JP3331929B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具Info
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Description
ぐれた耐チッピング性を有し、したがって例えば鋼や鋳
鉄の高速切削や、高速で、かつ高送りおよび高切込みな
どの重切削などの苛酷な条件で用いた場合にも切刃にチ
ッピング(微小欠け)の発生なく、長期に亘ってすぐれ
た切削性能を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具(以
下、被覆超硬工具と云う)に関するものである。
合金基体(以下、超硬基体という)の表面に、酸化アル
ミニウム(以下、Al2O3で示す)層を含む硬質被覆
層、例えば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、酸化物(以下、TiO2で示
す)層、炭酸化物(以下、TiCOで示す)層、窒酸化
物(以下、TiNOで示す)層、および炭窒酸化物(以
下、TiCNOで示す)層からなるTi化合物層のうち
の1種または2種以上と、Al2O3層とで構成された硬
質被覆層を10〜25μmの平均層厚で化学蒸着および
/または物理蒸着してなる被覆超硬工具が知られてお
り、この被覆超硬工具が鋼や鋳鉄などの連続切削や断続
切削に用いられていることも知られている。また、上記
硬質被覆層を構成するAl2O3層が粒状結晶組織をもつ
ことも知られており、さらに上記Al2O3層の表面に対
するCuκα線を線源として用いたX線回折で、図6の
X線回折パターンに例示されるように、Al2O3のピー
クが現れる31.1度(図中A表示)および37.7度
(図中B表示)の回折角(2θ)でのピーク高さが、3
7.7度の回折角に現れるピーク高さの方が31.1度
の回折角に現れるピーク高さに比して相対的に高いが、
そのピーク高さの高低差は小さいX線回折パターンを示
すことも知られている。
の高性能化および高出力化はめざましく、かつ省力化に
対する要求も強く、これに伴い、切削加工は高速化並び
に高送りおよび高切込みなどの重切削化の傾向にある
が、上記の従来被覆超硬工具においては、これを構成す
る硬質被覆層のうち、特にAl2O3層は耐酸化性と熱的
安定性にすぐれ、さらに高硬度を有するが、他の構成層
であるTi化合物層に比して相対的に強度が低く、かつ
脆いことが原因で、例えば鋼や鋳鉄の高速切削や高速高
送り切削などの苛酷な条件での切削では切刃にチッピン
グが発生し易く、これが原因で比較的短時間で使用寿命
に至るのが現状である。
上述のような観点から、被覆超硬工具の硬質被覆層を構
成するAl2O3層に着目し、これの強度および靭性向上
を図るべく研究を行った結果、 (1)一般に、上記の従来被覆超硬工具の硬質被覆層を
構成する粒状結晶組織を有するAl2O3層(以下、粒状
Al2O3層と云う)は、 (a)反応ガス組成;容量%で、AlCl3:1〜20
%、CO2:0.5〜30%、必要に応じてHCl:1
〜20%および/またはH2S:0.05〜5%、H2:
残り、 (b)反応温度:950〜1050℃、 (c)反応圧力:30〜200torr、の条件で形成
される。 (2)一方、Al2O3層を形成するに際して、反応開始
時の条件を、 (a)反応ガス組成;容量%で、AlCl3:1〜20
%、CO2:0.5〜2%、H2:残り、 (b)反応温度:900〜950℃、 (c)反応圧力:30〜200torr、とし、引き続
いて、反応圧力は変えずに、反応ガスとしてH2Sを導
入し、またCO2:を所定時間かけて増加させ、下記温
度に昇温して、 (a)反応ガス組成;容量%で、AlCl3:1〜20
%、CO2:10〜30%、H2S:0.1〜2%、
H2:残り、 (b)反応温度:950〜1000℃、 (c)反応圧力:30〜200torr、 とした条件でAl2O3層を形成すると、図1の縦方向破
面の走査型電子顕微鏡による組織写真および図2の同じ
く走査型電子顕微鏡による表面組織写真に見られるよう
に、「隣接相互の長さ方向の断面形状および断面寸法に
大きな相異がある縦長成長の柱状多様化多面体結晶の並
列集合組織」(以下、縦長結晶多様化組織と云う)をも
ったAl2O3層(以下、縦長多様化Al2O3層と云う)
が形成されるようになること、 (3)上記条件で所定層厚の縦長多様化Al2O3層を形
成した後で、Al2O3層の形成条件を、 (a)反応ガス組成;容量%で、AlCl3:1〜20
%、CO2:5〜15%、H2S:0.05〜1%、
H2:残り、 (b)反応温度:900〜950℃、 (c)反応圧力:30〜200torr、とする、すな
わち反応ガス中のCO2およびH2Sを半減させ、かつ反
応温度を相対的に下げた条件としてAl2O3層の形成を
行なうと、同じく図1の縦方向破面の走査型電子顕微鏡
による組織写真および図3の同じく走査型電子顕微鏡に
よる表面組織写真に見られるように、「隣接相互の長さ
方向の断面形状および断面寸法が均等化した縦長成長の
柱状単一化多面体結晶の並列集合組織」(以下、縦長結
晶単一化組織と云う)をもったAl2O3層(以下、縦長
単一化と云う)が形成されるようになること、 (4)このように下側部が縦長結晶多様化組織、上側部
が縦長結晶単一化組織で構成されたAl2O3層は、これ
ら両組織の共存によって上記粒状Al2O3層に比して一
段とすぐれた強度および靭性をもつようになることか
ら、これを含む硬質被覆層はすぐれた耐チッピング性を
有するようになり、この場合前記Al2O3層は、通常の
通り3〜15μmの平均層厚で形成されるが、この平均
層厚のうちの20〜80%を縦長単一化Al2O3層とす
るのが望ましく、したがってこの結果の被覆超硬工具
は、鋼や鋳鉄などの高速切削や高速重切削などの苛酷な
条件での切削にも切刃にチッピングの発生がなく、すぐ
れた切削性能を長期に亘って発揮するようになること、
以上(1)〜(4)に示される研究結果を得たのであ
る。
されたものであって、超硬基体の表面に、Al2O3層を
含む硬質被覆層、例えばTiC層、TiN層、TiCN
層、TiO2層、TiCO層、TiNO層、およびTi
CNO層からなるTi化合物層のうちの1種または2種
以上と、Al2O3層とで構成された硬質被覆層を8〜2
5μmの平均層厚で形成してなる被覆超硬工具におい
て、上記硬質被覆層を構成するAl2O3層を、上側部と
下側部(基体側)で異なる結晶組織を有するAl2O3層
で構成し、 (a)上記下側部を、反応開始時を、反応ガス組成;容
量%で、AlCl3:1〜20%、CO2:0.5〜2
%、H2:残り、反応温度:900〜950℃、反応圧
力:30〜200torr、の条件とし、引き続いて、
反応圧力は変えずに、反応ガスとしてH2Sを導入し、
かつCO2を所定時間かけて増加させ、下記温度に昇温
して、反応ガス組成;容量%で、AlCl3:1〜20
%、CO2:10〜30%、H2S:0.1〜2%、
H2:残り、反応温度:950〜1000℃、反応圧
力:30〜200torr、とした条件で形成して、縦
長結晶多様化組織(隣接相互の長さ方向の断面形状およ
び断面寸法に大きな相異がある縦長成長の柱状多様化多
面体結晶の並列集合組織)とし、 (b)上記上側部を、上記下側部の形成条件のうちの反
応ガス中のCO2およびH2Sを半減させ、かつ反応温度
を相対的に下げて、反応ガス組成;容量%で、AlCl
3:1〜20%、CO2:5〜15%、H2S:0.05
〜1%、H2:残り、反応温度:900〜950℃、反
応圧力:30〜200torr、とした条件で形成し
て、縦長結晶単一化組織(隣接相互の長さ方向の断面形
状および断面寸法が均等化した縦長成長の柱状単一化多
面体結晶の並列集合組織)としてなる、硬質被覆層がす
ぐれた耐チッピング性を有する被覆超硬工具に特徴を有
するものである。
硬質被覆層のうちのAl2O3層の上側部および下側部を
それぞれ構成する縦長単一化Al2O3層および縦長多様
化Al2O3層は、表面に対するCuκα線を線源として
用いたX線回折で、図5(縦長単一化Al2O3層)およ
び図4(縦長多様化Al2O3層)に示されるように、A
l2O3のピークが現れる31.1度(図中A表示)およ
び37.7度(図中B表示)の回折角(2θ)でのピー
ク高さが、いずれも37.7度の回折角に現れるピーク
高さに比して31.1度の回折角に現れるピーク高さの
方が相対的に高く、かつそのピーク高さの高低差が大き
いX線回折パターンを示し、図6に示される粒状Al2
O3層のX線回折パターンとは異なった結果を示すもの
である。
層のうちのAl2O3層の上側部の層厚は、上記の通り通
常のAl2O3層の平均層厚である3〜15μmの20〜
80%とするのが望ましいが、これはその割合が20%
未満であったり、80%を越えたりすると、相対的にA
l2O3層の下側部の層厚が厚くなりすぎたり、あるいは
薄くなりすぎたりして、これら両者の相互共存バランス
がくずれるようになって硬質被覆層に所望のすぐれた耐
チッピング性を確保することができない、という理由に
よるものであり、また、硬質被覆層の平均層厚を8〜2
5μmとしたのは、その層厚が8μm未満では所望のす
ぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚
が25μmを越えると、耐欠損性が低下するようになる
という理由からである。
を実施例により具体的に説明する。原料粉末として、平
均粒径:1.5μmの細粒WC粉末、同5μmの粗粒W
C粉末、同1.2μmの(Ti,W)CN(重量比で、
以下同じ、TiC/TiN/WC=24/20/56)
粉末、同1.3μmの(Ta,Nb)C(TaC/Nb
C=90/10)粉末、同1μmのCr粉末、および同
1.2μmの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、ボールミルで72時間湿
式混合し、乾燥した後、ISO・CNMG120408
に定める形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を同
じく表1に示される条件で真空焼結することにより超硬
基体A〜Eをそれぞれ製造した。なお、表1には、上記
超硬基体A〜Eの内部硬さ(ロックウエル硬さAスケー
ル)をそれぞれ示した。
に、ホーニングを施した状態で、通常の化学蒸着装置を
用い、表2に示される条件にて、表3、4に示される組
成および平均層厚のTi化合物層およびAl2O3層から
なる硬質被覆層を形成することにより本発明被覆超硬工
具1〜12および従来被覆超硬工具1〜12をそれぞれ
製造した。この結果得られた本発明被覆超硬工具1〜1
2は、いずれもこれを構成する硬質被覆層のうちのAl
2O3層が、図1の本発明被覆超硬工具8の破面組織と同
じ破面組織を示し、かつこれの下側部の縦長多様化Al
2O3層および上側部の縦長単一化Al2O3層のそれぞれ
の表面に対する走査型電子顕微鏡による組織観察および
X線回折でも、図2〜5に示される本発明被覆超硬工具
8の表面組織写真およびX線回折パターンと同じ結果を
示した。なお、図6には、従来被覆超硬工具8の硬質被
覆層を構成する粒状Al2O3層のX線回折パターンを示
したが、これ以外の従来被覆超硬工具のAl2O3層も同
じX線回折パターンを示した。
および従来被覆超硬工具1〜12について、 被削材:FC300(硬さ:HB 180)の丸棒、 切削速度:400m/min.、 切込み:3mm、 送り:0.4mm/rev、 切削時間:20分、 の条件での鋳鉄の湿式連続高速高送り切削試験、並び
に、 被削材:JIS・SCM440(硬さ:HB 220)の
丸棒、 切削速度:350m/min.、 切込み:3mm.、 送り:0.4mm/rev、 切削時間:10分、 の条件での合金鋼の乾式連続高速高送り切削試験を行
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。これらの測定結果を表5に示した。
層におけるAl2O3層の上側部が縦長単一化Al2O3層
で、下側部が縦長多様化Al2O3層で構成された本発明
被覆超硬工具1〜12は、これの全体が粒状Al2O3層
で構成された従来被覆超硬工具1〜12に比して、前記
縦長単一化Al2O3層と縦長多様化Al2O3層の共存作
用で、前記粒状Al2O3層に比してきわめて高い強度お
よび靭性をもつようになることから、苛酷な切削条件と
なる鋳鉄および鋼の高速高送り切削でも切刃にチッピン
グの発生なく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮す
るのに対して、従来被覆超硬工具1〜12においては、
粒状Al2O3層が原因で切刃にチッピングの発生は避け
られず、いずれもこれが原因で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
被覆超硬工具は、これを構成する硬質被覆層のうちのA
l2 O3層を縦長単一化Al2O3層の上側部と縦長多様
化Al2O3層の下側部で構成することによってすぐれた
耐チッピング性を有するようにしたものであり、したが
って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、高速切削や高速高送りおよび高速高切込
み切削などの苛酷な条件での切削に用いた場合にも切刃
にチッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた切削性
能を発揮し、切削装置の高性能化および高出力化に十分
に対応でき、かつ省力化にも寄与するものである。
子顕微鏡による組織写真(倍率:4000倍)である。
Al2O3層における縦長多様化Al2O3層の走査型電子
顕微鏡による表面組織写真(倍率:5000倍)であ
る。
Al2O3層における縦長単一化Al2O3層の走査型電子
顕微鏡による表面組織写真(倍率:5000倍)であ
る。
Al2O3層における縦長多様化Al2O3層のX線回折パ
ターンを示す図である。
Al2O3層における縦長単一化Al2O3 層のX線回折
パターンを示す図である。
状Al2O3層のX線回折パターンを示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 炭化タングステン基超硬合金基体の表面
に、酸化アルミニウム層を含む硬質被覆層を8〜25μ
mの平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してな
る表面被覆超硬合金製切削工具において、 上記硬質被覆層を構成する酸化アルミニウム層を、上側
部と下側部(基体側)で異なる結晶組織を有する酸化ア
ルミニウム層で構成し、 (a)上記下側部を、 反応開始時を、反応ガス組成;容量%で、AlCl3:
1〜20%、CO2:0.5〜2%、H2:残り、反応温
度:900〜950℃、反応圧力:30〜200tor
r、の条件とし、引き続いて、反応圧力は変えずに、反
応ガスとしてH2Sを導入し、かつCO2を所定時間かけ
て増加させ、下記温度に昇温して、反応ガス組成;容量
%で、AlCl3:1〜20%、CO2:10〜30%、
H2S:0.1〜2%、H2:残り、反応温度:950〜
1000℃、反応圧力:30〜200torr、とした
条件で形成して、 隣接相互の長さ方向の断面形状および断面寸法に大きな
相異がある縦長成長の柱状多様化多面体結晶の並列集合
組織とし、 (b)上記上側部を、 上記下側部の形成条件のうちの反応ガス中のCO2およ
びH2Sを半減させ、かつ反応温度を相対的に下げて、
反応ガス組成;容量%で、AlCl3:1〜20%、C
O2:5〜15%、H2S:0.05〜1%、H2:残
り、反応温度:900〜950℃、反応圧力:30〜2
00torr、とした条件で形成して、 隣接相互の長さ方向の断面形状および断面寸法が均等化
した縦長成長の柱状単一化多面体結晶の並列集合組織と
すること、 を特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を有
する表面被覆超硬合金製切削工具。 - 【請求項2】 炭化タングステン基超硬合金基体の表面
に、Tiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、酸化物
層、炭酸化物層、窒酸化物層、および炭窒酸化物層から
なるTi化合物層のうちの1種または2種以上と、酸化
アルミニウム層とで構成された硬質被覆層を8〜25μ
mの平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してな
る表面被覆超硬合金製切削工具において、 上記硬質被覆層を構成する酸化アルミニウム層を、上側
部と下側部(基体側)で異なる結晶組織を有する酸化ア
ルミニウム層で構成し、 (a)上記下側部を、 反応開始時を、反応ガス組成;容量%で、AlCl3:
1〜20%、CO2:0.5〜2%、H2:残り、反応温
度:900〜950℃、反応圧力:30〜200tor
r、の条件とし、引き続いて、反応圧力は変えずに、反
応ガスとしてH2Sを導入し、かつCO2を所定時間かけ
て増加させ、下記温度に昇温して、反応ガス組成;容量
%で、AlCl3:1〜20%、CO2:10〜30%、
H2S:0.1〜2%、H2:残り、反応温度:950〜
1000℃、反応圧力:30〜200torr、とした
条件で形成して、 隣接相互の長さ方向の断面形状および断面寸法に大きな
相異がある縦長成長の柱状多様化多面体結晶の並列集合
組織とし、 (b)上記上側部を、 上記下側部の形成条件のうちの反応ガス中のCO2およ
びH2Sを半減させ、かつ反応温度を相対的に下げて、
反応ガス組成;容量%で、AlCl3:1〜20%、C
O2:5〜15%、H2S:0.05〜1%、H2:残
り、反応温度:900〜950℃、反応圧力:30〜2
00torr、とした条件で形成して、 隣接相互の長さ方向の断面形状および断面寸法が均等化
した縦長成長の柱状単一化多面体結晶の並列集合組織と
すること、 を特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を有
する表面被覆超硬合金製切削工具。
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---|---|---|---|
JP32372997A JP3331929B2 (ja) | 1997-11-10 | 1997-11-10 | 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32372997A JP3331929B2 (ja) | 1997-11-10 | 1997-11-10 | 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11138308A JPH11138308A (ja) | 1999-05-25 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP32372997A Expired - Fee Related JP3331929B2 (ja) | 1997-11-10 | 1997-11-10 | 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 |
Country Status (1)
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JP5861982B2 (ja) * | 2011-10-28 | 2016-02-16 | 三菱マテリアル株式会社 | 硬質被覆層が高速断続切削ですぐれた耐剥離性を発揮する表面被覆切削工具 |
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- 1997-11-10 JP JP32372997A patent/JP3331929B2/ja not_active Expired - Fee Related
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