(57)【要約】【課題】本発明は優れた耐チッピング性と耐塑性変形性を有し工具寿命の長寿命化を達成できる被覆チェザーを提供する。【解決手段】超硬合金基材と超硬合金基材の表面に被覆された被膜とを備え、超硬合金基材はＣｏを４．５〜５．５重量％含有し、被膜は、超硬合金基材の表面に被覆されたＴｉＮからなる平均膜厚０．２〜０．６μｍの第１層と、第１層の表面に被覆されたＴｉＣＮからなる平均膜厚０．５〜１．５μｍの第２層と、第２層の表面に被覆されたＴｉＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯおよびＴｉＡｌＣＮＯの中の少なくとも１種からなる平均膜厚０．２〜０．５μｍの第３層と、第３層の表面に被覆されたα型Ａｌ2Ｏ3からなる平均膜厚０．２〜１．０μｍの第４層とから構成され、被膜の総膜厚の平均値は１．５〜２．５μｍである被覆チェザー。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金基材と超硬合金基材の表面に被覆された被膜とからなり、超硬合金基材はＣｏを４．５〜５．５重量％含有し、被膜は、超硬合金基材の表面に被覆されたＴｉＮからなる平均膜厚０．２〜０．６μｍの第１層と、第１層の表面に被覆されたＴｉＣＮからなる平均膜厚０．５〜１．５μｍの第２層と、第２層の表面に被覆されたＴｉＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯおよびＴｉＡｌＣＮＯの中の少なくとも１種からなる平均膜厚０．２〜０．５μｍの第３層と、第３層の表面に被覆されたα型Ａｌ2Ｏ3からなる平均膜厚０．２〜１．０μｍの第４層とから構成され、被膜の総膜厚の平均値は１．５〜２．５μｍである被覆チェザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネジの切削加工に適した被覆チェザーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
油井管と油井管を接続用継手で接続するために、油井管の両端の外径側と接続用継手の内径側にはネジ切り加工が行われている。また、それらの接続部を保護するためのプロテクタもネジ切り加工が行われている。このようなネジ切り加工に用いられるチェザーの従来技術としては、超硬合金基材の表面に、下層からＴｉＣ層、Ａｌ2Ｏ3層、ＴｉＮ層の３層から成るコーティングを有する管ねじ切り用チップがある（例えば、特許文献１参照。）。また、超硬合金の基材と、チタン化合物の被覆膜とを具えた被覆チェザーがある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２７７８０９号公報
【特許文献２】特開２００５−１１８９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
油井管の両端の外形ネジ切り加工や接続用継手の内径ネジ切り加工では、ネジ寸法精度、仕上げ面性状に対する要求が厳しく、チェザーに大きな摩耗、チッピング、フレーキングが生じると被削材の寸法が規格を外れ、工具寿命とみなされる。このとき加工面に異常（スジの発生、加工面の白濁など）が見られることがある。
【０００５】
特許文献１に記載される管ねじ切り用チップや特許文献２に記載されている被覆チェザーはチッピングを生じやすく工具寿命が短いという問題がある。近年、切削速度の高速化が求められているが、切削速度を高速化するとチェザーは塑性変形を生じやすく工具寿命が低下する傾向にある。そこで、本発明は工具寿命が長い被覆チェザーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は被覆チェザーが工具寿命に至るまでの損傷メカニズムを研究したところ、チタン化合物からなる最外層の表面に被削材が溶着し、溶着物が剥がれるときに被膜の剥離が生じ、被膜が剥離したところが起点となってチッピングを生じることが分かった。このような損傷メカニズムを抑制させるためには最外層をチタン化合物よりも化学的に安定なα型Ａｌ2Ｏ3にするとよいことが分かった。また、切削速度の高速化による被覆チェザーの塑性変形に対しては、被覆チェザーの超硬合金基材のＣｏ量を４．５〜５．５重量％とすることで被覆チェザーの塑性変形を抑えることが可能となった。
【０００７】
すなわち、本発明の被覆チェザーは、超硬合金基材と超硬合金基材の表面に被覆された被膜とからなり、超硬合金基材はＣｏを４．５〜５．５重量％含有し、被膜は、超硬合金基材の表面に被覆されたＴｉＮからなる平均膜厚０．２〜０．６μｍの第１層と、第１層の表面に被覆されたＴｉＣＮからなる平均膜厚０．５〜１．５μｍの第２層と、第２層の表面に被覆されたＴｉＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯおよびＴｉＡｌＣＮＯの中の少なくとも１種からなる平均膜厚０．２〜０．５μｍの第３層と、第３層の表面に被覆されたα型Ａｌ2Ｏ3からなる平均膜厚０．２〜１．０μｍの第４層とから構成され、被膜の総膜厚の平均値は１．５〜２．５μｍであるものである。
【０００８】
本発明の被覆チェザーは、超硬合金基材と超硬合金基材の表面に被覆された被膜とからなる。本発明の超硬合金基材は、ＷＣ粉末とＣｏ粉末とからなる混合粉末、または、ＷＣ粉末と周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の粉末とＣｏ粉末とからなる混合粉末を焼結して得られた超硬合金である。本発明の超硬合金基材は、ＷＣからなる硬質相と結合相、または、ＷＣと周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種とからなる硬質相と結合相とで構成される。本発明の超硬合金基材は４．５〜５．５重量％のＣｏを含有する。Ｃｏ量が４．５重量％未満であると、靭性が低下し、欠損やフレーキングが生じやすくなり、５．５重量％を超えて多くなると、硬さが低下し、耐塑性変形性が低下する。そのため、超硬合金基材に含まれるＣｏ量を４．５〜５．５重量％とした。
【０００９】
本発明の被膜は、超硬合金基材の表面に被覆されており、基材側からＴｉＮからなる平均膜厚０．２〜０．６μｍの第１層と、第１層の表面に被覆されたＴｉＣＮからなる平均膜厚０．５〜１．５μｍの第２層と、第２層の表面に被覆されたＴｉＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯおよびＴｉＡｌＣＮＯの少なくとも1種からなる平均膜厚０．２〜０．５μｍの第３層と、第３層の表面に被覆されたα型Ａｌ2Ｏ3からなる平均膜厚０．２〜１．０μｍの第４層とから構成され、被膜の総膜厚の平均値は１．５〜２．５μｍである。
【００１０】
本発明の被膜の総膜厚の平均値を１．５〜２．５μｍとしたのは、１．５μｍ未満では耐摩耗性が低下し、２．５μｍを超えて厚くなると被膜の剥離によるチッピングが発生しやすくなるためである。
【００１１】
本発明の第１層のＴｉＮは超硬合金基材と被膜との密着性を向上させる。ＴｉＮからなる第１層の平均膜厚が０．２μｍ未満になると、超硬合金基材と被膜との密着性が低下し、ＴｉＮからなる第１層の平均膜厚が０．６μｍを超えて厚くなると被膜の剥離を原因としたチッピングが発生しやすくなる。そのため、ＴｉＮからなる第１層の平均膜厚を０．２〜０．６μｍとした。
【００１２】
本発明の第２層のＴｉＣＮは耐摩耗性を向上させる。ＴｉＣＮからなる第２層の平均膜厚が、０．５μｍ未満になると耐摩耗性が低下し、ＴｉＣＮからなる第２層の平均膜厚が１．５μｍを超えて厚くなると被膜の剥離を原因としたチッピングが発生しやすくなる。そのため、ＴｉＣＮからなる第２層の平均膜厚を０．５〜１．５μｍとした。
【００１３】
本発明の第３層のＴｉＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯおよびＴｉＡｌＣＮＯの中の少なくとも１種は、第２層のＴｉＣＮと第４層のα型Ａｌ2Ｏ3との密着性を向上させる。ＴｉＣＮ膜の表面に直接Ａｌ2Ｏ3膜を被覆するとＡｌ2Ｏ3膜が剥離しやすいが、本発明の第３層を被覆すると第４層のα型Ａｌ2Ｏ3の密着性が高くなる。本発明の第３層の平均膜厚が０．２μｍ未満になると、ＴｉＣＮからなる第２層の表面に均一に成膜されていない箇所が生じてα型Ａｌ2Ｏ3からなる第４層との密着性が低下し、本発明の第３層の平均膜厚が０．５μｍを超えて厚くなると被膜の剥離を原因としたチッピングが発生しやすくなる。そのため、本発明の第３層の平均膜厚を０．２〜０．５μｍとした。
【００１４】
本発明の第４層のα型Ａｌ2Ｏ3は、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮなどのチタン化合物よりも生成自由エネルギーが低く化学的に安定である。そのため溶着しにくいので被膜の剥離が起きにくい。そのため、被膜が剥離したところを起因にしたチッピングが発生しにくくなる。α型Ａｌ2Ｏ3からなる第４層の平均膜厚が０．２μｍ未満になると耐溶着性が低下してチッピングが発生しやすくなり、α型Ａｌ2Ｏ3からなる第４層の平均膜厚が１．０μｍを超えて厚くなると被膜の剥離を原因としたチッピングが発生しやすくなる。そのため、α型Ａｌ2Ｏ3からなる第４層の平均膜厚を０．２〜１．０μｍとした。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の被覆チェザーは、最外層を化学的に安定なα型Ａｌ2Ｏ3とすることで耐溶着性と耐チッピング性に優れ長時間に亘り優れた切削性能を発揮する。本発明の被覆チェザーは超硬合金基材のＣｏ量を４．５〜５．５重量％とすることで、優れた耐塑性変形性を発揮する。これらの作用により本発明の被覆チェザーは工具寿命が長いという優れた効果が得られる。また、本発明の被覆チェザーを用いるとネジ寸法精度や仕上げ面性状が良好になるという効果が得られる。
【実施例１】
【００１６】
表１に示す配合組成の混合粉末を真空中にて１４００℃で１時間焼結して得られた超硬合金を油井管プレミアムジョイント（高級ネジ）用の１山チェザー形状に加工して、それを基材とした。
【００１７】
【表１】
2010247274.tif 000002
【００１８】
この基材を洗浄した後、外熱式化学蒸着装置を用い、原料ガスは９９．５体積％以上の高純度ガスを使用し、従来から用いられている化学蒸着法により、表２に示す膜構成になるように被覆して発明品１〜５、比較品１〜８の被覆チェザーを作製した。
【００１９】
【表２】
2010247274.tif 000003
表中の*印は本発明の特許請求の範囲を外れていることを示す。
【００２０】
発明品と比較品を用いて下記のネジ切り切削試験を行った。
［切削試験］
被削材：長さ４００ｍｍ、外径１９４．５ｍｍ、厚さ１３．７ｍｍのアメリカ石油協会（ＡＰＩ）規格Ｐ１１０グレード鋼管
加工形態：鋼管の端から１５０ｍｍまでの範囲を内径ネジ切り加工した。なお、加工数は、鋼管の片端を加工できた場合を０．５個とし、鋼管の両端を加工できた場合を１個とした。
被削材の回転数：２１０ｒｐｍ
切削速度：１１０〜１１７ｍ／ｍｉｎ
送り：５．０８ｍｍ／ｒｅｖ．
切削雰囲気：湿式
工具寿命の判定基準：ネジ寸法が所定の規格値を超えるまでの加工数を工具寿命とした。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
表３に示すように、超硬合金基材のＣｏ量が少ない比較品１、３はフレーキングが生じた。これは超硬合金基材の靭性が不足したことが原因と考えられる。超硬合金基材のＣｏ量が多い比較品２、５は塑性変形が生じて工具寿命に至った。これは硬さが不足しているためと思われる。超硬合金基材のＣｏ量が５．０重量％の発明品１と比較品４は、フレーキングと塑性変形を生じなかった。なお発明品１と比較品４を比較すると、最外層がα型Ａｌ2Ｏ3の発明品１の方が、最外層がＴｉＮの比較品４よりも工具寿命が長かった。最外層がα型Ａｌ2Ｏ3の発明品１は正常摩耗であるが、最外層がＴｉＮの比較品４はチッピングが発生した。これは、被削材の溶着を生じてチッピングが発生したためである。
【００２３】
最外層がκ型Ａｌ2Ｏ3の比較品６と最外層がα型Ａｌ2Ｏ3の発明品１とを比較すると、発明品１の方が比較品６よりも工具寿命は長い。比較品６はチッピングを起こしているが、これは切削温度の上昇によりκ型Ａｌ2Ｏ3がα型Ａｌ2Ｏ3に相変態して体積変化を起こし、被膜が剥離してチッピングが発生したと考えられる。
【００２４】
被膜の総膜厚が１．３μｍの薄い比較品７は耐摩耗性が劣るので工具寿命が短い。逆に被膜の総膜厚が３．０μｍの比較品８はチッピングが発生した。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の被覆チェザーは、耐チッピング性および耐塑性変形性に優れ工具寿命が長い。その結果、ネジ切り加工におけるチェザー交換の時間ロスを大幅に低減することができ、ネジ切り加工の生産性を大幅に改善することができるので、産業上の利用可能性が高い。