JP4888709B2 - 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切削工具 - Google Patents
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Description
(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層以上からなるTi化合物層、
(b)上部層が、化学蒸着した状態でα型またはκ型の結晶構造の酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)と酸化ジルコニウム(以下、ZrO2で示す)の2相混合酸化物組織を有し、かつ、0.1〜10重量%のZrO2がAl2O3素地に分散した2相混合酸化物層(以下、単に「従来2相混合酸化物層」という)、
を蒸着形成してなる被覆工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられることは良く知られている。
(a)従来被覆工具の硬質被覆層を構成する上部層としての従来2相混合酸化物層は、すぐれた高温硬さと所定の高温強度を備えており、この層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
(イ)反応ガス組成(容量%):
AlCl3:1〜10 %、
ZrCl4:0.01〜10 %、
CO2:1〜30 %、
HCl:0.5〜10 %、
N2:1〜15%
H2S:0.02〜2 %、
H2:残り、
(ロ)反応雰囲気温度 :850〜1050 ℃、
(ハ)反応雰囲気圧力 :5.3〜53.2 kPa
の条件(通常条件という)で、従来被覆工具の下部層であるTi化合物層上に蒸着形成されるが、このような従来2相混合酸化物層からなる上部層では、既に述べたように、Al2O3相とZrO2相間の結晶粒界強度が十分でないため、高速断続切削加工において満足できる耐チッピング性を示さないこと。
(イ)反応ガス組成(容量%):
AlCl3:6〜10%、
ZrCl4:0.6〜1.2%、
CO2:4〜8%、
HCl:3〜5%、
H2S: 0.25〜0.6%、
Ar:5〜50%、
H2:残り、
(ロ)反応雰囲気温度;1060〜1100℃、
(ハ)反応雰囲気圧力;6〜10 kPa、
の条件で蒸着を行い、2〜15μmの平均層厚の酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)相と酸化ジルコニウム(以下、ZrO2で示す)相の2相混合酸化物層(以下、「改質2相混合酸化物層」という)からなる上部層を形成すると、この条件で形成された上部層は、ZrO2がAl2O3素地に均一に分散した2相混合酸化物組織を有し、そして、該層におけるAl成分との合量に占めるZr成分の含有割合をX(但し、原子比)とした場合に、X=0.003〜0.2を満足し、さらに、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、六方晶結晶格子を有する酸化アルミニウムの結晶粒の構成結晶面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、結晶粒の構成結晶面である(0001)面および{10−10}面を選び出し、さらに、選び出した(0001)面および{10−10}面において、それぞれ隣接する結晶粒相互の界面(結晶粒界面単位)における(0001)面の法線同士および{10−10}面の法線同士の交わる角度を求めた場合に、前記(0001)面の法線同士および{10−10}面の法線同士の交わる角度が15度以下の結晶粒界面単位(以下、小角粒界面という)が全結晶粒界面単位の30%以上の割合を占める結晶粒界面配列を示す(以下、このような結晶粒界面配列を、小角粒界面比率30%以上の結晶粒界面配列という)こと。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
「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、3〜20μmの全体平均層厚を有する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層以上からなるTi化合物層、
(b)上部層が、2〜15μmの平均層厚を有し、化学蒸着された状態で酸化ジルコニウム相が酸化アルミニウム相に均一に分散した2相混合酸化物層からなり、かつ、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、六方晶結晶格子を有する酸化アルミニウムの結晶粒の構成結晶面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、結晶粒の構成結晶面である(0001)面および{10−10}面を選び出し、さらに、選び出した(0001)面および{10−10}面において、それぞれ隣接する結晶粒相互の界面(結晶粒界面単位)における(0001)面の法線同士および{10−10}面の法線同士の交わる角度を求めた場合に、前記(0001)面の法線同士および{10−10}面の法線同士の交わる角度が15度以下の結晶粒界面単位(小角粒界面)が全結晶粒界面単位の30%以上の割合を占める結晶粒界面配列(小角粒界面比率30%以上の結晶粒界面配列)を示し、さらに、2相混合酸化物層におけるジルコニウム成分の含有割合がAl成分との合量における原子比(Zr/(Al+Zr))で、0.003〜0.2である2相混合酸化物層、
以上(a)、(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表面被覆切削工具。(被覆工具)。」
に特徴を有するものである。
(a)下部層(Ti化合物層)
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層以上からなるTi化合物層は、硬質被覆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、工具基体と改質2相混合酸化物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接合強度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、特に高熱発生を伴う高速断続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。
化学蒸着された状態で酸化ジルコニウム相が酸化アルミニウム相に均一に分散した改質2相混合酸化物層の構成成分であるAl成分は、層の高温硬さおよび耐熱性を向上させ、同Zr成分は、層中に微量(Alとの合量に占める割合で、Zr/(Al+Zr)が0.003〜0.2(但し、原子比))含有されることにより、上部層(改質2相混合酸化物層)の高温強度、潤滑性、耐熱性の向上に寄与するが、Zr成分の含有割合が0.003未満では、上記作用を期待することはできず、一方、Zr成分の含有割合が0.2を超えた場合には、酸化ジルコニウム相が粗大化し、欠損が生じやすくなるため、Al成分との合量に占めるZr成分の含有割合(Zr/(Al+Zr)の比の値)を0.003〜0.2(但し、原子比))と定めた。
即ち、
(イ)反応ガス組成(容量%):
AlCl3:6〜10%、
ZrCl4:0.6〜1.2%、
CO2:4〜8%、
HCl:3〜5%、
H2S: 0.25〜0.6%、
Ar:5〜50%、
H2:残り、
(ロ)反応雰囲気温度;1060〜1100℃、
(ハ)反応雰囲気圧力;6〜10 kPa、
の条件で、2〜15μmの平均層厚の蒸着層を成膜すると、Al2O3相素地中にZrO2相が均一に分散した2相混合酸化物組織の改質2相混合酸化物層を形成することができる。
ただ、上部層の層厚が2μm未満では、上記上部層のすぐれた特性を十分に発揮することができず、一方、上部層の層厚が15μmを超えるとチッピングが発生しやすくなることから、上部層の平均層厚を2〜15μmと定めた。
次に、表4に示される蒸着条件により、同じく表5に示される目標層厚の改質2相混合酸化物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工具1〜13をそれぞれ製造した。
すなわち、上記の本発明被覆工具1〜13の改質2相混合酸化物層および比較被覆工具1〜13の従来2相混合酸化物層について、まず、それぞれ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、前記表面研磨面に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、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、前記結晶粒の各結晶粒のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、結晶粒の構成結晶面である(0001)面および{10−10}面を選び出し、さらに、選び出した(0001)面および{10−10}面において、それぞれ隣接する結晶粒相互の界面(結晶粒界面単位)における(0001)面の法線同士および{10−10}面の法線同士の交わる角度が15度以下の結晶粒界面単位が全結晶粒界面単位に占める割合(小角粒界面比率という)を算出し、表5、6にそれぞれ示した。
なお、本発明被覆工具1〜13の硬質被覆層の上部層を構成する改質2相混合酸化物層については、透過型電子顕微鏡により調査したところ、Al2O3相の素地中にZrO2相が均一に分散していることが確認されている。
[切削条件A]
被削材:JIS・S25Cの長さ方向等間隔4本縦溝入の丸棒、
切削速度: 365 m/min、
切り込み: 2 mm、
送り: 0.4 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件での炭素鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は、250m/min)、
[切削条件B]
被削材:JIS・SNCM439の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 360 m/min、
切り込み: 2 mm、
送り: 0.24 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件でのニッケルクロムモリブデン鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は、200m/min)、
[切削条件C]
被削材:JIS・FCD500の長さ方向等間隔4本縦溝入の丸棒、
切削速度: 365 m/min、
切り込み: 1.7 mm、
送り: 0.48 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は、180m/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7に示した。
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、3〜20μmの全体平均層厚を有する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層以上からなるTi化合物層、
(b)上部層が、2〜15μmの平均層厚を有し、化学蒸着された状態で酸化ジルコニウム相が酸化アルミニウム相に均一に分散した2相混合酸化物層からなり、かつ、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、六方晶結晶格子を有する酸化アルミニウムの結晶粒の構成結晶面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、結晶粒の構成結晶面である(0001)面および{10−10}面を選び出し、さらに、選び出した(0001)面および{10−10}面において、それぞれ隣接する結晶粒相互の界面(結晶粒界面単位)における(0001)面の法線同士および{10−10}面の法線同士の交わる角度を求めた場合に、前記(0001)面の法線同士および{10−10}面の法線同士の交わる角度が15度以下の結晶粒界面単位が全結晶粒界面単位の30%以上の割合を占める結晶粒界面配列を示し、さらに、2相混合酸化物層におけるジルコニウム成分の含有割合がAl成分との合量における原子比(Zr/(Al+Zr))で、0.003〜0.2である2相混合酸化物層、
以上(a)、(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表面被覆切削工具。
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