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【発明の名称】 耐熱合金の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具
【発明者】 【氏名】大上 強

【氏名】田中 裕介

【氏名】一宮 夏樹

【要約】 【課題】耐熱合金の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。

【構成】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、1〜8μmの平均層厚を有し、かつ、層厚方向にそって、Al−Ti最高含有点とCr−B最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在する組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層を被覆した表面被覆切削工具において、Al−Ti最高含有点におけるAl、Ti、Cr、Bの含有割合はそれぞれ、0.40〜0.60、0.30〜0.50、0.01〜0.10、0.01〜0.10であり、また、Cr−B最高含有点におけるAl、Ti、Cr、Bの含有割合は、それぞれ、0.05〜0.20、0.05〜0.20、0.25〜0.40、0.40〜0.55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を、一方にカソード電極としてAl−Ti合金を、また、他方にターゲットとしてCrB焼結材料を設けた蒸着装置の回転テーブル上に載置し、前記工具基体を回転テーブルで回転させながら、Al−Ti合金カソード電極側でのアークイオンプレーティングと、CrB焼結材料ターゲット側でのスパッタリングにより、工具基体表面にAlとTiとCrとBの窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(a)前記硬質被覆層は1〜8μmの平均層厚を有し、硬質被覆層の層厚方向に沿って、前記Al−Ti合金カソード電極近傍で形成されるAl−Ti最高含有点と前記CrB焼結材料ターゲット近傍で形成されるCr−B最高含有点とが0.005〜0.1μmの間隔をおいて交互に繰り返し存在し、
(b)前記Al−Ti最高含有点から前記Cr−B最高含有点、前記Cr−B最高含有点から前記Al−Ti最高含有点へと、Al、Ti、Cr、Bの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
(c)前記Al−Ti合金カソード電極近傍で形成される前記Al−Ti最高含有点におけるAl成分、Ti成分、Cr成分およびB成分は、その含有割合(ただし、原子比)を、それぞれX、Y、Q、Rで表したときに、Xは0.40〜0.60、Yは0.30〜0.50、Qは0.01〜0.10、Rは0.01〜0.10で、かつ、X+Y+Q+R=1を満足し、
(d)前記CrB焼結材料ターゲット近傍で形成される前記Cr−B最高含有点におけるAl成分、Ti成分、Cr成分およびB成分は、その含有割合(ただし、原子比)を、それぞれX、Y、Q、Rで表したときに、Xは0.05〜0.20、Yは0.05〜0.20、Qは0.25〜0.40、Rは0.40〜0.55で、かつ、X+Y+Q+R=1を満足する組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層を蒸着形成してなる、
耐熱合金の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
この発明は、Ti基合金、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴う高速切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた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】
被覆工具の一つとして、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工具基体の表面に、
1〜8μmの層厚を有し、組成式:(AlTiCr)N(ただし、原子比で、X=0.5〜0.8、Y=1−X−Q−R、Q≧0.06、R≦0.1を示す)を満足する硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆工具が知られており、そして、前記被覆工具の硬質被覆層[以下、(Al,Ti,Cr,B)N層という]は、通常の条件下で、合金工具鋼などの高硬度鋼の切削に用いた場合に、すぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
【0004】
さらに、上記の被覆工具が、例えば図2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550℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するAlとTiとCrとBの合金(以下、Al−Ti−Cr−B合金で示す)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:100A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2.66Paの反応雰囲気とし、一方上記工具基体には、例えば−100〜−200V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,Cr,B)N層からなる硬質被覆層を蒸着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2003−71611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、これを通常条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、これを特に高い発熱を伴うTi基合金、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金の高速切削に用いた場合には、硬質被覆層は切削時に発生する高熱によって過熱され、潤滑性が不足したり、また溶着を生じたりするために、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Ti基合金、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた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、
(イ)例えば図1(a)に概略平面図で、同(b)に概略正面図で示される構造の(Al,Ti)N蒸着用アークイオンプレーティング(AIP)装置とCr−B蒸着用マグネトロンスパッタリング(SP)装置を併設した蒸着装置を用い、装置中央部に工具基体(例えば、超硬基体)装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に、所定組成のAl−Ti合金からなるカソード電極(蒸発源)を備えた(Al,Ti)N蒸着用アークイオンプレーティング装置、他方側に、CrB焼結体からなるターゲット(蒸発源)を備えたCr−B蒸着用マグネトロンスパッタリング装置を対向配設し、また工具基体装着用回転テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の工具基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として、前記回転テーブルを回転させると共に、形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で工具基体自体も自転させながら、前記の(Al,Ti)N蒸着用アークイオンプレーティング装置の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アーク放電を発生させ、それと同時に、対向配設したCr−B蒸着用マグネトロンスパッタリング装置のCrB焼結体からなるターゲット(蒸発源)にパルス電圧を印加しCrBをスパッタすると、アークイオンプレーティングとスパッタリングによってAlとTiとCrとBの窒化物層(以下、(Al,Ti,Cr,B)N層で示す)が蒸着形成され、そして、上記窒化物層は、回転テーブル上に配置された工具基体が、上記一方側のAl−Ti合金のカソード電極(蒸発源)に最も接近した位置で、相対的に、蒸着層中のAl、Tiの含有割合が最大となって、Cr、Bの含有割合が最小となる領域(以下、Al−Ti最高含有点という)が形成され、また、前記工具基体が、上記他方側のCrB焼結体ターゲット(蒸発源)に最も接近した位置で、相対的に、蒸着層中のCr、Bの含有割合が最大となって、Al、Tiの含有割合が最小となる領域(以下、Cr−B最高含有点という)が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向に沿って、前記Al−Ti最高含有点とCr−B最高含有点が回転テーブルの回転速度に応じた所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Al−Ti最高含有点から前記Cr−B最高含有点、前記Cr−B最高含有点から前記Al−Ti最高含有点へ、Al、Ti、Cr、Bの含有量がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造の蒸着層(以下、組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層という)が形成されること。
【0007】
(ロ)上記組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層において、そのAl成分は高温硬さ、耐熱性および耐酸化性を向上させ、同Ti成分は高温強度を向上させ、さらに、同Cr成分はより一段と高温強度を向上させ、同B成分は、被削材との反応性を低下させると同時に潤滑性を高める作用があり、したがって相対的にAl,Tiの含有割合が高いAl−Ti最高含有点では、上記組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層はすぐれた高温硬さ、耐熱性、耐酸化性と所定の高温強度を有するが、その反面、被削材との反応性が高くまた潤滑性も不十分であるために、高速切削条件下では溶着や偏摩耗を生じやすいことから、上記組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層のAl−Ti最高含有点における潤滑性、非反応性の不足を補う目的で、より一段と優れた高温強度とすぐれた潤滑性、非反応性を備えたCr−B最高含有点を厚さ方向に交互に介在させることによって、上記組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性、耐酸化性、高温強度、潤滑性および非反応性を具備するようになり、その結果として、高速条件下で耐熱合金の切削加工を行っても溶着、偏摩耗等を生じることなくすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
以上(イ)、(ロ)に示される研究結果を得たのである。
【0008】
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、
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を、一方にカソード電極としてAl−Ti合金を、また、他方にターゲットとしてCrB焼結材料を設けた蒸着装置の回転テーブル上に載置し、前記工具基体を回転テーブルで回転させながら、Al−Ti合金カソード電極側でのアークイオンプレーティングと、CrB焼結材料ターゲット側でのスパッタリングにより、工具基体表面にAlとTiとCrとBの窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(a)前記硬質被覆層は1〜8μmの平均層厚を有し、硬質被覆層の層厚方向に沿って、前記Al−Ti合金カソード電極近傍で形成されるAl−Ti最高含有点と前記CrB焼結材料ターゲット近傍で形成されるCr−B最高含有点とが0.005〜0.1μmの間隔をおいて交互に繰り返し存在し、
(b)前記Al−Ti最高含有点から前記Cr−B最高含有点、前記Cr−B最高含有点から前記Al−Ti最高含有点へと、Al、Ti、Cr、Bの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
(c)前記Al−Ti合金カソード電極近傍で形成される前記Al−Ti最高含有点におけるAl成分、Ti成分、Cr成分およびB成分は、その含有割合(ただし、原子比)を、それぞれX、Y、Q、Rで表したときに、Xは0.40〜0.60、Yは0.30〜0.50、Qは0.01〜0.10、Rは0.01〜0.10で、かつ、X+Y+Q+R=1を満足し、
(d)前記CrB焼結材料ターゲット近傍で形成される前記Cr−B最高含有点におけるAl成分、Ti成分、Cr成分およびB成分は、その含有割合(ただし、原子比)を、それぞれX、Y、Q、Rで表したときに、Xは0.05〜0.20、Yは0.05〜0.20、Qは0.25〜0.40、Rは0.40〜0.55で、かつ、X+Y+Q+R=1を満足する組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層を蒸着形成してなる、
耐熱合金の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具(表面被覆切削工具)に特徴を有するものである。
【0009】
つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層を構成する組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
【0010】
(a)Al−Ti最高含有点のAl、Ti含有割合
組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層におけるAlは、高温硬さ、耐熱性および耐酸化性を向上させ、同Tiは高温強度を向上させ、同Cr成分はより一段と高温強度を高め、さらに同B成分は被削材との反応性を低下させると同時に潤滑性を高める作用があり、したがって、相対的にAl,Ti成分の含有割合が高いAl−Ti最高含有点ではすぐれた高温硬さ、耐熱性、耐酸化性および所定の高温強度を備えるが、Alの含有割合(X値)が0.40未満の場合には、硬質被覆層として最小限要求される高温硬さ、耐熱性、耐酸化性を維持することはできず、Tiの含有割合(Y値)が0.30未満の場合には、高温強度の不足によるチッピング発生の恐れがあり、一方、Alの含有割合(X値)が0.60を超えたり、Tiの含有割合(Y値)が0.50を超えたりしたような場合には、Crの含有割合(Q値)およびBの含有割合(R値)が少なくなりすぎて、硬質被覆層の反応性の低減および潤滑性の向上を図ることができなくなることから、Alの含有割合(X値)を0.40〜0.60、Tiの含有割合(Y値)を0.30〜0.50とそれぞれ定めた。
なお、Al−Ti最高含有点におけるCr成分の含有割合(Q値)およびB成分の含有割合(R値)は、耐熱合金の高速切削で要求される高温硬さ、耐熱性、耐酸化性を損なわずに所定の高温強度、非反応性、潤滑性を得るという点から、それぞれ、0.01≦Q≦0.10、0.01≦R≦0.10の範囲とする必要があり、しかも、X、Y、Q、Rは、X+Y+Q+R=1を満たす数値でなければならない。
【0011】
(b)Cr−B最高含有点のCr、B含有割合
硬質被覆層のCr−B最高含有点において、組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層はすぐれた非反応性と潤滑性を備えるが、硬質被覆層は、これらの特性ばかりでなく、硬質被覆層として最小限要求される高温硬さ、耐熱性、耐酸化性、高温強度を当然備える必要があることから、Cr−B最高含有点におけるCr含有割合(Q値)、B含有割合(R値)を、Al,Ti,Cr,Bの合量に占める割合(原子比)で、それぞれ、0.25〜0.40、0.40〜0.55と定めた。
つまり、Cr含有割合(Q値)が0.40を超えると、あるいは、B含有割合(R値)が0.55を超えると、(Al,Ti,Cr,B)N層中のAl、Ti成分の含有量が減少し、その結果、高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐酸化性が不十分となり、切刃にチッピング(微小欠け)などが発生し易くなり、一方、Cr含有割合(Q値)が0.25未満になると、あるいは、B含有割合(R値)が0.40未満になると、(Al,Ti,Cr,B)N層中のCrおよびBの含有割合が少なくなり過ぎて、より一段の高温強度の向上、反応性の低減作用および潤滑性改善効果を期待できなくなることから、Crの含有割合(Q値)を0.25〜0.40と、また、Bの含有割合(R値)を、0.40〜0.55(いずれも、原子比)に定めた。
なお、Cr−B最高含有点におけるAl成分の含有割合(X値)およびTi成分の含有割合(Y値)は、耐熱合金の高速切削で最低限必要とされる高温硬さ、耐熱性、耐酸化性の点から、0.05≦X≦0.20、0.05≦Y≦0.20 の範囲であることが必要であり、そして、X、Yは、X+Y+Q+R=1を満たす数値でなければならない。
【0012】
(c)Al−Ti最高含有点とCr−B最高含有点間の間隔
この発明の硬質被覆層は、その層厚方向に亘って、窒化物を構成する成分の濃度が、Al−Ti最高含有点からCr−B最高含有点へと、また、Cr−B最高含有点からAl−Ti最高含有点へと連続的に変化するものであるため、例えば、成分濃度が不連続な変化をする複数層の積層構造からなる硬質被覆層に比べれば、複数層間での剥離等の恐れは無く硬質被覆層自体の密着強度・接合強度は非常にすぐれたものであるが、Al−Ti最高含有点とCr−B最高含有点間の間隔が0.005μm未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果それぞれの層に所望の高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐酸化性、非反応性および潤滑性を確保することができなくなり、またその間隔が0.1μmを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちCr−B最高含有点であれば高温硬さ、耐熱性および耐酸化性の不足、また、Al−Ti最高含有点であれば非反応性および潤滑性の不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなったり、また、摩耗進行が促進されるようになることから、その間隔を0.005〜0.1μmと定めた。
なお、Al−Ti最高含有点とCr−B最高含有点間の間隔は、(Al,Ti)N蒸着用アークイオンプレーティング(AIP)装置とCr−B蒸着用マグネトロンスパッタリング(SP)装置を併設した蒸着装置を用い、アークイオンプレーティングとスパッタリングを同時に行って蒸着膜を形成する際に、例えば、工具基体を装着した回転テーブルの回転速度を制御することによって調整することができるので、回転テーブルの回転速度を適宜に設定することにより、Al−Ti最高含有点とCr−B最高含有点間の間隔が上記数値範囲内の所望の値となる組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層を容易に形成することができる。
【0013】
(d)平均層厚
その平均層厚が1μm未満では、硬質被覆層が所望の高温硬さ、高温強度、耐熱性、耐酸化性、非反応性および潤滑性を長期に亘って確保することができず、その結果、耐熱合金の高速切削における耐摩耗性の向上を期待することができず、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1〜8μmと定めた。
【発明の効果】
【0014】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層を構成する組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層が、全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性、耐酸化性を有するとともに、さらに、すぐれた非反応性と潤滑性をも具備することから、Ti基合金、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金を、特に大きな発熱を伴う高速切削条件で加工した場合であっても、溶着・偏摩耗等を生じることなく長期に亘ってすぐれた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】
【0015】
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】
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
ついで、上記の工具基体A1〜A10およびB1〜B6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とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置内の回転テーブル上に外周部に沿って装着し、一方側の前記アークイオンプレーティング装置のカソード電極(蒸発源)として、種々の成分組成をもったAl−Ti合金、他方側のマグネトロンスパッタリング装置のターゲット(蒸発源)としてCrB焼結体を装着し、またボンバード洗浄用金属Tiも装着し、まず装置内を排気して0.5Pa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て、カソード電極の前記金属Ti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Tiボンバード洗浄し、
(b)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工具基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加して、カソード電極とアノード電極との間に90Aの電流を流してアーク放電を発生させ、
(c)また、それと同時に、CrB焼結体のターゲットにパルス電源を用いて3kWのパルス電力を印加してCrBをスパッタし、
(d)前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の表面に、表3,4に示される目標組成のAl−Ti最高含有点とCr−B最高含有点とが交互に、同じく表3、表4に示される目標間隔で繰り返し存在し、また、前記Al−Ti最高含有点から前記Cr−B最高含有点、前記Cr−B最高含有点から前記Al−Ti最高含有点へと、Al、Ti、Cr、Bの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、同じく表3、表4に示される目標層厚の組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、ISO・CNMG120408に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆工具1〜16をそれぞれ製造した。
なお、上記実施例では、Al−Ti最高含有点とCr−B最高含有点との目標間隔は、回転テーブルの回転速度を0.5〜10rpmの範囲内で変化させることにより、所定の目標間隔値となるように調整した。
【0019】
また、比較の目的で、これら工具基体A1〜A10およびB1〜B6を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図2に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極(蒸発源)として、種々の成分組成をもったAl−Ti−Cr−B合金を装着し、さらにボンバード洗浄用金属Tiも装着し、装置内を排気して0.5Pa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、前記工具基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加して、カソード電極の前記金属Ti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Tiボンバード洗浄し、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、前記工具基体に印加するバイアス電圧を−100Vに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間に90Aの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記工具基体A1〜A10およびB1〜B6のそれぞれの表面に、表5,6に示される目標組成および目標層厚をもった組成的に均一の(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、同じくスローアウエイチップ形状の従来被覆工具1〜16をそれぞれ製造した。
【0020】
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および従来被覆チップ1〜16について、
被削材:質量%で、Ti−6%Al−4%Vの組成を有する合金の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 60 m/min.、
切り込み: 1.0 mm、
送り: 0.25 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件A)でTi基合金の乾式高速断続切削加工試験(通常の切削速度は、30 m/min.)、
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の組成を有する合金の丸棒、
切削速度: 65 m/min.、
切り込み: 1.2 mm、
送り: 0.15 mm/rev.、
切削時間: 6 分、
の条件(切削条件B)でのNi基合金の乾式高速連続切削加工試験(通常の切削速度は、40m/min.)、
被削材:質量%で、Co−23%Cr−6%Mo−2%Ni−1%Fe−0.6%Si−0.4%Cの組成を有する合金の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 55 m/min.、
切り込み: 1.2 mm、
送り: 0.2 mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件C)でのCo基合金の乾式高速断続切削加工試験(通常の切削速度は、30m/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7に示した。
【0021】
【表1】


【0022】
【表2】


【0023】
【表3】


【0024】
【表4】


【0025】
【表5】


【0026】
【表6】


【0027】
【表7】


【実施例2】
【0028】
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7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45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。
【0029】
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とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、層厚方向に沿って表9に示される目標組成のAl−Ti最高含有点とCr−B最高含有点とが交互に、同じく表9に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Al−Ti最高含有点から前記Cr−B最高含有点、前記Cr−B最高含有点から前記Al−Ti最高含有点へと、Al、Ti、Cr、Bの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表9に示される目標層厚の組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層を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被覆エンドミル1〜8をそれぞれ製造した。
【0030】
また、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2に示される通常の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、工具基体(エンドミル)C−1〜C−8の表面に、表10に示される目標組成および目標層厚をもった組成的に均一の(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆工具としての従来被覆エンドミル1〜8をそれぞれ製造した。
【0031】
つぎに、上記本発明被覆エンドミル1〜8および従来被覆エンドミル1〜8のうち、
本発明被覆エンドミル1〜3および従来被覆エンドミル1〜3については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Co−20%Cr−15%W−10%Ni−1.5%Mn−1%Si−1%Fe−0.12%Cの組成を有する合金の板材、
切削速度: 45 m/min.、
溝深さ(切り込み): 3.0 mm、
テーブル送り: 300 mm/分、
の条件でのCo基合金の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は、25m/min.)、
本発明被覆エンドミル4〜6および従来被覆エンドミル4〜6については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、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の組成を有する合金の板材、
切削速度: 50 m/min.、
溝深さ(切り込み): 3.5 mm、
テーブル送り: 300 mm/分、
の条件でのNi基合金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7,8および従来被覆エンドミル7,8については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ti−3%Al−2.5%Vの組成を有する合金の板材、
切削速度: 45 m/min.、
溝深さ(切り込み): 6.0 mm、
テーブル送り: 250 mm/分、
の条件でのTi基合金の乾式高速溝切削加工試験(通常の切削速度は、20m/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9,10にそれぞれ示した。
【0032】
【表8】


【0033】
【表9】


【0034】
【表10】


【実施例3】
【0035】
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。
【0036】
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とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、層厚方向に沿って表11に示される目標組成のAl−Ti最高含有点とCr−B最高含有点とが交互に、同じく表11に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Al−Ti最高含有点から前記Cr−B最高含有点、前記Cr−B最高含有点から前記Al−Ti最高含有点へと、Al、Ti、Cr、Bの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表11に示される目標層厚の組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層を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被覆ドリル1〜8をそれぞれ製造した。
【0037】
また、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2に示される通常の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、工具基体(ドリル)D−1〜D−8の表面に、表12に示される目標組成および目標層厚をもった組成的に均一の(Al,Ti,Cr,B)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆工具としての従来被覆ドリル1〜8をそれぞれ製造した。
【0038】
つぎに、上記本発明被覆ドリル1〜8および従来被覆ドリル1〜8のうち、
本発明被覆ドリル1〜3および従来被覆ドリル1〜3については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Co−20%Cr−20%Ni−4%Mo−4%W−4%Cd−3%Fe−1.5%Mn−0.7%Si−0.38%Cの組成を有する合金の板材、
切削速度: 35 m/min.、
送り: 0.2 mm/rev、
穴深さ: 8 mm、
の条件でのCo基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は、20m/min.)、
本発明被覆ドリル4〜6および従来被覆ドリル4〜6については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、質量%で、Ti−6%Al−4%Vの組成を有する合金の板材、
切削速度: 45 m/min.、
送り: 0.15 mm/rev、
穴深さ: 15 mm、
の条件でのTi基合金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および従来被覆ドリル7,8については、
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmの、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の組成を有する合金の板材、
切削速度: 50 m/min.、
送り: 0.25 mm/rev、
穴深さ: 20 mm、
の条件でのNi基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は、30m/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11,12にそれぞれ示した。
【0039】
【表11】


【0040】
【表12】


【0041】

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の硬質被覆層を構成する組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層のAl−Ti最高含有点およびCr−B最高含有点の組成を、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、それぞれ目標組成のAl−Ti最高含有点およびCr−B最高含有点と実質的に同じ組成を示した。また、従来被覆工具としての従来被覆チップ1〜16、従来被覆エンドミル1〜8、および従来被覆ドリル1〜8の硬質被覆層を構成する組成的に均一な(Al,Ti,Cr,B)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、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
【0042】
また、上記の硬質被覆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。
【0043】
表7、9〜12に示される結果から、本発明被覆工具は、Ti基合金、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速条件下での切削加工に用いた場合であっても、硬質被覆層を構成する組成変化(Al,Ti,Cr,B)N層が、全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性、耐酸化性、さらに、すぐれた非反応性と潤滑性を備えていることによって、溶着、偏摩耗の発生がなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が組成的に均一な(Al,Ti,Cr,B)N層で構成された従来被覆工具においては、高速切削加工で高熱発生を伴うことにより、溶着・偏摩耗が発生し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【0044】
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の切削加工は勿論のこと、高い発熱を伴うTi基合金、Ni基合金、Co基合金等の耐熱合金の高速切削加工に用いた場合でも、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、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】
【0045】
【図1】この発明の被覆工具を構成する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(AIP)装置とマグネトロンスパッタリング(SP)装置を併設した蒸着装置を示し、(a)は概略平面図、(b)は概略正面図である。
【図2】従来被覆工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【出願人】 【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
【識別番号】596091392
【氏名又は名称】三菱マテリアル神戸ツールズ株式会社
【出願日】 平成18年6月30日(2006.6.30)
【代理人】 【識別番号】100076679
【弁理士】
【氏名又は名称】富田 和夫

【識別番号】100094824
【弁理士】
【氏名又は名称】鴨井 久太郎

【識別番号】100139240
【弁理士】
【氏名又は名称】影山 秀一


【公開番号】 特開2008−6573(P2008−6573A)
【公開日】 平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願番号】 特願2006−182584(P2006−182584)