JP3712242B2 - 被覆切削工具・被覆耐摩耗工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は、耐摩耗性、耐欠損性に優れる切削工具として用いられる被覆切削工具及び耐摩耗工具として用いられる被覆耐摩工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来ＰＶＤ法による硬質皮膜は、ＴｉＮが主流であったが、最近ＴｉＣＮ膜あるいは（ＴｉＡｌ）Ｎといった新しい種類の皮膜が開発され注目されてきている。ＴｉＣＮはビッカース硬さが３０００近くあり、ＴｉＮのビッカース硬さ２２００に比べ格段に硬く耐摩耗性を著しく高める効果も持つ。一方（ＴｉＡｌ）ＮはＴｉとＡｌの比率により異なるが、概略２３００〜２８００のビッカース硬さを有し、ＴｉＮに比べ耐摩耗性を高める一方耐酸化性が優れるため刃先が高温になる切削条件下などで優れた特性を発揮するものである。
【０００３】
又、（ＴｉＡｌ）Ｎ膜の皮膜の改善としてＴｉ／Ａｌの比率を限定した特公平５−６７７０５号や、（ＴｉＡｌＺｒ）Ｎ、（ＴｉＡｌＶ）Ｎといった更に多元系の皮膜にした米国特許４８７１４３４号等が提案され、更に改善が計られている。しかしながらこれらの新しい皮膜は、上述の長所を有するものの耐酸化性においてはまだ十分に満足されるものではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
その理由は、上述のＡｌを含む皮膜は確かに酸化開始温度は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比べ高く、耐酸化性には優れるものの酸化が連続的に進行する条件下において、酸化進行速度はＴｉＮ、ＴｉＣＮと比べほとんど変わりのないものである。
【０００５】
つまり、酸化により生成する酸化皮膜は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮの場合と同様Ａｌを含有する皮膜においても、ルチル構造を有し、ポーラスな皮膜である。従って酸化進行に対する抵抗は、ルチル構造であるがために極めて低い結果となるわけである。
【０００６】
【本発明の目的】
本発明は、ＴｉとＡｌを含有する窒化物、炭窒化物皮膜の耐酸化性をさらに改善し、酸化が連続的に進む高速切削において、より長寿命を示す皮膜を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、（ＴｉＡｌ）Ｎを基本にこれに各種元素を添加する検討を行った結果、Ｃａ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｓｒの添加により耐酸化性が著しく改善される知見を得た。表１は３μｍ（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜をアークイオンプレーティング法により、バイアス電圧１２０Ｖ窒素圧力１０^-1Ｐａの条件下で成膜するときにこれらの成分を添加した場合の酸化開始温度、及び８５０℃大気中での酸化速度を３μｍのＴｉＮ、（Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5）Ｎ皮膜等と比較した結果を示す。
【０００８】
【表１】

【０００９】
表１より（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜中にこれらの成分を固溶体化させることにより、皮膜の耐酸化性が向上することがわかる。よって、本願発明は、主成分としてＴｉとＡｌまたはその固溶体の窒化物、炭窒化物、炭化物より構成された０．５〜１５μｍの膜厚から成る硬質皮膜を被覆した被覆切削工具・被覆耐摩耗工具において、該硬質皮膜の主成分の１部をＭで示される金属成分で置換し、該硬質皮膜の組成をモル比で、（ＴｉａＡｌｂＭｃ）（ＣｘＮ１−ｘ）と表した場合、ａ、ｂ、ｃ、ｘがそれぞれａ＋ｂ＋Ｃ＝１、０．３≦ａ≦０．７、０．３≦ｂ≦０．７、０．００１≦ｃ≦０．２０、０≦ｘ≦１、より成り、前記Ｍは、Ｃａ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｓｒのいづれか１種または２種以上であることを特徴とする被覆切削工具・被覆耐摩耗工具であり、さらにそれらの皮膜とＡｌやＴｉの化合物層と（ＴｉＡｌ）の窒化物、炭窒化物、炭化物層のいづれかを５層以上の多層または積層にして、高硬度を達成したものである。
【００１０】
【作用】
このように（ＴｉＡｌ）化合物の皮膜中にＣａ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｓｒを添加することにより、皮膜の耐酸化性を向上させることが可能である。特に酸化速度において著しい改善が可能になる理由は、これらの成分を添加された場合、形成される酸化皮膜の形態がルチル構造ではなくアナターゼ構造を示すためである。つまり、これらの成分添加により非常に緻密な酸化膜が形成され酸化の進行が形成された酸化膜中の酸素の拡散に律速される形態をとることにより、酸化の進行が著しく抑制されるわけである。
従って、酸化が連続的に進行する高速切削において、皮膜の酸化がごく表面のみで発生し、これが酸化に対し保護膜とし作用し、皮膜内部にまで酸化が進行せず長寿命が得られるわけである。
以下、数値限定した理由に付いて説明する。
【００１１】
（ＴｉＡｌ）化合物膜中に固溶体／混合体として添加するＣａ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｓｒは共通して、０．００１未満では耐酸化性を向上するのに十分な効果がなく、０．２０を越えると皮膜の硬さが著しく低下して、耐摩耗性が劣化する傾向にあるため０．００１≦ｃ≦０．２０の範囲とした。
尚、上記の元素はターゲット材として固溶体化しても、また各元素を個別のターゲットとして蒸着時に成分を調整してもさらに固溶体ターゲットと個別ターゲットを組み合わせても同様の効果は得られる。
【００１２】
また、Ｔｉの量は０．７を越えると反対にＡｌの含有量が少なくなり、耐酸化性を劣化し０．３未満であると著しく硬さが低下するため０．３≦ａ≦０．７とした。
皮膜中のＣＮの比率は、０≦ｘ≦１、すなわち炭化物、窒化物、炭窒化物、炭化物の範囲としたのは、（ＴｉＡｌ）膜中に固溶体／混合体として添加したこれら成分の効果により耐酸化性が改善されるため、窒化物よりさらに耐酸化性の悪い炭化物でも十分に使用でき、また硬さのやや低い窒化物、炭窒化物においても極端な耐摩耗性の劣化はないため０≦ｘ≦１の範囲とした。
また、多層または積層化については５層以上にしないと個々の層の粒子の微細化が実現されず、硬さの向上が認められないため５層以上とした。
以下、実施例により本願発明を詳細に説明する。
【００１３】
【実施例１】
８４ＷＣ−３ＴｉＣ−１ＴｉＮ−３ＴａＣ−９Ｃｏの組成になるよう市販の２．５μｍのＷＣ粉末、１．５μｍのＴｉＣ粉末、同ＴｉＮ粉末、１．２μｍのＴａＣ粉末をボールミルにて９６時間混合し、乾燥造粒の後、ＳＮＭＧ４３２のＴＡインサートをプレスし、焼結後、所定の形状に加工した。
この超硬合金基体上にＰＶＤ法により、各種（ＴｉＡｌＭ）合金のターゲットを用い、表２に示すような皮膜を形成した。
尚、比較のため従来例で記載した膜も形成した。
【００１４】
【表２】

【００１５】
次いで、これらの皮膜をコーティングされたスローアウェイインサートを大気中で徐々に昇温し、酸化増が認められる温度を測定した。
また、大気中９００℃において、時間とともに酸化増量を測定し、酸化速度を算出した。これらの結果も表２に併記する。
【００１６】
また、下記に示す高速切削条件にて切削テストを行い最大摩耗が０．２ｍｍに達するまでの寿命時間を求め、その結果も表２に併記する。
切削条件 被削材 Ｓ５０Ｃ Ｈｓ３２
切削速度 ３００ｍ／ｍｉｎ
送り ０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み １ｍｍ
切削油 なし
【００１７】
表２のより、これらの成分を添加した皮膜は、格段に酸化速度が遅く、また、そのことが連続高速切削において著しい長寿命化に寄与している事が明らかである。
【００１８】
【実施例２】
実施例１で用いた同一の超硬合金スローアウェイインサートを用い、表３に示す皮膜成分系の多層化を行った。この場合、皮膜の総厚さは８μｍに統一した。しかる後、耐酸化性の評価を実施例１と同様に行った。
また、ウルトラマイクロビッカース（荷重１０ｇ）にて硬さの測定を行い、その結果を表４に示す。
【００１９】
【表３】

【００２０】
【表４】

【００２１】
表４より、多層化することにより、硬さの向上が認められるとともに１６００層（１層当たり５ｎｍ）の場合には著しい硬さの向上が認められることが明かである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の被覆切削工具・被覆耐摩耗工具は、従来のＴｉＮ、ＴｉＡｌＮに比べ、Ｃａ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｓｒを添加することにより、耐酸化性、とりわけ耐酸化速度を向上させ、格段に長い工具寿命が得られるものである。また、本発明は超硬合金を主に説明してきたがＴｉＣＮ基サーメットに適用した場合、及び高速度鋼に適用した場合にも優れた効果を現すことは自明である。

Claims (2)

1. 主成分としてＴｉとＡｌまたはその固溶体の窒化物、炭窒化物、炭化物より構成された０．５〜１５μｍの膜厚から成る硬質皮膜を被覆した被覆切削工具・被覆耐摩耗工具において、該硬質皮膜の主成分の１部をＭで示される金属成分で置換し、該硬質皮膜の組成をモル比で、（ＴｉａＡｌｂＭｃ）（ＣｘＮ１−ｘ）と表した場合、ａ、ｂ、ｃ、ｘがそれぞれａ＋ｂ＋Ｃ＝１、０．３≦ａ≦０．７、０．３≦ｂ≦０．７、０．００１≦ｃ≦０．２０、０≦ｘ≦１、より成り、前記Ｍは、Ｃａ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｓｒのいづれか１種または２種以上であることを特徴とする被覆切削工具・被覆耐摩耗工具。
2. 請求項１記載の被覆切削工具・被覆耐摩耗工具において、該硬質皮膜の層と、Ａｌの窒化物または炭窒化物、もしくはＴｉの窒化物または炭窒化物、もしくはＴｉＡｌの固溶体の窒化物または炭窒化物から成る層を５層以上の多層または積層にしたことを特徴とする被覆切削工具・被覆耐摩耗工具。