JP2000044370A - Al2O3被覆cBN基焼結体切削工具 - Google Patents

Al2O3被覆cBN基焼結体切削工具

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉄系材料の高硬度難削材切削及び高速・高能
率切削において、耐摩耗性、特に耐クレーター摩耗性に
優れる切削工具を提供する。 【解決手段】 cBN基焼結体母材における切削に関与
する表面の少なくとも一部に1層以上のAl23層を具
える。この焼結体母材はcBNを体積で20〜99%と、平
均粒径1μm以下のAl23を体積で1.0以上10%未満
を含む。Al23層は厚さが0.5μm〜50μmである。ま
た、Al23層は、厚さdが0.5μm≦d≦25μmの場
合、平均結晶粒径(s)は0.01μm≦s≦4μm、25μm<
d≦50μmの場合、0.01μm≦s≦10μmとする。高温下
での耐塑性変形性に優れたcBN基焼結体を母材とし、化
学的安定性に優れるAl23を密着力よく被覆すること
により、高温・高負荷下での耐摩耗性、特に耐クレータ
性に優れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は立方晶窒化硼素(c
BN)焼結体の母材にAl23を被覆した切削工具に関
するものである。特に、耐摩耗性および耐欠損性が改良
されたAl23被覆cBN基焼結体切削工具に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】Al23は優れた化学的安定性および硬
度の高さから、鉄系材料切削において最も適した材料で
あるにもかかわらず、靱性に劣っていることからAl2
3を主体とする切削工具は、欠損に対する安定性に劣
るという欠点があった。これを解決するために、靱性に
比較的優れる超硬合金母材にAl23を被覆した切削工
具が製品化されている。
【0003】
【発明の解決しようとする課題】しかし、近年の工具市
場の高速・高能率化指向および環境問題に伴う乾式切削
化に対する要求に対し、コーティング超硬合金をはじめ
とする従来工具では、切削時の刃先の高温・高負荷化に
伴う母材の塑性変形が問題となっていた。
【0004】これを解決するための手段として、特開昭
59-8679号公報において高温硬度に優れるcBN基焼結
体にAl23を被覆する方法が提案されている。しか
し、cBN基焼結体とAl23被覆層の密着力が十分で
ないことおよびAl23の結晶性の最適化が不十分であ
ることにより、焼入れ鋼などの高硬度材の切削や鋼の高
速・高能率切削においては顕著な耐摩耗性および耐欠損
性の向上がみられていなかった。
【0005】従って、本発明の主目的は、特に鉄系材料
の高硬度難削材切削や鋼の高速・高能率切削において、
耐逃げ面摩耗性および耐クレーター摩耗性に優れる切削
工具を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明切削工具は、cB
N基焼結体母材における切削に関与する表面の少なくと
も一部に1層以上のAl23層を被覆した切削工具であ
る。ここで、焼結体母材はcBNを体積で20〜99%含
み、平均結晶粒径1μm以下のAl23を体積で1.0%以
上10%未満含む。また、Al23層は厚さ(d)が0.5
μm〜50μmである。厚さ(d)が0.5μm≦d≦25μmの
場合、Al23の平均結晶粒径(s)は0.01μm≦s≦4
μmであり、同25μm<d≦50μmの場合、平均結晶粒径
(s)は0.01μm≦s≦10μmである。
【0007】cBN基焼結体母材にAl23を適量含有
させることにより、Al23被覆層またはAl23との
結合力に優れるTiCxNyOzの中間層との密着力が
増し、切削性能が向上する。Al23の含有量は、体積
で3.0%以上5.0%未満が特に好ましい。密着力が向上す
ることの理由として、 cBN基焼結体母材に含有されたAl23を基点とし
て、被覆層を形成しているAl23およびTiCxNy
Ozとが核生成を起こしている、 cBN基焼結体母材にAl23を含有することによ
り、cBN基焼結体母材本来の残留力が変化し、被覆と
の残留応力(熱応力・内部応力)とのミスフィットが緩
和される、ことが推定される。
【0008】1μm以下の微細なAl23を均質にcB
N基焼結体母材に含有させることにより、Al23また
はTiCxNyOz膜形成の際に微細で均質な核生成を
促進することができ、結晶性に優れ、かつ密着力に優れ
たAl23を成膜できるものと考えられる。Al23
の含有率が、体積で1.0%未満の場合には、被覆形成時
の核生成がまばらになるため効果が不十分となる。逆に
10%以上になると、Al23固有の機械的特性がcBN
基焼結体の機械的特性に反映され、cBN基焼結体母材
の耐欠損性が大幅に低下するものと推定される。
【0009】また、Al23層はα−Al23を主成分
とすることが好ましい。α-Al23を密着力良く被覆
することにより、逃げ面摩耗量およびクレーター摩耗量
が抑止され、工具寿命が劇的に増加する。κ-Al23
を密着力良く被覆した場合にも、クレーター摩耗量は抑
制され、工具寿命が向上するが、逃げ面摩耗量はほとん
ど抑制されない。
【0010】さらに、Al23層は、(012)、(104)、(1
10)、(113)、(024)または(116)面を配向させた組織とし
て、配向性指数を1.0以上とすることで、耐摩耗性およ
び強度に優れる被覆層とできる。この配向性指数は次式
で定義される。なお、この配向性指数の求め方について
はWO96/15286(PCT/SE95/01347)などにも記載されてい
る。 TC(hkl)=I(hkl)/Io(hkl)×[(1/n)Σ{(hkl)/Io
(hkl)}]-1 式中で I(hkl):XRDにおける(hkl)回折線強度 Io(hkl):XRDのASTMカードにおける回折強度 n:計算に使用した回折線数、使用した(hkl)回折線は(0
12),(104),(110),(113),(024),(116)である。
【0011】上記の切削工具において、Al23層はT
iCxNyOz層と複合して積層してもよい。この複合
の具体的構成には、Al23層とcBN基焼結体母材
の界面にTiCxNyOzからなる中間層を形成する、
Al23層を複数層設け、各Al23層の間にTiC
xNyOz層を介在させる、最外層にTiCxNyO
z層を被覆することが挙げられる。
【0012】また、Al23層の厚さを0.5μm〜50μm
としたのは、この下限未満では被覆の効果が低く、上限
を超えると被覆層が剥離や欠損を起こしやすくなるから
である。より好ましくは3〜40μm程度である。特に、
Al23層の厚さが25μm以下で、Al23の平均結晶
粒径(s)を0.01μm≦s≦4μmのものは、耐逃げ面摩
耗性に優れ、Al23層の厚さが25μmを越え、Al2
3の平均結晶粒径(s)が0.01μm≦s≦10μmのもの
は、耐クレータ摩耗性に優れる。なお、Al23層が複
数存在する場合、厚さが25μm以下かどうかの場合分け
は、Al23層の合計厚みについて行う。
【0013】上記のAl23層またはTiCxNyOz
層は熱CVD法、プラズマCVD法および中温CVD法
などのCVD法や、スパッタ法およびイオンプレーティ
ング法などのPVD法などにより形成できる。
【0014】一方、焼結体母材はcBNと結合相とから
構成される。cBN含有量が20体積%以上であれば、
機械的に弱点となる結合相の厚い個所が生成されること
を抑制できる。また、結合相としては、Al23の他、
周期律表4a,5a,6a族金属の窒化物、炭化物、ホウ化物お
よびこれらの相互固溶体の少なくとも1種を主成分とす
るものが好ましい。さらに、AlおよびSiの少なくと
も一方を含有してもよい。この焼結体母材の製造には、
プラズマ焼結装置、ホットプレス装置、超高圧焼結装置
などが利用できる。
【0015】本発明の切削工具は、ダイヤモンドに次ぐ
硬度を有するcBNを主成分とするcBN基焼結体を母
材とすることにより高温下での耐塑性変形性に優れる。
また、化学的安定性に優れるα−Al23を組織制御し
て被覆することによりチッピングや剥離を起こすことな
く耐クレーター性を改善することができる。そのため、
切削温度の上昇により既存の工具では適用不可能であっ
た焼入れ鋼などの高硬度材の切削や鋼の高速・高能率切
削用途において優れた工具寿命を有する。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 (実施例1)表1に示す異なる組成でSNGN120408(ISO
規格)の形状を有するcBN基焼結体母材を用意した。
次に、通常のCVD法により、表2(条件1)、表3
(条件2)の条件にてAl23を被覆した。一部のチ
ップについては、通常のCVD法によりTiC0.5N0.5
層をcBN基焼結体母材とAl23被覆層との間に中間
層として被覆した。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】
【表3】
【0020】得られたAl23被覆焼結体について電子
顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)お
よびEDS(Energy-dispersive X-ray Spectroscopy)
による分析を行ったところ、Al23層は厚さ25μm、
Al23の平均粒径(S)が4.5μmであることがわかっ
た。
【0021】さらに、作製したAl23被覆cBN基焼
結体切削工具の切削に関与するすくい面および逃げ面に
ついてXRD(X‐ray diffraction)で詳細な調査を行っ
たところ、表2の条件1ではκ−Al23が、表3の条
件2では(012)面の配向性指数TC(012)が1.1を示すα−
Al23が被覆されていた。配向性指数は前述した式に
基づいて求めた。
【0022】次に、このチップを用いて切削評価を行っ
た。切削条件は、被削材:外周長手方向の2箇所にV字
型の溝を有する硬度HRC65でSUJ2の丸捧、切削速度:150
m/min、切り込み:0.2mm、送り:0.1mm/rev.、乾式
切削である。そして、実体顕微鏡および表面形状測定器
により、摩耗量の測定および摩耗形態の観察により行っ
て評価した。比較用に、Al23を被覆していない市販
の焼き入れ鋼加工用cBN基焼結体も同様に評価した。
その結果を表4に示す。
【0023】
【表4】
【0024】表4の結果を整理すると次のようになる。
母材中にAl23が含まれていない又はAl23含有量
が1体積%未満の場合(No.1 〜4)、被覆の密着力が
不十分で工具寿命の顕著な改善が認められない。逆にA
23含有量が10体積%以上(No.10)となっても改善
効果が少ない。Al23の含有率が、体積で1.0%未満
の場合には、被覆形成時の核生成がまばらになるため効
果が不十分となる。逆に10%以上になると、Al23
有の機械的特性がcBN基焼結体の機械的特性に反映さ
れ、cBN基焼結体母材の耐欠損性が大幅に低下するも
のと推定される。
【0025】一方、No.5、6、7、9の結果からわかるよ
うに、cBN基焼結体母材にAl23を適量含有させる
ことにより、Al23被覆層またはAl23との結合力
に優れるTiCxNyOzの中間層との密着力が増し、
切削性能が向上する。密着力が向上することの理由とし
て、 cBN基焼結体母材に含有されたAl23を基点とし
て、被覆層を形成しているAl23およびTiCxNy
Ozとが核生成を起こしている、 cBN基焼結体母材にAl23を含有することによ
り、cBN基焼結体母材本来の残留力が変化し、被覆と
の残留応力(熱応力・内部応力)とのミスフィットが緩
和される、ことが推定される。
【0026】母材中のAl23がの粒径が1μmを越え
ると(No.11)、Al23被覆の密着力が不十分であ
る。その理由は、1μm以下の微細なAl23を均質に
cBN基焼結体母材に含有させることにより、Al23
またはTiCxNyOz膜形成の際に微細で均質な核生
成を促進することができ、結晶性に優れ、かつ密着力に
優れたAl23を成膜できるものと考えられる。
【0027】No.7と8の比較からわかるように、Al2
3の被覆層はα−Al23を主成分とすることが好まし
い。α-Al23を密着力良く被覆することにより、逃
げ面摩耗量およびクレーター摩耗量が抑止され、工具寿
命が劇的に増加する。κ-Al23を密着力良く被覆し
た場合にも、クレーター摩耗量は抑制され、工具寿命が
向上するが、逃げ面摩耗量はほとんど抑制されない。
【0028】(実施例2)平均粒径2μm以下のcBN
粒子と同1μm未満のAl23を含有したcBN基焼結
体母材に通常のCVD法を用いてTiCNおよびTiN
を被覆し、実施例1と同様のCVD法を用いて、Al2
3を被覆した。その際、cBN基焼結体の設置方法、
成膜温度およびキャリアーガス濃度などの調整を行い、
表5、6、7に示す種々のAl23被覆cBN基焼結体
切削工具を作製した。
【0029】これらのAl23被覆cBN基焼結体切削
工具の切削に関与するすくい面および逃げ面についてX
RDで詳細な調査を行ったところ、(012)、(104)、(11
0)、(113)、(024)、(116)からなる(hkl)面の配向性指数
の中で最大値を示すTC(hkl)が0.9以上となるα−Al2
3が被覆されていた。
【0030】
【表5】
【0031】
【表6】
【0032】
【表7】
【0033】次に、これらのチップを用いて切削評価を
行った。切削条件は、被削材:外周長手方向の2箇所に
V字型の溝を有する硬度HRC20でSMC435の丸捧、切削速
度:600m/min、切り込み:0.5mm、送り:0.5mm/re
v.、乾式切削である。そして、実体顕微鏡および表面
形状測定器により、摩耗量の測定および摩耗形態の観察
により行って評価した。比較用に、Al23を被覆し
ていない市販の焼き入れ鋼加工用焼結体も同様に評価し
た。その結果を表8、9に示す。
【0034】
【表8】
【0035】
【表9】
【0036】(012),(104),(110),(113),(024),(116)か
らなる(hkl)面の配向性指数の中で最大値を示すTC(hkl)
が1.0以上となるα−Al23が被覆されている本発明
実施例は従来のcBN焼結体工具、被覆cBN焼結体工
具、鋼切削用被覆超硬合金工具およびTICN被覆サー
メットと比較して、逃げ面摩耗量およびクレーター摩耗
量が劇的に改善されている。
【0037】この理由として、α−Al23の(012),(1
04),(110),(113),(024),(116)面が他の結晶面と比較し
て硬度・靱性などの機械的特性が優れていること、Al
23は柱状結晶(柱状晶)として成長するが、この柱状
結晶をランダムに成長させるのではなく、配向成長させ
ることにより、結晶粒同士の機械的干渉による欠陥の導
入が抑制され被覆の靱性が大幅に向上すること、が推定
される。一方、配向性指数TC(012)が0.9のNo.15は耐摩
耗性が低く、工具寿命の改善が見られない。
【0038】Al23のみを被覆した場合、Al23
覆層の厚みが50μmを越えると(No.10)、亀裂や剥離が
生じ易いために切削性能が大幅に低下する。一方、cB
N基焼結体母材とAl23被覆層の界面にTiCxNy
Oz膜を中間層として介在させることにより、Al23
被覆層における亀裂や剥離の生成を抑制することができ
る(No.10)。これは、cBN基焼結体母材と被覆の残留
応力のミスフィットを中間層であるTiCxNyOz膜
が緩和するためと推定される。ただし、前記中間層を介
在させてもAl23層の厚さが50を越えると(No.12)、
やはり切削性能が大幅に低下する。
【0039】実施例1と同様に、1μm以下の微細なA
23を均質にcBN基焼結体母材に含有させることに
より、Al23またはTiCxNyOz膜形成の際に微
細で均質な核生成を促進することができ、結晶性に優
れ、かつ密着力に優れたAl23被覆を形成できるもの
と考えられる。ここでは、全てAl23被覆の厚さを25
μm以上としており、この条件下では、No.5およびNo.
17より、α−Al23被覆層を形成しているα−Al2
3の平均結晶粒径sが粗大粒子になると靱性が低下す
るものと推定される。また、No.13およびNo.14より、α
−Al23被覆層が50μmまでの場合、平均結晶粒径s
が10μm越えると、α−Al23被覆層が著しく欠損し
やすくなる。
【0040】No.1〜9の比較より、Al23の含有率
は、体積で1.0%未満の場合には被覆形成時の核生成が
まばらになるため、1.0%以上必要で、特に3%以上のも
のが密着力に優れる。逆に5%を越えると、核生成の密
度が密になりすぎて、Al23またはTiCxNyOz
結晶が成長する際に互いの機械的な干渉により結晶内に
欠陥が導入され、被覆層の靱性が低下やすい。特に、10
%を越えると、Al23固有の機械的特性がcBN基焼
結体の機械的特性に反映され、cBN基焼結体母材の耐
欠損性が大幅に低下するものと推定される。従って、c
BN基焼結体母材に含有するAl23は体積で1.0%以
上10%未満が適切で、さらに3%以上5%未満が好まし
い。
【0041】cBN基焼結体母材に含有されるcBNの
含有率が体積で20%未満になると(No.20)、硬度・靱性
などの機械的特性に優れるcBNの効果が希薄になり、
cBN基焼結体母材の耐欠損性が大幅に低下するものと
推定される。
【0042】本発明のAl23被覆工具は、α−Al2
3を単層で被覆した場合にも、従来のAl23被覆よ
りも靱性に優れるが、特にAl23層の間に柱状結晶抑
制層であるを設けたNo.3のα−Al23被覆層は微細な
柱状結晶均質に配向した組織を有し、靱性に優れてお
り、他のα−Al23被覆層と比較して、微小チッピン
グなしに平滑な摩耗形態を示し、欠損寿命も向上したも
のと推定する。
【0043】(実施例3)平均粒径5μm以下のcBN
粒子と同1μm未満のAl23を含有したcBN基焼結
体母材に実施例1と同様のCVD法を用いてAl23
被覆した。その際、cBN基焼結体の設置方法、成膜温
度およびキャリアーガス濃度などの調整を行い、表10
に示す種々のAl23被覆cBN基焼結体切削工具を作
製した。
【0044】これらのAl23被覆cBN基焼結体切削
工具の切削に関与するすくい面および逃げ面についてX
RDで詳細な調査を行ったところ、(012)、(104)、(11
0)、(113)、(024)、(116)からなる(hkl)面の配向性指数
の中で最大値を示すTC(hkl)が0.9以上となるα−Al2
3が被覆されていた。
【0045】
【表10】
【0046】
【表11】
【0047】次に、これらのチップを用いて切削評価を
行った。切削条件は、実施例2と同じで、被削材:外周
長手方向の2箇所にV字型の溝を有する硬度HRC20でSMC
435の丸捧、切削速度:600m/min、切り込み:0.5mm、
送り:0.5mm/rev.、乾式切削である。そして、実体顕
微鏡および表面形状測定器により、摩耗量の測定および
摩耗形態の観察により行って評価した。比較用に、Al
23を被覆していない市販の焼き入れ鋼加工用焼結体も
同様に評価した。その結果を表11に示す。
【0048】
【表12】
【0049】表12の結果から次のことが判明した。No.1
1〜13の比較より、α−Al23被覆層を形成している
α−Al23の平均結晶粒径が粗大になるにつれ耐摩耗
性および摩耗形態の平滑性が低下している。これは、α
−Al23の粗大化に伴う靱性の低下が起因しているも
のと推定され、α−Al23被覆層が25μmまでの場
合、平均結晶粒径が4μmを越えると耐摩耗性の低下が
著しい。なお、TC(104)が1.0未満のNo.7も逃げ面摩耗量
が多く、工具寿命が短い。
【0050】実施例2と比較し、熱的安定性に優れるα
−Al23被覆層が薄くなった分、熱的な摩耗が主要因
とされるクレーター摩耗量が増加しているが、α−Al
23の平均結晶粒径が微細になった分、機械的な摩耗が
主要因とされる逃げ面摩耗量が抑制され、摩耗形態も平
滑になっている。
【0051】従って、寸法精度や高仕上げ面性状を要求
される切削では、α−Al23被覆の厚さ(d)が0.5
μm≦d≦25μmで、平均結晶粒径(s)を0.01μm≦s
≦4μmとすることが適切で、欠損寿命を重視する場合に
は、同25μm<d≦50μm、0.01μm≦s≦10μmが適切で
ある。
【0052】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は次の効果
を奏する。 cBN基焼結体母材に最適量のAl23を含有させ、
Al23被覆成膜時の核生成密度やAl23被覆の結晶
性を制御することにより、母材との密着性に優れ、かつ
結晶性の良好なAl23の被覆を成膜できる。
【0053】耐摩耗性および強度に優れるα−Al2
3の (012)、(104)、(110)、(113)、(024)または(116)
面を配向させた組織を有するAl23被覆を被削材との
擦過面に形成できる。
【0054】上記、の被覆焼結体により、切削温
度が上昇するために既存の工具では短寿命または適用不
可能であった鉄系高硬度難削材料の切削用途や鋼の高速
・高能率切削用となどにおいて、優れた工具寿命を発揮
する切削工具を得ることができる。
フロントページの続き (72)発明者 中井 哲男 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Fターム(参考) 3C046 FF02 FF09 FF17 FF25 FF35 FF42 FF57

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 cBN基焼結体母材における切削に関与
    する表面の少なくとも一部に1 層以上のAl23層を被
    覆した切削工具であって、 前記焼結体母材はcBNを体積で20〜99%含み、平均結
    晶粒径1μm以下のAl23を体積で1.0%以上10%未満
    含有し、 前記Al23層は、 厚さ(d)が0.5μm〜50μmで、 0.5μm≦d≦25μmの場合、平均結晶粒径(s)が0.01
    μm≦s≦4μm、 25μm<d≦50μmの場合、平均結晶粒径(s)が0.01μ
    m≦s≦10μmであることを特徴とするAl23被覆cB
    N基焼結体切削工具。
  2. 【請求項2】 cBN焼結体母材が、体積で3.0%以上
    5.0%未満のAl23を含有していることを特徴とする
    請求項1記載のAl23被覆cBN基焼結体切削工具。
  3. 【請求項3】 Al23層が、α−Al23を主成分と
    することを特徴とする請求項1記載のAl23被覆cB
    N基焼結体切削工具。
  4. 【請求項4】 Al23層が、配向性指数TC(012)≧1.
    0、TC(104)≧1.0、TC(110)≧1.0、TC(113)≧1.0、TC(02
    4)≧1.0またはTC(116)≧1.0のα−Al23からなり、 この配向性指数は次式で定義されることを特徴とする請
    求項1記載のAl23被覆cBN基焼結体切削工具。 TC(hkl)=I(hkl)/Io(hkl)×[(1/n)Σ{(hkl)/Io
    (hkl)}]-1 式中で I(hkl):XRDにおける(hkl)回折線強度 Io(hkl):XRDのASTMカードにおける回折強度 n:計算に使用した回折線数、使用した(hkl)回折線は(0
    12),(104),(110),(113),(024),(116)である。
  5. 【請求項5】 前記Al23層とcBN基焼結体母材の
    界面にTiCxNyOzからなる中間層を有することを
    特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のAl23
    覆cBN基焼結体切削工具。
  6. 【請求項6】 前記Al23層が複数層あり、各Al2
    3層はTiCxNyOz層を介して積層されているこ
    とを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のAl2
    3被覆cBN基焼結体切削工具。
  7. 【請求項7】 最外層にTiCxNyOz層が被覆され
    ていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載
    のAl23被覆cBN基焼結体切削工具。
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