JP5991529B2 - 耐欠損性と耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
前記特許文献1のように、硬質被覆層内に金属粒子を分散させることにより、膜内部の応力を緩和させ、耐欠損性を向上させることができる。ところが、通常、ターゲットから発生した金属粒子は工具基体表面に付着する前に凝固するため、金属粒子は形状や工具基体表面に対する角度がランダムな状態で皮膜に取り込まれる。球状に形成された粒子や、細長いものでも膜厚方向に縦長の粒子は切削時に抵抗を受けやすく脱落しやすい上、脱落時に膜表面を大きく損傷させてしまい、表面粗度が増すことで耐欠損性が低下するという課題がある。そのため、硬質被覆層内に単純に金属粒子を分散させただけでは、例えば、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材を、耐摩耗性と耐欠損性が同時に必要とされる正面フライスなどの加工形態で加工した場合において、硬質被覆層が欠損を発生しやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
また、金属粒子を膜厚方向に均一に分布させるのではなく、最下面から最表面にかけて漸次減少するように分散分布させることで皮膜内の応力が緩和されるとともに、最表面に存在する金属粒子を少なく抑えることで耐摩耗性が向上することを見出した。筒状ヒーターからの輻射熱による皮膜へのダメージは基体治具に冷却機構を設けることで防ぐことができる。このような機構を有した成膜装置で成膜することで、本発明の特徴を持つ皮膜が形成される。
また、前記複合炭窒化物層または複合窒化物層の表面に、少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物層、炭化物層または炭窒化物層のいずれかであり、ビッカース硬度が2500Hv以上かつ平均層厚0.5〜3.0μmである表面層を備えたことによって、複合炭窒化物層または複合窒化物層の効果と相まって、結果として硬質被覆層が、より一層耐摩耗性を発揮することを見出した。ここで、前述の記載において、「少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素」と「前記元素とSiの群から選ばれる一種以上の元素」とが同じ元素となっても構わない。
また、前記炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体表面と複合炭窒化物層または複合窒化物層との間に、少なくともTi、Crのいずれかの元素を含み、前記元素とAl、Siの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物層または炭窒化物層である平均層厚0.1〜2.0μmの中間層を備えることによって、前述した複合炭窒化物層または複合窒化物層の効果と相まって、結果として硬質被覆層が、より一層耐欠損性を発揮することを見出した。ここで、前述の記載において、「少なくともTi、Crのいずれかの元素」と「前記元素とAl、Siの群から選ばれる一種以上の元素」とが同じ元素となっても構わない。
以上のような知見に基づき、本発明を完成するに至った。
「(1) 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、物理蒸着法によって硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、組成式:(Al1−x−yCrxSiy)(N1−zCz)(但し、0.3≦x≦0.7、0≦y≦0.1、0≦z≦0.3)で表される平均層厚0.5〜8.0μmの複合炭窒化物層または複合窒化物層を少なくとも含み、
前記複合炭窒化物層または複合窒化物層は、構成元素の90原子%以上が金属元素である粒子を含有しており、前記粒子は、断面長径が1.0μm以下、かつその平均値が0.05〜0.5μmであり、前記硬質被覆層中に3〜10%の縦断面面積比率で分散分布し、
前記粒子のうち、構成元素に50原子%以上のAlを含み、かつ縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下である粒子の縦断面面積比率をA%、それ以外の粒子の縦断面面積比率をB%としたとき、
0.3≦A/(A+B)であり、
さらに、前記粒子は縦断面面積比率において最表面で1〜3%、最下面で10〜12%の範囲で分散分布しており、複合炭窒化物層または複合窒化物層の表面側に向けて漸次減少していることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 前記複合炭窒化物層または複合窒化物層の表面に、少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiからなる群から選ばれる1種以上の元素の窒化物層、炭化物層または炭窒化物層のいずれかであり、ビッカース硬さが2500Hv以上かつ平均層厚0.5〜3.0μmである表面層を備えたことを特徴とする(1)記載の表面被覆切削工具。
(3) 前記工具基体と前記複合炭窒化物層または複合窒化物層との間に、少なくともTi、Crのいずれかの元素を含み、前記元素とAl、Siからなる群から選ばれる1種以上の元素の窒化物層または炭窒化物層である平均層厚0.1〜2.0μmの中間層を備えたことを特徴とする(1)または(2)記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
(Al,Cr,Si)(N,C)層からなる複合炭窒化物層または複合窒化物層:
(Al,Cr,Si)(N,C)層(AlとCrとSiの複合炭窒化物層または複合窒化物層)を少なくとも含む硬質被覆層においては、その構成成分であるAl成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、Cr成分が高温強度を向上させ、また、Si成分が耐酸化性を向上させる。さらに、AlとCrとが共存することによって高温耐酸化性を向上させる作用がある。
ところが、(Al,Cr,Si)(N,C)層において、AlとSiとの合量に占めるCrの含有割合が30原子%未満であると、溶着性の高い被削材の正面フライス切削加工において、被削材および切粉に対する耐溶着性を確保することができず、また、高温強度も低下するため、溶着、欠損を発生しやすくなる。一方、AlとSiとの合量に占めるCrの含有割合が70原子%を超えると、相対的なAl含有割合の減少により、高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性が低下する。したがって、AlとSiとの合量に占めるCrの含有割合は、30〜70原子%とすることが望ましい。
なお、複合炭窒化物層または複合窒化物層において、一部のNをCに置き換えることでさらに耐摩耗性を向上させることができるが、Cを含有するほど耐欠損性は低下するので、Nに対するCの含有割合は、0〜30原子%とすることが望ましい。
前述したように、本発明において、断面長径とは、基体表面に垂直な皮膜断面における金属粒子の断面形状で最も長い直径を意味する。内部に金属粒子を含有することで、皮膜内の残留応力が緩和され、膜内の応力分布が均一になるため、耐欠損性が向上する。また、特に高負荷な切削試験においては皮膜表面に生じた亀裂が皮膜内部へ進展するのを防ぐ効果もある。この際、金属粒子の断面長径が1.0μmを超えると皮膜と平行方向に金属粒子が大きく広がることとなるため、炭窒化物膜の柱状の結晶成長が阻害され、その結果、膜の付着強度が低下し、耐欠損性が低下する。また、その平均値が0.05μmより小さいと目的とする応力緩和効果が得られず、0.5μmを超えると粒子径分布が粒子径の大きい方に偏るため所望の分散分布に制御することが困難になる。したがって、(Al,Cr,Si)(N,C)層中における金属粒子の断面長径は、1.0μm以下とし、かつその平均値は、0.05〜0.5μmとする。さらに、その金属粒子の分散割合が縦断面面積比率で3%未満であると、応力緩和効果が十分でなく、10%を超えると耐欠損性が低下する。したがって、金属粒子は、3〜10%の縦断面面積比率で分散分布するように制御する。ここで、本発明における金属粒子とは、構成元素の90原子%以上が金属元素である粒子を意味している。
また、構成元素中の窒素、炭素の合量が増加すると硬度が増し、応力緩和効果の低下や金属粒子自体の脆化を引き起こすため、金属粒子中に含まれる窒素、炭素の量は合量で5原子%以内であることが望ましい。
金属粒子のうち、構成元素に50原子%以上のAlを含み、かつ、特定の縦断面において観察した縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以上である粒子の縦断面面積比率をA%、それ以外の粒子の縦断面面積比率をB%としたとき、A/(A+B)の値が0.3より小さい場合、切削時のこすれ摩耗によって金属粒子が脱落しやすく、また脱落時に膜が深さ方向に大きくえぐられるため、皮膜の表面粗度が増し、耐欠損性の低下を招くため、0.3≦A/(A+B)とする。
金属粒子を膜厚方向に分散させることで切削時に皮膜内に生じる亀裂の進展を防ぐことが出来、耐欠損性が向上する。しかしながら、金属粒子が分散することで皮膜の硬さがやや低下するため、高負荷な切削条件では耐摩耗性が不足することがある。粒子の断面面積比率を膜厚方向に制御することで表面側の耐摩耗性を維持しつつ、粒子の効果を得ることが可能で、より高負荷な切削条件で効果を発揮する。また、亀裂は金属粒子に達した後、金属と皮膜との界面に広がる。金属粒子分散層と非分散層の界面が明確に存在すると、その界面に亀裂が局所的に集中するため、つなぎ目で破壊が起こりやすくなる。表面側に向けて金属粒子が漸次減少するように分散させることで、表面の耐摩耗性を保ちつつ、耐欠損性を向上させるとともに、膜内に発生する応力を緩和することができ、さらに亀裂の局所集中を抑えることで異常損傷を抑えられる。
しかしながら、金属粒子の縦断面面積比率が最表面で1%未満になると、亀裂の進展を防ぐ効果が十分に奏されなくなる。一方、最下面で12%を超えると前述した結晶成長の阻害により付着力が低下し、耐欠損性が低下する。また、最表面で3%を超え、最下面で10%未満となると、結果として最表面と最下面の分布勾配が小さくなり、前述した亀裂の進展防止効果が発揮されなくなる。そこで、最表面で1〜3%、最下面で10〜12%の範囲で分散分布させるとともに、皮膜表面側に向けて漸次減少させることにより、すぐれた亀裂の進展防止効果を得ることが出来る。
本発明では複合炭窒化物層または複合窒化物層内部の金属粒子が内部応力を緩和することで耐欠損性を向上させるが、一方で、内部の金属粒子量が増加すると、複合炭窒化物層または複合窒化物層全体の硬さが低下し、耐摩耗性がやや低下する。そこで、前記複合炭窒化物層または複合窒化物層の表面に硬度の高い皮膜を設けることで、総合的な切削性能をさらに向上させることができる。しかしながら、その平均層厚が0.5μm未満では、前記表面層の効果が十分に奏されず、一方、3.0μmを超えると皮膜内部の応力が高まり、チッピングの発生を招くため好ましくない。したがって、その平均層厚は、0.5〜3.0μmと定めた。さらに、表面層のビッカース硬さが2500Hv未満では、耐摩耗性を向上させる作用が十分でないため、2500Hv以上と定めた。
本発明では複合炭窒化物層または複合窒化物層内部の金属粒子が内部応力を緩和することで耐欠損性を向上させるが、一方で、複合炭窒化物層または複合窒化物層内部の金属粒子量が増加すると、皮膜の柱状の結晶成長を阻害し、密着力がやや低下する。そこで、前記複合炭窒化物層または複合窒化物層と基材との間に、複合炭窒化物層または複合窒化物層の構成成分を含む親和性の高い皮膜を設けることで、さらに切削性能を向上させることができる。しかしながら、その平均層厚が0.1μm未満では、前記中間層の効果が十分に奏されず、一方、2.0μmを超えると皮膜内部の応力が高まり、剥離の発生を招くため好ましくない。したがって、その平均層厚は、0.1〜2.0μmと定めた。
さらに複合炭窒化物層または複合窒化物層の表面に、平均層厚0.5〜3.0μmでビッカース硬さが2500Hv以上である少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiからなる群から選ばれる1種以上の元素の窒化物層、炭化物層または炭窒化物層からなる表面層を形成した場合には、前記の効果に加えてすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
また、工具基体と複合炭窒化物層または複合窒化物層との間に、平均層厚0.1〜2.0μmである少なくともTi、Crのいずれかの元素を含み、前記元素とAl、Siからなる群から選ばれる1種以上の元素の窒化物層または炭窒化物層からなる中間層を形成した場合には、前記の効果に増してさらにすぐれた耐欠損性を発揮するものである。
つぎに、前記本発明被覆工具1〜10および比較被覆工具1〜10について、以下に示す条件で、炭素鋼の高速正面フライス切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。なお、切削にはSE445R0506Eのカッタを使用し、単刃にて実施した。
切削速度: 330m/min(回転速度: 841/min)
送り量: 0.1mm/刃、
切り込み: 2mm、
切削幅: 60mm、センターカット
切削時間: 5 分、
切削油剤: 乾式切削
表6に、前記切削試験の結果を示す。
表3、5、6に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層に少なくとも含まれる(Al,Cr,Si)(N,C)層中に断面長径0.05〜0.5μmの金属粒子が3〜10%の縦断面面積比率で最下面側から最表面側に向けて漸次減少するように分散分布しており、金属粒子のうち、構成元素が50原子%以上のAlを含み、縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下である粒子の縦断面面積比率をA%、それ以外の粒子の縦断面面積比率をB%としたとき、0.3≦A/(A+B)であることから、正面フライス加工においてすぐれた耐欠損性を示し、その結果、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
さらに、複合炭窒化物層または複合窒化物層の表面に、少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiの群から選ばれる1種以上の元素の窒化物層、炭化物層または炭窒化物層のいずれかであり、ビッカース硬さが2500Hv以上かつ平均層厚0.5〜3.0μmである表面層を備えることにより、より一層の耐摩耗性を発揮する。
また、工具基体と複合炭窒化物層または複合窒化物層との間に、少なくともTi、Crのいずれかの元素を含み、前記元素とAl、Siからなる群から選ばれる1種以上の元素の窒化物層または炭窒化物層である平均層厚0.1〜2.0μmの中間層を備えることにより、より一層の耐欠損性を発揮する。
Claims (3)
- 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、物理蒸着法によって硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、組成式:(Al1−x−yCrxSiy)(N1−zCz)(但し、0.3≦x≦0.7、0≦y≦0.1、0≦z≦0.3)で表される平均層厚0.5〜8.0μmの複合炭窒化物層または複合窒化物層からなり、
前記硬質被覆層は、構成元素の90原子%以上が金属元素である粒子を含有しており、前記粒子は、断面長径が1.0μm以下、かつその平均値が0.05〜0.5μmで前記硬質被覆層中に3〜10%の縦断面面積比率で分散分布し、
前記粒子のうち、構成元素に50原子%以上のAlを含み、かつ縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下である粒子の縦断面面積比率をA%、それ以外の粒子の縦断面面積比率をB%としたとき、
0.3≦A/(A+B)であり、
さらに、前記粒子は縦断面面積比率において最表面で1〜3%、最下面で10〜12%の範囲で分散分布しており、硬質被覆層の表面側に向けて漸次減少していることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記複合炭窒化物層または複合窒化物層の表面に、少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiの群から選ばれる1種以上の元素の窒化物層、炭化物層または炭窒化物層のいずれかであり、ビッカース硬さが2500Hv以上かつ平均層厚0.5〜3.0μmである表面層を備えたことを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記工具基体と前記複合炭窒化物層または複合窒化物層との間に、少なくともTi、Crのいずれかの元素を含み、前記元素とAl、Siからなる群から選ばれる1種以上の元素の窒化物層または炭窒化物層である平均層厚0.1〜2.0μmの中間層を備えたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の表面被覆切削工具。
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