JP5594572B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐剥離性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
(a)下部層は、Ti化合物層、
(b)上部層は、化学蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有し、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α型Al2O3層、
で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具(従来被覆工具1という)が知られており、この従来被覆工具1は、上部層の高温強度が優れることから、合金鋼、炭素鋼、鋳鉄等の高速断続切削ですぐれた耐チッピング性を示すことが知られている。
また、特許文献2に示すように、工具基体の表面に、
(a)下部層は、Ti化合物層、
(b)上部層は、平板多角形(平坦六角形状を含む)状かつたて長形状の結晶粒組織構造を有し、かつ、上部層の結晶粒の内、面積比率で60%以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上のΣ3で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されているZr含有α型Al2O3層(以下、従来AlZrO層という)、
で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具(従来被覆工具2という)が知られており、この従来被覆工具2は、硬質被覆層の上部層が、すぐれた高温硬さ、高温強度、表面性状を備えることから、合金鋼、炭素鋼、鋳鉄等の高速重切削加工において、すぐれたチッピング性を発揮することが知られている。
例えば、特許文献3に示すように、硬質被覆層の下部層を構成するTiCN層について、すくい面におけるTiCN層の(422)面配向係数を、逃げ面におけるそれより大きくすることによって、すくい面における耐衝撃性を高めると同時に、逃げ面における耐摩耗性を高めた被覆工具(以下、従来被覆工具3という)も知られている。
なお、この発明でいうところのすくい面、逃げ面および切刃部とは、図6に示される概略模式図のとおりであるが、被覆工具のすくい面と逃げ面に接し、曲率を持った曲線で囲われる部分が切刃部である。ただ、すくい面と逃げ面とが直線的に交差し、曲線で囲われる部分が形成されない場合には、直線の交点から膜深さ方向で囲まれる部分(図6中の斜線領域)が切刃部となる。
「(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で構成された工具基体の表面に、
(a)下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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、2〜15μmの合計平均層厚を有するTi化合物層、
(b)中間層が、1〜5μm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酸化アルミニウム層、
(c)上部層が、2〜15μm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Zr含有酸化アルミニウム層、
上記(a)〜(c)からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記(b)の中間層および上記(c)の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の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、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(0001)面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの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で表わした場合、
(d)すくい面および逃げ面における中間層は、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20%以上45%未満の割合を占め、また、切刃部における中間層は、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5%以上20%未満の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
(e)すくい面および逃げ面における上部層は、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30%以上60%未満の割合を占め、また、切刃部における上部層は、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5%以上20%未満の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
(f)また、上記(c)の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、すくい面および逃げ面における上部層は、層厚方向に垂直な面内で多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有し、一方、切刃部における上部層は、層厚方向に平行な面内で層表面が凹凸であり、層厚方向に多角錐形状を有する結晶粒からなる組織構造を有するZr含有酸化アルミニウム層であり、
(g)さらに、上記(c)の上部層について、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格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で1つの構成原子を共有する格子点(構成原子共有格子点)の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がN個(但し、Nはコランダム型六方最密晶の結晶構造上2以上の偶数となるが、分布頻度の点からNの上限を28とした場合、4、8、14、24および26の偶数は存在せず)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で表した場合に、すくい面および逃げ面における上記(c)の上部層を構成する結晶粒の内、面積比率で35%以上60%未満の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上のΣ3で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されているZr含有酸化アルミニウム層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) すくい面および逃げ面における前記(c)の上部層を電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で六角形状、また、層厚方向に平行な面内で層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の35%以上の面積割合を占める前記(1)に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
(a)Ti化合物層(下部層)
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化合物層は、化学蒸着によって形成することができ、基本的には中間層である改質α型Al2O3層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた靭性及び耐摩耗性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α型Al2O3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も寄与する作用を有するが、その合計平均層厚が2μm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15μmを越えると、特に断続的・衝撃的な高負荷が繰り返し作用する高速断続重切削条件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、その合計平均層厚を2〜15μmと定めた。
この発明では、上記Ti化合物層(下部層)の成膜を行った後、成膜処理を一時中断し、すくい面、逃げ面および切刃部に形成されているTi化合物層(下部層)にレーザー処理を施し、Ti化合物層(下部層)に意図的に凹凸を形成し、この上に、中間層、上部層を成膜する試験を行った結果、レーザー処理を施したすくい面及び逃げ面については、硬質被覆層の耐剥離性、耐チッピング性、耐摩耗性を向上させることができること、また、レーザー処理を施した切刃部については、硬質被覆層の耐熱塑性変形性、付着強度を向上させることができることを確認した。その際、レーザー処理を施した下部層の表面粗さを測定すると、Ra≧0.3(μm)であった。
具体的なレーザー処理は、例えば、次のようにして行う。
Ti化合物層(下部層)を被覆したすくい面、逃げ面および切刃部にレーザーを照射し、各走査線間隔が一定となるように線状にレーザーを走査・照射する。
その際、レーザービームの断面強度は、ガウシアン分布して波長190〜360nmとし、ビームの断面形状を走査方向に対して扁平させた楕円にする。即ち、この形状は、走査方向を短軸、走査方向と直交する方向を長軸とした楕円形状である。そして、楕円の長軸/短軸比を1.5以上とし、走査線の重なりを長軸径の1/4〜1/3とする。また、走査するレーザービームのピークパワー密度は、0.8〜1.5MW/cm2とする。
この際、走査速度はレーザーの繰り返し周波数と走査方向(短軸長さ)の1/4〜1/3に対し、次の関係が成り立つ速度にて走査する。
走査速度[mm/sec]
=(1/3>走査方向径>1/4[μm])/(1/繰り返し周波数[Hz])
また、この発明でいう表面粗さRaとは、JIS B0601(1994)で規定される算術平均粗さRaの値をいい、また、その測定法については特段限定されるものではない。
そして、その結果、被覆工具に衝撃的・断続的な高負荷が作用する高硬度鋼の高送り、高切り込み条件での高速断続重切削加工においても、耐剥離性、耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれた被覆工具を得ることができる。
α型Al2O3層からなる中間層は、Ti化合物層からなる下部層上に、例えば、前記特許文献1に記載される化学蒸着条件、すなわち、
通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成:容量%で、AlCl3:3〜10%、CO2:0.5〜3%、C2H4:0.01〜0.3%、H2:残り、
反応雰囲気温度:750〜900℃、
反応雰囲気圧力:3〜13kPa、
の条件で、下部層であるTi化合物層の表面にAl2O3核を形成し、この場合Al2O3核は20〜200nmの平均層厚を有するAl2O3核薄膜であるのが望ましく、引き続いて、反応雰囲気を圧力:3〜13kPaの水素雰囲気に変え、反応雰囲気温度を1100〜1200℃に昇温した条件でAl2O3核薄膜に加熱処理を施した状態で、α型Al2O3層を蒸着することによって形成することができる。
そして、この発明では、Ti化合物層からなる下部層にレーザー処理を施し、その表面粗さRaを0.3(μm)以上としておくことによって、すくい面及び逃げ面と、切刃部とは異なった結晶配向性を有するα型Al2O3層が形成される。
即ち、Ti化合物層(下部層)の上に化学蒸着された切刃部のα型Al2O3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図1(a),(b)に示される通り、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、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(0001)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で表した場合、図2に例示される通り、傾斜角区分0〜10度の範囲内にシャープな最高ピークが現れるが、傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の5%以上20%未満の割合を占める。
一方、逃げ面およびすくい面に形成された中間層(α型Al2O3層)については、傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の20%以上45%未満である。
したがって、切刃部の中間層は、すくい面及び逃げ面の中間層に比して、(0001)面配向率が相対的に小さいα型Al2O3層として構成されているため、耐熱塑性変形性にすぐれ、一方、すくい面及び逃げ面の中間層は、(0001)面配向率が切刃部に対して相対的に高いため、耐摩耗性にすぐれている。
なお、α型Al2O3層からなる中間層の平均層厚については、すくい面、逃げ面、切刃部の何れの面においても、中間層の平均層厚が1μm未満では前記の特性を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、一方、その平均層厚が5μmを越えると、切削時に発生する高熱と切刃に作用する断続的かつ衝撃的高負荷によって、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、その平均層厚は1〜5μmと定めた。
中間層の上に化学蒸着で形成するZr含有α型Al2O3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0.002〜0.01(但し、原子比))含有されたZr成分が、Zr含有α型Al2O3層の結晶粒界面強度を向上させ、高温強度の向上に寄与するが、Zr成分の含有割合が0.002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0.01を超えた場合には、層中にZrO2粒子が析出することによって粒界面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0.002〜0.01(但し、原子比)の範囲内とすることが望ましい。
即ち、まず、
(イ)反応ガス組成(容量%):
AlCl3: 1〜5 %、
ZrCl4: 0.05〜0.1 %、
CO2: 2〜6 %、
HCl: 1〜5 %、
H2S: 0.25〜0.75 %、
H2:残り、
(ロ)反応雰囲気温度; 1020〜1050 ℃、
(ハ)反応雰囲気圧力; 3〜5 kPa、
の条件で第1段階の蒸着を約1時間行った後、
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 %、
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段階の蒸着を行うことによって、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0.002〜0.01であるZr含有α型Al2O3層を形成することができる。
即ち、切刃部の上部層(Zr含有α型Al2O3層)について、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、前記表面研磨面の法線に対して、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、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で表した場合、傾斜角区分0〜10度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の5%以上20%未満の割合を占めた。
一方、逃げ面およびすくい面に形成された上部層(Zr含有α型Al2O3層)については、傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の30%以上60%未満であった。
したがって、切刃部の上部層は、(0001)面配向率の小さいZr含有α型Al2O3層として構成され、一方、すくい面及び逃げ面の上部層の(0001)面配向率は切刃部に対して相対的に高くなっているため、切刃部においては耐熱塑性変形性と付着強度にすぐれ、また、すくい面及び逃げ面においては耐摩耗性と付着強度にすぐれた上部層(Zr含有α型Al2O3層)が形成される。
一方、切刃部の上部層(Zr含有α型Al2O3層)について、同様に、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察すると、図3(d)、(e)に示されるように、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面が凹凸であり、層厚方向に多角錐形状を有する結晶粒からなる組織構造が形成される。
ここで、本発明でいう「たて長」形状とは、結晶粒の層厚方向の平均長さ(平均高さ)が、層厚方向に垂直な方向の結晶粒の平均幅よりも大きい組織構造をいう。
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で1つの構成原子を共有する格子点(構成原子共有格子点)の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がN個(但し、Nはコランダム型六方最密晶の結晶構造上2以上の偶数となるが、分布頻度の点からNの上限を28とした場合、4、8、14、24および26の偶数は存在せず)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で表すと、
切刃部の上部層については、図4に示すように、電界放出型走査電子顕微鏡で観察されるZr含有α型Al2O3層を構成する平板多角形(平坦六角形を含む)たて長形状結晶粒の内、面積比率で60%以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ3対応界面で分断されていることがわかり、また、すくい面および逃げ面の上部層については、平板多角形(平坦六角形を含む)たて長形状結晶粒の内、面積比率で35%以上60%未満の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ3対応界面で分断されていることがわかる。
そして、Zr含有α型Al2O3層の平板多角形(平坦六角形を含む)たて長形状結晶粒の内部に、上記のΣ3対応界面が存在することによって、結晶粒内強度の向上が図られ、その結果として、特に、切刃に衝撃的・断続的な高負荷が作用する高硬度鋼の高送り、高切り込みの高速断続重切削加工時に、すくい面及び逃げ面のZr含有α型Al2O3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・伝播が妨げられ、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性の向上が図られる。
(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6に示される目標層厚のTi化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
(b)ついで、すくい面、逃げ面および切刃部のTi化合物層(下部層)に対してレーザー処理を施し、表7、表8に示される表面粗さのTi化合物層(下部層)を形成し、
(c)ついで、表4に示される条件でTi化合物層(下部層)上にAl2O3核薄膜を形成し、その後加熱処理を施した状態で、表3に示される条件にて、表7、表8に示される目標層厚のα型Al2O3層からなる中間層を、切刃部、すくい面、逃げ面に蒸着形成し、
(d)次に、表5に示される蒸着条件により、同じく表7、表8に示される目標層厚のZr含有α型Al2O3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1〜15をそれぞれ製造した。
なお、比較被覆工具1〜15の工具基体種別、下部層種別、下部層厚、中間層厚および上部層厚は、それぞれ、本発明被覆工具1〜15のそれと同じである。
表9には、参考のために、レーザー処理を施していない比較被覆工具1〜15の下部層の表面粗さRaを示す。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の本発明被覆工具1〜15、比較被覆工具1〜15の各層について、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、前記研磨面の法線に対して、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、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうちの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、傾斜角度数分布グラフ作成した。
傾斜角度数分布グラフの一例として、図2(a)に、本発明被覆工具3の切刃部の中間層を構成するα型Al2O3層の(0001)面の傾斜角度数分布グラフ、図2(b)に、本発明被覆工具3のすくい面の中間層を構成するα型Al2O3層の(0001)面の傾斜角度数分布グラフを示す。
なお、この発明でいう“表面”とは、基体表面に平行な面ばかりでなく、基体表面に対して傾斜する面、例えば、層の切断面、をも含む。
表7、表8から明らかなように、本発明被覆工具1〜15の切刃部においては、傾斜角度数分布グラフにおける0〜10度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数割合は、α型Al2O3層およびZr含有α型Al2O3層のいずれも5%以上20%未満であるのに対して、本発明被覆工具1〜15のすくい面、逃げ面においては、傾斜角度数分布グラフにおける0〜10度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数割合は、α型Al2O3層では20〜45%未満、また、Zr含有α型Al2O3層では30〜60%未満であった。
なお、表9に示すように、比較被覆工具1〜15では、切刃部、すくい面および逃げ面のいずれの面についても、傾斜角度数分布グラフにおける0〜10度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数割合は、α型Al2O3層では45%以上、また、Zr含有α型Al2O3層では60%以上であった。
すなわち、まず、上記の本発明被覆工具1〜15および比較被覆工具1〜15のすくい面、逃げ面のZr含有α型Al2O3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて観察したところ、本発明被覆工具1〜15では、図3(a)、(b)で代表的に示される平板多角形(平坦六角形を含む)状かつたて長形状の大きな粒径の結晶粒組織構造が観察された(なお、図3(a)は、層厚方向に垂直な面内で見た本発明被覆工具2の組織構造模式図、また、図3(c)は、層厚方向に垂直な面内で見た本発明被覆工具11の、六角形状かつたて長形状の大きな粒径の結晶粒からなる組織構造模式図)が、本発明被覆工具1〜15の切刃部については、例えば、図3(d)、(e)に示すような、層表面が凹凸であり、層厚方向に多角錐形状を有する結晶粒からなる結晶粒組織構造が観察された。
なお、比較被覆工具1〜15については、すくい面、逃げ面および切刃部のいずれについても、本発明のすくい面、逃げ面と同様な結晶粒組織構造が観察された。
まず、本発明被覆工具1〜15のすくい面、逃げ面の各面のZr含有α型Al2O3層について、そ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格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で1つの構成原子を共有する格子点(構成原子共有格子点)の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がN個(但し、Nはコランダム型六方最密晶の結晶構造上2以上の偶数となるが、分布頻度の点からNの上限を28とした場合、4、8、14、24および26の偶数は存在せず)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で表した場合に、Zr含有α型Al2O3層の測定範囲内に存在する全結晶粒のうちで、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ3対応界面が存在する結晶粒の面積比率を求め、その値を、Σ3対応界面割合(%)として表7、表8に示した。
また、比較被覆工具1〜15についても、本発明被覆工具の場合と同様な方法により、Zr含有α型Al2O3層の測定範囲内に存在する全結晶粒のうちで、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ3対応界面が存在する結晶粒の面積比率を求め、その値を、Σ3対応界面割合(%)として表9に示した。
Σ3対応界面割合は、測定範囲内(30×50μm)に存在する各々の結晶粒を色彩識別することで、各々の結晶粒の面積を算出し、その中で、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ3対応界面が存在する結晶粒の面積を全結晶粒の面積格結晶粒の総和で除することで算出し、前記算出法によって求めた5箇所の測定範囲の平均値をΣ3対応界面割合(%)として定義した。
なお、ここで言う「大粒径の平坦六角形状」の結晶粒とは、
「電界放出型走査電子顕微鏡により観察される層厚方向に垂直な面内に存在する粒子の直径を計測し、10粒子の平均値が3〜8μmであり、頂点の角度が100〜140°である頂角を6個有する多角形状である。」
と定義する。
被削材:JIS・SUJ2(HRC62)の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 250 m/min.、
切り込み: 2.5mm、
送り: 0.17mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件Aという)での軸受鋼の乾式高速高切込み断続切削試験(通常の切削速度、切り込みは、それぞれ、200m/min.、1.5mm)、
被削材:JIS・SKD11(HRC58)の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 300 m/min.、
切り込み: 2.5mm、
送り: 0.17mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件Bという)での合金工具鋼の乾式高速高切込み断続切削試験(通常の切削速度、切り込みは、それぞれ、200m/min.、1.5mm)、
被削材:JIS・SK3(HRC61)の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 250 m/min.、
切り込み: 1.5mm、
送り: 0.3mm/rev.、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件Cという)での炭素工具鋼の乾式高速高送り断続切削試験(通常の切削速度、送りは、それぞれ、150m/min.、0.15mm/rev.)、
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10に示した。
これに対して、切刃部、すくい面および逃げ面のいずれの面も同様な硬質被覆層が形成された比較被覆工具1〜15については、高硬度鋼の高速断続重切削加工では、特に、すくい面、逃げ面の硬質被覆層の剥離発生、チッピング発生、切刃部での剥離発生、偏摩耗発生によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
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、
(a)下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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、2〜15μmの合計平均層厚を有するTi化合物層、
(b)中間層が、1〜5μm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酸化アルミニウム層、
(c)上部層が、2〜15μm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Zr含有酸化アルミニウム層、
上記(a)〜(c)からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記(b)の中間層および上記(c)の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の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、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(0001)面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの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で表わした場合、
(d)すくい面および逃げ面における中間層は、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20%以上45%未満の割合を占め、また、切刃部における中間層は、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5%以上20%未満の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
(e)すくい面および逃げ面における上部層は、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30%以上60%未満の割合を占め、また、切刃部における上部層は、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5%以上20%未満の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
(f)また、上記(c)の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、すくい面および逃げ面における上部層は、層厚方向に垂直な面内で多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有し、一方、切刃部における上部層は、層厚方向に平行な面内で層表面が凹凸であり、層厚方向に多角錐形状を有する結晶粒からなる組織構造を有するZr含有酸化アルミニウム層であり、
(g)さらに、上記(c)の上部層について、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格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で1つの構成原子を共有する格子点(構成原子共有格子点)の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がN個(但し、Nはコランダム型六方最密晶の結晶構造上2以上の偶数となるが、分布頻度の点からNの上限を28とした場合、4、8、14、24および26の偶数は存在せず)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で表した場合に、すくい面および逃げ面における上記(c)の上部層を構成する結晶粒の内、面積比率で35%以上60%未満の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上のΣ3で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されているZr含有酸化アルミニウム層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。 - すくい面および逃げ面における前記(c)の上部層を電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で六角形状、また、層厚方向に平行な面内で層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の35%以上の面積割合を占める請求項1に記載の表面被覆切削工具。
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