JPH1071506A - 硬質被覆層がすぐれた密着性を有する表面被覆窒化珪素基焼結材料製切削工具 - Google Patents

硬質被覆層がすぐれた密着性を有する表面被覆窒化珪素基焼結材料製切削工具

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JPH1071506A
JPH1071506A JP8228424A JP22842496A JPH1071506A JP H1071506 A JPH1071506 A JP H1071506A JP 8228424 A JP8228424 A JP 8228424A JP 22842496 A JP22842496 A JP 22842496A JP H1071506 A JPH1071506 A JP H1071506A
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JP
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hard coating
coating layer
silicon nitride
sintered material
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JP8228424A
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Susumu Uchida
晋 内田
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Mitsubishi Materials Corp
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Mitsubishi Materials Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation

Abstract

(57)【要約】 【課題】 硬質被覆層がすぐれた密着性を有する表面被
覆Si3 4 基焼結材料製切削工具を提供する。 【解決手段】 Si3 4 の含有割合が75〜99.9
容量%であるSi3 4基焼結材料で構成された基体の
表面に、TiC層、TiN層、TiCN層、TiO2
層、TiCO層、TiNO層、およびTiCNO層から
なるTi化合物層のうちの1種または2種以上で構成し
た硬質被覆層、あるいは前記Ti化合物層のうちの1種
または2種以上と、Al2 3 層で構成した硬質被覆層
を0.5〜20μmの平均層厚で化学蒸着および/また
は物理蒸着してなる表面被覆Si3 4 基焼結材料製切
削工具において、前記基体表面部に、前記基体最表面を
電子顕微鏡で観察した組織で、Si3 4 が4〜40面
積%に減少した加熱酸化層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、硬質被覆層の窒
化珪素(以下、Si3 4 で示す)基焼結材料で構成さ
れた基体に対する密着性にすぐれ、したがって例えば苛
酷な条件での切削となる鋳鉄の断続切削を高速条件で行
っても硬質被覆層に剥離の発生なく、長期に亘ってすぐ
れた切削性能を発揮するようになる表面被覆Si3 4
基焼結材料(以下、被覆切削工具という)に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来、一般に、例えば特公昭62−13
430号公報に記載されるように、Si3 4 の含有割
合が75〜99.9容量%であり、したがって残りは結
合相形成成分としてのMg、Si、Zr、Y、および希
土類元素の酸化物のうちの1種または2種以上、さらに
必要に応じて含有する窒化ジルコニウム(以下、ZrN
で示す)からなるSi3 4 基焼結材料で構成された基
体の表面に、Tiの炭化物(以下、TiCで示す)層、
窒化物(以下、同じくTiNで示す)層、炭窒化物(以
下、TiCNで示す)層、酸化物(以下、TiO2 で示
す)層、炭酸化物(以下、TiCOで示す)層、窒酸化
物(以下、TiNOで示す)層、および炭窒酸化物(以
下、TiCNOで示す)層からなるTi化合物層のうち
の1種または2種以上で構成された硬質被覆層、あるい
は前記Ti化合物層のうちの1種または2種以上と、酸
化アルミニウム(以下、Al23 で示す)層とで構成
された硬質被覆層を0.5〜20μmの平均層厚で化学
蒸着および/または物理蒸着してなる被覆切削工具が知
られており、またこの被覆切削工具が主に鋳鉄などの連
続切削や断続切削に用いられていることも知られてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削装置
の高性能化および高出力化はめざましく、かつ省力化に
対する要求も強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾
向にあるが、上記の従来被覆切削工具においては、これ
を構成する硬質被覆層の基体表面に対する密着性が不十
分なために、例えば鋳鉄の断続切削を高速で行った場
合、切削が苛酷な条件での切削となることから硬質被覆
層に剥離が発生し易く、これが原因で比較的短時間で使
用寿命に至るのが現状である。
【0004】
【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、上記従来被覆切削工具に着目
し、これを構成する硬質被覆層の基体表面に対する密着
性の向上を図るべく研究を行った結果、上記基体に、大
気などの酸化性雰囲気中、600〜1400℃に所定時
間保持の条件で加熱酸化処理を施すと、前記基体表面部
にはSi3 4 の含有割合が減少した加熱酸化層が形成
されるようになり、この加熱酸化層におけるSi3 4
の割合を、基体表面を走査型電子顕微鏡や電子線マイク
ロアナライザなどの電子顕微鏡で観察した組織で、4〜
40面積%、すなわち前記加熱酸化処理を施さない状態
では75〜99.9面積%の割合で存在していたSi3
4を4〜40面積%に低減した状態で、これに上記硬
質被覆層を化学蒸着法および/または物理蒸着法を用い
て形成すると、この結果の被覆切削工具においては、前
記硬質被覆層の前記基体表面に対する密着性が著しく向
上し、したがって例えば鋳鉄の高速断続切削でも前記硬
質被覆層に剥離の発生なく、すぐれた切削性能を長期に
亘って発揮するようになるという研究結果を得たのであ
る。
【0005】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、Si3 4 の含有割合が75〜9
9.9容量%であるSi3 4 基焼結材料、さらに詳述
すれば、分散相形成成分としてSi3 4 :75〜9
9.9容量%を含有し、残りが結合相形成成分としての
Mg、Si、Zr、Y、および希土類元素の酸化物(以
下、これらを総称して金属酸化物と云う)のうちの1種
または2種以上、さらに必要に応じて分散相形成成分と
して含有するZrNからなるSi3 4 基焼結材料で構
成された基体の表面に、TiC層、TiN層、TiCN
層、TiO2 層、TiCO層、TiNO層、およびTi
CNO層からなるTi化合物層のうちの1種または2種
以上で構成された硬質被覆層、あるいは前記Ti化合物
層のうちの1種または2種以上と、Al2 3 層とで構
成された硬質被覆層を0.5〜20μmの平均層厚で化
学蒸着および/または物理蒸着してなる被覆切削工具に
おいて、上記基体表面部に、前記基体最表面を電子顕微
鏡で観察した組織で、Si3 4 が4〜40面積%に減
少した加熱酸化層を形成してなる、硬質被覆層がすぐれ
た密着性を有する被覆切削工具に特徴を有するものであ
る。
【0006】なお、この発明の被覆切削工具において、
基体におけるSi3 4 の含有割合を75〜99.9容
量%としたのは、その割合が75容量%未満になると、
硬さが急激に低下し、所望のすぐれた耐摩耗性を確保す
ることができず、一方その割合が99.9容量%を越え
ると、実質的に焼結性向上成分である上記金属酸化物の
割合が0.1%未満になってしまい、基体の強度低下が
著しくなるという理由によるものであり、望ましくは9
0〜97容量%とするのがよい。また、同じく基体表面
部に形成された加熱酸化層の基体最表面におけるSi3
4 の含有割合を4〜40面積%にしたのは、その割合
が4面積%未満になると、前記加熱酸化層の軟化が著し
く、所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、
一方その割合が40面積%を越えると、基体表面と硬質
被覆層との間にすぐれた密着性を確保することができな
くなるという理由からであり、望ましくは10〜30面
積%とするのがよい。さらに、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、耐欠損性が低
下するようになるという理由からであり、望ましくは1
〜8μmとするのがよい。
【0007】
【発明の実施の形態】つぎに、この発明の被覆切削工具
を実施例により具体的に説明する。原料粉末として、い
ずれも0.1〜1μmの範囲内の所定の平均粒径を有す
るSi3 4 粉末、各種の金属酸化物粉末、及びZrN
粉末を用意し、これら原料粉末を表1、2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、ISO・CNMG120408に定める形状
の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、まず温
度:1500〜1800℃、圧力:3.5MPa、保持
時間:3時間の条件で一次焼結し、ついで温度:170
0〜2000℃、圧力:100MPa、保持時間:1.
5時間の条件で二次次焼結することにより基体A〜Tを
それぞれ製造した。なお、表1、2には、上記基体A〜
Eの最表面を、ダイヤモンド砥石を用いて鏡面研磨した
状態で、走査型電子顕微鏡および電子線マイクロアナラ
イザで観察した組織にもとづいて算出したSi3 4
面積%をそれぞれ示した。
【0008】ついで、これらの基体A〜Tに、このうち
基体A〜Jは、その表面をダイヤモンド砥石を用いて研
磨した状態で、また基体K〜Tは焼結したままの状態
で、大気中、それぞれ表3、4に示される温度および保
持時間で加熱酸化処理を施して基体表面部に加熱酸化層
を形成し、基体K〜Tにはバレル処理と鏡面研磨を施し
た状態で、また基体A〜Tには鏡面研磨だけを施した状
態で、同じく基体最表面(加熱酸化層最表面)を走査型
電子顕微鏡および電子線マイクロアナライザで観察し、
この観察組織にもとづいてSi3 4 の割合(面積%)
を算出し、引き続いて、通常の化学蒸着装置を用い、通
常の条件で同じく表3、4に示される組成および平均層
厚を硬質被覆層を形成することにより本発明被覆切削工
具1〜20をそれぞれ製造した。また、比較の目的で、
表1、2に示される基体A〜Tのそれぞれの鏡面研磨表
面に、表5、6に示される通り直接本発明被覆切削工具
1〜20と同じ条件で硬質被覆層を形成することにより
従来被覆切削工具1〜20をそれぞれ製造した。
【0009】つぎに、上記本発明被覆切削工具1〜20
および従来被覆切削工具1〜20について、 被削材:FC300の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸
棒、 切削速度:400m/min.、 切込み:1.5mm、 送り:0.4mm/rev.、 切削時間:50分、 の条件での鋳鉄の湿式高速断続切削試験を行い、切刃の
逃げ面摩耗幅を測定した。これらの測定結果を表2〜5
に示した。
【0010】
【表1】
【0011】
【表2】
【0012】
【表3】
【0013】
【表4】
【0014】
【表5】
【0015】
【表6】
【0016】
【発明の効果】表3〜6に示される結果から、基体表面
部にSi3 4 の含有割合が低減した加熱酸化層が形成
された本発明被覆切削工具1〜20は、これの形成がな
い従来被覆切削工具1〜20に比して、硬質被覆層の基
体表面に対する密着性にすぐれているので、苛酷な切削
条件となる鋳鉄の高速断続切削でも硬質被覆層に剥離の
発生なく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するの
に対して、従来被覆切削工具1〜20においては、硬質
被覆層と基体との密着性が不十分なために比較的短時間
で硬質被覆層に剥離が発生し、使用寿命に至ることが明
らかである。上述のように、この発明の被覆切削工具
は、これを構成する硬質被覆層が基体表面に著しく強固
に密着しているので、例えば鋳鉄などの通常の条件での
連続切削や断続切削は勿論のこと、特にこれらの切削を
苛酷な条件で行っても硬質被覆層に剥離の発生なく、長
期に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、したがって切削
加工の高速化に十分に対応でき、かつ省力化にも寄与す
るものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C23C 16/56 C04B 35/58 102G

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化珪素の含有割合が75〜99.9容
    量%である窒化珪素基焼結材料で構成された基体の表面
    に、Tiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、酸化物
    層、炭酸化物層、窒酸化物層、および炭窒酸化物層から
    なるTi化合物層のうちの1種または2種以上で構成さ
    れた硬質被覆層を0.5〜20μmの平均層厚で化学蒸
    着および/または物理蒸着してなる表面被覆窒化珪素基
    焼結材料製切削工具において、 上記基体表面部に、前記基体最表面を電子顕微鏡で観察
    した組織で、窒化珪素が4〜40面積%に減少した加熱
    酸化層を形成したことを特徴とする硬質被覆層がすぐれ
    た密着性を有する表面被覆窒化珪素基焼結材料製切削工
    具。
  2. 【請求項2】 窒化珪素の含有割合が75〜99.9容
    量%である窒化珪素基焼結材料で構成された基体の表面
    に、Tiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、酸化物
    層、炭酸化物層、窒酸化物層、および炭窒酸化物層から
    なるTi化合物層のうちの1種または2種以上と、酸化
    アルミニウム層とで構成された硬質被覆層を0.5〜2
    0μmの平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着し
    てなる表面被覆窒化珪素基焼結材料製切削工具におい
    て、 上記基体表面部に、前記基体最表面を電子顕微鏡で観察
    した組織で、窒化珪素が4〜40面積%に減少した加熱
    酸化層を形成したことを特徴とする硬質被覆層がすぐれ
    た密着性を有する表面被覆窒化珪素基焼結材料製切削工
    具。
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