JP2003326402A - 高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法 - Google Patents
高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法Info
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Abstract
硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法を提供する。 【解決手段】 アークイオンプレーティング装置内の回
転テーブル上に、切削工具を自転自在に装着し、装置内
を窒素ガス雰囲気とし、回転テーブルを挟んで対向配置
したAl最高含有点形成用Al−Ti合金およびAl最
低含有点形成用Ti−Al合金の各カソード電極と、こ
れらカソード電極に並設されたアノード電極との間にア
ーク放電を発生させ、回転する切削工具の表面に、前記
Al最高含有点が、組成式:(AlXTi1−X)N
(ただし、原子比で、Xは0.70〜0.95を示
す)、前記Al最低含有点が、組成式:(AlXTi
1−Y)N(ただし、原子比で、Yは0.40〜0.6
5を示す)、をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Al
最高含有点とAl最低含有点の間隔が、0.01〜0.
1μmである、硬質被覆層を1〜15μmの層厚で蒸着
する。ことからなる。
Description
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、すぐれた耐摩耗性を発揮する
硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法に関するもの
である。 【0002】 【従来の技術】一般に、切削工具には、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】さらに、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
グ装置内に炭化タングステン(以下、WCで示す)基超
硬合金や炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)基サー
メットからなる切削工具を装入し、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、一方上記切削工具には、例えば−100Vのバイア
ス電圧を印加した条件で、前記切削工具の表面に、組成
式:(AlZTi1-Z )N(ただし、原子比で、Zは
0.4〜0.65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1〜15μmの平均層厚で形成する方法が知
られている。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】近年の切削加工装置の
高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化
および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これ
に伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来
切削工具においては、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、これを構成する硬質被覆層の
摩耗が著しく促進されるようになることから、比較的短
時間で使用寿命に至るのが現状である。 【0005】 【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、特に上記の従来切削工具の硬質
被覆層である(Al,Ti)N層に着目し、高速切削加
工ですぐれた耐摩耗性を発揮する(Al,Ti)N層を
開発すべく、研究を行った結果、(a)上記の図2に示
されるアークイオンプレーティング装置を用いて形成さ
れた従来硬質被覆層である(Al,Ti)N層は、層厚
全体に亘って均質な高温硬さと耐熱性、および靭性を有
するが、例えば図1(a)に概略平面図で、同(b)に
概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティン
グ装置、すなわち装置中央部に切削工具装着用回転テー
ブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に相対
的にAl含有量の高い(Ti含有量の低い)Al−Ti
合金、他方側に相対的にTi含有量の高い(Al含有量
の低い)Ti−Al合金をカソード電極(蒸発源)とし
て対向配置したアークイオンプレーティング装置を用
い、この装置の前記回転テーブル上に、前記回転テーブ
ルの中心軸から半径方向に離れた位置に前記切削工具を
装着し、この状態で装置内の反応雰囲気を窒素ガス雰囲
気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形
成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で切削工具
自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極(蒸
発源)とアノード電極との間にアーク放電を発生させる
条件で(Al,Ti)N層を形成すると、前記切削工具
の表面には、回転テーブル上の中心軸から半径方向に離
れた位置に配置された前記切削工具が上記の一方側の相
対的にAl含有量の高い(Ti含有量の低い)Al−T
i合金のカソード電極(蒸発源)に最も接近した時点で
層中にAl最高含有点が形成され、また前記切削工具が
上記の他方側の相対的にTi含有量の高い(Al含有量
の低い)Ti−Al合金のカソード電極に最も接近した
時点で層中にAl最低含有点が形成されることから、上
記回転テーブルの回転によって層中には厚さ方向にそっ
て前記Al最高含有点とAl最低含有点が所定間隔をも
って交互に繰り返し現れると共に、前記Al最高含有点
から前記Al最低含有点、前記Al最低含有点から前記
Al最高含有点へAl(Ti)含有量が連続的に変化す
る成分濃度分布構造をもった(Al,Ti)N層が形成
されるようになること。 【0006】(b)上記(a)の繰り返し連続変化成分
濃度分布構造の(Al,Ti)N層おいて、例えば対向
配置のカソード電極(蒸発源)のそれぞれの合金組成を
調製すると共に、切削工具が装着されている回転テーブ
ルの回転速度を制御して、上記Al最高含有点が、組成
式:(AlXTi1-X )N(ただし、原子比で、Xは
0.70〜0.95を示す)、上記Al最低含有点が、
組成式:(AlYTi1-Y )N(ただし、原子比で、Y
は0.40〜0.65を示す)、をそれぞれ満足し、か
つ隣り合う上記Al最高含有点とAl最低含有点の厚さ
方向の間隔が0.01〜0.1μm、となるようにする
と、上記Al最高含有点部分では、上記の従来(Al,
Ti)N層に比してAl含有量が相対的に高くなること
から、より一段とすぐれた高温硬さと耐熱性(高温特
性)を示し、一方上記Al最低含有点部分では、前記A
l最高含有点部分に比してAl含有量が低く、Ti含有
量の高いものとなるので、高靭性が確保され、かつこれ
らAl最高含有点とAl最低含有点の間隔をきわめて小
さくしたことから、層全体の特性として高靭性を保持し
た状態ですぐれた高温特性を具備するようになり、した
がって、かかる構成の(Al,Ti)N層を硬質被覆層
として形成してなる切削工具は、高い発熱を伴う鋼や鋳
鉄などの高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮するよ
うになること。以上(a)および(b)に示される研究
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、アークイオンプレーティング装置
内の回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から
半径方向に離れた位置にWC基超硬合金および/または
TiCN基サーメットからなる切削工具を自転自在に装
着し、上記アークイオンプレーティング装置内の反応雰
囲気を窒素ガス雰囲気として、上記回転テーブルを挟ん
で対向配置したAl最高含有点(Ti最低含有点)形成
用Al−Ti合金のカソード電極およびAl最低含有点
(Ti最高含有点)形成用Ti−Al合金のカソード電
極と、これらカソード電極のそれぞれに並設されたアノ
ード電極との間にアーク放電を発生させ、もって、上記
回転テーブル上で自転しながら回転する上記切削工具の
表面に、厚さ方向にそって、Al最高含有点(Ti最低
含有点)とAl最低含有点(Ti最高含有点)とが所定
間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Al最高
含有点から前記Al最低含有点、前記Al最低含有点か
ら前記Al最高含有点へAl(Ti)含有量が連続的に
変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、上記Al最
高含有点が、組成式:(AlXTi1-X )N(ただし、
原子比で、Xは0.70〜0.95を示す)、上記Al
最低含有点が、組成式:(AlYTi1-Y )N(ただ
し、原子比で、Yは0.40〜0.65を示す)、をそ
れぞれ満足し、かつ隣り合う上記Al最高含有点とAl
最低含有点の間隔が、0.01〜0.1μmである、
(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を1〜15μm
の全体平均層厚で物理蒸着することからなる、高速切削
加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を切削工
具表面に形成する方法に特徴を有するものである。 【0008】つぎに、この発明の硬質被覆層形成方法に
おいて、形成される硬質被覆層の構成を上記の通りに限
定した理由を説明する。 (a)Al最高含有点の組成 硬質被覆層を構成する(Al,Ti)N層におけるAl
は、高靭性を有するTiN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最高含有点でのAlの割合(X)がTi
との合量に占める割合(原子比)で0.70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0.95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0.70〜0.95と定めた。 【0009】(b)Al最低含有点の組成 上記の通りAl最高含有点は高温特性のすぐれたもので
あるが、反面靭性の劣るものであるため、このAl最高
含有点の靭性不足を補う目的で、Ti含有割合が高く、
これによって高靭性を有するようになるAl最低含有点
を厚さ方向に交互に介在させるものであり、したがって
Alの割合(Y)がTiとの合量に占める割合(原子
比)で0.65を越えると、所望のすぐれた靭性を確保
することができず、一方その割合が同じく0.40未満
になると、相対的にTiの割合が多くなり過ぎて、Al
最低含有点に所望の高温特性を具備せしめることができ
なくなることから、その割合を0.40〜0.65と定
めた。 【0010】(c)Al最高含有点とAl最低含有点間
の間隔 その間隔が0.01μm未満ではそれぞれの点を上記の
組成で明確に形成することが困難であり、この結果層に
所望の高温特性と靭性を確保することができなくなり、
またその間隔が0.1μmを越えるとそれぞれの点がも
つ欠点、すなわちAl最高含有点であれば靭性不足、A
l最低含有点であれば高温特性不足が層内に局部的に現
れ、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなった
り、摩耗進行が促進されるようになることから、その間
隔を0.01〜0.1μmと定めた。 【0011】(d)硬質被覆層の全体平均層厚 その層厚が1μm未満では、所望の耐摩耗性を確保する
ことができず、一方その平均層厚が15μmを越える
と、切刃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1〜15μmと定めた。 【0012】 【発明の実施の形態】つぎに、この発明の硬質被覆層形
成方法を実施例により具体的に説明する。まず、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IS
O規格・CNMG120408のチップ形状をもったW
C基超硬合金製の切削工具A−1〜A−10を製造し
た。 【0013】さらに、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、これらの圧粉体のうち、切削工具B−1〜B−
6用の圧粉体については、2kPaの窒素雰囲気中、温
度:1500℃に1時間保持後炉冷の条件で焼結し、ま
た、切削工具B−7〜B−9用の圧粉体については、室
温から1300℃までを1Paの真空雰囲気、1300
℃から1350℃までを1kPaの窒素雰囲気、135
0℃から1400℃までを1Paの真空雰囲気、140
0℃から1450℃までを2kPaの窒素雰囲気、そし
て1450℃から1500℃までを1Paの真空雰囲
気、として焼結温度である1500℃まで昇温し、前記
焼結温度で3kPaの窒素雰囲気として1時間保持した
後炉冷の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:0.0
3のホーニング加工を施してISO規格・CNMG12
0408のチップ形状をもったTiCN系サーメット製
の切削工具B−1〜B−9を製造した。この結果得られ
た切削工具B−1〜B−9について、その縦断面を走査
型電子顕微鏡を用いて観察したところ、切削工具B−1
〜B−6は、いずれも表面から内部まで均質な(Ti)
と(Zr、Ta、Nb、Mo、およびWのうちの1種以
上)との複合炭窒化物からなる硬質相と、CoおよびN
iを主成分とする結合相の2相組織を示し、一方切削工
具B−7〜B−9は、内部は前記2相組織と同じ組織を
示したが、表面部に表面から1〜3μmの深さ位置に亘
って前記結合相が存在しない層、すなわち前記複合炭窒
化物だけからなる表面層の存在が観察された。 【0014】ついで、上記の切削工具A−1〜A−10
およびB−1〜B−9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内の回転テーブル上に、前記回転
テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に自転自在
に装着し、一方側のカソード電極(蒸発源)として、種
々の成分組成をもったAl最低含有点形成用Ti−Al
合金、他方側のカソード電極(蒸発源)として、種々の
成分組成をもったAl最高含有点形成用Al−Ti合金
を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、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
がら回転する切削工具に−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、もって前記切削工具表面を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、前記回転テーブル上
で自転しながら回転する前記切削工具に−100Vの直
流バイアス電圧を印加して、それぞれのカソード電極
(前記Al最低含有点形成用Ti−Al合金およびAl
最高含有点形成用Al−Ti合金)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る条
件で本発明法1〜19を実施し、もって前記切削工具の
表面に、厚さ方向に沿って表3,4に示される目標組成
のAl最低含有点とAl最高含有点とが交互に同じく表
3,4に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記
Al最高含有点から前記Al最低含有点、前記Al最低
含有点から前記Al最高含有点へAl(Ti)含有量が
連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、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形
成した。 【0015】また、比較の目的で、これら切削工具A−
1〜A−10およびB−1〜B−9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、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、Arガスを装置内に導入して10PaのA
r雰囲気とし、この状態で前記切削工具に−800Vの
バイアス電圧を印加して前記切削工具表面をArガスボ
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、前記切
削工具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アーク放電を
発生させる条件で、従来法1〜19を実施し、もって前
記切削工具A−1〜A−10およびB−1〜B−6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
標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化
のない(Al,Ti)N層からなる硬質被覆層を蒸着形
成した。 【0016】つぎに、上記本発明法1〜19および従来
法1〜19により得られた切削工具ついて、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:300m/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:0.25mm/rev.、 切削時間:10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:300m/min.、 切り込み:1.5mm、 送り:0.2mm/rev.、 切削時間:10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。 【0017】 【表1】 【0018】 【表2】【0019】 【表3】 【0020】 【表4】【0021】 【表5】 【0022】 【表6】【0023】なお、上記の本発明法1〜19により得ら
れた切削工具の硬質被覆層におけるAl最低含有点とA
l最高含有点の組成、並びに従来法1〜19により得ら
れた切削工具の硬質被覆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、さらに、本発明法1〜19の硬質被
覆層におけるAl最低含有点とAl最高含有点間の間
隔、およびこれの全体層厚、並びに従来法1〜19の硬
質被覆層の厚さを、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。 【0024】 【発明の効果】表3〜6に示される結果から、本発明法
1〜19により厚さ方向にAl最低含有点とAl最高含
有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ
前記Al最高含有点から前記Al最低含有点、前記Al
最低含有点から前記Al最高含有点へAl(Ti)含有
量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する硬質被
覆層を形成してなる切削工具は、いずれも鋼や鋳鉄の切
削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、すぐれた耐摩
耗性を発揮するのに対して、従来法1〜19により厚さ
方向に沿って実質的に組成変化のない(Ti,Al)N
層からなる硬質被覆層を形成してなる切削工具において
は、いずれも高温を伴う高速切削加工では硬質被覆層の
高温特性不足が原因で切刃の摩耗進行が速く、比較的短
時間で使用寿命に至ることが明らかである。上述のよう
に、この発明の硬質被覆層形成方法によれば、特に各種
の鋼や鋳鉄などの高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性を
発揮する硬質被覆層を形成することができ、切削加工の
省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に
対応できるものである。
ークイオンプレーティング装置を示し、(a)は概略平
面図、(b)は概略正面図である。 【図2】従来の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】 アークイオンプレーティング装置内の回
転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方
向に離れた位置に炭化タングステン基超硬合金および/
または炭窒化チタン系サーメットからなる切削工具を自
転自在に装着し、 上記アークイオンプレーティング装置内の反応雰囲気を
窒素ガス雰囲気として、上記回転テーブルを挟んで対向
配置したAl最高含有点(Ti最低含有点)形成用Al
−Ti合金のカソード電極およびAl最低含有点(Ti
最高含有点)形成用Ti−Al合金のカソード電極と、
これらカソード電極のそれぞれに並設されたアノード電
極との間にアーク放電を発生させ、 もって、上記回転テーブル上で自転しながら回転する上
記切削工具の表面に、 厚さ方向にそって、Al最高含有点(Ti最低含有点)
とAl最低含有点(Ti最高含有点)とが所定間隔をお
いて交互に繰り返し存在し、かつ前記Al最高含有点か
ら前記Al最低含有点、前記Al最低含有点から前記A
l最高含有点へAl(Ti)含有量が連続的に変化する
成分濃度分布構造を有し、 さらに、上記Al最高含有点が、組成式:(AlXTi
1-X )N(ただし、原子比で、Xは0.70〜0.95
を示す)、上記Al最低含有点が、組成式:(AlYT
i1-Y )N(ただし、原子比で、Yは0.40〜0.6
5を示す)、をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Al
最高含有点とAl最低含有点の間隔が、0.01〜0.
1μmである、AlとTiの複合窒化物からなる硬質被
覆層を1〜15μmの全体平均層厚で物理蒸着するこ
と、を特徴とする高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発
揮する硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法。
Priority Applications (8)
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