JP5892335B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を備える表面被覆切削工具 - Google Patents
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(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、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層以上からなるTi化合物層、
(b)上部層が、化学蒸着形成された酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)層、前記(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工具が知られており、この被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることが知られている。
(a)工具基体表面に、通常の化学蒸着法を用いて所定の目標層厚のTi化合物層からなる下部層を形成し、
(b)前記(a)の成膜過程の後、反応ガス組成(容量%)を、AlCl3:2.0〜3.0%、CO2:4.0〜6.0%、HCl:1.5〜2.0%、H2S:0.1〜0.3%、H2:残、として、反応雰囲気圧力を、6〜8kPaとして、反応雰囲気温度を、1020℃として、所定時間、化学蒸着法を行うことによって、所定の平均層厚と結晶方位を有するα型の結晶構造の酸化アルミニウム層からなる中間層を形成する。
(c)前記(b)の成膜過程の後、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)(以下、TMAで示す):0.1〜0.5容量%、O2:10〜15容量%、Ar:残部からなる反応ガスを用いて、反応雰囲気圧力を、2.0〜4.0kPaとして、反応雰囲気温度を、800〜950℃として、所定時間、化学蒸着を行うことによって、板状成長酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相とが、所定割合で存在する所定の目標層厚の上部層が形成される。
「(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硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が下部層、中間層および上部層からなり、
(a)前記下部層は、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)前記中間層は、0.5〜5μmの平均層厚を有するα型結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
(c)前記上部層は、1〜25μmの平均層厚を有する板状成長酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相が存在する酸化アルミニウム層、
であり、
前記中間層を構成する酸化アルミニウム層について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、前記中間層を構成する酸化アルミニウム層の縦断面方向から解析した場合、基体表面の法線方向に対する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、法線方向に対して0〜90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して各区分内に存在する度数を集計したとき、75〜90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、前記75〜90度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の50%以上の割合を占め、
前記上部層を構成する酸化アルミニウム層は、板状成長酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相を含有し、前記上部層の表面において、板状成長酸化アルミニウム結晶相の占有割合は30〜80面積%であり、板状成長酸化アルミニウム結晶相の隙間を埋めるようにアモルファス酸化アルミニウム相が存在し、断面研磨面における板状成長酸化アルミニウム結晶相の面内方向の最大粒子幅の平均値が20〜1000nm、前記最大粒子幅と層厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比の平均値が5〜100であることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 前記上部層を構成する酸化アルミニウム層において、板状成長酸化アルミニウム結晶相はα型結晶構造を有し、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、前記上部層を構成する酸化アルミニウム層の縦断面方向から解析した場合、基体表面の法線方向に対する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、法線方向に対して0〜90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して各区分内に存在する度数を集計したとき、75〜90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、前記75〜90度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の40%以上の割合を占めることを特徴とする(1)に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
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化合物層からなる下部層は、通常の化学蒸着条件で形成することができ、それ自体が高温強度を有し、こ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α型結晶構造の酸化アルミニウムからなる中間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。特に合計平均層厚が3〜20μmのとき、その効果が際立って発揮される。その理由は、合計平均層厚が3μm未満では、層厚が薄いため前記作用を発揮させるには十分でなく、一方、その合計平均層厚が20μmを越えると、Ti化合物の結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。したがって、その合計平均層厚を3〜20μmと定めた。
中間層を構成するα型結晶構造の酸化アルミニウム層は、上部層を構成する酸化アルミニウム層の結晶粒の成長の起点となり、強固に密着するが、その平均層厚が0.5μm未満では、上記特性を十分に発揮することが出来ず、一方、その平均層厚が5μmを越えると酸化アルミニウム結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、高速断続切削加工時の耐チッピング性、耐欠損性が低下するようになることから、その平均層厚を0.5〜5μmと定めた。
さらに、中間層を構成するα型結晶構造の酸化アルミニウム層が下記の条件を満たす時、より一層、すぐれた効果が奏される。
すなわち、中間層を構成するα型結晶構造の酸化アルミニウム層について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、前記中間層を構成する酸化アルミニウム層の縦断面方向から解析した場合、基体表面の法線方向に対する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、測定傾斜角のうちの0〜90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して各区分内に存在する度数を集計したとき、75〜90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、前記75〜90度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の50%以上の割合を占める時、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性が一層向上する。
その理由は、中間層を構成する酸化アルミニウム層は、通常、下部層の上に層厚方向に柱状に成長するが、個々の結晶粒の結晶方位が前述のような方位をとるとき、下部層と上部層との密着強度を高めることが出来、それにより上部層の有する特性をより一層発揮し、硬質被覆層の靱性が向上し、耐チッピング性、耐欠損性が向上する。
上部層を構成する酸化アルミニウム層が、高温硬さと耐熱性を備えることは既に良く知られているが、その平均層厚が1μm未満では、長期の使用に亘っての耐摩耗性を確保することができず、一方、その平均層厚が25μmを越えると酸化アルミニウム結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、高速断続切削加工時の耐チッピング性、耐欠損性が低下するようになることから、その平均層厚を1〜25μmと定めた。
上部層を構成する酸化アルミニウム層は、板状成長酸化アルミニウム結晶相により構成されることにより、すぐれた耐摩耗性を発揮するが、板状成長酸化アルミニウム結晶相は、熱伝導性が高いため熱遮蔽効果が低下するという特性を有する。本発明においては、板状成長酸化アルミニウム結晶相の隙間を埋めるようにアモルファス酸化アルミニウム相を形成することにより、熱遮蔽効果の低下を抑制するとともに、アモルファス酸化アルミニウム相が有するすぐれた靱性と板状成長酸化アルミニウム結晶相が有する前記特性とが相乗的に作用し、切れ刃が高温に曝され、しかも、機械的・熱的衝撃を受ける高速断続切削加工においても、すぐれた高温強度、高温硬さを備え、同時に、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮するようになる。
ここで、上部層の表面において板状成長酸化アルミニウム結晶相の占有割合が30面積%未満であると、上部層に要求される耐摩耗性を十分に確保することができず、一方、80面積%を超えると、アモルファス酸化アルミニウム相の占有割合が少なくなるため、アモルファス酸化アルミニウム相が奏する靭性の向上の効果と前記板状成長酸化アルミニウム結晶相が耐摩耗性の向上の効果との相乗効果が十分に発揮されない。したがって、上部層の表面における板状成長酸化アルミニウム結晶相の占有割合は、30〜80面積%と定めた。
さらに、上部層を構成する酸化アルミニウム層の断面研磨面において、板状成長酸化アルミニウム結晶相の面内方向の最大粒子幅と層厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が5より小さいと、板状成長酸化アルミニウム結晶の特徴である高い耐摩耗性が低下する傾向があり、一方、100を超えると、かえって靭性が低下し、耐チッピング性、耐欠損性が低下する傾向がある。したがって、板状成長酸化アルミニウム結晶の最大粒子幅と層厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比の平均値は5〜100とすることがより好ましい。
また、断面研磨面において、板状成長酸化アルミニウム結晶相の面内方向の最大粒子幅が、20nm未満であると、高い耐摩耗性を維持することが出来ず、好ましくなく、一方、1000nmを超えると靭性が低下するため、好ましくない。したがって、板状成長酸化アルミニウム結晶相の断面研磨面の面内方向における最大粒子幅の平均値を、20〜1000nmとすることによって、本発明の切削工具は、よりすぐれた効果を発揮することができる。
さらに、上部層を構成する板状成長酸化アルミニウム結晶相がα型結晶構造を有するとともに下記の条件を満たす時、より一層、すぐれた効果が奏される。
すなわち、上部層を構成する板状成長酸化アルミニウム結晶相がα型結晶構造を有し、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、上部層を構成する酸化アルミニウム層の縦断面方向から解析した場合、基体表面の法線方向に対する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、測定傾斜角のうちの0〜90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して各区分内に存在する度数を集計したとき、75〜90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、前記75〜90度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の40%以上の割合を占める時、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性が一層向上する。
その理由は、上部層を構成する酸化アルミニウム層は、通常、中間層の上に層厚方向に柱状に成長するが、個々の結晶粒の結晶方位が前述のような方位をとるとき、中間層と上部層との密着強度を高めることが出来、それにより上部層の有する特性をより一層発揮し、硬質被覆層の靱性が向上し、耐チッピング性、耐欠損性が向上する。
一方、比較例被覆工具1〜10については、いずれも板状成長酸化アルミニウム結晶相およびアモルファス酸化アルミニウム相が存在していないことが確認され、従来の柱状組織を有するα型結晶構造の酸化アルミニウム結晶であることが確認された。また、参考例被覆工具11〜15については、板状成長酸化アルミニウム結晶相およびアモルファス酸化アルミニウム相は確認できるものの、所定の板状成長酸化アルミニウム結晶相の占有割合(面積%)を満たしていないか、または、板状成長酸化アルミニウム結晶相の形状異方性が小さすぎるか、または大きすぎるため、所定のアスペクト比を満たしていないことが確認された。その結果を表8および表9に示した。なお、本発明被覆工具の表面観察写真の模式図の一例を図4に、比較例被覆工具の表面観察写真の模式図の一例を図5に示した。また、本発明被覆工具1〜15および参考例被覆工具11〜15の上部層については、同じく走査型電子顕微鏡(倍率5000倍及び20000倍)を用いて、基体表面に垂直な方向の断面研磨面について、上部層の酸化アルミニウム層を構成する柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の粒子幅及び粒子長さを、工具基体と水平方向に長さ合計10μmの範囲に存在する柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶について測定し、測定範囲内に存在する個々の結晶粒について測定した最大粒子幅の平均値を算出することで最大粒子幅を求め、個々の結晶粒について測定した最大粒子幅と最大粒子長さの比として定義されるアスペクト比の平均値を算出することでアスペクト比を求めた。
Claims (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硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が下部層、中間層および上部層からなり、
(a)前記下部層は、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)前記中間層は、0.5〜5μmの平均層厚を有するα型結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
(c)前記上部層は、1〜25μmの平均層厚を有する板状成長酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相が存在する酸化アルミニウム層、
であり、
前記中間層を構成する酸化アルミニウム層について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、前記中間層を構成する酸化アルミニウム層の縦断面方向から解析した場合、基体表面の法線方向に対する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、法線方向に対して0〜90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して各区分内に存在する度数を集計したとき、75〜90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、前記75〜90度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の50%以上の割合を占め、
前記上部層を構成する酸化アルミニウム層は、板状成長酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相を含有し、前記上部層の表面において、板状成長酸化アルミニウム結晶相の占有割合は30〜80面積%であり、板状成長酸化アルミニウム結晶相の隙間を埋めるようにアモルファス酸化アルミニウム相が存在し、断面研磨面における板状成長酸化アルミニウム結晶相の面内方向の最大粒子幅の平均値が20〜1000nm、前記最大粒子幅と層厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比の平均値が5〜100であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記上部層を構成する酸化アルミニウム層において、板状成長酸化アルミニウム結晶相はα型結晶構造を有し、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、前記上部層を構成する酸化アルミニウム層の縦断面方向から解析した場合、基体表面の法線方向に対する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、法線方向に対して0〜90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して各区分内に存在する度数を集計したとき、75〜90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、前記75〜90度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の40%以上の割合を占めることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
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