JP2000334605A - 硬質被覆層がすぐれた熱遮断性および層間密着性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
硬質被覆層がすぐれた熱遮断性および層間密着性を有する表面被覆超硬合金製切削工具Info
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Abstract
着性を有する表面被覆超硬合金製切削工具を提供する。 【解決手段】 表面被覆超硬合金製切削工具が、WC基
超硬合金基体の表面に、1〜20μmの平均厚さを有す
るTi化合物層と、0.5〜20μmの平均厚さを有す
るAl2 O3 相とZrO2 相の2相混合組織を有し、
0.1〜5μmの平均厚さを有する主体がTi2 O3 か
らなり、Ti化合物層と2相混合酸化物層との間に、T
i2 O3 主体層を介在させた層構造をもった硬質被覆層
を3〜30μmの全体平均層厚で化学蒸着および/また
は物理蒸着により形成する。
Description
ぐれた熱遮断性を有し、これによって切刃部の特に高温
での温度上昇が抑制され、さらに硬質被覆層がすぐれた
層間密着性も具備することから、特に高い熱発生を伴う
高速切削を連続切削は勿論のこと、断続切削条件で行っ
た場合にも硬質被覆層に剥離の発生なく、長期に亘って
すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工
具(以下、被覆超硬工具という)に関するものである。
03号公報、特開平6−316758号公報、および特
開平7−216549号公報などに記載されるように、
炭化タングステン基超硬合金基体(以下、超硬基体とい
う)の表面に、いずれも0.1〜20μmの平均層厚を
有する、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、T
iCOで示す)層、窒酸化チタン(以下、TiNO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種または2種以上からなるTi化合物
層と、0.5〜20μmの平均層厚を有する酸化アルミ
ニウム(以下、Al2 O3 で示す)層とで構成された硬
質被覆層を3〜30μmの全体平均層厚で化学蒸着およ
び/または物理蒸着してなる被覆超硬工具が知られてお
り、またこの被覆超硬工具が鋼や鋳鉄などの連続切削や
断続切削に用いられることも知られている。また、一般
に上記の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するTi化合
物層およびAl2 O3 層が粒状結晶組織を有し、かつ前
記Al2 O3 層にはα型結晶構造をもつものやκ型結晶
構造をもつものなどがあることも良く知られており、さ
らに例えば特開平6−8010号公報や特開平7−32
8808号公報などで知られるように、前記Ti化合物
層を構成するTiCN層を、層自身の靭性向上を目的と
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行われている。
の高性能化および高出力化はめざましく、かつ切削加工
の省力化および低コスト化に対する要求も強く、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
覆超硬工具においては、これを高熱発生を伴う高速切削
に用いた場合、硬質被覆層のうちのAl2 O3 層はTi
化合物層に比して相対的に高温熱伝導率が小さく、この
ため切刃部の温度上昇をある程度抑制する熱遮断効果を
発揮するが、熱発生の大きい高速切削では十分満足な熱
遮断効果を示すものではなく、この結果切刃部全体の温
度上昇は避けられず、これが原因で摩耗が急速に進行
し、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
上述のような観点から、被覆超硬工具の硬質被覆層に一
段とすぐれた熱遮断作用を付与すべく研究を行った結
果、 (1)上記従来被覆超硬工具の硬質被覆層において、こ
れを構成するAl2 O 3 層に代わって、オージェ電子分
光分析装置による観察で、Al2 O3 相と酸化ジルコニ
ウム(以下、ZrO2 で示す)相の2相混合組織を有
し、かつ前記ZrO2 相の割合が前記Al2 O3 相との
合量に占める割合で0.1〜40重量%を満足する2相
混合酸化物層を用いると、この2相混合酸化物層は、A
l2 O3 のもつすぐれた耐熱性と強度を具備した上で、
前記ZrO2 相によって高温熱伝導率が一段と低下した
ものになり、この結果すぐれた熱遮断性を発揮すること
から、切刃部の温度上昇が著しく抑制され、摩耗進行も
同時に抑制されるようになること。 (2)上記2相混合酸化物層は、化学蒸着法または物理
蒸着法を用い、 反応ガス組成(容量%で、以下同じ)−AlCl3 :1
〜10%、ZrCl4:0.01〜10%、CO2 :1
〜30%、HCl:1〜30%、H2 S:0.01〜1
%、H2 :残、 雰囲気温度:850〜1050℃、 雰囲気圧力:30〜500Torr、 の条件で形成することができること。
層であるTi化合物層との層間密着性に劣るが、同じく
オージェ電子分光分析装置による観察で、主体が三酸化
二チタン(以下、Ti2 O3 で示す)からなり、かつ酸
素(O)以外の非金属元素として炭素(C)および窒素
(N)を、合量で、O(酸素)との合量に占める割合で
1〜20原子%含有するTi2 O3 主体層、すなわちC
とNがTi2 O3 を形成するOとの合量に占める割合
で、合量で1〜20原子%含有し、残りが実質的にTi
2 O3 [微量のCl(塩素)を不可避不純物として含有
する場合がある]からなるTi2 O3 主体層は、Ti化
合物層および上記2相混合酸化物層の両層と著しく強固
に密着する性質をもち、かつCおよびNの含有によって
層自体の強度も向上したものになること。 (4)上記Ti2 O3 主体層は、化学蒸着法または物理
蒸着法を用い、 反応ガス組成(容量%で、以下同じ)−TiCl4 :
0.5〜10%、Ar:1〜30%、CO:0.5〜5
%、CO2 :0.5〜10%、N2 :1〜40%、H
2 :残り、 雰囲気温度:800〜1100℃、 雰囲気圧力:30〜500Torr、 の条件で形成することができること。
も化学蒸着法および/または物理蒸着法を用いて形成し
た上記Ti化合物層、上記2相混合酸化物層、および上
記Ti2 O3 主体層で構成し、かつ前記Ti化合物層と
前記2相混合酸化物層との間に、層間密着性を向上させ
る目的で前記Ti2 O3 主体層を介在させた層構造とし
た被覆超硬工具は、前記2相混合酸化物層がAl2 O3
層と同等のすぐれた耐熱性および強度を具備した上で、
これより一段と低い高温熱伝導率をもち、この結果すぐ
れた熱遮断作用を発揮し、切刃部の温度上昇を抑制する
ことから、例えば鋼や鋳鉄の高い熱発生を伴う連続高速
切削は勿論のこと、さらに高熱発生に加えて高い熱衝撃
も加わる断続高速切削に用いた場合にも、前記Ti2 O
3 主体層が前記2相混合酸化物層および前記Ti化合物
層と著しく強固に密着することと相まって、硬質被覆層
に剥離の発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発
揮すること。以上(1)〜(5)に示される研究結果を
得たのである。
されたものであって、超硬基体の表面に、いずれも0.
1〜20μmの平均層厚を有する、TiC層、TiN
層、TiCN層、TiCO層、TiNO層、およびTi
CNO層のうちの1種または2種以上からなるTi化合
物層と、0.5〜20μmの平均層厚を有する、オージ
ェ電子分光分析装置による観察で、Al2 O3 相とZr
O2 相の2相混合組織を有し、かつ前記ZrO2 相の割
合が前記Al2 O3 相との合量に占める割合で0.1〜
40重量%を満足する2相混合酸化物層と、0.1〜5
μmの平均層厚を有する、同じくオージェ電子分光分析
装置による観察で、主体がTi2 O3 からなり、かつO
以外の非金属元素としてCおよびNを、合量で、Oとの
合量に占める割合で1〜20原子%含有するTi2 O3
主体層、で構成され、かつ前記Ti化合物層と前記2相
混合酸化物層との間に、前記Ti 2 O3 主体層を介在さ
せた層構造をもった硬質被覆層を3〜30μmの全体平
均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してなる、硬
質被覆層がすぐれた熱遮断性および層間密着性を有する
被覆超硬工具に特徴を有するものである。
覆層を構成する2相混合酸化物層、Ti2 O3 主体層、
およびTi化合物層について説明する。 (a)2相混合酸化物層 2相混合酸化物層は、上記の通り高温熱伝導率がAl2
O3 層に比して一段と低く、かつAl2 O3 層と同等の
すぐれた耐熱性と強度を合わせもち、前記の高温熱伝導
率の低下はZrO2 相、前記耐熱性と強度はAl2 O3
相によってそれぞれもたらされるものである。したがっ
て、ZrO2 相の割合がAl2 O3 相との合量に占める
割合で0.1重量%未満では所望の高温熱伝導率低下が
図れず、一方その割合が同じく40重量%を越えると相
対的にAl2 O3 相の割合が低くなり過ぎて耐熱性およ
び強度が急激に低下するようになることから、ZrO2
相の割合をAl2 O3 相との合量に占める割合で0.1
〜40重量%、望ましくは1〜15重量%、さらに望ま
しくは2〜6重量%と定めた。また、上記2相混合酸化
物層の平均層厚を0.5〜20μmとしたのは、その厚
さが0.5μm未満では2相混合酸化物層のもつ上記の
特性を十分に発揮することができず、一方その厚さが2
0μmを越えると、切刃に欠けやチッピング(微小欠
け)が発生し易くなるという理由によるものである。
を向上させる作用があるが、その含有量がOとの合量に
占める割合で1原子%未満では所望の強度向上効果が得
られず、一方その含有量が同じく20原子%を越える
と、Ti2 O3 のもつすぐれた層間密着性が損なわれる
ようになることから、その含有量を1〜20原子%と定
めた。なお、この場合、Ti2 O3 主体層中のCとNの
含有割合は、反応ガス中のCO、CO2 、Ar、および
N2 の含有割合を調整することによって制御でき、また
CとNの相互割合は、CO、CO2 、およびN2 の相互
割合を調整することによって制御できるが、CとNは共
に層自体の強度向上に均等作用を発揮するので、合量で
1〜20原子%の範囲内の所定含有割合であれば、Cが
Nに比して相対的に多くても、逆にCがNに比して少な
くても前記強度向上効果に変りはないことから、Cおよ
びNの含有量を合量で1〜20原子%としたのである。
また、上記Ti2 O3 主体層の平均層厚を0.1〜5μ
mとしたのは、その厚さが0.1μm未満では2相混合
酸化物層およびTi化合物層との間に所望のすぐれた層
間密着性を確保することができず、一方その厚さが5μ
mを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くな
るという理由によるものである。
質被覆層の耐欠損性を向上させる作用があるが、その個
々の平均層厚が0.1μm未満では十分な靭性向上効果
が発揮できず、一方その平均層厚が20μmを越える
と、摩耗が急激に進行するようになることから、その平
均層厚を0.1〜20μmと定めた。なお、硬質被覆層
の全体平均層厚を3〜30μmとしたのは、その全体平
均層厚が3μm未満では、所望の耐摩耗性を確保するこ
とができず、一方その全体平均層厚が30μmを越える
と、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理
由からである。
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0.5〜5μmの範囲内の所定の平均粒径を有す
るWC粉末、(Ti,W)C(重量比で、以下同じ、T
iC/WC=30/70)粉末、(Ti,W)CN(T
iC/TiN/WC=24/20/56)粉末、(T
a,Nb)C(TaC/NbC=90/10)粉末、C
r3 C2 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、ボールミルで7
2時間湿式混合し、乾燥した後、圧粉体にプレス成形
し、この圧粉体を同じく表1に示される条件で真空焼結
することによりISO・CNMG120402(超硬基
体A〜C用)および同SEEN42AFTN1(超硬基
体D、D用)に定める形状をもったスローアウエイチッ
プ型の超硬基体A〜Eをそれぞれ製造した。なお、上記
超硬基体AおよびBには、焼結したままで、表面部に結
合相形成成分であるCo含有量が超硬基体内部に比して
相対的に高いCo富化帯域が形成されており、残りの超
硬基体C、D、およびEには、前記Co富化帯域の形成
がなく、全体的に均質な組織をもつものであった。な
お、表1には、上記超硬基体A〜Eの内部硬さ(ロック
ウエル硬さAスケール)をそれぞれ示した。
に、ホーニングを施した状態で、通常の化学蒸着装置を
用い、表2〜4(表2におけるl−TiCNは、例えば
特開平6−8010号公報に記載される縦長成長結晶組
織をもつたTiCN層に相当するものであり、これ以外
の条件で形成された層はいずれも粒状結晶組織をもつも
のである)に示される条件にて、表5、6に示される目
標組成および目標層厚(切刃の逃げ面)の硬質被覆層を
形成することにより本発明被覆超硬工具1〜12、およ
び従来被覆超硬工具1〜8をそれぞれ製造した。なお、
本発明被覆超硬工具1〜12について、それぞれの切刃
逃げ面を、Cukα線を線源として用いたX線回折で、
X線回折パターンを観察したところ、いずれもTi2 O
3 の回折角(2θ)である24.0±1度、34.5±
1度、61.0±1度、および63.0±1度に回折ピ
ークが現われ、これによってTi 2 O3 主体層は、主体
がTi2 O3 からなることが確認でき、さらに工具縦断
面を鏡面研磨仕上げした状態で、工具すくい面および逃
げ面におけるTi2 O3 主体層のCおよびN含有量、並
びに2相混合酸化物層のZrO2 相の割合を、オージェ
電子分光分析装置を用いて測定したところ、いずれもT
i2 O3 主体層中のC、N、およびOの合量に占めるC
およびNの合量の割合、並びに2相混合酸化物層中のA
l2 O3 相およびZrO2 相の合量に占めるZrO2 相
の割合は表3、4の目標含有量と実質的に同じ値を示し
た。また、硬質被覆層を構成する構成層はいずれも目標
層厚と実質的に同じ平均層厚をもつものであった。
よび従来被覆超硬工具1〜6について、 被削材:JIS・S35C(硬さ:HB 178)の丸
棒、 切削速度:400m/min.、 切込み:3mm、 送り:0.25mm/rev.、 切削時間:7分、 の条件での炭素鋼の乾式高速連続切削試験、並びに、 被削材:JIS・SCM440(硬さ:HB 210)の
角材、 切削速度:300m/min.、 切込み:3.5mm、 0送り:0.2mm/rev.、 切削時間:5分、 の条件での合金鋼の乾式高速断続切削試験を行い、いず
れの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。これ
らの測定結果を表7に示した。また、上記本発明被覆超
硬工具9〜12および従来被覆超硬工具7、8につい
て、 被削材:幅100mm×長さ500mmの寸法をもった
JIS・S25C(硬さ:HB 150)の角材、 切削速度:310m/min.、 切込み:1.8mm、 送り:0.17mm/刃、 切削時間:10分、 の条件での軟鋼の乾式高速フライス切削試験を行い、切
刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果も表7に示
した。
層がTi化合物層、2相混合酸化物層、およびTi2 O
3 主体層からなる本発明被覆超硬工具1〜12は、硬質
被覆層がTi化合物層とAl2 O3 層からなる従来被覆
超硬工具1〜8に比して、高速連続切削ではすぐれた耐
摩耗性を示し、また高速断続切削および高速フライス切
削では、従来被覆超硬工具においては、硬質被覆層を構
成するTi化合物層とAl2 O3 層の層間密着性が不十
分なために比較的短時間で硬質被覆層にいずれも剥離が
発生し、これが原因で使用寿命に至るのに対して、本発
明被覆超硬工具では、硬質被覆層に剥離の発生なく、す
ぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮することが明らかで
ある。上述のように、この発明の被覆超硬工具は、これ
の硬質被覆層がすぐれた熱遮断性を有し、さらにこれの
構成層が相互間ですぐれた層間密着性を有するので、例
えば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、特にこれらの切削を高熱発生を伴う高速
で行っても、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、
したがって切削加工の高速化に十分に対応でき、かつ省
力化にも寄与するものである。
Claims (1)
- 【請求項1】 炭化タングステン基超硬合金基体の表面
に、 (a) いずれも0.1〜20μmの平均層厚を有す
る、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、窒酸化チタン層、および炭窒酸化チタン
層のうちの1種または2種以上からなるTi化合物層
と、 (b) 0.5〜20μmの平均層厚を有し、オージェ
電子分光分析装置による観察で、酸化アルミニウム相と
酸化ジルコニウム相の2相混合組織を示し、かつ前記酸
化ジルコニウム相の割合が前記酸化アルミニウム相との
合量に占める割合で0.1〜40重量%である2相混合
酸化物層と、 (c) 0.1〜5μmの平均層厚を有し、主体が三酸
化二チタンからなり、オージェ電子分光分析装置による
観察で、酸素以外の非金属元素として炭素および窒素
を、合量で、酸素との合量に占める割合で1〜20原子
%含有する三酸化二チタン主体層、で構成され、かつ前
記Ti化合物層と前記2相混合酸化物層との間に、前記
三酸化二チタン主体層を介在させた層構造をもった硬質
被覆層を3〜30μmの全体平均層厚で化学蒸着および
/または物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた熱遮
断性および層間密着性を有する表面被覆超硬合金製切削
工具。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14605699A JP3922330B2 (ja) | 1999-05-26 | 1999-05-26 | 硬質被覆層がすぐれた熱遮断性および層間密着性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 |
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JP14605699A JP3922330B2 (ja) | 1999-05-26 | 1999-05-26 | 硬質被覆層がすぐれた熱遮断性および層間密着性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 |
Publications (2)
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JP2000334605A true JP2000334605A (ja) | 2000-12-05 |
JP3922330B2 JP3922330B2 (ja) | 2007-05-30 |
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Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3922330B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010082741A (ja) * | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp | 表面被覆切削工具 |
JP2010082740A (ja) * | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp | 表面被覆切削工具 |
-
1999
- 1999-05-26 JP JP14605699A patent/JP3922330B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010082741A (ja) * | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp | 表面被覆切削工具 |
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JP2001062603A (ja) | 断続重切削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炭化タングステン基超硬合金製切削工具 |
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