JP2603177B2 - 耐欠損性に優れる被覆焼結合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐衝撃性，耐欠損性に
優れる被覆焼結合金に関し、特に切削工具又は耐摩耗工
具に代表される工具用として最適な耐欠損性に優れる被
覆焼結合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超硬合金及びサーメットに代表される焼
結合金の基体の表面に、高硬質な被膜を被覆してなる被
覆焼結合金は、大別すると、化学蒸着法（ＣＶＤ法）に
よる被覆焼結合金と物理蒸着法（ＰＶＤ法）による被覆
焼結合金がある。これらの被覆焼結合金は、製造条件に
基づく残留応力、又は被膜の材質と基体の材質による熱
膨張係数の差に基づく残留応力が被膜及び基体の表面部
に残在している。

【０００３】被覆焼結合金に内在する残留応力と被覆焼
結合金の諸特性との関係について検討されている代表的
なものとしては、山本らの日本金属学会誌５０（３）
（１９８６）３２０、及び特開昭６４−３１９７２号公
報がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】山本らの日本金属学会
誌５０（３）（１９８６）３２０によると、ＣＶＤ法に
よる被覆焼結合金は、基体の表面部に存在する硬質相で
ある炭化タングステン及び被膜である窒化チタンの両方
に引張応力が作用していると記載されている。そして、
山本らの同文献には、ＣＶＤ法による被覆焼結合金は、
ＰＶＤ法による被覆焼結合金又は被膜の被覆されてない
焼結合金に比べて、抗折強度及び破壊靭性値が極端に低
下するという問題が記載されている。

【０００５】また、特開昭６４−３１９７２号公報に
は、ＣＶＤ法による被覆焼結合金の基体表面部に存在す
る硬質相及び／又は被膜に、５０ｋｇ／ｍｍ²以上の圧
縮応力を付与した被覆焼結合金が記載されている。同公
報の被覆焼結合金は、従来のＣＶＤ法による被覆焼結合
金の被膜表面からショットピーニング法又はサンドブラ
スト法等により衝撃力を付加して、基体表面部の硬質相
及び／又は被膜に存在する引張応力を圧縮応力とし、被
覆焼結合金の強度を顕著に高めたという優れた合金であ
るが、基体の結合相量，被膜の厚さ，被膜の膜質及び多
重層被膜によっては、逆に強度低下になるという問題が
ある。

【０００６】本発明は、上述のような従来の問題点を解
決したもので、具体的には、基体表面部の硬質相と被膜
との両方にバランスよく応力を付与し、耐衝撃性及び耐
欠損性を最高に維持できるようにした被覆焼結合金の提
供を目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、被覆焼結
合金の基体表面部の硬質相と被膜とに内在する応力の制
御と、それぞれに付与する応力と切削工具としての性能
との関係について検討していた所、基体表面部の硬質相
と被膜とに付与される最適残留応力は、基体の結合相量
及び被膜の構成により異なり、基体表面部の硬質相には
圧縮応力を、被膜には小さい引張応力を付与し、基体の
結合相を変態させると耐衝撃性及び耐欠損性が顕著に優
れ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。

【０００８】すなわち、本発明の耐欠損性に優れる被覆
焼結合金は、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化
物，窒化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１
種の硬質相と、Ｎｉ，Ｃｏ又はＮｉ−Ｃｏ合金を主成分
とする結合相からなる焼結合金の基体の表面に化学蒸着
法により被膜を被覆してなる被覆焼結合金において、該
結合相は２〜１２重量％からなり、かつＸ線回折法にお
いて求める面心立方晶構造の結合相（Ｆ．Ｃ．Ｃ．）に
対する六方晶構造の結合相（ｈ．Ｃ．Ｐ）の積分強度比
が０．２以上（ｈ．Ｃ．Ｐ／Ｆ．Ｃ．Ｃ．≧０．２）で
なり、該基体の表面部に存在する該硬質相は３０〜８０
ｋｇ／ｍｍ²の圧縮応力が付与されている合金である。

【０００９】本発明の被覆焼結合金における基体は、従
来から公知公用されている超硬合金又はサーメットでな
り、具体的には、例えばＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，Ｖ
Ｃ，ＮｂＣ，ＴａＣ，ＷＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｍｏ₂Ｃ，Ｔｉ
Ｎ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＶＮ，ＮｂＮ，ＴａＮ，Ｔｉ
（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）
Ｃ，（Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｗ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｔａ）
（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）の中の１種
以上の硬質相と、Ｎｉ，Ｃｏ又はＮｉ−Ｃｏ合金、もし
くはこれらに硬質相の元素やＦｅが数％以下固溶してな
る結合相とからなるものである。これらの内、ＷＣをベ
ースとする硬質相でなる超硬合金、又はＴｉＣやＴｉ
（Ｃ，Ｎ）をベースとする硬質相でなるサーメットから
なる基体の場合は、その効果が顕著になることから特に
好ましい。

【００１０】 基体を構成する結合相は、基体全体の２
重量％未満になると、硬質相と被膜とに残存する応力を
制御してもその効果が弱く、逆に基体全体の１２重量％
を超えて多くなると、本発明を構成する残留応力の範囲
では、その効果が弱くなるために、基体の結合相量を２
〜１２重量％と定めた。結合相は、Ｃｏ又はＣｏを含ん
だ合金からなる基体で構成される従来の被覆焼結合金の
場合は、ほぼ１００％が面心立方晶構造の結晶構造であ
るが、被膜の表面から最適な方法で衝撃力を付加するこ
とにより、基体表面部の結合相の結晶構造が六方晶構造
に変態する。本発明の被覆焼結合金における結合相は、
できるだけ六方晶構造に変態した状態が好ましく、特に
Ｘ線回折法において求める基体表面部に存在する結合相
が面心立方晶構造の結合相にれを「Ｆ．Ｃ．Ｃ」と表わ
す）に対する六方晶構造の結合相にれを「ｈ．Ｃ．Ｐ」
と表わす）の積分強度比で０．２以上（すなわち「ｈ．
Ｃ．Ｐ」／「Ｆ．Ｃ．Ｃ」≧０．２と表わせる）でなる
と、耐欠損性に一層優れた効果を発揮する。

【００１１】本発明の被覆焼結合金における基体の表面
部に存在する硬質相に付与される圧縮応力が３０ｋｇ／
ｍｍ²未満になると、被膜に付与される応力にも影響を
受けるが耐欠損性に対する効果が弱く、逆に８０ｋｇ／
ｍｍ²を超えて多くなると、バラツキが高く、かつ応力
の付与が困難になる。この基体の表面部に存在する硬質
相とは、基体の表面又は表面から基体の内部へ向って約
１０μｍの深さまでに存在する硬質相であって、別の表
現をすると結晶Ｘ線回折装置におけるＸ線が被膜表面か
ら基体内部へ透過検出し得る深さであり、実質的には、
使用Ｘ線ターゲット等の測定条件により深さが異なる。

【００１２】本発明の被覆焼結合金における被膜は、被
膜材質としては、特に制限を受けないが、基体の熱膨張
係数と被膜材質の熱膨張係数との差が大きい程、その効
果が高く、具体的には、例えば周期律表の４ａ，５ａ，
６ａ族金属の炭化物，窒化物，酸化物，ホウ化物，Ｓｉ
の炭化物，窒化物，Ａｌの酸化物，窒化物及びこれらの
相互固溶体、ダイヤモンド，ダイヤモンド状カーボン，
立方晶窒化ホウ素を挙げることができる。この被膜の厚
さは、厚くしすぎると剥離しやすくなるために２０μｍ
以下、特に１５μｍ以下でなる場合はバラツキも小さ
く、性能的にも安定し、かつ優れた効果があるので好ま
しい。

【００１３】また、被膜材質がＴｉの炭化物，窒化物，
炭酸化物，窒酸化物，Ａｌの酸化物及びこれらの相互固
溶体の中の１種以上でなり、かつ２層以上の多重層で形
成されている場合には、被膜に付与された応力及び基体
の表面部に存在する硬質相に付与された応力による耐欠
損性への効果が顕著になることから、好ましい。

【００１４】本発明の被覆焼結合金は、基体の表面部の
硬質相に付与される圧縮応力と、被膜に付与される引張
応力からなり、この硬質相と被膜とのバランス関係が重
要であり、このとき被膜の総数が多くなればなるほど効
果が高く、特に３層以上の多層、さらに５層以上の多層
でなる場合には一層顕著な効果が発揮される。被膜の全
厚さが同一ならば被膜の総数が多いほど本発明における
効果が顕著になり好ましい。

【００１５】本発明の被覆焼結合金における被膜に付与
される引張応力が２０ｋｇ／ｍｍ²を超えて多くなる
と、被膜の剥離が容易となること、耐衝撃性及び耐欠損
性を高める効果が極減し、従来の被覆焼結合金に近似し
てくる。

【００１６】本発明の被覆焼結合金は、従来のＣＶＤ法
による被覆焼結合金の表面から最適衝撃力を付加し、被
膜と基体表面部の硬質相に付与される応力を制御するこ
とにより作製することができる。具体的には、例えばシ
ョットピーニング法又はサンドブラスト法でもって、所
定の特性を有する物質を所定速度で被覆焼結合金の被膜
表面に飛翔衝突させることにより作製することができ
る。

【００１７】さらに、本発明の被覆焼結合金を作製する
方法について、詳細に説明すると、被膜表面から飛翔衝
突させる所定の特性を有する物質（飛翔物質）とは、密
度，ヤング率，ポアソン比及び直径を考慮した球状体の
物質であって、例えば直径０．３〜１ｍｍの鋼球又は直
径０．１〜１ｍｍの超硬合金を挙げることができる。ま
た、この飛翔物質を飛翔させるための所定速度は、例え
ば５〜１００ｍ／ｓを目安とすればよく、飛翔物質が鋼
球の場合は３０〜１００ｍ／ｓ、飛翔物質が超硬合金球
の場合は５〜６０ｍ／ｓ、さらに球状体の大きさが直径
０．１〜０．４ｍｍの場合は６０〜１００ｍ／ｓ、直径
０．４〜０．７ｍｍの場合は３０〜７０ｍ／ｓ、直径
０．７〜１．０ｍｍの場合は５〜４０ｍ／ｓからなるこ
とが好ましい。

【００１８】別の見方をすると、鋼球のように軟質な飛
翔物質でなる場合は、速度を速める方向とし、超硬合金
球のように硬質な飛翔物質の場合は、速度を遅くし、か
つできるだけ微細球のものが好ましい。

【００１９】

【作用】本発明の被覆焼結合金は、基体の表面部に存在
する硬質相に付与された圧縮応力と、被膜に付与された
引張応力とのバランスでもって合金全体の耐衝撃性，強
度及び耐欠損性を高めており、特に、前者の圧縮応力を
付与された硬質相が被膜形成時の工程中に被膜内に生じ
た微少クラック、もしくは応力を付与するために被膜表
面から付加した衝撃力によって被膜内に生じた微少クラ
ックの基体内部への進展を阻止する作用をし、新たな微
少クラックが被膜内に発生した場合にも、前者の硬質相
が微少クラックの基体内部への進展を阻止する２段防壁
作用となっているものである。一方、後者の被膜に付与
された最適な引張応力は、実用時等に被膜表面からの衝
撃が付加された場合、被膜内に発生する微少クラックの
進展速度を緩和する作用となり、その結果微少クラック
が基体内部へ進展するのを防止する間接的作用にもなっ
ている。

【００２０】

【実施例１】９０％ＷＣ−１０％Ｃｏ（重量％）組成の
超硬合金の基体を用いて、従来から行われているＣＶＤ
法により、基体表面に被膜を被覆させて被覆焼結合金を
作製した。被膜は、基体表面から順次２μｍＴｉＣ−２
μｍＡｌ₂Ｏ₃−２μｍＴｉ（Ｃ，Ｎ）−３μｍＡｌ₂Ｏ₃
−１μｍＴｉＣ−２μｍＡｌ₂Ｏ₃−１μｍＴｉＮ（膜厚
及び膜質）からなるものであった。

【００２１】この被覆焼結合金の被膜表面に平均直径
０．４ｍｍの鋼球を用いて速度６０ｍ／ｓのショットピ
ーニング条件でもって衝撃力を付加して、本発明品１を
得た。また、本発明品１の内、平均直径０．５ｍｍの鋼
球を用いた以外は、本発明品１と同様に行って本発明品
２を得た。

【００２２】比較として、本発明品１の内、平均直径
０．０５ｍｍ，０．１ｍｍ，０．２ｍｍの鋼球とした以
外は、本発明品１と同様に行ってそれぞれ比較品１，２
及び３を得た。また、本発明品１の内、１３μｍＴｉＣ
の被膜とした以外は、本発明品１と同様にして比較品４
を得た。さらに、ショットピーニング処理を施さずに本
発明品１で用いた被覆焼結合金そのものを比較品５とし
た。

【００２３】こうして得た本発明品１〜２及び比較品１
〜５の被膜表面からＸ線を照射し、Ｘ線回折法による被
膜の残留応力、基体表面部に存在する硬質相であるＷＣ
の残留応力、及び基体表面部に存在する結合相の結晶構
造を調べて、表１に示した。

【００２４】残留応力の測定は、結晶Ｘ線回折装置を用
いて、Ｃｕ管球，Ｎｉフィルター，４０ｋｖ電圧，３０
ｍＡ電流の条件により発生させたＸ線で行い、硬質相で
あるＷＣは（３０１）面の結晶面における応力を測定
し、被膜はＴｉＣの（２２４）面の結晶面における応力
を測定して求めたものである。

【００２５】基体表面の結合相の結晶構造の測定は、ロ
ーターフレックスタイプのＣｕ官球でモノクロメーター
を使用し、６０ｋｖ電圧，３００Ａ電流の条件により発
生させたＸ線で行い、（Ｆ．Ｃ．Ｃ）についてはＣｏの
（１１１）面と（２００）面、（ｈ．Ｃ．Ｐ）について
はＣｏの（００２）面と（１０１）面と（１１０）面と
（１０３）面の各ピークのバックグランドを除いた積分
強度比を算出して求めたものである。

【００２６】次に、本発明品１〜２及び比較品１〜５を
用いて、被削材：Ｓ４８Ｃ（４本溝入り）、切削速度：
１５０ｍ／ｍｉｎ、送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、切込
み：１．５ｍｍによる乾式切削試験を行い、欠損又はチ
ッピングが発生して寿命になるまでの溝により生じる衝
撃回数を求めて表１に併記した。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【実施例２】５％Ｎｉ−１８％Ｃｏ−１０％Ｍｏ₂Ｃ−
１１％ＴａＣ−５６％ＴｉＣ（重量％）組成の焼結合金
の基体を用いて、従来から行われているＣＶＤ法により
基体表面に被膜を被覆させて被覆焼結合金を作製した。

【００２９】被膜は、基体表面から順次２μｍＴｉＣ−
３μｍＡｌ₂Ｏ₃−１μｍＴｉ（Ｃ，Ｎ）−１μｍＴｉＣ
−３μｍＡｌ₂Ｏ₃−１μｍＴｉＣ−２μｍＡｌ₂Ｏ₃−１
μｍＴｉＮ（膜厚及び膜質）からなるものであった。

【００３０】この被覆焼結合金の被膜表面に平均直径
０．４ｍｍの鋼球を用いて速度４０ｍ／ｓのショットピ
ーニング条件でもって衝撃力を付加して本発明品３を得
た。また、本発明品３の内、平均直径０．５ｍｍの鋼球
を用いた以外は、本発明品３と同様に行って本発明品４
を得た。

【００３１】比較として、本発明品３の内、平均直径
０．１ｍｍ，０．３ｍｍの鋼球とした以外は、本発明品
３と同様に行って、それぞれ比較品６及び７を得た。ま
た、本発明品３の内、１４μｍＴｉＮの被膜とした以外
は、本発明品３と同様にして比較品８を得た。さらに、
ショットピーニング処理を施さずに本発明品３で用いた
被覆焼結合金そのものを比較品９とした。

【００３２】こうして得た本発明品３，４及び比較品６
〜９を実施例１で調査した方法と同様にして、ＴｉＣを
主成分とする固溶体の硬質相は（２２４）面の応力を、
被膜はＴｉＣの（２２４）面の（比較品８はＴｉＮの
（２２４）面について）応力を測定し、結合相の結晶構
造の結果と共に表２に示した。

【００３３】次いで、本発明品３，４及び比較品６〜９
を用いて、被削材：Ｓ４５Ｃ（４本のＶ溝入り）、切削
速度：１５０ｍ／ｓ、送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、切
込み：１．５ｍｍによる乾式切削試験を行い、欠損又は
チッピングが発生して寿命になるまでのＶ溝により生じ
る衝撃回数を求めて表２に併記した。

【００３４】

【表２】

【００３５】

【発明の効果】本発明の耐欠損性に優れる被覆焼結合金
は、応力処理をしてない従来の被覆焼結合金に比べて耐
衝撃性，耐欠損性において約１１．０〜２０．６倍も向
上し、寿命もこれに伴って向上するという効果があり、
応力処理をした従来の被覆焼結合金又は本発明の範囲を
外れた被覆焼結合金に比べて、バラツキが少なく、品質
管理も容易であり、耐衝撃性，耐欠損性において約１．
８〜１６．６倍も向上し、寿命もこれに伴って向上する
という顕著な効果がある。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭
   化物，窒化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも
   １種の硬質相と、Ｎｉ，Ｃｏ又はＮｉ−Ｃｏ合金を主成
   分とする結合相からなる焼結合金の基体の表面に化学蒸
   着法により被膜を被覆してなる被覆焼結合金において、
   該結合相は２〜１２重量％からなり、かつＸ線回折法に
   おいて求める面心立方晶構造の結合相（これを「Ｆ．
   Ｃ．Ｃ」と表わす）に対する六方晶構造の結合相（これ
   を「ｈ．Ｃ．Ｐ」と表わす）の積分強度比が０．２以上
   （すなわち「ｈ．Ｃ．Ｐ」／「Ｆ．Ｃ．Ｃ」≧０．２と
   表わせる）でなり、該基体の表面部に存在する該硬質相
   は３０〜８０ｋｇ／ｍｍ^２の圧縮応力が付与されている
   ことを特徴とする耐欠損性に優れる被覆焼結合金。
2. 【請求項２】 上記被膜は、Ｔｉの炭化物，窒化物，炭
   酸化物，窒酸化物，Ａｌの酸化物及びこれらの相互固溶
   体の中の１種の膜が２層以上の多重層として形成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の耐欠損性に優れる
   被覆焼結合金。