説明

表面被覆切削工具

【課題】溶着性の高い被削材の高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】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からなる工具基体の表面に、(a)下部層として、0.5〜5μmの平均層厚の(Al1−XTi)Nを満足する(但し、Xは原子比で0.3≦X≦0.7)AlとTiの複合窒化物層、(b)中間層として、0.5〜5μmの平均層厚の(Al1−αCrα)Nを満足する(但し、αは原子比で0.2≦α≦0.6)を満足するAlとCrの複合窒化物層、(c)上部層として、0.2〜0.6μmの平均層厚の(Al1−XTi)Nを満足する(但し、Xは原子比で0.3≦X≦0.7)AlとTiの複合窒化物層、を設ける。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みなど高速重切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具(以下、被覆工具という)に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、また前記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。
【0003】
従来、被覆工具の一つとして、例えば、炭化タングステン(以下、WCで示す)基超硬合金または炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)基サーメットで構成された基体(以下、工具基体という)の表面に、
(a)組成式:(Al1-XTi)N(ただし、原子比で、0.3≦X≦0.7)、
を満足するAlとTiの複合窒化物[以下、(Al,Ti)Nで示す]層からなる下部層、
(b)組成式:(Al1−αCrα)N(ただし、原子比で、0.2≦α≦0.6)、を満足するAlとCrの複合窒化物[以下、(Al,Cr)Nで示す]層からなる上部層、
上記(a)、(b)からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が知られており、そして、これを各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いた場合にすぐれた耐欠損性を発揮することも知られている。
【0004】
さらに、上記の被覆工具が、例えば図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上記の工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば500℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成のAl−Ti合金がセットされたカソード電極(蒸発源)との間に、例えば電流:90A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2Paの反応雰囲気とし、一方上記工具基体には、例えば−100Vのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、上記(Al,Ti)N層を下部層として蒸着形成した後、Al−Cr合金がセットされたカソード電極(蒸発源)とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、上記下部層の表面に、(Al,Cr)N層を上部層として蒸着形成することにより製造されることも知られている。
【特許文献1】特開2005−262388号公報
【特許文献2】特開2005−305576号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年の切削加工装置のFA化はめざましく、一方で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、これに伴って切削加工は一段と高速化する傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを各種鋼、鋳鉄などの通常の切削条件下での切削加工に用いた場合には問題はないが、特に、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合には、硬質被覆層は切削時に発生する高熱によって過熱され、かなりの温度上昇が避けられず、その結果、硬質被覆層が熱塑性変形をおこしたり、あるいは、偏摩耗を生じたりして、摩耗進行が促進され、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【0006】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に軟鋼、ステンレス鋼等の溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴うとともに、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切込みなどの高速重切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、上記の従来被覆工具に着目し研究を行った結果、
硬質被覆層の下部層が(Al,Ti)N層、また、上部層が(Al,Cr)N層で構成されている上記従来被覆工具において、下部層の構成成分であるAlは高温硬さと耐熱性を向上させ、Tiは高温強度を向上させることから、(Al,Ti)N層からなる下部層は、すぐれた耐摩耗性、耐欠損性を備え、また、(Al,Cr)N層からなる上部層はすぐれた高温硬さ、高温強度とともにすぐれた高温耐酸化性を備え、特に軟鋼、ステンレス鋼などの溶着性の高い被削材に対する耐溶着性を向上させるが、上記(Al,Cr)N層を中間層とし、この上に、さらに上部層として、層厚の薄い(Al,Ti)N層を蒸着形成すると、この層厚の薄い(Al,Ti)N層からなる上部層は、上記(Al,Cr)N層からなる中間層に比して、高温硬さにすぐれかつ耐熱性にも優れているため、高熱発生を伴い、しかも、切刃部に高負荷がかかる軟鋼、ステンレス鋼などの溶着性の高い被削材の高速重切削加工において、上記(Al,Cr)N層からなる中間層の有する耐溶着性を何ら損なうことなく、硬質被覆層全体としての耐摩耗性、耐欠損性をより一層向上させる、
という知見を得た。
【0007】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「 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、
(a)下部層として、0.5〜5μmの平均層厚を有し、
組成式:(Al1−XTi)N
で表した場合、0.3≦X≦0.7(但し、X値は原子比)を満足する平均組成のAlとTiの複合窒化物層、
(b)中間層として、0.5〜5μmの平均層厚を有し、
組成式:(Al1−αCrα)N
で表した場合、0.2≦α≦0.6(但し、α値は原子比)を満足する平均組成のAlとCrの複合窒化物層、
(c)上部層として、0.2〜0.6μmの平均層厚を有し、
組成式:(Al1−XTi)N
で表した場合、0.3≦X≦0.7(但し、X値は原子比)を満足する平均組成のAlとTiの複合窒化物層、
上記(a)〜(c)で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【0008】
つぎに、この発明の被覆工具の各層について、詳細に説明する。
【0009】
(a)下部層
AlとTiの複合窒化物層((Al,Ti)N層)からなる硬質被覆層の下部層におけるAl成分には高温硬さ、耐熱性を向上させ、一方、同Ti成分には高温強度を向上させる作用があり、下部層ではAl成分の含有割合を多くして、高い高温硬さを具備せしめるが、下部層の平均組成を、
組成式:(Al1−XTi)N
で表した場合、Alとの合量に占めるTiの含有割合を示すX値が割合(原子比、以下同じ)で0.3未満では、相対的にAlの割合が多くなって、すぐれた高温硬さは得られるものの十分な高温強度を確保することができないため、耐欠損性が低下するようになり、一方、Tiの割合を示す同X値が同0.7を越えると、相対的にAlの割合が少なくなり過ぎて、高温硬さが急激に低下し、この結果、摩耗進行が急激に促進するようになることから、X値を0.3〜0.7と定めた。
また、その平均層厚が0.5μm未満では、自身のもつすぐれた高温硬さ、高温強度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、その平均層厚が5μmを越えると、チッピングが発生し易くなることから、下部層の平均層厚を0.5〜5μmと定めた。
【0010】
(b)中間層
中間層は、AlとCrの複合窒化物層((Al,Cr)N層)で構成されており、その構成成分であるAl成分には高温硬さと耐熱性を向上させ、同Cr成分には高温強度を向上させ、また、CrとAlの共存含有によって高温耐酸化性を向上させる作用がある。
中間層の平均組成を、
組成式:(Al1−αCrα)N
で表したとき、Alとの合量に占めるCrの含有割合を示すα値(原子比)が、0.2未満であると、溶着性の高い被削材の高速重切削加工において、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り、一方、α値(原子比)が0.6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ので、Alとの合量に占めるCrの含有割合(α値)(但し、原子比)を、0.2≦α≦0.6と定めた。
さらに、中間層の平均層厚が0.5μm未満では、自身のもつすぐれた耐溶着性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方その平均層厚が5μmを越えると、高速重切削加工で切刃部に欠損が発生し易くなることから、その平均層厚は0.5〜5μmと定めた。
【0011】
(c)上部層
中間層の表面に、層厚の薄い(Al,Ti)N層を上部層として蒸着形成すると、この層厚の薄い(Al,Ti)N層は、上記(Al,Cr)N層からなる中間層に比して、高温硬さにすぐれかつ耐熱性にも優れているため、高熱発生を伴い、しかも、切刃部に高負荷がかかる軟鋼、ステンレス鋼などの溶着性の高い被削材の高速重切削加工において、上記(Al,Cr)N層からなる中間層の有する耐溶着性を何ら損なうことなく、硬質被覆層全体としての耐摩耗性、耐欠損性をより一層向上させることができる。
上部層の平均組成は、下部層のそれと同じでよく、
組成式:(Al1−XTi)N
で表した場合、X値(但し、原子比)は、0.3≦X≦0.7を満足する値とする。X値が、この範囲から外れた場合には、下地層の場合と同様、耐欠損性あるいは耐摩耗性が低下する。
また、上部層の層厚は、中間層の層厚より薄く、かつ、0.2〜0.6μmとすることが必要である。上部層の層厚が0.2μm未満では、耐摩耗性、耐欠損性の向上を期待することはできず、一方、上部層の層厚が0.6μmを超えると、溶着性の高い被削材に対する耐溶着性が低下し、欠損の原因となるからである。
【発明の効果】
【0012】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層の下部層を構成する(Al,Ti)N層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を有し、中間層を構成する(Al,Cr)N層がすぐれた高温硬さ、高温強度、高温耐酸化性と耐溶着性を具備し、また、上部層を構成する層厚の薄い(Al,Ti)N層が、耐溶着性を損なうことなく、耐摩耗性、耐欠損性を向上させるので、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性、高温耐酸化性および耐溶着性を備え、その結果、軟鋼、ステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件下で切削加工した場合にも、被削材および切粉との溶着の発生はなく、しかも、硬質被覆層に熱塑性変形、偏摩耗、欠損が生じることもなく、長期に亘ってすぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例1】
【0014】
原料粉末として、いずれも1〜3μmの平均粒径を有するWC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr粉末、TiN粉末、TaN粉末、および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、100MPa の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を6Paの真空中、温度:1400℃に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:0.03のホーニング加工を施してISO規格・CNMG120408のチップ形状をもったWC基超硬合金製の工具基体A−1〜A−10を形成した。
【0015】
また、原料粉末として、いずれも0.5〜2μmの平均粒径を有するTiCN(質量比で、TiC/TiN=50/50)粉末、MoC粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末、およびNi粉末を用意し、これら原料粉末を、表2に示される配合組成に配合し、ボールミルで24時間湿式混合し、乾燥した後、100MPaの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を2kPaの窒素雰囲気中、温度:1500℃に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:0.03のホーニング加工を施してISO規格・CNMG120408のチップ形状をもったTiCN基サーメット製の工具基体B−1〜B−6を形成した。
【0016】
(a)ついで、上記の工具基体A−1〜A−10およびB−1〜B−6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そって装着し、また、カソード電極(蒸発源)として、所定組成のAl−Ti合金およびAl−Cr合金を配置し、
(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合金からなる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、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して4Pa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工具基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、上記Al−Ti合金からなるカソード電極(蒸発源)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、前記工具基体の表面に、表3、表4に示される目標平均組成、目標平均層厚の(Al,Ti)N層からなる下部層を蒸着形成し、
(d)次に、同じく4Paの窒素ガス雰囲気中で、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、上記Al−Cr合金からなるカソード電極(蒸発源)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、前記下部層の表面に、同じく表3、表4に示される目標平均組成、目標平均層厚の(Al,Cr)N層からなる中間層を蒸着形成し、
(e)次に、装置内雰囲気を窒素ガス雰囲気としたまま、4Paのアルゴンガス雰囲気中で、上記Al−Ti合金からなるカソード電極(蒸発源)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、表4に示される目標平均組成および目標平均層厚の(Al,Ti)N層からなる上部層を蒸着形成し、
本発明被覆工具としての本発明表面被覆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。
【0017】
比較の目的で、
(a)上記工具基体A−1〜A−10およびB−1〜B−6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そって装着し、また、カソード電極(蒸発源)として、所定組成のAl−Ti合金およびAl−Cr合金を配置し、
(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合金からなる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、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して4Pa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工具基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、上記Al−Ti合金からなるカソード電極(蒸発源)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、前記工具基体の表面に、表5、表6に示される目標平均組成、目標平均層厚の(Al,Ti)N層からなる下部層を蒸着形成し、
(d)次に、同じく4Paの窒素ガス雰囲気中で、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ、上記Al−Cr合金からなるカソード電極(蒸発源)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、前記下部層の表面に、同じく表5、表6に示される目標平均組成、目標平均層厚の(Al,Cr)N層からなる上部層(表3、表5中で、(注)を付した中間層がこれに相当)を蒸着形成し、
比較被覆工具としての比較表面被覆スローアウエイチップ(以下、比較被覆チップと云う)1〜16をそれぞれ製造した。
【0018】
つぎに、上記の各種の被覆チップを、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆チップ1〜16および比較被覆チップ1〜16について、
被削材:JIS・S10Cの丸棒、
切削速度: 230 m/min.、
切り込み: 1.6 mm、
送り: 0.45 mm/rev.、
切削時間: 10 分、
の条件(切削条件A)での軟鋼の乾式高速連続高送り切削加工試験(通常の切削速度、送りは、それぞれ、150m/min.、0.3mm/rev.)、
被削材:JIS・SUS304の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 270 m/min.、
切り込み: 2.4 mm、
送り: 0.3 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件B)でのステンレス鋼の湿式高速断続高切込み切削加工試験(通常の切削速度、切込みは、それぞれ、180m/min.、1.5mm)、
被削材:JIS・S55Cの丸棒、
切削速度: 300 m/min.、
切り込み: 1.5 mm、
送り: 0.5 mm/rev.、
切削時間: 10 分、
の条件(切削条件C)での炭素鋼の乾式高速連続高送り切削加工試験(通常の切削速度、送りは、それぞれ、180m/min.、0.3mm/rev.)、
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7に示した。
【0019】
【表1】

【0020】
【表2】

【0021】
【表3】

【0022】
【表4】

【0023】
【表5】

【0024】
【表6】

【0025】
【表7】

【実施例2】
【0026】
原料粉末として、平均粒径:5.5μmを有する中粗粒WC粉末、同0.8μmの微粒WC粉末、同1.3μmのTaC粉末、同1.2μmのNbC粉末、同1.2μmのZrC粉末、同2.3μmのCr粉末、同1.5μmのVC粉末、同1.0μmの(Ti,W)C[質量比で、TiC/WC=50/50]粉末、および同1.8μmのCo粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表8に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で24時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、100MPaの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、6Paの真空雰囲気中、7℃/分の昇温速度で1370〜1470℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に1時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が8mm、13mm、および26mmの3種の工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の3種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表8に示される組合せで、切刃部の直径×長さがそれぞれ6mm×13mm、10mm×22mm、および20mm×45mmの寸法、並びにいずれもねじれ角30度の4枚刃スクエア形状をもったWC基超硬合金製の工具基体(エンドミル)C−1〜C−8をそれぞれ製造した。
【0027】
ついで、これらの工具基体(エンドミル)C−1〜C−8の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、表9に示される目標平均組成および目標平均層厚の(Al,Ti)N層を下部層として、同じく表9に示される目標平均組成および目標平均層厚の(Al,Cr)N層を中間層として、同じく表9に示される目標平均組成、目標平均層厚の(Al,Ti)N層を上部層として蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明表面被覆超硬製エンドミル(以下、本発明被覆エンドミルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0028】
比較の目的で、上記の工具基体(エンドミル)C−1〜C−8の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示される一つのカソード電極(蒸発源)を備えたアークイオンプレーティング装置に装入し、上記比較例1と同一の条件で、表10に示される目標平均組成および目標平均層厚の(Al,Ti)N層からなる下部層、(Al,Cr)N層からなる上部層(本発明でいう中間層に相当)を蒸着することにより、
比較被覆工具としての比較表面被覆超硬製エンドミル(以下、比較被覆エンドミルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0029】
つぎに、上記本発明被覆エンドミル1〜8および比較被覆エンドミル1〜8のうち、
本発明被覆エンドミル1〜3および比較被覆エンドミル1〜3については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUS304の板材、
切削速度: 90 m/min.、
溝深さ(切り込み): 4.5 mm、
テーブル送り: 130 mm/分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速高切込み溝切削加工試験(通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、50m/min.、3mm)、
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−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S55Cの板材、
切削速度: 150 m/min.、
溝深さ(切り込み): 5 mm、
テーブル送り: 380 mm/分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、100m/min.、240mm/分)、
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−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S10Cの板材、
切削速度: 160 m/min.、
溝深さ(切り込み): 18 mm、
テーブル送り: 250 mm/分、
の条件での軟鋼の乾式高速高切込み溝切削加工試験(通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、100m/min.、12mm)、
をそれぞれ行い、いずれの高速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9、10にそれぞれ示した。
【0030】
【表8】

【0031】
【表9】

【0032】
【表10】

【実施例3】
【0033】
上記の実施例2で製造した直径が8mm(工具基体C−1〜C−3形成用)、13mm(工具基体C−4〜C−6形成用)、および26mm(工具基体C−7、C−8形成用)の3種の丸棒焼結体を用い、この3種の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ4mm×13mm(工具基体D−1〜D−3)、8mm×22mm(工具基体D−4〜D−6)、および16mm×45mm(工具基体D−7、D−8)の寸法、並びにいずれもねじれ角30度の2枚刃形状をもったWC基超硬合金製の工具基体(ドリル)D−1〜D−8をそれぞれ製造した。
【0034】
ついで、これらの工具基体(ドリル)D−1〜D−8の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、表12に示される目標平均組成および目標平均層厚の(Al,Ti)N層を下部層として、同じく表11に示される目標平均組成および目標平均層厚の(Al,Cr)N層を中間層として、同じく表11に示される目標平均組成および目標平均層厚の(Al,Ti)N層を上部層として蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明表面被覆超硬製ドリル(以下、本発明被覆ドリルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0035】
比較の目的で、上記の工具基体(ドリル)D−1〜D−8の表面に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図1に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、上記比較例1と同一の条件で、表12に示される目標平均組成および目標平均層厚の(Al,Ti)N層を下部層として、同じく表12に示される目標平均組成および目標平均層厚の(Al,Cr)N層からなる上部層(本発明でいう中間層に相当)を蒸着形成することにより、
比較被覆工具としての比較表面被覆超硬製ドリル(以下、比較被覆ドリルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0036】
つぎに、上記本発明被覆ドリル1〜8および比較被覆ドリル1〜8のうち、本発明被覆ドリル1〜3および比較被覆ドリル1〜3については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S55Cの板材、
切削速度: 150 m/min.、
送り: 0.25 mm/rev、
穴深さ: 8 mm、
の条件での炭素鋼の湿式高速高送り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、80m/min.、0.15mm)、
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−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S10Cの板材、
切削速度: 130 m/min.、
送り: 0.40 mm/rev、
穴深さ: 15 mm、
の条件での軟鋼の湿式高速高送り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、80m/min.、0.25mm)、
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−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUS304の板材、
切削速度: 140 m/min.、
送り: 0.35 mm/rev、
穴深さ: 28 mm、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速高送り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、80m/min.、0.20mm)、
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11、12にそれぞれ示した。
【0037】
【表11】

【0038】
【表12】

【0039】
この結果得られた本発明被覆工具としての本発明被覆チップ1〜16、本発明被覆エンドミル1〜8および本発明被覆ドリル1〜8の硬質被覆層の下部層を構成する(Al,Ti)N層、中間層を構成する(Al,Cr)N層、上部層を構成する(Al,Ti)N層の組成、並びに、比較被覆工具としての比較被覆チップ1〜16、比較被覆エンドミル1〜8および比較被覆ドリル1〜8の下部層を構成する(Al,Ti)N層、上部層(本発明の中間層に相当)を構成する(Al,Cr)N層の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散X線分析法により測定したところ、それぞれの目標組成と実質的に同じ組成を示した。
【0040】
また、上記本発明被覆工具および比較被覆工具の硬質被覆層を構成する前記各層の平均層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値(5ヶ所の平均値)を示した。
【0041】
表7、表9〜12に示される結果から、本発明被覆工具は、軟鋼やステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件で切削加工した場合でも、所定組成の(Al,Ti)N層からなる下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性および高温強度を有し、所定組成の(Al,Cr)N層あるいは(Al,Cr,M)N層からなる中間層が、すぐれた高温硬さ、高温強度および高温耐酸化性を有し、かつ、層厚の薄い(Al,Ti)N層からなる上部層が、中間層の耐溶着性を損なうことなくすぐれた耐欠損性、耐摩耗性を示し、硬質被覆層に摩耗、熱塑性変形が発生することはなく、しかも、被削材、切粉との溶着を発生することもなく、長期に亘ってすぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が(Al,Ti)N層からなる下部層、(Al,Cr)N層からなる上部層(本発明の中間層に相当)で構成された比較被覆工具においては、高速重切削時に発生する高熱によって摩耗が進行しやすく耐摩耗性に劣るため、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【0042】
上述のように、この発明の被覆工具は、一般鋼や普通鋳鉄など通常条件での切削加工は勿論のこと、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みなど高速重切削条件で行った場合においても、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置のFA化、並びに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。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング装置の概略平面図である。

【特許請求の範囲】
【請求項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、
(a)下部層として、0.5〜5μmの平均層厚を有し、
組成式:(Al1−XTi)N
で表した場合、0.3≦X≦0.7(但し、X値は原子比)を満足する平均組成のAlとTiの複合窒化物層、
(b)中間層として、0.5〜5μmの平均層厚を有し、
組成式:(Al1−αCrα)N
で表した場合、0.2≦α≦0.6(但し、α値は原子比)を満足する平均組成のAlとCrの複合窒化物層、
(c)上部層として、0.2〜0.6μmの平均層厚を有し、
組成式:(Al1−XTi)N
で表した場合、0.3≦X≦0.7(但し、X値は原子比)を満足する平均組成のAlとTiの複合窒化物層、
上記(a)〜(c)で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。

【図1】
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【公開番号】特開2009−125832(P2009−125832A)
【公開日】平成21年6月11日(2009.6.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−301196(P2007−301196)
【出願日】平成19年11月21日(2007.11.21)
【出願人】(000006264)三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Fターム(参考)】