JP4379912B2 - 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超硬合金製切削工具 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた高温硬さを有し、かつすぐれた高温強度も具備し、したがって各種の鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴なう高速切削加工で、切刃部に摩耗促進の原因となる偏摩耗の発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具(以下、被覆超硬工具という)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、被覆超硬工具には、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】
また、被覆超硬工具として、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)基サーメットからなる超硬基体の表面に、
組成式:(Cr1-Y BY ]N(ただし、原子比で、Yは0.05〜0.40を示す)、
を満足するCrとBの複合窒化物[以下、(Cr,B)Nで示す]からなる硬質被覆層を0.5〜15μmの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具が知られており、この被覆超硬工具は、硬質被覆層である前記(Cr、B)N層がCr成分による高温強度とB成分による高温硬さを具備することから、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられることも良く知られるところである(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
さらに、上記の被覆超硬工具が、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超硬基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば500℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と各種の組成をもったCr−B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: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2.5Paの反応雰囲気とし、一方上記超硬基体には、例えば−100Vのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬基体の表面に、(Cr,B)N層からなる硬質被覆層を0.5〜15μmの平均層厚で蒸着することにより製造されることも知られている。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−328009号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、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も強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の硬質被覆層が(Cr,B)N層からなる従来被覆超硬工具においては、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、これを高い発熱を伴なう高速切削条件で用いた場合には、硬質被覆層の高温硬さ不足が原因で摩耗進行が一段と促進し、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【0007】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に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超硬工具を開発すべく、上記の従来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、
(a)上記の図2に示されるアークイオンプレーティング装置を用いて形成された従来被覆超硬工具の硬質被覆層を構成する(Cr,B)N層は、層厚全体に亘って均質な高温強度と高温硬さを有するが、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アークイオンプレーティング装置(以下、AIP装置と略記する)とスパッタリング装置(以下、SP装置と略記する)が共存する蒸着装置、すなわち装置中央部に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B含有量が上記の従来(Cr,B)N層の形成にカソード電極(蒸発源)として用いられているCr−B合金と同じCr−B−Nb合金を、通電性を有するので上記AIP装置に、他方側に相対的にB含有量の高いB−Cr−Nb合金を、通電性が小さいので上記SP装置に、それぞれカソード電極(蒸発源)として対向配置した装置を用い、この装置の前記回転テーブル上に、前記回転テーブル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複数の超硬基体をリング状に装着し、この状態で装置内の反応雰囲気を例えばArと窒素の混合ガス雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で超硬基体自体も自転させながら、前記のSP装置の相対的にB含有量の高いB−Cr−Nb合金からは、前記混合ガス雰囲気中のArイオンでB−Cr−Nbイオンをスパッタさせ、同時に前記のAIP装置の相対的にCr含有量の高いCr−B−Nb合金のカソード電極とアノード電極との間にはアーク放電を発生させてCr−B−Nbイオンを放出させ、もって前記超硬基体の表面にCrとBとNbの複合窒化物[以下、(Cr,B,Nb)Nで示す]層を形成すると、この結果の(Cr,B,Nb)N層においては、回転テーブル上にリング状に配置された前記超硬基体が上記の一方側の相対的にB含有量の高いB−Cr−Nb合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にB最高含有点が形成され、また前記超硬基体が上記の他方側の相対的にCr含有量の高いCr−B−Nb合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にCr最高含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向にそって前記B最高含有点とCr最高含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記B最高含有点から前記Cr最高含有点、前記Cr最高含有点から前記B最高含有点へCrおよび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もつようになること。
【0008】
(b)上記(a)の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の(Cr,B,Nb)N層において、例えば対向配置の上記B−Cr−Nb合金およびCr−B−Nb合金のそれぞれの組成を調製すると共に、超硬基体が装着されている回転テーブルの回転速度を制御して、
上記B最高含有点が、組成式:[B1- (X+Z)CrX NbZ ]N(ただし、原子比で、Xは0.15〜0.40、Zは0.01〜0.10を示す)、
上記Cr最高含有点が、組成式:[Cr1- ( Y +Z)BY NbZ ]N(ただし、原子比で、Yは0.05〜0.40、Zは0.01〜0.10を示す)、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記B最高含有点とCr最高含有点の厚さ方向の間隔を0.01〜0.1μmとすると、
上記B最高含有点部分では、(Cr,B,Nb)N層におけるB含有量が相対的に高く、Cr含有量が低くなることから、より一段と高い高温硬さを示し、一方上記Cr最高含有点部分では、前記B最高含有点部分に比してB含有量が低く、Cr含有量の高いものとなるので、相対的に高い高温強度、すなわち上記従来(Cr,B)N層のもつ高温強度と同等の高温強度が確保され、これらB最高含有点とCr最高含有点の間隔をきわめて小さくしたことから、層全体の特性としてきわめて高い高温強度と高い高温硬さを具備し、かつNbの作用で層自体の高温耐酸化性が一段と向上するようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の(Cr,B,Nb)N層からなる被覆超硬工具は、各種の鋼や鋳鉄などの高熱を発生し、切刃部が高温酸化雰囲気に曝される高速切削加工でも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)および(b)に示される研究結果を得たのである。
【0009】
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、超硬基体の表面に、(Cr,B,Nb)Nからなる硬質被覆層を0.5〜15μmの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具において、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、B最高含有点とCr最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記B最高含有点から前記Cr最高含有点、前記Cr最高含有点から前記B最高含有点へCrおよびB成分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、
さらに、上記B最高含有点が、組成式:[B1- (X+Z) CrX NbZ ]N(ただし、原子比で、Xは0.15〜0.40、Zは0.01〜0.10を示す)、
上記Cr最高含有点が、組成式:組成式:[Cr1- ( Y +Z) BY NbZ ](ただし、原子比で、Yは0.05〜0.40、Zは0.01〜0.10を示す)、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記B最高含有点とCr最高含有点の間隔が、0.01〜0.1μmである、
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超硬工具に特徴を有するものである。
【0010】
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、これを構成する硬質被覆層の構成を上記の通りに限定した理由を説明する。
(a)B最高含有点の組成
B最高含有点は、きわめて高い高温硬さを有するが、反面高温強度の著しく低いBN(B窒化物)にCrを含有させて、前記の高い高温硬さを害うことなく高温強度を向上させ、さらにNbも含有させて、高速切削時に発生する高熱に十分に耐えられる高温耐酸化性を具備せしめたものであり、したがって、Crの含有割合を示すX値がBとNbとの合量に占める割合(原子比、以下同じ)で0.15未満では、所望の高温強度向上効果が得られず、隣接して高温強度のすぐれたCr最高含有点が存在しても、B最高含有点が破壊の起点となってチッピングが発生し易くなり、一方前記X値が0.40を越えると、相対的にB成分の割合が低くなり過ぎて、高温硬さが低下し、摩耗が急速に進行するようになることから、前記X値を0.15〜0.40と定めた。
また、Nbには、上記の通り高温耐酸化性を向上させ、高速切削時の高温酸化雰囲気での酸化による摩耗を抑制する作用があるが、Nbの含有割合を示すZ値がCrおよびBとの合量に占める割合で0.01未満では所望の高温耐酸化性向上効果が得られず、一方前記Z値が0.10を越えると高温強度が急激に低下し、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、前記Z値を0.01〜0.10と定めた。
【0011】
(b)Cr最高含有点の組成
上記の通りB最高含有点はすぐれた高温硬さを有するが、十分な高温強度を具備するものでないため、このB最高含有点の高温強度不足を補う目的で、Crの含有割合が相対的に高く、これによって高い高温強度を有するようになるCr最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであるが、Bの含有割合を示すY値がCrとNbとの合量に占める割合で0.05未満では、所望の高温硬さを確保することができず、B最高含有点が隣接して存在してもCr最高含有点の摩耗が優先して進行するようになり、一方前記Y値がCrとNbとの合量に占める割合で0.40を越えると、Cr最高含有点での高温強度が急激に低下し、チッピングが発生し易くなることから、その割合を0.05〜0.40と定めた。
さらに、Cr最高含有点におけるNb成分の含有割合を示すZ値も上記のB最高含有点における理由と同じ理由で0.01〜0.10と定めたものである。
【0012】
(c)B最高含有点とCr最高含有点間の間隔
その間隔が0.01μm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、この結果層に所望のすぐれた高温強度と高温硬さ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B最高含有点であれば高温強度不足、Cr最高含有点であれば高温硬さ不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃部にチッピングが発生し易くなったり、摩耗が促進されるようになることから、その間隔を0.01〜0.1μmと定めた。
【0013】
(d)硬質被覆層の平均層厚
その層厚が0.5μm未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が15μmを越えると、切刃部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0.5〜15μmと定めた。
【0014】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬工具を実施例により具体的に説明する。
(実施例1)
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、TaC粉末、VC粉末、NbC粉末、Cr3 C2 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基超硬合金製の超硬基体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、Mo2 C粉末、ZrC粉末、TaC粉末、NbC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系サーメット製の超硬基体B−1〜B−6を形成した。
【0016】
ついで、上記の超硬基体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に示される蒸着装置内の回転テーブル上に、前記回転テーブル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、一方側のAIP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Cr最高含有点形成用Cr−B−Nb合金、他方側のSP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B最高含有点形成用B−Cr−Nb合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またAIP装置のカソード電極(蒸発源)としてボンバード洗浄用金属Crも装着し、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超硬基体に−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Cr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、もって超硬基体表面をCr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とArガスの混合ガス(容量%で、N2/Ar=30/70)を導入して2.5Pa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超硬基体に−100Vの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Cr最高含有点形成用Cr−B−Nb合金のカソード電極とアノード電極との間には100Aの電流を流してアーク放電を発生させ、また前記B最高含有点形成用B−Cr−Nb合金のカソード電極には1kWの電力を印可してスパッタを発生させ、もって前記超硬基体の表面に、層厚方向に沿って表3,4に示される目標組成のCr最高含有点とB最高含有点とが交互に同じく表3,4に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記B最高含有点から前記Cr最高含有点、前記Cr最高含有点から前記B最高含有点へCrおよび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、かつ同じく表3,4に示される目標層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ(以下、本発明被覆超硬チップと云う)1〜16をそれぞれ製造した。
【0017】
また、比較の目的で、これら超硬基体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、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Cr−B合金およびCr−B−Nb合金をそれぞれ装着し、またボンバード洗浄用金属Cr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、前記超硬基体に−1000Vの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記金属Cr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、もって超硬基体表面をCr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2.5Paの反応雰囲気とすると共に、前記超硬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アーク放電を発生させ、もって前記超硬基体A−1〜A−10およびB−1〜B−6のそれぞれの表面に、表5に示される目標組成および目標層厚を有し、かついずれも厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない(Cr,B)N層または(Cr,B,Nb)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ(以下、比較被覆超硬チップと云う)1〜16をそれぞれ製造した。
【0018】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ1〜16および比較被覆超硬チップ1〜16について、これを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、
被削材:JIS・SNCM439の丸棒、
切削速度:330m/min.、
切り込み:2.5mm、
送り:0.26mm/rev.、
切削時間:6分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験(通常の切削速度は120m/min.)、
被削材:JIS・SKD61の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:250m/min.、
切り込み:1.5mm、
送り:0.3mm/rev.、
切削時間:5分、
の条件での工具鋼の乾式断続高速切削加工試験(通常の切削速度は120m/min.)、さらに、
被削材:JIS・FC300の丸棒、
切削速度:240m/min.、
切り込み:2.5mm、
送り:0.4mm/rev.、
切削時間:6分、
の条件での鋳鉄の乾式断続高速切削加工試験(通常の切削速度は120m/min.)を行い、いずれの旋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。
【0019】
【表1】
【0020】
【表2】
【0021】
【表3】
【0022】
【表4】
【0023】
【表5】
【0024】
【表6】
【0025】
(実施例2)
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Cr3C2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7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種の超硬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30度の4枚刃スクエアの形状をもったWC基超硬合金製の超硬基体(エンドミル)C−1〜C−8をそれぞれ製造した。
【0026】
ついで、これらの超硬基体(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8に示される目標組成のCr最高含有点とB最高含有点とが交互に同じく表8に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記B最高含有点から前記Cr最高含有点、前記Cr最高含有点から前記B最高含有点へCrおよび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、かつ同じく表8に示される目標層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製エンドミル(以下、本発明被覆超硬エンドミルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0027】
また、比較の目的で、上記の超硬基体(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に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない(Cr,B)N層または(Cr,B,Nb)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製エンドミル(以下、比較被覆超硬エンドミルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0028】
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル1〜8および比較被覆超硬エンドミル1〜8のうち、本発明被覆超硬エンドミル1〜3および比較被覆超硬エンドミル1〜3については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法をもったJIS・SCM440の板材、
切削速度:180m/min.、
軸方向切り込み:4mm、
径方向切り込み:0.5mm、
テーブル送り:900mm/分、
の条件での合金鋼の乾式高速側面切削加工試験(通常の切削速度は100m/min.)、本発明被覆超硬エンドミル4〜6および比較被覆超硬エンドミル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・FC350の板材、
切削速度:250m/min.、
軸方向切り込み:8mm、
径方向切り込み:1mm、
テーブル送り:1000mm/分、
の条件での鋳鉄の乾式高速側面切削加工試験(通常の切削速度は120m/min.)、本発明被覆超硬エンドミル7,8および比較被覆超硬エンドミル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・S50Cの板材、
切削速度:310m/min.、
軸方向切り込み:15mm、
径方向切り込み:4mm、
テーブル送り:1500mm/分、
の条件での炭素鋼の乾式高速側面切削加工試験(通常の切削速度は120m/min.)をそれぞれ行い、いずれの側面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に至るまでの切削長を測定した。この測定結果を表8、9にそれぞれ示した。
【0029】
【表7】
【0030】
【表8】
【0031】
【表9】
【0032】
(実施例3)
上記の実施例2で製造した直径が8mm(超硬基体C−1〜C−3形成用)、13mm(超硬基体C−4〜C−6形成用)、および26mm(超硬基体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(超硬基体D−1〜D−3)、8mm×22mm(超硬基体D−4〜D−6)、および16mm×45mm(超硬基体D−7、D−8)の寸法、並びにいずれもねじれ角30度の2枚刃形状をもった超硬基体(ドリル)D−1〜D−8をそれぞれ製造した。
【0033】
ついで、これらの超硬基体(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の蒸着装置に装入し、上記実施例1と同一の条件で、層厚方向に沿って表10に示される目標組成のCr最高含有点とB最高含有点とが交互に同じく表10に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記B最高含有点から前記Cr最高含有点、前記Cr最高含有点から前記B最高含有点へCrおよび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、かつ同じく表10に示される目標層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製ドリル(以下、本発明被覆超硬ドリルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0034】
また、比較の目的で、上記の超硬基体(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、表11に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない(Cr,B)N層または(Cr,B,Nb)N層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製ドリル(以下、比較被覆超硬ドリルと云う)1〜8をそれぞれ製造した。
【0035】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル1〜8および比較被覆超硬ドリル1〜8のうち、本発明被覆超硬ドリル1〜3および比較被覆超硬ドリル1〜3については、
被削材−平面:100mm×250mm、厚さ:50mmの寸法をもったJIS・SKD61の板材、
切削速度:70m/min.、
送り:0.18mm/rev.、
穴深さ:6mm.、
の条件での工具鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は40m/min.)、本発明被覆超硬ドリル4〜6および比較被覆超硬ドリル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・S45Cの板材、
切削速度:110m/min.、
送り:0.2mm/rev.、
穴深さ:12mm.、
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は50m/min.)、本発明被覆超硬ドリル7,8および比較被覆超硬ドリル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・SCM420の板材、
切削速度:150m/min.、
送り:0.25mm/rev。、
穴深さ:20mm.、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験(通常の切削速度は65m/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10、11にそれぞれ示した。
【0036】
【表10】
【0037】
【表11】
【0038】
この結果得られた本発明被覆超硬工具としての本発明被覆超硬チップ1〜16、本発明被覆超硬エンドミル1〜8、および本発明被覆超硬ドリル1〜8を構成する硬質被覆層におけるCr最高含有点とB最高含有点の組成、並びに比較被覆超硬工具としての比較被覆超硬チップ1〜16、比較被覆超硬エンドミル1〜8、および比較被覆超硬ドリル1〜8の硬質被覆層の組成について、厚さ方向に沿ってCr、B、およびNb成分の含有量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、本発明被覆超硬工具の硬質被覆層では、Cr最高含有点とB最高含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ組成および間隔で交互に繰り返し存在し、かつ前記Cr最高含有点から前記B最高含有点、前記B最高含有点から前記Cr最高含有点へCrおよびB成分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することが確認され、また硬質被覆層の平均層厚(5ヶ所の平均値)も目標層厚と実質的に同じ値を示した。
一方前記比較被覆超硬工具の硬質被覆層では厚さ方向に沿って組成変化が見られず、かつ目標組成と実質的に同じ組成および目標層厚と実質的に同じ平均層厚(5ヶ所の平均値)を示すことが確認された。
【0039】
【発明の効果】
表3〜11に示される結果から、厚さ方向に、きわめて高い高温硬さを有するB最高含有点とすぐれた高温強度を有するCr最高含有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ前記Cr最高含有点から前記B最高含有点、前記B最高含有点から前記Cr最高含有点へCrおよび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、この成分濃度分布構造によって層全体に亘ってきわめて高い高温硬さとすぐれた高温強度を有するようになり、さらにNbによりすぐれた高温耐酸化性も具備する硬質被覆層を形成してなる本発明被覆超硬工具は、いずれも各種の鋼や鋳鉄の高熱発生を伴なう高速切削加工で、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層がいずれも厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない(Cr,B)N層または(Cr,B,Nb)N層からなる比較被覆超硬工具においては、高熱発生を伴なう高速切削加工では、前記硬質被覆層の高温硬さ不足が原因で、いずれも摩耗進行が速く、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆超硬工具は、通常の条件での鋼や鋳鉄などの切削加工は勿論のこと、特に高熱発生を伴なう高速切削加工でも、すぐれた耐摩耗性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削加工装置の高性能化、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】
【図1】この発明の被覆超硬工具を構成する硬質被覆層の形成に用いた蒸着装置を示し、(a)は概略平面図、(b)は概略正面図である。
【図2】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。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン系サーメットからなる超硬基体の表面に、Cr(クロム)とB(ボロン)とNb(ニオブ)の複合窒化物からなる硬質被覆層を0.5〜15μmの平均層厚で物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具にして、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、B最高含有点とCr最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記B最高含有点から前記Cr最高含有点、前記Cr最高含有点から前記B最高含有点へBおよびCr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、
さらに、上記B最高含有点が、組成式:[B1- (X+Z) CrX NbZ ]N(ただし、原子比で、Xは0.15〜0.40、Zは0.01〜0.10を示す)、
上記Cr最高含有点が、組成式:[Cr1- ( Y +Z) BY NbZ ]N(ただし、原子比で、Yは0.05〜0.40、Zは0.01〜0.10を示す)、をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記B最高含有点とCr最高含有点の間隔が、0.01〜0.1μmであること、
を特徴とする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超硬合金製切削工具。
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