JP2004167620A - チタンクロム化合物皮膜被覆工具 - Google Patents

Abstract

【目的】耐摩耗性が優れ、切削耐久特性が大幅に改善された被覆工具を提供する。
【構成】工具の基体表面に被覆した工具において、皮膜は、（Ｔｉ_ｘＣｒ_ｙＭｅ_ｚ）、但し、Ｘ、Ｙ、Ｚは質量比率を示し、０＜Ｘ＜０．９９９、０＜Ｙ＜０．４０、０、０≦Ｚ＜０．１００、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、で構成される炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか１種以上の皮膜からなり、該ＭｅはＴｉ、Ｃｒを除く周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素からなり、該皮膜を酸化アルミニウム膜よりも工具表面側に被覆してなるチタンクロム化合物皮膜被覆工具。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬合金、サーメット等からなる工具に被覆する耐摩耗性、切削耐久特性が優れたチタンクロム化合物皮膜被覆工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開昭６２−１９２５７６号公報は、化学蒸着（以下、ＣＶＤ）法で成膜した酸化アルミニウム膜の上にチタン、クロム、バナジウム、ジルコニウムの炭化物又は窒化物或いは炭窒化物から成る皮膜を物理蒸着（以下、ＰＶＤ）法によって形成した被覆硬質合金が開示されている。しかし、酸化アルミニウム膜の上に成膜された皮膜はいずれもＰＶＤ法で成膜されているため圧縮応力を有しており酸化アルミニウム膜等から容易に剥がれてしまい、表面に被覆されている効果が小さい欠点と、切削耐久特性に劣る欠点とがある。また、刃先部の最外層の少なくとも１部が酸化アルミニウム膜で構成されていないため被削材と溶着し、膜剥がれが発生し易い欠点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、耐摩耗性が優れ、切削耐久特性が大幅に改善された被覆工具を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記従来技術被覆工具の欠点を解決するために鋭意研究した結果、工具表面の耐摩耗性が改善され優れた切削耐久特性を有する工具が得られることを見出した。本発明は、工具の基体表面に被覆した工具において、皮膜は、（Ｔｉ_ｘＣｒ_ｙＭｅ_ｚ）、但し、Ｘ、Ｙ、Ｚは質量比率を示し、０＜Ｘ＜０．９９９、０＜Ｙ＜０．４０、０、０≦Ｚ＜０．１００、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、で構成される炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか１種以上の皮膜からなり、該ＭｅはＴｉ、Ｃｒを除く周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素からなり、該皮膜を酸化アルミニウム膜よりも工具表面側に被覆してなるチタンクロム化合物皮膜被覆工具よりなる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
該皮膜を工具表面に被覆することにより、工具表面の摺動性が優れ、耐摩耗性並びに耐欠損性が改善され優れた切削耐久特性を有する工具が得られることを見出し、本発明を完成させたのである。本発明は、該工具の刃先部の最外層の少なくとも１部が酸化アルミニウム膜で構成されていることが好ましい。被削材との接触頻度が高い刃先部の少なくとも１部が耐酸化性と耐溶着性とが特に優れている酸化アルミニウム膜で構成されていることにより被削材と溶着することが少なくなり、優れた切削耐久特性が実現される。この時も刃先部以外の部分が有色のチタンクロム化合物皮膜で覆われているため良好な摺動性を有し、工具使用済の有無が容易に判定できる利点が確保される。本究明は、該工具の切刃近傍のすくい面、逃げ面方向に切刃より２ｍｍ以下の幅による面粗さの測定で、刃先部の表面粗さＲａが０．１２μｍ以下であることが好ましい。これにより、被削材との接触頻度が高い刃先部の摺動性が高まり、更に優れた切削耐久特性が実現される。刃先部の表面粗さＲａは０．０８μｍ以下であることがより好ましく、優れた切削耐久特性が実現できる。
【０００６】
本発明において、チタンクロム化合物皮膜は上記の膜に限るものではなく、例えばＺｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ｙ、Ｓｉの１種又は２種以上を０．３〜１０質量％添加した膜でも良い。０．３質量％未満ではこれらを添加する効果が現れず、１０質量％を超えると上記膜の耐摩耗や高靭性の効果が低くなる欠点が現れる。本発明において、最表層のチタンクロム化合物皮膜の上に更に美観を高めるために少なくとも１層のチタンやジルコニウム、ハフニウム、硼素の化合物、例えばＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣＮ、ＺｒＣＮ、ＨｆＣＮ、ＴｉＢＮ、ＢＮ、ＢＣＮ或いはこれらを組み合わせた多層膜等を被覆してもよい。本発明に用いる酸化アルミニウム膜にはκ型酸化アルミニウム（κ−Ａｌ_２Ｏ_３）単相膜やα型酸化アルミニウム（α−Ａｌ_２Ｏ_３）単相膜或いはκ型酸化アルミニウムとα型酸化アルミニウムとの混合膜でもよい。また、κ型酸化アルミニウム及び／又はα型酸化アルミニウムと、γ型酸化アルミニウム、θ型酸化アルミニウム、δ型酸化アルミニウム、χ型酸化アルミニウムの少なくとも１種とからなる混合膜でもよい。また、酸化アルミニウム膜の代わりに酸化アルミニウムと酸化ジルコニウム等に代表される他の酸化物との混合膜でもよい。本発明で用いる膜には被覆工具の切削耐久特性を劣化させない範囲でＷやＣｏ等不可避の不純物を、例えば数質量％程度まで含むことが許容される。本発明の被覆工具の製作は既知の成膜方法を採用できる。例えば、通常のＣＶＤ法、プラズマを付加した化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）等を用いることができる。化学蒸着法によって作製した皮膜は、引張応力を有することから、皮膜が剥離し難い性質を有する。また、本発明の皮膜の特性は、被覆条件である原料ガスの選択や組成、成膜時のガス分圧比並びに成膜時の温度等を最適な条件に制御することによって達成することが出来る。用途は切削工具に限るものではなく、皮膜を被覆した耐摩耗材や金型、溶湯部品等でもよい。本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。
【０００７】
（実施例１）
ＷＣ：７２質量％、ＴｉＣ：８質量％、（ＴａＮｂ）Ｃ：１１質量％、Ｃｏ：９質量％の成分組成よりなるＪＩＳ規格、ＣＮＭＧ１２０４０８形状の切削工具用超硬合金基体をＣＶＤ反応装置内に設置し、Ｈ_２キヤリヤーガスとＴｉＣｌ_４ガスとＮ_２ガスとを原料ガスに用いて０．５μｍ厚さの第１層のＴｉＮ膜を９００℃で形成し、Ｈ_２キャリヤーガスとＴｉＣｌ_４ガス、Ｎ_２ガス、ＣＨ_３ＣＮガスを原料ガスに用いて６μｍ厚さの第２層のＴｉＣＮ膜を９００℃で形成した。１０００℃でＨ_２キヤリヤーガスとＴｉＣｌ_４ガス、ＣＨ_４ガスとを原料ガスに用いて第３層のＴｉＣ膜を１５分間成膜した、そのまま連続して本構成ガスにＣＯ_２ガスとＣＯガスとを追加し第４層のＴｉＣＯ膜を１５分間成膜した。Ｈ_２キャリヤーガス、ＡｌＣｌ_３ガス、ＣＯ_２ガスを原料ガスに用いて４μｍ厚さの第５層のα−Ａｌ_２Ｏ_３膜を１０２０℃で形成した。
【０００８】
本発明例１、２、３、４、５、６、７及び従来例１４では、該α−Ａｌ_２Ｏ_３膜の上層に、以下に示す各原料ガス組成を選択して、第６層のチタンクロム化合物皮膜を被覆した。即ち、本発明例１、２、３、４、５は、Ｈ_２キヤリヤーガスとＮ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガス及びＣＶＤ反応装置の直前で約９００℃付近に保持した金属クロムにＨＣｌガスを反応させることにより作製した塩化クロムガスを原料ガスに用いて（ＴｉＣｒ）Ｎ膜を１０２０℃で形成した。成膜時間の調整により、本発明例１、２、３の膜厚は０．５μｍ、本発明例４、５の膜厚は１．５μｍとした。本発明例６は、Ｈ_２キヤリヤーガスとＴｉＣｌ_４ガス、ＣＨ_４ガス及び塩化クロムガスを原料ガスに用いて厚さ１．５μｍの（ＴｉＣｒ）Ｃ膜を１０００℃で形成した。本発明例７は、Ｈ_２キヤリヤーガスと、ＴｉＣｌ_４ガス、ＣＨ_４ガス、ＣＯガス及び塩化クロムガスを原料ガスに用いて厚さ１．５μｍの（ＴｉＣｒ）（ＣＯ）膜を９８０℃で形成した。従来例１４は、Ｈ_２キャリヤーガスとＮ_２、ＴｉＣｌ_４ガス、ＣＨ_４ガスとを原料ガスに用いて０．５μｍ厚さのＴｉ（ＣＮ）膜を１０２０℃で形成した。本発明例８、９、１０、１１、１２、１３は第５層として厚さ２μｍのκ−Ａｌ_２Ｏ_３膜を成膜し、該κ−Ａｌ_２Ｏ_３膜の上層に、以下に示す各原料ガス組成を選択して、第６層のチタンクロム化合物皮膜を被覆した。即ち、本発明例８は、Ｈ２キヤリヤーガスとＮ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガス、ＺｒＣｌ_４ガス、ＣＨ_４ガス及び塩化クロムガスを原料ガスに用いて厚さ３．０μｍの（ＴｉＣｒＺｒ）（ＣＮ）膜を１０８０℃で形成した。本発明例９は、Ｈ_２キヤリヤーガスとＮ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガス、ＨｆＣｌ_４ガス、ＣＨ_４ガス及び塩化クロムガスを原料ガスに用いて厚さ３．０μｍの（ＴｉＣｒＨｆ）（ＣＮ）膜を１０００℃で形成した。本発明例１０は、Ｈ_２キヤリヤーガスとＮ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガス、ＷＦ_３ガス、ＣＨ_４ガス及び塩化クロムガスを原料ガスに用いて厚さ３．０μｍの（ＴｉＣｒＷ）（ＣＮ）膜を１１００℃で形成した。本発明例１１は、Ｈ２キヤリヤーガスとＮ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガス、ＣＨ_４ガス及び塩化クロムガスを原料ガスに用いて厚さ３．０μｍの（ＴｉＣｒ）（ＣＮ）膜を１１００℃で形成した。本発明例１２は、Ｈ_２キヤリヤーガスとＮ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガス、ＣＨ_４ガス、ＣＯガス及び塩化クロムガスを原料ガスに用いて厚さ３．０μｍの（ＴｉＣｒ）（ＣＮＯ）膜を１１００℃で形成した。本発明例１３は、Ｈ_２キヤリヤーガスとＮ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガス、ＣＯガス及び塩化クロムガスを原料ガスに用いて厚さ３．０μｍの（ＴｉＣｒ）（ＮＯ）膜を１１００℃で形成した。
【０００９】
被覆した切削工具のうち、本発明例４から１３にはラバー砥石を用いて刃先近傍部を研磨することにより内層の酸化アルミニウム膜を露出させた。刃先部表面の平均面粗さＲａを形状測定顕微鏡（（株）キーエンス社製、測定部ＶＫ−８５１０、コントロール部ＶＫ−８５００）で評価した。表１に平均面粗さＲａの評価結果を示す。
【００１０】
【表１】

【００１１】
本発明例１から１３及び従来例１４の被覆工具各３個を用いて、Ｓ５３Ｃ丸棒形状の被削材を切削速度２４０ｍ／分、送り０．４０ｍｍ／回転、切り込み１．５ｍｍ、湿式の条件で被削材を切削し、被削材を４０分連続切削加工した段階でそれぞれの刃先の逃げ面最大摩耗幅を倍率１００倍の工具顕微鏡で測定した。その結果を表１に併記する。表１より、本発明例１から１３の被覆工具は、いずれも逃げ面最大摩耗幅が目標とする０．３５０ｍｍ未満となり小さかった。一方、従来例１４は０．４００ｍｍと大きかった。このことより、本発明の皮膜によって耐摩耗性の改善のなされたことが確認できた。刃先処理効果を見ると、刃先処理を行っていない本発明例１から３の刃先近傍部分のＲａは、０．１２から０．１３μｍであったのに対して、刃先処理を行った本発明例４のＲａは０．０８μｍとなり、逃げ面最大摩耗幅も最小値を示した。従って、刃先処理は性能向上に対して効果的であった。本発明例２は、Ｒａが０．１３μｍの時、最大逃げ面摩耗幅は０．３４８ｍｍとやや大き目となり、同一皮膜組成の本発明例５は、Ｒａが０．１２μｍの時、最大逃げ面摩耗幅は０．３０２ｍｍとなっていることから、刃先近傍部分のＲａは、０．１２μｍ以下であることが好ましい。更に好ましくは０．０８μｍ以下である。酸素の添加効果について本発明例６と７、及び本発明例１１と１２とを比較して見てみると、両者ともほぼ同等の性能を示し、いずれも従来例１４より優れた性能を示した。金属成分としてＺｒ、Ｈｆ、Ｗの第３元素を添加した本発明例８、９、１０は、無添加の本発明例１から３より逃げ面摩耗幅が小さく優れた結果となり、添加効果のあることが確認できた。また、炭素の添加効果について本発明例１２と１３をと比較して見てみると、両者ともほぼ同等の性能を示し、いずれも従来例１４より優れた性能を示した。
【００１２】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、工具表面の耐摩耗性が優れ、切削耐久特性が大幅に改善され、更に工具として使用、未使用が容易に判別出来る被覆工具を提供することができる。

Claims (3)

1. 工具の基体表面に被覆した工具において、皮膜は、（Ｔｉ_ｘＣｒ_ｙＭｅ_ｚ）、但し、Ｘ、Ｙ、Ｚは質量比率を示し、０＜Ｘ＜０．９９９、０＜Ｙ＜０．４０、０、０≦Ｚ＜０．１００、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、で構成される炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか１種以上の皮膜からなり、該ＭｅはＴｉ、Ｃｒを除く周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素からなり、該皮膜を酸化アルミニウム膜よりも工具表面側に被覆してなるチタンクロム化合物皮膜被覆工具。
2. 請求項１記載のチタンクロム化合物皮膜被覆工具において、該工具の刃先部の最外層の少なくとも１部が酸化アルミニウム膜で構成されていることを特徴とするチタンクロム化合物皮膜被覆工具。
3. 請求項１乃至２いずれかに記載のチタンクロム化合物皮膜被覆工具において、該工具の切刃近傍のすくい面、逃げ面方向に切刃より２ｍｍ以下の幅による面粗さの測定で、刃先部の表面粗さＲａが０．１２μｍ以下であることを特徴とするチタンクロム化合物皮膜被覆工具。