JPS5822374A - 表面被覆高速度鋼部材 - Google Patents

表面被覆高速度鋼部材

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JPS5822374A
JPS5822374A JP56119911A JP11991181A JPS5822374A JP S5822374 A JPS5822374 A JP S5822374A JP 56119911 A JP56119911 A JP 56119911A JP 11991181 A JP11991181 A JP 11991181A JP S5822374 A JPS5822374 A JP S5822374A
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昭雄 西山
Takeshi Abe
武志 阿部
Takeshi Itabane
板羽 健
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Mitsubishi Metal Corp
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Mitsubishi Metal Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02Pretreatment of the material to be coated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
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    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、硬質層と靭性のすぐれた金属Ti層との3
層以上の交互積層からなシ、かつすぐれた耐摩耗性を有
する表面被覆層を、高速度鋼基体表面に強い結合力で形
成してなる表面被覆高速度鋼部材に関するものである。
従来、高速゛変調基体表面に、炭化チタン(以下TiC
で示す)、窒化チタン(以下TiNで示す)、炭窒化チ
タン(以下T1CNで示す)、炭窒酸化チタン(以下T
iCN0  で示す)、および炭酸化チタン(以下Ti
C0で示す)からなる群(以下これらを総称してT1化
合物という)のうちの1種の単層または2種以上の複層
からなる層厚0.5〜10μmの硬質被覆層を形成した
ものからなる表面被覆高速度鋼部材が切削工具として使
用されている。
一般に、上記従来表面被覆高速度鋼部材の硬質被覆層は
、高速度鋼基体に施した熱処理効果が失われないように
するために、高速度鋼基体の焼戻し温度以下の比較的低
温度で通常の物理蒸着法によシ形成されている。しかし
ながら、物理蒸着法(プラズマ化学蒸着法も含む)によ
る低温での硬質被覆層形成の場合には、基体上に硬質被
覆層を厚く形成させても期待されるほどの耐摩耗性向上
がはかれないのが現状である。
この原因には種々の説があるが、物理蒸着法による低温
での処理では硬質被覆層が柱状晶構造になり易く、した
がって硬質被覆層の厚さを厚くすると、これは長く伸び
た柱状組織となって脆さが著しく増大し、かつ柱状組織
では柱状結晶間の結合力も弱いことと相まって、単に層
厚を厚くしても所望の耐摩耗性の向上は得られないもの
と考えられる。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、低温で
の処理が可能な物理蒸着法(プラズマ化学蒸着法も含む
)を利用して、基体との密着性にすぐれ、かつ耐摩耗性
にもすぐれた硬質被覆層を高速度鋼基体の表面に形成す
べく研究を行なった結果、1層の硬質層の厚さをできる
だけ薄くして柱状晶構造の発達を抑制するとともに、こ
の硬質層を2層以上形成し、一方少々くとも前記硬質層
間には、基体表面および硬質層との密着性にすぐれ、か
つ靭性に富んだ金属T1層を介在させて3層以上の複層
構造とし、全体的に所定の層厚をもった表面被覆層とす
ると、前記金属T1層のもつすぐれた靭性および層間結
合力によって、例えば切削時に働く強い応力に対してク
ッション効果が発揮され、この結果、苛酷な条件下での
こすり摩耗にも硬質層がチッピングすることが々くなり
、かつ各層の層厚は薄いが、2層以上の硬質層によって
すぐれた耐摩耗性が確保できるようになるという知見を
得たのである。
したがって、この発明は上記知見にもとづいてなされた
ものでちって、高速度鋼基体の表面に表面被覆層を形成
してなる表面被覆高速度鋼部材において、前記表面被覆
層を、T1化合物からなる層厚:0.2〜3μmの硬質
層2層以上と、少なくとも前記硬質層間に介在させた金
属T1からなる層厚:0.1〜1μmの金属層との3層
以上の交互積層で構成し、かつ全体層厚を2〜15μm
としたことに特徴を有するものである。
なお、この発明の表面被覆高速度鋼部材において、表面
被覆層がすぐれた耐摩耗性を示すのは、硬質層を物理蒸
着法によ多形成するに際しては、金属成分と反応ガス成
分とを気体プラズマ中あるいはプラズマの働きによシ基
体表面上で反応させることが行なわれるが、この場合金
属T1層があると、雰囲気や反応の不均一性ならびに反
応温度の影響などにより、あるいは雰囲気ガスや反応ガ
スの分子やイオンなどの侵入により、余分に、あるいは
偏在的に取シ込まれた窒素、酸素、あるいは炭素などが
、この金属T1層に吸収されて安定化し、この結果とし
て硬質層内の結晶結合力が強化されるようになるととも
に、硬質層と金属T1層との結合力も増大し、被覆層自
体がすぐれた耐摩耗性および耐チッピング性をもつよう
になるものと考えられる。
また、この発明の表面被覆高速度鋼部材における硬質層
、金属T1層、および被覆層全体の層厚をそれぞれ上記
のとおシに限定した理由を以下に説明する。
(a)硬質層 その層厚が0.2μm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3μmを越えて厚くする
と柱状晶構造の発達が現われて硬質層自体の強度が低下
するようになることから、その層厚を0.2〜3μmと
定めた。
(b)  金属T1層 その層厚が0.1μm未満では、硬質層自体の強度およ
び硬質層を構成する結晶相互の結合力を確保することが
できないばかりでなく、硬質層および基体表面との間に
強固々結合力を確保することができず、さらにクッショ
ン効果が不足して所望の耐チッピング性が得られず、一
方1μmを越えて厚くすると被覆層自体の耐摩耗性が低
下するようになることから、その層厚を0.1〜1μm
と定めた。
(c)被覆層 所望の耐摩耗性および耐チッピング性を得るためには最
低2μmの層厚が必要であるが、15μmを越えて厚く
すると被覆層自体が脆化するようになることから、被覆
層全体の層厚を2〜15μmと定めた。
さらに、この発明の表面被覆高速度鋼部材における被覆
層は、通常の物理蒸着法や低温プラズマを利用する化学
蒸着法などの方法によって、高速度鋼の焼戻し温度以下
の反応温度で実施することによシ形成することができ、
しかもこの場合、硬質層を構成する層は組成的に連続し
て変化してもよく、かつ硬質層と金属T1層との交互積
層の形成は、よシ強固な相互接合強度を確実なものとす
るために同一装置内での連続的形成が望ましい。
つぎに、この発明の表面被覆高速度鋼部材を実施例によ
り比較例と対比しながら説明する。
実施例 1 高速度鋼基体としてJIS−8NP432に則しり形状
のJIS−3KH−9製スローアウエイチツプを用意し
た。
ついで、真空室内にTi保持部を設け、とのT1保持部
のT1に電子ビームをあて、蒸発するT1と導入ガスを
プラズマ中に通過させる方式のイオンブレーティング装
置を使用し、これにまずArを導入して前記チップの表
面をプラズマエツチングして洗浄し、ついでArをN2
+ CH4+Arの混合ガスに代えて導入し、加熱温度
:450℃で反応させて、T1CNからなる層厚:4μ
mの硬質層を形成した(この結果得られた表面被覆スロ
ーアウェイチップを以下・比較被覆チップという)。
一方、上記T1CNからなる硬質層の層厚を1゛ μm
とする以外は上記比較被覆チップの製造条件と同一の条
件で被覆チップを製造した後、さらに前記硬質層の上に
、導入ガスをArに代えた状態で、層厚:0.5μmの
金属Ti層を形成し、引続いて同一条件でのN2+CH
4+Arの混合ガスとArの繰返し導入により、層厚が
1μmのT1CNからなる硬質層:2層と、層厚が0.
5μmの金属T1層−1層、すなわち全体で5層の交互
積層からなり、かつ全体層厚が4μmの表面被覆層を形
成することによって、本発明表面被覆スローアウェイチ
ップ(以下本発明被覆チップという)を製造した。
つぎに、この結果得られた本発明被覆チップ。
比較被覆チップ、および切削工具用超硬質合金部材とし
て用意した金属T1層およびT iCN層のない上記ス
ローアウェイチップ(以下無被覆チップという)につい
て、J Is −N 11 R−44型ホルダを用い、
被削材: S45 C(硬さ:HB190)の丸棒。
切削速度:20 TrL/mm 、送り’ ”−11m
/reV、、切削油:使用の条件で外径切削試験を行な
い、前記各チップの逃げ面摩耗がo、3gに至るまでの
切削時間を測定すると共に、表面被覆層の摩耗状態を観
察した。この結果を第1表に示した。
第   1   表 第1表に示されるように、本発明被覆チップにおいては
異常摩耗が全く見られず、比較被覆チップの3倍、無被
覆チップの4.5倍のきわめて長い切削時間を示し、す
ぐれた切削性能を発揮することが明らかである。
実施例 2 高速度鋼基体として、実施例1で用意したものと同一の
スローアウェイチップを用い、これらのスローアウェイ
チップの表面に、実施例1で適用したイオンブレーティ
ング装置、真空容器内に装入したTlffターゲットを
所定の雰囲気中でスパッターするスパッタリング装置、
および反応容器内で発生させたプラズマ中に混合ガスを
流入させて化学反応を行なわせ、化学蒸着するプラズマ
化学蒸着装置のそれぞれを使用し、それぞれ第2表に示
される層厚のT1層並びに硬質被覆層を形成することに
よって、本発明被覆チップa−e、およU比較被覆チッ
プa ”−cをそれぞれ製造した。
なお、比較被覆チップaは金属T1層の形成がなく、T
iC”Nからなる硬質層:1層で被覆層が構成されたも
の、比較被覆チップbは第2層である金属T1層の層厚
が、この発明の範囲から高い方に外れた被覆層で構成さ
れたもの、さらに比較被覆チップCは第2層であるTi
Cからなる硬質層の層厚がこの発明の範囲から高い方に
外れた被覆層で構成されたものである。
ついで、上記本発明被覆チップa〜fおよび比較被覆チ
ップa −Cについて、実施例1におけると同一の条件
で外径旋削試験を行ない、チップの逃げ面摩耗が0.3
gに至るまでの切削時間を測定すると共に、被覆層の摩
耗状態を観察した。これらの結果を第2表に併せて示し
た。
第2表に示される結果から、比較被覆チップa〜Cに見
られるように、金属T1層の形成がなかったり、また金
属Ti層の形成があってもその層厚が厚すぎたり、さら
に硬質層の層厚が厚すぎたシした場合にも、切削時間は
極めて短いものとなシ、しかも表面被覆層が異常摩耗し
たり、また著しいチッピング摩耗によシ切削仕上面の悪
化をきたし、切削中止に至ることが明らかである。これ
に対して、本発明被覆チップa −= fは、いずれも
長い切削寿命を示し、かつ表面被覆層の摩耗状態も正常
なものであった。
実施例 3 高速度鋼基体として、実施例1および2で使用したのと
同一のスローアウェイチップを用意し、このスローアウ
ェイチップの表面に通常の被覆形成方法であるスパッタ
リング法を用い、それぞれ第3表に示される構成の積層
被覆層を形成することによって、本発明被覆チップA 
−Cおよび比較被覆チップAをそれぞれ製造した。
ついで、この結果得られた本発明被覆チップA〜Cおよ
び比較被覆チップAについて、実施例1におけると同一
の条件で外径旋削試験を行ない、同様にチップの逃げ面
摩耗が0.3 llに至るまでの切削時間を測定すると
ともに、被覆層の摩耗状態を観察した。この結果を第3
表に併せて示した。
第3表に示す結果から明らかなように、本発明被覆チッ
プA−Cは、表面被覆層が金属T1層とT1CNの硬質
層との2層から々シ、かつ前記硬質層の層厚がこの発明
の範囲から高い方に外れた比較被覆チップAに比して著
しく長い寿命時間を示し、かつ被覆層の摩耗状態も正常
なものであった。
上述のように、この発明の表面被覆高速度鋼部材は、そ
の表面被覆層が金属T1層と硬質層との3層以上の交互
積層からなシ、しかも硬質層間にはこれと強力に結合し
、かつ靭性のすぐれた金属T1層が少なくとも介在した
構成になっているので、例えば切削時に働く強い応力に
対してもクツシfン効果が作用して被覆層がチッピング
を起すことがなく、さらに硬質層の積層によってすぐれ
た耐摩耗性を確保することができるなど工業上有用な特
性を有するのである。
出願人  三菱金属株式会社 代理人  富  1) 和 夫

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 高速度鋼基体表面に、表面被覆層を形成してなる表面被
    覆高速度鋼部材において、前記表面被覆層を、Tiの炭
    化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物。 および炭窒酸化物のうちの1種または2種以上からなる
    層厚:0,2〜3μmの硬質層2層以上と、少なくとも
    前記硬質層間に介在させた金属T1からなる層厚:0.
    1〜1μmの金属層との3層以上の交互積層で構成し、
    かつ全体層厚を2〜15μmとしたことを特徴とする表
    面被覆高速度鋼部材。
JP56119911A 1981-07-30 1981-07-30 表面被覆高速度鋼部材 Granted JPS5822374A (ja)

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