JP2002263914A - αアルミナ被覆切削工具 - Google Patents

αアルミナ被覆切削工具

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は金属機械加工用の切削工具を示し、
具体的には超硬合金、サーメットまたはセラミックの基
体であり、この基体の表面に硬質の耐摩耗被膜が蒸着さ
れている切削工具を示す。 【解決手段】 本発明は、金属機械加工用の被覆切削工
具を示す。被膜は一種以上の耐熱化合物の層から構成さ
れ、そのうち少なくとも一つの層は、顕著な柱状の細粒
構造で［３００］方向に強い組織を有する本質的に単一
相のαアルミナから成る。このアルミナ層はＣＶＤ法
（化学的蒸気堆積法）によって蒸着され、好ましい微細
構造及び組織は第二の金属ハロゲン化物、組織改良剤、
を反応気体に添加することによって得られる。本発明に
よる被覆された超硬切削工具を鋼又は鋳鉄の機械加工に
使用すると、従来技術と比較して、特に球状黒鉛鋳鉄の
機械加工において、いくつかの重要な改善が認められ
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属機械加工用の
切削工具を記述し、詳しくは超硬合金、サーメット、又
はセラミックの基体を有し、上記基体の表面に硬い耐摩
耗被膜が蒸着されている切削工具を記述する。被膜は基
体に接着するように結合して工具の全ての機能部分を覆
っている。被膜は一種類以上の耐熱物の層から構成さ
れ、そのうち少なくとも一つの層は強い組織を有するア
ルファアルミナ（αＡｌ２Ｏ３）から成っている。
【０００２】
【従来の技術】金属機械加工に用いられる超硬切削工具
では、金属酸化物、炭化物又は窒化物の薄い、硬い表面
層を、周期律表の第IV、Ｖ、及びVI族からの遷移金属、
又はシリコン、ホウ素、及びアルミニウムの群から選択
される金属と共に用いることによって、工具の刃の耐摩
耗性を顕著に高めることができるということは良く知ら
れている。被膜の厚さは、普通、１から１５μｍの範囲
にあり、その被膜を蒸着するために最も広く用いられる
方法はＣＶＤ法（化学的蒸気堆積法）である。
【０００３】切削工具の性能をさらに向上させるために
金属炭化物及び窒化物の層の上にアルミナなどの純セラ
ミック層を被覆するという手法は、Ｒｅ２９，４２０
（Lindstroem等）及び米国特許第３，８３６，３９２号
（Lux等）に見られるように、早くから認識されてい
た。アルミナ被覆切削工具は、さらに米国特許第４，１
８０，４００号（Smith等）、米国特許第４，６１９，
８６６号（Smith等）、米港特許第５，０７１，６９６
号（Chatfield等）、米国特許第５，６７４，５６４号
（Ljungberg等）、及び米国特許第５，１３７，７７４
号（Ruppi）に開示されており、そこでは、Ａｌ２Ｏ３
層はα相、κ相、及び／又はその組合せである。例え
ば、米国特許第４，１８０，４００号では、Ｔｉ、Ｚｒ
又はＨｆなどの四価の硫黄ンをハロゲン化物組成で反応
気体混合物に加え、本質的に単一相のκＡｌ ２Ｏ３を蒸
着するというアルミナ蒸着工程が開示されている。
【０００４】複合セラミック被膜を蒸着するために異な
る金属ハロゲンか物を混合するという手法は、米国特許
第４，７０１，３８４号（Sarin等）、米国特許第４，
７４５，０１０号（Sarin等）、及び米国特許第５，８
２７，５７０号（Russel）に見られ、そこでは例えばＡ
ｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の混合物を蒸着する工程が記述され
ている。
【０００５】アルミナ被覆超硬切削工具の切削性能を、
特に球状黒鉛鋳鉄の機械加工における切削性能をさらに
向上させる努力として、特定の結晶方位（組織）及び表
面仕上げを示す細かい粒の単一相αＡｌ２Ｏ３を生ずる
蒸着工程は、米国特許第５，６５４，０３５号（Ljungb
erg等）、米国特許第５，７６６，７８２号（Ljungber
g）、米国特許第５，８３４，０６１号（Ljungberg）、
に開示されている。
【０００６】それにもかかわらず、球状黒鉛鋳鉄の機械
加工は依然として難しい金属機械加工作業であると考え
られている。これは特に重い、中断のない機械加工作業
で明らかであり、その場合、αＡｌ２Ｏ３被覆工具はし
ばしば工具基体からのアルミナ層の広範な剥離（フレー
キング）を生ずる。したがって、本発明の目的は、適当
な核生成及び成長条件による蒸着工程を用いて、所望の
微細構造と結晶組織を有する比較的厚い多形アルファＡ
ｌ２Ｏ３層を硬い工具基体上に形成し、得られたＡｌ２
Ｏ３層の性質によって、鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、特に
球状黒鉛鋳鉄、における切削性能を向上させたアルミナ
被覆切削工具を提供することである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明によれば、旋削
（ねじ切り、突っ切り）、フライス削り、及び穴あけ、
などの金属機械加工のための工具であって、超硬合金、
サーメット、又はセラミックの硬い合金の基体に硬質で
耐摩耗性の耐熱物被膜を蒸着して成る切削工具が提供さ
れる。上記被膜は、一種類以上の耐熱物層の構造を含
み、そのうち少なくとも一つの層は、層厚が０．５〜２
５μｍ、好ましくは１〜１０μｍ、のアルミナから成
る。アルミナ層は、柱状細粒組織が顕著な本質的に単一
相のαアルミナから成る。
【０００８】
【課題を解決するための手段、及び発明の実施の形態】
本発明に係わるαアルミナ層の成長方向に直角の細かい
粒状構造の結果として、この工具の切削刃では滑らかな
表面仕上げが得られ、従来のαＡｌ２Ｏ３被覆工具に比
べて、機械加工される作業片の表面仕上げも改善され
る。
【０００９】本発明によるαＡｌ２Ｏ３層は、また、別
の粒の形又はアルミナ粒との固溶体の形で存在する“組
織改良剤”の残留分を低い濃度でしか含まない。上記残
留分の濃度は、αアルミナ被膜のｗｔ％で、０．０１〜
１０％、好ましくは０．０１〜５％、最も好ましくは１
％未満、という範囲になり、上記残留分の量は十分少な
くアルミナ被膜自身の内在的性質には何も影響を及ぼさ
ない。
【００１０】本発明によるαＡｌ２Ｏ３層は、Ｘ線回折
（ＸＲＤ）で決定される［３００］方向に優先的な成長
方向を示す。図３及び４は、本発明によって蒸着された
αＡｌ２Ｏ３層（図３）及び従来技術によって蒸着され
たαＡｌ２Ｏ３層（図４）のＸ線回折パタンを示す。図
３から、［３００］方向に顕著な成長方向が容易に見て
取れる。
【００１１】組織（texture）係数、ＴＣ、は次の式で
定義される： TC(hkl)=[I(hkl)/I0(hkl)]{1/nΣ[I(hkl)/I0(hkl)}-1 I(hkl)＝(hkl)反射の測定強度 I0(hkl)＝ASTM標準粉末パタン回折データ、カードナン
バー43-1484標準強度 n＝計算で用いられた反射の数、用いられる(hkl)反射は
次のものである：(012)、(104)、(110)、(113)、(02
4)、(116)及び(300)。
【００１２】本発明によると、（３００）結晶面の組の
ＴＣは、１．５より大きく、好ましくは３より大きく、
最も好ましくは５より大きい。
【００１３】切削工具に用いられる被膜は、強く組織さ
れたαＡｌ２Ｏ３層（単数又は複数）の他に、周期律表
のIVＢ、ＶＢ、及びVIＢ族、又はＢ、Ａｌ、及びＳｉの
群、から選択される金属元素（Ｍｅ１、Ｍｅ２．．．）
の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化炭化物、及び／又は
酸化炭窒化物、及び／又はそれらの混合物（Ｍｅ１、Ｍ
ｅ２．．．）ＣｘＮｙＯｚ、好ましくはＴｉＣｘＮｙＯ
ｚ、の少なくとも一つの層を含む。ある好ましい実施の
形態では、本発明によるαＡｌ２Ｏ３層は好ましくは被
膜の最も外側の層であり、ＴｉＣｘＮｙＯｚ層が被膜の
最も内側の層である。しかし、金属ＣｘＮｙＯｚ層を、
アルファアルミナ層（単数又は複数）の上に蒸着するこ
ともできる。ある好ましい実施の形態では、最も外側の
αＡｌ２Ｏ３層上の外側層はＴｉＮである。
【００１４】本発明による組織されたαＡｌ２Ｏ３層は
ＣＶＤ法（化学蒸気堆積法）で蒸着され、被覆される工
具基体は９５０〜１０５０℃という温度に保持され、一
つ以上のアルミニウム・ハロゲン化物、及び加水分解物
質及び／又は酸化物質を含む水素キャリア気体と接触さ
せられる。Ａｌ２Ｏ３核生成前のＣＶＤ反応器雰囲気の
酸化ポテンシャルは、５ｐｐｍ未満の濃度の水蒸気（Ｈ
２Ｏ）又は他の酸化分子種、例えばＣＯ２、Ｏ２、等に
よって低いレベルに抑えられている。Ａｌ２Ｏ ３の核生
成は、ＨＣｌ及びＣＯ２が最初にＡｒ及び／又はＨ２雰
囲気中で反応器に入り、次にＡｌＣｌ３が入るという反
応気体の継起的導入によって開始される。Ａｌ２Ｏ３の
核生成が起こると、蒸着速度を高めるために硫黄触媒、
好ましくはＨ２Ｓ、が反応気体混合物に加えられる。
【００１５】驚いたことに、Ａｌ２Ｏ３層の成長期にＺ
ｒＣｌ４を反応気体混合物に加えると、［３００］方向
の非常に強い組織を有する結晶構造が得られることが見
出された。第二のハロゲン化物、いわゆる組織改良剤、
好ましくはＺｒＣｌ４、の濃度は、反応気体の全体積に
対する体積％で０．０５〜１０％、好ましくは０．２〜
５％、最も好ましくは０．５〜２％、の範囲にある。
【００１６】上述の本発明によるＣＶＤ法は、所望の微
細構造と方位を有するαＡｌ２Ｏ３層を蒸着することを
可能にしたが、上記の層は比較的大きな厚さにまで成長
させることができ、しかも驚いたことに工具基体への優
れた付着性質が依然として保たれ、かつ、以下の実施例
で見られるように切削工具の耐摩耗性に望ましい改善が
得られた。被覆切削工具の性質をさらに改善するため
に、表面を標準的なブラッシング法によって滑らかにす
ることもできる。
【００１７】このＣＶＤ工程の正確な条件は、使用する
設備の設計形状にもある程度依存する。必要な組織及び
被膜の形態が得られたかどうかを判断して、望ましい場
合、本明細書に従って核生成及び蒸着条件を組織の度合
い及び被膜の形態に影響するように変更することは、当
業者の裁量の範囲内にある。
【００１８】
【実施例、及び発明の効果】実施例１ Ａ）組成が６．０重量％Ｃｏ及び残りがＷＣである超硬
合金切削インサートを、標準ＣＶＤ工程で、３μｍの厚
さのＴｉＣＮ層で被覆した。同じ被膜サイクルのその後
の工程で、７μｍの厚さのαＡｌ２Ｏ３層が以下で述べ
る方法によって蒸着された。
【００１９】まず、ＣＶＤ反応器にＨ２、ＨＣｌ、及び
ＣＯ２から成る反応気体混合物が導入された。反応気体
は与えられた順序で継起的に加えられた。所定の時間の
後、ＡｌＣｌ３が反応器に入れられた。Ａｌ２Ｏ３が蒸
着されている間、Ｈ２Ｓが触媒として、ＺｒＣｌ４が組
織改良剤として用いられた。Ａｌ２Ｏ３蒸着工程の間の
気体混合物及びその他の工程条件は次のようなものであ
った： 工程１ 工程２ ＣＯ２ ５％ ５％ ＡｌＣｌ３ ２％ ２％ ＺｒＣｌ４ − １％ Ｈ２Ｓ − ０．３％ ＨＣｌ ２％ ６％ Ｈ２ 残部 残部 圧力 ５５ｍｂａｒ ５５ｍｂａｒ 温度 １０１０℃ １０１０℃ 時間 １時間 ３時間 ＸＲＤ（Ｘ線回折）分析は、単一α相のＡｌ２Ｏ３層に
ついて６．２という組織係数、ＴＣ（３００）、の値
（１０個のインサートの平均）を示した。ＳＥＭ顕微鏡
写真は、７μｍの厚さのＡｌ２Ｏ３層が、図１に示され
ているように顕著な柱状細粒構造を有することを示し
た。
【００２０】Ｂ）Ａ）の超硬合金基体が、Ａ）で述べた
ようにＴｉＣＮ（３μｍ）及びＡｌ ２Ｏ３（７μｍ）で
被覆されたが、異なる点はＡｌ２Ｏ３の蒸着・工程が従
来の方法によって行われたことである。
【００２１】Ａｌ２Ｏ３蒸着工程の間の気体混合物及び
その他の工程条件は次のようなものであった： 工程１ 工程２ ＣＯ２ ５％ ５％ ＡｌＣｌ３ ２％ ２％ ＺｒＣｌ４ − − Ｈ２Ｓ − ０．３％ ＨＣｌ ２％ ６％ Ｈ２ 残部 残部 圧力 ５５ｍｂａｒ ５５ｍｂａｒ 温度 １０１０℃ １０１０℃ 時間 １時間 ３時間 ＸＲＤ（Ｘ線回折）分析は、単一α相のＡｌ２Ｏ３層に
ついて０．９という組織係数、ＴＣ（３００）、の値
（１０個のインサートの平均）を示した。ＸＲＤパタン
は図４に示されている。ＳＥＭ顕微鏡写真は、７μｍの
厚さのＡｌ２Ｏ３被膜が、図２に示されているような等
軸粒状構造を有することを示した。 実施例２ Ａ）及びＢ）からの被覆された工具インサートに、標準
生産方法によるブラッシングを施して被膜表面を滑らか
にした。次に、切削インサートは、旋削作業におけるエ
ッジ・ライン及びすくい面フレーキング、球状黒鉛鋳鉄
における面削り（ＡＩＳＩ、６０−４０−１８、ＤＩ
Ｎ、ＧＧＧ４０）、に関して試験された。これは被膜付
着力の強度についての良い基準試験であると証明されて
いる機械加工テストである。
【００２２】切削データ： 切削速度＝２５０ｍ／分 切削深さ＝２．０ｍｍ 送り＝０．２ｍｍ／回転 冷却材が用いられた。
【００２３】結果は下の表に、切削において被膜の剥
離、すなわちフレーキングが発生したエッジ・ラインの
パーセンテージとして表され、さらに、すくい面と作業
片の間の全接触面積に対するフレーキングが生じたすく
い面面積の比率として表されている。下の表に示されて
いる数字は５つのテストされた切削エッジの平均値であ
る。
【００２４】 被膜 エッジ・ラインのフレーキング すくい面のフレーキング Ａによる ４％ ＜１％ Ｂによる ５３％ ６２％ 図５及び６は、上述の方法でテストされた摩耗した切削
エッジの光学顕微鏡（ＬＯＭ）写真を示す。図５は、本
発明による被覆切削インサートの摩耗パタンを示し、図
６は従来技術による被覆切削インサートの摩耗パタンを
示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるαアルミナ層の倍率８０
００倍での走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面顕微鏡写真を
示し、特徴的な柱状微細構造を示している。
【図２】図２は、従来技術によるＡｌ２Ｏ３層の倍率８
０００倍での走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面顕微鏡写真
を示し、従来技術に典型的な粗い粒状微細構造を示して
いる。
【図３】図３は、本発明によって蒸着されたαＡｌ２Ｏ
３層のＸ線回折パタンを示す。
【図４】図４は、従来技術によって蒸着されαＡｌ２Ｏ
３層のＸ線回折パタンを示す。
【図５】図５は、本発明に係わる被覆切削インサートの
摩耗した切削刃の光学顕微鏡（ＬＯＭ）写真を示す。
【図６】図６は、従来技術による被覆切削インサートの
摩耗した切削刃の光学顕微鏡（ＬＯＭ）写真を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C046 FF03 FF04 FF05 FF10 FF17 FF22 FF25 4K030 AA03 AA14 AA24 BA02 BA18 BA22 BA38 BA43 BA46 BB12 CA03 FA10 HA01 JA01 JA06 JA10 JA20 LA22

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超硬合金、サーメット、又はセラミック
    の基体を備え、該基体の表面の少なくとも機能的部分
    に、硬質の耐摩耗性被膜が被覆されて成り、且つ前記被
    膜は、少なくとも一つの層はアルミナから成る一つ以上
    の耐熱層の構造を有する切削工具であって、 前記アルミナ層は、厚さが０．５〜２５μｍ、好ましく
    は１〜１０μｍ、であり、［３００］方向に組織された
    本質的に単一相のαアルミナから成り、組織係数が１．
    ５より大きく、好ましくは３より大きく、最も好ましく
    は５より大きく、 該組織係数は次の式： TC(hkl)=[I(hkl)/I0(hkl)]{1/nΣ[I(hkl)/I0(hkl)}-1 ここで I(hkl)＝(hkl)反射の測定強度 I0(hkl)＝ASTM標準粉末パタン回折データ、カードナン
    バー43-1484標準強度 n＝計算で用いられた反射の数、用いられる(hkl)反射は
    次のものである：(012)、(104)、(110)、(113)、(02
    4)、(116)及び(300)、によって定義されることを特徴と
    する切削工具。
  2. 【請求項２】 前記αアルミナ層が、ｗｔ％で０．０１
    〜１０、好ましくは０．０１〜５、最も好ましくは１未
    満の範囲で組織改良剤の残留物を含むことを特徴とする
    請求項１に記載の切削工具。
  3. 【請求項３】 厚さ０．１〜１０μｍ、好ましくは０．
    ５〜５μｍの金属チタンの窒化物、炭化物、炭窒化物、
    酸化炭化物及び酸化炭窒化物（ＴｉＣｘＮｙＯｚ）の少
    なくとも１種から成る少なくとも一つの層を有し、前記
    層がαアルミナ層と接触していることを特徴とする請求
    項１または２に記載の切削工具。
  4. 【請求項４】 外側の層が、αアルミナであることを特
    徴とする請求項３に記載の切削工具。
  5. 【請求項５】 外側の層が、ＴｉＮであることを特徴と
    する請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具。
  6. 【請求項６】 被覆された切削工具の表面が、ブラッシ
    ング作業によって滑らかにされていることを特徴とする
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具。
  7. 【請求項７】 被覆切削工具を製造する方法であって、 請求項１に記載する［３００］方向に組織されたαアル
    ミナから成る少なくとも一つの耐熱層が化学的蒸気堆積
    法によって蒸着されことにより、被覆される工具表面が
    加水分解剤及び酸化剤の少なくとも１種と、アルミニウ
    ム・ハロゲン化物との一種以上を含む水素キャリア気体
    と接触する被覆切削工具を製造する方法において、 αアルミナの核生成前の化学的蒸気堆積法反応器雰囲気
    の酸化ポテンシャルが、所定濃度の好ましくは５ｐｐｍ
    より低い水蒸気（Ｈ２Ｏ）又は他の酸化分子種によって
    低いレベルに抑えられ、ＨＣｌとＣＯ２がＨ２及びＡｒ
    のいずれか１種の雰囲気中で反応器に最初に入り、続い
    てＡｌＣｌ３が入るという反応気体の順序づけによって
    αアルミナの核生成が開始され、温度は核生成期の間９
    ５０〜１０５０℃に保たれ、αＡｌ２Ｏ３層の成長期の
    間硫黄触媒と組織改良剤が添加され、該触媒は好ましく
    はＨ２Ｓであり、該組織改良剤は好ましくはＺｒＣｌ４
    であることを特徴とする被覆切削工具を製造する方法。
  8. 【請求項８】 反応気体混合物への組織改良剤、好まし
    くはＺｒＣｌ４、の添加は、全反応気体混合物に対し体
    積％で０．０５〜１０、好ましくは０．２〜５、最も好
    ましくは０．５〜２の範囲にあることを特徴とする請求
    項７に記載の方法。
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