JP2012171083A - 耐摩耗性に優れた表面被覆切削工具の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】工具基体の少なくとも最表面に、0.05〜5μmの膜厚を有し、コランダム型の結晶構造を有するαアルミナ構造の酸化アルミニウム層を被覆形成する表面被覆切削工具の製造方法において、上記酸化アルミニウム層は、アルミニウムのアルコキシドにアルコールを添加し、さらに酸(例えば、希塩酸)を添加(同時に、αアルミナ粒子を添加することも可能)した後、10℃以下の低温にて攪拌して生成させたアルミナゾルを、上記工具基体表面へ、あるいは、工具基体表面上に形成した硬質皮膜の最表面に塗布し、引き続き、100〜400℃での乾燥処理を1回以上繰り返し行い、次いで、500〜1000℃の温度範囲で焼成処理を行うゾル−ゲル法によって被覆形成する。
【選択図】図1
Description
そして、硬質皮膜のうちでも、α型酸化アルミニウム層は、熱安定性に優れ、反応性が低く、かつ、高硬度であるという点から、上記周期律表の4a、5a、6a族から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜の最表面層として、α型酸化アルミニウム層が被覆形成されることが多い。
酸化アルミニウム層の被覆形成方法としては、通常は、化学蒸着(CVD)法が採用されているが、その他に、物理蒸着(PVD)法、ゾル−ゲル法によって酸化アルミニウム層を形成することも知られている。
例えば、特許文献1に示すように、工具基体、硬質皮膜の特性の劣化・変形を招かないために、低温条件下(1000℃以下)でのα型アルミナ層の形成方法として、工具基体表面に、Alと、4a族、5a族、6a族およびSiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを必須成分とする窒化物、炭化物、炭窒化物、ほう化物、窒酸化物、炭窒酸化物からなる硬質皮膜を物理蒸着(PVD)法で形成した後、該硬質皮膜を酸化することによって酸化物含有層を形成し、該酸化物含有層上に物理蒸着(PVD)することにより、最表面層としての耐摩耗性および耐熱性に優れたα型結晶構造を主体とするアルミナ層を蒸着形成することが提案されている。
また、特許文献2に示されるように、物理蒸着(PVD)法により硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、第1の層を(Ti、Al)N層で構成し、また、第2の層を酸化アルミニウム層(好ましくは、γ型アルミナ層)で構成することが提案されている。
さらに、特許文献3に示すように、機械特性、耐久性がある酸化アルミニウム被覆構造体の製造方法として、母材上に、結晶構造がアモルファス構造、又はγ型のアルミナ、又はそれらの混合物からなる第1のアルミナ層をゾル−ゲル法で被覆した後、スパッタリングにより、γ型を主体とする第2のアルミナ層を被覆形成することが提案されている。
「(1) 炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、高速度鋼あるいは立方晶窒化硼素基超高圧焼結体からなる工具基体の最表面に、0.05〜5μmの膜厚を有し、コランダム型の結晶構造を有するαアルミナ構造の酸化アルミニウム層を被覆形成する表面被覆切削工具の製造方法において、
上記酸化アルミニウム層は、アルミニウムのアルコキシドにアルコールを添加し、さらに酸を添加した後、10℃以下の温度範囲にて攪拌して生成させたゾルを、上記工具基体の表面あるいは工具基体表面に形成した硬質皮膜の最表面へ塗布し、それに続き100〜400℃で乾燥する処理を1回以上繰り返し行い、次いで、500〜1000℃の温度範囲で焼成処理を行うゾル−ゲル法により被覆形成する、
ことを特徴とする耐摩耗性に優れた表面被覆切削工具の製造方法。
を特徴とするものである。
アルミナゾルの調製:
まず、アルミニウムのアルコキシド(例えば、アルミニウムセカンダリブトキシド、アルミニウムプロポキシド)にアルコール(例えば、エタノール、1−ブタノール)を添加し、さらに、酸(例えば、希塩酸、希硝酸)を添加(同時に、平均粒径10〜300nmのαアルミナ粒子を添加してもよい)した後、10℃以下の温度範囲にて攪拌し、かつ、例えば、12時間以上の熟成処理を行うことによってアルミナゾルを形成する。
乾燥・焼成:
上記で調製したアルミナゾルを、工具基体の表面へ直接、あるいは、工具基体表面に物理蒸着(PVD)法で形成した硬質皮膜の最表面へ塗布し、それに続き100〜400℃での乾燥処理を1回以上繰り返し行い、次いで、500〜1000℃の温度範囲で焼成処理を行って酸化アルミニウム層を被覆形成する。
(a) ついで、上記超硬基体Aを物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、膜厚2.0μmのTi0.5Al0.5N層からなる硬質皮膜を物理蒸着により被覆形成した。
(b) 一方、硬質皮膜の最表面に、酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法で被覆形成するためのアルミナゾルの調製を、次のように行った。
(c) これを、恒温槽中0℃に保持したまま、12時間攪拌を継続し、さらに、 3℃で24時間熟成処理することにより、アルミナゾルを調製した。
(アルミニウムセカンダリブトキシド):(水):(エタノール):(塩酸)
=1:50:20:1
になるように調整を行った。
(d) つぎに、上記超硬基体A,Bに形成した前記Ti0.5Al0.5N層、Al0.7Cr0.3N層からなる硬質皮膜上、プラズマ窒化処理を行った超硬基体C上および特別な表面処理を施していない超硬基体D上に、上記アルミナゾルを塗布した。
(e) 次いで、上記塗布したアルミナゾルを、大気中300℃で0.5時間の乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を合計5回繰り返した後、大気中600℃で1時間の焼成処理を行い、膜厚1μmのコランダム型の結晶構造を有するαアルミナ構造の酸化アルミニウム層を最表面に被覆形成することにより、本発明の表面被覆切削工具1,2,3,4(本発明工具1、2、3、4という)を製造した。
前記(a)の工程で、硬質皮膜を形成し、前記(b)の工程で、アルミナゾルを調製した。
切削速度:200 m/min、
切込み:2.0 mm、
送り:0.2 mm/rev、
切削時間:3 分
切削加工試験後の、それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行った。
(g) ついで、上記サーメット基体Eを物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、膜厚2.0μmのTi0.5Al0.5N層からなる硬質皮膜を物理蒸着により被覆形成した。
(h) 一方、硬質皮膜の最表面に、酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法で被覆形成するためのアルミナゾルの調製を、次のように行った。
(i) これを、恒温槽中0℃に保持したまま、12時間攪拌を継続し、さらに、 3℃で24時間熟成処理することにより、アルミナゾルを調製した。
(アルミニウムイソプロポキシド):(水):(1−ブタノール):(硝酸)
=1:50:20:1
になるように調整を行った。
(j) つぎに、上記サーメット基体E,Fに形成した前記Ti0.5Al0.5N層、Al0.7Cr0.3N層からなる硬質皮膜上に、上記アルミナゾルを塗布した。
(k) 次いで、上記塗布したアルミナゾルを、大気中300℃で0.5時間の乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を合計4回繰り返した後、大気中600℃で1時間の焼成処理を行い、膜厚1μmのコランダム型の結晶構造を有するαアルミナ構造の酸化アルミニウム層を最表面に被覆形成することにより、本発明の表面被覆切削工具5,6(本発明工具5、6という)を製造した。
即ち、上記(g)の工程で、サーメット基体EにTi0.5Al0.5N層、サーメット基体FにAl0.7Cr0.3N層、cBN焼結体製の工具基体GにTi0.5Al0.5N層、cBN焼結体製の工具基体HにAl0.7Cr0.3N層からなる硬質皮膜をそれぞれ形成し、また、cBN焼結体製の工具基体Iについては無処理のままとし、上記(h)の工程で、アルミナゾルを調製した。
切削速度:200 m/min、
切込み:2.0 mm、
送り:0.2 mm/rev、
切削時間:3 分
切削加工試験後の、それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行った。
また、上記本発明工具7,8,9および比較例工具7,8,9について、次の条件で焼入れ鋼の切削加工試験を行った。
被削材:JIS・SUJ2(HRA60)の丸棒、
切削速度:220m/min,
切り込み:0.15mm,
送り:0.25mm/rev,
切削時間:5分
切削加工試験後の、それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行った。
Claims (4)
- 炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、高速度鋼あるいは立方晶窒化硼素基超高圧焼結体からなる工具基体の最表面に、0.05〜5μmの膜厚を有し、コランダム型の結晶構造を有するαアルミナ構造の酸化アルミニウム層を被覆形成する表面被覆切削工具の製造方法において、
上記酸化アルミニウム層は、アルミニウムのアルコキシドにアルコールを添加し、さらに酸を添加した後、10℃以下の温度範囲にて攪拌して生成させたゾルを、上記工具基体の表面あるいは工具基体表面に形成した硬質皮膜の最表面へ塗布し、それに続き100〜400℃で乾燥する処理を1回以上繰り返し行い、次いで、500〜1000℃の温度範囲で焼成処理を行うゾル−ゲル法により被覆形成する、
ことを特徴とする耐摩耗性に優れた表面被覆切削工具の製造方法。 - 上記工具基体の表面に、硬質皮膜として、周期律表の4a、5a、6a族、Al、Siから選ばれる少なくとも一種以上の元素を含有する窒化物を物理蒸着法、化学蒸着法もしくはゾル‐ゲル法によって被覆し、該硬質皮膜最表面に上記酸化アルミニウム層を形成することを特徴とする請求項1に記載の耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具の製造方法。
- 上記工具基体の表面に、予め、プラズマ窒化処理を施すことを特徴とする請求項1に記載の耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具の製造方法。
- 上記のアルミニウムのアルコキシドとアルコールと酸からゾルを生成にあたり、酸を添加する際に、同時に平均粒径10〜300nmのαアルミナ粒子を添加することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具の製造方法。
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