JP6999585B2 - 被覆切削工具 - Google Patents

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Description

本発明は、被覆切削工具に関する。
従来、超硬合金からなる基材の表面に化学蒸着法により3~20μmの総膜厚で被覆層を蒸着形成してなる被覆切削工具が、鋼や鋳鉄等の切削加工に用いられていることは、よく知られている。上記の被覆層としては、例えば、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物及び炭窒酸化物並びに酸化アルミニウム(Al23)からなる群より選ばれる1種の単層又は2種以上の複層からなる被覆層が知られている。
特許文献1では、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(Al23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、酸化アルミニウム層(Al23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、酸化アルミニウム層(Al23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が記載されている。
特開2013-132717号公報
近年の切削加工では、高速化、高送り化及び深切り込み化がより顕著となり、従来よりも工具の耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが求められている。特に、近年、鋼の高速切削等、被覆切削工具に負荷が作用するような切削加工が増えており、かかる過酷な切削条件下において、従来の工具では被覆層の粒子の脱落に起因したクレータ摩耗及び欠損が生じる。これが引き金となって、工具寿命を長くできないという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって、工具寿命を延長することができる被覆切削工具を提供することを目的とする。
本発明者らは、上述の観点から、被覆切削工具の工具寿命の延長について研究を重ねた。そして、α型Al23層及びTiCNO層を基材側からこの順で積層し、α型Al23層及びTiCNO層の所定領域内において、それぞれ、所定の結晶方位を示す粒子の割合が特定値以上であり、被覆層の平均厚さが所定範囲内であることを含む以下の構成にすると、粒子の脱落を抑制することにより耐摩耗性を向上させることができると共に耐欠損性も向上させることができ、その結果、工具寿命を延長することが可能になるという知見を得て、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は下記のとおりである。
〔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Al23からなるα型Al23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Al23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-yxy) (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。
本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって工具寿命を延長することができる被覆切削工具を提供できる。
本発明の被覆切削工具の一例を示す模式断面図である。
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。なお、図面中、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
本実施形態の被覆切削工具は、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、被覆層は、下部層と、中間層と、上部層とを、基材側からこの順序で含み、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、中間層が、α型Al23からなるα型Al23層を含み、上部層が、TiCNOからなるTiCNO層を含み、被覆層の平均厚さは、5.0μm以上30.0μm以下であり、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し、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。
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Al23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。)
本実施形態の被覆切削工具は、上記の構成を備えることにより、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることができ、その結果、工具寿命を延長することができる。本実施形態の被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する要因は、以下のように考えられる。ただし、本発明は、以下の要因により何ら限定されない。すなわち、まず、本実施形態の被覆切削工具は、被覆層の平均厚さが5.0μm以上であることにより、耐摩耗性が向上し、被覆層の平均厚さが30.0μm以下であることにより、被覆層の基材との密着性及び耐欠損性が向上する。本実施形態に用いる被覆層の中間層は、α型Al23層を有しており、α型Al23層は、上記式(i)を満たすように優先的に(001)面に配向している。本実施形態の被覆切削工具は、このように、優先的に(001)面に配向したα型Al23層を有すると、優れた耐熱性を有することに主に起因して、耐クレータ摩耗性に優れるため、耐摩耗性に優れる。ただし、優先的に(001)面に配向したα型Al23層を有する中間層は、密着性に劣るため、被覆切削工具に負荷が作用するような切削条件下において粒子の脱落が生じるおそれがある。そこで、本実施形態の被覆切削工具は、α型Al23層を有する中間層の表面に、上記式(ii)を満たすように優先的に(111)面に配向したTiCNO層を有する上部層を含むことでTiCNO層とα型Al23層との密着性が良好になることに主に起因して、α型Al23層の粒子の脱落を抑制することができ、その結果、耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。また、本実施形態の被覆切削工具は、上部層においても、酸素「O」を含有させたことにより、α型Al23層との密着性が向上し、さらには耐酸化性が向上する。そして、これらの構成が組み合わされることにより、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性が向上し、その結果、工具寿命を延長することができるものと考えられる。
図1は、本実施形態の被覆切削工具の一例を示す断面模式図である。被覆切削工具6は、基材1と、基材1の表面に形成された被覆層5とを備え、被覆層5には、下部層2、中間層3、及び上部層4が基材側からこの順序で上方向に積層されている。
本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材の表面に形成された被覆層とを備える。被覆切削工具の種類として、具体的には、フライス加工用若しくは旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル及びエンドミルを挙げることができる。
本実施形態に用いる基材は、被覆切削工具の基材として用いられ得るものであれば、特に限定されない。そのような基材として、例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体及び高速度鋼を挙げることができる。それらの中でも、基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかであると、耐摩耗性及び耐欠損性に更に優れるので好ましく、同様の観点から、基材が超硬合金であるとより好ましい。
なお、基材は、その表面が改質されたものであってもよい。例えば、基材が超硬合金からなるものである場合、その表面に脱β層が形成されてもよい。また、基材がサーメットからなるものである場合、その表面に硬化層が形成されてもよい。これらのように基材の表面が改質されていても、本発明の作用効果は奏される。
本実施形態に用いる被覆層は、その平均厚さが、5.0μm以上30.0μm以下である。本実施形態の被覆切削工具は、被覆層の平均厚さが5.0μm以上であると、耐摩耗性が向上し、被覆層の平均厚さが30.0μm以下であると、被覆層の基材との密着性及び耐欠損性が向上する。同様の観点から、被覆層の平均厚さは、10.0μm以上27.0μm以下であるとより好ましく、14.8μm以上25.4μm以下であることが更に好ましい。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層及び被覆層全体の平均厚さは、各層又は被覆層全体における3箇所以上の断面から、各層の厚さ又は被覆層全体の厚さを測定して、その相加平均値を計算することで求めることができる。
[下部層]
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Al23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。
Ti化合物層としては、例えば、TiCからなるTiC層、TiNからなるTiN層、TiCNからなるTiCN層、TiCOからなるTiCO層、TiCNOからなるTiCNO層、TiONからなるTiON層、及びTiB2からなるTiB2層が挙げられる。
下部層は、1層で構成されていてもよく、複層(例えば、2層又は3層)で構成されてもよいが、複層で構成されていることが好ましく、2層又は3層で構成されていることがより好ましく、3層で構成されていることが更に好ましい。下部層に含まれるTi化合物層を構成するTi化合物としては、耐摩耗性及び密着性がより一層向上する観点から、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種であることが好ましい。また、下部層の少なくとも1層がTiCN層であると、耐摩耗性が一層向上するため好ましい。下部層が3層で構成されている場合には、基材の表面に、TiC層又はTiN層を第1層として形成し、第1層の表面に、TiCN層を第2層として形成し、第2層の表面に、TiCNO層又はTiCO層を第3層として形成してもよい。それらの中では、下部層が基材の表面にTiN層を第1層として形成し、第1層の表面に、TiCN層を第2層として形成し、第2層の表面に、TiCNO層を第3層として形成してもよい。
本実施形態に用いる下部層の平均厚さは、3.0μm以上15.0μm以下であることが好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、下部層の平均厚さが3.0μm以上であることにより、耐摩耗性が向上する。一方、本実施形態の被覆切削工具は、下部層の平均厚さが15.0μm以下であることにより、被覆層の剥離が抑制されることに主に起因して耐欠損性が向上する。同様の観点から、下部層の平均厚さは、3.5μm以上13.0μm以下であることがより好ましく、4.0μm以上12.5μm以下であることが更に好ましく、4.9μm以上12.4μm以下であることが特に好ましい。
TiC層又はTiN層の平均厚さは、耐摩耗性及び耐欠損性を一層向上する観点から、0.05μm以上1.0μm以下であることが好ましい。同様の観点から、TiC層又はTiN層の平均厚さは、0.10μm以上0.5μm以下であることがより好ましく、0.15μm以上0.3μm以下であることが更に好ましい。
TiCN層の平均厚さは、耐摩耗性及び耐欠損性を一層向上する観点から、2.0μm以上20.0μm以下であることが好ましい。同様の観点から、TiCN層の平均厚さは、2.5μm以上15.0μm以下であることがより好ましく、3.0μm以上12.0μm以下であることが更に好ましい。
TiCNO層又はTiCO層の平均厚さは、耐摩耗性及び耐欠損性を一層向上する観点から、0.1μm以上1.0μm以下であることが好ましい。同様の観点から、TiCNO層又はTiCO層の平均厚さは、0.2μm以上0.5μm以下であることがより好ましい。
Ti化合物層は、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化合物からなる層であるが、下部層による作用効果を奏する限りにおいて、上記元素以外の成分を微量含んでもよい。
[中間層]
本実施形態に用いる中間層は、α型Al23からなるα型Al23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Al23層の粒子の(001)面の法線とがなす角度(単位:度)である。)
本実施形態の被覆切削工具は、RSAが40面積%以上であることにより、耐クレータ摩耗性に優れるので、耐摩耗性を向上できる。同様の観点から、RSAは、50面積%以上(例えば、50面積%以上80面積%以下)であることが好ましく、60面積%以上であることがより好ましい。
RSAは、以下の方法により求めることができる。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、第1の断面の法線と中間層におけるα型Al23層の粒子の(001)面の法線とがなす角度の方位差Aが0度以上45度以下である粒子断面の面積の合計(RSATotal)を100面積%とし、方位差Aが0度以上10度未満である粒子断面の面積の合計が、RSATotalに対して何面積%を占めるかを求めて、これをRSAとすればよい。RSA(面積%)を求めるに際して、例えば、走査電子顕微鏡(SEM)、電解放射型走査電子顕微鏡(FE-SEM)等に付属した電子後方散乱解析像装置(EBSD)を用いて、各粒子の断面の面積を測定できる。EBSDを用いて、粒子の各結晶の結晶方位を特定し、特定した各結晶方位の粒子断面の面積を、例えば、5度のピッチ毎の区分に割り振り、区分毎の粒子断面の面積を求める。その後、例えば、0度以上10度未満の区分、10度以上20度未満の区分、20度以上30度未満の区分、及び30度以上45度以下の区分のそれぞれの区分の粒子断面の面積の合計を求める。尚、この場合、0度以上45度以下の粒子断面の面積の合計は100面積%となる。そして、これらの各区分における粒子断面の面積の合計RSATotal(100面積%)に対する比率を求めて、これをRSAとすればよい。なお、上記式(i)で表される条件は、必ずしも中間層の上部層側の界面から基材側に向かって1μmまでの範囲全てで満たされる必要はなく、上記範囲内にある任意の断面で満たされていればよい。
より具体的には、以下の方法で求めることができる。まず、試料をFE-SEMにセットする。試料に70度の入射角度で、15kVの加速電圧及び1.0nAの照射電流で電子線を照射する。30μm×50μmの測定範囲について、0.1μmのステップサイズというEBSDの設定で、当該範囲に存在する粒子断面の方位差を求めるのが好ましい。
本実施形態に用いる中間層の平均厚さは、3.0μm以上15.0μm以下であることが好ましい。中間層の平均厚さが、3.0μm以上であると、被覆切削工具のすくい面における耐クレータ摩耗性が一層向上する傾向にあり、中間層の平均厚さが、15.0μm以下であると被覆層の剥離がより抑制され、被覆切削工具の耐欠損性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、中間層の平均厚さは、3.0μm以上12.0μm以下であることがより好ましく、3.0μm以上10.0μm以下であることが更に好ましい。
中間層は、α型酸化アルミニウム(α型Al23)からなる層を有していればよく、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、α型酸化アルミニウム(α型Al23)以外の成分を含んでもよく、含まなくてもよい。
[上部層]
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。)
本実施形態の被覆切削工具は、RSBが40面積%以上であることにより、α型Al23層の粒子の脱落を抑制することができるので、耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。同様の観点から、RSBは、50面積%以上(例えば、50面積%以上75面積%以下)であることが好ましい。
RSBは、以下の方法により求めることができる。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、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の方位差Bが0度以上45度以下である粒子断面の面積の合計(RSBTotal)を100面積%とし、方位差Bが0度以上10度未満である粒子断面の面積の合計が、RSBTotalに対して何面積%を占めるかを求めて、これをRSBとすればよい。RSB(面積%)を求めるに際して、例えば、走査電子顕微鏡(SEM)、電解放射型走査電子顕微鏡(FE-SEM)等に付属した電子後方散乱解析像装置(EBSD)を用いて、各粒子の断面の面積を測定できる。EBSDを用いて、粒子の各結晶の結晶方位を特定し、特定した各結晶方位の粒子断面の面積を、例えば、5度のピッチ毎の区分に割り振り、区分毎の粒子断面の面積を求める。その後、例えば、0度以上10度未満の区分、10度以上20度未満の区分、20度以上30度未満の区分、及び30度以上45度以下の区分のそれぞれの区分の粒子断面の面積の合計を求める。尚、この場合、0度以上45度以下の粒子断面の面積の合計は100面積%となる。そして、これらの各区分における粒子断面の面積の合計RSBTotal(100面積%)に対する比率を求めて、これをRSBとすればよい。なお、上記式(ii)で表される条件は、必ずしも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までの範囲全てで満たされる必要はなく、上記範囲内にある任意の断面で満たされていればよい。
より具体的には、以下の方法で求めることができる。まず、試料をFE-SEMにセットする。試料に70度の入射角度で、15kVの加速電圧及び1.0nAの照射電流で電子線を照射する。30μm×50μmの測定範囲について、0.1μmのステップサイズというEBSDの設定で、当該範囲に存在する粒子断面の方位差を求めるのが好ましい。
本実施形態に用いる上部層の平均厚さは、1.0μm以上6.0μm以下であることが好ましい。平均厚さが1.0μm以上であることにより、α型Al23層の粒子の脱落を抑制する効果が一層向上する傾向にあり、上部層の平均厚さが6.0μm以下であることにより、耐欠損性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、上部層の平均厚さは、1.5μm以上5.0μm以下であることがより好ましい。
本実施形態に用いる上部層は、下記式(1)で表される組成を有する化合物を含有するTiCNO層からなることが好ましい。
Ti(C1-x-yxy) (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。
上部層は、TiCNOからなる層を有していればよく、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、TiCNO以外の成分を含んでもよく、含まなくてもよい。
[外層]
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。
本実施形態において、外層の平均厚さは、0.1μm以上1.0μm以下であることが好ましい。外層の平均厚さが上記範囲内であることにより、耐摩耗性に一層優れる傾向にある。同様の観点から、外層の平均厚さは、0.1μm以上0.5μm以下であることがより好ましい。
[被覆層の形成方法]
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。
例えば、Tiの窒化物層(以下、「TiN層」ともいう。)からなるTi化合物層は、原料組成をTiCl4:5.0~10.0mol%、N2:20~60mol%、H2:残部とし、温度を850~950℃、圧力を300~400hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
Tiの炭化物層(以下、「TiC層」ともいう。)からなるTi化合物層は、原料組成をTiCl4:1.5~3.5mol%、CH4:3.5~5.5mol%、H2:残部とし、温度を950~1050℃、圧力を70~80hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
Tiの炭窒化物層(以下、「TiCN層」ともいう。)からなるTi化合物層は、原料組成をTiCl4:5.0~7.0mol%、CH3CN:0.5~1.5mol%、H2:残部とし、温度を800~900℃、圧力を60~80hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
下部層におけるTiの炭窒酸化物層(以下、「TiCNO層」ともいう。)からなるTi化合物層は、原料組成をTiCl4:3.0~4.0mol%、CO:0.5~1.0mol%、N2:30~40mol%、H2:残部とし、温度を950~1050℃、圧力を50~150hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
Tiの炭酸化物層(以下、「TiCO層」ともいう。)からなるTi化合物層は、原料組成をTiCl4:1.0~2.0mol%、CO:2.0~3.0mol%、H2:残部とし、温度を950~1050℃、圧力を50~150hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
α型Al23層(以下、単に「Al23層」ともいう。)からなる中間層は、例えば、以下の方法により形成される。
まず、基材の表面に、1層以上のTi化合物層からなる下部層を形成する。次いで、それらの層のうち、基材から最も離れた層の表面を酸化する。その後、基材から最も離れた層の表面にα型Al23層の核を形成し、その核が形成された状態で、α型Al23層を形成する。
より具体的には、上記基材から最も離れた層の表面の酸化は、原料組成をCO:0.1~0.3mol%、CO2:0.3~1.0mol%、H2:残部とし、温度を950~1050℃、圧力を50~60hPaとする条件により行われる(酸化工程)。このときの酸化処理時間は、1~3分であることが好ましい。
その後、α型Al23層の核は、原料組成をAlCl3:1.0~4.0mol%、CO:0.05~2.0mol%、CO2:1.0~3.0mol%、HCl:2.0~3.0mol%、H2:残部とし、温度を880~930℃、圧力を60~80hPaとする化学蒸着法で形成される(核形成工程)。
そして、α型Al23層は、原料組成をAlCl3:2.0~5.0mol%、CO2:2.5~4.0mol%、HCl:2.0~3.0mol%、H2S:0.15~0.25mol%、H2:残部とし、温度を950~1000℃、圧力を60~80hPaとする化学蒸着法で形成される(成膜工程)。
RSA(面積%)を特定値以上とするためには、酸化工程における酸化処理時間を制御したり、酸化工程及び/又は核形成工程におけるガス組成中のCOの割合を制御したり、成膜工程における成膜温度を制御したりすればよい。より具体的には、酸化工程における酸化処理時間を大きくしたり、酸化工程及び/又は核形成工程におけるガス組成中のCOの割合を大きくしたり、成膜工程における成膜温度を、核形成工程における核形成温度よりも大きくしたりすることにより、角度の方位差Aが特定範囲内である粒子の割合(面積%)を大きくすることで、RSAを高くすることができる。
さらに、α型Al23層の表面にTiの炭窒酸化物層(以下、「TiCNO層」ともいう)からなる上部層を形成する。
TiCNO層は、原料組成をTiCl4:4.0~8.0mol%、CH3CN:0.8~2.5mol%、C24:0~2.0mol%、CO:1.2~3.5mol%、N2:1.0~25.0mol%、H2:残部とし、温度を950~1050℃、圧力を60~80hPaとする化学蒸着法で形成することができる(上部層形成工程)。
RSB(面積%)を特定値以上とするためには、上部層形成工程において、温度を制御したり、原料組成中のCH3CNの割合を制御したりすればよい。より具体的には、上部層形成工程における温度を大きくしたり、原料組成中のCH3CNの割合を大きくしたりすることにより、RSB(面積%)を大きくすることができる。
また、上記式(1)で表される組成を制御するためには、原料組成を適宜調整すればよい。より具体的には、上記式(1)で表される組成のうち、例えば、炭素(C)の割合を大きくするためには、原料組成のCOの割合を大きくする方法が挙げられる。
本実施形態の被覆切削工具の被覆層における各層の厚さは、被覆切削工具の断面組織を、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)、又はFE-SEM等を用いて観察することにより測定することができる。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さは、刃先稜線部から被覆切削工具のすくい面の中心部に向かって50μmの位置の近傍において、各層の厚さを3箇所以上測定し、その相加平均値として求めることができる。また、各層の組成は、本実施形態の被覆切削工具の断面組織から、エネルギー分散型X線分光器(EDS)や波長分散型X線分光器(WDS)等を用いて測定することができる。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
基材として、CNMG120412形状を有し、88.9WC-7.9Co-1.5TiN-1.4NbC-0.3Cr32(以上質量%)の組成を有する超硬合金製の切削インサート、並びにCNMG120412形状を有し、89.7WC-7.1Co-1.5TiN-1.5NbC-0.2Cr32(以上質量%)の組成を有する超硬合金製の切削インサートを用意した。この基材の刃先稜線部にSiCブラシにより丸ホーニングを施した後、基材の表面を洗浄した。
[発明品1~17及び比較品1~9]
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Al23)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Al23)の核の表面に、表6に組成を示す中間層(α型Al23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Al23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。
試料の各層の厚さを下記のようにして求めた。すなわち、FE-SEMを用いて、被覆切削工具の刃先稜線部からすくい面の中心部に向かって50μmの位置の近傍における断面での3箇所の厚さを測定し、その相加平均値を平均厚さとして求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の刃先稜線部からすくい面の中心部に向かって50μmまでの位置の近傍の断面において、EDSを用いて測定した。
Figure 0006999585000001
Figure 0006999585000002
Figure 0006999585000003
Figure 0006999585000004
Figure 0006999585000005
Figure 0006999585000006
得られた試料の中間層における、中間層の上部層側の界面から基材側に向かって0.5μmにあり、基材の下部層側の界面と平行な第1の断面をFE-SEMで観察し、FE-SEMに付属したEBSDを用いて、方位差Aが0度以上45度以下の範囲内にある各層の粒子断面の面積の合計(RSATotal)を測定した。そして、方位差Aが0度以上45度以下の範囲内にある粒子の断面積を5度のピッチ毎に区分して、区分毎の粒子断面の面積を求めた。次に、方位差Aが0度以上10度未満の区分、10度以上20度未満の区分、20度以上30度未満の区分、及び30度以上45度以下の区分のそれぞれの区分の粒子断面の面積の合計を求めた。尚、0度以上45度以下の粒子断面の面積の合計は100面積%となる。これら各区分の内、方位差Aが0度以上10度未満の範囲内にある粒子の断面積の合計を、RSATotalに対する比率として表したものをRSAとした。以上の測定結果を下記表7に示す。なお、EBSDによる測定は、以下のようにして行った。試料をFE-SEMにセットした。試料に70度の入射角度で、15kVの加速電圧及び1.0nA照射電流で電子線を照射した。測定範囲30μm×50μmにて、0.1μmのステップサイズというEBSDの設定で、各粒子の方位差及び断面積の測定を行った。測定範囲内における中間層の粒子断面の面積は、その面積に対応するピクセルの総和とした。すなわち、各層の粒子の、方位差Aに基づいた10度又は15度のピッチ毎の各区分おける粒子断面の面積の合計は、各区分に該当する粒子断面が占めるピクセルを集計し、面積に換算して求めた。
得られた試料の上部層における、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0.5μmにあり、基材の下部層側の界面と平行な第2の断面をFE-SEMで観察し、FE-SEMに付属したEBSDを用いて、方位差Bが0度以上45度以下の範囲内にある各層の粒子断面の面積の合計(RSBTotal)を測定した。そして、方位差Bが0度以上45度以下の範囲内にある粒子の断面積を5度のピッチ毎に区分して、区分毎の粒子断面の面積を求めた。次に、方位差Bが0度以上10度未満の区分、10度以上20度未満の区分、20度以上30度未満の区分、及び30度以上45度以下の区分のそれぞれの区分の粒子断面の面積の合計を求めた。尚、0度以上45度以下の粒子断面の面積の合計は100面積%となる。これら各区分の内、方位差Bが0度以上10度未満の範囲内にある粒子の断面積の合計を、RSBTotalに対する比率として表したものをRSBとした。以上の測定結果を下記表7に示す。なお、EBSDによる測定は、以下のようにして行った。試料をFE-SEMにセットした。試料に70度の入射角度で、15kVの加速電圧及び1.0nA照射電流で電子線を照射した。測定範囲30μm×50μmにて、0.1μmのステップサイズというEBSDの設定で、各粒子の方位差及び断面積の測定を行った。測定範囲内における上部層の粒子断面の面積は、その面積に対応するピクセルの総和とした。すなわち、各層の粒子の、方位差Bに基づいた10度又は15度のピッチ毎の各区分おける粒子断面の面積の合計は、各区分に該当する粒子断面が占めるピクセルを集計し、面積に換算して求めた。
Figure 0006999585000007
得られた発明品1~17及び比較品1~9を用いて、下記の条件にて切削試験1及び切削試験2を行った。切削試験1は耐摩耗性を評価する摩耗試験であり、切削試験2は耐欠損性を評価する欠損試験である。各切削試験の結果を表8に示す。
[切削試験1]
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。
[切削試験2]
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。
切削試験1(摩耗試験)の工具寿命に至るまでの加工時間について、40分以上を「A」、30分以上40分未満を「B」、30分未満を「C」として評価した。また、切削試験2(欠損試験)の工具寿命に至るまでの衝撃回数について、13000回以上を「A」、11000回以上12999回以下を「B」、10999回以下を「C」として評価した。この評価では、「A」が最も優れており、次に「B」が優れており、「C」が最も劣っていることを意味し、A又はBを多く有するほど切削性能に優れることを意味する。得られた評価の結果を表8に示す。
Figure 0006999585000008
表8に示す結果より、発明品の摩耗試験及び欠損試験の評価は、どちらも「A」又は「B」の評価であった。一方、比較品の評価は、摩耗試験及び欠損試験の両方又はいずれかが、「C」であった。特に、摩耗試験において、発明品の評価はいずれも「B」以上であり、比較品の評価はいずれも「C」であった。よって、発明品の耐摩耗性は、比較品と比べて、総じて、より優れていることが分かる。
以上の結果より、発明品は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れる結果、工具寿命が長いことが分かった。
本発明の被覆切削工具は、耐欠損性を低下させることなく、しかも優れた耐摩耗性を有することにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、そのような観点から、産業上の利用可能性がある。
1…基材、2…下部層、3…中間層、4…上部層、5…被覆層、6…被覆切削工具。

Claims (9)

  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Al23からなるα型Al23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Al23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、請求項1に記載の被覆切削工具。
  3. 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。
  4. 前記上部層が、下記式(1):
    Ti(C1-x-yxy) (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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  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、請求項1~7のいずれか1項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、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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