JP4747388B2 - 難削材の高速切削加工で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 - Google Patents
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この発明は、自身が高い粘性を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この結果切削抵抗のきわめて高いものとなる軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工で、硬質被覆層が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、化学蒸着した状態で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、図２に概略説明図で示される通り、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、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、図４に例示される通り、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、かつ１．５〜６μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層（以下、改質α型Ａｌ2Ｏ3層という）、
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、上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層がα型Ａｌ2Ｏ3自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性に加えて、すぐれた高温強度を具備することから、例えば各種の一般鋼や普通鋳鉄などの高速切削加工などに用いた場合にも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮することも知られている。
（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、化学蒸着した状態で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、図２に概略説明図で示される通り、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、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、図４に例示される通り、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、かつ１．５〜６μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層（以下、改質α型Ａｌ2Ｏ3層という）、
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、上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層がα型Ａｌ2Ｏ3自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性に加えて、すぐれた高温強度を具備することから、例えば各種の一般鋼や普通鋳鉄などの高速切削加工などに用いた場合にも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮することも知られている。
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改質α型Ａｌ2Ｏ3層が、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：１０５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で蒸着形成されることも知られている。
さらに、同じく硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層や改質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２００５−２０５５８６号公報
特開平６−８０１０号公報
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：１０５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で蒸着形成されることも知られている。
さらに、同じく硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層や改質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。
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、切削加工は一段と高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆サーメット工具においては、これを低合金鋼や炭素鋼などの一般鋼、さらにねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄の高速切削に用いた場合には問題はないが、特にこれを軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工に用いた場合には、前記難削材自身が高い粘性を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この傾向は高速切削時に発生する高熱によって一段と増大することと相俟って、切削抵抗のきわめて高いものとなり、一方硬質被覆層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層の高温強度はこれに耐えるに十分なものではなく、この結果切刃部にチッピング（微少欠け）が発生し易くなり、これが原因で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、上記の改質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、特に前記改質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、
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Ｔｉ化合物層（下部層）と改質α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）の間に、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、
の条件で酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2Ｏ3で示す）層を０．１〜１．９μｍの平均層厚で形成すると、この結果形成されたＡｌ2Ｏ3層は、同じく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、図１（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Ａｌ2Ｏ3層（以下、補強α型Ａｌ2Ｏ3層という）は、上記の改質α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）とＴｉ化合物層（下部層）の間にあって、前記改質α型Ａｌ2Ｏ3層を十分に補強し、切削抵抗の高い上記の難削材の高速切削加工においても前記改質α型Ａｌ2Ｏ3層にチッピングが発生するのを抑制し、この結果被覆サーメット工具がすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになる。
という研究結果を得たのである。
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Ｔｉ化合物層（下部層）と改質α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）の間に、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、
の条件で酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2Ｏ3で示す）層を０．１〜１．９μｍの平均層厚で形成すると、この結果形成されたＡｌ2Ｏ3層は、同じく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、図１（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Ａｌ2Ｏ3層（以下、補強α型Ａｌ2Ｏ3層という）は、上記の改質α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）とＴｉ化合物層（下部層）の間にあって、前記改質α型Ａｌ2Ｏ3層を十分に補強し、切削抵抗の高い上記の難削材の高速切削加工においても前記改質α型Ａｌ2Ｏ3層にチッピングが発生するのを抑制し、この結果被覆サーメット工具がすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになる。
という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、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、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、０〜１５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、かつ１．５〜５．９μｍの平均層厚を有する改質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被覆サーメット工具において、
上記の下部層であるＴｉ化合物層と上部層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層の間に、補強層として、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、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、
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、かつ０．１〜１．９μｍの平均層厚を有する補強α型Ａｌ2Ｏ3層、
を介在させてなる、難削材の高速切削加工で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、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、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、０〜１５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、かつ１．５〜５．９μｍの平均層厚を有する改質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被覆サーメット工具において、
上記の下部層であるＴｉ化合物層と上部層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層の間に、補強層として、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、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、
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、かつ０．１〜１．９μｍの平均層厚を有する補強α型Ａｌ2Ｏ3層、
を介在させてなる、難削材の高速切削加工で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。
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が高温強度を具備するようにするほか、工具基体と補強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が高温強度を具備するようにするほか、工具基体と補強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）改質α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）
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、試験結果によれば、上記蒸着条件のうちの反応雰囲気圧力を６〜１０ｋｐａとすると、最高ピークが、０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、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前記範囲から低い方に外れても、また高い方に外れても、前記０〜１５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を具備することができないものである。
また、改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、α型Ａｌ2Ｏ3自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性に加えて、高温強度も具備するようになるが、その平均層厚が１．５μｍ未満では、前記特性を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、また、その平均層厚が５．９μｍを越えると、難削材の高速切削加工ではチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１．５〜５．９μｍと定めた。
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、試験結果によれば、上記蒸着条件のうちの反応雰囲気圧力を６〜１０ｋｐａとすると、最高ピークが、０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、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前記範囲から低い方に外れても、また高い方に外れても、前記０〜１５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を具備することができないものである。
また、改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、α型Ａｌ2Ｏ3自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性に加えて、高温強度も具備するようになるが、その平均層厚が１．５μｍ未満では、前記特性を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、また、その平均層厚が５．９μｍを越えると、難削材の高速切削加工ではチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１．５〜５．９μｍと定めた。
（ｃ）補強α型Ａｌ2Ｏ3層（補強層）
上記の通り、補強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、試験結果によれば、上記蒸着条件のうちの反応雰囲気圧力を、２０〜３０ｋＰａとすると、最高ピークが７５〜９０度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、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前記範囲から低い方に外れても、また高い方に外れても、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補強作用を発揮することができないものである。
また、その平均層厚が０．１μｍ未満では、上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層に対する補強作用が不十分であり、一方、その平均層厚が１．９μｍを越えると、難削材の高速切削加工ではチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．１〜１．９μｍと定めた。
上記の通り、補強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、試験結果によれば、上記蒸着条件のうちの反応雰囲気圧力を、２０〜３０ｋＰａとすると、最高ピークが７５〜９０度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、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前記範囲から低い方に外れても、また高い方に外れても、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補強作用を発揮することができないものである。
また、その平均層厚が０．１μｍ未満では、上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層に対する補強作用が不十分であり、一方、その平均層厚が１．９μｍを越えると、難削材の高速切削加工ではチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．１〜１．９μｍ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改質α型Ａｌ2Ｏ3層を、前記改質α型Ａｌ2Ｏ3層とＴｉ化合物層との間に介在させ補強α型Ａｌ2Ｏ3層が十分に補強することから、切削抵抗の高い難削材の高速切削加工でも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・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、
（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、
の条件で表４，５に示される目標層厚で、補強α型Ａｌ2Ｏ3層を蒸着形成し、
（ｃ）さらに、反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：１．５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．７５％、Ａｒ：２６．５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０７０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の条件で同じく表４，５に示される目標層厚で、同じく上部層として改質α型Ａｌ2Ｏ3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、
の条件で表４，５に示される目標層厚で、補強α型Ａｌ2Ｏ3層を蒸着形成し、
（ｃ）さらに、反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：１．５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．７５％、Ａｒ：２６．５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０７０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の条件で同じく表４，５に示される目標層厚で、同じく上部層として改質α型Ａｌ2Ｏ3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、表６，７に示される通り、硬質被覆層の上部層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層と同下部層であるＴｉ化合物層の間に補強α型Ａｌ2Ｏ3層を形成しない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改質α型Ａｌ2Ｏ3層、および上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３の補強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と従来被覆サーメット工具１〜１３の改質α型Ａｌ2Ｏ3層、および本発明被覆サーメット工具１〜１３の補強α型Ａｌ2Ｏ3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、前記改質α型Ａｌ2Ｏ3層については０〜４５度、前記補強α型Ａｌ2Ｏ3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。
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と従来被覆サーメット工具１〜１３の改質α型Ａｌ2Ｏ3層、および本発明被覆サーメット工具１〜１３の補強α型Ａｌ2Ｏ3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、前記改質α型Ａｌ2Ｏ3層については０〜４５度、前記補強α型Ａｌ2Ｏ3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。
この結果得られた各種の改質α型Ａｌ2Ｏ3層および補強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および従来被覆サーメット工具１〜１３の改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が、それぞれ０〜１５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、一方本発明被覆サーメット工具１〜１３の補強α型Ａｌ2Ｏ3層においては、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ものであった。
また表４〜７には、上記の各種の改質α型Ａｌ2Ｏ3層および補強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４の補強α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフ、図４は同改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフである。
また表４〜７には、上記の各種の改質α型Ａｌ2Ｏ3層および補強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４の補強α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフ、図４は同改質α型Ａｌ2Ｏ3層の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・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａという）でのステンレス鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ４００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｂという）での軟鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ１の丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｃという）での高マンガン鋼の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ．）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・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａという）でのステンレス鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ４００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｂという）での軟鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ１の丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｃという）での高マンガン鋼の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ．）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下部層であるＴｉ化合物層と上部層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層の間に介在させた補強α型Ａｌ2Ｏ3層が、（０００１）面の傾斜角度数分布グラフで７５〜９０度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示し、これの作用で前記改質α型Ａｌ2Ｏ3層が十分に補強されることから、切削抵抗のきわめて高い難削材の高速切削で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、硬質被覆層に前記補強α型Ａｌ2Ｏ3層の介在形成のない従来被覆サーメット工具１〜１３においては、いずれも前記改質α型Ａｌ2Ｏ3層の強度不足が原因で、難削材の高速切削加工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高速切削加工は勿論のこと、特に自身が高い粘性を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この結果切削抵抗のきわめて高いものとなる軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工でも、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、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、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、０〜１５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、かつ１．５〜５．９μｍの平均層厚を有する改質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表面被覆サーメット製切削工具において、
上記の下部層であるＴｉ化合物層と上部層である改質α型酸化アルミニウム層の間に、補強層として、同じく化学蒸着した状態で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、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において、
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、かつ０．１〜１．９μｍの平均層厚を有するα型酸化アルミニウム層、
を介在させたことを特徴とする難削材の高速切削加工で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。
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