JPH11350111A - 超硬質膜被覆工具部材 - Google Patents
超硬質膜被覆工具部材Info
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- JPH11350111A JPH11350111A JP15758598A JP15758598A JPH11350111A JP H11350111 A JPH11350111 A JP H11350111A JP 15758598 A JP15758598 A JP 15758598A JP 15758598 A JP15758598 A JP 15758598A JP H11350111 A JPH11350111 A JP H11350111A
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Abstract
された被覆工具部材は、耐酸化性および耐溶着性に劣
り、特に切削工具のような刃先が高温および高負荷とな
る過酷な条件で使用されることから、使用領域において
は耐酸化性,耐熱性,耐熱衝撃性,耐溶着性,耐久性性
が大幅に低下するという課題がある。 【解決手段】 基材の表面に、1層の単層または2層以
上の複層でなる硬質膜を被覆した被覆工具部材におい
て、該硬質膜は、少なくとも1層がLaおよび/または
Ceの元素を含む複合炭化物,複合窒化物または複合炭
窒化物を含有する超硬質膜である超硬質膜被覆工具部
材。
Description
鋼に代表される各種の鋼材,超硬合金,サーメット,セ
ラミックス焼結体などの基材の表面にLaおよび/また
はCeの元素を含有する硬質膜を被覆させた超硬質膜被
覆工具部材に関し、具体的には、スローアウェイチッ
プ,ドリル,エンドミルに代表される切削工具、型工
具,スリッター,ノズルに代表される耐摩耗工具などの
工具として最適な超硬質膜被覆工具部材に関するもので
ある。
有の硬質膜の膜質は、Tiの窒化物,炭窒化物,炭化
物,TiとAlとの複合窒化物,複合炭窒化物,複合炭
酸化物,複合窒酸化物である(Ti,Al)N,(Ti,
Al)CN,(Ti,Al)CO,(Ti,Al)NOな
どが代表例として挙げられる。これらの硬質膜の硬さ
は、TiC>TiCN≧(Ti,Al)N>TiNの順
であり、硬質膜が高硬度になるほどアブレッシブ摩耗に
優れるため、工具刃先での逃げ面摩耗を抑制する傾向に
ある。一方、硬質膜の耐酸化性や耐溶着性は(Ti,A
l)N>TiN>TiCN>TiCの順に優れるため、
この順番に工具刃先でのすくい面の反応拡散によるクレ
ーター摩耗が減少する傾向にある。従って、これらの硬
質膜を被覆した工具の耐摩耗性は、被削材や切削条件に
よって異なり、硬質膜の膜質によって一長一短がある。
の硬質膜を被覆した工具は、用途による膜質,膜厚さの
選定、さらにこれらを組合せた多層膜とすることにより
長寿命とすることが検討されている。また、これらのT
i元素含有の硬質膜にZr,Hf,V,Crなどの耐熱
性金属元素やB,O,Siなどの非金属元素を固溶含有
させた改良膜が多数提案されているが、膜の硬さ、耐酸
化性、耐溶着性などを同時に改善し、結果として工具の
寿命を向上させることが困難であるという問題がある。
これらの代表的なものに、特公平5−9511号公報、
特公平4−53642号公報および特開平8−1993
40号公報がある。
案している先行技術の内、特公平5−9511号公報に
は超硬合金あるいはサーメットの表面にTiとZrとの
複合炭化物,複合窒化物,複合炭窒化物の2種以上の複層
からなる0.5〜10μmの硬質膜を蒸着した耐摩耗性
に優れた表面被覆切削工具が記載されている。同公報に
記載の硬質膜は、Tiの炭化物,窒化物,炭窒化物にZr
を固溶させることにより、硬さと耐酸化性,耐溶着性の
改善による耐摩耗性の向上を狙ったものであるが、改善
効果が低く、かつ耐熱性や耐酸化性に対しては殆ど改善
されていないために、高速切削や難削材加工には効果を
発揮できないという問題がある。
超硬合金あるいはサーメットの表面にTiとAlとの複
合炭化物固溶体,複合窒化物固溶体,複合炭窒化物固溶体
の中の1種の単層または2種以上の複層からなる0.5
〜10μmの硬質膜を蒸着してなる耐摩耗性に優れた表
面被覆切削工具が記載されている。同公報に記載の硬質
膜は、基本的には、TiNにAlを固溶させて(Ti,
Al)Nとすることにより、TiNの硬さと共に耐酸化
性,耐溶着性も改善したもので、種々の切削条件で長寿
命を発揮できる。しかし、TiCにはAlが固溶しない
ために高硬度の複合炭化物固溶体は形成されず、またT
iNへのAlの固溶量には限界があるために高耐酸化性
の複合窒化物固溶体も形成され難いなど、TiCより高
硬度で耐酸化性,耐溶着性に優れた硬質膜を得ることが
困難であるという問題がある。
はTiに対して30〜70原子%のAlを含有させた複
合炭化物,複合窒化物,複合炭窒化物にCa,Dy,N
d,Ce,Srの1種以上(Rと表示)を20原子%ま
で固溶させた多元系硬質膜の被覆硬質合金が記載されて
いる。同公報に記載の(Ti,Al,R)C,(Ti,A
l,R)N ,(Ti,Al,R)CN系硬質膜は、アル
カリ土類元素と希土類元素の一部を固溶させることによ
り、Ti−Al含有化合物の硬質膜の改善を図ったもの
であるが、固溶による硬度上昇は僅かであり、固溶量が
多いと他化合物が生成析出して膜が変質し易いという問
題がある。
ので、具体的には、基材の表面に被覆する硬質膜の中に
硬質膜の耐酸化性および耐溶着性を向上させて、かつ硬
度を高める元素を含有させることにより工具として、特
に切削工具のような高温および高負荷という過酷な条件
に対しても長寿命の効果が顕著となる超硬質膜被覆工具
部材の提供を目的とするものである。
り、耐酸化性,耐溶着性を保持しつつ、硬さを大幅に向
上させ、改善させ得るTi元素含有の硬質膜について検
討していた所、硬質膜にLa元素および/またはCe元
素を固溶させると耐酸化性,耐溶着性および高硬度性が
向上すること、特にTi化合物にLa元素および/また
はCe元素を固溶させると効果が高く、さらに最も高硬
度のTiCにLaおよび/またはCeを固溶させるこ
と、TiCにAlとLaおよび/またはCeを固溶させ
ることが顕著に硬さを向上させると共に、耐酸化性,耐
溶着性も大幅に改善できるという知見を得て本発明を完
成するに至ったものである。
表面に、1層の単層または2層以上の複層でなる硬質膜
を被覆した被覆工具部材であって、該硬質膜の少なくと
も1層がLaおよび/またはCeの元素を含む複合炭化
物,複合窒化物または複合炭窒化物の超硬質膜であるこ
とを特徴とするものである。
おける基材は、被膜を被覆するときに加熱する温度に耐
えることができる金属部材,焼結合金またはセラミック
ス焼結体でなり、具体的には、例えばステンレス鋼,耐
熱合金,高速度鋼,ダイス鋼,Ti合金,Al合金に代
表される金属部材、超硬合金,サ−メット,粉末ハイス
の焼結合金、Al2O3系焼結体,Si3N4系焼結
体,サイアロン系焼結体,ZrO 2系焼結体のセラミッ
クス焼結体を挙げることができる。これらのうち、低速
切削条件や低負荷条件などの軽切削工具として実用する
場合には、高速度鋼や粉末ハイスの基材が好ましく、逆
に高速切削条件や高負荷条件などの重切削工具として実
用する場合には、超硬合金,窒素含有TiC系サ−メッ
トもしくはセラミックス焼結体の基材が好ましい。
Niを主成分とする結合相を4〜15重量%と、残りが
炭化タングステンを主成分とする硬質相とを含む超硬合
金の基材からなる場合には、超硬質膜の特性を最大に発
揮させることが容易になること、切削工具および耐摩耗
工具としての効果も顕著になることから好ましいことで
ある。この超硬合金における結合相は、具体的には、C
o,Ni,Co−Ni合金,Co−Cr合金,Ni−C
r合金,Co−Ni−Cr合金,Co−V合金,Co−
Cr−V合金,Ni−V合金,NiーCrーV合金,C
o−W合金,CoーCr−W合金などを代表例として挙
げることができる。また、超硬合金における硬質相は、
具体的には、炭化タングステン,炭化タングステンと周
期律表の4a,5a,6a族元素の炭化物,炭窒化物お
よびこれらの相互固溶体の中の少なくとも1種の立方晶
構造の化合物とからなる場合を代表例として挙げること
ができる。
は、Laおよび/またはCeの元素を含む複合炭化物,
複合窒化物または複合炭窒化物の超硬質膜の少なくとも
1層からなる場合、この超硬質膜の少なくとも1層と従
来の金属層および金属化合物層の中の少なくとも1層と
からなる積層でなる場合、この超硬質膜の成分と従来の
被膜としての金属成分および金属化合物成分の1種以上
との混合層を挙げることができる。金属層または金属成
分としては、具体的には、例えば、Ti,Zr,W,C
rの中の少なくとも1層でなる場合を挙げることがで
き、金属化合物層または金属化合物成分としては、具体
的には、例えば、周期律表の4a,5a,6a族元素,
Al,Siの中の少なくとも1種の炭化物,窒化物,酸
化物,炭窒化物,炭酸化物,窒酸化物,炭窒酸化物から
なる1種の単層または2種以上の多層でなる場合を挙げ
ることができる。
する状態に超硬質膜を被覆することもできるが、超硬質
膜と金属層および/または金属化合物層との積層にする
と基材と硬質膜との密着性を高めることができることか
ら好ましいことである。積層の構成としては、高速度
鋼,ダイス鋼に代表される鋼材,Al合金,Ti合金ま
たはセラミックス焼結体の基材からなる場合には、基材
表面に金属層またはTiの炭化物,窒化物,炭窒化物の
金属化合物層の中の少なくとも1種の単層または多層を
隣接被覆させ、この金属層および/または金属化合物層
の表面に超硬質膜を被覆させることが基材と硬質膜との
密着性の関係から好ましいことである。特に、超硬合金
またはサーメットの基材からなる場合には、基材に隣接
して形成される下地層がTi,炭化チタン,窒化チタ
ン,炭窒化チタン,炭酸化チタン,窒酸化チタン,炭窒
酸化チタンの中の1種の単層または2種以上の多層でな
り、この下地層に隣接して超硬質膜が形成されることが
基材と硬質膜との密着性および硬質膜の特性から好まし
いことである。
体的には、例えば、(La,X)C,(La,X)N,
(La,X)CN,(Ce,X)C,(Ce,X)N,
(Ce,X)CN,(La,Ce,X)C,(La,Ce,
X)N,(La,Ce,X)CN,のうちの1種の単層ま
たは2種以上の多層でなる場合を挙げることができる。
(ただし、Xは、周期律表の4a,5a,6a,8族の
元素,Alに代表される金属元素またはB,Siに代表
される半金属元素を表わす)この超硬質膜は、X=Ti
でなる場合またはX=Ti+Alでなる場合には超硬質
膜中のLaおよび/またはCeの固溶量が多くなり、そ
の結果高硬度性,耐酸化性および耐溶着性の改善が顕著
となることから好ましいことである。
合には膜厚さが平均0.3〜10μmとすることが好ま
しく、この超硬質膜と他に従来の被膜とからなる積層と
する硬質膜の場合には、膜厚さが平均0.3〜20μm
からなることが好ましいことである。特に、ドリルやエ
ンドミルに代表される回転切削工具または断続切削工具
として用いる場合には、超硬質膜の平均厚さが0.3〜
5μm、硬質膜の平均厚さが0.3〜10μmからなる
ことが好ましいことである。
Ma)(C1−x,Nx)yの式で表わせる複合炭化物も
しくは複合炭窒化物の1種の単層または2種以上の複層
からなる場合には硬さが高く、好ましいことである。
( ただし、式中の符号は、MがLaおよび/またはC
eの元素を表わし、a,x,yがそれぞれ原子比で、
0.001≦a≦0.1, 0≦x≦0.7, 0.7
≦y≦1.1を満足する)さらに、この超硬質膜は、
(Ti1−a−b,Ma,Alb)(C1−x,Nx)yの
式で表わせる複合炭化物もしくは複合炭窒化物の1種の
単層または2種以上の複層からなる場合には硬さが高
く、耐酸化性,耐熱性,耐溶着性,高温の耐摩耗性に優
れることから好ましいことである。( ただし、式中の
符号は、MがLaおよび/またはCeの元素を表わし、
a,b,x,yがそれぞれ原子比で、0.001≦a≦
0.1,0<b≦0.5,0≦x≦0.7,0.7≦y
≦1.1を満足する)
わすaは、0.001未満ではMの固溶による硬さと耐
酸化性,耐溶着性の改善効果が少なく、0.1を超えて
多くなると固溶限界を超えるために低硬度のLa,Ce
の化合物が析出される。また、非金属元素中の窒素原子
比を表わすxは、0.7を超えて多くなると硬さの低下
およびLa,Ceの化合物として析出される。さらに、
金属元素に対する非金属元素の原子比を表わすyは、
0.7未満では硬さの低下が著しく、1.1を超えて多
くなると化学的な結合限界を超えて遊離炭素などが析出
される。特に、Al元素を含有する場合には、金属元素
中のAl原子比を表わすbは、0.5を超えて多くなる
と固溶限界を超えて低硬度の窒化アルミニウムまたはL
a,Ceの化合物が析出されてくる。
基材を用いて、基材表面にイオンプレーティング法,ア
ークイオンプレーティング法,スパッター法,イオンミキ
シング法など種々の物理蒸着法により超硬質膜を直接被
覆すること、または基材表面に物理蒸着法,化学蒸着
法,プラズマ化学蒸着法により従来の被膜を被覆した
後、この被膜上に上述の超硬質膜を積層すること、さら
には基材表面に従来の被膜により超硬質膜を挟持する状
態に積層するなどとして作製することができる。
が金属炭化物,金属窒化物,金属炭窒化物に固溶し、特
に炭化チタンに固溶して、例えば(Ti,La)C,
(TiCe)Cの固溶体を形成することにより、硬さ,
耐酸化性,耐熱性および耐溶着性を高める作用をし、こ
の固溶体を超硬質被膜として基材表面に被覆することに
より、耐摩耗性を改善する作用をし、これらの超硬質膜
の特性と基材の表面に被覆したことがシナジー効果とな
って、特に切削工具のような高温で過酷な条件に対する
耐摩耗性,耐酸化性,耐熱性,耐塑性変形性,耐欠損
性,耐溶着性,耐熱衝撃性などの諸特性を向上させる作
用となり、これら全体から工具としての耐久性および寿
命を顕著に高める効果を発揮しているものである。
TaC−8%Co(重量%)の組成からなるISO規格で
SNGN120408形状の超硬チップを使用し、この
基材をアークイオンプレーティング装置の反応容器内に
配置して1×10−4〜3×10−5Paの真空とし
た。その後、基材を500℃に加熱し、反応容器内にA
rガスを導入しながら−1000Vのバイアス電圧を印
加することにより、基材表面を十分に洗浄した後、脱気
を行った。次いで、表1に示したターゲット組成,ガス成
分と流量,バイアス電圧,処理時間の組み合わせ条件によ
り順次アーク放電させ、基材表面に超硬質膜を含む硬質
膜を蒸着することにより、本発明品1〜5を得た。比較
として、超硬質膜を除いて、その他は表2に示したよう
に本発明品と同様にして従来の被膜からなる硬質膜を被
覆した比較品1〜5を得た。
5は、基材に隣接して被覆した硬質膜の層を第1層と
し、積層の硬質膜の場合には、第1層の表面に第2層,
第3層として順次被覆したものである。こうして得た本
発明品1〜5および比較品1〜5における硬質膜の成分
組成,膜の平均厚さ,および膜の平均硬さを求めて、そ
れらの結果を表3および表4に示した。
を用いて、被削材:S48Cの丸棒,切削速度:200
m/min,送り:0.3mm/rev,切り込み:
2.0mm,切削時間:30minの条件で乾式の連続
旋削試験を行い、チップ刃先での逃げ面の最大摩耗量と
すくい面のクレーター深さを測定し、その結果を表5に
示した。また、被削材:S48Cの4本溝入り丸棒,切
削速度:100m/min,送り:0.15mm/re
v,切り込み:3.0mm,切削時間:20minの条
件で乾式の断続旋削試験を行い、チップ刃先での逃げ面
の最大摩耗量とすくい面の膜剥離状態を観察し、結果を
表5に併記した。
表面に被覆される硬質膜中に微量のLaおよび/または
Ce元素を含有した超硬質膜の層を形成させることによ
り、硬質膜の特性が顕著に向上すること、その中でも耐
熱性,鉄金属などとの耐溶着性および耐熱衝撃性に優れ
ること、常温および高温での硬さが高くなることなどに
より、この超硬質膜の特性と基材の特性とが相互効果を
発揮し、特に切削工具のような高温で過酷な条件に対す
る耐摩耗性,耐酸化性,耐熱性,耐塑性変形性,耐欠損
性,耐溶着性,耐熱衝撃性などの諸特性を向上させる効
果が顕著となること、これら全体から工具としての耐久
性および寿命を顕著に高める効果を有するものである。
Claims (10)
- 【請求項1】 基材の表面に、1層の単層または2層以
上の複層でなる硬質膜を被覆した被覆工具部材におい
て、該硬質膜は、少なくとも1層がLaおよび/または
Ceの元素を含む複合炭化物,複合窒化物または複合炭
窒化物を含有する超硬質膜である超硬質膜被覆工具部
材。 - 【請求項2】 上記基材は、Coおよび/またはNiを
主成分とする結合相を4〜15重量%と、残りが炭化タ
ングステンを主成分とする硬質相からなる超硬合金であ
る請求項1に記載の超硬質膜被覆工具部材。 - 【請求項3】 上記硬質膜は、上記基材に隣接して形成
される下地層と上記超硬質膜とを含み、該下地層がT
i,炭化チタン,窒化チタン,炭窒化チタン,炭酸化チ
タン,窒酸化チタン,炭窒酸化チタンの中の1種の単層
または2種以上の多層からなり、該超硬質膜が該下地層
に隣接して形成される請求項1または2に記載の超硬質
膜被覆工具部材。 - 【請求項4】 上記超硬質膜は、膜厚さが平均0.3〜
10μmからなり、上記硬質膜は、膜厚さが平均0.3
〜20μmからなる請求項1〜3のうちのいずれか1項
に記載の超硬質膜被覆工具部材。 - 【請求項5】 上記超硬質膜は、Ti元素とLaおよび
/またはCeとでなる複合炭化物,複合窒化物および複
合炭窒化物の中の1種の単層または2種以上の複層であ
る請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載の超硬質膜
被覆工具部材。 - 【請求項6】 上記超硬質膜は、次式(A)で表わせる
複合炭化物または複合炭窒化物からなる請求項1〜4の
うちのいずれか1項に記載の超硬質膜被覆工具部材。 (Ti1−a,Ma)(C1−x,Nx)y−−−(A) ( ただし、式中の符号は、MがLaおよび/またはC
eの元素を表わし、a,x,yがそれぞれ原子比で、
0.001≦a≦0.1, 0≦x≦0.7,0.7≦
y≦1.1を満足する) - 【請求項7】 上記超硬質膜は、Ti元素とAl元素と
Laおよび/またはCeとでなる複合炭化物,複合窒化
物および複合炭窒化物の中の1種の単層または2種以上
の複層である請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載
の超硬質膜被覆工具部材。 - 【請求項8】 上記超硬質膜は、次式(B)で表わせる
複合炭化物または複合炭窒化物からなる請求項1〜4の
うちのいずれか1項に記載の超硬質膜被覆工具部材。 (Ti1−a−b,Ma,Alb)(C1−x,Nx)y−−−(B) (ただし、式中の符号は、MがLaおよび/またはCe
の元素を表わし、a,b,x,yがそれぞれ原子比で、
0.001≦a≦0.1,0<b≦0.5,0≦x≦
0.7,0.7≦y≦1.1を満足する) - 【請求項9】 上記被覆工具部材は、切削工具として用
いられる請求項1〜8のうちのいずれか1項に記載の超
硬質膜被覆工具部材。 - 【請求項10】 上記切削工具は、ドリルまたはエンド
ミルである請求項9に記載の超硬質膜被覆工具部材。
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JP15758598A JP4129653B2 (ja) | 1998-06-05 | 1998-06-05 | 超硬質膜被覆工具部材 |
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