JPH0120227B2

JPH0120227B2 -

Info

Publication number: JPH0120227B2
Application number: JP55093480A
Authority: JP
Inventors: Moriaki Fuyama; Komei Yatsuno; Mitsuru Ura; Haruhiko Pponda
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1980-07-09
Filing date: 1980-07-09
Publication date: 1989-04-14
Also published as: JPS5719372A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、耐摩耗性、耐酸化性及び耐溶着性が
要求される用途に最適な表面被覆を施した超硬合
金部材からなる耐摩耗部品に関するものである。
特に、耐フランク摩耗及び耐クレータ摩耗に優
れ、かつ母材と被覆層との密着及び異種層間の密
着が優れ、切削性能の向上が著しい多層被覆切削
工具に関するものである。炭化タングステンを主成分として、主としてコ
バルトで結合した超硬合金を母材とし、その表面
に母材より耐摩耗性に富む周期率〜族金属の
炭化物、窒化物及び炭窒化物を一層もしくはそれ
以上の層を積層し、数ミクロンの厚さに被覆した
いわゆるコーテイングチツプは母材のじん性と表
面被覆層の耐摩耗性をかねそなえており、切削工
具としては従来の超硬合金より優れた切削性能を
有することは広く知られている。しかし、被削材及び切削方法の進歩に伴つて、
高性能、長寿命化を目的として、高切削特性の切
削工具が要望され、開発がなされており、これに
対処するためコーテイング皮膜も単層膜から多層
膜への移行がなされている。コーテイングチツプの代表例として、もつとも
広く用いられているのはTiC及びTiNコーテイン
グチツプであることは周知のことである。このTiCコーテイングチツプは、フランク摩耗
に対しては優れているが、クレータ摩耗に劣る欠
点があることはよく知られている事実である。ま
た、TiNコーテイングチツプは、TiCに比較して
硬度が低いことから、フランク摩耗に劣るが、
TiCより化学的安定性が高い特徴があることか
ら、クレータ摩耗には優れていることも衆知であ
る。そこで、上述のように、これらの対策とし
て、単層膜の特徴をそれぞれ生かした使いかたが
なされている。例えば、特開昭49−3841に示され
ているように、TiC＋TiNの２重被覆コーテイン
グチツプがそれである。つまり、TiC皮膜の耐フ
ランク摩耗性とTiN皮膜の耐クレータ摩耗性と
を生かしたコーテイングチツプである。さらに、
最近では、耐溶着性を要求される鋳物切削におい
ては、高温において特に化学的安定性に高いコー
テイング皮膜が要求されることから、これに対し
ては特開昭51−42029のように、TiC皮膜の上に
酸化アルミニウムを被覆したTiC＋Al₂O₃の２重
被覆コーテイングチツプがある。しかし、異種層
間の密着性が悪く、切削時にコーテイング皮膜が
はく離し、かつチツピングが起こりやすい問題が
ある。これらの対策として、特開昭53−60808に示す
ように、TiCとAl₂O₃との間にチタンオキシカー
バイド（TiC・Ｏ）を中間層に設ける方法及び特
開昭51−151279に示されているように超硬合金の
上にまず炭化物、窒化物、炭窒化物を被覆して、
それを拡散処理、酸化処理をして、その上に
Al₂O₃を被覆することにより密着性を向上させる
方法がとられている。しかし、これらのコーテイングチツプ（TiC＋
Al₂O₃、TiC＋TiC・Ｏ＋Al₂O₃）は、たしかに鋳
物切削の際の耐溶着性は向上するが、Al₂O₃皮膜
が摩耗してしまうと、下地膜であるTiC、TiC・
Ｏ膜の耐摩耗性により、切削特性は左右されるこ
とは理解できる。事実、我々もそれを確認してい
る。この対策として、Al₂O₃膜を厚くする方法が考
えられるが、Al₂O₃膜を厚くすることにより、結
晶粒が粗大化してしまい、切削時のチツピングに
つながり、はく離し、逆にコーテイング皮膜とし
ての特性をそこなう。したがつて、Al₂O₃の特徴を生かし、かつコー
テイングチツプとしての切削特性を十分発揮させ
るためには下地膜、つまりAl₂O₃の下のコーテイ
ング皮膜により特性のよいものを持つてくる必要
がある。さらに、Al₂O₃皮膜となじみがよく、粒
成長が起こらない皮膜を探索する必要がある。そこで、本発明者らはAl₂O₃の特徴を生かし、
新しいコーテイング皮膜の組合せを持つたコーテ
イングチツプを開発することにした。まずAl₂O₃
の下地膜として、母材と密着性が良く、かつ
Al₂O₃と密着性が良く、耐摩耗性が十分あるコー
テイング皮膜はないものかと探索した。まず、本発明者らは、コーテイング材料として
要求される特性としては、(1)高温硬度が高いこ
と、(2)チツプ素材の熱膨張率にできるだけ近いこ
と、(3)化学的安定性に高いこと（生成自由エネル
ギー；△Ｇが大きいこと）、(4)切削時にはチツプ
刃先は800℃に上昇することから、生成したコー
テイング皮膜の酸化物が安定で、被削材との潤滑
作用を有し、かつ被削材の母材への拡散防止をす
ることなどが重要な要因であることがわかつた。そこで、種々検討した結果、(1)、(2)及び(3)の項
目を満足させるコーテイング皮膜としてはハフニ
ウム化合物（HfC、HfN）が最適であることを
見い出した。例えば800℃における硬度を比較し
た場合、HfCはHV1000で、TiCのHV500に比較
して２倍である。また、(2)、(3)の項目についても
同様であり、HfCの方がTiCより物性の点で優れ
ていることがわかつた。(4)の項目を満足させるこ
とができるコーテイング皮膜としては、チタン化
合物（TiC、TiN）であり、生成した酸化物、つ
まり酸化チタンTiO₂は緻密であり、かつ被削材
が超硬合金中に拡散することを防止し、バリヤー
効果が大きいことがわかつた。そこで、本発明者らは、より耐フランク摩耗、
耐クレータ摩耗を有するコーテイング皮膜として
はハフニウム化合物とチタン化合物の固溶体皮膜
がよいのではないかと結論に達した。ハフニウム化合物とチタン化合物の生成方法に
ついて検討した結果、ハフニウム及びチタンとヨ
ウ素を反応させ、同時にハフニウム及びチタンヨ
ウ化物を生成し、その中に反応ガス（例えば炭化
水素）を導入して、プラズマ中で熱分解させるこ
とにより、容易にハフニウムとチタン化合物の混
合物、つまり（Hf・Ti）Ｃ固溶体が生成できる
ことがわかつた。さらに、反応ガスとして炭化水
素の他に炭酸ガス及び水素ガスを同時に導入する
ことにより、ハフニウムとチタン化合物のオキシ
混合物、つまり、（Hf・Ti）Ｃ・Ｏが生成できる
ことも明らかになつた。そこで、得られた（Hf・Ti）Ｃ、（Hf・Ti）
Ｃ・ＯはHfCとTiC皮膜の特徴をそれぞれ兼そな
えており、実地に切削テストにより耐摩耗性を評
価した結果、従来のコーテイングチツプ、例えば
TiC、TiNコーテイングチツプより優れることが
わかつた。これに関しては特許を提出済である。さらに、固溶体のオキシ化合物、例えば
（Hf・Ti）Ｃ・Ｏの上に連続的Al₂O₃をコーテイ
ングすることにより、密着性は向上し、かつ
Al₂O₃皮膜は粒成長を起こさない特徴があること
がわかつた。このようにして、本発明者らはハフニウムとチ
タン固溶体オキシ化合物の上にAl₂O₃皮膜をコー
テイングしたダブルコーテイングチツプを開発す
るに至つた。コーテイング皮膜として、（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ＋
Al₂O₃皮膜を有したダブルコーテイングチツプは
最外層にAl₂O₃を持つているため、耐溶着性に優
れ、かつ下層に（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ皮膜を持つて
いるため、Al₂O₃のコーテイング層が摩耗しても
耐摩耗性に優れることを確認した。したがつて、
従来のコーテイングチツプTiC＋Al₂O₃より優れ
ることは言うまでもなく、切削評価でその性能を
確認している。本発明は、超硬合金またはサーメツトからなる
基体の表面にハフニウムとチタン化合物のオキシ
固溶体を形成し、さらにその上に酸化物
（Al₂O₃、ZrO₂）を被覆した表面被覆超硬合金を
提供するものであり、とくに切削性能に優れたダ
ブル被覆切削工具を提供するところにある。尚、いうまでもないが、本発明において、上記
サーメツトとは、切削工具等の分野において通常
用いられている意味でのサーメツトを意味し、炭
化チタンや窒化チタンなどを主成分としニツケル
やコバルトなどで結合した材料を示すものであつ
て、広義の意味でのサーメツト（セラミツク材料
の脆さを改善するために結合金属を添加して焼結
した複合材料の総称）を意味するものではない。本発明の各コーテイング皮膜の生成方法として
は、基本的には広く用いられている気相成長法を
用いているが、本発明者らはさらに気相成長法
（以下CVD法と表わす）を改良して、減圧下で、
プラズマ放電中でコーテイング反応を起こさせる
方法を採用した。したがつて、本生成方法は
LPPCVD（Low Pressure Prasma Chemical
Vapor Deposition）と言い表わした方が正確で
ある。このLPPCVD法は、減圧下で行うことか
ら皮膜の均一性がよく、かつ緻密な皮膜が得られ
る特徴がある。さらに、プラズマ中で反応させる
ことから、皮膜の生成反応が容易になり、生成速
度が大きくなる特徴があることがわかつた。この
プラズマ放電は基体（チツプ母材）の加熱方法に
高周波加熱方式を採用することにより、積極的に
発生させる方法を採用している。本発明の耐摩耗部品の形成について以下詳しく
説明する。ここでは代表的として、第１番目の被
覆層は（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ、第２番目の被覆層は
Al₂O₃、つまり（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ＋Al₂O₃コーテ
イングチツプについて説明する。本発明に用いた装置の代表例の概略図を第１図
に示す。本装置はヨウ素１を所定温度に保ち、一
定量のヨウ素蒸気を送りだすための恒温装置２、
原料ガスとしてハフニウムヨウ化物（主として
HfI₄）、チタンヨウ化物（主としてTiI₄）、アルミ
ニウムヨウ化物（主としてAlI₃）を用いるため、
３のハフニウム、４のチタン、５のアルミニウム
を所定温度に加熱する電気炉６、HfI₄、TiI₄、
AlI₃と反応ガス（炭化水素、窒素、アンモニヤガ
ス、炭酸ガス、水素ガス）とを反応させ、ハフニ
ウム化合物、チタン化合物及び酸化物を生成する
ための基体加熱用高周波誘導加熱炉７、超硬合金
の基体８をのせるモリブデン製金鋼の基体ホルダ
ー９等から構成されている。なお、１０はトラツ
プ、１１は油回転ポンプ、１２はガス均一分散
板、１３は温度制御装置、１４は反応管である。まず、（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ＋Al₂O₃被覆層の生成
工程は２つに分けられる。第一工程は（Hf・Ti）
Ｃ・Ｏの生成、第二工程はAl₂O₃の生成であり、
全工程が同一反応系内で、連続的に行なわれる。第一工程の（Hf・Ti）Ｃ・Ｏの生成は、下記
に示す反応式で示されるものと考えられる。 Hf＋2I₄→HfI₄ ―１） Ti＋2I₂→TiI₄ ―２） 4HfI₄＋4TiI₄＋4CH₄＋4CO₂＋H₂ →４（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ＋2O₂＋18Hl＋7I₂
―３） (1)、(2)の反応式において、TiI₄、HfI₄の生成は
Ti、Hf金属を一定温度に加熱した中に、一定量
のヨウ素蒸気（I₂）を流しこんで得る。このヨウ
化物の生成及びその組成は金属の加熱温度によつ
て決定され、250℃〜350℃が最適である。何故な
らば、ハフニウムヨウ化物は蒸気圧の高いHfI₄
が常に安定に生成されるが、チタンヨウ化物は金
属の加熱温度により、得られるヨウ化物の組成が
異なり、TiI₃、TiI₂という蒸気圧の小さいものが
生成される。したがつて、TiI₄を得るためには、
250〜350℃が最適であることを発見し、この温度
範囲にする必要がある。かつ、反応に寄与する金
属（Ti、Hf）は好ましくはスポンジ状のものが
よく、粒度をそろえた方がよい。さらに、ヨウ素
（I₂）は、その蒸気圧をコントロールすることに
より、調節され、一定量がTi、Hfに導入され、
反応に寄与する。このようにして生成された、
TiI₄、TfI₄は反応ガスと一緒に所定温度に加熱さ
れた基体上に導かれ、(3)の反応が起こるものと推
定される。その際の基体の加熱温度（反応温度）
は850〜1250℃の範囲がよい。このようにして、
TiとHfとの固溶体オキシカーバイド（Hf・Ti）
Ｃ・Ｏが得られる。反応温度が850℃以下の場合
は、（Hf・Ti）Ｃ・Ｏが得られるが、耐摩耗性の
ものが生成されない。1250℃以上の場合は、基体
（WC―Co合金）の液相温度が1270℃にあるため、
基体自体の物性が低下し、好ましくない。得られる（Hf・Ti）Ｃ・Ｏの特性は、反応温
度、反応圧力、反応ガス流量及びI₂量によつて左
右されるのはもちろんであるが、その中でも特に
（Hf・Ti）Ｃ・Ｏの組成はTi、Hfに供給される
I₂量によつて決まり、TiI₄、HfI₄の量をコントロ
ールすることにより、任意に制御できることを明
らかにした。次に、第二工程としては（Hf・Ti）Ｃ・Ｏの
上にAl₂O₃を被覆する工程である。この工程は、
Ti、Hf金属に導入しているI₂蒸気の供給をスト
ツプし、Al金属にI₂蒸気を導入し、反応ガスとし
てはCO₂＋H₂のみにすればよい。原料ガスとし
てはここではAlI₃を用いているが、塩化アルミニ
ウム（AlCl₃）を用いてもよく、その場合はAlと
塩酸ガス（HCl）と反応させればよい。これらの
Al金属の加熱温度としては、先のTi、Hf金属の
加熱温度と同じでよく、250℃〜300℃で十分であ
る。AlI₃を用いてAl₂O₃の生成は下記の反応式で
示される。 2Al＋3I₂→2AlI₃ ―(4) 2AlI₃＋3CO₂＋3H₂→Al₂O₃＋3CO＋6H1 ―(5) また、AlCl₃を用いる場合は 2Al＋3Cl₂→2AlCl₃ ―(6) 2AlCl₃＋3CO₂＋3H₂→Al₂O₃＋3CO＋6HCl
―(7) となる。どちらの方法を用いるかは、全工程の容
易さから判断すればよく、熱分解温度の点から今
回は(4)、(5)式を採用した。反応温度としては、ど
の方法においても約850〜1100℃が最適である。
このようにして、Al₂O₃を所望の膜厚コーテイン
グした後、反応ガス、I₂蒸気をストツプし、全て
の工程は完了する。以上述べた耐摩耗部品の製造方法としては、代
表例として第１番目、第２番目としての被覆層を
（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ、Al₂O₃にし、原料ガスとして
HfI₄、TiI₄、AlI₃、反応ガスとしてCH₄、CO₂、
H₂を用いた例を示したが、本発明がこれに何ら
限定されるものではないことは明らかである。本発明では、各種皮膜の生成は減圧下の条件で
行なわれる。減圧下で行なうことにより、皮膜の
基体への全面均一コーテイングが可能になり、か
つグロー放電の発生を助長することになる。ま
た、減圧下で行うことにより、皮膜が緻密で、か
つ耐摩耗性に優れたものが得られ、圧応圧力とし
ては1Torr以下が望ましい。また、（Hf・Ti）Ｃ・Ｏの上に形成された
Al₂O₃皮膜は粒成長がなく、かつ緻密で密着性に
優れたものが生成されていることを確認した。次に、本発明の実施例としてダブルコーテイン
グチツプ（（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ＋Al₂O₃について述
べるが、本発明がこの実施例に限定されるもので
はなく、耐摩耗性、耐酸化性及び耐溶着性が要求
される切削工具や他の用途の耐摩耗部品に有用で
あることは勿論のことである。実施例１基体として、72WC―9Co―8TiC―11TaC（wt
％、p30グレード）よりなる超硬チツプを用い
て、（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ皮膜4.0μmをコーテイング
した後、さらにAl₂O₃皮膜2.0μmコーテイングし
たダブルコーテイングチツプ（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ
＋Al₂O₃について、実地に乾式切削テストをし、
耐摩耗性について評価した。なお、比較品として
は現在市販されているTiC、TiC＋Al₂O₃であり、
コーテイング膜厚は５〜6μmのものを用いた。切
削条件としては、被削材SCM3（Hs40〜42）、切
削速度180m／min、切込み1.5mm、送り0.3mm／
revとして、切削時間30分後の摩耗量である。そ
の結果を第１表に示す。

【表】本発明品は、TiC、TiC＋Al₂O₃コーテイング
チツプに比較して、特にクレータ摩耗、先端フラ
ンク摩耗及び平均フランク摩耗が少なく、優れて
いることがよくわかる。本発明品を比較品である
TiC＋Al₂O₃コーテイングチツプと比較した場合、
最外層は同じであるが、下層に（Hf・Ti）Ｃ・
Ｏ皮膜を有していることから、TiCとHfC皮膜の
それぞれの特徴を発揮し、特にHfC皮膜がクレー
タ摩耗、先端フランク摩耗、平均フランク摩耗に
優れている特徴がそのままでており、効果が発揮
されていることがよく理解できる。実施例２実施例１と同じ基体の上に、（Hf・Ti）Ｎ・Ｏ
皮膜4.0μmをコーテイングし、さらにその上に
Al₂O₃皮膜2.0μmをコーテイングしたダブルコー
テイングチツプ（Hf・Ti）Ｎ・Ｏ＋Al₂O₃につ
いて、切削テストをし、耐摩耗性について評価し
た。切削条件は実施例１と同じである。その結
果、表とほぼ同じ摩耗量を示し、本発明品のダブ
ルコーテイングチツプは比較品と比べた場合、耐
摩耗性に優れることがわかつた。

【図面の簡単な説明】

図は本発明に用いたCVD装置の概略図である。１：ヨウ素、２：恒温装置、３：ハフニウム、
４：チタン、５：アルミニウム、６：電気炉、
７：高周波誘導加熱炉、８：基体、９：基体ホル
ダー、１０：トラツプ、１１：油回転ポンプ、１
２：ガス均一分散板、１３：温度制御装置、１
４：反応管。

Claims

【特許請求の範囲】１超硬合金またはサーメツトからなる基体の表
面に、第１番目にハフニウム化合物とチタン化合
物の固溶体オキシ化合物からなる被覆層を形成
し、その上に第２番目の酸化物被覆層を形成した
ことを特徴とする耐摩耗部品。２特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、
第１番目の被覆層は、ハフニウム・チタンオキシ
カーバイド（Hf・Ti）Ｃ・Ｏ、ハフニウム・チ
タンオキシナイトライド（Hf・Ti）Ｎ・Ｏ、ハ
フニウム・チタンオキシカーボナイトライド
（Hf・Ti）Ｃ・Ｎ・Ｏであることを特徴とする耐
摩耗部品。３特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、
第２番目の層は酸化アルミニウム（Al₂O₃）及び
酸化ジルコニウム（ZrO₂）であることを特徴と
する耐摩耗部品。