JP2012096303A - 耐チッピング性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【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表面に、下部層(Ti化合物層)と上部層(Al2O3層)からなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、上記下部層と上記上部層との隣接界面に存在する上記Ti化合物層側の結晶粒の数aと上記Al2O3層側の結晶粒の数bとの比率b/aを切れ刃部においては0.8<b/a<1.2を満足し、さら上記Al2O3層直下のTi化合物層の結晶粒の平均粒子径が0.1μm以下であり、逃げ面部およびすくい面部においては、4<b/a<20を満足し、さら上記Al2O3層直下のTi化合物層の結晶粒の平均粒子径が0.1〜0.5μm以下である。
【選択図】図1
Description
(a)下部層が、3〜20μmの全体平均層厚を有するTiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層およびTiCNO層のうちの1層または2層以上からなるTi化合物層、
(b)上部層が、1〜15μmの平均層厚を有し、化学蒸着形成された状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)層、
上記(a)、(b)からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が広く知られており(例えば、特許文献1)、この被覆工具は、鋼や鋳鉄などの切削加工において、すぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
また、被覆工具の耐欠損性、耐衝撃性、耐摩耗性等を向上させるため、硬質被覆層の下部層を構成するTiCN層の粒子幅を0.01〜0.5μmとした被覆工具も知られている(例えば、特許文献2)。
そこで、下部層−上部層の界面密着強度を高めるため、両層の密着界面領域の改質について、数多くの実験を重ねた結果、工具領域を切れ刃部、逃げ面部およびすくい面部からなる3領域に分けた際に、その領域ごとに下部層と上部層とが隣接する界面の結晶粒構造を改善することにより、下部層と上部層の界面密着強度が高められることを見出したのである。
具体的には、切れ刃部においては、Al2O3層直下の下部層を構成するTi化合物層の平均粒子径を0.1μm以下にすると共に、下部層と上部層とが隣接する界面に存在する下部層側の結晶粒(Ti化合物)の数a1と上部層側の結晶粒(Al2O3)の数b1との比率b1/a1が、0.8<b1/a1<1.2を満足するように下部層および上部層を蒸着形成するとともに、逃げ面部およびすくい面部においては、Al2O3層直下の下部層を構成するTi化合物層の平均粒子径を0.1〜0.5μmにすると共に、下部層と上部層とが隣接する界面に存在する下部層側の結晶粒(Ti化合物)の数a2と上部層側の結晶粒(Al2O3)の数b2との比率b2/a2が、4<b2/a2<20を満足するように下部層および上部層を蒸着形成することによって、工具領域全体にわたって下部層と上部層との界面に発生する歪みが緩和されることにより、下部層−上部層界面の層間密着性が高められる。
そして、その結果として、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工においても、チッピング、剥離の発生なく、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を発揮することができることを見出したのである。
「 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、下部層と上部層とからなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具領域を切れ刃部、逃げ面部およびすくい面部からなる3領域に分けた際に、
(a)切れ刃部においては、
下部層は、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化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で1〜15μmの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するAl2O3層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ti化合物層側の結晶粒の数a1と上記Al2O3層側の結晶粒の数b1との比率b1/a1が0.8<b1/a1<1.2を満足し、さらに、上記Al2O3層直下のTi化合物層の結晶粒の平均粒子径が0.1μm以下であることを満足し、
(b)逃げ面部およびすくい面部においては、
下部層は、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化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で1〜15μmの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するAl2O3層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ti化合物層側の結晶粒の数a2と上記Al2O3層側の結晶粒の数b2との比率b2/a2が4<b2/a2<20を満足し、さらに、上記Al2O3層直下のTi化合物層の結晶粒の平均粒子径が0.1〜0.5μmであることを満足する、
以上(a)および(b)から構成された硬質被覆層を蒸着形成し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。
(a)下部層(Ti化合物層)
Tiの炭化物(TiC)層、窒化物(TiN)層、炭窒化物(TiCN)層、炭酸化物(TiCO)層および炭窒酸化物(TiCNO)層のうちの1層または2層以上からなるTi化合物層は、硬質被覆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20μmを越えると、特に高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続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。
また、切れ刃部においては、Al2O3層直下のTi化合物層の平均粒子径が0.1μmを超えると、上部層(Al2O3層)と下部層Al2O3層直下のTi化合物層と層間密着性が低下し、耐チッピング性が劣化するため、Al2O3層直下のTi化合物層の平均粒子径は0.1μm以下と定めた。一方、逃げ面部およびすくい面部においては、Al2O3層直下のTi化合物層の平均粒子径が0.5μmを超えると、上部層(Al2O3層)と上部層Al2O3層直下のTi化合物層と層間密着性が低下し、耐チッピング性が劣化し、また、結晶粒が粗大となって高温強度が低下し、耐摩耗性も劣化するために、Al2O3層直下のTi化合物層の平均粒子径が0.1μmより小さいと耐欠損性、耐衝撃性、耐摩耗性が低下するため、Al2O3層直下のTi化合物層の平均粒子径は0.1〜0.5μmと定めた。
ここで、切れ刃部および逃げ面部、すくい面部を上記範囲内とするために、工具基体に、切れ刃部以外を硬質ウレタンゴムなどでカバーし切れ刃部のみをウエットブラスト処理を施し、工具基体における切れ刃部の表面荒さをRa:0.2μm以下とした。ウエットブラスト処理の加工条件は、噴射研磨剤として、水との合量に占める割合で15〜60質量%の酸化アルミニウム微粒を配合した研磨液を噴射する。
なお、平均粒子径とは、透過型電子顕微鏡の断面観察により超硬基体表面と平行な方向に50μmに渡って線を引き、Al2O3層直下のTi化合物層の結晶粒の結晶粒界との交点を数え、それら線分長さの平均から求めた粒子径である。
上部層を構成するAl2O3層は、高温硬さおよび耐熱性にすぐれ、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速切削加工において、基本的な役割として耐摩耗性を維持する。
Ti化合物層からなる下部層表面に、例えば、以下の手順でAl2O3蒸着前処理を行い、ついで、通常条件でAl2O3層を成膜することにより、本発明で規定する条件を満足するAl2O3層を形成することができる。
Al2O3蒸着前処理は、以下の4段階からなり、
まず、
《第1段階》
反応ガス(容量%): AlCl3 0.5〜2%, 残部Ar、
雰囲気圧力: 30〜100Torr、
処理温度: 750〜1000℃、
処理時間: 1〜3min.、
の条件で下部層の表面改質を行った後、
《第2段階》
雰囲気圧力: 30〜100Torr、
雰囲気温度: 750〜1000℃、
に維持した状態で、1〜3分間、Arガスで炉内ガスをパージし、
《第3段階》
反応ガス(容量%): CO2 1〜10%, 残部Ar、
雰囲気圧力: 30〜100Torr、
処理温度: 750〜1000℃、
処理時間: 5〜20min、
の条件(但し、時間の経過とともに、反応ガス中のCO2の含有割合を徐々に減少させる)で酸化処理を行い、
《第4段階》
雰囲気圧力: 30〜100Torr、
雰囲気温度: 750〜1000℃、
に維持した状態で、1〜3分間、Arガスで炉内ガスをパージする。
上記a1,b1の比の値b1/a1について、b1/a1が0.8以下である場合には、切れ刃部の下部層−上部層界面におけるミスフィットを十分に緩和することができなくなり、一方、b1/a1が1.2を超えると、Al2O3内の粒子間歪みが増大し、すぐれた層間密着性を発揮し得なくなるため、b1/a1は、0.8<b1/a1<1.2と定めた。
また、逃げ面部およびすくい面部において、工具基体表面に垂直方向な断面における下部層(Ti化合物層)と上部層(Al2O3層)とが隣接する界面に存在する下部層側のTi化合物結晶粒の数a2と上部層側のAl2O3結晶粒の数b2との比率b2/a2を求めた場合に、b2/a2が4以上で20以下となる界面形態を備えた上部層を蒸着形成することができる。
上記a2,b2の比の値b2/a2について、b2/a2が4以下である場合には、逃げ面部およびすくい面部の下部層−上部層界面におけるミスフィットを十分に緩和することができなくなり、一方、b2/a2が20を超えると、Al2O3内の粒子間歪みが増大し、すぐれた層間密着性を発揮し得なくなるため、b2/a2は、4<b2/a2<20と定めた。
ここで、下部層(Ti化合物層)と上部層(Al2O3層)とが隣接する界面に存在する下部層側のTi化合物結晶粒の数a1、a2と上部層側のAl2O3結晶粒の数b1、b2の測定は、下部層−上部層との界面10箇所について、透過型電子顕微鏡を用い、50000倍の暗視野観察による断面測定を行い、超硬基体表面に平行な直線距離を測定幅25μmとし、その範囲に存在するAl2O3粒子と界面を有しているTi化合物粒子の数およびTi化合物粒子と界面を有しているAl2O3粒子の数のそれぞれをカウントすることにより、求めることができる。
この様な界面形態を備えた上部層と下部層からなる本発明の硬質被覆層は、界面歪みが緩和されることによって、すぐれた層間密着性を有するようになり、高速断続切削加工における微小チッピングの発生、剥離の発生を抑制するようになる。
上部層の平均層厚が1μm未満では、長期の使用に亘って耐摩耗性を十分に発揮することができず、工具寿命の短命化を招き、一方、上部層の平均層厚が15μmを超えるようになると、切れ刃部にチッピング、欠損、剥離等が発生し易くなることから、上部層の平均層厚は、1〜15μmと定めた。
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5に示される組み合わせおよび目標層厚でTi化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成する。
ついで、表4に示される条件にて、下部層の表面にAl2O3蒸着前処理を施し、
ついで、表3に示される条件にて、表5に示される組み合わせおよび目標層厚で、Al2 O3 層を上部層として蒸着形成する、
ことにより本発明被覆工具1〜13をそれぞれ製造した。
表5および表6に、上記で求めたa,b,b/aの値を示す。なお、いずれの被覆工具も逃げ面部とすくい面部のa,b,b/aの値は、ほぼ同じ値であることが確認できたので、逃げ面部の値のみを示し、すくい面部の値については、表示を割愛した。
図2には、本発明被覆工具1の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
図3には、従来被覆工具1の切れ刃部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
図4には、従来被覆工具1の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
表5に、測定した平均粒子径を示す。
[切削条件A]
被削材:JIS・SNCM420の長さ方向等間隔4本縦溝入の丸棒、
切削速度: 360m/min.、
切り込み: 0.95mm、
送り: 0.40mm/rev.、
切削時間: 15分、
の条件でのニッケルクロムモリブデン鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は200m/min.)、
[切削条件B]
被削材:JIS・FCD500の長さ方向等間隔4本縦溝入の丸棒、
切削速度: 340m/min.、
切り込み: 0.95mm、
送り: 0.50mm/rev.、
切削時間: 15分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は180m/min.)、
[切削条件C]
被削材:JIS・S30Cの長さ方向等間隔4本縦溝入の丸棒、
切削速度: 385m/min.、
切り込み: 0.90mm、
送り: 0.8mm/rev.、
切削時間: 15分、
の条件での炭素鋼の乾式高速断続切削試験(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7に示した。
しかるに、硬質被覆層の下部層と上部層との間に本発明のような界面構造が形成されていない従来被覆工具1〜13においては、高速断続切削条件下では、硬質被覆層の層間密着強度が不十分であるために、硬質被覆層に微小チッピング、欠損、剥離等が発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
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、下部層と上部層とからなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具領域を切れ刃部、逃げ面部およびすくい面部からなる3領域に分けた際に、
(a)切れ刃部においては、
下部層は、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化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で1〜15μmの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するAl2O3層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ti化合物層側の結晶粒の数a1と上記Al2O3層側の結晶粒の数b1との比率b1/a1が0.8<b1/a1<1.2を満足し、さらに、上記Al2O3層直下のTi化合物層の結晶粒の平均粒子径が0.1μm以下であることを満足し、
(b)逃げ面部およびすくい面部においては、
下部層は、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化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で1〜15μmの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するAl2O3層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ti化合物層側の結晶粒の数a2と上記Al2O3層側の結晶粒の数b2との比率b2/a2が4<b2/a2<20を満足し、さらに、上記Al2O3層直下のTi化合物層の結晶粒の平均粒子径が0.1〜0.5μmであることを満足する、
以上(a)および(b)から構成された硬質被覆層を蒸着形成してなることを特徴とする表面被覆切削工具。
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JP2010243771A Active JP5569740B2 (ja) | 2010-03-23 | 2010-10-29 | 耐チッピング性にすぐれた表面被覆切削工具 |
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JP (1) | JP5569740B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018105403A1 (ja) * | 2016-12-09 | 2018-06-14 | 住友電工ハードメタル株式会社 | 表面被覆切削工具 |
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0569204A (ja) * | 1991-09-04 | 1993-03-23 | Mitsubishi Materials Corp | 硬質層被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具 |
US5958569A (en) * | 1995-10-27 | 1999-09-28 | Teledyne Industries, Inc. | Anchored oxide coatings on hard metal cutting tools |
WO2005092608A1 (ja) * | 2004-03-29 | 2005-10-06 | Kyocera Corporation | 表面被覆部材および切削工具 |
JP2007260851A (ja) * | 2006-03-29 | 2007-10-11 | Kyocera Corp | 表面被覆切削工具 |
JP2009166193A (ja) * | 2008-01-18 | 2009-07-30 | Mitsubishi Materials Corp | 高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具 |
-
2010
- 2010-10-29 JP JP2010243771A patent/JP5569740B2/ja active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2018105403A1 (ja) * | 2016-12-09 | 2018-06-14 | 住友電工ハードメタル株式会社 | 表面被覆切削工具 |
WO2023148973A1 (ja) | 2022-02-07 | 2023-08-10 | 住友電工ハードメタル株式会社 | 切削工具 |
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JP5569740B2 (ja) | 2014-08-13 |
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