JP2006000970A - 硬質被覆層が高速切削で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】 硬質被覆層が高速切削で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】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）下部層が１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、（ｂ）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有すると共に、結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、傾斜角度数分布グラフにおいて、９〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記９〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すＡｌ_２Ｏ_３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】図１

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）下部層が、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）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層（以下、蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層で示す）、
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α型Ａｌ₂ Ｏ₃ 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。
特開平６−３１５０３号公報 特開平６−８０１０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加工に用いた場合、硬質被覆層を構成する蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の摩耗が急速に進行するようになることから、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α型Ａｌ₂Ｏ₃層が硬質被覆層の上部層を構成する被覆サーメット工具に着目し、特に前記蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の耐摩耗性向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層としての蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層は、一般に、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：１〜５％、ＣＯ₂：１〜１０％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ₂Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａ、
の条件（以下、通常条件という）で形成されるが、これの形成を、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：１〜５％、ＣＯ₂：１〜１０％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ₂Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：２０〜５０ｋＰａ、
の相対的に低温高圧条件で形成すると、この結果形成された蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層は、被覆サーメット工具の硬質被覆層の上部層として、各種の鋼や鋳鉄などの高速切削で、一段とすぐれた耐摩耗性を発揮すること。

（ｂ）上記（ａ）の低温高圧条件形成の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層と通常条件形成の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に概略説明図で示される通り、上記工具基体の表面と直交する縦断研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、前記通常条件形成のα型Ａｌ₂Ｏ₃層は、図３に例示される通り、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、前記低温高圧条件形成のα型Ａｌ₂Ｏ₃層は、、図２に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、このシャープな最高ピークは、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を変化させることによりグラフ横軸の傾斜角区分に現れる位置が変わること。

（ｃ）試験結果によれば、上記反応雰囲気圧力を上記の通り２０〜５０ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークが傾斜角区分の９〜２０度の範囲内に現れると共に、前記９〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフで９〜２０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層を硬質被覆層の上部層として、下部層のＴｉ化合物層と共存した状態で蒸着形成してなる被覆サーメット工具は、上記の従来被覆サーメット工具に比して、特に高速切削で一段とすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される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）下部層が、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）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有すると共に、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の表面と直交する縦断研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、９〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記９〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃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、硬質被覆層が高速切削で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に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）下部層のＴｉ化合物層
Ｔｉ化合物層は、基本的には蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層が高温強度を具備するようにするほか、工具基体と蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃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、その平均層厚を３〜２０μｍと定めた。

（ｂ）上部層の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層
上記の通り、蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置は、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を変化させることによって変化するが、この場合試験結果によれば、前記反応雰囲気圧力を２０〜５０ｋＰａ範囲内で変化させると、最高ピークが９〜２０度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記９〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになるものであり、したがって、前記反応雰囲気圧力が２０ｋＰａ未満でも、５０ｋＰａを越えても、測定傾斜角の最高ピーク位置は９〜２０度の範囲から外れてしまい、このような場合には所望のすぐれた耐摩耗性を発揮することができないものである。
また、その平均層厚が１μｍ未満では、所望のすぐれた耐摩耗性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、切刃部にチッピング（微少欠け）が発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。

なお、切削工具の使用前後の識別を目的として、黄金色の色調を有するＴｉＮ層を、必要に応じて硬質被覆層の最表面層として蒸着形成してもよいが、この場合の平均層厚は０．１〜１μｍでよく、これは０．１μｍ未満では、十分な識別効果が得られず、一方前記ＴｉＮ層による前記識別効果は１μｍまでの平均層厚で十分であるという理由からである。

この発明被覆サーメット工具は、高い発熱を伴なう各種の鋼や鋳鉄などの高速切削でも、硬質被覆層の上部層を構成する蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層が、α型Ａｌ₂Ｏ₃自身のもつすぐれた高温硬さと耐熱性に加えて、さらに一段と向上したすぐれた耐摩耗性を発揮することから、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。

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、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のそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、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、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、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：２．２％、ＣＯ₂：５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ₂Ｓ：０．１５％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：８５０℃、
反応雰囲気圧力：２０〜５０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の低温高圧条件で表４に示される目標層厚の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成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。

また、比較の目的で、硬質被覆層の上部層である蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の形成を、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：２．２％、ＣＯ₂：５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ₂Ｓ：０．１５％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：１０００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の通常条件、すなわち同じ組成の反応ガスを用いるが、化学蒸着装置の反応雰囲気温度を相対的に高く、一方同反応雰囲気圧力は相対的に低くした条件で形成する以外は同一の条件で、表５に示される通りの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、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蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層に、工具基体表面と直交する縦断研磨面を形成した状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記縦断研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記縦断研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記縦断研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。

この結果得られた各種の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の傾斜角度数分布グラフにおいて、表４，５にそれぞれ示される通り、本発明被覆サーメット工具の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層は、いずれも（０００１）面の測定傾斜角の分布が９〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れる傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、従来被覆サーメット工具の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層は、いずれも（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在しない傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
また表４，５には、上記の各種の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の傾斜角度数分布グラフにおいて、９〜２０度の範囲内の傾斜角区分に存在する全傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体に占める割合を示した。
なお、図２は、本発明被覆サーメット工具１の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の傾斜角度数分布グラフ、図３は、従来被覆サーメット工具１の蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の傾斜角度数分布グラフをそれぞれ示すものである。

また、この結果得られた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（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。

つぎに、上記の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各種の被覆サーメット工具について、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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａという）での合金鋼の乾式高速連続切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃ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：５分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２５０の丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式高速連続切削試験（通常の切削速度は３００ｍ／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、いずれも硬質被覆層の上部層である蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の（０００１）面が傾斜角度数分布グラフで９〜２０度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示し、高い発熱を伴なう鋼や鋳鉄の高速切削で、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層の上部層が、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在しない傾斜角度数分布グラフを示す蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層で構成された従来被覆サーメット工具１〜１３においては、いずれも高速切削では前記蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層の摩耗進行が相対的に速く、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、特に高速切削でも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。

硬質被覆層を構成する蒸着α型Ａｌ₂Ｏ₃層における結晶粒の（０００１）面の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。 本発明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Ａｌ₂Ｏ₃層の（０００１）面の傾斜角度数分布グラフである。 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Ａｌ₂Ｏ₃層の（０００１）面の傾斜角度数分布グラフである。

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）下部層が、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）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有すると共に、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の表面と直交する縦断研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、９〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記９〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５〜６５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す酸化アルミニウム層、
   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、硬質被覆層が高速切削で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。

Images