JP2014083638A - 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 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】TiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層を少なくとも含む硬質被覆層を化学蒸着法で被覆形成した表面被覆切削工具であって、該TiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層は、組成式:Ti100−(a+b+c+d)AlaBbCcNd(但し、a、b、c、dはいずれも原子%であり、30≦a≦50、0<b<1、0.05≦c≦0.5、45≦d≦55)で表される平均組成を有し、平均粒子幅が0.1〜2μm、平均アスペクト比が5以上であるTiAlBCN粒と、該TiAlBCN粒の周囲に存在するTi硼化物粒から構成されている。
【選択図】図1
Description
ただ、上記従来のTi−Al系の複合窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の改善についての種々の提案がなされている。
ただ、この被覆工具は、物理蒸着法により硬質被覆層を蒸着形成するため、Alの含有割合Xを0.6以上にはできず、より一段と切削性能を向上させることが望まれている。
例えば、特許文献2には、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のうち1種の単層または2種以上の複層からなる硬質被覆層を形成した被覆工具において、硬質被覆層中に、10−3〜1原子%の硼素を含有させ、かつ、該硼素を二硼化チタンとして硬質被覆層中に均一に分散させることにより、耐摩耗性、耐チッピング性を向上させることが提案されている。
しかし、上記特許文献1に記載される被覆工具は、(Ti1−XAlX)N層からなる硬質被覆層が物理蒸着法で蒸着形成され、硬質被覆層中のAl含有量Xを高めることができないため、例えば、合金鋼の高速断続切削に供した場合には、耐チッピング性が十分であるとは言えない。
また、上記特許文献2〜4に示される被覆工具は、硬質被覆層の成分として微量の硼素を添加したことにより、耐摩耗性の向上は期待できるものの、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に衝撃的・断続的な高負荷がかかる高速断続切削にあっては、密着性、高温強度が十分でないため、チッピングが発生しやすく、工具寿命は短命であった。
そこで、本発明は、合金鋼の高速断続切削等に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性を発揮するとともに、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することを目的とするものである。
そして、Ti硼化物粒は、高強度を有し、TiAlBCN粒相互の密着性を高めるので、その結果として、上記TiAlBCN粒と該TiAlBCN粒の周囲に存在するTi硼化物粒からなる硬質被覆層は、高い粒子間強度を備え、すぐれた耐チッピング性を発揮す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、炭窒化チタン基サーメットまたは立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体のいずれかで構成された基体の表面に、平均層厚1〜20μmのTiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層を少なくとも含む硬質被覆層を化学蒸着法で被覆形成した表面被覆切削工具であって、
(a)上記TiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層は、平均粒子幅が0.1〜2μm、かつ、平均アスペクト比が5以上であり、さらに、組成式:Ti100−(a+b+c+d)AlaBbCcNd
で表した場合、30≦a≦50、0<b<1、0.05≦c≦0.5、45≦d≦55(但し、a、b、c、dはいずれも原子%)を満足する平均組成を有する立方晶TiAlBCN粒と、該TiAlBCN粒の周囲に存在する平均厚み1〜10nmのTi硼化物粒から構成され、
(b)上記TiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層の表面研磨面の上記TiAlBCN粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を解析した場合、工具基体表面の法線方向に対して、個々の結晶粒の結晶面である{112}面の法線がなす傾斜角を測定し、該測定傾斜角のうち、工具基体表面の法線方向に対して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して各区分内に存在する度数を集計したとき、2〜12度の傾斜角区分内に最大ピークが存在するとともに、該2〜12度の傾斜角区分内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の45%以上の割合を示す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。
図1に示すように、この発明の硬質被覆層のTiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層は、以下に述べるTiAlBCN粒とこれの周囲に存在するTi硼化物(以下、「TiB2」で示す)粒から構成されるが、その平均層厚は、1〜20μmの範囲であることが必要である。その理由は、TiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層の平均層厚が1μm未満では、TiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層自身が具備する優れた耐摩耗性を十分確保することができず、一方、その平均層厚が20μmを越えると、高熱発生を伴う高速断続切削で熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となるということによる。
上記TiAlBCN粒の平均組成を、
組成式:Ti100−(a+b+c+d)AlaBbCcNd
で表した場合、Alの含有割合aの値が30原子%未満になると、あるいは、B成分の含有割合bの値が1原子%以上になるとTiAlBCN粒の高温強度が不足しチッピング発生を抑制することができなくなり、一方、aの値が50原子%を超えると、相対的なTi含有割合の減少により、六方晶相が生成することで硬さが低下し、十分な耐摩耗性を発揮し得なくなることから、Al成分の含有割合aは、30原子%以上50原子%以下とすることが必要であり、また、B成分の含有割合bは、1原子%未満とすることが必要である。
また、TiAlBCN粒に含有されるC成分には層の硬さを向上させ、一方、N成分には層の高温強度を向上させる作用があるが、C成分の含有割合cの値が0.05原子%未満の場合あるいはN成分の含有割合dの値が55原子%を超えた場合には高硬度が得られなくなり、一方、cの値が0.5原子%を超えた場合あるいはdの値が45原子%未満の場合には、高温強度が低下してくることから、C成分の含有割合cは、0.05〜0.5原子%とすることが必要であり、また、N成分の含有割合dは、45〜55原子%とすることが必要である。
この発明では、TiAlBCN粒は、平均粒子幅が0.1〜2μm、平均アスペクト比が5以上となる柱状組織となるように構成する。
ここで、平均粒子幅を0.1〜2μmとしたのは、0.1μm未満では、被覆層全体におけるTiB2粒の占める割合が相対的に大きくなることにより、被削材との反応性が増し、その結果優れた耐摩耗性を発揮することができず、また、2μmを超えるとTiB2粒の占める割合が相対的に小さくなることにより、粒子間強度が低下し、優れた耐チッピング性を発揮することができなくなるため、平均粒子幅を0.1〜2μmと定めた。
なお、この発明でいう平均粒子幅とは、走査型電子顕微鏡を用い被覆層の縦断面観察を行った際に硬質被覆層の層厚の半分の箇所において基体表面と平行な線を少なくとも100μm描き、該平行線の線分長を該平行線と交差する結晶粒界の数で除した数として定義される。
この発明では、平均アスペクト比とは、走査型電子顕微鏡を用い幅100μm、高さ該硬質被覆層全体を含む範囲で被覆層の縦断面観察を行った際に、各結晶粒について粒子径の最も長い長さを長軸とし、該長軸および該長軸と直交する方向の長さを求め、長軸の長さを長軸と直交する方向の長さで除することにより、各結晶粒のアスペクト比を算出し、更に各結晶粒の面積を重みとしアスペクト比の加重平均として算出した値として定義される。
この発明では、上記平均粒子幅、平均アスペクト比からなる柱状組織のTiAlBCN粒の周囲に、平均厚み1〜10nmのTiB2粒が形成されている。
TiB2粒は、それ自体が高強度を有し、さらに、柱状組織のTiAlBCN粒の周囲に、平均厚み10nm以下のTiB2粒が形成されていることによって、相隣接する柱状組織のTiAlBCN粒同士の密着性が向上し、もって、TiAlBCN粒子間強度を高め、耐チッピング性が向上する。
TiB2粒は、後記する蒸着条件で化学蒸着することによって、TiAlBCN粒の周囲に蒸着形成することができる。
TiB2粒の平均厚みが10nmを超えるとTiB2粒と被削材の反応性が高まり、TiB2粒が優先的に摩耗することにより被覆層の粒子が脱落し、その結果優れた耐摩耗性を発揮することができないため、10nm以下とすることが必要であり、また、TiB2粒の平均厚みが1nm未満であると、TiB2の六方晶の結晶構造を保つことが難しくなり、その結果、相隣接するTiAlBCN粒同士の密着性が低下し、優れた耐チッピング性を発揮することができないため、1nm以上とすることが必要である。
そして、この発明のTiAlBCN粒は、上記のような傾斜角度数分布を示すことによって、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削においても、すぐれた耐クレータ摩耗性を発揮する。
反応ガス組成(容量%):
TiCl4 0.5〜1.5%、BCl3 0.1〜2.0%、
AlCl3 6.0〜10.0%、CH40.1〜1.0%、
N2 0.0〜5.0%、NH3 10〜15%、
残りH2、
反応雰囲気温度: 700〜900℃、
反応雰囲気圧力: 2〜5kPa、
上記条件の化学蒸着法によって、この発明のTiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層を蒸着形成することができる。
即ち、平均粒子幅が0.1〜2μm、平均アスペクト比が5以上であり、
組成式:Ti100−(a+b+c+d)AlaBbCcNd
で表した場合、30≦a≦50、0<b<1、0.05≦c≦0.5、45≦d≦55(但し、a、b、c、dはいずれも原子%)を満足する平均組成を有し、さらに、傾斜角度数分布において、工具基体表面の法線方向に対して、2〜12度の傾斜角区分内に、{112}面の法線がなす傾斜角の最大ピークが存在するとともに、該傾斜角区分内に存在する度数合計が、傾斜角度数分布における度数全体の45%以上となる柱状組織の立方晶TiAlBCN粒が形成される。
さらに、該柱状組織のTiAlBCN粒の周囲には、平均厚み1〜10nmのTiB2粒が形成される。
したがって、本発明に被覆工具は、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼の高速断続切削等に用いた場合でも、チッピング等の異常損傷を発生することなく、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができるのである。
なお、ここでは、被覆層として、TiAlBCN単一の層を用いた場合について説明するが、多層被覆層として、例えば下部層にTiCN層を用いた場合や、上部層にAl2O3層を用いた場合にもTiAlBCN層の効果を発揮することは勿論である。
また、TiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層を構成するTiAlBCN粒の平均組成、平均粒子幅、平均アスペクト比、傾斜角度数分布における最大ピークが存在する傾斜角区分及び2〜12度の傾斜角区分内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布全体の度数に占める度数割合を測定し、さらに、TiAlBCN粒の周囲に存在するTiB2粒の平均厚みを測定した。
具体的な測定手法は次のとおりである。
表6に、その結果を示す。
また、図2に、本発明被覆工具1について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
表7に、その結果を示す。
被削材: JIS・SCM440幅100mm、長さ400mmのブロック材
回転速度: 917 min−1
切削速度: 360 m/min、
切り込み: 1.2 mm、
送り: 0.1 mm/rev、
切削時間: 8 分、
表7に、上記切削試験の結果を示す。
本発明被覆工具16〜30をそれぞれ製造した。
比較例被覆工具16〜30をそれぞれ製造した。
表11に、その結果を示す。
表12に、その結果を示す。
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:450m/min、
切り込み:1.3mm、
送り:0.15mm/rev、
切削時間:6分、
の条件(切削条件A)での炭素鋼の湿式高速断続切削試験(通常の切削速度は、300m/min)、
被削材:JIS・FC300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:1.6mm、
送り:0.25mm/rev、
切削時間:6分、
の条件(切削条件B)での普通鋳鉄の乾式高速断続切削試験(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13に示した。
表15に、その結果を示す。
表16に、その結果を示す。
被削材: JIS・SCM415(硬さ:HRC62)の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 210 m/min、
切り込み: 0.12 mm、
送り: 0.15mm/rev、
切削時間: 5分、
表17に、上記切削試験の結果を示す。
合金鋼の高速断続切削等において、チッピング等の異常損傷を発生することなく、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、比較例被覆工具1〜40については、いずれも、硬質被覆層にチッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生するばかりか、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、炭窒化チタン基サーメットまたは立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体のいずれかで構成された基体の表面に、平均層厚1〜20μmのTiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層を少なくとも含む硬質被覆層を化学蒸着法で被覆形成した表面被覆切削工具であって、
(a)上記TiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層は、平均粒子幅が0.1〜2μm、かつ、平均アスペクト比が5以上であり、さらに、組成式:Ti100−(a+b+c+d)AlaBbCcNd
で表した場合、30≦a≦50、0<b<1、0.05≦c≦0.5、45≦d≦55(但し、a、b、c、dはいずれも原子%)を満足する平均組成を有する立方晶TiAlBCN粒と、該TiAlBCN粒の周囲に存在する平均厚み1〜10nmのTi硼化物粒から構成され、
(b)上記TiとAlとBとCとNの複合化合物からなる層の表面研磨面の上記TiAlBCN粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を解析した場合、工具基体表面の法線方向に対して、個々の結晶粒の結晶面である{112}面の法線がなす傾斜角を測定し、該測定傾斜角のうち、工具基体表面の法線方向に対して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して各区分内に存在する度数を集計したとき、2〜12度の傾斜角区分内に最大ピークが存在するとともに、該2〜12度の傾斜角区分内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の45%以上の割合を示すことを特徴とする表面被覆切削工具。
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