JP4766443B2 - 難削材の高速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サーメット製切削工具 - Google Patents
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Description
組成式:[Cr1-(X+Y) AlX VY]N(ただし、原子比で、Xは0.50〜0.65、Yは0.01〜0.09を示す)、
を満足するCrとAlとVの複合窒化物[以下、(Cr,Al,V)Nで示す]層からなる硬質被覆層を2〜8μmの平均層厚で蒸着形成してなる被覆サーメット工具が知られており、前記(Cr,Al,V)N層においては、構成成分であるAlによって高温硬さ、同Crによって高温強度、さらにAlとCrの共存含有によって高温耐酸化性を具備し、同Vによって潤滑性が向上した特性をもつようになることも知られている。
(a)硬質被覆層を構成する(Cr,Al,V)N層において、V成分の含有割合を多くすれば潤滑性が向上するが、上記の従来(Cr,Al,V)N層における1〜9原子%程度のV含有割合では、粘性の高い難削材の高速切削加工に要求される高い潤滑性を確保することができず、これらの要求に満足に対応させるためには前記1〜9原子%をはるかに越えた50〜70原子%のV含有が必要であり、一方50〜70原子%のV成分を含有した(Cr,Al,V)N層を硬質被覆層として実用に供するためには、所定量のCrを含有させて所定の高温強度を確保する必要があるが、この場合Al成分の含有割合はきわめて低い状態となるのが避けられず、この結果高温硬さおよび高温耐酸化性のきわめて低いものとなること。
組成式:[Cr1-(C+D)AlCVD]N(ただし、原子比で、Cは0.25〜0.40、Dは0.20〜0.35を示す)を満足する、相対的にAl成分の含有割合を多くした(Cr,Al,V)N層、
を、それぞれの層厚を5〜20nm(ナノメーター)の薄層とした状態で、交互積層すると、この結果の(Cr,Al,V)N層は、薄層の交互積層構造によって、上記の高V含有の(Cr,Al,V)N層(以下、薄層Aという)のもつすぐれた潤滑性と、前記薄層Aに比して相対的にV含有割合が低く、かつ相対的にAl含有割合が高い(Cr,Al,V)N層(以下、薄層Bという)のもつ所定の相対的に高い高温硬さと高温耐酸化性を具備するようになること。
組成式:[Cr1-(E+F)AlEVF]N(ただし、原子比で、Eは0.50〜0.65、Fは0.01〜0.09を示す)を満足する、単一相構造の(Cr,Al,V)N層、
を設けた構造にすると、この結果の硬質被覆層は、一段とすぐれた潤滑性に加えて、高温硬さと高温耐酸化性を備えたものとなるので、この硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆サーメット工具は、上記の難削材の高い高熱発生を伴う高速切削加工でも、切刃部に切粉が溶着することがなく、この結果チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
(a)いずれも(Cr,Al,V)Nからなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は0.5〜1.5μm、前記下部層は2〜6μmの層厚をそれぞれ有し、
(b)上記上部層は、いずれも5〜20nm(ナノメ−タ−)の層厚を有する薄層Aと薄層Bの交互積層構造を有し、
上記薄層Aは、
組成式:[Cr1-(A+B)AlAVB]N(ただし、原子比で、Aは0.01〜0.10、Bは0.50〜0.70を示す)を満足する(Cr,Al,V)N層、
上記薄層Bは、
組成式:[Cr1-(C+D)AlCVD]N(ただし、原子比で、Cは0.25〜0.40、Dは0.20〜0.35を示す)を満足する(Cr,Al,V)N層、からなり、
(c)上記下部層は、単一相構造を有し、
組成式:(Cr1-(E+F)AlEVF)N(ただし、原子比で、Eは0.50〜0.65、Fは0.01〜0.09を示す)を満足する(Cr,Al,V)N層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、難削材の高速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サーメット工具に特徴を有するものである。
(a)下部層の組成式および層厚
上記の通り、硬質被覆層を構成する(Cr,Al,V)N層におけるAl成分には高温硬さ、同Cr成分には高温強度を向上させると共に、これら両成分の共存で高温耐酸化性を向上させ、さらに同V成分には潤滑性を向上させる作用があり、下部層ではAl成分の含有割合を相対的に多くして、高い高温硬さおよび高温耐酸化性を具備せしめるが、Alの含有割合を示すE値がCrとVとの合量に占める割合(原子比、以下同じ)で0.50未満では、相対的にCrの割合が多くなって、難削材の高速切削加工に要求されるすぐれた高温硬さおよび高温耐酸化性を確保することができず、摩耗進行が急激に促進するようになり、一方Alの割合を示すE値が同0.65を越えると、相対的にCrの割合が少なくなり過ぎて、高温強度が急激に低下し、この結果チッピング(微少欠け)などが発生し易くなることから、E値を0.50〜0.65と定めた。
また、Vの割合を示すF値がCrとAlとの合量に占める割合で、0.01未満では、所定の潤滑性を確保することができず、一方同F値が0.09を超えると、高温硬さおよび高温耐酸化性が急激に低下するようになることから、F値を0.01〜0.09と定めた。
さらに、その層厚が2μm未満では、自身のもつすぐれた高温硬さおよび高温耐酸化性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その層厚が6μmを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その層厚を2〜6μmと定めた。
上部層の薄層Aの(Cr,Al,V)NにおけるV成分は、上記の通り相対的に含有割合を著しく高くして、潤滑性を向上させ、もって高熱発生を伴う難削材の高速切削加工に適応させる目的で含有するものであり、したがってB値が0.50未満では所望のすぐれた潤滑性を確保することができず、一方B値が0.70を越えると、層自体が具備すべき高温強度を確保することができなくなり、チッピングが発生し易くなることから、B値を0.50〜0.70と定めた。
また、Alの割合を示すA値がCrとVとの合量に占める割合で、0.01未満では、最低限の高温硬さおよび高温耐酸化性を確保することができず、摩耗促進の原因となり、一方同A値が0.10を超えると、高温強度に低下傾向が現れ、チッピング発生の原因となることから、A値を0.01〜0.10と定めた。
上部層の薄層Bにおいては、上記薄層Aに比してV成分の含有割合を相対的に低くし、かつAl成分の含有割合を相対的に高く維持することで、前記薄層Aに不足する高温硬さおよび高温耐酸化性を具備せしめ、隣接する薄層Aの高温硬さおよび高温耐酸化性不足を補強し、もって、前記薄層Aの有するすぐれた潤滑性と、前記薄層Bの有する相対的に高い高温硬さおよび高温耐酸化性を具備した上部層を形成するものであるが、組成式におけるAlの含有割合を示すC値が0.25未満になると、所定の高温硬さおよび高温耐酸化性を確保することができず、これが摩耗促進の原因となり、一方同C値が0.40を越えると、高温強度が急激に低下するようになり、上部層自体にチッピングが発生し易くなることから、C値を0.25〜0.40と定めた。
また、Vの割合を示すD値がCrとAlとの合量に占める割合で、0.20未満では、上部層全体の潤滑性低下が避けられず、一方同D値が0.35を超えると、上部層全体の高温強度が急激に低下することから、D値を0.20〜0.35と定めた。
それぞれの層厚が5nm未満ではそれぞれの薄層を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果上部層に所望のすぐれた潤滑性、さらに所定の高温硬さと高温耐酸化性を確保することができなくなり、またそれぞれの層厚が20nmを越えるとそれぞれの薄層がもつ欠点、すなわち薄層Aであれば高温硬さと高温耐酸化性不足、薄層Bであれば潤滑性不足が層内に局部的に現れ、これが原因で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、それぞれの層厚を5〜20nmと定めた。
その層厚が0.5μm未満では、自身のもつすぐれた潤滑性および所定の高温硬さと高温耐酸化性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その層厚が1.5μmを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その層厚を0.5〜1.5μmと定めた。
(b)まず、装置内を排気して0.1Pa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基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記下部層形成用Cr−Al−V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、もって基体表面を前記Cr−Al−V合金によってボンバード洗浄し、
(c)装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して3Pa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基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記下部層形成用Cr−Al−V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、もって前記基体の表面に、表3,4に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する(Cr,Al,V)N層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
(d)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基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層A形成用Cr−Al−V合金のカソード電極とアノード電極との間に50〜200Aの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記基体の表面に所定層厚の薄層Aを形成し、前記薄層A形成後、アーク放電を停止し、代って前記薄層B形成用Cr−Al−V合金のカソード電極とアノード電極間に同じく50〜200Aの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、所定層厚の薄層Bを形成した後、アーク放電を停止し(この場合薄層Bの形成から開始してもよい)、再び前記薄層A形成用Cr−Al−V合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Aの形成と、前記薄層B形成用Cr−Al−V合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Bの形成を交互に繰り返し行い、もって前記基体の表面に、層厚方向に沿って表3,4に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Aと薄層Bの交互積層からなる上部層を同じく表3,4に示される全体目標層厚で蒸着形成することにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製スローアウエイチップ(以下、本発明被覆チップと云う)1〜16をそれぞれ製造した。
被削材:JIS・SS400の丸棒、
切削速度:450m/min.、
切り込み:1.2mm、
送り:0.3mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件(切削条件A)での軟鋼の乾式連続高速切削加工試験(通常の切削速度は200m/min.)、
被削材:JIS・SUS316の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:220m/min.、
切り込み:1.0mm、
送り:0.2mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件(切削条件B)でのステンレス鋼の乾式断続高速切削加工試験(通常の切削速度は120m/min.)、
被削材:JIS・SCMnH2の丸棒、
切削速度:220m/min.、
切り込み:1.5mm、
送り:0.2mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件(切削条件C)での高マンガン鋼の乾式連続高速切削加工試験(通常の切削速度は100m/min.)を行い、いずれの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6に示した。
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法をもったJIS・SCMnH2の板材、
切削速度:60m/min.、
溝深さ(切り込み):1.5mm、
テーブル送り:240mm/分、
の条件での高マンガン鋼の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は30m/min.)、本発明被覆エンドミル4〜6および比較被覆エンドミル4〜6については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法をもったJIS・SS400の板材、
切削速度:220m/min.、
溝深さ(切り込み):4mm、
テーブル送り:900mm/分、
の条件での軟鋼の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は100m/min.)、本発明被覆エンドミル7,8および比較被覆エンドミル7,8については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法をもったJIS・SUS304の板材、
切削速度:55m/min.、
溝深さ(切り込み):7mm、
テーブル送り:100mm/分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は30m/min.)をそれぞれ行い、いずれの溝切削加工試験でも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8,9にそれぞれ示した。
被削材−平面:100mm×250、厚さ:50mmの寸法をもったJIS・SS400の板材、
切削速度:100m/min.、
送り:0.2mm/rev、
穴深さ6mm、
の条件での軟鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は45m/min.)、本発明被覆ドリル4〜6および比較被覆ドリル4〜6については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法をもったJIS・SUS316の板材、
切削速度:50m/min.、
送り:0.1mm/rev、
穴深さ10mm、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は25m/min.)、本発明被覆ドリル7,8および比較被覆ドリル7,8については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法をもったJIS・SCMnH2の板材、
切削速度:55m/min.、
送り:0.12mm/rev、
穴深さ20mm、
の条件での高マンガン鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は25m/min.)、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速穴あけ切削加工試験(水溶性切削油使用)でも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8にそれぞれ示した。
Claims (1)
- 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サーメット基体の表面に、
(a)いずれもCrとAlとV(バナジウム)の複合窒化物からなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は0.5〜1.5μm、前記下部層は2〜6μmの層厚をそれぞれ有し、
(b)上記上部層は、いずれも5〜20nm(ナノメ−タ−)の層厚を有する薄層Aと薄層Bの交互積層構造を有し、
上記薄層Aは、
組成式:[Cr1-(A+B)AlAVB]N(ただし、原子比で、Aは0.01〜0.10、Bは0.50〜0.70を示す)を満足するCrとAlとVの複合窒化物層、
上記薄層Bは、
組成式:[Cr1-(C+D)AlCVD]N(ただし、原子比で、Cは0.25〜0.40、Dは0.20〜0.35を示す)を満足するCrとAlとVの複合窒化物層、からなり、
(c)上記下部層は、単一相構造を有し、
組成式:[Cr1-(E+F)AlEVF]N(ただし、原子比で、Eは0.50〜0.65、Fは0.01〜0.09を示す)を満足するCrとAlとVの複合窒化物層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、難削材の高速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サーメット製切削工具。
製切削工具。
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