JP2016165789A - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する高速高送り切削条件において、耐チッピング性と耐摩耗性を同時に改善した表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体の表面に、下部層と上部層からなる硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、上部層は、第1Al2O3層と、Ti化合物層からなる分断層と、第2Al2O3層から構成し、前記第1Al2O3層のAl2O3結晶粒は、傾斜角度数分布グラフの30〜45度の範囲内の度数割合は50%以上、75〜90度の範囲内の度数割合は30%以下であり、また、前記第2Al2O3層のAl2O3結晶粒は、傾斜角度数分布グラフの30〜45度の範囲内の度数割合は30%以下、75〜90度の範囲内の度数割合は50%以上であり、さらに好ましくは、前記第2Al2O3層のTC(006)は1.8以上であり、かつ、該層の残留応力の絶対値は200MPa以下である。
【選択図】図1
【解決手段】工具基体の表面に、下部層と上部層からなる硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、上部層は、第1Al2O3層と、Ti化合物層からなる分断層と、第2Al2O3層から構成し、前記第1Al2O3層のAl2O3結晶粒は、傾斜角度数分布グラフの30〜45度の範囲内の度数割合は50%以上、75〜90度の範囲内の度数割合は30%以下であり、また、前記第2Al2O3層のAl2O3結晶粒は、傾斜角度数分布グラフの30〜45度の範囲内の度数割合は30%以下、75〜90度の範囲内の度数割合は50%以上であり、さらに好ましくは、前記第2Al2O3層のTC(006)は1.8以上であり、かつ、該層の残留応力の絶対値は200MPa以下である。
【選択図】図1
Description
この発明は、鋼や鋳鉄等を、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する高速高送り条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を備え、長期の使用に亘ってすぐれた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)基超硬合金で構成された基体(以下、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3〜20μm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、1〜15μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム(以下、Al2O3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、このような硬質被覆層を被覆形成した被覆工具が、すぐれた耐摩耗性を示すことも知られている。
しかし、最近では切削加工の高速化・高能率化に伴い、被覆工具には、より一層すぐれた切削性能が求められており、これに応えるため、いくつかの提案がなされている。
(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3〜20μm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、1〜15μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム(以下、Al2O3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、このような硬質被覆層を被覆形成した被覆工具が、すぐれた耐摩耗性を示すことも知られている。
しかし、最近では切削加工の高速化・高能率化に伴い、被覆工具には、より一層すぐれた切削性能が求められており、これに応えるため、いくつかの提案がなされている。
例えば、特許文献1には、被覆工具の耐変形抵抗性、強靭性、耐摩耗性を高めるために、工具基体表面に、Ti化合物層とAl2O3層を硬質被覆層として被覆形成した被覆工具において、Al2O3層の配向係数TCについて、TC(006)を2より大きくし、さらに、二番目に大きい配向係数TC(104)を2>TC(104)>0.5の関係を満足するように硬質被覆層の配向性を制御した被覆工具が提案されており、この被覆工具によれば、耐摩耗性が改善されることが記載されている。
しかし、この被覆工具においては、被膜の耐摩耗性は高まるものの、耐チッピング性、耐欠損性が劣るという問題点があった。
しかし、この被覆工具においては、被膜の耐摩耗性は高まるものの、耐チッピング性、耐欠損性が劣るという問題点があった。
また、特許文献2には、工具基体の表面に、Ti化合物層からなる下部層とAl2O3層からな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において、上記Al2O3層からなる上部層は、(006)面配向係数TC(006)が1.8以上であり、かつ、(104)面と(110)面のそれぞれのピーク強度I(104),I(110)の比I(104)/I(110)を0.5〜2.0とし、さらに、Al2O3層内の残留応力値の絶対値を100MPa以下とした被覆工具が提案され、この被覆工具によれば、高速切削加工における耐チッピング性と耐摩耗性が改善されることが記載されている。
しかし、この被覆工具においては、刃先にかかる負荷が大きな高速高送り切削条件においては、耐チッピング性と耐摩耗性が十分であるとはいえなかった。
しかし、この被覆工具においては、刃先にかかる負荷が大きな高速高送り切削条件においては、耐チッピング性と耐摩耗性が十分であるとはいえなかった。
近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化・高能率化の傾向にある。
上記の従来被覆工具は、上部層のAl2O3層の配向係数TCを調整することにより、被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性の向上を図るものであるが、耐チッピング性と耐摩耗性という双方の特性を同時に改善することは難しく、切削条件等によって、チッピングの発生、耐摩耗性の低下等により、比較的短時間で使用寿命に至るというのが現状である。
上記の従来被覆工具は、上部層のAl2O3層の配向係数TCを調整することにより、被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性の向上を図るものであるが、耐チッピング性と耐摩耗性という双方の特性を同時に改善することは難しく、切削条件等によって、チッピングの発生、耐摩耗性の低下等により、比較的短時間で使用寿命に至るというのが現状である。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する鋼や鋳鉄等の高速高送り切削条件において、被覆工具の硬質被覆層の耐チッピング性と耐摩耗性を同時に改善すべく、硬質被覆層の上部層であるAl2O3層の配向性に着目して、鋭意研究を行ったところ、本発明者らは、Al2O3層からなる上部層について、これをTi化合物からなる分断層で、層厚方向に上部層をほぼ2分し、基体側には、第1上部層として耐摩耗性にすぐれるAl2O3層を、一方、表面側には、第2上部層とし耐チッピング性にすぐれるAl2O3層を形成することによって、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する鋼や鋳鉄等の高速高送り切削条件において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性が発揮されることを見出したのである。
即ち、第1上部層は(006)配向かつ(104)強配向として耐摩耗性をもたせ、また、分断層を介して第2上部層を形成することによって、第1上部層の配向履歴を遮断したうえで、第2上部層は、(006)配向かつ(110)強配向としてブラストによる応力緩和効果を有効にすることによって、耐摩耗性と耐チッピング性の双方に優れた被覆工具を提供できることを見出したのである。
即ち、第1上部層は(006)配向かつ(104)強配向として耐摩耗性をもたせ、また、分断層を介して第2上部層を形成することによって、第1上部層の配向履歴を遮断したうえで、第2上部層は、(006)配向かつ(110)強配向としてブラストによる応力緩和効果を有効にすることによって、耐摩耗性と耐チッピング性の双方に優れた被覆工具を提供できることを見出したのである。
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「(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、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層以上からなるTi化合物層、
(b)第1Al2O3層として、3.0〜10μmの平均層厚を有するAl2O3層、
(c)分断層として、0.5〜1.5μmの平均層厚を有し、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層以上からなるTi化合物層、
(d)第2Al2O3層として、3.0〜10μmの平均層厚を有するAl2O3層、
上記(a)〜(d)からなる各層を、工具基体側から順に積層した硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(e)前記第1Al2O3層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断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、前記工具基体の表面の法線に対して、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の0〜90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で表わした場合、その傾斜角が30〜45度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の50%以上の割合を占め、また、その傾斜角が75〜90度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の30%以下を占め、
(f)前記第2Al2O3層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断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、前記工具基体の表面の法線に対して、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の0〜90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で表わした場合、その傾斜角が30〜45度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の30%以下の割合を占め、また、その傾斜角が75〜90度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の50%以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 前記第2Al2O3層の(006)面配向係数TC(006)が1.8以上であり、かつ、該第2Al2O3層の残留応力の絶対値が200MPa以下であることを特徴とする(1)に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
「(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、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層以上からなるTi化合物層、
(b)第1Al2O3層として、3.0〜10μmの平均層厚を有するAl2O3層、
(c)分断層として、0.5〜1.5μmの平均層厚を有し、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層以上からなるTi化合物層、
(d)第2Al2O3層として、3.0〜10μmの平均層厚を有するAl2O3層、
上記(a)〜(d)からなる各層を、工具基体側から順に積層した硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(e)前記第1Al2O3層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断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、前記工具基体の表面の法線に対して、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の0〜90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で表わした場合、その傾斜角が30〜45度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の50%以上の割合を占め、また、その傾斜角が75〜90度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の30%以下を占め、
(f)前記第2Al2O3層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断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、前記工具基体の表面の法線に対して、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の0〜90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で表わした場合、その傾斜角が30〜45度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の30%以下の割合を占め、また、その傾斜角が75〜90度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の50%以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 前記第2Al2O3層の(006)面配向係数TC(006)が1.8以上であり、かつ、該第2Al2O3層の残留応力の絶対値が200MPa以下であることを特徴とする(1)に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
以下に、本発明の被覆工具について詳細に説明する。
図1に概略縦断面図を示すように、本発明の被覆工具は、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、下部層として、Ti化合物層を被覆し、その上に第1Al2O3層を被覆し、その上にTi化合物層からなる分断層を被覆し、さらにその上に第2Al2O3層が被覆形成されている。
Ti化合物層(下部層):
Ti化合物層(例えば、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層およびTiCNO層)は、基本的にはα型の結晶構造を有する第1Al2O3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が高温強度を具備するようになるほか、工具基体、第1Al2O3層のいずれにも密着し、硬質被覆層の工具基体に対する密着性を維持する作用を有するが、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、特に高熱発生を伴う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、その合計平均層厚を3〜20μmと定めた。
Ti化合物層(例えば、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層およびTiCNO層)は、基本的にはα型の結晶構造を有する第1Al2O3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が高温強度を具備するようになるほか、工具基体、第1Al2O3層のいずれにも密着し、硬質被覆層の工具基体に対する密着性を維持する作用を有するが、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、特に高熱発生を伴う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、その合計平均層厚を3〜20μmと定めた。
第1Al2O3層:
工具基体表面の直上に、第1Al2O3層を以下の条件、即ち、まず、通常の化学蒸着装置を使用して、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化合物層を蒸着形成した後、
反応ガス組成(容量%):AlCl3 3〜10%、CO2 0.5〜3%、HCl 0.3〜3%、SF6 0.01〜0.2%、C2H4 0.01〜0.3%、残部H2、
反応雰囲気温度:950〜1050 ℃、
反応雰囲気圧力:20〜30 kPa、
時間:(目標とする層厚になるまで)
という条件で蒸着することにより、(006)配向しかつ(104)強配向する第1Al2O3層を形成することができる。
工具基体表面の直上に、第1Al2O3層を以下の条件、即ち、まず、通常の化学蒸着装置を使用して、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化合物層を蒸着形成した後、
反応ガス組成(容量%):AlCl3 3〜10%、CO2 0.5〜3%、HCl 0.3〜3%、SF6 0.01〜0.2%、C2H4 0.01〜0.3%、残部H2、
反応雰囲気温度:950〜1050 ℃、
反応雰囲気圧力:20〜30 kPa、
時間:(目標とする層厚になるまで)
という条件で蒸着することにより、(006)配向しかつ(104)強配向する第1Al2O3層を形成することができる。
上記第1Al2O3層のAl2O3結晶粒について、工具基体の表面の法線に対して、Al2O3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の0〜90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で表わし、その傾斜角が30〜45度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の度数の合計を求めた場合、第1Al2O3層全体のAl2O3結晶粒の全度数に対して50%以上の割合を占め、また、その傾斜角が75〜90度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の30%以下の割合を占める所定の傾斜角度数分布が形成される。
上記傾斜角度数分布を有するAl2O3結晶粒の、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合あるいは傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合は、上記蒸着条件のうちの、特に、反応雰囲気温度およびCO2、SF6ガス比によって影響される。
そして、上記傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合が度数全体の50%未満、または傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合が度数全体の30%を超えると、Al2O3結晶の高温硬さが低下し、所望の切削性能を得られないことから、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合は度数全体の50%以上(好ましくは、65%〜80%)、傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合は度数全体の30%以下(好ましくは、5%〜20%)であることが必要である。
上記傾斜角度数分布を有するAl2O3結晶粒の、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合あるいは傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合は、上記蒸着条件のうちの、特に、反応雰囲気温度およびCO2、SF6ガス比によって影響される。
そして、上記傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合が度数全体の50%未満、または傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合が度数全体の30%を超えると、Al2O3結晶の高温硬さが低下し、所望の切削性能を得られないことから、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合は度数全体の50%以上(好ましくは、65%〜80%)、傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合は度数全体の30%以下(好ましくは、5%〜20%)であることが必要である。
上記傾斜角度数分布を有するAl2O3結晶粒の度数の合計は、第1Al2O3層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用いて、その断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、工具基体の表面の法線に対して、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、その傾斜角が30〜45度である結晶粒の度数の合計、また、その傾斜角が75〜90度である結晶粒の度数の合計として求められる。
図2に、第1Al2O3層のAl2O3結晶粒の傾斜角度数分布グラフの一例を示す。
なお、第1Al2O3層の平均層厚が3.0μm未満であると、所望の耐摩耗性を長期にわたって発揮することができず、一方、平均層厚が10μmを超えると、チッピングが発生しやすくなることから、第1Al2O3層の平均層厚は3.0〜10μmとする。
図2に、第1Al2O3層のAl2O3結晶粒の傾斜角度数分布グラフの一例を示す。
なお、第1Al2O3層の平均層厚が3.0μm未満であると、所望の耐摩耗性を長期にわたって発揮することができず、一方、平均層厚が10μmを超えると、チッピングが発生しやすくなることから、第1Al2O3層の平均層厚は3.0〜10μmとする。
分断層:
第1Al2O3層の表面に形成される分断層は、第1Al2O3層と第2Al2O3層との結晶面配向性を分断し、第1Al2O3層と第2Al2O3層の結晶面配向性をそれぞれ独立して制御するために形成される。
分断層としては、下部層のTi化合物層と同様のTi化合物層を形成することができ、具体的には、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。
ただし、上記Ti化合物からなる分断層の平均層厚が、0.5μm未満の場合には、第1Al2O3層と第2Al2O3層の結晶面配向性をそれぞれ独立して制御することができず、一方、分断層の層厚が1.5μmを超えると、切削加工時の高負荷が作用したとき、分断層において剥離等が発生する恐れがあることから、分断層の平均層厚は、0.5〜1.5μmと定めた。
分断層は、例えば、TiCl4を1〜10(容量%)、N2を10〜40(容量%)、残部H2からなり、900〜1100℃、20〜50kPaの反応ガス中で処理することにより形成することができる。
第1Al2O3層の表面に形成される分断層は、第1Al2O3層と第2Al2O3層との結晶面配向性を分断し、第1Al2O3層と第2Al2O3層の結晶面配向性をそれぞれ独立して制御するために形成される。
分断層としては、下部層のTi化合物層と同様のTi化合物層を形成することができ、具体的には、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。
ただし、上記Ti化合物からなる分断層の平均層厚が、0.5μm未満の場合には、第1Al2O3層と第2Al2O3層の結晶面配向性をそれぞれ独立して制御することができず、一方、分断層の層厚が1.5μmを超えると、切削加工時の高負荷が作用したとき、分断層において剥離等が発生する恐れがあることから、分断層の平均層厚は、0.5〜1.5μmと定めた。
分断層は、例えば、TiCl4を1〜10(容量%)、N2を10〜40(容量%)、残部H2からなり、900〜1100℃、20〜50kPaの反応ガス中で処理することにより形成することができる。
第2Al2O3層:
この発明では、分断層の表面に、例えば、以下のような成膜を行うことによって、所定の傾斜角度数分布を有する第2Al2O3層を蒸着することができる。
反応ガス組成(容量%):AlCl3 0.5〜2%、CO2 0.1〜1.5%、HCl 3〜5%、H2S 0.02〜0.4%、Ar 5〜12%、残部H2、
反応雰囲気温度:950〜1050 ℃、
反応雰囲気圧力:6〜13 kPa、
時間:(目標とする層厚になるまで)
という条件で蒸着することにより、(006)配向かつ(110)強配向を有する第2Al2O3層を形成することができる。
この発明では、分断層の表面に、例えば、以下のような成膜を行うことによって、所定の傾斜角度数分布を有する第2Al2O3層を蒸着することができる。
反応ガス組成(容量%):AlCl3 0.5〜2%、CO2 0.1〜1.5%、HCl 3〜5%、H2S 0.02〜0.4%、Ar 5〜12%、残部H2、
反応雰囲気温度:950〜1050 ℃、
反応雰囲気圧力:6〜13 kPa、
時間:(目標とする層厚になるまで)
という条件で蒸着することにより、(006)配向かつ(110)強配向を有する第2Al2O3層を形成することができる。
上記第2Al2O3層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用いて、その断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することにより、工具基体の表面の法線に対して、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の0〜90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で表わした場合、その傾斜角が30〜45度の範囲内にある結晶粒の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で表わし、その傾斜角が30〜45度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の度数の合計を求めた場合、第2Al2O3層全体のAl2O3結晶粒の全度数に対して30%以下の割合を占め、また、その傾斜角が75〜90度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の50%以上の割合を占める所定の傾斜角度数分布が形成される。
上記傾斜角度数分布を有するAl2O3結晶粒の、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合あるいは傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合は、上記蒸着条件のうちの、特に、
反応雰囲気温度およびCO2、H2Sガス比によって影響される。
そして、上記傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合が度数全体の30%を超える、または傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合が度数全体の50%未満であると、ブラスト処理を施した場合のAl2O3層の応力緩和効果が十分に現れないことから、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合は度数全体の30%以下(好ましくは、5%〜20%)、傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合は度数全体の50%以上(好ましくは、65%〜80%)であることが必要である。
図3に、第2Al2O3層のAl2O3結晶粒について測定した傾斜角度数分布グラフの一例を示す。
なお、第2Al2O3層の平均層厚が、3.0μm未満であると第2Al2O3層の耐チッピング性、耐衝撃性が十分でなく、一方、10μmを越えると、ブラスト処理を施した場合の応力緩和が不十分となることから、第2Al2O3層の平均層厚は3.0〜10μmと定めた。
反応雰囲気温度およびCO2、H2Sガス比によって影響される。
そして、上記傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合が度数全体の30%を超える、または傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合が度数全体の50%未満であると、ブラスト処理を施した場合のAl2O3層の応力緩和効果が十分に現れないことから、傾斜角が30〜45度の区分内の度数割合は度数全体の30%以下(好ましくは、5%〜20%)、傾斜角が75〜90度の区分内の度数割合は度数全体の50%以上(好ましくは、65%〜80%)であることが必要である。
図3に、第2Al2O3層のAl2O3結晶粒について測定した傾斜角度数分布グラフの一例を示す。
なお、第2Al2O3層の平均層厚が、3.0μm未満であると第2Al2O3層の耐チッピング性、耐衝撃性が十分でなく、一方、10μmを越えると、ブラスト処理を施した場合の応力緩和が不十分となることから、第2Al2O3層の平均層厚は3.0〜10μmと定めた。
本発明では、上部層を、前記第1Al2O3層、分断層及び第2Al2O3層で構成するが、上部層内の残留応力の低減を図ることによって、さらに、耐チッピング性を高めることができる。
具体的には、まず、上部層の第2Al2O3層について、TC(006)を高めると同時に、該第2Al2O3層に対して、例えば、ウエットブラスト処理を施して層内残留応力を除去すると、第2Al2O3層のTC(006)が1.8以上と高い場合であっても、I(104)/I(110)が0.5〜2.0であるために、該第2Al2O3層の残留応力値は、絶対値で200MPa以下にまで低減することができる。
その結果、この発明の上部層は、高硬度を有し耐摩耗性に優れると同時に、層内の残留応力値が小さく、耐チッピング性が更に向上する。
具体的には、まず、上部層の第2Al2O3層について、TC(006)を高めると同時に、該第2Al2O3層に対して、例えば、ウエットブラスト処理を施して層内残留応力を除去すると、第2Al2O3層のTC(006)が1.8以上と高い場合であっても、I(104)/I(110)が0.5〜2.0であるために、該第2Al2O3層の残留応力値は、絶対値で200MPa以下にまで低減することができる。
その結果、この発明の上部層は、高硬度を有し耐摩耗性に優れると同時に、層内の残留応力値が小さく、耐チッピング性が更に向上する。
ここで、具体的なウエットブラスト処理条件としては、例えば、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で、15〜60質量%のAl2O3微粒を配合した研磨液を、0.05〜0.30MPaのブラスト圧力で工具表面全域に噴射するものである。
本発明の第2Al2O3層は、TC(006)が1.8以上と高いにもかかわらず、残留応力の緩和が効果的に行われ、残留応力値の絶対値を200MPa以下にまで低減することができる。
本発明の第2Al2O3層は、TC(006)が1.8以上と高いにもかかわらず、残留応力の緩和が効果的に行われ、残留応力値の絶対値を200MPa以下にまで低減することができる。
また、本発明でいう(006)面配向係数TC(006)とは、第2Al2O3層についてX線回折を行った際の(hkl)面から得られるX線回折のピーク強度値をI(hkl)、JCPDSカードNo.46−1212記載の(hkl)面の標準回折強度をI0(hkl)とした場合、
であるとして定義される。ここで、(hkl)は(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)、(116)の8面である。
であるとして定義される。ここで、(hkl)は(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)、(116)の8面である。
この発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層が、第1Al2O3層と分断層と第2Al2O3層で構成され、かつ、第1Al2O3層は、傾斜角度数分布グラフにおいて、30〜45度の傾斜角区分にあるAl2O3結晶粒の度数割合は全度数の50%以上、また、75〜90度の傾斜角区分にあるAl2O3結晶粒の度数割合は全度数の30%以下(即ち、(006)配向かつ(104)強配向するAl2O3層)であり、一方、第2Al2O3層は、傾斜角度数分布グラフにおいて、30〜45度の傾斜角区分にあるAl2O3結晶粒の度数割合は全度数の30%以下、また、75〜90度の傾斜角区分にあるAl2O3結晶粒の度数割合は全度数の50%以上(即ち、(006)配向かつ(110)強配向するAl2O3層)であることから、第1Al2O3層の備える耐摩耗性と、第2Al2O3層の備える耐チッピング性とが相俟って、上部層全体として、また、硬質被覆層全体として、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する鋼や鋳鉄等の高速高送り切削条件において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する。
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、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末、TiN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〜C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、Mo2 C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、切刃部分に幅:0.1mm、角度:20度のチャンファー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〜cを形成した。
ついで、これらの工具基体A〜Cおよび工具基体a〜cのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
(a)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8,9に示される目標層厚のTi化合物層を蒸着形成した。
(b)ついで、表4に示される条件にて、第1Al2O3層を目標層厚になるように成膜し、
(c)ついで、表5に示される条件で、上記第1Al2O3層の表面に分断層を目標層厚になるように成膜し、
(d)ついで、上記分断層の表面に、表6に示される条件で、第2Al2O3層を目標層厚になるように成膜ことにより、
表8、表9に示す本発明被覆工具1〜13をそれぞれ製造した。
(a)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8,9に示される目標層厚のTi化合物層を蒸着形成した。
(b)ついで、表4に示される条件にて、第1Al2O3層を目標層厚になるように成膜し、
(c)ついで、表5に示される条件で、上記第1Al2O3層の表面に分断層を目標層厚になるように成膜し、
(d)ついで、上記分断層の表面に、表6に示される条件で、第2Al2O3層を目標層厚になるように成膜ことにより、
表8、表9に示す本発明被覆工具1〜13をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、上記本発明被覆工具1〜13の上記工程(b),(c),(d)の少なくとも一工程を行わずに、あるいは、本発明から外れる条件(表4、5、6で、それぞれ本発明外として示す)で行うことにより、表10、表11に示す比較被覆工具1〜13を製造した。
ついで、本発明被覆工具の第1Al2O3層および比較被覆工具の第1Al2O3層(便宜上、本発明の第1Al2O3層に対応する比較例被覆工具のAl2O3層を「第1Al2O3層」という)におけるAl2O3結晶粒について、結晶粒の(0001)面の法線がなす傾斜角度数分布割合を、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用いて測定した。
すなわち、上記の本発明被覆工具1〜13、比較被覆工具1〜13の下部層と第1Al2O3層との界面から第1Al2O3層の層厚方向へ0.3μm、また、工具基体表面と平行方向に50μmの断面研磨面の測定範囲(0.3μm×50μm)を、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、それぞれの前記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て、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用いて、下部層と第1Al2O3層との界面から第1Al2O3層の層厚方向へ1μm以内のAl2O3結晶粒について、0.3×50μmの測定領域を0.1μm/stepの間隔で、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)面の法線がなす傾斜角を0〜90度の範囲にわたって、0.25度ピッチ毎に区分して測定し、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で表し、この測定結果に基づいて、前記傾斜角区分が30〜45度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、また、前記傾斜角区分が75〜90度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、ついで、傾斜角度数分布グラフ全体に占める度数割合を求めた。
表8〜表11にこれらの値を示す。
また、図2に、本発明被覆工具1の第1Al2O3層について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
すなわち、上記の本発明被覆工具1〜13、比較被覆工具1〜13の下部層と第1Al2O3層との界面から第1Al2O3層の層厚方向へ0.3μm、また、工具基体表面と平行方向に50μmの断面研磨面の測定範囲(0.3μm×50μm)を、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、それぞれの前記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て、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用いて、下部層と第1Al2O3層との界面から第1Al2O3層の層厚方向へ1μm以内のAl2O3結晶粒について、0.3×50μmの測定領域を0.1μm/stepの間隔で、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)面の法線がなす傾斜角を0〜90度の範囲にわたって、0.25度ピッチ毎に区分して測定し、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で表し、この測定結果に基づいて、前記傾斜角区分が30〜45度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、また、前記傾斜角区分が75〜90度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、ついで、傾斜角度数分布グラフ全体に占める度数割合を求めた。
表8〜表11にこれらの値を示す。
また、図2に、本発明被覆工具1の第1Al2O3層について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
さらに、本発明被覆工具1〜13の第2Al2O3層および比較被覆工具1〜13の第2Al2O3層(便宜上、本発明の第2Al2O3層に対応する比較例被覆工具のAl2O3層を「第2Al2O3層」という)におけるAl2O3結晶粒について、結晶粒の(0001)面の法線がなす傾斜角度数分布グラフを、前記と同様にして測定して作成し、傾斜角区分が30〜45度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、また、前記傾斜角区分が75〜90度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、ついで、傾斜角度数分布グラフ全体に占める度数割合を求めた。
表8〜表11にこれらの値を示す。
また、図3に、本発明被覆工具1の第2Al2O3層について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
表8〜表11にこれらの値を示す。
また、図3に、本発明被覆工具1の第2Al2O3層について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
また、本発明被覆工具1〜13、比較被覆工具1〜13の硬質被覆層の各構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定(縦断面測定)したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚(5点測定の平均値)を示した。
また、上記本発明被覆工具1〜13の第2Al2O3層および比較被覆工具1〜13の第2Al2O3層のAl2O3結晶粒について、X線回折を行い、(012),(104),(110),(006),(113),(202),(024),(116)の各面からのX線回折ピーク強度を測定することにより、TC(006)を求めた。
表9、表11にこれらの値を示す。
表9、表11にこれらの値を示す。
ついで、上記本発明被覆工具1〜13、比較被覆工具1〜13の第2Al2O3層の表面に、表7に示す条件でブラスト処理を施した。
ブラスト処理を施した後の第2Al2O3層について、sin2Ψ法を用い、X線回折装置によって残留応力の値を測定した。
測定にはα−Al2O3の(13_10)面の回折ピークを用い、ヤング率として384GPa、ポアソン比として0.232を使用して計算を実施した。
表9、表11にこれらの値を示す。
ブラスト処理を施した後の第2Al2O3層について、sin2Ψ法を用い、X線回折装置によって残留応力の値を測定した。
測定にはα−Al2O3の(13_10)面の回折ピークを用い、ヤング率として384GPa、ポアソン比として0.232を使用して計算を実施した。
表9、表11にこれらの値を示す。
つぎに、上記の本発明被覆工具1〜13、比較被覆工具1〜13の各種の被覆工具について、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材:JIS・S45Cの長さ方向等間隔4本溝入り丸棒、
切削速度:430 m/min、
切り込み:2.0 mm、
送り:0.45 mm/rev、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Aという)での炭素鋼の湿式高速高送り断続切削試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、300m/min、0.2 mm/rev)、
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:400 m/min、
切り込み:2.0 mm、
送り:0.45 mm/rev、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Bという)での鋳鉄の湿式高速高送り断続切削試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、250m/min、0.2 mm/rev)、
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するとともに、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷の有無を観察した。
表12、表13に、測定結果及び観察結果を示した。
被削材:JIS・S45Cの長さ方向等間隔4本溝入り丸棒、
切削速度:430 m/min、
切り込み:2.0 mm、
送り:0.45 mm/rev、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Aという)での炭素鋼の湿式高速高送り断続切削試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、300m/min、0.2 mm/rev)、
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:400 m/min、
切り込み:2.0 mm、
送り:0.45 mm/rev、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Bという)での鋳鉄の湿式高速高送り断続切削試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、250m/min、0.2 mm/rev)、
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するとともに、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷の有無を観察した。
表12、表13に、測定結果及び観察結果を示した。
表8〜13に示される結果から、本発明被覆工具1〜13は、第1Al2O3層と分断層と第2Al2O3層からなる硬質被覆層の上部層を備え、かつ、第1Al2O3層は、(006)配向かつ(104)強配向を有するすぐれた耐摩耗性を備えるAl2O3層、また、第2Al2O3層は、(006)配向かつ(110)強配向を有するすぐれた耐チッピング性を備えるAl2O3層が形成されていることから、鋼や鋳鉄などの切削加工を高速で、かつ切れ刃に対して高負荷が作用する高速高切り込み切削条件で行っても、すぐれた耐チッピング性を示すと同時に、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
また、本発明被覆工具の第2Al2O3層が、TC(006)の値が1.8以上であって、しかも、残留応力の絶対値が200MPaの場合には、耐チッピング性が更に向上する。
また、本発明被覆工具の第2Al2O3層が、TC(006)の値が1.8以上であって、しかも、残留応力の絶対値が200MPaの場合には、耐チッピング性が更に向上する。
これに対して、比較被覆工具1〜13では、高速高切り込み切削加工においては、硬質被覆層のチッピング等の異常損傷の発生により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆工具は、各種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、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高速高送り切削という厳しい切削条件下でも、硬質被覆層のチッピング等の異常損傷が発生することはなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
Claims (2)
- 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、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層以上からなるTi化合物層、
(b)第1Al2O3層として、3.0〜10μmの平均層厚を有するAl2O3層、
(c)分断層として、0.5〜1.5μmの平均層厚を有し、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層以上からなるTi化合物層、
(d)第2Al2O3層として、3.0〜10μmの平均層厚を有するAl2O3層、
上記(a)〜(d)からなる各層を、工具基体側から順に積層した硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(e)前記第1Al2O3層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断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、前記工具基体の表面の法線に対して、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の0〜90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で表わした場合、その傾斜角が30〜45度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の50%以上の割合を占め、また、その傾斜角が75〜90度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の30%以下を占め、
(f)前記第2Al2O3層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断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、前記工具基体の表面の法線に対して、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の0〜90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で表わした場合、その傾斜角が30〜45度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の30%以下の割合を占め、また、その傾斜角が75〜90度の範囲内にあるAl2O3結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の50%以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記第2Al2O3層の(006)面配向係数TC(006)が1.8以上であり、かつ、該第2Al2O3層の残留応力の絶対値が200MPa以下であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
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