JP2010221334A

JP2010221334A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP2010221334A
Application number: JP2009071176A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kono; 和弘河野; Yoko Watanabe; 陽子渡辺
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】鋼、鋳鉄等の高速断続切削加工において硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、（ａ）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、３〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、（ｂ）０．２〜１μｍの平均層厚および微粒縦長成長結晶組織を有するＴｉＣ層と、０．５〜３μｍの平均層厚を有するＡｌ_２Ｏ_３層との交互積層構造からなり、かつ、３〜１５μｍの合計平均層厚を有する上部層、を硬質被覆層として蒸着形成した表面被覆切削工具。
【選択図】なし

Description

この発明は、高熱発生を伴うとともに切刃に対して衝撃的負荷が断続的に繰り返し作用する、例えば、鋼や鋳鉄の高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）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、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２層以上からなり、かつ３〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、３〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_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形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具が、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。
また、上記の被覆工具において、下部層である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、例えば、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し、縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層（以下、ｌ−ＴｉＣＮ層という）を形成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

近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と過酷な条件下で行われる傾向にあるが、上記従来被覆工具を鋼や鋳鉄などの通常条件下での切削加工に用いた場合には特段の問題は生じないが、特にこれを、高熱発生を伴うとともに切刃に対して衝撃的負荷が繰り返し断続的に作用する鋼や鋳鉄の高速断続切削加工条件で用いた場合には、切削加工時の高熱および切刃に作用する衝撃的負荷により、硬質被覆層にはチッピング（微小欠け）、熱塑性変形が発生し易くなり、その結果、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、被覆工具の長寿命化を図るべく硬質被覆層の厚膜化を図った場合にも、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する硬質被覆層について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。

（ａ）上記従来被覆工具における硬質被覆層の上部層を構成するＡｌ_２Ｏ_３層は、すぐれた高温硬さを備え、基本的に被覆工具の耐摩耗性を維持するが、これを厚膜化したような場合には、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒が成長・粗大化しやすく、その結果、高温強度が低下し、耐チッピング性も低下するため、Ａｌ_２Ｏ_３層を厚膜化した割には工具の長寿命化を図ることはできない。

（ｂ）そこで、本発明者等は、上部層の厚膜化に際し、Ａｌ_２Ｏ_３層単独で厚膜化するのではなく、微粒縦長成長結晶組織を有するＴｉの炭化物層（以下、微粒ｌ−ＴｉＣ層という）とＡｌ_２Ｏ_３層との交互積層として上部層を厚膜化した場合には、微粒ｌ−ＴｉＣ層は、Ａｌ_２Ｏ_３層における結晶粒の微細成長を促進するとともに、結晶粒の粗大化を抑制する層として作用し、しかも、微粒ｌ−ＴｉＣ層は、交互積層構造を構成するＡｌ_２Ｏ_３層との密着強度に優れるばかりか、Ｔｉ化合物層からなる下部層ともすぐれた密着性を有するため、交互積層構造からなる上部層の強度低下を抑制することができ、厚膜化された上部層は、すぐれた耐チッピング性を備えるようになることを見出した。

（ｃ）Ａｌ_２Ｏ_３層との交互積層を構成する微粒ｌ−ＴｉＣ層は、例えば、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で２５〜３５質量％のＡｌ₂ Ｏ₃微粒を配合した研磨液を、０．１〜０．１５ＭＰａの噴射圧力で噴射してウエットブラストを施すことにより下部層表面を平滑化し、ついで、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ₄ ：１〜３％、ＣＨ₄ ：０．５〜１．５％、Ｈ₂ ：残り、
反応雰囲気温度：９００〜９５０℃、
反応雰囲気圧力：２００〜３００Ｔｏｒｒ（２６〜４０ｋＰａ）、
の条件で蒸着することによって形成することができる。
そして、この微粒ｌ−ＴｉＣ層は、その破面組織及び光学顕微鏡組織観察によれば、すぐれた強度を有するＴｉ化合物として知られているｌ−ＴｉＣＮ層（特許文献２）と実質的に同じ縦長成長結晶組織を有し、従来知られている粒状結晶組織のＴｉＣ層に比して一段とすぐれた靭性を備え、さらに、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒の粗大化抑制作用、Ａｌ_２Ｏ_３層と微粒ｌ−ＴｉＣ層との密着強度改善により、上部層の耐チッピング性を大幅に向上させる。

（ｄ）したがって、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層の上に、Ａｌ_２Ｏ_３層と微粒ｌ−ＴｉＣ層との交互積層構造からなる上部層を蒸着形成した本発明の被覆工具は、硬質被覆層の厚膜化を図った場合でも、特に、上部層がすぐれた耐チッピング性と高強度を備えるため、高熱発生を伴うとともに切刃に対して衝撃的負荷が繰り返し断続的に作用する、例えば、鋼や鋳鉄の高速断続切削加工に用いた場合にも、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮することができるので、硬質被覆層の厚膜化を図ることが可能となり、その結果、被覆工具の長寿命化を図ることができる。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「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、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、３〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）０．２〜１μｍの平均層厚および微粒縦長成長結晶組織を有するＴｉの炭化物層と、０．５〜３μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層との交互積層構造からなり、かつ、３〜１５μｍの合計平均層厚を有する上部層、
上記（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層が蒸着形成されてなることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

本発明について、以下に詳細に説明する。

下部層のＴｉ化合物層：
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Ｔｉ化合物層からなる下部層は、通常の化学蒸着条件で形成することができ、それ自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と上部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、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が１５μｍを越えると、特に高速断続切削でチッピングを起し易くなることから、その合計平均層厚を３〜１５μｍと定めた。

上部層の微粒ｌ−ＴｉＣ層：
上部層の交互積層を構成する微粒ｌ−ＴｉＣ層は、例えば、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で２５〜３５質量％のＡｌ₂ Ｏ₃微粒を配合した研磨液を、０．１〜０．１５ＭＰａの噴射圧力で噴射してウエットブラストを施すことにより下部層表面を平滑化し、ついで、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ₄ ：１〜３％、ＣＨ₄ ：０．５〜１．５％、Ｈ₂ ：残り、
反応雰囲気温度：９００〜９５０℃、
反応雰囲気圧力：２００〜３００Ｔｏｒｒ（２６〜４０ｋＰａ）、
の条件で蒸着することによって形成することができる。
微粒ｌ−ＴｉＣ層は、それ自体すぐれた靭性を備え、Ａｌ_２Ｏ_３層との交互積層によるＡｌ_２Ｏ_３結晶粒の粗大化抑制作用を有するとともに、Ａｌ_２Ｏ_３層と微粒ｌ−ＴｉＣ層との密着強度を向上させる。
微粒ｌ−ＴｉＣ層は、その一層平均層厚が０．２μｍ未満では、Ａｌ_２Ｏ_３層における結晶粒の微細成長を促進するとともに、結晶粒の粗大化を抑制する作用を期待できず、一方、その一層平均層厚が１μｍを超えると、隣接して存在する上部層全体としての耐摩耗性が低下傾向を示すようになることから、微粒ｌ−ＴｉＣ層の一層平均層厚は、０．２〜１μｍと定めた。

上部層のＡｌ₂ Ｏ₃ 層：
微粒ｌ−ＴｉＣ層との交互積層構造を構成するＡｌ₂ Ｏ₃ 層は、硬質被覆層の耐摩耗性を維持する作用があるが、その一層平均層厚が０．５μｍ未満では、長期の使用に亘っての耐摩耗性を確保することができず、一方、その一層平均層厚が３μｍを越えるとＡｌ_２Ｏ_３結晶粒の粗大化による高温硬さ、高温強度が低下しやすくなり、高速断続切削加工時の耐チッピング性、耐摩耗性が低下するようになることから、その一層平均層厚を０．５〜３μｍ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、必要に応じ上部層表面に蒸着形成してもよいが、この場合の平均層厚は０．１〜１μｍでよい。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。

この発明の被覆工具は、工具基体表面に、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層及び微粒ｌ−ＴｉＣ層とＡｌ_２Ｏ_３層との交互積層構造からなる上部層を蒸着形成し、特に、交互積層からなる上部層が、すぐれた高温硬さとすぐれた高温強度を有するため、高熱発生を伴い切刃に衝撃的な負荷が繰り返し断続的に作用する鋼や鋳鉄の高速断続切削に用いた場合、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を生じることなく、また、硬質被覆層の厚膜化が可能となるため、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成されるものである。

つぎに、この発明の被覆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、Ｃｒ₃Ｃ₂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に規定するインサート形状をもった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、Ｍｏ₂Ｃ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・ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。

つぎに、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、
（ａ）硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件かつ表５に示される目標層厚でＴｉ化合物層を蒸着形成し、
（ｂ）次いで、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で２５〜３５質量％のＡｌ₂ Ｏ₃微粒を配合した研磨液を、０．１〜０．１５ＭＰａの噴射圧力で噴射してウエットブラストを施すことにより下部層表面を平滑化し、ついで、表４に示される条件かつ表５に示される一層目標層厚で微粒ｌ−ＴｉＣ層を蒸着形成し、
（ｃ）また、表３に示される条件かつ表５に示される一層目標層厚でＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成し、
（ｄ）上記（ｂ）の微粒ｌ−ＴｉＣ層の蒸着形成と上記（ｃ）のＡｌ_２Ｏ_３層の蒸着形成を、目標合計層厚になるまで交互に繰り返すことにより、本発明被覆工具１〜１３を製造した。

また、比較の目的で、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、硬質被覆層の下部層及び上部層として、それぞれ、表３に示される条件かつ表６に示される目標層厚でＴｉ化合物層からなる下部層を蒸着形成し、次いで、表３に示される条件かつ表６に示される目標層厚でＡｌ_２Ｏ_３層からなる上部層を蒸着形成することにより、比較被覆工具１〜１３を製造した。
（比較被覆工具１〜１３は、本発明被覆工具１〜１３と異なり、上部層が単層のＡｌ_２Ｏ_３層で形成されている。）

上記本発明被覆工具１〜１３及び比較被覆工具１〜１３の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも表５、６に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
また、本発明被覆工具１〜１３の上部層である微粒ｌ−ＴｉＣ層、Ａｌ_２Ｏ_３層及び比較被覆工具１〜１３の上部層であるＡｌ_２Ｏ_３層について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、工具基体表面に平行な面内での結晶粒の平均結晶粒径を測定した。その値を表５、６に示す。
なお、この発明における平均結晶粒径の測定は、各層の層厚方向の中央部分に工具基体表面と平行な線を引き、該平行な線の長さを、その線と交差した結晶粒界の交点数で割った値を結晶粒径の値とし、さらに、少なくとも５箇所の位置で結晶粒径の値を求め、それらの平均値を算出して平均結晶粒径の値とした。

つぎに、上記本発明被覆工具１〜１３及び比較被覆工具１〜１３について、以下の切削条件Ａ〜Ｃで切削加工試験を実施した。
《切削条件Ａ》
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０Ｈの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８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、２５０ｍ／ｍｉｎ．）、
《切削条件Ｂ》
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：５００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：７分、
の条件での合金鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は、２５０ｍ／ｍｉｎ．）、
《切削条件Ｃ》
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ７００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：７分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／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８に示した。

表５〜７に示される結果から、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層の上に、微粒ｌ−ＴｉＣ層とＡｌ_２Ｏ_３層との交互積層構造からなる上部層を蒸着形成した本発明被覆工具は、特に、交互積層からなる上部層が、すぐれた高温硬さとすぐれた高温強度を有するため、高熱発生を伴い切刃に衝撃的な負荷が繰り返し断続的に作用する鋼や鋳鉄の高速断続切削に用いた場合、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を生じることなく、さらに、硬質被覆層の厚膜化も可能となるため、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成されるのに対して、上部層が単層のＡｌ_２Ｏ_３層からなる比較被覆工具においては、耐チッピング性、耐摩耗性が充分満足できるものではなく、また、耐摩耗性も劣るものであった。

上述のように、この発明の被覆工具は、例えば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、特に高熱発生を伴い切刃に対して衝撃的負荷が繰り返し断続的に作用する高速断続切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性等を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるから、切削加工の省力化および省エネ化に十分満足に対応できるものである。

Claims

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、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、３〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）０．２〜１μｍの平均層厚および微粒縦長成長結晶組織を有するＴｉの炭化物層と、０．５〜３μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層との交互積層構造からなり、かつ、３〜１５μｍの合計平均層厚を有する上部層、
上記（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層が蒸着形成されてなることを特徴とする表面被覆切削工具。