JP2005271123A

JP2005271123A - 被覆部材

Info

Publication number: JP2005271123A
Application number: JP2004086509A
Authority: JP
Inventors: Yasuhide Yoshida; 泰秀吉田
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】
近年、切削加工の高能率化、省力化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工は高速化し、高送り、高切り込みなど、切削条件が過酷になる傾向がある。従来の表面被覆超硬合金製切削工具では、層間の密着性が不足するため外側層が剥離して短寿命になるという問題がある。そこで本発明は層間の密着性に優れた被覆部材の提供を目的とする。
【解決手段】
基材とその表面に被覆された被覆層とを備え、被覆層の少なくとも１層は基材に対して垂直に成長した薄片状結晶からなる薄片状結晶層であり、薄片状結晶は、表面から観察したとき略菱形の断面形状を持ち、略菱形の断面形状の長径は０．４〜２．０μｍであり、略菱形の断面形状の長径に対する短径の比（短径／長径）は０．０１〜０．５である被覆部材は、層間の密着性に優れる。

Description

本発明は、被覆層の層間の密着性に優れた被覆部材に関するものである。

切削工具などに用いられる被覆部材として、超硬合金の基体の表面に化学蒸着法を用いて、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）などのチタン化合物層と、Ａｌ₂Ｏ₃などの酸化アルミニウム層とを積層した被覆超硬合金がよく知られている。しかしチタン化合物層と酸化アルミニウム層とは密着性が悪く、層間で剥離するため工具寿命は向上しなかった。そこで、これらの層間の密着性向上が求められていた。

チタン化合物層と酸化アルミニウム層との層間の密着性を向上させることを目的とした従来技術として、炭化チタン層、窒化チタン層および炭窒化チタン層のうちの１種以上からなる内側層と、酸化アルミニウム層からなる外側層との間に、炭酸化チタン層および／または炭窒酸化チタン層からなる中間層を設けて、中間層における外側層との界面部分が先鋭針状結晶構造としたことを特徴とする表面被覆超硬合金製切削工具がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開平９−１７４３０４号公報

近年、切削加工の高能率化、省力化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工は高速化し、高送り、高切り込みなど、切削条件が過酷になる傾向がある。従来の表面被覆超硬合金製切削工具では、層間の密着性が不足するため外側層が剥離して短寿命になるという問題がある。そこで本発明は層間の密着性に優れた被覆部材の提供を目的とする。

チタン化合物の内側層と酸化アルミニウムの外側層との間に、外側層との界面部分を先鋭針状結晶構造とした中間層を設けて密着性を向上させる方法は、層間を剥離する力がかかったとき、先鋭針状結晶が破壊しやすく十分な密着性が得られない。本研究者は、層間の密着性が高い密着層の開発に取り組んだところ、密着層の表面形状を薄片状にすると、層間の密着性を増加させることに見出した。

すなわち、本発明の被覆部材は、基材とその表面に被覆された被覆層とを備え、被覆層の少なくとも１層は基材に対して垂直に成長した薄片状結晶からなる薄片状結晶層であることを特徴とする。

本発明の被覆部材の基材としては、従来から切削工具材種として用いられている材料からなり、具体的には、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系に代表される超硬合金、ＴｉＣ−Ｍｏ−Ｎｉ系、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−ＷＣ−ＴａＣ−Ｎｉ−Ｃｏ系などのサーメット、Ａｌ₂Ｏ₃系、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系、Ｓｉ₃Ｎ₄系などのセラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、高速度鋼、工具鋼などを挙げることができる。その中でも超硬合金は耐摩耗性と耐欠損性に優れているため、さらに好ましい。

本発明の被覆部材の被覆層は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、アルミニウム、シリコンの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、これらの相互固溶体、ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、窒化硼素の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、ｃＢＮ、ｈＢＮなどを挙げることができる。

本発明の被覆部材の薄片状結晶層は基材に対して垂直に成長した薄片状結晶からなる。薄片状結晶は先鋭針状結晶よりも強度があり、接触面積が大きく、隣接した被覆層内に楔状に食い込むため、薄片状結晶層に接する被覆層を機械的に強固に密着させることができる。薄片状結晶層の薄片状結晶は、表面から観察したとき略菱形の断面形状を持ち、略菱形の断面形状の長径は０．４〜２．０μｍであり、略菱形の断面形状の長径に対する短径の比（短径／長径）が０．０１〜０．７５であると薄片状結晶の強度が高く、薄片状結晶層に接する被覆層を機械的に強固に密着させる効果が高いため、好ましい。その中でも略菱形の断面形状の長径に対する短径の比（短径／長径）は０．２〜０．５であると、さらに好ましい

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種からなるチタン化合物層と、酸化アルミニウム層とは密着性が低い。これらの間に本発明の薄片状結晶層を存在させると、本発明の薄片状結晶層を介してチタン化合物層と酸化アルミニウム層とを強固に密着させることができる。特に、基材に近い内側層をチタン化合物層とし、その上を本発明の薄片状結晶層とし、さらに、その上の外側層を酸化アルミニウム層とした被覆部材は、層間の密着性に優れるため、チタン化合物層の耐摩耗性と、酸化アルミニウム層の耐酸化性、耐溶着性、高温硬さとを兼ね備えることができる。このような構成をもつ本発明の被覆部材を切削工具として用いると優れた切削性能を示す。

本発明の被覆部材の薄片状結晶層が、チタンアルミニウムの炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物の中の少なくとも１種からなると、薄片状結晶の略菱形の断面形状の（短径／長径）比を小さくできるとともに、薄片状結晶の高さを０．１〜２．０μｍと大きくすることができ、楔効果を高めるため非常に好ましい。また、チタンアルミニウムの炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物は、チタン化合物層と酸化アルミニウム層とそれぞれ共通する元素があるため、チタン化合物層と酸化アルミニウム層との間に存在させるとこれらを強固に密着させることができる。チタンアルミニウムの炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物として、具体的には、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）などを挙げることができる。

本発明の薄片状結晶層を作製するためには、化学蒸着法において原料ガス中のハロゲン化金属ガス量に対する非金属ガス量の体積比を調節することが重要である。例えば、チタンアルミニウムの炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物の中の少なくとも１種からなる薄片状結晶膜を作製するには、原料ガス中の四塩化チタンに対する一酸化炭素の体積比を０．９〜１．１の範囲に調整するとよい。

本発明のチタンアルミニウム炭窒酸化物からなる薄片状結晶層が最表面になるように被覆した試料を走査型電子顕微鏡で観察した。図１に薄片状結晶層の表面組織を示す。図１より薄片状結晶は基材に対して垂直に成長していることが分かる。

本発明の被覆部材は、薄片状結晶層の薄片による楔効果により、隣接する層を強固に密着させる。被覆層のうち特にチタン化合物層と酸化アルミニウム層との密着性を顕著に向上させる効果が高い。そのため、本発明の被覆部材を切削工具として用いた場合、工具寿命の長寿命化が実現できる。

Ｋ２０種相当の超硬合金製切削工具をＣＶＤ炉内に装入した後、炉内温度を９００℃まで加熱し、表１に示す条件で厚さ１μｍの第１層目のＴｉＮ層を被覆し、その後、Ｈ₂雰囲気にて炉内温度を１０００℃まで上昇させ、表１に示す条件で厚さ８μｍの第２層目のＴｉＣＮ層を被覆し、次いで表２に示される条件で密着層（第３層）を被覆した。さらに、表１に示す条件で厚さ１μｍのＡｌ₂Ｏ₃層（第４層）を被覆した。最後に表１に示す条件で厚さ０．５μｍのＴｉＮ層（第５層）を被覆し、本発明品および比較品を作製した。

得られた本発明品および比較品について、各試料の密着層高さの中間まで研削加工およびラップ加工して表面側から密着層の断面形状を走査型電子顕微鏡により観察した。断面形状が、略菱形の本発明品については、略菱形の断面形状の長径と（短径／長径）比を測定した。その結果を表３に示す。

次に、切削速度Vc=150m/min、送りf=0.35mm/rev、切り込みap=2.0mm、水溶性切削油を使用し、被削材には４本のＶ形溝のある鋳鉄ＦＣＤ６００を用いる切削試験を行った。この試験条件では、試料のＡｌ₂Ｏ₃層の密着性が高いほど、すくい面の摩耗量、逃げ面の摩耗量、逃げ面の最大摩耗量は少ない。そこで、切削数が２０Ｐａｓｓに達した時点でのすくい面の摩耗量、逃げ面の平均摩耗量、逃げ面の最大摩耗量を測定した。その結果を表４に示す。

表４に示されるように、すくい面の摩耗量、逃げ面の平均摩耗量、逃げ面の最大摩耗量において本発明品は比較品よりも優れている。切削試験結果より本発明品は、Ａｌ₂Ｏ₃層の密着性に優れていることが分かる。

本発明のチタンアルミニウム炭窒酸化物からなる薄片状結晶層の一例の表面組織（ＳＥＭ）

Claims

基材とその表面に被覆された被覆層とを備え、被覆層の少なくとも１層は基材に対して垂直に成長した薄片状結晶からなる薄片状結晶層である被覆部材。
薄片状結晶は、表面から観察したとき略菱形の断面形状を持ち、略菱形の断面形状の長径は０．４〜２．０μｍであり、略菱形の断面形状の長径に対する短径の比（短径／長径）は０．０１〜０．５である請求項１に記載の被覆部材。
被覆層の少なくとも１層は炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンの中の少なくとも１種からなるチタン化合物層であり、被覆層の少なくとも１層は酸化アルミニウム層であり、薄片状結晶層の少なくとも１種は、チタン化合物層と酸化アルミニウム層との間に存在する請求項１または２に記載の被覆部材。
薄片状結晶層は、チタンアルミニウムの炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物の中の少なくとも１種からなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆部材。
基材は、超硬合金からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆部材。