JP3689924B2 - 被覆硬質材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、切削工具に適する、耐摩耗性、耐欠損性に優れた被覆硬質材料とその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
硬質合金、サーメット、セラミックス等の硬質母材の表面に、硬質被膜を被覆した被覆硬質材料は、切削工具の材料として広く使用されている。
【0003】
ところで、被覆硬質材料の表面の硬質被覆に、ブラストなどで機械的衝撃を加えることによって、硬質被膜に圧縮残留応力を付与して強度及び耐欠損性を高める技術が特公平6−15717号、特開平4−300104号に開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の技術で、硬質被膜に圧縮残留応力を付与しようとしても硬質被膜の塑性変形能は小さいため、圧縮残留応力の元となる歪を与えることは難しく、また、その歪は、600℃以上の切削熱によって圧縮残留応力が容易に開放され、切削温度が600℃以上に上昇しない限られた切削条件下でしか、その効果を発揮することができないという問題があった。
【0005】
そこで、この発明は、結晶構造的に圧縮残留応力を導入することができる特定の硬質被膜を使用することにより、切削熱によって圧縮応力が開放されない、強度及び耐欠損性が一段と優れた被覆硬質材料を得ようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、硬質母材の表面に、ZrO 2 を含有する少なくとも一層のAl 2 O 3 被膜を有し、このAl 2 O 3 被膜中のZrO 2 の結晶相の少なくとも一部が、正方晶から単斜晶に変態され、この変態による体積膨張によりZrO 2 を含有するAl 2 O 3 被膜に−2〜−30kgf/mm 2 の残留応力が付与され、ZrO 2 を含有するAl 2 O 3 被膜以外の硬質被膜の残留応力を0〜10kgf/mm 2 としたものである。
【0007】
ここで、硬質母材は、超硬合金、サーメット又はセラミックスである。
【0008】
上記ZrO2を含有するAl 2 O 3 被膜は、単層でも複数層でもよく、また、他の硬質被膜と組合わせて被覆するようにしてもよい。
【0009】
また、他の硬質被膜を被覆する場合、ZrO2を含有するAl 2 O 3 被膜が最外層に位置しないようにすると、ZrO2を含有するAl 2 O 3 被膜が内外層によって拘束されるため、変態時の体積膨張によるクラックの発生を抑制することができ、より効果的に圧縮残留応力が発生する。
【0010】
上記Al 2 O 3 被膜中のZrO2は、特に、粒径0.01〜2μmの粒状晶、あるいは5〜50mol%の粒状晶である場合に、圧縮残留応力が導入されやすい。
【0011】
また、上記ZrO2は、変態前において、正方晶が20〜100%含有するものを使用すると、圧縮残留応力が導入されやすい。
【0012】
上記ZrO2を含有するAl 2 O 3 被膜に導入する残留応力の大きさは、−2〜−30kgf/mm2程度とし、ZrO 2 を含有するAl 2 O 3 被膜以外の硬質被膜の残留応力は0〜10kgf/mm2程度とする。
【0013】
上記被膜中のZrO2の正方晶を単斜晶に変態させる衝撃としては、バレル、ラッピング処理が好ましい。サンドブラスト法やショットピーニング法等の機械的衝撃、あるいは水中焼き入れのような熱的衝撃を利用すること、また、機械的衝撃と熱的衝撃を併用することもできるが比較的弱い衝撃が好ましい。このためには、鉄球を用いた場合、100μm以下のメディアを用い3kg/cm2以下の空気圧で処理すると好適である。これにより、衝撃による膜のハクリ、チッピングを防ぐことができる。
【0014】
また、ZrO2を含有する被膜への衝撃は、硬質母材の表面にZrO2を含有するAl 2 O 3 被膜を被覆した後、常温までZrO2の正方晶を準安定の状態に維持した後に行うことにより、被覆工程後の冷却中に熱膨張係数の差に伴なって応力が発生し、その過程でZrO2の正方晶から単斜晶への変態による体積変化が同時に発生し、ZrO2を含有するAl 2 O 3 被膜に複雑な応力が発生し、被膜が自己破壊する現象を防ぐことができる。
【0015】
【作用】
上記のように、Al 2 O 3 被膜中のZrO2の正方晶を単斜晶に変態させた場合、変態時に発生する体積膨張によってZrO2を含有する被膜中に構造的に圧縮残留応力が導入される。したがって、熱的に安定であり、切削中の発熱によって圧縮残留応力が開放されない。
【0016】
また、最外層にZrO2を含有するAl 2 O 3 被膜が位置しないようにした場合、ZrO2を含有するAl 2 O 3 被膜が内外層から物理的に拘束されるので、正方晶から単斜晶に変態させたときの体積膨張によるクラックの発生を抑制しながら、効果的に圧縮残留応力を導入することができる。この場合、最外層に圧縮残留応力を有することにならないため、切削時に被膜に圧縮応力が付加されても、Al 2 O 3 被膜に圧縮破壊が生じることを防止できる。
【0017】
【実施例】
(実施例1)
表1に示す硬質母材と表2に示す被覆層(公知の化学蒸着法により蒸着温度1000℃で被覆、ZrO2を含有するAl2O3は原料ガスにAl2O3、ZrCl4、CO2、H2を用いて作製を組み合わせた工具材質(表3)を準備した。なお、このときのZrO2を含有するAl2O3膜中におけるZrO2は35mol%であった。被膜の残留応力は被覆後、200μmの鉄球メディアを用いて、投射空気圧2.5kg/cm2にて処理時間を種々変化させることによって導入した。試料はチップ形状に作成し、SNGN120408なる形状とし、表4に示す切削条件で切削性能評価を行った。被削材は図1に示すような円周上に4つの溝を有する形状のものを用い、寿命はチップが欠けるまでの時間で測定した。
【0018】
表3の結果により、本発明品No.1とNo.3〜5のチップは本発明外品No.2とNo.6〜10のチップと比較して低速切削条件(切削条件1)だけでなく、高速切削条件(切削条件2)でも優れた切削性能を示すことがわかる。No.1とNo.2のチップの比較により、ZrO2を含有するするAl2O3膜に圧縮残留応力を有するNo.1のチップは圧縮残留応力を有しないNo.2のチップよりも耐欠損性に優れることがわかる。No.1とNo.6のチップの比較により、ZrO2を含有するAl2O3膜に圧縮残留応力を有する効果の有無がわかる。また、No.1とNo.7のチップの比較によりすべての被膜に圧縮残留応力を有するNo.7のチップよりもZrO2を含有するAl2O3膜にのみ、構造的に圧縮残留応力を有するNo.1のチップの方が耐欠損性に優れることがわかる。また、No.2とNo.7のチップの比較により、すべての被膜に圧縮残留応力を有していると、低速切削条件では、圧縮破壊しやすく、高速切削条件ではZrO2を含有するAl2O3膜を有しないNo.7のチップの圧縮残留応力は熱的に不安定で、切削熱により解放されるため、No.7のチップの寿命はNo.2のチップと同じ程度であった。次にNo.3とNo.8のチップの比較により、ZrO2を含有するAl2O3膜以外の膜が10kgf/mm2よりも大きい引っ張り残留応力を有するNo.8のチップはNo.3のチップよりも耐欠損性に劣ることがわかる。また、No.4とNo.9のチップの比較により、すべての被膜に引っ張り残留応力を有するNo.9のチップよりもZrO2を含有するAl2O3膜にのみ圧縮残留応力を有するチップ4の方が耐欠損性に優れることがわかる。次にNo.5とNo.10のチップの比較により、ZrO2を含有するAl2O3膜の残留応力が30kg/mm2を越える圧縮応力を有するNo.10のチップよりもNo.5のチップの方が耐欠損性に優れることがわかる。
【0019】
(実施例2)
表3に示すNo.3のチップ(表1の母材3の表面に表2の膜Cを被覆)と母材3の表面に表2の膜Cの外側に2μmのAl2O3膜を被覆(表6の膜C1)したNo.11のチップを用いて、切削条件3にて切削テストを行った結果、表5に示す結果となった。No.3のチップとNo.11の比較により、ZrO2を含有するAl2O3膜が最外層の膜でない時には、ZrO2を含有するAl2O3膜が最外層であるときと比べて耐欠損性が向上することがわかる。これは、ZrO2を含有するAl2O3膜が内外層より拘束されるため、変態時の体積膨張でクラックが発生することが抑制され、より効果的に圧縮残留応力が発生した結果であると思われた。
【0020】
(実施例3)
母材1に膜質Aを被覆する際に、ZrO2を含有するAl2O3を被覆する条件のみを実施例1のときと変えて、原料ガスに(Zr(CH3COCHCOCH3)4)、(Al(CH3COCHCOCH3)3)を用い、酸化ガスに水素、二酸化炭素、キャリアガスにアルゴンを用いて、500〜1300℃にて被覆した。この結果、Al2O3膜中のZrO2の結晶粒は0.005〜5μmの粒状晶となり、被覆後に700℃に加熱後、水中に急冷する処理を行ったところ、表7に示す圧縮残留応力がZrO2を含有するAl2O3膜に発生し、切削テストを行った結果についても表7中に記載した。この結果、0.01〜2μmの粒径のZrO2を含有するAl2O3膜を有するNo.13〜15のチップは大きな圧縮残留応力を有し、耐欠損性も特に優れることがわかった。
【0021】
(実施例4)
母材2に膜質Aを実施例1と同様にして作成したNo.17のチップとZrO2を含有するAl2O3を被覆する条件のうち、AlCl3とZrCl4のガス量の比のみを実施例1のときと変えて被覆したNo.18〜22のチップを作成した。この結果、Al2O3膜中のZrO2のモル%は3〜80mol%となり、被覆後に弾性砥石を用いてラッピング処理を行ったところ、表8に示す圧縮残留応力がZrO2を含有するAl2O3膜に発生した。切削テストを行った結果についても表8中に記載した。この結果、5〜50mol%のZrO2を含有するAl2O3膜を有するNo.18〜21のチップは大きな圧縮残留応力を有し、耐欠損性も特に優れることがわかった。
【0022】
(実施例5)
母材1に膜質Bを被覆する際にZrO2を含有するAl2O3被覆を原料ガスに(Zr(CH3COCHCOCH3)4)、(Al(CH3COCHCOCH3)3)、(Y(CH3COCHCOCH3)3)を用い、酸化ガスに酸素、キャリアガスにアルゴンを用いて、ZrとAlとY源のガス供給を制御し、900℃にてNo.23〜28のチップを作成した。この結果、ZrO2を含有するAl2O3膜中の正方晶の割合は表9に示すように0〜100%まで変化した。この被覆合金にSiCを含有した約5mmのプラスチックメディアにより、10分間遠心バレル機で処理を行ったところ、表9に示す圧縮残留応力がZrO2を含有するAl2O3膜に発生した。バレル後のZrO2を含有するAl2O3膜の結晶相をXRD分析により同定すると、すべてのチップで正方晶から単斜晶への変態が確認された。切削テストを行った結果についても表9中に記載した。この結果、正方晶がバレル処理前に20〜100%含まれるNo.25〜28のチップはバレル処理の結果、ZrO2を含有するAl2O3膜に圧縮残留応力を導入することができたが、正方晶が0〜20%の正方晶をバレル処理前に含有するNo.23〜24のチップは圧縮残留応力の発生が不十分であった。
【0023】
(実施例6)
母材1に膜質Aを実施例1と同様にして作成したチップと母材1に膜質Bを被覆したチップに、100μmのガラスビーズを用いて、投射空気圧2kg/cm2 にてショットピーニング処理し、圧縮残留応力を導入したNo.29〜30のチップを準備した。No.29〜30のチップの被膜中に導入された残留応力をXRD装置により測定したところ、No.29のチップのZrO2を含有するAl2O3膜中とNo.30のチップのAl2O3膜中にはそれぞれ10kgf/mm2 の圧縮応力が導入されていた。このNo.29〜30のチップを用いて、表10に示す条件で耐欠損性テストを行ったところ、表11に示す結果となった。このときの切削温度を工具−被削材熱電対法で測定した結果についても、表11中に記載した。また、切削後のコーナー部での圧縮残留応力を再度測定した結果、表12に示すような値に変化していた。これらの結果から分かるように、No.29のチップの圧縮残留応力は切削温度が500℃〜1100℃の範囲になったときでもZrO2を含有するAl2O3膜中の圧縮残留応力は解放されておらず、No.30の膜中に導入された圧縮残留応力は700℃以上の切削温度となる条件で解放されてしまう結果、No.29のチップの方が優れた耐欠損性を幅広い切削条件で示すことがわかる。このように、ZrO2を含有するAl2O3膜中に変態時の熱膨張により圧縮残留応力を発生させた本発明品のNo.29のチップは、ショットピーニングにより、被膜中に歪みを導入して圧縮残留応力を発生させたNo.30のチップと比較して幅広い切削条件で優れた耐欠損性を示すことがわかる。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】
【表4】
【0028】
【表5】
【0029】
【表6】
【0030】
【表7】
【0031】
【表8】
【0032】
【表9】
【0033】
【表10】
【0034】
【表11】
【0035】
【表12】
【0036】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、熱的に安定で、切削熱によって圧縮応力が解放されない、強度及び耐欠損性に優れた、切削工具材料として好適な被覆硬質材料が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 切削性能評価試験に使用した被削材の断面図
Claims (6)
- 硬質合金、サーメット又はセラミックスからなる硬質母材の表面に、ZrO2を含有する少なくとも一層のAl2O3被膜を有し、このAl2O3被膜中のZrO2の結晶相の少なくとも一部が、正方晶から単斜晶に変態され、この変態による体積膨張によりZrO2を含有するAl2O3被膜に−2〜−30kgf/mm2の残留応力が付与され、ZrO2を含有するAl2O3被膜以外の硬質被膜の残留応力が0〜10kgf/mm2である硬質合金、サーメット又はセラミックスからなる被覆硬質材料。
- 硬質母材の表面に、ZrO2を含有する少なくとも一層のAl2O3被膜と、他の硬質被膜とが被覆され、ZrO2を含有するAl2O3被膜の外層に他の硬質被膜が位置する請求項1記載の被覆硬質材料。
- 上記Al2O3被膜中のZrO2が、粒径0.01〜2μmの粒状晶からなる請求項1又は2に記載の被覆硬質材料。
- 上記Al2O3被膜中のZrO2が、5〜50mol%である請求項1〜3のいずれかの項に記載の被覆硬質材料。
- 上記Al2O3被膜中のZrO2が、20〜100%の正方晶を含有し、この正方晶を単斜晶に変態させてある請求項1〜4のいずれかの項に記載の被覆硬質材料。
- 硬質合金、サーメット又はセラミックスからなる硬質母材の表面に、少なくとも一部が正方晶のZrO2を含有するAl2O3被膜を被覆した後、このAl2O3被膜に衝撃を加えることによって、Al2O3被膜中のZrO2の正方晶を単斜晶に変態させ、この変態時の体積膨張によりZrO2を含有するAl2O3被膜に−2〜−30kgf/mm2の圧縮残留応力を導入し、ZrO2を含有するAl2O3被膜以外の硬質被膜の残留応力を0〜10kgf/mm2とすることを特徴とする硬質合金、サーメット又はセラミックスからなる被覆硬質材料の製造方法。
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