JP2006159397A - 高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】工具基体の表面に、(a)TiN層等からなる第1密着接合層、(b)特定組成式を満足する(Ti,Zr)CN層からなる高温強化層、(c)TiCO層等からなる有する第2密着接合層、(d)Al2O3層からなる高温硬質層、で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆サーメット製切削工具において、上記硬質被覆層のうちの高温強化層を、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、特定方法にて構成原子共有格子点の分布を算出しとき特有分布グラフを示す(Ti,Zr)CN層からなる改質高温強化層で構成する。
【選択図】図3
Description
(a)第1層として、化学蒸着形成された窒化チタン(以下、TiNで示す)層および炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)層のうちのいずれか、または両層の積層からなり、かつ0.1〜1μmの平均層厚を有する第1密着接合層、
(b)第2層として、化学蒸着形成され、
組成式:(Ti1−XZrX)CN(ただし、原子比で、Xは0.02〜0.15)、
を満足するTiとZrの複合炭窒化物[以下、(Ti,Zr)CNで示す]層からなり、かつ2.5〜15μmの平均層厚を有する高温強化層、
(c)第3層として、化学蒸着形成された炭酸化チタン(以下、TiCOで示す)層および炭窒酸化チタン(以下、TiCNOで示す)層のうちのいずれか、または両層の積層からなり、かつ0.1〜1μmの平均層厚を有する第2密着接合層、
(d)第4層として、化学蒸着形成された酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)層からなり、かつ1〜15μmの平均層厚を有する高温硬質層、
以上(a)〜(d)で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆サーメット工具が知られており、この被覆サーメット工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられていることも知られている。
(a)従来被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成する第2層の高温強化層(以下、従来高温強化層という)である(Ti,Zr)CN層(以下、従来(Ti,Zr)CN層という)は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:1〜5%、ZrCl4:0.1〜1%、CH3CN:0.6〜5%、N2:25〜45%、H2:残り、
反応雰囲気温度:750〜980℃、
反応雰囲気圧力:2.7〜13.5kPa、
の条件(通常条件という)で蒸着形成されるが、これを、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:20〜30%、ZrCl4:0.5〜4%、CH3CN:5〜10%、CH4:0.5〜5%、N2:35〜50%、H2:残り、
反応雰囲気温度:1000〜1050℃、
反応雰囲気圧力:6〜20kPa、
の条件、すなわち上記の通常条件に比して、反応ガス組成では、TiCl4およびCH3CNを相対的に高く、かつ新たにCH4ガスを添加し、さらに雰囲気温度を相対的に高くした条件(反応ガス組成調整高温条件)で蒸着形成すると、この結果の反応ガス組成調整高温条件で形成した(Ti,Zr)CN層(以下、改質(Ti,Zr)CN層という)は、高温強度が一段と向上し、すぐれた耐機械的衝撃性を具備するようになることから、硬質被覆層の第2層を前記改質(Ti,Zr)CN層で構成してなる被覆サーメット工具は、特に激しい機械的衝撃を伴なう高速断続切削加工でも、前記硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すようになること。
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図2(a),(b)に概略説明図で例示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(001)面および(011)面の法線がなす傾斜角(図2(a)には前記結晶面のうち(001)面の傾斜角が0度、(011)面の傾斜角が45度の場合、同(b)には(001)面の傾斜角が45度、(011)面の傾斜角が0度の場合を示しているが、これらの角度を含めて前記結晶粒個々のすべての傾斜角)を測定し、この場合前記結晶粒は、上記の通り格子点にTi、Zr、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するNaCl型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で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(NはNaCl型面心立方晶の結晶構造上2以上の偶数となる)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で現し、個々のΣN+1がΣN+1全体(ただし、頻度の関係で上限値を28とする)に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフを作成した場合、いずれの(Ti,Zr)CN層もΣ3に最高ピークが存在するが、前記従来(Ti,Zr)CN層は、図4に例示される通り、Σ3の分布割合が30%以下の相対的に低い構成原子共有格子点分布グラフを示すのに対して、前記改質(Ti,Zr)CN層は、図3に例示される通り、Σ3の分布割合が60〜80%のきわめて高い構成原子共有格子点分布グラフを示し、この高いΣ3の分布割合は、反応ガスを構成するTiCl4およびCH3CNと、CH4の含有量、さらに雰囲気反応温度によって変化すること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
(a)第1層として、いずれも化学蒸着形成された、TiN層およびTiCN層のうちのいずれか、または両層の積層からなり、かつ0.1〜1μmの平均層厚を有する第1密着接合層
(b)第2層として、化学蒸着形成され、
組成式:(Ti1−XZrX)CN(ただし、原子比で、Xは0.02〜0.15)、
を満足する(Ti,Zr)CN層からなり、かつ2.5〜15μmの平均層厚を有する高温強化層、
(c)第3層として、化学蒸着形成されたTiCO層およびTiCNO層のうちのいずれか、または両層の積層からなり、かつ0.1〜1μmの平均層厚を有する第2密着接合層、
(d)第4層として、化学蒸着形成されたAl2O3層からなり、かつ1〜15μmの平均層厚を有する高温硬質層、
以上(a)〜(d)で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆サーメット製切削工具において、
上記硬質被覆層のうちの第2層である高温強化層を、同じく化学蒸着形成され、組成式:(Ti1−XZrX)CN(ただし、原子比で、Xは0.02〜0.15)、を満足し、さらに、2.5〜15μmの平均層厚を有するが、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(001)面および(011)面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にTi、Zr、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するNaCl型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で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(NはNaCl型面心立方晶の結晶構造上2以上の偶数となる)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で現した場合、個々のΣN+1がΣN+1全体(ただし、頻度の関係で上限値を28とする)に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ3に最高ピークが存在し、かつ前記Σ3のΣN+1全体に占める分布割合が60〜80%である構成原子共有格子点分布グラフを示す改質(Ti,Zr)CN層からなる改質高温強化層、
で構成してなる、高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。
(a)第1密着接合層
第1密着接合層を構成するTiN層およびTiCN層は、工具基体および第2層である改質(Ti,Zr)CN層のいずれにも強固に密着接合し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着接合性向上に寄与する作用をもつが、その平均層厚が0.1μm未満では、所望のすぐれた密着接合性を確保することができず、一方密着接合性は1μmの平均層厚で十分に確保することができることから、その平均層厚を0.1〜1μmと定めた。
硬質被覆層の第2層である改質高温強化層を構成する改質(Ti,Zr)CN層の構成原子共有格子点分布グラフにおけるΣ3の分布割合は、上記の通り反応ガスを構成するTiCl4およびCH3CNと、CH4の含有量、さらに雰囲気反応温度を調整することによって60〜80%とすることができるが、この場合Σ3の分布割合が60%未満では、高速断続切削加工で、硬質被覆層にチッピングが発生しない、すぐれた高温強度向上効果を確保することができず、したがってΣ3の分布割合は高ければ高いほど望ましいが、Σ3の分布割合を80%を越えて高くすることは層形成上困難であることから、Σ3の分布割合を60〜80%と定めた。このように前記改質(Ti,Zr)CN層は、上記の通り(Ti,Zr)CN自体のもつ高高温強度と耐熱性に加えて、さらに一段とすぐれた高温強度を有するようになるが、その平均層厚が2.5μm未満では所望のすぐれた高温強度向上効果を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、一方その平均層厚が15μmを越えると、偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し易くなり、摩耗が加速するようになることから、その平均層厚を2.5〜15μmと定めた。
また、上記改質(Ti,Zr)CN層におけるZr成分には、上記の通り、耐熱性を向上させ、切削時の高温雰囲気での軟化を抑制する作用があるが、その含有割合を示すX値が、Tiとの合量に占める原子比で、0.02未満では所望の耐熱性向上効果が得られず、一方そのX値が、同じく0.15を越えると高温強度に低下傾向が現れるようになることから、Zrの含有割合を示すX値を、0.02〜0.15と定めた。
第2密着接合層を構成するTiCO層およびTiCNO層は、第2層である改質(Ti,Zr)CN層および高温硬質層であるAl2O3層のいずれにも強固に密着接合し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着接合性向上に寄与する作用をもつが、その平均層厚が0.1μm未満では、所望のすぐれた密着接合性を確保することができず、一方密着接合性は1μmの平均層厚で十分に確保することができることから、その平均層厚を0.1〜1μmと定めた。
高温硬質層を構成するAl2O3層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が1μm未満では、硬質被覆層に十分な耐摩耗性を発揮せしめることができず、一方その平均層厚が15μmを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を1〜15μmと定めた。
すなわち、上記構成原子共有格子点分布グラフは、上記の改質(Ti,Zr)CN層および従来(Ti,Zr)CN層の表面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に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、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、30×50μmの領域を0.1μm/stepの間隔で、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(001)面および(011)面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で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(NはNaCl型面心立方晶の結晶構造上2以上の偶数となる)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で現した場合、個々のΣN+1がΣN+1全体(ただし、頻度の関係で上限値を28とする)に占める分布割合を求めることにより作成した。
なお、図3は、本発明被覆サーメット工具1の改質(Ti,Zr)CN層の構成原子共有格子点分布グラフ、図4は、従来被覆サーメット工具1の従来(Ti,Zr)CN層の構成原子共有格子点分布グラフをそれぞれ示すものである。
被削材:JIS・SS330の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:440m/min、
切り込み:1.5mm、
送り:0.25mm/rev、
切削時間:10分、
の条件(切削条件A)での軟鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は220m/min)、
被削材:JIS・SUS303の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:420m/min、
切り込み:1.3mm、
送り:0.20mm/rev、
切削時間:10分、
の条件(切削条件B)でのステンレス鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は200m/min)、
被削材:JIS・S10Cの長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:420m/min、
切り込み:2.0mm、
送り:0.28mm/rev、
切削時間:10分、
の条件(切削条件C)での炭素鋼の乾式高速断続切削試験(通常の切削速度は220m/min)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。この測定結果を表7に示した。
Claims (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、
(a)第1層として、化学蒸着形成された窒化チタン層および炭窒化チタン層のうちのいずれか、または両層の積層からなり、かつ0.1〜1μmの平均層厚を有する第1密着接合層、
(b)第2層として、化学蒸着形成され、
組成式:(Ti1−XZrX)CN(ただし、原子比で、Xは0.02〜0.15)、
を満足するTiとZrの複合炭窒化物層からなり、かつ2.5〜15μmの平均層厚を有する高温強化層、
(c)第3層として、化学蒸着形成された炭酸化チタン層および炭窒酸化チタン層のうちのいずれか、または両層の積層からなり、かつ0.1〜1μmの平均層厚を有する第2密着接合層、
(d)第4層として、化学蒸着形成された酸化アルミニウム層からなり、かつ1〜15μmの平均層厚を有する高温硬質層、
以上(a)〜(d)で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆サーメット製切削工具において、
上記硬質被覆層のうちの第2層である高温強化層を、同じく化学蒸着形成され、組成式:(Ti1−XZrX)CN(ただし、原子比で、Xは0.02〜0.15)、を満足し、さらに、2.5〜15μmの平均層厚を有するが、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(001)面および(011)面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にTi、Zr、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するNaCl型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で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(NはNaCl型面心立方晶の結晶構造上2以上の偶数となる)存在する構成原子共有格子点形態をΣN+1で現した場合、個々のΣN+1がΣN+1全体(ただし、頻度の関係で上限値を28とする)に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ3に最高ピークが存在し、かつ前記Σ3のΣN+1全体に占める分布割合が60〜80%である構成原子共有格子点分布グラフを示すTiとZrの複合炭窒化物層からなる改質高温強化層、
で構成したことを特徴とする高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。
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