JP6999585B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
〔1〕
基材と、該基材の表面に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
前記被覆層は、下部層と、中間層と、上部層とを、前記基材側からこの順序で含み、
前記下部層が、Tiと、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とのTi化合物からなるTi化合物層を1層又は2層以上含み、前記中間層が、α型Al2O3からなるα型Al2O3層を含み、前記上部層が、TiCNOからなるTiCNO層を含み、
前記被覆層の平均厚さは、5.0μm以上30.0μm以下であり、
前記中間層の前記上部層側の界面から基材側に向かって1μmまでの範囲であって、前記基材の前記下部層側の界面と平行な第1の断面において、方位差Aが下記式(i)で表される条件を満たし、
前記上部層の前記中間層側の界面からその反対側の界面に向かって1μmまでの範囲であって、前記基材の前記下部層側の界面と平行な第2の断面において、方位差Bが下記式(ii)で表される条件を満たす、被覆切削工具。
RSA≧40 (i)
(式(i)中、RSAは、前記第1の断面において、方位差Aが0度以上45度以下である粒子の断面積に対する、方位差Aが0度以上10度未満である粒子の断面積の割合(単位:面積%)であり、方位差Aは、前記第1の断面の法線と前記中間層におけるα型Al2O3層の粒子の(001)面の法線とがなす角度(単位:度)である。)
RSB≧40 (ii)
(式(ii)中、RSBは、前記第2の断面において、方位差Bが0度以上45度以下である粒子の断面積に対する、方位差Bが0度以上10度未満である粒子の断面積の割合(単位:面積%)であり、方位差Bは、前記第2の断面の法線と前記上部層におけるTiCNO層の粒子の(111)面の法線とがなす角度(単位:度)である。)
〔2〕
前記RSAが、50面積%以上である、〔1〕に記載の被覆切削工具。
〔3〕
前記RSBが、50面積%以上である、〔1〕又は〔2〕に記載の被覆切削工具。
〔4〕
前記上部層が、下記式(1):
Ti(C1-x-yNxOy) (1)
(式中、xはC元素とN元素とO元素との合計に対するN元素の原子比を表し、yはC元素とN元素とO元素との合計に対するO元素の原子比を表し、0.15≦x≦0.65、0.01≦y≦0.20を満足する。)
で表される組成を有する化合物を含有するTiCNO層からなる、〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の被覆切削工具。
〔5〕
前記上部層の平均厚さが、1.0μm以上6.0μm以下である、〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の被覆切削工具。
〔6〕
前記中間層の平均厚さが、3.0μm以上15.0μm以下である、〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の被覆切削工具。
〔7〕
前記下部層の平均厚さが、3.0μm以上15.0μm以下である、〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の被覆切削工具。
〔8〕
前記Ti化合物層を構成するTi化合物は、TiN、TiC、TiCN、TiCNO、TiON及びTiB2からなる群より選ばれる少なくとも1種である、〔1〕~〔7〕のいずれかに記載の被覆切削工具。
〔9〕
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、〔1〕~〔8〕のいずれかに記載の被覆切削工具。
RSA≧40 (i)
(式(i)中、RSAは、第1の断面において、方位差Aが0度以上45度以下である粒子の断面積に対する、方位差Aが0度以上10度未満である粒子の断面積の割合(単位:面積%)であり、方位差Aは、第1の断面の法線と中間層におけるα型Al2O3層の粒子の(001)面の法線とがなす角度(単位:度)である。)
RSB≧40 (ii)
(式(ii)中、RSBは、第2の断面において、方位差Bが0度以上45度以下である粒子の断面積に対する、方位差Bが0度以上10度未満である粒子の断面積の割合(単位:面積%)であり、方位差Bは、第2の断面の法線と上部層におけるTiCNO層の粒子の(111)面の法線とがなす角度(単位:度)である。)
本実施形態に用いる下部層は、Tiと、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とのTi化合物からなるTi化合物層を1層又は2層以上含む。被覆切削工具が、基材とα型Al2O3層を含む中間層との間に、下部層を備えると、耐摩耗性及び密着性が向上する。
本実施形態に用いる中間層は、α型Al2O3からなるα型Al2O3層を含む。本実施形態に用いる中間層は、中間層の上部層側の界面から基材側に向かって1μmまでの範囲であって、基材の下部層側の界面と平行な第1の断面において、方位差Aが下記式(i)で表される条件を満たす。
RSA≧40 (i)
(式(i)中、RSAは、第1の断面において、方位差Aが0度以上45度以下である粒子の断面積に対する、方位差Aが0度以上10度未満である粒子の断面積の割合(単位:面積%)であり、方位差Aは、第1の断面の法線と中間層におけるα型Al2O3層の粒子の(001)面の法線とがなす角度(単位:度)である。)
本実施形態に用いる上部層は、TiCNOからなるTiCNO層を含む。本実施形態に用いる上部層は、上部層の中間層側の界面からその反対側の界面に向かって1μmまでの範囲であって、基材の下部層側の界面と平行な第2の断面において、方位差Bが下記式(ii)で表される条件を満たす。
RSB≧40 (ii)
(式(ii)中、RSBは、第2の断面において、方位差Bが0度以上45度以下である粒子の断面積に対する、方位差Bが0度以上10度未満である粒子の断面積の割合(単位:面積%)であり、方位差Bは、第2の断面の法線と上部層におけるTiCNO層の粒子の(111)面の法線とがなす角度(単位:度)である。)
Ti(C1-x-yNxOy) (1)
(式中、xはC元素とN元素とO元素との合計に対するN元素の原子比を表し、yはC元素とN元素とO元素との合計に対するO元素の原子比を表し、0.15≦x≦0.65、0.01≦y≦0.20を満足する。)
本実施形態の被覆切削工具は、上記式(1)で表される組成を有する化合物において、xが0.15以上であると、靭性が向上するため、耐欠損性が一層向上する傾向にあり、一方、xが0.65以下であると、相対的にC及びOの含有量が高くなるので、硬さが高くなり、かつ反応摩耗を抑制することができるため、耐摩耗性及び耐酸化性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、上記式(1)中のxは、0.18以上0.50以下であることがより好ましく、0.20以上0.40以下であることが更に好ましい。また、本実施形態の被覆切削工具は、上記式(1)で表される組成を有する化合物において、yが0.01以上であると、反応摩耗を抑制することができるため、耐酸化性が一層向上する傾向にあり、一方、yが0.20以下であると、相対的にC及びNの含有量が高くなるので、硬さが高くなり、かつ靭性が向上するため、耐摩耗性及び耐欠損性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、上記式(1)中のyは、0.02以上0.18以下であることがより好ましく、0.03以上0.15以下であることが更に好ましい。
本実施形態に用いる被覆層は、上部層の基材とは反対側(すなわち、上部層の表面)に外層を含んでいてもよい。外層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素(好ましくはN元素)とからなる化合物の層であると、耐摩耗性に一層優れるため好ましい。同様の観点から、外層は、Ti、Nb、Cr、Al、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素(好ましくはN元素)とからなる化合物の層であることがより好ましく、Ti、Cr、Al、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、Nとからなる化合物の層であることが更に好ましく、TiNからなるTiN層であることが特に好ましい。また、外層は単層であってもよく2層以上の多層であってもよい。
本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の形成方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。ただし、各層の形成方法はこれに限定されない。
基材の表面を洗浄した後、被覆層を化学蒸着法により形成した。まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表1に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表6に組成を示す第1層を、表6に示す平均厚さになるよう、基材の表面に形成した。次いで、表1に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表6に組成を示す第2層を、表6に示す平均厚さになるよう、第1層の表面に形成した。次に、表1に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表6に組成を示す第3層を、表6に示す平均厚さになるよう、第2層の表面に形成した。これにより、3層から構成された下部層を形成した。その後、表2に示す組成、温度及び圧力の条件の下、表2に示す時間にて、第3層の表面に酸化処理を施した。次いで、表3に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した第3層の表面にα型酸化アルミニウム(α型Al2O3)の核を形成した。さらに、表4に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、第3層及びα型酸化アルミニウム(α型Al2O3)の核の表面に、表6に組成を示す中間層(α型Al2O3層)を、表6に示す平均厚さになるよう形成した。次いで、表5に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表6に組成を示す上部層を、表6に示す平均厚さになるよう、α型Al2O3層の表面に形成した。さらに、発明品1~5及び14~17、並びに比較品1~2及び9については、表2に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表6に組成を示す外層を、表6に示す平均厚さになるよう、上部層の表面に形成した。こうして、発明品1~17及び比較品1~9の被覆切削工具を得た。
被削材:S45Cの丸棒、
切削速度:210m/分、
送り:0.25mm/rev、
切り込み:1.8mm、
クーラント:有り、
評価項目:試料が欠損または最大逃げ面摩耗幅が0.3mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。また、加工時間が15分における損傷状態をSEMで確認した。
被削材:S45Cの2本の溝入り丸棒、
切削速度:140m/分、
送り:0.25mm/rev、
切り込み:1.5mm、
クーラント:有り、
評価項目:試料が欠損または最大逃げ面摩耗幅が0.3mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの衝撃回数を測定した。また、衝撃回数が5000回における損傷状態をSEMで確認した。衝撃回数は、15000回までとした。
Claims (9)
- 基材と、該基材の表面に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
前記被覆層は、下部層と、中間層と、上部層とを、前記基材側からこの順序で含み、
前記下部層が、Tiと、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とのTi化合物からなるTi化合物層を1層又は2層以上含み、前記中間層が、α型Al2O3からなるα型Al2O3層を含み、前記上部層が、TiCNOからなるTiCNO層を含み、
前記被覆層の平均厚さは、5.0μm以上30.0μm以下であり、
前記中間層の前記上部層側の界面から基材側に向かって1μmまでの範囲であって、前記基材の前記下部層側の界面と平行な第1の断面において、方位差Aが下記式(i)で表される条件を満たし、RSAが80面積%以下であり、
前記上部層の前記中間層側の界面からその反対側の界面に向かって1μmまでの範囲であって、前記基材の前記下部層側の界面と平行な第2の断面において、方位差Bが下記式(ii)で表される条件を満たし、RSBが75面積%以下である、被覆切削工具。
RSA≧40 (i)
(式(i)中、RSAは、前記第1の断面において、方位差Aが0度以上45度以下である粒子の断面積に対する、方位差Aが0度以上10度未満である粒子の断面積の割合(単位:面積%)であり、方位差Aは、前記第1の断面の法線と前記中間層におけるα型Al2O3層の粒子の(001)面の法線とがなす角度(単位:度)である。)
RSB≧40 (ii)
(式(ii)中、RSBは、前記第2の断面において、方位差Bが0度以上45度以下である粒子の断面積に対する、方位差Bが0度以上10度未満である粒子の断面積の割合(単位:面積%)であり、方位差Bは、前記第2の断面の法線と前記上部層におけるTiCNO層の粒子の(111)面の法線とがなす角度(単位:度)である。) - 前記RSAが、50面積%以上である、請求項1に記載の被覆切削工具。
- 前記RSBが、50面積%以上である、請求項1又は2に記載の被覆切削工具。
- 前記上部層が、下記式(1):
Ti(C1-x-yNxOy) (1)
(式中、xはC元素とN元素とO元素との合計に対するN元素の原子比を表し、yはC元素とN元素とO元素との合計に対するO元素の原子比を表し、0.15≦x≦0.65、0.01≦y≦0.20を満足する。)
で表される組成を有する化合物を含有するTiCNO層からなる、請求項1~3のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記上部層の平均厚さが、1.0μm以上6.0μm以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記中間層の平均厚さが、3.0μm以上15.0μm以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記下部層の平均厚さが、3.0μm以上15.0μm以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記Ti化合物層を構成するTi化合物は、TiN、TiC、TiCN、TiCNO、TiON及びTiB2からなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項1~7のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項1~8のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
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