JPH068008A - 耐チッピング性にすぐれた表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具の耐チッ
ピング性を向上させる。 【構成】 ＷＣ基超硬合金基体の表面に、ＴｉＣ，Ｔｉ
Ｎ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣＯ、およびＴｉＣＮＯのＴｉ化合
物のうちの１層の単層または２種以上の複層からなる下
部層と、前記Ｔｉ化合物並びにＡｌ₂ Ｏ₃ のうちの１種
の単層または２種以上の複層からなる上部層で構成され
た硬質被覆層を形成するに際して、上記上部層のうちの
少なくとも１層をＴｉＣＮで構成すると共に、このＴｉ
ＣＮ層のうちの少なくとも１層を、（ａ）粒状結晶組織
から縦長成長結晶組織へ変る結晶構造、（ｂ）粒状結晶
組織から縦長成長結晶組織へ、さらにこの縦長成長結晶
組織から粒状結晶組織へ変る結晶構造、（ｃ）縦長成長
結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶構造のうちのいず
れの結晶構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、すぐれた耐チッピン
グ性を有し、したがって例えば鋼や鋳鉄などの連続切削
は勿論のこと、これらの断続切削に用いた場合にもすぐ
れた耐摩耗性を発揮する表面被覆炭化タングステン（以
下、ＷＣで示す）基超硬合金製切削工具に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に、例えば特開昭５７−１５
８５号公報および特開昭５９−５２７０３号公報に記載
されるように、ＷＣ基超硬合金基体や、さらに結合相形
成成分としてのＣｏの含有量が基体内部に比して相対的
に多い表面部、すなわちＣｏ富化表面部を有するＷＣ基
超硬合金基体の表面に、化学蒸着法や物理蒸着法を用い
て、いずれも粒状結晶組織を有するＴｉの炭化物、窒化
物、炭窒化物、炭酸化物、および炭窒酸化物、並びに酸
化アルミニウム（以下、それぞれＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ
ＣＮ，ＴｉＣＯ，ＴｉＣＮＯ、およびＡｌ₂ Ｏ₃ で示
す）のうちの１種の単層または２種以上の複層からなる
硬質被覆層を０．５〜２０μｍの平均層厚で形成してな
る表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具が、例えば鋼や鋳
鉄の連続切削に用いられていることは良く知られるとこ
ろである。

【０００３】また、上記のＣｏ富化表面部を有するＷＣ
基超硬合金基体が、例えば原料粉末としてＴｉＮなどの
窒化物粉末や、ＴａＣＮおよび（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮなどの
炭窒化物粉末を配合し、これの圧粉体を通常の条件で真
空焼結する方法などによって製造されることも知られて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削加工
技術のＦＡ化および多様化は著しく、これに伴ない切削
工具にも、例えば連続切削および断続切削のいずれでも
すぐれた耐摩耗性を発揮する特性が要求されるが、上記
の従来表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具は、これを断
続切削に用いた場合には、切刃にチッピングが発生し易
く、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、上記の従来表面被覆ＷＣ基超硬
合金製切削工具に着目し、これの耐チッピング性の向上
をはかるべく研究を行なった結果、一般に、例えば化学
蒸着法により硬質被覆層としてのＴｉＣＮ層を形成する
に際しては、 反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ₄ ：１〜５％、ＣＨ
₄ ：５〜７％、Ｎ₂ ：２０〜３０％、Ｈ₂ ：残り、 反応温度：９５０〜１０５０℃、 雰囲気圧力：５０〜２００トル、 の条件で形成され、形成されたＴｉＣＮ層は粒状結晶組
織を有するのが通常であるが、この粒状結晶組織を有す
るＴｉＣＮ層形成の後半過程または中間過程、あるいは
前半過程のＴｉＣＮ層形成条件を、相対的に反応温度を
低温にして、反応ガス組成をかえた条件、すなわち、 反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ₄ ：１〜４％、ＣＨ
₃ ＣＮ：０．１〜１％、Ｎ₂ ：０〜２５％、Ｈ₂ ：残
り、 反応温度：８００〜９００℃、 雰囲気圧力：３０〜２００トル、 の条件にすると、この結果のＴｉＣＮ層は、それぞれ、
（ａ） 粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ変る結晶
構造、（ｂ） 粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ、
さらにこの縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結
晶構造、（ｃ） 縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ
変る結晶構造、上記（ａ）〜（ｃ）のうちのいずれかの
結晶構造をもつようになり、しかも上記表面被覆ＷＣ基
超硬合金製切削工具を構成するいずれも粒状結晶構成を
もった硬質被覆層のうちの少なくとも１層を上記（ａ）
〜（ｃ）のうちのいずれかの結晶構造をもったＴｉＣＮ
層で構成すると、この結果の表面被覆ＷＣ基超硬合金製
切削工具は、すぐれた耐チッピング性を具備するように
なり、例えば鋼や鋳鉄の連続切削は勿論のこと、耐チッ
ピング性が要求されるこれらの断続切削でもすぐれた耐
摩耗性を著しく長期に亘って発揮するという研究結果を
得たのである。

【０００６】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、ＷＣ基超硬合金基体、またはＣ
ｏ富化表面部を有するＷＣ基超硬合金基体の表面に、い
ずれも粒状結晶組織を有する硬質被覆層を０．５〜２０
μｍの平均層厚で形成してなる表面被覆ＷＣ基超硬合金
製切削工具において、上記硬質被覆層を、ＴｉＣ，Ｔｉ
Ｎ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣＯ，およびＴｉＣＮＯのＴｉ化合
物のうちの１種の単層または２種以上の複層からなる下
部層と、前記Ｔｉ化合物並びにＡｌ₂ Ｏ₃ のうちの１種
の単層または２種以上の複層からなる上部層で構成し、
かつ上記上部層のうちの少なくとも１層をＴｉＣＮで構
成すると共に、このＴｉＣＮ層のうちの少なくとも１層
の結晶構造を、（ａ） 粒状結晶組織から縦長成長結晶
組織へ変る結晶構造、（ｂ） 粒状結晶組織から縦長成
長結晶組織へ、さらにこの縦長成長結晶組織から粒状結
晶組織へ変る結晶構造、（ｃ） 縦長成長結晶組織から
粒状結晶組織へ変る結晶構造、上記（ａ）〜（ｃ）のう
ちのいずれかの結晶構造としてなる耐チッピング性にす
ぐれた表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具に特徴を有す
るものである。

【０００７】なお、この発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金
製切削工具において、硬質被覆層の平均層厚を０．５〜
２０μｍとしたのは、その層厚が０．５μｍ未満では、
硬質被覆層によってもたらされる所望のすぐれた耐摩耗
性を確保することができず、一方その層厚が２０μｍを
越えると切刃に欠けが発生し易くなるという理由による
ものである。

【０００８】

【実施例】つぎに、この発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金
製切削工具を実施例により具体的に説明する。原料粉末
として、平均粒径：３μｍを有するＷＣ粉末、同１．５
μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ粉末（ＴｉＣ／ＷＣ＝重量比で３
０／７０）、同１．２μｍの（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ粉末（Ｔ
ｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝重量比で２４／２０／５６）、同
１．３μｍの（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ粉末（ＴａＣ／ＮｂＣ＝
重量比９０／１０）、および同１．２μｍのＣｏ粉末を
用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配
合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、
圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、１×１０
^-2トルの真空中、温度：１４５０℃に１時間保持の条件
で真空焼結することによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０
８の形状をもったＷＣ基超硬合金基体Ａ〜Ｃ、およびＣ
ｏ富化表面部（最大Ｃｏ含有量：１１重量％、厚さ：２
０μｍ）を有するＷＣ基超硬合金基体Ｄをそれぞれ製造
した。また、上記ＷＣ基超硬合金基体Ｃについては、こ
れに１００トルのメタンガス雰囲気中、温度：１４００
℃に１時間保持の条件で浸炭処理を施すことによりＣｏ
富化表面部（最大Ｃｏ含有量：１７重量％、厚さ：４０
μｍ）を形成した。

【０００９】ついで、これらのＷＣ基超硬合金基体Ａ〜
Ｄの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表２に示され
る条件で表３に示される組成および平均層厚の単層また
は２層以上からなるいずれも粒状結晶組織を有する下部
層を形成し、引続いて、同じく表２に示される条件で、
表３に示される組成および平均層厚の単層または２層以
上からなる上部層を形成するに際して、この上部層のう
ちの少なくとも１層をＴｉＣＮ層とし、かつこのＴｉＣ
Ｎ層のうちの少なくとも１層を、 反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ₄ ：３％、ＣＨ₄ ：
５％、Ｎ₂ ：２５％、Ｈ₂ ：残り、 反応温度：９５０℃、 雰囲気圧力：１００トル、 の粒状結晶組織形成条件と、 反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ₄ ：１．５％、ＣＨ
₃ ＣＮ：０．５％、Ｎ₂ ：２５％、Ｈ₂ ：残り、 反応温度：８６０℃、 雰囲気圧力：５０トル、 の縦長成長結晶組織形成条件とを適宜組合せて表３に示
される結晶構造とすることにより本発明表面被覆ＷＣ基
超硬合金製切削工具（以下、本発明被覆切削工具とい
う）１〜８をそれぞれ製造した。

【００１０】さらに、同じく表２に示される通常の条件
で上記ＷＣ基超硬合金基体Ａ〜Ｄの表面に表４に示され
る組成および平均層厚を有し、かついずれも粒状結晶組
織の硬質被覆層を形成することにより従来表面被覆ＷＣ
基超硬合金製切削工具（以下、従来被覆切削工具とい
う）１〜８をそれぞれ製造した。

【００１１】

【表１】

【００１２】

【表２】

【００１３】

【表３】

【００１４】

【表４】

【００１５】

【表５】

【００１６】つぎに、この結果得られた各種の被覆切削
工具について、 被削材：ＳＣＭ４４０（硬さ：Ｈ_B ２３０）の丸棒、 切削速度：２２０ｍ／min 、 送り：０．２mm／rev 、 切込み：１．５mm、 切削時間：３０分、 の条件で鋼の乾式連続切削試験を行ない、切刃の逃げ面
摩耗幅を測定し、さらに、 被削材：ＳＮＣＭ４３９（硬さ：Ｈ_B ２６０）の角材、 切削速度：１２０ｍ／min 、 送り：０．３mm／rev 、 切込み：３mm、 の条件で鋼の乾式断続切削試験を行ない、使用寿命に至
るまでの切削時間を測定した。これらの測定結果を表５
に示した。

【００１７】

【発明の効果】表１〜５および図１，２に示される結果
から、硬質被覆層のうちの下部層を構成するＴｉＣＮの
１層または２層以上のが、粒状結晶組織から縦長成長結
晶組織へ変る結晶構造、あるいは粒状結晶組織から縦長
成長結晶組織へ、さらにこの縦長成長結晶組織から粒状
結晶組織へ変る結晶組織、あるいは縦長成長結晶組織か
ら粒状結晶組織へ変る結晶構造を有する本発明被覆切削
工具１〜８は、いずれも鋼の連続切削では、粒状結晶組
織の硬質被覆層を形成してなる従来被覆切削工具１〜８
に比してすぐれた耐摩耗性を示し、また鋼の断続切削で
も従来被覆切削工具１〜８が切刃に発生したチッピング
が原因で比較的短時間で使用寿命に至るのに対して、一
般とすぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐ
れた耐摩耗性を示すことが明らかである。

【００１８】上述のように、この発明の表面被覆ＷＣ基
超硬合金製切削工具は、すぐれた耐チッピング性を有す
るので、例えば鋼や鋳鉄の連続切削は勿論のこと、耐チ
ッピング性が要求される、これらの断続切削においても
すぐれた耐摩耗性を示し、著しく長期に亘ってすぐれた
切削性能を発揮するのである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化タングステン基超硬合金基体の表面
   に、いずれも粒状結晶組織を有する硬質被覆層を０．５
   〜２０μｍの平均層厚で形成してなる表面被覆炭化タン
   グステン基超硬合金製切削工具において、 上記硬質被覆層を、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、
   炭酸化物、および炭窒酸化物のＴｉ化合物のうちの１種
   の単層または２種以上の複層からなる下部層と、前記Ｔ
   ｉ化合物並びに酸化アルミニウムのうちの１種の単層ま
   たは２種以上の複層からなる上部層で構成し、 かつ上記上部層のうちの少なくとも１層を炭窒化チタン
   で構成すると共に、この炭窒化チタン層のうちの少なく
   とも１層の結晶構造を、 （ａ） 粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ変る結晶
   構造、 （ｂ） 粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ、さらに
   この縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶構
   造、 （ｃ） 縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶
   構造、上記（ａ）〜（ｃ）のうちのいずれかの結晶構造
   としたことを特徴とする耐チッピング性にすぐれた表面
   被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具。
2. 【請求項２】 結合相形成成分としてのＣｏの含有量が
   基体内部に比して相対的に多い表面部を有する炭化タン
   グステン基超硬合金基体の表面に、いずれも粒状結晶組
   織を有する硬質被覆層を０．５〜２０μｍの平均層厚で
   形成してなる表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切
   削工具において、 上記硬質被覆層を、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、
   炭酸化物、および炭窒酸化物のＴｉ化合物のうちの１種
   の単層または２種以上の複層からなる下部層と、前記Ｔ
   ｉ化合物並びに酸化アルミニウムのうちの１種の単層ま
   たは２種以上の複層からなる上部層で構成し、 かつ上記上部層のうちの少なくとも１層を炭窒化チタン
   で構成すると共に、この炭窒化チタン層のうちの少なく
   とも１層の結晶構造を、 （ａ） 粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ変る結晶
   構造、 （ｂ） 粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ、さらに
   この縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶構
   造、 （ｃ） 縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶
   構造、上記（ａ）〜（ｃ）のうちのいずれかの結晶構造
   としたことを特徴とする耐チッピング性にすぐれた表面
   被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具。