JP4747324B2 - 硬質被覆層が高速重切削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 - Google Patents
硬質被覆層が高速重切削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 Download PDFInfo
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Description
この発明は、特に硬質被覆層の構成層である酸化アルミニウム層（以下、Ａｌ2Ｏ3層で示す）を厚膜化した状態で、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高速で、かつ高い機械的衝撃を伴なう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示し、したがってチッピング（微少欠け）などの発生なく、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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、通常、１〜１２μｍの平均層厚、厚膜化した状態も含めると２０μｍ以下の平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層（以下、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層で示す）、
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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、通常、１〜１２μｍの平均層厚、厚膜化した状態も含めると２０μｍ以下の平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層（以下、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層で示す）、
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化合物層や蒸着α型Ａｌ2Ｏ3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、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は最大層厚で２０μｍの厚膜化を必要とされ、さらに切削加工は一段と高速化すると共に、高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工が強く求められる傾向にあるが、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、特にこれを高速重切削条件で用いた場合には、特に硬質被覆層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の高温硬さおよび高温強度が不十分であるために、摩耗が急速に進行し、かつチッピングも発生し易くなり、さらに前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の厚膜化によってチッピングは一段と発生し易くなることから、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、上記の蒸着α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、特に前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の耐チッピング性向上を図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としての蒸着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％、ＣＯ2：３〜７％、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：６〜１３ｋＰａ、
の条件（以下、通常条件という）で形成されるが、この通常条件形成の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）および図２（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、それぞれ０〜４５度および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すると、図５（測定傾斜角：０〜４５度）および図６（測定傾斜角：４５〜９０度）に例示される通り、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度および４５〜９０度のいずれの範囲内でも不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すこと。
（ａ）上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層としての蒸着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％、ＣＯ2：３〜７％、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：６〜１３ｋＰａ、
の条件（以下、通常条件という）で形成されるが、この通常条件形成の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）および図２（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、それぞれ０〜４５度および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すると、図５（測定傾斜角：０〜４５度）および図６（測定傾斜角：４５〜９０度）に例示される通り、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度および４５〜９０度のいずれの範囲内でも不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すこと。
（ｂ）一方、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を、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％、ＣＯ2：３〜７％、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：２０〜３０ｋＰａ、
の相対的に低温高圧条件（反応ガス組成は上記の通常条件と同じ）で形成すると、この結果形成された蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、同じく電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図２（ａ），（ｂ）に示される通り、同じく上記工具基体表面と平行な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で現した場合、図４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、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り２０〜３０ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の７５〜９０度の範囲内で変化すると共に、前記７５〜９０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５０％以上の割合を占めるようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて７５〜９０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、上記の通常条件形成の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層に比して、相対的に高い高温硬さを有すること。
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：３〜７％、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：２０〜３０ｋＰａ、
の相対的に低温高圧条件（反応ガス組成は上記の通常条件と同じ）で形成すると、この結果形成された蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、同じく電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図２（ａ），（ｂ）に示される通り、同じく上記工具基体表面と平行な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で現した場合、図４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、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り２０〜３０ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の７５〜９０度の範囲内で変化すると共に、前記７５〜９０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５０％以上の割合を占めるようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて７５〜９０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、上記の通常条件形成の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層に比して、相対的に高い高温硬さを有すること。
（ｃ）さらに、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を、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％、ＣＯ2：０．１〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．５〜１％、Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件、すなわち反応ガス組成を調整して上記の通常条件の反応ガス組成とは異なった反応ガス組成とした条件（反応雰囲気の温度および圧力は上記の通常条件と同じ）で形成すると、この結果形成された蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、同じく電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に示される通り、工具基体表面と平行な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、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で現した場合、図３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、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り６〜１０ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の０〜１５度の範囲内で変化すると共に、前記０〜１５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５０％以上の割合を占めるようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、上記の通常条件形成の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層に比して、相対的にすぐれた高温強度を有すること。
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：０．１〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．５〜１％、Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件、すなわち反応ガス組成を調整して上記の通常条件の反応ガス組成とは異なった反応ガス組成とした条件（反応雰囲気の温度および圧力は上記の通常条件と同じ）で形成すると、この結果形成された蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、同じく電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に示される通り、工具基体表面と平行な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、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で現した場合、図３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、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り６〜１０ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の０〜１５度の範囲内で変化すると共に、前記０〜１５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５０％以上の割合を占めるようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、上記の通常条件形成の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層に比して、相対的にすぐれた高温強度を有すること。
（ｄ）したがって、下部層がＴｉ化合物層からなる硬質被覆層の上部層である蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を、それぞれ２〜１８μｍの平均層厚（ただし、合計平均層厚は２０μｍ以下）を有する下位層と上位層からなる上下２層構造とし、上記工具基体表面と平行な研磨面の測定で、前記上位層を、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、前記下位層を、７５〜９０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７５〜９０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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層で構成してなる被覆サーメット工具は、前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層が相対的すぐれた高温硬さと高温強度を具備することから、特に最大層厚で２０μｍに厚膜化した状態で、高速重切削条件で切削加工を行っても、上記の硬質被覆層の上部層が、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度および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蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層で構成された従来被覆サーメット工具に比して、硬質被覆層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）〜（ｄ）に示される研究結果を得たのである。
以上（ａ）〜（ｄ）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、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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、２０μｍ以下の平均層厚を有する蒸着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において、
上記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を、それぞれ２〜１８μｍの平均層厚（ただし、合計平均層厚は２０μｍ以下）を有する下位層と上位層からなる上下２層構造とし、さらに電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体表面と平行な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、前記上位層については０〜４５度、上記下位層については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で現した場合、
（Ａ）上記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層は、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
（Ｂ）上記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の下位層は、７５〜９０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７５〜９０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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示してなる、
硬質被覆層が高速重切削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。
（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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、２０μｍ以下の平均層厚を有する蒸着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において、
上記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を、それぞれ２〜１８μｍの平均層厚（ただし、合計平均層厚は２０μｍ以下）を有する下位層と上位層からなる上下２層構造とし、さらに電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体表面と平行な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、前記上位層については０〜４５度、上記下位層については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で現した場合、
（Ａ）上記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層は、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
（Ｂ）上記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の下位層は、７５〜９０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７５〜９０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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示してなる、
硬質被覆層が高速重切削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関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉ化合物層は、基本的には蒸着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が高温強度を具備するようにするほか、工具基体と蒸着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向上に寄与する作用を有するが、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が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、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉ化合物層は、基本的には蒸着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が高温強度を具備するようにするほか、工具基体と蒸着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向上に寄与する作用を有するが、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が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、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
（ｂ）蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）
上記の通り、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層および下位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、いずれも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、試験結果によれば、前記反応雰囲気圧力を、前記上位層では６〜１０ｋｐａ、前記下位層では２０〜３０ｋＰａとすると、最高ピークが、前記上位層では０〜１５度、前記下位層では７５〜９０度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記０〜１５度および７５〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、いずれの場合も傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５０％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それぞれ前記範囲から低い方に外れても、また高い方に外れても、それぞれ前記０〜１５度および７５〜９０度の範囲内に測定傾斜角の最高ピークが現れなくなり、このような場合には所望のすぐれた高温強度および高温硬さを具備することができないものである。
また、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、上位層のすぐれた高温強度と下位層のすぐれた高温硬さによってすぐれた高温強度と高温硬さを具備するようになるが、前記上位層および下位層の平均層厚がそれぞれ２μｍ未満になると、前記２層のそれぞれのもつすぐれた高温強度および高温硬さを確保することができず、また、前記上位層および下位層の平均層厚がそれぞれ１８μｍを越えると、一方の平均層厚を最低平均層厚である２μｍにしても合計平均層厚は２０μｍを越えてしまい、このように前記上位層および下位層の平均層厚がそれぞれ１８μｍを越えても、また、前記上位層および下位層の合計平均層厚が２０μｍを越えても、チッピングが発生し易くなることから、前記上位層および下位層の平均層厚をそれぞれ２〜１８μｍ、合計平均層厚を２０μｍ以下と定めた。
上記の通り、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層および下位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、いずれも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、試験結果によれば、前記反応雰囲気圧力を、前記上位層では６〜１０ｋｐａ、前記下位層では２０〜３０ｋＰａとすると、最高ピークが、前記上位層では０〜１５度、前記下位層では７５〜９０度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記０〜１５度および７５〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、いずれの場合も傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５０％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それぞれ前記範囲から低い方に外れても、また高い方に外れても、それぞれ前記０〜１５度および７５〜９０度の範囲内に測定傾斜角の最高ピークが現れなくなり、このような場合には所望のすぐれた高温強度および高温硬さを具備することができないものである。
また、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、上位層のすぐれた高温強度と下位層のすぐれた高温硬さによってすぐれた高温強度と高温硬さを具備するようになるが、前記上位層および下位層の平均層厚がそれぞれ２μｍ未満になると、前記２層のそれぞれのもつすぐれた高温強度および高温硬さを確保することができず、また、前記上位層および下位層の平均層厚がそれぞれ１８μｍを越えると、一方の平均層厚を最低平均層厚である２μｍにしても合計平均層厚は２０μｍを越えてしまい、このように前記上位層および下位層の平均層厚がそれぞれ１８μｍを越えても、また、前記上位層および下位層の合計平均層厚が２０μｍを越えても、チッピングが発生し易くなることから、前記上位層および下位層の平均層厚をそれぞれ２〜１８μｍ、合計平均層厚を２０μｍ以下と定めた。
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。
この発明の被覆サーメット工具は、硬質被覆層の上部層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の層厚を厚膜化した状態で、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を高速で、かつ高い機械的衝撃を伴なう高切り込みや高送りなどの重切削条件で行っても、前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層が、すぐれた高温強度と高温硬さを有することから、硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮し、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、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・ＣＮＭＧ１６０６０８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、切刃部分に幅：０．１ｍｍ、角度：２０度のチャンファーホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６０８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、
（ａ）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４，５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、
（ｂ）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：２０〜３０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の低温高圧条件で表４，５に示される目標層厚で、上部層である蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の下位層を蒸着形成し、
（ｃ）さらに、反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．７５％、Ａｒ：２６．５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の反応ガス組成調整条件で同じく表４，５に示される目標層厚で、同じく上部層である蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層を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。
（ａ）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４，５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、
（ｂ）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：２０〜３０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の低温高圧条件で表４，５に示される目標層厚で、上部層である蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の下位層を蒸着形成し、
（ｃ）さらに、反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．７５％、Ａｒ：２６．５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の反応ガス組成調整条件で同じく表４，５に示される目標層厚で、同じく上部層である蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層を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である蒸着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：６〜１３ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の通常条件で、表６，７に示される通りの目標層厚で形成する以外は、上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３と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。
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：６〜１３ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の通常条件で、表６，７に示される通りの目標層厚で形成する以外は、上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３と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１〜１３と従来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蒸着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、上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層および下位層について、それぞれ工具基体表面と平行な面をそれぞれ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、それぞれの前記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、前記上位層については０〜４５度、前記下位層については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。
また、従来被覆サーメット工具１〜１３の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層についても、工具基体表面と平行な面の任意研磨面を同一の条件で観察し、同一な条件で傾斜角度数分布グラフを作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層および下位層について、それぞれ工具基体表面と平行な面をそれぞれ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、それぞれの前記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、前記上位層については０〜４５度、前記下位層については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。
また、従来被覆サーメット工具１〜１３の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層についても、工具基体表面と平行な面の任意研磨面を同一の条件で観察し、同一な条件で傾斜角度数分布グラフを作成した。
この結果得られた各種の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、表４〜７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の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層および下位層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が、それぞれ上位層では０〜１５度、下位層では７５〜９０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すのに対して、従来被覆サーメット工具１〜１３の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度および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ものであった。
また表４〜７には、上記の各種の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、それぞれ０〜１５度および７５〜９０度の範囲内の傾斜角区分に存在する全傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体に占める割合を示した。
なお、図３は、本発明被覆サーメット工具１の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層の傾斜角度数分布グラフ、図４は同下位層の傾斜角度数分布グラフ、図５，６は従来被覆サーメット工具１の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層のそれぞれ０〜４５度および４５〜９０度の傾斜角区分を示す傾斜角度数分布グラフである。
また表４〜７には、上記の各種の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、それぞれ０〜１５度および７５〜９０度の範囲内の傾斜角区分に存在する全傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体に占める割合を示した。
なお、図３は、本発明被覆サーメット工具１の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上位層の傾斜角度数分布グラフ、図４は同下位層の傾斜角度数分布グラフ、図５，６は従来被覆サーメット工具１の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層のそれぞれ０〜４５度および４５〜９０度の傾斜角区分を示す傾斜角度数分布グラフである。
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・Ｓ３５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３３０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．５５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式断続高速高送り切削試験（通常の切削速度および送りは２５０ｍ／ｍｉｎ．および０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｂという）での合金鋼の乾式連続高速高切り込み切削試験（通常の切削速度および切り込みは１８０ｍ／ｍｉｎ．および１．５ｍｍ）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：４２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式連続高速高切り込み切削試験（通常の切削速度および切り込みは３００ｍ／ｍｉｎ．および１．５ｍｍ）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８に示した。
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３３０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．５５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式断続高速高送り切削試験（通常の切削速度および送りは２５０ｍ／ｍｉｎ．および０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｂという）での合金鋼の乾式連続高速高切り込み切削試験（通常の切削速度および切り込みは１８０ｍ／ｍｉｎ．および１．５ｍｍ）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：４２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式連続高速高切り込み切削試験（通常の切削速度および切り込みは３００ｍ／ｍｉｎ．および１．５ｍｍ）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８に示した。
表４〜８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である蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の上下２層構造の上位層および下位層のそれぞれが、（０００１）面の傾斜角度数分布グラフで前記上位層では０〜１５度、同下位層では７５〜９０度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示し、すぐれた高温強度と高温硬さを具備するようになることから、前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の層厚を厚膜化した状態で、鋼や鋳鉄の切削加工を、高速で、かつ高い機械的衝撃を伴なう高速重切削条件で行っても、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層の上部層全体が、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度および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蒸着α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、いずれも前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の高温強度および高温硬さ不足が原因で、高速重切削条件では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、特に高速重切削でもチッピングの発生なく、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。
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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、かつ２０μｍ以下の平均層厚を有する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表面被覆サーメット製切削工具において、
上記酸化アルミニウム層を、それぞれ２〜１８μｍの平均層厚（ただし、合計平均層厚は２０μｍ以下）を有する下位層と上位層からなる上下２層構造とし、さらに電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体表面と平行な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、前記上位層については０〜４５度、上記下位層については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で現した場合、
（Ａ）上記酸化アルミニウム層の上位層は、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
（Ｂ）上記酸化アルミニウム層の下位層は、７５〜９０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７５〜９０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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すこと、
を特徴とする硬質被覆層が高速重切削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。
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