JP2001521991A - 耐摩耗性が高く、靭性挙動が良好な超硬合金体 - Google Patents

耐摩耗性が高く、靭性挙動が良好な超硬合金体

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Abstract

(57)【要約】 鋼及び特にCa処理した鋼を旋削加工することを意図したAl2O3-TiN 被覆超硬合金インサートを提供する。アルミナ層は、著しく厚い多層のTiN 被膜で保護される。TiN 被膜は湿式ブラスト処理され、この目的のため、(Ti,Al)(C,O,N)は、下にあるAl2O3 層に結合していて、そのAl2O3 層は好ましくはα-Al2O3からなる。増大した耐摩耗性と共に著しく靭性のある挙動は、TiN 層の厚み、組織、及び付着性を最適化し、またこのTiN 被膜を湿式ブラスト処理することにより得られる。本発明は、被覆層がインサートの切れ刃において取り除かれていないことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 アルミニウム酸化物を被覆した超硬合金切削工具は、工業的に用いられるよう
になって15年以上経過し、今日では鋳鉄及び鋼の旋削加工及びフライス加工に一
般的に使用される。
【０００２】 Al2O3 被膜は、超硬合金基材上に単層又は多層でTiC,TiN 又はTi(C,N) の中間
層を付与した後に化学的気相成長(CVD) により通常形成される。中間層を用いる
代わりに、超硬合金基材は、Al2O3 を堆積する前に、γ炭化物相、すなわちチタ
ン、タンタル、ニオブ、及びタングステンの立方晶炭化物の固溶体で富化するこ
とができる。中間層へのアルミナの付着性を高めるために、通常結合層(bonding
layer) といわれる１又は複数の介在層(interlayer)が、中間層とアルミナ層と
の間に施される。その上、アルミナ被膜自体は多層として堆積することもできる
。従って多くの被膜の組合せが存在する。
【０００３】 CVD アルミナ層は通常、純κ-Al2O3、κ-Al2O3とα-Al2O3の混合物、又は純α
-Al2O3からなる。TiN 層は、通常アルミナ層の上に形成される。TiN 層は通常、
比較的薄く（１〜２μm)、主に工具に美しい外観、いわゆる「金色」を与えるた
めに用いられる。例えば、米国特許第4,984,940 号において仕上げ層といわれて
いるTiN 層は、低摩擦面を形成し、被膜上への金属の蓄積を低減するために用い
られる。従って、この場合のTiN は、比較的薄く、約２μm 以下であり、４μm
よりかなり小さいが、この特許では0.2 〜４μm であると開示されている。
【０００４】 アルミナで被覆した金色のインサートに加えて、黒色のインサート、すなわち
TiN の最上部被膜を用いないアルミナ被膜が、市場で存在し、実際工業的に成功
している。これらのインサートは、欠け(chipping)耐性及び表面仕上げを高める
ために、よく湿式ブラスト処理される。湿式ブラスト処理は、主に以下の２つの
理由でアルミナ被膜に直接行う必要があると、以前から考えられている。
【０００５】 １）アルミナ層上に堆積したTiN 層は、湿式ブラスト処理の効果を低下するも
のと考えられること。 ２）TiN 被覆したアルミナインサートを湿式ブラスト処理することは、TiN と
アルミナとの間の付着性の低さにより、量産規模で制御できない。この理由で、
市場には湿式ブラスト処理したTiN 被覆したインサート、又はAl2O3-TiN 被覆し
たインサートは存在しなかった。
【０００６】 従って、TiN 被覆したアルミナインサートは、通常、欠け耐性及び切れ刃の強
度を高めるためにブラッシングされる。TiN 被覆した（金色の）アルミナインサ
ートをブラッシングすることにより、切れ刃に沿って黒色の線が生じる（TiN 層
が摩滅した部分）。 本発明の目的及び要約 本発明の目的は、従来技術の問題を回避又は軽減することである。
【０００７】 本発明の更なる目的は、高い耐摩耗性及び靭性挙動が優れたAl2O3 被覆超硬合
金切削工具を提供することである。 本発明の１つの態様においては、超硬合金の基材と、Al2O3 の層と、少なくと
も４μm の厚みの湿式ブラスト処理したTiN の外側層とを含む被覆超硬合金体が
提供される。
【０００８】 本発明の別の態様においては、超硬合金切削インサートを用いてCa処理した鋼
を切削する方法を提供し、その改良点が、超硬合金の基材と、Al2O3 の層と、少
なくとも４μm の厚みの湿式ブラスト処理したTiN の外側層とを含む被覆超硬合
金体の切削インサートを使用することを含む。 本発明の好ましい実施態様の詳細な説明 アルミナ層上に堆積した厚い（４μm 以上）TiN 層により、鋼におけるインサ
ートの切削性能が従来技術の製品の数百パーセント改善されることが明かとなっ
た。特に著しい効果はCa処理した鋼で得ることができる。逃げ面摩耗耐性が特に
改善できる。
【０００９】 湿式ブラスト処理を、欠け耐性を損なうことなくTiN 層に行うことができるこ
とも明かとなった。この目的のため、TiN 層の付着性を高める必要があり、TiN
層自体を多層にする必要がある。 本発明によると、多層の被覆超硬合金が形成される。図1a,1b 及び1cに示した
ように、被膜は３つの主な層、 １）少なくとも４μm の厚みを有するTi(C,N) の内側層10、 ２）少なくとも６μm の厚みを有するAl2O3 の中間層12、及び ３）少なくとも４μm 、好ましくは４μm 以上の厚みを有する多層TiN/TiC の
外側層14 からなる。
【００１０】 このTiN/TiC 多層は、厚みのあるアルミナ層上に施したTiN を主とする比較的
厚い多層であることを特徴とする。TiN とAl2O3 の良好な効果をこのように組み
合わせることが重要であることが明らかになり、すなわち、アルミナ層は「活性
」層として考慮されるだけでなく、またTiN 層は「仕上げ」層として堆積される
のではない。
【００１１】 以下の実施例に示したように、この製品は従来技術の製品と比較して鋼の切削
において優れた性能を示す。Ca処理した鋼を切削する際に、TiN/TiC 多層は特に
重要になる。TiN/TiC 多層直下のアルミナ層は、高速の切削での塑性変形を低減
する、熱障壁としても重要である。 内側層10は、超硬合金基材８上に直接堆積され、内側層はTiC,Ti(C,N),TiN,Ti
(C,O) 又はTi(C,O,N) の層の少なくとも１つである。この層は、Ti(C,N) とAl2O 3 との界面にコバルトが輸送されるのを回避するため、この層に挿入されるTiC
又はTiN の薄い中間層を伴った、Ti(C,O,N) 及びTi(C,N) が好ましい。この層の
厚みは４〜10μm 、好ましくは５〜6.5 μm である。
【００１２】 外側層14は、アルミニウム酸化物の中間層12上に堆積した、多層TiN-TiC 被膜
である。この層14は、再核生成(renucleation)により結晶粒を微細化するために
多層にする必要がある。単一のTiN 層では、比較的大きいTiN 結晶粒が形成され
、湿式ブラスト処理により十分な特性が得られない。 この外側層は、薄い0.01μm 未満のTi(C,N) 又はTiC 、好ましくはTiC で分割
される、５〜20層、好ましくは６〜10層のTiN からなる。更に、TiN 層に炭素を
添加することが有利であることが明らかになっている。例えば、TiN を堆積する
際に２層ごとに１％以下のCHy を反応ガスに添加することができる。成長速度の
増大及び更なる結晶粒の微細化を得ることができる（図６）。
【００１３】 TiN 多層の全厚みは、４〜15μm 、好ましくは４〜６μm である。第１の多層
は、α-Al2O3上の(Ti,Al)(C,O,N)結合層上に堆積する場合には、好ましくはTiN
の代わりに純TiC である。 中間層はアルミニウム酸化物である。アルミナ層は純(100％) α-Al2O3又は純
(100％) κ-Al2O3のいずれかである必要がある。TiN 多層を堆積する際のκ相か
らα相への変態によりAl2O3 とTiN との界面に高い応力を生じるため、及び従っ
てTiN 層の付着性を弱くするため、アルミナ相の純度は重要である。アルミナ層
の厚みは、６〜20μm 、好ましくは８〜12μm であるべきである。米国特許第5,
137,774 号に開示されているように、鋳鉄における性能が良好であるため、好ま
しくはα-Al2O3からなるべきである。
【００１４】 しかしながら、TiN,TiC 及びTi(C,N) は、α-Al2O3層に直接堆積したときには
付着性が十分でなく、κ-Al2O3層18に直接堆積したときには付着性が良好である
。例えばTiN とκ-Al2O3との間の付着性が良好であることは、この界面での結晶
学的方位関係によるものと考えられる。この理由のため、TiN 又はTiC をα-Al2 O3に堆積する場合には、特別な結合層16を用いる必要がある。α-Al2O3は、米国
特許第5,137,774 号に従って変更することもできる。従って、アルミナ層を形成
するための選択が主に３つある。
【００１５】 １）α-Al2O3＋[(Ti,Al)(C,O,N)/TiC]結合層＋多層TiN/TiC （図1a参照）。α
-Al2O3は、米国特許第5,137,774 号に記載されたように形成するか、又は米国特
許第5,635,247 号に記載されたように形成する。 ２）α-Al2O3＋(Ti,Al)(C,O)改質(modification)層＋κ-Al2O3＋多層TiN/TiC
（図1b参照）。α／κの複数種の酸化物(multioxide)は、米国特許第5,137,774
号に従って形成する。α-Al2O3上のκ-Al2O3は0.5 〜1.5 μm であるべきである
。多層TiN/TiC 被膜は、このκ-Al2O3層上に十分な付着性を有して堆積されうる
。
【００１６】 ３）κ-Al2O3＋多層TiN/TiC （図1c参照）。κ-Al2O3層は、米国特許第5,137,
774 号に記載されたように形成でき、又は好ましくは米国特許第5,635,247 号に
記載されたような多層（８×κ-Al2O3）からなるべきである。結合層は必要でな
い。 TiN 多層を堆積する際の比較的長い熱処理により、κ−α変態が生じる可能性
がある。この理由のため、１を選択することが好ましい。
【００１７】 外側層14の外側表面20の湿式ブラスト処理は、水懸濁液中のAl2O3 粒子(320メ
ッシュで中間粒子サイズ30μm)で行った。印加した圧力は0.2 〜0.6MPa(2〜6bar
) 、好ましくは0.3MPa(3bar)であった。湿式ブラスト処理の際にはインサートを
回転させた。インサートの両面を湿式ブラスト処理した。 本発明を、以下の実施例に関連して更に説明するが、その実施例は本発明の例
として考慮されるべきである。本発明は実施例の特定の詳細に限定されない。 実施例 以下に記載した組合せの被膜を、市販されているCNMG 120408-M3超硬合金イン
サートにCVD 堆積する。被膜の組合せは、以下の事項、 鋼及び鋳鉄における切削性能への、アルミナ層上に堆積したTiN 層の影響（Ａ
組、表１）、 鋼及び鋳鉄における切削性能への、Al2O3/TiN の厚み比の影響（Ｂ組、表２）
、 湿式ブラスト処理を用いたこれらのインサートの靭性の最適化、 被覆インサートのブラスト処理反応の最適化(TiN層の付着性及び機械的特性、
Ｃ組、表３) を示すために用いた。
【００１８】 鋼及び鋳鉄での切削テスト結果は、それぞれ表４及び表５に示されている。Ti
N 被覆インサートの破損モードは、鋼及び鋳鉄において概して逃げ面摩耗である
（図２及び図３）。最上部のTiN のないアルミナ層は典型的にクレータ摩耗を示
した。図４から明らかなように、性能（寿命）は、鋼において約８μm まで、及
び特にCa処理した鋼において、TiN 層の厚みの関数として著しく増加する。しか
しながら、TiN 層の厚みが５μm を超えると、鋳鉄での切削性能が悪化すること
が明らかになっている。
【００１９】 被膜厚みが増加するにつれて、残留応力は被膜中に蓄積される。残留応力は、
被膜の強度を低下させ、被覆した工具の欠け傾向（脆性）を増加するものとして
理解されうる。残留応力は、被覆した工具を湿式ブラスト処理することにより低
減できる。湿式ブラスト処理は欠け傾向を著しく低減する。 表６及び図５に示したように、被覆したままのインサートの欠け耐性は十分で
ない。湿式ブラスト処理は、TiN 被覆したアルミナ被膜の欠け耐性を著しく高め
るが、TiN 層のある厚みまでである。これは約５μm である。従って、TiN 層の
厚みは、十分な靭性を得るため、この厚み（約５μm ）までに限定する必要があ
る（実験での条件における40パスは、機械加工工作において十分な靭性に相当す
ることが明らかになっている）。
【００２０】 高速での切削を考慮すると、TiN 層の下のアルミナ層は重要である（表７）。
特定の理論によるものではないが、アルミナ層は、熱障壁として作用し、従って
インサートの塑性変形を低減する。200 m/分以下の切削速度では、アルミナ被覆
インサートはTiN 被覆インサートと同様に機能するものと予測できる。 先に指摘したように、靭性を考慮するとブラスト処理は非常に重要である。量
産規模において、単一のTiN 層で許容できる結果は得られない（図6a）。多層Ti
N （図6b）、又は(Ti,Al)(C,O,N)結合層と組み合わさった単一のTiN 層で、良好
な結果が得られる。しかしながら、許容できる解決法は多層TiN 被膜であり、そ
の被膜は表８、図6cのように(Ti,Al)(C,O,N)結合層を介してAl2O3 層に結合して
いる。例えば従来技術の製品の場合のようには被膜が切れ刃において取り除かれ
ていない（TiN がAl2O3 を覆う場合)(例えば米国特許第5,597,272 号参照) 。Ti
N 層が多層であり、アルミナ層に適当に結合している場合、鋼における切削性能
はわずかに向上している。鋳鉄においては、TiN 層の厚みが５μm を超えると、
欠け及び被膜の剥離などの破損が発生した。
【００２１】 最新のCa処理した鋼を機械加工する場合、切削速度を実質的に増加することが
できる。しかしながら、被膜材料は従来の鋼と比較してこれらの鋼において同じ
特性を有していない。例えば、Al2O3 は必ずしも最も安定な被膜材料ではない。
Ca処理した鋼に存在する元素はアルミナと反応し、低融点の液体を形成するもの
と考えられている。この液体は切り粉により容易に取り除かれ、大きな摩耗速度
を生じる。
【００２２】 このテストは、Ca処理した鋼でのクレータ摩耗耐性及び逃げ面摩耗耐性に関し
て、TiN 及びTiC の被膜がAl2O3 被膜より著しく有効であることを示している。
しかしながら、Al2O3 被膜は、切り欠き(notch) 摩耗耐性に関してTiC 及びTiN
の被膜より著しく有効であり、明らかにAl2O3 は、高速の切削を可能にする熱障
壁として作用しうる。これらのテストは、これらのよい効果をTiN/TiC 及びAl2O 3 被膜に組み合わせる最も有効な方法が、それらを多層として形成することで、
TiN/TiC 被膜がアルミナ被膜を覆うことであることも示している（従来の鋼に関
して先に示した）。Ca処理した鋼について、従来技術の製品に対する寿命の増加
の平均は、従来の鋼で得られたものより、50〜100 ％良好である。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】
【表４】
【００２７】
【表５】
【００２８】
【表６】
【００２９】
【表７】
【００３０】
【表８】
【００３１】 本発明の、原理、好ましい実施例及び実施態様は、先に説明した通りである。
ここで保護することを意図する本発明は、開示した特定の形態に限定されるもの
として解釈されるべきでなく、それは開示した形態が、限定するためでなく、例
示するものとして考慮されるべきであるからである。当業者は、本発明の精神を
逸脱することなく変化及び変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図1aは、アルミナ層の堆積に関する本発明の１つの実施態様を示す図である。 図1bは、アルミナ層の堆積に関する本発明の第２の実施態様を示す図である。 図1cは、アルミナ層の堆積に関する本発明の第３の実施態様を示す図である。
【図２】 図２は、中炭素鋼を切削するのに用いたインサートの逃げ面摩耗を示すグラフ
である。
【図３】 図３は、鋳鉄を切削するのに用いたインサートの逃げ面摩耗を示すグラフであ
る。
【図４】 図４は、様々な材料を含むテストにおける、相対耐摩耗性とTiN 層の厚みとの
関係を示すグラフである。
【図５】 図５は、被覆したままのインサート又は湿式ブラスト処理したインサートで得
られたパス回数を示すグラフである。
【図６】 図6a〜6cは、ブラスト処理の反応を示す、インサートの典型的なSEM （走査型
電子顕微鏡）像を示す図である。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超硬合金の基材と、Al2O3 の層と、少なくとも４μm の厚み
    の湿式ブラスト処理したTiN の外側層とを含む、被覆超硬合金体。
  2. 【請求項２】 前記外側層がTiN/TiC の多層を含む、請求項１に記載の被覆
    超硬合金体。
  3. 【請求項３】 前記Al2O3 がα-Al2O3である、請求項１に記載の被覆超硬合
    金体。
  4. 【請求項４】 前記α-Al2O3層と前記外側層との間に結合層がある、請求項
    ３に記載の被覆超硬合金体。
  5. 【請求項５】 前記外側層がTiN/TiC の多層を含む、請求項４に記載の被覆
    超硬合金体。
  6. 【請求項６】 前記Al2O3 の層が、α-Al2O3の層と、結合層と、κ-Al2O3の
    層とを含む、請求項１に記載の被覆超硬合金体。
  7. 【請求項７】 前記結合層が、上記Al2O3 の層上に堆積した(Ti,Al)(C,O,N)
    の層と、上記(Ti,Al)(C,O,N)の層上に堆積したTiC の層とを含む、請求項６に記
    載の被覆超硬合金体。
  8. 【請求項８】 前記Al2O3 が８μm より厚い、請求項１に記載の被覆超硬合
    金体。
  9. 【請求項９】 前記TiN の外側層が４〜15μm である、請求項１に記載の被
    覆超硬合金体。
  10. 【請求項１０】 前記TiN/TiC の多層が、４〜15μm であり、５層〜20層を
    含む、請求項２に記載の被覆超硬合金体。
  11. 【請求項１１】 前記外側TiN 層が４μm より厚い、請求項１に記載の被覆
    超硬合金体。
  12. 【請求項１２】 超硬合金切削インサートを使用して、Ca処理した鋼を切削
    する方法であって、改良点が請求項１に記載の切削インサートを使用することを
    含む方法。
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