JP7016462B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
(a)下部層が、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(以下、Al2O3層で示す)、
以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層が蒸着形成された被覆工具が知られている。
そこで、被覆層の剥離、チッピングを抑制するために、下部層、上部層に改良を加えた各種の被覆工具が提案されている。
前記した特許文献1~3で提案されている従来の被覆工具によれば、高速断続切削加工においてはある程度の耐剥離性、耐チッピング性の改善はみられるものの、十分に満足できるものであるとはいえない。
そこで、高熱発生を伴い、切れ刃に高負荷が作用する高速断続切削加工、高速重切削加工に用いられた場合に、一段とすぐれた耐剥離性、耐チッピング性を発揮する被覆工具が望まれる。
「(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、下部層と上部層からなる硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
(a)前記下部層は、3~20μmの合計平均層厚を有し、TiC、TiN、TiCN、TiCO、TiCNOのうちの2層以上からなり、その内の少なくとも1層はTiCN層で構成されたTi化合物層からなり、
(b)前記上部層は、2~15μmの平均層厚を有し、α型の結晶構造を有するAl2O3層からなり、
(c)前記下部層の最表面層は酸素を含有するTiCN層からなり、前記酸素を含有するTiCN層と前記上部層の界面から前記酸素を含有するTiCN層側の500nmまでの深さ領域に含有される平均酸素含有量は、前記深さ領域に含有されるTi,C,N,Oの合計含有量の0.5~3原子%であり、
(d)前記上部層のAl2O3結晶粒について、断面研磨面に対して高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法による観察および元素分析と、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置による観察を行った場合に、コランダム型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前記断面研磨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、それぞれの分布割合を算出し、全対応粒界長に占める各構成原子共有格子点からなる対応粒界長の割合が示された対応粒界分布グラフにおいて、前記Σ31以上である構成原子共有格子点形態である粒界に硫黄が偏析しており、その粒界長が、Σ3以上である構成原子共有格子点形態である全粒界長に対して20~50%を占め、
(e)前記上部層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断面研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型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、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)面の法線がなす傾斜角を0~45度の範囲内で測定して傾斜角度数分布グラフを作成した場合、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が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ともに、前記0~10度の範囲内の傾斜角区分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70%以上を占め、
(f)前記下部層と上部層との界面直上の上部層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断面研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型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、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)面の法線がなす傾斜角を45~90度の範囲内で測定して傾斜角度数分布グラフを作成した場合、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が75~90度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在するとともに、前記75~90度の範囲内の傾斜角区分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60%以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2)前記下部層の最表面層である酸素を含有するTiCN層が、少なくとも500nm以上の層厚を有し、不可避不純物としての酸素を除けば、前記酸素を含有するTiCN層と前記上部層の界面から前記酸素を含有するTiCN層側の500nmまでの深さ領域にのみ酸素が含有されており、前記深さ領域に含有される平均酸素含有量は、前記深さ領域に含有されるTi,C,N,Oの合計含有量の1~3原子%であ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)前記下部層と上部層との界面直上の上部層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断面研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型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、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(11-20)面の法線がなす傾斜角を0~45度の範囲内で測定して傾斜角度数分布グラフを作成した場合、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が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ともに、前記0~10度の範囲内の傾斜角区分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60%以上を占めることを特徴とする前記(1)または(2)に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
(a)下部層:
下部層を構成するTi化合物層(例えば、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層およびTiCNO層)は、基本的にはAl2O3層の下部層として存在し、自身の持つすぐれた高温強度によって、硬質被覆層に対して高温強度を与える。その他にも、Ti化合物層は、工具基体表面、Al2O3層からなる上部層のいずれにも密着し、硬質被覆層の工具基体に対する密着性を維持する作用を有する。しかしながら、このTi化合物層の合計平均層厚が3μm未満である場合、前述した作用を十分に発揮させることができない。一方、このTi化合物層の合計平均層厚が20μmを越える場合、特に高熱発生を伴う高速重切削・高速断続切削では熱塑性変形を起し易くなり、偏摩耗の原因となる。以上から、Ti化合物層の合計平均層厚は3~20μmと定めた。
本発明における下部層の最表面層は、例えば、以下のようにして形成する。
即ち、まず、通常の化学蒸着装置を使用して、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層およびTiCNO層のうちの1層または2層以上からなる種々のTi化合物層を蒸着形成(なお、TiCN層のみを蒸着形成することも勿論可能である)する。その後、同じく通常の化学蒸着装置を使用して、
反応ガス組成(容量%):TiCl4 2~10%、CH3CN 0.5~1.0%、N2 25~60%、残部H2、
反応雰囲気温度:750~930℃、
反応雰囲気圧力:5~15kPa、
の条件で化学蒸着することにより、下部層の最表面層として、酸素を含有するTiCN(以下、酸素含有TiCNという)層を形成する。
この際、所定層厚を得るに必要とされる蒸着時間終了前の5分から30分の間は、全反応ガス量に対して1~5容量%となるようにCOガスを添加して化学蒸着を行うことにより、層厚方向に最大500nmまでの深さ領域にのみ該深さ領域に含有されるTi、C、N、Oの合計含有量の1~3原子%の平均酸素含有量の酸素を含有する酸素含有TiCN層を蒸着形成することが好ましい。
なお、この下部層の最表面層の500nmを超える深さ領域には、不可避不純物として0.5原子%未満の酸素が含有されることが許容される。このため、「酸素を含有しない」とは、厳密には酸素の含有量が0.5原子%未満であることを意味する。
ここで、酸素含有TiCN層の深さ領域を前述のように限定したのは、500nmより深い領域において0.5原子%以上の酸素が含有されていると、TiCN最表面の組織形態が柱状組織から粒状組織に変化するとともに、下部層の最表面層直上のAl2O3結晶粒の結晶配向性及び構成原子共有格子点形態を所望のものとできなくなるためである。
ただ、深さ領域500nmまでの平均酸素含有量が1原子%未満では、上部層と下部層TiCNの付着強度の向上を望むことはできないばかりか、下部層の最表面層直上のAl2O3結晶粒の対応粒界の形成を充分に満足させることはできない。一方、この深さ領域における平均酸素含有量が3原子%を超えると、界面直上の上部層Al2O3において、前記結晶粒の結晶面である(0001)面の法線がなす傾斜角を工具基体の表面の法線に対して45~90度の範囲内で測定し、各区分内の存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布で表した場合、前記75~90度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在しない、あるいは、前記75~90度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計を、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の60%以上とすることができないため、上部層の密着強度、高温強度の向上を望むことができない。
ここで、平均酸素含有量は、下部層の最表面層を構成する前記TiCN層と上部層との界面から、このTiCN層の層厚方向に500nmまでの深さ領域におけるチタン(Ti),炭素(C),窒素(N)及び酸素(O)の合計含有量に占める酸素(O)含有量を原子%(=O/(Ti+C+N+O)×100)で表したものをいう。
下部層の最表面層に前記(b)の酸素含有TiCN層を蒸着形成した後、上部層のAl2O3層を、例えば、以下の条件で形成する。
即ち、前記(b)で形成した酸素含有TiCN層の表面を、
<下部層表面処理条件>
反応ガス組成(容量%):CO 5~10%、CO2 5~10%、残部H2、
雰囲気温度:950~1050℃、
雰囲気圧力:5~15kPa、
処理時間:5~20min、
の条件で処理した後、つづいて、
<Al2O3初期成長条件>
反応ガス組成(容量%):AlCl3 1~5%、CO2 1~3%、HCl 1~3%、残部H2、
雰囲気温度:950~1050℃、
雰囲気圧力:5~15kPa、
処理時間:20~60min、の条件で蒸着後、
<Al2O3上層形成条件>
反応ガス組成(容量%):AlCl3 1~5%、CO2 1~5%、HCl 0.5~2.0%、H2S 0.75~1.5%、残部H2、
反応雰囲気温度:850~950℃、
反応雰囲気圧力:5~15kPa、
処理時間:(目標とする上部層層厚になるまで)
という条件で蒸着することにより、次に述べるような所定の配向性及び構成原子共有格子点形態を有するα型の結晶構造を有するAl2O3結晶粒からなる上部層が形成される。
なお、上部層全体の層厚が、2μm未満であると長期の使用に亘ってすぐれた高温強度および高温硬さを発揮することができず、一方、20μmを越えると、チッピングが発生し易くなることから、上部層の層厚は2~20μmと定めた。
このような(0001)非配向は、前記酸素含有TiCN層の表面に対して、前記Al2O3初期成長を行わせることによって形成することができ、このような(0001)非配向結晶粒を、下部層と上部層との界面直上の上部層に形成させることによって、高速断続切削加工における断続的・衝撃的高負荷が作用した場合、あるいは、高速重切削加工における高送り・高切り込みの高負荷が作用した場合であっても、下部層と上部層の密着強度が確保され、剥離・チッピングの発生が抑制される。
前記(0001)非配向のAl2O3結晶粒の度数割合は、下部層と上部層との界面直上の上部層(具体的には、下部層と上部層との界面から、上部層の層厚方向0.5μmまでの範囲)の断面研磨面について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、その測定範囲内に存在するコランダム型六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射し、基体表面の法線に対して、Al2O3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45~90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ともに、各区分内の存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、傾斜角が75~90度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計の、前記傾斜角度数分布グラフの度数全体に対する割合として求めることができる。
本発明でいう(11-20)配向とは、下部層と上部層との界面直上の上部層(具体的には、下部層と上部層との界面から、上部層の層厚方向0.5μmまでの範囲)の断面研磨面について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、その測定範囲内に存在するコランダム型六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射し、基体表面の法線に対して、Al2O3結晶粒の結晶面である(11-20)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ともに、各区分内の存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフ(図1(b)参照)を作成した場合、傾斜角が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ともに、前記0~10度の傾斜角区分における度数の合計が、前記傾斜角度数分布グラフの度数全体に対して60%以上であることをいう。
上記(0001)配向Al2O3結晶粒の度数割合は、上部層の断面研磨面について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、その測定範囲内に存在するコランダム型六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射し、基体表面の法線に対して、Al2O3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ともに、各区分内の存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフ(図2参照)を作成し、傾斜角が0~10度の範囲内の傾斜角区分に存在する結晶粒が占める度数の、全体に対する割合として求めることができる。
そして、本発明の上部層は、全体として(0001)配向性を有することにより、すぐれた耐摩耗性を発揮すると同時に、上部層のAl2O3結晶粒の粒界に沿って硫黄が偏析することで、Σ31以上である構成原子共有格子点形態である粒界に微細な破壊起点が形成されやすくなり、工具基体が塑性変形するような過酷な切削条件下でも、変形による皮膜破壊ダメージが緩和され、硬質被覆層全体としての耐チッピング性、耐剥離性が向上する。
前記の硫黄原子は、本発明による上部層の成膜法において、反応ガス成分である硫黄が吸着し、Al2O3層中に取り込まれたものであるが、Σ31以上である構成原子共有格子点形態である粒界に偏析することによって、上部層表面にウエットブラスト等の研磨処理を施した際に、Σ31以上である構成原子共有格子点形態である粒界に微小なクラックが形成されやすくなる。
まず、上部層の縦断面を研磨面とし、ついで、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、縦断面研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型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、結晶格子面のそれぞれの法線の方位のなす角度を測定する。
ついで、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」という)の分布を算出する。
そして、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晶結晶格子の結晶構造上2以上の偶数となるが、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、それぞれの分布割合を算出し、Σ3以上の全対応粒界長の合計分布割合に占める割合で示す対応粒界分布グラフ(図3参照)を作成することによって、Σ3~Σ29の分布割合さらにΣ31以上の分布割合を求めることができる。
なお、Σ31以上の分布割合の算出方法は、得られた測定結果から、Σ3、Σ7、Σ11、Σ17、Σ19、Σ21、Σ23、Σ29のそれぞれの対応粒界長を算出し、全対応粒界長からこれらの対応粒界長の和を差し引いた値を用いてΣ31以上の分布割合として求めた。
Σ29以下の対応粒界とΣ31以上の対応粒界を区別しているのは、H.Grimmerらの論文(Philosophical Magazine A,1990,Vol.61,No.3,493-509)にあるように、分布頻度の点からα型Al2O3結晶粒の対応粒界はNの上限を28としたΣ3からΣ29までの粒界が主な対応粒界であることが報告されているためである。したがって、本発明においても、Σ31以上は個々のNにおける分布割合を算出せず、Σ31以上としてひとまとめにした。Σ3、Σ7、Σ11、Σ17、Σ19、Σ21、Σ23、Σ29のそれぞれの対応粒界は上記論文に示された、対応粒界を構成する結晶粒間のなす角度の値を用いて同定した。また、隣接する結晶格子間で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個存在する構成原子共有格子点形態を満たすΣN+1の対応粒界から、結晶粒間のなす角度の値にどの程度の誤差ΔΘまでを許容できるかという基準として、ΔΘ=5°として計算を行った。
このような結合状態をもつ粒界をAl2O3結晶粒内に形成することで、その箇所が硬質皮膜中に広く分散された微細な破壊起点の役割を担うようになり、高速断続切削加工といった切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する切削条件においても、Al2O3層の大きな剥離やチッピングを抑制することができるのである。
硫黄が偏析するΣ31以上である構成原子共有格子点形態である粒界の長さが、Σ3以上である構成原子共有格子点形態である全粒界長に対して20%未満である場合は、上記に述べたような、所望とする耐剥離性や耐チッピング性における効果が小さくなり、一方、50%を超えると上部層のAl2O3層が脆化する。
したがって、硫黄原子が偏析している構成原子共有格子点形態の粒界長は、Σ3以上である構成原子共有格子点形態である全粒界長に対して20~50%とする。
そのため、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続切削、あるいは、切れ刃に高切り込み、高送りによる高負荷が作用する高速重切削加工等の、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に高負荷が作用する切削条件で行った場合であっても、硬質被覆層の剥離、チッピングが発生せず、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
(a)まず、表3に示される条件にて、表7に示される目標層厚の下部層としてのTi化合物層を蒸着形成した。
(b)次に、表4に示される条件にて、下部層の最表面層としての酸素含有TiCN層(即ち、該層の表面から500nmまでの深さ領域にのみ、0.5から3原子%(O/(Ti+C+N+O)×100)の酸素が含有される)を、表8に示される目標層厚で形成した。なお、表4の酸素含有TiCN層種別Dでは、蒸着時間終了前の5~30分の間にCOガスを添加しなかった。
(c)次に、表5に示される条件にて、下部層の最表面のTiCN層にCOとCO2の混合ガスによる酸化処理(下部層表面処理)を行った。
(d)次に、表6に示される初期成長条件にて、Al2O3の初期成長を行い、同じく表6に示される上層形成条件による蒸着を表8に示される目標層厚となるまで行った。
上記工程(a)~(d)により、表8に示される本発明被覆工具1~15をそれぞれ製造した。
500nmまでの深さ領域における平均酸素含有量と500nmを超える深さ領域における最大酸素含有量の値を表8、9に示した。
反応ガス組成(容量%):TiCl4 2~10%、CH3CN 0.5~1.0%、N2 25~60%、残部H2、
反応雰囲気温度:780~930℃、
反応雰囲気圧力:6~10kPa、
の条件で化学蒸着して、酸素を意図的に含有させないTiCN(以下、不可避酸素含有TiCNという)層を3μm以上の層厚で形成した。この不可避酸素含有TiCN層の表面から層厚方向に100nmより深い領域に不可避的に含まれる酸素含有量を、オージェ電子分光分析器を用いて前記深さ領域に含有されるTi、C、N、Oの合計含有量に対する割合から求め、オージェ電子分光分析器の精度の範囲内で求められる不可避酸素含有量を
0.5原子%未満と定めた。
そして、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ともに、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に占める度数割合を求めた。
表8、表9にその結果を示す。
そして、75~90度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在するとともに、75~90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に占める度数割合を求めた。
図1(a)に、この測定により得られた本発明被覆工具1について求めた傾斜角度数分布グラフの一例を示す。
さらに、前記結晶粒の結晶面である(11-20)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ともに、各区分内の存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した。
そして、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ともに、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に占める度数割合を求めた。
図1(b)に、この測定により得られた本発明被覆工具1について求めた傾斜角度数分布グラフの一例を示す。
表8、表9にその結果を示す。
具体的には、以下の方法で対応粒界分布グラフを測定した。
上記の本発明被覆工具1~15の上部層のAl2O3層について、その断面を研磨面とした状態で、前記被覆工具を電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記断面研磨面に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、それぞれの前記断面研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射した。より詳細には、電子線後方散乱回折装置を用い、基体表面に平行する方向に50μm、基体表面方向に直交する方向に該Al2O3層の層厚を上限とする領域で0.1μm/stepの間隔で電子線を照射し、電子線が照射された各測定点において前記結晶粒を構成する結晶格子の各面の法線の方位を測定した。この測定結果から、隣接する測定点における結晶格子相互の結晶方位関係を算出した。この算出結果から、隣接する相互の測定点間において、結晶方位角度差が5度以上である測定点間に結晶粒界が存在するとみなし、この結晶粒界に囲まれた測定点の集合を1つの結晶粒と特定し、全体の結晶粒を特定した。それと共に、結晶格子界面を構成する測定点間の結晶方位関係が、前述のH.Grimmer等の文献に記載されている、対応粒界を構成する結晶粒間のなす角度の値に対して誤差Δθ=5°の範囲内となった場合に、その測定点間に対応粒界が存在するとみなし、全粒界長に対するΣN+1対応粒界の割合を求めた。測定結果をΣ3の分布割合(%)として表8に示した。Σ31以上の分布割合の算出方法は、得られた測定結果から、Σ3、Σ7、Σ11、Σ17、Σ19、Σ21、Σ23、Σ29のそれぞれの対応粒界長を算出し、全対応粒界長からこれらの対応粒界長の和を差し引いた値を用いてΣ31以上の分布割合(%)とした。
表8に、測定結果を示す。
次に、比較例被覆工具1~15の上部層のAl2O3層についても、本発明被覆工具1~15の場合と同様な方法により、対応粒界分布グラフを求めた。
表9に、測定結果を示す。
硫黄がAl2O3結晶粒の粒界に偏析しているという状態は、元素マップのデータに線分析を行ったときに、Al2O3結晶粒内の硫黄原子による強度から測定時のバックグラウンド値を差し引いた値の平均値に対して、Al2O3結晶粒の粒界上での硫黄原子による強度から測定時のバックグラウンド値を差し引いた値が3倍以上であるということで定義する。Σ31以上である構成原子共有格子点形態のAl2O3結晶粒の粒界長のなかで、硫黄が偏析しているΣ31以上である構成原子共有格子点形態の粒界長を、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用いて算出したあと、Σ3以上である構成原子共有格子点形態の全粒界長で除すことで、その割合が求められる。
その値を表8に示す。
次に、比較例被覆工具1~15の上部層のAl2O3層についても、本発明被覆工具1~15の場合と同様な方法により、Al2O3結晶粒の粒界のΣ31以上である構成原子共有格子点形態の粒界長のなかで、硫黄が偏析しているΣ31以上である構成原子共有格子点形態の粒界長の、Σ3以上である構成原子共有格子点形態の全粒界長に対する割合求めた。
その値を表9に示した。
Σ31以上である構成原子共有格子点形態の粒界への硫黄の偏析が20%未満である場合は、微細な破壊起点の形成による耐チッピング性の向上が望めず、一方、硫黄の偏析が50%を超える場合には、上部層自体が脆化する。
被削材:JIS・SCM440の丸棒、
切削速度:400m/min、
切り込み:2.5mm、
送り:0.6mm/rev、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Aという)での合金鋼の乾式高速高切り込み、高送り切削試験(通常の切削速度、切り込み、送り量は、それぞれ、300m/min、1.5mm、0.3mm)、
被削材:JIS・S45Cの長さ方向等間隔4本縦溝入り、
切削速度:400m/min、
切り込み:3.0mm、
送り:0.3mm/rev、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Bという)での炭素鋼の乾式高速高切り込み断続切削試験(通常の切削速度、切り込みは、それぞれ、300m/min、1.5mm)、
被削材:JIS・FC700の長さ方向等間隔4本縦溝入り棒材、
切削速度:400m/min、
切り込み:3.0mm、
送り:0.4mm/rev、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Cという)での鋳鉄の乾式高速高切り込み断続切削試験(通常の切削速度、切り込み量は、それぞれ、250m/min、1.5mm)、
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。
表10にこの測定結果を示した。
これに対して、比較例被覆工具1~15では、高速断続切削加工、高速重切削加工という切れ刃に高負荷が作用し高熱発生を伴う切削加工においては、硬質被覆層の剥離発生、チッピング発生により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
Claims (3)
- 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、下部層と上部層からなる硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
(a)前記下部層は、3~20μmの合計平均層厚を有し、TiC、TiN、TiCN、TiCO、TiCNOのうちの2層以上からなり、その内の少なくとも1層はTiCN層で構成されたTi化合物層からなり、
(b)前記上部層は、2~15μmの平均層厚を有し、α型の結晶構造を有するAl2O3層からなり、
(c)前記下部層の最表面層は酸素を含有するTiCN層からなり、前記酸素を含有するTiCN層と前記上部層の界面から前記酸素を含有するTiCN層側の500nmまでの深さ領域に含有される平均酸素含有量は、前記深さ領域に含有されるTi,C,N,Oの合計含有量の0.5~3原子%であり、
(d)前記上部層のAl2O3結晶粒について、断面研磨面に対して高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法による観察および元素分析と、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置による観察を行った場合に、コランダム型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前記断面研磨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、それぞれの分布割合を算出し、全対応粒界長に占める各構成原子共有格子点からなる対応粒界長の割合が示された対応粒界分布グラフにおいて、前記Σ31以上である構成原子共有格子点形態である粒界に硫黄が偏析しており、その粒界長が、Σ3以上である構成原子共有格子点形態である全粒界長に対して20~50%を占め、
(e)前記上部層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断面研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型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、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)面の法線がなす傾斜角を0~45度の範囲内で測定して傾斜角度数分布グラフを作成した場合、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が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ともに、前記0~10度の範囲内の傾斜角区分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70%以上を占め、
(f)前記下部層と上部層との界面直上の上部層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断面研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型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、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)面の法線がなす傾斜角を45~90度の範囲内で測定して傾斜角度数分布グラフを作成した場合、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が75~90度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在するとともに、前記75~90度の範囲内の傾斜角区分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60%以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記下部層の最表面層である酸素を含有するTiCN層が、少なくとも500nm以上の層厚を有し、不可避不純物としての酸素を除けば、前記酸素を含有するTiCN層と前記上部層の界面から前記酸素を含有するTiCN層側の500nmまでの深さ領域にのみ酸素が含有されており、前記深さ領域に含有される平均酸素含有量は、前記深さ領域に含有されるTi,C,N,Oの合計含有量の1~3原子%であ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。
- 前記下部層と上部層との界面直上の上部層のAl2O3結晶粒について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、その断面研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型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、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(11-20)面の法線がなす傾斜角を0~45度の範囲内で測定して傾斜角度数分布グラフを作成した場合、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が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ともに、前記0~10度の範囲内の傾斜角区分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60%以上を占めことを特徴とする請求項1または2に記載の表面被覆切削工具。
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Citations (4)
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