JP2001219305A - 耐摩耗性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐摩耗性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削
工具を提供する。 【解決手段】 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、
ＴｉとＡｌの複合窒化物層および複合炭窒化物層のうち
の１種の単層または２種の複層からなる強靭性被覆層を
０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる表面被
覆超硬合金製切削工具において、さらにこれの表面に、
０．１〜１０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの複合
炭酸化物層および複合炭窒酸化物層のうちの１種の単層
または２種の複層からなる密着性中間被覆層を介して、
酸化アルミニウムのもつ結晶構造を保持したままで、Ａ
ｌの一部をＡｌとの合量に占める割合で０．０１〜１０
原子％のＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種または２
種以上で置換固溶してなる酸化アルミニウム主体層から
なる耐摩耗性被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物
理蒸着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、すぐれた耐摩耗
性を有し、したがって例えば鋼の連続切削や断続切削で
長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆超硬
合金製切削工具（以下、被覆超硬切削工具と云う）に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に、例えば図１に概略説明図
で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレ
ーティング装置を用い、ヒータで装置内を例えば７００
℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を
有するＴｉ−Ａｌ合金がセットされたカソード電極（蒸
発源）との間にアーク放電を発生させ、同時に装置内に
反応ガスとして窒素ガス、または窒素ガスとメタンガス
を導入し、一方炭化タングステン（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）基サーメットからなる工具基体（以下、これらを総
称して超硬工具基体と云う）には、例えば−１２０Ｖの
バイアス電圧を印加した条件で、前記超硬工具基体の表
面に、例えば特開昭６２−５６５６５号公報に記載され
るように、ＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａ
ｌ）Ｎで示す］層および複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，
Ａｌ）ＣＮで示す］層のうちの１種の単層または２種の
複層からなる強靭性被覆層を０．５〜１５μｍの平均層
厚で物理蒸着することにより製造された被覆超硬切削工
具が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削加工
のＦＡ化および高速化はめざましく、かつ切削加工の省
力化および省エネ化に対する要求もつよく、これに伴
い、切削工具には使用寿命の延命化が強く望まれている
が、上記の従来被覆超硬切削工具の場合、これを構成す
る（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層から
なる強靭性被覆層はすぐれた強度および靭性を有し、良
好な耐チッピング性（工具切刃に微小欠けが発生しにく
い性質）を示すものの、耐摩耗性が十分でないために、
比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、上記の従来被覆超硬切削工具の
耐摩耗性向上を図るべく、特にこれを構成する硬質被覆
層に着目し、研究を行なった結果、 （ａ）物理蒸着法により形成された通常のＡｌ₂ Ｏ₃被
覆層は、耐熱性にすぐれ、かつ高硬度を有することか
ら、耐摩耗性向上を図る上で望ましいものであるが、前
記Ａｌ₂ Ｏ₃被覆層は上記の従来被覆超硬切削工具を構
成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層
との密着性に劣るものであることから、前記従来被覆超
硬切削工具の表面に前記Ａｌ₂ Ｏ₃被覆層を形成してな
る被覆超硬切削工具においては、特に工具切刃に高い負
荷のかかる断続切削を高切込みや高送りなどの重切削条
件で行った場合に前記Ａｌ₂ Ｏ₃被覆層に剥離が発生し
易く、実用に供することができないこと。

【０００５】（ｂ）上記の従来被覆超硬切削工具を構成
する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層の
表面に、まず、ＴｉとＡｌの複合炭酸化物［以下、（Ｔ
ｉ，Ａｌ）ＣＯで示す］層および／またはＴｉとＡｌの
複合炭窒酸化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯで示す］
層を物理蒸着し、この上に、Ａｌよりイオン半径の著し
く大きいＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆ、すなわちイオン半径
が０．５７オングストロームのＡｌに対して、それぞれ
イオン半径が０．７６オングストロームのＴｉ、同０．
８７オングストロームのＺｒ、および同０．８４オング
ストロームのＨｆのうちの１種または２種以上を、Ａｌ
₂ Ｏ₃ の結晶構造におけるＡｌ原子の一部をＡｌとの合
量に占める割合で０．０１〜１０原子％、望ましくは
０．０２〜５原子％の割合で置換した形で固溶含有して
なるＡｌ ₂ Ｏ₃ 主体層を物理蒸着させると、この結果の
Ａｌ₂ Ｏ₃のもつ結晶構造を保持したままのＡｌ₂ Ｏ₃
主体層は、大きなイオン半径差による格子内歪みの著し
い増大によって、通常の物理蒸着形成したＡｌ₂ Ｏ₃被
覆層が層厚にも影響されるが０．２〜０．８ＧＰａの圧
縮残留応力をもつのに対して、１．２〜３ＧＰａの圧縮
残留応力をもつようになり、このように圧縮残留応力の
きわめて高いＡｌ₂ Ｏ₃ 主体層は上記（Ｔｉ，Ａｌ）
ＣＯ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ層に著しく強固に密
着し、かつＡｌ₂ Ｏ₃の具備する特性をそのまま保持
し、一方前記（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＯ層および（Ｔｉ，Ａ
ｌ）ＣＮＯ層は前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，
Ａｌ）ＣＮ層に対する密着性にすぐれたものであるか
ら、前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ
層の表面に、さらに前記（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＯ層および
（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ層を介して前記Ａｌ₂ Ｏ₃ 主体層
を物理蒸着してなる被覆超硬切削工具は、例えば鋼の断
続切削を、特に工具切刃に高い負荷のかかる高切込みや
高送りなどの重切削条件で行っても前記Ａｌ₂ Ｏ₃ 主体
層に剥離の発生なく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を
発揮するようになること。以上（ａ）および（ｂ）に示
される研究結果を得たのである。

【０００６】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、超硬工具基体の表面に、（Ｔ
ｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層のうちの１
種の単層または２種の複層からなる強靭性被覆層を０．
５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬切
削工具において、上記強靭性被覆層の表面に、さらに
０．１〜１０μｍの平均層厚を有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｃ
Ｏ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ層のうちの１種の単層
または２種の複層からなる密着性中間被覆層を介して、
Ａｌ₂ Ｏ₃のもつ結晶構造を保持したままで、Ａｌの一
部をＡｌとの合量に占める割合で０．０１〜１０原子％
のＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種または２種以上
で置換固溶してなるＡｌ₂ Ｏ₃主体層からなる耐摩耗性
被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してな
る、耐摩耗性のすぐれた被覆超硬切削工具に特徴を有す
るものである。

【０００７】なお、この発明の被覆超硬切削工具におい
て、これを構成する強靭性被覆層、密着性中間被覆層、
および耐摩耗性被覆層の平均層厚を上記の通りに限定し
た理由を説明する。 （ａ）強靭性被覆層 その平均層厚が０．５μｍ未満では所望のすぐれた強靭
性を確保することができず、この結果切刃に欠けやチッ
ピング（微小欠け）が発生し易くなり、一方その層厚が
１５μｍを越えると切削時に発生する高熱によって熱塑
性変形を起し、切刃に偏摩耗が発生し、これが原因で摩
耗進行が急激に促進されるようになることから、その平
均層厚を０．５〜１５μｍと定めた。 （ｂ）密着性中間被覆層 その平均層厚が０．１μｍ未満では、上記の強靭性被覆
層と耐摩耗性被覆層との間に強固な密着性を確保するこ
とができず、一方その平均層厚が１０μｍを越えると、
物理蒸着被覆層全体の脆化を促進し、切刃に欠けやチッ
ピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．
１〜１０μｍと定めた。 （ｃ）耐摩耗性被覆層 その平均層厚が０．５μｍ未満では所望のすぐれた耐摩
耗性を確保することができず、一方その平均層厚が１５
μｍを越えると切刃に欠けやチッピングが発生し易くな
ることから、その平均層厚を０．５〜１５μｍと定め
た。

【０００８】また、上記耐摩耗性被覆層におけるＡｌの
Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆによる置換含有割合を０．０１
〜１０原子％としたのは、その含有割合が０．０１原子
％未満では前記耐摩耗性被覆層に上記密着性中間被覆層
との間に十分な密着性を確保することのできる圧縮残留
応力を形成することができず、一方その含有割合が１５
原子％を越えると圧縮残留応力が大きくなりすぎて自己
破壊を起こし易くなるという理由にもとづくものであ
る。さらに、上記耐摩耗性被覆層の上に、必要に応じて
ＴｉＮ層を０．１〜２μｍの平均層厚で形成してもよ
く、これはＴｉＮ層が黄金色の色調を有し、この色調に
よって切削工具の使用前と使用後の識別が容易になると
いう理由からで、この場合その層厚が０．１μｍ未満で
は前記色調の付与が不十分であり、一方前記色調の付与
は２μｍまでの平均層厚で十分である。

【０００９】

【発明の実施の形態】ついで、この発明の被覆超硬切削
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、Ｎｂ
Ｃ粉末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 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、ボールミルで７２時間湿式混合
し、乾燥した後、１．５×１０⁸Ｐａの圧力で圧粉体に
プレス成形し、この圧粉体を真空中、温度：１４００℃
に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：
０．０５のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＳＰＧ
Ａ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製
の超硬工具基体Ａ１〜Ａ８を形成した。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Ｔ
ｉＣＮ（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、９．８×１０
⁷Ｐａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を
１．３×１０³Ｐａ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：
０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭ
Ｇ１２０４０６のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメ
ット製の超硬工具基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。

【００１０】ついで、これら超硬工具基体Ａ１〜Ａ８お
よびＢ１〜Ｂ６を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥し
た状態で、それぞれ図１に示されるアークイオンプレー
ティング装置に装入し、一方カソード電極（蒸発源）と
して種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、
装置内を排気して１．３×１０^-3Ｐａの真空に保持しな
がら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒ
ガスを装置内に導入して２．５ＰａのＡｒ雰囲気とし、
この状態で超硬工具基体に−８００ｖのパルスバイアス
電圧を印加して超硬工具基体表面をＡｒガスボンバート
洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガス、また
は窒素ガスとメタンガスを導入して２．５Ｐａの反応雰
囲気とすると共に、前記超硬工具基体に印加するパルス
バイアス電圧を−２００ｖに下げて、前記カソード電極
とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって
前記超硬工具基体Ａ１〜Ａ８およびＢ１〜Ｂ６のそれぞ
れの表面に、表３、４に示される目標組成および目標層
厚の強靭性被覆層を形成することにより従来被覆超硬工
具基体１〜２２をそれぞれ製造した。

【００１１】ついで、これら従来被覆超硬切削工具１〜
２２のそれぞれの表面に、同じく図１のアークイオンプ
レーティング装置にて、カソード電極（蒸発源）とし
て、密着性中間被覆層形成には種々の成分組成をもった
Ｔｉ−Ａｌ合金、また耐摩耗性被覆層形成にはＴｉ、Ｚ
ｒ、およびＨｆのうちの１種または２種以上を所定量含
有したＡｌ−（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）合金を装着し、装置
内を排気して１．３×１０^-3Ｐａの真空に保持しなが
ら、ヒーターで装置内を６２０〜７２０℃の範囲内の所
定の温度に加熱した状態で、超硬基体に印加するパルス
バイアス電圧を−７００Ｖとし、ついで装置内に反応ガ
スとして、密着性中間被覆層形成にはメタンガスと酸素
ガス、あるいはメタンガスと窒素ガスと酸素ガス、また
耐摩耗性被覆層形成には酸素ガスを導入しながら、前記
カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生
させ、もって表５〜８に示される目標組成および目標層
厚の密着性中間被覆層および耐摩耗性被覆層を形成する
ことにより本発明被覆超硬切削工具１〜２２をそれぞれ
製造した。

【００１２】上記本発明被覆超硬切削工具１〜２２の耐
摩耗性被覆層を構成するＡｌ₂ Ｏ₃主体層におけるＴ
ｉ、Ｚｒ、およびＨｆの含有量を、エネルギー分散型Ｘ
線測定装置を用いて定量分析したところ、表７、８の目
標含有量と実質的に同じ含有量を示し、また前記Ａｌ₂
Ｏ₃ 主体層の圧縮残留応力をＸ線応力測定法を用いて測
定したところ、同じく表７、８に示される結果を示し
た。さらに各種被覆層の組成および層厚についてもオー
ジェ分光分析法および光学顕微鏡にて測定したところ、
表３〜８の目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成
および平均層厚（任意５ヶ所測定の平均値との比較）を
示した。

【００１３】ついで、この結果得られた各種の被覆超硬
切削工具のうち、本発明被覆超硬切削工具１〜１６およ
び従来被覆超硬切削工具１〜１６について、被削材：Ｊ
ＩＳ・Ｓ５０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、 切削速度：３００ｍ／min.、 送り：０．３ｍｍ／rev.、 切込み：３．０ｍｍ、 切削時間：１０分、 の条件での炭素鋼の乾式断続高切込み切削試験、およ
び、被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の長さ方向等間隔４
本縦溝入り丸棒、 切削速度：２８０ｍ／min.、 送り：０．４２ｍｍ／rev.、 切込み：１．５ｍｍ、 切削時間：１０分、 の条件での合金鋼の乾式断続高送り切削試験を行ない、
また本発明被覆超硬切削工具１７〜２２および従来被覆
超硬切削工具１７〜２２については、被削材：ＪＩＳ・
Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、 切削速度：４２０ｍ／min.、 送り：０．３ｍｍ／rev.、 切込み：３．０ｍｍ、 切削時間：１０分、 の条件での炭素鋼の乾式断続高切込み切削試験、およ
び、被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の長さ方向等間隔
４本縦溝入り丸棒、 切削速度：３５０ｍ／min.、 送り：０．４５ｍｍ／rev.、 切込み：１．５ｍｍ、 切削時間：１０分、 の条件での合金鋼の乾式断続高送り切削試験を行ない、
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。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】

【表３】

【００１７】

【表４】

【００１８】

【表５】

【００１９】

【表６】

【００２０】

【表７】

【００２１】

【表８】

【００２２】

【表９】

【００２３】

【発明の効果】表３〜９に示される結果から、本発明被
覆超硬切削工具１〜２２は、いずれも耐摩耗性被覆層を
構成するＡｌ₂ Ｏ₃ 主体層がＡｌに比してイオン半径の
著しく大きいＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種以上
を置換含有し、これによって著しく高い圧縮残留応力を
保持するようになって、密着性中間被覆層を構成する
（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＯ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ層に
強固に密着し、一方前記密着性中間被覆層は上記の強靭
性被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，
Ａｌ）ＣＮ層に対しも強固に密着するので、鋼の断続切
削を高切込みおよび高送りの重切削条件で行っても前記
Ａｌ₂ Ｏ₃ 主体層に剥離の発生なく、すぐれた耐摩耗性
を発揮するのに対して、従来被覆超硬切削工具１〜２２
は、いずれもこれの強靭性被覆層の耐摩耗性不足が原因
で、上記のような苛酷な条件下では摩耗進行が速いこと
が明らかである。上述のように、この発明の被覆超硬切
削工具は、耐摩耗性被覆層を構成するＡｌ₂ Ｏ₃ 主体層
のもつすぐれた耐摩耗性および密着性中間被覆層に対す
るすぐれた密着性、さらに超硬工具基体と強靭性被覆
層、並びに強靭性被覆層と密着性中間被覆層との間に確
保される良好な密着性によって、通常の条件での各種鋼
の連続切削および断続切削は勿論のこと、きわめて苛酷
な切削条件である断続切削を高切り込みおよび高送りの
重切削条件で行っても前記Ａｌ₂ Ｏ₃ 主体層に剥離の発
生なく、かつ切刃に欠けやチッピングの発生もなく、す
ぐれた耐摩耗性を示し、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】アークイオンプレーティング装置の概略説明図
である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年４月１０日（２０００．４．１
０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】また、上記耐摩耗性被覆層におけるＡｌの
Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆによる置換含有割合を０．０１
〜１０原子％としたのは、その含有割合が０．０１原子
％未満では前記耐摩耗性被覆層に上記密着性中間被覆層
との間に十分な密着性を確保することのできる圧縮残留
応力を形成することができず、一方その含有割合が１０
原子％を越えると圧縮残留応力が大きくなりすぎて自己
破壊を起こし易くなるという理由にもとづくものであ
る。さらに、上記耐摩耗性被覆層の上に、必要に応じて
ＴｉＮ層を０．１〜２μｍの平均層厚で形成してもよ
く、これはＴｉＮ層が黄金色の色調を有し、この色調に
よって切削工具の使用前と使用後の識別が容易になると
いう理由からで、この場合その層厚が０．１μｍ未満で
は前記色調の付与が不十分であり、一方前記色調の付与
は２μｍまでの平均層厚で十分である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、
   ＴｉとＡｌの複合窒化物層および複合炭窒化物層のうち
   の１種の単層または２種の複層からなる強靭性被覆層を
   ０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる表面被
   覆超硬合金製切削工具において、 上記強靭性被覆層の表面に、さらに０．１〜１０μｍの
   平均層厚を有するＴｉとＡｌの複合炭酸化物層および複
   合炭窒酸化物層のうちの１種の単層または２種の複層か
   らなる密着性中間被覆層を介して、 酸化アルミニウムのもつ結晶構造を保持したままで、Ａ
   ｌの一部をＡｌとの合量に占める割合で０．０１〜１０
   原子％のＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの１種または２
   種以上で置換固溶してなる酸化アルミニウム主体層から
   なる耐摩耗性被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物
   理蒸着したことを特徴とする耐摩耗性のすぐれた表面被
   覆超硬合金製切削工具。