JPH044395B2 - - Google Patents

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JPH044395B2
JPH044395B2 JP58011593A JP1159383A JPH044395B2 JP H044395 B2 JPH044395 B2 JP H044395B2 JP 58011593 A JP58011593 A JP 58011593A JP 1159383 A JP1159383 A JP 1159383A JP H044395 B2 JPH044395 B2 JP H044395B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、対摩耗性を増大させるための化学蒸
着被膜を有する超硬合金切削工具（インサート）
に関するものである。
超硬合金（たとえばWC−CoまたはWC−TiC
−TaC−Co）から成る切削工具の対摩耗性を増
大させるため、かかる切削工具上に化学蒸着
（CVD）被膜を設置することは公知である。それ
によつて得られる性能の改善は、かかる被膜に付
随する化学的安定性、超耐熱性、硬さ、および小
さい摩擦係数に由来するものである。
このような被膜の実例としてはTiN、TiCおよ
びAl2O3被膜がある。これらの被膜の各々が示す
上記の特性はその程度および範囲が様々に異なる
ため、いずれの種類の被膜をとつてみても、工業
的に使用される広範囲の切削条件に対し単独で最
適の性能を与えることはない。たとえばAl2O3被
膜は、セラミツクの特性である極めて大きな化学
的安定性および低い熱伝導率を有するため、高い
温度を伴う早い切削速度の下では他の被膜より優
れている。他方、金属の付着のために工具の破損
が起こり易い極めて遅い切削速度の下では、小さ
い摩擦係数を有するTiN被膜が他のものより優
れているという指摘がある。更にまた、硬さと化
学的安定性とをあわせ持つTiC被膜は、極めて広
い範囲の中間速度において最適の被膜となつてい
る。明らかに、２種以上のかかる被膜の特性を具
備した切削工具が得られれば、広範囲の条件下に
おける作業にとつて極めて有用なものとなるはず
である。
上記の課題に対する直接的な解決策は、２種以
上の上記被膜から成る多層被膜を超硬合金製切削
工具上に設置することである。しかしながら、か
かる切削工具を製造する際の主たる困難は、被膜
の層間とりわけAl2O3層とその他の層との間に十
分な付着力を得ることにある。
ある種の従来切削工具においては、超硬合金基
体上にAl2O3層とTiNまたはTiC層とが互いに隣
接して設置される。リンドストローム
（Lindstrom）等の米国特許第3837896および
3955038号明細書中には、２種のかかる切削工具
が開示されている。そこに開示された切削工具は
超硬合金基体および薄いAl2O3層を含んでいる。
この場合、超硬合金基体中のCoおよび（または）
ＣがAl2O3層の生成および成長に際して有害な触
媒効果を及ぼすから、Al2O3層と超硬合金基体と
の間に拡散障壁層が必要であると述べられてい
る。かかる拡散障壁層はチタンの窒化物または炭
化物から成るものであり得る。
トビオカ（Tobioka）等の米国特許第4150195
号明細書中に開示された別の切削工具において
は、超硬合金基体上に設置された多層被膜が使用
されている。かかる多層被膜は、最も外側の層と
して酸化アルミニウム、最も内側の層として炭窒
化チタン、および酸化アルミニウム層と炭窒化チ
タン層との間の中間層としてオキシ炭窒化チタン
を含むことがある。このようなオキシ炭窒化チタ
ン中間層の使用は、多層被膜の付着力を増大させ
ると述べられている。
上記の切削工具のいずれにおいても、かかる多
層被膜はそれを構成する各層の有利な作業特性を
利用する目的で使用されているわけではない。す
なわち、Al2O3の外層を有する従来の切削工具は
Al2O3被膜切削工具としての切削特性のみを具備
するように設計されているのであつて、Al2O3層
と超硬合金基体との間の層は両者間の障壁として
役立つているに過ぎない。
このたび開発された新規な被膜方法は、Al2O3
で被膜された超硬合金切削工具上にTiCおよび
（または）TiNを強固に付着させ、それによつて
Al2O3の内部被覆面上にTiCおよび（または）
TiNの外部被覆面を形成することを可能にする
ものである。こうして得られた切削工具は、
TiC、TiNおよびAl2O3の有利な特性をあわせ持
つている。
本発明に従えば、セラミツク層とTiNおよび
（または）TiC層との間に薄い酸化チタン層が配
置されるが、かかる酸化チタン層はセラミツク層
とその他の層との間の付着力を増大させるのに役
立つ。
発明の概要 本発明の第１の特徴に従えば、(a)表面の少なく
とも複数部分上に酸化アルミニムを具備しかつ該
酸化アルミニウムによつて形成された第１の表面
を有する基体、(b)第１の表面の少なくとも一部分
に隣接したチタン酸化物の中間層、並びに(c)窒化
チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンの中から
選ばれた少なくとも１種の物質から成りかつ前記
中間層の少なくとも一部分に隣接した外層の諸要
素から成ることを特徴とする製品が提供される。
上記の基体は、酸化アルミニウムで被覆された
超硬合金基体または酸化アルミニウムを基材とす
るセラミツク固体であり得る。上記の中間層は
TiOを含有していて、その厚さは約１ミクロン以
下である。上記の外層は窒化チタン層および炭化
チタン層を含むことがあつて、その場合の炭化チ
タン層は窒化チタン層および中間層に隣接しなが
らそれらの間に配置される。
本発明の第２の特徴に従えば、表面の少なくと
も複数部分上に酸化アルミニウムを具備した基体
の少なくとも複数部分を炭化チタン、窒化チタン
および炭窒化チタンの中から選ばれた少なくとも
１種の物質から成る外層で被覆する方法が提供さ
れる。かかる方法は、該酸化アルミニウムに隣接
するようにして該基体上にTiO2層を設置し、該
TiO2を還元してTiO中間層を形成し、次いで該
中間層上に上記の外層を設置することを特徴とす
るものである。
発明の詳細な説明 簡単に述べると、たとえばカーボロイ
（Carboloy）の銘柄570から成るAl2O3被覆超硬合
金製切削工具用植刃（インサート）が約1050〜
1100℃の温度下で水素、四塩化チタン（TiCl4）
およびCO2の気体混合物に暴露される。予備的な
分析結果によれば、この工程において生成する酸
化物はTiO2であることが示唆される。次いで、
水素雰囲気中において、TiCまたはTiNの沈着の
ために必要な温度まで温度の降下が行われる。か
かる低い温度下において、植刃が気体状TiCl4お
よび水素の雰囲気に暴露される。この工程は、恐
らく次のTiCまたはTiN沈着工程と共に、TiO2
をTiOとTiO2との混合物またはTiOとTi2O3との
混合物に転化させるのに役立つ。次いで、植刃を
水素、四塩化チタンおよび窒素の混合物または水
素、四添加チタンおよびメタンの混合物に暴露す
れば、強固に付着したTiNまたはTiC層をそれぞ
れ形成することができる。TiNおよびTiC同士は
容易に付着し得るので、Al2O3、TiCおよびTiN
から成る三層被膜を得ることも可能である。こう
して得られた構造物は、Al2O3の内層に対して強
固に付着したTiNおよび（または）TiCの外層を
具備している。
更に詳しく述べると、約1050℃の温度に保たれ
た標準的なCVD炉の内部にAl2O3で被覆された超
硬合金製切削工具用植刃が挿入される。５分まで
の時間にわたり、水素および四塩化チタンの気体
混合物が植刃の表面に沿つて流される。その結
果、下記の反応式に従つて得られるチタンが恐ら
くはAl2O3中の酸素の反応してTiOまたはTiO2を
生成することによつてAl2O3表面を「活性化」す
る。
TiCl4＋2H2→Ti＋4HCl (1) 次に、水素および四塩化チタンと共に15（容量）
％までのCO2を炉内に導入すると、下記の反応式
に従つて厚さ１ミクロン以下の薄いTiO2層が形
成される。
TiCl4＋2CO2＋H2→ TiO2＋2CO＋4HCl (2) この工程は１〜35分の時間を要するのであつ
て、暴露時間が長くなるほど得られるTiO2層は
厚くなる。
その後、温度を約1035℃に低下させ、CO2を遮
断し、そして水素および四塩化チタンのみを表面
に沿つて流すことにより、下記の反応式に従つて
TiO2がTiOに還元される。
TiO2＋TiCl4＋2H2→ 2TiO＋4HCl (3) この工程はTiO2の存在量に応じて30分までの
時間を要する。
TiN、TiCまたはTiCNあるいはそれらの任意
の混合物から成る最後の層は、水素および四塩化
チタンと共に窒素、メタンまたはその両方を導入
することによつて常法に従い設置することができ
る。このような方法によれば、酸化アルミニウム
で被覆された植刃または酸化アルミニウムを基材
とするセラミツク固体上にTiN、TiCまたはその
両方を具備した多層被覆製品が得られる。
実施例 鋼製の反応室を有する実験室用化学蒸着炉内に
おいて、TiOの中間層を用いながら基体をTiCで
被覆した。基体は酸化アルミニウムで被覆された
WC−TiC−TaC−Co超硬合金（カーボロイ銘柄
570）から成つていた。かかる基体を炉内で清浄
にするため、1100℃に加熱された基体の表面に沿
つて水素ガスを400ml／分の流量で10分間にわた
り流した。次いで、10％のCO2、３％のTiCl4、
および87％のH2から成る気体混合物を約450ml／
分の流量で流すことにより、TiO2であると信じ
られるチタン酸化物を沈着させた。この工程に際
しては、温度は1100℃に保たれ、また所要時間は
35分であつた。次に、その上に３％のTiCl4およ
び97％のH2から成る気体混合物を1035℃の温度
下で10分間にわたり流すことによつて上記のチタ
ン酸化物を部分的に還元した。
次に、３％のCH4、３％のTiCl4、および94％
のH2から成る基体混合物を約450ml／分の流量で
50分間にわたり導入することによつてTiC層を
1035℃の温度下で設置した。なお、上記の工程は
いずれも大気圧下で実施した。
被覆の後、４Kgの荷重を加えたダイヤモンドを
用いた引つかき試験によつてTiC層の付着力を測
定した。その結果、TiC層の剥落は全く起こら
ず、実際にはダイヤモンドはTiC層の表面を滑べ
るのみであつた。酸化チタンの中間層を使用する
ことなく、同じ厚さのTiC層を酸化アルミニウム
被覆植刃（カーボロイ銘柄570）上に直接設置し
たところ、かかるTiC層の付着力は不十分であつ
た。４Kgの荷重を加えたダイヤモンドで引つかい
た場合は勿論、２Kgの荷重を加えたダイヤモンド
で引つかいた場合でもTiC層の著しい剥落が見ら
れた。
酸化チタンの中間層を有するTiC被覆製品の金
属組織学的検査を行つたところ、中間層はTiOの
存在を示す黄色を呈しかつ1/2〜１ミクロンの厚
さを有することが判明した。また、TiC層の厚さ
は４ミクロンであつた。なお、反応式(3)の進行に
際し、TiO2の一部が完全にはTiOに還元されな
いことが認められる場合もあり得る。しかしなが
ら、TiN、TiCまたはTiCNに隣接してTiOが存
在し、かつまたAl2O3とTiO2との間にTiOが存在
する限り、付着力が低下することはない。
上記の詳細な説明を考察すれば、当業者には数
多くの変形実施例が自ら明らかとなろう。前記特
許請求の範囲によつて定義される本発明の範囲内
には、かかる自明の変形実施例の全てが包含され
るものである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ (a)表面の少なくとも複数部分上に酸化アルミ
    ニウムを具備しかつ前記酸化アルミニウムによつ
    て形成された第１の表面を有する基体、(b)前記第
    １の表面の少なくとも一部分に隣接したチタン酸
    化物の中間層、並びに(c)窒化チタン、炭化チタン
    および炭窒化チタンの中から選ばれた少なくとも
    １種の物質から成りかつ前記中間層の少なくとも
    一部分に隣接した外層の諸要素から構成されるこ
    とを特徴とする製品。 ２ 前記基体が酸化アルミニウムで被覆された超
    硬合金基体である特許請求の範囲第１項記載の製
    品。 ３ 前記基体が酸化アルミニウムを基材とするセ
    ラミツク固体である特許請求の範囲第１項記載の
    製品。 ４ 前記中間層がTiOを含有する特許請求の範囲
    第１項記載の製品。 ５ 前記中間層の厚さが約１ミクロン以下である
    特許請求の範囲第４項記載の製品。 ６ 前記外層が窒化チタン層および炭化チタン層
    を含んでいて、前記炭化チタン層は前記窒化チタ
    ン層および前記中間層に隣接しながらそれらの間
    に配置されている特許請求の範囲第１〜５項のい
    ずれか１項に記載の製品。 ７ 表面の少なくとも複数部分上に酸化アルミニ
    ウムを具備した基体の少なくとも複数部分を炭化
    チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの中から
    選ばれた少なくとも１種の物質から成る外層で被
    覆する方法において、前記酸化アルミニウムに隣
    接するようにして前記基体上にTiO2層を設置し、
    前記TiO2の少なくとも一部分をTiOに還元して
    中間層を形成し、次いで前記中間層に隣接するよ
    うにして前記外層を設置する諸工程から成ること
    を特徴とする方法。 ８ TiO2層を設置する前記工程が、前記基体を
    約1050〜1100℃に加熱し、前記基体の表面に沿つ
    て０〜５分間にわたり水素と四塩化チタンとの気
    体混合物を流し、次いで約１〜35分間にわたり水
    素および四塩化チタンと共に15（容量）％までの
    CO2を導入することを含む特許請求の範囲第７項
    記載の方法。 ９ 前記TiO2の少なくとも一部分をTiOに還元
    する前記工程が、約1000℃の温度下において約30
    分までの時間にわたり前記基体の表面に沿つて水
    素および四塩化チタンのみを流すことを含む特許
    請求の範囲第８項記載の方法。 １０ 前記外層を設置する前記工程が、前記基体
    の表面に沿つて窒素、水素および四塩化チタンを
    流して窒化チタンを生成させることを含む特許請
    求の範囲第９項記載の方法。 １１ 前記外層を設置する前記工程が、前記基体
    の表面に沿つてメタン、水素および四塩化チタン
    を流して炭化チタンを生成させることを含む特許
    請求の範囲第９項記載の方法。 １２ 前記外層を設置する前記工程が、前記基体
    の表面に沿つて窒素、メタン、水素および四塩化
    チタンを流して炭窒化チタンを生成させることを
    含む特許請求の範囲第９項記載の方法。
JP58011593A 1982-01-28 1983-01-28 多重被覆切削工具およびその製造方法 Granted JPS58161770A (ja)

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