JP2006305687A - 厚膜化α型酸化アルミニウム層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具 - Google Patents
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Abstract
【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)下部層として、いずれも化学蒸着形成したTiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、およびTiCNO層のうちの1層または2層以上からなり、かつ0.5〜10μmの合計平均層厚を有するTi化合物層、(b)上部層として、化学蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有すると共に、特定の傾斜角度数分布グラフを示し、かつ16〜30μmの平均層厚を有する厚膜化改質α型Al2O3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。
【選択図】 図2
Description
(a)下部層として、いずれも化学蒸着形成された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層以上からなり、かつ0.5〜10μmの全体平均層厚を有するTi化合物層、
(b)上部層として、1〜15μmの平均層厚を有する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。
(a)工具基体の表面に、上記の硬質被覆層の下部層であるTi化合物層を介して、同上部層であるα型Al2O3層を蒸着形成するに先だって、通常の化学蒸着装置にて、
通常の条件で、0.1〜1μmの平均層厚でTiCN層を形成し、これに、窒化雰囲気処理、望ましくは圧力:20〜40kPaの窒素雰囲気中、950〜1100℃の温度に、10〜60分間保持の条件で窒化雰囲気処理を施し、さらに引き続いて酸化雰囲気処理、望ましくはガス組成が、容量%で、CO2:5〜10%,CO:5〜10%,H2:残りからなる、圧力:5〜10kPaの酸化雰囲気中、950〜1100℃の温度に、3〜10分間保持の条件で酸化雰囲気処理を施して、Ti炭窒酸化物薄膜(以下、核TiCNO薄膜という)を形成した状態で、硬質被覆層の上部層としてα型Al2O3層を、通常の条件で、平均層厚で15μmを越えた16〜30μmの層厚に形成すると、この結果の前記核TiCNO薄膜上に蒸着形成された厚膜化α型Al2O3層(以下、厚膜化改質α型Al2O3層という)においては、平均層厚で16〜30μmの層厚に厚膜化したにもかかわらず、Al2O3結晶粒の粗大化が著しく抑制され、かつ層自体の緻密性も保持されたものになるので、高温強度の低下が防止されるようになり、したがって、前記厚膜化改質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、特に切刃部にチッピングの発生なく、一段とすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになり、一方、前記核TiCNO薄膜の形成を行わずに、通常の条件、すなわち、上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層の上部層であるα型Al2O3層の形成条件と同じ条件で、平均層厚で16〜30μmの層厚に形成した厚膜化α型Al2O3層(以下、厚膜化通常α型Al2O3層という)を硬質被覆層の上部層として蒸着形成した被覆サーメット工具では、前記厚膜化通常α型Al2O3層の高温強度不足が原因で、切刃部にチッピングが発生し、短時間で使用寿命に至ること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
(a)下部層として、いずれも化学蒸着形成された、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、およびTiCNO層のうちの1層または2層以上からなり、かつ0.5〜10μmの全体平均層厚を有するTi化合物層、
(b)上部層として、化学蒸着形成した状態で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、表面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、前記表面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、少なくとも7〜15度の範囲内の傾斜角区分および0〜7度の範囲内の傾斜角区分にピークが存在すると共に、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体に占める割合で、前記7〜15度の範囲内に存在する度数の合計が35%以上、前記0〜7度の範囲内に存在する度数の合計が25%以上、である傾斜角度数分布グラフを示し、かつ16〜30μmの平均層厚を有する厚膜化改質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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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。
(a)Ti化合物層
Ti化合物層は、基本的には厚膜化改質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の高温強度向上に寄与するほか、工具基体と厚膜化改質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を向上させる作用を有するが、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10μmを越えると、切削時の発生熱による熱塑性変形量が許容範囲を越えて大きくなり、この結果上部層である厚膜化改質α型Al2O3層に割れが発生し易くなることから、その平均層厚を0.5〜10μmと定めた。
上記の通り、厚膜化改質α型Al2O3層は、傾斜角度数分布グラフで、1番高いピークが傾斜角区分の7〜15度、そして2番目に高いピークが0〜7度のそれぞれの範囲内に現れ、かつ傾斜角度数分布グラフにおける度数全体に占める割合で、前記7〜15度の範囲内に存在する度数の合計が35%以上、前記0〜7度の範囲内に存在する度数の合計が25%以上、である傾斜角度数分布グラフを示す場合に、平均層厚で16〜30μmに厚膜化しても、すぐれた高温強度を保持し、チッピング発生の抑制されたものとなり、α型Al2O3層自身のもつすぐれた高温硬さと耐熱性と相俟って、硬質被覆層の長期に亘る耐摩耗性向上に寄与する作用をもつが、その平均層厚が16μm未満では厚膜化の要求に十分満足に対応することができず、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16〜30μmと定めた。
(a)圧力:25kPaの窒素雰囲気中、1000℃の温度に、10〜60分間保持の条件での窒化雰囲気処理を施し、
(b)引き続いてガス組成が、容量%で、CO2:7%,CO:7%,H2:残りからなる、圧力:7kPaの酸化雰囲気中、1000℃の温度に、3〜10分間保持の条件での酸化雰囲気処理を施して、
同じく表4,5に示される目標層厚の核TiCNO薄膜を形成し、この状態で同じく表3に示される従来α型Al2O3層の形成条件と同じ条件で、同じく表4,5に示される目標層厚の厚膜化改質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。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の各種厚膜化α型Al2O3層の表面を研磨面とした状態で、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、前記表面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、電子後方散乱回折像装置を用いて、30×50μmの領域を0.1μm/stepの間隔で、前記表面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。
なお、図2は、本発明被覆サーメット工具2の厚膜化改質α型Al2O3層の傾斜角度数分布グラフ、図3は、比較被覆サーメット工具2の厚膜化通常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。
被削材:JIS・SNCM439の丸棒、
切削速度:220m/min、
切り込み:2mm、
送り:0.3mm/rev、
切削時間:20分、
の条件(切削条件Aという)での合金鋼の乾式連続切削試験、
被削材:JIS・S45Cの長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:250m/min、
切り込み:1.5mm、
送り:0.35mm/rev、
切削時間:20分、
の条件(切削条件Bという)での炭素鋼の乾式断続切削試験、さらに、
被削材:JIS・FCD550の丸棒、
切削速度:180m/min、
切り込み:1.5mm、
送り:0.25mm/rev、
切削時間:20分、
の条件(切削条件Cという)での鋳鉄の乾式連続切削試験を行い、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7に示した。
Claims (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)下部層として、いずれも化学蒸着形成した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層以上からなり、かつ0.5〜10μmの全体平均層厚を有するTi化合物層、
(b)上部層として、化学蒸着形成した状態で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、表面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、前記表面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、少なくとも7〜15度の範囲内の傾斜角区分および0〜7度の範囲内の傾斜角区分にピークが存在すると共に、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体に占める割合で、前記7〜15度の範囲内に存在する度数の合計が35%以上、前記0〜7度の範囲内に存在する度数の合計が25%以上、である傾斜角度数分布グラフを示し、かつ16〜30μmの平均層厚を有する厚膜化改質α型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、厚膜化α型酸化アルミニウム層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。
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