JPH11131235A - 被覆超硬合金 - Google Patents
被覆超硬合金Info
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- JPH11131235A JPH11131235A JP29831497A JP29831497A JPH11131235A JP H11131235 A JPH11131235 A JP H11131235A JP 29831497 A JP29831497 A JP 29831497A JP 29831497 A JP29831497 A JP 29831497A JP H11131235 A JPH11131235 A JP H11131235A
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Abstract
性と優れた破壊強度とを有し、切削工具に適した被覆超
硬合金を提供する。 【解決手段】 超硬合金の基材表面に形成されたセラミ
ックス被覆層は内層および外層を有している。外層は、
少なくとも酸化アルミニウム層を有し、その酸化アルミ
ニウム層の結晶構造がκ型を有している。内層は炭窒化
チタン層を有する多層構造を有し、その炭窒化チタン層
は10μm以上の厚みを有する柱状組織からなり、その
炭窒化チタン層の(422)面と(311)面との配向
性指数TC(422)、TC(311)がともに1.3
以上3以下である。
Description
し、より特定的には、切削工具などに使用される強靱か
つ耐摩耗性に優れる被覆超硬合金に関するものである。
合金の表面に炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンあ
るいは酸化アルミニウムなどの被覆層を蒸着することに
より切削工具の寿命を向上させることが行なわれてお
り、一般に化学蒸着法、プラズマCVD(Chemical Vap
or Deposition )法、物理蒸着法などを用いて生成され
た被覆層などが広く普及している。
工を行なった場合、特に高速切削加工のように高温での
被覆層の耐摩耗性が必要な加工、あるいは小物部品加工
のように加工数が多く被削材への食いつき回数が多い加
工などで被覆層の耐摩耗性が不足したり、被覆層の損
傷、剥離が発生することによる工具寿命の低下が発生し
ていた。
に被覆技術については、被覆層の組織制御あるいは、特
開平8−132130号公報や特開平5−269606
号公報に示されるような被覆層の配向性の制御など、多
くの改良が試みられてきた。しかし、その効果は十分と
は言えないのが現状であった。
性、耐摩耗性および耐クレータ性と優れた破壊強度とを
有し、切削工具に適した被覆超硬合金を提供することで
ある。
題点を解決すべく鋭意検討した結果、従来の被覆切削工
具用の被覆超硬合金に比較して、切削における被覆用の
耐剥離性を大きく向上させるとともに、膜自体の耐摩耗
性を向上させ、膜の破壊強度の向上を可能とすることに
より、工具の寿命を安定して飛躍的に向上させ得る被覆
超硬合金を見出した。
構成を有する。本発明の被覆超硬合金は、炭化タングス
テンを主成分とし、IVa、Va、VIa族金属の炭化
物、窒化物、炭窒化物の少なくとも1種を含む硬質相と
Coを主成分とする結合相とからなる超硬合金を基材と
し、その基材の表面に形成された内層および外層を有す
るセラミックス被覆層を有し、内層および外層は以下の
特徴を有する。
み、酸化アルミニウム層の結晶構造はκ型を有してい
る。
有し、炭窒化チタン層は10μm以上の厚みを有する柱
状組織からなり、その炭窒化チタン層の配向性指数TC
を、
22)面と(311)面との配向性指数TC(42
2)、TC(311)がともに1.3以上3以下であ
る。
タン層の配向性指数TC(422)、TC(311)を
ともに1.3以上とし、その組織を柱状組織とすること
により、10μm以上の膜厚でも膜の耐破壊性を大きく
向上させつつ耐摩耗性を向上させることが可能となる。
ただし、配向性指数TC(422)、TC(311)が
3を超えると、一定方向の配向が強くなりすぎることに
より、逆に膜の破壊性が低下する。
以上の厚膜とした柱状組織の効果以外にも、膜の耐破壊
性の向上により切削中に膜中のチッピングによる摩耗の
進行が抑制される効果も大きいと考えられる。さらに、
膜中のチッピングが生じにくくなることにより、これに
起因する切削中の被削材の溶着が起こりにくくなり、膜
にかかる切削応力の増大が防げることから耐剥離性が大
幅に向上できる。
化アルミニウム層で被覆することにより、すくい面で生
じるクレータ摩耗を抑制する効果が向上する。これは、
以下の理由による。
一般に言われる化学摩耗と切り粉により生じた膜の剥離
および膜の破壊といった機械的損傷の複合として現れて
いた。これに対し、本発明の構造では酸化アルミニウム
層の下地の膜強度、硬度が著しく向上している効果によ
り、機械的損傷は抑制され、かつ酸化アルミニウム層の
効果により化学的摩耗も抑制されるからである。
TiCl4 、CH3 CN、N2 およびH2 とし、前半と
後半との条件を次のように変更して成膜される。すなわ
ち、成膜初期から120分の間は、(TiCl4 +CH
3 CN)/トータルガス量の比率を後半に比べて小さく
し、かつ前半のN2 /トータルガス量の比率を後半の2
倍以上とすることにより炭窒化チタン層が成膜される。
は、AlCl3 およびCO2 を原料ガスとする通常のC
VDプロセスにより製造される。一般に本原料ガスによ
るCVDプロセスでは、酸化アルミニウム層の結晶構造
は、α、κあるいはθ構造となる。本発明で酸化アルミ
ニウム層の結晶構造がκ型であるのは、これらの各結晶
構造の酸化アルミニウムの中で、κ型の酸化アルミニウ
ムが最も微粒で強度が高く、かつ密着度に優れることに
よる。これにより、本発明の効果がより明瞭となる。
窒化チタン層以外に窒化チタン層および硼窒化チタン層
の少なくとも1層を有し、外層は酸化アルミニウム層以
外に炭化チタン層、炭窒化チタン層および窒化チタン層
の少なくとも1層を有していることが望ましい。
数TC(422)とTC(311)を除くTC(hk
l)がすべて1.5以下であることが望ましい。
窒化チタン層の配向性が、TC(422)とTC(31
1)のみで強く、これらを除く結晶面の配向性指数TC
(hkl)がすべて1.5以下であることにより、より
顕著な効果が得られる。
構造の酸化アルミニウム層の面間隔がASTMにおい
て、2.79Åの面に最大ピークを有することが好まし
い。
ン層の配向性を本発明の方位とし、酸化アルミニウム層
直下の層を硼素を微量添加したTiN層とすることによ
り、2.79Åの面に最大ピークを持つκ構造の酸化ア
ルミニウム層を外層とすることができ、この場合、酸化
アルミニウム層の密着強度が著しく向上し、上述のよう
なすくい面側で生じる損傷の抑制効果が抜群になること
を見出したことによる。2.79Åの面に最大ピークを
有する配向性を持たせるのは、上述の原料系を用いた従
来の製法で可能である。
外層の酸化アルミニウム層の直下の層が、硼窒化チタン
層であることが好ましい。
部付近のみにおいて酸化アルミニウム層が存在しないこ
とが好ましい。
スト処理あるいは、ブラシ処理などの機械的処理により
切刃稜線部のみで酸化アルミニウム層が除去されるまで
表面を処理すれば、上述の効果はより大きくなる。この
際の処理の程度については、切刃稜線部の中でも実際に
切削時に切り粉が接触する刃先部で確実に酸化アルミニ
ウム層が除去されていることが必要である。しかし、処
理の程度により、刃先から離れた位置の稜線部で酸化ア
ルミニウム層が一部除去されずに残留していても全く問
題はなく、本発明の効果は得られる。また、本発明で
は、酸化アルミニウム層が存在しないのは切刃稜線部の
みとしているが、処理法によってはチップの座面周辺な
どの切削と関係ない角張った場所でも除去されることが
あるが、これについても実質的には、本発明の効果には
全く影響しない。
も切刃稜線部において、内層の炭窒化チタン層の引張り
残留応力が10kg/mm2 以下であることが好まし
い。
被覆層中に存在する引張り残留応力を内層のTiCN層
で10kg/mm2 以下まで低減させることにより、膜
の耐破壊に対する効果を向上させることが可能である。
の基材の表面部で炭化タングステンを除く硬質相が減少
または消失した層を有し、その層の厚みが平坦部におい
て50μm以下であることが好ましい。
材と本発明の被覆層および表面処理とを組合せることに
より、超硬合金部の表層付近ごと被覆層が脱落するよう
な損傷に対し、非常に効果がある。
したのは、50μmを超えると切削中に表層部でやや塑
性変形あるいは弾性変形が生じる傾向があるためで、5
0μm以下でより効果的であるためである。
られているような窒素含有硬質相原料を用いる方法、ま
たは焼結時の昇温過程で加窒雰囲気とし結合相の液相出
現後に脱窒、脱炭雰囲気とする方法により製造できる。
の形状を有するWC基超硬合金基材を準備した。
覆膜を生成した。
Coのみからなる層が存在し、それぞれのサンプルにお
けるその層の厚みは平坦部厚みで、A:25μm、B:
50μm、C:55μmであった。サンプルDの基材表
面には表層領域は存在しなかった。以下に本発明品の各
層の被覆条件を示す。
成:容量%で、48%H2 −4%TiCl4 −48%N
2 (本発明品1〜4のTiCN層) TiCN層(前半120分):温度:900℃、圧力:
50torr、反応ガス組成:容量%で、68%H2 −
1.7%TiCl4 −0.3%CH3CN−30%N2 TiCN層(後半残り): 温度:900℃、圧力:50torr、反応ガス組成:
容量%で、78%H2 −6%TiCl4 −1%CH3 C
N−15%N2 (TiBN層) 温度:1000℃、圧力:200torr、反応ガス組
成:容量%で、46%H2 −4%TiCl4 −48%N
2 −2%BCl3 (Al2 O3 層)温度:1020℃、圧力:68tor
r、反応ガス組成:容量%で、86%H2 −9%AlC
l3 −5%CO2 (TiC層)温度:1020℃、圧力:68torr、
反応ガス組成:容量%で、90%H2 −3%TiCl4
−7%CH4 ここで、生成されたアルミナ(酸化アルミニウム)膜
は、X線回折により、いずれもκ型結晶構造のみである
ことを確認した。
添加したTiBNである試料1〜3のみで、2.79Å
の面が最大ピークを有していた。ここで、内層のTiC
N層の配向性指数は、X線回折による回折ピークから求
めた。この際、TiCNの(311)面の回折ピークは
基材のWCの(111)面ピークと重なり、(111)
面のピーク強度は、(WCの最強ピークである(10
1)面の強度)×0.25であることから、TiCNの
(311)面の強度からこれを減じてWC(111)面
による強度分を差し引いた。
に示す。
れを被覆した後破断し、破断面のSEM(走査型電子顕
微鏡)観察で柱状組織となっていることを確認した。
載せた。比較品のTiCN膜の成膜は、以下に示す条件
で行なった。
容量%で、78%H2 −6%TiCl4 −1%CH3 C
N−15%N2 (TiCN層(比較品6)) 温度:1000℃、圧力:200torr、反応ガス組
成:容量%で、91%H2 −3%TiCl4 −4%CH
4 −2%N 2 また、比較品6′のアルミナ層は、本発明品のアルミナ
成膜条件と同条件で被覆し、被覆後に温度を1100℃
まで上昇し、1時間、H2 雰囲気(50torr)中で
熱処理することにより、アルミナの結晶構造をα構造に
変態させて作製した。
1および2で性能評価を行なった。 (切削条件1) 被削材:SCM415(HB=140)4溝材 切削速度:200m/min 送り:0.15mm/rev 切り込み:1.5mm 衝撃回数:500回 切削油:水溶性 (切削条件2) 被削材:SCM415(HB=170) 切削速度:400m/min 送り:0.36mm/rev 切り込み:1.5mm 切削時間:20分 切削油:水溶性 この評価結果を表3および表4に示す。
較して、膜の耐摩耗性、耐チッピング性、および耐クレ
ータ性のいずれにおいても優れていることが判明した。
被覆層を被覆した後、稜線部のアルミナ層が除去される
までSiC砥粒を含有するナイロンブラシで、膜表面に
処理を施した。表面を処理した試料を作製し、これらを
1Hおよび2Hとした。また、さらにこれに鉄粉を用い
たブラスト処理を施した試料1HBおよび2HBを作製
し、これらについてX線回折装置を用いて、sin2 ψ
法により内層のTiCN層の残留応力を測定した。応力
測定結果を表5に、実施例1の切削条件1および2の条
件で切削評価した結果を表6および表7に示す。
い試料1Hおよび2Hでは引張り残留応力がすべて10
kg/mm2 より大きかったのに対し、ブラスト処理を
施した試料1HBおよび2HBでは引張り残留応力は1
0kg/mm2 以下となることが判明した。またブラス
ト処理を施した試料1HB、2HBでは、切削条件1お
よび2の双方においてブラスト処理を施さない試料1
H、2Hよりも逃げ面摩耗およびチッピングの双方が改
善されることが判明した。
であって制限的なものではないと考えられるべきであ
る。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の
範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味およ
び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
合金においてはセラミックス被覆層の内層に含まれる炭
窒化チタン層の配向性を所定の範囲とすることにより、
優れた耐剥離性、耐摩耗性および耐クレータ性と優れた
破壊強度とを有し、切削工具に適した被覆超硬合金を得
ることができる。これにより、切削工具の寿命を安定し
て飛躍的に向上させることが可能となる。
Claims (8)
- 【請求項1】 炭化タングステンを主成分とし、IV
a、Va、VIa族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の
少なくとも1種を含む硬質相とCoを主成分とする結合
相とからなる超硬合金を基材とし、前記基材の表面に形
成された内層および外層を有するセラミックス被覆層を
有し、 前記内層は、炭窒化チタン層を有する多層構造を有し、 前記外層は、少なくとも酸化アルミニウム層を含み、前
記酸化アルミニウム層の結晶構造はκ型を有し、 前記内層の炭窒化チタン層は10μm以上の厚みを有す
る柱状組織からなり、前記炭窒化チタン層の配向性にお
いて、以下の式で表される(422)面と(311)面
との配向性指数TC(422)、TC(311)がとも
に1.3以上3以下であることを特徴とする、被覆超硬
合金。 【数1】 - 【請求項2】 前記内層は前記炭窒化チタン層以外に、
窒化チタン層および硼窒化チタン層の少なくとも1層を
有し、 前記外層は前記酸化アルミニウム層以外に、炭化チタン
層、炭窒化チタン層および窒化チタン層の少なくとも1
層を有する、請求項1に記載の被覆超硬合金。 - 【請求項3】 前記配向性指数TC(422)とTC
(311)とを除く配向性指数TC(hkl)がすべて
1.5以下であることを特徴とする、請求項1または2
に記載の被覆超硬合金。 - 【請求項4】 κ型結晶構造の前記酸化アルミニウム層
の面間隔がASTMにおいて、2.79Åの面に最大ピ
ークを有することを特徴とする、請求項1から3のいず
れかに記載の被覆超硬合金。 - 【請求項5】 前記外層の前記酸化アルミニウム層の直
下の層が、硼窒化チタン層であることを特徴とする、請
求項4に記載の被覆超硬合金。 - 【請求項6】 切刃稜線部付近のみにおいて前記酸化ア
ルミニウム層が存在しないことを特徴とする、請求項1
から5のいずれかに記載の被覆超硬合金。 - 【請求項7】 少なくとも前記切刃稜線部において前記
内層の前記炭窒化チタン層の引張り残留応力が10kg
/mm2 以下であることを特徴とする、請求項6に記載
の被覆超硬合金。 - 【請求項8】 超硬合金の前記基材の表面部で前記炭化
タングステンを除く前記硬質相が減少または消失した層
を有し、その層の厚みが平坦部において50μm以下で
あることを特徴とする、請求項1から7のいずれかに記
載の被覆超硬合金。
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JP29831497A JP3658948B2 (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | 被覆超硬合金 |
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