JP3691290B2

JP3691290B2 - 複合材製コーティング部材

Info

Publication number: JP3691290B2
Application number: JP16446599A
Authority: JP
Inventors: 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: JP2000355701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材にコーティングが施された複合材製コーティング部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、耐摩耗部材、切削材料あるいは金型による塑性加工分野で使用される材料は、鉄系のＳＫＤ、ＳＫＨ、粉末ハイスの他、超硬やサーメット等の複合材が使用されている。この種の材料は、それぞれの使用条件に応じて高硬度、高強度、靭性、熱伝導度および低熱膨張性等の性質が要求されている。これらの材料は、通常、ＴｉＮ等の硬質セラミックスコーティングや焼き嵌め、冷やし嵌め等による補強を行うことにより、より高い物性を有する工夫が施されている。
【０００３】
ところが、近年、さらなる効率の向上が求められていることから、種々の問題が指摘されている。例えば、種々の機械加工分野において使用される切削用バイトでは、高硬度、高強度および高靭性が要求されており、バイト材質としては、均質体で構成される高速度鋼、超硬またはサーメット等が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高速度鋼は、高強度および高靭性を有するものの耐摩耗性や圧縮強度および剛性に問題がある一方、超硬は、高剛性、高硬度および高圧縮強度を有するものの靭性に問題がある。言い換えれば、剛性や耐摩耗性を向上させようとすると、靭性や強度が劣化する一方、強度や靭性を向上させるようとすると、剛性や硬度が低下してしまい、特に、高速加工および高負荷に耐え得るバイトを製作することは、現実的には極めて困難なものとなっている。
【０００５】
その際、超硬材や高速度鋼等の現状素材に対し、ＴｉＮ等の硬質セラミックスコーティングがＣＶＤやＰＶＤ等によりなされているが、高応力下ではコーティング皮膜が剥離するとともに、金型等のキャビティ等に対するコーティング皮膜厚さが不均一になる等の問題が生じている。これにより、現状では、皮膜厚さが数十μｍ〜数百μｍと厚くする必要があり、寸法精度や嵌め合い精度を高精度に維持することができないという問題があった。
【０００６】
そこで、耐摩耗部材、切削材料または金型等に対し、本出願人による特許第２５９３３５４号公報や特開平８−１２７８０７号公報等に開示されているセラミック粉末と金属成分とを含む傾斜機能を有する複合材を応用することを見い出した。
【０００７】
すなわち、本発明は、表面が高硬度で内部に向かうに従って靭性や強度等の物性が向上する傾斜機能を有し、表面に硬質皮膜層を施すことが可能な複合材製コーティング部材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る複合材製コーティング部材では、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されるとともに、内部から表面に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減する本体部と、この本体部表面に施される硬質皮膜層とを備えている。ここで、複合材中の金属成分の割合と硬度、強度および靭性とには相関があり、金属成分の割合が少なくなってセラミックス成分の割合が多くなると、硬度、耐摩耗性および剛性等が向上するものの脆くなってしまう。一方、この脆さを改善するために金属成分の割合を多くすると、強度および靭性が向上するものの、剛性および耐摩耗性が低下してしまう。
【０００９】
そこで、表面が高硬度で、内方に向かうに従って靭性および強度等の物性が向上する傾斜機能を有する複合材で本体部（母材）を構成し、さらに、この本体部表面に硬質皮膜層を施すことによって一層の効率の向上を図ることができる。従って、実際に作業を行う表面部分の組成がセラミックスリッチで高硬度および耐摩耗性を有し、内部が金属リッチで高靱性および高硬度を有するとともに、この間の組成や物性が緩やかに変化することにより、応力集中を有効に減少させることが可能になる。
【００１０】
さらに、本体部表面に硬質皮膜層がコーティングにより設けられるため、密着性や機能のより一層の向上が図られるとともに、皮膜厚さを大幅に減少させることができる。これにより、刃先がより鋭角な切削材料や、高寸法精度を有する耐摩耗部材または金型を容易に構成することが可能になる。
【００１１】
例えば、切削用バイトでは、切削加工時に被削材に対してこのバイトを押し付ける際の圧縮応力、食い付き部や切削部に作用する引っ張り応力、および切削を行っている部分に発生する回転に合わせるべく切削に使用されない部分に作用する引っ張り応力等の種々の応力が発生している。このため、バイトによる実際の切削が不安定となって、刃先チッピングや欠損、あるいは切削部の寸法精度等の悪化による表面荒れが発生しており、通常、バイトの加工送り量を小さくして対応していた。
【００１２】
そこで、本発明では、本体部表面近傍のセラミックス粒子が、内部に比べて粒成長を促して粗大化しつつ内部に向かうに従って小さくなり、金属成分がこの粒成長に伴う粒子組成再配列により内部に集積される。従って、実際に加工を行う部分や負荷応力が作用する部分の組成は、セラミックスリッチで高耐摩耗性を有する一方、内部が金属リッチで高強度および高靭性を有する。これにより、切削工具や金型および耐摩耗部材等を、上記の複合材で構成することによって、発生する応力の伝達が容易となり、バイト内部や刃先部、金型の加工面や相手材との接触面等における応力集中を大幅に減少させることが可能になる。
【００１３】
また、切削加工や金型による塑性加工および高負荷応力下での摺動等では、大きな発熱を伴うが、熱の発生し易い表面近傍をセラミックスリッチとして粒子を粗大化することにより、熱の伝達および拡散性が向上する。従って、熱に伴うマイクロクラックの発生を防止し、これにより生ずるチッピングや構成刃先の改善や凝着の減少も可能となり、切削性能が大きく向上することになる。すなわち、複合材中の金属に比べてセラミックスの熱伝導が２倍乃至それ以上であり、また金属量が内部から表面に向かうに従って緩やかに漸減していることから、熱応力による本体部（素材）の損傷が回避されるからである。
【００１４】
さらにまた、硬質皮膜層が施される本体部表面は、金属が低減された略セラミックスと近似した特性を有している。このため、本体部表面に硬質皮膜層を施すことにより、耐久性および摺動性が一層向上するとともに、前記本体部表面とコーティング材との特性が近似しており、従来のようにコーティングするための前処理としてプラズマ酸による粗面化処理、金属量の低減および応力緩和のために必要な多層コーティング等が不要となる。しかも、ＰＶＤやＣＶＤ等により直接硬質皮膜層を形成することができるとともに、金属量が些少であるために、従来のような脆化層（超硬でのη層等）の生成もなく、皮膜厚さを理想的な厚さに設定することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合材製コーティング部材であるバイト１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記バイト１０の縦断面図である。
【００１６】
バイト１０は、平面視略正方形状に構成されており、一方の端面側に切刃部１２が形成されている。このバイト１０の厚さ方向には、切刃部１２から後方に向かって内方に傾斜する逃げ部１４が設けられている。バイト１０は、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されており、バイト内部に金属リッチな金属部２０が設けられるとともに、バイト表面にはセラミックスリッチなセラミックス部２２が設けられる。金属部２０とセラミックス部２２との間には、バイト内部からバイト表面に向かうに従って金属成分の割合が漸減する傾斜部２４が設けられ、これらにより本体部２６が構成されている。この本体部２６の表面には、硬質皮膜層２８がコーティングにより形成されている。
【００１７】
金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族元素の鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の中から選択される少なくとも一種以上であり、必要に応じてクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）等が混入される。複合材中の金属成分の割合は、３ｗｔ％〜２０ｗｔ％、より好ましくは５ｗｔ％〜１５ｗｔ％の範囲内に設定される。
【００１８】
金属成分が３ｗｔ％未満では、金属量が少なくなり過ぎてバイト１０が脆くなり、現実的に使用することができないものとなってしまう。金属成分が３ｗｔ％以上であると、バイト１０の表面側の金属成分の割合を０．３ｗｔ％以下とすることができ、バイト内部には相対的に７ｗｔ％程度の金属成分を集積することが可能になり、実用に供することができる。なお、素材を焼結した後、刃付け等の加工を施してバイト１０を製造する際には、その刃先強度をも考慮する必要があり、金属成分の割合が３ｗｔ％以上であることが望ましい。
【００１９】
ここで、セラミックス粒子として２μｍ前後の粉末原料を用いた場合、バイト表面近傍の粒子は、添加される粒子成長剤や焼結温度、時間および雰囲気等により変化し、例えば、３倍〜３０倍程度に成長する。バイト１０において、切刃１８の強度が要求される際には、３倍〜１０倍程度まで成長させる一方、主に耐摩耗性が要求される際には、１０倍〜２０倍程度まで成長させる。このとき、バイト１０の表面近傍の金属成分の割合は０．１ｗｔ％〜５ｗｔ％程度であり、このバイト１０の内部の金属成分の割合は成長度合いや傾斜部２４の厚み等により変化し、例えば、表面近傍で５ｗｔ％の場合、内部で８ｗｔ％〜１３ｗｔ％程度乃至はそれ以上となる。
【００２０】
金属成分の割合は、上限が２０ｗｔ％、より好ましくは１５ｗｔ％に設定される。長尺なシャンク部にバイト１０が取り付けられると、このバイト１０には、高剛性と高強度が要求されるとともに、特に、大きな引っ張り強度が要求される。この場合、含有する金属成分の量を増加して折損等を回避しようとする際、金属成分の割合が２０ｗｔ％以上になると、耐摩耗性が劣化するおそれがある。
【００２１】
また、金属成分の割合が２０ｗｔ％に設定され、表面近傍で金属成分が１ｗｔ％程度のバイト１０において、ＨＲＡ９３程度の硬度を確保しようとした場合、前記バイト１０が２５ｍｍ×２５ｍｍ×１００ｍｍ程度のシャンク一体型であれば、バイト中央部の金属成分が２０ｗｔ％以上程度となって、高速度鋼に近い靱性を有して機能的には充分である。
【００２２】
なお、１０ｍｍ〜２０ｍｍ×１０ｍｍ〜２０ｍｍ×１００ｍｍ程度のバイト１０において、上記のようにバイト中央部の金属成分の量を２０ｗｔ％以上程度にするためには、複合材中の前記金属成分の割合を１５ｗｔ％に設定すればよく、これ以上の割合で金属成分を添加しても強度や靱性に寄与することがなく、バイト１０全体の剛性が低下してしまう。
【００２３】
バイト１０の傾斜部２４の厚さは、数百μｍ、好ましくは０．３ｍｍ以上に設定される。バイト１０では、金属成分の量と熱伝導、粒子の大きさと熱伝導にそれぞれ相関があり、発生する熱応力が熱伝達の勾配になるため、傾斜部２４の厚さが変化することにより熱応力そのものが変化する。傾斜部２４の厚さが数μｍ〜数十μｍでは、発生する熱応力や加工時の応力の緩和量が小さく、金属成分の割合を好適にコントロールしたとしても所望の効果を得ることができない。
【００２４】
一方、傾斜部２４の厚さを大きく設定することが考えられるが、バイト１０が大径なものとなってしまう。実用上のバイト１０の寸法が１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ程度以下であるため、傾斜部２４の厚さの上限を２０ｍｍに設定する。
【００２５】
バイト１０を構成する複合材中のセラミックス成分は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化２モリブデン（Ｍｏ₂Ｃ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化クロム（Ｃｒ₃Ｃ₂）、窒化チタン（ＴｉＮ）または炭化バナジウム（ＶＣ）の中から選択される少なくとも一種以上を主体とするものであり、必要に応じて窒化物、硼化物あるいは炭窒化物の種々のものをその一部に添加してもよい。
【００２６】
セラミックス量は、

に設定される。これらのセラミックス成分は、バイト１０による切削時に実際に切削を行う切刃１８を構成しており、耐熱性、耐摩耗性および耐蝕性等の性質を備えている。セラミックス量が９７ｗｔ％を超えると、金属成分の量が少なくなりすぎ、耐摩耗性は充分であるものの、強度および靱性が低くなって実用に供することが難しい。
【００２７】
一方、セラミックス成分が８０ｗｔ％未満では、金属成分が多くなりすぎ、バイト１０のドレス後の使用等においては、耐摩耗性が著しく劣化する場合があるとともに、硬質セラミックスコーティング時の密着性や実用上の機能の低下が生ずる場合がある。
【００２８】
バイト１０の表面硬度は、ＨＲＡ９１以上であると好適である。この値未満では、バイト１０の切刃部１２に金属成分の露出割合が多くなり、被削材との摩擦係数（μ）が高くなって発熱の増大を招き、前記被削材の加工表面が粗くなるとともに、前記バイト１０の切刃部１２自体の損耗が大きくなってしまう。しかも、バイト１０の切刃部１２に金属成分の露出割合が多くなると、コーティングにより硬質皮膜層２８を形成する際の密着性が劣化するとともに、脆化層が生成されたり、皮膜強度が低下したり、あるいは皮膜の割れが発生してしまう等の不具合が生じてしまう。
【００２９】
バイト１０の表面硬度がＨＲＡ９１以上であれば、表面金属量が３ｗｔ％以下となり、物性的にも大変有利なものとなって、加工精度や加工面品質が向上し、かつ皮膜の形成が容易なものとなる。なお、より好ましくは、ＨＲＡ９２以上であり、この場合、表面金属量を１ｗｔ％とすることができ、同一セラミックス皮膜であっても、通常の硬質セラミックス皮膜コーティングの性能を遙かに凌ぐものとなる。
【００３０】
このように、第１の実施形態に係るバイト１０では、高速度鋼に比べて物性的にも有利であり、加工精度および加工面が有効に向上することになる。しかも、バイト１０の交換頻度が少なくなり、長期間にわたって良好に使用することが可能になる。また、バイト１０では、粒成長剤を適宜選択することにより、例えば、金属成分としてニッケルが使用される場合、前記バイト１０の表面硬度がＨＲＡ９４、さらにＨＲＡ９８になり、従来の硬質セラミックス皮膜コーティングを施した以上の値が得られる。
【００３１】
硬質皮膜層２８は、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化クロム（Ｃｒ₃Ｃ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、ダイヤモンドまたはＣＢＮ等の中から選択される少なくとも一種である。また、使用されるセラミックスとしては、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）または窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）であってもよいが、耐摩耗性を向上させるという観点からは、主としてＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣＢＮまたはダイヤモンドが選択される一方、高摺動性という観点からは、Ｃｒ₃Ｃ₂またはＴｉＮ等が用いられる。
【００３２】
コーティングされる硬質皮膜層２８の厚さは、３μｍ〜１５μｍの範囲内に設定される。これは、負荷応力や熱応力、コーティング材の強度密着力および母材表面の強度等が考慮されている。すなわち、硬質皮膜層２８の厚さが３μｍ未満であると、母材である本体部２６と硬質皮膜層２８との硬度の差が大きい場合にこの本体部２６が変形しようとし、前記硬質皮膜層２８に亀裂が発生して該硬質皮膜層２８の剥離や破壊が発生するおそれがある。
【００３３】
一方、硬質皮膜層２８の厚さが３μｍ以上であると、本体部２６の表面硬度がＨＲＡ９１以上である際に硬質皮膜層２８の損傷はほとんど惹起されることがない。但し、使用環境が切削材、耐摩耗部材または金型と多岐にわたっており、負荷も大きいことから、より好ましくは、５μｍ以上の厚さに設定される。
【００３４】
硬質皮膜層２８の厚さが１５μｍを超えると、コーティング皮膜自体に問題が生ずる。すなわち、通常、ＣＶＤやＰＶＤ等により皮膜を形成する際には、それぞれ母材を１０００℃程度および５００℃程度まで加熱しており、皮膜と母材との熱膨張差に起因する応力が生じ、室温に戻した後に引っ張り残留応力が残ったり、微少亀裂が発生したりする。
【００３５】
第１の実施形態では、例えば、母材の組成をＷＣ−１０Ｃｏとしたとき、硬質皮膜層２８の厚さを２０μｍとすると、微少亀裂が観測され、さらに厚さが１５μｍを超えると、負荷により亀裂や伸展が発生するおそれがある。第１の実施形態では、通常の超硬やサーネットに比べ、硬質皮膜層２８と本体部２６との密着性がその表面金属量の低減により向上しており、前記硬質皮膜層２８の破壊にとどまらず、前記本体部２６に亀裂を生じさせる懸念があるため、該硬質皮膜層２８の厚さは１５μｍ以下、より好適には１０μｍ以下に設定する。
【００３６】
ここで、現行材では、硬質セラミックス皮膜コーティングの厚さが数十μｍ〜数百μｍの範囲内、具体的には、２０μｍ〜１００μｍの範囲内に設定されている。母材の表面硬度が低く、この母材表面の金属量が多いために、２０μｍ以下の膜厚では負荷応力が母材に作用してしまい、この母材が変形して前記皮膜が破壊されるからである。
【００３７】
このため、皮膜が相当に厚くなってしまい、バイト１０の刃先やエッジ部がだれたり、丸くなったりしてその精度が悪くなり、所望の切れ味を得ることができない。さらに、嵌め合い精度や寸法精度が悪くなり、精密品製造に適する金型を構成することができないという問題がある。その上、複雑な形状や開口形状の狭い金型あるいは耐摩耗部材では、このように厚肉な皮膜を設けると、その膜厚差が数十μｍにも及んでしまい、精度低下が惹起されてしまう。
【００３８】
これに対して、第１の実施形態では、３μｍ〜１５μｍの厚さに設定することができ、理想的な硬質皮膜コーティング処理が達成されるという効果が得られる。
【００３９】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る複合材製コーティング部材であるバイト１０ａの概略斜視説明図であり、図４は、前記バイト１０ａの縦断面図である。なお、上述した第１の実施形態に係るバイト１０と同一の構成要素には同一の参照数字に符号ａを付して、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
バイト１０ａは平面視リング形状を有しており、その中央部にボルト用の挿通孔１６ａが形成されるとともに、一端側に切刃部１２ａが設けられて前記切刃部１２ａから前記バイト１０ａの厚さ方向に向かって逃げ部１４ａが形成されている。バイト１０ａでは、本体部２６ａに硬質皮膜層２８ａがコーティングにより形成され、その挿通孔１６ａを構成する内壁面にも硬質皮膜層２８ｂが設けられている。
【００４１】
このように構成されるバイト１０ａでは、高速度鋼や超硬で構成されるバイトに比べ、高速加工が容易に遂行される等、第１の実施形態に係るバイト１０と同様の効果が得られる。
実施例１
実施例１では、平均結晶粒径が２．２μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を９０ｗｔ％、平均粒径が２μｍの炭化ニオブ（ＮｂＣ）粉末を２ｗｔ％、平均粒径が２．４μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）粉末を１ｗｔ％、および平均粒径が０．８μｍのコバルト（Ｃｏ）粉末を７ｗｔ％の割合で、有機溶媒を媒液としてボールミルを用いて７２時間充分に混合した。これは、ＪＩＳ分類におけるＫ−１０相当材であり、以下、試料Ａという。
【００４２】
一方、上記と同様の粉末の他に、平均粒径が１．５μｍの炭化チタンと平均粒径が１．２μｍの窒化チタンを用意し、炭化タングステン粉末を５１ｗｔ％、炭化チタン粉末を３５ｗｔ％、窒化チタン粉末を５ｗｔ％、炭化タンタル粉末を３ｗｔ％、コバルト粉末を６ｗｔ％の割合で、上記と同様にボールミルを用いて同一時間だけ充分に混合した。これは、ＪＩＳ分類におけるＰ−１０組成に近いものであり、以下、試料Ｂという。
【００４３】
次いで、これらの混合物を液分が９％になるように調製した後、成形用バインダの影響を回避するためにバインダレスで、金型内静水圧加圧成形法により１００ＭＰａの成形圧力にて、焼成後の寸法が内接円φ１２．７ｍｍ、厚さ４．７６ｍｍに近似するように成形体を成形した。加工取り代は、片面で０．１ｍｍ程度に設定した。
【００４４】
成形後、窒素ガスを流通させながら５０Ｐａで成形体に残存するヘキサンを除去した後、９００℃で３０×６０秒間の仮焼成を行い、成形体の含浸時における崩壊を防止した。次に、１０％濃度のＮｉ塩水溶液中に仮焼成体を浸漬し、その後、１３０℃の排気型熱風乾燥炉により乾燥処理を施し、仮焼成体内におけるＮｉ濃度の傾斜化を図った。
【００４５】
さらに、表面層の影響を除去するために、片面で０．１ｍｍ程度除去することにより、ポジティブバイトを得た。このバイトの表面均質相体は、０．３ｍｍ程度であり、その表面硬度は、試料ＡでＨＲＡ９３、試料ＢでＨＲＡ９４以上という値であり、それぞれのＪＩＳ品や市販品の値を大きく凌ぎ、硬質セラミックスコーティングを施したものと同等、あるいはそれ以上の値となった。表面層における金属量は、面積率で試料Ａが０．３％、試料Ｂが０．２％であり、重量比では約０．６ｗｔ％および０．４ｗｔ％程度に相当する。
【００４６】
これらのバイトの表面からの距離と硬度との関係、すなわち、内部硬度変化が図５に示されている。この図５から明らかなように、硬度の値は、バイト内部に向かうに従って金属量の増加とともに漸減しており、試料Ａおよび試料Ｂのそれぞれの傾斜層の厚さが２ｍｍとなっていた。
【００４７】
そこで、試料Ａおよび試料Ｂについて、窒素ガスを流通せながら、５０Ｐａで１４００℃の温度に１時間保持して焼結処理を施した。そして、それぞれの断面を顕微鏡により観察して粒子の大きさを測定したところ、それぞれの表面近くでは、初めの状態から表面近傍粒子が試料Ａで３〜４倍程度、試料Ｂで５〜８倍程度の大きさに成長していた。
【００４８】
得られた試料Ａ、Ｂに対し、それぞれＣＶＤによりＴｉＣＮコーティングを施した。皮膜生成要件としては、成膜時の母材温度が１０００℃で、原料ガスがＴｉＣｌ₄、Ｈ₂、Ｎ₂、ＣＨ₃ＣＮであり、膜厚としては、試料Ａが３μｍで、試料Ｂが５μｍであった。膜厚は市販品の８分の１であり、これらを試料Ａ′および試料Ｂ′とした。
【００４９】
比較例として、試料Ａ、Ａ′に対し市販品のＫ−１０相当品および超微粒子超硬品を用意する一方、試料Ｂ、Ｂ′に対し市販品のＰ−１０相当品およびＣＶＤによるアルミナ皮膜、ＴｉＮ皮膜、ＴｉＣＮ皮膜およびＴｉＣ皮膜の４層コーティング品（膜厚が約４０μｍ）を選択し、それぞれ切削性の試験を行った。被削材として、Ｋ−１０相当品や試料Ａ系列では高シリコン含有のＡＣ８Ｂ相当品を用いる一方、Ｐ−１０相当品や試料Ｂ系列ではＳＣＭ４３５を用いた。その結果が図６および図７に示されている。
【００５０】
なお、試料Ａおよび市販品のＪＩＳＫ−１０相当品や超微粒子超硬品は、最も一般的に用いられるバイト組成であり、アルミ合金、銅合金あるいは耐熱合金等の切削に広く用いられている。また、Ｐ−１０組成相当品は、鉄系の切削に用いられるものである。さらに、鉄系の切削では、耐熱性や耐摩耗性の観点からＣＶＤやＰＶＤ等によるセラミックスコーティングが行われ、皮膜の密着安定性の観点から多層コーティングするものが一般的である。
【００５１】
図６に示されているように、試料Ａは、Ｋ−１０相当品や超微粒子超硬品に比べて１．５〜３倍以上の耐久性が得られ、より過酷な条件での切削等にも有効に適応し得るという結果が得られた。さらに、試料Ａ′では、３〜４倍の耐久性を示しており、その性能が一層向上するという効果が得られた。試験後の試料刃先を確認したところ、Ｋ−１０相当品や超微粒子超硬品には、切削に伴う構成刃先の形成が見られていたが、試料Ａおよび試料Ａ′には構成刃先は全く存在しておらず、被削材の表面も平滑であって比較バイトに見られた毟れや表面荒れ等が全く観測されなかった。
【００５２】
一方、Ｐ−１０系の試験では、被削材をＳＣＭ４３５とし、送りが１．０ｍｍ／ｒｅｖで、切り込み量が２．０ｍｍの条件下に、切削加工を行った。図７に示すように、多層コーティング品は、市販品のＰ−１０相当品に比べて耐久性の向上がみられるものの、試料Ｂでは、この多層コーティング品に比べて、さらに２〜３倍以上の耐久性が得られた。これは、試料Ｂでは、多層コーティング品に比べて密着性が遙かに大きいこと、多層コーティング品に比べて発生する熱がバイトの切刃部に溜まりにくく、熱応力の発生度合い等も改善されていること等による。しかも、試料Ｂ′では、Ｐ−１０相当品の５倍以上の耐久性を示すという効果が得られた。
【００５３】
従って、試料Ａ′および試料Ｂ′では、従来品に比べて切削性や耐久性が拡大に向上しており、種々の被削材の切削を効率的に行うことができ、バイトとしての性能が飛躍的に向上するという結果が得られた。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係る複合材製コーティング部材では、内部から表面に向かうに従って、複合材中の金属成分の割合が漸減するため、実際に使用される表面部分が高硬度でかつ耐摩耗性を有する一方、内部が高靱性かつ高強度を有するとともに、この間の組成や物性が緩やかに変化する。これにより、耐用性に優れかつ作業全体の高速化が可能になる。しかも、硬質皮膜層の密着性が向上するとともに、この硬質皮膜層を有効に薄く構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合材製コーティング部材であるバイトの概略斜視説明図である。
【図２】前記バイトの縦断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る複合材製コーティング部材であるバイトの概略斜視説明図である。
【図４】前記バイトの縦断面図である。
【図５】試料Ａ、Ｂの表面からの距離と硬度の関係を示す説明図である。
【図６】試料Ａ、Ａ′と市販品との切削試験結果の説明図である。
【図７】試料Ｂ、Ｂ′と市販品との切削試験結果の説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ…バイト１２、１２ａ…切刃部
１４、１４ａ…逃げ部１６ａ…挿通孔
２０…金属部２２…セラミックス部
２４…傾斜部２８、２８ａ、２８ｂ…硬質皮膜層

Claims

ＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｍｏ ₂ Ｃ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ ₃ Ｃ ₂ またはＶＣの中から選択される少なくとも一種以上のセラミックス成分と、Ｆｅ、ＮｉまたはＣｏを主体とする金属成分とを含み、かつセラミックス量が、８０ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋ＴｉＮ＋Ｍｏ ₂ Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ ₃ Ｃ ₂ ＋ＶＣ≦９７ｗｔ％に設定された複合材で構成されるとともに、内部から表面に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減する傾斜部を有する本体部と、
前記本体部表面に施される硬質皮膜層と、
を備え、
前記傾斜部の厚さが３ｍｍ以上であり、
表面側に存在するセラミックス成分の粒子の粒径が、内部側に存在するセラミックス成分の粒子に比して粗大化していることを特徴とする複合材製コーティング部材。
請求項１記載の複合材製コーティング部材において、前記本体部表面の硬度がＨＲＡ９１以上であることを特徴とする複合材製コーティング部材。
請求項１または２記載の複合材製コーティング部材において、前記硬質皮膜層は、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、Ｃｒ₃Ｃ₂、ダイヤモンド、Ａｌ₂Ｏ₃またはＣＢＮの中から選択される少なくとも一種であることを特徴とする複合材製コーティング部材。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合材製コーティング部材において、前記硬質皮膜層の厚さは、３μｍ〜１５μｍの範囲内に設定されることを特徴とする複合材製コーティング部材。