JP5077759B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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また、上記WC基超硬合金からなる工具基体表面に、
(a)下部層が、粒状結晶組織(以下、粒状という)のTiの炭化物(TiC)層、窒化物(TiN)層、炭窒化物(TiCN)層、炭酸化物(TiCO)層、窒酸化物(TiNO)層、炭窒酸化物(TiCNO)層のうちの少なくとも1層からなるTi化合物層、
(b)上部層が、縦長成長結晶組織のTiの炭窒化物(以下、l−TiCNで示す)層、
(c)最表面層が、酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)層、
以上(a)〜(c)で構成された硬質被覆層を化学蒸着で全体平均層厚2.5〜30μmの厚さで形成してなる被覆工具(以下、従来被覆工具という)も知られ、そして、この従来被覆工具は、すぐれた耐摩耗性、耐剥離性を発揮することが知られている。
また、上記の従来被覆工具におけるl−TiCN層は、例えば、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することができ、そしてこれがすぐれた高温強度を有することも知られている。
(a)従来被覆工具では、特に、切削加工時の耐熱塑性変形性を高めるために、その工具基体材料の成分としてCrを含有するものが多用されており、Cr成分を含有する基体からなる被覆工具は、Cr成分を含有しないものに比し、すぐれた耐熱塑性変形性を備え、その結果として、鋼や鋳鉄などの通常条件下での切削加工では、すぐれた耐摩耗性を示すようになってきている。
しかし、このような被覆工具、特に、耐摩耗性向上、長寿命化のためにAl2O3層の厚膜化を図った被覆工具においては、化学蒸着により硬質被覆層を形成する際、蒸着装置内に配置された工具基体も長時間高温に曝されるため、工具基体を構成する成分元素の拡散が生じ、特に、高温強度、耐熱塑性変形性等を向上させるためにCr酸化物、Cr炭化物等のCr成分を含有させたWC基超硬合金の場合には、工具基体表面に蒸着形成されたTi化合物層(例えば、粒状結晶組織のTiN層(以下、粒状TiN層という))へのCrの拡散が生じ、しかも、粒状TiN層にはCrの拡散を抑制する機能がないため、上部層(l−TiCN層)にまでCrが拡散し、その結果、上部層(l−TiCN層)において高温硬さの低下が生じ、同時に、工具基体中のCr量が基体表面で減少し、そして、工具基体に形成されたこの低Cr領域は耐熱塑性変形性に劣るため、被覆工具には偏摩耗等が生じやすくなり、耐摩耗性が大幅に低下するため、Al2O3層の厚膜化を行ったとしても、被覆工具の耐摩耗性向上、長寿命化を達成することは非常に困難である。
(b)そこで、硬質被覆層の下部層を、粒状TiN層あるいは粒状TiCN層からなる層とし、該下部層と、l−TiCN層からなる上部層との間に、粒状TiCNO層のTiの一部をWで置換した粒状結晶組織のTiとWの複合炭窒酸化物(以下、粒状TiWCNOという)層を中間層として蒸着形成すると、この粒状TiWCNO層は、粒状TiCNO層に比して皮膜強度が向上し、さらに、粒状TiWCNO層はCrの拡散抑制作用を有するため、工具基体が高温で長時間曝されたとしても、工具基体からのCr成分の拡散を抑え、したがって、Cr成分がl−TiCN層(上部層)へ拡散することが防止され、その結果として、l−TiCN層の硬度低下が抑えられ、同時に、工具基体からCrが拡散することによって生じていた工具基体表面近傍の低Cr領域の形成も防止されるため、工具基体自体の耐熱塑性変形性の低下も防止される。
(c)さらに、上部層である上記l−TiCN層と、最表面層であるAl2O3層の間に、粒状結晶組織のTi化合物層(例えば、粒状結晶組織のTiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、TiCNO層)を、0.1〜3μmの合計層厚で蒸着形成し、密着層として介在させると、上記l−TiCN層と、最表面層であるAl2O3層の密着性が向上するようになり、この結果、被覆工具は高硬度鋼の切削においても、硬質被覆層の層間剥離の発生およびチッピングの発生がなく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮する。
(d)したがって、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、粒状TiN層あるいは粒状TiCN層からなる下部層と、粒状TiWCNO層からなる中間層と、l−TiCN層からなる上部層と、必要により、粒状Ti化合物層を密着層として介在させ、その上に、Al2O3層からなる最表面層を硬質被覆層として蒸着形成した被覆工具は、たとえ、高温で長時間曝されたとしても、工具基体からの上部層側へのCrの拡散が抑制され、そのため、工具基体表面近傍の低Cr領域の形成による耐熱塑性変形性の低下が防止され、また、l−TiCN層の硬度低下も防止され、さらに、粒状TiWCNO層がすぐれた皮膜強度を有することと相俟って、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速切削に用いた場合であっても、すぐれた耐熱塑性変形性を示すとともに長期にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになる。
「(1) 炭化タングステン基(WC基)超硬合金からなる工具基体の表面に、
(a)下部層が、0.1〜2μmの合計平均層厚を有する化学蒸着で形成された、粒状結晶組織のTiの炭化物層(粒状TiC層)、Tiの窒化物層(粒状TiN層)、Tiの炭窒化物層(粒状TiCN層)のうちの少なくとも1層、
(b)中間層が、0.5〜3μmの平均層厚を有する化学蒸着で形成された粒状結晶組織のTiとWの複合炭窒酸化物層(粒状TiWCNO層)、
(c)上部層が、2〜20μmの平均層厚を有する化学蒸着で形成された、縦長成長結晶組織のTiの炭窒化物層(l−TiCN層)、
(d)最表面層が、0.2〜15μmの平均層厚を有する化学蒸着で形成された酸化アルミニウム層(Al2O3層)、
以上(a)〜(d)で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具(被覆工具)。
(2) 前記(1)記載の表面被覆切削工具(被覆工具)において、
上記(c)の縦長成長結晶組織のTiの炭窒化物層(l−TiCN層)と、上記(d)の酸化アルミニウム層(Al2O3層)との間に、0.1〜3μmの平均層厚を有する化学蒸着で形成された粒状結晶組織のTiの炭化物層(粒状TiC層)、窒化物層(粒状TiN層)、炭窒化物層(粒状TiCN層)、炭酸化物層(粒状TiCO層)、炭窒酸化物層(粒状TiCNO層)のうちの少なくとも1層からなる密着層を介在してなる前記(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。
(a)工具基体(WC基超硬合金)
WC基超硬合金からなる工具基体は、通常、硬質相成分と結合相成分からなり、硬質相の主要構成成分としてはWCを含有し、これに加えてさらに、周期律表の4a、5a、6a族の金属炭化物、窒化物、炭窒化物を含有し、また、結合相の主要構成成分としては、鉄族金属元素の少なくとも1種、特にCo、を含有し、これらの構成成分からなるWC基超硬合金は硬質材料であってすぐれた耐摩耗性を有するが、Crの炭化物、窒化物、炭窒化物が含有されている場合には、工具基体表面へ硬質被覆層を蒸着形成する際、特に、厚膜Al2O3層を形成するような場合、長時間高温に曝されるため、Crが硬質被覆層中へ拡散し、工具基体の表面近傍には低Cr領域が形成され、工具基体の耐熱塑性変形性が低下して偏摩耗を生じやすくなり、結果として被覆工具の耐摩耗性が劣化し、一方、硬質被覆層中に拡散Crが含有されることにより、硬質被覆層の高温強度は増大するが、その反面、特に、l−TiCN層の高温硬さが低下し、これも被覆工具の耐摩耗性低下の原因となる。
(b)下部層(粒状TiC層、粒状TiN層、粒状TiCN層)
粒状TiC層、粒状TiN層、粒状TiCN層からなる下部層は、それ自体が高温強度を有し、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、工具基体と中間層である粒状TiWCNO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もつが、その合計平均層厚が0.1μm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2μmを越えると、特に高硬度鋼の高速切削でチッピングを起し易くなることから、その合計平均層厚を0.1〜2μmと定めた。
(c)中間層(粒状TiWCNO層)
通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:3〜10%、WCl6:0.5〜5%、CO:0.5〜2%、CH4:1〜3%、N2:10〜20%、H2:残り、
反応雰囲気温度: 900〜1020 ℃、
反応雰囲気圧力: 7〜20kPa、
の条件で化学蒸着を行うと、平均層厚が0.5〜3μmの粒状結晶構造のTiWCNO層を蒸着形成できるが、この粒状TiWCNO層は、粒状TiCNO層に比して、すぐれた皮膜強度を有し、さらに、Crの拡散抑制機能を有するため、硬質被覆層の化学蒸着時に、Cr成分が工具基体から硬質被覆層側へと拡散し、工具基体の表面近傍に低クロム領域が形成されることによる耐熱塑性変形性の低下を防止すると同時に、粒状TiWCNO層の上面に設けられたl−TiCN層中へCrが拡散し、含有されることによるl−TiCN層の硬度低下を防止し、その結果として、被覆工具の偏摩耗の発生を防ぎ、もって、高い発熱を伴う高硬度鋼の高速切削加工における被覆工具の耐摩耗性向上、長寿命化に寄与する。
(d)上部層(l−TiCN層)
上部層としての、縦長成長結晶組織を有するl−TiCN層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:2〜10%、CH3CN:0.5〜3%、N2:10〜30%、H2:残り、
反応雰囲気温度:800〜900℃、
反応雰囲気圧力:6〜20kPa、
の条件で蒸着形成されるが、粒状TiCN層に比して、一段とすぐれた高温強度を具備するため、高硬度鋼の高速切削加工における耐チッピング性の向上に寄与する。
(e)密着層(粒状Ti化合物層)
上部層である上記l−TiCN層と、最表面層であるAl2O3層の間に、粒状結晶組織のTi化合物層(例えば、粒状結晶組織のTiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、TiCNO層)を0.1〜3μmの合計層厚で蒸着形成し、密着層として介在させると、上記l−TiCN層と、最表面層であるAl2O3層の密着性が向上するようになり、この結果、被覆工具は高硬度鋼の高速切削においても、硬質被覆層の層間剥離の発生およびチッピングの発生がなく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮する。
(f)最表面層(Al2O3層)
Al2O3層からなる上部層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が0.2μm未満では、硬質被覆層に十分な耐摩耗性を発揮せしめることができず、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、その平均層厚を0.2〜15μmと定めた。
ついで、中間層としての粒状TiWCNO層を、表2に示される条件にて、表3に示される目標層厚で蒸着形成し、
ついで、上部層としてのl−TiCN層を、表2に示される条件にて、表3に示される目標層厚で蒸着形成し、
ついで、密着層としての粒状Ti化合物層を、表2に示される条件にて、表3に示される組み合わせ、目標層厚で蒸着形成し、
さらに、最表面層としてのAl2O3層を、表2に示される条件にて、表3に示される目標層厚で蒸着形成して本発明被覆工具1〜13をそれぞれ製造した。
被削材:JIS・SKD11(HRC:60)の丸棒、
切削速度: 200 m/min、
切り込み: 1.0 mm、
送り: 0.13 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件A)での合金工具鋼の乾式高速連続切削試験(通常の切削速度は、120m/min)、
被削材:JIS・SKD11(HRC:53)の丸棒、
切削速度: 200 m/min、
切り込み: 1.5 mm、
送り: 0.15 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件B)での合金工具鋼の乾式高速連続切削試験(通常の切削速度は、150m/min)、
被削材:JIS・SUJ2(HRC:45)の丸棒、
切削速度: 250 m/min、
切り込み: 1.0 mm、
送り: 0.20 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件C)での軸受鋼の乾式高速連続切削試験(通常の切削速度は、120m/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6に示した。
Claims (2)
- 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、
(a)下部層が、0.1〜2μmの合計平均層厚を有する化学蒸着で形成された、粒状結晶組織のTiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層のうちの少なくとも1層、
(b)中間層が、0.5〜3μmの平均層厚を有する化学蒸着で形成された粒状結晶組織のTiとWの複合炭窒酸化物層、
(c)上部層が、2〜20μmの平均層厚を有する化学蒸着で形成された、縦長成長結晶組織のTiの炭窒化物層、
(d)最表面層が、0.2〜15μmの平均層厚を有する化学蒸着で形成された酸化アルミニウム層、
以上(a)〜(d)で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具。 - 請求項1記載の表面被覆切削工具において、
上記(c)の縦長成長結晶組織のTiの炭窒化物層と、上記(d)の酸化アルミニウム層との間に、0.1〜3μmの平均層厚を有する化学蒸着で形成された粒状結晶組織のTiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、炭窒酸化物層のうちの少なくとも1層からなる密着層を介在してなる請求項1に記載の表面被覆切削工具。
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