JP5257535B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
本願は、2011年8月31日に、日本に出願された特願2011−189003号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(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型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層(以下、Al2O3層で示す)、
以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層が蒸着形成された被覆工具が知られている。
そこで、被覆層の剥離、チッピングを抑制するために、下部層、上部層に改良を加えた各種の被覆工具が提案されている。
例えば、下部層の改善に関するものとしては、特許文献1および特許文献2が知られている。特許文献1に記載される被覆工具下部層では、下部層のTiCN層の粒子幅を小さくし、かつ、硬質被覆層の表面を適正な表面粗さとすることによって、耐衝撃性、耐欠損性、耐摩耗性の向上を図っている。また、特許文献2に記載される被覆工具下部層では、Ti化合物層として少なくとも膜厚が2から18μmのTiCNO層を形成している。このTiCNO層では、X線回折ピーク最強度面が、(422)面または(311)面である。また、このTiCNO層中の酸素量は、0.05から3.02質量%である。上記の構成に加えてさらに、TiCN結晶粒幅を小さくすることによって、特許文献2に記載される被覆工具では、硬質被覆層表面の結晶粒粗大化および局所的突起の形成の防止が図られ、さらに、TiCNO自体の強度の向上、および下部層と上部層との密着性の向上も図られてる。
また、上部層の改善に関するものとしては、例えば、特許文献3および特許文献4が知られている。この特許文献3に記載される被覆工具では、上部層を構成するAl2O3層を、X線回折における(030)面のピーク強度I(030)が、(104)面のピーク強度I(104)よりも大であるAl2O3層で構成することによって、耐摩耗性、耐欠損性の向上を図っている。特許文献4に記載される被覆工具では、上部層を構成するAl2O3層を、それぞれ下位層と上位層からなる2層構造としている。さらに電界放出型走査電子顕微鏡を用い、(0001)面の法線がなす傾斜角を測定し、上位層については0から45度、下位層については45から90度の範囲内で傾斜角度数分布グラフを作成した場合、前記上位層は、0から15度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、この傾斜角区分内の度数合計が50%以上の割合を占め、一方、前記下位層は、75から90度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、この傾斜角区分内の度数合計が50%以上の割合を占める2層構造とすることにより、耐チッピング性を改善している。
Ti化合物層からなる下部層とAl2O3層からなる上部層とを被覆形成した被覆工具において、下部層の最表面層直上のAl2O3結晶粒の配向性を制御することで、上部層と下部層との界面に形成される微細ポアの密度を低減させ、上部層と下部層の密着性を向上させることができる。さらに、上部層全体のAl2O3結晶粒についての配向性を制御することで、上部層全体の高温硬さと高温強度を維持することができる。上述のAl2O3結晶粒の配向性制御により、切刃に高負荷・衝撃的負荷が作用する高速重切削、高速断続切削に用いた場合でも、上部層と下部層間での剥離、チッピング等の異常損傷の発生が抑えられ、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具が得られる。
(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からなる工具基体と、前記工具基体の表面に蒸着形成された硬質被覆層とを備える表面被覆切削工具であって、前記硬質被覆層は、前記工具基体の表面に形成された下部層と、前記下部層上に形成された上部層とを有し、(a)前記下部層は、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、かつ、3から20μmの合計平均層厚を有するTi化合物層からなり、(b)前記上部層は、2から15μmの平均層厚を有し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有するAl2O3層からなり、(c)前記工具基体表面に対して垂直な工具断面研磨面を調製し、前記下部層の最表面層と前記上部層との界面における、前記上部層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、前記工具断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、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(11−20)面の法線がなす傾斜角を測定した場合、前記傾斜角が0から10度であるAl2O3結晶粒の占める面積割合は、前記測定範囲の面積の30から70面積%であり、(d)上部層全体のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、前記工具断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、前記工具基体の表面の法線に対して、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た場合、その傾斜角が0から10度であるAl2O3結晶粒の占める面積割合は、前記測定範囲の面積の45面積%以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2)前記(1)記載の表面被覆切削工具であって、前記下部層の最表面層が、少なくとも500nm以上の層厚を有するTi炭窒化物層からなり、前記Ti炭窒化物層と前記上部層との界面から、前記Ti炭窒化物層の層厚方向に500nmまでの深さ領域にのみ酸素が含有されており、前記深さ領域に含有される平均酸素含有量は、前記深さ領域に含有されるTi,C,N,Oの合計含有量の0.5から3原子%である表面被覆切削工具。
(3)前記下部層の最表面層を構成する前記Ti炭窒化物層と前記上部層との界面において、前記下部層の最表面層直上のAl2O3結晶粒数の、前記下部層の最表面層の前記Ti炭窒化物の結晶粒数に対する比の値が、0.01から0.5である前記(2)に記載の表面被覆切削工具。
(a)Ti化合物層(下部層):
図1に示すように、Ti化合物層3(例えば、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層およびTiCNO層)は、基本的にはAl2O3層2の下部層として存在し、自身の持つすぐれた高温強度によって、硬質被覆層4に対して高温強度を与える。その他にも、Ti化合物層3は、工具基体5、Al2O3層2のいずれにも密着し、硬質被覆層4の工具基体5に対する密着性を維持する作用を有する。このTi化合物層3の合計平均層厚が3μm未満である場合、前記作用を十分に発揮させることができない。一方、このTi化合物層3の合計平均層厚が20μmを越える場合、特に高熱発生を伴う高速重切削・高速断続切削では熱塑性変形を起し易くなり、偏摩耗の原因となる。以上から、Ti化合物層3の合計平均層厚は、3から20μmの範囲内に定めた。
本発明における下部層3の最表面層は、例えば、以下のようにして形成する。
即ち、まず、通常の化学蒸着装置を使用して、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層およびTiCNO層のうちの1層または2層以上からなる種々のTi化合物層を蒸着形成(なお、TiCN層のみを蒸着形成することも勿論可能である)する。その後、同じく通常の化学蒸着装置を使用して、
反応ガス組成(容量%):TiCl4 3から8%、CH3CN 1.0から2.0%、N2 40から60%、残部H2、
反応雰囲気温度:750から900℃、
反応雰囲気圧力:6から10kPa、
の条件で化学蒸着して、下部層の最表面層として、例えば、酸素を含有するTiCN(以下、酸素含有TiCNという)層を形成する。
この際、所定層厚を得るに必要とされる蒸着時間終了前の5分から30分の間は、全反応ガス量に対して1から5容量%となるようにCOガスを添加して化学蒸着を行うことにより、層厚方向に500nmまでの深さ領域にのみ0.5から3原子%の酸素を含有する酸素含有TiCN層を蒸着形成する。
ここで、酸素含有TiCN層の500nmまでの深さ領域における平均酸素含有量を上記のように限定したのは、膜の深さ方向に500nmより深い領域において酸素が含有されていると、TiCN最表面の組織形態が柱状組織から粒状組織に変化するとともに、下部層3の最表面層直上のAl2O3結晶粒の配向性、(11−20)配向Al2O3結晶粒(なお、(11−20)配向Al2O3結晶粒については、後記する。)の分布状態を所望のものとできなくなるためである。
ただ、深さ領域500nmまでの平均酸素含有量が0.5原子%未満では、上部層2と下部層TiCNの付着強度の向上を望むことはできないばかりか、下部層3の最表面層直上のAl2O3結晶粒の配向性、(11−20)配向Al2O3結晶粒の分布状態を満足させることはできない。一方、この深さ領域における平均酸素含有量が3原子%を超えると、界面直上の上部層Al2O3において、(0001)配向Al2O3結晶粒(なお、(0001)配向Al2O3結晶粒については、後記する。)の占める面積割合が、上部層全体のAl2O3の全面積に対して45面積%未満となり、上部層2の高温強度が低下する。
ここで、平均酸素含有量は、下部層3の最表面層を構成する前記TiCN層と上部層2との界面から、このTiCN層の層厚方向に500nmまでの深さ領域におけるチタン(Ti),炭素(C),窒素(N)及び酸素(O)の合計含有量に占める酸素(O)含有量を原子%(=O/(Ti+C+N+O)×100)で表したものをいう。
なお、先行技術として引用した前記特許文献2には、Ti化合物層として少なくともTiCNO層(膜厚は2から18μm)を形成し、このTiCNO層全体の酸素量を0.05から3.02質量%とした下部層を備える表面被覆切削工具について記載されているが、この先行技術では、結晶粒幅を小さくして、硬質被覆層表面の結晶粒粗大化、局所的突起の形成を防止するとともに、TiCNO自体の強度の向上、上部層との密着性向上を図っているものであるが、上部層の配向性については、何らの工夫もされていない。
しかるに、本発明では、Al2O3核生成前の工程において、下部層3の最表面層を構成するTiCN層と上部層2との界面から、このTiCN層の層厚方向に500nmまでの深さ領域にのみ、0.5から3原子%の酸素が含有されるように、TiCN最表面の酸化状態を調整しておく。つまり、Al2O3核生成前の工程において、TiCN表面の粒界及び結晶面の凹凸部を相対的に強く酸化してα-Al2O3核を生成させる。このように、Al2O3核生成前の工程で、TiCN最表面の酸化状態を変化させておくことで、核を分布させた状態で形成させ、その際にTiCNの結晶方位とAl2O3核の方位関係を制御することができ、TiCN表面の粒界及び結晶面の凹凸部上に(11−20)配向Al2O3結晶粒を生成させることができる。
前記特許文献2に記載される2から18μmの膜厚の下部層(TiCNO層)は、層厚方向500nmを超える深さ領域(少なくとも、2μm以上の深さ領域)にまで酸素を含有するものであるから、この点で本発明は上記先行技術と根本的に異なる。
即ち、前記(b)の場合と同様に、まず、通常の化学蒸着装置を使用して、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層およびTiCNO層のうちの1層または2層以上からなる種々のTi化合物層を蒸着形成した後、この蒸着形成した下部層3の表面に対して、
反応ガス組成(容量%):AlCl30.1から1%、残部H2、
雰囲気温度:750から900℃、
雰囲気圧力:6から10kPa、
時間:1から5min、
という条件でAlCl3ガスエッチングを行い、その後、
反応ガス組成(容量%):CO 5から10%、NO 5から10%、残部H2、
雰囲気温度:750から900℃、
雰囲気圧力:6から10kPa、
時間:1から5min、という条件でCOとNO混合ガスによる酸化処理を行うことによって、α-Al2O3核生成に必要なAl化合物の核をTi化合物層最表面に均一分散させることで、Al2O3核生成前の工程において、Ti化合物層最表面にα-Al2O3核を均一分散させることができる。
上記(b)で成膜した0.5から3原子%の酸素を含有する酸素含有TiCN層の表面に、あるいは、上記(c)で成膜したα-Al2O3核が均一分散したTi化合物層の表面に、例えば、
反応ガス組成(容量%):TiCl4 1から5%、H2 10から30%、残部Ar、
雰囲気温度:750から900℃、
雰囲気圧力:6から10kPa、
という条件で、TiCl4ガスエッチング処理を施す。
ついで、装置内をAr雰囲気とし、温度750から900℃、圧力:6から10kPaとして、装置内雰囲気をパージした後、
反応ガス組成(容量%):AlCl3 1から3%、CO2 10から30%、残部H2、
反応雰囲気温度:960から1040℃、
反応雰囲気圧力:6から10kPa、
時間:5から30min、
の条件でAl2O3を蒸着することにより、下部層3の最表面層直上に、(11−20)配向Al2O3結晶粒が、測定範囲の面積の30から70面積%を占めるAl2O3結晶粒を形成することができる。
まず、本実施形態の表面被覆工具基体に対して垂直な工具断面研磨面を調製する(図1参照)。次に、下部層3の最表面層直上(上部層と下部層の界面直上)に形成された上記(d)のAl2O3結晶粒を測定対象として、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、前記工具断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、前記Al2O3結晶粒6の配向性に関わるデータを得る。そして、このデータを基に、前記工具基体表面の法線9に対して、前記結晶粒の結晶面である(11−20)面の法線10がなす傾斜角11(図2参照)を測定し、その傾斜角が0から10度である結晶粒(以下、「(11−20)配向Al2O3結晶粒」という)の面積割合を測定する。
上記の手順で得られる(11−20)配向Al2O3結晶粒が形成される面積割合は、上記蒸着条件のうちの、特に、TiCl4ガスエッチングにおいて、H2ガスと比較し、Arガスの割合を多くすること、さらに、反応時間5から30minにおけるAl2O3蒸着条件において、AlCl3ガス量に対してCO2ガス量を相対的に多くすることによって影響される。(11−20)配向Al2O3結晶粒が測定範囲の面積の30面積%未満であると、上部層Al2O3結晶粒6の縦長柱状組織が層厚方向に対して、傾斜した状態で形成され、微細な縦長柱状結晶粒でなくなり、上部層Al2O3と下部層3との付着強度が低下する。一方、(11−20)配向Al2O3結晶粒の存在割合が70面積%を超えると、上部層Al2O3の(0001)配向Al2O3結晶粒(後記する)の面積割合が上部層全体のAl2O3結晶粒の全面積に対して45面積%未満となり、上部層Al2O3の高温強度が低下する。
したがって、上部層2と下部層3との界面直上における上部層のAl2O3結晶粒6について、(11−20)配向Al2O3結晶粒の存在割合を30から70面積%と定めた。
下部層3の最表面層直上に上記(d)のAl2O3結晶粒を蒸着形成した後、上部層のAl2O3結晶粒を以下の条件で形成する。
即ち、上記(d)で形成したAl2O3結晶粒(即ち、(11−20)配向Al2O3結晶粒が30から70面積%存在するAl2O3結晶粒)の表面を、
反応ガス組成(容量%):AlCl3 1から5%、残部Ar、
温度:960から1040℃、
雰囲気圧力:6から10kPa、時間:1から5min、の条件でエッチング処理した後、
反応ガス組成(容量%):AlCl3 1から5%、CO2 5から15%、HCl 1から5%、H2S 0.5から1%、残部H2、
反応雰囲気温度:960から1040℃、
反応雰囲気圧力:6から10kPa、
時間:(目標とする上部層層厚になるまで)
という条件で蒸着することにより、層厚方向とほぼ平行に成長した微細な縦長柱状Al2O3結晶粒で構成され、(0001)配向Al2O3結晶粒の面積割合が、上部層全体のAl2O3結晶粒に対して45面積%以上を占めるAl2O3層からなる上部層を形成することができる。
形成される(0001)配向Al2O3結晶粒の面積割合が、45面積%以上を占める場合に、上部層Al2O3の高温硬さ、高温強度が維持されることから、本発明では、上部層の(0001)配向Al2O3結晶粒の面積割合を、45面積%以上と定めた。
上記(0001)配向Al2O3結晶粒の面積割合は、以下の手順で得られる。まず、本実施形態の表面被覆工具基体5に対して垂直な工具断面研磨面を調製する。次に、上部層全体のAl2O3結晶粒を測定対象として、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、前記工具断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、前記Al2O3結晶粒の配向性に関わるデータを得る。そして、このデータを基に、前記工具基体表面の法線9に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)面の法線10がなす傾斜角11を測定し、その傾斜角が0から10度である結晶粒((0001)配向Al2O3結晶粒)の面積割合の測定平均値が求められる。
なお、上部層全体の層厚が、2μm未満であると長期の使用にわたってすぐれた高温強度および高温硬さを発揮することができず、一方、15μmを越えると、チッピングが発生し易くなることから、上部層の層厚は2から15μmと定めた。
本実施形態では、下部層3の最表面層直上におけるAl2O3結晶粒数の、下部層3の最表面層(前記(b)で形成した酸素含有TiCN層、前記(c)で形成したTi化合物層のいずれでも可)のTi化合物結晶粒数に対する比の値(即ち、上部層2と下部層3の界面における(Al2O3結晶粒の数)/(Ti化合物結晶粒の数))を、0.01から0.5の範囲内に定めている。この値が0.01未満であると、相対的にAl2O3結晶粒のサイズが小さすぎて、界面におけるTi化合物結晶粒の結晶面の凹凸との結合性が悪くなり、上部層2のAl2O3と下部層3との付着強度が低下するとともにポアが発生しやすくなる。一方、この値が0.5を超えると、相対的にAl2O3結晶粒のサイズが大きすぎて、上部層2のAl2O3形成時にポアが形成されやすくなり、そのため上部層2のAl2O3の硬さ、強度が低下するともに、下部層のTi化合物との付着強度が低下する。
そこで、本実施形態においては、上部層2と下部層3の界面における上部層2のAl2O3結晶粒数の、下部層3の最表面層のTi化合物結晶粒数に対する比の値((Al2O3結晶粒の数)/(Ti化合物結晶粒の数))は、0.01から0.5の範囲に定めている。
界面近傍におけるAl2O3結晶粒6の大きさは、10nmから50nmであることが望ましい。
図1に下部層3および上部層2の構造を表す図、図3に上部層2と下部層3の界面における結晶粒数の比率を表す図を示した。
(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8、9に示される目標層厚のTi化合物層を蒸着形成した。
(b1)ついで、表4に示される条件にて、下部層の最表面のTi化合物層にAlCl3ガスエッチング及びCOとNO混合ガスによる酸化処理を行った。
(c)ついで、上記(b)の処理を施したTi化合物層の表面を、表6に示される条件にて、TiCl4ガスエッチング処理し、その後、装置内をArガスでパージした。
(d)ついで、表7に示される三段階の条件にて、上部層のAl2O3層を表8に示される目標層厚で形成することにより、本発明被覆工具1から7をそれぞれ製造した。
また、上記(a)で目標層厚のTi化合物層を蒸着形成した後、以下の手順で本発明被覆工具8から13をそれぞれ製造した。
(b2)表5に示される条件にて、下部層の最表面層としての酸素含有TiCN層(即ち、該層の表面から500nmまでの深さ領域にのみ、0.5から3原子%(O/(Ti+C+N+O)×100)の酸素が含有される)を表9に示される目標層厚で形成した。
ついで、上記(b2)で形成した酸素含有TiCN層の表面を、前記(c)と同様に、表6に示される条件にて、TiCl4ガスエッチング処理し、その後、装置内をArガスでパージした。
ついで、前記(d)と同様に、表7に示される三段階の条件にて、上部層のAl2O3層を表9に示される目標層厚で形成することにより、本発明被覆工具8から13をそれぞれ製造した。
さらに、比較のため、上記本発明被覆工具8から13の上記工程(b2)から外れた条件(表5で、本発明外として示す)で酸素を含有させ,また、同じく(c)から外れた条件(表6で、本発明外条件として示す)でTiCl4ガスエッチング処理を施し、また、同じく(d)から外れた条件(表7で、本発明外として示す)でAl2O3層を形成し、その他は本発明被覆工具8から13と同一の条件で成膜することにより、表11に示す比較被覆工具8から13を製造した。
反応ガス組成(容量%):TiCl4 3から8%、CH3CN 1.0から2.0%、N2 40から60%、残部H2、
反応雰囲気温度:750から900℃、
反応雰囲気圧力:6から10kPa、
の条件で化学蒸着して、酸素を意図的に含有しないTiCN(以下、不可避酸素含有TiCNという)層を3μm以上の層厚で形成した。この不可避酸素含有TiCN層の表面から層厚方向に100nmより深い領域に不可避的に含まれる酸素含有量を、オージェ電子分光分析器を用いて前記深さ領域に含有されるTi,C,N,Oの合計含有量に対する割合から求め、オージェ電子分光分析器の精度の範囲内で求められる不可避酸素含有量を0.5原子%と定めた。
ついで、上記の本発明被覆工具8から13と比較被覆工具8から13については、下部層の最表面層を構成するTiCN層について、このTiCN層の層厚方向に500nmまでの深さ領域における平均酸素含有量(=O/(Ti+C+N+O)×100)、さらに、500nmを超える深さ領域における平均酸素含有量(=O/(Ti+C+N+O)×100)を、オージェ電子分光分析器を用い、被覆工具の断面研磨面に下部層Ti炭窒化物層の最表面からTi炭化物層の膜厚相当の距離の範囲に直径10nmの電子線を照射させていき、Ti,C,N,Oのオージェピークの強度を測定し、それらのピーク強度の総和からOのオージェピーク強度の割合を算出し、さらに不可避酸素含有量を差し引いた値を該最表面層を構成するTiCN層の酸素含有量として求めた。 表9、11にこれらの値を示す。
ここで、下部層と上部層の界面における最表面のAl2O3結晶粒および下部層の最表面のTi化合物結晶粒の識別は、より具体的には、次のとおり行った。
前記Al2O3結晶粒の場合、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、断面研磨面の測定範囲内に存在する上部層酸化アルミニウム層の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、工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)面および(10−10)面の法線がなす傾斜角を測定した。そして、この結果得られた測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における(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、さらに、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2度以上の場合を結晶粒として定義することで識別した。
前記Ti化合物結晶粒の場合、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、断面研磨面の測定範囲内に存在するTi化合物層の最表層の結晶粒個々に電子線を照射して、工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(001)面および(011)面の法線がなす傾斜角を測定した。そして、この結果得られた測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度を求め、さらに、前記(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度が2度以上の場合を結晶粒として定義することで識別した。
表8から表11にこれらの値を示す。
表8から表11にこれらの値を示す。
まず、上記の本発明被覆工具1から13、比較被覆工具1から13の下部層と上部層との界面から上部層の深さ方向へ0.3μm、また、工具基体表面と平行方向に50μmの断面研磨面の測定範囲(0.3μm×50μm)を、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットした。次に、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、0.3×50μmの測定領域を0.1μm/stepの間隔で、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(11−20)面の法線がなす傾斜角を測定した。この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角が0から10度である結晶粒((11−20)配向Al2O3結晶粒)の面積割合を測定した。
表8から表11にこれらの値を示す。
図4に本発明被覆工具10の面積割合の測定結果のグラフを示す。
なお、ここでいう「上部層全体」とは、下部層と上部層との界面から上部層最表面までの測定範囲をいい、界面直上の(11−20)配向Al2O3結晶粒の測定範囲も含む。表8から表11にこれらの値を示す。
図5に本発明被覆工具10の面積割合の測定結果のグラフを示す。
被削材:JIS・S45Cの長さ方向等間隔4本縦溝入り、
切削速度:350m/min.、
切り込み:2mm、
送り:0.4mm/rev.、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Aという)でのニッケルクロムモリブデン合金鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は、それぞれ、300m/min.、)、
被削材:JIS・SNCM439の丸棒、
切削速度:370m/min.、
切り込み:3.5mm、
送り:0.25mm/rev.、
切削時間:8分、
の条件(切削条件Bという)でのニッケルクロムモリブデン合金鋼の乾式高速重切削試験(通常の切削速度および切込量は、それぞれ、250m/min.、2mm/rev.)、
被削材:JIS・FCD700の丸棒、
切削速度:320m/min.、
切り込み:2.5mm、
送り:0.2mm/rev.、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Cという)でのダクタイル鋳鉄の乾式高速高切込切削試験(通常の切削速度および切込量はそれぞれ250m/min.、1.5mm)、
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。
表12にこの測定結果を示した。
なお、本発明被覆工具8から13は、いずれも、下部層の最表面層である酸素含有TiCN層が、500nmまでの深さ領域にのみ0.5から3原子%の酸素を含有している。
これに対して、比較被覆工具1から13では、高速重切削加工、高速断続切削加工においては、硬質被覆層の剥離発生、チッピング発生により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
2 上部層(Al2O3層)
3 下部層(Ti化合物層)
4 硬質被覆層
5 工具基体
6 六方晶Al2O3結晶粒
7 六方晶Al2O3結晶粒の(11−20)面
8 工具基体表面
9 工具基体表面の法線
10 六方晶Al2O3結晶粒の(11−20)面の法線
11 工具基体表面の法線に対して(11−20)面の法線のなす傾斜角
Claims (3)
- 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からなる工具基体と、
前記工具基体の表面に蒸着形成された硬質被覆層とを備える表面被覆切削工具であって、
前記硬質被覆層は、前記工具基体の表面に形成された下部層と、前記下部層上に形成された上部層とを有し、
(a)前記下部層は、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、かつ、3から20μmの合計平均層厚を有するTi化合物層からなり、
(b)前記上部層は、2から15μmの平均層厚を有し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有するAl2O3層からなり、
(c)前記工具基体表面に対して垂直な工具断面研磨面を調製し、前記下部層の最表面層と前記上部層との界面における、前記上部層の前記Al2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、前記工具断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、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(11−20)面の法線がなす傾斜角を測定した場合、前記傾斜角が0から10度であるAl2O3結晶粒の占める面積割合は、前記測定範囲の面積の30から70面積%であり、
(d)上部層全体のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、前記工具断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、前記工具基体の表面の法線に対して、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た場合、その傾斜角が0から10度であるAl2O3結晶粒の占める面積割合は、前記測定範囲の面積の45面積%以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 請求項1記載の表面被覆切削工具であって、
前記下部層の最表面層が、少なくとも500nm以上の層厚を有するTi炭窒化物層からなり、
前記Ti炭窒化物層と前記上部層との界面から、前記Ti炭窒化物層の層厚方向に500nmまでの深さ領域にのみ酸素が含有されており、
前記深さ領域に含有される平均酸素含有量は、前記深さ領域に含有されるTi,C,N,Oの合計含有量の0.5から3原子%である表面被覆切削工具。 - 前記下部層の最表面層を構成する前記Ti炭窒化物層と前記上部層との界面において、前記下部層の最表面層直上のAl2O3結晶粒数の、前記下部層の最表面層の前記Ti炭窒化物の結晶粒数に対する比の値が、0.01から0.5である請求項2に記載の表面被覆切削工具。
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