JP2003260603A - 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超硬合金製切削工具 - Google Patents
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超硬合金製切削工具Info
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Abstract
性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具を提供する。 【解決手段】 炭化タングステン基超硬合金基体または
炭窒化チタン系サーメット基体の表面に、5〜20μm
の全体平均層厚を有する硬質被覆層を蒸着形成してなる
表面被覆超硬合金製切削工具の前記硬質被覆層を、0.
5〜1μmの平均層厚を有し、かつ、組成式:(AlXT
i1-X )N(ただし、原子比で、Xは0.45〜0.7
5を示す)を満足するAlとTiの複合窒化物層と、
0.1〜0.5μmの平均層厚を有する炭化タングステ
ン層との交互多重積層で構成する。
Description
ぐれた放熱性を有し、したがって特に各種の鋼や鋳鉄な
どの高熱発生を伴う高速切削加工で、硬質被覆層が過熱
されることがなくなることから、長期に亘ってすぐれた
耐摩耗性を発揮するようになる表面被覆超硬合金製切削
工具(以下、被覆超硬工具という)に関するものであ
る。 【0002】 【従来の技術】一般に、被覆超硬工具には、各種の鋼や
鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先
端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイ
チップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられる
ドリルやミニチュアドリル、さらに前記被削材の面削加
工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプの
エンドミルなどがあり、また前記スローアウエイチップ
を着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミ
ルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工
具などが知られている。 【0003】また、被覆超硬工具として、炭化タングス
テン(以下、WCで示す)基超硬合金または炭窒化チタ
ン(以下、TiCNで示す)基サーメットからなる基体
(以下、これらを総称して超硬基体と云う)の表面に、
組成式:(AlZTi1-Z )N(ただし、原子比で、Z
は0.45〜0.75を示す)を満足するAlとTiの
複合窒化物[以下、(Al,Ti)Nで示す]層からな
る硬質被覆層を5〜20μmの平均層厚で蒸着形成して
なる被覆超硬工具が知られており、これが各種の鋼や鋳
鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられることも良
く知られるところである。 【0004】さらに、上記の被覆超硬工具が、例えば図
2に概略説明図で示される物理蒸着装置の1種であるア
ークイオンプレーティング装置に上記の超硬基体を装入
し、ヒータで装置内を、例えば500℃の温度に加熱し
た状態で、アノード電極と所定組成を有するAl−Ti
合金がセットされたカソード電極(蒸発源)との間に、
例えば電流:90A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2Paの反応雰囲気とし、一方上記超硬基体には、例
えば−100Vのバイアス電圧を印加した条件で、前記
超硬合金基体の表面に、上記(Al,Ti)N層からな
る硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知
られている。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】切削加工技術分野にお
いて、切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コス
ト化は常に変らぬ課題であり、これに伴って、切削加工
装置の高性能化とも相俟って、切削加工は一段と高速化
する傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具において
は、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題は
ないが、これを高い発熱を伴う高速切削条件で用いた場
合には、硬質被覆層の熱伝導性が相対的に低いものであ
るあることから、切削時に発生する高熱によって過熱さ
れ、かなりの温度上昇が避けられず、この結果摩耗進行
が促進され、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状で
ある。 【0006】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、特に高速切削加工ですぐれた耐
摩耗性を発揮する被覆超硬工具を開発すべく、上記の従
来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層に着目し、研究を
行った結果、例えば図1(a)に概略平面図で、同
(b)に概略正面図に示される(Al,Ti)N層形成
用アークイオンプレーティング装置と炭化タングステン
(以下、WCで示す)層形成用マグネトロンスパッタリ
ング装置を併設した蒸着装置を用い、超硬基体の表面
に、(Al,Ti)N層とWC層の交互多重積層からな
り、かつ前記(Al,Ti)N層の個々の平均層厚を
0.5〜1μm、前記WC層の個々の平均層厚を0.1
〜0.5μmとした硬質被覆層を蒸着形成すると、この
結果の硬質被覆層を蒸着形成した被覆超硬工具において
は、前記硬質被覆層が前記(Al,Ti)N層のもつす
ぐれた高温硬さおよび耐熱性を具備した上で、高熱伝導
性を有する前記WC層により高い放熱性を発揮し、高速
切削時に発生する高熱による過熱が防止されることか
ら、硬質被覆層の摩耗進行が著しく抑制され、長期に亘
ってすぐれた切削性能を発揮するようになる、という研
究結果を得たのである。 【0007】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、超硬基体の表面に、5〜20μm
の全体平均層厚を有する硬質被覆層を蒸着形成してなる
被覆超硬工具において、前記硬質被覆層を、0.5〜1
μmの平均層厚を有し、かつ、 組成式:(AlXTi1-X )N(ただし、原子比で、X
は0.45〜0.75を示す)を満足する(Al,T
i)N層と、0.1〜0.5μmの平均層厚を有するW
C層との交互多重積層、で構成してなる、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被覆超硬工
具に特徴を有するものである。 【0008】つぎに、この発明の被覆超硬工具の硬質被
覆層の平均層厚、前記硬質被覆層を構成する交互多重積
層における(Al,Ti)N層の組成および個々の平均
層厚、さらにWC層の個々の平均層厚を上記の通りに限
定した理由を説明する。 (a)(Al,Ti)N層の組成 (Al,Ti)N層におけるAlは、高靭性を有するT
iN層の高温硬さおよび耐熱性(高温特性)を向上させ
る目的で含有するものであり、したがってAlの割合
(X)がTiとの合量に占める割合(原子比)で0.4
5未満では所望のすぐれた高温特性を確保することがで
きず、一方その割合が同じく0.75を越えると、Ti
の割合が低くなり過ぎて、急激に靭性が低下し、切刃に
チッピング(微小欠け)などが発生し易くなることか
ら、その割合を0.45〜0.75と定めた。 【0009】(b)交互多重積層の個々の平均層厚 交互多重積層は、上記の通り(Al,Ti)N層とWC
層の交互多重積層で構成することにより(Al,Ti)
N層のもつすぐれた高温硬さと耐熱性を具備した上で、
高い熱伝導性を有するWC層によるすぐれた放熱性を発
揮するようになるが、前記(Al,Ti)N層の個々の
平均層厚が0.5μm未満では前記(Al,Ti)N層
のもつ上記の特性を硬質被覆層に十分に具備せしめるこ
とができず、また前記WC層の個々の平均層厚が0.1
μm未満でも硬質被覆層の放熱性は不十分なものとな
り、一方前記(Al,Ti)N層の個々の平均層厚が1
μmを越えると、前記WC層による硬質被覆層の放熱性
に低下傾向が現れるようになり、また前記WC層の個々
の平均層厚が0.5μmを越えると、硬質被覆層の(A
l,Ti)N層によってもたらされる高温硬さと耐熱性
が低下し、摩耗進行が促進されるようになることから、
それぞれの個々の平均層厚を、(Al,Ti)N層:
0.5〜1μm、WC層:0.1〜0.5μmと定めた。 【0010】(4)硬質被覆層の全体平均層厚 その全体平均層厚が5μm未満では所望のすぐれた耐摩
耗性を確保することができず、一方その平均層厚が20
μmを越えると、硬質被覆層にチッピングが発生し易く
なることから、その平均層厚を5〜20μmと定めた。 【0011】 【発明の実施の形態】つぎに、この発明の被覆超硬工具
を実施例により具体的に説明する。原料粉末として、い
ずれも1〜3μmの平均粒径を有するWC粉末、TiC
粉末、ZrC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉
末、Cr3 C2 粉末、TiN粉末、TaN粉末、および
Co粉末を用意し、これら原料粉末を、表1に示される
配合組成に配合し、ボールミルで72時間湿式混合し、
乾燥した後、100MPa の圧力で圧粉体にプレス成
形し、この圧粉体を6Paの真空中、温度:1400℃
に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:
0.03のホーニング加工を施してISO規格・CNM
G120408のチップ形状をもったWC基超硬合金製
の超硬基体A1〜A10を形成した。 【0012】また、原料粉末として、いずれも0.5〜
2μmの平均粒径を有するTiCN(重量比でTiC/
TiN=50/50)粉末、Mo2 C粉末、ZrC粉
末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末、お
よびNi粉末を用意し、これら原料粉末を、表2に示さ
れる配合組成に配合し、ボールミルで24時間湿式混合
し、乾燥した後、100MPaの圧力で圧粉体にプレス
成形し、この圧粉体を2kPaの窒素雰囲気中、温度:
1500℃に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃
部分にR:0.03のホーニング加工を施してISO規
格・CNMG120408のチップ形状をもったTiC
N系サーメット製の超硬基体B1〜B6を形成した。 【0013】ついで、上記の超硬基体A1〜A10およ
びB1〜B6のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄
し、乾燥した状態で、図1に示されるアークイオンプレ
ーティング装置とマグネトロンスパッタリング装置を併
設した蒸着装置内の回転テーブル上に外周部に沿って装
着し、一方側の前記アークイオンプレーティング装置の
カソード電極(蒸発源)として、種々の成分組成をもっ
たAl−Ti合金、他方側のマグネトロンスパッタリン
グ装置のターゲット(蒸発源)としてWC焼結体を装着
し、またボンバート洗浄用金属Tiも装着し、まず装置
内を排気して0.5Pa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、前記回転テー
ブル上で自転しながら回転する超硬基体に−1000V
の直流バイアス電圧を印加して、カソード電極の前記金
属Tiとアノード電極との間に100Aの電流を流して
アーク放電を発生させ、もって超硬基体表面をTiボン
バート洗浄し、ついで交互多重積層のうちの(Al,T
i)N層を形成する場合には、装置内に反応ガスとして
窒素ガスを導入して2Paの反応雰囲気とすると共に、
前記回転テーブル上で自転しながら回転する超硬基体に
−100Vの直流バイアス電圧を印加して、カソード電
極とアノード電極との間に90Aの電流を流してアーク
放電を発生させ、また同WC層を形成する場合には、装
置内にArガスを導入して0.3Paの不活性雰囲気と
すると共に、WC焼結体のターゲットにパルス電源を用
いて10A、430Vのパルス電圧を印加してWCをス
パッタし、前記(Al,Ti)N層とWC層の形成工程
の間に排気工程を装入しながら、前記超硬基体の表面
に、表3,4に示される目標組成および目標層厚の(A
l,Ti)N層とWC層の交互多重積層からなり、かつ
同じく表3,4に示される目標全体層厚の硬質被覆層を
蒸着することにより、ISO・CNMG120408に
規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆超硬工
具1〜16をそれぞれ製造した。 【0014】また、比較の目的で、これら超硬基体A1
〜A10およびB1〜B6を、アセトン中で超音波洗浄
し、乾燥した状態で、それぞれ図2に示される通常のア
ークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極
(蒸発源)として、種々の成分組成をもったAl−Ti
合金を装着し、さらにボンバート洗浄用金属Tiも装着
し、装置内を排気して0.5Pa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、前記
超硬基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加し
て、カソード電極の前記金属Tiとアノード電極との間
に100Aの電流を流してアーク放電を発生させ、もっ
て超硬基体表面をTiボンバート洗浄し、ついで装置内
に反応ガスとして窒素ガスを導入して2Paの反応雰囲
気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧
を−100Vに下げて、前記カソード電極とアノード電
極との間に90Aの電流を流してアーク放電を発生さ
せ、もって前記超硬基体A1〜A10およびB1〜B6
のそれぞれの表面に、表5,6に示される目標組成およ
び目標層厚ををもった組成的に均一の(Ti,Al)N
層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、同じく従
来被覆超硬工具1〜16をそれぞれ製造した。 【0015】つぎに、上記本発明被覆超硬工具1〜16
および従来被覆超硬工具1〜16について、これを工具
鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態
で、 被削材:JIS・SCM440の丸棒、 切削速度:350m/min.、 切り込み:1.5mm、 送り:0.2mm/rev.、 切削時間:10分、 の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、 被削材:JIS・S45Cの長さ方向等間隔4本縦溝入
り丸棒、 切削速度:300m/min.、 切り込み:1.5mm、 送り:0.2mm/rev.、 切削時間:5分、 の条件での炭素鋼の乾式高速断続旋削加工試験、さら
に、 被削材:JIS・FC300の長さ方向等間隔4本縦溝
入り丸棒、 切削速度:250m/min.、 切り込み:1.5mm、 送り:0.3mm/rev.、 切削時間:5分、 の条件での鋳鉄の乾式高速断続旋削加工試験を行い、い
ずれの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3〜6に示した。 【0016】 【表1】 【0017】 【表2】【0018】 【表3】 【0019】 【表4】 【0020】 【表5】【0021】 【表6】 【0022】なお、この結果得られた本発明被覆超硬工
具1〜16および従来被覆超硬工具1〜16の硬質被覆
層(交互多重積層)の組成をオージェ分光分析装置を用
いて測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ
組成を示した。また、これらの被覆超硬工具の硬質被覆
層を構成する(Al,Ti)N層およびWC層の個々の
厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したとこ
ろ、いずれも目標値と実質的に同じ値を示した。 【0023】 【発明の効果】表3〜6に示される結果から、本発明被
覆超硬工具1〜16は、いずれも高温硬さと耐熱性にす
ぐれた(Al,Ti)N層と高い熱伝導性を有するWC
層の交互多重積層からなる硬質被覆層が高温硬さと耐熱
性、さらにすぐれた放熱性を具備するようになるので、
高熱発生を伴う高速切削でも硬質被覆層自体の過熱が防
止され、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較
被覆超硬工具1〜16は、いずれも高速切削では硬質被
覆層が過熱され、摩耗進行が促進されることが明らかで
ある。上述のように、この発明の被覆超硬工具は、各種
の鋼や鋳鉄などの被削材の通常の条件での連続切削や断
続切削加工は勿論のこと、これら被削材の高速切削加工
に用いた場合にもすぐれた耐摩耗性を発揮し、切削加工
の一段の省力化および省エネ化、さらに低コスト化を可
能とするものである。
を形成するのに用いたアークイオンプレーティング装置
とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置
を示し、(a)は概略平面図、(b)は概略正面図であ
る。 【図2】従来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層を形成
するのに用いた通常のアークイオンプレーティング装置
の概略説明図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項1】 炭化タングステン基超硬合金基体または
炭窒化チタン系サーメット基体の表面に、5〜20μm
の全体平均層厚を有する硬質被覆層を蒸着形成してなる
表面被覆超硬合金製切削工具において、前記硬質被覆層
を、 0.5〜1μmの平均層厚を有し、かつ、 組成式:(AlXTi1-X )N(ただし、原子比で、X
は0.45〜0.75を示す)を満足するAlとTiの
複合窒化物層と、 0.1〜0.5μmの平均層厚を有する炭化タングステ
ン層との交互多重積層、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
表面被覆超硬合金製切削工具。
Priority Applications (1)
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JP2002059956A JP3873276B2 (ja) | 2002-03-06 | 2002-03-06 | 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超硬合金製切削工具 |
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