JP5515806B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
また、例えば、特許文献2に示されるように、工具本体の表面に、CrAlN層からなる硬質層を1層以上物理蒸着してなる被覆工具において、硬質層の少なくとも1層はSiを含有する固溶体相であり、結晶構造がfccである被覆工具も知られている。
装置内加熱温度:390〜450℃、
工具基体に印加する直流バイアス電圧:−20〜−50V、
カソード電極:Cr−Al合金、
アーク放電電流:90〜120A、
装置内ガス流量:窒素(N2)ガス+アルゴン(Ar)ガス、
装置内窒素ガス圧力:1〜5Pa、
の条件の条件で、CrAlN層(以下、従来CrAlN層という)が成膜される。
工具基体温度:360〜450 ℃、
蒸発源:金属Crおよび金属Al、
プラズマガン放電電力:11〜15 kW(金属Crに対して)、
プラズマガン放電電力:8〜10 kW(金属Alに対して)、
反応ガス流量:窒素(N2)ガス 100〜120 sccm、
放電ガス:アルゴン(Ar)ガス 30〜60 sccm、
工具基体に印加する直流バイアス電圧:+3〜+5 V、
ハースと工具基体間の距離:950〜1050 mm、
という特定の条件でCrAlN層を蒸着形成した場合、この結果形成されたCrAlN層(以下、改質CrAlN層という)を硬質被覆層とする被覆工具は、前記従来CrAlN層を形成した被覆工具に比して、高切り込み、高送りの断続重切削加工条件において、すぐれた耐欠損性を示すことを見出した。
「(1) 炭化タングステン基超硬合金製工具基体の表面に、0.2〜2μmの平均層厚のCrAlN層からなる硬質被覆層を物理蒸着した表面被覆切削工具において、
前記CrAlN層が、前記平均層厚と等しい高さを有し、かつ、前記工具基体表面に対して直立方向に成長した縦長平板状のCrAlN結晶粒からなり、
さらに、前記CrAlN層の表面から0.1μmの深さの水平断面における結晶粒組織を透過型電子顕微鏡で観察した場合、短辺が5〜100nmであって、アスペクト比が3以上である前記縦長平板状のCrAlN結晶粒が存在し、かつ、前記水平断面において短辺が5〜100nmであって、アスペクト比が3以上である前記縦長平板状のCrAlN結晶粒が占める面積の合計は、全断面積の30%以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 前記CrAlN層を、
組成式:(Cr1−XAlX)N
で表わした場合、Cr成分との合量に占めるAl成分の含有割合Xが、原子比で0.10≦X≦0.70を満足する前記(1)に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
そして、本発明者等は、CrAlN層を蒸着形成するための数多くの試験を行った結果、図1に示される圧力勾配型Arプラズマガンを利用したイオンプレーティングにより、工具基体上にCrAlN層を形成する条件を、例えば、
工具基体温度:390〜450 ℃、
蒸発源:金属Crおよび金属Al、
プラズマガン放電電力:11〜15 kW(金属Crに対して)、
プラズマガン放電電力:8〜10 kW(金属Alに対して)、
反応ガス流量:窒素(N2)ガス 100〜120 sccm、
放電ガス:アルゴン(Ar)ガス 30〜60 sccm、
工具基体に印加する直流バイアス電圧:+3〜+5 V、
ハースと工具基体間の距離:950〜1050 mm、
蒸着時間: 30〜150 min、
という特定の条件に調整して蒸着すると、工具基体表面に対して直立方向に成長した縦長平板状のCrAlN結晶粒からなる改質CrAlN層が形成されることを見出した。
組成式:(Cr1−XAlX)N
で表わした場合、Cr成分との合量に占めるAl成分の含有割合Xが原子比で0.10未満(即ち、0.10>Al/(Cr+Al))では所望の高温硬さと耐熱性を期待することはできず、一方その含有割合Xが0.70を越える(即ち、Al/(Cr+Al)>0.70)と、層自体の強度低下が生じ、耐欠損性を得ることができなくなることから、Al成分の含有割合Xは、原子比で0.10〜0.70とすることが望ましい。
また、工具基体表面に平行で、改質CrAlN層の表面から0.1μmの深さにある水平断面(即ち、改質CrAlN層表面から0.1μmの深さにあり、層厚方向に直交する平面)においては、短辺が5〜100nmであって、アスペクト比が3以上である矩形状のCrAlN結晶粒が存在する。
しかも、前記水平断面において、前記矩形状のCrAlN結晶粒の面積の合計が占める面積割合は、水平断面の全面積の30%以上となっている。
したがって、改質CrAlN層の平均層厚(=前記縦長平板状のCrAlN結晶粒の高さ)は、0.2〜2μmと定める。
なお、この発明でいう「短辺」とは、改質CrAlN層の表面から0.1μmの深さにある水平断面に存在する個々のCrAlN結晶粒について、そのサイズを透過型電子顕微鏡により測定し、個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分を長辺とした場合に、長辺方向に対して垂直な方向における最大幅をいう。
なお、ここでいう「アスペクト比」とは、前記個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分である長辺の値を、前記短辺の値で除した値である。
なお、ここでは被覆インサートを中心にして説明するが、被覆インサートに限らず、被覆エンドミル、被覆ドリル等の各種の被覆工具に適用できるものである。
なお、表2に、本発明インサート1〜10の改質CrAlN層の形成条件である圧力勾配型Arプラズマガンを利用したイオンプレーティングの各種条件を一覧で示す。
装置内加熱温度:390〜450℃、
工具基体に印加する直流バイアス電圧:−20〜−50V、
カソード電極:Cr−Al合金、
アーク放電電流:100〜120A、
装置内ガス:窒素(N2)ガス、
装置内窒素ガス圧力:1〜5Pa、
なお、表4に、比較例インサート1〜10の従来CrAlN層の形成条件であるアークイオンプレーティング(AIP)の各種条件を一覧で示す。
表3,5に、その観察結果を示す。
表3によれば、本発明インサート1〜10では、改質CrAlN層の平均層厚と等しい高さの縦長平板状のCrAlN結晶粒が、工具基体表面に対して直立方向に成長しており、CrAlN層の表面から0.1μmの深さの水平断面について透過型電子顕微鏡を用いて観察・測定したところ、短辺が5〜100nm、アスペクト比が3以上であり、かつ、該水平断面における合計面積が、全断面積の30%以上である縦長平板状のCrAlN結晶粒が存在することが確認された。
図3に、一例として、本発明インサート1の改質CrAlN層の表面から0.1μmの深さの水平断面におけるCrAlN結晶粒の組織模式図を示す。
被削材:平面寸法 100mm×250mm 厚さ50mmのJIS・S35Cの板材、
切削速度: 300m/min.、
一刃あたりの送り: 0.40mm/刃、
切削時間: 2分、
の条件(切削条件1という)での炭素鋼の乾式高速高送り切削加工試験(通常の切削速度及びテーブル送りは、それぞれ、200m/min.、0.25mm/刃.)、
被削材:平面寸法 100mm×250mm 厚さ50mmのJIS・SCM440の板材、
切削速度: 250m/min.、
一刃あたりの送り: 0.35mm/刃、
切削時間: 2分、
の条件(切削条件2という)での合金鋼の乾式高速高送り切削加工試験(通常の切り込み及び送りは、それぞれ、170m/min.、0.25mm/刃.)、
被削材:平面寸法 100mm×250mm 厚さ50mmのJIS・SS400の板材、
切削速度: 300m/min.、
一刃あたりの送り: 0.40mm/刃、
切削時間: 2分、
の条件(切削条件3という)での軟鋼の乾式高速高送り切削加工試験(通常の切り込み及び送りは、それぞれ、250m/min.、0.30mm/刃.)、
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6に示した。
Claims (2)
- 炭化タングステン基超硬合金製工具基体の表面に、0.2〜2μmの平均層厚のCrAlN層からなる硬質被覆層を物理蒸着した表面被覆切削工具において、
前記CrAlN層が、前記平均層厚と等しい高さを有し、かつ、前記工具基体表面に対して直立方向に成長した縦長平板状のCrAlN結晶粒からなり、
さらに、前記CrAlN層の表面から0.1μmの深さの水平断面における結晶粒組織を透過型電子顕微鏡で観察した場合、短辺が5〜100nmであって、アスペクト比が3以上である前記縦長平板状のCrAlN結晶粒が存在し、かつ、前記水平断面において短辺が5〜100nmであって、アスペクト比が3以上である前記縦長平板状のCrAlN結晶粒が占める面積の合計は、全断面積の30%以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記CrAlN層を、
組成式:(Cr1−XAlX)N
で表わした場合、Cr成分との合量に占めるAl成分の含有割合Xが、原子比で0.10≦X≦0.70を満足する請求項1に記載の表面被覆切削工具。
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