JP4748444B2 - 難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具 - Google Patents
難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具 Download PDFInfo
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Description
この発明は、硬質被覆層がすぐれた潤滑性を有し、したがって特に軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの粘性の高い難削材の高い発熱を伴う高速切削加工に用いた場合にも、切削時に切粉が切刃部に溶着することなく、すぐれた耐チッピング性を長期に亘って発揮する表面被覆サーメット製切削工具（以下、被覆サーメット工具という）に関するものである。
従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基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、
（ａ）下部層として、炭化チタン（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化チタン（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化チタン（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化チタン（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム（以下、α型Ａｌ2Ｏ3層という）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を、化学蒸着装置で蒸着形成してなる被覆サーメット工具が知られており、この被覆サーメット工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることは良く知られている。
（ａ）下部層として、炭化チタン（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化チタン（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化チタン（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化チタン（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム（以下、α型Ａｌ2Ｏ3層という）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を、化学蒸着装置で蒸着形成してなる被覆サーメット工具が知られており、この被覆サーメット工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることは良く知られている。
また、上記の被覆サーメット工具において、これの硬質被覆層の構成層は、一般に粒状結晶組織を有し、さらに、下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の強度向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
特開平６−３１５０３号公報
特開平６−８０１０号公報
近年の切削加工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、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆サーメット工具においては、これを炭素鋼や低合金鋼、さらに普通鋳鉄などの切削を高速切削加工条件で行うのに用いた場合には、通常の切削性能を示し問題はないが、特に軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの粘性の高い難削材などの切削加工を、高熱発生を伴なう高速切削加工条件で行うのに用いた場合には、特に硬質被覆層の潤滑性不足が原因で、切粉が切刃部に溶着し易くなり、これが原因でチッピング（微少欠け）が発生し、この結果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、特に上記粘性の高い難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆サーメット工具を開発すべく、上記の従来被覆サーメット工具の硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、
（ａ）従来、一般に、酸化クロム（以下、Ｃｒ２Ｏ３で示す）層（以下、従来Ｃｒ２Ｏ３層という）は、通常の化学蒸着装置で、
反応ガス組成：容量％で、ＣｒＣｌ３：２〜４％、ＣＯ２：４．５〜７％、ＨＣｌ：２．５〜５％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１０２０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件（通常条件という）で形成され、かつ、格子点にＣｒおよび酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方最密晶の結晶構造、すなわち図１にＣｒ２Ｏ３の単位格子の原子配列が模式図［（ａ）は斜視図、（ｂ）は横断面１〜９の平面図］で示される結晶構造を有する結晶粒で構成されるが、黒鉛質材料と同等に潤滑性を有するものの、脆い材料であるために、被覆サーメット工具の硬質被覆層の表面層として適用し、高速切削加工に用いた場合、摩耗進行がきわめて速く、実用に供し得ないこと。
（ａ）従来、一般に、酸化クロム（以下、Ｃｒ２Ｏ３で示す）層（以下、従来Ｃｒ２Ｏ３層という）は、通常の化学蒸着装置で、
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反応雰囲気温度：９５０〜１０２０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件（通常条件という）で形成され、かつ、格子点にＣｒおよび酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方最密晶の結晶構造、すなわち図１にＣｒ２Ｏ３の単位格子の原子配列が模式図［（ａ）は斜視図、（ｂ）は横断面１〜９の平面図］で示される結晶構造を有する結晶粒で構成されるが、黒鉛質材料と同等に潤滑性を有するものの、脆い材料であるために、被覆サーメット工具の硬質被覆層の表面層として適用し、高速切削加工に用いた場合、摩耗進行がきわめて速く、実用に供し得ないこと。
（ｂ）一方、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＣｒＣｌ３：２〜４％、ＺｒＣｌ４：０．１５〜０．３５％、ＣＯ２：４．５〜７％、ＨＣｌ：２．５〜５％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１０２０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件、すなわち上記（ａ）の通常条件において、上記の反応ガスにＺｒＣｌ４を０．１５〜０．３５容量％の割合で添加し、これ以外は同一の条件で層の蒸着形成を行なうと、この結果形成された層［以下、Ｚｒ含有改質Ｃｒ系酸化物層と云い、改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層で示す］は、ＺｒをＣｒとの合量に占める割合で１〜１０原子％の割合で置換含有し、上記の従来Ｃｒ2Ｏ3層のもつ結晶構造と同じコランダム型六方最密晶の結晶構造、すなわちＣｒの一部が１〜５原子％の割合でＺｒで置換されたコランダム型六方最密晶の結晶構造を有すると共に、これの具備する潤滑性と同等のすぐれた潤滑性を有し、さらに、一段と高温強度の向上したものになっており、したがって、これを上記の硬質被覆層の表面層として２〜１０μｍの平均層厚で蒸着形成してなる被覆サーメット工具は、上記の粘性の高い難削材の高い高熱発生を伴う高速切削加工でも、切刃部に切粉が溶着することがなく、この結果チッピングの発生なく、さらに具備するすぐれた高温強度によって摩耗進行が著しく抑制された状態を維持するので、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
反応ガス組成：容量％で、ＣｒＣｌ３：２〜４％、ＺｒＣｌ４：０．１５〜０．３５％、ＣＯ２：４．５〜７％、ＨＣｌ：２．５〜５％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１０２０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件、すなわち上記（ａ）の通常条件において、上記の反応ガスにＺｒＣｌ４を０．１５〜０．３５容量％の割合で添加し、これ以外は同一の条件で層の蒸着形成を行なうと、この結果形成された層［以下、Ｚｒ含有改質Ｃｒ系酸化物層と云い、改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層で示す］は、ＺｒをＣｒとの合量に占める割合で１〜１０原子％の割合で置換含有し、上記の従来Ｃｒ2Ｏ3層のもつ結晶構造と同じコランダム型六方最密晶の結晶構造、すなわちＣｒの一部が１〜５原子％の割合でＺｒで置換されたコランダム型六方最密晶の結晶構造を有すると共に、これの具備する潤滑性と同等のすぐれた潤滑性を有し、さらに、一段と高温強度の向上したものになっており、したがって、これを上記の硬質被覆層の表面層として２〜１０μｍの平均層厚で蒸着形成してなる被覆サーメット工具は、上記の粘性の高い難削材の高い高熱発生を伴う高速切削加工でも、切刃部に切粉が溶着することがなく、この結果チッピングの発生なく、さらに具備するすぐれた高温強度によって摩耗進行が著しく抑制された状態を維持するので、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
（ｃ）上記（ａ）の従来Ｃｒ２Ｏ３層と上記（ｂ）の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層について、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図２（ａ），（ｂ）に概略説明図で例示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線がなす傾斜角［図２(ａ)には前記結晶面の傾斜角が０度の場合、同（ｂ）には傾斜角が４５度の場合を示しているが、これらの角度を含めて前記結晶粒個々のすべての傾斜角］を測定し、この場合前記結晶粒は、上記の通り格子点にＣｒとＺｒと酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方最密晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ただし、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４、および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で現し、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフを作成した場合（この場合前記の結果から、Σ５、Σ９、Σ１５、Σ２５、およびΣ２７の構成原子共有格子点形態は存在しないことになる）、上記従来Ｃｒ2Ｏ3層は、図５に例示される通り、Σ３の分布割合が３０％以下の相対的に低い構成原子共有格子点分布グラフを示すのに対して、前記改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層は、図４に例示される通り、Σ３の分布割合が６０％以上のきわめて高い構成原子共有格子点分布グラフを示し、この高いΣ３の分布割合は、前記（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層の形成条件を変化させることにより変化すること。
なお、上記の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層および従来Ｃｒ2Ｏ3層において、相互に隣接する結晶粒の界面における構成原子共有格子点形態のうちのΣ３、Σ７、およびΣ１１の単位形態を模式図で例示すると図３（ａ）〜（ｃ）に示される通りとなる。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図２（ａ），（ｂ）に概略説明図で例示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線がなす傾斜角［図２(ａ)には前記結晶面の傾斜角が０度の場合、同（ｂ）には傾斜角が４５度の場合を示しているが、これらの角度を含めて前記結晶粒個々のすべての傾斜角］を測定し、この場合前記結晶粒は、上記の通り格子点にＣｒとＺｒと酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方最密晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ただし、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４、および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で現し、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフを作成した場合（この場合前記の結果から、Σ５、Σ９、Σ１５、Σ２５、およびΣ２７の構成原子共有格子点形態は存在しないことになる）、上記従来Ｃｒ2Ｏ3層は、図５に例示される通り、Σ３の分布割合が３０％以下の相対的に低い構成原子共有格子点分布グラフを示すのに対して、前記改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層は、図４に例示される通り、Σ３の分布割合が６０％以上のきわめて高い構成原子共有格子点分布グラフを示し、この高いΣ３の分布割合は、前記（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層の形成条件を変化させることにより変化すること。
なお、上記の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層および従来Ｃｒ2Ｏ3層において、相互に隣接する結晶粒の界面における構成原子共有格子点形態のうちのΣ３、Σ７、およびΣ１１の単位形態を模式図で例示すると図３（ａ）〜（ｃ）に示される通りとなる。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有するα型Ａｌ2Ｏ3層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる、被覆サーメット工具において、
上記硬質被覆層の表面層として、２〜１０μｍの平均層厚を有し、かつＣｒの一部をＣｒとの合量に占める割合で１〜５原子％のＺｒで置換含有してなると共に、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にＣｒとＺｒと酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方最密晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ただし、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４、および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で現した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークが存在し、かつ前記Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が６０％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示す改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層、
を蒸着形成してなる、難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。
（ａ）下部層として、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有するα型Ａｌ2Ｏ3層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる、被覆サーメット工具において、
上記硬質被覆層の表面層として、２〜１０μｍの平均層厚を有し、かつＣｒの一部をＣｒとの合量に占める割合で１〜５原子％のＺｒで置換含有してなると共に、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にＣｒとＺｒと酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方最密晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ただし、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４、および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で現した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークが存在し、かつ前記Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が６０％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示す改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層、
を蒸着形成してなる、難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。
以下に、この発明の被覆サーメット工具の硬質被覆層の構成層において、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）下部層のＴｉ化合物層
Ｔｉ化合物層は、α型Ａｌ2Ｏ3層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、工具基体とα型Ａｌ2Ｏ3層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性を向上させる作用を有するが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速切削では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、その平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
（ａ）下部層のＴｉ化合物層
Ｔｉ化合物層は、α型Ａｌ2Ｏ3層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、工具基体とα型Ａｌ2Ｏ3層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性を向上させる作用を有するが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速切削では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、その平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
（ｂ）上部層のα型Ａｌ2Ｏ3層
α型Ａｌ2Ｏ3層は、Ａｌ2Ｏ3自体のもつすぐれた高温硬さと耐熱性によって、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が１μｍ未満では、所望のすぐれた耐摩耗性を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。
α型Ａｌ2Ｏ3層は、Ａｌ2Ｏ3自体のもつすぐれた高温硬さと耐熱性によって、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が１μｍ未満では、所望のすぐれた耐摩耗性を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。
（ｃ）表面層の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層
改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層は、上記の通り、その形成条件の反応ガスにおけるＺｒＣｌ４の配合割合を０．１５〜０．３５容量％に調整することによりＺｒの置換含有割合を１〜５原子％とし、このようにＺｒを１〜５原子％の割合で置換含有した場合に、構成原子共有格子点分布グラフにおけるΣ３の分布割合が６０％以上となるものである。したがって、Ｚｒの置換含有割合が１原子％未満でも、また５原子％を越えてもΣ３の分布割合が６０％未満となってしまい、特に粘性の高い難削材の高速切削加工で、摩耗進行を抑制し、長期に亘って潤滑性を保持するに十分な高温強度を確保することができず、この結果比較的早期に摩滅し、硬質被覆層にチッピングが発生し、これが原因で使用寿命に至るようになることから、Ｚｒの置換含有割合を１〜５原子％と定めて、Σ３の分布割合が６０％以上となるようにしたものである。また、その平均層厚が２μｍ未満では、所望のすぐれた潤滑性を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が１０μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピング発生の原因となることから、その平均層厚を２〜１０μｍと定めた。
改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層は、上記の通り、その形成条件の反応ガスにおけるＺｒＣｌ４の配合割合を０．１５〜０．３５容量％に調整することによりＺｒの置換含有割合を１〜５原子％とし、このようにＺｒを１〜５原子％の割合で置換含有した場合に、構成原子共有格子点分布グラフにおけるΣ３の分布割合が６０％以上となるものである。したがって、Ｚｒの置換含有割合が１原子％未満でも、また５原子％を越えてもΣ３の分布割合が６０％未満となってしまい、特に粘性の高い難削材の高速切削加工で、摩耗進行を抑制し、長期に亘って潤滑性を保持するに十分な高温強度を確保することができず、この結果比較的早期に摩滅し、硬質被覆層にチッピングが発生し、これが原因で使用寿命に至るようになることから、Ｚｒの置換含有割合を１〜５原子％と定めて、Σ３の分布割合が６０％以上となるようにしたものである。また、その平均層厚が２μｍ未満では、所望のすぐれた潤滑性を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が１０μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピング発生の原因となることから、その平均層厚を２〜１０μｍと定めた。
なお、切削工具の使用前後の識別を目的として、黄金色の色調を有するＴｉＮ層を、必要に応じて硬質被覆層の最表面層として蒸着形成してもよいが、この場合の平均層厚は０．１〜１μｍでよく、これは０．１μｍ未満では、十分な識別効果が得られず、一方前記ＴｉＮ層による前記識別効果は１μｍまでの平均層厚で十分であるという理由からである。
この発明被覆サーメット工具は、特に軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの粘性の高い難削材の高い発熱を伴う高速切削加工に用いた場合にも、硬質被覆層の表面層を構成する改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層が従来Ｃｒ2Ｏ3層と同等のすぐれた潤滑性に加えて、一段とすぐれた高温強度を具備することから、長期に亘ってすぐれた潤滑性を保持し、硬質被覆層の耐チッピング性向上に寄与し、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、この発明の被覆サーメット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、ＴａＮ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３２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：０．０３ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４１２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３２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：０．０３ｍｍ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。
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（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、それぞれ表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層とα型Ａｌ2Ｏ3層を、同じく表６に示される組み合わせで、硬質被覆層の下部層および上部層として蒸着形成し、ついで、表４に示される条件で、表６に示される目標層厚の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層を同じく表６に示される組み合わせで、硬質被覆層の表面層として蒸着形成することにより本発明被覆サーメット工具１〜１３をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層に代って、表５に示される条件で、表７に示される目標層厚の従来Ｃｒ2Ｏ3層を同じく表７に示される組み合わせで、硬質被覆層の表面層として蒸着形成する以外は同一の条件で比較被覆サーメット工具１〜１３をそれぞれ製造した。
ついで、上記の本発明被覆サーメット工具および比較被覆サーメット工具の硬質被覆層の表面層を構成する改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層および従来Ｃｒ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、構成原子共有格子点分布グラフをそれぞれ作成した。
すなわち、上記構成原子共有格子点分布グラフは、上記の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層および従来Ｃｒ2Ｏ3層の表面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記表面研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ただし、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４、および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で現した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を求めることにより作成した。
すなわち、上記構成原子共有格子点分布グラフは、上記の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層および従来Ｃｒ2Ｏ3層の表面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記表面研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ただし、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４、および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で現した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を求めることにより作成した。
この結果得られた各種の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層および従来Ｃｒ2Ｏ3層の構成原子共有格子点分布グラフにおいて、ΣＮ＋１全体（上記の結果からΣ３、Σ７、Σ１１、Σ１３、Σ１７、Σ１９、Σ２１、Σ２３、およびΣ２９のそれぞれの分布割合の合計）に占めるΣ３の分布割合をそれぞれ表６，７にそれぞれ示した。
上記の各種の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層および従来Ｃｒ2Ｏ3層の構成原子共有格子点分布グラフにおいて、表６，７にそれぞれ示される通り、本発明被覆サーメット工具の改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層は、いずれもΣ３の占める分布割合が６０％以上の構成原子共有格子点分布グラフを示すのに対して、比較被覆サーメット工具の従来Ｃｒ2Ｏ3層は、いずれもΣ３の分布割合が３０％以下の構成原子共有格子点分布グラフを示すものであった。
なお、図４は、本発明被覆サーメット工具２の硬質被覆層の表面層である改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層の構成原子共有格子点分布グラフ、図５は、比較被覆サーメット工具２の硬質被覆層の表面層である従来Ｃｒ2Ｏ3層の構成原子共有格子点分布グラフをそれぞれ示すものである。
なお、図４は、本発明被覆サーメット工具２の硬質被覆層の表面層である改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層の構成原子共有格子点分布グラフ、図５は、比較被覆サーメット工具２の硬質被覆層の表面層である従来Ｃｒ2Ｏ3層の構成原子共有格子点分布グラフをそれぞれ示すものである。
さらに、上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３および比較被覆サーメット工具１〜１３について、これの硬質被覆層の構成層を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）およびオージェ分光分析装置を用いて観察（層の縦断面を観察）したところ、前者および後者とも目標組成と実質的に同じ組成を有することが確認され、また、これらの被覆サーメット工具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（同じく縦断面測定）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、上記の本発明被覆サーメット工具１〜１３および比較被覆サーメット工具１〜１３各種の被覆サーメット工具について、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・ＳＳ５４０の丸棒、
切削速度：４８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ａという）での軟鋼の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は２４０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ４２０Ｆの長さ方向等間隔４本縦溝入丸棒、
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｂという）でのステンレス鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は１４０ｍ／ｍｉｎ）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４４３の長さ方向等間隔４本縦溝入丸棒、
切削速度：３７０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｃという）での高マンガン鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は２１０ｍ／ｍｉｎ）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８に示した。
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ５４０の丸棒、
切削速度：４８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ａという）での軟鋼の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は２４０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ４２０Ｆの長さ方向等間隔４本縦溝入丸棒、
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｂという）でのステンレス鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は１４０ｍ／ｍｉｎ）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４４３の長さ方向等間隔４本縦溝入丸棒、
切削速度：３７０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｃという）での高マンガン鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は２１０ｍ／ｍｉｎ）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８に示した。
表６〜８に示される結果から、本発明被覆サーメット工具１〜１３は、いずれも硬質被覆層の表面層が、Σ３の分布割合が６０％以上の構成原子共有格子点分布グラフを示す改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層で構成され、前記改質（Ｃｒ，Ｚｒ）2Ｏ3層は、すぐれた潤滑性と高温強度を有することから、上記の粘性の高い難削材の高い高熱発生を伴う高速切削加工でも、切刃部に切粉が溶着しないすぐれた潤滑性が長期に亘って持続され、この結果硬質被覆層のチッピング発生が防止され、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の表面層が、Σ３の分布割合が３０％以下の構成原子共有格子点分布グラフを示す従来Ｃｒ2Ｏ3層で構成された比較被覆サーメット工具１〜１３においては、いずれも上記の高速切削加工では、表面層の従来Ｃｒ2Ｏ3層が、潤滑性を有するものの、高温強度不足が原因で、早期に摩滅し、前記従来Ｃｒ2Ｏ3層の存在しない状態で切削加工が行なわれるようになるので、切削加工開始後、短時間で硬質被覆層にチッピングが発生し、これが原因で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆サーメット工具は、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特に粘性の高い難削材の高い高熱発生を伴う高速切削加工でも、すぐれた耐チッピング性を示し、長期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)
- 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、
（ａ）下部層として、炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、炭酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる、表面被覆サーメット製切削工具において、
上記硬質被覆層の表面層として、２〜１０μｍの平均層厚を有し、かつＣｒの一部をＣｒとの合量に占める割合で１〜５原子％のＺｒで置換含有してなると共に、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にＣｒとＺｒと酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方最密晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ただし、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４、および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で現した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークが存在し、かつ前記Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が６０％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示すＺｒ含有改質Ｃｒ系酸化物層、
を蒸着形成してなる、難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。
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