JP5569739B2

JP5569739B2 - 耐チッピング性にすぐれた表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP5569739B2
Application number: JP2010243770A
Authority: JP
Inventors: 誠五十嵐; 興平冨田; 惠滋中村; 晃長田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP2012096302A

Description

本発明は、例えば、鋼や鋳鉄などの被削材を、高熱発生を伴う高速断続切削条件下で切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有するため、切刃にチッピング（微小欠け）の発生なく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

従来、炭化タングステン基超硬合金製基体（以下、超硬基体という）あるいはＴｉＣＮ基サーメット基体（以下、サーメット基体という。また、超硬基体とサーメット基体とを総称して、工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着形成された状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）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広く知られており（例えば、特許文献１）、この被覆工具は、鋼や鋳鉄などの切削加工において、すぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
また、被覆工具の耐欠損性、耐衝撃性、耐摩耗性等を向上させるため、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉＣＮ層の粒子幅を０．０１〜０．５μｍとした被覆工具も知られている（例えば、特許文献２）。

特公昭５０−１４２３７号公報特開２００７−２６０８５１号公報

近年の切削加工の省力化および省エネ化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工はますます高速化、高効率化の傾向にあり、その反面、工具寿命の延命化を図るという点から硬質被覆層の厚膜化も求められているが、下部層としてＴｉ化合物層、上部層としてＡｌ_２Ｏ_３層からなる硬質被覆層を形成した従来被覆工具を用いて鋼や鋳鉄の高速断続切削加工を行うと、硬質被覆層に微小チッピング、層間剥離等を生じ、これを原因として、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、被覆工具の耐チッピング性、耐剥離性を改善すべく、硬質被覆層の層構造について鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。

被覆工具の硬質被覆層のうち、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上から形成されるＴｉ化合物層からなる下部層は、それ自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与し、また、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる上部層は、耐酸化性と熱的安定性にすぐれ、さらに高硬度を有するが、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が作用する高速断続切削では、下部層−上部層間の密着強度が十分でないため、これが微小チッピング、層間剥離発生の要因となる。
そこで、下部層−上部層の界面密着強度を高めるため、両層の密着界面領域の改質について、数多くの実験を重ねた結果、下部層と上部層とが隣接する界面の結晶粒構造を改善することにより、下部層と上部層の界面密着強度が高められることを見出したのである。
具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．５μｍ以下にすると共に、下部層と上部層とが隣接する界面に存在する下部層側の結晶粒（Ｔｉ化合物）の数ａと上部層側の結晶粒（Ａｌ_２Ｏ_３）の数ｂとの比率ｂ／ａが、４≦ｂ／ａ≦２０を満足するように下部層および上部層を蒸着形成すると、下部層と上部層との界面に発生する歪みが緩和されることにより、下部層−上部層界面の層間密着性が高められる。
そして、その結果として、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が作用する高速断続切削加工においても、チッピング、剥離の発生なく、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を発揮することができることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「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、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層と１〜１５μｍの平均層厚を有する上部層からなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
下部層は、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層以上のＴｉ化合物層からなり、また、上部層は、酸化アルミニウム層からなり、上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａと上記酸化アルミニウム層側の結晶粒の数ｂとの比率ｂ／ａが４≦ｂ／ａ≦２０を満足し、さらに、上記酸化アルミニウム層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．５μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

以下に、本発明の被覆工具の硬質被覆層について、詳細に説明する。
（ａ）下部層（Ｔｉ化合物層）
Ｔｉの炭化物（ＴｉＣ）層、窒化物（ＴｉＮ）層、炭窒化物（ＴｉＣＮ）層、炭酸化物（ＴｉＣＯ）層および炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層は、硬質被覆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の高温強度向上に寄与するが、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、特に高熱発生を伴う高速断続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。
また、上部層（Ａｌ_２Ｏ_３層）直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．５μｍを超えると、上部層（Ａｌ_２Ｏ_３層）と上部層Ａｌ_２Ｏ_３層直下のＴｉ化合物層と層間密着性が低下し、耐チッピング性が劣化するため、上部層（Ａｌ_２Ｏ_３層）直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径は０．５μｍ以下と定めた。
ここで、平均粒子径とは、透過型電子顕微鏡の断面観察により超硬基体表面と平行な方向に５０μｍに渡って線を引き、Ａｌ_２Ｏ_３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の結晶粒界との交点を数え、それら線分長さの平均から粒径を求めた。

（ｂ）上部層（Ａｌ_２Ｏ_３層）
上部層を構成するＡｌ_２Ｏ_３層は、高温硬さおよび耐熱性にすぐれ、高熱発生を伴う高速断続切削加工において、基本的な役割として耐摩耗性を維持する。
Ｔｉ化合物層からなる下部層表面に、例えば、以下の手順でＡｌ₂Ｏ_３蒸着前処理を行い、ついで、通常条件でＡｌ₂Ｏ_３層を成膜することにより、本発明で規定する条件を満足するＡｌ₂Ｏ_３層を形成することができる。
Ａｌ₂Ｏ_３蒸着前処理は以下の４段階からなり、
まず、
《第１段階》
反応ガス（容量％）：ＡｌＣｌ_３０．５〜２％，残部Ａｒ、
雰囲気圧力：３０〜１００Ｔｏｒｒ、
処理温度：７５０〜１０００℃、
処理時間：１〜３ｍｉｎ．、
の条件で下部層の表面改質を行った後、
《第２段階》
雰囲気圧力：３０〜１００Ｔｏｒｒ、
雰囲気温度：７５０〜１０００℃、
に維持した状態で、１〜３分間、Ａｒガスで炉内ガスをパージし、
《第３段階》
反応ガス（容量％）：ＣＯ_２１〜１０％，残部Ａｒ、
雰囲気圧力：３０〜１００Ｔｏｒｒ、
処理温度：７５０〜１０００℃、
処理時間：５〜２０ｍｉｎ．、
の条件（但し、時間の経過とともに、反応ガス中のＣＯ_２の含有割合を徐々に減少させる）で酸化処理を行い、
《第４段階》
雰囲気圧力：３０〜１００Ｔｏｒｒ、
雰囲気温度：７５０〜１０００℃、
に維持した状態で、１〜３分間、Ａｒガスで炉内ガスをパージする。

上記４段階のＡｌ_２Ｏ_３蒸着前処理を行った後、通常の成膜法でＡｌ_２Ｏ_３層を成膜することにより、本発明で規定する条件を満足するＡｌ_２Ｏ_３層、即ち、工具基体表面に垂直方向な断面における下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ_２Ｏ_３層）とが隣接する界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａと上部層側のＡｌ_２Ｏ_３結晶粒の数ｂとの比率ｂ／ａを求めた場合に、ｂ／ａが４以上で２０以下となる界面形態を備えた上部層を蒸着形成することができる。
ここで、下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ_２Ｏ_３層）とが隣接する界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａと上部層側のＡｌ_２Ｏ_３結晶粒の数ｂの測定は、下部層−上部層との界面１０箇所について、透過型電子顕微鏡を用い、５００００倍の暗視野観察による断面測定を行い、超硬基体表面に平行な直線距離を測定幅２５μｍとし、その範囲に存在するＡｌ_２Ｏ_３粒子と界面を有しているＴｉ化合物粒子の数およびＴｉ化合物粒子と界面を有しているＡｌ_２Ｏ_３粒子の数のそれぞれをカウントすることにより、求めることができる。
上記ａ，ｂの比の値ｂ／ａについて、ｂ／ａが４未満である場合には、下部層−上部層界面におけるミスフィットを十分に緩和することができなくなり、一方、ｂ／ａが２０を超えると、Ａｌ_２Ｏ_３内の粒子間歪みが増大し、すぐれた層間密着性を発揮し得なくなるため、ｂ／ａは、４≦ｂ／ａ≦２０と定めた。
この様な界面形態を備えた上部層と下部層からなる本発明の硬質被覆層は、界面歪みが緩和されることによって、すぐれた層間密着性を有するようになり、高速断続切削加工における微小チッピングの発生、剥離の発生を抑制するようになる。
上部層の平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用に亘って耐摩耗性を十分に発揮することができず、工具寿命の短命化を招き、一方、上部層の平均層厚が１５μｍを超えるようになると、切刃部にチッピング、欠損、剥離等が発生し易くなることから、上部層の平均層厚は、１〜１５μｍと定めた。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層とＡｌ_２Ｏ_３層からなる上部層を蒸着形成したものにおいて、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａと上部層側のＡｌ_２Ｏ_３結晶粒の数ｂとの比率ｂ／ａが４≦ｂ／ａ≦２０を満足する界面構造を構成し、さらに、上部層（Ａｌ_２Ｏ_３層）直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．５μｍ以下としていることから、特に、下部層と上部層間の層間密着性が高められ、その結果、例えば鋼や鋳鉄などの、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有するため、切刃に微小チッピング、剥離等の発生なく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができる。

本発明被覆工具６の下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図とａ，ｂ，ｂ／ａの値を示す。従来被覆工具８の下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図とａ，ｂ，ｂ／ａの値を示す。

つぎに、本発明の被覆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２〜４μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ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・ＣＮＭＧ１６０４１２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〜Ｆ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、ＮｂＣ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・ＣＮＭＧ１６０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。

ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、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６に示される組み合わせおよび目標層厚で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、表４に示される条件にて、下部層の表面にＡｌ₂Ｏ_３蒸着前処理を施し、
ついで、表３に示される条件にて、表５に示される組み合わせおよび目標層厚で、Ａｌ₂ Ｏ₃ 層を上部層として蒸着形成する、
ことにより本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、下部層の表面にＡｌ₂Ｏ_３蒸着前処理を施さない以外は、本発明被覆工具１〜１３と全く同様にして、下部層（Ｔｉ化合物層）および上部層（Ａｌ₂ Ｏ₃ 層）を蒸着形成することにより、表６に示される従来被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。

次に、上記の本発明被覆工具１〜１３と従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の下部層と上部層との界面近傍１０箇所について、透過型電子顕微鏡（５００００倍）による暗視野観察による断面測定を行い、超硬基体表面に平行な直線距離を測定幅２５μｍとし、その範囲に存在するＡｌ₂Ｏ_３粒子と界面を有しているＴｉ化合物粒子の数ａおよびＴｉ化合物粒子と界面を有しているＡｌ₂Ｏ_３粒子の数ｂをカウントし、ｂ／ａの値を求めた。
表５に、上記で求めたａ，ｂ，ｂ／ａの値を示す。

図１には、本発明被覆工具６の下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図とａ，ｂ，ｂ／ａの値を示す。
図２には、従来被覆工具８の下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図とａ，ｂ，ｂ／ａの値を示す。

また、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の下部層のＴｉ化合物について、透過型電子顕微鏡の断面観察により超硬基体表面と平行な方向に５０μｍにわたって線を引き、上部層（Ａｌ₂ Ｏ₃ 層）直下のＴｉ化合物層の結晶粒の結晶粒界との交点を数え、それら線分長さの平均から平均粒子径を求めた。
表５に、測定した平均粒子径を示す。

さらに、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の各構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（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、上記の本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３について、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、
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４２０の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度：３７５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．４ｍｍ、
送り：０．２２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのニッケルクロムモリブデン鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ５００の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度：３６５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．４５ｍｍ、
送り：０．３１ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は１８０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度：３７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５５ｍｍ、
送り：０．４７ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件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．）
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、本発明被覆工具１〜１３は、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａと上部層側のＡｌ_２Ｏ_３結晶粒の数ｂとの比率ｂ／ａが４≦ｂ／ａ≦２０を満足する界面構造を構成し、さらに、上部層（Ａｌ_２Ｏ_３層）直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．５μｍ以下としていることから、特に、下部層と上部層間の層間密着性が高められ、その結果、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有するため、切刃に微小チッピング、剥離等の発生なく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
しかるに、硬質被覆層の下部層と上部層との間に本発明のような界面構造が形成されていない従来被覆工具１〜１３においては、高速断続切削条件下では、硬質被覆層の層間密着強度が不十分であるために、硬質被覆層に微小チッピング、欠損、剥離等が発生し、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、本発明の被覆工具は、特に高い発熱を伴い切刃に対して高負荷が作用する高速断続切削加工においてすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を示し、長期の使用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、さらに低コスト化が十分期待できるものである。

Claims

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、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層と１〜１５μｍの平均層厚を有する上部層からなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
下部層は、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層以上のＴｉ化合物層からなり、また、上部層は、酸化アルミニウム層からなり、上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａと上記酸化アルミニウム層側の結晶粒の数ｂとの比率ｂ／ａが４≦ｂ／ａ≦２０を満足し、さらに、上記酸化アルミニウム層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．５μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。