JP5099500B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
(a)下部層として、TiC、TiCNからなるTi化合物層、
(b)上部層として、Al2O3層と、TiCO、TiNO、TiCNOからなるTi化合物層の交互積層
上記(a)、(b)からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が知られている。
また、Al2O3層の耐衝撃性の改善を図るため、Al2O3層にかえて(Al,Zr)2O3層を蒸着形成することも知られており、この被覆工具が、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)上記従来被覆工具の硬質被覆層の上部層、すなわち、TiCNO層とAl2O3層との交互積層構造で構成される上部層において、その構成層であるAl2O3層を、Al2O3層に比して耐衝撃性にすぐれる(Al,Zr)2O3層で置き換ええて、TiCNO層と(Al,Zr)2O3層の交互積層構造からなる上部層を構成し、硬質被覆層として、このような上部層と、従来Ti化合物からなる下部層を蒸着形成した被覆工具を、難削材の高速高送り切削加工に用いたところ、(Al,Zr)2O3層が耐衝撃性にすぐれることから、ある程度チッピング発生を抑えることはできるものの、従来Ti化合物の高温強度、耐熱性が不十分であるために、十分に満足できる耐チッピング性を得ることはできない。
(b)ところで、上記従来被覆工具の硬質被覆層において、上記交互積層の構成層であるTiCNO(以下、従来TiCNOという)層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:2〜10%、CO:1〜5%、CH4:0.1〜5%、N2:5〜30%、H2:残り、
反応雰囲気温度:950〜1050℃、
反応雰囲気圧力:6〜25kPa、
の条件(通常条件という)で蒸着形成されるが、
この蒸着条件を変更し、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:2〜10%、CO:1〜5%、N2:50〜60%、H2:残り、
反応雰囲気温度:850〜900℃、
反応雰囲気圧力:10〜22kPa、
の条件、即ち、通常条件に比して、メタン無添加の高窒素ガス組成かつ低温の蒸着条件で目標層厚(0.5〜3μm)になるまで蒸着形成すると、このような条件で蒸着形成されたTiCNO(以下、「改質TiCNO」という)層は、高温強度及び耐熱性が一段と向上するために、切刃部に高負荷、高切削抵抗が作用したとしてもチッピングの発生を抑制することができ、また、切刃部が過熱されても耐熱塑性変形性にすぐれ、偏摩耗の発生も抑制されるので、改質TiCNO層を硬質被覆層の構成層とする被覆工具は、難削材の高速高送り切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮するとともに、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すようになる。
(c)そして、上記の改質TiCNO層について、
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、縦断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、前記縦断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、格子点にTi、炭素、窒素および酸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、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度を求めた場合に、前記(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度が2度以上の場合を粒界であるとして設定し、その上で電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記改質TiCNO層の縦断面研磨面を、例えば、層厚(μm)×幅30(μm)の範囲で測定し、粒界として識別される部分のうち前記(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度が15度以上の粒界の長さ(μm。以下、GBLという)を求め、さらに、このGBLと改質TiCNO層の層厚(μm。以下、Tで示す)の比(即ち、GBL/T)を求めると、前記改質TiCNO層は、表7に示される通り、GBL/Tが320〜600の範囲の大きな値を示し、この高いGBL/Tの値は、成膜時の反応ガス組成、反応雰囲気温度、反応雰囲気圧力の組み合わせによって変化すること(なお、前記通常条件で蒸着形成された従来TiCNO層は、表8に示される通り、GBL/Tは小さな値である。)。
(d)したがって、硬質被覆層の上部層が、Al2O3層と従来TiCNO層との交互積層構造で構成される従来被覆工具において、Al2O3層に代えて、耐衝撃性にすぐれる(Al,Zr)2O3層を蒸着形成し、また、従来TiCNO層に代えて、高温強度、耐熱性、耐熱塑性変形性にすぐれる改質TiCNO層を蒸着形成し、(Al,Zr)2O3層と改質TiCNO層との交互積層構造からなる硬質被覆層の上部層を形成したところ、このような硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具は、(Al,Zr)2O3層がすぐれた高温硬さ、耐熱性および耐衝撃性を備えると共に、改質TiCNO層がすぐれた耐熱性、耐熱塑性変形性と一段とすぐれた高温強度を備えることから、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に高負荷、高切削抵抗が作用する、軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の高速高送り切削条件で用いた場合にも、従来被覆工具に比して、硬質被覆層が一段とすぐれた耐チッピング性を示すとともに、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
「 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、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2〜15μmの合計平均層厚を有するTi化合物層、
(b)上部層が、0.5〜6μmの一層平均層厚を有するAl−Zr複合酸化物((Al,Zr)2O3)層と、0.5〜3μmの一層平均層厚を有する改質Ti炭窒酸化物(改質TiCNO)層の交互積層、
以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層をいずれも化学蒸着で形成してなる表面被覆切削工具において、
(c)上記上部層の交互積層を構成するAl−Zr複合酸化物((Al,Zr)2O3)層は、
組成式:(Al1−XZrX)2O3、
で表した場合、0.003≦X≦0.05(但し、Xは原子比)を満足するAl−Zr複合酸化物((Al,Zr)2O3)層であり、
(d)上記上部層の交互積層を構成する改質Ti炭窒酸化物(改質TiCNO)層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記層の縦断面研磨面の幅30μm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、前記縦断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、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度を求め、また、前記(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度が2度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、層の縦断面研磨面における測定領域について、粒界として識別される部分のうち前記(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度が15度以上の粒界の長さ(μm)を求め、この粒界の長さ(μm)と測定したTi炭窒酸化物層の層厚(μm)との比の値が320〜600を示すTi炭窒酸化物(改質TiCNO)層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具(被覆工具)。」
に特徴を有するものである。
(a)下部層(Ti化合物層)
少なくとも、TiC層、TiN層、TiCN層(l−TiCN層も含む)、TiCO層、TiCNO層のいずれかからなるTi系化合物層は、それぞれが所定の高温強度を有し、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、工具基体と交互積層構造からなる上部層の構成層である(Al,Zr)2O3層および改質TiCNO層のいずれにも強固に密着し、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2μm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15μmを越えると、特に、切刃部に対して大きな負荷がかかる難削材の高速高送り切削でチッピングを起し易くなることから、その合計平均層厚を2〜15μmと定めた。
(b)上部層の交互積層構造の構成層である(Al,Zr)2O3層
交互積層の構成層である上記(Al,Zr)2O3層は、例えば、次のようにして蒸着形成することができる。
(イ)まず、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成:容量%で、AlCl3:2.3〜4%、ZrCl4:0.02〜0.13%、CO2:1〜5%、HCl:1.5〜3%、H2S:0.05〜0.2%、H2:残り、
反応雰囲気温度:750〜900℃、
反応雰囲気圧力:6〜10kPa、
の条件で、下部層であるTi化合物層の表面に、あるいは、交互積層の構成層である改質TiCNO層(後記)の表面に、
組成式:(Al1−XZrX)2O3、(ただし、Xは、Alとの合量に占めるZrの含有割合を示し、原子比で、0.003≦X≦0.05。以下も同じ)を満足する(Al,Zr)2O3核を生成(この場合、(Al,Zr)2O3核は20〜200nm(0.02〜0.2μm)の平均層厚を有する(Al,Zr)2O3核薄膜であるのが望ましい)させ(「第1段蒸着」という)、
(ロ)引き続いて、加熱雰囲気を圧力:3〜13kPaの水素雰囲気に変え、かつ加熱雰囲気温度を1100〜1200℃に昇温した条件で前記(Al,Zr)2O3核薄膜に加熱処理を施した状態で、
反応ガス組成:容量%で、AlCl3:2.3〜4%、ZrCl4:0.02〜0.13%、CO2:3〜8%、HCl:1.5〜3%、H2S:0.05〜0.2%、H2:残り、
反応雰囲気温度:1020〜1050℃、
反応雰囲気圧力:6〜10kPa、
の条件で、同じく組成式:(Al1−XZrX)2O3、(ただし、原子比で、X:0.003〜0.05)を満足する(Al,Zr)2O3層を形成する(「第2段蒸着」という)ことにより、上部層の交互積層構造の構成層である(Al,Zr)2O3層を蒸着形成することができる。
そして、加熱処理を施した(Al,Zr)2O3核薄膜上に蒸着形成された前記(Al,Zr)2O3層は、組成式:(Al1−XZrX)2O3(ただし、原子比で、0.003≦X≦0.05)を満足した場合に、Al2O3層自体のもつすぐれた高温硬さと耐熱性に加えて、すぐれた高温強度を有するようになり、硬質被覆層の耐チッピング性改善に寄与するが、層中のZr含有割合(X値)が前記の範囲から外れた場合には、所望の高温強度向上効果が得られなくなる。
また、上部層の交互積層を形成する(Al,Zr)2O3層の一層平均層厚が0.5μm未満では、前記特性を十分に発揮することができず、一方、その一層平均層厚が6μmを越えると、チッピングを発生し易くなることから、その一層平均層厚を0.5〜6μmと定めた。
(c)上部層の交互積層構造の構成層である改質TiCNO層
交互積層の構成層である改質TiCNO層は、下部層であるTi化合物層の表面に、あるいは、交互積層の構成層である前記(Al,Zr)2O3層の表面に、
例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:2〜10%、CO:1〜5%、N2:50〜60%、H2:残り、
反応雰囲気温度:850〜900℃、
反応雰囲気圧力:10〜22kPa、
の条件で化学蒸着することにより形成することができる。
(d)交互積層構造からなる上部層の層厚
一層平均層厚が0.5〜6μmの上記(Al,Zr)2O3層と、一層平均層厚が0.5〜3μmの上記改質TiCNO層の交互積層からなる上部層は、(Al,Zr)2O3層と改質TiCNO層とを1単位層とした場合、耐チッピング性の向上を図るためには、少なくとも1単位層以上交互に積層形成することが必要であるが、積層数を増大し上部層を過度に厚くした場合には、耐チッピング性の低下傾向がみられるため、上部層の層厚(交互積層の合計層厚)は、1〜20μmとすることが望ましい。
つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
つぎに、これらの工具基体A〜Fおよび工具基体a〜f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、かつ、表6に示される組み合わせで、硬質被覆層の下部層としてTi化合物層を蒸着形成した。
ついで、(Al,Zr)2O3層を、表5に示される条件で、表7に示される組み合わせ、一層目標平均層厚で蒸着形成し、
さらに、改質TiCNO層と(Al,Zr)2O3層の交互蒸着を繰り返し行って、表7に示される合計目標平均層厚の交互積層からなる上部層を形成し、
上記下部層と上記上部層からなる硬質被覆層を有する本発明被覆工具1〜13を製造した。
また、比較の目的で、表3に示される条件、かつ、表6に示される組み合わせで、硬質被覆層の下部層としてTi化合物層を蒸着形成した後、表3、表5に示される条件で、従来TiCNO層と(Al,Zr)2O3層との交互積層からなる上部層を表8に示される組み合わせ、一層目標平均層厚で蒸着形成し、比較被覆工具1〜10を製造した。
被削材:JIS・SUS430の丸棒、
切削速度: 300 m/min、
切り込み: 2.0 mm、
送り: 0.45 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件A)でのステンレス鋼の乾式高速高送り連続切削試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、150m/min、0.2mm/rev)、
被削材:JIS・SS300の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 320 m/min、
切り込み: 2.5 mm、
送り: 0.5 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件B)での軟鋼の乾式高速高送り断続切削試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、200m/min、0.2mm/rev)、
被削材:JIS・SMn443Hの丸棒、
切削速度: 300 m/min、
切り込み: 2.5 mm、
送り: 0.5 mm/rev、
切削時間: 5 分、
の条件(切削条件C)での高マンガン鋼の乾式高速高送り連続切削試験(通常の切削速度および送りは、それぞれ、200m/min、0.25mm/rev)、
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9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、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2〜15μmの合計平均層厚を有するTi化合物層、
(b)上部層が、0.5〜6μmの一層平均層厚を有するAl−Zr複合酸化物層と、0.5〜3μmの一層平均層厚を有する改質Ti炭窒酸化物層の交互積層、
以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層をいずれも化学蒸着で形成してなる表面被覆切削工具において、
(c)上記上部層の交互積層を構成するAl−Zr複合酸化物層は、
組成式:(Al1−XZrX)2O3、
で表した場合、0.003≦X≦0.05(但し、Xは原子比)を満足するAl−Zr複合酸化物層であり、
(d)上記上部層の交互積層を構成する改質Ti炭窒酸化物層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記層の縦断面研磨面の幅30μm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、前記縦断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、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度を求め、また、前記(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度が2度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、層の縦断面研磨面における測定領域について、粒界として識別される部分のうち前記(001)面の法線同士、および(011)面の法線同士の交わる角度が15度以上の粒界の長さ(μm)を求め、この粒界の長さ(μm)と測定したTi炭窒酸化物層の層厚(μm)との比の値が320〜600を示すTi炭窒酸化物層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
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