JP3858256B2

JP3858256B2 - 耐摩耗性および耐チッピング性のすぐれた超硬合金製エンドミル

Info

Publication number: JP3858256B2
Application number: JP24297799A
Authority: JP
Inventors: 安彦田代; 和則佐藤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2019-08-30
Also published as: JP2001062623A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に高速切削で、すぐれた耐摩耗性と耐チッピング性を発揮する超硬合金製エンドミル（以下、超硬エンドミルと云う）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超硬エンドミルが、例えば図１（ａ）に概略正面図で、同（ｂ）に切刃部のエンドミル中心線に対する概略横断面図で示されるように、シャンク部と外周刃が形成された切刃部からなり、前記外周刃は逃げ面とすくい面、これら両面の交わる切刃稜で構成され、これが結合相形成成分としてＣｏ：５〜１６重量％を含有する炭化タングステン基超硬合金（以下、単に超硬合金と云う）の焼結体からなることは良く知られるところである。
また、上記の超硬エンドミルが、原料粉末として、いずれも０．５〜６μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ粉末、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、Ｃｏ粉末、およびＣｒ粉末などを用い、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し、湿式混合し、乾燥した後、所定径を有する丸棒圧粉体にプレス成形し、この丸棒圧粉体を、１０^-2〜１０^-1Ｔｏｒｒの真空雰囲気中、５〜１０℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃に昇温し、この昇温温度に１〜２時間保持後、炉冷の条件で焼結して、結合相形成成分としてのＣｏを焼結性および靭性（強度）付与の目的で５〜１６重量％含有する超硬合金で構成された丸棒焼結体素材を形成し、この丸棒焼結体素材から図１に示される形状に研削加工することにより製造されることも知られている。
さらに、上記の全体が焼結体からなる超硬エンドミルをエンドミル本体とし、このエンドミル本体の少なくとも切刃部の表面に、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、ＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、窒酸化物（以下、ＴｉＮＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１種の単層または２種以上の複層からなるＴｉ化合物層と、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ₂Ｏ₃で示す）層で構成されたセラミック硬質皮膜を１〜１０μｍの平均膜厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる被覆超硬エンドミルも知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工は高速切削を強いられる傾向にあるが、上記の従来超硬エンドミルおよび従来被覆超硬エンドミルにおいては、これを高速切削に用いると、前者ではエンドミル全体が靭性のすぐれた超硬合金で構成されているので、切刃にチッピング（微小欠け）の発生なく、すぐれた耐チッピング性を示すものの、硬さ不足のために摩耗進行がきわめて速く、また一般にエンドミルの場合、その切削形態から、切削速度が速くなればなるほど「ねじれ」や「たわみ」が大きくなるが、後者ではセラミック硬質皮膜のエンドミル本体への密着性が十分でないために、上記のエンドミル自体に発生する大きな「ねじれ」や「たわみ」によってセラミック硬質皮膜にチッピング発生の原因となる剥離が発生し易い状態となり、この結果前者では摩耗、後者ではチッピングが原因でそれぞれ比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、耐摩耗性および耐チッピング性のすぐれた超硬エンドミルを開発すべく研究を行った結果、通常のスパッタリング装置、例えば図２に概略説明図で示されるスパッタリング装置にて、上記の従来超硬エンドミルをエンドミル本体として基板上に装着し、ターゲットとして、結合相形成成分であるＣｏの含有量を前記エンドミル本体に比して相対的に少ない１〜４重量％とした超硬合金を用い、装置内をヒーターで３００〜６００℃に加熱した状態で、圧力：２〜５×１０^-3ＴｏｒｒのＡｒ反応雰囲気中、前記基板には例えば−１００Ｖ、前記ターゲットには例えば−８００Ｖのバイアス電圧を印加して、前記基板とターゲット間にプラズマを発生させ、もって上記エンドミル本体の少なくとも切刃部の表面に、前記ターゲットを構成する超硬合金と実質的に同じ組成を有するスパッタ蒸着皮膜を１〜１０μｍの平均膜厚で形成すると、この結果の超硬エンドミルにおいては、
（ａ）上記スパッタ蒸着皮膜がエンドミル本体と同種の超硬合金からなるので、高い密着性をもち、高速切削で発生する大きな「ねじれ」や「たわみ」によって剥離することがなく、したがって切刃部でのチッピング発生が著しく抑制されること。
（ｂ）上記スパッタ蒸着皮膜における結合相形成成分としてのＣｏの含有量が１〜４重量％と相対的に低いので、高い表面部硬さをもつようになることから、これの摩耗が抑制され、一方エンドミル本体における結合相形成成分としてのＣｏの含有量は５〜１６重量％と相対的に高いので、エンドミル自体がすぐれた靭性をもつようになること。
（ｃ）一般に超硬合金の焼結体では、原料粉末として平均粒径で１μｍ以下の微細なＷＣ粉末を用い、かつＷＣ粒成長抑制あるいはＷＣ粒微細化の目的でＣｒ₃Ｃ₂粉末やＣｒ粉末を配合しても、走査型電子顕微鏡による断面組織観察で、ＷＣ粒の平均粒径を０．５μｍ以下にすることはきわめて困難であるが、上記のスパッタ蒸着皮膜におけるＷＣ粒は平均粒径で０．０５μｍ以下のきわめて微細な粒径をもち、これによって耐摩耗性の著しい向上がもたらされること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される特性を具備するようになるという研究結果が得られたのである。
【０００５】
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、切刃部とシャンク部からなり、かつ結合相形成成分としてＣｏ：５〜１６重量％を含有する超硬合金の焼結体で構成されたエンドミル本体の少なくとも切刃部の表面に、結合相形成成分としてＣｏ：１〜４重量％を含有する超硬合金のスパッタ蒸着皮膜を１〜１０μｍの平均膜厚で形成してなる、耐摩耗性および耐チッピング性のすぐれた超硬エンドミルに特徴を有するものである。
【０００６】
以下に、この発明の超硬エンドミルにおいて、これを構成するエンドミル本体およびスパッタ蒸着皮膜のＣｏ含有量、並びにスパッタ蒸着皮膜の平均膜厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
（１）（）エンドミル本体のＣｏ含有量
その含有量が５重量％未満では、所望の強度と靭性を確保することができず、この結果切刃部に欠けが生じ易くなるばかりでなく、特に高速切削では折損の発生も避けられず、一方その含有量が１６重量％を越えると、特に切刃部に熱塑性変形が起り易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その含有量を５〜１６重量％と定めた。
【０００７】
（２）（）スパッタ蒸着皮膜のＣｏ含有量
その含有量が１重量％未満では、エンドミル本体表面への密着性が不充分となるばかりでなく、十分な皮膜強度が得られず、一方その含有量が４重量％を越えると、特に高速切削での耐摩耗性が急激に低下するようになることから、その含有量を１〜４重量％と定めた。
【０００８】
（３）（）スパッタ蒸着皮膜の平均膜厚
その平均膜厚が１μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均膜厚が１０μｍ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、その平均膜厚を１〜１０μｍと定めた。
【０００９】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明の超硬エンドミルを実施例により具体的に説明する。
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粉末、同１．８μｍのＣｏ粉末、および同１．２μｍの炭素（Ｃ）粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表１、２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、１ｔｏｎ／ｃｍ²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、０．０５Ｔｏｒｒ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種のエンドミル本体形成用丸棒焼結体、並びにいずれも直径：１００ｍｍ×厚さ：１６ｍｍの寸法をもったスパッタ蒸着皮膜形成用ターゲットａ〜ｈをそれぞれ形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表１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の寸法をもち、かついずれも図１に示される形状をもったエンドミル本体Ａ〜Ｈを製造した。
【００１０】
ついで、この結果得られたエンドミル本体Ａ〜Ｈおよびターゲットａ〜ｈを、それぞれ表３に示される組合せで、図２に示される構造のスパッタリング装置に装着し（この場合前記エンドミル本体は装置内の基板に装着される）、まず、装置内を排気して１×１０−５Ｔｏｒｒの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４５０℃に加熱した後、Ａｒガス、（Ａｒ＋５容量％Ｘｅ）ガス、および（Ａｒ＋１容量％ＣＨ₄）ガスのうちのいずれかを装置内に導入して圧力：１×１０^-3Ｔｏｒｒの雰囲気とし、この状態で前記基板（エンドミル本体）に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加して、前記エンドミル本体の表面をボンバード洗浄し、引き続いて装置内を圧力：３×１０^-3ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気とすると共に、前記基板（エンドミル本体）には−１００Ｖ、前記ターゲットには−８００Ｖのバイアス電圧を印加して、前記ターゲットａ〜ｈを構成する超硬合金のスパッタ蒸着皮膜を、同じく表３に示される目標膜厚で前記エンドミル本体Ａ〜Ｈの表面全体に形成することにより本発明超硬エンドミル１〜８をそれぞれ製造した。
【００１１】
また、比較の目的で、表４に示される通り、上記のエンドミル本体Ａ〜Ｈをそれぞれ従来超硬エンドミル１〜８とした。
さらに、比較の目的で、上記のエンドミル本体Ａ〜Ｈの表面全体に、通常の化学蒸着装置を用い、表５に示される条件（表中、ｌ−ＴｉＣＮは、例えば特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもったＴｉＣＮ層に相当するものであり、これ以外の条件で形成された層はいずれも粒状結晶組織をもつものである。また、α−Ａｌ₂Ｏ₃層はα型結晶構造をもつもの、β−Ａｌ₂Ｏ₃層はβ型結晶構造をもつものを示す）にて、表６に示される組成および目標層厚のセラミック硬質皮膜を形成することにより従来被覆超硬エンドミル１〜８をそれぞれ製造した。
なお、上記の本発明超硬エンドミル１〜８を構成するエンドミル本体およびスパッタ蒸着皮膜のＣｏ含有量およびＷＣ粒の平均粒径、さらにスパッタ蒸着皮膜のＣ含有量をオージェ分析装置および走査型電子顕微鏡を用いての断面組織観察により測定したところ、表３に示される結果を示し、また従来超硬エンドミル１〜８については、表４に示される通り、前記本発明超硬エンドミル１〜８のエンドミル本体と実質的に同じＣｏ含有量およびＷＣ粒平均粒径を示し、さらに本発明超硬エンドミル１〜８のスパッタ蒸着皮膜および従来被覆超硬エンドミル１〜８のセラミック硬質皮膜の膜厚を測定したところ、それぞれ表３おとび表６に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００１２】
この結果得られた各種の超硬エンドミルについて、表７に示される切削条件にて切削試験を行い、先端面切刃部の直径が使用寿命の目安とされる０．２ｍｍ減少するまでの切削長を測定した。これらの測定結果を表３、表４、および表６にそれぞれ示した。
【００１３】
【表１】

【００１４】
【表２】

【００１５】
【表３】

【００１６】
【表４】

【００１７】
【表５】

【００１８】
【表６】

【００１９】
【表７】

【００２０】
【発明の効果】
表３〜６に示される結果から、本発明超硬エンドミル１〜８は、いずれもエンドミル本体へのすぐれた密着性が超硬合金の１〜４重量％含有のＣｏ含有量によって確保され、かつこの低いＣｏ含有量と平均粒径で０．０５μｍ以下の超微粒ＷＣ粒で相対的に高い硬さ（強度）を具備するようになるスパッタ蒸着皮膜によって、高速切削にもかかわらず、切刃部にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性（長い超切削長）を発揮するのに対して、従来超硬エンドミル１〜８は速い摩耗進行、従来被覆超硬エンドミル１〜８はセラミック硬質皮膜の剥離によるチッピング発生がそれぞれ原因で相対的に短い切削長しか示さないことが明らかである。
上述のように、この発明の超硬エンドミルは、自体の「たわみ」や「ねじれ」が大きくなる高速切削ですぐれた耐摩耗性と耐チッピング性を発揮するものであるから、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することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は超硬エンドミルを例示する概略正面図、（ｂ）は同切刃部の概略横断面図である。
【図２】スパッタリング装置を例示する概略説明図である。

Claims

切刃部とシャンク部からなり、かつ結合相形成成分としてＣｏ：５〜１６重量％を含有する炭化タングステン基超硬合金の焼結体で構成されたエンドミル本体の少なくとも切刃部の表面に、結合相形成成分としてＣｏ：１〜４重量％を含有する炭化タングステン基超硬合金のスパッタ蒸着皮膜を１〜１０μｍの平均膜厚で形成してなる、耐摩耗性および耐チッピング性のすぐれた超硬合金製エンドミル。