JP7167966B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
また、化学蒸着法で形成したTiの炭窒化物層と酸化アルミニウム層の密着性を向上させるために(Ti,Al)(C,N,O)層やTiの炭窒酸化物層等を形成することが知られている。
一方で、酸化アルミニウム層と下層のTi化合物層との密着性を向上させるために、特許文献1のTiCNO層を形成することが知られているが、加工硬化が生じるステンレス加工においては、密着性が不十分であり、改善の余地がある。また、特許文献2は、Σ3型結晶粒界の長さを検討しているが、TiCN層とα-Al2O3層との間の結合層における結晶粒界について、考慮されていない。このため、加工硬化が生じるステンレス加工においては、密着性及び耐摩耗性が不十分であり、改善の余地がある。
[1]
基材と、該基材の表面に形成された被覆層とを備え、
前記被覆層が、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって、下部層、中間層及び上部層をこの順で含み、
前記下部層が、Tiと、C、N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層以上含有し、
前記中間層が、TiCNO、TiCO又はTiAlCNOを含有し、
前記上部層が、α型Al2O3を含有し、
前記下部層の平均厚さが2.0μm以上8.0μm以下であり、
前記中間層の平均厚さが0.5μm以上2.0μm以下であり、且つ、被覆層全体の平均厚さの10%以上20%以下であり、
前記上部層の平均厚さが0.8μm以上6.0μm以下であり、
前記中間層において、全粒界の合計長さ100%に対するCSL粒界の長さの割合が、20%以上60%以下であり、且つ、CSL粒界の合計長さ100%に対するΣ3粒界の長さの割合が、50%以上90%以下である、
被覆切削工具。
[2]
前記CSL粒界の合計長さ100%に対するΣ3粒界の長さの割合が、60%以上90%以下である、
[1]に記載の被覆切削工具。
[3]
前記被覆層が、前記上部層の前記基材側とは反対側の上に外層を含み、
前記外層が、Tiと、C、N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化合物層を含有し、
前記外層の平均厚さが、0.2μm以上4.0μm以下である、
[1]又は[2]に記載の被覆切削工具。
[4]
前記被覆層全体の平均厚さが、5.0μm以上20.0μm以下である、
[1]~[3]のいずれかに記載の被覆切削工具。
[5]
前記下部層に含まれるTi化合物層が、TiNからなるTiN層、TiCからなるTiC層、TiCNからなるTiCN層及びTiB2からなるTiB2層からなる群より選ばれる少なくとも1種である、
[1]~[4]のいずれかに記載の被覆切削工具。
[6]
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]~[5]のいずれかに記載の被覆切削工具。
本実施形態に用いる下部層は、Tiと、C、N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層以上含有する。本実施形態の被覆切削工具は、基材と中間層との間に、このような下部層を備えると、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、TiCNO、TiCO又はTiAlCNOを含有する。中間層は、TiCNOからなるTiCNO層、TiCOからなるTiCO層又はTiAlCNOからなるTiAlCNO層であることが好ましく、TiCNO層又はTiCO層であることが好ましい。このような中間層を、α型Al2O3を含有する上部層と接するように形成すると、密着性が一層向上する。
本実施形態に用いる上部層は、α型Al2O3を含有する。本実施形態の被覆切削工具は、上部層がα型Al2O3を含有することにより、硬くなるため、耐摩耗性が向上する。また、本実施形態の被覆切削工具は、α型Al2O3を含有する上部層を、中間層の基材側とは反対側の上に有する。本実施形態の被覆切削工具は、α型Al2O3を含有する上部層を、TiCNO、TiCO又はTiAlCNOを含有する中間層の基材側とは反対側の上に有することにより、被覆層全体の密着性が向上する。これにより、本実施形態の被覆切削工具は、特に剥離を起因とした欠損を抑制することができる。
本実施形態の被覆切削工具において、被覆層が、上部層の基材側とは反対側に外層を含むことが好ましい。
本実施形態に用いる外層は、Tiと、C、N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化合物層を含むことが好ましい。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、及びTiB2からなるTiB2層が挙げられる。
中でも、本実施形態に用いる外層は、TiN層やTiCN層などのTi化合物層を有することが好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、外層がTiN層やTiCN層などのTi化合物層を有することにより、使用したコーナを容易に識別することができる傾向にある。
(下部層形成工程)
下部層として、例えば、Tiと、C、N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化合物層を以下のとおり形成することができる。
例えば、Ti化合物層がTiの窒化物層(以下、「TiN層」ともいう。)である場合、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。
中間層として、例えば、TiCNO、TiCO又はTiAlCNOからなる化合物層を以下のとおり形成することができる。
化合物層がTiの炭窒酸化物層(以下、「TiCNO層」ともいう。)である場合、原料組成をTiCl4:3.5~5.5mol%、CO:0.5~1.5mol%、N2:20~60mol%、HCl::2.0~5.0mol%、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。
上部層として、例えば、α型Al2O3からなるα型Al2O3層(以下、単に「Al2O3層」ともいう。)を以下のとおり形成することができる。
さらに、上部層の表面にTiの窒化物層(以下、「TiN層」ともいう)やTiの炭窒化物層(以下、「TiCN層」ともいう)からなる外層を形成してもよい。
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に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表2に組成を示す下部層を、第1層、第2層の順で、表2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3に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表2に示す組成の中間層を、表2に示す平均厚さになるよう、下部層の第2層の表面に形成した。次いで、CO2:0.5mol%、H2:99.5mol%のガス組成、1000℃の温度、及び60hPaの圧力の条件の下、5分間、中間層の表面に酸化処理を施した。次に、表1に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、α型酸化アルミニウムからなる上部層を、表2に示す平均厚さになるよう、酸化処理を施した後の中間層の表面に形成した。最後、表1に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表2に示す組成の外層を、表2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1~16及び比較品1~12の被覆切削工具を得た。
得られた試料の各層の平均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。測定結果を表2に示す。
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。測定結果を表2に示す。
得られた試料の中間層のCSL粒界の長さ及びΣ3粒界の長さを下記のとおりに測定した。まず、被覆切削工具において、基材の表面と垂直な方向に中間層の断面が露出するまで研磨して観察面を得た。また、得られた観察面を、コロイダルシリカを用いて研磨して鏡面観察面を得た。
インサート:CNMG120408、
基材:89.2WC-8.8Co-2.0NbC(以上質量%)、
被削材:SUS304Pの丸棒(直径150mm×長さ400mm)、
切削速度:200m/min、
送り:0.30mm/rev、
切り込み深さ:2.0mm、
クーラント:使用、
評価項目:試料が欠損又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。
Claims (6)
- 基材と、該基材の表面に形成された被覆層とを備え、
前記被覆層が、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって、下部層、中間層及び上部層をこの順で含み、該中間層が下部層及び上部層に隣接し、
前記下部層が、Tiと、C、N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化合物層の1層又は2層以上からなり、
前記中間層が、TiCNO、TiCO又はTiAlCNOからなり、
前記上部層が、α型Al2O3 からなり、
前記下部層の平均厚さが2.0μm以上8.0μm以下であり、
前記中間層の平均厚さが0.5μm以上2.0μm以下であり、且つ、被覆層全体の平均厚さの10%以上20%以下であり、
前記上部層の平均厚さが0.8μm以上6.0μm以下であり、
前記中間層において、全粒界の合計長さ100%に対するCSL粒界の長さの割合が、20%以上60%以下であり、且つ、CSL粒界の合計長さ100%に対するΣ3粒界の長さの割合が、50%以上90%以下であり、該CSL粒界が、Σ3粒界、Σ5粒界、Σ7粒界、Σ9粒界、Σ11粒界、Σ13粒界、Σ15粒界、Σ17粒界、Σ19粒界、Σ21粒界、Σ23粒界、Σ25粒界、Σ27粒界、及びΣ29粒界である、
被覆切削工具。 - 前記CSL粒界の合計長さ100%に対するΣ3粒界の長さの割合が、60%以上90%以下である、
請求項1に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層が、前記上部層の前記基材側とは反対側の上に外層を含み、
前記外層が、Tiと、C、N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化合物層を含有し、
前記外層の平均厚さが、0.2μm以上4.0μm以下である、
請求項1又は2に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層全体の平均厚さが、5.0μm以上20.0μm以下である、
請求項1~3のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記下部層に含まれるTi化合物層が、TiNからなるTiN層、TiCからなるTiC層、TiCNからなるTiCN層及びTiB2からなるTiB2層からなる群より選ばれる少なくとも1種である、
請求項1~4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1~5のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
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