JPH11264066A - 被覆硬質工具 - Google Patents
被覆硬質工具Info
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- JPH11264066A JPH11264066A JP8495598A JP8495598A JPH11264066A JP H11264066 A JPH11264066 A JP H11264066A JP 8495598 A JP8495598 A JP 8495598A JP 8495598 A JP8495598 A JP 8495598A JP H11264066 A JPH11264066 A JP H11264066A
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
- C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
- C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 被覆硬質工具においてその皮膜が優れた耐酸
化性を有し、基体との密着性がよくしかも皮膜強度の優
れた耐摩耗性の著しく大きい工具を提供することを目的
とする。 【構成】 周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌの炭
化物及び／または窒化物の一種または二種以上からなる
１０〜２００ｎｍの厚さの第一の層とそれに酸素を含有
させた１〜１０ｎｍの厚さを有する第二の層を積層さ
せ、かつ第一の層と第二の層が結晶の連続性を有する皮
膜をもつ被覆硬質工具から構成され、併せて表面最外層
に緻密な酸素含有層、基体との間に皮膜の密着性を上げ
るための中間層をもつ。
化性を有し、基体との密着性がよくしかも皮膜強度の優
れた耐摩耗性の著しく大きい工具を提供することを目的
とする。 【構成】 周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌの炭
化物及び／または窒化物の一種または二種以上からなる
１０〜２００ｎｍの厚さの第一の層とそれに酸素を含有
させた１〜１０ｎｍの厚さを有する第二の層を積層さ
せ、かつ第一の層と第二の層が結晶の連続性を有する皮
膜をもつ被覆硬質工具から構成され、併せて表面最外層
に緻密な酸素含有層、基体との間に皮膜の密着性を上げ
るための中間層をもつ。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本願発明は、皮膜の耐酸化性、耐
摩耗性に優れた被覆硬質工具に関する。
摩耗性に優れた被覆硬質工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】切削工具は高い耐摩耗性と同等に使用時
の応力に耐えるだけの靱性を必要とする。耐摩耗性を増
大させるためには、極めて高い硬質物質すなわち炭化
物、窒化物、酸化物をなるべく多量に含有させることが
必要であるが、その量が多くなると靱性が低下し、欠け
やすくなる。この相剋を克服するために、工具表面に硬
質皮膜を被覆し、耐摩耗性はこの皮膜に負担させ靱性は
基体に分担させる被覆硬質工具がとくに切削工具を中心
に発達してきた。被覆皮膜としてはＴｉＮ、ＴｉＣＮが
一般的であったが近年Ａｌを添加したＴｉＡｌＮ皮膜が
急速に普及しつつある。
の応力に耐えるだけの靱性を必要とする。耐摩耗性を増
大させるためには、極めて高い硬質物質すなわち炭化
物、窒化物、酸化物をなるべく多量に含有させることが
必要であるが、その量が多くなると靱性が低下し、欠け
やすくなる。この相剋を克服するために、工具表面に硬
質皮膜を被覆し、耐摩耗性はこの皮膜に負担させ靱性は
基体に分担させる被覆硬質工具がとくに切削工具を中心
に発達してきた。被覆皮膜としてはＴｉＮ、ＴｉＣＮが
一般的であったが近年Ａｌを添加したＴｉＡｌＮ皮膜が
急速に普及しつつある。
【０００３】皮膜の性質としては、皮膜自体の耐摩耗性
と基体との密着性が重要である。また、使用時に高温を
受ける用途では耐酸化性が必要である。ＴｉＡｌＮの普
及はＡｌ添加により、耐酸化性が増大し酸化変質を伴う
摩耗に対し大きな効果が認められたからである。切削工
具の分野では変効率加工の追求の結果、高速、高送り切
削加工、金型などの高硬度材の仕上加工への切削工具の
対応が求められ工具の高性能化への妥求が極めて高い。
とくに被覆硬質工具では皮膜の耐摩耗性、耐酸化性のさ
らなる向上と基体密着性の向上が同時に要求される。
と基体との密着性が重要である。また、使用時に高温を
受ける用途では耐酸化性が必要である。ＴｉＡｌＮの普
及はＡｌ添加により、耐酸化性が増大し酸化変質を伴う
摩耗に対し大きな効果が認められたからである。切削工
具の分野では変効率加工の追求の結果、高速、高送り切
削加工、金型などの高硬度材の仕上加工への切削工具の
対応が求められ工具の高性能化への妥求が極めて高い。
とくに被覆硬質工具では皮膜の耐摩耗性、耐酸化性のさ
らなる向上と基体密着性の向上が同時に要求される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】高速切削あるいは高硬
度材の切削においては、刃先はいちじるしく昇温し皮膜
の耐酸化性が工具寿命に対し大きな影響を及ぼすことが
知られている。アルミナは耐摩耗性及び耐酸化性が極め
て優れるため、アルミナセラミック工具としても応用さ
れるが、旋削用スローアウェイチップの硬質皮膜として
も広く使用されている。ＴｉＡｌＮ皮膜の普及は切削中
に皮膜表面にＡｌが拡散、酸化してアルミナ皮膜を形成
するためであるといわれている。しかし、その破面を観
察すると最表面の酸化物が生成した領域では酸化による
体積増加のため緻密な皮膜が粉末に変化し、さらにその
内側では部分的に熱の影響を受け、酸化が進行して物理
蒸着法特有の柱状晶組織がくずれる現象が生じている。
このような状態で切削中にこすり摩耗により皮膜が容易
に持ち去られてしまい、結果として寿命を延ばすことが
できない。一方物理蒸着法でＡｌを添加した皮膜は一般
に皮膜の残留応力が高くその結果、皮膜の密着性はまだ
十分満足されていない。皮膜の剥離は被覆工具の特徴を
裏失させ、工具寿命を著しく短くする。皮膜の耐摩耗性
は皮膜の硬さ及び皮膜の厚さに依存する所が大きいが、
皮膜自体の強度を上げることが重要である。Ｔｉの窒化
物の場合、それは蒸着過程で柱状結晶で成長し膜厚の増
加に伴い結晶は粒大化し、膜自体の強度を減少させる。
度材の切削においては、刃先はいちじるしく昇温し皮膜
の耐酸化性が工具寿命に対し大きな影響を及ぼすことが
知られている。アルミナは耐摩耗性及び耐酸化性が極め
て優れるため、アルミナセラミック工具としても応用さ
れるが、旋削用スローアウェイチップの硬質皮膜として
も広く使用されている。ＴｉＡｌＮ皮膜の普及は切削中
に皮膜表面にＡｌが拡散、酸化してアルミナ皮膜を形成
するためであるといわれている。しかし、その破面を観
察すると最表面の酸化物が生成した領域では酸化による
体積増加のため緻密な皮膜が粉末に変化し、さらにその
内側では部分的に熱の影響を受け、酸化が進行して物理
蒸着法特有の柱状晶組織がくずれる現象が生じている。
このような状態で切削中にこすり摩耗により皮膜が容易
に持ち去られてしまい、結果として寿命を延ばすことが
できない。一方物理蒸着法でＡｌを添加した皮膜は一般
に皮膜の残留応力が高くその結果、皮膜の密着性はまだ
十分満足されていない。皮膜の剥離は被覆工具の特徴を
裏失させ、工具寿命を著しく短くする。皮膜の耐摩耗性
は皮膜の硬さ及び皮膜の厚さに依存する所が大きいが、
皮膜自体の強度を上げることが重要である。Ｔｉの窒化
物の場合、それは蒸着過程で柱状結晶で成長し膜厚の増
加に伴い結晶は粒大化し、膜自体の強度を減少させる。
【０００５】
【本発明の目的】したがって、本発明ではこれらの課題
を解決し被覆硬質工具においてその皮膜が優れた耐酸化
性を有し基体との密着性がよく、しかも皮膜強度の優れ
た耐摩耗性の大いなる、しいては工具寿命を極めて改善
した工具の発明を目的とする。
を解決し被覆硬質工具においてその皮膜が優れた耐酸化
性を有し基体との密着性がよく、しかも皮膜強度の優れ
た耐摩耗性の大いなる、しいては工具寿命を極めて改善
した工具の発明を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、被覆硬質
工具において皮膜の耐酸化性と皮膜の耐摩耗性を同時に
解決し、併せて密着性の優れた皮膜を得ることを目的と
して研究を重ねた。その結果、耐酸化性の向上に対して
は酸化が直接作用する皮膜最外層に耐酸化性に優れた緻
密な酸化物層を形成させること、そのために最外層にＡ
ｌ及び耐酸化性を向上させるＳｉ、Ｙ、Ｂ、Ｎｂ、Ｚｒ
などを添加し、かつ酸化物層をアモルファス状態で形成
させ、表面の摩擦係数を低減させるとともに使用安定、
かつ、緻密な酸化物層を早期に形成させることが有効で
あると考えた。また、４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌから
なる炭化物、窒化物の層の間にこれらに酸素を含有させ
た中間層を積層させることにより、耐酸化性が向上する
ことを発見した。耐摩耗性については、これら４ａ、５
ａ、６ａ族元素及びＡｌの炭化物、窒化物を物理蒸着法
（ＰＶＤ）によって微細な柱状晶に形成させることによ
り解決した。酸素を含む第二の層の中間介在によって皮
膜の残留応力が軽減され、その結果皮膜の密着性が改善
される可能性がある。しかし、この第二層の存在は炭化
物、窒化物からなる第一の層の柱状層を遮断することに
なり、層界面を弱くし却って摩耗を促進することが考え
られる。これを防止するには、この第二の層の厚さを必
要最小限に薄くしこの層を挟む上下の第一の層の結晶が
連続し、あたかも超格子を形成するようにすることであ
る。
工具において皮膜の耐酸化性と皮膜の耐摩耗性を同時に
解決し、併せて密着性の優れた皮膜を得ることを目的と
して研究を重ねた。その結果、耐酸化性の向上に対して
は酸化が直接作用する皮膜最外層に耐酸化性に優れた緻
密な酸化物層を形成させること、そのために最外層にＡ
ｌ及び耐酸化性を向上させるＳｉ、Ｙ、Ｂ、Ｎｂ、Ｚｒ
などを添加し、かつ酸化物層をアモルファス状態で形成
させ、表面の摩擦係数を低減させるとともに使用安定、
かつ、緻密な酸化物層を早期に形成させることが有効で
あると考えた。また、４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌから
なる炭化物、窒化物の層の間にこれらに酸素を含有させ
た中間層を積層させることにより、耐酸化性が向上する
ことを発見した。耐摩耗性については、これら４ａ、５
ａ、６ａ族元素及びＡｌの炭化物、窒化物を物理蒸着法
（ＰＶＤ）によって微細な柱状晶に形成させることによ
り解決した。酸素を含む第二の層の中間介在によって皮
膜の残留応力が軽減され、その結果皮膜の密着性が改善
される可能性がある。しかし、この第二層の存在は炭化
物、窒化物からなる第一の層の柱状層を遮断することに
なり、層界面を弱くし却って摩耗を促進することが考え
られる。これを防止するには、この第二の層の厚さを必
要最小限に薄くしこの層を挟む上下の第一の層の結晶が
連続し、あたかも超格子を形成するようにすることであ
る。
【０００７】この方法により発明者は優れた耐酸化性と
耐摩耗性を同等に補足した新しい硬質皮膜を作ることに
成功した。これが本出願におけるもっとも重要なポイン
トとなる点であり、その結晶の連続性を図に示す。硬質
皮膜としては既述の如く、基体との密着性がよくなけれ
ば実効を与えることはできない。発明者らはすでに出願
したように、皮膜と基体との間に２ｍｍから１０００ｍ
ｍの厚さを有するＴｉ金属もしくはＴｉＡｌよりなる金
属合金層、もしくはＴｉＡｌと第３成分よりなる金属合
金層を介在させることを特徴とする被覆硬質工具の開発
を行っている。これらの技術は本出願の皮膜にも同様の
効果をもって適用できるものである。
耐摩耗性を同等に補足した新しい硬質皮膜を作ることに
成功した。これが本出願におけるもっとも重要なポイン
トとなる点であり、その結晶の連続性を図に示す。硬質
皮膜としては既述の如く、基体との密着性がよくなけれ
ば実効を与えることはできない。発明者らはすでに出願
したように、皮膜と基体との間に２ｍｍから１０００ｍ
ｍの厚さを有するＴｉ金属もしくはＴｉＡｌよりなる金
属合金層、もしくはＴｉＡｌと第３成分よりなる金属合
金層を介在させることを特徴とする被覆硬質工具の開発
を行っている。これらの技術は本出願の皮膜にも同様の
効果をもって適用できるものである。
【０００８】
【作用】硬質皮膜中に酸素を含有する第二の層を積層す
ることによる耐酸化性向上への寄与の原因については次
のように考える。すなわち、この第二層が酸化の進行に
対するバリヤーとして働くと考えられるからである。酸
化は金属イオンの表面界面への拡散、酸化によって進行
する。酸素を含有する第二の層が存在すると、酸化すべ
き金属イオンがこの第二の層中に酸素と結びついて酸化
物を形成するかあるいは酸素イオンの雰囲気に捕捉され
て、拡散が阻害される。すなわち、この第二の層が酸化
の進行に対するバリヤーとして仂くわけである。酸化は
表面現象であるから最外層に近い程この第二の層の積層
密度は高く、かつ酸素濃度は高い方が耐酸化性の向上に
有効であることは容易に肯首できる。
ることによる耐酸化性向上への寄与の原因については次
のように考える。すなわち、この第二層が酸化の進行に
対するバリヤーとして働くと考えられるからである。酸
化は金属イオンの表面界面への拡散、酸化によって進行
する。酸素を含有する第二の層が存在すると、酸化すべ
き金属イオンがこの第二の層中に酸素と結びついて酸化
物を形成するかあるいは酸素イオンの雰囲気に捕捉され
て、拡散が阻害される。すなわち、この第二の層が酸化
の進行に対するバリヤーとして仂くわけである。酸化は
表面現象であるから最外層に近い程この第二の層の積層
密度は高く、かつ酸素濃度は高い方が耐酸化性の向上に
有効であることは容易に肯首できる。
【０００９】最外層がアモルファスであることの利点は
アモルファスには結晶粒界がなく、したがって下層の金
属原子の粒界拡散による表面酸化や粒界酸化が防止でき
ることにある。それ以外に使用時により結晶化したとし
ても、アモルファスの成原子の易動度が大きく、活性化
しているために安定な酸化物結晶を作りやすいこと及び
アモルファス化は物理により比較的容易に達成される
が、皮膜の化学組成によっても左右される。たとえば、
Ｓｉ、Ｂの添加はアモルファス化を促進し同時に耐酸化
性も改善する。酸素を含む第二の層を積層させた場合、
耐酸化性の向上のほかに皮膜の残留応力の低下による膜
の密着性の向上等の利点が考えられるが、一方強度の低
下が予測される。
アモルファスには結晶粒界がなく、したがって下層の金
属原子の粒界拡散による表面酸化や粒界酸化が防止でき
ることにある。それ以外に使用時により結晶化したとし
ても、アモルファスの成原子の易動度が大きく、活性化
しているために安定な酸化物結晶を作りやすいこと及び
アモルファス化は物理により比較的容易に達成される
が、皮膜の化学組成によっても左右される。たとえば、
Ｓｉ、Ｂの添加はアモルファス化を促進し同時に耐酸化
性も改善する。酸素を含む第二の層を積層させた場合、
耐酸化性の向上のほかに皮膜の残留応力の低下による膜
の密着性の向上等の利点が考えられるが、一方強度の低
下が予測される。
【００１０】柱状晶を形成したＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ｔｉ
ＡｌＮに比し、酸素を含有したＴｉ（ＣＮＯ）、ＴｉＡ
ｌ（ＮＯ）等では結晶の不安定性（格子欠陥を含む）や
内部に基く酸化物の析出などにより強度が低下し、靱性
が低下する可能性があるからである。そこで、この第二
の相を１〜１０ｍｍ以下にすると第二の層は第一の層と
同じ結晶構造を継承し、第一の層がこの第二の層を通し
てエキピタシャルに成長することがわかった。このよう
にして第二の層に起因する結晶欠陥を少なくし、皮膜強
度を上げることができたと考える。その結果耐酸化性を
改善し、同時に耐摩耗性を保持した硬質皮膜を得ること
ができたと考えられる。
ＡｌＮに比し、酸素を含有したＴｉ（ＣＮＯ）、ＴｉＡ
ｌ（ＮＯ）等では結晶の不安定性（格子欠陥を含む）や
内部に基く酸化物の析出などにより強度が低下し、靱性
が低下する可能性があるからである。そこで、この第二
の相を１〜１０ｍｍ以下にすると第二の層は第一の層と
同じ結晶構造を継承し、第一の層がこの第二の層を通し
てエキピタシャルに成長することがわかった。このよう
にして第二の層に起因する結晶欠陥を少なくし、皮膜強
度を上げることができたと考える。その結果耐酸化性を
改善し、同時に耐摩耗性を保持した硬質皮膜を得ること
ができたと考えられる。
【００１１】次に特許請求の範囲における数値を限定し
た理由を述べる。請求項４において、Ｓｉ、Ｙの添加を
１〜３０原子％の範囲に限定した理由は１原子％以下で
は耐酸化性の向上に効果がなく、また３０原子％以上で
は皮膜の耐摩耗性が低下するためである。請求項８にお
いて、ＡｌＯ最外層中のＳｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｂの含有量を
１〜３０原子％としたのは、同じく、１％以下では耐酸
化性の向上に効果が少なく３０％以上では耐摩耗性が低
下するためである。請求項９において、第一の層の厚さ
を１０〜２００ｎｍとした理由は、高速切削時に酸化の
影響を直接受ける膜の厚さ考慮して、最大２００ｎｍと
したものでそれを越えると第二の層による化のバリヤー
効果がなくなるためである。また、１０ｎｍ未満では耐
摩耗性を保持する第一の層の効果が十分でないためであ
る。酸素を含む第二の層の厚さを１〜１０ｎｍとしたの
は、１０ｎｍを越えると第一の層とその間に介在する第
二の層の結晶の連続性が崩れるためであり、１ｎｍ未満
では第二の層による耐酸化性向上効果が消滅するためで
ある。
た理由を述べる。請求項４において、Ｓｉ、Ｙの添加を
１〜３０原子％の範囲に限定した理由は１原子％以下で
は耐酸化性の向上に効果がなく、また３０原子％以上で
は皮膜の耐摩耗性が低下するためである。請求項８にお
いて、ＡｌＯ最外層中のＳｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｂの含有量を
１〜３０原子％としたのは、同じく、１％以下では耐酸
化性の向上に効果が少なく３０％以上では耐摩耗性が低
下するためである。請求項９において、第一の層の厚さ
を１０〜２００ｎｍとした理由は、高速切削時に酸化の
影響を直接受ける膜の厚さ考慮して、最大２００ｎｍと
したものでそれを越えると第二の層による化のバリヤー
効果がなくなるためである。また、１０ｎｍ未満では耐
摩耗性を保持する第一の層の効果が十分でないためであ
る。酸素を含む第二の層の厚さを１〜１０ｎｍとしたの
は、１０ｎｍを越えると第一の層とその間に介在する第
二の層の結晶の連続性が崩れるためであり、１ｎｍ未満
では第二の層による耐酸化性向上効果が消滅するためで
ある。
【００１２】請求項１０において、酸素を含む最外層の
厚さを０．０２〜５μｍとしたのは、耐酸化性と耐摩耗
性に対し厚い膜が有利であるために上限を５μｍとし
た。それを越えると膜の剥離傾向が大きくなる。０．０
２μｍを下限としたのはそれ未満では硬質膜としての耐
摩耗性与効果が極めて小さくなるためである。請求項１
１において、基体と硬質皮膜の間に設けた中間層の厚さ
を２〜１０００ｎｍとしたのは、２ｎｍ未満では中間層
による皮膜の密着性の改善効果がなく１０００ｎｍを越
えるととくに金属層の場合、層内ですべりが発生して皮
膜が容易に剥離するためである。請求項１２において、
第一の層及び第二の層の積層部分の表面側を蜜とし基体
側に向って粗となるようにしたのは、基体側を粗とした
のは、酸化物を含有する第二の層は、窒化物等からなる
第一の層の結晶性、密着強度をより高めるためであり、
また表面側を密としたのは耐酸化性に対する抵抗をより
高めるため、第二の層をより多く設けるためである。請
求項１３において、積層する第二の層中の酸素含有量を
最外層に向って漸次高くなる、すなわち、酸素含有量を
基体側で小、表面側で多とした理由は、切削時に切削熱
の影響で酸化されつつ摩耗が進行していくため、基体側
ではより酸化される容量を大きなものとし、また、表面
側では酸素の拡散を防止するため酸素含有量を高めた膜
とするためである。以下、実施例に基いて本発明を詳細
に説明する。
厚さを０．０２〜５μｍとしたのは、耐酸化性と耐摩耗
性に対し厚い膜が有利であるために上限を５μｍとし
た。それを越えると膜の剥離傾向が大きくなる。０．０
２μｍを下限としたのはそれ未満では硬質膜としての耐
摩耗性与効果が極めて小さくなるためである。請求項１
１において、基体と硬質皮膜の間に設けた中間層の厚さ
を２〜１０００ｎｍとしたのは、２ｎｍ未満では中間層
による皮膜の密着性の改善効果がなく１０００ｎｍを越
えるととくに金属層の場合、層内ですべりが発生して皮
膜が容易に剥離するためである。請求項１２において、
第一の層及び第二の層の積層部分の表面側を蜜とし基体
側に向って粗となるようにしたのは、基体側を粗とした
のは、酸化物を含有する第二の層は、窒化物等からなる
第一の層の結晶性、密着強度をより高めるためであり、
また表面側を密としたのは耐酸化性に対する抵抗をより
高めるため、第二の層をより多く設けるためである。請
求項１３において、積層する第二の層中の酸素含有量を
最外層に向って漸次高くなる、すなわち、酸素含有量を
基体側で小、表面側で多とした理由は、切削時に切削熱
の影響で酸化されつつ摩耗が進行していくため、基体側
ではより酸化される容量を大きなものとし、また、表面
側では酸素の拡散を防止するため酸素含有量を高めた膜
とするためである。以下、実施例に基いて本発明を詳細
に説明する。
【００１３】
【実施例】実施例１ 皮膜の耐酸化性を試験するため、小型アークオインプレ
ーティング装置を用いて、超微粒子超硬合金にバイアス
電圧３００Ｖ、真空度４×１０-2ｍｂａｒの条件で本発
明例及び比較例のコーティングを表１に示すような第一
の層、第二の層及び最外層に付いて行いＴＥＭ（透過型
電子顕微鏡）で観察を行いその結果を図１に、更に、耐
酸化性を試験するため、９５０℃、大気中で３０分酸化
させた。その時に形成した酸化層の厚さを破面によって
計測した。その結果も併せて表１に示す。
ーティング装置を用いて、超微粒子超硬合金にバイアス
電圧３００Ｖ、真空度４×１０-2ｍｂａｒの条件で本発
明例及び比較例のコーティングを表１に示すような第一
の層、第二の層及び最外層に付いて行いＴＥＭ（透過型
電子顕微鏡）で観察を行いその結果を図１に、更に、耐
酸化性を試験するため、９５０℃、大気中で３０分酸化
させた。その時に形成した酸化層の厚さを破面によって
計測した。その結果も併せて表１に示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】表１より、本発明例３の様に酸素量を多く
含有させた皮膜では酸化に対しより優れた性能を示す。
また、第３成分としてＳｉ（同８、９）、Ｙ（同１０）
を添加したものも同様に優れた耐酸化性を示すことが分
かった。図１は、試料番号１のＴＥＭ観察であり、最表
面にアモルファス（非晶質）状の（ＴｉＡｌ）ＯＮ層、
内側に（ＴｉＡｌ）Ｎ層、（ＴｉＡｌ）ＯＮ中間層、
（ＴｉＡｌ）Ｎ層が存在し、下部（ＴｉＡｌ）Ｎ結晶が
中間層を介し上部の（ＴｉＡｌ）Ｎ層に連続した層構造
が認められる。次に、最外層を酸化物膜で形成した本発
明例５乃至７では、更に酸化に対する進行が遅くなり、
その傾向は結晶状態により多少影響があるものののアモ
ルファスのＡｌＯが最も良い性能を示した。Ａｌの一部
を他の元素に置き換えた最外層では、Ｓｉ（同１１）、
Ｙ（同１２）、Ｚｒ（同１３）、Ｂ（同１４）を添加し
たものも同様にＡｌ量の増加、Ｓｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｂの添
加により耐酸化性は良くなっている。比較例として、一
般に使用されているＴｉＮ膜（同１７）、ＴｉＣＮ膜
（同１８）では、１ミクロンを超えており、またＴｉＡ
ｌＮ膜（同１５）でも０．８ミクロン前後であった。
含有させた皮膜では酸化に対しより優れた性能を示す。
また、第３成分としてＳｉ（同８、９）、Ｙ（同１０）
を添加したものも同様に優れた耐酸化性を示すことが分
かった。図１は、試料番号１のＴＥＭ観察であり、最表
面にアモルファス（非晶質）状の（ＴｉＡｌ）ＯＮ層、
内側に（ＴｉＡｌ）Ｎ層、（ＴｉＡｌ）ＯＮ中間層、
（ＴｉＡｌ）Ｎ層が存在し、下部（ＴｉＡｌ）Ｎ結晶が
中間層を介し上部の（ＴｉＡｌ）Ｎ層に連続した層構造
が認められる。次に、最外層を酸化物膜で形成した本発
明例５乃至７では、更に酸化に対する進行が遅くなり、
その傾向は結晶状態により多少影響があるものののアモ
ルファスのＡｌＯが最も良い性能を示した。Ａｌの一部
を他の元素に置き換えた最外層では、Ｓｉ（同１１）、
Ｙ（同１２）、Ｚｒ（同１３）、Ｂ（同１４）を添加し
たものも同様にＡｌ量の増加、Ｓｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｂの添
加により耐酸化性は良くなっている。比較例として、一
般に使用されているＴｉＮ膜（同１７）、ＴｉＣＮ膜
（同１８）では、１ミクロンを超えており、またＴｉＡ
ｌＮ膜（同１５）でも０．８ミクロン前後であった。
【００１６】エンドミルによる切削試験のため、表１に
示したと同様の条件を用いて、本発明例として１、３、
４、６、９、１１、１２の７試料、また比較例として１
５、１７〜２０の５試料の計１２試料に被覆した。試料
は、超微粒子超硬合金で作成したφ８ｍｍの６枚刃のエ
ンドミルを用いて硬質皮膜を被覆し、切削諸元として、
被削材をＳＫＤ１１（焼入焼もどし材（ＨＲＣ６
０））、切削速度２０ｍ／ｍｉｎ、送り量が０．０６ｍ
ｍ／刃、切り込み量１２ｍｍ×０．８ｍｍ、切削油は乾
式（ｄｒｙ）の諸元によって切削テストを行った。エン
ドミルは切削の進行にしたがって刃先が摩耗し、最後は
奇音を発して折損に至り寿命に達した。折損が発生した
結果を表２に示す。
示したと同様の条件を用いて、本発明例として１、３、
４、６、９、１１、１２の７試料、また比較例として１
５、１７〜２０の５試料の計１２試料に被覆した。試料
は、超微粒子超硬合金で作成したφ８ｍｍの６枚刃のエ
ンドミルを用いて硬質皮膜を被覆し、切削諸元として、
被削材をＳＫＤ１１（焼入焼もどし材（ＨＲＣ６
０））、切削速度２０ｍ／ｍｉｎ、送り量が０．０６ｍ
ｍ／刃、切り込み量１２ｍｍ×０．８ｍｍ、切削油は乾
式（ｄｒｙ）の諸元によって切削テストを行った。エン
ドミルは切削の進行にしたがって刃先が摩耗し、最後は
奇音を発して折損に至り寿命に達した。折損が発生した
結果を表２に示す。
【００１７】
【表２】
【００１８】表２に示すように、一般に硬質膜の耐酸化
性の向上は工具寿命の増大に寄与する。とくに最外層を
Ａｌ−Ｓｉ（Ｙ）−Ｏ系アモルファスとし、（Ｎｏ．１
１及びＮｏ．１２）内部をＴｉＡｌＮ（第一の層）とＴ
ｉＡｌＮＯ（第二の層）の積層としたものは極めて良好
な切削性能をもつことがわかる。比較例として、一般に
使用されているＴｉＮ膜、ＴｉＣＮ膜、ＴｉＡｌＮ膜で
は１６〜３２ｍ切削で折損しており、２倍以上の長寿命
化が計れることが分かった。また、第二の層を厚く３０
ｎｍ設けた試料番号１９では、層間剥離により短い寿命
となった。更に、第一の層を５００ｎｍと厚く設けた試
料番号２０は切削による熱の影響を止める第二の層の間
隔が広いため、本発明例より２／３程度の長さしか切削
できなかった。
性の向上は工具寿命の増大に寄与する。とくに最外層を
Ａｌ−Ｓｉ（Ｙ）−Ｏ系アモルファスとし、（Ｎｏ．１
１及びＮｏ．１２）内部をＴｉＡｌＮ（第一の層）とＴ
ｉＡｌＮＯ（第二の層）の積層としたものは極めて良好
な切削性能をもつことがわかる。比較例として、一般に
使用されているＴｉＮ膜、ＴｉＣＮ膜、ＴｉＡｌＮ膜で
は１６〜３２ｍ切削で折損しており、２倍以上の長寿命
化が計れることが分かった。また、第二の層を厚く３０
ｎｍ設けた試料番号１９では、層間剥離により短い寿命
となった。更に、第一の層を５００ｎｍと厚く設けた試
料番号２０は切削による熱の影響を止める第二の層の間
隔が広いため、本発明例より２／３程度の長さしか切削
できなかった。
【００１９】
【発明の効果】本発明は、従来の硬質皮膜（４ａ、５
ａ、６ａ族とＡｌの炭化物及び／または窒化物からな
る）の層とそれに酸素を含む層を交互に多数積層させる
ことにより、極めて優れた耐酸化性と同時に耐摩耗性
（工具寿命）を与えることが出来るというもので、両者
の高度な組合せが実現できたのは酸素を含有する第二の
層を１０ｎｍ以下に抑えることにより、硬質皮膜の結晶
連続性を確保したことにその本質が存在する。この効果
は基体が超硬合金である場合のみならず、基体がハイス
あるいはサーメットであっても適用できるものである。
また、耐摩耗性と耐塑性が要求される各種工具、すなわ
ち旋削用スローアウェイチップ、エンドミル、ドリル、
タップなどの切削工具及び耐摩耗性、耐焼付き性の要求
される精密塑性加工用工具に適用し、大きな効果が期待
されるものである。
ａ、６ａ族とＡｌの炭化物及び／または窒化物からな
る）の層とそれに酸素を含む層を交互に多数積層させる
ことにより、極めて優れた耐酸化性と同時に耐摩耗性
（工具寿命）を与えることが出来るというもので、両者
の高度な組合せが実現できたのは酸素を含有する第二の
層を１０ｎｍ以下に抑えることにより、硬質皮膜の結晶
連続性を確保したことにその本質が存在する。この効果
は基体が超硬合金である場合のみならず、基体がハイス
あるいはサーメットであっても適用できるものである。
また、耐摩耗性と耐塑性が要求される各種工具、すなわ
ち旋削用スローアウェイチップ、エンドミル、ドリル、
タップなどの切削工具及び耐摩耗性、耐焼付き性の要求
される精密塑性加工用工具に適用し、大きな効果が期待
されるものである。
【図１】図１は、硬質皮膜表面層のＴＥＭ写真を示す。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年３月９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】この方法により発明者は優れた耐酸化性と
耐摩耗性を同等に補足した新しい硬質皮膜を作ることに
成功した。これが本出願におけるもっとも重要なポイン
トとなる点であり、その結晶の連続性を図に示す。硬質
皮膜としては既述の如く、基体との密着性がよくなけれ
ば実効を与えることはできない。発明者らはすでに出願
したように、皮膜と基体との間に２ｎｍから１０００ｎ
ｍの厚さを有するＴｉ金属もしくはＴｉＡｌよりなる金
属合金層、もしくはＴｉＡｌと第３成分よりなる金属合
金層を介在させることを特徴とする被覆硬質工具の開発
を行っている。これらの技術は本出願の皮膜にも同様の
効果をもって適用できるものである。
耐摩耗性を同等に補足した新しい硬質皮膜を作ることに
成功した。これが本出願におけるもっとも重要なポイン
トとなる点であり、その結晶の連続性を図に示す。硬質
皮膜としては既述の如く、基体との密着性がよくなけれ
ば実効を与えることはできない。発明者らはすでに出願
したように、皮膜と基体との間に２ｎｍから１０００ｎ
ｍの厚さを有するＴｉ金属もしくはＴｉＡｌよりなる金
属合金層、もしくはＴｉＡｌと第３成分よりなる金属合
金層を介在させることを特徴とする被覆硬質工具の開発
を行っている。これらの技術は本出願の皮膜にも同様の
効果をもって適用できるものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】柱状晶を形成したＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ｔｉ
ＡｌＮに比し、酸素を含有したＴｉ（ＣＮＯ）、ＴｉＡ
ｌ（ＮＯ）等では結晶の不安定性（格子欠陥を含む）や
内部に基く酸化物の析出などにより強度が低下し、靭性
が低下する可能性があるからである。そこで、この第二
の相を１〜１０ｎｍ以下にすると第二の層は第一の層と
同じ結晶構造を継承し、第一の層がこの第二の層を通し
てエキピタシャルに成長することがわかった。このよう
にして第二の層に起因する結晶欠陥を少なくし、皮膜強
度を上げることができたと考える。その結果耐酸化性を
改善し、同時に耐摩耗性を保持した硬質皮膜を得ること
ができたと考えられる。
ＡｌＮに比し、酸素を含有したＴｉ（ＣＮＯ）、ＴｉＡ
ｌ（ＮＯ）等では結晶の不安定性（格子欠陥を含む）や
内部に基く酸化物の析出などにより強度が低下し、靭性
が低下する可能性があるからである。そこで、この第二
の相を１〜１０ｎｍ以下にすると第二の層は第一の層と
同じ結晶構造を継承し、第一の層がこの第二の層を通し
てエキピタシャルに成長することがわかった。このよう
にして第二の層に起因する結晶欠陥を少なくし、皮膜強
度を上げることができたと考える。その結果耐酸化性を
改善し、同時に耐摩耗性を保持した硬質皮膜を得ること
ができたと考えられる。
Claims (13)
- 【請求項１】 硬質被覆層を被覆してなるハイス、超硬
合金、サーメット等の超硬合金を基体とする工具におい
て、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌの炭化物及
び／または窒化物の１種または２種以上からなる第一の
層と、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌの炭化物
及び／または窒化物の１種または２種以上と酸素を含有
する第二の層を交互に積層させ、かつ、炭化物、窒化物
からなる第一の層とその間に介在する酸素を含有する第
二の層が結晶の連続性を有することを特徴とする被覆硬
質工具。 - 【請求項２】 請求項１記載の被覆硬質工具において、
積層された第一及び第二の層の最外層が酸素を含有する
層からなることを特徴とする被覆硬質工具。 - 【請求項３】 請求項２記載の被覆硬質工具において、
最外層が酸素を含有し、かつ、アモルファス相を形成し
ていることを特徴とする被覆硬質工具。 - 【請求項４】 請求項２記載の被覆硬質工具において、
酸素を含む最外層または第二の層が１〜３０原子％の範
囲でＳｉ及び／またはＹを含有することを特徴とする被
覆硬質工具。 - 【請求項５】 請求項４記載の被覆硬質工具において、
酸素を含有し、かつ、Ｓｉ及び／またはＹを含有する最
外層がアモルファス相を形成していることを特徴とする
被覆硬質工具。 - 【請求項６】 請求項５記載の被覆硬質工具において、
最外層が実質的にＡｌＯからなることを特徴とする被覆
硬質工具。 - 【請求項７】 請求項６記載の被覆硬質工具において、
最外層のＡｌＯがアモルファス相であることを特徴とす
る被覆硬質工具。 - 【請求項８】 請求項６乃至７記載の被覆硬質工具にお
いて、最外層のＡｌＯ層中のＡｌの１〜３０原子％をＳ
ｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｂの１種または２種以上に置換したこと
を特徴とする被覆硬質工具。 - 【請求項９】 前記請求項１乃至８記載の被覆硬質工具
において、炭化物及び／または窒化物からなる第一の層
の厚さが１０〜２００ｍｍであり、酸素を含有する第二
層の厚さが１〜１０ｍｍであることを特徴とする被覆硬
質工具。 - 【請求項１０】 請求項２乃至８記載の被覆硬質工具に
おいて、酸素を含む最外層の厚さが０．０２〜５μｍで
あることを特徴とする被覆硬質工具。 - 【請求項１１】 請求項１乃至１０記載の被覆硬質工具
において、基体と前記積層硬質層の間に２〜１０００ｍ
ｍの厚さを有するＴｉＣＮあるいはＴｉ、ＴｉＡｌ合金
もしくは第３成分を加えたＴｉＡｌ合金層を介在させた
ことを特徴とする被覆硬質工具。 - 【請求項１２】 請求項１乃至１１記載の被覆硬質工具
において、第一の層及び第二の層の積層部分の、表面側
を蜜とし基体側に向って粗となるようにしたことを特徴
とする被覆硬質工具。 - 【請求項１３】 請求項１乃至１２記載の被覆硬質工具
において、積層する第二の層中の酸素含有量を最外層に
向って漸次高くなるようにしたことを特徴とする被覆硬
質工具。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8495598A JP3001849B2 (ja) | 1998-03-16 | 1998-03-16 | 被覆硬質工具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8495598A JP3001849B2 (ja) | 1998-03-16 | 1998-03-16 | 被覆硬質工具 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11264066A true JPH11264066A (ja) | 1999-09-28 |
| JP3001849B2 JP3001849B2 (ja) | 2000-01-24 |
Family
ID=13845068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8495598A Expired - Fee Related JP3001849B2 (ja) | 1998-03-16 | 1998-03-16 | 被覆硬質工具 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3001849B2 (ja) |
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001157910A (ja) * | 1999-12-02 | 2001-06-12 | Nachi Fujikoshi Corp | 高速高精度ブローチ加工方法 |
| EP1132498A1 (en) * | 2000-03-09 | 2001-09-12 | METAPLAS IONON Oberflächenveredelungstechnik GmbH | Hard layer coated parts |
| JP2004306237A (ja) * | 2003-04-10 | 2004-11-04 | Hitachi Tool Engineering Ltd | 被覆粗加工用エンドミル |
| JP2004306216A (ja) * | 2003-04-09 | 2004-11-04 | Hitachi Tool Engineering Ltd | 被覆超硬エンドミル |
| JP2004337989A (ja) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Hitachi Tool Engineering Ltd | 被覆ハイス工具 |
| JP2006281362A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Kyocera Corp | 表面被覆部材および切削工具 |
| WO2008041402A1 (fr) * | 2006-10-02 | 2008-04-10 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | outil de découpe d'un revêtement de surface |
| JP2008290163A (ja) * | 2007-05-22 | 2008-12-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 被膜、切削工具および被膜の製造方法 |
| JP2009125914A (ja) * | 2007-11-28 | 2009-06-11 | Kyocera Corp | 表面被覆工具 |
| JP2009197263A (ja) * | 2008-02-20 | 2009-09-03 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械 |
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| WO2024029363A1 (ja) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 日本特殊陶業株式会社 | 被覆基材 |
| WO2024029362A1 (ja) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 日本特殊陶業株式会社 | 被覆基材 |
-
1998
- 1998-03-16 JP JP8495598A patent/JP3001849B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPWO2016031714A1 (ja) * | 2014-08-29 | 2017-07-06 | 住友電気工業株式会社 | 焼結体、焼結体を用いた工具、および焼結体の製造方法 |
| EP3187476A4 (en) * | 2014-08-29 | 2018-03-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Sintered body, tool using sintered body, and sintered body production method |
| US10029948B2 (en) | 2014-08-29 | 2018-07-24 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Sintered material, tool including sintered material, and sintered material production method |
| US10501377B2 (en) | 2014-08-29 | 2019-12-10 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Sintered material, tool including sintered material, and sintered material production method |
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| WO2024029363A1 (ja) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 日本特殊陶業株式会社 | 被覆基材 |
| WO2024029362A1 (ja) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 日本特殊陶業株式会社 | 被覆基材 |
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|---|---|
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