JP3985412B2 - 耐摩耗性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、すぐれた耐摩耗性を有し、したがって例えば鋼の連続切削や断続切削で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、被覆超硬切削工具と云う）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、例えば図１に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置を用い、ヒーターで装置内を例えば７００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＴｉ−Ａｌ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間にアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスを導入し、一方炭化タングステン（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）基サーメットからなる工具基体（以下、これらを総称して超硬工具基体と云う）には、例えば−１２０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬工具基体の表面に、例えば特開昭６２−５６５６５号公報に記載されるように、ＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層および複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮで示す］層のうちの１種の単層または２種の複層からなる強靭性被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着することにより製造された被覆超硬切削工具が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の切削加工のＦＡ化および高速化はめざましく、かつ切削加工の省力化および省エネ化に対する要求もつよく、これに伴い、切削工具には使用寿命の延命化が強く望まれているが、上記の従来被覆超硬切削工具の場合、これを構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層からなる強靭性被覆層はすぐれた強度および靭性を有し、良好な耐チッピング性（工具切刃に微小欠けが発生しにくい性質）を示すものの、耐摩耗性が十分でないために、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、上記の従来被覆超硬切削工具の耐摩耗性向上を図るべく、特にこれを構成する硬質被覆層に着目し、研究を行なった結果、
（ａ）物理蒸着法により被覆層としての酸化アルミニウム層を形成する試みがなされており、この結果形成された形成された酸化アルミニウム層は、耐熱性にすぐれ、かつ高硬度を有することから、耐摩耗性向上を図る上で望ましいものであるが、前記酸化アルミニウム層は上記の従来被覆超硬切削工具を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層との密着性に劣るものであることから、前記従来被覆超硬切削工具の表面に前記酸化アルミニウム層を形成してなる被覆超硬切削工具においては、特に工具切刃に高い負荷のかかる断続切削を高切込みや高送りなどの重切削条件で行った場合に前記酸化アルミニウム層に剥離が発生し易く、実用に供することができないこと。
【０００５】
（ｂ）上記の従来被覆超硬切削工具を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層の表面に、上記の酸化アルミニウム層を物理蒸着法により形成するに際して、これを物理蒸着法の１種であるアークイオンプレーティン法に特定すると共に、ＴｉとＡｌの複合炭酸化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＯで示す］層およびＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯで示す］層のうちのいずれか、または両方を介して、Ａｌよりイオン半径の著しく大きいＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆ、すなわちイオン半径が０．５７オングストロームのＡｌに対して、それぞれイオン半径が０．７６オングストロームのＴｉ、同０．８７オングストロームのＺｒ、および同０．８４オングストロームのＨｆのうちの１種または２種以上を、Ａｌ₂ Ｏ₃ の結晶構造におけるＡｌ原子の一部をＡｌとの合量に占める割合で０．０１〜１０原子％、望ましくは０．０２〜５原子％の割合で置換した形で固溶含有してなるＡｌ₂ Ｏ₃ 主体層を形成すると、この結果のＡｌ₂ Ｏ₃のもつ結晶構造を保持したままのＡｌ₂ Ｏ₃ 主体層は、同じくアークイオンプレーティン装置にて形成されたＡｌ ₂ Ｏ ₃ 層、すなわち、前記Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆを一部置換固溶含有しないが、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ のもつ結晶構造を有するＡｌ₂ Ｏ₃層が、層厚にも影響されるが０．２〜０．８ＧＰａの圧縮残留応力をもつのに対して、大きなイオン半径差による格子内歪みの著しい増大によって、１．２〜３ＧＰａの圧縮残留応力をもつようになり、このように圧縮残留応力のきわめて高いＡｌ₂ Ｏ₃ 主体層は上記（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＯ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ層に著しく強固に密着し、かつＡｌ₂ Ｏ₃の具備する特性をそのまま保持し、一方前記（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＯ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ層は前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層に対する密着性にすぐれたものであるから、前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層の表面に、さらに前記（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＯ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ層を介して前記Ａｌ₂ Ｏ₃ 主体層をアークイオンプレーティン装置にて形成してなる被覆超硬切削工具は、例えば鋼の断続切削を、特に工具切刃に高い負荷のかかる高切込みや高送りなどの重切削条件で行っても前記Ａｌ₂ Ｏ₃ 主体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ようになること。
以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００６】
この発明は、上記の研究結果にもとづいてなされたものであって、
（ａ）アークイオンプレーティング装置にて、超硬工具基体の表面に、カソード電極（蒸発源）としてＴｉ−Ａｌ合金を用い、反応ガスとして窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスを導入して形成された（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層のうちの１種の単層または２種の複層からなり、かつ、０．５〜１５μｍの平均層厚を有する強靭性被覆層を形成し、
（ｂ）同じくアークイオンプレーティング装置にて、上記強靭性被覆層の表面に、カソード電極（蒸発源）としてＴｉ−Ａｌ合金を用い、反応ガスとしてメタンガスと酸素ガス、またはメタンガスと窒素ガスと酸素ガスを導入して形成された（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＯ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ層のうちの１種の単層または２種の複層からなる密着性中間被覆層からなり、かつ、０．１〜１０μｍの平均層厚を有する密着性中間被覆層を形成し、
（ｃ）さらにアークイオンプレーティング装置にて、上記密着性中間被覆層の表面に、カソード電極（蒸発源）としてＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種または２種以上を含有したＡｌ−（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）合金を用い、反応ガスとして酸素ガスを導入して形成された、Ａｌ₂ Ｏ_３のもつ結晶構造を保持したままで、Ａｌの一部をＡｌとの合量に占める割合で０．０２〜５原子％のＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種または２種以上で置換固溶含有してなる、高い圧縮残留応力を有するＡｌ₂ Ｏ_３主体層からなり、かつ、０．５〜１５μｍの平均層厚を有する耐摩耗性被覆層を形成してなる、耐摩耗性のすぐれた被覆超硬切削工具に特徴を有するものである。
【０００７】
なお、この発明の被覆超硬切削工具において、これを構成する強靭性被覆層、密着性中間被覆層、および耐摩耗性被覆層の平均層厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）強靭性被覆層
その平均層厚が０．５μｍ未満では所望のすぐれた強靭性を確保することができず、この結果切刃に欠けやチッピング（微小欠け）が発生し易くなり、一方その層厚が１５μｍを越えると切削時に発生する高熱によって熱塑性変形を起し、切刃に偏摩耗が発生し、これが原因で摩耗進行が急激に促進されるようになることから、その平均層厚を０．５〜１５μｍと定めた。
（ｂ）密着性中間被覆層
その平均層厚が０．１μｍ未満では、上記の強靭性被覆層と耐摩耗性被覆層との間に強固な密着性を確保することができず、一方その平均層厚が１０μｍを越えると、物理蒸着被覆層全体の脆化を促進し、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．１〜１０μｍと定めた。
（ｃ）耐摩耗性被覆層
その平均層厚が０．５μｍ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、一方その平均層厚が１５μｍを越えると切刃に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜１５μｍと定めた。
【０００８】
また、上記耐摩耗性被覆層におけるＡｌのＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆによる置換含有割合を０．０２〜５原子％としたのは、その含有割合が０．０２原子％未満では前記耐摩耗性被覆層に上記密着性中間被覆層との間に十分な密着性を確保することのできる圧縮残留応力を形成することができない場合が生じ、一方その含有割合が５原子％を越えると圧縮残留応力が大きくなりすぎ、切削条件によっては自己破壊を起こす場合が生じるようになるという理由にもとづくものである。
さらに、上記耐摩耗性被覆層の上に、必要に応じてＴｉＮ層を０．１〜２μｍの平均層厚で形成してもよく、これはＴｉＮ層が黄金色の色調を有し、この色調によって切削工具の使用前と使用後の識別が容易になるという理由からで、この場合その層厚が０．１μｍ未満では前記色調の付与が不十分であり、一方前記色調の付与は２μｍまでの平均層厚で十分である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
ついで、この発明の被覆超硬切削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１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ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、１．５×１０⁸Ｐａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０５のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＳＰＧＡ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の超硬工具基体Ａ−１〜Ａ−４を形成した。
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ₂ Ｃ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９．８×１０⁷Ｐａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３×１０³Ｐａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０６のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の超硬工具基体Ｂ−３，４を形成した。
【００１０】
ついで、これら超硬工具基体Ａ−１〜Ａ−４およびＢ−３，４を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図１に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、一方カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、装置内を排気して１．３×１０^-3Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを装置内に導入して２．５ＰａのＡｒ雰囲気とし、この状態で超硬工具基体に−８００ｖのパルスバイアス電圧を印加して超硬工具基体表面をＡｒガスボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスを導入して２．５Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬工具基体に印加するパルスバイアス電圧を−２００ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記超硬工具基体Ａ−１〜Ａ−４およびＢ−３，４のそれぞれの表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の強靭性被覆層を形成することにより従来被覆超硬切削工具１〜８をそれぞれ製造した。
【００１１】
ついで、これら従来被覆超硬切削工具１〜８のそれぞれの表面に、同じく図１のアークイオンプレーティング装置にて、カソード電極（蒸発源）として、密着性中間被覆層形成には種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金、また耐摩耗性被覆層形成にはＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種または２種以上を所定量含有したＡｌ−（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）合金を装着し、装置内を排気して１．３×１０^-3Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を６２０〜７２０℃の範囲内の所定の温度に加熱した状態で、超硬工具基体に印加するパルスバイアス電圧を−７００Ｖとし、ついで装置内に反応ガスとして、密着性中間被覆層形成にはメタンガスと酸素ガス、あるいはメタンガスと窒素ガスと酸素ガス、また耐摩耗性被覆層形成には酸素ガスを導入しながら、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって表４に示される目標組成および目標層厚の密着性中間被覆層および耐摩耗性被覆層を形成することにより本発明被覆超硬切削工具１〜８をそれぞれ製造した。
【００１２】
上記本発明被覆超硬切削工具１〜２２の耐摩耗性被覆層を構成するＡｌ₂ Ｏ₃ 主体層におけるＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆの含有量を、エネルギー分散型Ｘ線測定装置を用いて定量分析したところ、表５の目標含有量と実質的に同じ含有量を示し、また前記Ａｌ₂ Ｏ₃ 主体層の圧縮残留応力をＸ線応力測定法を用いて測定したところ、同じく表５に示される結果を示した。さらに各種被覆層の組成および層厚についてもオージェ分光分析法および光学顕微鏡にて測定したところ、表３〜８の目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成および平均層厚（任意５ヶ所測定の平均値との比較）を示した。
【００１３】
ついで、この結果得られた各種の被覆超硬切削工具のうち、本発明被覆超硬切削工具１〜６および従来被覆超硬切削工具１〜６について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３００ｍ／min.、
送り：０．３ｍｍ／rev.、
切込み：３．０ｍｍ、
切削時間：１０分、
の条件での炭素鋼の乾式断続高切込み切削試験、および、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２８０ｍ／min.、
送り：０．４２ｍｍ／rev.、
切込み：１．５ｍｍ、
切削時間：１０分、
の条件での合金鋼の乾式断続高送り切削試験を行ない、また本発明被覆超硬切削工具７，８および従来被覆超硬切削工具７，８については、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４２０ｍ／min.、
送り：０．３ｍｍ／rev.、
切込み：３．０ｍｍ、
切削時間：１０分、
の条件での炭素鋼の乾式断続高切込み切削試験、および、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／min.、
送り：０．４５ｍｍ／rev.、
切込み：１．５ｍｍ、
切削時間：１０分、
の条件での合金鋼の乾式断続高送り切削試験を行ない、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表６に示した。
【００１４】
【表１】

【００１５】
【表２】

【００１６】
【表３】

【００１７】
【表４】

【００１８】
【表５】

【００１９】
【表６】

【００２０】
【発明の効果】
表３〜６に示される結果から、本発明被覆超硬切削工具１〜８は、いずれも耐摩耗性被覆層を構成するＡｌ₂ Ｏ₃ 主体層がＡｌに比してイオン半径の著しく大きいＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種以上を置換含有し、これによって著しく高い圧縮残留応力を保持するようになって、密着性中間被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＯ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ層に強固に密着し、一方前記密着性中間被覆層は上記の強靭性被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層に対しも強固に密着するので、鋼の断続切削を高切込みおよび高送りの重切削条件で行っても前記Ａｌ₂ Ｏ₃ 主体層に剥離の発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、従来被覆超硬切削工具１〜８は、いずれもこれの強靭性被覆層の耐摩耗性不足が原因で、上記のような苛酷な条件下では摩耗進行が速いことが明らかである。
上述のように、この発明の被覆超硬切削工具は、耐摩耗性被覆層を構成するＡｌ₂ Ｏ₃ 主体層のもつすぐれた耐摩耗性および密着性中間被覆層に対するすぐれた密着性、さらに超硬工具基体と強靭性被覆層、並びに強靭性被覆層と密着性中間被覆層との間に確保される良好な密着性によって、通常の条件での各種鋼の連続切削および断続切削は勿論のこと、きわめて苛酷な切削条件である断続切削を高切り込みおよび高送りの重切削条件で行っても前記Ａｌ₂ Ｏ₃ 主体層に剥離の発生なく、かつ切刃に欠けやチッピングの発生もなく、すぐれた耐摩耗性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであり、切削加工の省エネ化および省力化に十分満足に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims (1)

1. （ａ）アークイオンプレーティング装置にて、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、カソード電極（蒸発源）としてＴｉ−Ａｌ合金を用い、反応ガスとして窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスを導入して形成されたＴｉとＡｌの複合窒化物層および複合炭窒化物層のうちの１種の単層または２種の複層からなり、かつ、０．５〜１５μｍの平均層厚を有する強靭性被覆層を形成し、
   （ｂ）同じくアークイオンプレーティング装置にて、上記強靭性被覆層の表面に、カソード電極（蒸発源）としてＴｉ−Ａｌ合金を用い、反応ガスとしてメタンガスと酸素ガス、またはメタンガスと窒素ガスと酸素ガスを導入して形成されたＴｉとＡｌの複合炭酸化物層および複合炭窒酸化物層のうちの１種の単層または２種の複層からなり、かつ、０．１〜１０μｍの平均層厚を有する密着性中間被覆層を形成し、
   （ｃ）さらにアークイオンプレーティング装置にて、上記密着性中間被覆層の表面に、カソード電極（蒸発源）としてＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種または２種以上を含有したＡｌ−（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）合金を用い、反応ガスとして酸素ガスを導入して形成された、Ａｌ ₂ Ｏ _３ のもつ結晶構造を保持したままで、Ａｌの一部をＡｌとの合量に占める割合で０．０２〜５原子％のＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種または２種以上で置換固溶してなる、高い圧縮残留応力を有するＡｌ ₂ Ｏ _３ 主体層からなり、かつ、０．５〜１５μｍの平均層厚を有する耐摩耗性被覆層を形成してなる、耐摩耗性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具。

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