JP6459073B2 - 表面被覆切削工具の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねて本発明に到達した。α−Al2O3の結晶粒の核生成時に多量のCOをパルス状に変動させながら導入することによって、α−Al2O3層中にκ−Al2O3の結晶粒を特定の比率で混在させた。これにより、優れた耐摩耗性とともに優れた耐チッピング性を発揮することを見出した。
[1]本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、α−Al2O3層を含み、該α−Al2O3層は、複数のα−Al2O3の結晶粒とともに複数のκ−Al2O3の結晶粒を含み、かつ配向性指数TC(hkl)においてTC(006)が5を超え、該被膜に対するX線回折の測定データから得られる該α−Al2O3の結晶粒のピークカウント数の合計(Cα)と、該測定データから得られる該κ−Al2O3の結晶粒のピークカウント数の合計(Cκ)との和に対する該Cκの比率[Cκ/(Cα+Cκ)×100](%)は、0.05〜7%である。このような構成によって表面被覆切削工具は、優れた耐摩耗性とともに優れた耐チッピング性を備えることができる。
以下、本発明の実施形態(以下「本実施形態」とも記す)についてさらに詳細に説明する。
本実施形態の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備える。被膜は、基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、基材の一部がこの被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても、本発明の範囲を逸脱するものではない。
基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえば、WC基超硬合金、WCのほか、Coを含み、あるいはTi、Ta、Nbなどの炭窒化物を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCNなどを主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化ホウ素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
被膜は、Al2O3層を含む。たとえば被膜は、α−Al2O3層を1層以上含み、さらに他の層を含んだ複数の層から構成することができる。
α−Al2O3層は、複数のα−Al2O3(結晶構造がα型である酸化アルミニウム)の結晶粒と複数のκ−Al2O3(結晶構造がκ型である酸化アルミニウム)の結晶粒とを含んでいる。すなわち、この層は、複数のα−Al2O3の結晶粒を含んだ多結晶のα−Al2O3と、複数のκ−Al2O3の結晶粒を含んだ多結晶のκ−Al2O3とを含んでいる。通常、α−Al2O3の結晶粒は、約0.1〜2μm程度の大きさの粒径であり、κ−Al2O3の結晶粒は、約0.01〜1μm程度の大きさの粒径である。
α−Al2O3層は、下記式(1)で示される配向性指数TC(hkl)においてTC(006)が5を超える。
管電圧: 45kV
管電流: 200mA
フィルター: 多層ミラー
光学系: 集中法
X線回折法: θ−2θ法。
本実施形態において、被膜に対するX線回折の測定データから得られるα−Al2O3の結晶粒のピークカウント数の合計(Cα)と、該測定データから得られるκ−Al2O3の結晶粒のピークカウント数の合計(Cκ)との和に対するCκの比率[Cκ/(Cα+Cκ)×100](%)は、0.05〜7%である。
本実施形態においてα−Al2O3層は、その表面部より内部方向へ向かって深さ1μm以内の領域を対象とした電子線後方散乱回折(EBSD:Electron BackScatter Diffraction)装置を用いた解析から得られる測定視野中のすべてのAl2O3の結晶粒に占めるκ−Al2O3の結晶粒の面積比率Xが、0.1〜20%であることが好ましい。またα−Al2O3層は、その表面部より内部方向へ向かって深さ1μmを超える領域を対象としたEBSD装置を用いた解析から得られる測定視野中のすべてのAl2O3の結晶粒に占める該κ−Al2O3の結晶粒の面積比率Yが、上記面積比率Xよりも小さいことがさらに好ましい。
加速電圧: 6kV
照射角度: 基材表面の法線方向から0°
照射時間: 6時間。
被膜は上述のとおり、α−Al2O3層以外に他の層を含むことができる。そのような他の層としてたとえば、TiCN層を挙げることができる。TiCN層は、たとえば、α−Al2O3層と基材との間に配置することができる。このTiCN層は耐摩耗性に優れるため、被膜により好適な耐摩耗性を付与することができる。TiCN層は、とりわけMT−CVD(medium temperature CVD)法により形成することが好ましい。MT−CVD法は約850〜900℃という比較的低温で成膜することができ、成膜時の加熱による基材のダメージを低減することができる。
被膜は、その表面にTi(チタン)の炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とする最表面層が配置されることが好ましい。最表面層は、被膜において最も表面側に配置される層である。ただし、刃先稜線部においては形成されない場合もある。最表面層は、たとえば、α−Al2O3層上に他の層が形成されていない場合、α−Al2O3層の直上に配置される。
被膜は、α−Al2O3層と基材との間に中間層を有することが好ましい。中間層は、針状のTiCNOまたは針状のTiBNを含んで構成される。たとえば、中間層はα−Al2O3層と、α−Al2O3層および基材の間に配置されるTiCN層との間に配置されることが好ましく、α−Al2O3層およびTiCN層の間であって、α−Al2O3層およびTiCN層にいずれも接して配置されることがさらに好ましい。被膜中におけるα−Al2O3層の密着性が高まるからである。中間層は、公知の方法により形成可能である。なお、ここでいう「針状」とは、TiCNOおよびTiBNの結晶粒の形状が「針状」であることをいう。
加速電圧: 6kV
照射角度: 法線から0−5°
照射時間: 300分。
本実施形態の表面被覆切削工具は、基材上に被膜を、化学気相蒸着(CVD)法により形成することによって好適に製造することができる。CVD法を用いると、成膜温度が800〜1200℃と物理蒸着法と比較して高く、基材との密着性が向上する。被膜のうち、α−Al2O3層以外の層を形成する場合、それらの層は従来公知の条件で成膜することができる。
<基材の調製>
JIS(Japanese Industrial Standard) B 4120(1998)に規定されるCNMG120408の形状を有する超硬合金母材(住友電気工業製)からなる基材を用意した。用意した基材は、試料A1〜A8と名付けた8グループに分類される。一つのグループごとに基材を3個準備した。これらの基材は、87.0wt%のWCと、8.0wt%のCoと、2.5wt%のTiCと、1.5wt%のNbC、1.0%のTaCとからなる組成を有する。
試料A1〜A8の基材を公知の方法でホーニングし、CVD装置内にセットし、その表面にそれぞれCVD法で被膜を形成した。被膜の形成条件に関し、α−Al2O3層を除く各層の形成条件を下記表1に示した。
実施例1では上述のとおり、それぞれ3個の試料A1〜A8を用意している。この3個のうち1個に対し、逃げ面(特に、刃先稜線部から3mmの逃げ面上の箇所)にX線を照射してα−Al2O3層のTC(006)を測定した。また、このX線照射から得られる被膜のXRDパターンに基づき、α−Al2O3の結晶粒のピークカウント数(Cα)およびκ−Al2O3の結晶粒のピークカウント数(Cκ)を算出し、これを上記(3)式に適用してκ−Al2O3の結晶粒の面積比率を導き出した。また他の1個に対して耐摩耗性を評価した。残りの1個に対して耐チッピング性を評価した。
被削材: SCM435(JIS)
切削速度: 270m/min
送り: 0.35mm/rev
切込み: 1.5mm
切削油: 乾式
切削時間: 15min
評価: 切削時間15min後の逃げ面摩耗幅Vb(mm)を測定。
被削材: SCM435(JIS)溝入材
切削速度: 270m/min
送り: 0.25mm/rev
切込み: 1.5mm
切削油: 湿式
評価: 欠損(チッピング)するまでの時間(分)を測定。
A:耐摩耗性および耐チッピング性が非常に優れている(Vb=0.145以下、および欠損するまでの時間5分以上)
B:耐摩耗性および耐チッピング性が優れている(Vb=0.155以下、および欠損するまでの時間4.5分以上)
C:耐摩耗性または耐チッピング性が不十分である(Vb=0.155超、または欠損するまでの時間4.5分未満)
D:耐摩耗性および耐チッピング性がさらに不十分である(Vb=0.155超、および欠損するまでの時間4.5分未満)。
表4から理解されるように、試料A1〜A3である実施例において、Vb(mm)が0.155以下である性能、かつ欠損までの時間が4.5分以上である性能を示し、優れた耐摩耗性および耐チッピング性を備えると評価することができた。試料A1〜A3はいずれも、α−Al2O3層のTC(006)が5を超え、XRDパターンに基づくκ−Al2O3の結晶粒の面積比率が0.7〜4.8%だった。
表4から明らかなように、実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具に比べて耐摩耗性および耐チッピング性が優れ、長寿命化を果たすことができるといえる。
<基材の調製>
実施例1と同様のCNMG120408の形状を有する超硬合金母材(住友電気工業製)からなる基材を用意した。用意した基材は、試料B1〜B3と名付けた3グループに分類される。一つのグループごとに基材を3個準備した。この基材は、94.0wt%のWCと、5.5wt%のCoと、0.5wt%のCr3C2とから構成されている。なお、後述のとおり、試料B1は実施例となり、試料B2〜B3は比較例となる。
実施例1と同様な条件で、試料B1〜B3の基材をホーニングし、かつCVD装置内にセットしてCVD法で被膜を形成した。
実施例2では上述のとおり、それぞれ3個の試料B1〜B3を用意している。この3個に対して実施例1と同様に、α−Al2O3層のTC(006)測定およびXRDパターンに基づくκ−Al2O3の結晶粒の面積比率の算出、耐摩耗性評価、耐チッピング性評価を行なった。
被削材: FCD700(JIS)
切削速度: 150m/min
送り: 0.3mm/rev
切込み: 1.5mm
切削油: 湿式
切削時間: 10min
評価: 切削時間10min後の逃げ面摩耗幅Vb(mm)を測定。
被削材: FCD450(JIS)溝入材
切削速度: 200m/min
送り: 0.2mm/rev
切込み: 1.5mm
切削油: 湿式
評価: 欠損(チッピング)するまでの時間(分)を測定。
A:耐摩耗性および耐チッピング性が非常に優れている(Vb=0.145以下、および欠損するまでの時間5分以上)
B:耐摩耗性および耐チッピング性が優れている(Vb=0.155以下、および欠損するまでの時間4.5分以上)
C:耐摩耗性または耐チッピング性が不十分である(Vb=0.155超、または欠損するまでの時間4.5分未満)
D:耐摩耗性および耐チッピング性がさらに不十分である(Vb=0.155超、および欠損するまでの時間4.5分未満)。
表7から理解されるように、試料B1である実施例において、Vb(mm)が0.145である性能、かつ欠損するまでの時間が5.4分である性能を示し、優れた耐摩耗性および耐チッピング性を備えると評価することができた。試料B1はα−Al2O3層のTC(006)が5を超え、XRDパターンに基づくκ−Al2O3の結晶粒の面積比率が1.8%だった。これに対し、試料B2〜B3である比較例において、Vb(mm)が0.155以下である性能、または欠損するまでの時間が4.5分以上である性能を示さず、耐摩耗性または耐チッピング性が不十分であると評価された。試料B2〜B3はいずれも、α−Al2O3層のTC(006)が5を超えていた。しかしながら、XRDパターンに基づくκ−Al2O3の結晶粒の面積比率が0.03%あるいは7.2%だった。
表7から明らかなように、実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具に比べて耐摩耗性および耐チッピング性が優れ、長寿命化を果たすことができるといえる。
<基材の調製>
実施例1と同様のCNMG120408の形状を有する超硬合金母材(住友電気工業製)からなる基材を用意した。用意した基材は、試料C1〜C6と名付けた6グループに分類される。一つのグループごとに基材を4個準備した。この基材は、89.0wt%のWCと、6.0wt%のCoと、2.5wt%のTiCと、1.5wt%のNbCと、1.0wt%のZrCとからなる組成を有する。後述のとおり、試料C1〜C4は実施例となり、試料C5〜C6は比較例となる。
実施例1と同じ条件で、試料C1〜C6の基材をホーニングし、かつCVD装置内にセットしてCVD法で被膜を形成した。
実施例3では上述のとおり、それぞれ4個の試料C1〜C6を用意している。この4個のうち3個を用いて、それぞれ実施例1と同様にα−Al2O3層のTC(006)測定およびXRDパターンに基づくκ−Al2O3の結晶粒の面積比率の算出と、耐摩耗性評価と、耐チッピング性評価とを行なった。
<耐摩耗性試験>
被削材: SCM435(JIS)
切削速度: 320m/min
送り: 0.25mm/rev
切込み: 1.5mm
切削油: 乾式
切削時間: 15min
評価: 切削時間15min後の逃げ面摩耗幅Vb(mm)を測定。
被削材: SCM435(JIS)溝入材
切削速度: 250m/min
送り: 0.2mm/rev
切込み: 1.5mm
切削油: 湿式
評価: 欠損(チッピング)するまでの時間(分)を測定。
加速電圧: 6kV
照射角度: 基材表面の法線方向から0°
照射時間: 6時間。
A:耐摩耗性および耐チッピング性が非常に優れている(Vb=0.165以下、および欠損するまでの時間5分以上)
B:耐摩耗性および耐チッピング性が優れている(Vb=0.165超0.200以下、および欠損するまでの時間3分以上5未満)
C:耐摩耗性または耐チッピング性が不十分である(Vb=0.200超、または欠損するまでの時間3分未満)。
表10から理解されるように、試料C1〜C4である実施例において、Vb(mm)が0.200以下である性能、かつ欠損までの時間が3分以上である性能を示し、優れた耐摩耗性および耐チッピング性を備えると評価することができた。試料C1〜C4はいずれも、α−Al2O3層のTC(006)が5を超え、XRDパターンに基づくκ−Al2O3の結晶粒の面積比率が0.06〜3.5%だった。
表10から明らかなように、実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具に比べて耐摩耗性および耐チッピング性が優れ、長寿命化を果たすことができるといえる。
Claims (6)
- 基材と該基材上に形成された被膜とを備え、
前記被膜は、α−Al2O3層を含み、
前記α−Al2O3層は、複数のα−Al2O3の結晶粒とともに複数のκ−Al2O3の結晶粒を含み、かつ配向性指数TC(hkl)においてTC(006)が5を超え、
前記被膜に対するX線回折の測定データから得られる前記α−Al2O3の結晶粒のピークカウント数の合計(Cα)と、前記測定データから得られる前記κ−Al2O3の結晶粒のピークカウント数の合計(Cκ)との和に対する前記Cκの比率[Cκ/(Cα+Cκ)×100](%)は、0.05〜7%であり、
前記α−Al 2 O 3 層は、その表面部より内部方向へ向かって深さ1μm以内の領域を対象とした電子線後方散乱回折装置を用いた解析から得られる測定視野中のすべてのAl 2 O 3 の結晶粒に占める前記κ−Al 2 O 3 の結晶粒の面積比率Xが、0.1〜20%であり、
前記α−Al 2 O 3 層は、その表面部より内部方向へ向かって深さ1μmを超える領域を対象とした前記電子線後方散乱回折装置を用いた解析から得られる測定視野中のすべてのAl 2 O 3 の結晶粒に占める前記κ−Al 2 O 3 の結晶粒の面積比率Yが、前記面積比率Xよりも小さい、表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記被膜をCVD法により形成する工程を含む、表面被覆切削工具の製造方法。 - 前記被膜をCVD法により形成する工程は、
α−Al 2 O 3 の結晶粒の核生成を行なう工程と、
前記α−Al 2 O 3 層を形成する工程と、を含み、
前記α−Al 2 O 3 の結晶粒の核生成を行なう工程および前記α−Al 2 O 3 層を形成する工程において導入する原料ガスに含まれるCOの配合量を、1〜5体積%とする、請求項1に記載の表面被覆切削工具の製造方法。 - 前記α−Al 2 O 3 の結晶粒の核生成を行なう工程は、前記原料ガスに含まれるCOの配合量を、瞬間的に130〜160%まで増加させる操作を含む、請求項2に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
- 前記原料ガスは、CO以外にAlCl 3 、HCl、CO 2 、O 2 およびH 2 を含み、
前記AlCl 3 は1.3〜2.5体積%含まれ、前記HClは2.8〜6体積%含まれ、前記CO 2 は0.4〜3体積%含まれ、前記O 2 は0.002〜0.008体積%含まれ、残部がH 2 である、請求項2または請求項3に記載の表面被覆切削工具の製造方法。 - 前記α−Al 2 O 3 層を形成する工程は、前記α−Al 2 O 3 層を所望とする膜厚の50〜90%まで成膜した時点で、前記原料ガスに含まれるCO 2 の配合を中断し、その後、CO 2 の配合量を元に戻して前記原料ガスの導入を再開する操作を含む、請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
- 前記α−Al 2 O 3 の結晶粒の核生成を行なう工程および前記α−Al 2 O 3 層を形成する工程は、炉内温度を970〜1020℃とし、炉内圧力を70〜110hPaとした条件により行なわれる、請求項2〜請求項5のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
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