JP2005034967A

JP2005034967A - 表面被覆セラミックス製切削工具

Info

Publication number: JP2005034967A
Application number: JP2003276057A
Authority: JP
Inventors: Yohei Sone; 葉平曽根; Hiroshi Yoshikawa; 弘吉川
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】近年、高速、高能率加工の要求は益々高くなってきている。そこで、高速、高能率加工において優れた性能を示す表面被覆セラミックス製切削工具の提供を目的とする。
【解決手段】窒化珪素基セラミックス基体の表面に、Ｘ線回折測定における（１０４）面に最高Ｘ線回折強度を示すα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする平均膜厚１〜１０μｍの第１硬質膜を被覆した表面被覆セラミックス製切削工具は、従来の表面被覆セラミックス製切削工具よりも工具寿命を長くすることが可能となる。特に、鋳鉄切削において優れた性能を発揮する。

Description

本発明は、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆セラミックス製切削工具に関し、その中でも鋳鉄切削加工に好適な表面被覆セラミックス製切削工具に関する。

従来の技術として窒化珪素基セラミックス基体の表面に、Ａｌ₂Ｏ₃からなる中間層を設け、中間層上にＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉＣＮからなる外層を設けたこと特徴とする高速切削用セラミックス工具がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭６０−１０８２０４号公報

近年、高速、高能率加工の要求は益々高くなってきており、従来の表面被覆セラミックス製切削工具は、これらの要求に応えられなくなってきた。そこで、本発明は、高速、高能率加工において優れた性能を示す表面被覆セラミックス製切削工具の提供を目的とする。

本発明者らは、表面被覆セラミックス製切削工具の性能向上を目的に研究を行った結果、窒化珪素基セラミックス基体に（１０４）面を最高Ｘ線回折強度に示すα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする第１硬質膜を被覆すると、基体表面に対する第１硬質膜の密着性と耐摩耗性が向上し、切削性能が向上することを見出した。

すなわち、本発明の表面被覆セラミックス製切削工具は、窒化珪素基セラミックス基体の表面に、Ｘ線回折測定における（１０４）面に最高Ｘ線回折強度を示すα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする平均膜厚１〜１０μｍの第１硬質膜を被覆したことを特徴とする。

本発明の表面被覆セラミックス製切削工具の基体に接する第１硬質膜は、Ｘ線回折測定における（１０４）面に最高Ｘ線回折強度を示すα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする硬質膜であり、密着性と耐摩耗性にすぐれる。ここで、α型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする硬質膜とは、α型Ａｌ₂Ｏ₃膜、または、α型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度に対するκ型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度の割合を示す強度比（κ／α）が０．５以下であるα型Ａｌ₂Ｏ₃とκ型Ａｌ₂Ｏ₃の混合膜を示す。切削加工により硬質膜が高温になると、κ型Ａｌ₂Ｏ₃は体積収縮を伴う相変態を起こし硬質膜の密着性と耐摩耗性を低下させるため、第１硬質膜は、κ型Ａｌ₂Ｏ₃を含まず、（１０４）面に最高Ｘ線回折強度を示すα型Ａｌ₂Ｏ₃のみからなると好ましい。

また、第１硬質膜の平均膜厚が１μｍ未満であると耐摩耗性が低下し、１０μmを超えると残留応力の影響で欠損およびチッピングが生じやすく切削寿命が低下することから、第１硬質膜の平均膜厚を１〜１０μｍと定めた。その中でも２〜８μｍが好ましく、４〜６μｍがさらに好ましい。

第１硬質膜の表面に、切削工具表面の平滑性向上、耐溶着性向上、低速切削領域における耐摩耗性向上および／または使用コーナー識別のため、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる第２硬質膜を被覆することは好ましい。その中でも、第２硬質膜としてＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉＣＮを被覆すると低速切削領域の耐摩耗性が向上するため、特に好ましい。第２硬質膜の平均膜厚が０．０１μｍ以上であると被覆の効果が得られ、１０μｍを超えると耐欠損性が低下する傾向が見られるため、０．０１〜１０μmが好ましく、その中でも０．１〜３μmがさらに好ましい。

本発明の表面被覆セラミックス製切削工具の基体は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｌｉ、希土類元素、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体から選ばれた少なくとも１種からなる結合相：１〜２０重量％と、窒化珪素：残部とで構成された窒化珪素基セラミックスである。窒化珪素として具体的にはＳｉ₃Ｎ₄を挙げることができる。また、結合相として具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＯＮ、ＡｌＮ、ＳｉＡｌ₃Ｏ₂Ｎ₃、ＳｉＡｌ₄Ｏ₂Ｎ₄、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ₂、ＷＣ、Ｚｒ（Ｎ，Ｏ）、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴａＣ、ＴａＮ、Ｔａ（Ｃ，Ｎ）、ＮｂＣ、ＮｂＮ、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）、およびこれらの相互固溶体を挙げることができる。ここで、希土類元素は、Ｓｃ、Ｙ、ランタニド（原子番号５７〜７１）のことを示す。

上記の基体の中でも、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃換算で０．５〜２重量％、ＹをＹ₂Ｏ₃換算で０．５〜２重量％、ＨｆをＨｆＯ₂換算で１〜３重量％、ＭｇをＭｇＯ₂換算で０．３〜１重量％、残部がＳｉ₃Ｎ₄、からなる窒化珪素基セラミックス基体であると（１０４）面に配向したα型Ａｌ₂Ｏ₃膜が得られやすく、第１硬質膜との密着性に優れるため好ましい。

本発明の第１硬質膜および第２硬質膜の被覆方法としては、ＣＶＤ法が好ましい。第１硬質膜の被覆条件において、おもに原料ガス条件および被覆温度を調整することにより、本発明の表面被覆セラミックス製切削工具を得ることができる。例えば、窒化珪素基セラミックス基体を熱ＣＶＤ炉に装入し、被覆温度１０００〜１０５０℃まで加熱した後、第１硬質膜の被覆初期１０分間を、Ｎ₂：１〜３体積％、ＣＯ：９〜１１体積％、ＣＯ₂：５〜７体積％、ＡｌＣｌ₃：２〜４体積％、Ｈ₂Ｓ：０．１体積％、Ｈ₂：残部とし、ＣＯ₂とＡｌＣｌ₃の分圧をＣＯ₂：ＡｌＣｌ₃＝２：１に調節したガス条件で被覆する。次いでＮ₂の導入を停止し、ＣＯ：９〜１１体積％、ＣＯ₂：２〜４体積％、ＡｌＣｌ₃：９〜１１体積％、Ｈ₂Ｓ：０．１体積％、Ｈ₂：残部とし、ＣＯ₂分圧とＡｌＣｌ₃分圧をＣＯ₂：ＡｌＣｌ₃＝１：３に調節した条件で被覆すると、（１０４）面に最高Ｘ線回折強度を示すα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする第１硬質膜を被覆することができる。なお、α型Ａｌ₂Ｏ₃膜被覆初期にＣＯ₂分圧が適正範囲よりも過剰な場合、もしくは、被覆温度が１１００℃を超える場合、（０１２）面に最高Ｘ線回折強度を示すα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする硬質膜が被覆される。また、Ａｌ₂Ｏ₃膜被覆初期にＣＯ₂分圧が適正範囲よりも低い場合、κ型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする硬質膜が被覆される。

第１硬質膜を被覆した後、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる第２硬質膜を被覆すると、層間の密着性が高く好ましい。第２硬質膜の製造方法としては、ＴｉＣｌ₄などの硬質膜の金属成分を含む塩化物ガスと、Ｎ₂、ＣＨ₄などの硬質膜の非金属成分を含む反応性ガスと、ＨＣｌなどの反応を抑える反応抑制ガスと、Ｈ₂、Ａｒなどのキャリアーガスとからなる原料ガスを熱ＣＶＤ炉に導入して被覆するＣＶＤ法を挙げることができる。

本発明の表面被覆セラミックス製切削工具の用途としては、鉄系金属材料、非鉄金属の切削加工用に適する。その形状として具体的には、スローアウェイチップなどの切削チップを挙げることができる。本発明の表面被覆セラミックス製切削工具は、鉄系金属材料の高速切削加工、高能率切削加工において優れた性能を示す。その中でも特に鋳鉄の高速切削加工において優れた性能を発揮する。切削加工においては、鉄系金属材料と反応しにくいＡｌ₂Ｏ₃膜が、鉄系金属材料に反応しやすい窒化珪素基セラミックス基体を保護する作用がある。すなわち、本発明の表面被覆セラミックス製切削工具は、基体に対するＡｌ₂Ｏ₃膜の密着性を高め、鉄系金属材料と窒化珪素基セラミックス基体の反応を防止し、窒化珪素基セラミックス工具の有する高強度、高靱性などの優れた特性を発揮させることにより、工具寿命の向上を図るものである。

本発明の表面被覆セラミックス製切削工具は、窒化珪素基セラミックス基体と接する硬質膜を（１０４）に最高Ｘ線回折強度を示すα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする平均膜厚１〜１０μｍの第１硬質膜とすることにより、被膜の密着性と耐摩耗性を向上させることができ、従来の表面被覆セラミックス製切削工具よりも工具寿命を長くすることが可能となる。本発明の表面被覆セラミックス製切削工具は、特に鋳鉄切削において優れた性能を発揮する。

市販のＡｌ₂Ｏ₃粉末、Ｙ₂Ｏ₃粉末、ＨｆＯ₂粉末、ＭｇＯ₂粉末、ＺｒＯ₂粉末、Ｃｅ₂Ｏ₃粉末、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末を用意し、表１に示す割合に配合し、湿式ボールミルにて混合粉砕する。乾燥した混合粉末をＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４１２形状用の金型でプレスし成形体を得た。成形体を雰囲気焼結炉に装入し、０．３５ＭＰａの加圧窒素雰囲気、１８８０℃にて、８０分保持する焼結を行う。その後、１２０MＰａの加圧窒素雰囲気、１７００℃にて、４０分保持するＨＩＰを行う。得られた焼結体の表面を研削加工して、ＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４１２形状の窒化珪素基セラミックス基体Ａ、Ｂ、Ｃを得た。基体Ａ、Ｂ、Ｃを通常のアルカリ洗剤および有機溶剤を用いて洗浄した後に、熱ＣＶＤ炉に装入し、表２に示す被覆条件でもって、表３に示す基体と被覆条件の組み合わせに従って試料を作製した。得られた試料を、Ｃｕ管球、加速電圧４０ｋＶ、管電流２０ｍＡ、走査速度２度／分という条件でＸ線回折測定を行い、２θ角２０〜１５０度の範囲を測定した。Ａｌ₂Ｏ₃膜の結晶型を調べ、α型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度に対するκ型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度の割合を示す強度比（κ／α）と、α型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度を示す結晶面を表３に記載した。また、光学顕微鏡を用いて断面観察し膜厚を測定した。それらの結果を表３に記載した。これらの試料を用いて表４に示す切削条件で切削試験を行い、その結果を表５に記載した。

発明品１〜６は試験Ａ、Ｂにおける工具寿命において比較品１〜６を上回った。α型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度に対するκ型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度の割合を示す強度比（κ／α）が０．５を超える第１硬質膜の比較品４〜６、および、（０１２）面に最高Ｘ線回折強度を示すα型Ａｌ₂Ｏ₃を第１硬質膜とする比較品１は、基体との密着強度が低く、切削初期に硬質膜が剥離し短寿命となった。第１硬質膜の平均膜厚が０．５μｍである比較品２は充分な耐摩耗性が得られず短寿命であった。第１硬質膜の平均膜厚が１２．０μｍである比較品３は切削途中で硬質膜のチッピングが発生するため短寿命であった。発明品１〜６の中では、平均膜厚が５．０μｍのものが相対的に寿命が長く、その中でも、第１硬質膜の表面に、ＴｉＣＮ膜とＴｉＣ膜とからなる第２硬質膜を２．０μｍ被覆した発明品５が最も長い工具寿命を示した。

Claims

窒化珪素基セラミックス基体の表面に、Ｘ線回折測定における（１０４）面に最高Ｘ線回折強度を示すα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする平均膜厚１〜１０μｍの第１硬質膜を被覆した表面被覆セラミックス製切削工具。
上記第１硬質膜の表面に周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる第２硬質膜を被覆させた請求項１に記載の表面被覆セラミックス製切削工具。
上記窒化珪素基セラミックス基体は、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃換算で０．５〜２重量％、ＹをＹ₂Ｏ₃換算で０．５〜２重量％、ＨｆをＨｆＯ₂換算で１〜３重量％、ＭｇをＭｇＯ₂換算で０．３〜１重量％、残部がＳｉ₃Ｎ₄、からなる窒化珪素基セラミックス基体である請求項１または２に記載の表面被覆セラミックス製切削工具。