JP2010274330A

JP2010274330A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP2010274330A
Application number: JP2009125986A
Authority: JP
Inventors: Fumio Tsushima; 文雄対馬; Hitoshi Kunugi; 斉功刀
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2010-12-09

Abstract

【課題】溶着が起こりやすい難削材の断続重切削において、硬質被覆層がすぐれた耐溶着性、耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体の表面に、硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、下部層はＴｉ化合物層で構成され、また、上部層は、一層平均層厚０．８〜１．５μｍの酸化アルミニウム層と一層平均層厚０．３〜０．５μｍのチタン含有酸化アルミニウム層との交互積層構造として構成され、さらに、上記チタン含有酸化アルミニウム層におけるチタン含有割合は、層厚方向に沿って組成が変化し、かつ、層厚方向の中間領域で、最大値２〜５原子％を示す。
【選択図】なし

Description

この発明は、硬質被覆層の上部層を、酸化アルミニウム層とチタン含有酸化アルミニウム層の交互積層構造として構成し、さらに、該チタン含有酸化アルミニウム層におけるＴｉ含有割合を層厚方向に組成変化させることにより、軟鋼やステンレス鋼等の溶着性の高い難削材の断続重切削加工において、被削材の溶着発生を防止するとともに、切刃部のチッピング（微小欠け）発生を防止することにより、長期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、一般に、炭化タングステン基（以下、ＷＣ基で示す）超硬合金または炭窒化チタン基（以下、ＴｉＣＮ基で示す）サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、硬質被覆層として、
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１層または２層以上の積層からなるＴｉ化合物層を下部層、また、
チタンを含有する酸化アルミニウム層を上部層、
として形成した被覆工具（特許文献１〜３）が知られている。

さらに、これらの被覆工具において、高速切削加工時における靭性向上を図るため、硬質被覆層の上部層を、例えば、Ｔｉ化合物層と、Ｔｉ酸化物を固溶する酸化アルミニウム層あるいはＴｉ酸化物がその中に共存する酸化アルミニウム層との積層構造として構成すること（特許文献４、５）、三酸化チタン主体層と酸化アルミニウム層との積層構造として構成すること（特許文献６）も知られている。

特公昭６１−１５１４９号公報特開２００２−２０５２０５号公報特開２００８−７３８４７号公報特公昭６２−６７４８号公報特公平５−４９７５０号公報特許第３４３０９３９号明細書

近年の切削加工の省エネ化および省力化に対する要求は強く、これに伴い、切削条件は一段と厳しいものとなってきており、硬質被覆層の上部層の靭性向上を図った上記従来被覆工具は、鋼や鋳鉄等の通常条件の切削加工では特段の問題は生じないが、これを、溶着性の高い難削材、例えば、軟鋼、ステンレス鋼等、の断続重切削に用いた場合には、切刃への切粉の溶着が発生するとともに、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷が繰り返し作用することから、靭性が不足し、切刃部にはチッピングが発生し、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、本発明者等は、上述のような観点から、溶着性の高い軟鋼、ステンレス鋼等の難削材の断続重切削においても、耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれ、工具寿命の延命化を図るべく、硬質被覆層の上部層に着目し、研究を行なった結果、次のような知見を得た。

まず、チタンを含有する酸化アルミニウム層（以下、Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層で示す）は、すぐれた靭性を有することから、酸化アルミニウム層（以下、Ａｌ₂Ｏ₃層で示す）とＴｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層とを交互に積層して硬質被覆層の上部層を構成し、このような上部層を有する被覆工具を難削材の断続重切削に適用したところ、Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層の存在によって、上部層の靭性は向上するものの、その半面、Ａｌ₂Ｏ₃層単層の場合に比して、上部層の高温硬さが低下し、さらに、Ａｌ₂Ｏ₃層とＴｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層との密着強度が十分でなく、層間剥離を生じやすくなるため、高熱による溶着発生、切刃に対する衝撃的・機械的負荷により、耐チッピング性の向上、耐摩耗性の向上を期待できないことがわかった。

そこで、本発明者等は更に研究を進めたところ、上記Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層を均一組成の層として構成するのではなく、層厚方向に沿って、Ｔｉ含有割合がなだらかに変化する不均一組成の層となるように構成し、さらに、各Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層の中間領域（例えば、Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層の層厚をｔ（但し、ｔは０．３〜０．５μｍ）とした場合に、ｔ／３の層厚に相当する中間領域）においてＴｉ含有割合が最大値を示すような組成とし、かつ、Ｔｉ含有割合の前記最大値が２〜５原子％となる不均一組成のＴｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層（以下、組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層という）を構成し、Ａｌ₂Ｏ₃層と組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層とを交互に積層して上部層を形成したところ、この上部層は、高温硬さの低下が生じないばかりか、組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層に含有されるＴｉが切削加工時にルチル型Ｔｉ酸化物（ＴｉＯ_２）を形成することによって潤滑性が高められ、さらに、Ａｌ₂Ｏ₃層と組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層との層間密着強度も向上することを見出した。

したがって、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物からなる下部層と、Ａｌ₂Ｏ₃層と組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層との交互積層からなる上部層を被覆した被覆工具は、溶着性の高い軟鋼、ステンレス鋼等の難削材の断続重切削においても、耐チッピング性、耐摩耗性が向上し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮し、工具寿命の延命化が図られることを見出したのである。

この発明は、上記知見にもと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、１〜１５μｍの層厚を有する下部層と、３〜１５μｍの層厚を有する上部層とで構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
上記下部層は、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種または２種以上からなるＴｉ化合物層で構成され、
また、上記上部層は、一層平均層厚０．８〜１．５μｍのＡｌ₂Ｏ₃層と一層平均層厚０．３〜０．５μｍのＴｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層との交互積層構造として構成され、
さらに、上記Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層中のＴｉ含有割合は、層厚方向の中間領域において、Ｔｉ含有割合が最大となるような組成変化を示し、かつ、該Ｔｉ含有割合の最大値は２〜５原子％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。

本発明の被覆工具の硬質被覆層について、以下に詳細に説明する。
（ａ）下部層を構成する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、例えば、通常の化学蒸着条件によって蒸着形成することができ、そして、Ｔｉ化合物層からなる下部層は、工具基体及び上部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とともに、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。
ただ、下部層全体の層厚が１μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その層厚が１５μｍを越えると、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷が繰り返し作用する断続重切削で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、下部層全体としての層厚を１〜１５μｍと定めた。

（ｂ）上部層の交互積層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層：
上部層の交互積層構造を構成するＡｌ₂Ｏ₃層は、既に良く知られているように、通常の化学蒸着法で蒸着形成することができる。
例えば、通常の化学蒸着装置により、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ_３：６〜１０％、ＣＯ_２：１０〜１５％、ＨＣｌ：３〜５％、Ｈ₂Ｓ：０．０５〜０．２％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：９００〜１０２０℃、
反応雰囲気圧力：３〜５ｋＰａ、
の条件で蒸着することによってα型Ａｌ₂Ｏ₃層を形成することができる。
上記α型Ａｌ₂Ｏ₃層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を備え、断続重切削加工において耐摩耗性を担保するための層として機能する。
ただ、交互積層構造を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の一層平均層厚が０．８μｍ未満であると、上部層に十分な高温硬さと耐熱性を付与することができず、一方、一層平均層厚が１．５μｍを超えると、粗大結晶粒の成長により靭性が低下しチッピングが発生しやすくなるので、Ａｌ₂Ｏ₃層の一層平均層厚は０．８〜１．５μｍと定めた。
Ａｌ₂Ｏ₃層としては、α型Ａｌ₂Ｏ₃層ばかりでなく、κ型やθ型のＡｌ₂Ｏ₃層であっても何ら支障はない。

（ｃ）上部層の交互積層を構成する組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層：
組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層は、蒸着初期に、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ_３：３〜７％、ＴｉＣｌ_４：０．３〜０．５％、ＣＯ_２：１０〜１５％、ＨＣｌ：３〜５％、Ｈ₂Ｓ：０．０５〜０．０８％、ＡｌＩ_３：０．５〜１．０％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：９００〜１０２０℃、
反応雰囲気圧力：３〜５ｋＰａ、
の条件で蒸着を開始し、
次いで、蒸着の進行に伴って、反応ガス中に占めるＴｉＣｌ_４ガス成分の含有割合を高めていき、ＴｉＣｌ_４：０．８〜１．０％を含有する反応ガスにより、Ｔｉ含有割合が最大となる中間領域を蒸着形成し、
次いで、蒸着後期には、ＴｉＣｌ_４ガス成分の含有割合を次第に減少させ、ＴｉＣｌ_４：０．３〜０．５％を含有する反応ガス中で蒸着を終了させ、組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層を形成することによって、組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層を蒸着形成することができる。
そして、前記（ｂ）による所定の一層平均層厚のＡｌ₂Ｏ₃層の形成と、前記（ｃ）による所定の一層平均層厚の組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層の形成を交互に行い、所定の層厚の交互積層構造からなる上部層を形成する。

組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層における層厚方向位置におけるＴｉ含有割合は、上記のとおり、蒸着時の反応ガス中のＴｉＣｌ_４の含有率によって影響されるが、組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層における中間領域（例えば、０．３μｍの層厚の組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層にあっては、その厚さの１／３、即ち、層厚方向中央部の０．１μｍの厚さの領域）のＴｉ含有割合は、Ａｌとの合量に占める割合（Ｔｉ×１００／（Ａｌ＋Ｔｉ））で２〜５原子％であることが必要である。組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層における中間領域における最大Ｔｉ含有割合が２原子％未満であると、Ｔｉ含有による上部層の靭性向上効果が少ないため耐チッピング性の向上効果が小さく、また、ルチル型Ｔｉ酸化物（ＴｉＯ_２）の形成も少ないため切削加工時の潤滑性向上効果も期待し難い。一方、組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層における中間領域における最大Ｔｉ含有割合が５原子％を超えると、交互積層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層との密着強度の低下、上部層の高温硬さの低下がみられ、さらに、Ａｌ₂Ｏ₃結晶粒界への粗大なＴｉ化合物の析出が生じ、粒界強度が低下してくることから、耐チッピング性、耐摩耗性の点から不利となる。したがって、Ａｌ₂Ｏ₃層における中間領域における最大Ｔｉ含有割合を２〜５原子％と定めた。
また、組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層に隣接するＡｌ₂Ｏ₃層の界面へは、組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層からのＴｉの拡散が生じるが、Ａｌ₂Ｏ₃層との界面近傍の組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層におけるＴｉ含有割合は少ない（蒸着初期、後期には、反応ガス中のＴｉＣｌ_４ガス成分の含有割合は少ない）ことから、交互積層における層間密着強度は非常に高く、層間剥離が生じることはない。

交互積層構造を構成する組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層の一層平均層厚が０．３μｍ未満であると、靭性向上、潤滑性向上作用が十分でなく、一方、一層平均層厚が０．５μｍを超えると、交互積層構造からなる上部層全体としての高温硬さの低下、層間密着強度の低下による、耐摩耗性および耐チッピング性が劣化するので、組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層の一層平均層厚は０．３〜０．５μｍと定めた。

（ｄ）交互積層構造からなる上部層
所定の一層平均層厚のＡｌ₂Ｏ₃層と、所定の一層平均層厚の組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層との交互積層構造として上部層は形成されるが、上部層全体としての層厚が３μｍ未満では、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、層厚が１５μｍを超えると、チッピング等が発生しやすくなることから、上部層全体としての層厚を３〜１５μｍと定めた。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層の下部層をＴｉ化合物層から構成し、また、その上部層を、Ａｌ₂Ｏ₃層と組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層との交互積層構造として構成していることにより、上部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性とともに、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、潤滑性を備え、したがって、これを、溶着性が高く、かつ、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷が繰り返し作用する軟鋼やステンレス鋼等の難削材の断続重切削加工に用いた場合にも、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮するものである。

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１〜３μｍ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、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・ＣＮＭＧ１２０４０８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・ＣＮＭＧ１２０４１２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。

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（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５に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した。

ついで、表３に示される条件で、表５に示される一層平均目標層厚でＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着するとともに、表４に示される条件で、表５に示される一層平均目標層厚で組成変化Ｔｉ含有Ａｌ_２Ｏ_３層を蒸着し、
さらに、上記Ａｌ_２Ｏ_３層と上記組成変化Ｔｉ含有Ａｌ_２Ｏ_３層との蒸着を交互に繰り返し行い、交互積層構造からなる上部層を、表５に示される目標層厚になるように蒸着形成し、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、工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆの表面に、表３に示される条件にて、表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した（本発明被覆工具１〜１３の下部層形成と同条件）後、本発明範囲から外れる条件でこれらの上部層を蒸着形成することにより、比較被覆工具１〜１３を製造した。

本発明被覆工具１〜１３の組成変化Ｔｉ含有Ａｌ_２Ｏ_３層について、Ｔｉの最大含有割合（原子％）を、層厚方向でのオージェライン分析により測定した。
その結果を、表６に示す。
また、上部層として組成変化Ｔｉ含有Ａｌ_２Ｏ_３層あるいは均一組成Ｔｉ含有Ａｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成した比較被覆工具について、同様に、Ｔｉの（最大）含有割合（原子％）を、層厚方向でのオージェライン分析により測定した。
その結果を表７に示す。

また、本発明被覆工具１〜１３および比較被覆工具１〜１３の硬質被覆層の構成層の厚さを、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、上記の各種の被覆工具を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、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３のそれぞれについて、次の切削条件Ａ、Ｂで断続重切削試験を行った。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：２０分、
の条件での軟鋼の湿式断続高切り込み切削試験（通常の切り込みは、１．５ｍｍ）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．７ｍｍ、
送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１８分、
の条件でのステンレス鋼の乾式断続高送り切削試験（通常の送りは、０．３ｍｍ／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６に示した。

表５〜７に示される結果から、本発明被覆超硬切削工具１〜１３は、硬質被覆層の上部層が、Ａｌ₂Ｏ₃層と組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層の交互積層構造として構成され、上部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性とともに、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、潤滑性を備え、したがって、これを、溶着性が高く、かつ、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷が繰り返し作用する軟鋼やステンレス鋼等の難削材の断続重切削加工に用いた場合にも、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
これに対して、硬質被覆層の上部層が本発明範囲外の組成変化Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層、均一組成Ｔｉ含有Ａｌ₂Ｏ₃層、Ａｌ₂Ｏ₃層のみ等で構成されている比較被覆工具１〜１３は、耐チッピング、耐摩耗性等が劣り、工具寿命が短いものであった。

上述のように、この発明の被覆工具は、すぐれた高温硬さ、耐熱性とともに、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、潤滑性を備えるので、通常の条件での鋼や鋳鉄の連続切削および断続切削は勿論のこと、きわめて苛酷な切削条件である難削材の断続重切削においても、チッピング等の異常損傷を発生することもなく、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであり、切削加工の省エネ化および省力化に十分満足に対応できるものである。

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、１〜１５μｍの層厚を有する下部層と、３〜１５μｍの層厚を有する上部層とで構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
上記下部層は、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種または２種以上からなるＴｉ化合物層で構成され、
また、上記上部層は、一層平均層厚０．８〜１．５μｍの酸化アルミニウム層と一層平均層厚０．３〜０．５μｍのチタン含有酸化アルミニウム層との交互積層構造として構成され、
さらに、上記チタン含有酸化アルミニウム層中のチタン含有割合は、層厚方向の中間領域において、チタン含有割合が最大となるような組成変化を示し、かつ、該チタン含有割合の最大値は２〜５原子％であることを特徴とする表面被覆切削工具。