JP3972776B2 - 高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮するスローアウエイ式表面被覆超硬合金製切削チップ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に高熱発生を伴なう高速切削加工で、超硬合金基体におけるすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部がすぐれた耐熱塑性変形性を示し、前記切刃稜線部の熱塑性変形が原因の硬質被覆層の微少剥離が防止されて、すぐれた耐チッピング性を発揮するスローアウエイ式表面被覆超硬合金製切削チップ（以下、被覆超硬チップと云う）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超硬合金製切削チップ（以下、超硬チップと云う）が、バイトの先端部に着脱自在に取り付けて各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工を行なうのに用いたり、エンドミル本体に着脱自在に取り付けて、前記被削材の面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられることは良く知られるところである。
【０００３】
上記の超硬チップとして、組織的に結合相と硬質相で構成され、結合相形成成分として質量％（以下、％は質量％を示す）で、４〜１０％の割合で含有するＣｏ中に０．１〜２％の割合で固溶含有したＣｒおよび／またはＶ成分による粒成長抑制作用で、硬質相を構成する炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）の粒径を、平均粒径で、望ましくは０．７μｍ以下とした微粒組織の超硬合金からなる超硬チップが知られている（例えば特許文献１参照）。
また、切削性能の一段の向上を目的として、超硬チップを基体とし、この基体の表面に、必要に応じて下地密着層として窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層を０．１〜１μｍの平均層厚で蒸着形成した後、ＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］からなる硬質被覆層を０．５〜６μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬チップも知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、上記の超硬チップが、原料粉末として、いずれも０．１〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有する炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）粉末、炭化クロム（以下、Ｃｒ3Ｃ2で示す）粉末、炭化バナジウム（以下、ＶＣで示す）粉末、およびＣｏ粉末を用い、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、例えば１００ＭＰａ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、雰囲気圧力を１．３〜１３．３Ｐａとした真空雰囲気中、１３５０〜１４８０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この昇温温度に１〜２時間保持後、冷却して、Ｃｒ（Ｃｒ3Ｃ2）および／またはＶ（ＶＣ）がＣｏ中に固溶してなる結合相とＷＣの硬質分散相からなる超硬合金で構成され、かつ研削加工にて所定の形状とすることにより製造されることも知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、上記の被覆超硬チップが、超硬チップを基体とし、この基体を、例えば図１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装入し、ヒータで装置内を、例えば雰囲気を１．３×１０-3Ｐａの真空として、５００℃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Ｔｉ−Ａｌ合金、または前記Ｔｉ−Ａｌ合金と金属Ｔｉがセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電圧：３５Ｖ、電流：９０Ａ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、一方前記基体には、例えば−２００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で所定時間保持して、前記基体の表面に、所定層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、または下地密着層としてのＴｉＮ層と（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層を形成することにより製造されることも知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６１−１２８４７号公報
【特許文献２】
特開平８−２０９３３号公報
【０００７】
【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、切削装置の高性能化と相俟って、切削加工は高速で行われる傾向にあるが、特に従来被覆超硬チップにおいては、これを高熱発生を伴なう高速切削加工に用いると、特に超硬合金基体におけるすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部が、高温硬さおよび耐熱性不足が原因で、熱塑性変形を起し、この結果前記切刃稜線部の硬質被覆層には微少剥離が発生し、これがチッピング（微少欠け）の発生を誘発することから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００８】
【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、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超硬チップを開発すべく、特に従来被覆超硬チップを構成する超硬合金基体に着目し、研究を行った結果、
（ａ）従来被覆超硬チップを構成する超硬合金基体の製造に際して、通常、原料粉末として用いられるＷＣ粉末は、高純度を意図して製造されているため、焼結後の超硬合金基体の硬質分散相であるＷＣ相が不純物として含有する窒素および酸素の含有量は、前記ＷＣ相の中心部をオージェ電子分光分析装置を用いて測定した値で、
酸素（Ｏ）：０．００１〜０．０５％、
窒素（Ｎ）：０．００１〜０．０３％、
であるのが一般的であること。
【０００９】
（ｂ）一般に、上記（ａ）の従来高純度ＷＣ粉末は、原料粉末としてＷＯ3粉末を用い、これに還元粉末として所定量のカーボンブラックを配合し、混合した後、この混合粉末を９５０〜１０５０℃に加熱し、窒素気流中で所定時間保持の条件で還元処理を行い、ついで加熱温度を１１５０〜１２５０℃とすると共に、前記窒素気流を水素気流に変えて所定時間保持の条件で炭化処理を行うことにより製造されているが、この従来高純度ＷＣ粉末の製造において、還元処理の窒素気流中および炭化処理の水素気流中に所定割合、望ましくは５〜１５容量％の割合でＣＯガスを配合すると、製造されたＷＣ粉末中の酸素含有量および窒素含有量が上昇するようになり、前記のＣＯガスの５〜１５容量％の配合で、製造されたＷＣ粉末は、
酸素（Ｏ）：０．２〜０．６％、
窒素（Ｎ）：０．１〜０．２５％、
を含有するようになること。
【００１０】
（ｃ）この結果の高酸素高窒素含有のＷＣ粉末を原料粉末として用いて製造された超硬合金基体においては、これのＷＣ相は、その中心部をオージェ電子分光分析装置を用いて測定した値で、前記高酸素高窒素含有のＷＣ粉末と同じＯ：０．２〜０．６％、Ｎ：０．１〜０．２５％、の含有量を示し、この結果前記含有量のＯによってすぐれた高温硬さと耐熱性を具備し、一方前記Ｏ含有によってＷＣ相の強度は低下するようになるが、このＯ含有による強度低下を前記含有量のＮによって抑制することから、高純度ＷＣ相と同等の高強度が保持され、したがってこの超硬合金基体で構成された被覆超硬チップは、高熱発生を伴なう高速切削加工で、特にすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部が、すぐれた耐熱塑性変形性を示すようになり、この結果前記切刃稜線部における硬質被覆層の微少剥離が防止され、前記微少剥離が原因のチッピング発生が抑制されることから、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。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【００１１】
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、組織的に結合相と硬質分散相で構成された超硬合金からなる基体の表面に、０．５〜６μｍの平均層厚で（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆超硬チップにおいて、
上記超硬合金基体を、いずれも結合相形成成分として、
Ｃｏ：４〜１０％、
Ｃｒおよび／またはＶ：０．１〜２％、
を含有し、残りが硬質分散相を構成する酸素および窒素を固溶含有のＷＣと不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＷＣ相の酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）の含有量が、前記ＷＣ相の中心部をオージェ電子分光分析装置を用いて測定した値で、
Ｏ：０．２〜０．６％、
Ｎ：０．１〜０．２５％、
である超硬合金で構成してなる、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超硬チップに特徴を有するものである。
【００１２】
以下に、この発明の被覆超硬チップにおいて、これを構成する超硬合金基体の組成、および硬質被覆層の平均層厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
（１） 超硬合金基体のＣｏ含有量
結合相形成成分としてのＣｏ含有量が４％未満では基体に所望の強度および靭性を確保することができず、一方Ｃｏ含有量が１０％を超えると切刃稜線部に熱塑性変形が発生し易くなり、この結果切刃稜線部における硬質被覆層に微少剥離が発生し、これがチッピングを誘発し、摩耗の進行が促進されるようになることから、Ｃｏ含有量を４〜１０％と定めた。
【００１３】
（２） 超硬合金基体のＣｒおよび／またはＶ
これらの成分には、結合相を形成するＣｏ中に固溶した状態でＷＣ相の成長を著しく抑制して、これの粒径を平均粒径で、望ましくは０．７μｍ以下とした微粒組織とする作用があるが、この作用はＣｒおよびＶ成分の含有量が０．１％未満では不充分となり、一方その含有量が２％を超えると、これらの成分が炭化物として析出し、強度および靭性を低下させるようになることから、その含有量を０．１〜２％と定めた。
【００１４】
（３） 超硬合金基体のＷＣ相のＯ含有量
超硬合金基体のＷＣ相におけるＯ含有量が０．２％未満では、所望のすぐれた高温硬さと耐熱性を確保することができないので、原料粉末であるＷＣ粉末の製造時に、還元処理の窒素気流中および炭化処理の水素気流中に配合するＣＯガスの割合を調整して０．２％以上含有させ、すぐれた高温硬さと耐熱性を確保して、高熱発生の高速切削加工でも切刃稜線部がすぐれた耐熱塑性変形性を発揮するようにするが、一方その含有量が０．６％を超えるとＮ含有によってもＷＣ相自体の強度低下を阻止することができず、この結果チッピングが発生し易くなり、使用寿命短命化をもたらすことから、その含有量を０．２〜０．６％と定めた。
【００１５】
（４） 超硬合金基体のＷＣ相のＮ含有量
また、Ｎ含有量が０．１％未満では、上記のＯ含有による強度低下を完全に阻止することができないので、原料粉末として用いられるＷＣ粉末の製造に際して、還元処理の窒素気流中および炭化処理の水素気流中に配合するＣＯガスの割合を調整して０．１％以上含有するようにするが、一方その含有量が０．２５％を超えると上記のＯ含有によってもたらされる高温硬さと耐熱性の向上効果が低下し、所望の高温硬さと耐熱性を確保することができなくなり、この結果切刃稜線部が熱塑性変形を起し易くなり、これがチッピングの発生を誘発し、使用寿命短命化の原因となることから、その含有量を０．１〜０．２５％と定めた。
【００１６】
（５） 硬質被覆層の平均層厚
その平均層厚が０．５μｍ未満では硬質被覆層によってもたらされるすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が６μｍを超えると硬質被覆層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０．５〜６μｍ、望ましくは０．８〜４μｍと定めた。
なお、この場合硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）ＮにおけるＴｉ成分は層自体の強度を高め、またＡｌ成分は硬さを高め、かつ耐熱性を向上させる作用をもつが、Ａｌの割合がＴｉとの合量に占める原子比で（以下同じ）、０．２未満では所望の硬さおよび耐熱性向上効果が得られず、一方Ａｌの割合が同０．７を超えると、相対的にＴｉ成分の含有割合が少なくなり過ぎて、Ｔｉ成分によってもたらされる強度向上効果を十分に発揮することができず、この結果チッピングが発生し易くなることから、Ａｌの割合は０．２〜０．７、望ましくは０．４〜０．６とするのがよい。
【００１７】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明の被覆超硬チップ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：０．５μｍを有するＷＯ3粉末、および同０．２μｍのカーボンブラックを用意し、まずこれら原料粉末を、カーボンブラック：１７％、ＷＯ3粉末：残り、の割合に配合し、湿式ボールミルでアセトンを加えて３時間混合し、減圧乾燥した後、よくほぐした状態でカーボンボートに充填した後、この混合粉末を９５０〜１０５０℃に加熱し、ＣＯガスを５〜１５容量％の範囲内の所定の割合で配合してなる窒素−ＣＯ混合気流中で３時間保持の条件で還元処理を行い、ついで加熱温度を１１５０〜１２５０℃とすると共に、前記窒素−ＣＯ混合気流を同じくＣＯガスを５〜１５容量％の範囲内の所定の割合で配合してなる水素−ＣＯ混合気流に変えて３時間保持の条件で炭化処理を行い、最終的に粒度調整を行うことにより、表１に示される窒素および酸素を含有し、かつ平均粒径をもった本発明被覆超硬チップの超硬合金基体製造用原料粉末としてのＷＣ粉末（以下、本発明原料ＷＣ粉末という）ａ−１〜ａ−５をそれぞれ製造した。
【００１８】
また、比較の目的で、還元処理の反応雰囲気を窒素気流、炭化処理の反応雰囲気を水素気流とする以外は、同一の条件で、同じく表１に示される窒素および酸素含有量、並びに平均粒径の従来被覆超硬チップの超硬合金基体製造用原料粉末としてのＷＣ粉末（以下、従来原料ＷＣ粉末という）ｂ−１〜ｂ−５をそれぞれ製造した。
【００１９】
ついで、上記の本発明原料ＷＣ粉末ａ−１〜ａ−５および従来原料ＷＣ粉末ｂ−１〜ｂ−７のそれぞれに、平均粒径：１．２μｍのＣｏ粉末、同１．８μｍのＶＣ粉末、および同２．３μｍのＣｒ3Ｃ2粉末を表２に示される割合に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥し、さらにワックスと溶剤を加えて１時間混和した後、１００ＭＰａ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、１．３Ｐａの真空雰囲気中、１３８０〜１４８０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結し、この結果得られた超硬合金素材に研削加工を施して、それぞれ表２に示されるチップ形状およびホーニング量の本発明超硬合金基体Ａ−１〜Ａ−５および従来超硬合金基体Ｂ−１〜Ｂ−５をそれぞれを製造した。
【００２０】
ついで、これら超硬合金基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図１に例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、一方カソード電極（蒸発源）として、それぞれ種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、さらに、ボンバート洗浄用および下地密着層形成用として金属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、前記超硬合金基体に−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、もって超硬合金基体表面をＴｉボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入して６Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬合金基体に印加するバイアス電圧を−２００Ｖ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、もって前記超硬合金基体のそれぞれの表面に、表３に示される目標Ａｌ含有量および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、またはＴｉＮ層とＴｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層（なお、表３には表示を省略したが、下地密着層としての前記ＴｉＮ層の形成を本発明被覆超硬チップ３および従来被覆超硬チップ３に０．５μｍの平均層厚で行なった）を蒸着することにより、本発明被覆超硬チップ１〜５および従来被覆超硬チップ１〜５をそれぞれ製造した。
【００２１】
この結果得られた本発明被覆超硬チップ１〜５および従来被覆超硬チップ１〜５について、オージェ電子分光分析装置を用い、これを構成する超硬合金基体における任意５個の ＷＣ相の中心部のＯ含有量およびＮ含有量を測定し、この結果を表２に平均値で示した。
表２には、これらの被覆超硬チップを構成する超硬合金基体の任意断面におけるＷＣ相の平均粒径を走査型電子顕微鏡を用いて測定した結果も示した。
また、同じく上記超硬合金基体のＣｏ、Ｃｒ、およびＶの含有量を測定したところ、配合組成と実質的に同じ値を示した。
さらに、上記の本発明被覆超硬チップ１〜５および従来被覆超硬チップ１〜５を構成するそれぞれの硬質被覆層について、その厚さ断面中央部の組成をオージェ分光分析装置を用いて測定し、またその層厚を走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれの場合も目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成および層厚を示した。
【００２２】
つぎに、上記の各種被覆超硬チップのうち、ＩＳＯ・ＤＣＥＴ１１Ｔ３０２Ｒのチップ形状を有する本発明被覆超硬チップ１〜３および従来被覆超硬チップ１〜３については、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・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件で合金鋼の乾式連続高速旋削加工試験を行ない、切刃部における逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに達するまでの切削長を測定した。
【００２３】
また、ＩＳＯ・ＡＰＭＴ１６０４ＰＤＥＲのチップ形状を有する本発明被覆超硬チップ３，４および従来被覆超硬チップ３，４については、直径：３２ｍｍの合金鋼製カッターに固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の角材、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：８ｍｍ、
径方向切り込み：１６ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ／刃、
の条件で普通鋳鉄の高速肩削り加工試験を行ない、切刃部における逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに達するまでの切削長を測定した。これらの切削加工試験結果を表３に示した。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】
【表３】
【００２７】
【発明の効果】
表１〜３に示される結果から、本発明被覆超硬チップ１〜５は、いずれもこれを構成する超硬合金基体のＷＣ相のＯおよびＮの含有量が相対的に高く、硬質分散相である前記ＷＣ相によってすぐれた高温硬さと耐熱性が確保されることから、高熱発生を伴なう高速切削加工でも切刃稜線部に硬質被覆層の微少剥離の原因となる熱塑性変形の発生がなく、この結果すぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記ＷＣ相のＯおよびＮの含有量が相対的に低い超硬合金基体で構成された従来被覆超硬チップ１〜５においては、いずれも超硬合金基体におけるＷＣ相の高温硬さおよび耐熱性不足が原因で、高速切削加工では特に切刃稜線部に熱塑性変形が起り、これが原因で硬質被覆層に微少剥離が発生し、チッピングを誘発することから、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チップは、通常の条件での切削加工は勿論のこと、高速切削加工で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】アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に高熱発生を伴なう高速切削加工で、超硬合金基体におけるすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部がすぐれた耐熱塑性変形性を示し、前記切刃稜線部の熱塑性変形が原因の硬質被覆層の微少剥離が防止されて、すぐれた耐チッピング性を発揮するスローアウエイ式表面被覆超硬合金製切削チップ（以下、被覆超硬チップと云う）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超硬合金製切削チップ（以下、超硬チップと云う）が、バイトの先端部に着脱自在に取り付けて各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工を行なうのに用いたり、エンドミル本体に着脱自在に取り付けて、前記被削材の面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられることは良く知られるところである。
【０００３】
上記の超硬チップとして、組織的に結合相と硬質相で構成され、結合相形成成分として質量％（以下、％は質量％を示す）で、４〜１０％の割合で含有するＣｏ中に０．１〜２％の割合で固溶含有したＣｒおよび／またはＶ成分による粒成長抑制作用で、硬質相を構成する炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）の粒径を、平均粒径で、望ましくは０．７μｍ以下とした微粒組織の超硬合金からなる超硬チップが知られている（例えば特許文献１参照）。
また、切削性能の一段の向上を目的として、超硬チップを基体とし、この基体の表面に、必要に応じて下地密着層として窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層を０．１〜１μｍの平均層厚で蒸着形成した後、ＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］からなる硬質被覆層を０．５〜６μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬チップも知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、上記の超硬チップが、原料粉末として、いずれも０．１〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有する炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）粉末、炭化クロム（以下、Ｃｒ3Ｃ2で示す）粉末、炭化バナジウム（以下、ＶＣで示す）粉末、およびＣｏ粉末を用い、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、例えば１００ＭＰａ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、雰囲気圧力を１．３〜１３．３Ｐａとした真空雰囲気中、１３５０〜１４８０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この昇温温度に１〜２時間保持後、冷却して、Ｃｒ（Ｃｒ3Ｃ2）および／またはＶ（ＶＣ）がＣｏ中に固溶してなる結合相とＷＣの硬質分散相からなる超硬合金で構成され、かつ研削加工にて所定の形状とすることにより製造されることも知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、上記の被覆超硬チップが、超硬チップを基体とし、この基体を、例えば図１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装入し、ヒータで装置内を、例えば雰囲気を１．３×１０-3Ｐａの真空として、５００℃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Ｔｉ−Ａｌ合金、または前記Ｔｉ−Ａｌ合金と金属Ｔｉがセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電圧：３５Ｖ、電流：９０Ａ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、一方前記基体には、例えば−２００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で所定時間保持して、前記基体の表面に、所定層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、または下地密着層としてのＴｉＮ層と（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層を形成することにより製造されることも知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６１−１２８４７号公報
【特許文献２】
特開平８−２０９３３号公報
【０００７】
【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、切削装置の高性能化と相俟って、切削加工は高速で行われる傾向にあるが、特に従来被覆超硬チップにおいては、これを高熱発生を伴なう高速切削加工に用いると、特に超硬合金基体におけるすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部が、高温硬さおよび耐熱性不足が原因で、熱塑性変形を起し、この結果前記切刃稜線部の硬質被覆層には微少剥離が発生し、これがチッピング（微少欠け）の発生を誘発することから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００８】
【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、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超硬チップを開発すべく、特に従来被覆超硬チップを構成する超硬合金基体に着目し、研究を行った結果、
（ａ）従来被覆超硬チップを構成する超硬合金基体の製造に際して、通常、原料粉末として用いられるＷＣ粉末は、高純度を意図して製造されているため、焼結後の超硬合金基体の硬質分散相であるＷＣ相が不純物として含有する窒素および酸素の含有量は、前記ＷＣ相の中心部をオージェ電子分光分析装置を用いて測定した値で、
酸素（Ｏ）：０．００１〜０．０５％、
窒素（Ｎ）：０．００１〜０．０３％、
であるのが一般的であること。
【０００９】
（ｂ）一般に、上記（ａ）の従来高純度ＷＣ粉末は、原料粉末としてＷＯ3粉末を用い、これに還元粉末として所定量のカーボンブラックを配合し、混合した後、この混合粉末を９５０〜１０５０℃に加熱し、窒素気流中で所定時間保持の条件で還元処理を行い、ついで加熱温度を１１５０〜１２５０℃とすると共に、前記窒素気流を水素気流に変えて所定時間保持の条件で炭化処理を行うことにより製造されているが、この従来高純度ＷＣ粉末の製造において、還元処理の窒素気流中および炭化処理の水素気流中に所定割合、望ましくは５〜１５容量％の割合でＣＯガスを配合すると、製造されたＷＣ粉末中の酸素含有量および窒素含有量が上昇するようになり、前記のＣＯガスの５〜１５容量％の配合で、製造されたＷＣ粉末は、
酸素（Ｏ）：０．２〜０．６％、
窒素（Ｎ）：０．１〜０．２５％、
を含有するようになること。
【００１０】
（ｃ）この結果の高酸素高窒素含有のＷＣ粉末を原料粉末として用いて製造された超硬合金基体においては、これのＷＣ相は、その中心部をオージェ電子分光分析装置を用いて測定した値で、前記高酸素高窒素含有のＷＣ粉末と同じＯ：０．２〜０．６％、Ｎ：０．１〜０．２５％、の含有量を示し、この結果前記含有量のＯによってすぐれた高温硬さと耐熱性を具備し、一方前記Ｏ含有によってＷＣ相の強度は低下するようになるが、このＯ含有による強度低下を前記含有量のＮによって抑制することから、高純度ＷＣ相と同等の高強度が保持され、したがってこの超硬合金基体で構成された被覆超硬チップは、高熱発生を伴なう高速切削加工で、特にすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部が、すぐれた耐熱塑性変形性を示すようになり、この結果前記切刃稜線部における硬質被覆層の微少剥離が防止され、前記微少剥離が原因のチッピング発生が抑制されることから、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。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【００１１】
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、組織的に結合相と硬質分散相で構成された超硬合金からなる基体の表面に、０．５〜６μｍの平均層厚で（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆超硬チップにおいて、
上記超硬合金基体を、いずれも結合相形成成分として、
Ｃｏ：４〜１０％、
Ｃｒおよび／またはＶ：０．１〜２％、
を含有し、残りが硬質分散相を構成する酸素および窒素を固溶含有のＷＣと不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記ＷＣ相の酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）の含有量が、前記ＷＣ相の中心部をオージェ電子分光分析装置を用いて測定した値で、
Ｏ：０．２〜０．６％、
Ｎ：０．１〜０．２５％、
である超硬合金で構成してなる、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超硬チップに特徴を有するものである。
【００１２】
以下に、この発明の被覆超硬チップにおいて、これを構成する超硬合金基体の組成、および硬質被覆層の平均層厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
（１） 超硬合金基体のＣｏ含有量
結合相形成成分としてのＣｏ含有量が４％未満では基体に所望の強度および靭性を確保することができず、一方Ｃｏ含有量が１０％を超えると切刃稜線部に熱塑性変形が発生し易くなり、この結果切刃稜線部における硬質被覆層に微少剥離が発生し、これがチッピングを誘発し、摩耗の進行が促進されるようになることから、Ｃｏ含有量を４〜１０％と定めた。
【００１３】
（２） 超硬合金基体のＣｒおよび／またはＶ
これらの成分には、結合相を形成するＣｏ中に固溶した状態でＷＣ相の成長を著しく抑制して、これの粒径を平均粒径で、望ましくは０．７μｍ以下とした微粒組織とする作用があるが、この作用はＣｒおよびＶ成分の含有量が０．１％未満では不充分となり、一方その含有量が２％を超えると、これらの成分が炭化物として析出し、強度および靭性を低下させるようになることから、その含有量を０．１〜２％と定めた。
【００１４】
（３） 超硬合金基体のＷＣ相のＯ含有量
超硬合金基体のＷＣ相におけるＯ含有量が０．２％未満では、所望のすぐれた高温硬さと耐熱性を確保することができないので、原料粉末であるＷＣ粉末の製造時に、還元処理の窒素気流中および炭化処理の水素気流中に配合するＣＯガスの割合を調整して０．２％以上含有させ、すぐれた高温硬さと耐熱性を確保して、高熱発生の高速切削加工でも切刃稜線部がすぐれた耐熱塑性変形性を発揮するようにするが、一方その含有量が０．６％を超えるとＮ含有によってもＷＣ相自体の強度低下を阻止することができず、この結果チッピングが発生し易くなり、使用寿命短命化をもたらすことから、その含有量を０．２〜０．６％と定めた。
【００１５】
（４） 超硬合金基体のＷＣ相のＮ含有量
また、Ｎ含有量が０．１％未満では、上記のＯ含有による強度低下を完全に阻止することができないので、原料粉末として用いられるＷＣ粉末の製造に際して、還元処理の窒素気流中および炭化処理の水素気流中に配合するＣＯガスの割合を調整して０．１％以上含有するようにするが、一方その含有量が０．２５％を超えると上記のＯ含有によってもたらされる高温硬さと耐熱性の向上効果が低下し、所望の高温硬さと耐熱性を確保することができなくなり、この結果切刃稜線部が熱塑性変形を起し易くなり、これがチッピングの発生を誘発し、使用寿命短命化の原因となることから、その含有量を０．１〜０．２５％と定めた。
【００１６】
（５） 硬質被覆層の平均層厚
その平均層厚が０．５μｍ未満では硬質被覆層によってもたらされるすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が６μｍを超えると硬質被覆層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０．５〜６μｍ、望ましくは０．８〜４μｍと定めた。
なお、この場合硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）ＮにおけるＴｉ成分は層自体の強度を高め、またＡｌ成分は硬さを高め、かつ耐熱性を向上させる作用をもつが、Ａｌの割合がＴｉとの合量に占める原子比で（以下同じ）、０．２未満では所望の硬さおよび耐熱性向上効果が得られず、一方Ａｌの割合が同０．７を超えると、相対的にＴｉ成分の含有割合が少なくなり過ぎて、Ｔｉ成分によってもたらされる強度向上効果を十分に発揮することができず、この結果チッピングが発生し易くなることから、Ａｌの割合は０．２〜０．７、望ましくは０．４〜０．６とするのがよい。
【００１７】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明の被覆超硬チップ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：０．５μｍを有するＷＯ3粉末、および同０．２μｍのカーボンブラックを用意し、まずこれら原料粉末を、カーボンブラック：１７％、ＷＯ3粉末：残り、の割合に配合し、湿式ボールミルでアセトンを加えて３時間混合し、減圧乾燥した後、よくほぐした状態でカーボンボートに充填した後、この混合粉末を９５０〜１０５０℃に加熱し、ＣＯガスを５〜１５容量％の範囲内の所定の割合で配合してなる窒素−ＣＯ混合気流中で３時間保持の条件で還元処理を行い、ついで加熱温度を１１５０〜１２５０℃とすると共に、前記窒素−ＣＯ混合気流を同じくＣＯガスを５〜１５容量％の範囲内の所定の割合で配合してなる水素−ＣＯ混合気流に変えて３時間保持の条件で炭化処理を行い、最終的に粒度調整を行うことにより、表１に示される窒素および酸素を含有し、かつ平均粒径をもった本発明被覆超硬チップの超硬合金基体製造用原料粉末としてのＷＣ粉末（以下、本発明原料ＷＣ粉末という）ａ−１〜ａ−５をそれぞれ製造した。
【００１８】
また、比較の目的で、還元処理の反応雰囲気を窒素気流、炭化処理の反応雰囲気を水素気流とする以外は、同一の条件で、同じく表１に示される窒素および酸素含有量、並びに平均粒径の従来被覆超硬チップの超硬合金基体製造用原料粉末としてのＷＣ粉末（以下、従来原料ＷＣ粉末という）ｂ−１〜ｂ−５をそれぞれ製造した。
【００１９】
ついで、上記の本発明原料ＷＣ粉末ａ−１〜ａ−５および従来原料ＷＣ粉末ｂ−１〜ｂ−７のそれぞれに、平均粒径：１．２μｍのＣｏ粉末、同１．８μｍのＶＣ粉末、および同２．３μｍのＣｒ3Ｃ2粉末を表２に示される割合に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥し、さらにワックスと溶剤を加えて１時間混和した後、１００ＭＰａ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、１．３Ｐａの真空雰囲気中、１３８０〜１４８０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結し、この結果得られた超硬合金素材に研削加工を施して、それぞれ表２に示されるチップ形状およびホーニング量の本発明超硬合金基体Ａ−１〜Ａ−５および従来超硬合金基体Ｂ−１〜Ｂ−５をそれぞれを製造した。
【００２０】
ついで、これら超硬合金基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図１に例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、一方カソード電極（蒸発源）として、それぞれ種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、さらに、ボンバート洗浄用および下地密着層形成用として金属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、前記超硬合金基体に−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、もって超硬合金基体表面をＴｉボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入して６Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬合金基体に印加するバイアス電圧を−２００Ｖ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、もって前記超硬合金基体のそれぞれの表面に、表３に示される目標Ａｌ含有量および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、またはＴｉＮ層とＴｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層（なお、表３には表示を省略したが、下地密着層としての前記ＴｉＮ層の形成を本発明被覆超硬チップ３および従来被覆超硬チップ３に０．５μｍの平均層厚で行なった）を蒸着することにより、本発明被覆超硬チップ１〜５および従来被覆超硬チップ１〜５をそれぞれ製造した。
【００２１】
この結果得られた本発明被覆超硬チップ１〜５および従来被覆超硬チップ１〜５について、オージェ電子分光分析装置を用い、これを構成する超硬合金基体における任意５個の ＷＣ相の中心部のＯ含有量およびＮ含有量を測定し、この結果を表２に平均値で示した。
表２には、これらの被覆超硬チップを構成する超硬合金基体の任意断面におけるＷＣ相の平均粒径を走査型電子顕微鏡を用いて測定した結果も示した。
また、同じく上記超硬合金基体のＣｏ、Ｃｒ、およびＶの含有量を測定したところ、配合組成と実質的に同じ値を示した。
さらに、上記の本発明被覆超硬チップ１〜５および従来被覆超硬チップ１〜５を構成するそれぞれの硬質被覆層について、その厚さ断面中央部の組成をオージェ分光分析装置を用いて測定し、またその層厚を走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれの場合も目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成および層厚を示した。
【００２２】
つぎに、上記の各種被覆超硬チップのうち、ＩＳＯ・ＤＣＥＴ１１Ｔ３０２Ｒのチップ形状を有する本発明被覆超硬チップ１〜３および従来被覆超硬チップ１〜３については、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・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件で合金鋼の乾式連続高速旋削加工試験を行ない、切刃部における逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに達するまでの切削長を測定した。
【００２３】
また、ＩＳＯ・ＡＰＭＴ１６０４ＰＤＥＲのチップ形状を有する本発明被覆超硬チップ３，４および従来被覆超硬チップ３，４については、直径：３２ｍｍの合金鋼製カッターに固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の角材、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：８ｍｍ、
径方向切り込み：１６ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ／刃、
の条件で普通鋳鉄の高速肩削り加工試験を行ない、切刃部における逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに達するまでの切削長を測定した。これらの切削加工試験結果を表３に示した。
【００２４】
【表１】
【表２】
【表３】
【発明の効果】
表１〜３に示される結果から、本発明被覆超硬チップ１〜５は、いずれもこれを構成する超硬合金基体のＷＣ相のＯおよびＮの含有量が相対的に高く、硬質分散相である前記ＷＣ相によってすぐれた高温硬さと耐熱性が確保されることから、高熱発生を伴なう高速切削加工でも切刃稜線部に硬質被覆層の微少剥離の原因となる熱塑性変形の発生がなく、この結果すぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記ＷＣ相のＯおよびＮの含有量が相対的に低い超硬合金基体で構成された従来被覆超硬チップ１〜５においては、いずれも超硬合金基体におけるＷＣ相の高温硬さおよび耐熱性不足が原因で、高速切削加工では特に切刃稜線部に熱塑性変形が起り、これが原因で硬質被覆層に微少剥離が発生し、チッピングを誘発することから、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チップは、通常の条件での切削加工は勿論のこと、高速切削加工で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】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)
- 組織的に結合相と硬質分散相で構成された超硬合金からなる基体の表面に、０．５〜６μｍの平均層厚でＴｉとＡｌの複合窒化物からなる硬質被覆層を物理蒸着してなるスローアウエイ式表面被覆超硬合金製切削チップにおいて、
上記超硬合金基体を、質量％で、結合相形成成分として、
Ｃｏ：４〜１０％、
Ｃｒおよび／またはＶ：０．１〜２％、
を含有し、残りが硬質分散相を構成する酸素および窒素を固溶含有の炭化タングステンと不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記炭化タングステン相の酸素および窒素の含有量が、前記炭化タングステン相の中心部をオージェ電子分光分析装置を用いて測定した値で、
酸素：０．２〜０．６％、
窒素：０．１〜０．２５％、
である超硬合金で構成したこと、
を特徴とする高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮するスローアウエイ式表面被覆超硬合金製切削チップ。
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