. That is, for example, a mixed powder made from A1 and Ti powders as a raw material is pressed into a predetermined shape, vacuum-sintered, used as a target, filled with nitrogen gas in a PVD device, and discharge-excited gold It can be formed by reacting a genus component with nitrogen.
  • the intermediate layer (TiN) of the coating layer may be Ti powder instead of the above mixed powder, and Ti and nitrogen may be reacted with the PVD device filled with nitrogen gas.
  • the outermost layer (Al 2 O 3) of the coating layer uses A1 powder, and the PVD device is filled with oxygen gas and A1 and acid
  • the tool base material is previously subjected to surface cleaning and surface shape processing by soft particle injection (hereinafter referred to as a vapor-phase injection lapping method), and then a coating layer is formed. It is desirable to form.
  • the vapor-phase jet lapping method is a method in which soft particles are jetted and collided with the material to be polished at a high speed, the surface of the material to be polished is cleaned, and the surface shape is mirror-finished in the submicron range. .
  • the normal lapping process is a process that is performed while the upper and lower surfaces of the material to be polished are sandwiched between flat plates and rotated. At this time, alumina having a particle size of the order of submicron is used as an abrasive. Alternatively, a glass dispersion of an aqueous dispersion is poured into the sliding interface, which is a wet process. Since such a lapping process is limited to the lapping of a planar body, the rubbing of the R portion, the inclined portion, etc. is difficult in terms of structure. From these viewpoints, the present inventors have focused on the vapor-phase injection wrapping method that can wrap the R region and the inclined region.
  • the vapor-phase injection lapping can adjust the tool base material surface roughness uniformly and improve the adhesion to the coating layer.
  • impurities on the tool base surface that cannot be removed by normal wet cleaning can be physically removed.
  • the vapor-phase injection lapping method can increase the adhesion between the tool base material and the coating layer, which cannot be explained only by the surface roughness, and dramatically increases the tool life. It can be improved.
  • Soft particles are particulate abrasives in which abrasive particles having a diameter of micrometer are used as a core material, and the periphery of the core material is covered with a polymer resin.
  • abrasive grains one or more of diamond, silicon carbide, and alumina can be used.
  • the grain size of the abrasive grains is preferably 3000 to 10,000.
  • the polymer resin is not particularly limited, but gelatin having desired elasticity and tackiness can be used by containing water. When gelatin is used, the soft particles should have a diameter of 0 ⁇ :! ⁇ 2mm.
  • the multi-liquid can contain water-soluble oil as an evaporation preventing material.
  • the evaporation inhibitor for example, ethylene glycol, sorbitol and the like can be used.
  • each metal powder used as a raw material for the tool base material is first sized and mixed, and then pressed and punched with a mold having a predetermined shape. ° CX baked for 1.0 hour to prepare a tool base material.
  • the cutting tool of Example 1 of the present invention was manufactured as follows.
  • the tool base material is placed in the PVD device, and the mixed metal of A1 and Ti is filled with nitrogen gas to react each metal excited with discharge and nitrogen, and the tool base material is composed of AlTiN.
  • An underlayer was formed.
  • the Ti target is discharged and excited in a nitrogen gas atmosphere, the intermediate layer composed of TiN is further excited, and the A1 target is discharged and excited in an oxygen gas atmosphere.
  • An outermost layer composed of Al 2 O was formed.
  • each flank and rake face of each layer is such that the magnetic lines of force formed between the counter electrodes of the target / coating substrate are distorted by a non-equilibrium electric field, and the film of the coating is attached to the film. It was adjusted by intentionally changing the sex.
  • the cutting tool of Comparative Example 1 is similarly composed of an underlayer composed of TiCN and AlO on the surface of the tool base material by using a PVD apparatus, adjusting the target and the atmosphere gas.
  • An outermost layer composed of an intermediate layer and TiN was formed.
  • the cutting tool produced in this way was analyzed for surface roughness, coefficient of friction, and adhesion, and a 5% Ni-containing alloy (S13Cr) with an outer diameter of 85mm x length of 500mm was applied at 800 ° C. Comparison of tool life when cutting at a cutting speed of 70mZmin at the above temperature
  • the surface roughness was determined by scanning an arbitrary surface after film formation with a stylus (diamond needle; outer diameter 25 ⁇ m) with a length of 1 Omm, and calculating the “arithmetic mean roughness” defined in JIS standard B0601-1994. Ra was measured
  • the coefficient of friction was measured using a Bowden-type sliding tester under a sliding condition of a load of 5 N, room temperature, speed of 4 mm / second, steel ball: 5 mm in diameter made of SUS.
  • the cutting life means the number of pieces that can be cut before reaching any one of the following conditions (1) to (3).
  • Example 1 of the present invention As shown in Table 1, in Comparative Example 1, the adhesion was kept low, so the number of cutting lives was 58. On the other hand, in Example 1 of the present invention, as a result of improving the adhesion, the number of cutting lives was 195, and the cutting life was remarkably improved.
  • a tool in which a coating layer was formed without any treatment on the base material (Example 2 of the invention) and a tool in which a coating layer was formed after subjecting the base material to a lapping process by a vapor-phase injection wrapping method (this example) Invention Example 3) was prepared.
  • the lapping process by the vapor-phase injection lapping method was performed using an abrasive having a particle diameter of 0.5 to 2.0 mm formed by combining 3000 mesh diamond abrasive grains with a polymer polymer.
  • Each tool base material is placed in a PVD device, and a mixed sintered body of A1 and Ti is used as a target. Nitrogen gas filling is performed to react each discharge excited metal with nitrogen, and the tool base material is composed of AlTiN. An underlayer to be formed was formed. Then, in the PVD system, the Ti target is discharged and excited by nitrogen gas atmosphere, the intermediate layer composed of TiN is further excited, and the A1 target is discharged and excited in an oxygen gas atmosphere, and composed of Al 2 O 3. The outermost layer is formed to
  • the cutting life of each cutting tool produced in this way was investigated.
  • the cutting life was measured using a 5% Ni-containing alloy (S13Cr steel) with an outer diameter of 139.7 mm and a length of 11000 mm using a screw cutting chaser manufactured by the above method at a temperature of 800 ° C or higher.
  • VAM—TOP outer diameter thread cutting was performed at a cutting speed of 90 m / min using a cutting machine, and the tool life at that time was adjusted.
  • the cutting life means the number of pieces that can be cut up to any of the above conditions (1) to (3). Based on this criterion, the average value and standard deviation of the cutting life of the four cutting machines were obtained.
  • A1 in the underlayer dissociates during the cutting and diffuses outward to form Al 2 O near the surface of the coating layer, thereby supplementing the outermost layer. Therefore, stable and excellent heat resistance and
  • Abrasion resistance can be obtained, and a cutting tool with a long tool life can be provided. Further, according to a desirable aspect of the present invention in which the vapor phase injection lapping method is performed, the adhesion between the tool base material and the coating layer can be improved, so that it is possible to provide a cutting tool having a longer tool life. it can.
  • This cutting tool is particularly useful for thread cutting chesers that are used in severe cutting conditions such as thread cutting of high-hardness steel materials.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a cutting tool according to the present invention.

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Abstract

 超硬材料で構成された工具母材に、AlTiNで構成される下地層、TiNで構成される中間層およびAl2O3で構成される最外層から構成されるコーティング層を形成させた切削工具。この切削工具は、超硬材料で構成される金属焼結体表面に軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理を施した後、コーティング層を形成させたものであるのが望ましい。また、この切削工具は、逃げ面におけるコーティング層の合計厚さが2~80μmであることが望ましく、すくい面におけるコーティング層の合計厚さは、2~40μmであることが望ましい。

Description

明 細 書
切削工具およびその製造方法
技術分野
[0001] この発明は、切削工具およびその製造方法に係り、特に、高硬度鋼材の高速切削 に用いるのに適した切削工具およびその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 高硬度鋼材の高速切削においては、切削工具の刃面と被削体との界面温度が 10 oo°c近くまで上昇し、被削体成分が切削工具に焼き付き、凝着が発生する場合があ る。被削体成分の切削工具への凝着が発生すると、切削工具の刃面が損傷し、切削 機能が著しく低下する。
[0003] このような厳しい熱履歴を受ける切削工具としては、従来、炭化タングステン等の超 硬合金、炭窒化チタンなどのサーメットを基材とし、その表面をコーティングしたもの が用いられてきた。
[0004] たとえば、特許文献 1には「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サ ーメットで構成された工具基体の表面に、(a)いずれも蒸着形成された Tiの炭化物 層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの 1層または 2 層以上の積層からなる Ti化合物層で構成され、かつ 3〜20 μ mの平均層厚を有す る下部層、(b)蒸着形成した状態で c型または Θ型の結晶構造を有する酸化アルミ 二ゥムに加熱変態処理を施して結晶構造を α型結晶構造とし、加熱変態生成クラッ クが分散分布した組織を有する加熱変態ひ型酸化アルミニウム層で構成され、かつ 3〜: 15 μ mの平均層厚を有する上部層、(c)蒸着形成した状態で c型の結晶構造を 有する蒸着/ c型酸化アルミニウム層で構成され、かつ 0. 5〜2 x mの平均層厚を有 する表面層、以上(a)〜(c)で構成された硬質被覆層を形成してなる、硬質被覆層が すぐれた耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット製切削工具」が提案されている。
[0005] また、特許文献 2には「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメッ トで構成された工具基体の表面に、(a)蒸着形成された Tiの炭化物層、窒化物層、 炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの 1層または 2層以上の積層 で構成され、かつ 3〜20 μ ΐηの平均層厚を有する Tiィ匕合物層からなる下部層、(b) 蒸着形成された状態で κ型結晶構造を有する酸化アルミニウムに加熱変態処理を 施して a型結晶構造とし、前記加熱変態処理で発生した変態クラックが分散分布し た組織を有し、かつ 3〜: 15 a mの平均層厚を有する加熱変態ひ型酸化アルミニウム 層の下側層と、 0. 5〜2 z mの平均層厚を有する蒸着形成されたひ型結晶構造の蒸 着ひ型酸化アルミニウム層の上側層で構成された複合 2重ひ型酸化アルミニウム層 力 なる上部層、以上(a)の下部層と (b)の上部層で構成された硬質被覆層を形成 したことを特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット 製切削工具」が提案されている。
[0006] 特許文献 3には「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで 構成された工具基体の表面に、(a)いずれも化学蒸着形成された Tiの炭化物層、窒 化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの 1層または 2層以 上からなり、かつ 3〜20 μ mの合計平均層厚を有する Ti化合物層で構成された下部 層、(b)化学蒸着形成した状態で κ型の結晶構造を有する酸化アルミニウムに加熱 処理を施して α型結晶構造に変態してなると共に、前記加熱処理で発生した変態ク ラックが分散分布した組織および:!〜 15 / mの平均層厚を有する加熱変態 α型酸 化アルミニウム層の下側層と、化学蒸着形成した状態で α型の結晶構造を有し、か つ 0.:!〜 2 /i mの平均層厚を有する蒸着 α型酸化アルミニウム層の上側層からなる 複合 2重 α型酸化アルミニウム層で構成された上部層、以上(a)の下部層と(b)の上 部層で構成された硬質被覆層を形成してなることを特徴とする硬質被覆層がすぐれ た耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット製切削工具。」が提案されている。
[0007] 特許文献 4には「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン系サーメットから なるサーメット基体の表面に、(a)上側層として、 0. 2〜3 x mの平均層厚を有する酸 化アルミニウム層、(b)下側層として、 0. 8〜8 111の平均層厚を有する八1と丁1の複 合窒化物層、以上(a)および (b)からなる硬質被覆層を物理蒸着してなる表面被覆 サーメット製切削工具にして、上記下側層を、層厚方向にそって、 A1最高含有点と A1 最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記 A1最高含有点 から前記 A1最低含有点、前記 A1最低含有点から前記 A1最高含有点へ A1および Ti の含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、上記 A 1最低含有点が、組成式:(Al Ti ) N (ただし、原子比で、 Xは 0. 35
1 -X X 〜0· 60を示 す)、上記 A1最高含有点が、組成式:(Al Ti ) N (ただし、原子比で、 Yは 0· 05
1 -Y Y 〜
0. 30を示す)、をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記 A1最低含有点と A1最高含有点 の間隔が、 0. 01〜0. l x mである、 A1と Tiの複合窒化物層で構成したこと、を特徴 とする高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメ ット製切削工具。」が提案されている。
[0008] 特許文献 5には「基材の上にダイヤモンドおよび/またはダイヤモンド状カーボンの 被膜を被覆したダイヤモンド被覆硬質部材におレ、て、該被膜に隣接する該基材の平 均表面粗さが Ra表示において 0. l x m〜2. 5 μ mに調整されており、該被膜の平 均表面粗さが Ra表示において 1. 5 x m以下に調整されており、かつ該被膜の平均 表面粗さを Ra (c)と表示し、該基材の平均表面粗さを Ra (s)と表示したときに、 Ra (c )≤Ra (s)であることを特徴とする表面粗さを調整したダイヤモンド被覆硬質部材。」 が提案されている。
[0009] 特許文献 1 :特開 2004— 188502号公報
特許文献 2:特開 2004— 188500号公報
特許文献 3:特開 2004— 188575号公報
特許文献 4:特開 2004— 351540号公報
特許文献 5 :特開平 10— 287491号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 上記特許文献 1〜3に提案されている表面被覆サーメット製切削工具は、それぞれ 特定の化学組成を有するコーティング層を設けることにより耐チッビング性を改善で きるとしてレ、る。しかし、これらの切削工具は、耐熱性は向上しているものの、切削時 の衝撃など機械的要因により膜が剥離してしまうと、途端に性能が低下する。また、コ 一ティング層の厚さを部位毎に規定しておらず、耐熱効果が不十分となるおそれが ある。
[0011] 上記特許文献 4に提案されている表面被覆サーメット製切削工具は、最表面に酸 化アルミニウム層を有する力 酸化アルミニウムは線熱膨張率が大きぐ 800°C以上 の高温域に於いて膜界面の密着力が著しく劣化する等の致命的欠陥がある。高温 切削時、高速切削時に膜界面温度が上昇した場合は十分な密着力が保証されず、 耐摩耗性が急激に劣化し、切削機能を維持出来ない等の問題を生じる。
[0012] 一方、上記特許文献:!〜 4に提案されている表面被覆サーメット製切削工具は、コ 一ティング層の組成の研究に基づくものである力 いずれの文献にも、コーティング 層を形成する前の母材に前処理を施すことについては記載されていない。また、特 許文献 5には、表面粗さを調整することにより、その基材表面に被覆する被膜の成膜 時にダイヤモンドの核が容易に、かつ多量に形成できる点、緻密な膜とすることがで きる点、膜質に優れる点などを利点として挙げている。しかし、後述するように、本発 明者らの研究により高硬度鋼材の高速切削などに用レ、る切削工具の切削寿命は、 表面粗さの調整だけでは説明しきれなレ、ことが判明した。
[0013] 本発明者らは、このような問題を解決するために鋭意研究を行い、物理的にも化学 的にも耐熱衝撃性および剥離強度に優れるコーティング層を有する切削工具を完成 させた。本発明者らは、またコーティング層を形成させる前の工具母材 (金属焼結体) に施す前処理について鋭意研究をし、切削寿命がさらに向上した切削工具を完成さ せた。
本発明は、優れた工具寿命を有する切削工具を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0014] 本発明は、下記(1)に示す切削工具および下記(2)に示す切削工具の製造方法 を要旨とする。
[0015] (1)超硬材料で構成される工具母材に、 AlTiNで構成される下地層、 TiNで構成 される中間層および Al Oで構成される最外層で構成されるコーティング層を形成さ
2 3
せたことを特徴とする切削工具。このように、 A1〇で構成される最外層と AlTiNで構
2 3
成される下地層の界面に高密着性の TiNで構成される中間層を介在させることにより 、 Al Oで構成される最外層の耐摩耗性と密着力を強化することができる。
2 3
[0016] 上記の切削工具は、工具母材に、軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状 加工処理を施した後、コーティング層を形成させたものであるのが望ましい。また、切 削工具の逃げ面におけるコーティング層の合計厚さが 2〜80 μ mであることが望まし ぐさらに、逃げ面における下地層、中間層および最外層の厚さがそれぞれ 0· 5〜3 5 /i m、 1 · 0〜40 111ぉょび0. 5〜5 μ mであること力 S望ましい。また、すくレヽ面にお けるコーティング層の合計厚さは、 2〜40 x mであることが望ましぐさらに、すくい面 における下地層、中間層および最外層の厚さはそれぞれ:!〜 20 z m、:!〜 20 z mお よび 0. 01〜2 x mであることが望ましい。
[0017] (2)超硬材料で構成される工具母材に、軟質粒子の噴射により表面洗浄および表 面形状加工処理を施した後、ドライコーティング手法によりコーティング層を形成させ ることを特徴とする切削工具の製造方法。
発明の効果
[0018] 本発明の切削工具は、下地層中の A1が切削中に解離、外向拡散してコーティング 層の表面付近で A1〇を形成し、最外層を補う。このため、安定して優れた耐熱性お
2 3
よび耐摩耗性を得ることができ、工具寿命が長い。また、本発明の切削工具の製造 方法によれば、工具母材 (金属焼結体)とコーティング層との密着性を向上することが できるので、工具寿命のより長い切削工具を提供することができる。
発明を実施するための最良の形態
[0019] 図 1は、本発明に係る切削工具の一例を示す模式図である。図 1に示すように、例 えば、本発明に係る切削工具 1は、相対的に図 1 (a)の左方向に移動して、被削体 2 の表面を削る。切削工具には、このような旋削加工工具のほ力 \転削加工工具、穴あ け加工工具などが含まれる。なお、以下の説明において、逃げ面とは、切削工具に おいて被削体と主として接触する面であり、例えば、図 1 (b)に示す旋削加工工具で は面 3のことである。また、すくい面とは、被削体の切り屑をすくい上げる面であり、例 えば、図 1 (b)に示す旋削加工工具では面 4のことである。
[0020] 1.基材およびコーティング層の化学組成について
本発明の切削工具は、超硬材料で構成された工具母材に以下の 3層のコーティン グ層を形成させてなるものである。
[0021] 工具母材を構成する超硬材料としては、特に限定はないが、 WC-TiC- 5%Co などに代表される超硬合金、 TiC_ 20%TiN_ 15%WC_ 10%Mo C_ 5%Niな どに代表されるサーメット等が挙げられる。この中、熱伝導率の観点および切削時の コーティング層との界面熱ストレスを緩和させる観点から、超硬合金を用いるのが望ま しい。
[0022] コーティング層は、 AlTiNで構成される下地層、 TiNで構成される中間層および A1
Oで構成される最外層力 構成されるものである。
2 3
[0023] 下地層を構成する AlTiNは、耐熱性および耐摩耗性に優れ、これらの性能は 100 0°Cまでは安定であり、しかも、基材との密着性にも優れる。また、切削中の温度上昇 により下地層中の A1が解離し、外向拡散して、これが外気中の酸素と反応して、コー ティングの表層(最外層)において Al Oで構成される保護膜を形成する。従って、下
2 3
地層は AlTiNで構成することとした。なお、下地層は、 AlTiNを主体とし、若干の不 純物が含まれていてもよい。
[0024] 中間層を構成する TiNは、酸化温度が 700°Cと低いため、本来は、比較的発熱の 少ない低速または中速における切削に適する材料である。しかし、密着性に優れ、 機械的な剥離に対して有効な物質であるので、中間層として構成することとした。中 間層は、 TiNを主体とし、若干の不純物が含まれていてもよい。
[0025] 最外層を構成する Al Oは、機械的な剥離に弱い反面、耐熱性および耐摩耗性に
2 3
優れ、この性能は 2000°Cまで安定である。したがって、最外層は Al Oで構成する
2 3
こととした。なお、最外層は、 Al Oを主体とし、若干の不純物が含まれていてもょレヽ
2 3
[0026] 以上のように、本発明の切削工具におけるコーティング層は、最外層を耐熱性およ び耐摩耗性が最も高い材料で構成し、中間層を密着性が最も優れる材料で構成し、 下地層を密着性、耐熱性および耐摩耗性がある程度優れ、し力も、切削時の熱によ つて A1が解離、外向拡散する材料で構成している。このため、最外層および中間層 が剥離しても、すぐに、下地層力も解離した A1がコーティングの表層で酸素と反応し て、最外層の保護膜を補うので、安定して高い耐熱性および耐摩耗性が得られるの である。
[0027] 2.コーティング層の厚さについて
2- 1.逃げ面のコーティング層の厚さについて 本発明の切削工具は、逃げ面におけるコーティング層の合計厚さ力 ¾〜80 β mで あることが望ましい。逃げ面は、切削時にもっとも負荷がかかり、発熱が大きい箇所で あるため、逃げ面のコーティング層はできる限り厚くするのがよい。
[0028] 特に、逃げ面のコーティング層は、合計厚さで 2 z m以上とするのが望ましい。しか し、逃げ面におけるコーティング層の合計厚さが 80 x mを超えると、剥離しやすくなり 、機械的な衝撃に弱くなる。また、成膜に要する時間が長くなる。このため、逃げ面の コーティング層の合計厚さは、 2〜80 z mとするのが望ましい。
[0029] 切削工具の逃げ面における下地層(AlTiN)、中間層(TiN)および最外層(Al O
2 3
)の厚さは、それぞれ 0. 5〜35 x m、 1. 0〜40〃111ぉょび0. 5〜5〃111でぁることカ 望ましい。
[0030] 逃げ面における下地層(AlTiN)の厚さが 0. 5 μ m未満の場合、十分な耐熱性が 得られないおそれがある。し力 、逃げ面における下地層(ΑΓΠΝ)の厚さが 35 z m を超えると、剥離しやすくなり、成膜に要する時間が長くなるだけである。よって、逃げ 面における下地層(AlTiN)の厚さは、 0. 5〜35 μ ΐηであることが望ましい。
[0031] 逃げ面における中間層(TiN)の厚さが 1. 0 β m未満の場合、耐熱性が不十分とな るおそれがある。しかし、逃げ面における中間層(TiN)の厚さが 40 /i mを超えると、 剥離しやすくなり、成膜に要する時間が長くなるだけである。よって、逃げ面における 中間層(TiN)の厚さは、 1. 0〜40 /i mであることが望ましい。
[0032] 逃げ面における最外層(Al O )の厚さは、十分な耐熱性を得るためには、 0. 5 /i
2 3
m以上とするのが望ましい。しかし、逃げ面における最外層(Al O )の厚さが 50 μ ΐη
2 3
を超えると、剥離しやすくなり、成膜に要する時間が長くなるだけである。よって、逃げ 面における最外層(A1〇)の厚さは、 0. 5〜5 x mであることが望ましい。
2 3
[0033] 2- 2.すくい面のコーティング層の厚さについて
本発明の切削工具は、すくい面におけるコーティング層の合計厚さが 2〜40 x mで あることが望ましい。すくい面は、切削時の発熱は小さいが、切削後の切り屑が接触 する箇所であるため、表面粗さは小さいほうがよレ、。このため、コーティング層はでき る限り薄くするのがよい。
[0034] 特に、すくい面におけるコーティング層は、合計厚さで 40 z m以下とするのが望ま しい。しかし、すくい面のコーティング層の合計厚さが 2 / m未満では、切削中に早期 に摩耗するため、十分な耐熱性が得られなくなるおそれがある。このため、すくい面 のコーティング層の合計厚さは、 2〜40 μ mとするのが望ましい。
[0035] 切削工具のすくい面における下地層(AlTiN)、中間層(TiN)および最外層(A1〇
2
)の厚さは、それぞれ l〜20 x m、 1〜20 11ぉょび0. 01〜2 μ mであることが望ま
3
しい。
[0036] すくい面における下地層(AlTiN)の厚さが 1 μ m未満の場合、十分な耐熱性およ び密着性が得られなくなるおそれがある。しかし、すくい面における下地層(AlTiN) の厚さが 20 x mを超えると、剥離しやすくなるばかりか、成膜に長時間を要する。よつ て、すくい面における下地層(AlTiN)の厚さは、:!〜 20 μ ΐηであることが望ましい。
[0037] すくい面における中間層(TiN)の厚さが 1 μ m未満の場合、十分な耐熱性および 密着性が得られなくなるおそれがある。しかし、すくい面における中間層(TiN)の厚 さ力 S20 / mを超えると、剥離しやすくなるばかりか、成膜に長時間を要する。よって、 すくい面における中間層(TiN)の厚さは、:!〜 20 μ mであることが望ましい。
[0038] すくい面における最外層(Al O )の厚さが 0· 01 μ m未満の場合、十分な耐熱性
2 3
および密着性が得られなくなるおそれがある。しかし、すくい面における最外層(A1
2
O )の厚さが 2 / mを超えると、剥離しやすくなるばかりか、成膜に長時間を要する。
3
よって、すくい面における最外層(A1〇)の厚さは、 0· 01〜2 / mであることが望ま
2 3
しい。
[0039] 3.本発明に係る切削工具の製造方法について
3 - 1.工具母材の製造方法について
工具母材としての超硬合金またはサーメットの製造方法は、特に限定しないが、例 えば、原料の各金属粉末を整粒'混合した後、これを所定形状の金型で加圧成形- 打ち抜きし、得られた成形体を真空中で焼成することにより作製できる。
[0040] 3 - 2.コーティング層の製造方法について
コーティング層の製造方法には制限はないが、例えば、スパッタ法、アークイオンプ レーティング法等に代表される物理蒸着法 (PVD法)、または、熱 CVD法およびブラ ズマ CVD法に代表される化学蒸着法 (CVD法)を採用することができる。物理蒸着 法の場合を例にとって、以下、具体的に説明する。
即ち、例えば、コーティング層を構成する金属元素の混合粉末を所定円板形状に 加圧成形し、真空焼結後、ターゲットとし、スパッタ法等の物理蒸着法 (PVD法)によ り、ターゲット成分を電気的に気相励起させる。その後、装置気相中に窒素ガス等を 充填させ、気相励起させたターゲット成分と被膜体表面上にて化学結合させる。その 結果、被膜体表面に所定コーティング成分が堆積し、これを熱処理することにより堆 積成分が化学的に安定組成となり、被膜体に密着、所期コーティング層となる方法で 形成すること力 Sできる。
[0041] コーティング層の下地層(AlTiN)は、以下の方法により形成することができる。すな わち、例えば、 A1および Tiの粉末を原料とした混合粉末を所定形状に加圧成形し、 真空焼結後、ターゲットとし、 PVD装置内に窒素ガスを充填させ、放電励起させた金 属成分と窒素を反応させることにより形成させることができる。コーティング層の中間 層(TiN)は、上記混合粉末の代わりに Ti粉末を用い、 PVD装置内を窒素ガスで充 填させた状態で Tiおよび窒素を反応させればよい。また、コーティング層の最外層( Al O )は、 A1粉末を用い、 PVD装置内を酸素ガスで充填させた状態で A1および酸
2 3
素を反応させればよい。
[0042] 逃げ面とすくい面とで厚さを変える場合には、被膜体の縦方向/横方向位置を機 械的に制御するか、ターゲット/被膜基材の対抗電極間に形成される磁力線を非平 衡電界により歪曲化することにより、被膜体の膜付き回り性を制御して調整すればよ レ、。
[0043] 3 - 3.軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理について
本発明の切削工具の製造方法においては、予め、工具母材に、軟質粒子噴射に よる表面洗浄および表面形状加工処理 (以下、気相噴射ラッピング法と呼ぶ。)を施 した後、コーティング層を形成させるのが望ましい。気相噴射ラッピング法とは、軟質 粒子を高速で被研磨材に噴射衝突させて、被研磨材の表面を洗浄し、かつ表面形 状をサブミクロンメートノレの範囲で鏡面加工処理する方法である。
[0044] 通常のラップ処理は、被研磨材の上下面を平板で挟み込み摺動回転させながら行 う処理である。このとき、研磨材としてサブミクロンオーダーの粒径を有するアルミナま たはガラス微粉の水分散液が摺動界面に流し込まれるので、湿式の処理となる。この ようなラップ処理は、平面体のラッピングに限定されるので、 R部位、傾斜部位等のラ ッビングは構造上困難である。本発明者らは、このような観点から、 R部位、傾斜部位 のラッピングも可能である気相噴射ラッピング法に着目したのである。
[0045] そこで、気相噴射ラッピング法による工具母材のラップ処理を研究した結果、気相 噴射ラッピングが工具母材表面粗さを均一に調整して、コーティング層との密着性を 向上できることの他、通常の湿式の洗浄では落としきれない工具母材表面の不純物 を物理的に除去できることを見出した。すなわち、気相噴射ラッピング法によれば、表 面粗さだけでは説明することができなレ、、工具母材とコーティング層との密着性を高 めることができ、工具寿命を飛躍的に向上させることができるのである。
[0046] 軟質粒子とは、ミクロンメートル径の砥粒をコア材とし、このコア材の周囲を高分子 系樹脂で覆った粒子状の研磨材である。砥粒としては、ダイヤモンド、炭化珪素、ァ ルミナの 1種以上を用いることができる。この砥粒の粒度としては、 3000〜: 10000メ ッシュのものを用いるのがよい。高分子系樹脂としては、特に限定しないが、水を含 有することにより所望の弾力性および粘着性を有するゼラチンを用いることができる。 ゼラチンを用いる場合には、軟質粒子の径は 0·:!〜 2mmとするのがよい。マルチ液 には、蒸発防止材として水溶性オイルが含有させることができる。蒸発防止剤として は、例えば、エチレングリコール、ソルビトール等を用いることができる。
実施例 1
[0047] 本発明のコーティング層による効果を確認するための実験を行った。この実験では 、まず、工具母材の原料となる各金属粉末を整粒'混合した後、これを所定形状金型 で加圧成形'打ち抜きし、得られた成形体を真空中で 1 , 450°C X 1. 0時間焼成し、 工具母材を作製した。
[0048] 本発明例 1の切削工具は、以下のようにして製造した。即ち、 PVD装置内に工具 母材を置き、 A1および Tiの混合焼結体をターゲットとして窒素ガス充填させて放電励 起した各金属と窒素とを反応させ、工具母材に AlTiNで構成される下地層を形成さ せた。その後、 PVD装置内で、 Tiターゲットを窒素ガス雰囲気化で放電励起させ、 T iNで構成される中間層を、さらに、 A1ターゲットを酸素ガス雰囲気下で放電励起させ 、 Al Oで構成される最外層を形成させた。
2 3
[0049] なお、各層の逃げ面、すくい面それぞれの厚さは、このとき、ターゲット/被膜基材 の対抗電極間に形成される磁力線を非平衡電界により歪曲化し、被膜体の膜付き回 り性を意図的に変えることにより調整した。
[0050] 一方、比較例 1の切削工具は、同様に PVD装置を用レ、、ターゲットおよび雰囲気 ガスを調整して、工具母材の表面に TiCNで構成される下地層、 Al Oで構成される
2 3
中間層および TiNで構成される最外層を形成させた。
[0051] このようにして作製した切削工具について、表面粗さ、摩擦係数および密着性の各 性能を分析するとともに、外径 85mm X長さ 500mmの 5%Ni含有合金(S13Cr)を 800°C以上の温度で、 70mZminの切削速度で切削したときの工具寿命を比較した
[0052] なお、表面粗さは、触針 (ダイァモンド製針;外径 25 μ m)で成膜後の任意表面を 1 Omm長で走査し、 JIS規格 B0601— 1994に定める「算術平均粗さ; Ra」を測定した
[0053] 摩擦係数は、バウデン式滑り試験機を使用し、荷重 5N、室温、速度 4mm/秒、鋼 球;直径 5mmの SUS製を摺動の条件下で測定した。
[0054] 密着性は、スクラッチ式試験機を使用し、ダイヤモンド製触針;外径 200 β mを荷重
; 0N〜100N間で、走査速度 10mm/分、荷重速度 100N/分で走査させ、異常 振動信号が検出された荷重値を以て、膜破壊されたものと定義し、当該荷重値を密 着力として測定した。
[0055] 切削寿命は、下記(1)〜(3)のいずれかの状況となるまでに切削できた個数を意味 する。
(1)切削工具本体の破損(刃先の割れ、欠けなど)
(2)切削工具表面の硬質保護膜 (コーティング層)の剥離
(3)硬質保護膜への被削体成分の凝着
[0056] これらの性能を表 1に示す。
[0057] [表 1]
Figure imgf000014_0001
[0058] 表 1に示すように、比較例 1では密着力が低く抑えられるため、切削寿命本数が 58 本に留まった。一方、本発明例 1では密着力が改善された結果、切削寿命本数が 19 5本と、切削寿命が著しく向上した。
実施例 2
[0059] 次に、本発明における気相噴射ラッピング法による工具母材のラップ処理の効果を 確認するためのネジ切削用チェザ一を作製し、その切削寿命を調査する実験を行つ た。この実験では、まず、上記の実験と同様に、工具母材の原料となる各金属粉末を 整粒'混合した後、これを所定形状金型で加圧成形'打ち抜きし、得られた成形体を 真空中で 1 , 450°C X 1. 0時間焼成し、工具母材を作製した。この母材に何の処理 も施さずコーティング層を形成させた工具 (本発明例 2)および母材に気相噴射ラッピ ング法によるラップ処理を施した後、コーティング層を形成させた工具 (本発明例 3) を用意した。
[0060] 気相噴射ラッピング法によるラップ処理は、 3000メッシュのダイヤモンド砥粒を高分 子系樹脂により複合させて形成した粒径 0. 5〜2. 0mmの研磨材を用いて行った。
[0061] 各工具母材を、 PVD装置内に置き、 A1および Tiの混合焼結体をターゲットとして 窒素ガス充填させて放電励起した各金属と窒素とを反応させ、工具母材に AlTiNで 構成される下地層を形成させた。その後、 PVD装置内で、 Tiターゲットを窒素ガス雰 囲気化で放電励起させ、 TiNで構成される中間層を、さらに、 A1ターゲットを酸素ガ ス雰囲気下で放電励起させ、 Al Oで構成される最外層を形成させてネジ切削用チ
2 3
ェザーを作製した。
[0062] このようにして作製した各切削工具について切削寿命を調査した。切削寿命は、上 記の方法で作製したネジ切削用チェザ一を用いて、外径 139. 7mm X長さ 11000 mmの 5%Ni含有合金(S13Cr鋼)を 800°C以上の温度で、 4機の切削加工機により 切削速度 90m/minで VAM— TOP外径ネジ切削を行い、その際の工具寿命を調 查した。
切削寿命は、前記(1)〜(3)のいずれかの状況となるまでに切削できた個数を意味 する。この判断基準に基づき、 4機の切削加工機における切削寿命の平均値および その標準偏差を求めた。
[0063] 気相噴射ラッピング法を実施しなかった本発明例 2では、切削寿命の平均値は 60 . 8、標準偏差は 18. 5であったが、気相噴射ラッピング法を実施した本発明例 3では 、切削寿命の平均値は 77. 0、標準偏差は 2. 5であった。これらの結果から気相噴 射ラッピング法を実施すれば、安定的により高い切削寿命が得られることが分かった 産業上の利用可能性
[0064] 本発明によれば、下地層中の A1が切削中に解離、外向拡散してコーティング層の 表面付近で Al Oを形成し、最外層を補う。このため、安定して優れた耐熱性および
2 3
耐摩耗性を得ることができ、工具寿命の長い切削工具を提供することができる。また 、気相噴射ラッピング法を行う本発明の望ましい態様によれば、工具母材とコーティ ング層との密着性を向上することができるので、工具寿命がより長い切削工具を提供 すること力 sできる。この切削工具は、特に、高硬度鋼材のネジ切削などの過酷な切削 条件に用レ、られるネジ切削用チェザ一に有用である。
図面の簡単な説明
[0065] [図 1]本発明に係る切削工具の一例を示す模式図
符号の説明
[0066] 1.切削工具
2.被削体
3.逃げ面
4.すくい面

Claims

請求の範囲
[1] 超硬材料で構成される工具母材に、 AlTiNで構成される下地層、 TiNで構成され る中間層および Al Oで構成される最外層で構成されるコーティング層を形成させた
2 3
ことを特徴とする切削工具。
[2] 工具母材に、軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理を施した後、 コーティング層を形成させたことを特徴とする請求項 1に記載の切削工具。
[3] 逃げ面におけるコーティング層の合計厚さが 2〜80 β mであることを特徴とする請 求項 1または 2に記載の切削工具。
[4] 逃げ面における下地層、中間層および最外層の厚さがそれぞれ 0. 5〜35 μ ΐη、 1
. 0〜40 /1 111ぉょび0. 5〜5 μ ΐηであることを特徴とする請求項 3に記載の切削工具
[5] すくい面におけるコーティング層の合計厚さが 2〜40 μ ΐηであることを特徴とする請 求項 1から請求項 4までのいずれかに記載の切削工具。
[6] すくい面における下地層、中間層ぉょび最外層の厚さがそれぞれ1〜20 /1 111、:!〜
20 /i mおよび 0· 01〜2 μ ΐηであることを特徴とする請求項 5に記載の切削工具。
[7] 超硬材料で構成される工具母材に、軟質粒子の噴射により表面洗浄および表面形 状加工処理を施した後、ドライコーティング手法によりコーティング層を形成させるこ とを特徴とする切削工具の製造方法。
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