JP2017042902A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の表面被覆切削工具が備える被膜は、複数のα−Al2O3の結晶粒を含むα−Al2O3層を有する。α−Al2O3層のうち、その表面に平行な加工面に関する15μm四方のカラーマップにおいて、粗粒な結晶粒Aの占める面積A1が50%以下であり、かつ、面積A1のうち、(001)面配向性の結晶粒の占める面積A2が90%以上であり、中粒なα−Al2O3の結晶粒Bの占める面積B1が20%以上50%以下であり、かつ、面積B1のうち、(001)面配向性の結晶粒の占める面積B2が90%以上であり、微粒なα−Al2O3の結晶粒Cの占める面積C1が10%以上50%以下であり、面積C1のうち、(001)面配向性の結晶粒の占める面積C2が50%以上であり、カラーマップ全体の面積に対する、面積A1、面積B1、および面積C1の合計面積の割合が、95%以上である。
【選択図】図4
Description
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。なお、本明細書の結晶学的記載においては、個別面を()で示す。また、本明細書において「X〜Y」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちX以上Y以下)を意味しており、Xにおいて単位の記載がなく、Yにおいてのみ単位が記載されている場合、Xの単位とYの単位とは同じである。また本明細書において、「TiN」、「TiCN」等の化学式において特に原子比を特定していないものは、各元素の原子比が「1」のみであることを示すものではなく、従来公知の原子比が全て含まれるものとする。
以下、本発明の一実施形態(以下「本実施形態」と記す)について説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。また、以下において「(001)面の法線方向がα−Al2O3層の表面の法線方向に対して±10°以内となる結晶粒」を、「(001)面配向性結晶粒」ともいう。
図1を参照し、本実施形態の表面被覆切削工具10(以下、単に「工具10」と記す)は、すくい面1と、逃げ面2と、すくい面1と逃げ面2とが交差する刃先稜線部3とを有する。すなわち、すくい面1と逃げ面2とは、刃先稜線部3を挟んで繋がる面である。刃先稜線部3は、工具10の切刃先端部を構成する。このような工具10の形状は、後述する基材の形状に依拠する。
図2を参照し、本実施形態の基材11は、すくい面11aと、逃げ面11bと、すくい面11aと逃げ面11bとが交差する刃先稜線部11cとを有する。すくい面11a、逃げ面11b、および刃先稜線部11cは、工具10のすくい面1、逃げ面2、および刃先稜線部3を構成する。
本実施形態の被膜12は、以下に詳述するα−Al2O3層を少なくとも1層含む。被膜12は、このα−Al2O3層を含む限り、他の層を含むことができる。他の層の組成は特に限定されず、TiC、TiN、TiB、TiBN、TiAlN、TiSiN、AlCrN、TiAlSiN、TiAlNO、AlCrSiCN、TiCN、TiCNO、TiSiC、CrSiN、AlTiSiCOまたはTiSiCN等を挙げることができる。その積層の順も特に限定されない。
本実施形態のα−Al2O3層16は、複数のα−Al2O3(結晶構造がα型である酸化アルミニウム)の結晶粒を含んだ層である。すなわち、この層は、多結晶のα−Al2O3により構成される。通常この結晶粒は、約0.01〜3.5μm程度の大きさの粒径を有する。
(1)粒径が1μm以上3μm以下であるα−Al2O3の結晶粒Aの占める面積A1が50%以下である。
(2)粒径が0.5μm以上1μm未満であるα−Al2O3の結晶粒Bの占める面積B1が20%以上50%以下である。
(3)粒径が0.05μm以上0.5μm未満であるα−Al2O3の結晶粒Cの占める面積C1が10%以上50%以下である。
(4)面積A1のうち(001)面配向性結晶粒の占める面積A2が90%以上である。
(5)面積B1のうち(001)面配向性結晶粒の占める面積B2が90%以上である。
(6)面積C1のうち(001)面配向性結晶粒の占める面積C2が50%以上である。
(7)カラーマップ全体の面積に対する、面積A1、面積B1、および面積C1の合計面積の割合が、95%以上である。
加速電圧:30kV
イオン :ガリウム(Ga)イオン
加工範囲:20μm×20μm
加工深さ:0.1〜0.5μm(除去されるα−Al2O3層16の厚さ)
照射角度:5°
照射時間:1時間。
本実施形態において、α−Al2O3層16は、好ましくは3〜25μmの厚みを有する。これにより、上記のような優れた効果を発揮することができる。その厚みは、より好ましくは4〜15μmであり、さらに好ましくは5〜15μmである。
図3に戻り、本実施形態に係る被膜12は、基材11とα−Al2O3層16との間に第1中間層14としてのTiCN層を有する。TiCN層は耐摩耗性に優れているため、これにより被膜12の耐摩耗性をさらに向上させることができる。
図3を参照し、本実施形態に係る被膜12は、第1中間層14とα−Al2O3層16との間に第2中間層15を有する。図8に示されるように、第2中間層15は針状結晶から構成されることが好ましい。
図3を参照し、本実施形態に係る被膜12は、基材11と接する下地層13を有する。下地層13として、たとえばTiN層を用いることにより、基材11と被膜12との密着性をさらに高めることができる。
本実施形態に係る被膜12は、α−Al2O3層16上に、表面層を有していてもよい。表面層は、TiC層、TiN層、またはTiB2層であることが好ましい。α−Al2O3層16は、(001)面の高い配向性を有するが、このようなα−Al2O3層16上に形成されたTiC層、TiN層、およびTiB2層は、断続切削時時の亀裂伝搬抑制に特に効果がある。したがって、このような組成の表面層を有する被膜12は、靭性向上の点で有利である。なかでも、TiN層は色彩が明瞭な金色を呈するため、切削使用後の刃先の識別が容易であり、経済性の観点で有利である。
上述の本実施形態に係る工具10は、基材11の表面に被膜12を作製することにより製造することができる。被膜12は、図9に例示する化学気相蒸着(CVD)装置を用いたCVD法により形成することができる。
まず、試料No.1の作製について説明する。基材として、TaC(2.0質量%)、NbC(1.0質量%)、Co(10.0質量%)およびWC(残部)からなる組成(ただし不可避不純物を含む)の超硬合金製切削チップ(形状:CNMG120408N−UX、住友電工ハードメタル株式会社製、JIS B4120(2013))を準備した。準備した基材に対し、CVD装置を用いて、下地層、第1中間層、第2中間層、α−Al2O3層および表面層をこの順に形成させて、基材の表面に被膜を作製した。各層の形成条件を以下に示す。なお、各ガス組成に続く括弧内は、各ガスの流量(l/min)を示す。
ガス:TiCl4(5)、N2(15)、H2(45)
圧力および温度:130hPaおよび900℃。
ガス:TiCl4(10)、N2(15)、CH3CN(1.0)、H2(80)
圧力および温度:90hPaおよび860℃(MT−CVD法)。
ガス:TiCl4(0.002)、CH4(2.5)、N2(6.0)、CO(0.5)、HCl(1.2)、H2(40)
圧力および温度:180hPaおよび1010℃。
(1)第1工程におけるCVD条件
ガス:AlCl3(2.5)、CO2(1.3)、H2S(0.4)、H2(40)
圧力および温度:80hPaおよび1000℃
(2)第2工程CVD条件
ガス:AlCl3(3.0)、CO2(1.2)、H2S(1.4)、H2(32)
圧力および温度:80hPaおよび1000℃。
ガス:TiCl4(5)、N2(15)、H2(45)
圧力および温度:130hPaおよび900℃。
各試料のチップを、型番PCLNR2525−43(住友電気工業株式会社製)のバイトにセットし、これを用いて合金鋼の繰り返し旋削加工による耐欠損性の評価を行った。
切削速度:120m/min
切り込み量:2.0mm
切削油:なし。
各試料のチップを、型番PCLNR2525−43(住友電気工業株式会社製)のバイトにセットし、これを用いて合金鋼の繰り返し旋削加工による耐摩耗性の評価を行った。
切削速度:280m/min
切り込み量:2.0mm
送り量:0.2mm/rev
切削油:水溶性油。
2 逃げ面
3 刃先稜線部
10 表面被覆切削工具
11 基材
11a すくい面
11b 逃げ面
11c 刃先稜線部
12 被膜
13 下地層
14 第1中間層
15 第2中間層
16 α−Al2O3層
30 CVD装置
31 基材セット治具
32 反応容器
33 調温装置
34 ガス導入口
35 ガス導入管
36 貫通孔
P1 第1領域
P2 第2領域
P3 中間点。
Claims (6)
- 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、複数のα−Al2O3の結晶粒を含むα−Al2O3層を有し、
前記α−Al2O3層のうち、その表面に平行な面であって、前記表面から深さ方向に対して0.1μm以上0.5μm以下の領域に位置する前記α−Al2O3層を除去して得られる加工面に対し、電界放射型走査顕微鏡を用いた電子後方散乱回折像解析によって前記結晶粒のそれぞれの結晶方位を特定し、これに基づいた15μm四方のカラーマップを作成した場合に、
前記カラーマップにおいて、
粒径が1μm以上3μm以下であるα−Al2O3の結晶粒Aの占める面積A1が50%以下であり、かつ、前記面積A1のうち、(001)面の法線方向が前記加工面の法線方向に対して±10°以内となる結晶粒の占める面積A2が90%以上であり、
粒径が0.5μm以上1μm未満であるα−Al2O3の結晶粒Bの占める面積B1が20%以上50%以下であり、かつ、前記面積B1のうち、(001)面の法線方向が前記加工面の法線方向に対して±10°以内となる結晶粒の占める面積B2が90%以上であり、
粒径が0.05μm以上0.5μm未満であるα−Al2O3の結晶粒Cの占める面積C1が10%以上50%以下であり、かつ、前記面積C1のうち、(001)面の法線方向が前記加工面の法線方向に対して±10°以内となる結晶粒の占める面積C2が50%以上であり、
前記カラーマップ全体の面積に対する、前記面積A1、前記面積B1、および前記面積C1の合計面積の割合が、95%以上である、表面被覆切削工具。 - 前記α−Al2O3層は、1μm以上25μm以下の厚みを有する、請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記α−Al2O3層は、4μm以上15μm以下の厚みを有する、請求項2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、前記基材と前記α−Al2O3層との間に第1中間層を含み、
前記第1中間層は、TiCN層である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、前記基材と前記α−Al2O3層との間に第2中間層を含み、
前記第2中間層は、TiCNO層またはTiBN層であり、
前記第2中間層の最大厚みと最小厚みとの差は、0.3μm以上である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、最表面に位置する表面層を含み、
前記表面層は、TiC層、TiN層またはTiB2層である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
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