産業素材

鋳鉄旋削加工用材種「エースコート® A C 4 1 0 K 」の開発
奥野森

本浩

晋 ・岡

＊田吉生・大森之・津田

圭一・伊藤直也
実

Development of “ACE-COAT AC410K” Coated Carbide for Cast Iron Turning ─ by Susumu Okuno, Yoshio Okada,Naoya Omori, Hiroyuki Morimoto, Keiichi Tsuda and Minoru Itoh ─ Sumitomo Electric Hardmetal Corporation has
developed the new coated carbide grade “AC410K” for cast iron turning application. The “AC410K” coated carbide
adopts a newly developed chemical vapor deposition (CVD) coating “SUPER FF COAT” as its coating film. This newCVD coating consists of flat and smooth layers of fine-particle titanium carbonitride (TiCN) and aluminum oxide(alumina), and far surpasses conventional coatings in terms of resistance to wear and peeling and achieves thehigher stability in machining operations. The new “AC410K” grade can satisfy demands of many customers for cost
reduction and higher productivity of cast iron turning.

1.

緒

言

2.

切削工具に用いられる刃先交換型チップの材種には、超鋳鉄旋削加工用工具の必要特性

2−1

鋳鉄の被削性

鋳鉄は炭素を 2.14 〜 6.67 ％含

硬合金、サーメット、cBN 等単体で使用されるものと、そむ鉄系合金であり、Fe マトリクス中に析出する黒鉛（グラれらを基材とし、その表面に硬質セラミックを被覆コーファイト）の形態によりねずみ鋳鉄（FC）とダクタイル鋳ティングした被覆材種とに大別される。被覆材種の内、特鉄（FCD）とに大別される。図 1 にねずみ鋳鉄およびダクに基材に超硬合金を用いた被覆超硬合金は、超硬合金の強タイル鋳鉄の代表的な組織写真と特徴を示す。ねずみ鋳鉄

靭さとセラミックスの硬質性を兼ね備え耐摩耗性と耐欠損

は、マトリクス中の黒鉛が潤滑剤的な役割をし、熱伝導が性のバランスに優れることから、年々その使用比率が高良いため摩擦熱を逃しやすく、板状に析出した黒鉛の内部まっており、現在では刃先交換型チップ材種出荷数量の切欠き効果により細かく分断された切り屑が排出される等65 ％以上を占めるに至っている（1）。の特徴から、比較的切削しやすい材質とされている。ダク

被覆超硬合金が用いられる機械加工分野においても、近タイル鋳鉄は、内部の黒鉛が球状化しており、球状黒鉛鋳

年の地球環境への負荷低減、資源の効率的な活用を目的とした様々な取組みがなされている。自動車等に用いられる鋳鉄部品加工の分野においても同様であり、その代表例として、排気ガスの削減、燃費の向上等を目的とした構成部品の軽量化が上げられる。軽量化に伴い、各構成部品はより薄肉、複雑形状化する。また薄肉化した場合にも十分な強度を確保する必要性から、使用される被削材はより強靭【ねずみ鋳鉄（FC）】
・内部の黒鉛は、花びらが集合したような形をした片状黒鉛で、振動吸収能力（減衰能）が優れる。
・黒鉛が潤滑剤的な役割をし、また熱伝導が良いので摩擦熱を逃しやすく、細かく分断された切り屑が排出されるため、比較的切削しやすい。代表被削材はエンジンブロック。

化する。それ故形状、材質の両面から加工性（被削性）は顕著に悪化する。一方で自動車需要の好調を受け、短納期片状黒鉛の内部切欠き効果で切り屑が分断されるため切削抵抗は小さい

対応、加工コストの低減を目的とした高速・高能率加工へのユーザー要求は以前にも増して高まっている。このような過酷な切削環境下においても、安定かつ長寿命を達成することが工具には求められている。
当社ではそういった市場ニーズに対応するべく、最新の【ダクタイル鋳鉄（FCD）】
・内部の黒鉛は球状化しており、球状黒鉛鋳鉄とも呼ばれ、この黒鉛球状により強度・靭性がねずみ鋳鉄よりも遥かに優れる。反面、切り屑による工具刃先への負荷が高まることで被削性は低下する。特に強度が必要な部位に使用される。代表被削材は自動車の足回り部品。

CVD（Chemical Vapor Deposition ；化学的蒸着法）被覆技術により達成された「スーパー FF コート® 」の被覆技術（2）を鋳鉄旋削用途に最適化し、「エースコート® AC410K」を強度が高いため、切削点よりも前方に亀裂の起点が発生し、切削抵抗が高くなる開発した。以下にその開発経緯及び性能に関して報告する。
図１

鋳鉄の組織と特徴

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 43 ）−鉄とも呼ばれる。この球状黒鉛により強度・靭性がねずみ

1）硬質成分のこすり摩耗に強いこと（優れた耐摩耗性）鋳鉄よりも遥かに優れる。反面、高強度故に切削点よりも2）軟質成分の溶着・剥離損傷に強いこと（優れた耐溶着

前方に亀裂の起点が発生し、切削抵抗が高くなることで工具刃先への負荷が高まり被削性は低下する。表 1 に代表的剥離性）
3）被削材表面状態に左右されず安定して加工が可能なこなねずみ鋳鉄及びダクタイル鋳鉄の被削性指数を示す。と（優れた耐チッピング性）の 3 点が挙げられる。

表１

鋳鉄の被削性指数3.

AC410K の開発目標

材料記号

被削性指数

FC15070

FC20070FC25065することを AC410K の開発目標とした。AC410K の適用可FC30065

能領域を、当社従来材種である AC300G との対比で図 2 にFC35060示す。AC410K は AC300G の適用領域である、鋳鉄の連続

FCD45055から一部断続加工の領域をカバーしながら、より切削速度FCD50055の高い領域においても切削可能かつ長寿命を達成すること

FCD55050FCD60050

FCD70045

ねずみ鋳鉄

ダクタイル鋳鉄

削りやすい

上述した鋳鉄旋削加工用コーティング材種に対する要求特性に加え、高速・高能率加工という市場ニーズにも対応を目標とした。
削りにくい

AC410K2−2

鋳鉄旋削加工用工具の必要特性

切削速度（m/min）

300

鋳鉄の成分

は、表 2 に示す様にセメンタイトやパーライトといった硬質成分と黒鉛やフェライトといった軟質成分に層別できる。このうち、硬質成分はコーティング膜とのこすり摩耗

AC300G

200

AC700G
100

AC2000を助長し、コーティング膜の摩滅進展を加速させる。一方、軟質成分は工具と被削材との間に入り込んで溶着し、被削連続・軽材の加工面粗さや面性状を悪化させる。また溶着物の生成-

一部断続脱落の繰返しにより、工具材料の一部が切り屑に持ち去ら強断続

切削状態

れ、コーティング膜の溶着剥離や刃先チッピング等の異常

図2

AC410K の適用領域損傷を引き起こす。また、鋳鉄はその製法上、湯口残り、バリ、表面のチル化が発生することがあり、そういった被削材表面状態の不均一が突発的な欠損発生等の加工不安定を引き起こす。従って、鋳鉄旋削加工用コーティング材種

4.

AC410K の特長

4−1

に対する要求特性としては、優れた耐摩耗性

AC410K に適用した「スー®

パー FF コート 」のコーティング膜断面 SEM 像を、従来セラミックス被膜との対比で図 3 に示す。AC410K の優れた耐摩耗性は、主として下層セラミックス膜である TiCN 膜
表2鋳鉄の成分と被削性

黒鉛
シリコフェライト
他金属と合金になったシリコフェライトの微粒・高硬度化により達成される。

軟質成分
溶着摩耗が発生しやすい

表 3 に従来技術でコーティングした TiCN 膜とスーパーFF コーティング技術により成膜した AC410K の TiCN 膜の組織比較を示す。AC410K ではスーパー FF コーティング技

パーライト

術により、TiCN 膜の粒度が従来技術でコーティングした

他金属と合金になったパーライト
ソルバイト

場合と比較して大幅に微粒化され、また非常に緻密かつ均ステダイト一な組織となっている。この微粒、均一化により、

砂、酸化物
セメンタイト
塊状セメンタイト

こすり摩耗が発生しやすい
硬質成分−（ 44 ）− 鋳鉄旋削加工用材種「エースコート® AC410K」の開発

AC410K では図 4 に示す様に、約 30 ％の高硬度化が達成され、硬質成分とのこすり摩耗によるコーティング膜の摩滅が大幅に抑制される。

セラミックス被膜

AI2O3

ＴｉＣＮFlat

発熱と相まって刃先への被削材の溶着が問題となる。そこ

膜界面、表面超平滑化

で AC410K では、セラミックス被膜コーティング後に、特後処理では平滑化できない膜同士の界面を超平滑化し、上層膜も微粒、均一化

殊機械加工による刃先近傍部の Ti 系被膜除去ならびに膜表Fine的に安定なアルミナ膜が最表面へ露出されると共に、機械面平滑化処理を施している。
（表 4）この処理により、化学結晶粒
超々微粒化

加工による表面平滑化により被削材との摩擦発熱が大幅に粒径は従来の1/10かつ、どの部位でも均質

ＡＣ300Ｇ（従来セラミックス被膜）

模式図減少するため、溶着物が生じにくくなり、耐溶着剥離性がＡＣ410Ｋ（スーパーＦＦコート¨）向上する。
被覆後の表面平滑化処理は最表面のセラミックス被膜に図 3 AC300G、AC410K の構造模式図とコーティング膜断面 SEM 像適用することは比較的容易であるが、多層構造を有する被覆超硬合金の内層被膜へ適用することはできない。内層被膜を平滑化することの利点は、外層被膜の摩耗や剥離により内層被膜が露出した場合にも、内層被膜がより平滑であるために、上記同様に被削材の刃先への溶着が抑制され、表 3 従来セラミックス被膜とスーパー FF コート® の TiCN 被膜組織比較

従来セラミックス被膜

スーパーFFコート¨

耐剥離性が向上することにある。AC410K では、スーパーFF コーティング技術により、機械加工では成し得なかった内層被膜の表面平滑化を達成している。表 5 に、AC410K

表面組織に採用したスーパー FF コート® の TiCN 膜の表面凹凸状態と面粗さの測定結果を示す。このように AC410K では、最表層のみならず、内層部表面も従来と比較して粗さが 1/10にまで平滑化されており、図 5 に示す通り、従来セラミッ断面組織

クス被膜と比較して大幅に耐溶着剥離性が向上している。

表4

表面平滑化処理前後の被膜表面 SEM 組織

表面平滑化処理前

表面平滑化処理後

4500

2

平均硬度（mgf/μm ）4250
40005µm

3750
35005µm

Ra＝2.8μｍ3250

Ra＝0.13μｍ

30002750
2500
従来セラミックスコート表 5 従来セラミックス被膜とスーパー FF コート® の表面凹凸像と面粗さ

従来セラミックス被膜

4−2

優れた耐溶着剥離性CVD 被覆超硬合金では、使用コーナーが識別しやすいように、被膜最外層に Ti系被膜を色付け層として被覆する。しかしながら Ti 系被膜は被削材との親和性が高いため、加工時の刃先部での加工

膜表面の凹凸像

従来セラミックスコートとスーパー FF コート® のインデンテーション硬度比較

Rz Ra

図4

スーパーFFコート¨

スーパーFFコート¨

1.01515102015510205050151010050単位μm

0.1458μm

0.0122μm

0.6870μm

0.0433μm

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 45 ）−4−3

優れた耐チッピング性

AC410K に採用した速度での切削可能時間を測定し両対数グラフ上にプロット

スーパー FF コート® の TiCN 膜は前述の通り、従来と比較を行った。なお、工具寿命判断基準は逃げ面摩耗幅（V b ）して 1/10 にまで超微細化されている。この超微細化技術に0.25mm とした。この図に示す様に、AC410K は vc ＝

より、加工時に突発的な衝撃を受けた際にも、発生したク150m/min 以上の領域で、他社品と比較して 50 から 90 ％のラックの伝播は最小限に抑制される。また、スーパー FF長寿命化が達成されている。また、グラフ上に実線で示す®

コート は、非常に高硬度であると同時にその硬度ばらつ様に、AC410K では切削速度と加工可能時間には明瞭な相き（標準偏差）が従来セラミックス被膜と比較して 1/2 に関が認められる。このことは AC410K ではチッピングや膜低減されている。（図 4）そのため硬度ばらつきが原因と考剥離からの異常損傷が抑制されていることを示唆している。

えられる膜破壊を抑制することができる。亀裂伝播の抑制

図 7、8、9 に AC410K のユーザーでの使用実例を示す。と膜破壊の抑制の 2 つの効果により AC410K では優れた耐

図 7 は FC250 材での使用実例である.スーパー FF コート®

チッピング性が達成される。の高い耐こすり摩耗性により，現状使用工具と比較して 2.5倍の加工を行った場合にも逃げ面摩耗の進展は 1/2 以下にまで抑制されている。

従来セラミックス被膜

コーティング膜剥離（超硬露出）

スーパーFFコート¨

Al2O3膜
TiCN膜

500

AC410K
他社Ｋ10材質

被 削 材：FCD700 溝材
切削条件：vc＝150m/rev.，ap＝1.5mm，f ＝0.25mm/rev. wet
400秒切削後、被削材溶着を酸処理にて除去しSEM組成像にて観察

図 5 従来セラミックスコートとスーパー FF コート® の耐溶着剥離性比較

切削速度（m/min）

400
300

200

1004−4

優れた高温耐熱性

12AC410K では、外層被膜に高温安定型の結晶構造を持つα型アルミナを採用している。α型アルミナは高温でも安定な結晶構造を持ち、高硬度かつ高強度の特性を持つ。しかしながら、α型アルミナ

3510203050

寿命時間（min）

被削材：FCD450
ホルダ：PCLNR2525−43
チップ：CNMG120408

は厚膜化した場合に、粒子の粗大化が起こり、急激な強度

図6

加工条件：ap＝1.5mm, f ＝0.25mm/rev.,wet
寿命基準：Vb＝0.25mm

AC410K の切削性能低下を引き起こす。また厚膜化は内層被膜である TiCN 膜との密着強度低下の原因ともなる。AC410K では、微細・均一な内層 TiCN 膜表面上に成膜される中間密着層の成膜技術を最適化し、αアルミナ粒子の成長基点となる核生成サイトを均一化すると共に、密着強度を大きく向上させて

AC410K

他社品Ａ（K10相当）

100台／c加工

40台／c加工いる。またαアルミナ膜被膜にもスーパー FF コーティング技術を採用している。そのため、従来セラミックス被膜と比較して 2 倍まで厚膜化しているにも関わらず、粒度、密着力は維持される。この超厚膜αアルミナ被膜の採用により、AC410K は従来と比較して非常に高い耐熱性を示し、市場からの強い要望である加工の高速・高能率化を可能としている。

5.

AC410K の切削性能

図 6 に AC410K の切削性能を示す。FCD450 材の切削をvc ＝ 150m/min から 500m/min の種々の速度で行い、各切削−（ 46 ）− 鋳鉄旋削加工用材種「エースコート® AC410K」の開発

被 削 材：バランサーホイール
被削材質：FC250
チ ッ プ：CNMG120408
切削条件：vc＝180m/min f＝0.25mm/rev.

図7ap＝2〜2.5mm

AC410K のユーザー使用実例 1

AC410K参

従来材種考文献1） 超硬工具協会報No.3702007-62） 福井治世、岡田吉生： 高速・高能率加工を実現する新 CVD コー
ティング「スーパー FF コート」、新 PVD コーティング「スーパーZX コート」、機械と工具，3（2007）64-68.

執200台／c加工130台／c加工

被 削 材：ナックル
被削材質：FCD450
チ ッ プ：WNMG080412N-UX
切削条件：vc＝170〜230m/min f＝0.2mm/rev.

筆者 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------奥野晋＊：北海道住電精密㈱ 技術部 生産技術課

岡田吉 生 ：住友電工ハードメタル㈱ 材料開発部 主席

大森

直 也 ：住友電工ハードメタル㈱ 材料開発部 主席

森本浩 之 ：住友電工ハードメタル㈱ 材料開発部

津田圭 一 ：住友電工ハードメタル㈱ 材料開発部
グループ長

伊藤
実 ：北海道住電精密㈱ 製造部 加工工場長---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ap＝1.5mm

＊主執筆者

図8

加工数

AC410K のユーザー使用実例 2AC410K

他社品B（K10相当）

800台／c550台／c

被 削 材：ナックル
被削材質：FCD600
チ ッ プ：SNMG120412
切削条件：vc＝270m/min f＝0.2mm/rev.

図9ap＝1.0mm

AC410K のユーザー使用実例 3

図 8、9 はダクタイル鋳鉄での使用実例である。難削材とされるダクタイル鋳鉄の加工においても現状使用工具と比較して 1.5 倍の加工を行った場合にも、工具損傷（摩耗量）は 1/4 以下と大幅に抑制されている。この他にもねずみ鋳鉄（FC）、ダクタイル鋳鉄（FCD）を問わず、従来材種と比較して大幅な長寿命化を達成している。

6.

結

言

「エースコート®AC410K」は安定、長寿命、高速・高能率という鋳鉄旋削加工の市場ニーズを満たす新材質であり、ユーザーでの加工コスト低減に大きく貢献出来ると確信している。

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 47 ）−