JP2017177292A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素鋼や合金鋼等の切削加工において、耐溶着性、及び、耐欠損性、特に、断続切削等における耐チッピング性、耐欠損性においても優れた表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、少なくとも下部層と上部層とを含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、（ａ）前記硬質被覆層の下部層は、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層（以下、まとめて、Ｔｉ化合物層という。）のうちの１層または２層以上からなり、該下部層の表面には、前記硬質被覆層の上部層である、Ａｌ２Ｏ３層が形成されており、（ｂ）少なくとも、前記表面被覆切削工具のすくい面の該上部層の最表面には、面積率３０〜７０％にて酸化ジルコニウム層が形成され、前記すくい面におけるＡｌ２Ｏ３層は１０〜２００ＭＰａの引張残留応力を有し、表面粗さＲａが０．２５μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。【選択図】 なし

Description

この発明は、炭素鋼や合金鋼等の切削加工において、耐溶着性、及び、耐欠損性、特に、断続切削等における耐チッピング性、耐欠損性においても優れた表面被覆切削工具(以下、単に「被覆工具」という)に関するものである。

従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、工具基体という）の表面に、下部層として、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１層または２層以上からなるＴｉ化合物層と、また、その上部層として、α型結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層とからなる硬質被覆層を設けた被覆工具が知られている。
そして、前記硬質被覆層を形成した被覆工具の切削性能を高めるために、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１では、基材表面にＴｉＮ、ＴｉＣＮ、及び／又はＴｉＡｌＣＮＯを含む硬質材料層からなる下部層と、特定の優先配向組織を有するα−Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層が形成された被覆工具において、前記上部層であるα−Ａｌ_２Ｏ_３層に対し、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、又は、これらの組み合わせからなる層により構成された摩耗識別層を化学蒸着により形成した後、すくい面に対し、従来用いられていた高硬度のコランダム（α−Ａｌ_２Ｏ_３）製の粒状ブラスト材よりも硬度の低い、鋼、ガラス、ＺｒＯ_２製のブラスト材を用いて、ブラスト処理を行うことにより、摩耗識別層が除去された後のα−Ａｌ_２Ｏ_３層において、引張応力の緩和が図られ、また、α−Ａｌ_２Ｏ_３層の表面が平滑化され、耐欠損性に優れた被覆工具が得られるとの提案がなされている。

特開２０１４−５３０１１２号公報

前記特許文献１に示される被覆工具においては、従来用いられていた高硬度のコランダム（α−Ａｌ_２Ｏ_３）製の粒状ブラスト材よりも硬度の低いＺｒＯ_２製のブラスト材（平均粒径２０〜４５０μｍ）を用いてブラスト処理を行うことにより、α−Ａｌ_２Ｏ_３層の表面に存在する凸部（すなわち、α−Ａｌ_２Ｏ_３層の表面の粒子頂部）、及び、凹部（すなわち、α−Ａｌ_２Ｏ_３層の表面の粒子間部）のうち、凸部に対しては平滑化が進んだものと考えられる。
しかしながら、前記ＺｒＯ_２製のブラスト材は、硬度が低く、研削加工能力に劣るため、少なくとも被膜表面の凹部（すなわち、前記α−Ａｌ_２Ｏ_３層の表面の粒子間部）においては、十分な研磨が行われず、平滑化が進まないことから、前記α−Ａｌ_２Ｏ_３層の表面の粒子間部である凹部を起点としてチッピングが発生してしまい、特に、かかる切削初期に発生したチッピングが成長した場合には、致命的な欠損に至ることが想定された。
そこで、被覆工具として、被膜表面において一層の平滑性を有し、更なる耐溶着性、耐チッピング性、耐欠損性に優れた被覆工具が求められている。

本発明者等は、被覆工具において、一層の平滑性を有し、更なる耐溶着性、耐チッピング性、耐欠損性に優れた硬質被覆層の構造について鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得た。

即ち、工具基体表面に、硬質被覆層として少なくともＡｌ_２Ｏ_３層を被覆形成した被覆工具において、すくい面のα−Ａｌ_２Ｏ_３層の最表面の前記課題とされた粒子間部である凹部に対して、酸化ジルコニウムを導入し、そのα−Ａｌ_２Ｏ_３層の最表面において、面積率が３０〜７０％である酸化ジルコニウム層を形成した場合に、更なる被膜表面の平滑性の改善がなされ、耐溶着性、耐チッピング性、耐欠損性において、一層優れた被覆工具が得られることを見出したものである。
そして、具体的には、例えば、工具基体のすくい面及び逃げ面に下部層としてのＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮのいずれか１層または２層以上を形成し、該下部層の上に上部層としての
Ａｌ_２Ｏ_３層を形成し、次いで、すくい面について、３０〜７０％の面積率のジルコニウム層を形成することによって得ることができる。
なお、必要に応じて、該Ａｌ_２Ｏ_３層の最表面に、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、又は、ＴｉＮＯ層からなる摩耗識別層を形成し、前記すくい面における摩耗識別層を除去するとともに、すくい面最表面に酸化ジルコニウム層を形成する。

そして、ここで得られた本発明に係る被膜工具は、すくい面について、ブラスト条件を調整することにより、Ａｌ_２Ｏ_３層の表面に３０〜７０％の面積率のジルコニウム層を形成してＡｌ_２Ｏ_３層最表面の欠陥の影響を排除するとともに、一層の表面平滑性を高め、耐溶着性を向上させることができ、また、残留応力の低減を図ることができるために、耐チッピング性、耐欠損性に優れたものとなる。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１） ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、少なくとも下部層と上部層とを含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層の下部層は、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層（以下、まとめて、Ｔｉ化合物層という。）のうちの２層以上からなり、その内の少なくとも１層はＴｉＣＮ層で構成した該下部層の表面には、前記硬質被覆層の上部層である、Ａｌ_２Ｏ_３層が形成されており、
（ｂ）少なくとも、前記表面被覆切削工具のすくい面の該上部層の最表面には、面積率３０〜７０％にて酸化ジルコニウム層が形成され、前記すくい面におけるＡｌ_２Ｏ_３層は１０〜２００ＭＰａの引張残留応力を有し、表面粗さＲａが０．２５μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記（１）に記載の表面被覆切削工具において、前記すくい面におけるＴｉＣＮ層の引張残留応力が１０〜２５０ＭＰａであることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具において、逃げ面の上部層である前記Ａｌ_２Ｏ_３層の最表面には、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、又は、ＴｉＮＯ層が形成されていることを特徴とする前記（１）または（２）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、この発明の被覆工具について、詳細に説明する。

下部層；
Ｔｉ化合物層からなる下部層は、基本的には、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層の下部に設けられ、工具基体と上部層のいずれにも強固に密着し、硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用を有するが、下部層自身の特性である高い硬度によって硬質被覆層に高い耐摩耗性、特に優れた耐逃げ面摩耗性を具備する。
このような下部層に好適な膜種としては、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの２層以上のＴｉ化合物層を挙げることができ、その内の少なくとも１層はＴｉＣＮ層として下部層を構成する。
また、下部層の平均層厚については特に限定するものではないが、その平均層厚が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、その平均層厚が２０μｍを越えると、耐欠損性に悪影響を及ぼすことから、下部層の平均層厚は３〜２０μｍとすることが望ましい。

上部層：
Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層は、その硬さ、耐熱性、耐酸化性によって、被覆工具の耐摩耗性を向上させる。本発明では、上部層の層厚を特に制限するものではないが、Ａｌ_２Ｏ_３層の平均層厚が１μｍ未満では長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性発揮することができず、一方、その平均層厚が１５μｍを超えると、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生しやすくなる。したがって、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層の平均層厚は１〜１５μｍとすることが望ましい。

すくい面の硬質被覆層：
すくい面に形成される硬質被覆層は、Ｔｉ化合物層からなる下部層と、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層と、最表面に面積率３０〜７０％にて形成される酸化ジルコニウム層とで構成される。
後記する本発明被覆工具の製造法の一例によれば、まず、工具基体のすくい面および逃げ面に下部層としてのＴｉ化合物層を形成し、ついで、下部層表面に上部層としてのＡｌ_２Ｏ_３層を形成し、その後、すくい面については、すくい面のＡｌ_２Ｏ_３層の表面平滑性を高め、同時に、残留応力の低減を図るためのブラスト処理を行うことにより、Ａｌ_２Ｏ_３層の表面を面積率３０〜７０％にて覆う酸化ジルコニウム層が形成されると同時に、表面粗さＲａが０．２５μｍ以下、好ましくは０．２０μｍ以下に調整されることで、耐チッピング性と耐溶着性が向上する。
また、ブラスト処理後、Ａｌ_２Ｏ_３層内の残留応力は緩和され、引張残留応力の値は１０〜２００ＭＰａ、好ましくは、１０〜１５０ＭＰａとすることで、硬質被覆層全体としての耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性は向上する。
更には、ＴｉＣＮ層の引張残留応力の値は１０〜２５０ＭＰａ、好ましくは、１０〜１５０ＭＰａとすることで、硬質被覆層全体としての耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性は向上する。

なお、すくい面のＡｌ_２Ｏ_３層の最表面における酸化ジルコニウム層の面積率については、
すくい面についてのＳＥＭ観察およびＥＤＳ分析を行うことによって測定した面積率をいう。
すくい面の表面粗さＲａについては、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に準拠し、カットオフ値：０．０８ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて触針式表面粗さ測定器を用いて測定した。
また、上部層のＡｌ_２Ｏ_３層の残留応力は、ｓｉｎ^２Ψ法を用い、Ｃｕκαを用いたＸ線回折装置を用いて測定する。測定にはα−Ａｌ_２Ｏ_３については（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する。
同じく、下部層のＴｉＣＮ層の残留応力は、（４２２）面の回折ピークを用い、ヤング率として４８０ＧＰａ、ポアソン比として０．２を使用して計算を実施する。

逃げ面の硬質被覆層：
逃げ面に形成される硬質被覆層は、Ｔｉ化合物層からなる下部層と、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層と、必要に応じて、Ａｌ_２Ｏ_３層の最表面に形成されるＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、又は、ＴｉＮＯ層からなる摩耗識別層からなる。

硬質被覆層の作製法：
本発明の硬質被覆層は、例えば、以下の方法によって作製することができる。
まず、工具基体表面に、通常の化学蒸着法によって、下部層としてのＴｉ化合物層および上部層としてのＡｌ_２Ｏ_３層を所定の平均層厚で形成し、
次いで、上部層のＡｌ_２Ｏ_３層の最表面に、通常の化学蒸着法によって、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、又は、ＴｉＮＯ層の平均層厚を０．１〜１μｍ程度の層厚になるように形成する。
次いで、すくい面に対し、ウエットブラスト処理を施し、すくい面にＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＮＯ層を形成した場合には、形成されたＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＮＯ層を除去するとともに、Ａｌ_２Ｏ_３層の最表面に対し、面積率３０〜７０％にて覆う酸化ジルコニウム層を形成するように処理を行うことにより、作製することができる。

ブラスト処理：
ブラスト処理について、より具体的な条件を述べれば、例えば、
ブラスト処理液：砥粒＋水、
砥粒：ＺｒＯ₂粒、
砥粒形状：球形および／または多角形、
砥粒サイズ（粒径）：１２５−４２５μｍ（球形）／＜１２５μｍ（多角形）
砥粒割合：７０−９０質量％（球形）／１０−３０質量％（多角形）
砥粒濃度：２０体積％以下、
ブラスト圧力：０．１０−０．３５ＭＰａ
すくい面の法線に対する投射角度：０−２０度
投射時間： ５−３０秒
という条件で、すくい面にブラスト処理を施し、特に、砥粒形状及び砥粒サイズ、ブラスト圧力、投射角度等を調整することにより、上部層のＡｌ_２Ｏ_３層の残留応力、及び、Ａｌ_２Ｏ_３層の表面層の酸化ジルコニウム層の面積率を調整することができる。

本発明の被覆工具は、すくい面において、上部層であるＡｌ_２Ｏ_３層の最表面に面積率３０〜７０％の酸化ジルコニウム層を設けることにより、最表面の一層の平滑化が達成されたために、耐溶着性、及び、耐欠損性、特に、断続切削等における耐チッピング性、耐欠損性においても優れ、長期の使用にわたって、すぐれた切削性能を発揮するものである。

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。
なお、ここでは、工具基体として、ＷＣ基超硬合金を使用した例を示すが、工具基体として、ＴｉＣＮ基サーメットを使用した場合も同様である。

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、ＴｉＮ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示す配合組成に配合し、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：０．０５ｍｍ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のＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｃを製造した。

ついで、この工具基体を、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、表２（表２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３に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した。

ついで、前記下部層の表面に、表２に示される条件で表３に示される目標層厚のＡｌ_２Ｏ_３層、およびＴｉＮ層を蒸着形成した。

ついで、砥粒としてＺｒＯ_２粒を用い、表４に示す条件にてすくい面に対してウエットブラスト処理を施し、表５に示されるすくい面のＡｌ_２Ｏ_３層および酸化ジルコニウム層を有する本発明被覆工具１〜３を作製した。

上記本発明被覆工具１〜３の下部層、上部層の厚さを、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１〜３のＡｌ_２Ｏ_３層の最表面について、ＳＥＭ観察およびＥＤＳ分析することにより、すくい面のＡｌ_２Ｏ_３層の表面に存在する酸化ジルコニウム層の面積率を測定した。
表５に、測定した酸化ジルコニウム層の面積率を示す。

また、上記で作製した本発明被覆工具１〜３について、すくい面の表面粗さＲａを測定した。
なお、表面粗さＲａの測定は、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に準拠し、カットオフ値：０．０８ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて触針式表面粗さ測定器を用いて測定した。
表５に、その結果を示す。

さらに、上記で作製した本発明被覆工具１〜３について、Ａｌ_２Ｏ_３層およびＴｉＣＮ層について、残留応力を測定した。
残留応力はｓｉｎ^２Ψ法を用い、Ｃｕκαを用いたＸ線回折装置を用いて測定した。測定にはα−Ａｌ_２Ｏ_３については（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、ＴｉＣＮについては（４２２）面の回折ピークを用い、ヤング率として４８０ＧＰａ、ポアソン比として０．２を使用して計算を実施した。表５に、その結果を示す。

比較の目的で、前記で作製したＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｃに対して、表２に示される条件にて、表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した後、ついで、該下部層の表面に、表２に示す条件で、表６に示される目標層厚のＡｌ_２Ｏ_３層およびＴｉＮ層を蒸着形成した。

ついで、表７に示す条件にて、すくい面に対してブラスト処理を施して、表８に示されるすくい面にＡｌ_２Ｏ_３層を有する比較例被覆工具１〜３を作製した。

また、上記比較例被覆工具１〜３のＡｌ_２Ｏ_３層の最表面について、ＳＥＭ観察およびＥＤＳ分析することにより、すくい面のＡｌ_２Ｏ_３層の表面に存在する酸化ジルコニウム層の面積率を測定した。
表８に、測定した酸化ジルコニウム層の面積率を示す。

また、上記で作製した比較例被覆工具１〜３について、本発明被覆工具１〜３と同様の方法により、すくい面の表面粗さＲａを測定し、さらに、Ａｌ_２Ｏ_３層およびＴｉＣＮ層について、残留応力を測定した。
表８に、その結果を示す。

つぎに、上記の本発明被覆工具１〜３および比較例被覆工具１〜３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、以下の切削条件Ａおよび切削条件Ｂで切削試験を実施した。
≪切削条件Ａ≫
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ、
切込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： １０ 分
の条件での炭素鋼の乾式切削試験。
≪切削条件Ｂ≫
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の長さ方向等間隔４本立て溝入り丸棒、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ、
切込み： ３．０ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ６ 分
の条件での合金鋼の乾式断続切削試験。

上記切削試験において、溶着発生の有無、チッピング発生の有無、欠損発生の有無を観察した。表９に切削試験結果を示す。

表５、８、９に示される結果から、本発明被覆工具は、すくい面の上層であるＡｌ_２Ｏ_３層の最表面に面積率３０〜７０％にて酸化ジルコニア層を有するものであって、耐溶着性、耐チッピング性、及び、耐欠損性に優れたものとなっていることが理解できる。
これに対して、比較例被覆工具は、いずれも、すくい面の上層であるＡｌ_２Ｏ_３層の最表面
には、酸化ジルコニア層が形成されていないか、形成されているとしても面積率は３０％未満であり、その結果、耐溶着性、耐チッピング性、及び、耐欠損性に関して、十分な切削性能を有するものとはいえない。

以上のとおり、本発明に係る被覆工具は、切削性能にすぐれることから、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による低コスト化および高作業性を実現できるものである。

Claims (3)

1. ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、少なくとも下部層と上部層とを含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
   （ａ）前記硬質被覆層の下部層は、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層（以下、まとめて、Ｔｉ化合物層という。）のうちの２層以上からなり、その内の少なくとも１層はＴｉＣＮ層で構成した該下部層の表面には、前記硬質被覆層の上部層である、Ａｌ_２Ｏ_３層が形成されており、
   （ｂ）少なくとも、前記表面被覆切削工具のすくい面の該上部層の最表面には、面積率３０〜７０％にて酸化ジルコニウム層が形成され、前記すくい面におけるＡｌ_２Ｏ_３層は１０〜２００ＭＰａの引張残留応力を有し、表面粗さＲａが０．２５μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 請求項１に記載の表面被覆切削工具において、前記すくい面におけるＴｉＣＮ層の引張残留応力が１０〜２５０ＭＰａ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。
3. 請求項１または２に記載の表面被覆切削工具において、逃げ面の上部層である前記Ａｌ_２Ｏ_３層の最表面には、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、又は、ＴｉＮＯ層が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具。