JP4816904B2 - 硬質被覆層が高速切削ですぐれた耐摩耗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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Description
(a)下部層が、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1層または2層以上からなり、かつ3〜20μmの全体平均層厚を有するTi化合物層、
(b)上部層が、4〜18μmの全体平均層厚を有し、かつ、化学蒸着した状態で、結晶構造がα型の上位層と、結晶構造がκ型の下位層で構成された上下2層構造のAl2O3層、
以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層を蒸着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ることは良く知られている。
(a)上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層の上部層の上位層を構成するα型Al2O3層は、一般に、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成:容量%で、AlCl3:1〜5%、CO2:3〜7%、HCl:0.3〜3%、H2S:0.02〜0.4%、H2:残り、
反応雰囲気温度:950〜1100℃、
反応雰囲気圧力:6〜13kPa、
の条件(以下、通常条件という)で形成されるが、この通常条件形成のα型Al2O3層(以下、従来α型Al2O3層という)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六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、所定領域を0.1μm/stepの間隔で、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、45〜90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すると、図3に例示される通り、(0001)面の測定傾斜角の分布が45〜90度のいずれの範囲内でも不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すこと。
反応ガス組成:容量%で、AlCl3:1〜5%、CO2:3〜7%、HCl:0.3〜3%、H2S:0.02〜0.4%、H2:残り、
反応雰囲気温度:750〜900℃、
反応雰囲気圧力:20〜30kPa、
の相対的に低温高圧条件(反応ガス組成は上記の通常条件と同じ)で形成すると、この結果形成されたα型Al2O3層は、同じく電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図1(a),(b)に示される通り、同じく表面研磨面の測定範囲内に存在する六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、所定領域を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(0001)面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、45〜90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で現した場合、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、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り20〜30kPaの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の75.00〜88.75度の範囲内で変化すると共に、75〜90度の範囲内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50〜78%の割合を占めるようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて75.00〜88.75度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れるα型Al2O3層(以下、改質α型Al2O3層という)は、上記の通常条件形成の従来α型Al2O3層に比して、相対的に高い高温硬さを有すること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
(a)下部層が、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層、およびTiCNO層のうちの1層または2層以上からなり、かつ3〜20μmの全体平均層厚を有するTi化合物層、
(b)上部層が、化学蒸着した状態で、結晶構造がα型にして、平均層厚が3〜15μmの上位層と、結晶構造がκ型にして、平均層厚が1〜3μmの下位層で構成された上下2層構造のAl2O3層、
以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層を化学蒸着形成してなる被覆サーメット工具において、
上記Al2O3層の上位層を、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六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、所定領域を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(0001)面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、45〜90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、75.00〜88.75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、75〜90度の範囲内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50〜78%の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す改質α型Al2O3層、
で構成してなる、硬質被覆層が高速切削ですぐれた耐摩耗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)Ti化合物層(下部層)
Ti化合物層は、基本的には上部層であるα型Al2O3層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層が高温強度を具備するようにするほか、工具基体と蒸着α型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有するが、その平均層厚が3μm未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が20μmを越えると、特に高熱発生を伴なう高速切削では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、その平均層厚を3〜20μmと定めた。
(b−1)κ型Al2O3層(下位層)
κ型Al2O3層には、α型Al2O3層に比して、相対的に高温強度にすぐれるが、Al2O3層が本来具備する高温硬さおよび耐熱性に劣る性質があり、したがって、硬質被覆層の上部層の高温強度を、前記上部層が前記α型Al2O3層だけで構成される場合に比して向上させる作用があるが、その平均層厚が1μm未満では所望の高温強度向上効果を満足に確保することができず、一方、その平均層厚が3μmを越えると、高速切削加工では耐摩耗性に低下傾向が現れるようになることから、その平均層厚を1〜3μmと定めた。
(b−2)改質α型Al2O3層(上位層)
上記の通り、改質α型Al2O3層の傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置は、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を変化させることによって変化するが、試験結果によれば、前記反応雰囲気圧力を20〜30kpaとすると、最高ピークが、75.00〜88.75度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、75〜90度の範囲内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50〜78%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ものであり、したがって、前記反応雰囲気圧力が前記範囲から低い方に外れても、また高い方に外れても、測定傾斜角の最高ピーク位置はそれぞれ75〜90度の範囲から外れてしまい、このような場合には所望のすぐれた高温硬さの向上効果を確保することができないものである。
また、その平均層厚が3μm未満では、耐摩耗性向上効果を十分に確保することができず、一方、その平均層厚が15μmを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を3〜15μmと定めた。
まず、表3(表3中のl−TiCNは特開平6−8010号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつTiCN層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである)に示される条件にて、表4,5に示される目標層厚のTi化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
ついで、同じく表3に示される条件にて、表4,5に示される目標層厚でκ型Al2O3層を上部層の下位層として蒸着形成し、
つぎに、反応ガス組成:容量%で、AlCl3:2.2%、CO2:5%、HCl:2%、H2S:0.15%、H2:残り、
反応雰囲気温度:850℃、
反応雰囲気圧力:20〜30kPaの範囲内の所定の圧力、
の低温高圧条件で表4,5に示される目標層厚で、同じく上部層の上位層として改質α型Al2O3層を蒸着形成することにより本発明被覆サーメット工具1〜12をそれぞれ製造した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の各種のα型Al2O3層(上位層)について、表面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、それぞれの前記研磨面の測定範囲内に存在する六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、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である(0001)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、45〜90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。
また表4〜7には、上記の各種のα型Al2O3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、75〜90度の範囲内の傾斜角区分に存在する全傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体に占める割合を示した。
なお、図2は、本発明被覆サーメット工具3の改質α型Al2O3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9の従来α型Al2O3層の45〜90度の傾斜角区分を示す傾斜角度数分布グラフである。
被削材:JIS・SNCM439の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:350m/min.、
切り込み:1mm、
送り:0.2mm/rev.、
切削時間:4分、
の条件(切削条件Aという)での合金鋼の乾式断続高速切削試験(通常の切削速度は180m/min.)、
被削材:JIS・FC300の丸棒、
切削速度:400m/min.、
切り込み:1.5mm、
送り:0.3mm/rev.、
切削時間:8分、
の条件(切削条件Bという)での鋳鉄の乾式連続高速切削試験(通常の切削速度は300m/min.)、さらに、
被削材:JIS・S35Cの丸棒、
切削速度:330m/min.、
切り込み:1.5mm、
送り:0.3mm/rev.、
切削時間:5分、
の条件(切削条件Cという)での炭素鋼の乾式連続高速切削試験(通常の切削速度は250m/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8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)下部層が、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1層または2層以上からなり、かつ3〜20μmの全体平均層厚を有するTi化合物層、
(b)上部層が、化学蒸着した状態で、結晶構造がα型にして、平均層厚が3〜15μmの上位層と、結晶構造がκ型にして、平均層厚が1〜3μmの下位層で構成された上下2層構造の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化学蒸着形成してなる表面被覆サーメット製切削工具において、
上記酸化アルミニウム層の上位層を、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六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、所定領域を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(0001)面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、45〜90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、75.00〜88.75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、75〜90度の範囲内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50〜78%の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す改質α型酸化アルミニウム層、
で構成したことを特徴とする硬質被覆層が高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。
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