JP2009125902A - 重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高切込み・高送りの重切削加工で、硬質被覆層がすぐれた層間付着強度および耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体表面に、硬質被覆層として、少なくとも、Ｔｉ化合物層と酸化アルミニウム層を化学蒸着で形成してなる表面被覆切削工具において、工具基体とＴｉ化合物層の間に、組成式：Ｗ（Ｃ_１−ＸＮ_Ｘ）を満足するＷの炭窒化物（Ｘは原子比で、０．００５≦Ｘ≦０．１）を主体とする下地層を介在形成し、また、下地層についてオージェ電子分光分析した場合、Ｔｉ化合物層と下地層の界面近傍に、Ｃｏ濃度の最高点が存在する。
【選択図】なし

Description

この発明は、工具基体表面に、少なくとも、Ｔｉ化合物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具基体表面とＴｉ化合物層の間に、タングステンの炭窒化物を主体とする下地層を介在形成したことにより、切刃部に高負荷が作用する各種鋼や鋳鉄等の重切削加工においても、硬質被覆層がすぐれた層間密着性を有し、その結果、チッピング、剥離、欠損等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、少なくとも、Ｔｉ化合物層と酸化アルミニウム層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具基体表面とＴｉ化合物層の間に、タングステンの炭化物（以下、ＷＣで示す）層を蒸着形成した被覆工具が知られている。

例えば、ＷＣ基超硬合金基体表面に、Ｔｉ化合物層（ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層）と酸化アルミニウム層（以下、Ａｌ₂Ｏ₃層で示す）からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具において、工具基体表面とＴｉ化合物層の間に、ＷＣ層を下地層として介在形成した被覆工具が知られており、そして、この被覆工具は、靭性の低下が防止され、すぐれた皮膜密着性と耐摩耗性を備えることが知られている。
また、例えば、ＷＣ基超硬合金あるいはＴｉＣＮ基サーメット基体表面に、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層等のＴｉ化合物層とＡｌ₂Ｏ₃層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具において、工具基体表面とＴｉ化合物層の間に、縦方向羽毛状成長組織を有するＷＣ層を下地層として介在形成した被覆工具が知られており、そして、この被覆工具は、すぐれた高温強度、耐機械的衝撃性を有することから、すぐれた耐チッピング性を発揮することが知られている。
特開平６−１７３００９号公報 特開平２００６−２３１４２２号公報 特開平２００６−２３１４２３号公報

近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と過酷な条件下で行われる傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを各種鋼、鋳鉄等の通常条件の切削加工に用いた場合には問題はないが、特にこれを、切刃部に高負荷が作用する高切込み・高送りの重切削加工に用いた場合には、前記硬質被覆層の層間付着強度が十分でなく、また、Ｔｉ化合物層自身の高温強度も十分でないため、チッピング、層間剥離、欠損、偏摩耗等が発生しやすく、これらが原因で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、少なくとも、Ｔｉ化合物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、硬質被覆層の層間付着強度の改善およびＴｉ化合物層自身の高温強度の改善を目的として、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
（ａ）上記の従来被覆工具は、ＷＣ基超硬合金あるいはＴｉＣＮ基サーメット基体表面上に、通常の化学蒸着装置にて、例えば、
反応ガス組成：容量％で、ＷＦ_６ ０．５〜５％，Ｃ_６Ｈ_６ ０．５〜１０％，Ｈ_２ １０〜３５％、Ａｒ：残り、
反応雰囲気温度：５００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：５〜３０ｋＰａ、
の条件でＷＣ層からなる下地層を化学蒸着し、
あるいは、
ＷＣ基超硬合金あるいはＴｉＣＮ基サーメット基体表面上に、
反応ガス組成：容量％で、ＷＦ_６ ０．０４〜０．４％，ＣＨ_３ＣＮ ０．０４〜０．４％，Ｈ_２ ４０〜８０％、Ａｒ：残り、
反応雰囲気温度：９２０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：５〜３０ｋＰａ、
の条件でＷＣ層（以下、従来ＷＣ層という）からなる下地層を化学蒸着し、
その後、下地層表面に、通常条件でＴｉ化合物層、Ａｌ₂Ｏ₃層を化学蒸着することにより、従来ＷＣ層からなる下地層と、Ｔｉ化合物層、Ａｌ₂Ｏ₃層からなる硬質被覆層を有する被覆工具が形成されること。

（ｂ）しかし、上記従来ＷＣ層の形成条件を変更し、ＷＣ基超硬合金あるいはＴｉＣＮ基サーメット基体表面上に、通常の化学蒸着装置にて、例えば、
反応ガス組成：容量％で、ＷＦ_６：０．５〜３％、ＣＨ_３ＣＮ：０．５〜５％、
Ｎ_２：２〜１０％、Ｈ₂：４０〜５０％、Ａｒ：残り、
反応雰囲気温度：９８０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：５〜２０ｋＰａ、
の条件、即ち、上記従来の下地層（ＷＣ層）形成条件と比べると、反応ガス成分として、ＣＨ_３ＣＮの割合を高くし、Ｎ_２ガスを添加含有させた条件、で下地層を蒸着形成し、その後、通常条件でＴｉ化合物層、Ａｌ₂Ｏ₃層を蒸着形成すると、工具基体表面とＴｉ化合物層の間には、
組成式：Ｗ（Ｃ_１−ＸＮ_Ｘ）
で表した場合、０．００５≦Ｘ≦０．１（ただし、Ｘは原子比）を満足する組成を有するＷの炭窒化物（以下、改質ＷＣＮという）を主体とする下地層（以下、改質ＷＣＮ層という）が形成され、そして、この改質ＷＣＮ層は、工具基体との密着強度にすぐれること。

（ｃ）さらに、上記改質ＷＣＮ層について、オージェ電子分光分析によりその成分及び濃度を測定したところ、Ｔｉ化合物層と改質ＷＣＮ層との界面近傍にはＣｏ成分濃度の最高点が形成され、そして、改質ＷＣＮ層中にこのようなＣｏ成分の高濃度最高点が存在することによって、改質ＷＣＮ層上に蒸着形成されるＴｉ化合物層の核形成密度が高くなり、微細なＴｉ化合物層が形成されるため、改質ＷＣＮ層上に形成されて成長するＴｉ化合物層の結晶粒の微細化が図られ、Ｔｉ化合物層はすぐれた高温強度を備えたものとなり、さらに、改質ＷＣＮ層はＴｉ化合物層とすぐれた密着強度を有するようになること。

（ｄ）したがって、Ｔｉ化合物層とＡｌ₂Ｏ₃層を備えた表面被覆切削工具において、工具基体とＴｉ化合物層との間に下地層として上記改質ＷＣＮ層を介在形成すると、切刃部に高負荷が作用する重切削加工に用いた場合にも、改質ＷＣＮ層がすぐれた層間付着強度を有し、かつ、Ｔｉ化合物層がすぐれた高温強度を備え、また、Ａｌ₂Ｏ₃層がすぐれた高温硬さと耐熱性を備えることから、硬質被覆層にチッピング、剥離、欠損、偏摩耗等が生じることはなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。

この発明は、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、硬質被覆層として、少なくとも、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から選ばれた１層または２層以上からなるＴｉ化合物層と酸化アルミニウム層を化学蒸着で形成してなる表面被覆切削工具において、
工具基体とＴｉ化合物層の間に、０．０５〜２μｍの平均層厚を有するＷの炭窒化物を主体とする下地層を化学蒸着で介在形成し、
上記下地層は、Ｗの炭窒化物を、
組成式：Ｗ（Ｃ_１−ＸＮ_Ｘ）
で表した場合、０．００５≦Ｘ≦０．１（ただし、Ｘは原子比）を満足する組成を有し、また、上記下地層をオージェ電子分光分析した場合、Ｔｉ化合物層と下地層の界面近傍に、Ｃｏ濃度の最高点が存在す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、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、詳細に説明する。
（ａ）下地層
下地層（改質ＷＣＮ層）の主体を構成する改質ＷＣＮは、既に述べたとおり、
組成式：Ｗ（Ｃ_１−ＸＮ_Ｘ）
で表した場合、０．００５≦Ｘ≦０．１（ただし、Ｘは原子比）を満足する組成を有するが、Ｃとの合量に占めるＮの含有割合Ｘ（原子比）については、Ｘの値が０．００５未満では、Ｔｉ化合物層と改質ＷＣＮ層の界面近傍にＣｏ成分濃度の最高点を形成することができないため、改質ＷＣＮ層上に成長するＴｉ化合物層の結晶粒微細化を図ることができず、一方、Ｘの値が０．１を超えると改質ＷＣＮ層自体の靭性が低下し、さらに、Ｔｉ化合物層あるいは工具基体との熱膨張差が拡大し、密着強度低下するため、Ｎの含有割合Ｘの値（原子比）を０．００５〜０．１と定めた。
また、改質ＷＣＮ層について、オージェ電子分光分析によりその成分及び濃度を測定したところ、Ｔｉ化合物層と改質ＷＣＮ層の界面近傍には、Ｃｏ成分濃度の最高点が存在することが確認された。
従来被覆工具における下地層である従来ＷＣ層においては、基体表面と従来ＷＣ層の界面近傍にＣｏ濃度の最高点が形成されていたが、本発明では、下地層の成分として微量の窒素成分を含有させることにより、Ｃｏ濃度の最高点形成位置を、改質ＷＣＮ層とＴｉ化合物層との界面近傍に形成することができた。微量のＮを含有する改質ＷＣＮ層を蒸着形成することによって、Ｃｏ濃度の最高点形成位置が変化する機構は明らかではないが、少なくとも、これによって改質ＷＣＮ層上でのＴｉ化合物層の核形成密度が高くなり、その結果、Ｔｉ化合物層の結晶粒の微細化が促進され、すぐれた高温強度を備えたＴｉ化合物層が形成されるという好ましい結果が得られている。
さらに、改質ＷＣＮ層は、工具基体およびＴｉ化合物層のいずれとも強固な密着強度を有しており、層間付着強度を向上させることができる。
改質ＷＣＮ層の層厚について、その平均層厚が０．０５μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方前記作用は２μmまでの平均層厚で十分であることから、その平均層厚を０．０５〜２μｍと定めた。

（ｂ）Ｔｉ化合物層、Ａｌ_２Ｏ_３層
Ｔｉ化合物層としては、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ（粒状結晶、縦長成長結晶）層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層のいずれかの単層、あるいは、これらの２層以上からなる複層を用いることができ、また、Ｔｉ化合物層の上には、Ａｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成する。なお、Ｔｉ化合物層の上には、Ａｌ_２Ｏ_３層ばかりでなく他の硬質膜を蒸着形成することも勿論可能である。
具体的な硬質被覆層の層構造としては、例えば、
（イ）改質ＷＣＮ層上に、粒状ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮのいずれか１層又は２層以上−縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層−ＴｉＣＯ，ＴｉＣＮＯのいずれか１層又は２層−Ａｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成する、
（ロ）改質ＷＣＮ層上に、ＴｉＣ層とＴｉＮ層の交互積層を蒸着形成し、その上にＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成する、
（ハ）改質ＷＣＮ層上に、縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層−ＴｉＣＯ，ＴｉＣＮＯのいずれか１層又は２層−Ａｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成する、
等を挙げることができる。
改質ＷＣＮ層上に蒸着形成された上記の各層は、基本的に、被覆工具として必要とされる硬さと強度を担保するが、改質ＷＣＮ層が工具基体との間に介在形成されることによって、硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層の結晶粒が微細化されるため、より一段とすぐれた高温強度を有するようになり、その結果、切刃部に高負荷が作用する高切込み・高送りの重切削という厳しい切削条件であっても、硬質被覆層のチッピング、剥離、欠損、偏摩耗等を生じることなく、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
なお、改質ＷＣＮ層の上に蒸着形成されるＴｉ化合物層の層厚、Ａｌ_２Ｏ_３層の層厚（あるいは別の硬質膜との合計層厚）等は、所要の耐摩耗性を保持し、かつ、チッピング、偏摩耗を発生させないという観点から層種別に応じて定めればよく、特に限定されるものではない。

この発明の被覆工具は、工具基体とＴｉ化合物層との間に、下地層として改質ＷＣＮ層を介在形成しているので、工具基体−改質ＷＣＮ層−Ｔｉ化合物層での層間付着強度が一段と向上し、さらに、Ｔｉ化合物層自身の高温強度が改善されるので、切刃部に高負荷が作用する各種鋼や鋳鉄等の高切込み・高送りの重切削加工においても、チッピング、剥離、欠損、偏摩耗等を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。

つぎに、この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、Ｍｏ₂ Ｃ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・ＣＮＭＧ１２０４０８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に示される条件にて、表５に示される目標平均組成、目標層厚の改質ＷＣＮ層を硬質被覆層の下地層として蒸着形成し、
ついで、表４（表４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各種Ｔｉ化合物層、Ａｌ_２Ｏ_３層を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、工具基体とＴｉ化合物層の間に、表３に示される条件にて従来ＷＣ層からなる下地層を蒸着形成し、それ以外は本発明被覆工具１〜１３と同条件で目標層厚の各種Ｔｉ化合物層、Ａｌ_２Ｏ_３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。

ついで、上記の本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の工具基体、下地層を構成する改質ＷＣＮ層および従来ＷＣ層、Ｔｉ化合物層について、オージェ電子分光分析器を用いて、厚さ方向の各位置における各成分の濃度を測定し、下地層全体にわたるＮ平均濃度およびＣｏ濃度の最高点を求め、これらの値を表５、表６に示した。なお、Ｃｏ濃度の最高点を示す位置については、Ｔｉ化合物層と下地層との界面からの距離として表５、表６にそれぞれ示した。
表５、表６からも明らかなように、本発明被覆工具１〜１３では、Ｃｏ濃度の最高点は、改質ＷＣＮ層とＴｉ化合物層との界面近傍に形成されているのに対して、従来被覆工具１〜１３では、Ｃｏ濃度の最高点は、すべて、工具基体側であって、かつ、従来ＷＣ層と工具基体表面の界面近傍に形成されていることがわかる。

また、上記の本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層を構成する各層（改質ＷＣＮ層、従来ＷＣ層を含む）について、その平均層厚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各種の被覆工具について、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、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： １．０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式高送り切削試験（通常の送りは、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．９ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｂという）での合金鋼の乾式高送り切削試験（通常の送りは、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ５００の丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ７ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｃという）でのダクタイル鋳鉄の乾式高切込み切削試験（通常の切込みは、１．５ｍｍ／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、いずれも工具基体とＴｉ化合物層の間に、改質ＷＣＮ層が介在形成されていることにより、工具基体−改質ＷＣＮ層−Ｔｉ化合物層間の層間付着強度が一段と高まり、かつ、Ｔｉ化合物層自身の高温強度も改善されるため、切刃部に高負荷が作用する各種鋼や鋳鉄等の高切込み・高送りの重切削加工においても、チッピング、剥離、欠損、偏摩耗等を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、工具基体とＴｉ化合物層の間に、従来ＷＣ層が介在形成されている従来被覆工具１〜１３においては、切刃部に偏摩耗、剥離、欠損等が生じやすく、かつ、摩耗進行も早いため、重切削加工では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、この発明の被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常条件での切削加工は勿論のこと、切刃部に高負荷が作用する各種鋼や鋳鉄等の重切削加工においても、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性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、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (1)

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、硬質被覆層として、少なくとも、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から選ばれた１層または２層以上からなるＴｉ化合物層と酸化アルミニウム層を化学蒸着で形成してなる表面被覆切削工具において、
   工具基体とＴｉ化合物層の間に、０．０５〜２μｍの平均層厚を有するＷの炭窒化物を主体とする下地層を化学蒸着で介在形成し、
   上記下地層は、Ｗの炭窒化物を、
   組成式：Ｗ（Ｃ_１−ＸＮ_Ｘ）
   で表した場合、０．００５≦Ｘ≦０．１（ただし、Ｘは原子比）を満足する組成を有し、また、上記下地層をオージェ電子分光分析した場合、Ｔｉ化合物層と下地層の界面近傍に、Ｃｏ濃度の最高点が存在することを特徴とする表面被覆切削工具。