JP5757232B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 Download PDF

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Description

この発明は、例えば、高靭性のダクタイル鋳鉄等の難削材の高速切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を備え、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。
従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金で構成された基体（以下、工具基体という）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（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、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られており、このような硬質被覆層を被覆形成した被覆工具が、すぐれた耐摩耗性を示すことも知られている。
そして、切削工具に要求される各種の切削性能をさらに高めるために種々の工夫がなされており、例えば、被覆工具の耐変形抵抗性、強靭性、耐摩耗性を高めるために、特許文献１に示すように、工具基体表面に、Ｔｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層を被覆形成した被覆工具において、Ａｌ２Ｏ３層の配向係数ＴＣについて、ＴＣ（００６）を２より大きくし、さらに、二番目に大きい配向係数ＴＣ（１０４）を２＞ＴＣ（１０４）＞０．５とした被覆工具が提案されている。
しかし、この被覆工具においては、被膜の耐摩耗性は高まるものの、耐チッピング性、耐欠損性が劣るという問題点があった。
また、特許文献２に示すように、工具基体表面に、Ｔｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層を被覆形成した被覆工具において、Ａｌ２Ｏ３層の配向係数ＴＣについて、ＴＣ（１０４）およびＴＣ（１１０）を１．２より大きくした被覆工具も提案されている。
さらに、特許文献３に示すように、工具基体表面に、ＴｉＣＮ層とＡｌ２Ｏ３層を被覆形成した被覆工具において、ＴｉＣＮ層は引張応力Ｓ１を有し、また、Ａｌ２Ｏ３層は、圧縮応力Ｓ２を有するとともに、該引張応力Ｓ１と該圧縮応力Ｓ２について、
４００ＭＰａ≦｜Ｓ２−Ｓ１｜≦３５００ＭＰａ
の関係を満足させることにより、靭性と耐摩耗性の両立を図った被覆工具も知られている。
特開２００９−２８８９４号公報 特開平１１−１４０６４７号公報 特表２００６−６４７２４号公報
近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化の傾向にある。
上記の従来被覆工具は、上部層のＡｌ２Ｏ３層の配向係数ＴＣを調整することにより、あるいは、上部層のＡｌ２Ｏ３層と下部層のＴｉＣＮ層の残留応力の関係を規定することにより、高速切削条件下での被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性の向上を図るものであるが、耐チッピング性と耐摩耗性という双方の特性を同時に改善することは難しく、被削材の種類、切削条件等によって、チッピングの発生、耐摩耗性の低下等により、比較的短時間で使用寿命に至るというのが現状である。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高靭性のダクタイル鋳鉄等の難削材の高速切削加工における被覆工具の硬質被覆層の耐チッピング性と耐摩耗性を同時に改善すべく、硬質被覆層の上部層であるＡｌ２Ｏ３層の配向性に着目して、鋭意研究を行ったところ、次のような知見を得た。
まず、Ａｌ２Ｏ３層の配向性について、これを、例えば、（００６）配向の様な特定の配向に制御することにより、耐摩耗性の確保は可能であるが、層中に形成される残留応力により耐チッピング性が十分ではない。
そこで、残留応力を除去し、耐チッピング性を高めるために、特許文献３に記載されるように、ブラシ処理、ブラスト処理（サンドブラスト処理、ウェットブラスト処理）、ショットピーニング処理等の各種の表面処理を行うことによってＡｌ２Ｏ３層からなる上部層の残留応力除去を試みたところ、Ａｌ２Ｏ３層の（００６）配向性が高い場合には、十分な残留応力緩和効果が得られないため、耐チッピング性の改善も十分とはいえなかった。
つまり、特許文献１に記載されるような（００６）配向性が高い従来被覆工具においては、耐摩耗性にすぐれるものの耐チッピング性が十分でなく、そして、耐チッピング性の改善を目的として、硬質被覆層形成後、表面処理を行うことにより残留応力の緩和を図ったとしても、残留応力緩和の効果は少ないため、耐チッピング性は依然として満足できるものではなかった。
しかるに、本発明者らは、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層について、所定の割合で（００６）配向性を有せしめ、所定の耐摩耗性を保持せしめた場合であっても、同時に、（１０４）配向と（１１０）配向とを所定の比率となるように調整することにより、硬質被覆層形成後の表面処理による残留応力緩和効果の向上を図ることができ、もって、耐チッピング性を改善し得ることから、このような被覆工具は、耐摩耗性と耐チッピング性の双方に優れた工具特性を備えることを見出したのである。
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「 炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、チタン化合物層からなる下部層と酸化アルミニウム層からなる上部層を硬質被覆層として蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記酸化アルミニウム層からなる上部層は、（００６）面配向係数ＴＣ（００６）が１．８以上であり、かつ、（１０４）面のピーク強度Ｉ（１０４）と（１１０）面のピーク強度Ｉ（１１０）の比Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）が０．５〜２．０であり、さらに、酸化アルミニウム層内の残留応力値の絶対値が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、詳細に説明する。
下部層（Ｔｉ化合物層）：
下部層のＴｉ化合物層としては、チタンの炭化物（ＴｉＣ）層、窒化物（ＴｉＮ）層、炭窒化物（ＴｉＣＮ）層、炭酸化物（ＴｉＣＯ）層、炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層の１層または２層以上からなるＴｉ化合物層を用いることができるが、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、工具基体と上部層であるＡｌ２Ｏ３層のいずれにも強固に密着し、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。
下部層は、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が２０μｍを越えると、チッピングを起し易くなることから、下部層の合計平均層厚は３〜２０μｍとすることが望ましい。
上部層（Ａｌ２Ｏ３層）：
Ａｌ２Ｏ３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、例えば、靭性の高いダクタイル鋳鉄等の難削材の高速切削加工においては、被削材と切屑との擦れの発生により、切れ刃稜線近傍には大きなせん断応力が作用し、その結果、切れ刃稜線近傍には亀裂が発生しやすく、この亀裂が進展することによって、チッピングあるいは剥離が発生しやすい。
そこで、この発明では、ダクタイル鋳鉄等の難削材の高速切削加工における耐チッピング性と耐摩耗性の両特性を改善するという観点から、被覆工具の切れ刃稜線部を被覆する上部層は、ＴＣ（００６）の高い高硬度のＡｌ２Ｏ３層で構成するとともに、該Ａｌ２Ｏ３層内の残留応力の低減を図ることによって、硬質被覆層の耐チッピング性、耐剥離性を向上させた。
具体的には、まず、上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層について、ＴＣ（００６）を高めると同時に、（１０４）面のピーク強度Ｉ（１０４）および（１１０）面のピーク強度Ｉ（１１０）について、Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）が０．５〜２．０の範囲となる結晶組織構造を備えるＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成する。
次いで、該Ａｌ２Ｏ３層に対して、例えば、ウエットブラスト処理を施して層内残留応力を除去すると、Ａｌ２Ｏ３層のＴＣ（００６）が１．８以上と高い場合であっても、Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）が０．５〜２．０であるために、Ａｌ２Ｏ３層の残留応力値は、絶対値で１００ＭＰａ以下にまで低減される。
その結果、この発明のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層は、高硬度を有し耐摩耗性に優れると同時に、層内の残留応力値が小さいため、耐チッピング性、耐剥離性にも優れる。
なお、本発明でいう（００６）面配向係数ＴＣ（００６）は、上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層についてＸ線回折を行った際の（ｈｋｌ）面から得られるＸ線回折のピーク強度値をＩ（ｈｋｌ）、ＪＣＰＤＳカードＮｏ．４６−１２１２記載の（ｈｋｌ）面の標準回折強度をＩ０（ｈｋｌ）とした場合、


であるとして定義される。ここで、（ｈｋｌ）は（０１２）、（１０４）、（１１０）、（００６）、（１１３）、（２０２）、（０２４）、（１１６）の８面である。
図１に、一例として、本発明被覆工具 の上部層について測定した、Ｘ線回折チャートを示し、また、該チャートにて示される（ｈｋｌ）面のピーク強度値Ｉ（ｈｋｌ）を示す。
上記結晶組織構造を備えるＡｌ２Ｏ３層のより具体的な成膜方法を述べれば、例えば、以下のとおりである。
即ち、ＷＣ超硬合金からなり、切れ刃部にホーニング加工を施した工具基体に、通常の成膜条件で所定の層厚のＴｉ化合物層からなる下部層を蒸着形成した後、
≪第１段階≫
まず、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３：０．５〜２％、ＣＯ２：０．１〜１．５％
ＨＣｌ：０．３〜３％、ＣＯ：０．１〜１．５％、
ＣＨ４：０．５〜２．０％、Ａｒ：２０〜３５％、
Ｈ２：残り
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａ
の条件で、下部層の表面にＡｌ２Ｏ３の核形成を行い、
≪第２段階≫
ついで、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３：１〜５％、ＣＯ２：０．１〜２％
ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ２Ｓ：０．５〜１％
Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ２：残り
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａ
の条件で、Ａｌ２Ｏ３の膜成長を行い、
≪第３段階≫
ついで、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３：０．５〜２％、ＣＯ２：０．１〜１．５％
ＨＣｌ：４〜７％、Ｈ２Ｓ：０．０２〜０．４％
Ｈ２：残り
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａ
の条件で、Ａｌ２Ｏ３の膜成長を行い、目標層厚のＡｌ２Ｏ３層を得る。
上記の３段階からなる成膜によって、本発明の結晶組織構造を備えたＡｌ２Ｏ３層、即ち、ＴＣ（００６）が１．８以上であり、かつ、（１０４）面のピーク強度Ｉ（１０４）と（１１０）面のピーク強度Ｉ（１１０）の比Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）が０．５〜２．０であるＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することができる。
ついで、上記で得た本発明の結晶組織構造を備えたＡｌ２Ｏ３層からなる上部層の表面に、例えば、ウエットブラスト処理を施すことにより、上部層内の残留応力を低減させる。
具体的なウエットブラスト処理条件としては、例えば、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で、１５〜６０質量％のＡｌ２Ｏ３微粒を配合した研磨液を、０．０５〜０．３０ＭＰａのブラスト圧力で工具表面全域に噴射するものである。
本発明のＡｌ２Ｏ３層は、ＴＣ（００６）が１．８以上と高いにもかかわらず、Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）が０．５〜２．０であるために、残留応力の緩和が効果的に行われ、残留応力値の絶対値が１００ＭＰａ以下にまで低減され、その結果、耐チッピング性、耐剥離性に優れた硬質被覆層が形成される。
本発明のＡｌ２Ｏ３層は、ＴＣ（００６）が１．８未満になると、硬度が低下するため、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができないことから、ＴＣ（００６）は１．８以上と定めた。ＴＣ（００６）の上限については特に制限はないが、所定の高硬度を得るためには、ＴＣ（００６）は１．８以上３．０以下の範囲であれば十分である。
また、Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）の値については、この値が０．５未満、または、２．０を超えると、表面処理による残留応力緩和効果が得られなくなることからＩ（１０４）／Ｉ（１１０）の値は、０．５〜２．０と定めた。
また、残留応力値の絶対値については、１００ＭＰａより大きいと耐チッピング性の向上が見られないという理由から１００ＭＰａ以下と定めた。
上記本発明のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層は、上記の３段階からなる成膜によって、工具全表面（すくい面、逃げ面、切刃）に蒸着形成することができるが、必ずしも工具全表面に形成する必要はなく、切刃稜線部を含むすくい面にのみ、あるいは、切刃稜線部を含む逃げ面にのみ、本発明の結晶組織構造を備えたＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成することも勿論可能である。
なお、本発明の結晶組織構造を備えたＡｌ２Ｏ３層は、その層厚が２μｍ未満では、所望の耐摩耗性を長期にわたって発揮することができず、一方、その層厚が １５μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなることから、その層厚は２〜１５μｍとすることが望ましい。
この発明の被覆工具は、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層とＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を備え、上部層のＡｌ２Ｏ３層は、すぐれた高温硬さを有し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層内の残留応力の低減が図られているため、高熱発生を伴う高速切削条件において使用した場合でも、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性と耐チッピング性、耐剥離性を発揮するものである。
本発明被覆工具の上部層について測定した、Ｘ線回折チャートとともに、（ｈｋｌ）面の位置及びピーク強度値Ｉ（ｈｋｌ）を示す。
つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末、ＴｉＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ，Ｂを製造した。
つぎに、これらの工具基体Ａ，Ｂの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、硬質被覆層の下部層として、表２に示される条件で、表３に示されるＴｉ化合物層を蒸着形成し、
ついで、上記Ｔｉ化合物層の表面に、表４に示される３段階の条件でＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成し、
ついで、表５に示される条件で、切刃稜線部を含むすくい面、逃げ面、あるいは、すくい面及び逃げ面にウエットブラスト処理を施すことにより、
表６に示す本発明被覆工具１〜１０を製造した。
また、比較の目的で、硬質被覆層の下部層として、表２に示される条件で、表３に示されるＴｉ化合物層を蒸着形成し、
ついで、表７に示される条件で、Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成し、ついで、表５に示される条件で、ウエットブラスト処理を施すことにより、表８に示す比較被覆工具１〜１０を製造した。
上記本発明被覆工具および比較被覆工具のすくい面、逃げ面および切れ刃稜線部における、Ｔｉ化合物層、Ａｌ２Ｏ３層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定するとともに、Ａｌ２Ｏ３層についてはＸ線回折を行い、（０１２），（１０４），（１１０），（００６），（１１３），（２０２），（０２４），（１１６）の各面からのＸ線回折ピーク強度を測定することにより、ＴＣ（００６）を求め、さらに、（１０４）および（１１０）それぞれのピーク強度Ｉ（１０４）、Ｉ（１１０）の値から、ピーク強度比Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）を求めた。
表６、表８にこれらの値を示す。
また、上記本発明被覆工具および比較被覆工具のＡｌ２Ｏ３層について、ｓｉｎ２Ψ法を用い、Ｘ線回折装置によって残留応力の値を測定した。測定にはαＡｌ２Ｏ３の（１３_１０）面の回折ピークを用い、ヤング率として３８４ＧＰａ、ポアソン比として０．２３２を使用して計算を実施した。
表６、表８にこれらの値を示す。








つぎに、上記本発明被覆工具および比較被覆工具をいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ダクタイル鋳鉄の丸棒、
切削速度： ３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： １．５ｍｍ、
送り： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： １０分、
の条件で乾式高速切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）を行い、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。

表６、８、９に示される結果から、本発明被覆工具１〜１０は、硬質被覆層の上部層が、ＴＣ（００６）が１．８以上、かつ、ピーク強度比Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）が０．５〜２．０であり、さらに、上部層内の残留応力値の絶対値が１００ＭＰａ以下であるＡｌ２Ｏ３層で構成されていることから、高靭性のダクタイル鋳鉄の高速切削加工において、切れ刃稜線部にチッピング、欠損等の異常損傷の発生を招くこともなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すことがわかる。
これに対して比較被覆工具１〜１０は、Ａｌ２Ｏ３層中の引張応力が十分に緩和されていないため、切刃部にチッピング、欠損等が発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆工具は、高靭性のダクタイル鋳鉄等の難削材の高速切削加工においてすぐれた耐チッピング性とともにすぐれた耐摩耗性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (1)

  1. 炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、チタン化合物層からなる下部層と酸化アルミニウム層からなる上部層を硬質被覆層として蒸着形成した表面被覆切削工具において、
    上記酸化アルミニウム層からなる上部層は、（００６）面配向係数ＴＣ（００６）が１．８以上であり、かつ、（１０４）面のピーク強度Ｉ（１０４）と（１１０）面のピーク強度Ｉ（１１０）の比Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）が０．５〜２．０であり、さらに、酸化アルミニウム層内の残留応力値の絶対値が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。






































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