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硬質被覆層が高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ - 三菱マテリアル株式会社
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発明の名称 硬質被覆層が高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−111787(P2007−111787A)
公開日 平成19年5月10日(2007.5.10)
出願番号 特願2005−303110(P2005−303110)
出願日 平成17年10月18日(2005.10.18)
代理人 【識別番号】100076679
【弁理士】
【氏名又は名称】富田 和夫
発明者 本間 哲彦 / 原 央 / 西田 真 / 功刀 斉
要約 課題
高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削チップを提供する。

解決手段
チップ基体の表面に、下部層としてTi化合物層、上部層としてα型Al23層、の硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削チップにおいて、前記上部層のα型Al23層の全面に、窒化チタン層からなる研磨材層を、0.5〜5μmの平均層厚で蒸着形成した状態で、ウエットブラストにて、噴射研磨材としてAl23微粒を配合した研磨液を噴射し、工具取り付け孔周辺部の前記研磨材層を残して、前記上部層のα型Al23層の表面を研磨して、その表面粗さをRa:0.2μm以下としてなる。
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、かつ中心部に工具取り付け孔を有するチップ基体の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
下部層として、炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、炭酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの1層または2層以上からなり、かつ3〜20μmの全体平均層厚を有するTi化合物層、
上部層として、1〜15μmの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる、表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップにおいて、
上記硬質被覆層の上部層である酸化アルミニウム層の全面に、0.5〜5μmの平均層厚を有する窒化チタン層で構成された研磨材層を蒸着形成した状態で、
ウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で15〜60質量%の酸化アルミニウム微粒を配合した研磨液を噴射し、
上記の研磨材層のウエットブラストによる粉砕化窒化チタン微粒と、噴射研磨材としての酸化アルミニウム微粒の共存下で、上記工具取り付け孔周辺部の研磨材層を残して、上記硬質被覆層の上部層を構成する酸化アルミニウム層の表面を研磨して、切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の表面粗さを準拠規格JIS・B0601−1994に基いた測定で、Ra:0.2μm以下としたことを特徴とする、硬質被覆層が高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
この発明は、特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工に用いた場合に、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ(以下、被覆切削チップという)に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、一般に、図3に概略斜視図で示される通り、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、かつ中心部に工具取りつけ孔を有する基体(以下、これらを総称してチップ基体という)の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
下部層として、炭化チタン(以下、TiCで示す)層、窒化チタン(以下、同じくTiNで示す)層、炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)層、炭酸化チタン(以下、TiCOで示す)層、および炭窒酸化チタン(以下、TiCNOで示す)層のうちの1層または2層以上からなり、かつ3〜20μmの全体平均層厚を有するTi化合物層、
上部層として、1〜15μmの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層(以下、α型Al23層で示す)、
で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削チップが知られており、この被覆切削チップが、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることは良く知られている。
【0003】
また、上記の被覆切削チップにおいて、これの硬質被覆層の構成層は、一般に粒状結晶組織を有し、さらに、下部層であるTi化合物層を構成するTiCN層を、層自身の強度向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、700〜950℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
さらに、上記の被覆切削チップの硬質被覆層を構成するα型Al23層(上部層)の表面を、切削性能を向上させる目的でウエットブラスト処理して、平滑化することも知られている。
【特許文献1】特開平6−31503号公報
【特許文献2】特開平6−8010号公報
【特許文献3】特開平8−276305号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年の切削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は強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆切削チップにおいては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、特に切削速度が350m/min.を越える高速で切削加工を行なうのに用いた場合には、硬質被覆層の上部層を構成するα型Al23層にチッピング(微少欠け)が発生し易く、この結果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】
【0005】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記のα型Al23層が硬質被覆層の上部層を構成する被覆切削チップに着目し、特に前記α型Al23層の耐チッピング性向上を図るべく研究を行った結果、
(a)上記の従来被覆切削チップにおける硬質被覆層の上部層を構成するα型Al23層の表面に、ウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で15〜60質量%の酸化アルミニウム(以下、Al23で示す)微粒を配合した研磨液を噴射して、研磨すると、前記α型Al23層は、準拠規格JIS・B0601−1994に基いた測定(以下の表面粗さは全てかかる準拠規格に基いた測定値を示す)で、Ra:0.3〜0.6μmの表面粗さを示すようになるが、この結果の前記α型Al23層の表面を、ウエットブラストにてRa:0.3〜0.6μmの表面粗さに平滑化した被覆切削チップを用いても、切削速度が350m/min.を越えた高速切削加工では切刃部におけるチッピング発生を満足に抑制することはできないこと。
【0006】
(b)一方、図2に概略斜視図で示される通り、上記の従来被覆切削チップにおける硬質被覆層の上部層を構成するα型Al23層の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、通常の化学蒸着装置を用い、通常の条件、例えば表3に示される条件で、かつ、0.5〜5μmの平均層厚で、窒化チタン(以下、TiNで示す)層を蒸着形成した状態で、
上記(a)におけると同じくウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で15〜60質量%のAl23微粒を配合した研磨液を噴射すると、上記TiN層(以下、TiN研磨材層という)は、前記Al23微粒によって粉砕微粒化し、TiN微粒となって前記Al23微粒の共存下で研磨材として作用し、硬質被覆層の上部層を構成するα型Al23層の表面を研磨することになり、この結果研磨後の前記α型Al23層の表面は、Ra:0.2μm以下の表面粗さにまで平滑化されるようになり、この上部層であるα型Al23層の表面がRa:0.2μm以下の表面粗さに平滑化した被覆切削チップを用いて、高速切削加工を行った場合、350m/min.を越える切削速度でも切刃部におけるチッピング発生が防止され、前記硬質被覆層は長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
【0007】
(c)上記の通り、切削速度が350m/min.を越えた高速切削加工では、被覆切削チップの切刃部に懸かる負荷はきわめて高いものになるため、特にフライス切削の場合、工具本体への被覆切削チップの取り付けに際しては、きわめて高い締め付け力で取り付けが行なわれることになり、この結果被覆切削チップの工具取り付け孔周辺部の硬質被覆層に対する圧縮応力はきわめて高いものとなるので、特に上部層を構成するα型Al23層は、ビッカース硬さ(Hv)で約3000の高硬度を有することと相俟って、これに割れが発生し易くなり、これが原因で硬質被覆層に剥離やチッピングが発生するようになるが、図1に概略斜視図で示される通り、前記ウエットブラストに際して、工具取り付け孔周辺部を研磨せず、この部分のTiN研磨材層を残した状態にしておくと、前記TiN研磨材層は前記α型Al23層に比して、相対的に高い高温強度をもち、かつ、硬さの低いもの(Hv:約1950)であるため、工具本体への被覆切削チップの取り付けに際して、高い締め付け力の緩衝層として作用し、この結果前記α型Al23層に対する圧縮応力が著しく小さなものとなるなることから、剥離やチッピング発生の原因となる割れ発生が防止されるようになること。
以上(a)〜(c)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、WC基超硬合金またはTiCN基サーメットで構成され、かつ中心部に工具取り付け孔を有するチップ基体の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
下部層として、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、およびTiCNO層のうちの1層または2層以上からなり、かつ3〜20μmの全体平均層厚を有するTi化合物層、
上部層として、1〜15μmの平均層厚を有するα型Al23層、
で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削チップにおいて、
上記硬質被覆層の上部層であるα型Al23層の全面に、0.5〜5μmの平均層厚で、TiN研磨材層を蒸着形成した状態で、
ウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で15〜60質量%のAl23微粒を配合した研磨液を噴射し、
上記のTiN研磨材層のウエットブラストによる粉砕化TiN微粒と、噴射研磨材としてのAl23微粒の共存下で、上記工具取り付け孔周辺部の研磨材層を残して、上記硬質被覆層の上部層を構成するα型Al23層の表面を研磨して、切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の表面粗さを準拠規格JIS・B0601−1994に基いた測定で、Ra:0.2μm以下としてなる、硬質被覆層が高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削チップに特徴を有するものである。
【0009】
以下に、この発明の被覆切削チップの硬質被覆層およびTiN研磨材層、さらにウエットブラストで用いられる研磨液のAl23微粒に関して、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
(a)硬質被覆層
(a−1)下部層のTi化合物層
Ti化合物層は、α型Al23層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、チップ基体とα型Al23層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層のチップ基体に対する密着性を向上させる作用を有するが、その全体平均層厚が3μm未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その全体平均層厚が20μmを越えると、特に高熱発生を伴なう高速切削では熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その全体平均層厚を3〜20μmと定めた。
【0010】
(a−2)上部層のα型Al23
上記のα型Al23層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、被覆切削チップの切削性能向上に寄与するが、その平均層厚が1μm未満では、所望のすぐれた切削性能を長期に亘って発揮させることができず、一方その平均層厚が15μmを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を1〜15μmと定めた。
【0011】
(b)TiN研磨材層
上記の通り、TiN研磨材層は、ウエットブラスト時に、研磨液に噴射研磨材として配合したAl23微粒によって粉砕微粒化し、TiN微粒となって前記Al23微粒との共存下で研磨材として作用し、硬質被覆層の上部層を構成するα型Al23層の表面を研磨するが、この場合、その平均層厚が0.5μm未満では、ウエットブラスト時における粉砕化TiN微粒の割合が少な過ぎて、研磨機能を十分に発揮することができず、一方、その平均層厚が5μmを越えると、研磨液に噴射研磨材として配合したAl23微粒とのバランスがくずれて、相対的に多くなり過ぎ、この場合も研磨機能が急激に低下するようになり、いずれの場合もα型Al23層の表面をRa:0.2μm以下の表面粗さに研磨することができなくなるという理由で、その平均層厚を0.5〜5μmと定めた。
【0012】
(c)研磨液のAl23微粒の割合
研磨液のAl23微粒には、ウエットブラスト時にTiN研磨材層の粉砕化TiN微粒と共存した状態で、α型Al23層の表面を研磨する作用があるが、その割合が水との合量に占める割合で15質量%未満でも、また60質量%を越えても研磨機能が急激に低下するようになることから、その割合を15〜60質量%と定めた。
【発明の効果】
【0013】
この発明の被覆切削チップは、硬質被覆層の上部層を構成するα型Al23層の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面が、Ra:0.2μm以下の表面粗さに研磨され、さらに工具取り付け孔周辺部に存在するTiN研磨材層が、工具本体への被覆切削チップの取り付けに際して、高速切削加工では不可欠の高い締め付け力の緩衝層として作用することから、前記α型Al23層に対する圧縮応力が著しく小さなものとなり、この結果剥離やチッピング発生の原因となる割れ発生が防止されるようになることと相俟って、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、切削速度が350m/min.を越える高速で行うのに用いた場合にも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
つぎに、この発明の被覆切削チップを実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【0015】
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、Cr32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、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、98MPaの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を5Paの真空中、1370〜1470℃の範囲内の所定の温度に1時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にR:0.07mmのホーニング加工を施すことによりISO・CNMG120408に規定するスローアウエイチップ形状をもったWC基超硬合金製のチップ基体A〜Fをそれぞれ製造した。
【0016】
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、Mo2C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、98MPaの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を1.3kPaの窒素雰囲気中、温度:1540℃に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:0.07mmのホーニング加工を施すことによりISO規格・CNMG120412のチップ形状をもったTiCN基サーメット製のチップ基体a〜fを形成した。
【0017】
ついで、これらのチップ基体A〜Fおよびチップ基体a〜fのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、表3(表3中のl−TiCNは特開平6−8010号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつTiCN層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである)に示される条件にて、表5に示される目標層厚のTi化合物層およびα型Al23層を硬質被覆層の下部層および上部層として蒸着形成し(図3参照)、
ついで、同じく表3に示されるTiN層形成条件でTiN研磨材層を、同じく表5に示される目標層厚で蒸着形成し(図2参照)、
引き続いて、上記のTiN研磨材層形成の被覆切削チップに、表4に示されるブラスト条件で、かつ表5に示される組み合わせでウエットブラストを施して、工具取り付け孔周辺部にTiN研磨材層を存在させた状態で、前記α型Al23層(上部層)の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面を、同じく表5に示される表面粗さに研磨することにより本発明被覆切削チップ1〜13をそれぞれ製造した(図1参照)。
【0018】
また、比較の目的で、表6に示される通り、上記TiN研磨材層の形成を行なわないで、ウエットブラストを硬質被覆層のα型Al23層の表面に直接施す以外は同一の条件で従来被覆切削チップ1〜13をそれぞれ製造した。
この結果得られた従来被覆切削チップ1〜13の硬質被覆層を構成するα型Al23層のウエットブラスト後の表面粗さを表6に示した。
【0019】
また、上記本発明被覆切削チップ1〜13の硬質被覆層および研磨材層の組成、さらに従来被覆切削チップ1〜13の硬質被覆層の組成を、それぞれ厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定したところ、いずれも目標組成と実質的に同じ組成を示し、さらに同構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定(縦断面測定)したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚(5点測定の平均値)を示した。
【0020】
つぎに、上記の本発明被覆切削チップ1〜13および従来被覆切削チップ1〜13の各種の被覆切削チップについて、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、
被削材:JIS・FC300の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:400m/min、
切り込み:2mm、
送り:0.3mm/rev、
切削時間:10分、
の条件(切削条件Aという)での鋳鉄の乾式断続高速切削試験(通常の切削速度は200m/min)、
被削材:JIS・S45Cの長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:430m/min、
切り込み:2mm、
送り:0.35mm/rev、
切削時間:9分、
の条件(切削条件Bという)での炭素鋼の乾式断続高速切削試験(通常の切削速度は200m/min)、さらに、
被削材:JIS・SCM440の丸棒、
切削速度:450m/min、
切り込み:2mm、
送り:0.45mm/rev、
切削時間:7分、
の条件(切削条件Cという)での鋳鉄の乾式連続高速切削試験(通常の切削速度
は200m/min)を行い、いずれの切削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】


【0028】
表5〜7に示される結果から、本発明被覆切削チップ1〜13は、いずれも硬質被覆層の上部層を構成するα型Al23層の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面が、Ra:0.2μm以下の表面粗さに研磨され、さらに工具取り付け孔周辺部に存在するTiN研磨材層が、工具本体への被覆切削チップの取り付けに際して、350m/minを越える高速切削加工では不可欠の高い締め付け力の緩衝層として作用することから、剥離やチッピング発生の原因となる割れ発生が防止され、鋼および鋳鉄の高速切削加工で、すぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層を構成するα型Al23層の表面粗さが、Ra:0.3〜0.6μmを示す従来被覆切削チップ1〜13においては、いずれも350m/minを越える高速切削加工では、工具取り付けに高い締め付け力を必要とすることと相俟って、前記α型Al23層にチッピングが発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【0029】
上述のように、この発明の被覆切削チップは、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特に切削加工を350m/minを越えた高速で行う場合にもすぐれた耐チッピング性を示し、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】
【0030】
【図1】硬質被覆層の一部を切り欠いて示した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。
【図2】研磨材層の一部を切り欠いて示したTiN研磨材層蒸着形成の被覆切削チップの概略斜視図である。
【図3】硬質被覆層の一部を切り欠いて示した従来被覆切削チップの概略斜視図である。




 

 


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