JP4129653B2

JP4129653B2 - 超硬質膜被覆工具部材

Info

Publication number: JP4129653B2
Application number: JP15758598A
Authority: JP
Inventors: 正樹小林; 敏行渡辺
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2018-06-05
Also published as: JPH11350111A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速度鋼やダイス鋼に代表される各種の鋼材，超硬合金，サーメット，セラミックス焼結体などの基材の表面にＬａおよび／またはＣｅの元素を含有する硬質膜を被覆させた超硬質膜被覆工具部材に関し、具体的には、スローアウェイチップ，ドリル，エンドミルに代表される切削工具、型工具，スリッター，ノズルに代表される耐摩耗工具などの工具として最適な超硬質膜被覆工具部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、工具に実用されているＴｉ元素含有の硬質膜の膜質は、Ｔｉの窒化物，炭窒化物，炭化物，ＴｉとＡｌとの複合窒化物，複合炭窒化物，複合炭酸化物，複合窒酸化物である（Ｔｉ,Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ,Ａｌ）ＣＮ，（Ｔｉ,Ａｌ）ＣＯ，（Ｔｉ,Ａｌ）ＮＯなどが代表例として挙げられる。これらの硬質膜の硬さは、ＴｉＣ＞ＴｉＣＮ≧（Ｔｉ,Ａｌ）Ｎ＞ＴｉＮの順であり、硬質膜が高硬度になるほどアブレッシブ摩耗に優れるため、工具刃先での逃げ面摩耗を抑制する傾向にある。一方、硬質膜の耐酸化性や耐溶着性は（Ｔｉ,Ａｌ）Ｎ＞ＴｉＮ＞ＴｉＣＮ＞ＴｉＣの順に優れるため、この順番に工具刃先でのすくい面の反応拡散によるクレーター摩耗が減少する傾向にある。従って、これらの硬質膜を被覆した工具の耐摩耗性は、被削材や切削条件によって異なり、硬質膜の膜質によって一長一短がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらのＴｉ元素含有の硬質膜を被覆した工具は、用途による膜質，膜厚さの選定、さらにこれらを組合せた多層膜とすることにより長寿命とすることが検討されている。また、これらのＴｉ元素含有の硬質膜にＺｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｃｒなどの耐熱性金属元素やＢ，Ｏ，Ｓｉなどの非金属元素を固溶含有させた改良膜が多数提案されているが、膜の硬さ、耐酸化性、耐溶着性などを同時に改善し、結果として工具の寿命を向上させることが困難であるという問題がある。これらの代表的なものに、特公平５−９５１１号公報、特公平４−５３６４２号公報および特開平８−１９９３４０号公報がある。
【０００４】
Ｔｉ元素含有の硬質膜を改良することを提案している先行技術の内、特公平５−９５１１号公報には超硬合金あるいはサーメットの表面にＴｉとＺｒとの複合炭化物,複合窒化物,複合炭窒化物の２種以上の複層からなる０．５〜１０μｍの硬質膜を蒸着した耐摩耗性に優れた表面被覆切削工具が記載されている。同公報に記載の硬質膜は、Ｔｉの炭化物,窒化物,炭窒化物にＺｒを固溶させることにより、硬さと耐酸化性,耐溶着性の改善による耐摩耗性の向上を狙ったものであるが、改善効果が低く、かつ耐熱性や耐酸化性に対しては殆ど改善されていないために、高速切削や難削材加工には効果を発揮できないという問題がある。
【０００５】
また、特公平４−５３６４２号公報には、超硬合金あるいはサーメットの表面にＴｉとＡｌとの複合炭化物固溶体,複合窒化物固溶体,複合炭窒化物固溶体の中の1種の単層または２種以上の複層からなる０．５〜１０μｍの硬質膜を蒸着してなる耐摩耗性に優れた表面被覆切削工具が記載されている。同公報に記載の硬質膜は、基本的には、ＴｉＮにＡｌを固溶させて（Ｔｉ,Ａｌ）Ｎとすることにより、ＴｉＮの硬さと共に耐酸化性,耐溶着性も改善したもので、種々の切削条件で長寿命を発揮できる。しかし、ＴｉＣにはＡｌが固溶しないために高硬度の複合炭化物固溶体は形成されず、またＴｉＮへのＡｌの固溶量には限界があるために高耐酸化性の複合窒化物固溶体も形成され難いなど、ＴｉＣより高硬度で耐酸化性,耐溶着性に優れた硬質膜を得ることが困難であるという問題がある。
【０００６】
さらに、特開平８−１９９３４０号公報にはＴｉに対して３０〜７０原子%のＡｌを含有させた複合炭化物,複合窒化物,複合炭窒化物にＣａ，Ｄｙ，Ｎｄ，Ｃｅ，Ｓｒの１種以上（Ｒと表示）を２０原子%まで固溶させた多元系硬質膜の被覆硬質合金が記載されている。同公報に記載の（Ｔｉ,Ａｌ,Ｒ）Ｃ，（Ｔｉ,Ａｌ，Ｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ,Ｒ）ＣＮ系硬質膜は、アルカリ土類元素と希土類元素の一部を固溶させることにより、Ｔｉ−Ａｌ含有化合物の硬質膜の改善を図ったものであるが、固溶による硬度上昇は僅かであり、固溶量が多いと他化合物が生成析出して膜が変質し易いという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述のような問題を解決したもので、具体的には、基材の表面に被覆する硬質膜の中に硬質膜の耐酸化性および耐溶着性を向上させて、かつ硬度を高める元素を含有させることにより工具として、特に切削工具のような高温および高負荷という過酷な条件に対しても長寿命の効果が顕著となる超硬質膜被覆工具部材の提供を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、長年に亘り、耐酸化性,耐溶着性を保持しつつ、硬さを大幅に向上させ、改善させ得るＴｉ元素含有の硬質膜について検討していた所、硬質膜にＬａ元素および／またはＣｅ元素を固溶させると耐酸化性,耐溶着性および高硬度性が向上すること、特にＴｉ化合物にＬａ元素および／またはＣｅ元素を固溶させると効果が高く、さらに最も高硬度のＴｉＣにＬａおよび／またはＣｅを固溶させることが顕著に硬さを向上させると共に、耐酸化性,耐溶着性も大幅に改善でき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】
本発明の超硬質膜被覆工具部材は、基材の表面に、１層の単層または２層以上の複層でなる硬質膜を被覆した被覆工具部材であって、該硬質膜の少なくとも１層がＬａおよび／またはＣｅの元素を含む複合炭化物，複合窒化物または複合炭窒化物の超硬質膜であることを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の態様】
本発明の超硬質膜被覆工具部材における基材は、被膜を被覆するときに加熱する温度に耐えることができる金属部材，焼結合金またはセラミックス焼結体でなり、具体的には、例えばステンレス鋼，耐熱合金，高速度鋼，ダイス鋼，Ｔｉ合金，Ａｌ合金に代表される金属部材、超硬合金，サ−メット，粉末ハイスの焼結合金、Ａｌ_２Ｏ_３系焼結体，Ｓｉ_３Ｎ_４系焼結体,サイアロン系焼結体，ＺｒＯ_２系焼結体のセラミックス焼結体を挙げることができる。これらのうち、低速切削条件や低負荷条件などの軽切削工具として実用する場合には、高速度鋼や粉末ハイスの基材が好ましく、逆に高速切削条件や高負荷条件などの重切削工具として実用する場合には、超硬合金，窒素含有ＴｉＣ系サ−メットもしくはセラミックス焼結体の基材が好ましい。
【００１１】
これらの基材のうち、Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相を４〜１５重量％と、残りが炭化タングステンを主成分とする硬質相とを含む超硬合金の基材からなる場合には、超硬質膜の特性を最大に発揮させることが容易になること、切削工具および耐摩耗工具としての効果も顕著になることから好ましいことである。この超硬合金における結合相は、具体的には、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｃｏ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｃｏ−Ｖ合金，Ｃｏ−Ｃｒ−Ｖ合金，Ｎｉ−Ｖ合金，ＮｉーＣｒーＶ合金，Ｃｏ−Ｗ合金，ＣｏーＣｒ−Ｗ合金などを代表例として挙げることができる。また、超硬合金における硬質相は、具体的には、炭化タングステン，炭化タングステンと周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の立方晶構造の化合物とからなる場合を代表例として挙げることができる。
【００１２】
これらの基材の表面に被覆される硬質膜は、Ｌａおよび／またはＣｅの元素を含む複合炭化物，複合窒化物または複合炭窒化物の超硬質膜の少なくとも１層からなる場合、この超硬質膜の少なくとも１層と従来の金属層および金属化合物層の中の少なくとも１層とからなる積層でなる場合、この超硬質膜の成分と従来の被膜としての金属成分および金属化合物成分の１種以上との混合層を挙げることができる。金属層または金属成分としては、具体的には、例えば、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｗ，Ｃｒの中の少なくとも１層でなる場合を挙げることができ、金属化合物層または金属化合物成分としては、具体的には、例えば、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素，Ａｌ，Ｓｉの中の少なくとも１種の炭化物，窒化物，酸化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物からなる１種の単層または２種以上の多層でなる場合を挙げることができる。
【００１３】
これらの硬質膜のうち、基材の表面に隣接する状態に超硬質膜を被覆することもできるが、超硬質膜と金属層および／または金属化合物層との積層にすると基材と硬質膜との密着性を高めることができることから好ましいことである。積層の構成としては、高速度鋼，ダイス鋼に代表される鋼材，Ａｌ合金，Ｔｉ合金またはセラミックス焼結体の基材からなる場合には、基材表面に金属層またはＴｉの炭化物，窒化物，炭窒化物の金属化合物層の中の少なくとも１種の単層または多層を隣接被覆させ、この金属層および／または金属化合物層の表面に超硬質膜を被覆させることが基材と硬質膜との密着性の関係から好ましいことである。特に、超硬合金またはサーメットの基材からなる場合には、基材に隣接して形成される下地層がＴｉ，炭化チタン，窒化チタン，炭窒化チタン，炭酸化チタン，窒酸化チタン，炭窒酸化チタンの中の１種の単層または２種以上の多層でなり、この下地層に隣接して超硬質膜が形成されることが基材と硬質膜との密着性および硬質膜の特性から好ましいことである。
【００１４】
この硬質膜を構成している超硬質膜は、具体的には、例えば、（Ｌａ，Ｘ）Ｃ，（Ｌａ,Ｘ）Ｎ，（Ｌａ,Ｘ）ＣＮ，（Ｃｅ，Ｘ）Ｃ，（Ｃｅ,Ｘ）Ｎ，（Ｃｅ,Ｘ）ＣＮ，（Ｌａ，Ｃｅ,Ｘ）Ｃ，（Ｌａ,Ｃｅ,Ｘ）Ｎ，（Ｌａ,Ｃｅ,Ｘ）ＣＮ，のうちの１種の単層または２種以上の多層でなる場合を挙げることができる。この超硬質膜は、Ｘ＝Ｔｉでなる場合には超硬質膜中のＬａおよび／またはＣｅの固溶量が多くなり、その結果高硬度性，耐酸化性および耐溶着性の改善が顕著となることから好ましいことである。
【００１５】
この超硬質膜は、切削工具として用いる場合には膜厚さが平均０．３〜１０μｍとすることが好ましく、この超硬質膜と他に従来の被膜とからなる積層とする硬質膜の場合には、膜厚さが平均０．３〜２０μｍからなることが好ましいことである。特に、ドリルやエンドミルに代表される回転切削工具または断続切削工具として用いる場合には、超硬質膜の平均厚さが０．３〜５μｍ、硬質膜の平均厚さが０．３〜１０μｍからなることが好ましいことである。
【００１６】
また、この超硬質膜は、(Ｔｉ_1-a,Ｍ_a)(Ｃ_1-x，Ｎ_x)_yの式で表わせる複合炭化物もしくは複合炭窒化物の１種の単層または２種以上の複層からなる場合には硬さが高く、好ましいことである。（ただし、式中の符号は、ＭがＬａおよび／またはＣｅの元素を表わし、ａ，ｘ，ｙがそれぞれ原子比で、０．００１≦ａ≦０．１，０≦ｘ≦０．７，０．７≦ｙ≦１．１を満足する）
【００１７】
これらの式中、金属元素中のＭ原子比を表わすａは、０．００１未満ではＭの固溶による硬さと耐酸化性，耐溶着性の改善効果が少なく、０．１を超えて多くなると固溶限界を超えるために低硬度のＬａ，Ｃｅの化合物が析出される。また、非金属元素中の窒素原子比を表わすｘは、０．７を超えて多くなると硬さの低下およびＬａ，Ｃｅの化合物として析出される。さらに、金属元素に対する非金属元素の原子比を表わすｙは、０．７未満では硬さの低下が著しく、１．１を超えて多くなると化学的な結合限界を超えて遊離炭素などが析出される。
【００１８】
本発明の超硬質膜被覆工具部材は、従来の基材を用いて、基材表面にイオンプレーティング法,アークイオンプレーティング法,スパッター法,イオンミキシング法など種々の物理蒸着法により超硬質膜を直接被覆すること、または基材表面に物理蒸着法，化学蒸着法，プラズマ化学蒸着法により従来の被膜を被覆した後、この被膜上に上述の超硬質膜を積層すること、さらには基材表面に従来の被膜により超硬質膜を挟持する状態に積層するなどとして作製することができる。
【００１９】
【作用】
本発明の超硬質膜被覆工具部材は、Ｌａ，Ｃｅが金属炭化物，金属窒化物，金属炭窒化物に固溶し、特に炭化チタンに固溶して、例えば（Ｔｉ,Ｌａ）Ｃ，（ＴｉＣｅ）Ｃの固溶体を形成することにより、硬さ，耐酸化性，耐熱性および耐溶着性を高める作用をし、この固溶体を超硬質被膜として基材表面に被覆することにより、耐摩耗性を改善する作用をし、これらの超硬質膜の特性と基材の表面に被覆したことがシナジー効果となって、特に切削工具のような高温で過酷な条件に対する耐摩耗性，耐酸化性，耐熱性，耐塑性変形性，耐欠損性，耐溶着性，耐熱衝撃性などの諸特性を向上させる作用となり、これら全体から工具としての耐久性および寿命を顕著に高める効果を発揮しているものである。
【００２０】
【実施例】
基材として、８２％ＷＣ−４％ＴｉＣ−６％ＴａＣ−８％Ｃｏ(重量％)の組成からなるＩＳＯ規格でＳＮＧＮ１２０４０８形状の超硬チップを使用し、この基材をアークイオンプレーティング装置の反応容器内に配置して１×１０^-4〜３×１０^-5Ｐａの真空とした。その後、基材を５００℃に加熱し、反応容器内にＡｒガスを導入しながら−１０００Ｖのバイアス電圧を印加することにより、基材表面を十分に洗浄した後、脱気を行った。次いで、表１に示したターゲット組成,ガス成分と流量,バイアス電圧,処理時間の組み合わせ条件により順次アーク放電させ、基材表面に超硬質膜を含む硬質膜を蒸着することにより、本発明品１〜３を得た。比較として、超硬質膜を除いて、その他は表２に示したように本発明品と同様にして従来の被膜からなる硬質膜を被覆した比較品１〜５を得た。
【００２１】
これらの本発明品１〜３および比較品１〜５は、基材に隣接して被覆した硬質膜の層を第１層とし、積層の硬質膜の場合には、第１層の表面に第２層，第３層として順次被覆したものである。こうして得た本発明品１〜３および比較品１〜５における硬質膜の成分組成，膜の平均厚さ，および膜の平均硬さを求めて、それらの結果を表３および表４に示した。
【００２２】
次に、本発明品１〜３および比較品１〜５を用いて、被削材：Ｓ４８Ｃの丸棒，切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ，送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ，切り込み：２．０ｍｍ，切削時間：３０ｍｉｎの条件で乾式の連続旋削試験を行い、チップ刃先での逃げ面の最大摩耗量とすくい面のクレーター深さを測定し、その結果を表５に示した。また、被削材：Ｓ４８Ｃの４本溝入り丸棒，切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ，送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ，切り込み：３．０ｍｍ，切削時間：２０ｍｉｎの条件で乾式の断続旋削試験を行い、チップ刃先での逃げ面の最大摩耗量とすくい面の膜剥離状態を観察し、結果を表５に併記した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

【００２５】
【表３】

【００２６】
【表４】

【００２７】
【表５】

【００２８】
【発明の効果】
本発明の超硬質膜被覆工具部材は、基材表面に被覆される硬質膜中に微量のＬａおよび／またはＣｅ元素を含有した超硬質膜の層を形成させることにより、硬質膜の特性が顕著に向上すること、その中でも耐熱性，鉄金属などとの耐溶着性および耐熱衝撃性に優れること、常温および高温での硬さが高くなることなどにより、この超硬質膜の特性と基材の特性とが相互効果を発揮し、特に切削工具のような高温で過酷な条件に対する耐摩耗性，耐酸化性，耐熱性，耐塑性変形性，耐欠損性，耐溶着性，耐熱衝撃性などの諸特性を向上させる効果が顕著となること、これら全体から工具としての耐久性および寿命を顕著に高める効果を有するものである。

Claims

基材の表面に、１層の単層または２層以上の複層でなる硬質膜を被覆した被覆工具部材において、該硬質膜は、少なくとも１層が次式（Ａ）で表わせる複合炭化物または複合炭窒化物からなる超硬質膜である超硬質膜被覆工具部材。
( Ｔｉ _1-a , Ｍ _a )( Ｃ _1-x ，Ｎ _x ) _y −−−（Ａ）
（ただし、式中の符号は、ＭがＬａおよび／またはＣｅの元素を表わし、ａ，ｘ，ｙがそれぞれ原子比で、０．００１≦ａ≦０．１，０≦ｘ≦０．７，０．７≦ｙ≦１．１を満足する）
上記基材は、Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相を４〜１５重量％と、残りが炭化タングステンを主成分とする硬質相からなる超硬合金である請求項１に記載の超硬質膜被覆工具部材。
上記硬質膜は、上記基材に隣接して形成される下地層と上記超硬質膜とを含み、該下地層がＴｉ，炭化チタン，窒化チタン，炭窒化チタン，炭酸化チタン，窒酸化チタン，炭窒酸化チタンの中の１種の単層または２種以上の多層からなり、該超硬質膜が該下地層に隣接して形成される請求項１または２に記載の超硬質膜被覆工具部材。
上記超硬質膜は、膜厚さが平均０．３〜１０μｍからなり、上記硬質膜は、膜厚さが平均０．３〜２０μｍからなる請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の超硬質膜被覆工具部材。
上記被覆工具部材は、切削工具として用いられる請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の超硬質膜被覆工具部材。
上記切削工具は、ドリルまたはエンドミルである請求項５に記載の超硬質膜被覆工具部材。