JP6614447B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐剥離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、化学蒸着形成された酸化アルミニウム(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、この被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられている。
そこで、難削材の切削加工においても、耐チッピング性、耐剥離性がより優れる被覆工具が求められている。
そして、工具基体と硬質被覆層の界面に存在する窒素濃度に着目して研究を進めたところ、工具基体表面直上には、工具基体表面に隣接するTi化合物層中の窒素濃度と炭素濃度が、工具基体表面と平行な方向に沿って異なるTi化合物層を形成するとともに、前記窒素濃度が最も低い部分において、工具基体表面とTi化合物層の界面から、硬質被覆層の表面に向かって垂直方向に、窒素濃度が漸次増加する領域を形成した場合には、工具基体と硬質被覆層との密着性の向上が認められ、その結果、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、溶着が発生したとしても、これを原因とするチッピング、剥離の発生を抑制し得ることを見出したのである。
「(1)WC基超硬合金またはTiCN基サーメットからなる工具基体の表面に、少なくともTi化合物層を含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具であって、
切れ刃近傍において工具基体表面直上に形成されているTi化合物層中の窒素濃度と炭素濃度を、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した場合、炭素濃度が高く窒素濃度が低い(窒素濃度ゼロを含む)低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い(炭素濃度ゼロを含む)高窒素領域が形成されており、かつ、
前記低窒素領域において、前記工具基体表面に垂直な方向へ、前記Ti化合物層中の窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からTi化合物層側へ0.2μmまでの範囲にわたって、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ti化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、20原子%/μm以上300原子%/μm以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2)前記(1)に記載の表面被覆切削工具において、前記工具基体表面直上に形成されているTi化合物層の表面に、これとは異なる膜種の一層又は多層のTi化合物層が形成されていることを特徴とする前記(1)に記載の表面被覆切削工具。
(3)前記(2)に記載の表面被覆切削工具において、最表面の前記Ti化合物層の表面に、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するAl2O3層が形成されていることを特徴とする前記(2)に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。 なお、前記(1)に関連し、本発明では、ホーニングを有する工具の場合はホーニング部、ホーニングの無い工具の場合は切れ刃から距離0.02mm以内の領域を「切れ刃近傍」と定義する。
図1に示される本発明被覆工具の一つの態様によれば、本発明被覆工具は、WC基超硬合金またはTiCN基サーメットからなる工具基体の表面に、第一層として、少なくとも窒素と炭素を含むTi化合物層を含む。
図1に示すように、第一層のTi化合物層は、該層中の窒素濃度と炭素濃度を、工具基体表面と平行な方向(図1中の水平な破線)に沿って測定した場合、層中の窒素濃度と炭素濃度が異なる濃度分布を有し、窒素濃度が低く炭素濃度が高い低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い高窒素領域が形成されている。
さらに、前記第一層のTi化合物層には、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した層中の窒素濃度が低い低窒素領域において、前記工具基体表面に垂直な方向へ、前記Ti化合物層中の窒素濃度を測定した場合、前記Ti化合物層の内部へ0.2μmの範囲にわたり、工具基体から距離が離れるにしたがい、窒素濃度が漸次増加する領域が存在する。
本発明の被覆工具は、工具基体表面と平行な方向に沿った前記窒素濃度分布、炭素濃度分布を有し、さらに、工具基体表面に垂直な方向への前記窒素濃度分布を有するTi化合物層が、少なくとも工具基体表面直上に形成される。
前記第一層としてのTi化合物層(以下、「第一Ti化合物層」ともいう)は、窒素濃度、炭素濃度が工具基体表面と平行な方向に沿って変化するとともに、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した層中の低窒素領域において、工具基体表面に垂直な方向に向かって窒素濃度を測定した場合、Ti化合物層の内部へ0.2μmの範囲にわたり、窒素濃度が漸次増加する領域が存在するTi化合物層である。
一方、第二層として形成されているTi化合物層(以下、「第二Ti化合物層」ともいう)は、該層内において成分濃度がほぼ均一なTi化合物層であって、工具基体表面と平行な方向あるいは垂直な方向に向かう窒素濃度、炭素濃度の変化はない。
したがって、前記第一Ti化合物層と第二Ti化合物層とは、例えば、TiCN系というように成分系が同じであったとしてもが、少なくとも窒素濃度の変化の有無という点で、異なるTi化合物層であるといえる。
工具基体表面直上に形成される第一Ti化合物層は、少なくとも窒素と炭素を含むTi化合物層であり、例えば、Tiの炭窒化物(TiCN)層あるいはTiの炭窒酸化物(TiCNO)層である。
なお、第一Ti化合物層としては、(後述の窒素濃度分布、炭素濃度分布を有する)TiCN層が好ましい。
前記第一Ti化合物層について、該層中に含有される窒素濃度と炭素濃度を、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した場合、窒素濃度が低く炭素濃度が高い低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い高窒素領域が形成されている。
さらに、前記低窒素領域において、前記工具基体表面に垂直な方向へ、前記Ti化合物層中の窒素濃度を測定した場合、前記Ti化合物層の内部へ0.2μmの範囲にわたり、工具基体から距離が離れるにしたがい、窒素濃度が漸次増加する領域を備える。
そして、工具基体表面と平行な方向及び工具基体表面と垂直な方向に前記の窒素濃度領域が形成されることによって、工具基体と第一Ti化合物層との界面密着性が向上する。
界面密着性が向上する理由を以下に記す。
まず、界面密着性を向上させるために第一Ti化合物層に求められる特徴は下記の3条件(イ)〜(ハ)である。
(イ)「第一Ti化合物層全体としての靭性」が高いこと
切削時には、切削熱および切削によって刃先にかかる圧力により、超硬合金基体が変形することが知られている。第一Ti化合物層全体としての靭性が高いほど、基体が変形した際に第一Ti化合物層の破壊を生じ難く、硬質被覆層が変形に追従することができる。
(逆に第一Ti化合物層全体としての靭性が低い場合、超硬合金基体が変形した際に、第一Ti化合物層内部にクラックが生じることがある。第一Ti化合物層内部にクラックが生じた状態で超硬合金基体がさらに変形すると、第一Ti化合物層が内部から破壊され、硬質被覆層が基体から脱離する。なお、この現象は厳密には「剥離」ではなく「第一Ti化合物層の破壊」であるが、第一Ti化合物層はその他の層より薄いため、剥離を生じたように見える)
TiCとTiNを比較すると、TiNの方が靭性に優れていることから、「超硬合金基体の変形に耐えるためには、第一Ti化合物層は、窒素量が多い方が好ましい」といえる。
(ロ)「超硬合金基体の直上のTi化合物の靭性」が高いこと
前述のとおり、第一Ti化合物層全体としての靭性が高いほど、基体が変形した際に第一Ti化合物層の破壊を生じ難く、硬質被覆層が変形に追従することができる。
これに加え、超硬合金基体の直上のTi化合物の靭性が高い場合には、より大きく基体が変形した際にも、硬質被覆層が基体の変形に追従することができる。
(第一Ti化合物層全体としての靭性は高いが、超硬合金基体の直上のTi化合物の靭性は低い場合、超硬合金基体が変形した際に第一Ti化合物層内部にクラックが生じることは無い。しかしながら、さらに変形量が大きくなると、基体と第一Ti化合物層の界面にクラックが生じ、該界面から剥離を生じることがある)
なお、TiCとTiNを比較すると、TiNの方が靭性に優れていることは前述のとおりであるが、実験により、『「基体表面に均一な窒素量のTi化合物層を形成する」よりも、「基体表面に窒素量の多いTi化合物と窒素量の少ないTi化合物を混在させて形成する」方が、基体からの剥離を生じ難い』ことが判明した。例えば、基体表面にTiC0.5N0.5を均一に形成するよりも、表面の50%にTiC0.3N0.7を形成し、残りの50%にTiC0.7N0.3を形成した方が、より界面からの剥離を生じ難い。
これは、窒素量の少ない(靭性に乏しい)Ti化合物が被覆された領域が基体の変形に追従できず、界面にクラックが入ったとしても、窒素量の多い(靭性に富む)Ti化合物が被覆された領域でクラックの進展を止めることができるため、見かけ上、靭性(クラックの進展に対する抵抗力)が向上するためと考えられる。
(ハ)「工具基体とその直上のTi化合物の熱膨張係率の差」が小さいこと
「工具基体とその直上のTi化合物の熱膨張係率の差」は小さい方が、断続切削時に刃先温度が変化した際、界面にかかる熱応力が小さくなるため、剥離を生じ難くなると考えられる。
室温25℃から1000℃の間で測定した熱膨張係数は、超硬合金はおよそ6.0×10−6/℃(組成により異なる)、TiCは7.7×10−6/℃、TiNは9.2×10−6/℃であり、「刃先温度の変化に耐えるためには、超硬合金基体に接するTi化合物は、窒素量が少ない方が好ましい」といえる。なお、サーメットは熱膨張係数がおよそ8.0×10−6/℃(組成により異なる)であるため、刃先温度の変化に耐えるためには、サーメット基体に接するTi化合物としては、サーメットと同じ熱膨張率となる窒素量を有するTiCN(サーメットの組成により異なるが、およそ窒素量10%、炭素量40%程度のTiCN)が最も好ましいといえる。
「界面付近において低窒素領域と高窒素領域が形成され、かつ、低窒素領域においては、工具基体表面と垂直な方向に、工具基体表面から距離が離れるに従い窒素濃度が漸次増加している第一Ti化合物層」は、上記の3条件を満足しているため、界面密着性に優れていると考えられる。
すなわち、
1.第一Ti化合物層全体としての窒素量が多く、靭性が高いために基体が変形した際に第一Ti化合物層の破壊を生じ難く、
2.工具基体の直上のTi化合物に、窒素量の多い(靭性に富む)Ti化合物があり、基体と第一Ti化合物の界面に生じたクラック進展を止めることができるため、界面からの剥離を生じ難く、
3.工具基体に接するTi化合物の窒素量の平均値は小さく、工具基体との熱膨張差が小さくなり、刃先温度の変化への耐久性が高い。
ためであると推測される。
なお、前記第一Ti化合物層の平均層厚は、0.2〜2.0μmであることが望ましい。
平均層厚が0.2μm未満で、前記条件(イ)と(ロ)と(ハ)を満足させようとすると、層厚方向に沿って、第一Ti化合物内で窒素濃度を急峻に変化させなければならず、断続切削時に刃先温度が変化した際、第一Ti化合物層内で発生する熱応力が大きくなるため、第一Ti化合物層内の破壊を生じ易くなり、所望の効果が得られないためである。
一方、平均層厚が2.0μmを超えると、耐摩耗性に優れる他の層の厚さを確保し難くなる。第一Ti化合物層は密着性の確保を主たる目的として形成しており、高温硬さ、高温強度は第二Ti化合物層に劣る。硬質被覆層の総層厚が厚いほど剥離を生じやすくなってしまうため、第一Ti化合物層は「界面密着性が確保できる必要最小限の層厚」が望ましい。
これは、窒素濃度差が5原子%未満であると、前記条件(ロ)と(ハ)が十分に両立できないためであるという理由による。なお、窒素濃度差が理論的な上限の50%であっても、前記(イ)、(ロ)、(ハ)を満足していれば、十分な界面密着性を発揮すると考えられる。
また、工具基体表面に垂直な縦断面において、前記工具基体表面と前記第一Ti化合物層との界面を観察した場合、“前記工具基体表面と前記第一Ti化合物層の界面に占める、高窒素領域の界面長さ割合”は10%以上90%以下であることが望ましい。
これは、高窒素領域の界面長さ割合が10%未満であると、工具基体と第一Ti化合物層の界面に生じたクラック進展を止める効果が十分に発揮されず、また、高窒素領域の界面長さ割合が90%を超えると、前記工具基体に接するTi化合物層と、工具基体の熱膨張差”を小さくすることが困難になり、前記条件(イ)、(ロ)、(ハ)を十分に満たせなくなるためである。
そして、前記窒素濃度が漸次増加する領域における窒素濃度の増加の平均濃度勾配は20原子%/μm以上300原子%/μm以下であることが望ましい。
前記窒素濃度が漸次増加する領域における窒素濃度の増加の平均濃度勾配が20原子%/μm未満では、窒素濃度を漸次増加させたことによる効果が少ないため、「第一Ti化合物層全体としての靭性」と「工具基体とその直上のTi化合物の熱膨張係率の差を小さくすること」を十分に両立できないためであり、また、窒素濃度の増加の平均濃度勾配が300原子%/μmを超えると、第一Ti化合物層中での熱膨張率の変化が急峻になりすぎ、刃先温度変化への耐久性が低下する(熱膨張系率の変化が大きすぎるため、温度が変化したときの熱応力が大きくなり、界面からの剥離を生じやすくなる)という理由による。
まず、工具基体表面に、900℃の反応雰囲気温度で高窒素濃度のTiCNを微量(条件にもよるが成膜時間はおよそ2−10分)形成し、工具基体表面に部分的に、高窒素濃度のTiCN結晶粒の核を分散形成し、次いで、前記高窒素濃度のTiCN結晶粒の核の周囲を埋めるように低窒素濃度のTiCN層を形成し、その後、ガスの濃度および反応雰囲気圧力を(TiN層を形成するための条件へと)漸次変化させ、最終的にTiN層を成膜する。
また、別の段階的化学蒸着法としては、工具基体表面に、900℃の反応雰囲気温度でTiN(条件にもよるが成膜時間はおよそ3−15分)を微量形成し、工具基体表面に部分的にTiN結晶粒の核を分散形成し、次いで、前記核の周囲を埋めるように通常の窒素濃度のTiCN層を形成し、その後、ガスの濃度および反応雰囲気圧力を(高窒素濃度のTiCN層を形成するための条件へと)段階的に変化させ、最終的に高窒素濃度のTiCN層を成膜する。
前記したような段階的蒸着方法で、本発明の第一Ti化合物層を蒸着形成することができる。
第二Ti化合物層としては、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、TiCNO層から選ばれる何れか1層、または、少なくとも窒素と炭素を含有し、工具基体からの距離が離れるに従い窒素量が漸次変化する傾斜組成を有するTi化合物層で形成することができる。
好ましい第二Ti化合物層は、高温硬さ、高温強度に優れているという観点から、TiCN層であるが、いずれのTi化合物層であっても、硬質被覆層全体としての高温硬さ、高温強度を高める。また同時に、第一Ti化合物層との密着性にすぐれ、Al2O3層を形成した場合には、該α−Al2O3層あるいはκ−Al2O3層との密着性にもすぐれる。
第二Ti化合物層上にさらに第三、第四、あるいはそれ以上の多層のTi化合物層を形成してもよい。
なお、Ti化合物層の平均総層厚は、2〜25μmであることが望ましい。これは、2μm未満であると高温硬さ、高温強度が十分に確保できず、耐摩耗性向上による寿命延長効果が少ないためであり、一方、平均層厚が25μmを超えると断続切削加工時に溶着チッピング、剥離等が発生するようになるという理由による。
Ti化合物層上に、α型またはκ型の結晶構造を有するAl2O3層を形成した場合には、既によく知られているように、高温硬さと耐熱性の向上が図られる。ただ、α型またはκ型の結晶構造を有するAl2O3層の平均層厚が0.5μm未満では、耐摩耗性向上による寿命延長効果が少なく、一方、その平均層厚が20μmを越えるとAl2O3結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、断続切削加工時に溶着チッピング、剥離等が発生するようになることから、α型またはκ型の結晶構造を有するAl2O3層をTi化合物層上に形成する場合には、その平均層厚を0.5〜20μmとすることが望ましい。
また、刃先識別性の向上のためにAl2O3層上にTiN等を形成してもよく、さらに硬質被覆層の形成後にショットピーニング等の処理を施してもよい。
したがって、本発明の被覆工具によれば、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、断続的・衝撃的高負荷が切れ刃に作用した場合であっても、溶着チッピングの発生、剥離の発生を抑制することができる。
さらに、本発明の被覆工具において、前記第一Ti化合物層の表面に、第二Ti化合物層を設けること、あるいは、必要に応じ、第三、第四、あるいはそれ以上の多層のTi化合物層を設けること、また、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するAl2O3層を設けることによって、耐摩耗性をより一層向上させることができるとともに、切削工具の長寿命化を図ることができる。
まず、表3に示される段階的な成膜条件で、工具基体と平行な方向及び垂直な方向に窒素濃度が変化するTi化合物層(第一Ti化合物層)を蒸着成膜した。
より具体的にいえば、まず切れ刃近傍にて、厚さ方向から15°傾いた面で斜面ラップを行い、CP研磨を施した。
なお、「切れ刃近傍」とは、既述したように、ホーニングを有する工具の場合はホーニング部、ホーニングの無い工具の場合は切れ刃から距離0.02mm以内の領域をいう。
次に、工具基体表面と第一Ti化合物層との界面から第一Ti化合物層の内部へ0.04μmに相当する位置(この位置は、“厚さ方向と平行な面で研磨した場合に、工具基体表面と第一Ti化合物層との界面から第一Ti化合物層の内部へ0.04μmの位置”のことである。したがって厚さ方向から15°傾いた面でラップして分析する場合は、0.04/sin(15°)=0.15より、工具基体表面と第一Ti化合物層との界面から第一Ti化合物層の内部へ0.15μmの位置を指す。)から、工具基体表面と平行な方向に沿って、オージェ電子分光法により線分析を行った。
この方法で異なる3箇所における窒素濃度と炭素濃度(即ち、低窒素領域における窒素濃度の極小値と炭素濃度の極大値、さらに、高窒素領域における窒素濃度の極大値と炭素濃度の極小値)を求め、これらの値を平均して、低窒素領域および高窒素領域のそれぞれの領域における窒素濃度(原子%)、炭素濃度(原子%)として求めた。
表5に、前記で求めた窒素濃度(原子%)、炭素濃度(原子%)を示す。
なお、工具基体表面に垂直な縦断面において、前記工具基体表面と前記第一Ti化合物層との界面を観察した場合、“前記工具基体表面と前記第一Ti化合物層の界面に占める、高窒素領域の界面長さ割合”は、上記の方法で工具基体表面と第一Ti化合物層との界面から第一Ti化合物層の内部へ0.04μmに相当する位置から、工具基体表面と平行な方向に沿ってオージェ電子分光法の線分析を行うことで測定した。
そして、前記の線分析を、異なった前記低窒素領域の界面近傍領域で5本行い、それぞれの位置において測定された窒素濃度を平均し、この値を、各位置における「窒素濃度(原子%)」として求めた。
さらに、前記で求めた「窒素濃度(原子%)」から、位置A−位置B間における窒素濃度の平均濃度勾配を、平均濃度勾配BA(原子%/μm)=(位置Bでの窒素濃度−位置Aでの窒素濃度)/(0.12−0.04)として算出し、また、位置B−位置C間における窒素濃度の平均濃度勾配を、平均濃度勾配CB(原子%/μm)=(位置Cでの窒素濃度−位置Bでの窒素濃度)/(0.20−0.12)として算出した。
表5に、前記で求めた「窒素濃度(原子%)」、平均濃度勾配BA(原子%/μm)および平均濃度勾配CB(原子%/μm)を示す。
ここで「平均濃度勾配BA(原子%/μm)と平均濃度勾配CB(原子%/μm)が、いずれも、20原子%/μm以上300原子%/μm以下であること」を以て、「切れ刃近傍の低窒素領域において、工具基体表面から垂直方向に窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からTi化合物層側へ0.2μm以内の範囲において、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ti化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、20原子%/μm以上300原子%/μm以下である」とする。
なお、第一Ti化合物層の形成法について、ガス濃度および成膜雰囲気圧力を段階的に変化させる場合でも「平均濃度勾配BA(原子%/μm)と平均濃度勾配CB(原子%/μm)が、いずれも、20原子%/μm以上300原子%/μm以下であること」の条件を満たせば、界面密着性に優れた第一Ti化合物層を得ることが出来る。
表6に、これらの値を示す。
表5、表6に、これらの値を示す。
被削材:JIS・SUS329J1の長さ方向等間隔2本縦溝入り丸棒、
切削速度:140m/min.、
切り込み:2.0mm、
送り:0.18mm/rev.、
切削時間:1.0分、
の条件での二相ステンレス鋼の湿式断続切削加工試験、
を行い、逃げ面摩耗幅(mm)を測定するとともに、切れ刃の目視観察を行い、溶着チッピングの発生、剥離発生の有無を確認した。
表7に、その結果を示す。
したがって、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、断続的・衝撃的高負荷が切れ刃に作用した場合であっても、溶着チッピングの発生、剥離の発生を抑制することができる。
Claims (3)
- WC基超硬合金またはTiCN基サーメットからなる工具基体の表面に、少なくともTi化合物層を含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具であって、
切れ刃近傍において工具基体表面直上に形成されているTi化合物層中の窒素濃度と炭素濃度を、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した場合、炭素濃度が高く窒素濃度が低い(窒素濃度ゼロを含む)低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い(炭素濃度ゼロを含む)高窒素領域が形成されており、かつ、
前記低窒素領域から、前記工具基体表面に垂直な方向へ、前記Ti化合物層中の窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からTi化合物層側へ0.2μmまでの範囲にわたって、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ti化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、20原子%/μm以上300原子%/μm以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 請求項1に記載の表面被覆切削工具において、前記工具基体表面直上に形成されているTi化合物層の表面に、これとは異なる膜種の一層又は多層のTi化合物層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 請求項2に記載の表面被覆切削工具において、最表面の前記Ti化合物層の表面に、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するAl2O3層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の表面被覆切削工具。
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