JP2008093770A - 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切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】工具基体の表面に、Cr含有割合が0.01〜0.1(原子比)であるTi−Cr複合炭窒化物層とAl2O3層とを交互に積層した硬質被覆層を設け、あるいは、この交互積層を上部層とし、上部層と工具基体表面間に、下部層として、TiN層、TiC層、TiCN層、あるいは前記下部層の少なくとも1層のTi成分をZrで置換した(Ti,Zr)N層、(Ti,Zr)C層、(Ti,Zr)CN層の1層または2層以上を設け、かつ、上部層の構成層であるTi−Cr複合炭窒化物層は、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒の(001)面および(011)面の法線と、表面研磨面の法線とがなす傾斜角の測定結果に基づいて作成された構成原子共有格子点分布グラフであるTi−Cr複合炭窒化物層で構成する。
【選択図】図3
Description
(イ)反応ガス組成(容量%):
TiCl4:2〜10%、
CH3CN:1〜5%、
N2:10〜30%、
H2:残り、
(ロ)反応雰囲気温度:800〜930℃、
(ハ)反応雰囲気圧力:6〜15kPa、
の条件で蒸着形成されることが知られ、また、
上記Ti−Cr複合炭窒化物層は、例えば、上記従来TiCN層を形成する反応ガスに、CrCl3を微量添加して化学蒸着を行うことにより形成されることが知られている。
(a)Al2O3層を上部層とし、また、Ti−Cr複合炭窒化物層を下部層とする従来被覆工具において、Al2O3層は、高温硬さと耐熱性にすぐれるものの、高送り、高切り込みなどの高速重切削条件下では、満足できる高温強度を備えるものではないが、Al2O3層の平均層厚を0.2〜2μmとし、さらに、0.2〜2μmの平均層厚を有するTi−Cr複合炭窒化物層との交互積層構造として硬質被覆層を形成することにより、Ti−Cr複合炭窒化物層の備えるすぐれた高温強度によって、Al2O3層の強度が補完され、硬質被覆層は、全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性およびすぐれた高温強度を相兼ね備えたものとなり、その結果として、高速重切削条件下でのチッピング発生が抑制されること。
即ち、上記交互積層構造の構成層であるTi−Cr複合炭窒化物層は、
(イ)反応ガス組成(容量%):
TiCl4:2〜10%、
CrCl3:0.02〜1%、
CH3CN:1〜5%、
N2:10〜30%、
H2:残り、
(ロ)反応雰囲気温度:800〜930℃、
(ハ)反応雰囲気圧力:15〜25kPa、
の条件で蒸着することによって形成され、この結果形成されたTi−Cr複合炭窒化物層は、Tiとの合量に占める割合で1〜10原子%の割合でCrを含有し、上記の従来TiCN層と同じNaCl型面心立方晶の結晶構造(上記図1参照)、すなわち、Ti原子の一部がCr原子で置換されたNaCl型面心立方晶の結晶構造をもつものになると共に、置換含有したCrの作用で、高温強度が一段と向上したものになるため、切刃部にきわめて高い機械的・熱的負荷がかかる高速高送り高切り込みミーリング切削において、前記硬質被覆層の耐チッピング性を向上させること。
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で表し、個々のΣN+1がΣN+1全体(ただし、頻度の関係でNの上限値を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、前記従来TiCN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Ti−Cr複合炭窒化物層は、図3に例示される通り、Σ3に最高ピークが存在し、かつ、Σ3の分布割合が60%以上のきわめて高い構成原子共有格子点分布グラフを示し、しかも、前記Ti−Cr複合炭窒化物層のΣ3の分布割合は、層中のCr含有量によって変化し、さらに、層中のCr含有量は、反応ガス中のCrCl3の配合割合によって調整できること。
以上(a)〜(f)に示される研究結果を得たのである。
「(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、少なくとも、
(a)0.2〜2μmの平均層厚を有し、かつ、チタンとクロムの合量に対するクロムの含有割合(Cr/(Ti+Cr))が、原子比で0.01〜0.1であるチタンとクロムの複合炭窒化物層、
(b)0.2〜2μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記(a)および(b)を少なくとも3層以上交互に積層し、合計平均層厚が1〜6μmとなるように化学蒸着で形成した硬質被覆層を設けてなることを特徴とする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切削工具。
(2)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、少なくとも、上部層と下部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記上部層は、
(a)0.2〜2μmの平均層厚を有し、かつ、チタンとクロムの合量に対するクロムの含有割合(Cr/(Ti+Cr))が、原子比で0.01〜0.1であるチタンとクロムの複合炭窒化物層、
(b)0.2〜2μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記(a)および(b)を少なくとも3層以上交互に積層し、合計平均層厚が1〜6μmとなるよう化学蒸着で形成した交互積層からなり、
また、上記下部層は、
(c)合計平均層厚2〜10μmの化学蒸着で形成した窒化チタン層、炭化チタン層、炭窒化チタン層のうちの1層または2層以上からなる、
ことを特徴とする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切削工具。
(3)前記(2)記載の表面被覆切削工具において、
上記下部層(c)のうちの少なくとも1層は、チタンの一部をジルコニウムで置換したチタンとジルコニウムの複合窒化物層、チタンとジルコニウムの複合炭化物層あるいはチタンとジルコニウムの複合炭窒化物層、
であることを特徴とする前記(2)記載の表面被覆切削工具。
(4)前記(2)または(3)記載の表面被覆切削工具において、
上部層と下部層の間に、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層および炭窒酸化チタン層のうちの1層または2層以上からなる合計平均層厚0.2〜1μmの中間層を介在させたことを特徴とする前記(2)または(3)記載の表面被覆切削工具。
(5)前記(1)乃至(4)記載の表面被覆切削工具において、
上記(a)のチタンとクロムの複合炭窒化物層は、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、格子点にチタンとクロムと炭素と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で表した場合、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、いずれも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%以上である構成原子共有格子点分布グラフを示すチタンとクロムの複合炭窒化物層であることを特徴とする前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
(a)交互積層構造の構成層であるチタンとクロムの複合炭窒化物層(Ti−Cr複合炭窒化物層)
上記Ti−Cr複合炭窒化物層は、すぐれた高温硬さおよびすぐれた高温強度を有するが、この特性は、反応ガスにCrCl3を0.02〜1容量%の割合で添加して化学蒸着し、蒸着形成された層中のCr含有割合をTiとの合量に占める割合で1〜10原子%とした結果として、構成原子共有格子点分布グラフにおけるΣ3の分布割合が60%以上となることにより得られるものであって、一方、Σ3の分布割合が60%未満では、高温強度の向上効果が少なく、高速高送り高切り込みミーリング加工において、硬質被覆層にチッピングが発生することは避けられず、すぐれた耐摩耗性を発揮することはできないことから、TiとCrの合量に対するCrの含有割合(Cr/(Ti+Cr))を0.01〜0.1(但し,原子比)と定め、また、Σ3の分布割合を60%以上と定めた。
また、Ti−Cr複合炭窒化物層は、その平均層厚が0.2μm未満では、交互積層構造の構成層であるAl2O3層の高温強度不足を補完し、硬質被覆層全体としての高温強度向上を図ることはできず、一方、平均層厚が2μmを超えると、隣接するAl2O3層との十分な付着強度を確保することができなくなり、硬質被覆層にチッピングがおこりやすくなるため、その平均層厚を0.2〜2μmと定めた。
上記Al2O3層は、高温硬さと耐熱性にすぐれ、切削加工時の摩耗に対して耐摩耗性を示すが、その平均層厚が0.2μm未満では、十分な耐摩耗性を発揮することができず、また、その平均層厚が2μm以上の場合は、隣接するTi−Cr複合炭窒化物層との十分な付着強度を確保することができなくなるばかりか、高速重切削条件下では高温強度の不足によりチッピングが発生しやすくなることから、その平均層厚を0.2〜2μmとした。
上記Al2O3層と上記Ti−Cr複合炭窒化物層を、少なくとも3層以上交互に積層し、合計平均層厚が1〜6μmとなるように交互積層構造の硬質被覆層(上部層)を化学蒸着で形成し、Al2O3層の高温強度不足を、すぐれた高温強度を有するTi−Cr複合炭窒化物層を交互積層することによって補完し、硬質被覆層(上部層)全体としての耐チッピング性を確保するが、交互積層構造からなる硬質被覆層(上部層)の合計平均層厚が1μm未満では、高速高送り高切り込みミーリング加工において十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、合計平均層厚が6μmを超えると、チッピングや異常摩耗が発生し易くなるため、硬質被覆層(上部層)の合計平均層厚を1〜6μmと定めた。
硬質被覆層の下部層を構成するTiN層、TiC層、TiCN層、また、これらの層のうちの少なくとも1層を(Ti,Zr)N層、(Ti,Zr)C層あるいは(Ti,Zr)CN層とした下部層は、いずれも、すぐれた強度を備えるとともに、硬質被覆層の上部層を構成するAl2O3層、Ti−Cr複合炭窒化物層とすぐれた密着性・接合強度を有し、高速重切削条件下での耐チッピング改善に寄与する。
上記各下部層のうち、TiN層、TiC層、TiCN層の形成条件は従来法と同様であり、また、Tiの一部をZrで置換した(Ti,Zr)N層、(Ti,Zr)C層、(Ti,Zr)CN層は、TiN層、TiC層、TiCN層を形成するそれぞれの反応ガス中に、0.1〜1%のZrCl4を添加含有させ、通常の化学蒸着装置で蒸着することによって形成することができる。そして、(Ti,Zr)N層、(Ti,Zr)C層、(Ti,Zr)CN層におけるTiとZrの合量に対するZrの含有割合(Zr/(Ti+Zr))について、Zrの含有割合が0.02未満の場合には、強度向上効果を期待することができず、一方、Zrの含有割合が0.15を超えた場合には、硬さが低下するため、(Ti,Zr)N層、(Ti,Zr)C層、(Ti,Zr)CN層におけるZrの含有割合は、原子比で0.02〜0.15とすることが望ましい。
炭酸化チタン(TiCO)層、窒酸化チタン(TiNO)層および炭窒酸化チタン(TiCNO)層のうちの1層または2層以上からなる合計平均層厚0.2〜1μmの中間層を、上部層と下部層との間に介在させると、上記中間層は、上記上部層と下部層のいずれに対しても密着性にすぐれ、また、付着強度も大きいため、上記上部層と下部層間の接合強度を高め、その結果、硬質被覆層全体としての高温強度をより一層高めて耐チッピング性をさらに向上させる効果があるが、その合計平均層厚が0.2μm未満では接合強度の向上効果が少なく、また、合計平均層厚が1μmを超えると、チッピングなどの異常損傷が生じやすくなることから、中間層の合計平均層厚を0.2〜1μmと定めた。
なお、例えば、特開平6−8010号公報に示されるような層の強度向上を目的として形成された縦長成長結晶組織を有するTiCN層を、表5中では「l−TiCN」として示す。
すなわち、上記構成原子共有格子点分布グラフは、上記本発明Ti−Cr複合炭窒化物層、および、従来TiCN層の表面をそれぞれ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で表した場合、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。
また、比較のために、比較被覆工具のTiCN層の構成原子共有格子点分布グラフにおいて、ΣN+1全体(Nは2〜28の範囲内のすべての偶数)に占めるΣ3の分布割合をそれぞれ表10に示した。
なお、図3は、本発明被覆工具5のうちA−7の条件にて形成したTi−Cr複合炭窒化物層の構成原子共有格子点分布グラフ、図4は、比較被覆工具5のうち、a−7の条件にて形成した従来TiCN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。
[切削条件A]
被削材: JIS・SCr420Hのブロック材、
切削速度: 380 m/min、
切り込み: 4 mm、
一刃送り量: 0.4 mm/刃、
切削時間: 5 分、
の条件での合金鋼の湿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、送りは、それぞれ、200m/min、1.5mm、0.2mm/刃)、
[切削条件B]
被削材: JIS・SKD11のブロック材、
切削速度: 320 m/min、
切り込み: 3.5 mm、
一刃送り量: 0.4 mm/刃、
切削時間: 5 分、
の条件での工具鋼の湿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、送りは、それぞれ、150m/min、1.5mm、0.15mm/刃)、
[切削条件C]
被削材: JIS・FC350のブロック、
切削速度: 420 m/min、
切り込み: 4.3 mm、
送り: 0.45 mm/刃、
切削時間: 5 分、
の条件での鋳鉄の湿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、送りは、それぞれ、250m/min、1.5mm、0.2mm/刃)、
そして、上記の各切削試験における切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、この測定結果を表11に示した。
Claims (5)
- 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、少なくとも、
(a)0.2〜2μmの平均層厚を有し、かつ、チタンとクロムの合量に対するクロムの含有割合(Cr/(Ti+Cr))が、原子比で0.01〜0.1であるチタンとクロムの複合炭窒化物層、
(b)0.2〜2μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記(a)および(b)を少なくとも3層以上交互に積層し、合計平均層厚が1〜6μmとなるように化学蒸着で形成した硬質被覆層を設けてなることを特徴とする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切削工具。 - 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、少なくとも、上部層と下部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記上部層は、
(a)0.2〜2μmの平均層厚を有し、かつ、チタンとクロムの合量に対するクロムの含有割合(Cr/(Ti+Cr))が、原子比で0.01〜0.1であるチタンとクロムの複合炭窒化物層、
(b)0.2〜2μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記(a)および(b)を少なくとも3層以上交互に積層し、合計平均層厚が1〜6μmとなるよう化学蒸着で形成した交互積層からなり、
また、上記下部層は、
(c)合計平均層厚2〜10μmの化学蒸着で形成した窒化チタン層、炭化チタン層、炭窒化チタン層のうちの1層または2層以上からなる、
ことを特徴とする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切削工具。 - 請求項2記載の表面被覆切削工具において、
上記下部層(c)のうちの少なくとも1層は、チタンの一部をジルコニウムで置換したチタンとジルコニウムの複合窒化物層、チタンとジルコニウムの複合炭化物層あるいはチタンとジルコニウムの複合炭窒化物層、
であることを特徴とする請求項2記載の表面被覆切削工具。 - 請求項2または3記載の表面被覆切削工具において、
上部層と下部層の間に、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層および炭窒酸化チタン層のうちの1層または2層以上からなる合計平均層厚0.2〜1μmの中間層を介在させたことを特徴とする請求項2または3記載の表面被覆切削工具。 - 請求項1乃至4記載の表面被覆切削工具において、
上記(a)のチタンとクロムの複合炭窒化物層は、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、格子点にチタンとクロムと炭素と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で表した場合、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、いずれも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%以上である構成原子共有格子点分布グラフを示すチタンとクロムの複合炭窒化物層であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
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A521 | Written amendment |
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A02 | Decision of refusal |
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