JP2015110256A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献2による積層系硬質被覆層によっても、過酷な切削条件下においては積層構造を構成する個々の被膜自体の破壊や剥離を十分に防止することができず、結果として十分な硬質被覆層全体としての耐摩耗性を得ることができない場合があった。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金等を、高熱発生を伴う高速切削条件で切削した場合においてもすぐれた耐熱性、耐摩耗性および耐溶着性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示す被覆工具を提供することである。
(1)(Al,Ti)N層のAl含有割合を多くすることで、切削時に、Al2O3が形成される際にAlの供給量が多くなり緻密なAl2O3が形成されるため、切削中に熱の発生しやすい難削材などに対して、すぐれた耐熱性、耐摩耗性、耐溶着性を示す。
(2)(Al,Ti)N層は、Ti酸化物自身が非常に安定な物質であり、これがAl酸化物中に導入されることにより、Ti酸化物の高温安定性を向上させるという効果を奏する。さらにこれをさらに発展させて、AlとTiの合量に対するAlの含有割合aを制御してAlリッチなAlとTiの複合窒化物とすることで、各々の窒化物と比べ耐摩耗性が向上する。
(3)立方晶結晶構造のみからなる(Al,Ti)N層は、高硬度であり工具基体上に形成することで耐摩耗性を向上させることができるが、硬さゆえに欠損やチッピングが起こりやすい。
(4)立方晶の(111)面の最高ピークの半価幅が2θで0.6≦2θ≦1.1とすることで、結晶組織が粒状組織となり切削時に発生したクラックが粒界を伝搬しにくくなるため、前述したような立方晶結晶構造のみから構成される(Al,Ti)N層の欠点であった欠損やチッピングを抑制することができる。
(5)立方晶結晶構造における最密面は(111)面であるため、硬質被覆層が(111)面に配向した場合に高密度化し、より高硬度となる。そこで、配向性指数Tc(111)により(111)面への配向と硬度について評価したところTc(111)の値が、1.0〜2.0の時、特に切削性能にすぐれていることを見出した。
本発明の半価幅は、Cu−Kα線によるθ-2θ法で測定したX線回折線において、その(111)面の相対強度が、バックグラウンドからピーク高さの2分の1になる部位の回折線の幅とした。
「(1) 炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
(a)前記硬質被覆層が、前記工具基体表面に形成された0.5〜5.0μmの平均層厚を有し、かつ、組成式:(AlXTi1−X)N(XはAlとTiの合量に占めるAlの含有割合を示し、原子比で、0.65≦X≦0.90である)を満足する立方晶結晶構造を有するAlとTiの複合窒化物層であり、
(b)前記立方晶構造を有するAlとTiの複合窒化物層の(111)面の回折強度の最高ピークの半価幅が2θで0.6≦2θ≦1.1、配向性指数Tc(111)が、1.0≦Tc(111)≦2.0である
ことを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とする。
硬質被覆層を構成する(AlXTi1−X)N層は、層全体に亘って均質な耐摩耗性と耐熱性および靭性を示すが、その構成成分であるTi成分によって、すぐれた高温強度を備えるようになり、また、Al成分によって、高温硬さと耐熱性を補完する。そのため、高温切削条件下でも低摩擦係数が維持され、すぐれた耐熱性を発揮するようになるが、AlとTiの合量に占めるAlの含有割合を示すX値(原子比、以下同じ)が0.65未満になると、高温強度を確保することができないために刃先の境界部分において異常損傷を生じ欠損を発生しやすくなるため長寿命を期待することはできず、一方、Alとの合量に占めるAlの含有割合を示すX値が0.90を越えると、相対的にTiの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温強度を確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、X値を0.65〜0.90と定めた。
硬質被覆層の平均層厚が0.5μm未満になると、硬質被覆層を所定組成のものとして明確に形成することが困難であるばかりか、硬質被覆層の有する前述したすぐれた特性を発揮することができない。一方、硬質被覆層の平均層厚が5.0μmを超えると、粒子の粗大化による膜強度の低下により、耐欠損性、耐チッピング性が低下する。したがって、硬質被覆層の平均層厚を0.5〜5.0μmと定めた。
立方晶結晶構造のみからなる(Al,Ti)N層の複合窒化物は、高硬度であり工具基体上に形成することで耐摩耗性を向上させることができるが、硬さゆえに欠損やチッピングが起こりやすい。
ところが、X線回折パターンの(111)面における回折強度のピークの半価幅2θが0.6度以上1.1以下であるとき、結晶組織が微細粒状組織となり切削時に発生したクラックが伝搬しにくくなる。すなわち、X線回折パターンの(111)面における回折強度のピークの半価幅2θが0.6未満であると結晶組織が柱状結晶を形成し、切削時に発生したクラックが粒界を伝搬して硬質被覆層が破壊しやすくなるため好ましくない。一方、半価幅2θが1.1を超えると結晶構造が非晶質に近くなり、硬質被覆層の硬度が低下するため好ましくない。
そのため、X線回折パターンの(111)面における回折強度のピークの半価幅2θを0.6〜1.1と定めた。
(e)立方晶結晶構造を有するAlとTiの複合窒化物の配向性指数TC(111)値:
配向性指数TC(hkl)とは、以下の式(I)で定義されるものである。
式(I)
式(I)中、I(hkl)は測定された(hkl)面のピーク強度(回折強度)を示し、I0(hkl)はJCPDSファイル(Joint Committee on Powder Diffraction Standards(粉末X線回折標準)ファイル;37−1140(Ti3AlN)、38−1420(TiN))による(hkl)面を構成するAlNとTiNの粉末回折強度の平均値であり、(hkl)は(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)、(511)の8面を示す。
組織係数TC(hkl)のうちの配向性指数TC(111)の値が1.0〜2.0である時に高密度化し、高度化する。その結果、硬質被覆層の耐摩耗性を向上させることができ、耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金などの、高温発生が伴い、かつ、切刃への溶着が激しい被削材の高速切削において、良好な耐摩耗性を示す。
(a)ボンバード処理工程:
図1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工具基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、500℃の温度に加熱した状態で、Crターゲットに100Aのアーク電流を流し、この状態で工具基体に−1000Vのバイアス電圧を印加して工具基体表面をCrボンバード洗浄する。従来被覆超硬工具の製造方法においては、上記超硬基体表面をAr ガスボンバード、Tiボンバード洗浄処理していたが、カソード電極として金属Crを用い、これとアノード電極との間のアーク放電で発生したCrイオンで上記超硬基体表面をCrボンバード洗浄処理すると、前記超硬基体表面に対する硬質被覆層である( A l ,Ti) N 層の密着性が、前記Arガスボンバード、T i ボンバード洗浄処理した場合に比して一段と向上するようになる。
(b)成膜工程:
アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Ti合金との間に、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、3.0Paの反応雰囲気とすると共に、工具基体に印加するバイアス電圧を、例えば、−70Vに下げて所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標組成および目標層厚を有し所定の配向性指数TC(111)を有する(Al,Ti)N層が形成される。
(b)まず、装置内を排気して0.1 Pa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、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、かつCr(カソード電極)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、もって工具基体表面をCrボンバード洗浄し、
(c)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極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て、表2に示される目標組成、目標層厚で所定の配向性指数TC(111)を有する(Al,Ti)N層を蒸着形成し、本発明被覆工具としての表面被覆インサート(以下、本発明被覆インサートと云う)1〜10をそれぞれ製造した。
(a)前記工具基体A−1〜A−3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沿って装着し、前記回転テーブルを挟んで対向する所定組成を有するAl−Ti合金、Cr(カソード電極)を配置し、
(b)まず、装置内を排気して0.1 Pa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、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、かつAl−Ti合金、もしくはCr(カソード電極)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、もって工具基体表面をボンバード洗浄し、
(c)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−20〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極(蒸発源)であるAl−Ti合金電極とアノード電極との間に120Aの電流を流してアーク放電を発生させて、表3に示される目標組成、目標層厚の(Al,Ti)N層を蒸着形成し、比較被覆工具としての表面被覆インサート(以下、比較被覆インサートと云う)1〜5をそれぞれ製造した。各層の形成条件(バイアス電圧、酸素分圧、窒素分圧)を同じく表3に示す。
被削材:質量%で、Ni−19%Cr−18.5%Fe−5.2%Cd−5%Ta−3%Mo−0.9%Ti−0.5%Al−0.3%Si−0.2%Mn−0.05%Cu−0.04%Cの組成を有するNi基合金の丸棒、
切削速度: 60 m/min.、
切り込み: 2.0 mm、
送り: 0.25 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件A)でのNi基合金の湿式連続高速高送り切削加工試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、35m/min.、0.15mm/rev.)、
被削材:JIS・SUS304(HB180)の丸棒、
切削速度: 150m/min.、
切り込み: 2.0mm、
送り: 0.3mm/rev.、
切削時間: 10分、
の条件(切削条件B)でのステンレス鋼の湿式連続高送り切削加工試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、120m/min.、0.3mm/rev.)、
被削材:質量%で、Ti−6%Al−4%Vの組成を有するTi基合金の丸棒、
切削速度: 70m/min.、
切り込み: 2.0mm、
送り: 0.25mm/rev.、
切削時間: 10分、
の条件(切削条件C)でのTi基合金の湿式連続高速高切込切削加工試験(通常の切削速度、切込および送りは、それぞれ、40 m/min.、0.15 mm/rev.)、
を行い、いずれの高速切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4に示した。
つぎに、本発明被覆エンドミル1〜10および比較被覆エンドミル1〜5について、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ni−19%Cr−14%Co−4.5%Mo−2.5%Ti−2%Fe−1.2%Al−0.7%Mn−0.4%Siの組成を有するNi基合金の板材、
切削速度: 60 m/min.、
溝深さ(切り込み): 2 mm、
テーブル送り: 140 mm/分、
の条件でのNi基合金の湿式高速溝切削加工試験(通常の切削速度および溝深さは、それぞれ、50m/min.および1.0mm)、
を行い、切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる0.1mmに至るまでの切削溝長を測定した。この測定結果を表5、6にそれぞれ示した。
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ni−19%Cr−18.5%Fe−5.2%Cd−5%Ta−3%Mo−0.9%Ti−0.5%Al−0.3%Si−0.2%Mn−0.05%Cu−0.04%Cの組成を有するNi基合金の板材、
切削速度: 40 m/min.、
送り: 0.25 mm/rev、
穴深さ: 30 mm、
の条件でのNi基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、20m/min.および0.12mm/rev)、
を行い(水溶性切削油使用)、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が0.3mmに至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表7、8にそれぞれ示した。
これに対して、硬質被覆層を構成する層のいずれかが本発明で規定した組成、結晶構造、配向性を逸脱する比較被覆工具においては、いずれも耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金の高速切削加工では、耐摩耗性が十分でなく、かつ皮膜の靭性が低下するために、切刃部にチッピングが発生するようになり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
(a)前記硬質被覆層が、Crボンバード処理後、前記工具基体表面に形成された0.5〜5.0μmの平均層厚を有し、かつ、組成式:(AlXTi1−X)N(XはAlとTiの合量に占めるAlの含有割合を示し、原子比で、0.65≦X≦0.90である)を満足する立方晶結晶構造を有するAlとTiの複合窒化物層であり、
(b)前記立方晶構造を有するAlとTiの複合窒化物層の立方晶の(111)面の回折強度の最高ピークの半価幅が2θで0.6≦2θ≦1.1、かつ配向性指数Tc(111)が、1.0≦Tc(111)≦2.0である
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
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