JPH09136202A - 耐摩耗性を増加させた酸化物被膜切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は単一相κＡｌ₂ Ｏ₃ からなる耐火物
単一層または複数層被膜したボディーを提供する。 【解決手段】 単一相κＡｌ₂ Ｏ₃ は、被膜されたボデ
ィーの表面に関して、（２１０）方向に好ましく成長し
た結晶面を有する顕微鏡組織を制御することにより特徴
付けられる。本発明に従う被膜工具はボールベアリング
鋼を機械加工するときに、摩耗特性を増加することを示
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チップフォーミン
グ機械加工に対する酸化物被膜切削工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】切削工具へのアルミナの化学蒸着は充分
に確立された技術である。他の耐火物材料と同様にＡｌ
₂ Ｏ₃ の摩耗特性は文献で広範囲に検討されている。Ｃ
ＶＤ技法は、他の金属酸化物と、炭化物及び窒化物と、
元素周期律表のＩＶＢ、ＶＢ及びＶＩＢ族の遷移金属か
ら選択される金属との被膜を生成するためにも使用され
ていてる。これらの化合物のほとんどが耐摩耗材または
保護被膜として実際に適用されるが、ＴｉＣ、ＴｉＮ及
びＡｌ₂ Ｏ₃ ほど注目されて受入れられているものがな
いことは明らかである。

【０００３】Ａｌ₂ Ｏ₃ は、α、κ、γ、θ等種々の相
に結晶する。耐摩耗材のＡｌ₂ Ｏ₃被膜のＣＶＤにおい
て最も度々生じる二つの相は、熱力学的に安定な六方晶
α相及び準安定κ相である。一般にκ相は、しばしば柱
状被膜形態を示し、０．５〜３．５μｍの範囲の粒径で
微細結晶する。そのうえ、κＡｌ₂ Ｏ₃ 被膜は結晶学的
欠陥がなく、ミクロ細孔またはボイドが存在しない。κ
Ａｌ₂ Ｏ₃ の結晶学的組織は基本的に斜方晶であり、且
つ単位セルは六方晶指数を有する六方晶単位セルに変態
可能な直交指数で表すことができる。

【０００４】混合α＋κＡｌ₂ Ｏ₃ 被膜中のαＡｌ₂ Ｏ
₃ 結晶は蒸着条件に依存して１〜６μｍの粗い結晶粒径
を有する。この場合、多孔性と結晶学的欠陥とがしばし
ば生じる。商業的切削工具において、Ａｌ₂ Ｏ₃ は炭化
物またはセラミック基材を被膜したＴｉＣ_X Ｎ_Y Ｏ_Z 上
に常に付加され（例えば、米国特許第３，８３７，８９
６号、なお再発行米国特許第２９，４２０号及び米国特
許第５，０７１，６９６号参照）且つＴｉＣ_X Ｎ_Y Ｏ_Z
表面とアルミナ被膜とのあいだの界面化学反応が特に重
要である。

【０００５】耐摩耗性をさらに増すために酸化物を有す
る被膜超鋼合金切削工具の実施が、例えば再発行米国特
許第２９４２０号及び米国特許第４，３９９，１６８
号、第４，０１８，６３１号、第４，４９０，１９１号
及び第４，４６３，０３３号に立証されるようにそれ自
体が知られている。これらの特許は酸化物被膜ボディー
を開示し、例えば、ＴｉＣ被膜超硬合金の前処理が次に
蒸着される酸化物層の密着性を強めるにいかに困難であ
るかを開示する。アルミナ被覆ボディーがさらに米国特
許第３，７３６，１０７号、第５，０７１，６９６号及
び第５，１３７，７７４号に開示され、Ａｌ₂ Ｏ₃ 層が
α、κとそれぞれのα＋κ組合せとを含んでなる。

【０００６】スミスの米国特許第４，６１９，８６６号
には、ドーパント（ｄｏｐａｎｔ）たとえば硫化水素
（Ｈ₂ Ｓ）の作用のもとで金属ハロゲン化物の加水分解
反応を利用することにより、先ずＡｌ₂ Ｏ₃ 層の成長を
生させる方法が記載される。得られた被膜は比較的小さ
なκ結晶粒と比較的大きなα結晶流の混合物からなる。
この工程では被膜されるボディーの周辺に均一な厚みの
層が分布する被膜が生じる。

【０００７】米国特許第５，０７１，６９６号は、ＭＸ
層の上にエピタキシャルに蒸着された単一相のκＡｌ₂
Ｏ₃ を被膜したボディーを開示し、ＭＸは周期律表のＩ
ＶＢ、ＶＢまたはＶＩＢ族からの金属の炭化物、窒化炭
素またはオキシ窒化炭素である。スウェーデン特許願書
９１０１９５３−９は微細結晶したκアルミナ被膜の成
長方法を開示する。

【０００８】（０１２）方向に好ましい結晶成長方位を
有する単一相のαＡｌ₂ Ｏ₃ 層がスウェーデン特許出願
第９２０３８５２−０号に、（１１０）方向がスウェー
デン特許出願第９３０４２８３−６号に、（１０４）方
向がスウェーデン特許出願第９４０００８９−０号に開
示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、本発明の目
的は、超硬合金基材上にまたは好ましくは上記ＴｉＣ_X
Ｎ_Y Ｏ_Z 被膜上に、Ａｌ₂ Ｏ₃ 層の上記性質が安定であ
るような適切な核生成と成長条件を使用して、望ましい
顕微鏡組織と集合組織を有する多形κの少なくとも実質
的に単一相のＡｌ₂ Ｏ₃ 層を備えることを目的とする。

【００１０】さらに本発明の目的は、ボールベアリング
鋼を機械加工する場合に、切削性能を改良したアルミナ
被膜切削工具植刃を提供することである。図１は、請求
した工程で生成された典型的なＡｌ₂ Ｏ₃ 被膜の倍率２
０００Ｘの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の表面観察顕微
鏡写真を示す。本発明にしたがう耐摩耗材の被膜が蒸着
された超硬合金ボディーを含んでなる切削工具を提供す
る。被膜は１種または２種以上の耐火物層を含んでなり
少なくとも１層が密に集合組織化したκ多形態のＡｌ₂
Ｏ₃ 層である。

【００１１】本発明にしたがう被膜切削工具は、冷却剤
とともにボールベアリング鋼を機械加工する場合、先行
技術の工具に比較して改良された耐摩耗性を示す。さら
に具体的には被膜工具は、焼結超硬合金ボディー、金属
バインダー相に好ましくは少なくとも１種の金属炭化物
のサーメットまたはセラミックボディーを含んでなる。
被膜構造物中の個々の層はＴｉＣでよく、または、周期
律表のＩＶＢ、ＶＢ及びＶＩＢ族の金属からなる群から
選択された金属、Ｂ、Ａｌ及びＳｉ及び／またはそれら
の混合物の炭化物、窒化物、窒化炭素、オキシ炭化物ま
たはオキシ窒化炭素に関連する。上記層の少なくとも１
層は基材と接触する。しかしながら、被膜構造物の層の
少なくとも１層は、ミクロ細孔及び結晶学的に欠陥のな
い微細粒で密な実質的に単一相のκＡｌ₂ Ｏ₃ 被膜を含
んでなる。この被膜は優先的集合組織であり，ｄ＝０．
５〜２５μｍ好ましくは１〜１０μｍの厚みと０．５〜
６μｍ好ましくは０．５〜４μｍの結晶粒径を有する。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】本
発明に従うＡｌ₂ Ｏ₃ 層は、Ｘ線回折測定で決定される
（２１０）方向の好ましい結晶成長方位を有する。集合
組織係数ＴＣは次式で定義される。すなわち、 ＴＣ（ｈｋｌ）＝Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ₀ （ｈｋｌ）×
［（１／ｎ）Σ｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ₀ （ｈｋｌ）｝］^-1 式中で Ｉ（ｈｋｌ）＝（ｈｋｌ）反射の測定強度 Ｉ₀ （ｈｋｌ）＝ＡＳＴＭ標準パウダーパターン回折デ
ーターの標準強度 ｎ＝計算に使用した回折数であり、使用した（ｈｋｌ）
回折が、（００２）、（１１２）、（０１３）、（１２
２）、（１１３）、（０３２）、（２１０）、（２２
２）、（０５０）である。

【００１３】本発明にしたがって、（２１０）結晶面の
組のＴＣは、１．５より大きく、好ましくは２．５より
大きく及び最も好ましくは３．０より大きい。好ましい
実施態様において、本発明に従うアルミナ層は好ましい
最外側層であるが、薄い１μｍ未満の厚みのＴｉＮ層の
ような１層または２層以上をその上にさらに蒸着しても
よい。

【００１４】さらに好ましい実施態様において，上記ア
ルミナ層はＴｉＣ_X Ｎ_Y Ｏ_Z と接触し、好ましくは被膜
の最内側層となる。本発明に従う集合組織Ａｌ₂ Ｏ₃ 被
膜は、Ａｌ₂ Ｏ₃ の核生成中の処理条件の注意深い制御
により得ることができる。処理ガスの酸化ポテンシャル
を、例えば、Ａｌ₂ Ｏ₃ 核生成前に５ｐｐｍ未満に水蒸
気濃度を調整することがその上極めて重要である。Ａｌ
₂ Ｏ₃ の核生成は次のように反応ガスを連続して制御す
ることにより開始し、すなわち、Ｈ₂ 及びＨＣｌが反応
器にまず入れられ上記の順に引続きＡｌＣｌ₃ 最後にＣ
Ｏ₂ が入れられる。添加されるＨＣｌの量は、核生成中
に２．５〜１０ｖｏｌ％、好ましくは３．０〜６．０ｖ
ｏｌ％、最も好ましくは３．５〜５．０ｖｏｌ％になる
ように制御する必要がある。核生成中温度は好ましくは
９５０〜１０００℃にする必要がある。アルミナの蒸着
工程の成長工程は核生成工程と同じ温度で実行される
が、ドーパント、硫黄含有ガス、好ましくはＨ₂ Ｓが蒸
着速度を速めるために添加される。しかしながら、正確
な条件は使用する装置の種類によってある程度依存す
る。必要な集合組織及び被膜形態が得られるかどうかを
決めること及び、核生成と蒸着条件を修正すること、も
し望ならば集合組織量と被膜形態を達成することは当業
者の範囲内である。

【００１５】滑らかな被膜表面は工具植刃の切削性能を
さらに改良できることも明らかにした。滑らかな被膜表
面は微細粒（４００〜１５０メッシュ）のアルミナ粉末
の穏やかな湿式吹きつけ加工によって、または、例えば
スウェーデン特許だ９４０２５４３−４号に開示された
ようなＳｉＣ系のブラシでエッジをブラシ仕上げするこ
とにより得ることができる。

【００１６】

【実施例及び発明の効果】

実施例１ Ａ． ５．５ｗｔ％のＣｏ、８．６ｗｔ％の立方晶炭化
物及び残余ＷＣの組成を有する超硬合金切削植刃は、化
学蒸着工程において４μｍのＴｉＣＮが被膜された。同
じ被膜サイクルのその後の工程において、６μｍ厚さの
κＡｌ₂ Ｏ₃ 層が付加された。Ａｌ₂ Ｏ₃ 被膜工程は二
つに分割でき、すなわち、核生成部分と、ドーパントと
してＨ₂ Ｓを使用しその工程が触媒反応する間の成長部
分とである。Ａｌ₂ Ｏ₃ の核生成工程中は、処理因子が
Ａｌ₂ Ｏ₃ 層の（２１０）集合組織を促進するために制
御される。

【００１７】Ａｌ₂ Ｏ₃ 蒸着工程の前に、反応器を通り
抜けるガスの酸化ポテンシャルは、表面組成がκＡｌ₂
Ｏ₃ 蒸着を促進することを確実にするため最小に維持さ
れる。Ａｌ₂ Ｏ₃ 蒸着工程中の処理条件は以下に示す。
すなわち、 核生成 成長 ＣＯ₂ 、 ｖｏｌ％ ３．５ ３．５ ＡｌＣｌ₃ 、ｖｏｌ％ ２．３ ２．３ ＨＣｌ、 ｖｏｌ％ ３．５ ４．５ Ｈ₂ Ｓ、 ｖｏｌ％ −−− ０．４ Ｈ₂ 、 残余 残余 圧力、 ミリバール ５５ ５５ 温度、 ℃ ９８０ ９８０ 継続時間、時間 １ ８．５ ＸＲＤ分析は、被膜が（２１０）面の集合組織係数ＴＣ
（２１０）が３．３を有する単一相のκＡｌ₂ Ｏ₃ から
なることを示した。ＳＥＭの研究は６μｍ厚さのＡｌ₂
Ｏ₃ 層を示した。

【００１８】Ｂ． 上記Ａと同じ組成の超硬合金切削植
刃は被膜処理がなされて、５μｍのＴｉＣＮとその後
５．８μｍのκＡｌ₂ Ｏ₃ が被膜された。κＡｌ₂ Ｏ₃
の蒸着は先行技術にしたがって実施された。被膜のＸＲ
Ｄ分析は、Ａｌ₂ Ｏ₃ が（０１３）面の集合組織係数Ｔ
Ｃ（０１３）が３．１を有する単一相のκＡｌ₂ Ｏ₃ か
らなることを示した。

【００１９】Ｃ． Ａにしたがう超硬合金切削植刃は、
粗いαＡｌ₂ Ｏ₃ 結晶粒と微細なκＡｌ₂ Ｏ₃ 結晶粒の
混合物が得られる先行技術にしたがって、ＴｉＣＮ処理
に続きＡｌ₂ Ｏ₃ 処理で被膜された。磨かれた横断面に
おいて、被膜厚さはＴｉＣＮが５．０μｍになり且つ混
合相Ａｌ₂ Ｏ₃ が６．２μｍになることが明らかになっ
た。ＸＲＤの研究はκ／α比が約４．０になることを示
した。κＡｌ₂ Ｏ₃ は（０１３）面の集合組織係数ＴＣ
（０１３）が２．６であるが、αＡｌ₂ Ｏ₃ は好ましい
方位を示さなかった。

【００２０】Ｄ． 蒸着Ａの植刃は、流れるＨ₂ 雰囲気
中で８時間の熱処理を受けた。これはκＡｌ₂ Ｏ₃ から
１００％αＡｌ₂ Ｏ₃ への変態を起こさせた。ＸＲＤ分
析にしたがって、αＡｌ₂ Ｏ₃ は、（１１０）面と並び
に（１０４）面の集合組織係数ＴＣが１．５を示した。
この植刃はボールベアリング鋼（ＤＩＮ１００ＣｒＭｏ
６と同じ）の縦方向旋削作用において逃げ面耐摩耗性に
関する試験がなされた。 切削データ 速度 ２００ｍ／ｍｉｎ 切り込み深さ ２．０ｍｍ 送り ０．３６ｍｍ／回転 冷却剤を使用した この結果は切削植刃に及ぼす予め決めた０．３ｍｍの逃
げ面摩耗に達するに必要な加工時間として以下に示す。 ０．３ｍｍの逃げ摩耗に達する時間、ｍｉｎ 試験１ 試験２ Ａ κＡｌ₂ Ｏ₃ （２１０） ２２．５ ２２．５（本発明） Ｂ κＡｌ₂ Ｏ₃ （Ｏ１３） １５ １７．５ Ｃ α＋κＡｌ₂ Ｏ₃ １５ １５ Ｄ 熱処理Ａ １５ １７．５ 実施例２ Ａ． 実施例１と同じ５．５ｗｔ％のＣｏ、８．６ｗｔ
％の立方晶炭化物及び残余ＷＣの組成を有する超硬合金
切削植刃は、本発明にしたがい化学蒸着（ＣＶＤ）工程
において４μｍのＴｉＣＮ引続き５．８μｍのκＡｌ₂
Ｏ₃ が被膜された。

【００２１】Ａｌ₂ Ｏ₃ 蒸着工程中の処理条件は以下に
示す。 核生成 成長 ＣＯ₂ 、 ｖｏｌ％ ３．５ ３．５ ＡｌＣｌ₃ 、ｖｏｌ％ ２．３ ２．３ ＨＣｌ、 ｖｏｌ％ ５．０ ３．５ Ｈ₂ Ｓ、 ｖｏｌ％ −−− ０．４ Ｈ₂ 、 残余 残余 圧力、 ミリバール ５５ ５５ 温度、 ℃ ９８０ ９８０ 継続時間、時間 １ ８．５ ＸＲＤ分析は、被膜が（２１０）面の集合組織係数ＴＣ
（２１０）が２．２を有する単一相のκＡｌ₂ Ｏ₃ から
なることを示した。

【００２２】Ｂ． 上記Ａと同じ組成の超硬合金切削植
刃は被膜処理がなされて、４μｍのＴｉＣＮとその後
６．３μｍのκＡｌ₂ Ｏ₃ が被膜された。κＡｌ₂ Ｏ₃
の蒸着は先行技術にしたがって実施された。被膜のＸＲ
Ｄ分析では、Ａｌ₂ Ｏ₃ が（０１３）面の集合組織係数
ＴＣが３．２で結晶方位（０１３）を有する単一相のκ
Ａｌ₂ Ｏ₃ からなることを示した。植刃のＳＥＭ研究
は、アルミナ層が２．８μｍの平均結晶粒径を有するこ
とを示した。

【００２３】Ｃ． 超硬合金切削植刃は上記実施例１の
Ｃに一致する。この植刃はボールベアリング鋼（ＤＩＮ
１００ＣｒＭｏ６と同じ）の縦方向旋削作用において逃
げ面耐摩耗性に関する試験がなされた。 切削データ 速度 ２００ｍ／ｍｉｎ 切り込み深さ ２．０ｍｍ 送り ０．３６ｍｍ／回転 冷却剤を使用した この結果は切削植刃に及ぼす予め決めた０．３ｍｍの逃
げ摩耗に達するに必要な加工時間として以下に示す。 ０．３ｍｍの逃げ摩耗に達する時間、ｍｉｎ 試験１ 試験２ Ａ κＡｌ₂ Ｏ₃ （２１０） ３０ ３５ （本発明） Ｂ κＡｌ₂ Ｏ₃ （Ｏ１３） ２２．５ ２２．５ Ｃ α＋κＡｌ₂ Ｏ₃ １２．５ １５ 実施例３ 実施例１の植刃は、層を滑らかにするために被膜工程の
後、１５０メッシュのＡｌ₂ Ｏ₃ で湿式吹き付け加工が
成された。その後それらはＳＳ２１７２−４の正面削り
操作で試験された。エッジライン剥離はこの旋削操作に
おける臨界摩耗機構である。 切削データ 速度 １３０ｍ／ｍｉｎ 送り ０．２ｍｍ／回転 切り込み深さ ２．０ｍｍ 加工物の形状は切削が回転ごとに３回中断するようにし
た。 剥離（％） エッジライン 植刃Ｂ実施例１ ７８ 植刃Ａ実施例１ ６７ 植刃Ｂ実施例１ 湿式吹き付け加工 ３

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、請求した工程で生成された典型的なＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 被膜の倍率２０００Ｘの走査型電子顕微鏡の表
面観察顕微鏡写真を示す。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１層がアルミナである１層又
   は２層以上の耐火物層を少なくとも部分的に被膜したボ
   ディーであって、 前記アルミナが０．５〜２５μｍの厚さの被膜を有し、
   且つ１．５より大きく好ましくは２．５より大きく最も
   好ましくは３．０より大きい集合組織係数を有する（２
   １０）方向に集合組織化した単一相のκ−Ａｌ₂ Ｏ₃ か
   らなり、集合組織係数が次式、 ＴＣ（ｈｋｌ）＝Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ₀ （ｈｋｌ）×
   ［（１／ｎ）Σ｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ₀ （ｈｋｌ）｝］^-1 ｛式中で Ｉ（ｈｋｌ）＝（ｈｋｌ）反射の測定強度 Ｉ₀ （ｈｋｌ）＝ＡＳＴＭ標準パウダーパターン回折デ
   ーターの標準強度 ｎ＝計算に使用した回折数であり、使用した（ｈｋｌ）
   回折が、（００２）、（１１２）、（０１３）、（１２
   ２）、（１１３）、（０３２）、（２１０）、（２２
   ２）、（０５０）｝、で定義されることを特徴とする耐
   火物層被膜ボディー。
2. 【請求項２】 前記アルミナ層が最外側層であることを
   特徴とする請求項１に記載のボディー。
3. 【請求項３】 前記アルミナ層がＴｉＣ_X Ｎ_Y Ｏ_Z 層と
   接触することを特徴とする請求項１または２に記載のボ
   ディー。
4. 【請求項４】 前記ＴｉＣ_X Ｎ_Y Ｏ_Z 層が前記被膜の最
   内側層であることを特徴とする請求項３に記載のボディ
   ー。
5. 【請求項５】 前記アルミナ層の上に薄い１μｍ以下の
   厚みのＴｉＮ層があることを特徴とする請求項１〜４の
   いずれか１項に記載のボディー。
6. 【請求項６】 前記ボディーが、超硬合金、窒化炭素系
   のチタニウムまたはセラミックの切削工具であることを
   特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のボディ
   ー。
7. 【請求項７】 前記ボディーが１種または２種以上のア
   ルミニウムハロゲン化物及び加水分解剤及び／または酸
   化剤を含んでいる水素キャリアーガスと高温で接触させ
   られ、κアルミナ被膜を有するボディーを被膜する方法
   であって、 アルミナ被膜前に酸化ポテンシャルが、Ｈ₂ Ｏまたは他
   の酸化種の合計濃度を使用する低水準に、好ましくは５
   ｐｐｍ未満に保持され、 アルミナの核生成は、反応ガスの制御された序列化によ
   って開始し、 ＨＣｌとＡｌＣｌ₃ が反応器に入れられ、ＨＣｌの量
   は、２．５〜１０ｖｏｌ％好ましくは３．０〜６ｖｏｌ
   ％もっとも好ましくは３．５〜５ｖｏｌ％に制御され、
   先ずＨ₂ 雰囲気中で引き続きＣＯ₂ 中で、核生成中は温
   度が９５０〜１０００℃であり、且つＡｌ₂ Ｏ₃ の成長
   中は硫黄好ましくはＨ₂ Ｓを含むガスが添加される、こ
   とを特徴とする被膜κアルミナを有するボディーの被膜
   方法。
8. 【請求項８】 前記アルミナが湿式吹き付け加工のよう
   な後処理を受けることを特徴とする請求項７記載のκア
   ルミナ被膜を有するボディーの被膜方法。