JPH08209337A

JPH08209337A - 被覆硬質合金

Info

Publication number: JPH08209337A
Application number: JP7034610A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ueda; 広志植田; Nobuhiko Shima; 順彦島
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-08-13
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP3719731B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、積層化され高硬度化された場合の
密着性を改善するとともに、硬質膜の耐酸化性、特に酸
化速度を更に改善することにより、高速連続切削、高速
断続切削においてより長寿命を示す被覆硬質合金を提供
するものである。【構成】Ｍ１及びＭ２で示される金属の窒化物、また
は炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物、窒硼化物、炭窒硼
化物、炭窒酸硼化物のいずれか一種を交互に５層以上被
覆した多重被覆硬質合金の、皮膜の総厚さは、２〜２０
μｍとし、皮膜の基体側は皮膜の総厚みの２〜８０％の
範囲において一種の層であり、皮膜の表面側は皮膜の総
厚みの２０〜９８％の範囲において多重層より構成す
る。さらにＹ等の成分添加により耐酸化性をさらに向上
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、耐摩耗性、耐欠損性
に優れる切削工具として用いられる被覆切削工具及び耐
摩耗工具として用いられる被覆耐摩工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来ＰＶＤ法による硬質皮膜は、ＴｉＮ
が主流であったが、最近ＴｉＣＮ膜、あるいは（ＴｉＡ
ｌ）Ｎといった新しい種類の皮膜が開発され注目されて
きている。ＴｉＣＮはビッカース硬さが３０００近くあ
り、ＴｉＮのビッカース硬さ２２００に比べ格段い硬く
耐摩耗性を著しく高める効果を持つ。一方（ＴｉＡｌ）
ＮはＴｉとＡｌの比率により異なるが、概略２３００〜
２８００のビッカース硬さを有し、ＴｉＮ比べ耐摩耗性
を高める一方耐酸化性が優れるため刃先が高温になる切
削条件下などで優れた特性を発揮するものである。

【０００３】また、（ＴｉＡｌ）Ｎ膜の皮膜の改善とし
てＴｉ／Ａｌの比率を限定した特公平５ー６７７０５号
や、（ＴｉＡｌＺｒ）Ｎ、（ＴｉＡｌＶ）Ｎといった更
に多元系の皮膜にした米国特許４８７１４３４号等が提
案され、更に改善が計られている。また、最近では多層
化の研究も進み、異なる組成の皮膜を交互に多数積層す
ることにより皮膜の硬さが向上することも明らかとなっ
ている。（１９９３年第１３回プランゼセミナーｖｏ
ｌ３Ｃ５）また、更に薄い膜を交互に多数積層することにより、皮
膜の硬さが更に向上することも（１９９３年秋期粉体粉
末冶金協会内容梗概）見いだされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の皮膜は耐酸化性においていまだ十分に満足されるもの
ではない。その理由は上述のＡｌを含有する皮膜は、酸
化開始温度はＴＩＮ、ＴｉＣＮに比べ高く、耐酸化性に
は優れるものの酸化開始温度を越えた連続的に酸化が進
行する条件下においては、酸化速度はＴｉＮ、ＴｉＣＮ
と比べほとんど変わりないものである。

【０００５】また、多数積層することにより確かに硬さ
は向上するものの、反面、皮膜に残留する圧縮応力が高
くなり、皮膜と基体の密着力は著しく低下する傾向があ
る。特に、１層の膜厚が５ｎｍ〜１０ｎｍといった極め
て薄い膜を積層にした場合は、その傾向が顕著である。

【０００６】

【本発明の目的】本発明は、積層化され高硬度化された
場合の密着性を改善するとともに、硬質膜の耐酸化性、
特に酸化速度を更に改善することにより、高速連続切
削、高速断続切削においてより長寿命を示す被覆硬質合
金を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】膜の種類にもよるが、異
なる組成の膜を多層化していくと硬くなる場合がある
が、この場合その結果として必然的に残留圧縮応力は高
くなる。皮膜の残留圧縮応力が高くなると皮膜と基体の
密着性が劣化することはよく知られた事実である。従っ
て、物理的にこのような多層化の条件の元において残留
圧縮応力を低減することは不可能である。

【０００８】そのため、本発明者らは、基体に直接これ
ら多重層を被覆することは密着性に対し好ましくないと
考え、多重層と基体の間に多重層を形成する２成分のう
ちどちらか１成分の単一層を形成する検討を種々試みた
結果、多重層と基体の間に単一層を介在させることによ
り多重層に発生する残留圧縮応力を緩和し、皮膜全体の
残留圧縮応力を低減する知見を得た。すなわち、Ｍ１で
示される金属の窒化物、または炭窒化物、窒酸化物、炭
窒酸化物、窒硼化物、炭窒硼化物、炭窒酸硼化物のいず
れか一種と、Ｍ２で示される金属の窒化物、または炭窒
化物、窒酸化物、炭窒酸化物、窒硼化物、炭窒硼化物、
炭窒酸硼化物のいずれか一種を交互に５層以上被覆した
多重被覆硬質合金において、皮膜の総厚さは、２〜２０
μｍであり、皮膜の基体側は皮膜の総厚みの２〜８０％
の範囲において、Ｍ１またはＭ２の窒化物、または炭窒
酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物、窒硼化物、炭窒硼化
物、炭窒酸硼化物のいずれか一種の層であり、皮膜の表
面側は皮膜の総厚みの２０〜９８％の範囲において、Ｍ
１の炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物、窒硼化物、炭窒
硼化物、炭窒酸硼化物のいずれか一種、Ｍ２の窒化物、
または炭窒化物、窒酸化物、炭窒化物、窒硼化物、炭窒
硼化物、炭窒酸硼化物のいずれか一種を交互に被覆した
多重層としたものであり、Ｍ１及びＭ２としては、周期
率表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属、またはそれらの２元
以上の合金で構成し、、さらに、基体と皮膜の間に０．
０１μ〜２μの厚みのＭ１、またはＭ２の金属層を介在
させて残留応力を緩和させ、密着性を向上させたもので
ある。

【０００９】さらに、より具体的には、Ｍ１がＴｉ、Ｍ
２がＡｌ、またはその固溶体で有ってもよく、Ｚｒ、Ｃ
ｒ等を目的に応じて使用してもよい。また、それらの金
属または合金の一部を０．１〜２０ａｔ％の範囲におい
て、Ｙ、Ｃａ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｓｒの元素に置き換
え、特に耐酸化性等の要求される用途に優れた性能を発
揮させる。次に、多重層部において積層される各層の膜
厚が１ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚とし、超格子を形成すれ
ば、より高硬度な皮膜とすることができ、また積層され
る各層の間にＭ１もしくはＭ２の金属層を介在させるこ
とにより応力を緩和できバランスのとれた膜とすること
ができる。また、用途としては基体が高速度鋼、または
超硬合金製のエンドミル、ドリルスローアウェイインサ
ート等がある。

【００１０】図１は、皮膜の総厚さを５μｍとしＴｉ
Ｎ、ＡｌＮの多重層を用い各膜厚を２０ｎｍに設定した
場合の下地単一層（ＴｉＮ）の厚さと残留圧縮応力の関
係を示したものである。図１より、多重層の基体の間に
単一層を設けた場合、明らかに残留圧縮応力の低減が可
能である。図１中、点線で結んだ値は、基体と単一層の
間に更に５００ｎｍの厚さのＴｉ金属層を介在させた場
合の残留圧縮応力を示す。金属層を介在させることによ
り、更に残留圧縮応力が低減できることが明らかであ
る。

【００１１】

【図１】

【００１２】耐酸化性のさらなる向上に対して本発明
は、（ＴｉＡｌ）Ｎを基本にこれに各種元素を添加する
検討を行った結果、Ｙ、Ｃａ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｓｒ
の添加により耐酸化性が著しく改善される知見を得た。
表１は、３μｍ（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜をアークイオンプレ
ーティング法により、バイアス電圧１２０Ｖ、窒素圧力
１０^-1Ｐａの条件下で成膜するときにＹを添加した場合
の酸化開始温度、及び８５０℃大気中での酸化速度を３
μｍのＴｉＮ、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜と比較した結果を示
す。

【００１３】

【表１】

【００１４】表１より、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜中にＹを固
溶体化させることにより、皮膜の耐酸化性が向上するこ
とがわかる。また、同様の傾向がＣａ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃ
ｅ、Ｓｒの添加の場合に認められた。

【００１５】

【作用】ＰＶＤコーティングにおいては皮膜に圧縮応力
が発生し、これが高いと皮膜が切削中剥離し易い傾向に
ある。密着性が十分でないと断続切削などの繰り返し衝
撃が加わる条件下では皮膜が剥離し、寿命に至る場合が
しばしばある。一般に３ＧＰａを越える残留圧縮応力時
に特にこのような現象は発生し易い。このような理由
で、過去に多層化の研究例はあるものの実用化に至って
いないか、もしくは実用されていても優れた性能を示し
得ないのが現状である。

【００１６】図１より、多重層部と基体の間に単一層を
設けるることにより、また、さらに単一層と基体の間に
金属層を設けることにより残留圧縮応力は３ＧＰａを下
回り、切削時必要とされる密着性を満足させることが明
かである。残留圧縮応力を低減させる理由は、単一層、
金属層は多重層部に比べ柔らかく、またヤング率も低い
ため、多層部に発生する高い残留圧縮応力を吸収する働
きを有するためである。また、多重層部を直接基体にコ
ーティングした場合は、高い応力を有する膜であるため
基体と多重層部の界面強度は、単一層を設けた場合の基
体と単一層界面強度、単一層と多層部の界面強度に比べ
著しく弱いものとなる。

【００１７】また、（ＴｉＡｌ）Ｎ化合物の皮膜中にＹ
等を添加することにより、皮膜の耐酸化性を向上させる
ことが可能であるが、特に酸化速度において著しい改善
が可能になる理由は、Ｙ等を添加された場合、形成され
る酸化皮膜の形態がルチル構造ではなくアナターゼ構造
を示すためである。つまり、Ｙ等の添加により非常に緻
密な酸化膜が形成され酸化の進行が形成された酸化膜中
の酸素の拡散に律速される形態をとることにより、酸化
の進行が著しく抑制されるわけである。

【００１８】従って、酸化が連続的に進行する高速切削
において、皮膜の酸化がごく表面のみで発生し、これが
その後、継続的に進行する酸化に対し保護膜とし作用
し、皮膜内部にまで酸化が進行せず結果的に切削におい
て長寿命が得られるわけである。尚、ルチル構造の場合
は非常にポーラスで酸素が容易に浸透するだけでなく酸
化膜自体容易に摩耗することは周知のことである。ま
た、各重層間に金属層を設けた場合、これら金属層は冷
却中に各層の熱膨張係数の違いにより発生する応力を緩
和する効果を示し、積層された各層間の密着性を向上さ
せる働きを有するものである。

【００１９】以下、本発明の数値を限定した理由につい
て説明する。多重層部と基体の間に設ける単一層は、皮
膜全体の厚さの２％未満の厚さでは応力を緩和する効果
が認められず、また、８０％を越えると多重層部の効果
が認められず、工具とし単一層を被覆した場合と同程度
の性能になるため２〜８０％とした。また、基体と単一
層の間に設ける金属層は、０．０１μ未満であると応力
緩和に対し効果がなく、また、２μを越えると切削中に
この金属層が塑性変形し、皮膜にクラックが発生しチッ
ピング等を誘発する結果となるため、０．０１μ〜２μ
とした。

【００２０】耐酸化性向上の目的で添加するＹ、Ｎｄ等
の金属成分は、０．１ａｔ％未満であると酸化皮膜はル
チル構造となり酸化速度を抑制する効果がなく２０ａｔ
％を越えて添加すると皮膜自体の硬さが低下するため
０．１〜２０ａｔ％とした。各層間に金属層を設ける場
合には、その層厚が１０ｎｍ未満であるとＮあるいはＣ
等の軽元素の拡散により金属層として存在し得ず、各層
の密着性向上に対し十分寄与しなく、また、２００ｎｍ
を越えると多重層部全体が軟化し多重層にする効果が認
められなくなるため、１０〜２００ｎｍにした。また、
多重層部の各膜厚を特に１〜２０ｎｍとした理由は、２
０ｎｍを越えると超格子を形成せず、また、１ｎｍ未満
だと相互に拡散し、多重層と成らず、単一な合金皮膜と
成るため１ｎｍ〜２０ｎｍとした。また、総皮膜の厚さ
は２μｍ未満であると耐摩耗性に効果なく、１５μｍを
越えると剥離し易くなるため２〜１５μｍとした。以
下、実施例により本願発明を詳細に説明する。

【００２１】

【実施例】７０ＷＣ−１０ＴｉＣ−１２ＴａＣ−８Ｃｏ
の組成になるように市販の２．５μｍのＷＣ粉末、１．
５μｍの（ＷＴｉ）Ｃ粉末１．２μｍのＴａＣ粉末をボ
ールミルにて９６時間混合し、乾燥造粒の後、ＳＮＭＧ
４３２スローアウェイインサートをプレスし、焼結後、
所定の形状に加工した。この超硬合金基体上にＰＶＤ法
により、表２に示すような皮膜を形成した。尚、比較の
ため従来例で記載した膜も形成した。

【００２２】

【表１】

【００２３】次いで、これたの皮膜のコーティングされ
たスローアウェイインサートを大気中で徐々に昇温し、
酸化増が認められる温度を測定した。また、大気中９０
０℃において、時間とともに酸化増量を測定し、酸化速
度を算出した。また、スクラッチ試験機により各皮膜が
基体から剥離する臨界荷重（Ｎ）を測定した。次に、以
下に示す高速断続切削条件にてテストを行い最大摩耗が
０．２ｍｍに達するまでの寿命時間を求めた。切削条件被削材Ｓ５ＯＣＨｓ３２４つ溝付切削速度３００ｍ／ｍｉｎ送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ切込み１ｍｍ切削油なし上記の結果を表３、表４に示す。

【００２４】

【表３】

【００２５】

【表４】

【００２６】尚、この場合皮膜の総厚みは６μｍと一定
にした。また、多層化の膜厚抑制については、炉の１面
にＭ１メタルターゲット、反対面にＭ２メタルターゲッ
トを設定し、アーク放電をＭ１とＭ２交互に発生させる
か、また、非常に薄い場合は同時に発生させながら冶具
全体の回転数により抑制を行った。

【００２７】表２〜表４より、多重層と基体の間に単一
層を設けること及びさらに単一層と基体の間に金属層と
を介在させることにより、スクラッチ強度が向上し高速
断続切削において剥離が発生しない十分な密着力が得ら
れている事が確認される。また、Ｙ等の成分の増加によ
り酸化速度が改善されることも明かである。

【００２８】次に、実施例１で用いたのと同一の基体を
使い表５に示す皮膜を形成し、実施例１と同様の切削テ
ストを行った。その結果を表６に示す。多層間の金属層
の形成にあたっては、その間ガスの導入を中止すること
により形成させた。

【００２９】

【表５】

【００３０】

【表６】

【００３１】表５、表６より、多重層間に金属層を介在
させることにより、さらに性能が改善される事が明らか
である。

【００３２】また、実施例とし、８５．６ＷＣ−０．９
Ｃｒ３Ｃ２−１．５ＴａＣ−１２Ｃｏ成る組成になるよ
うに市販の０．６μＷＣ粉末（Ｃｒドーピング）、及び
同１．０μＴａＣ粉末を用いアトライターにより１５時
間混合し、乾燥した後、外径１０．５ｍｍの丸棒素材を
製造した。しかる後、６枚刃のエンドミルに加工し、表
７に示す皮膜を２．０μの厚みに形成した。なお、皮膜
については、実施例１と同様にスクラッチ強度を測定
し、耐剥離性を評価した。その結果を表７に併記する。

【００３３】

【表７】

【００３４】これらのコーティングエンドミルでＨＲＣ
６０のＳＫＤ１１材を切削速度２０ｍ／ｍｉｎ、１刃あ
たりの送り５０μｍ、切り込み深さ１５ｍｍ×０．８ｍ
ｍなる条件において乾式でエンドミル切削を行い、耐摩
耗性の評価を行った。摩耗が０．１ｍｍに達するまでの
切削長さにより寿命を比較した。その結果を表８に示
す。

【００３５】

【表８】

【００３６】表８より、エンドミル切削においてもスロ
ーアウェイ切削と同様に本発明被覆硬質合金は、明らか
に長寿命となることが確認された。

【００３７】

【発明の効果】本発明の被覆硬質合金は従来のＴｉＮ、
ＴｉＣＮま、（ＴｉＡｌ）Ｎ等に比べ、密着性、耐酸化
性がさらに向上され、特に高速連続切削、高速断続切削
において長い工具寿命が得られるものでる。また、実用
上その密着性にいて問題の多い多層化、超多層化に対し
ても切削に耐え得る十分な密着性を与えることが可能と
なり、従来膜に比べ格段に長い工具寿命を達成した。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、膜厚と残留応力の関係を示す。

【表２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｍ１で示される金属の窒化物、または炭
窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物、窒硼化物、炭窒硼化
物、炭窒酸硼化物のいずれか一種と、Ｍ２で示される金
属の窒化物、または炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物、
窒硼化物、炭窒硼化物、炭窒酸硼化物のいずれか一種を
交互に５層以上被覆した多重被覆硬質合金において、皮
膜の総厚さは、２〜２０μｍであり、皮膜の基体側は皮
膜の総厚みの２〜８０％の範囲において、Ｍ１またはＭ
２の窒化物、または炭窒酸化物、窒酸化物、炭窒酸化
物、窒硼化物、炭窒硼化物、炭窒酸硼化物のいずれか一
種の層であり、皮膜の表面側は皮膜の総厚みの２０〜９
８％の範囲において、Ｍ１の炭窒化物、窒酸化物、炭窒
酸化物、窒硼化物、炭窒硼化物、炭窒酸硼化物のいずれ
か一種、Ｍ２の窒化物、または炭窒化物、窒酸化物、炭
窒化物、窒硼化物、炭窒硼化物、炭窒酸硼化物のいずれ
か一種を交互に被覆した多重層である事を特徴とした被
覆硬質合金。
【請求項２】Ｍ１及びＭ２が周期率表の４ａ、５ａ、
６ａ族の金属であることを特徴とする請求項１記載の被
覆硬質合金。
【請求項３】Ｍ１及びまたはＭ２が２元以上の合金で
あることを特徴とする請求項１〜２記載の被覆硬質合
金。
【請求項４】Ｍ１で示される金属の窒化物、または炭
窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物、窒硼化物、炭窒硼化
物、炭窒酸硼化物のいずれか一種と、Ｍ２で示される金
属の窒化物、または炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物、
窒硼化物、炭窒硼化物、炭窒酸硼化物のいずれか一種を
交互に５層以上被覆した多重被覆硬質合金において、皮
膜の総厚さは、２〜２０μｍであり、皮膜の基体側は皮
膜の総厚みの２〜８０％の範囲において、Ｍ１またはＭ
２の窒化物、または炭窒酸化物、窒酸化物、炭窒酸化
物、窒硼化物、炭窒硼化物、炭窒酸硼化物のいずれか一
種の層であり、皮膜の表面側は皮膜の総厚みの２０〜９
８％の範囲において、Ｍ１の炭窒化物、窒酸化物、炭窒
酸化物、窒硼化物、炭窒硼化物、炭窒酸硼化物のいずれ
か一種、Ｍ２の窒化物、または炭窒化物、窒酸化物、炭
窒化物、窒硼化物、炭窒硼化物、炭窒酸硼化物のいずれ
か一種を交互に被覆した多重層である事を特徴とした被
覆硬質合金において、基体と皮膜との間に０．０１μ〜
２μの厚みのＭ１、またはＭ２の金属層を介在させたこ
とを特徴とする被覆硬質合金。
【請求項５】Ｍ１がＴｉ、Ｍ２がＡｌであることを特
徴とする請求項４記載の被覆硬質合金。
【請求項６】１がＴｉ、Ｍ２がＡｌ・Ｔｉ合金である
ことを特徴とする請求項４〜５記載の被覆硬質合金。
【請求項７】Ｍ１がＺｒ、Ｍ２がＡｌ・Ｔｉ合金であ
ることを特徴とする請求項４〜６記載の被覆硬質合金。
【請求項８】Ｍ１がＺｒ、Ｍ２がＡｌ・Ｚｒ合金であ
ることを特徴とする請求項４〜７記載の被覆硬質合金。
【請求項９】Ｍ１がＣｒ、Ｍ２がＡｌ・Ｔｉ合金であ
ることを特徴とする請求項４〜８記載の被覆硬質合金。
【請求項１０】Ｍ１の金属、または合金及び／また
は、Ｍ２の金属または合金の１部を０．１〜２０ａｔ％
の範囲において、Ｙ、Ｃａ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｓｒの
いずれか１種以上に置き換えたことを特徴とする請求項
１〜９記載の被覆硬質合金。
【請求項１１】多重層部において積層される各層の膜
厚が１ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚であり、超格子を形成して
いることを特徴とする請求項１〜１０記載の被覆硬質合
金。
【請求項１２】積層される各層の間にＭ１もしくはＭ
２の金属層を１０〜２００ｎｍ介在させたことを特徴と
する請求項１〜１１項記載の被覆硬質合金。
【請求項１３】基体が高速度鋼、または超硬合金製の
エンドミル、またはドリルであることを特徴とする請求
項１〜１２記載の被覆硬質合金。
【請求項１４】基体が超硬合金製のスローアウェイイ
ンサートであることを特徴とする請求項１〜１２記載の
被覆硬質合金。