WO2013099752A1 - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
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- a Ti compound layer consisting of two or more of a carbon oxide (hereinafter referred to as TiCO) layer and a carbonitride oxide (hereinafter referred to as TiCNO) layer and having a total average layer thickness of 3 to 20 ⁇ m, (B) an aluminum oxide (hereinafter referred to as Al 2 O 3 ) layer having an average layer thickness of 1 to 15 ⁇ m, wherein the upper layer is formed by chemical vapor deposition;
- a coated tool formed by forming a hard coating layer composed of (a) and (b) above is known, and a coated tool coated with such a hard coating layer exhibits excellent wear resistance. Is also known.
- Patent Document 3 in a coated tool in which a TiCN layer and an Al 2 O 3 layer are formed on the tool base surface, the TiCN layer has a tensile stress S1, and the Al 2 O 3 layer is While having compressive stress S2, about this tensile stress S1 and this compressive stress S2, 400MPa ⁇
- a coated tool that satisfies both of the above relationships to achieve both toughness and wear resistance.
- JP 2009-28894 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-140647 Special Table 2006-64724
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Abstract
Description
(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、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)上部層が、化学蒸着形成された、1~15μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)層、
以上(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、このような硬質被覆層を被覆形成した被覆工具が、すぐれた耐摩耗性を示すことも知られている。
しかし、この被覆工具においては、被膜の耐摩耗性は高まるものの、耐チッピング性、耐欠損性が劣るという問題点があった。
さらに、特許文献3に示すように、工具基体表面に、TiCN層とAl2O3層を被覆形成した被覆工具において、TiCN層は引張応力S1を有し、また、Al2O3層は、圧縮応力S2を有するとともに、該引張応力S1と該圧縮応力S2について、
400MPa≦|S2-S1|≦3500MPa
の関係を満足させることにより、靭性と耐摩耗性の両立を図った被覆工具も知られている。
上記の従来被覆工具は、上部層のAl2O3層の配向係数TCを調整することにより、あるいは、上部層のAl2O3層と下部層のTiCN層の残留応力の関係を規定することにより、高速切削条件下での被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性の向上を図るものであるが、耐チッピング性と耐摩耗性という双方の特性を同時に改善することは難しく、被削材の種類、切削条件等によって、チッピングの発生、耐摩耗性の低下等により、比較的短時間で使用寿命に至るというのが現状である。
そこで、残留応力を除去し、耐チッピング性を高めるために、特許文献3に記載されるように、ブラシ処理、ブラスト処理(サンドブラスト処理、ウェットブラスト処理)、ショットピーニング処理等の各種の表面処理を行うことによってAl2O3層からなる上部層の残留応力除去を試みたところ、Al2O3層の(006)配向性が高い場合には、十分な残留応力緩和効果が得られないため、耐チッピング性の改善も十分とはいえなかった。
つまり、特許文献1に記載されるような(006)配向性が高い従来被覆工具においては、耐摩耗性にすぐれるものの耐チッピング性が十分でなく、そして、耐チッピング性の改善を目的として、硬質被覆層形成後、表面処理を行うことにより残留応力の緩和を図ったとしても、残留応力緩和の効果は少ないため、耐チッピング性は依然として満足できるものではなかった。
しかるに、本発明者らは、Al2O3層からなる上部層について、所定の割合で(006)配向性を有せしめ、所定の耐摩耗性を保持せしめた場合であっても、同時に、(104)配向と(110)配向とを所定の比率となるように調整することにより、硬質被覆層形成後の表面処理による残留応力緩和効果の向上を図ることができ、もって、耐チッピング性を改善し得ることから、このような被覆工具は、耐摩耗性と耐チッピング性の双方に優れた工具特性を備えることを見出したのである。
「炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、チタン化合物層からなる下部層と酸化アルミニウム層からなる上部層を硬質被覆層として蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記酸化アルミニウム層からなる上部層は、(006)面配向係数TC(006)が1.8以上であり、かつ、(104)面のピーク強度I(104)と(110)面のピーク強度I(110)の比I(104)/I(110)が0.5~2.0であり、さらに、酸化アルミニウム層内の残留応力値の絶対値が100MPa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。
下部層(Ti化合物層):
下部層のTi化合物層としては、チタンの炭化物(TiC)層、窒化物(TiN)層、炭窒化物(TiCN)層、炭酸化物(TiCO)層、炭窒酸化物(TiCNO)層の1層または2層以上からなるTi化合物層を用いることができるが、下部層は、それ自体が高温強度を有し、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、工具基体と上部層であるAl2O3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。
下部層は、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、チッピングを起し易くなることから、下部層の合計平均層厚は3~20μmとすることが望ましい。
Al2O3層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、例えば、靭性の高いダクタイル鋳鉄等の難削材の高速切削加工においては、被削材と切屑との擦れの発生により、切れ刃稜線近傍には大きなせん断応力が作用し、その結果、切れ刃稜線近傍には亀裂が発生しやすく、この亀裂が進展することによって、チッピングあるいは剥離が発生しやすい。
そこで、この発明では、ダクタイル鋳鉄等の難削材の高速切削加工における耐チッピング性と耐摩耗性の両特性を改善するという観点から、被覆工具の切れ刃稜線部を被覆する上部層は、TC(006)の高い高硬度のAl2O3層で構成するとともに、該Al2O3層内の残留応力の低減を図ることによって、硬質被覆層の耐チッピング性、耐剥離性を向上させた。
具体的には、まず、上部層を構成するAl2O3層について、TC(006)を高めると同時に、(104)面のピーク強度I(104)および(110)面のピーク強度I(110)について、I(104)/I(110)が0.5~2.0の範囲となる結晶組織構造を備えるAl2O3層を蒸着形成する。
次いで、該Al2O3層に対して、例えば、ウエットブラスト処理を施して層内残留応力を除去すると、Al2O3層のTC(006)が1.8以上と高い場合であっても、I(104)/I(110)が0.5~2.0であるために、Al2O3層の残留応力値は、絶対値で100MPa以下にまで低減される。
その結果、この発明のAl2O3層からなる上部層は、高硬度を有し耐摩耗性に優れると同時に、層内の残留応力値が小さいため、耐チッピング性、耐剥離性にも優れる。
であるとして定義される。ここで、(hkl)は(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)、(116)の8面である。
図1に、一例として、本発明被覆工具の上部層について測定した、X線回折チャートを示し、また、該チャートにて示される(hkl)面のピーク強度値I(hkl)を示す。
即ち、WC超硬合金からなり、切れ刃部にホーニング加工を施した工具基体に、通常の成膜条件で所定の層厚のTi化合物層からなる下部層を蒸着形成した後、
≪第1段階≫
まず、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成(容量%):AlCl3:0.5~2%、CO2:0.1~1.5%
HCl:0.3~3%、CO:0.1~1.5%、
CH4:0.5~2.0%、Ar:20~35%、
H2:残り
反応雰囲気温度:950~1100℃
反応雰囲気圧力:6~13kPa
の条件で、下部層の表面にAl2O3の核形成を行い、
≪第2段階≫
ついで、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成(容量%):AlCl3:1~5%、CO2:0.1~2%
HCl:0.3~3%、H2S:0.5~1%
Ar:20~35%、H2:残り
反応雰囲気温度:950~1100℃
反応雰囲気圧力:6~13kPa
の条件で、Al2O3の膜成長を行い、
≪第3段階≫
ついで、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成(容量%):AlCl3:0.5~2%、CO2:0.1~1.5%
HCl:4~7%、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
の条件で、Al2O3の膜成長を行い、目標層厚のAl2O3層を得る。
上記の3段階からなる成膜によって、本発明の結晶組織構造を備えたAl2O3層、即ち、TC(006)が1.8以上であり、かつ、(104)面のピーク強度I(104)と(110)面のピーク強度I(110)の比I(104)/I(110)が0.5~2.0であるAl2O3層からなる上部層を蒸着形成することができる。
具体的なウエットブラスト処理条件としては、例えば、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で、15~60質量%のAl2O3微粒を配合した研磨液を、0.05~0.30MPaのブラスト圧力で工具表面全域に噴射するものである。
本発明のAl2O3層は、TC(006)が1.8以上と高いにもかかわらず、I(104)/I(110)が0.5~2.0であるために、残留応力の緩和が効果的に行われ、残留応力値の絶対値が100MPa以下にまで低減され、その結果、耐チッピング性、耐剥離性に優れた硬質被覆層が形成される。
また、I(104)/I(110)の値については、この値が0.5未満、または、2.0を超えると、表面処理による残留応力緩和効果が得られなくなることからI(104)/I(110)の値は、0.5~2.0と定めた。
また、残留応力値の絶対値については、100MPaより大きいと耐チッピング性の向上が見られないという理由から100MPa以下と定めた。
なお、本発明の結晶組織構造を備えたAl2O3層は、その層厚が2μm未満では、所望の耐摩耗性を長期にわたって発揮することができず、一方、その層厚が15μmを超えると、チッピングが発生しやすくなることから、その層厚は2~15μmとすることが望ましい。
ついで、上記Ti化合物層の表面に、表4に示される3段階の条件でAl2O3層を蒸着形成し、
ついで、表5に示される条件で、切刃稜線部を含むすくい面、逃げ面、あるいは、すくい面及び逃げ面にウエットブラスト処理を施すことにより、
表6に示す本発明被覆工具1~10を製造した。
ついで、表7に示される条件で、Al2O3層を蒸着形成し、ついで、表5に示される条件で、ウエットブラスト処理を施すことにより、表8に示す比較被覆工具1~10を製造した。
表6、表8にこれらの値を示す。
表6、表8にこれらの値を示す。
被削材:ダクタイル鋳鉄の丸棒、
切削速度: 350m/min、
切り込み: 1.5mm、
送り: 0.3mm/rev、
切削時間: 10分、
の条件で乾式高速切削試験(通常の切削速度は、200m/min)を行い、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。
これに対して比較被覆工具1~10は、Al2O3層中の引張応力が十分に緩和されていないため、切刃部にチッピング、欠損等が発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、チタン化合物層からなる下部層と酸化アルミニウム層からなる上部層を硬質被覆層として蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記酸化アルミニウム層からなる上部層は、(006)面配向係数TC(006)が1.8以上であり、かつ、(104)面のピーク強度I(104)と(110)面のピーク強度I(110)の比I(104)/I(110)が0.5~2.0であり、さらに、酸化アルミニウム層内の残留応力値の絶対値が100MPa以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
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