JP4312989B2 - αアルミナ被覆切削工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属機械加工用の切削工具を記述し、詳しくは超硬合金、サーメット、又はセラミックの基体を有し、上記基体の表面に硬い耐摩耗被膜が蒸着されている切削工具を記述する。被膜は基体に接着するように結合して工具の全ての機能部分を覆っている。被膜は一種類以上の耐熱物の層から構成され、そのうち少なくとも一つの層は強い組織を有するアルファアルミナ（αＡｌ_２Ｏ_３）から成っている。
【０００２】
【従来の技術】
金属機械加工に用いられる超硬切削工具では、金属酸化物、炭化物又は窒化物の薄い、硬い表面層を、周期律表の第IV、Ｖ、及びVI族からの遷移金属、又はシリコン、ホウ素、及びアルミニウムの群から選択される金属と共に用いることによって、工具の刃の耐摩耗性を顕著に高めることができるということは良く知られている。被膜の厚さは、普通、１から１５μｍの範囲にあり、その被膜を蒸着するために最も広く用いられる方法はＣＶＤ法（化学的蒸気堆積法）である。
【０００３】
切削工具の性能をさらに向上させるために金属炭化物及び窒化物の層の上にアルミナなどの純セラミック層を被覆するという手法は、Ｒｅ２９，４２０（Lindstroem等）及び米国特許第３，８３６，３９２号（Lux等）に見られるように、早くから認識されていた。アルミナ被覆切削工具は、さらに米国特許第４，１８０，４００号（Smith等）、米国特許第４，６１９，８６６号（Smith等）、米港特許第５，０７１，６９６号（Chatfield等）、米国特許第５，６７４，５６４号（Ljungberg等）、及び米国特許第５，１３７，７７４号（Ruppi）に開示されており、そこでは、Ａｌ_２Ｏ_３層はα相、κ相、及び／又はその組合せである。例えば、米国特許第４，１８０，４００号では、Ｔｉ、Ｚｒ又はＨｆなどの四価の硫黄ンをハロゲン化物組成で反応気体混合物に加え、本質的に単一相のκＡｌ_２Ｏ_３を蒸着するというアルミナ蒸着工程が開示されている。
【０００４】
複合セラミック被膜を蒸着するために異なる金属ハロゲンか物を混合するという手法は、米国特許第４，７０１，３８４号（Sarin等）、米国特許第４，７４５，０１０号（Sarin等）、及び米国特許第５，８２７，５７０号（Russel）に見られ、そこでは例えばＡｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の混合物を蒸着する工程が記述されている。
【０００５】
アルミナ被覆超硬切削工具の切削性能を、特に球状黒鉛鋳鉄の機械加工における切削性能をさらに向上させる努力として、特定の結晶方位（組織）及び表面仕上げを示す細かい粒の単一相αＡｌ_２Ｏ_３を生ずる蒸着工程は、米国特許第５，６５４，０３５号（Ljungberg等）、米国特許第５，７６６，７８２号（Ljungberg）、米国特許第５，８３４，０６１号（Ljungberg）、に開示されている。
【０００６】
それにもかかわらず、球状黒鉛鋳鉄の機械加工は依然として難しい金属機械加工作業であると考えられている。これは特に重い、中断のない機械加工作業で明らかであり、その場合、αＡｌ_２Ｏ_３被覆工具はしばしば工具基体からのアルミナ層の広範な剥離（フレーキング）を生ずる。したがって、本発明の目的は、適当な核生成及び成長条件による蒸着工程を用いて、所望の微細構造と結晶組織を有する比較的厚い多形アルファＡｌ_２Ｏ_３層を硬い工具基体上に形成し、得られたＡｌ_２Ｏ_３層の性質によって、鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、特に球状黒鉛鋳鉄、における切削性能を向上させたアルミナ被覆切削工具を提供することである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明によれば、旋削（ねじ切り、突っ切り）、フライス削り、及び穴あけ、などの金属機械加工のための工具であって、超硬合金、サーメット、又はセラミックの硬い合金の基体に硬質で耐摩耗性の耐熱物被膜を蒸着して成る切削工具が提供される。上記被膜は、一種類以上の耐熱物層の構造を含み、そのうち少なくとも一つの層は、層厚が０．５〜２５μｍ、好ましくは１〜１０μｍ、のアルミナから成る。アルミナ層は、柱状細粒組織が顕著な本質的に単一相のαアルミナから成る。
【０００８】
【課題を解決するための手段、及び発明の実施の形態】
本発明に係わるαアルミナ層の成長方向に直角の細かい粒状構造の結果として、この工具の切削刃では滑らかな表面仕上げが得られ、従来のαＡｌ_２Ｏ_３被覆工具に比べて、機械加工される作業片の表面仕上げも改善される。
【０００９】
本発明によるαＡｌ_２Ｏ_３層は、また、別の粒の形又はアルミナ粒との固溶体の形で存在する“組織改良剤”の残留分を低い濃度でしか含まない。上記残留分の濃度は、αアルミナ被膜のｗｔ％で、０．０１〜１０％、好ましくは０．０１〜５％、最も好ましくは１％未満、という範囲になり、上記残留分の量は十分少なくアルミナ被膜自身の内在的性質には何も影響を及ぼさない。
【００１０】
本発明によるαＡｌ_２Ｏ_３層は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で決定される［３００］方向に優先的な成長方向を示す。図３及び４は、本発明によって蒸着されたαＡｌ_２Ｏ_３層（図３）及び従来技術によって蒸着されたαＡｌ_２Ｏ_３層（図４）のＸ線回折パタンを示す。図３から、［３００］方向に顕著な成長方向が容易に見て取れる。
【００１１】
組織（texture）係数、ＴＣ、は次の式で定義される：
TC(hkl)=[I(hkl)/I₀(hkl)]{1/nΣ[I(hkl)/I₀(hkl)}^-1
I(hkl)＝(hkl)反射の測定強度
I₀(hkl)＝ASTM標準粉末パタン回折データ、カードナンバー43-1484標準強度
n＝計算で用いられた反射の数、用いられる(hkl)反射は次のものである：(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)及び(300)。
【００１２】
本発明によると、（３００）結晶面の組のＴＣは、１．５より大きく、好ましくは３より大きく、最も好ましくは５より大きい。
【００１３】
切削工具に用いられる被膜は、強く組織されたαＡｌ_２Ｏ_３層（単数又は複数）の他に、周期律表のIVＢ、ＶＢ、及びVIＢ族、又はＢ、Ａｌ、及びＳｉの群、から選択される金属元素（Ｍｅ_１、Ｍｅ_２．．．）の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化炭化物、及び／又は酸化炭窒化物、及び／又はそれらの混合物（Ｍｅ_１、Ｍｅ_２．．．）ＣｘＮｙＯｚ、好ましくはＴｉＣｘＮｙＯｚ、の少なくとも一つの層を含む。ある好ましい実施の形態では、本発明によるαＡｌ_２Ｏ_３層は好ましくは被膜の最も外側の層であり、ＴｉＣｘＮｙＯｚ層が被膜の最も内側の層である。しかし、金属ＣｘＮｙＯｚ層を、アルファアルミナ層（単数又は複数）の上に蒸着することもできる。ある好ましい実施の形態では、最も外側のαＡｌ_２Ｏ_３層上の外側層はＴｉＮである。
【００１４】
本発明による組織されたαＡｌ_２Ｏ_３層はＣＶＤ法（化学蒸気堆積法）で蒸着され、被覆される工具基体は９５０〜１０５０℃という温度に保持され、一つ以上のアルミニウム・ハロゲン化物、及び加水分解物質及び／又は酸化物質を含む水素キャリア気体と接触させられる。Ａｌ_２Ｏ_３核生成前のＣＶＤ反応器雰囲気の酸化ポテンシャルは、５ｐｐｍ未満の濃度の水蒸気（Ｈ_２Ｏ）又は他の酸化分子種、例えばＣＯ_２、Ｏ_２、等によって低いレベルに抑えられている。Ａｌ_２Ｏ_３の核生成は、ＨＣｌ及びＣＯ_２が最初にＡｒ及び／又はＨ_２雰囲気中で反応器に入り、次にＡｌＣｌ_３が入るという反応気体の継起的導入によって開始される。Ａｌ_２Ｏ_３の核生成が起こると、蒸着速度を高めるために硫黄触媒、好ましくはＨ_２Ｓ、が反応気体混合物に加えられる。
【００１５】
驚いたことに、Ａｌ_２Ｏ_３層の成長期にＺｒＣｌ_４を反応気体混合物に加えると、［３００］方向の非常に強い組織を有する結晶構造が得られることが見出された。第二のハロゲン化物、いわゆる組織改良剤、好ましくはＺｒＣｌ_４、の濃度は、反応気体の全体積に対する体積％で０．０５〜１０％、好ましくは０．２〜５％、最も好ましくは０．５〜２％、の範囲にある。
【００１６】
上述の本発明によるＣＶＤ法は、所望の微細構造と方位を有するαＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着することを可能にしたが、上記の層は比較的大きな厚さにまで成長させることができ、しかも驚いたことに工具基体への優れた付着性質が依然として保たれ、かつ、以下の実施例で見られるように切削工具の耐摩耗性に望ましい改善が得られた。被覆切削工具の性質をさらに改善するために、表面を標準的なブラッシング法によって滑らかにすることもできる。
【００１７】
このＣＶＤ工程の正確な条件は、使用する設備の設計形状にもある程度依存する。必要な組織及び被膜の形態が得られたかどうかを判断して、望ましい場合、本明細書に従って核生成及び蒸着条件を組織の度合い及び被膜の形態に影響するように変更することは、当業者の裁量の範囲内にある。
【００１８】
【実施例、及び発明の効果】
実施例１
Ａ）組成が６．０重量％Ｃｏ及び残りがＷＣである超硬合金切削インサートを、標準ＣＶＤ工程で、３μｍの厚さのＴｉＣＮ層で被覆した。同じ被膜サイクルのその後の工程で、７μｍの厚さのαＡｌ_２Ｏ_３層が以下で述べる方法によって蒸着された。
【００１９】
まず、ＣＶＤ反応器にＨ_２、ＨＣｌ、及びＣＯ_２から成る反応気体混合物が導入された。反応気体は与えられた順序で継起的に加えられた。所定の時間の後、ＡｌＣｌ_３が反応器に入れられた。Ａｌ_２Ｏ_３が蒸着されている間、Ｈ_２Ｓが触媒として、ＺｒＣｌ_４が組織改良剤として用いられた。Ａｌ_２Ｏ_３蒸着工程の間の気体混合物及びその他の工程条件は次のようなものであった：

ＸＲＤ（Ｘ線回折）分析は、単一α相のＡｌ_２Ｏ_３層について６．２という組織係数、ＴＣ（３００）、の値（１０個のインサートの平均）を示した。ＳＥＭ顕微鏡写真は、７μｍの厚さのＡｌ_２Ｏ_３層が、図１に示されているように顕著な柱状細粒構造を有することを示した。
【００２０】
Ｂ）Ａ）の超硬合金基体が、Ａ）で述べたようにＴｉＣＮ（３μｍ）及びＡｌ_２Ｏ_３（７μｍ）で被覆されたが、異なる点はＡｌ_２Ｏ_３の蒸着・工程が従来の方法によって行われたことである。
【００２１】
Ａｌ_２Ｏ_３蒸着工程の間の気体混合物及びその他の工程条件は次のようなものであった：

ＸＲＤ（Ｘ線回折）分析は、単一α相のＡｌ_２Ｏ_３層について０．９という組織係数、ＴＣ（３００）、の値（１０個のインサートの平均）を示した。ＸＲＤパタンは図４に示されている。ＳＥＭ顕微鏡写真は、７μｍの厚さのＡｌ_２Ｏ_３被膜が、図２に示されているような等軸粒状構造を有することを示した。
実施例２
Ａ）及びＢ）からの被覆された工具インサートに、標準生産方法によるブラッシングを施して被膜表面を滑らかにした。次に、切削インサートは、旋削作業におけるエッジ・ライン及びすくい面フレーキング、球状黒鉛鋳鉄における面削り（ＡＩＳＩ、６０−４０−１８、ＤＩＮ、ＧＧＧ４０）、に関して試験された。これは被膜付着力の強度についての良い基準試験であると証明されている機械加工テストである。
【００２２】
切削データ：
切削速度＝２５０ｍ／分
切削深さ＝２．０ｍｍ
送り＝０．２ｍｍ／回転
冷却材が用いられた。
【００２３】
結果は下の表に、切削において被膜の剥離、すなわちフレーキングが発生したエッジ・ラインのパーセンテージとして表され、さらに、すくい面と作業片の間の全接触面積に対するフレーキングが生じたすくい面面積の比率として表されている。下の表に示されている数字は５つのテストされた切削エッジの平均値である。
【００２４】

図５及び６は、上述の方法でテストされた摩耗した切削エッジの光学顕微鏡（ＬＯＭ）写真を示す。図５は、本発明による被覆切削インサートの摩耗パタンを示し、図６は従来技術による被覆切削インサートの摩耗パタンを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるαアルミナ層の倍率８０００倍での走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面顕微鏡写真を示し、特徴的な柱状微細構造を示している。
【図２】図２は、従来技術によるＡｌ_２Ｏ_３層の倍率８０００倍での走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面顕微鏡写真を示し、従来技術に典型的な粗い粒状微細構造を示している。
【図３】図３は、本発明によって蒸着されたαＡｌ_２Ｏ_３層のＸ線回折パタンを示す。
【図４】図４は、従来技術によって蒸着されαＡｌ_２Ｏ_３層のＸ線回折パタンを示す。
【図５】図５は、本発明に係わる被覆切削インサートの摩耗した切削刃の光学顕微鏡（ＬＯＭ）写真を示す。
【図６】図６は、従来技術による被覆切削インサートの摩耗した切削刃の光学顕微鏡（ＬＯＭ）写真を示す。

Claims (2)

1. 被覆切削工具を製造する方法であって、
   ［３００］方向に組織されたαアルミナから成る少なくとも一つの耐熱層が化学的蒸気堆積法によって蒸着されことにより、被覆される工具表面が加水分解剤及び酸化剤の少なくとも１種と、アルミニウム・ハロゲン化物との一種以上を含む水素キャリア気体と接触する被覆切削工具を製造する方法において、
   αアルミナの核生成前の化学蒸着用反応器雰囲気の酸化ポテンシャルが、５ｐｐｍ未満の濃度の水蒸気Ｈ_２Ｏ又は他の酸化分子種としてのＣＯ_２またはＯ_２によって低いレベルに抑えられ、ＨＣｌとＣＯ_２がＨ_２及びＡｒのいずれか１種の雰囲気中で反応器に最初に入り、続いてＡｌＣｌ_３が入るという反応気体の順序づけによってαアルミナの核生成が開始され、温度は核生成期の間９５０〜１０５０℃に保たれ、αＡｌ_２Ｏ_３層の成長期の間硫黄触媒と組織改良剤が添加され、該触媒はＨ_２Ｓであり、該組織改良剤はＺｒＣｌ_４であって前記αアルミナ層中の含有量が１ｗｔ％未満であることを特徴とする被覆切削工具を製造する方法。
2. 反応気体混合物への組織改良剤、ＺｒＣｌ_４、の添加は、全反応気体混合物に対し体積％で０．０５〜１０の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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