JP3519127B2 - 高熱伝導性被覆工具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属材料，焼結合金ま
たはセラミックス焼結体の基材上にダイヤモンド，ダイ
ヤモンド状カーボンおよび立方晶窒化ホウ素の中の１種
以上を含む高熱伝導性物質を内層として被覆された高熱
伝導性被覆工具に関し、具体的には、例えば旋削工具，
フライス工具，ドリル，エンドミルに代表される切削工
具、スリッター，製缶工具，金型，切断工具に代表され
る耐摩耗工具などの各種工具として適する高熱伝導性被
覆工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】基材上に、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ
族金属の炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体、酸
化アルミニウムの中の１種の単層または２種以上の多層
でなる被覆層を被覆した被覆部材、並びに基材上に気相
合成法でもってダイヤモンドおよび／またはダイヤモン
ド状カーボンの硬質層を被覆したダイヤモンド被覆部材
についての検討が多数行われている。

【０００３】これらの被覆部材の内、前者は、耐摩耗
性，耐剥離性に優れており、かつ高温において鉄系材料
に対する耐溶着性，耐摩耗性にも優れることから切削工
具として実用されているが、切削領域が狭いという問題
があり、後者は、高硬度で耐摩耗性に優れているが、耐
酸化性，耐剥離性が劣り、かつ硬質層が鉄系材料により
逆変換しやすいという問題がある。

【０００４】これらの問題を解決するものとして、上述
の被覆層と硬質層との組合わせを検討し、硬質層を内層
とする被覆部材が提案されており、その代表的なもの
に、特開昭５９−１６６６７２号公報，特開昭５９−１
７０２６２号公報，特開昭６２−２１８５６６号公報，
特開平３−２２６５７４号公報および特開平３−２２６
５７５号公報がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ダイヤモンドおよび／
またはダイヤモンド状カーボンの硬質層と周期律表の４
ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物およびこれらの
相互固溶体の中の１種以上の被覆層とでなる被膜構成に
注目した先行技術の内、特開昭５９−１６６６７２号公
報，特開昭５９−１７０２６２号公報，特開昭６２−２
１８５６６号公報，特開平３−２２６５７４号公報およ
び特開平３−２２６５７５号公報には、基材上に硬質層
と被覆層を交互に積層した被覆部材、具体的には、硬質
層を内層とし、その表面にＴｉ，Ｚｒの炭化物，窒化
物，炭窒化物，炭化タングステン，炭化バナジウムの被
覆層を被覆した被覆部材、またはこれらの被覆層と硬質
層が交互に２回積層された被覆部材について記載されて
いる。

【０００６】これらの公報に記載された被覆部材は、炭
化物，窒化物または炭窒化物の被覆層が被覆された被覆
部材に比べて耐摩耗性に優れており、ガラスやプラスチ
ックを切削するための切削工具として優れた効果を発揮
するというものであるが、高速切削または鉄系材料を切
削する場合のように刃先温度が上昇する条件で用いる
と、被覆層と硬質層の両方共に耐摩耗性，耐酸化性およ
び耐熱性の低下が顕著になり、かつ基材が塑性変形を起
し、短寿命になるという問題がある。

【０００７】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、低速切削から高速切削領域に使用
できて、かつ鉄系材料を切削する工具としても実用でき
る低温から高温における耐摩耗性，耐剥離性，耐酸化性
および耐熱性に優れ、基材の耐塑性変形性にも優れる高
熱伝導性被覆工具の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、より高速
切削領域にまで実用し得る被覆切削工具を開発する目的
で種々検討していたところ、工具の刃先温度の上昇を抑
制させる被膜であって、かつ被膜自体が耐酸化性，耐摩
耗性，耐溶着性に優れていること、より高速切削領域で
実用できること、また工具の刃先温度の上昇を抑制する
には熱伝導性に優れている物質を内層とし、さらに、こ
の内層の弱点をカバーすると共に、被膜自体の耐酸化
性，耐摩耗性，耐溶着性を高めるには、内層上に酸化ア
ルミニウムの被膜を被覆し、内層と酸化アルミニウムの
被膜間における密着性を膜質の異なる別の被膜でカバー
するという構成が適してい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。

【０００９】本発明の高熱伝導性被覆工具は、基材上に
ダイヤモンド，ダイヤモンド状カーボンおよび立方晶窒
化ホウ素の中の１種以上を含む高熱伝導性物質の内層が
被覆されており、該基材と該内層との間に炭化タングス
テン，炭化ケイ素，これらの相互固溶体，混合物の中か
ら選ばれた１種の単層もしくは２種以上の多層でなる下
地層が被覆されており、該内層の表面に周期律表の４
ａ，５ａ，６ａ族金属，Ｓｉの炭化物，窒化物，炭酸化
物，窒酸化物およびこれらの相互固溶体の中の１種の単
層または２種以上の多層でなる第１外層と、酸化アルミ
ニウムの第２外層とを被覆してなることを特徴とするも
のである。

【００１０】本発明の被覆工具における内層は、具体的
には、例えばダイヤモンド，ダイヤモンド状カーボン，
立方晶窒化ホウ素の中の１種以上を含み熱伝導率が１ｃ
ａｌ／ｃｍ．ｓｅｅ．℃以上の内層、特に好ましくはダ
イヤモンドでなる内層である。

【００１１】この内層に隣接して形成される層は、第１
外層であることが好ましく、具体的には、例えばＴｉ
Ｃ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｃｒ
₃Ｃ₂，Ｍｏ₂Ｃ，ＷＣ，Ｗ₂Ｃ，ＳｉＣ，ＴｉＮ，Ｚｒ
Ｎ，ＨｆＮ，ＶＮ，ＮｂＮ，ＴａＮ，ＣｒＮ，Ｓｉ
₃Ｎ₄，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｎ，
Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ，（Ｔｉ，
Ｚｒ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｚｒ）（Ｃ，
Ｎ）の第１外層を挙げることができる。これらの第１外
層の内、内層に直接隣接する第１外層は、炭化物，窒化
物または炭窒化物の第１外層であることが好ましい。こ
の第１外層に隣接して第２外層が形成されるもので、こ
の第２外層は、例えばα−Ａｌ₂Ｏ₃，κ−Ａｌ₂Ｏ₃，ア
モルファスの酸化アルミニウムまたはこれらの混合物で
なるもので、特にα−Ａｌ₂Ｏ₃，または／およびκ−Ａ
ｌ₂Ｏ₃でなることが好ましい。この第２外層の表面に、
さらに窒化物，炭窒化物，窒酸化物，炭窒酸化物でなく
黄金色系から褐色系の色調でなる最外層を極く薄く被覆
して工具の使用前後の判別および色むらの防止とするこ
とも好ましい。

【００１２】また、基材と内層との間に、例えばＴｉ，
Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｓｉ，
ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｃｒ
₃Ｃ₂，Ｍｏ₂Ｃ，ＷＣ，Ｗ₂Ｃ，ＳｉＣ，ＴｉＮ，Ｚｒ
Ｎ，ＨｆＮ，ＶＮ，ＮｂＮ，ＴａＮ，ＣｒＮ，Ｓｉ
₃Ｎ₄，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｚ
ｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｗ）Ｃの
下地層を形成して基材と内層間の密着性を高めることも
好ましいことである。この下地層がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，
Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｓｉまたはこれらの
混合物でなる第１下地層と、周期律表の４ａ，５ａ，６
ａ族の炭化物，窒化物およびこれらの固溶体でなる第２
下地層の組合わせでなる場合には、第１下地層によって
被膜に内在する歪が緩和されることから好ましい。

【００１３】これらの下地層の内、内層の直下に隣接す
る下地層が炭化タングステンまたは炭化ケイ素でなると
ダイヤモンドの内層がエピタキシャル成長しやすく好ま
しいことである。

【００１４】本発明の被覆工具における被膜の構成は、
基材上に内層と第１外層と第２外層とが順次被覆されて
いる場合、基材上に内層−第１外層−第２外層−最外層
が順次被覆されている場合、基材上に第１下地層−内層
−第１外層−第２外層が順次被覆されている場合、基材
上に第１下地層−内層−第１外層−第２外層−最外層が
順次被覆されている場合、第１下地層を第２下地層に変
えた構成、第１下地層を第１下地層−第２下地層の順に
して変えた構成または第１下地層を第２下地層−第１下
地層の順にして変えた構成を代表例として挙げることが
できる。これらの被膜の構成における内層の膜厚さは、
１〜３０μｍでなることが好ましく、特に好ましくは３
〜２５μｍであり、第１外層の膜厚さは、０．１〜５μ
ｍ、第２外層の膜厚さは、０．５〜１０μｍでなること
が好ましく、下地層の膜厚さは、０．２〜１０μｍ、こ
の内第１下地層の膜厚さは、０．１〜５μｍ、第２下地
層の膜厚さは、０．１〜５μｍでなることが好ましい。

【００１５】本発明の被覆工具における基材は、被膜を
作製するときの温度および雰囲気による影響を受け難い
材料、特に温度により形状的な変形を受けることのない
材料ならばよく、具体的には、例えばＴｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの高融点金属、高
速度鋼，ステンレス鋼，耐熱合金，Ｔｉ合金，Ａｌ合金
に代表される金属材料、超硬合金，サーメットに代表さ
れる焼結合金、Ａｌ₂Ｏ₃系セラミックス焼結体，ＺｒＯ
₂系セラミックス焼結体、Ｓｉ₃Ｎ₄系セラミックス焼結
体，サイアロン系セラミックス焼結体，ＳｉＣ系セラミ
ックス焼結体に代表されるセラミックス焼結体を挙げる
ことができる。これらの基材の内、高負荷および高衝撃
が加わる苛酷な条件で用いられる切削工具には、Ｃｏお
よび／またはＮｉを主成分とする結合相１〜１０重量％
と、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，炭窒
化物，炭酸化物およびこれらの相互固溶体の中の少なく
とも１種の立方晶系化合物相２５重量％以下と、残りが
炭化タングステンと不可避不純物とからなる超硬合金で
なり、この超硬合金の表面から内部に向って結合相が漸
増した表面層を有し、この表面層の表面における結合相
が１重量％未満でなる表面改質された超硬合金を基材と
して用いることが特に好ましい。このときの表面改質超
硬合金における表面層は、層厚さが１〜３００μｍでな
ることが好ましく、特に好ましくは３〜１５０μｍであ
る。

【００１６】本発明の被覆工具は、従来からの基材を用
いて、従来から行なわれている物理蒸着法（ＰＶＤ法）
や化学蒸着法（ＣＶＤ法）でもって基材上に内層と外
層、または下地層と内層と外層を順次被覆することによ
り作製することができる。

【００１７】

【作用】本発明の高熱伝導性被覆工具は、外層が主とし
て耐摩耗性，耐溶着性，耐酸化性を高める作用をし、高
熱伝導性の内層が実用時に高温となった外層の熱を基材
側へ伝導し、結果的に被膜中の昇温を抑制し、耐摩耗
性，耐溶着性，耐酸化性，耐剥離性を高める間接的作用
をし、下地層を介在させた場合には、下地層が基材と内
層との密着性を高める作用および基材中の鉄族元素によ
る内層の逆変換防止作用をし、特に炭化タングステンま
たは炭化ケイ素の下地層の場合には、内層のエピタキシ
ャル成長の促進作用をもしているものである。

【００１８】

【参考品、比較品】平均粒径１〜３μｍのＣｏ，Ｔｉ
Ｃ，ＴａＣ，ＷＣの各粉末を用いて、９５ｗｔ％ＷＣ−
５ｗｔ％Ｃｏ組成に配合し、これらを混合粉砕、乾燥、
粉末成形および焼結工程を経て参考品１、２用の基材を
作製した。同基材は、焼結後浸炭処理および急冷し、基
材の表面から内部に向かってＣｏ量の漸増したもので、
このときの表面層を約１００μｍとした。比較品１，２
に用いた基材は、９５ｗｔ％ＷＣ−５ｗｔ％Ｃｏ配合組
成で定常の工程により作製したもの、比較品３，４に用
いた基材は、８８ｗｔ％ＷＣ−２ｗｔ％ＴｉＣ−４ｗｔ
％ＴａＣ−６ｗｔ％Ｃｏ配合組成で、表面層の形成は行
わないものとした。

【００１９】これらの基材の表面をダイヤモンド砥石で
研削およびダイヤモンド砥粒で琢磨した後、マイクロ波
プラズマ反応容器に基材を設置し、水素とメタンの混合
ガス中、プラズマ処理して内層を形成した。次いで、従
来から行なわれているプラズマＣＶＤ法でもって第１外
層と第２外層（Ａｌ₂Ｏ₃）を被覆して参考品１，２とし
た。比較品１は、内層の被覆処理を施さず、比較品２
は、第２外層の被覆処理を施さないものとし、比較品
３，４は、それぞれ表１示す被膜層を施した。

【００２０】これらの参考品１，２および比較品１〜４
のそれぞれの被膜の組成，厚さをラマン分光分析装置，
Ｘ線回折装置，走査型電子顕微鏡でもって調べて、その
結果を表１に示した。

【００２１】次に、参考品１，２および比較品１〜４を
用いて、被削材：Ｓ４８Ｃ、切削速度：３００ｍ／ｍｉ
ｎ，切込み：１ｍｍ／ｒｅｖ，送り：０．３ｍｍ，切削
時間：５ｍｉｎ、工具形状：ＴＮＧＡ１６０４０８、乾
式旋削条件でもって切削試験を行い、そのときの平均逃
げ面摩耗幅を求めて表１に併記した。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【実施例，比較例】基材の配合組成を９６ｗｔ％ＷＣ−
０．５ｗｔ％ＴｉＣ−１ｗｔ％ＴａＣ−２．５ｗｔ％Ｎ
ｉとし、従来の粉末冶金法による混合粉末，乾燥，粉末
成形および焼結工程を施して得た超硬合金の表面を実施
例１と同様に研削および琢磨処理して基材とした。

【００２４】この基材を用いて、参考品と同様に従来か
ら行われているプラズマＣＶＤ法でもって、基材表面に
下地層，内層，第１外層，第２外層，最外層を順次被覆
して本発明品１，２，５，６を得た。また、最外層のみ
施さずに本発明品３，４を得た。比較用とし、第２外層
（Ａｌ₂Ｏ₃）と最外層のみ施さず、他には本発明品１と
略同様に行って、比較品５〜７を得た。

【００２５】こうして得た本発明品１〜６および比較品
５〜７の被膜を参考品と同様にして調べて、その結果を
表２に示した。また、本発明品１〜６および比較品５〜
７を用いて、被削材：ＦＣ３５、切削速度：１５０ｍ／
ｍｉｎ，送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ，切込み：１．５ｍ
ｍ，切削時間：１０ｍｉｎ、工具形状：ＴＮＧＡ１６０
４０８、乾式旋削条件でもって切削試験を行い、そのと
きの平均逃げ面摩耗幅を求めて表２に併記した

【００２６】

【表２】

【００２７】

【発明の効果】本発明の高熱伝導性被覆工具は、従来の
酸化アルミニウム被膜の被覆された比較品およびダイヤ
モンド被膜を内層として被覆された比較品に比べて、鉄
系材料を被削材とする切削工具として用いた場合に、数
倍〜数１０倍も長寿命になるという効果があり、酸化ア
ルミニウム被膜と高熱伝導性を有するダイヤモンド被膜
とのシナジー効果が発揮できた優れた被覆工具である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 浩 神奈川県川崎市幸区塚越１丁目７番地 東芝タンガロイ株式会社内 (72)発明者 渋木 邦夫 神奈川県川崎市幸区塚越１丁目７番地 東芝タンガロイ株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−226575（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−275759（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−96401（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−131173（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／4213（ＷＯ，Ａ１)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基材上にダイヤモンド，ダイヤモンド状
   カーボンおよび立方晶窒化ホウ素の中の１種以上を含む
   高熱伝導性物質の内層が被覆されており、該基材と該内
   層との間に炭化タングステン，炭化ケイ素，これらの相
   互固溶体，混合物の中から選ばれた１種の単層もしくは
   ２種以上の多層でなる下地層が被覆されており、該内層
   の表面に周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属，Ｓｉの炭
   化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物およびこれらの相互
   固溶体の中の１種の単層または２種以上の多層でなる第
   １外層と、酸化アルミニウムの第２外層とを被覆してな
   ることを特徴とする高熱伝導性被覆工具。
2. 【請求項２】 上記第１外層は、上記内層に隣接し、上
   記第２外層は、該第１外層に隣接して形成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導性被覆工具。
3. 【請求項３】 上記第２外層の表面に隣接して窒化チタ
   ン，炭窒化チタン，窒酸化チタンまたは炭窒酸化チタン
   の最外層が被覆されていることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の高熱伝導性被覆工具。
4. 【請求項４】 上記内層は、膜厚さが１〜３０μｍから
   なることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
   高熱伝導性被覆工具。
5. 【請求項５】 上記第１外層は、膜厚さが０．１〜５μ
   ｍであり、該第２外層は、膜厚さが０．５〜１０μｍで
   なることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
   高熱伝導性被覆工具。
6. 【請求項６】 上記基材は、Ｃｏおよび／またはＮｉを
   主成分とする結合相１〜１０重量％と、周期律表の４
   ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，炭窒化物，炭酸化物お
   よびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の立方晶
   系化合物相２５重量％以下と、残りが炭化タングステン
   と不可避不純物とからなる超硬合金でなり、該超硬合金
   は、該超硬合金の表面から内部に向って該結合相が漸増
   した表面層を有し、該表面層の表面における該結合相が
   １重量％未満でなることを特徴とする請求項１〜５のい
   ずれかに記載の高熱伝導性被覆工具。
7. 【請求項７】 上記表面層は、層厚さが１〜３００μｍ
   でなることを特徴とする請求項６に記載の高熱伝導性被
   覆工具。