JP4438559B2

JP4438559B2 - 硬質被覆層が断続重切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具

Info

Publication number: JP4438559B2
Application number: JP2004234233A
Authority: JP
Inventors: 拓也早樋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-08-11
Also published as: JP2006051562A

Description

この発明は、特に各種の鋼や鋳鉄などの被削材の断続切削加工を、高切り込みや高送りなどの重切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具（以下、被覆サーメット工具という）に関するものである。

従来、一般に、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）基サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、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、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でκ（カッパ−）型の結晶構造を有する酸化アルミニウム（以下、κ型Ａｌ₂Ｏ₃層という）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆サーメット工具が知られており、この被覆サーメット工具は、硬質被覆層を構成する上部層のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層がすぐれた高温強度を有することから、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削は勿論のこと、特に断続切削に用いた場合にすぐれた耐チッピング性を発揮することも知られている。

また、上記の被覆サーメット工具において、これの硬質被覆層の構成層は、一般に粒状結晶組織を有し、さらに、下部層である上記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の強度向上を目的として、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知られている。
さらに、上記Ａｌ₂Ｏ₃層には、結晶構造が上記のκ型の他に、α型やθ型などがあり、前記κ型Ａｌ₂Ｏ₃層は前記α型Ａｌ₂Ｏ₃層に比して、相対的に高温硬さは低いが、高温強度が高い性質を持つことも知られている。
特開平６−３１５０３号公報特開平６−８０１０号公報

近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は切削条件のうちの切り込みや送りをなどを高くした重切削条件で行われる傾向にあるが、上記の従来被覆サーメット工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、特にこれを強い機械的衝撃が繰り返し付加される前記の重切削条件で断続切削加工を行うのに用いた場合には、硬質被覆層を構成するκ型Ａｌ₂Ｏ₃層が前記断続重切削条件に十分に耐え得るに足る高い高温強度を具備するものでないために、前記硬質被覆層にチッピング（微少欠け）が発生し易く、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層が硬質被覆層の上部層を構成する被覆サーメット工具に着目し、特に前記κ型Ａｌ₂Ｏ₃層の一段の高温強度向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）従来被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成する上部層としてのκ型Ａｌ₂Ｏ₃層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：３〜１０％、ＣＯ₂：３〜６％、ＨＣｌ：１〜４％、Ｈ₂Ｓ：０．１〜０．５％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：９２０〜１０２０℃、
反応雰囲気圧力：５〜１０ｋＰａ、
の条件（通常条件という）で蒸着形成されるが、これを、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：３〜１０％、ＣＯ₂：０．５〜３％、ＨＣｌ：１〜４％、ＣＨ_３ＣＮ：０．０１〜０．３％、Ｈ₂Ｓ：０．１〜０．５％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：５〜１０ｋＰａ、
の条件、すなわち上記の通常条件に比して、反応ガス組成では、ＣＯ₂を相対的に低く、かつ新たに例えばＣＨ_３ＣＮなどの有機化合物を添加し、さらに雰囲気温度を相対的に低くした条件（反応ガス組成調整低温条件）で蒸着形成すると、この結果の反応ガス組成調整低温条件で形成したκ型Ａｌ₂Ｏ₃層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に概略説明図で示される通り、工具基体表面と平行な表面研磨面の測定範囲内に存在する斜方晶の結晶構造を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、図２に例示される通り、シャープな最高ピークが傾斜角区分の０〜１０度の範囲内に現れると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の８０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すこと。

（ｂ）一方、上記の従来κ型Ａｌ₂Ｏ₃層は、図３に例示される通り、最高ピークが傾斜角区分の０〜１０度の範囲内に現れるが、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６５％以下の割合を占めるに過ぎない傾斜角度数分布グラフを示すこと。

（ｃ）上記の反応ガス組成調整低温条件形成のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層は、Ａｌ₂Ｏ₃自体が具備する高温硬さおよび耐熱性に加えて、上記従来κ型Ａｌ₂Ｏ₃層に比して一段と高い高温強度を有するので、これを硬質被覆層の上部層として蒸着形成してなる被覆サーメット工具は、同下部層であるＴｉ化合物層が具備するすぐれた高温強度と相俟って、特に断続切削加工を高切り込みや高送りなどの重切削条件で行うのに用いた場合にも、同じく前記従来κ型Ａｌ₂Ｏ₃層を蒸着形成してなる従来被覆サーメット工具に比して、硬質被覆層が一段とすぐれた耐チッピング性を発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。

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、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層が、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の表面と平行な表面研磨面の測定範囲内に存在する斜方晶の結晶構造を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の８０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すκ型Ａｌ₂Ｏ₃層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる、硬質被覆層が断続重切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。

以下に、この発明の被覆サーメット工具の硬質被覆層の構成層において、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）下部層のＴｉ化合物層
Ｔｉ化合物層は、κ型Ａｌ₂Ｏ₃層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、工具基体とκ型Ａｌ₂Ｏ₃層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性を向上させる作用を有するが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速切削では熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その平均層厚を３〜２０μｍと定めた。

（ｂ）上部層のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層
上記の傾斜角度数分布グラフで、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークを示し、かつ前記０〜１０度の傾斜角区分内の度数割合が８０％以上であるκ型Ａｌ₂Ｏ₃層は、Ａｌ₂Ｏ₃自体のもつ高温硬さと耐熱性に加えて、一段とすぐれた高温硬さを有するので、強い機械的衝撃が繰り返し付加される断続重切削加工で、上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成するκ型Ａｌ₂Ｏ₃層に比して、一段とすぐれた耐チッピング性を発揮するが、その平均層厚が１μｍ未満では、所望のすぐれた耐摩耗性を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。

なお、切削工具の使用前後の識別を目的として、黄金色の色調を有するＴｉＮ層を、必要に応じて硬質被覆層の最表面層として蒸着形成してもよいが、この場合の平均層厚は０．１〜１μｍでよく、これは０．１μｍ未満では、十分な識別効果が得られず、一方前記ＴｉＮ層による前記識別効果は１μｍまでの平均層厚で十分であるという理由からである。

この発明被覆サーメット工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、強い機械的衝撃を伴なう断続切削加工を重切削条件で行うのに用いた場合にも、硬質被覆層の上部層を構成するκ型Ａｌ₂Ｏ₃層が、Ａｌ₂Ｏ₃自身のもつすぐれた高温硬さと耐熱性による耐摩耗性に加えて、一段とすぐれた高温強度を具備することから、すぐれた耐チッピング性を発揮し、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。

つぎに、この発明の被覆サーメット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、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ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、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１６０４１２に規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。

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、Ｍｏ₂Ｃ粉末、ＺｒＣ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、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａ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：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。

ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆのそれぞれを、Ａｌ₂Ｏ₃核分布割合測定用試験片と共に、通常の化学蒸着装置に装入し、まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表４に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、ついで、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：６％、ＨＣｌ：２．８％、Ｈ₂Ｓ：０．３％、ＣＯ₂：０．５％、１．８％、および３％のうちのいずれかの配合量、ＣＨ_３ＣＮ：０．０１％、０．０５％、０．１％、０．１５％、０．２％、０．２５％、および０．３％のうちのいずれかの配合量、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：７５０℃、８００℃、８５０℃、および９００℃のうちのいずれかの温度、
反応雰囲気圧力：７ｋＰａ、
の条件で、表４に示される目標層厚のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより本発明被覆サーメット工具１〜１３をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：６％、ＨＣｌ：２．８％、Ｈ₂Ｓ：０．３％、ＣＯ₂：３％、４．５％、および６％のうちのいずれかの配合量、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：９２０℃、９５０℃、９８０℃、および１０２０℃のうちのいずれかの温度、
反応雰囲気圧力：７ｋＰａ、
の条件で、表５に示される目標層厚のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成する以外は同一の条件で従来被覆サーメット工具１〜１３をそれぞれ製造した。

ついで、上記の本発明被覆サーメット工具と従来被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成するκ型Ａｌ₂Ｏ₃層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面を上記工具基体の表面と平行な研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する斜方晶の結晶構造を有する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜核のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。

この結果得られた各種のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層の傾斜角度数分布グラフにおいて、（００１）面が最高ピークを示す傾斜角区分、並びに０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体の傾斜角度数に占める割合をそれぞれ表４，５にそれぞれ示した。

上記の各種のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層の傾斜角度数分布グラフにおいて、表４，５にそれぞれ示される通り、本発明被覆サーメット工具１〜１３および従来被覆サーメット工具１〜１３の硬質被覆層を構成するいずれのκ型Ａｌ₂Ｏ₃層も、（００１）面の測定傾斜角の分布が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れるが、前記０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の割合が、本発明被覆サーメット工具１〜１３のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層では８０％以上である傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、従来被覆サーメット工具１〜１３のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層は、６５％以下の傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
なお、図２は、本発明被覆サーメット工具５のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層の傾斜角度数分布グラフ、図３は、従来被覆サーメット工具７のκ型Ａｌ₂Ｏ₃層の傾斜角度数分布グラフをそれぞれ示すものである。

また、この結果得られた本発明被覆サーメット工具１〜１３および従来被覆サーメット工具１〜１３の硬質被覆層の構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。

つぎに、上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３および従来被覆サーメット工具１〜１３各種の被覆サーメット工具について、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式断続高切り込み切削試験（通常の切り込みは２ｍｍ）、
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：２００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｂという）での合金鋼の乾式断続高送り切削試験（通常の送りは０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式断続高切り込み切削試験（通常の切り込みは２ｍｍ）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。この測定結果を表６に示した。

表４〜６に示される結果から、本発明被覆サーメット工具１〜１３は、いずれも硬質被覆層の上部層が、（００１）面の傾斜角が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示すと共に、前記０〜１０度の傾斜角区分範囲内に存在する度数の合計割合が８０％以上を占める傾斜角度数分布グラフを示すκ型Ａｌ₂Ｏ₃層で構成され、すぐれた高温強度を有することから、鋼および鋳鉄の強い機械的衝撃を伴なう断続重切削加工で、すぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層が、同じく（００１）面の傾斜角が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示すが、前記０〜１０度の傾斜角区分範囲内に存在する度数の合計割合が６５％以下である傾斜角度数分布グラフを示すκ型Ａｌ₂Ｏ₃層で構成された従来被覆サーメット工具１〜１３においては、いずれも上記の断続重切削加工では、前記κ型Ａｌ₂Ｏ₃層の高温強度不足が原因で硬質被覆層にチッピングが発生し、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、この発明の被覆サーメット工具は、各種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、特に断続切削加工を重切削条件で行う場合にもすぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

硬質被覆層を構成するκ型Ａｌ₂Ｏ₃層における結晶粒の（００１）面の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。本発明被覆サーメット工具５の硬質被覆層を構成するκ型Ａｌ₂Ｏ₃層の（００１）面の傾斜角度数分布グラフである。従来被覆サーメット工具７の硬質被覆層を構成するκ型Ａｌ₂Ｏ₃層の（００１）面の傾斜角度数分布グラフである。

Claims

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、
（ａ）下部層が、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でκ（カッパ−）型の結晶構造を有すると共に、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面と平行な表面研磨面の測定範囲内に存在する斜方晶の結晶構造を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の８０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる、硬質被覆層が断続重切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。