JP2005111586A - 高速切削で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速切削で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮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、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）Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、酸化物、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、（ｂ）組成式：（Ａｌ_１−Ｘ Ｃｒ_Ｘ ）_２Ｏ_３ 、（ただし、原子比で、Ｘ：０．２０〜０．４５）、を満足するＡｌとＣｒの蒸着固溶体酸化物層を加熱処理してなり、Ｃｒに比してＡｌ高含有のＡｌとＣｒの固溶体酸化物分離相とＡｌに比してＣｒ高含有のＣｒとＡｌの固溶体酸化物分離相からなる２相混合組織を有し、かつ１〜３０μｍの平均層厚を有するＡｌとＣｒの加熱２相分離酸化物層、以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる。
【選択図】 なし

Description

この発明は、特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削で、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮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。

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）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、酸化物（以下、ＴｉＯ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層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）１〜３０μｍの平均層厚を有し、かつ組成式：（Ａｌ_１−Ｘ Ｃｒ_Ｘ ）_２Ｏ_３ 、（ただし、Ｘは原子比で、Ｘ：０．２０〜０．４５）、
を満足するＡｌとＣｒの固溶体酸化物［以下、蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ で示す］層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を化学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ることは良く知られている。

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化合物層や蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層が粒状結晶組織を有し、さらに、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の強度向上を目的として、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。
特公昭５８−５３０６５号公報

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、特にこれを高速切削に用いた場合、硬質被覆層を構成する蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層は、耐熱性にすぐれ、十分な高温強度を具備するものの、高温硬さが十分でないために、これが原因で硬質被覆層の摩耗進行が急速に加速し、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。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層が硬質被覆層を構成する被覆サーメット工具に着目し、これの耐摩耗性向上を図るべく研究を行った結果、
工具基体の表面に、硬質被覆層として、上記のＴｉ化合物層および蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層を形成した後で、これに非酸化性雰囲気または真空雰囲気中、温度：６００〜８００℃に１〜５時間保持の条件で加熱処理を施すと、前記Ｔｉ化合物層に変化はないが、前記蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層に相分離が起って、Ｃｒに比してＡｌ高含有のＡｌとＣｒの固溶体酸化物分離相［以下、高Ａｌ−Ｃｒ酸化物分離相という］と、Ａｌに比してＣｒ高含有のＣｒとＡｌの固溶体酸化物分離相［以下、高Ｃｒ−Ａｌ酸化物分離相という］からなる２相混合組織を有するＡｌとＣｒの加熱２相分離酸化物層［以下、２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層という］となり、この２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層においては、前記高Ｃｒ−Ａｌ酸化物分離相がＡｌの高含有によってすぐれた高温硬さと耐熱性を有し、かつ前記高Ｃｒ−Ａｌ酸化物分離相がＣｒの高含有によってすぐれた高温強度を有することから、全体的に前記の従来蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層に比して、すぐれた高温硬さと耐熱性、および高温強度を具備するようになり、したがって前記２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層を硬質被覆層としてＴｉ化合物層と共存した状態で形成した被覆サーメット工具は、切削条件の厳しい高速切削加工で、切刃にチッピング（微少欠け）の発生なく、上記の従来被覆サーメット工具に比して、一段とすぐれた耐摩耗性を発揮するようになるという研究結果を得たのである。

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）ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＯ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）組成式：（Ａｌ_１−Ｘ Ｃｒ_Ｘ ）_２Ｏ_３ 、（ただし、Ｘは原子比で、Ｘ：０．２０〜０．４５）、
を満足する蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層を加熱処理してなり、高Ａｌ−Ｃｒ酸化物分離相と高Ｃｒ−Ａｌ酸化物分離相からなる２相混合組織を有し、かつ１〜３０μｍの平均層厚を有する２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる、高速切削で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。

以下に、この発明の被覆サーメット工具の硬質被覆層の構成層を上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層のＸ値
Ｘ値が原子比（以下同じ）で０．２０未満では加熱処理後における高Ｃｒ−Ａｌ酸化物分離相の割合が高Ａｌ−Ｃｒ酸化物分離相に比して少なくなり過ぎて、２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層に所望の高温強度を確保することができず、切刃にチッピングが発生し易くなり、一方Ｘ値が０．４５を越えると、逆に加熱処理後の高Ａｌ−Ｃｒ酸化物分離相の割合が低くなって高温硬さと耐熱性に急激な低下傾向が現れるようになることから、そのＸ値を０．２０〜０．４５と定めた。

（ｂ）Ｔｉ化合物層の全体平均層厚
Ｔｉ化合物層は、基本的には２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた強度によって硬質被覆層に強度を具備せしめるほか、工具基体と２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_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有するが、その全体平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その全体平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速切削では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、その全体平均層厚を３〜２０μｍと定めた。

（ｃ）２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層の平均層厚
２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層には、高Ａｌ−Ｃｒ酸化物分離相によってもたらされるすぐれた高温硬さと耐熱性、さらに高Ｃｒ−Ａｌ酸化物分離相によるすぐれた高温強度によって、高速切削でも、切刃にチッピングの発生なく、硬質被覆層の耐摩耗性を向上させる作用があるが、その平均層厚が１μｍ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３０μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜３０μｍと定めた。

この発明被の覆サーメット工具は、高い発熱を伴なう各種の鋼や鋳鉄の高速切削でも、硬質被覆層を構成する２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層がすぐれた高温硬さと耐熱性、さらにすぐれた高温強度を有するので、切刃にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示すのである。

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１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ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、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、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、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に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。

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、Ｍｏ₂ 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。

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、まず、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、Ｔｉ化合物層と蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層からなる硬質被覆層を表４に示される組み合わせで、かつ同じく表４に示される目標層厚で蒸着形成することにより従来被覆サーメット工具１〜１３をそれぞれ製造した。

ついで、この結果得られた従来被覆サーメット工具１〜１３のそれぞれに、表５に示される条件で加熱処理を施して、蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層を相分離して、高Ａｌ−Ｃｒ酸化物分離相と高Ｃｒ−Ａｌ酸化物分離相からなる２相混合組織を有する２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層とすることにより本発明被覆サーメット工具１〜１３をそれぞれ製造した。

上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３と従来被覆サーメット工具１〜１３の硬質被覆層の構成層について、その厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（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。
また、上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３の硬質被覆層の２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層および従来被覆サーメット工具１〜１３のそれの蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層の組織を、それぞれポストカラム型エネルギーフィルターを用いた高分解能電子顕微鏡にて観察したところ、前記２相分離（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層ではいずれも高Ａｌ−Ｃｒ酸化物分離相と高Ｃｒ−Ａｌ酸化物分離相からなる２相混合組織を示し、前記蒸着（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３ 層ではいずれも固溶体からなる単一相組織を示した。

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１〜１３および従来被覆サーメット工具１〜１３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：３００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ、）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件での炭素鋼の乾式高速連続切削試験（通常の切削速度は１８０ｍ／ｍｉｎ、）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件での鋳鉄の乾式高速連続切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ、）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。

表４〜６に示される結果から、本発明被覆サーメット工具１〜１３は、高い発熱を伴なう各種の鋼や鋳鉄の高速切削でも、切刃にチッピングの発生なく、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、従来被覆サーメット工具１〜１３においては、いずれも硬質被覆層の摩耗進行がきわめて速く、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、特に高い発熱を伴なう高速切削でも硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、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。

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）Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、酸化物、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
   （ｂ）組成式：（Ａｌ_１−Ｘ Ｃｒ_Ｘ ）_２Ｏ_３ 、（ただし、原子比で、Ｘ：０．２０〜０．４５）、
   を満足するＡｌとＣｒの蒸着固溶体酸化物層を加熱処理してなり、Ｃｒに比してＡｌ高含有のＡｌとＣｒの固溶体酸化物分離相とＡｌに比してＣｒ高含有のＣｒとＡｌの固溶体酸化物分離相からなる２相混合組織を有し、かつ１〜３０μｍの平均層厚を有するＡｌとＣｒの加熱２相分離酸化物層、
   以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる、高速切削で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。