JPH0818163B2 - アルミナコ−テイング工具およびその製造方法 - Google Patents

アルミナコ−テイング工具およびその製造方法

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JPH0818163B2
JPH0818163B2 JP61075271A JP7527186A JPH0818163B2 JP H0818163 B2 JPH0818163 B2 JP H0818163B2 JP 61075271 A JP61075271 A JP 61075271A JP 7527186 A JP7527186 A JP 7527186A JP H0818163 B2 JPH0818163 B2 JP H0818163B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の分野) 本発明は靭性に優れたコーティング工具に関し、より
詳細にはコーティング層の最外層がアルミナで形成され
たコーティング工具およびその製造方法に関する。
(従来技術) 従来から切削用工具は、工具鋼、高速度鋼、ダイス鋼
および超硬合金等から製造されているが、最近ではさら
に切削特性を向上させる目的に、前述の材料を母材と
し、その外表面にCVD法等の気相成長法によって、耐摩
耗性に優れた被覆層を形成することが行われている。
このような被覆層としては、主として炭化チタン、炭
窒化チタン等のチタン系、アルミナ系が用いられている
が、コーティング工具としての強度、靭性の点におい
て、チタン系が優れるため、強靭性コーティング工具に
はチタン系が多く用いられる。
しかしながら、アルミナ系は化学的安定性、耐熱性に
優れることから、高速切削領域下で使用する場合、有用
とされる被覆材料であることから、アルミナ系被覆工具
における強度、靭性を向上させることが1つの課題とさ
れている。
そこで、第1図に、従来のアルミナ膜表面構造の顕微
鏡写真を示す。
通常CVD法等の気相成長法によってアルミナ結晶膜を
形成させると、第1図からも明らかなようにアルミナ結
晶膜は粒径数ミクロンの微細な結晶の集合体として形成
され、その表面は、粒子径に応じた凹凸が形成されてい
る。
また、時に、結晶粒子の異常成長によって十数ミクロ
ンの集合体が形成される場合もある。
このような凹凸部は、切削を行う際、被削材の切屑と
の摩擦によって膜自体に局部的に応力が加わり、靭性を
低下させる要因となっていた。また、被削材が軟質であ
ると、凹凸部に切屑が溶着し、工具としての性能を低下
させる原因ともなっていた。
(発明の構成) 本発明者らは上記問題に対し、研究を行った結果、気
相成長法によって形成したアルミナ結晶膜の表面を特定
の膜圧を残しつつ、研摩を行い表面を平滑することによ
って膜自体の耐摩耗性を維持しつつ、強度、靭性を高め
るとともに、切削時における刃先の欠損等を防止し得る
ことを見出した。
即ち、本発明によれば、基体の少なくとも刃部を含む
外表面にアルミナ結晶膜が形成されたコーティング工具
において、該アルミナ結晶膜が0.5乃至5μm以上の膜
圧を有するとともに、該膜の表面粗さが1μm以下であ
り、かつ、結晶粒径が0.1乃至3.0μmであることを特徴
とするアルミナコーティング工具が提供される。
さらに本発明によれば、基体の外表面に気相成長法に
より結晶粒径が0.1乃至3.0μmのアルミナ結晶膜を形成
した後、アルミナ結晶膜の少なくとも刃部を含む表面を
表面粗さ1μm以下、および膜厚0.5乃至5μm以上に
機械的研磨することを特徴とするアルミナコーティング
工具の製造方法が提供される。
以下、本発明を詳述する。
本発明によれば、アルミナ結晶膜表面の表面粗さを1
μm以下、特に0.5μm以下に制御することが重要であ
る。ここでの表面粗さとは最大高さ粗さ(JISBO601に基
づく)である。この構成によって被削材の切屑と刃部表
面との抵抗が低減されるとともに局部的な外部応力の発
生を防止することができ、膜の欠損を低減することがで
き、工具寿命を向上させることができる。
アルミナ結晶膜の成膜時の表面は、成膜条件にもよる
が膜厚が小さい程平滑であるが所望の切削性能を得るた
めには膜強度を大きくする必要があることから、アルミ
ナ結晶膜の膜厚は0.5乃至5μm、特に1乃至3μmに
制御すべきである。膜圧が0.5μm未満であるとアルミ
ナの耐摩耗性が十分に発揮されない。一方、5μmを超
えると、膜強度が不十分であり欠損しやすくなる。
本発明において用いられる基体としては、それ自体あ
る程度の機械的強度を必要とし、例えばWC,TiC,TiCN,Ti
N等の炭化物、炭窒化物を主体とする超硬合金もしくは
サーメット、あるいはジルコニア、Si3N4,SiC等の焼結
体が挙げられる。特にアルミナ結晶膜の切削性能の点か
ら超硬合金が望ましい。
特に、超硬合金の基体上にTiC,TiCN等の炭化物、炭窒
化物をコーティングし、その上にアルミナをコーティン
グすることが望ましい。
本発明のアルミナコーティング工具の製造方法によれ
ば、まず、前述した所望の基体上に公知の気相成長法、
例えば熱CVD,RFプラズマCVD、マイクロ波CVD、ECRプラ
ズマCVD等のCVD法、イオンビーム法、スパータ法等のPV
D法等によってアルミナ結晶膜を形成後、アルミナ結晶
膜を公知の機械的研摩、例えばバレル研摩、ホーニング
処理によって、研摩処理し、表面粗さを1μm以下、特
に0.5μm以下に設定する。第2図は、本発明による研
摩後のアルミナ結晶膜表面構造の顕微鏡写真でありこの
研摩処理に当たり、基体上に設けられたアルミナ結晶膜
の結晶粒子径が重要である。
後述する実施例2から明らかなように欠損率は結晶粒
子径に依存する。よって本発明によれば研摩処理によっ
て膜の靭性はいずれにしても向上するが特に0.1乃至3.0
μmの粒子径において、その効果は顕著である。
また、研摩処理後のアルミナ結晶膜は前述した理由に
よって0.5乃至5μm、特に1乃至3μmに設定され
る。
さらに、研摩処理は、形成されたアルミナ結晶膜の個
々の結晶粒子間に形成された谷間が消滅する程度で不十
分であり、それ以上の研摩を行ってもアルミナ結晶膜を
減少させるだけで耐摩耗性を劣化させる傾向にあるため
望ましくない。
本発明を次の例で説明する。
実施例 反応容器内に超硬合金基体を設置するとともに、基体
を1000℃に加熱し、そこへH2,CH2およびTiCl4の混合ガ
スを87:5:8の割合で導入し、基体表面に約6μmのTiC
層を形成した。
次に、同じ容器内にH2,CO2およびAlCl3ガスを45:45:1
0の容積比で導入するとともに基体を1000℃に加熱し平
均膜厚3μm平均結晶粒径2.3μmのAl2O3層を形成し
た。
なお、この膜面の最大表面粗さは1.3μmであった。
得られたサンプルを市販のピータウオルターで刃先部分
のAl2O3膜面をホーニング研摩処理を行い、研摩面の表
面粗さの異なるサンプルを複数個製造した。
個々のサンプルに対し、下記切削条件にてフランク摩
耗量の測定を行った。
チップ形状 TNMG332(刃先ホーニング量0.06mm) 被削材 SCM435 切削速度 V=200m/min 送り f=0.3mm/rev 切込み d=2mm また、下記切削条件にて靭性テストとして欠損率を求
めた。欠損率は15秒間に刃先の欠損があった比率で表し
た。
チップ形状 TNMG332 被削材 S45C 4本溝入り(溝幅5mm) 切削速度 V=100m/muin 切込み d=2mm 送り f=0.3mm/rev 切削時間 15(sec) 結果は第1表のNo.1〜5に示す。さらにAl2O3膜を7.0
μm設け、研摩処理を行ったサンプルに同様の切削テス
トを行った。結果を第1表No.6に示す。また、Al2O3
の成膜条件を変え、平均結晶粒径が3.5μmの膜を設
け、研摩処理を行い、同様にテストを行った。
結果を第1表No.7に示す。
第1表から明らかなように、表面粗さが1μmを超え
るサンプルNo.1はフランク摩耗が少ない代わりに欠損率
が大きく、靭性が低いことがわかる。
これに対し、表面粗さが1μm以下の本発明のサンプ
ルNo.2乃至4は、いずれも欠損率は40%以下にとどめる
ことができ、膜の靭性が向上したことを確認した。な
お、ホーニング研摩処理時間に応じ、膜厚が小さくな
り、フランク摩耗量が増大する傾向にあるため、ホーニ
ング研摩処理による研摩量を最小限に抑えるべきである
ことがわかる。よって膜厚が0.5μmを下回る(No.5)
と摩耗量が大きくなるため、アルミナコーティングの効
果がなくなる。一方膜厚が5μmを超えても(No.6)欠
損率が増大し、結晶粒径が3μmを超えても(No.7)、
欠損率が増大する。
実施例2 次に実施例1において、アルミナ膜の成膜条件を変更
し、膜厚が3μmでアルミナの平均結晶粒径が、0.1μ
m未満、0.1〜1.0μm、1.0〜2.0μm、2.0〜3.0μm、
3.0〜7.0μmなる5種のサンプルを作成した。得られた
サンプルに対し、ホーニング処理を5秒間行った。
これらのサンプルに対し、下記切削条件でテストを行
い実施例1と同様の方法で欠損率を求めた。
チップ形状 TNMG332(刃先ホーニング量0.06mm) 被削材 SCM435(4本溝入り) 切削速度 V=120m/min 切込み d=2mm 送り f=0.3mm/rev 切削時間 15秒 結果は第2表に示す。
第2表から、工具としての靭性の点からアルミナ結晶
粒径が0.1μm以上、特に0.1乃至2.0μmのものが優れ
ていることがわかった。
(発明の効果) 以上、詳述した通り、本発明のアルミナコーティング
工具によれば、気相成長法により形成されたアルミナ結
晶膜表面の凹凸を機械研摩によって,研摩することによ
って凹凸に起因する膜の剥離、強度劣化、溶着を防止で
き、長寿命の耐摩耗性に優れた強靭性のアルミナコーテ
ィング工具を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のアルミナ結晶膜表面構造の顕微鏡写真、
第2図は本発明による研摩後のアルミナ結晶膜表面構造
の顕微鏡写真である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基体の少なくとも刃部を含む外表面にアル
    ミナ結晶膜が形成されたコーティング工具において、該
    アルミナ結晶膜が0.5乃至5μmの膜厚を有するととも
    に、該膜の表面粗さが1μm以下であり、かつ、結晶粒
    径が0.1乃至3.0μmであることを特徴とするアルミナコ
    ーティング工具。
  2. 【請求項2】基体の外表面に気相成長法により結晶粒径
    が0.1乃至3.0μmのアルミナ結晶膜を形成した後、アル
    ミナ結晶膜の少なくとも刃部を含む表面を表面粗さ1μ
    m以下、および膜厚0.5乃至5μmに機械的研摩するこ
    とを特徴とするアルミナコーティング工具の製造方法。
JP61075271A 1986-03-31 1986-03-31 アルミナコ−テイング工具およびその製造方法 Expired - Fee Related JPH0818163B2 (ja)

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