JP4461407B2 - 高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層を構成する縦長成長結晶組織の炭窒化チタン層（以下、ｌ−ＴｉＣＮで示す）が一段とすぐれた耐チッピング性を有し、特に鋼や鋳鉄などの断続切削を高速で行った場合にも、切刃にチッピング（微小欠け）などの発生なく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮す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】
従来、一般に、炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）の表面に、
（ａ） いずれも０．１〜５μｍの平均層厚および粒状結晶組織を有する、炭化チタン（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化チタン（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）層、酸化チタン（以下、Ｔｉ₂ Ｏ₃ で示す）層、炭酸化チタン（以下、ＴｉＣＯで示す）層、窒酸化チタン（以下、ＴｉＮＯで示す）層、および炭窒酸化チタン（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層と、
（ｂ） ２〜１５μｍの平均層厚のｌ−ＴｉＣＮ層と、
（ｃ） ０．５〜８μｍの平均層厚および粒状結晶組織を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ₂ Ｏ₃ で示す）層と、
で構成された硬質被覆層を３〜２５μｍの全体平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具が知られており、またこの被覆超硬工具が鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることも知られている。
また、一般に上記の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＡｌ₂ Ｏ₃ 層として、α型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどが広く実用に供されることも良く知られており、さらに上記ｌ−ＴｉＣＮ層は、例えば特開平６−８０１０号公報や特開平７−３２８８０８号公報などにより公知であり、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成されるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の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、上記の従来被覆超硬工具においては、これの硬質被覆層を構成するｌ−ＴｉＣＮ層が相対的に良好な靭性を具備することから、これによって硬質被覆層も良好な靭性をもつようになり、通常の条件での連続切削や断続切削では切刃にチッピングなどの発生なく、すぐれた切削性能を発揮するものであるが、切削条件が一段と苛酷になる、断続切削を高速で行った場合には、未だ十分な靭性を具備するものでないために、切刃にチッピングが発生するのが避けられず、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００４】
【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、上記の従来被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するｌ−ＴｉＣＮ層に着目し、これの靭性向上を図るべく研究を行った結果、
ｌ−ＴｉＣＮ層の蒸着形成に際して、上面部形成にＴｉＣｌ _４ ，Ｎ _２ ，ＣＨ _３ ＣＮ，およびＨ _２ の構成成分からなる反応ガス、下面部形成にＴｉＣｌ _４ ，Ｎ _２ ，ＣＨ _４ ，ＣＨ _３ ＣＮ，およびＨ _２ の構成成分からなる反応ガスを用い、上面部形成では反応ガス中のＮ _２ およびＣＨ _３ ＣＮ、下面部形成では反応ガス中のＮ _２ ，ＣＨ _４ およびＣＨ _３ ＣＮの含有割合を経時的に無段階あるいは段階的に変化させることにより、ｌ−ＴｉＣＮ層に、これの下面部から上面部に向かって層厚にそってＣ成分が低く、Ｎ成分が高くなる濃度勾配を付与し、この濃度勾配を、上記上面部および下面部を組成式：ＴｉＣ_1-x Ｎ_x で現した場合、原子比で、
上記上面部は、ｘ：０．４５〜０．６０、
上記下面部は、ｘ：０．０５〜０．３０、
を満足（この場合ＣおよびＮの下面部から上面部への濃度変化は無段階変化あるいは段階的変化となる）するようにすると、この結果のｌ−ＴｉＣＮ層（以下、濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層と云う）は、下面部から上面部までＣおよびＮに濃度変化のない一様な従来ｌ−ＴｉＣＮ層に比して、すぐれた靭性を具備するようになり、したがって前記濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層が硬質被覆層を構成する被覆超硬工具は、前記濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層によって前記硬質被覆層自体の靭性がさらに向上するようになることから、断続切削を高速で行うという、苛酷な切削条件でも切刃にチッピングの発生なく、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。
【０００５】
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、
（ａ） いずれも０．１〜５μｍの平均層厚および粒状結晶組織を有する、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、Ｔｉ₂ Ｏ₃ 層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層と、
（ｂ） ２〜１５μｍの平均層厚のｌ−ＴｉＣＮ層と、
（ｃ） ０．５〜８μｍの平均層厚および粒状結晶組織を有するＡｌ₂ Ｏ₃ 層と、
で構成された硬質被覆層を３〜２５μｍの全体平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具において、
上記硬質被覆層を構成するｌ−ＴｉＣＮ層を、
下面部形成にはＴｉＣｌ _４ ，Ｎ _２ ，ＣＨ _４ ，ＣＨ _３ ＣＮ，およびＨ _２ の構成成分からなる反応ガス、上面部形成にはＴｉＣｌ _４ ，Ｎ _２ ，ＣＨ _３ ＣＮ，およびＨ _２ の構成成分からなる反応ガスを用い、かつ、前記下面部形成には前記反応ガス中のＮ _２ ，ＣＨ _４ ，およびＣＨ _３ ＣＮの含有割合を、また前記上面部形成には前記反応ガス中のＮ _２ およびＣＨ _３ ＣＮの含有割合を経時的に無段階あるいは段階的に変化させて、下面部から上面部に向かって層厚にそってＣ成分が低く、Ｎ成分が高くなり、かつ、前記ＣおよびＮの濃度が無段階変化または段階変化する濃度勾配を具備せしめると共に、前記これの上面部および下面部を組成式：ＴｉＣ_1-x Ｎ_x で現した場合、原子比で、
上記上面部は、ｘ：０．４５〜０．６０、
上記下面部は、ｘ：０．０５〜０．３０、
を満足するｌ−ＴｉＣＮ層で構成してなる、高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【０００６】
なお、この発明の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成する濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層の組成式：ＴｉＣ_1-x Ｎ_x において、上記上面部のｘ値を０．４５〜０．６０、望ましくは０．５０〜０．５５、下面部のｘ値を０．０５〜０．３０としたのは、上面部のｘ値が０．４５未満になったり、下面部のｘ値が０．３０を越えたりすると、層厚方向のＣおよびＮの濃度勾配が小さくなって、硬質被覆層が高速断続切削で所望の耐チッピング性を発揮するのに十分な靭性向上効果が得られず、一方上面部のｘ値が０．６０を越えても、高速断続切削での耐チッピング性により一段の向上効果が現われず、また下面部のｘ値が０．０５未満になると、均質な縦長成長結晶組織の安定的形成が損なわれるようになるという理由に基くものである。
【０００７】
同じく硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層のそれぞれには、構成層相互間の層間密着性を向上させる作用があり、したがってその平均層厚が０．１μｍ未満では、所望のすぐれた層間密着性を確保することができず、一方その平均層厚が５μｍを越えると硬質被覆層の摩耗進行が促進されるようになることから、その平均層厚を０．１〜５μｍと定めた。
同じくＡｌ₂ Ｏ₃ 層には、硬質被覆層の耐摩耗性を向上させる作用があるが、その平均層厚が０．５μｍ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８μｍ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０．５〜８μｍと定めた。
さらに同じく濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層には、上記の通り高速断続切削で硬質被覆層の耐チッピング性を向上させる作用があるが、その平均層厚が２μｍ未満では、耐チッピング性に所望の向上効果が得られず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると耐摩耗性が急激に低下するようになることから、その平均層厚を２〜１５μｍと定めた。
また、硬質被覆層の全体平均層厚を３〜２５μｍとしたのは、その平均層厚が３μｍ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２５μｍを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由からである。
【０００８】
【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、平均粒径：１．５μｍ有する細粒ＷＣ粉末、３．０μｍの中粒ＷＣ粉末同１．２μｍの（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（重量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、同１．３μｍの（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）粉末、同１μｍのＣｒ₃ Ｃ₂ 粉末、同１．２μｍのＶＣ粉末、および同１．２μｍの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、この混合粉末をＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８に則した形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１０^-3ｔｏｒｒの真空雰囲気中、１４００〜１４６０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結することにより超硬基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【０００９】
ついで、これらの超硬基体Ａ〜Ｆの表面に、ホーニング加工を施した状態で、通常の化学蒸着装置を用い、表２、３（表２に示される硬質被覆層の構成層は、いずれも層の下面部から上面部まで構成成分に濃度変化のない一様な組成をもつものであり、またｌ−ＴｉＣＮ層以外はいずれも粒状結晶組織を有するものである）に示される条件にて、表４、５に示される組成および目標層厚（切刃の逃げ面）の硬質被覆層を形成することにより本発明被覆超硬工具１〜８および従来被覆超硬工具１〜８をそれぞれ製造した。
なお、表４における、例えば本発明被覆超硬工具３の「ｌ−ＴｉＣＮ−カ［２段階］ｌ−ＴｉＣＮ−３（４．０）」は、表３の「下面部・ｌ−ＴｉＣＮ−カ（目標ｘ値：０．３０）」の反応ガス組成から「上面部・ｌ−ＴｉＣＮ−３（目標ｘ値：０．５５）」の反応ガス組成まで反応ガス中のＣＨ₃ ＣＮ、またはＣＨ₃ ＣＮとＣＨ₄ の含有割合を経時的に２段階変化させて４．０μｍの目標層厚で濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層を形成した場合を示すものであり、同じく本発明被覆超硬工具７の「ｌ−ＴｉＣＮ−オ［連続］ｌ−ＴｉＣＮ−４（６．６）」は、「下面部・ｌ−ＴｉＣＮ−オ（目標ｘ値：０．２５）」の反応ガス組成から「上面部・ｌ−ＴｉＣＮ−４（目標ｘ値：０．６０）」の反応ガス組成まで反応ガス中のＣＨ₃ ＣＮ、またはＣＨ₃ ＣＮとＣＨ₄ の含有割合を経時的に無段階で変化させて６．６μｍの目標層厚で濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層を形成した場合を示すものである。
この結果得られた本発明被覆超硬工具１〜８の硬質被覆層を構成す濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層の上面部および下面部のｘ値について、それぞれの表面から０．２μｍ内側をオージェ分光分析器を用いて測定したところ、表３に示される目標ｘ値と実質的に同じｘ値を示した。また、硬質被覆層を構成する構成層もそれぞれ目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００１０】
つぎに、上記本発明被覆超硬工具１〜８および従来被覆超硬工具１〜８について、
被削材：ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験、並びに、
被削材：ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件での球状黒鉛鋳鉄の乾式高速断続切削試験行い、いずれの切削試験でも切刃の最大逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表６に示した。
【００１１】
【表１】

【００１２】
【表２】

【００１３】
【表３】

【００１４】
【表４】

【００１５】
【表５】

【００１６】
【表６】

【００１７】
【発明の効果】
表４〜６に示される結果から、硬質被覆層中に濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層が存在する本発明被覆超硬工具１〜８は、いずれも前記濃度勾配ｌ−ＴｉＣＮ層によって硬質被覆層がすぐれた靭性を具備するようになることから、鋼や鋳鉄の断続切削を高速で行なっても切刃にチッピングの発生なく、すぐれた切削性能を発揮するのに対して、硬質被覆層を構成するｌ−ＴｉＣＮ層のＣおよびＮに濃度勾配のない従来被覆超硬工具１〜８においては、上記の高速断続切削では硬質被覆層の靭性不足が原因で切刃にチッピングが発生し、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、この発明の被覆超硬工具は、これを構成する硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を有するので、例えば鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特に断続切削を高速で行なった場合にも、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、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。

Claims (1)

1. 炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、
   （ａ）いずれも０．１〜５μｍの平均層厚および粒状結晶組織を有する、炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、酸化チタン層、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層、
   （ｂ）２〜１５μｍの平均層厚および縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層、
   （ｃ）０．５〜８μｍの平均層厚および粒状結晶組織を有する酸化アルミニウム層、
   以上（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を３〜２５μｍの全体平均層厚で化学蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具において、
   上記硬質被覆層を構成する縦長成長結晶組織の炭窒化チタン層を、
   下面部形成にはＴｉＣｌ _４ ，Ｎ _２ ，ＣＨ _４ ，ＣＨ _３ ＣＮ，およびＨ _２ の構成成分からなる反応ガス、上面部形成にはＴｉＣｌ _４ ，Ｎ _２ ，ＣＨ _３ ＣＮ，およびＨ _２ の構成成分からなる反応ガスを用い、かつ、前記下面部形成には前記反応ガス中のＮ _２ ，ＣＨ _４ ，およびＣＨ _３ ＣＮの含有割合を、また前記上面部形成には前記反応ガス中のＮ _２ およびＣＨ _３ ＣＮの含有割合を経時的に無段階あるいは段階的に変化させて、下面部から上面部に向かって層厚にそってＣ成分が低く、Ｎ成分が高くなり、かつ、前記ＣおよびＮの濃度が無段階変化または段階変化する濃度勾配を具備せしめると共に、前記上面部および下面部を組成式：ＴｉＣ_１−ＸＮ_Ｘで現した場合、原子比で、
   上記上面部は、Ｘ：０．４５〜０．６０、
   上記下面部は、Ｘ：０．０５〜０．３０、
   を満足する縦長成長結晶組織の炭窒化チタン層で構成したことを特徴とする高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具。