JP4692065B2 - 厚膜化α型酸化アルミニウム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 - Google Patents
厚膜化α型酸化アルミニウム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 Download PDFInfo
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Description
この発明は、硬質被覆層の上部層、すなわち化学蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層（以下、α型Ａｌ2Ｏ3層で示す）を、特に厚膜化した状態で、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いた場合にも、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）下部層として、いずれも化学蒸着形成された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０．５〜１０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有するα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が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることは良く知られている。
（ａ）下部層として、いずれも化学蒸着形成された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０．５〜１０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有するα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が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることは良く知られている。
また、一般に、上記の被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層やα型Ａｌ2 Ｏ3 層が粒状結晶組織を有し、さらに、前記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。
特開平６−３１５０３号公報
特開平６−８０１０号公報
近年の切削装置のＦＡ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、切削工具に対する使用寿命の一層の延命化を図る目的で、特に硬質被覆層を構成する上部層、すなわちすぐれた高温硬さと耐熱性を有するα型Ａｌ2 Ｏ3 層には一段の厚膜化が強く望まれているが、前記α型Ａｌ2 Ｏ3 層の層厚を従来実用に供されている最大平均層厚である１５μmを越えて厚膜化すると、Ａｌ2 Ｏ3 結晶粒が急激に粗大化し、かつ層自体の緻密性が著しく低下し、この結果高温強度の低下が避けられなくなることから、かかる厚膜化α型Ａｌ2 Ｏ3 層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においては、前記厚膜化α型Ａｌ2 Ｏ3 層が原因で、切刃部にチッピング（微少欠け）が発生し易くなり、この結果使用寿命のきわめて短いものとなることから、実用に供することができないのが現状である。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成する１〜１５μmの平均層厚を有するα型Ａｌ2Ｏ3層に着目し、これの層厚を平均層厚で１５μmを越えて厚膜化しても、前記厚膜化α型Ａｌ2Ｏ3層が原因のチッピングが切刃部に発生しない被覆サーメット工具を開発するべく研究を行った結果、
（ａ）上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層の上部層であるα型Ａｌ2Ｏ3層は、一般に、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：１〜１０％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａ、
の条件（以下、通常条件という）で形成されるが、α型Ａｌ2Ｏ3層の形成を、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：１〜１０％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：２０〜５０ｋＰａ、
の低温高圧条件で行うと、その層厚を平均層厚で１５μmを越えた１６〜３０μmに厚膜化して形成しても、この結果の厚膜化α型Ａｌ2Ｏ3層（以下、厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層という）においては、厚膜化したにもかかわらず、Ａｌ2Ｏ3結晶粒の粗大化が著しく抑制され、かつ層自体の緻密性が保持されたものになるので、高温強度の低下が防止されるようになること。
（ｂ）上記の厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層、および上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層の上部層であるα型Ａｌ2Ｏ3層の形成条件と同じ条件（上記の通常条件）で１６〜３０μmの平均層厚で蒸着形成された厚膜化α型Ａｌ2Ｏ3層（以下、厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層という）について、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、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有するα型Ａｌ2Ｏ3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（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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、前記厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層は、図３に例示される通り、（０００１）面の測定傾斜角の分布が４５〜９０度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、前記厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、図２に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、このシャープな最高ピークは、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を変化させることによりグラフ横軸の傾斜角区分に現れる位置が変わること。
（ｃ）試験結果によれば、上記の厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層においては、上記反応雰囲気圧力を上記の通り２０〜５０ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークが傾斜角区分の７０〜８１度の範囲内に現れると共に、前記７０〜８１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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになり、したがって、傾斜角度数分布グラフで７０〜８１度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れ、かつ前記７０〜８１度の範囲内に存在する度数割合が４５％以上の割合を占める厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層を硬質被覆層の上部層として、下部層のＴｉ化合物層と共存した状態で蒸着形成してなる被覆サーメット工具は、上記の厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成した被覆サーメット工具に比して、特に切刃部にチッピングの発生なく、一段とすぐれた耐摩耗性を長期に亘って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。
（ａ）上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層の上部層であるα型Ａｌ2Ｏ3層は、一般に、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：１〜１０％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａ、
の条件（以下、通常条件という）で形成されるが、α型Ａｌ2Ｏ3層の形成を、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：１〜１０％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：２０〜５０ｋＰａ、
の低温高圧条件で行うと、その層厚を平均層厚で１５μmを越えた１６〜３０μmに厚膜化して形成しても、この結果の厚膜化α型Ａｌ2Ｏ3層（以下、厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層という）においては、厚膜化したにもかかわらず、Ａｌ2Ｏ3結晶粒の粗大化が著しく抑制され、かつ層自体の緻密性が保持されたものになるので、高温強度の低下が防止されるようになること。
（ｂ）上記の厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層、および上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層の上部層であるα型Ａｌ2Ｏ3層の形成条件と同じ条件（上記の通常条件）で１６〜３０μmの平均層厚で蒸着形成された厚膜化α型Ａｌ2Ｏ3層（以下、厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層という）について、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、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有するα型Ａｌ2Ｏ3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（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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、前記厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層は、図３に例示される通り、（０００１）面の測定傾斜角の分布が４５〜９０度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、前記厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、図２に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、このシャープな最高ピークは、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を変化させることによりグラフ横軸の傾斜角区分に現れる位置が変わること。
（ｃ）試験結果によれば、上記の厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層においては、上記反応雰囲気圧力を上記の通り２０〜５０ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークが傾斜角区分の７０〜８１度の範囲内に現れると共に、前記７０〜８１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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになり、したがって、傾斜角度数分布グラフで７０〜８１度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れ、かつ前記７０〜８１度の範囲内に存在する度数割合が４５％以上の割合を占める厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層を硬質被覆層の上部層として、下部層のＴｉ化合物層と共存した状態で蒸着形成してなる被覆サーメット工具は、上記の厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成した被覆サーメット工具に比して、特に切刃部にチッピングの発生なく、一段とすぐれた耐摩耗性を長期に亘って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）下部層として、いずれも化学蒸着形成された、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０．５〜１０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、化学蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子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（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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、７０〜８１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７０〜８１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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１６〜３０μｍの平均層厚を有する厚膜化改質α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。
（ａ）下部層として、いずれも化学蒸着形成された、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０．５〜１０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、化学蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子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（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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、７０〜８１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７０〜８１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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１６〜３０μｍの平均層厚を有する厚膜化改質α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。
また、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以下に説明する。
（ａ）Ｔｉ化合物層
Ｔｉ化合物層は、基本的には厚膜化改質α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、工具基体と厚膜化改質α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０．５μｍ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１０μｍを越えると、切削時の発生熱による熱塑性変形量が許容範囲を越えて大きくなり、この結果上部層である厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層に割れが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜１０μｍと定めた。
（ｂ）厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層
上記の通り、厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置は、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を変化させることによって変化するが、この場合試験結果によれば、前記反応雰囲気圧力を２０〜５０ｋＰａ範囲内で変化させると、最高ピークが７０〜８１度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記７０〜８１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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになるものであり、したがって、前記反応雰囲気圧力が２０ｋＰａ未満でも、５０ｋＰａを越えても、測定傾斜角の最高ピーク位置は７０〜８１度の範囲から外れてしまい、このような場合には所望の高温強度を保持することが困難になるものである。
（ａ）Ｔｉ化合物層
Ｔｉ化合物層は、基本的には厚膜化改質α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、工具基体と厚膜化改質α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０．５μｍ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１０μｍを越えると、切削時の発生熱による熱塑性変形量が許容範囲を越えて大きくなり、この結果上部層である厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層に割れが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜１０μｍと定めた。
（ｂ）厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層
上記の通り、厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置は、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を変化させることによって変化するが、この場合試験結果によれば、前記反応雰囲気圧力を２０〜５０ｋＰａ範囲内で変化させると、最高ピークが７０〜８１度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記７０〜８１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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになるものであり、したがって、前記反応雰囲気圧力が２０ｋＰａ未満でも、５０ｋＰａを越えても、測定傾斜角の最高ピーク位置は７０〜８１度の範囲から外れてしまい、このような場合には所望の高温強度を保持することが困難になるものである。
すなわち、厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、Ａｌ2Ｏ3自体のもつすぐれた高温硬さと耐熱性によって硬質被覆層の耐摩耗性を向上させると共に、厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層に比して、一段とすぐれた高温強度を有するので、厚膜化した硬質被覆層にチッピングが発生するのを抑制する作用をもつが、その平均層厚が１６μｍ未満では厚膜化の要求に十分満足に対応することができず、一方その平均層厚が３０μｍ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１６〜３０μｍと定めた。
なお、被覆サーメット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、硬質被覆層の最表面層として必要に応じ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。
この発明の被覆サーメット工具は、これの硬質被覆層を構成する厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層が、図２に例示される通り７０〜８１度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れる傾斜角度数分布グラフを示し、平均層厚で１６〜３０μmの層厚に厚膜化しても、すぐれた耐チッピング性を発揮することから、各種の鋼や鋳鉄の切削加工で、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮し、使用寿命の一段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、Ｃｒ3 Ｃ2 粉末、ＴｉＮ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・ＣＮＭＧ１２０４０８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、Ｍｏ2 Ｃ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・ＣＮＭＧ１２０４１２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、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、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．１５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８５０℃、
反応雰囲気圧力：２０〜５０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の低温高圧条件で表４に示される目標層厚の厚膜化改質α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。
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．１５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８５０℃、
反応雰囲気圧力：２０〜５０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の低温高圧条件で表４に示される目標層厚の厚膜化改質α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、硬質被覆層の上部層として上記の厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層の形成を、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．１５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の通常条件、すなわち同じ組成の反応ガスを用いるが、化学蒸着装置の反応雰囲気温度を相対的に高く、一方同反応雰囲気圧力は相対的に低くした条件で行う以外は同一の条件で、比較被覆サーメット工具１〜１３をそれぞれ製造した。
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．１５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の通常条件、すなわち同じ組成の反応ガスを用いるが、化学蒸着装置の反応雰囲気温度を相対的に高く、一方同反応雰囲気圧力は相対的に低くした条件で行う以外は同一の条件で、比較被覆サーメット工具１〜１３をそれぞれ製造した。
上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３および比較被覆サーメット工具１〜１３の硬質被覆層の上部層を構成する厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層および厚膜化通常α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、上記の各種厚膜化α型Ａｌ2Ｏ3層の表面を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六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、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（０００１）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、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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厚膜化α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、（０００１）面が最高ピークを示す傾斜角区分、並びに７０〜８１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。
上記の各種の厚膜化α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の厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、いずれも（０００１）面の測定傾斜角の分布が７０〜８１度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れ、かつ７０〜８１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４５％以上である傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、比較被覆サーメット工具の厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層は、いずれも（０００１）面の測定傾斜角の分布が４５〜９０度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在せず、７０〜８１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も３０％以下である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１の厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフ、図３は、比較被覆サーメット工具２の厚膜化通常α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および比較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、上記の各種の被覆サーメット工具を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、本発明被覆サーメット工具１〜１３および比較被覆サーメット工具１〜１３について、
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：２７０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ａという）での合金鋼の乾式断続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式連続切削試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ５００の丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式連続切削試験を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表６に示した。
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：２７０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ａという）での合金鋼の乾式断続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式連続切削試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ５００の丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式連続切削試験を行い、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、（０００１）面の傾斜角が７０〜８１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７０〜８１度の範囲内に存在する合計度数割合が４５％以上を占める傾斜角度数分布グラフを示す厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層で構成され、平均層厚で１６〜３０μmと厚膜化したにもかかわらず、鋼や鋳鉄の切削加工で、前記厚膜化改質α型Ａｌ2Ｏ3層がすぐれた耐チッピング性を発揮し、切刃部のチッピング発生が著しく抑制され、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示し、使用寿命の延命化を可能とするのに対して、硬質被覆層の上部層が、（０００１）面の測定傾斜角の分布が４５〜９０度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在しない傾斜角度数分布グラフを示す厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層で構成された比較被覆サーメット工具１〜１３においては、いずれも前記厚膜化通常α型Ａｌ2Ｏ3層が平均層厚で１６〜３０μmと厚膜化すると、これの高温強度低下が著しく、この結果切刃部にチッピングが発生し、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、これの硬質被覆層の上部層であるα型Ａｌ2Ｏ3層の層厚を平均層厚で１６〜３０μmに厚くしても、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工で、すぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるから、切削加工のＦＡ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。
Claims (1)
- 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）下部層として、いずれも化学蒸着形成されたＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、酸化物、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０．５〜１０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、化学蒸着形成された状態でα型の結晶構造を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子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（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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、７０〜８１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７０〜８１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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１６〜３０μｍの平均層厚を有する厚膜化改質α型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、厚膜化α型酸化アルミニウム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。
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| JP2005132257A JP4692065B2 (ja) | 2005-04-28 | 2005-04-28 | 厚膜化α型酸化アルミニウム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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2005132257A JP4692065B2 (ja) | 2005-04-28 | 2005-04-28 | 厚膜化α型酸化アルミニウム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 |
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| JP2006305686A JP2006305686A (ja) | 2006-11-09 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08276305A (ja) * | 1995-04-05 | 1996-10-22 | Sandvik Ab | 切削インサート |
| JP2004308008A (ja) * | 2003-04-01 | 2004-11-04 | Sandvik Ab | 切削工具及びその製造方法 |
-
2005
- 2005-04-28 JP JP2005132257A patent/JP4692065B2/ja not_active Expired - Fee Related
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