JP2733809B2 - 被覆工具 - Google Patents

被覆工具

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JP2733809B2
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順彦 島
進 豊田
厳 松根
暁夫 鷲見
利尚 高橋
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗性に優れた、切削
用及び耐摩耗用の被覆超硬質合金工具に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、超硬合金を基体とし、その表面に
耐摩耗性に富んだTiC、TiNなどの硬質皮膜を被覆
した被覆超硬合金工具は、表面の耐摩耗性と基体の強靭
性を兼ね備えており、広く実用に供されている。しかし
TiC、Al23等の被覆合金は密着性、耐摩耗性の相
反する性能を兼ね備えるため、必ずしも論理たてられて
おらず、その次に来る皮膜の種類、蒸着時間等との関係
から管理されていないのが現状である。
【0003】また、密着性の観点からは基体主成分であ
るW、Ti、Co等が拡散すれば、密着性は向上し、特
にCoが最表面に現れるような場合には悪影響を及ぼす
が、内層に適量存在する場合には、むしろ効果的でもあ
った。しかし、耐摩耗性の観点からみれば、もちろん剥
離をしないことが重要であるが、基体主成分であるW、
Ti、Co等が拡散すればすくい面上のクレーター摩耗
が速くなり、工具寿命が短くなるなどの欠点もあった。
【0004】このため、上記のどちらに主眼を置くかに
より、種々の皮膜を形成する方法が行われている。基体
との密着性が比較的良い皮膜を内層に被覆すれば、W、
Co等の拡散は多くなり、その例としては内層にTi
C層、TiCN層、TiN層等がある。しかし、い
ずれも、Cを含む場合には脱炭相の問題もあり、W、C
o、Ti、Cの各元素が反応するため複雑な様相となっ
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、基体となる
超硬合金の構成物質と拡散を皮膜により解決するもので
あり、C、W、Co等の基体を構成する物質の拡散を防
ぐために、最内層のTiNまたはTiCN層を低温で処
理すると共に、膜質を微細化し、その後通常の化学蒸着
法で様々な膜質を被覆しても、基体を構成する物質の拡
散を阻止するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は上記実
情に鑑み成されたものであり上記従来技術の欠点を改良
し、皮膜−基体間−特に基体構成物質の拡散に着目し、
特に耐摩耗性に優れる被覆超硬合金を提供することを目
的とするもので有る。そのため、本発明の被覆超硬合金
は、WC−Co系、WC−TiCN−TaC−Co系の
表面に、まず、最内層として700〜900℃で被覆す
るTiNまたはTiCNを被覆する。この皮膜は、通常
の化学蒸着法が1000℃前後でおこなわれているのに
対し、100〜300℃低温化しているため、蒸着時、
膜質中に基体構成物質が拡散せず、さらに低温で蒸着さ
れるため微細な膜質が得られるため、2層目以降の蒸着
に際して温度を上げてももCo等の拡散を防止する効果
が大きい。
【0007】本発明の超硬質合金基体の表面は、WC−
Co系、WC−TiCN−TaC−Co系、またはその
表面に脱ベータ層、脱バインダー処理等を行ったもので
もかまわない。低温で最内層を被覆するため、基体−皮
膜界面に生ずる脱炭層も生じにくく、いろいろな材種に
適用できる特徴がある。
【0008】本発明における被覆方法としては、既知の
成膜法を応用することによって可能であり、例えば内層
を構成するTiCNまたはTiN皮膜については、蒸着
温度を700〜900℃で被覆すればよく Ti(CH3)CN+2H2→TiCN+4H(CH3) TiCl4+2N2+2H2→TiN+4HCl CH4 →C+2H2 Ti+C →TiC あるいは、 TiCl4+2H2→Ti+4HCl Ti+1/2N2 →TiN のように、Tiのハロゲン化物を気化し、還元及び炭化
あるいは窒化反応によって得ることができる。また本発
明は最内層を被覆するときだけ低温化し、2層目以降の
被覆に付いては通常の温度で行わないと成膜速度が遅く
なり非能率的である。
【0009】次に、本発明においては、内層の厚さを
1.0〜5μm、2層目以降の厚さを0.5〜10μm
とすることが望ましい。その理由はTiN、TiCNの
うちのいずれか一種からなる内層の厚さが1.0μm未
満では拡散の防止が十分でなく、また5μmを超えると
TiCN等の層は低温で化学蒸着しているため、厚膜に
するには、蒸着に長時間を要するためである。
【0010】Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物、Al2
3から構成される2層目以降の厚さが0.5μm未満
では耐摩耗性が不十分であり、また10μmを超えると
全体の厚さが厚くなり脆く成るため、欠損しやすくな
る。このため2層目以降の厚さは0.5〜10μmとす
るのが望ましい。また、この層の構造はTiの炭化物、
窒化物、炭窒化物を組み合わせた方が特性を効果的に発
揮できるため、多層とすることが望ましい。
【0011】次ぎに、W強度比を 0≦W/(4a+5
a+6a+Fe族)≦0.04としたのは、0.04を
越えると拡散により異相を生じ易くなり、また0が望ま
しいが2層目以降の膜質、膜厚等により蒸着時間、蒸着
温度が異なるためこの範囲とした。Co強度比を 0≦
Co/(4a+5a+6a+Fe族)≦0.02とした
のは0.02を越えると拡散により異相を生じ易くな
り、また0が望ましいが2層目以降の膜質、膜厚等によ
り蒸着時間、蒸着温度が異なるため若干拡散を生ずるこ
ともありこの範囲とした。またW、Coともに基体より
拡散するものであるから、内層では量的に増えるが、最
外層に向かって濃度勾配を有し、特に2層目以降では、
ほぼ0であることが重要である。
【0012】
【実施例】次に本発明による被覆超硬質合金を実施例に
よって具体的に説明する。但し、本発明はこれら実施例
の範囲に限定されるものでないことは言うまでもない。
超硬質体の基体としてWC72%、8%TiC、(Ta
Nb)C11%、Co9%(重量%)なる組成に粉末を
配合し、真空中1400℃で一時間焼結し、得られた焼
結体からG級のスローアウェィチップを作成した。
【0013】(1)試料No1の成膜条件 スローアウェィチップを耐熱合金製反応容器内で800
℃に加熱し、20Torrの減圧化でTi(CH3)C
N 4% N2 4%、H2 92%の割合で混合したガ
スを5l/minの流量で送り、2時間反応させ2μm
のTiCN被覆層を得た。その後10Torrに真空排
気し、1000℃に昇温し、TiCl44% CH4
% H2 92%の割合で混合したガスを20min流
し、TiC膜を生成し、ついでN2ガスを順次供給して
TiCN膜を3μm成膜した。AlCl3 5% CO2
5%、CO 15% H2 75%の割合で混合した
ガスを供給し、温度は1000℃、2時間保持し、1.
5μmのAl23層を被覆した。
【0014】(2)試料No2の成膜条件 耐熱合金製反応容器内で800℃に加熱し、20Tor
rの減圧化でTiCl4 4% N2 4% H2 96
%の割合で混合したガスを5l/minの流量で流し、
1時間反応させ2μmのTiN被覆層を得た。その後、
試料No1と同様の方法により被覆した。 (3)試料No3の成膜条件 従来例のひとつである耐熱合金製反応容器内で1000
℃に加熱し、20Torrの減圧化でTiCl4 4%
CH4 2% N2 30%、H2 64%の割合で混合
したガスを5l/minの流量で流し、2時間反応させ
2μmのTiCN被覆層を得た。その後、試料No1と
同様の方法によりに被覆した。
【0015】次いで、皮膜構造を調査するため、研摩し
TEM(透過型電子顕微鏡)にて、組織観察・成分分析
を行いW、Co、Ta等の拡散の状況を測定した。その
結果を図1に示す。図1の結果より、従来製造方法で行
うと、基体中のCo、W等の拡散がおおく、境界より数
ミクロンにわたり分析された。それに対し、低温で蒸着
した場合にはほとんど拡散が生じていなかった。
【0016】これら3種のチップを用い以下の切削条
件、すなわち鋳物連続切削 被削材 FC25(HB230) 切削速度 180m/min 送り 0.3mm/rev 切り込み 1.5mm 水溶性切削油使用 で切削試験を行った。平均逃げ面摩耗量が0.4mm、
クレーター摩耗が0.1mmのどちらかに達した時間を
寿命と判断した。
【0017】試料No(3)のスローアウェイチップは
25分間の切削で寿命に達しているのに対し、本発明に
よる(1)、(2)は表1から明からかなように40〜
50分間切削出来るた。また本発明によるチップの寿命
はいずれも平均逃げ面の摩耗によるものでありクレータ
ー摩耗は寿命まで切削してもブレークされず良好な摩耗
形態を示した。
【0018】
【発明の効果】上述のように、本発明被覆超硬工具は、
最内層に微細かつ低温処理したTiNまたはTiCNを
被覆し、2層目以降に通常温度で被覆したことにより、
最内層が基体中のW、Co等の物質の拡散を防止するた
め、膜全体の耐摩耗性が向上し、膜質本来の性能が発揮
され、また2層目以降は通常の化学蒸着法により様々な
膜を被覆しても最内層に於いて拡散を防止しているため
影響が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は透過型電子顕微鏡による、本発明被覆超
硬工具の基体表面から最外層に向かっての成分分析の結
果を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鷲見 暁夫 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 (72)発明者 高橋 利尚 東京都江東区東陽4−1−13 日立ツー ル株式会社内 (72)発明者 植田 広志 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 審査官 槻木澤 昌司 (56)参考文献 特開 平3−64469(JP,A) 特開 平3−197677(JP,A) 特開 平3−229856(JP,A) 特開 平3−270806(JP,A) 特開 昭63−89666(JP,A) 特開 平5−220604(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周期率表の4a、5a、6a族の炭化
    物、窒化物、炭窒化物の一種以上とFe、Ni、Co、
    W、Mo、Crの一種以上とよりなる超硬質合金を基体
    とし、基体表面より2層以上被覆し、かつ内層の厚さを
    1.0〜5μm、2層目以降の厚さを0.5〜10μm
    とする被覆工具において、基体表面より被覆外層に向か
    って基体中の主成分であるW、Coの拡散がx線強度比
    に於いて W強度比 0≦W/(4a+5a+6a+Fe族)≦0.04 Co強度比 0≦Co/(4a+5a+6a+Fe族)≦0.02 の範囲内であることを特徴とする被覆工具。
  2. 【請求項2】 請求項1の被覆工具に於いて、基体の表
    面より被覆外層に向かって基体中の主成分であるW、C
    oの拡散が最内層に於いて、濃度勾配を有し、かつ、2
    層目以降に於いてはほぼ0であることを特徴とする被覆
    工具。
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