JPS5824502B2 - 被覆超硬質合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐摩耗性にすぐれた薄い被覆層を有する切削用
および耐摩耗部品用の超硬質合金製品に関する。

従来、超硬質合金製品の耐摩耗性を向上させる目的で、
その使用面に炭化チタン、窒化チタンなどの周期率表４
ａ、５ａ、６ａ族金属の各種炭化物、窒化物、炭窒化物
およびあるいは酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムの
単層または複層を被覆することは公知であり、切削用ス
ローアウェイチップとして被覆超硬質合金製品は広く実
用化されている。

被覆物質としてもつとも広く用いられているのは炭化チ
タンであり、超硬質合金自体と比べ耐酸化性、潤滑性、
鉄との親和力、硬度において切削工具としてすぐれた物
性を具備している１しかしながら炭化チタン被覆の超硬
質合金は耐逃げ面摩耗においてはすぐれた性能を発揮す
るが反面すくい面における耐摩耗性が充分でなくこれが
原因となって限界寿命が短かくなる欠点があった。

同様に炭化ジルコニウム、炭化ハフニウムも切削工具と
してすぐれた物性を具備しているものの炭化チタンと同
様にすくい面における耐摩耗性が充分でない欠点を有し
ていた。

この欠点を除く手段として表面に酸化アルミニウムを被
覆することが考えられるが、超硬質合金あるいは炭化チ
タン等被覆層の上に酸化アルミニウムを被覆するときは
後述の如く両者間の親和性が弱く、強固な結合力かえら
れないという不都合を生じ実用的でない。

本発明者はこの点の改善につき研究の結果Ｔｉ。

Ｚｒ ｔＨｆの炭化物、窒化物、炭窒化物の被覆層の上
に該被覆層中の金属原子、すなわちＴｊ。

Ｚ ｒ ｔ Ｈｆの酸化物と、アルミニウムの酸化物の
固溶体を被覆し、その上に酸化アルミニウムを被覆する
ことによって前記欠点を解消し、耐すくい面摩耗のすぐ
れた被覆超硬質合金を得ることに成功した。

酸化アルミニウムは従来からセラミック工具の主成分と
して用いられているように、切削工具材料として優れた
特性を有している。

その特長は高温における化学的安定性、被削材との耐反
応性、耐塑性変形性が優れているため、特に切刃が高温
となる高速切削において良い性能を示す。

又すくい面摩耗は熱による反応が主体となるので、セラ
ミック工具においてはすくい面摩耗は極くわずかである
。

この様にすぐれた酸化アルミニウムもこれを超硬質合金
に直接被覆する場合は問題が多い。

その一つは炭化物と金属とより成る超硬質合金に比較し
てあまりに異質なものを被覆するため、超硬質合金と酸
化アルミニウムの間の結合力が弱く、また境界付近に脱
炭層や酸化層等の脆化層を生じ易いことである。

また超硬質合金と酸化アルミニウムの熱膨張係数の差に
よって、気相蒸着後の冷却時に被覆層にクラックを生じ
易い。

このため直接基体に酸化アルミニウムを被覆する場合、
その基体は比較的酸化アルミニウムに近い熱膨張係数を
有するＴｉＣ，ＴａＣを多く含む超硬質合金に限定され
るという欠点を有する。

これらの欠点を除くために、酸化アルミニウムを直接被
覆せず、炭化チタン、窒化チタンをバリヤーとして被覆
して、その上に酸化アルミニウムを被覆することも行わ
れている。

しかし本発明者の実験によると、これらも充分な効果が
あるとはいえず、特に耐摩耗性を高めるため酸化アルミ
ニウムを厚く（４〜５μ）被覆した場合、酸化アルミニ
ウムは結晶成長し易いため、表面の結晶粒子が粗くなる
ことも加わって、付着強度が弱く、簡単に切削中に剥離
する傾向が見られた。

またこれを防ぐため、炭化チタン、窒化チタンの表面を
酸化させると、青色のもろいＴｉＯ２を主成分とする酸
化物層が主成して、その上に酸化アルミニウムを被覆し
た場合、酸化アルミニウムの結晶は粒成長し易く、かつ
切削した場合、そのもろい酸化物層から剥離する傾向が
見られ効果がなかった。

しかるに本発明により、下層の金属原子の酸化物とアル
ミニウム酸化物の固溶体を中間に介在させると上述の欠
点を解消して酸化アルミニウムの高い耐摩耗性を生かす
ことができる理想的な結合層かえられるのである。

すなわち下層の炭化物、窒化物、炭窒化物と最上層の酸
化アルミニウムの両方の金属原子を含む酸化物であるた
め、両者との親和性にすぐれ、よい付着強度を有するも
のである。

酸化物としての構造は特に限定されないが、介在層とし
ても強度は必要であるため、結晶質のものが望ましい。

すなわち、Ｔｉ 、Ｚｒ ｔ Ｈｆの酸化物は一般的に
やわらかく、強度も低いため、硬度の高いα酸化アルミ
ニウムのコランダム型結晶構造が良い。

固溶の割合はどの様でも効果は上るが、先に述べたコラ
ンダム型の結晶構造を取るためには酸化アルミニウムの
割合が５０モル係を越えた方が良い。

この様にして得られた多重層被覆超硬質合金は各層の長
所を生かした高い耐摩耗性を有するものである。

すなわち下層のＴｉｔＺｒ。Ｈｆの炭化物、窒化物、炭
窒化物の耐摩耗性を最；上層の酸化アルミニウムで更に
伸ばし、かつ中間層の存在により、強固に酸化アルミニ
ウムが付着しているため、剥離、チッピング等を生じ難
く、靭性の優れた被覆層となるのである。

以下実施例をもって説明する。

実施例 １ 超硬質合金Ｐ−３０（ＷＣ−８０％、Ｃｏ１０％、Ｔｉ
Ｃ８％、Ｔａｃ２％）を基体として下記の条件によりＴ
ｉＣをコーティングした。

すなわちＨ２９６容量チ ＴｉＣＡ４ ２ ｔｔＣＨ４２ｔ
ｔ 反応温度 １０５０℃ 反応時間 ２時間 以上の条件の下でコーティングした後、Ｈ２ガスで残留
ガスを除去し、次の条件でチタン・アルミニウム酸化物
をコーティングした。

Ｈ２９３容量チ ＴｉＣ７４１ｔｔ ＡＩｌｃｊｌｓ ３ ｔｔＣＯ
２３ｔｔ 反応温度 １０００℃ 〃時間 １時間 その後、残留ガスを除去し、下記の条件によりＡｌ２Ｏ
３をコーティングした。

Ｈ２９３容量係 ＡｌＩＣ１３３ｔｔ ＣＯ２４ｔｔ 反応温度 １０００８Ｃ 〃時間 １時間 得られたコーテッド超硬質合金は、下から順にＴｉＣ６
μｓ （Ｔ ｓ −Ａｌ ） ２０３１μｔＡ７２０３
２μの３層の構造によって被覆されていた。

実施例 ２ 実施例１と同様に超硬質合金にＴｉＣをコーテイングし
た後下記の条件で（Ｚｒ、ＡＡ）２０３をコーティング
した。

Ｈ２９３容量チ ＺｒＣｌ４ １ 〃 ＡｌＣｌ３ ３ 〃 ＣＯ２３ｔｔ 反応温度 １０５０８Ｃ 〃時間 ２時間 その後残留ガスを除去し、実施例１と同様にして酸化ア
ルミニウムを被覆した。

得られた３重層コーティング超硬質合金は下から順にＴ
ｉＣ６μ。

（Ｚｒ 、Ａ１１）２０３１ ／’ ｔ ＡＪＬ、０３
２ Ｐの２重被覆層を有していた。

実施例 ３ 実施例１と同じ超硬質合金基体に下記条件によりＮ Ｔ
ｌＣＮをコーティングした。

すなわちＨ２９０容量係 ＴｉＣ７４２ｔｔ ＣＨ，１／／ Ｎ２ ７ 〃 反応温度 １０５０°Ｃ 〃時間 ２時間 その後反応ガスを除去し、実施例１と同様にして、（Ｔ
Ｉ 、Ａｌｌ ）２０３ 、Ａｌ２Ｏ３をコーティング
した。

得られた３重被覆層は下からＴ ｉ Ｃｏ、３Ｎ０．７
６μ、 （Ｔｉ−Ａ７）２０３１μ、Ａ１２０３２μで
あった。

実施例 ４ 実施例１と同様にしてＴｉＣを６μコーテイングした後
、下記条件により、（Ｔｉ 、Ａ、６）Ｏｘをコーティ
ングした。

Ｈ２９４容量チ ＴｉＣｌ４ ２ ｔｔＡＩＣｌｓ
２ ｔｔＣＯ２２〃 反応温度 ９５０℃ 〃 時間 １時間 得られたコーティング層はＴｉ、ｌｌ’、０の固溶体で
明確な結晶構造を有しないものであった。

その後実施例１と同様にしてＡｌ２Ｏ３をコーティング
した。

得られた３重被覆層は下からＴｉＣ６μ。Ｔｉ、Ａ１．
０の固溶体１μｔ Ａ１２０３２μであった。

実施例 ５ 実施例１〜４で得られた被覆超硬質合金の切削試験を行
った。

切削例 １ 鋳鉄（ＦＣ−２５ＨＢ１８０） 切削速度 ｖ＝２００１ｎＡｉＩｔ送りｆ＝０．２腐〆
ｒｅｖ切込み ｔ＝１．５ｍｍ 本発明品は大幅な寿命延長が得られた。

切削例 ２ 合金鋼 ＳＮＣＭ−８ＨＢ ２２０ ｖ＝１８０ｍ／ｍ ｆ＝０．４５ｍｍ／ｒｅｖ ｔ
＝１．５ｍｍ鋼切削においても大幅な寿命延長が得られ
た。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周期率表４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、炭
   窒化物の１種以上と、Ｆｅ、Ｎｉ、ｃｏ。 Ｗ、Ｍｏ 、Ｃｒの１種以上とよりなる超硬質合金を基
   体とし、その表面に最下層としてＮ Ｔｌ 、ＺｒＨｆ
   の炭化物、窒化物、炭窒化物の１種又は２種以上を、中
   間層としてＴ ｔ 、Ｚｒ 、Ｈｆの酸化物とアルミ−
   、ニラみ酸化物の固溶体を最上層として、α一酸化アル
   ミニウムを被覆したことを特徴とする被覆超硬質合金。