JP3922330B2 - 硬質被覆層がすぐれた熱遮断性および層間密着性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた熱遮断性を有し、これによって切刃部の特に高温での温度上昇が抑制され、さらに硬質被覆層がすぐれた層間密着性も具備することから、特に高い熱発生を伴う高速切削を連続切削は勿論のこと、断続切削条件で行った場合にも硬質被覆層に剥離の発生なく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具(以下、被覆超硬工具という)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、一般に、例えば特開平6−31503号公報、特開平6−316758号公報、および特開平7−216549号公報などに記載されるように、炭化タングステン基超硬合金基体(以下、超硬基体という)の表面に、いずれも0.1〜20μmの平均層厚を有する、炭化チタン(以下、TiCで示す)層、窒化チタン(以下、同じくTiNで示す)層、炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)層、炭酸化チタン(以下、TiCOで示す)層、窒酸化チタン(以下、TiNOで示す)層、および炭窒酸化チタン(以下、TiCNOで示す)層のうちの1種または2種以上からなるTi化合物層と、0.5〜20μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム(以下、Al2 O3 で示す)層とで構成された硬質被覆層を3〜30μmの全体平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具が知られており、また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ることも知られている。
また、一般に上記の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するTi化合物層およびAl2 O3 層が粒状結晶組織を有し、かつ前記Al2 O3 層にはα型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどがあることも良く知られており、さらに例えば特開平6−8010号公報や特開平7−328808号公報などで知られるように、前記Ti化合物層を構成するTiCN層を、層自身の靭性向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、700〜950℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の切削装置の高性能化および高出力化はめざましく、かつ切削加工の省力化および低コスト化に対する要求も強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを高熱発生を伴う高速切削に用いた場合、硬質被覆層のうちのAl2 O3 層はTi化合物層に比して相対的に高温熱伝導率が小さく、このため切刃部の温度上昇をある程度抑制する熱遮断効果を発揮するが、熱発生の大きい高速切削では十分満足な熱遮断効果を示すものではなく、この結果切刃部全体の温度上昇は避けられず、これが原因で摩耗が急速に進行し、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【0004】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、被覆超硬工具の硬質被覆層に一段とすぐれた熱遮断作用を付与すべく研究を行った結果、
(1)上記従来被覆超硬工具の硬質被覆層において、これを構成するAl2 O3 層に代わって、オージェ電子分光分析装置による観察で、Al2 O3 相と酸化ジルコニウム(以下、ZrO2 で示す)相の2相混合組織を有し、かつ前記ZrO2 相の割合が前記Al2 O3 相との合量に占める割合で0.1〜40重量%を満足する2相混合酸化物層を用いると、この2相混合酸化物層は、Al2 O3 のもつすぐれた耐熱性と強度を具備した上で、前記ZrO2 相によって高温熱伝導率が一段と低下したものになり、この結果すぐれた熱遮断性を発揮することから、切刃部の温度上昇が著しく抑制され、摩耗進行も同時に抑制されるようになること。
(2)上記2相混合酸化物層は、化学蒸着法を用い、
反応ガス組成(容量%で、以下同じ)−AlCl3 :1〜10%、ZrCl4 :0.01〜10%、CO2 :1〜30%、HCl:1〜30%、H2 S:0.01〜1%、H2 :残、
雰囲気温度:850〜1050℃、
雰囲気圧力:30〜500Torr、
の条件で形成することができること。
【0005】
(3)上記2相混合酸化物層は、他の構成層であるTi化合物層との層間密着性に劣るが、同じくオージェ電子分光分析装置による観察で、主体が三酸化二チタン(以下、Ti2 O3 で示す)からなり、かつ酸素(O)以外の非金属元素として炭素(C)および窒素(N)を、合量で、O(酸素)との合量に占める割合で1〜20原子%含有するTi2 O3 主体層、すなわちCとNがTi2 O3 を形成するOとの合量に占める割合で、合量で1〜20原子%含有し、残りが実質的にTi2 O3 [微量のCl(塩素)を不可避不純物として含有する場合がある]からなるTi2 O3 主体層は、Ti化合物層および上記2相混合酸化物層の両層と著しく強固に密着する性質をもち、かつCおよびNの含有によって層自体の強度も向上したものになること。
(4)上記Ti2 O3 主体層は、化学蒸着法を用い、
反応ガス組成(容量%で、以下同じ)−TiCl4 :0.5〜10%、Ar:1〜30%、CO:0.5〜5%、CO2 :0.5〜10%、N2 :1〜40%、H2 :残り、
雰囲気温度:800〜1100℃、
雰囲気圧力:30〜500Torr、
の条件で形成することができること。
【0006】
(5)したがって、硬質被覆層を、いずれも化学蒸着法を用いて形成した上記Ti化合物層、上記2相混合酸化物層、および上記Ti2 O3 主体層で構成し、かつ前記Ti化合物層と前記2相混合酸化物層との間に、層間密着性を向上させる目的で前記Ti2 O3 主体層を介在させた層構造とした被覆超硬工具は、前記2相混合酸化物層がAl2 O3 層と同等のすぐれた耐熱性および強度を具備した上で、これより一段と低い高温熱伝導率をもち、この結果すぐれた熱遮断作用を発揮し、切刃部の温度上昇を抑制することから、例えば鋼や鋳鉄の高い熱発生を伴う連続高速切削は勿論のこと、さらに高熱発生に加えて高い熱衝撃も加わる断続高速切削に用いた場合にも、前記Ti2 O3 主体層が前記2相混合酸化物層および前記Ti化合物層と著しく強固に密着することと相まって、硬質被覆層に剥離の発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮すること。
以上(1)〜(5)に示される研究結果を得たのである。
【0007】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、超硬基体の表面に、
いずれも0.1〜20μmの平均層厚を有する、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、TiNO層、およびTiCNO層のうちの1種または2種以上からなるTi化合物層と、
0.5〜20μmの平均層厚を有する、オージェ電子分光分析装置による観察で、Al2 O3 相とZrO2 相の2相混合組織を有し、かつ前記ZrO2 相の割合が前記Al2 O3 相との合量に占める割合で0.1〜40重量%を満足する2相混合酸化物層と、
0.1〜5μmの平均層厚を有する、同じくオージェ電子分光分析装置による観察で、主体がTi2 O3 からなり、かつO以外の非金属元素としてCおよびNを、合量で、Oとの合量に占める割合で1〜20原子%含有するTi2 O3 主体層、
で構成され、かつ前記Ti化合物層と前記2相混合酸化物層との間に、前記Ti2 O3 主体層を介在させた層構造をもった硬質被覆層を3〜30μmの全体平均層厚で化学蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた熱遮断性および層間密着性を有する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【0008】
つぎに、この発明の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成する2相混合酸化物層、Ti2 O3 主体層、およびTi化合物層について説明する。
(a)2相混合酸化物層
2相混合酸化物層は、上記の通り高温熱伝導率がAl2 O3 層に比して一段と低く、かつAl2 O3 層と同等のすぐれた耐熱性と強度を合わせもち、前記の高温熱伝導率の低下はZrO2 相、前記耐熱性と強度はAl2 O3 相によってそれぞれもたらされるものである。したがって、ZrO2 相の割合がAl2 O3 相との合量に占める割合で0.1重量%未満では所望の高温熱伝導率低下が図れず、一方その割合が同じく40重量%を越えると相対的にAl2 O3 相の割合が低くなり過ぎて耐熱性および強度が急激に低下するようになることから、ZrO2 相の割合をAl2 O3 相との合量に占める割合で0.1〜40重量%、望ましくは1〜15重量%、さらに望ましくは2〜6重量%と定めた。
また、上記2相混合酸化物層の平均層厚を0.5〜20μmとしたのは、その厚さが0.5μm未満では2相混合酸化物層のもつ上記の特性を十分に発揮することができず、一方その厚さが20μmを越えると、切刃に欠けやチッピング(微小欠け)が発生し易くなるという理由によるものである。
【0009】
(b)Ti2 O3 主体層
Ti2 O3 主体層におけるCおよびNには層自体の強度を向上させる作用があるが、その含有量がOとの合量に占める割合で1原子%未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その含有量が同じく20原子%を越えると、Ti2 O3 のもつすぐれた層間密着性が損なわれるようになることから、その含有量を1〜20原子%と定めた。
なお、この場合、Ti2 O3 主体層中のCとNの含有割合は、反応ガス中の
CO、CO2 、Ar、およびN2 の含有割合を調整することによって制御でき、またCとNの相互割合は、CO、CO2 、およびN2 の相互割合を調整することによって制御できるが、CとNは共に層自体の強度向上に均等作用を発揮するので、合量で1〜20原子%の範囲内の所定含有割合であれば、CがNに比して相対的に多くても、逆にCがNに比して少なくても前記強度向上効果に変りはないことから、CおよびNの含有量を合量で1〜20原子%としたのである。
また、上記Ti2 O3 主体層の平均層厚を0.1〜5μmとしたのは、その厚さが0.1μm未満では2相混合酸化物層およびTi化合物層との間に所望のすぐれた層間密着性を確保することができず、一方その厚さが5μmを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由によるものである。
【0010】
(c)Ti化合物層
Ti化合物層には、自身のもつすぐれた靭性によって硬質被覆層の耐欠損性を向上させる作用があるが、その個々の平均層厚が0.1μm未満では十分な靭性向上効果が発揮できず、一方その平均層厚が20μmを越えると、摩耗が急激に進行するようになることから、その平均層厚を0.1〜20μmと定めた。
なお、硬質被覆層の全体平均層厚を3〜30μmとしたのは、その全体平均層厚が3μm未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その全体平均層厚が30μmを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由からである。
【0011】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬工具を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、いずれも0.5〜5μmの範囲内の所定の平均粒径を有するWC粉末、(Ti,W)C(重量比で、以下同じ、TiC/WC=30/70)粉末、(Ti,W)CN(TiC/TiN/WC=24/20/56)粉末、(Ta,Nb)C(TaC/NbC=90/10)粉末、Cr3 C2 粉末、および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、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ISO・CNMG120402(超硬基体A〜C用)および同SEEN42AFTN1(超硬基体D、D用)に定める形状をもったスローアウエイチップ型の超硬基体A〜Eをそれぞれ製造した。
なお、上記超硬基体AおよびBには、焼結したままで、表面部に結合相形成成分であるCo含有量が超硬基体内部に比して相対的に高いCo富化帯域が形成されており、残りの超硬基体C、D、およびEには、前記Co富化帯域の形成がなく、全体的に均質な組織をもつものであった。
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。
【0012】
ついで、これらの超硬基体A〜Eの表面に、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2〜4(表2におけるl−TiCNは、例えば特開平6−8010号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつたTiCN層に相当するものであり、これ以外の条件で形成された層はいずれも粒状結晶組織をもつものである)に示される条件にて、表5、6に示される目標組成および目標層厚(切刃の逃げ面)の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1〜8をそれぞれ製造した。
なお、本発明被覆超硬工具1〜12について、それぞれの切刃逃げ面を、Cukα線を線源として用いたX線回折で、X線回折パターンを観察したところ、いずれもTi2 O3 の回折角(2θ)である24.0±1度、34.5±1度、61.0±1度、および63.0±1度に回折ピークが現われ、これによってTi2 O3 主体層は、主体がTi2 O3 からなることが確認でき、さらに工具縦断面を鏡面研磨仕上げした状態で、工具すくい面および逃げ面におけるTi2 O3 主体層のCおよびN含有量、並びに2相混合酸化物層のZrO2 相の割合を、オージェ電子分光分析装置を用いて測定したところ、いずれもTi2 O3 主体層中のC、N、およびOの合量に占めるCおよびNの合量の割合、並びに2相混合酸化物層中のAl2 O3 相およびZrO2 相の合量に占めるZrO2 相の割合は表3、4の目標含有量と実質的に同じ値を示した。
また、硬質被覆層を構成する構成層はいずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚をもつものであった。
【0013】
つぎに、上記本発明被覆超硬工具1〜8および従来被覆超硬工具1〜6について、
被削材:JIS・S35C(硬さ:HB 178)の丸棒、
切削速度:400m/min.、
切込み:3mm、
送り:0.25mm/rev.、
切削時間:7分、
の条件での炭素鋼の乾式高速連続切削試験、並びに、
被削材:JIS・SCM440(硬さ:HB 210)の角材、
切削速度:300m/min.、
切込み:3.5mm、
0送り:0.2mm/rev.、
切削時間:5分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験を行い、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7に示した。
また、上記本発明被覆超硬工具9〜12および従来被覆超硬工具7、8について、
被削材:幅100mm×長さ500mmの寸法をもったJIS・S25C(硬さ:HB 150)の角材、
切削速度:310m/min.、
切込み:1.8mm、
送り:0.17mm/刃、
切削時間:10分、
の条件での軟鋼の乾式高速フライス切削試験を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果も表7に示した。
【0014】
【表1】
【0015】
【表2】
【0016】
【表3】
【0017】
【表4】
【0018】
【表5】
【0019】
【表6】
【0020】
【表7】
【0021】
【発明の効果】
表5〜7に示される結果から、硬質被覆層がTi化合物層、2相混合酸化物層、およびTi2 O3 主体層からなる本発明被覆超硬工具1〜12は、硬質被覆層がTi化合物層とAl2 O3 層からなる従来被覆超硬工具1〜8に比して、高速連続切削ではすぐれた耐摩耗性を示し、また高速断続切削および高速フライス切削では、従来被覆超硬工具においては、硬質被覆層を構成するTi化合物層とAl2 O3 層の層間密着性が不十分なために比較的短時間で硬質被覆層にいずれも剥離が発生し、これが原因で使用寿命に至るのに対して、本発明被覆超硬工具では、硬質被覆層に剥離の発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮す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、これの硬質被覆層がすぐれた熱遮断性を有し、さらにこれの構成層が相互間ですぐれた層間密着性を有するので、例えば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、特にこれらの切削を高熱発生を伴う高速で行っても、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、したがって切削加工の高速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。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、
(a) いずれも0.1〜20μmの平均層厚を有する、炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの1種または2種以上からなるTi化合物層と、
(b) 0.5〜20μmの平均層厚を有し、オージェ電子分光分析装置による観察で、酸化アルミニウム相と酸化ジルコニウム相の2相混合組織を示し、かつ前記酸化ジルコニウム相の割合が前記酸化アルミニウム相との合量に占める割合で0.1〜40重量%である2相混合酸化物層と、
(c) 0.1〜5μmの平均層厚を有し、主体が三酸化二チタンからなり、オージェ電子分光分析装置による観察で、酸素以外の非金属元素として炭素および窒素を、合量で、酸素との合量に占める割合で1〜20原子%含有する三酸化二チタン主体層、
で構成され、かつ前記Ti化合物層と前記2相混合酸化物層との間に、前記三酸化二チタン主体層を介在させた層構造をもった硬質被覆層を3〜30μmの全体平均層厚で化学蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた熱遮断性および層間密着性を有する表面被覆超硬合金製切削工具。
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