JP4483510B2 - 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
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 Download PDFInfo
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Description
この発明は、特に鋼や鋳鉄などの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（以下、被覆サーメット工具という）に関するものである。
従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2Ｏ3で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）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。
特開平６−３１５０３号公報
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2Ｏ3で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）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。
近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆サーメット工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、特にこれを切削条件の最も厳しい高速断続切削、すなわち切刃部にきわめて短いピッチで繰り返し機械的衝撃の加わる高速断続切削に用いた場合、これを構成する硬質被覆層は下部層のＴｉ化合物層による高温強度、同上部層のＡｌ2Ｏ3層による高温硬さおよび耐熱性を具備するものの、前記Ｔｉ化合物層による高温強度が不十分であるために、機械的衝撃に対して満足に対応することができず、この結果硬質被覆層にはチッピング（微小欠け）が発生し易くなることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の被覆サーメット工具の硬質被覆層の耐チッピング性向上をはかるべく、これの下部層であるＴｉ化合物層に着目し、研究を行った結果、
上記の被覆サーメット工具の硬質被覆層の下部層であるＴｉ化合物層のうちのＴｉＣＮ層（以下、従来ＴｉＣＮ層という）は、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件で形成されるが、上記従来ＴｉＣＮ層の形成に先だって、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：０．６９〜１％、ＣＨ４：１〜５％、Ｈ２：２０〜４０％、Ｎ２：５〜１５％、Ａｒ：残り、
反応雰囲気温度：７８０〜８２０℃、
反応雰囲気圧力：４〜８ｋＰａ、
成膜時間：０．８〜２．０時間、
の条件で、望ましくは０．８〜１．２μｍの平均層厚で種薄膜としてのＴｉＣＮ薄膜（以下、ＴｉＣＮ種薄膜という）を形成し、このＴｉＣＮ種薄膜の上に上記の従来ＴｉＣＮ層の形成条件と同じ条件でＴｉＣＮ層を形成すると、形成時の前記ＴｉＣＮ層は、前記ＴｉＣＮ種薄膜の結晶配列に著しく影響を受け、これを十分に履歴するようになり、しかもこの結果形成されたＴｉＣＮ層（以下、履歴ＴｉＣＮ層という）は、上記の従来ＴｉＣＮ層に比して、一段とすぐれた高温強度を有し、すぐれた耐機械的衝撃性を具備するようになるので、硬質被覆層の上部層が前記Ａｌ2Ｏ3層、下部層が上記Ｔｉ化合物層で構成され、かつ前記Ｔｉ化合物層のうちの１層が前記履歴ＴｉＣＮ層から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。
上記の被覆サーメット工具の硬質被覆層の下部層であるＴｉ化合物層のうちのＴｉＣＮ層（以下、従来ＴｉＣＮ層という）は、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件で形成されるが、上記従来ＴｉＣＮ層の形成に先だって、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：０．６９〜１％、ＣＨ４：１〜５％、Ｈ２：２０〜４０％、Ｎ２：５〜１５％、Ａｒ：残り、
反応雰囲気温度：７８０〜８２０℃、
反応雰囲気圧力：４〜８ｋＰａ、
成膜時間：０．８〜２．０時間、
の条件で、望ましくは０．８〜１．２μｍの平均層厚で種薄膜としてのＴｉＣＮ薄膜（以下、ＴｉＣＮ種薄膜という）を形成し、このＴｉＣＮ種薄膜の上に上記の従来ＴｉＣＮ層の形成条件と同じ条件でＴｉＣＮ層を形成すると、形成時の前記ＴｉＣＮ層は、前記ＴｉＣＮ種薄膜の結晶配列に著しく影響を受け、これを十分に履歴するようになり、しかもこの結果形成されたＴｉＣＮ層（以下、履歴ＴｉＣＮ層という）は、上記の従来ＴｉＣＮ層に比して、一段とすぐれた高温強度を有し、すぐれた耐機械的衝撃性を具備するようになるので、硬質被覆層の上部層が前記Ａｌ2Ｏ3層、下部層が上記Ｔｉ化合物層で構成され、かつ前記Ｔｉ化合物層のうちの１層が前記履歴ＴｉＣＮ層から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。
（ｂ）上記の被覆サーメット工具の硬質被覆層の下部層を構成する従来ＴｉＣＮ層と履歴ＴｉＣＮ層について、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に概略説明図で示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、前記測定範囲を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｛０１３｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、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共に、各区分内に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、前記従来ＴｉＣＮ層は、図３に例示される通り、｛０１３｝面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、前記履歴ＴｉＣＮ層は、図２に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、このシャープな最高ピークは、グラフ横軸の傾斜角区分に現れる高さが上記ＴｉＣＮ種薄膜形成時の反応雰囲気温度および反応雰囲気圧力によって変化し、グラフ横軸の傾斜角区分位置が同じく反応ガスのＴｉＣｌ４含有量によって変化すること。
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に概略説明図で示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、前記測定範囲を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｛０１３｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、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共に、各区分内に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、前記従来ＴｉＣＮ層は、図３に例示される通り、｛０１３｝面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、前記履歴ＴｉＣＮ層は、図２に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、このシャープな最高ピークは、グラフ横軸の傾斜角区分に現れる高さが上記ＴｉＣＮ種薄膜形成時の反応雰囲気温度および反応雰囲気圧力によって変化し、グラフ横軸の傾斜角区分位置が同じく反応ガスのＴｉＣｌ４含有量によって変化すること。
（ｃ）上記の通り、上記ＴｉＣＮ種薄膜形成に際して、上記反応ガスにおけるＴｉＣｌ４の含有量を０．６９〜１％とすることにより、上記履歴ＴｉＣＮ層の傾斜角度数分布グラフで、シャープな最高ピークが傾斜角区分の２０．００〜２４．２５度の範囲内に現れ、かつ、反応雰囲気温度を７８０〜８２０℃、反応雰囲気圧力を４〜８ｋＰａとすることにより、２０〜３０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６２〜８３％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになるが、この場合、試験結果によれば、ＴｉＣｌ４の含有量が０．６９％未満になると、上記履歴ＴｉＣＮ層の傾斜角度数分布グラフで、最高ピークの傾斜角区分位置が２４．２５度を越えた位置に現れるようになり、一方その含有量が１％を越えると逆に最高ピークの傾斜角区分位置が２０度未満の位置になり、また、反応雰囲気温度および反応雰囲気圧力に関しては、温度が７８０℃未満になったり、圧力が４ｋＰａ未満になると、前記履歴ＴｉＣＮ層の傾斜角度数分布グラフにおける２０〜３０度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数数割合が８３％を越えて高くなり過ぎて、高温硬さが急激に低下するようになり、一方温度が８２０℃を越えたり、圧力が８ｋＰａを越えたりすると、同度数割合が６２％未満になってしまい、所望のすぐれた高温強度を確保することができないこと。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有するＡｌ２Ｏ３層、
以上（ａ）および（ｂ）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（ａ）のＴｉ化合物層のうちの１層を、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ ４ ：０．６９〜１％、ＣＨ ４ ：１〜５％、Ｈ ２ ：２０〜４０％、Ｎ ２ ：５〜１５％、Ａｒ：残り、
反応雰囲気温度：７８０〜８２０℃、
反応雰囲気圧力：４〜８ｋＰａ、
成膜時間：０．８〜２．０時間、
の条件で、０．８〜１．２μｍの平均層厚に化学蒸着形成されたＴｉＣＮ種薄膜を介して、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ ４ ：２〜１０％、ＣＨ ３ ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ ２ ：１０〜３０％、Ｈ ２ ：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件（従来蒸着条件に相当する条件）で、２．５〜１５μｍの平均層厚に化学蒸着形成してなると共に、
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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、前記測定範囲を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｛０１３｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、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共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、２０．００〜２４．２５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、２０〜３０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６２〜８３％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す履歴ＴｉＣＮ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）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有するＡｌ２Ｏ３層、
以上（ａ）および（ｂ）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（ａ）のＴｉ化合物層のうちの１層を、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ ４ ：０．６９〜１％、ＣＨ ４ ：１〜５％、Ｈ ２ ：２０〜４０％、Ｎ ２ ：５〜１５％、Ａｒ：残り、
反応雰囲気温度：７８０〜８２０℃、
反応雰囲気圧力：４〜８ｋＰａ、
成膜時間：０．８〜２．０時間、
の条件で、０．８〜１．２μｍの平均層厚に化学蒸着形成されたＴｉＣＮ種薄膜を介して、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ ４ ：２〜１０％、ＣＨ ３ ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ ２ ：１０〜３０％、Ｈ ２ ：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件（従来蒸着条件に相当する条件）で、２．５〜１５μｍの平均層厚に化学蒸着形成してなると共に、
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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、前記測定範囲を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｛０１３｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、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共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、２０．００〜２４．２５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、２０〜３０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６２〜８３％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す履歴ＴｉＣＮ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。
つぎに、この発明の被覆サーメット工具の硬質被覆層の構成層について、上記の通りに数値限定した理由を以下に説明する。
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉ化合物層は、自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と上部層であるＡｌ2Ｏ3層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつが、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速断続切削で熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉ化合物層は、自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と上部層であるＡｌ2Ｏ3層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつが、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速断続切削で熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
（ｂ）履歴ＴｉＣＮ層（下部層）
上記の通り、上記ＴｉＣＮ種薄膜形成に際して、上記反応ガスにおけるＴｉＣｌ４の含有量を０．６９〜１％とすることにより、傾斜角度数分布グラフで、シャープな最高ピークが傾斜角区分の２０．００〜２４．２５度の範囲内に現れ、かつ、反応雰囲気温度を７８０〜８２０℃、反応雰囲気圧力を４〜８ｋＰａとすることにより、２０〜３０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６２〜８３％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す履歴ＴｉＣＮ層が形成されるようになり、この結果として前記履歴ＴｉＣＮ層はすぐれた高温強度を具備するようになるが、その平均層厚が２．５μｍ未満では所望のすぐれた高温強度を硬質被覆層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。
上記の通り、上記ＴｉＣＮ種薄膜形成に際して、上記反応ガスにおけるＴｉＣｌ４の含有量を０．６９〜１％とすることにより、傾斜角度数分布グラフで、シャープな最高ピークが傾斜角区分の２０．００〜２４．２５度の範囲内に現れ、かつ、反応雰囲気温度を７８０〜８２０℃、反応雰囲気圧力を４〜８ｋＰａとすることにより、２０〜３０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６２〜８３％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す履歴ＴｉＣＮ層が形成されるようになり、この結果として前記履歴ＴｉＣＮ層はすぐれた高温強度を具備するようになるが、その平均層厚が２．５μｍ未満では所望のすぐれた高温強度を硬質被覆層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。
（ｃ）Ａｌ2Ｏ3層（上部層）
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。
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。
なお、切削工具の使用前後の識別を目的として、黄金色の色調を有するＴｉＮ層を、必要に応じて蒸着形成してもよいが、この場合の平均層厚は０．１〜１μｍでよく、これは０．１μｍ未満では、十分な識別効果が得られず、一方前記ＴｉＮ層による前記識別効果は１μｍまでの平均層厚で十分であるという理由からである。
この発明被覆サーメット工具は、機械的熱的衝撃がきわめて高い鋼や鋳鉄などの高速断続切削でも、硬質被覆層の下部層のうちの１層である履歴ＴｉＣＮ層がすぐれた高温強度を有し、すぐれた耐チッピング性を発揮することから、硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示すものである。
つぎに、この発明の被覆サーメット工具を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ，Ｄ，Ｅをそれぞれ製造した。
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ2Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ｂ，ｃ，ｅを形成した。
つぎに、これらの工具基体Ａ，Ｄ，Ｅおよび工具基体ｂ，ｃ，ｅの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表３に示される条件にて、硬質被覆層の下部層としてＴｉ化合物層を形成し、この場合、前記Ｔｉ化合物層のうちの履歴ＴｉＣＮ層を形成するに際しては、まず表４に示される条件、すなわち試験結果に基づいて定められた目標履歴ＴｉＣＮ層に対する種薄膜ａ〜ｅの条件でＴｉＣＮ種薄膜を形成し、引続いて、上記の通り表３に示される従来ＴｉＣＮ層の形成条件と同じ条件で履歴ＴｉＣＮ層を、表５に示される組み合わせおよび目標層厚で蒸着形成し、ついで同じく表３に示される条件にて、上部層としてＡｌ2Ｏ3層を同じく表５に示される組み合わせで、かつ目標層厚で蒸着形成することにより本発明被覆サーメット工具１〜６をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表６に示される通り、硬質被覆層の下部層および上部層として同じく表３に示される条件で、同じく表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層およびＡｌ2Ｏ3層を蒸着形成することにより従来被覆サーメット工具１〜６をそれぞれ製造した。
ついで、上記の本発明被覆サーメット工具と従来被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成する履歴ＴｉＣＮ層および従来ＴｉＣＮ層について、電界放出型走査電子顕微鏡および電子後方散乱回折像装置を用いて、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の履歴ＴｉＣＮ層および従来ＴｉＣＮ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立方晶結晶格子を有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｛０１３｝面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、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共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の履歴ＴｉＣＮ層および従来ＴｉＣＮ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立方晶結晶格子を有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｛０１３｝面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、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共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。
この結果得られた各種の改質ＴｉＣＮ層および従来ＴｉＣＮの傾斜角度数分布グラフにおいて、｛０１３｝面が最高ピークを示す傾斜角区分、並びに２０〜３０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体の傾斜角度数に占める割合をそれぞれ表５，６にそれぞれ示した。
上記の各種の傾斜角度数分布グラフにおいて、表５，６にそれぞれ示される通り、本発明被覆サーメット工具の履歴ＴｉＣＮ層は、いずれも｛０１３｝面の測定傾斜角の分布が２０．００〜２４．２５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れ、かつ２０〜３０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の割合が６２〜８３％である傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、従来被覆サーメット工具の従来ＴｉＣＮ層は、いずれも｛０１３｝面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在せず、２０〜３０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の割合も３０％以下である傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
なお、図２は、本発明被覆サーメット工具４の履歴ＴｉＣＮ層の傾斜角度数分布グラフ、図３は、従来被覆サーメット工具４の従来ＴｉＣＮ層の傾斜角度数分布グラフをそれぞれ示すものである。
なお、図２は、本発明被覆サーメット工具４の履歴ＴｉＣＮ層の傾斜角度数分布グラフ、図３は、従来被覆サーメット工具４の従来ＴｉＣＮ層の傾斜角度数分布グラフをそれぞれ示すものである。
さらに、上記の本発明被覆サーメット工具１〜６および従来被覆サーメット工具１〜６について、これの硬質被覆層の構成層を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）およびオージェ分光分析装置を用いて観察（層の縦断面を観察）したところ、前者および後者とも目標組成と実質的に同じ組成を有するＴｉ化合物層とＡｌ2Ｏ3層からなることが確認された。また、これらの被覆サーメット工具の硬質被覆層の構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（同じく縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
つぎに、上記の各種の被覆サーメット工具をいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆サーメット工具１〜６および従来被覆サーメット工具１〜６について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： 分、
の条件（切削条件Ａ）での合金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・Ｓ５０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｂ）での炭素鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｃ）でのダクタイル鋳鉄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。
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： 分、
の条件（切削条件Ａ）での合金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・Ｓ５０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｂ）での炭素鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｃ）でのダクタイル鋳鉄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。
表５〜７に示される結果から、本発明被覆サーメット工具１〜６は、いずれも硬質被覆層の下部層のうちの１層が、｛０１３｝面の傾斜角が２０．００〜２４．２５度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示すと共に、２０〜３０度の傾斜角区分範囲内に存在する度数の合計割合が６２〜８３％を占める傾斜角度数分布グラフを示す履歴ＴｉＣＮ層で構成され、機械的衝撃がきわめて高い鋼や鋳鉄の高速断続切削でも、前記履歴ＴｉＣＮ層がすぐれた高温強度を有し、すぐれた耐チッピング性を発揮することから、切刃部のチッピング発生が著しく抑制され、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層の下部層のうちの１層が、｛０１３｝面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在しない傾斜角度数分布グラフを示す従来ＴｉＣＮ層で構成された従来被覆サーメット工具１〜６においては、いずれも高速断続切削では硬質被覆層の耐機械的衝撃性が不十分であるために、切刃部にチッピングが発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆サーメット工具は、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特に高温強度が要求される高速断続切削でもすぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
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）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）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（ａ）のＴｉ化合物層のうちの１層を、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ ４ ：０．６９〜１％、ＣＨ ４ ：１〜５％、Ｈ ２ ：２０〜４０％、Ｎ ２ ：５〜１５％、Ａｒ：残り、
反応雰囲気温度：７８０〜８２０℃、
反応雰囲気圧力：４〜８ｋＰａ、
成膜時間：０．８〜２．０時間、
の条件で、０．８〜１．２μｍの平均層厚に化学蒸着形成された種薄膜としての炭窒化チタン薄膜を介して、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ ４ ：２〜１０％、ＣＨ ３ ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ ２ ：１０〜３０％、Ｈ ２ ：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件（従来蒸着条件に相当する条件）で、２．５〜１５μｍの平均層厚に化学蒸着形成してなると共に、
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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、前記測定範囲を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｛０１３｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、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共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、２０．００〜２４．２５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、２０〜３０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６２〜８３％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す炭窒化チタン層、
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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