JP5019257B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
(a)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化合物層からなる下部層、
(b)化学蒸着形成され1〜15μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム(Al2O3)層からなる上部層、
以上(a)、(b)で構成された硬質被覆層を備える被覆工具において、
上記(a)のTi化合物層のうちの1層を、2.5〜15μmの平均層厚を有し、かつ、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立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{110}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45%以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すTiCN(以下、従来TiCNで示す)層、
で構成することにより、断続切削加工ですぐれた耐チッピング性を示すことが知られている。
(a)化学蒸着で形成された、粒状結晶組織を有するTiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、TiCNO層のうちの1層以上と、縦長成長結晶組織を有するTiCN(以下、l−TiCNで示す)層からなり、かつ3〜20μmの合計平均層厚を有するTi化合物層からなる下部層、
(b)化学蒸着で形成された1〜15μmの平均層厚を有するAl2O3層からなる上部層、
以上(a)、(b)で構成された硬質被覆層を備える被覆工具において、
上記l−TiCN層に隣接して、l−TiCN層のTiの一部を10原子%以下のCrで置換した層(以下、従来(Ti,Cr)CN層で示す)を1〜10μmの平均層厚で介在させることによって、鋼や鋳鉄の高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を示すことが知られている。
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:0.2〜1%、CH3CN:0.3〜2%、C2H4:1〜3%、N2:10〜30%、H2:残り、
反応雰囲気温度:700〜780℃、
反応雰囲気圧力:25〜40kPa、
の条件で形成すると、この結果形成された従来TiCN層は、すぐれた高温強度を有し、すぐれた耐機械的衝撃性を具備するようになること。
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:3〜10%、CrF5:0.1〜0.4%、CH3CN:0.5〜3%、N2:20〜40%、H2:残り、
反応雰囲気温度:800〜900℃、
反応雰囲気圧力:6〜20kPa、
の条件(通常条件という)で蒸着形成されるが、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:1〜5%、CrCl3:0.7〜2.5%、CH3CN:3〜6%、N2:20〜40%、HCl:0.5〜2%、H2:残り、
反応雰囲気温度:800〜900℃、
反応雰囲気圧力:5〜20kPa、
の条件、すなわち上記の通常条件に比して、反応ガス成分の一つであるCrF5にかえて、少量のCrCl3およびHClを加え、さらに、TiCl4およびCH3CNの含有割合を多くした条件で蒸着形成して、
組成式:(Ti1−XCrX)CN(ただし、原子比で、X:0.12〜0.20)、
を満足する(Ti,Cr)CN層を形成すると、この結果の(Ti,Cr)CN層(以下、改質(Ti,Cr)CN層という)は、上記の従来(Ti,Cr)CN層と同様の結晶構造、すなわち格子点にTi、Cr、炭素(C)、および窒素(N)からなる構成原子がそれぞれ存在するNaCl型面心立方晶の結晶構造を有するが、前記従来(Ti,Cr)CN層に比して一段とすぐれた耐熱性を有すること。
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図2(a),(b)に概略説明図で例示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する立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{111}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、前記従来(Ti,Cr)CN層は、図5に例示される通り、{111}面の測定傾斜角の分布が0〜45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、前記改質(Ti,Cr)CN層は、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、そしてこのような場合に、改質(Ti,Cr)CN層にはクーリングクラックが均一に分散し、これによって、Cr含有量を増加したことによる改質(Ti,Cr)CN層の高温強度の低下を抑制することができ、しかも、このシャープな最高ピークは、グラフ横軸の傾斜角区分に現れる高さおよび傾斜角区分位置が前記改質(Ti,Cr)CN層におけるCrの含有割合を調整することにより変化すること。
つまり、上記改質(Ti,Cr)CN層のCr成分は、Tiとの合量に占める割合(原子比)で0.12(12原子%)以上で所望の耐熱性向上効果が現れるが、その含有割合が0.20(20原子%)を越えると、高熱発生を伴う高速断続切削加工では、改質(Ti,Cr)CN層は急激に軟化し、熱塑性変形、偏摩耗を生じやすくなることから、その含有割合は、Tiとの合量に占める割合(原子比)で0.12〜0.20とする必要がある。
硬質被覆層は、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少なくとも2層以上からなるTi化合物層で構成し、しかも、そのうちの少なくとも1層は前記従来TiCN層であり、また、さらに少なくとも1層は前記改質(Ti,Cr)CN層で構成しなければならない。
既に述べたように、前記従来TiCN層は高温強度にすぐれるものの、高速断続切削加工において必要とされる十分な耐衝撃性は備えていないが、従来(Ti,Cr)CN層に比して、高温強度、高温硬さおよび耐熱性が優れると同時に、一段とすぐれた耐衝撃性を備えた改質(Ti,Cr)CN層を設けることによって、硬質被覆層全体としての高温強度を高めると同時に高温硬さを維持することができるので、上記硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄の高速断続切削加工時の耐衝撃性が改善され、その結果として、すぐれた耐チッピング性を示すとともに、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになる。
以上(a)〜(f)に示される研究結果を得たのである。
「(1)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、4〜20μmの合計平均層厚を有する硬質被覆層として、少なくとも、Ti化合物層とTiとCrの炭窒化物層とを蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(a)Ti化合物層は、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、
(b)上記Ti化合物層のうちの少なくとも1層は、2〜10μmの平均層厚を有し、かつ、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立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{110}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45%以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すTiの炭窒化物層(従来TiCN層)であり、
(c)上記TiとCrの炭窒化物層は、2〜15μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Ti1−XCrX)CNで表した場合、原子比で、X:0.12〜0.2を満足するTiとCrの炭窒化物層であり、
さらに、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立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{111}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45%以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すTiとCrの炭窒化物層(改質(Ti,Cr)CN層)である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具(被覆工具)。
(2)前記4〜20μmの合計平均層厚を有する硬質被覆層の表面に、さらに、1〜15μmの平均層厚のAl2O3層を蒸着形成したことを特徴とする、請求項1記載の表面被覆切削工具(被覆工具)。」
に特徴を有するものである。
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からなる硬質被覆層としてのTi化合物層(なお、このうちの従来TiCN層については、後記(b)、また、改質(Ti,Cr)CN層については後記(c)参照)は、それ自体が所定の高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と従来TiCN層あるいは改質(Ti,Cr)CN層のいずれとも強固に密着し、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もつが、その合計平均層厚が4μm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、断続切削加工で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、Ti化合物層の合計平均層厚を4〜20μmと定めた。
既に述べたように、反応ガスの構成成分であるC2H4の含有割合を1〜3%とし、かつ、反応雰囲気温度を700〜780℃、反応雰囲気圧力を25〜40kPaとすることにより、{110}面の法線がなす傾斜角の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45%以上の割合を占め、かつ、縦長成長結晶組織を有し、すぐれた高温強度を具備する従来TiCN層を蒸着形成することができるが、その平均層厚が2μm未満では所望のすぐれた高温強度向上効果を発揮することができず、一方その平均層厚が10μmを越えると、偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し易くなり、摩耗が加速するようになることから、その平均層厚を2〜10μmと定めた。
組成式:(Ti1−XCrX)CNで表される改質(Ti,Cr)CN層については、層中のCr含有割合(X値)をTiとの合量に占める原子比で、0.12〜0.2とすることによって、縦長成長結晶組織を有し、かつ、{111}面の法線がなす傾斜角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45%以上の割合を占める改質(Ti,Cr)CN層を形成することができるが、この改質(Ti,Cr)CN層は、すぐれた耐熱性を備え、さらに、クーリングクラックが均一に分散して存在し、Cr含有量を増加したことによる層の高温強度の低下を防止できることから、すぐれた高温強度を発揮し、耐チッピング性ばかりか耐摩耗性の大幅な向上が図られる。
したがって、その含有割合が0.12未満でも、0.2を越えても、高温強度と耐熱性の向上効果を期待することができなくなるため、高熱発生を伴い、かつ、断続的な繰り返しの衝撃的負荷がかかる高速断続切削加工においては、熱塑性変形、偏摩耗の発生等によって耐チッピング性、耐摩耗性がともに劣ったものとなる。
そして、従来TiCNの場合と同様に、その平均層厚が2μm未満ではすぐれた高温強度、耐熱性向上効果を期待することはできず、一方その平均層厚が15μmを越えると、偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し易くなり、摩耗が加速するようになることから、その平均層厚を2〜15μmと定めた。
被覆工具の耐摩耗性改善を図るため、硬質被覆層の表面構成層としてAl2O3層を設けることは従来から良く知られているが、本発明においても、Ti化合物層あるいは改質(Ti,Cr)CN層の表面にAl2O3層をさらに蒸着形成することにより、硬質被覆層の表面をAl2O3層で構成することができ、これによって、本発明の被覆工具の耐摩耗性のより一層の改善を図ることができる。
また、Al2O3層としては、α型Al2O3層、κ型Al2O3層等種々の結晶構造のAl2O3層が知られているが、これらの結晶構造のいずのAl2O3層を蒸着被覆しても良く、その結晶構造については特に制限されるものではない。
ただ、Al2O3層を蒸着形成する際に、その平均層厚が1μm未満では、硬質被覆層のさらなる耐摩耗性向上を期待することはできず、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、その平均層厚は1〜15μmとすることが必要である。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の従来TiCN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立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、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である{110}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、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。
次に、本発明被覆工具の硬質被覆層を構成する改質(Ti,Cr)CN層および比較被覆工具の硬質被覆層を構成する従来(Ti,Cr)CN層について、前記と同様に、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、上記改質(Ti,Cr)CN層および従来(Ti,Cr)CN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立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、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である{111}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、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。
また、従来TiCN層の{110}面、従来(Ti,Cr)CN層および改質(Ti,Cr)CN層の{111}面について求めた傾斜角度数分布グラフにおける最高ピークの存在する傾斜角区分および最高ピークの度数割合を、表7,8にそれぞれ示す。
これに対して、表8に示されるように、比較被覆工具1〜13の従来TiCN層の{110}面の最高ピークの度数割合は45%以上を示しているものの、従来(Ti,Cr)CN層の{111}面の最高ピークの度数割合はいずれも30%未満の値となっている。
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: 400 m/min、
切り込み: 3 mm、
送り: 0.24 mm/rev、
切削時間: 8 分、
の条件(切削条件Aという)での合金鋼の湿式断続高速切削試験(通常の切削速度は、250 m/min)、
被削材:JIS・S40Cの長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 400 m/min、
切り込み: 3 mm、
送り: 0.35 mm/rev、
切削時間: 10 分、
の条件(切削条件Bという)での炭素鋼の湿式断続高速切削試験(通常の切削速度は、300 m/min)、
被削材:JIS・FCD350の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 400 m/min、
切り込み: 3 mm、
送り: 0.25 mm/rev、
切削時間: 8 分、
の条件(切削条件Cという)でのダクタイル鋳鉄の湿式断続高速切削試験(通常の切削速度は、250 m/min)、
を行い、
いずれの切削試験(水溶性切削油使用)でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表9に示した。
Claims (2)
- 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、4〜20μmの合計平均層厚を有する硬質被覆層として、少なくとも、Ti化合物層とTiとCrの炭窒化物層とを蒸着形成した表面被覆切削工具において、
(a)Ti化合物層は、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、
(b)上記Ti化合物層のうちの少なくとも1層は、2〜10μmの平均層厚を有し、かつ、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立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{110}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45%以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すTiの炭窒化物層であり、
(c)上記TiとCrの炭窒化物層は、2〜15μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式:(Ti1−XCrX)CNで表した場合、原子比で、X:0.12〜0.2を満足するTiとCrの炭窒化物層であり、
さらに、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立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{111}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45%以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すTiとCrの炭窒化物層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記4〜20μmの合計平均層厚を有する硬質被覆層の表面に、さらに、1〜15μmの平均層厚の酸化アルミニウム層を蒸着形成したことを特徴とする、請求項1記載の表面被覆切削工具。
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