JP2005111623A

JP2005111623A - 表面被覆サーメット

Info

Publication number: JP2005111623A
Application number: JP2003350391A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kinoshita; 聡木下
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆サーメット、特に鋼、鋳鉄、非鉄金属など高速切削工具として用いた場合に優れた性能を発揮する表面被覆サーメットを提供する。
【解決手段】チタン化合物を主成分とする硬質相と鉄族金属を主成分とする結合相とからなるサーメット基材に、立方晶膜からなる最下層を含む硬質膜を被覆した表面被覆サーメットであって、該サーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＣｏの構成比率が９０モル％以上である表面被覆サーメットは、耐摩耗性、耐欠損性に優れ、鋼、鋳鉄、非鉄金属など高速切削工具として用いた場合に優れた性能を発揮する。

Description

本発明は表面被覆サーメットに関するもので、その中でも特に鋼、鋳鉄、非鉄金属などの金属加工用切削工具として用いられる表面被覆サーメットに関するものである。

チタンの炭化物あるいは炭窒化物と、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属元素の炭化物あるいは炭窒化物とからなる硬質相を鉄族金属で結合したサーメットは、切削工具材種として広く使われている。近年、工具寿命および耐摩耗性を向上させるためサーメットに硬質被膜を被覆する技術が開発されている。

サーメットに硬質被膜を被覆する従来技術として、少なくともＴｉ、ＷおよびＮｂを含有し有芯構造を呈してなる硬質相と、鉄族金属からなる結合相とから構成されるＴｉＣＮ基サーメットの表面に、該ＴｉＣＮ基サーメットよりもＴｉ量が富み、平均粒径が０．４ミクロン以下、鉄族金属の含有量が１００ｐｐｍ以下のＴｉを含有する硬質膜を被覆してなることを特徴とした被覆ＴｉＣＮ基サーメットがある（例えば特許文献１を参照。）。

特開平４−２３１４６７号公報

鉄族金属の含有量が１００ｐｐｍ以下のＴｉを含有する硬質膜を被覆した被覆ＴｉＣＮ基サーメットはサーメットと硬質膜との密着力が劣り、特に工具に衝撃が加わる場合に耐摩耗性が向上しないという問題がある。またサーメットの結合相としてＮｉおよびＦｅを用いた場合にＴｉを含有する硬質膜は、ＮｉおよびＦｅを含有し部分的にホイスカー成長するために硬質膜の強度が低下して耐欠損性が低下するという問題がある。そこで本発明は、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆サーメット、特に鋼、鋳鉄、非鉄金属など高速切削工具として用いた場合に優れた性能を発揮する表面被覆サーメットを提供することを目的とする。

本発明者は、切削工具における表面被覆サーメットの工具寿命の延長、耐摩耗性の向上、耐欠損性の向上、サーメット基材と硬質膜との密着力向上について検討したところ、サーメット基材の結合相成分であるＮｉおよびＦｅを所定量以下にするとともにＣｏを所定量以上にして硬質膜の部分的なホイスカー成長を抑制するとともに、サーメット基材に接する最下層の立方晶膜にサーメット基材の結合相成分であるＣｏを拡散させてサーメット基材と硬質膜との密着力を向上させることができるという知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち本発明の表面被覆サーメットは、チタン化合物を主成分とする硬質相と、鉄族金属を主成分とする結合相とからなるサーメット基材の表面に、該サーメット基材表面に隣接して形成される立方晶膜からなる最下層を含む硬質膜を被覆した表面被覆サーメットであって、該サーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＣｏの構成比率が９０モル％以上であり、該最下層と該サーメット基材との界面から該硬質膜表面に向かって０．５μｍまでの該硬質膜中に含まれるＣｏ量が０．２〜３．０原子％である表面被覆サーメットである。

本発明におけるサーメット基材は、チタン化合物を主成分とする硬質相と、鉄族金属を主成分とする結合相とからなる焼結合金である。従来から用いられているサーメットの結合相量および硬質相量でもよいが、結合相がサーメット基材の全重量に対して７〜３５重量％と、チタン化合物を主成分とする硬質相の残部とからなると好ましい。これは、サーメット基材の結合相量がサーメット基材の全重量に対して７重量％未満であるとサーメット基材の熱膨張係数と硬質膜の熱膨張係数の差が大きくなり硬質膜に大きな引張応力が残留するため耐欠損性を低下させ、逆に結合相量がサーメット基材の全重量に対して３５重量％を超えるとサーメット基材の硬さが減少し耐摩耗性を著しく低下させる傾向を示すためである。

本発明におけるチタン化合物を主成分とする硬質相は、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンの中の少なくとも１種のチタン化合物相と、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の複合化合物固溶体相とからなる。チタン化合物相として具体的にはＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）を挙げることができ、複合化合物固溶体相として具体的には（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｗ，Ｍｏ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｗ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）などを挙げることができる。

その中でも、硬質相は炭窒化チタン相と複合炭窒化物固溶体相とで構成され、炭窒化チタン相は炭窒化チタンに含まれる窒素と炭素の合計に対する窒素の割合（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））が原子比で０．４≦（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））≦０．９５である炭窒化チタンからなり、複合炭窒化物固溶体相はチタン以外の周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の中から選ばれた少なくとも１種とチタンとの複合炭窒化物固溶体からなるとさらに好ましい。これは炭窒化チタン相の（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））の原子比が０．４未満であると、耐熱衝撃性が低下するとともにサーメット基材の熱膨張係数と硬質膜の熱膨張係数との差が大きくなり硬質膜中に引張応力が残留するために耐欠損性が低下する傾向を示し、逆に炭窒化チタン相の（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））の原子比が０．９５を超えると結合相との濡れ性が著しく低下するためにサーメット基材中に巣孔が多くなり耐欠損性および耐摩耗性が低下する傾向を示すためである。炭窒化チタン相の（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））の原子比は、１０粒子の炭窒化チタン相の炭素量、窒素量をオージェ電子分光法にてそれぞれ測定し、（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））の原子比の平均値として求めることができる。

本発明における鉄族金属を主成分とする結合相は、鉄族金属または鉄族金属に周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、炭素、窒素の中の少なくとも１種を２０重量％以下含有させた合金である。ここで鉄族金属はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉを示す。サーメット基材に含まれる鉄族金属は結合相を形成する。サーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＮｉおよびＦｅの構成比率が１０モル％を超えると、すなわち、鉄族金属全体に占めるＣｏの構成比率が９０モル％未満であると、サーメット基材の表面に硬質膜を８００℃以上で被覆した場合、硬質膜中にＮｉＴｉ相、Ｎｉ₃Ｔｉ相、ＦｅＴｉ相、Ｆｅ₃Ｔｉ相等の金属間化合物が形成され、一部の硬質膜がホイスカー成長する。またサーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＣｏの構成比率が９０モル％未満であると、サーメット基材表面に８００℃未満で最下層の硬質膜を被覆した後に第２層以降のいずれかの硬質膜を８００℃以上で被覆するか８００℃以上で熱処理を行うと同様に硬質膜中にＮｉＴｉ相等の金属間化合物やホイスカーを形成する。硬質膜中にこれらの金属間化合物やホイスカーが形成されると表面被覆サーメットを切削工具として用いた場合に耐欠損性、耐摩耗性は低下する。以上のことからサーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＣｏの構成比率をモル比換算で９０モル％以上とした。その中でもサーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＣｏの構成比率を９５モル％以上とするとさらに好ましく、Ｃｏの構成比率を１００モル％とするとさらに好ましい。サーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＣｏの構成比率は、蛍光Ｘ線分析にてＦｅ、ＣｏおよびＮｉの含有量を測定し、（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ＋Ｆｅ））（モル％）として求めることができる。

本発明における硬質膜は、周期律表４ａ，５ａ，６ａ金属、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物の中の少なくとも１種からなり、硬質膜の最下層が立方晶の結晶構造を有する立方晶膜である。硬質膜として具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）、Ａｌ₂Ｏ₃、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｎなどを挙げることができる。ここで最下層は硬質膜の中でサーメット基材に接する膜をいう。最下層が立方晶以外の膜、例えば最下層が六方晶のＡｌ₂Ｏ₃膜のとき、サーメット基材中の硬質相の結晶系（立方晶）と異なるためサーメット基材と硬質膜との密着力が低く耐摩耗性が向上しない。そのため最下層を立方晶膜と定めた。本発明における立方晶膜は周期律表４ａ，５ａ，６ａ金属、アルミニウム、シリコンの炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物およびこれらの固溶体の中の少なくとも１種からなる立方晶の結晶構造を有する立方晶膜であり、立方晶膜として具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｎを挙げることができる。その中でも窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化チタンアルミニウムなどチタンを２０〜７０原子％含むチタン含有立方晶膜は、サーメット基材の硬質相と結晶系が共通しチタン元素を共に含むため密着性が優れることから、さらに好ましい。

硬質膜は立方晶膜のみからなる単層膜または立方晶膜の最下層の表面に１層以上の硬質膜を被覆した多層膜でもよい。硬質膜は熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法等の化学蒸着法（以下、ＣＶＤ法という。）、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法という。）により被覆することが可能であるが、その中でも熱ＣＶＤ法は高い温度で被覆可能であるためさらに好ましい。

最下層とサーメット基材との界面から硬質膜表面に向かって０．５μｍまでの硬質膜中に含まれるＣｏ量が０．２〜３．０原子％であると硬質膜の密着力が高い。基材との界面から０．５μｍまでの硬質膜中に含まれるＣｏ量が０．２原子％未満であるとサーメット基材から硬質膜への元素拡散が不十分なため密着力が低くなり、逆にサーメット基材のＣｏが必要以上に硬質膜に移動して３．０原子％を超えるとサーメット基材に巣孔が発生し硬質膜の密着力が低下する。以上のことから基材との界面から０．５μｍまでの硬質膜中に含まれるＣｏ量を０．２〜３．０原子%とした。このような特徴の硬質膜を得る方法としては、サーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＣｏの構成比率をモル比換算で９０モル％以上としたサーメット基材の表面に８００〜１１００℃で硬質膜を被覆する方法、または、サーメット基材の表面に硬質膜を被覆した後に８００〜１１００℃の処理温度で熱処理する方法を挙げることができる。なお基材との界面から０．５μｍまでの硬質膜中に含まれるＣｏ量は、表面被覆サーメット断面を鏡面研磨しＳＥＭに付属したエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）にて５ヵ所測定して、（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｔｉ＋Ｃ＋Ｎ））（原子％）の平均値で求めることができる。

硬質膜がＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），ＴｉＣ，Ａｌ₂Ｏ₃の中の２種以上からなる多層膜であって最下層をＴｉＮおよび／またはＴｉ（Ｃ，Ｎ）とし第２層以降の少なくとも１層をＡｌ₂Ｏ₃膜とする多層の硬質膜は、耐摩耗性、耐酸化性が高く好ましい。また硬質膜の厚さは、１μｍ未満であると耐摩耗性向上の効果は小さく、１０μｍを超えると耐欠損性の低下が著しいことから、１〜１０μｍが好ましく、その中でも２〜８μｍがさらに好ましく、３〜６μｍが最も好ましい。

本発明の表面被覆サーメットの用途としては、鋼、鋳鉄、非鉄金属など金属加工用の切削工具を挙げられる。具体的にはスローアウェイチップ、ドリル、エンドミル、リーマ、ピンミラーなどを挙げることができる。特に高速切削領域での耐摩耗性、耐欠損性に優れるため、鋼、鋳鉄、非鉄金属などの高速切削領域の切削工具として用いることが好ましい。

本発明の表面被覆サーメットにおいて、サーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＣｏ量を９０モル％以上とすることにより、硬質膜の強度の低下を防止しサーメット基材と硬質膜との密着力が向上する作用を奏する。サーメット基材との界面から０．５μｍまでの硬質膜に含まれるＣｏ原子量を所定量にすることで、サーメット基材と硬質膜との密着力が向上する作用を奏する。

本発明の表面被覆サーメットは、従来の表面被覆サーメットに比較して耐摩耗性および耐欠損性に優れる。本発明の表面被覆サーメットを切削工具として用いた場合、従来の表面被覆サーメットに比べて優れた切削性能を発揮する。

市販の平均粒径０．１〜４μｍのＴｉ（Ｃ，Ｎ）［Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）粉末の（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））の原子比：０．３〜０．６］、Ｍｏ₂Ｃ、ＷＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの各粉末を用いて焼結後のサーメット基材組成が表１の割合になるように秤量混合した後、パラフィンを少量添加し、ＣＮＭＧ１２０４０８（ＪＩＳ規格形状）が得られるようにプレス成形した。このプレス成形により得た圧粉体からパラフィンを４５０℃にて加熱除去した後、１３Ｐａの真空中で１２５０℃まで昇温した後、２６６ＰａのＮ₂雰囲気中で１５００℃まで昇温した後、さらに１５００℃にて１時間保持して焼結して、発明品１〜９と比較品１０〜１８のサーメット基材を得た。

得られたサーメット基材に表２に示す硬質膜を各種被覆方法にて被覆した後、表２に示す熱処理を施して発明品１〜９および比較品１０〜１８を得た。

＊ (注)CVD:化学蒸着法（被覆温度は800〜1050℃）、PVD:物理蒸着法(被覆温度は500〜700℃)

こうして得られた本発明品１〜９と比較品１０〜１８についてオージェ電子分光法にてＴｉ（Ｃ，Ｎ）粒子に含まれる（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））の原子比を求め、その平均値を表３に記載した。またＳＥＭに付属したエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）により、最下層とサーメット基材との界面から硬質膜表面に向かって０．５μｍまでの硬質膜中に含まれるＣｏ量、Ｔｉ量、Ｃ量、Ｎ量をそれぞれ５カ所測定し、（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｔｉ＋Ｃ＋Ｎ））（原子％）を求め、その平均値を表３に記載した。次に発明品１〜９および比較品１０〜１８を用いて下記（Ａ）および（Ｂ）の条件により切削試験を行ない、その結果を表３に併記した。

（Ａ）耐摩耗性試験
被削材：Ｓ５３Ｃ（ＨＢ＝２７０）
チップ形状：ＣＮＭＧ１２０４０８、チップブレーカー付き
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ
切り込み量：１ｍｍ
送り量：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
工具寿命基準：コーナー摩耗＝０．２ｍｍ

（Ｂ）耐欠損性試験
被削材：Ｓ４５Ｃ４本溝入り
チップ形状：ＣＮＭＧ１２０４０８、チップブレーカー付き
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み量：０．５ｍｍ
送り量：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
工具寿命基準：欠損

上述のように発明品の表面被覆サーメットは、従来技術による比較品の表面被覆サーメットに比べ優れた性能を有する。実施例は、発明品が耐摩耗性に著しく優れ耐欠損性も優れることを示している。

Claims

チタン化合物を主成分とする硬質相と、鉄族金属を主成分とする結合相とからなるサーメット基材の表面に、該サーメット基材表面に隣接して形成される立方晶膜からなる最下層を含む硬質膜を被覆した表面被覆サーメットであって、該サーメット基材に含まれる鉄族金属全体に占めるＣｏの構成比率が９０モル％以上であり、該最下層と該サーメット基材との界面から該硬質膜表面に向かって０．５μｍまでの該硬質膜中に含まれるＣｏ量が０．２〜３．０原子％である表面被覆サーメット。
前記サーメット基材の結合相量が該サーメット基材の全重量に対して７〜３５重量％である請求項１に記載の表面被覆サーメット。
前記硬質相は炭窒化チタン相と複合炭窒化物固溶体相とで構成され、該炭窒化チタン相は炭窒化チタンに含まれる窒素と炭素の合計に対する窒素の割合（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））が原子比で０．４≦（Ｎ／（Ｎ＋Ｃ））≦０．９５である炭窒化チタンからなり、該複合炭窒化物固溶体相はチタン以外の周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の中から選ばれた少なくとも１種とチタンとの複合炭窒化物固溶体からなる請求項１または２に記載の表面被覆サーメット。