JP2023101044A

JP2023101044A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP2023101044A
Application number: JP2022001357A
Authority: JP
Inventors: 賢一佐藤; Kenichi Sato; 智啓真田; Tomohiro Sanada
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2023-07-20

Abstract

【課題】耐欠損性が低下せず、優れた耐摩耗性を発揮する表面被覆工具の提供【解決手段】ＴｉＣＮ層を含む下部層に接するＡｌ２Ｏ３層を含む上部層を有し、下部層の平均厚さが３．０～２０．０μｍ、上部層の平均厚さは２．０～１２．０μｍで、Ａｌ２Ｏ３層において、下部層との界面より被覆層の厚さ方向に工具表面側へ１μｍまでの領域Ａでは、Σ４９を超える対応粒界であるランダム粒界長が全粒界長に対して占める割合が７０～９５％であり、かつ対応粒界分布グラフより求められるΣ３対応粒界長とΣ３以上Σ４９以下の対応粒界長の総和との比率であるΣ３／Σ（３－４９）が３０～８０％であり、領域Ａを除くＡｌ２Ｏ３層の領域では、対応粒界分布グラフにおいてΣ３に最高ピークが存在し、かつΣ３／Σ（３－４９）が８０％以上で、ランダム粒界長が全粒界長に対して占める割合が１０～５０％である表面被覆切削工具【選択図】図１

Description

本発明は、表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。

切削工具の切削性能の改善を目的として、従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金等の基体の表面に、Ｔｉ化合物等の被覆層を蒸着法により被覆形成した被覆工具がある。これは、優れた耐摩耗性を発揮するが、さらなる被覆層の改善についての種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、Ｔｉ化合物層とＴｉＣＮ層からなる下部層およびα－Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層の２層とが特定の構成原子共有格子点分布グラフを示す被覆工具が記載され、該被覆工具は優れた耐摩耗性を有しているとされている。

また、例えば、特許文献２には、被覆層は酸化アルミニウム多層皮膜であって、添加元素を含有する酸化アルミニウムによって構成される単位層を２種以上含み、かつその２種以上の単位層を周期的に繰り返して積層させた構造を有し、前記単位層の各々は、前記添加元素の種類または組み合せが異なっており、前記添加元素は、周期表の４族、５族、６族の各元素、Ｙ、Ｃａ、Ｍｇ、ＢおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素である被覆工具が記載され、該被覆工具は耐摩耗性が向上しているとされている。

さらに、例えば、特許文献３には、被覆層の複数のα－Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒が（００１）配向を示し、前記結晶粒の粒界は、ＣＳＬ粒界と一般粒界とを含み、前記ＣＳＬ粒界のうちΣ３型結晶粒界の長さは、Σ（３－２９）型結晶粒界の長さの８０％超であり、かつ前記Σ（３－２９）型結晶粒界の長さと前記一般粒界の長さとの和である全粒界の合計長さの１０％以上５０％以下である被覆工具が記載され、該被覆工具は長寿命であるとされている。

特開２００６－２９７５７９号公報特開２００８－１６８３６４号公報国際公開２０１７／００９９２８号

本発明は、前記事情や前記提案を鑑みてなされたものであって、より優れた耐摩耗性、耐チッピング性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具は、
基体と該基体の表面に被覆層を有し、
（ａ）前記被覆層は、ＴｉＣＮ層を含む下部層とα－Ａｌ_２Ｏ_３層を含む上部層とを有し、
（ｂ）前記下部層の平均厚さは３．０～２０．０μｍであり、
（ｃ）前記上部層の平均厚さは２．０～１２．０μｍであって、前記下部層と接し、
（ｄ）前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層において、
前記下部層との界面より前記被覆層の厚さ方向に工具表面側へ１μｍまでの領域Ａでは、Σ４９を超える対応粒界であるランダム粒界長が全粒界長に対して占める割合が７０～９５％であり、かつ対応粒界分布グラフより求められるΣ３対応粒界長とΣ３以上Σ４９以下の対応粒界長の総和との比率であるΣ３／Σ（３－４９）が３０～８０％であり、
前記領域Ａを除く前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層の領域では、対応粒界分布グラフにおいてΣ３に最高ピークが存在し、かつ前記比率Σ３／Σ（３－４９）が８０％以上であり、前記ランダム粒界長が全粒界長に対して占める割合が１０～５０％である。

前記実施形態に係る表面被覆切削工具は、耐摩耗性、耐欠損性に優れている。

本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具の縦断面を模式的に示す図である。

本発明者は、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆切削工具を得るべく鋭意検討した。その結果、被覆層が基体側から順にＴｉＣＮ層を含むＴｉ化合物層である下部層、および、この下部層に接する上部層としてα－Ａｌ_２Ｏ_３層が存在するとき、このα－Ａｌ_２Ｏ_３層の下部層に接する所定の領域の結晶粒が微粒化していると、α－Ａｌ_２Ｏ_３層と下部層との密着性が高まって耐欠損性が向上すること、そして、このα－Ａｌ_２Ｏ_３層の結晶粒の微細化の程度は対応粒界分布によって規定できるとの知見を得た。

以下では、本発明の実施形態の被覆工具について詳細に説明する。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ｌ～Ｍ」（Ｌ、Ｍは共に数値）で表現するときは、その範囲は上限値（Ｍ）および下限値（Ｌ）を含んでおり、上限値（Ｍ）のみに単位が記載されているときは、上限値（Ｍ）と下限値（Ｌ）の単位は同じである。

１．被覆層
本実施形態の被覆工具では、基体（１）表面上の被覆層は、図１に示すように下部層（２）とその直上で下部層（２）と接する上部層（３）を有している。また、上部層（３）の上部には最外層（４）を選択的に設けてもよい。
以下、被覆層を構成する層について説明する。なお、以下で述べる各層を構成する化合物の組成は化学量論的組成に限定されるものではない。

（１）下部層
下部層である基体側のＴｉ化合物層は、ＴｉＣＮ層のみであっても、ＴｉＣＮ層の他に、他のＴｉ化合物層、すなわち、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物層のうちの１または２以上を有してもよい。すなわち、ＴｉＣＮ層の他にＴｉ化合物層を有していてもよい。そして、ＴｉＣＮ層と他のＴｉ化合物層との平均厚さの比は、特に制約はないが、ＴｉＣＮ層が下部層の厚さの８割以上を占めることが好ましい。

下部層は、その平均層厚が３．０～２０．０μｍであることが好ましい。その理由は、３．０μｍ未満であると下部層が有する優れた耐摩耗性が十分に発揮されず、一方、２０．０μｍを超えると被覆層内での剥離が起こりやくなるためである。下部層の平均厚さは、５．０～１７．０μｍがより好ましい。

（２）上部層
上部層は、α－Ａｌ_２Ｏ_３層を含み、耐摩耗性、耐チッピング性が向上する層である。その平均層厚は２．０～１２．０μｍであることが好ましい。その理由は、２．０μｍ未満であると上部層が発揮する熱的安定性および耐摩耗性が向上する働きが十分に発揮されず、一方、１２．０μｍを超えると被覆層内での剥離が起こりやくなるためである。上部層の平均厚さは、３．０～１０．０μｍがより好ましい。

また、上部層に含まれるα－Ａｌ_２Ｏ_３層の下部層との界面から被覆層の厚さ方向に工具表面に１μｍまでの領域Ａでは、Σ４９を超える対応粒界であるランダム粒界長が全粒界長に対して占める割合が７０～９５％であり、より好ましくは８０～９０％、対応粒界長測定によって求められるΣ３以上Σ４９以下の対応粒界長の総和に対するΣ３対応粒界長の割合であるΣ３／Σ（３－４９）が３０～８０％、より好ましくは５０～８０％であり、
かつ、
前記領域Ａを除くα－Ａｌ_２Ｏ_３層の領域では、対応粒界分布グラフにおいてΣ３に最高ピークが存在し、かつΣ３／Σ（３－４９）が８０％以上であり、ランダム粒界長が全粒界長に対して占める割合が１０～５０％、より好ましくは１０～３５％である。

このようにすると、上部層に含まれるα－Ａｌ_２Ｏ_３層の下部層との密着性が向上し、優れた耐欠損性、耐チッピング性を示し、さらに、α－Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒の粗大化を防止でき、優れた耐欠損性を与える。

ここで、上部層に含まれるα－Ａｌ_２Ｏ_３層の対応粒界分布は、以下の手順で測定することができる。
１）被覆工具について、その縦断面（基体に垂直な断面）を研磨面とする。
２）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、断面研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型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、個々の結晶粒の結晶方位をＥＢＳＤ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）により同定した。測定範囲は、３０×５０μｍとすることが好ましいがこれに限定されることはない。
３）この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子間で１つの構成原子を共有する格子点（「構成原子共有格子点」という）の分布を算出する。

ここで、構成原子共有格子点形態は、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方晶結晶格子の結晶構造上２以上の偶数となるが、一部の偶数は存在しない）存在する場合に、ΣＮ＋１で表される。上記で表した構成原子共有格子点のそれぞれの分布割合を算出し、Σ３以上の全対応粒界長の合計分布割合に占める割合で示す対応粒界分布グラフ（縦軸に存在割合、横軸にΣＮ＋１をとったもの）を作成することによって、Σ３のピークの存在、Σ３／Σ（３－４９）の対応粒界長の比を求めることができる。なお、Σ４９を超える布割合の算出方法は、得られた測定結果から、Σ３～Σ４９のそれぞれの対応粒界長を算出し、全粒界長からこれらの対応粒界長の和を差し引いた値を用いてΣ４９を超えるランダム粒界長の分布割合として求めた。

また、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の基体側から前記被覆層厚さ方向に工具表面に１μｍまでの領域Ａは、次にようにして求める。
１）研磨した被覆層の縦断面を走査型電子顕微鏡で観察する。観察倍率は５０００倍以上とし、観察し視野は基体表面と平行な方向に１０μｍ以上とする。
２）コントラストの違いから、下部層とα－Ａｌ_２Ｏ_３層の境界を視認し、基体表面と平行な方向に０．２μｍごとにα－Ａｌ_２Ｏ_３層と下部層とが接している点を特定し、隣接する点を直線で結ぶ。
３）ここで作成した線を境界線として、この境界線を１μｍ工具表面側へ移動させた線を追加し、境界線と追加した線で挟まれた領域を領域Ａとする。

（３）最外層
最外層は、選択的に設ける。すなわち、最外層は設けても設けなくてもよい。
最外層としては、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、および酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層を含む０．１～３．０μｍの合計平均層厚を有する最外層を設けると、より一層優れた耐摩耗性が発揮されて好ましい。ここで、これらの層の合計平均層厚が０．１μｍ未満であると、最外層を設けた効果が十分に発揮されず、一方、３．０μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなる。

（４）その他の層
成膜ガスの切り換え時に、意図せずに、ＴｉＣＮ層、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物層、および、α－Ａｌ_２Ｏ_３層とは違う層がごくわずかであるが製造されることがある。

２．工具基体
（１）材質
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例を挙げるならば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、ｃＢＮ焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。

（２）形状
基体の形状は、切削工具として用いられる形状であれば特段の制約はなく、インサートの形状、ドリルの形状が例示できる。

３．平均厚さの測定
ここで、被覆層を構成する各層の平均厚さは、例えば、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍｓｙｓｔｅｍ）、クロスセクションポリッシャー装置（ＣＰ：ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎＰｏｌｉｓｈｅｒ）等を用いて、被覆層を任意の位置にて試料を加工することで観察用の縦断面を作製し、その縦断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、あるいはＳＥＭまたはＴＥＭ付属のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ－ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置を用いて複数箇所（例えば、５箇所）で観察して、平均することにより得ることができる。

４．製造方法
本実施形態の被覆工具は、例えば、以下の方法によって製造できる。

（１）下部層と最外層
下部層と最外層は、公知の化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて製造することができるため、説明を省略する。

（２）α－Ａｌ_２Ｏ_３層を含む上部層
α－Ａｌ_２Ｏ_３層を含む上部層は、以下のようにして製造する。
１）下部層表面処理工程
下部層表面処理工程は、ＣＯガスとＣＯ_２ガスを用いて行う工程である。この処理により下部層最表面層と上部層との密着性が向上する。使用するガス、反応雰囲気温度、反応雰囲気圧力、反応時間は例えば、次のとおりである。
反応ガス：ＣＯ_２１．０～５．０体積％、ＣＯ１．０～１０．０体積％、
Ａｒ５．０～１０．０体積％、Ｈ_２残部
反応雰囲気温度：９００～１０００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
反応時間：１０～２０分

２）一次工程
一次工程は、α－Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒のランダム粒界を多くする製造条件であって、使用するガス、反応雰囲気温度、反応雰囲気圧力、反応時間は例えば、次のとおりである。反応時間は本工程によって成膜されるα－Ａｌ_２Ｏ_３膜厚が１μｍになるように調整する。
反応ガス：ＡｌＣｌ_３１．５～３．５体積％、ＣＯ_２２．０～４．０体積％、
ＨＣｌ１．０～２．０体積％、Ｈ_２Ｓ０．０～０．１体積％、
Ｈ_２残部
反応雰囲気温度：９００～１０００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
反応時間：３０～６０分

２）二次工程
二次工程は、α－Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒のΣ３対応粒界の割合を高める製造条件であって、使用するガス、反応雰囲気温度、反応雰囲気圧力は例えば、次のとおりである。反応時間は１次工程と合わせて狙い膜厚となるように調整する。
反応ガス：ＡｌＣｌ_３１．０～３．０体積％、ＣＯ_２５．０～１０．０体積％、
ＨＣｌ４．０～６．０体積％、Ｈ_２Ｓ０．６～１．０体積％、
Ｈ_２残部
反応雰囲気温度：９００～１０００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明の被覆工具の実施例として、基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、基体の材質は前述のものであればよく、また、工具としてドリル、エンドミル等に適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粉末を用意した。これら原料粉末を、表１に示されるように配合した。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た。この圧粉成形体を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た後、切刃部にＲ：０．０６ｍｍ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基超硬合金製の基体α、βを製造した。

次に、この基体α、βの表面に、表２で示す条件により下部層を成膜し、表３に示す条件により上部層（α－Ａｌ_２Ｏ_３層）を成膜して、選択的に表２に示す条件により最外層を成膜して、表４、５に示す下部層、上部層、最外層を有する実施例１～８を製造した。成膜された被覆層の平均厚さ、対応粒界比率等を表５に示す。

一方、比較のために、この基体α、βの表面に、表２で示す条件により下部層を成膜し、表３に示す条件により上部層（α－Ａｌ_２Ｏ_３層）を成膜して、選択的に表２に示す条件により最外層を成膜して、表４、５に示す下部層、上部層、最外層を有する比較例１～８を製造した。成膜された被覆層の平均層厚、対応粒界比率等を表６に示す。

次いで、実施例１～８および比較例１～８について、以下の切削条件で、切削試験１、２を実施した。

切削試験１（Ｓ４５Ｃ２スリット材断続外径加工試験）
切削速度：３００ｍ／分
切込み：２．０ｍｍ
１回転あたり送り：０．３５ｍｍ
切削時間：７分
湿式切削

切削試験２（ＳＣＭ４４０４スリット材断続外径加工）
切削速度：２５０ｍ／分
切込み：２．０ｍｍ
１回転あたり送り：０．４ｍｍ
切削時間：８分
湿式切削

切削試験１、２の結果を、それぞれ、表７、８に示す。

表７、８の結果から明らかなように、実施例は、良好な切削性能を示すが、比較例は、短時間で被覆層が剥離し、あるいは、チッピングが発生し、あるいは、摩耗が進行し、短時間で寿命に至っている。

１基体
２下部層
３上部層
４最外層
５領域Ａ

Claims

基体と該基体の表面に被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
（ａ）前記被覆層は、ＴｉＣＮ層を含む下部層とα－Ａｌ_２Ｏ_３層を含む上部層とを有し、
（ｂ）前記下部層の平均厚さが３．０～２０．０μｍであり、
（ｃ）前記上部層の平均厚さが２．０～１２．０μｍであって、前記下部層と接し、
（ｄ）前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層において、
前記下部層との界面より前記被覆層の厚さ方向に工具表面側へ１μｍまでの領域Ａでは、Σ４９を超える対応粒界であるランダム粒界長が全粒界長に対して占める割合が７０～９５％であり、かつ対応粒界分布グラフより求められるΣ３対応粒界長とΣ３以上Σ４９以下の対応粒界長の総和との比率であるΣ３／Σ（３－４９）が３０～８０％であり、
前記領域Ａを除く前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層の領域では、対応粒界分布グラフにおいてΣ３に最高ピークが存在し、かつ前記比率Σ３／Σ（３－４９）が８０％以上であり、前記ランダム粒界長が全粒界長に対して占める割合が１０～５０％である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。