JP2645340B2 - 被覆超硬合金工具の製造方法 - Google Patents

被覆超硬合金工具の製造方法

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JP2645340B2 JP1233825A JP23382589A JP2645340B2 JP 2645340 B2 JP2645340 B2 JP 2645340B2 JP 1233825 A JP1233825 A JP 1233825A JP 23382589 A JP23382589 A JP 23382589A JP 2645340 B2 JP2645340 B2 JP 2645340B2
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順彦 島
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、被覆超硬合金工具の改良に関する。詳細に
は、より高速切削性能を向上した被覆超硬合金工具の製
造方法に関する。
〈従来の技術〉 硬質層がWC−Co、WC−(WTiTa)CN−Coからなる超硬
合金にTiC、Al2O3、TiCN、TiN等を種々組み合わせた多
層被覆工具は、その適用範囲が広くかつ長寿命の切削工
具等として実用に供せられている。
その製造方法は主としてCVD法、PVD法が用いられてい
るが、プロセス技術の進歩により様々な被覆方法もとら
れている。
また、基体にはJIS M系超硬合金にTiN、を微量添加
した合金が広く用いられ、窒素の添加により、脱β層等
の表面改質が計れ、より靭性が向上している。従来、耐
摩耗性重視の用途にはCVD法によりTiC、Al2O3等の多層
被覆が使用され耐欠損性重視の用途には強度の劣化が少
ないPVD法によりTiNを被覆した工具が適用されている。
〈発明が解決しようとする課題〉 上記の様に、従来の耐摩耗重視の用途には、TiC、Al2
O3等の被覆を実施し表面部に耐摩耗性の高い膜を被覆し
効果を上げているが、その反面、成膜時に基体と皮膜界
面に生ずる脆弱な脱炭層のため耐欠損性に弱いという欠
点があり、その改善として基体中にカーボンを過剰に添
加したり、表面近傍にカーボンを富化させたりしてその
強度の改善を計っている。しかし、基体中にカーボンを
富化させることは、基体中の耐塑性変形性、耐摩耗性を
減ずるため、カーボンは可能な限り低い方が好ましい。
〈課題を解決するための手段〉 そのため、本発明者らはJIS M系超硬合金において
異相を生じない低いカーボン量の合金において皮膜−基
体の界面に生ずる脱炭層を抑える被覆方法を検討した結
果、通常のCVD法を低温化し反応性に富むガスを使用す
れば良い事を見いいだした。
また、この基体に窒化物を添加するとその効果がより
相乗される。その窒化物は4a、5a族の窒化物、炭窒化物
で有れば良く、その用途、目的に応じて、例えば、高速
連続切削等にはNbN、TiN等が優れ、断続を含むような用
途、目的にはTaN、ZrN、HfN等が優れる傾向にあり、ま
た複数の窒化物、炭窒化物を使用しても同様な効果が得
られる。
〈作用〉 以上のごとく、本発明は、周期律表の4a、5a、6a族の
炭化物、窒化物、炭窒化物の1種以上と、Co等のFe族、
W等のCr族の1種以上よりなり、飽和磁束密度がCo1%
あたり14〜16gaussであるカーボン含有量が2相域中の
低炭素領域のWC基超硬合金を基体とし、前記基体上に、
内層が0.5〜10μmの有機CN化合物を反応ガスとするCVD
法による炭窒化チタンを被覆し、次いで、0.5〜10μm
のメタン及び/又は窒素ガスを反応ガスに用いたCVD法
による窒化チタン、炭窒化チタンの1種または2種以上
の層、及び/または酸化炭素系ガスを反応ガスに用いた
CVD法による酸化アルミニウムの層を被覆したことを特
徴とする被覆超硬合金工具の製造方法である。
本発明による被覆工具の基体及び膜は以下の理由によ
り限定される。
1)最終焼結体におけるカーボン量 飽和磁束密度でCo1%あたり14〜16gauss(2相域中の低
炭素領域) 燃焼法におけるカーボン分析値では誤差が大きいた
め、超硬合金に一般に使用されている飽和磁束密度を用
いた。飽和磁束密度を用いた理由は本発明の目的とする
低炭素領域のカーボン測定について最も高精度に限定で
きるためである。飽和磁束密度がCo1%当たり14gauss未
満ではカーボンが不足し異相を生じ易く、また16gauss
を越えると粒成長を生じ易くなり高速切削に不適となる
ため、Co1%あたり14〜16gaussとした。
2)内層 0.5〜10μm 有機CN化合物を使用するCVD法 炭窒化チタン 内層が0.5μm未満ではCの移動を抑制するのに充分
な効果がなく、また単層で10μmを越えると著しく靭性
を阻害するため0.5〜10μmとした。
3)外層 0.5〜10μm CVD法 メタン及び/又は窒素ガスを反応ガスに用いたCVD法
による炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンの1種ま
たは2種以上、 及び/または酸化炭素系ガスを反応ガスに用いたCVD
法による酸化アルミニウム 外層が0.5μm未満では充分な耐摩耗性を付与するこ
とが出来ず、10μmをこえると1層として厚く成りすぎ
脆くなるため、0.5〜10μmとした。
以下、本発明に関し具体的に説明する。
〈実施例1〉 市販のWC粉末(平均粒径5.0μm)、TiC粉末(同1.0
μm)、TiN粉末(同1.0μm)、TaC粉末(1.5μm)及
び結合相としてCo粉末を使用して、一般に旋削用の基体
に使用されるJIS M20相当(組成 残WC−2TiC−5TaC−
7Co−0.3TiN)になるように配合した。
カーボンの調整はWの添加により行った。これらの粉
末を配合し、混合終了後、乾燥した後、プレス成形し、
真空中1400℃で1hr焼結したのち、抗折力試験片を製作
した。その試験片の飽和磁束密度、硬さ、破壊靭性値を
測定した。その結果を第1表に示す。
試料番号8,9では脱炭相の為破壊靭性値が極端に低下
した。
これらの合金よりSNMA432の形状のチップを加工し
た。
また、このチップをCVD反応炉中に設置し、H2ガスを
流しながら、800℃まで昇温した。800℃よりTiCl4
%、CH3CN 2%、H2残からなる混合気体を流量7リッ
トル/min 圧力40mmHgの条件で供給し0.5時間反応させ
基体上にTiCNを2μm被覆した。そのチップを、さらに
1000℃まで昇温し、混合気体をTiCl4 2%、N2 2%
の組成に変え6時間反応させ基体上にTiNを6μm形成
させた。次に混合気体をCO2 2% AlCl3 2% H2
からなる混合気体を流量7リットル/min圧力40mmHgの条
件で供給し4時間反応させ基体上にAl2O3を2μm被覆
した。
このチップを市販のTiC6μm−Al2O32μmのチップと
切削試験を以下の条件で実施した。
切削試験の条件は構造用鋼丸棒の長手連続切削にて実
施した。
長手連続切削では負荷が連続するため、切削性能上重
要な耐塑性変形性を確認した。
切削速度 200m/min 送り 0.2mm/rev 切込み 3.0mm 切削時間 2min 30min その結果を第2表に示す。
試料番号8、9では脱炭相の為試験は行わなかった
が、本発明のチップはカーボン量の減少にともない塑性
変形量が減少し、正常な摩耗を示したのに対し、市販の
チップは塑性変形が大きく、ノーズに異常な摩耗が発生
している。
さらに、耐摩耗性を比較するため切削時間2分では各
チップとも大差ないが、30分切削後の逃げ面最大摩耗量
は本発明チップと市販チップでは定状摩耗での傾きが異
なり大きな差となった。
〈実施例2〉 市販のWC粉末(平均粒度5.0μm)、TaC粉末(1.5μ
m)及び結合相としてCo粉末を使用して、一般に旋削用
の基体に使用されるJIS K10相当(組成 残WC−3TaC−
6Co)になるように配合した。カーボンの調整はWの添
加またはカーボンの添加により行った。これらの粉末を
配合し、混合終了後、乾燥した後、プレス成形し、真空
中1400℃で1hr焼結したのち、抗折力試験片を製作し
た。その試験片の飽和磁束密度、硬さ、破壊靭性値を測
定した。
その結果を第3表に示す。
試料番号18.19では脱炭相の為破壊靭性値が極端に低
下した。これらの合金よりSNMA432の形状のチップを加
工した。また、このチップをCVD反応炉中に設置し、H2
ガスを流しながら、800℃まで昇温した。800℃よりTiCl
4 2%、CH3CN 2%、H2残からなる混合気体を流量7
リットル/min・圧力40mmHgの条件で供給し0.5時間反応
させ基体上にTiCNを2μm被覆した。そのチップを、さ
らに1000℃まで昇温し、混合気体をTiCl4 2%、N2
2%、CH4 2%の組成に変え6時間反応させ基体上にT
iCNを6μm形成させた。次にTiCl4 2%、N2 2%
H2残からなる混合気体を流量7リットル/min圧力40mmHg
の条件で供給し2時間反応させ基体上にTiNを2μm被
覆した。このチップを市販のTiC6μm−Al2O32μmのチ
ップと切削試験を以下の条件で実施した。切削試験の条
件はダクタイル鋳鉄の切削にて実施した。切削性能上重
要な耐塑性変形性を確認した。
切削速度 250m/min 送り 0.2mm/rev 切込み 3.0mm 切削時間 2min 30min その結果を第4表に示す。
試料番号18.19では脱炭相の為試験は行わなかった
が、本発明のチップはカーボン量の減少にともない塑性
変形量が減少し、正常な摩耗を示したのに対し、市販の
チップは塑性変形が大きく、ノーズに異常な摩耗が発生
している。
さらに、耐摩耗性を比較するため、切削時間2分では
各チップとも大差ないが30分切削後の逃げ面最大摩耗量
は本発明チップと市販チップでは定状摩耗での傾きが異
なる大きな差となった。
〈発明の効果〉 本発明の被覆超硬合金工具は最終焼結体における基体
にカーボン量を特定することにより、基体中の耐塑性変
形性を向上させ、刃先強度を増し、耐摩耗性を向上させ
たものであり、被覆工具の特徴である高速連続切削分野
へより適用範囲を広げた工具である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C23C 16/34 C23C 16/34 16/36 16/36 16/40 16/40 (72)発明者 井寄 裕介 千葉県成田市新泉13番地の2 日立ツー ル株式会社成田工場内 合議体 審判長 中山 時夫 審判官 高梨 操 審判官 長者 義久 (56)参考文献 特開 昭62−88509(JP,A) 特開 昭63−103070(JP,A) 特開 昭62−44572(JP,A) 特開 平3−97867(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】周期律表の4a、5a、6a族の炭化物、窒化
    物、炭窒化物の1種以上と、Fe族、Cr族の1種以上より
    なり、飽和磁束密度がCo1%あたり14〜16gaussであるカ
    ーボン含有量が2相域中の低炭素領域のWC基超硬合金を
    基体とし、前記基体上に、内層が0.5〜10μmの有機CN
    化合物を反応ガスとするCVD法による炭窒化チタンを被
    覆し、次いで、0.5〜10μmのメタン及び/又は窒素ガ
    スを反応ガスに用いたCVD法による窒化チタン、炭窒化
    チタンの1種または2種以上の層、及び/または酸化炭
    素系ガスを反応ガスに用いたCVD法による酸化アルミニ
    ウムの層を被覆したことを特徴とする被覆超硬合金工具
    の製造方法。
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