JP2004188500A - 硬質被覆層がすぐれた耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット製切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質被覆層がすぐれた耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット製切削工具を提供する。
【解決手段】表面被覆サーメット製切削工具が、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、（ａ）蒸着形成されたＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上の積層で構成され、かつ３〜２０μｍの平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、（ｂ）蒸着形成した状態でκ型結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３に加熱変態処理を施してα型結晶構造とし、前記加熱変態処理で発生した変態クラックが分散分布した組織を有し、かつ３〜１５μｍの平均層厚を有する加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層の下側層と、０．５〜２μｍの平均層厚を有する蒸着形成されたα型結晶構造の蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層の上側層、で構成された複合２重α型Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層、前記（ａ）の下部層と（ｂ）の上部層で構成された硬質被覆層を形成してなる。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に鋼や鋳鉄などの高速断続切削時に切刃部にきわめて短いピッチで繰り返し付加される熱衝撃に対して硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する、すなわち硬質被覆層がすぐれた耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット製切削工具（以下、被覆サーメット工具という）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）化学蒸着形成および／または物理蒸着形成（以下、単に蒸着形成という）されたＴｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上の積層からなり、かつ３〜２０μｍの平均層厚を有するるＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）３．５〜１７μｍの平均層厚を有する蒸着形成された酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）層からなる上部層、
以上（ａ）の下部層と（ｂ）の上部層で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆サーメット工具が知られており、この被覆サーメット工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられていることも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、一般に、上記の被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層およびＡｌ_２ Ｏ_３ 層が粒状結晶組織を有し、かつ前記Ａｌ_２Ｏ_３層はα型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどが広く実用に供されることも良く知られており、さらに前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の靭性向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３１５０３号公報
【特許文献２】
特開平６−８０１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆サーメット工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、特にこれを切削条件の最も厳しい高速断続切削、すなわち切刃部にきわめて短いピッチで繰り返し熱衝撃が付加される高速断続切削に用いた場合、硬質被覆層の上部層を構成するＡｌ_２Ｏ_３層は、硬質で耐熱性にすぐれるものの、熱衝撃に脆いために、硬質被覆層にはチッピング（微小欠け）が発生し易くなり、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の被覆サーメット工具の硬質被覆層の上部層を構成するＡｌ_２Ｏ_３層の耐熱衝撃性向上をはかるべく研究を行った結果、
まず、上部層の下側層として、通常の条件で、結晶構造がκ型のＡｌ_２Ｏ_３層を相対的に厚膜で蒸着形成し、これに加熱処理、望ましくはＡｒ雰囲気中、温度：１０００℃以上で所定時間保持の条件で加熱処理を施して、結晶構造をα型にすると、この変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層には変態クラックが層中に分散分布するようになり、ついでこの状態の変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層の表面に、上部層の上側層として、同じく通常の条件で、相対的に薄膜のα型Ａｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成してなる複合２重α型Ａｌ_２Ｏ_３層を、被覆サーメット工具の硬質被覆層の上部層として下部層であるＴｉ化合物層と共に構成すると、この結果の硬質被覆層を形成してなる被覆サーメット工具においては、前記上部層の下側層を構成する加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層中に分散分布する変態クラックが、特に高速断続切削時の激しい熱衝撃を吸収して緩和することから硬質被覆層におけるチッピング発生が著しく抑制されるようになるという研究結果を得たのである。
【０００７】
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、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）蒸着形成されたＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上の積層で構成され、かつ３〜２０μｍの平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）蒸着形成した状態でκ型結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３に加熱変態処理を施してα型結晶構造とし、前記加熱変態処理で発生した変態クラックが分散分布した組織を有し、かつ３〜１５μｍの平均層厚を有する加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層の下側層と、０．５〜２μｍの平均層厚を有する蒸着形成されたα型結晶構造の蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層の上側層で構成された複合２重α型Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層、以上（ａ）の下部層と（ｂ）の上部層で構成された硬質被覆層を形成してなる、硬質被覆層がすぐれた耐熱衝撃性を有する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。
【０００８】
なお、この発明の被覆サーメット工具の硬質被覆層の構成層の平均層厚を上記の通りに限定したのは以下に示す理由によるものである。
（ａ）下部層であるＴｉ化合物層
Ｔｉ化合物層は、自体が強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が強度を具備するようになるほか、工具基体と上部層の下側層である加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速断続切削で熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
【０００９】
（ｂ）上部層の下側層である加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層
加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層には、上記の通り上側層である蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層の下部に存在し、層中に分散分布する変態クラックの作用で熱衝撃を吸収して、硬質被覆層にチッピングが発生するのを防止する作用があるが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピング発生抑制効果が急減し、むしろチッピングの発生が促進されるようになることから、その平均層厚を３〜１５μｍと定めた。
【００１０】
（ｃ）上部層の上側層である蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層
蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層には、上記の表面に露出して存在すると層中の変態クラックが原因でチッピングを発生し易い加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層を保護し、前記変態クラックを硬質被覆層中に内蔵させた状態にして、チッピングを発生させることなく耐摩耗性を向上させる作用があるが、その平均層厚が０．５μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が２μｍを越えて厚くなりすぎると、これ自体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０．５〜２μｍと定めた。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆サーメット工具を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ（質量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＷＣ＝３０／７０）粉末、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａ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５Ｐａの真空中、１４１０℃に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００１２】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ_２ Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。
【００１３】
ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表４に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、ついで同じく表３に示される条件で結晶構造がκ型のＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成し、これにＡｒ雰囲気中、温度：１０５０℃に２〜６時間の範囲内の所定時間保持の条件で加熱変態処理を施して、前記κ型の結晶構造をα型に変態させて、変態クラックが層中に分散分布した加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層を同じく表４に示される目標層厚で硬質被覆層の上部層を構成する下側層として形成し、さらに同じく表３に示される条件で、かつ表４に示される目標層厚の蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層を同上部層を構成する上側層として形成することにより本発明被覆サーメット工具１〜１２をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表５に示される通り、硬質被覆層の上部層全体を同じく表５に示される平均層厚の蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層とする以外は同一の条件で従来被覆サーメット工具１〜１２をそれぞれ製造した。
【００１４】
さらに、上記の本発明被覆サーメット工具と従来被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成する加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層と蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層の相違を観察する目的でＸ線回折を測定した。
これらのＸ線回折の測定は、Ｘ線回折チャート上で（００１）面および（００２）面にのみ回折ピークが現れる単結晶ＷＣを基体試料として用い、この基体試料の表面に、本発明被覆サーメット工具３、７、および１１の目標層厚が１５μｍ、１０μｍ、および５μｍの加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層、並びに従来被覆サーメット工具１、２、および１２の同じく目標層厚が１５μｍ、１０μｍ、および５μｍの蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層の形成条件と同一の条件で、それぞれ目標層厚が１５μｍ、１０μｍ、および５μｍの加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層および蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層を直接形成して本発明被覆試料Ａ〜Ｃおよび従来被覆試料ａ〜ｃを製造し、これら被覆試料の前記加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層および蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層のＸ線回折を測定することにより行なった。この測定結果を図１〜６に示した。
本発明被覆試料Ａ〜Ｃの加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層のＸ線回折チャートを示す図１〜３と、従来被覆試料ａ〜ｃの蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層のＸ線回折チャートを示す図４〜６の比較から、前記加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層では（００６）面および（０１８）面に明確な回折ピークが現れているのに対して、前記蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層ではこれら（００６）面および（０１８）面に回折ピークは存在しないことが明かである。
さらに、上記の単結晶ＷＣで構成された基体試料の表面に、それぞれ目標層厚が１５μｍ、１０μｍ、および５μｍの加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層および蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層を直接形成してなる本発明被覆試料Ａ〜Ｃおよび従来被覆試料ａ〜ｃの前記加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層および蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層のそれぞれについて、基体試料表面と平行な研磨表面における結晶面の電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）を、熱電界放射型走査電子顕微鏡（日本電子（株）製）および方位回折装置（テクセム・ラボラトリース（株）製）を用いて行なったところ、前記加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層では、いずれも結晶方位マップが濃い赤色の色調を示し、これはＡｌ_２Ｏ_３の結晶構造である六方晶の（０００１）面（六角形の平行面）が前記Ａｌ_２Ｏ_３層表面（基体試料表面）に対して平行にきわめて強く配向していることを示し、一方前記蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層では、いずれも結晶方位マップに緑色や青色、さらに黄色およびピンク色など様々な色調が現れ、これは六方晶を構成する結晶面に特定の配向性が存在しないことを示すものである。
【００１５】
さらに、この結果得られた本発明被覆サーメット工具１〜１２および従来被覆サーメット工具１〜１２について、これの硬質被覆層の構成層を走査型電子顕微鏡を用いて観察（層の縦断面を観察）したところ、前者ではいずれもＴｉ化合物層、変態クラックが層中に分散分布した加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層、および蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層からなり、後者では、いずれもＴｉ化合物と蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層からなることが確認された。また、これらの被覆サーメット工具の硬質被覆層の構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（同じく縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
【００１６】
つぎに、上記の各種の被覆サーメット工具を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、本発明被覆サーメット工具１〜６および従来被覆サーメット工具１〜６については、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：３分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：３分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速断続切削試験を行った。
【００１７】
さらに、本発明被覆サーメット工具７〜１２および従来被覆サーメット工具７〜１２については、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：３分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：３分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速断続切削試験を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表６に示した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【表３】

【００２１】
【表４】

【００２２】
【表５】

【００２３】
【表６】

【００２４】
【発明の効果】
表４〜６に示される結果から、本発明被覆サーメット工具１〜１２は、硬質被覆層の上部層の下側層を構成する加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層中に分散分布する変態クラックの作用で、熱衝撃がきわめて高く、かつ高い発熱を伴なう鋼の高速断続切削でも、硬質被覆層中に内蔵された状態で存在する前記変態クラックの作用で、切刃部のチッピング発生が著しく抑制され、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層全体が蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層からなる従来被覆サーメット工具１〜１２においては、高速断続切削では前記蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層が激しい熱衝撃に耐えられず、切刃部にチッピングが発生し、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、この発明の被覆サーメット工具は、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特に熱衝撃がきわめて高く、かつ高い発熱を伴なう切削条件の最も厳しい高速断続切削でもすぐれた切削性能を発揮するものであり、したがって切削装置の高性能化並びに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できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明被覆サーメット工具３の硬質被覆層を構成する加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層（目標層厚：１５μｍ）のＸ線回折チャートを示す図である。
【図２】本発明被覆サーメット工具７の硬質被覆層を構成する加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層（目標層厚：１０μｍ）のＸ線回折チャートを示す図である。
【図３】本発明被覆サーメット工具１１の硬質被覆層を構成する加熱変態α型Ａｌ_２Ｏ_３層（目標層厚：５μｍ）のＸ線回折チャートを示す図である。
【図４】従来被覆サーメット工具１の硬質被覆層を構成する蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層（目標層厚：１５μｍ）のＸ線回折チャートを示す図である。
【図５】従来被覆サーメット工具２の硬質被覆層を構成する蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層（目標層厚：１０μｍ）のＸ線回折チャートを示す図である。
【図６】従来被覆サーメット工具１２の硬質被覆層を構成する蒸着α型Ａｌ_２Ｏ_３層（目標層厚：５μｍ）のＸ線回折チャートを示す図である。

Claims (1)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、
   （ａ）蒸着形成されたＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上の積層で構成され、かつ３〜２０μｍの平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、
   （ｂ）蒸着形成された状態でκ型結晶構造を有する酸化アルミニウムに加熱変態処理を施してα型結晶構造とし、前記加熱変態処理で発生した変態クラックが分散分布した組織を有し、かつ３〜１５μｍの平均層厚を有する加熱変態α型酸化アルミニウム層の下側層と、０．５〜２μｍの平均層厚を有する蒸着形成されたα型結晶構造の蒸着α型酸化アルミニウム層の上側層で構成された複合２重α型酸化アルミニウム層からなる上部層、
   以上（ａ）の下部層と（ｂ）の上部層で構成された硬質被覆層を形成したことを特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット製切削工具。

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