JPH04236765A - 硬質層被覆超硬合金製切削工具およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、フライス切削などの
断続切削に用いた場合に優れた切削性能を示すことは勿
論のこと、連続切削に用いた場合でも特に高速の連続切
削に用いた場合に優れた切削性能を示す硬質層被覆超硬
合金製切削工具およびその製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、結合相形成成分として、鉄族金
属のうち１種または２種以上を含有し、さらに必要に応
じて周期律表の４ａ，５ａ，および６ａ族金属の炭化物
、窒化物、炭窒化物を０．５〜３０重量％含有し、残り
が炭化タングステン（以下、ＷＣと記す、）および不可
避不純物からなる超硬合金基体（以下、超硬合金基体と
いう）の表面に、ＴｉＣＮ層を物理蒸着法により被覆し
てなる硬質層被覆超硬合金製切削工具は知られている（
特開昭５２−１０８７１号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法で
得られた従来の物理蒸着法により形成されたＴｉＣＮ層
の結晶粒径は粗大であるためにＴｉＣＮ層の靭性が不足
し、従来の物理蒸着法により形成されたＴｉＣＮ層を有
する硬質層被覆超硬合金製切削工具は、フライス切削な
どの断続切削に用いた場合にはＴｉＣＮ硬質層に亀裂が
発生して剥離し、その部分から欠損が発生し、満足のい
く使用寿命が得られないという課題があったのである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
上述のような課題を解決し、フライス切削などの断続切
削に用いた場合にも一層の長寿命を示す硬質層被覆超硬
合金製切削工具を得るべく研究を行った結果、超硬合金
基体の表面に、窒化チタン層部分および上記窒化チタン
層の上に炭素および窒素の傾斜濃度分布を有する炭窒化
チタン層部分（以下、傾斜濃度層部分という）からなる
硬質層を被覆してなる切削工具であって、上記濃度傾斜
層部分を組成式Ｔｉ（ＣｘＮｙ）〔ただし、ｘ＋ｙ＝１
〕で表すと、ｘは、上記窒化チタン層部分に接する内面
で最大値をとり、内面から最外面に向かって層厚方向に
増加するように変化して最外面で最小値をとり、一方、
ｙは、上記窒化チタン層部分に接する内面で最小値をと
り、内面から最外面に向かって層厚方向に増加するよう
に変化して最外面で最大値をとるようにすると、結晶粒
が微細化し、それにともなって靭性が向上し、この硬質
層を被覆した硬質層被覆超硬合金切削工具は、優れた性
能を示すという知見を得たのである。

【０００５】この発明は、かかる知見にもとづいて成さ
れたものであって、超硬合金基体の表面に、窒化チタン
層部分および上記窒化チタン層の上に傾斜濃度層部分か
らなる硬質層を被覆してなる切削工具であって、上記濃
度傾斜層部分を組成式Ｔｉ（ＣｘＮｙ）〔ただし、ｘ＋
ｙ＝１〕で表すと、ｘは、上記窒化チタン層部分に接す
る内面で最大値をとり、内面から最外面に向かって層厚
方向に増加するように変化して最外面で最小値をとり、
一方、ｙは、上記窒化チタン層部分に接する内面で最小
値をとり、内面から最外面に向かって層厚方向に増加す
るように変化して最外面で最大値をとる硬質層被覆超硬
合金切削工具、並びに物理蒸着反応炉内に超硬合金基体
を装入し、反応ガスとして、先ず、窒素ガスを導入し、
続いて、窒素ガスと炭化水素ガスの混合ガスを導入しな
がら硬質層を物理蒸着する硬質層被覆超硬合金製切削工
具の製造法において、上記窒素ガスに続いて導入する上
記混合ガスの窒素ガスの比率を、混合ガス導入開始から
終了に至るまでに連続的に増加させ、同時に上記混合ガ
スの炭化水素ガスの比率を、混合ガス導入開始から終了
に至るまでに連続的に減少するように変化せしめる硬質
層被覆超硬合金切削工具の製造法、に特徴を有するもの
である。

【０００６】この発明の硬質層被覆超硬合金製切削工具
におけるＴｉＮ層部分および傾斜濃度層部分からなる硬
質層を形成するには、イオンプレーティング装置等の物
理蒸着装置を用いる。上記物理蒸着装置には、反応ガス
として、先ず、窒素ガスを定常的に導入し、続いて、窒
素ガスと炭化水素の混合ガスを導入する。図１のグラフ
には、反応ガスの導入状態が示されており、図１のグラ
フには、反応ガスの導入状態が示されており、図１のグ
ラフに示されるように、この混合ガスは、物理蒸着の途
中から導入され、物理蒸着の進行にともなって、窒素ガ
ス導入量を連続的に増加させるとともに、これに反比例
するように炭化水素ガスを連続的に減少するように供給
する。窒素ガス導入量および炭化水素ガス導入量は断続
的に変化させても良いが、連続的に変化させるほうが好
ましく、図１のグラフでは、直線的に連続して変化させ
ているが、これに限定されるものではなく、曲線的に連
続して変化させてもよい。

【０００７】このようにして得られたＴｉＮ層部分およ
び傾斜濃度層部分からなる硬質層は、反応ガスとして窒
化ガスと炭化水素ガスが連続的に変化するように導入さ
れるため、傾斜濃度層部分の結晶粒が微細化し、靭性に
優れた特性を持つようになるのでフライス切削などの断
続切削に特に有効である。また切削時に直接影響を受け
る最外面でＴｉＮが最大成分となるので一般にクレータ
ー磨耗が激しいとされている高速（切削速度：２００ｍ
／ｍｉｎ以上）の連続切削にも有効である。

【０００８】上記ＴｉＮ層部分および傾斜濃度層部分か
らなる硬質層の厚さは、全層厚が３０μｍ以下であるこ
とが好ましい。３０μｍを越えると切削時に基体との間
に熱膨脹の差が大きくなり、亀裂が生じて剥離しやすく
なる。一方、上記単一硬質層の全層厚が０．５μｍ未満
では耐摩耗性が十分でないために０．５μｍ以上である
ことが好ましい。

【０００９】

【実施例】つぎに、この発明の硬質層被覆超硬合金製切
削工具を実施例に基づいて具体的に説明する。

【００１０】原料粉末として、それぞれ平均粒径：３μ
ｍのＣｏ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末を用
意し、これら粉末を、Ｃｏ粉末：９重量％、ＴｉＣ粉末
：１重量％、ＴａＣ粉末：２重量％、残り：ＷＣ粉末と
なるように配合し、混合したのち、圧粉体に成型し、こ
の圧粉体を通常の条件で焼結して焼結体を製造し、この
焼結体を研削してＩＳＯ規格ＴＮＧＡ１６０４０８の形
状を有するＷＣ基超硬合金製チップを作製した。

【００１１】つぎに、このＷＣ基超硬合金製チップを通
常のイオンプレーティング装置内の上方に装着し、一方
、上記イオンプレーティング装置内の下方のルツボ内に
は、Ｔｉ金属を充填した。かかる状態で上記イオンプレ
ーティング装置内を１×１０−５Ｔｏｒｒの真空に保持
し、昇温速度：６℃／ｍｉｎ．で７００℃に昇温させた
。この温度に保持しながら、イオンプレーティング装置
内の圧力を１．０×１０−４Ｔｏｒｒに維持し、Ｔｉ金
属を通電等により加熱蒸発させるとともに、先ず、供給
口より窒素ガスを導入し物理蒸着を行い、続いて、混合
ガスを窒素ガスは次第に増加するように供給すると同時
にアセチレンガスは次第に減少するように窒素ガスとア
セチレンガスの量を反比例するように連続的に変化させ
ながら物理蒸着を行い、上記ＷＣ基超硬合金製チップの
表面に表１に示される厚さの炭窒化チタン硬質層を被覆
してなる本発明硬質層被覆超硬合金製チップ１〜８を製
造した。

【００１２】上記傾斜濃度層部分の組成をＥＰＭＡを用
いて測定したところ、Ｃは、ＴｉＮ層部分に接する最内
面で最大値をとりかつ最内面から最外面に向かって層厚
方向に連続的に減少するように変化して最外面で最小値
をとり、一方、Ｎは、ＴｉＮ層部分に接する最内面で最
小値をとりかつ最内面から最外面に向かって層厚方向に
連続的に増加するように変化して最外面で最大値を示す
濃度勾配を有していることが分った。

【００１３】さらに、上記炭窒化チタン単一硬質層をＸ
線回折し、（２００）面の半価幅を用いてＳｃｈｅｒｒ
ｅｒの式により平均結晶粒径を算出してその結果を表１
に示した。

【００１４】［従来例］一方、比較のために、実施例の
ボンバードクリーニングしたのち、窒素ガスおよびアセ
チレンガスが１：１の一定比率の混合ガスを流すことに
より、上記ＷＣ基超硬合金製チップの表面に炭窒化チタ
ン層からなり表１に示される厚さを有する従来硬質層被
覆超硬合金製チップ１〜５を製造した。この従来硬質層
被覆超硬合金製チップ１〜５についてもＸ線回折し、（
２００）面の半価幅を用いてＳｃｈｅｒｒｅｒの式によ
り平均結晶粒径を算出してその結果を表１に示した。

【００１５】これら本発明硬質層被覆超硬合金製チップ
１〜１１および従来硬質層被覆超硬合金製チップ１〜５
について、下記の条件で連続切削試験および断続切削試
験を実施し、それらの切削試験結果を表２に示した。

【００１６】連続乾式切削試験 被削材：ＳＮＣＭ４３９（ブリネル硬さ：２５０）、切
削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ　、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切込み：１．５ｍｍ、 の条件で連続乾式切削し、２０分切削後のクレーター磨
耗深さ（μｍ）を測定した。

【００１７】断続乾式切削試験 被削材：ＳＣＭ４４０（ブリネル硬さ：３００）製で軸
方向外周に４本の溝の付いた円柱体、 切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ　、 送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ．、 切込み：１．０ｍｍ、 切削時間：２ｍｉｎ　、 の条件で切削し、１０個の試験切刃のうちの欠損発生切
刃数を測定した。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【発明の効果】表１および表２に示される結果から、本
発明硬質層被覆超硬合金製チップ１〜１１の被覆硬質層
の結晶粒径は微細であり、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
　以上の高速連続乾式切削において優れた効果を発揮し
、さらに断続乾式切削においても、いずれも欠損発生が
ほとんどなく、あってもごく僅かであり、耐剥離性も優
れていることから長期にわたって優れた切削性能を発揮
する。これに対し、従来硬質層被覆超硬合金製チップ１
〜５は、チップの切刃のクレーター磨耗量が少なく、断
続乾式切削において欠損が多く発生し、耐剥離性も劣っ
ているところからチップの寿命も短く切削性能も劣った
ものであることが明らかである。

【００２１】上述のように、この発明の硬質層被覆超硬
合金切削工具は、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有す
るので、優れた切削性能を長期にわたって発揮すること
ができ、産業上優れた効果をもたらすものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒素ガス、並びに窒素ガスおよび炭化水素ガス
の導入量を模型的に示したグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　超硬合金基体の表面に、窒化チタン層
   部分および上記窒化チタン層の上に炭素および窒素の傾
   斜濃度分布を有する炭窒化チタン層部分（以下、傾斜濃
   度層部分という）からなる硬質層を被覆してなる切削工
   具であって、上記濃度傾斜層部分を組成式Ｔｉ（ＣｘＮ
   ｙ）〔ただし、ｘ＋ｙ＝１〕で表すと、ｘは、上記窒化
   チタン層部分に接する内面で最大値をとり、内面から最
   外面に向かって層厚方向に減少するように変化して最外
   面で最小値をとり、一方、ｙは、上記窒化チタン層部分
   に接する内面で最小値をとり、内面から最外面に向かっ
   て層厚方向に増加するように変化して最外面で最大値を
   とる、ことを特徴とする硬質層被覆超硬合金製切削工具
   。
2. 【請求項２】　　物理蒸着反応槽内に超硬合金基体を装
   入し、反応ガスとして、先ず、窒素ガスを導入し、続い
   て、窒素ガスと炭化水素ガスの混合ガスを導入しながら
   硬質層を物理蒸着する硬質層被覆超硬合金製切削工具の
   製造法において、上記窒素ガスに続いて導入する上記混
   合ガスの窒素ガスの比率を、混合ガス導入開始から終了
   に至るまでに連続的に増加させ、同時に上記混合ガスの
   炭化水素ガスの比率を、混合ガス導入開始から終了に至
   るまでに連続的に減少するように変化せしめることを特
   徴とする硬質層被覆超硬合金製切削工具の製造法。