JP6221872B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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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、チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等を、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,Cr)(ON)層は、耐摩耗性があり、酸素を所定量含有することで耐熱性を向上させることができる。
(2)(Al,Mn)(ON)層は、Mn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、Al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,Mnの複合酸窒化物とすることで、各々の酸化物と比べ耐摩耗性が向上する。その結果、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。
(3)しかしながら、前述の(Al,Cr)(ON)層、(Al,Mn)(ON)層をそれぞれ単独で用いた場合、(Al,Cr)(ON)層だけでは、耐摩耗性は確保できたとしても耐熱性に乏しく、逆に、(Al,Mn)(ON)層を単独で用いた場合、耐熱性は確保できても、耐摩耗性に乏しく切削工具の硬質被覆層として実用的ではない。また、それぞれの層の層厚を厚くして耐摩耗性を稼ごうとすると、層内に生じる残留圧縮応力の関係でチッピングが生じやすくなり、長期に亘って切削性能を維持することができない。
「(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、
前記硬質被覆層が、
(a)前記工具基体表面に形成された0.55〜5.5μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−eCre)N(ここで、eはAlとCrの合量に占めるCrの含有割合を示し、原子比で、0.25≦e≦0.55である)を満足する下地層と、
(b)0.1〜1.0μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−aCra)(O1−bNb)(ここで、aはAlとCrの合量に占めるCrの含有割合を示し、原子比で、0.25≦a≦0.55である。また、bはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.50≦b≦0.95)を満足するAlとTiとの複合窒酸化物層からなる薄層Aと、
(c)0.05〜0.5μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−cMnc)(O1−dNd)(ここで、cはAlとMnの合量に占めるMnの含有割合を示し、原子比で、0.10≦c≦0.50である。また、dはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.01≦d≦0.50)を満足するAlとMnとの複合窒酸化物層からなる薄層Bであり、
前記下地層の上に前記薄層Aおよび薄層Bが交互積層し、前記下地層の層厚の方がその上部に形成した交互積層の合計層厚よりも厚く、前記薄層Aの層厚は薄層Bの層厚よりも厚く、硬質被覆層全体の合計層厚が1.0〜10.0μm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。
本発明に係る後述する薄層Aと薄層Bは、化学的に安定であることから、工具基体とも結合しにくい。すなわち、薄層Aおよび薄層Bは工具基体表面との高い密着性を得難いため、工具基体との間に下地層を設ける必要がある。下地層としては、工具基体表面との密着性にすぐれた窒化物が好適に用いられる。下地層を形成する窒化物の一部が酸化物となると工具基体表面との密着性が低下する。そのため、下地層として形成する窒化物は、その酸化開始温度が十分に高く、皮膜の形成時に酸化しないことが条件となる。下地層に用いる窒化物を組成式:(Al1−eCre)Nで表したとき、eの値が、原子比で、0.25≦e≦0.55である場合、酸化開始温度が1100℃程度となるため、切削時の高圧・高温環境下でAlが酸化し、非晶質Al2O3の保護膜を形成するため、熱的にも安定しており、高速切削時の耐摩耗性がすぐれている。
また、下地層の平均層厚が、0.55μm未満では、下地層に要求される耐摩耗性を十分に確保することができず、一方、5.5μmを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、下地層の平均層厚は、0.55〜5.5μmと定めた。
したがって、工具基体上には0.55〜5.5μmの平均層厚を有し、組成式:(Al1−eCre)N(ここで、eはAlとCrの合量に占めるCrの含有割合を示し、原子比で、0.25≦e≦0.55である)を満足する下地層を形成する。
後述する薄層Bと共に交互積層構造を構成する薄層Aの(Al1−aCra)(O1−bNb)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Cr成分によって、すぐれた高温強度と高温潤滑性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との合量に占めるCrの含有割合を示すa値(原子比、以下同じ)が0.25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Crの含有割合を示すa値が0.55を越えると、相対的にAlの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ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、a値を0.25〜0.55と定めた。
OとNの合量に占めるNの含有割合を示すb(原子比)は、(Al,Cr)(ON)層の高硬度するために必須の成分Nの含有割合である。その効果を十分なものとするためには、OとNの合量に対して半分以上を占めている必要がある。しかしながら、bが0.95を超えてしまうと、相対的にOの含有割合が0.05未満となってしまい、Oの添加により耐熱性を向上させるという効果が十分に奏されなくなる。したがって、a値を0.50〜0.95と定めた。
前述した薄層Aと共に交互積層構造を構成する薄層Bの(Al1−cMnc)(O1−dNd)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Mn成分によって、すぐれた高温安定性を備えるようになり、また、Al、Mnの複合酸窒化物とすることで各々の酸化物と比べて耐摩耗性が向上する。その結果、切削成分によって、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との合量に占めるMnの含有割合を示すc値(原子比、以下同じ)が0.10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Mnの含有割合を示すc値が0.50を越えると、相対的にAlの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ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、c値を0.10〜0.50と定めた。
OとNの合量に占めるOの含有割合を示す1−d(原子比)は、(Al,Mn)(ON)層の耐熱性を向上させるために必須の成分Oの含有割合である。その効果を十分なものとするためには、OとNの合量に対して半分以上を占めている必要がある。しかしながら、1−dが0.99を超えてしまうと、相対的にNの含有割合が0.01未満となってしまい、Nの添加により硬度を向上させるという効果が十分に奏されなくなる。したがって、d値を0.01以上0.50以下と定めた。
本発明の硬質被覆層は、それぞれの組成の異なる薄層Aと薄層Bとを交互に積層して構成した交互積層構造とすることで、それぞれの層の粒子の成長の粗大化が防止され、粒子の微細化が図られ、膜強度が向上するとともに、この積層構造によってクラックの伝播・進展が防止されることで耐欠損性、耐チッピング性が向上するが、薄層Aの平均層厚が0.1μm未満、薄層Bの平均層厚が0.05μm未満になると、各薄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、各薄層の有する前記のすぐれた特性を発揮することができない。一方、薄層Aの平均層厚が1.0μm、薄層Bの平均層厚が0.5μm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ことから、薄層A、薄層Bのそれぞれの平均層厚を0.1〜1.0μmおよび0.05〜0.5μmと定めた。
また、前述した下地層と、薄層Aおよび薄層Bとの交互積層構造とを加えた硬質被覆層の合計層厚は、1.0μm未満では、前述した交互積層構造の備えるすぐれた耐欠損性、耐チッピング性を十分に発揮することができず、一方、10.0μmを超えると、反対に、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、硬質被覆層の合計層厚は、1.0〜10.0μmと定めた。
更に、下地層の層厚(X)の方がその上部に形成した薄層Aおよび薄層Bの交互積層の合計層厚(Y)よりも薄くなると、総厚に占める硬質膜の割合が相対的に下がってしまい、耐摩耗性を十分に確保することができないため、下地層の層厚(X)と薄層Aおよび薄層Bの交互積層の合計層厚(Y)の関係をX>Yと定めた。
(a)アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Cr合金との間に、例えば、電流:110A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、5.0Paの反応雰囲気とし、工具基体には、例えば、−70Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の下地層である(Al,Cr)N層が形成される。
(b)アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Cr合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が50:50)とし、工具基体には、例えば、−100Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の薄層Aである(Al,Cr)(ON)層が形成される。
(c)ついで、装置内に所定組成のAl−Mn合金からなるカソード電極(蒸発源)を配置し、アノード電極とカソード電極(蒸発源)としてのAl−Mn合金との間に、例えば、電流:110Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が50:50)とし、一方、工具基体には、例えば、−100Vのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、前記薄層A上に所定の目標層厚の薄層Bを構成する(Al,Mn)(ON)層が形成される。
前記(b)、(c)を所定の合計層厚になるまで、交互に繰り返すことにより、本発明の硬質被覆層を蒸着形成することができる。
(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Al−Cr合金(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−Cr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、目標層厚の下地層としての(Al,Cr)N層を蒸着形成した。
(d)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が50:50)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−Cr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、目標層厚の薄層Aとしての(Al,Cr)(ON)層を蒸着形成した。
(e)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が50:50)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−50〜−150Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Al−Mn合金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、前記薄層Aの上に、表3に示される目標組成、目標層厚の薄層Bとしての(Al,Mn)(ON)層を蒸着形成した後、カソード電極(蒸発源)とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
前記(d)、(e)を交互に繰り返して、表3に示される合計層厚の交互積層を工具基体上の下地層の上に蒸着形成し、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−6およびB−1〜B−4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2つのカソード電極(蒸発源)を配置し、第1の電極として、薄層A形成用の所定組成を有するAl−Cr合金、第2の電極として、薄層B形成用の所定組成を有するAl−Mn合金を配置し、
(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−Cr合金(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−Cr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4に示される目標組成、目標層厚の下地層としての(Al,Cr)N層を蒸着形成した。
(d)次に装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば、酸素:窒素の流量%の比が90:10)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−Cr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4に示される目標組成、目標層厚の薄層Aとしての(Al,Cr)(ON)層を蒸着形成した。
(e)引き続いて、装置内雰囲気を0.5〜9.0Paの酸素窒素混合雰囲気(例えば酸素:窒素の流量%の比が5:95)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〜−500Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Al−Mn合金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、工具基体の表面に、表4に示される目標組成、目標層厚の薄層Bとしての(Al,Mn)(ON)層を蒸着形成した後、カソード電極(蒸発源)とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
前記(d)、(e)を交互に繰り返して、表4に示される合計層厚の交互積層を下地層の上に蒸着形成し、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)1〜6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4に示す。なお、比較被覆インサート1については、交互積層の形成を行わず、(Al,Cr)N層のみからなる硬質被覆層とした。
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: 55 m/min.、
切り込み: 2.0 mm、
送り: 0.20 mm/rev.、
切削時間: 6 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: 145 m/min.、
切り込み: 2.5mm、
送り: 0.3mm/rev.、
切削時間: 9 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、120 m/min.、0.3 mm/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: 115 m/min.、
切り込み: 2.5 mm、
送り: 0.25 mm/rev.、
切削時間: 11 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、100 m/min.、2.0mm.、0.2 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5、表6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: 135mm/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、50 m/min.および1.0 mm)、
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7、8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: 60 m/min.、
送り: 0.20 mm/rev、
穴深さ: 25 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9、10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、
前記硬質被覆層が、
(a)前記工具基体表面に形成された0.55〜5.5μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−eCre)N(ここで、eはAlとCrの合量に占めるCrの含有割合を示し、原子比で、0.25≦e≦0.55である)を満足する下地層と、
(b)0.1〜1.0μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−aCra)(O1−bNb)(ここで、aはAlとCrの合量に占めるCrの含有割合を示し、原子比で、0.25≦a≦0.55である。また、bはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.50≦b≦0.95)を満足するAlとTiとの複合窒酸化物層からなる薄層Aと、
(c)0.05〜0.5μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Al1−cMnc)(O1−dNd)(ここで、cはAlとMnの合量に占めるMnの含有割合を示し、原子比で、0.10≦c≦0.50である。また、dはOとNの合量に占めるNの含有割合を示し、原子比で、0.01≦d≦0.50)を満足するAlとMnとの複合窒酸化物層からなる薄層Bであり、
前記下地層の上に前記薄層Aおよび薄層Bが交互積層し、前記下地層の層厚の方がその上部に形成した交互積層の合計層厚よりも厚く、前記薄層Aの層厚は薄層Bの層厚よりも厚く、硬質被覆層全体の合計層厚が1.0〜10.0μmであることを特徴とする表面被覆切削工具。
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-
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