JP5099490B2 - 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)下部層として、3〜20μmの合計平均層厚を有するTi化合物層、
(b)上部層として、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と電子後方散乱回折像装置を用いて、隣接する結晶粒相互の界面における(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、(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45%以上の割合を占める結晶粒界面配列を示し、かつ2〜20μm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工具(以下、従来被覆工具という)が知られており、そして、この従来被覆工具の硬質被覆層は、すぐれた高温硬さ、耐熱性に加えて、すぐれた結晶粒界面強度を有するため、切削抵抗の高い難削材の高速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)上記従来被覆工具の改質α型Al2O3層は、硬質被覆層の下部層であるTi化合物層上に、通常の化学蒸着装置にて、例えば、
反応ガス組成(容量%):
AlCl3:6〜10%、
CO2:4〜8%、
HCl:3〜5%、
H2S:0.25〜0.6%、
H2:残り、
反応雰囲気温度:920〜1000℃、
反応雰囲気圧力:6〜10kPa、
の条件で蒸着形成することによって得ることができるが、
同じく、硬質被覆層の下部層であるTi化合物層上に、通常の化学蒸着装置にて、例えば、まず、
(イ)反応ガス組成(容量%):
AlCl3: 6〜10 %、
CO2: 10〜15 %、
HCl: 3〜5 %、
H2S: 0.05〜0.2 %、
H2:残り、
(ロ)反応雰囲気温度; 1020〜1050 ℃、
(ハ)反応雰囲気圧力; 6〜10 kPa、
の条件で第1段階の蒸着を1時間行い、
次に、
(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; 920〜1000 ℃、
(ハ)反応雰囲気圧力; 6〜10 kPa、
の条件で第2段階の蒸着を行って、2〜15μmの平均層厚のAlとZrの複合酸化物層(以下、「改質(Al,Zr)2O3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、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=0.0025〜0.008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、六方晶結晶格子からなる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10%以上の割合を占め、かつ、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55〜65度の範囲内の結晶粒界面単位が全結晶粒界面単位の20%以上の割合を占める結晶粒界面配列を示すこと。
以上(a)、(b)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AlとZrの複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、六方晶結晶格子からなる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12〜24%、かつ、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55〜65度の範囲内の結晶粒界面単位が全結晶粒界面単位の20〜38%の割合を占める結晶粒界面配列を示すAlとZrの複合酸化物層、
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(Al,Zr)2O3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。
下部層の上に化学蒸着された改質(Al,Zr)2O3層からなる上部層は、その構成成分であるAl成分が、層の高温硬さおよび耐熱性を向上させ、また、層中に微量(Alとの合量に占める割合で、Zr/(Al+Zr)が0.0025〜0.008(但し、原子比))含有されたZr成分が、改質(Al,Zr)2O3層の結晶粒界強度を向上させ、高温強度の向上に寄与するが、Zr成分の含有割合が0.0025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0.008を超えた場合には、AlとZrの複合酸化物層にZrO2粒子が析出することによって粒界強度が低下するため、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)は0.0025〜0.008(但し、原子比)であることが望ましい。
即ち、
(イ)反応ガス組成(容量%):
AlCl3: 6〜10 %、
CO2: 10〜15 %、
HCl: 3〜5 %、
H2S: 0.05〜0.2 %、
H2:残り、
(ロ)反応雰囲気温度; 1020〜1050 ℃、
(ハ)反応雰囲気圧力; 6〜10 kPa、
の条件で第1段階の蒸着を1時間行い、
次に、
(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; 920〜1000 ℃、
(ハ)反応雰囲気圧力; 6〜10 kPa、
の条件で第2段階の蒸着を行って、2〜15μmの平均層厚の蒸着層を成膜すると、Zr/(Al+Zr)の比の値が原子比で0.0025〜0.008である改質(Al,Zr)2O3層を形成することができる。
そして、結晶粒界面配列Aおよび結晶粒界面配列Bが増大した上記改質(Al,Zr)2O3層は、AlとZrの複合酸化物相における六方晶結晶格子からなる結晶粒の結晶粒界面強度が強化され、そして、その結果として、高速重切削加工という厳しい切削条件の下であっても、硬質被覆層の上部層を構成する改質(Al,Zr)2O3層中にクラックが発生することが抑えられ、また、仮にクラックが発生したとしても、クラックの成長・伝播が防止され、硬質被覆層の耐チッピング性の向上が図られる。
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6に示される目標層厚の改質(Al,Zr)2O3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1〜10をそれぞれ製造した。
すなわち、上記の本発明被覆工具1〜10の改質(Al,Zr)2O3層および比較被覆工具1〜10の改質α型Al2O3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(結晶粒界面配列Aの比率)を算出し、表6、7にそれぞれ示した。また、同様に、前記、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55〜65度の範囲内の結晶粒界面単位が全結晶粒界面単位に占める割合(結晶粒界面配列Bの比率)を算出し、表6、7にそれぞれ示した。
[切削条件A]
被削材:JIS・S25Cの丸棒、
切削速度: 450 m/min、
切り込み: 2.5 mm、
送り: 0.7 mm/rev、
切削時間: 8 分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り切削試験(通常の切削速度および送りは、250m/min、0.3mm/rev)、
[切削条件B]
被削材:JIS・SCM420の丸棒、
切削速度: 330 m/min、
切り込み: 4.8 mm、
送り: 0.3 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件でのクロムモリブデン鋼の乾式高速高切込み切削試験(通常の切削速度および切込みは、250m/min、2mm)、
[切削条件C]
被削材:JIS・FC300の長さ方向等間隔4本縦溝入の丸棒、
切削速度: 550 m/min、
切り込み: 5.5 mm、
送り: 0.6 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件での鋳鉄の湿式高速高切込み切削試験(通常の切削速度および切込みは250m/min、2.5mm)
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。
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AlとZrの複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、六方晶結晶格子からなる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12〜24%、かつ、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55〜65度の範囲内の結晶粒界面単位が全結晶粒界面単位の20〜38%の割合を占める結晶粒界面配列を示すAlとZrの複合酸化物層、
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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- 2007-09-18 JP JP2007240653A patent/JP5099490B2/ja active Active
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