JPS5952954B2 - 被覆超硬合金部材及びその製造法 - Google Patents

被覆超硬合金部材及びその製造法

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JPS5952954B2
JPS5952954B2 JP11112880A JP11112880A JPS5952954B2 JP S5952954 B2 JPS5952954 B2 JP S5952954B2 JP 11112880 A JP11112880 A JP 11112880A JP 11112880 A JP11112880 A JP 11112880A JP S5952954 B2 JPS5952954 B2 JP S5952954B2
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JP
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cemented carbide
coating layer
coated
coating
zro2
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直治 藤森
陽 土居
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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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
    • C23C16/22Chemical 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
    • C23C16/301AIII BV compounds, where A is Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は靭性と耐摩耗性を具備する被覆超硬合金工具(
以下コーティング工具という)及びその製造法に関する
超硬合金に硬質物質を被覆したコーティング工具は、特
に切削工具の分野では、超硬合金そのものより優れた性
能を有し、今や工具における主流的地位を築きつつある
特にAl。O、を最外層に使用したコーティング工具(
以下A1。O、コーティング工具という)はAl。O、
の持つ耐摩性及び耐溶着性の良さや熱伝導度の低さの為
、他の物質のコーティング工具に比しても一段と優れた
性能といえる。Al2O3は鉄系の被削材に対しては最
も優れた耐摩耗性を示す物質であることは従来より知ら
れていたが、Al。0。
単体の工具は靭性が乏しく断続や切り込み変動のある切
削においては欠損のおそれがあり、用途が限定されてい
た。Al。
O、コーティング工具は超硬合金という靭性の高い母材
を使用することにより、A1。O、単体の弱点を克服し
た工具といえる。しかし現在実現しているAl2O3コ
ーティング工具はわずか1〜2ミクロン以下というAl
。O、層の厚さである。このような薄い層ではAl。O
、単体に比して耐摩耗性が劣るのは無論である。又工具
刃先は切削時に900〜1100℃という高温になるが
、Al。O、は熱伝導が小さい為Al。O、層により熱
が遮蔽され母材が変形することが防がれるという特徴も
Al。O、が薄ければ’効果は小さいわけで、その点で
は一層厚いAl2O3コーティングが要求される。しか
し3ミクロン以上の厚さにするともともと靭性の劣る物
質であるので結局は工具全体として靭性が低くなり、使
用用途が限られてしまうことになる。本発明者等はAl
O、コーティング工具を靭性を損なうことなく耐摩耗性
を向上させる方法について種々検討した結果、Al。O
、層自体を改良することによつて靭性に富んだAl2O
3コーテイング工具を発明するに至つた。すなわち、本
発明は5〜30モル%のZrO2を含有し残部がAl2
O3よりなる厚さ1〜50μの被覆層を有することを特
徴とする被覆超硬合金部材に関する。
こ・でZrO2はその少なくとも一部が単斜晶(MOn
Oclinic)の結晶型を有することが望ましい。A
l2O3単体の靭性の改良法としてはZrO2を添加す
ると効果のあることが知られている(N.Clauss
en: 0J0uma10ftheAmericanC
eramicS0ciety″VOl.59,黒1−2
,P49−51)。
これによるとZrO2を適度に加えると強度を損なうこ
となくKlO(Crackintensityfact
Or)の値は80%以上を向上する。工具にとつては亀
裂の発生よりもむしろその進展の方が欠損に関しては支
配的と考えられ丸。したがつて、Kl。の向上は工具の
靭性の向上に役立つ筈である。しかし、超硬合金にAl
2O,とZrO2の混合体を被覆しても靭性の向上は全
く超らなかつたが、これは本発明者等の考察によると、
混合体のKl。
の向上が行なわれる原因と密接な関係がある。すなわち
、Al2O3−ZrO2混合体はZrO2が1000℃
〜400℃の範囲(Al2O3とZrO2の比率により
変態温度は変化する)で正方晶から単斜晶に変態して膨
張するため微小なクラツクがAl2O3粒子に多数発生
し、これが亀裂の進展時に応力の解放を行なうためにK
lCが向上する。したがつて、Al2O3−ZrO2混
合体の被覆層を形成した後、上述のような状態にさせる
工程は、Al2O3を主成分とする被覆層自体に靭性を
持たせる上で重要である。本発明において、Al,O,
−ZTO2混合体からなる被MiA]IOi?.HO,
比が特定の割合にあることが必要であ゛る゜。
h02の含有率が5モル%より少なければZrO2の添
加による靭性向上の効果は不充分であり、また30モル
%より多い場合は、Al2O3のみの被覆層に比して耐
摩耗性が著しく劣るため不適当である。ZrO2の含有
率は、被覆層の厚さと密接な関係をもつて決定されるが
、一般にはZrO2を9〜22モル%、特に10〜20
モル%の範囲とするのが本発明の効果を効果的に発揮さ
せる上で好ましい。本発明においては、Al2O3−Z
rO2混合体被覆層中のZrO,が変態していることが
重要である。
被覆層の最終的な形態としてはZrO2相は単斜晶(M
OnOclinic)となつていることが必要である。
しかし、一部のZrO2が正方晶(TetragOna
l)のま・で単斜晶になつていなくてもよいが、一般に
は70モル%以上が単斜晶であることが望ましい。本発
明の被覆層は、それ自体の靭性が高いことが特徴である
から、被覆層があまりに薄くて工具全体の靭性を損なわ
ないときは効果は少ない。したがつて、被覆層の厚さは
1μ以上とする。また被覆層の厚さがあまり大きすぎる
と、母材としての超硬合金の存在意義はなくなり、コー
テイング材料としての特徴が出せなくなるので50μよ
り大きい厚さは実用的ではない。しかも、被覆に長時間
を要することなどを考え合わせると工業的には3〜15
μの範囲が好ましい。本発明の被覆超硬合金部材を製造
するに当つて、所期の高性能を得るためには、まず、Z
rO2を正方晶で作つておき、これを単斜晶へと変態さ
せる。
したがつて、被覆はZrO2が正方晶となる温度以上で
あることを要する。本発明者等の詳細な検討結果による
と、通常工業的に採用されている化学蒸着法(CVD)
では、900℃以上、特に950℃以上の温度域で被覆
することが必要である。プラズマCVDのように、熱に
よる活性化だけでなく、イオン化による活性化を付与さ
せて蒸着する方法では、無機化合物被覆を形成させるた
めに必ずしもこのような高い温度を必要としないが正方
晶のZrO2が被覆処理時に蒸着されることが被覆処理
温度を決定する上で必須となる。この意味では通常の化
学蒸着法で必要かつ十分であり、製造コスト、設備コス
ト等を考慮すればこれが最も適している方法といえる。
このようにして、正方晶系のZrO2を含む被覆層を形
成した後、単斜晶系のZIO2に変態させるには、冷却
速度を十分に吟味する必要がある。1000℃〜400
℃の間の冷却を15℃/分以下の範囲にすると所期の構
造が得られる。
冷却速度が大きすぎると変態と熱歪により生じる引張応
力が重ね合わされ被覆層に亀裂が入り工具としては使い
ものにならなくなる。また工業的には冷却速度が遅すぎ
るのは経済的理由によつて適当でなく、通常2℃/分未
満の速度で冷却することは意味がない。本発明の被覆層
は超硬合金の上に直接に被覆しても、他の硬質物質を介
して被覆してもよいし、さらには本発明の被覆層を被覆
後、さらに他の物質を被覆してもよい。
通常超硬合金に被覆されるIVa,Va,VIa族元素
の炭化物、炭窒化物、窒化物等、例えばTi,Zr,H
f,V,Nb,Ta,Cr,MO,Wの炭化物、炭窒化
物、窒化物等は超硬合金との接着性が良く、しかも酸化
物との親和性も比較的良いので、超硬合金上にこれらの
物質の少なくとも一種を被覆した後、本発明の被覆をす
ることは好ましい手段である。また本発明の被覆を直接
超硬合金に適用する場合は、必要に応じて通常行われる
酸化、窒化、硼化等の表面処理を行なうこともできる。
なお超硬合金としてはWC一CO等の通常用いられる任
意のものが適用可能である。以下本発明を実施例により
さらに詳細に説明する。
以上の結果から本発明品は従来品に比べて耐摩性と靭性
の両方に優れていることがわかる。
実施例 3IS0P30超硬合金(形状:TNMG43
2ブレーカ一付)にTiC層を厚さ2μに公知のCVD
実施例 11SOP3O超硬合金(形状:SNG432
)を、公知のCVD装置中に入れ、AlCl35%、Z
rCl22%、CO2lO%、H283%の混合雰囲気
の中で1050℃、8時間の処理を行なつた。
900℃から400℃まで8℃/分の冷却速度で冷却し
た。
これを表面からX線回折を行なつたところα−Al2O
3および単斜晶のZrO2が観察された。またAl2O
3とZrO2の混合体粉末のX線回折の結果として比較
されたところ、ZrO2は12モル%含有されているこ
とが明らかとなつた。また層厚は断面観察の結果、8μ
であつた。実施例 2 実施例1で得られたチツプを用い以下の切削試験を行な
つた。
比較品との比較試験を行なつたところ下記の表2の結果
を得た。
実施例 4 IS0M10超硬合金(形状:TNMG432ブレーカ
一付)にTiN層を厚さ1μに公知のCVD法:により
被覆した後、実施例1と同じ方法でAl2O3−ZrO
2混合層の被覆を行なつた。
この場合、被覆時間を2〜巽時間変化させ、0.5〜4
5μの厚さの被覆層を得た。これを実施例3と同じ切削
試験に付し表5に示される結果を得た。実施例 5 IS0P30超硬合金(形状:SNG432)に実施例
1と同じ方法でAl2O3−ZrO2混合層を被覆した
た・゛し、この場合、冷却速度を900〜400℃を2
0℃/分とした。取出したチツプは、被覆層に亀裂が入
り工具としての使用には不適であつた。実施例 6IS
0M10超硬合金(形状:SNG432)を公知のCV
D装置に入れ、AlCl37%、ZrCl44%、CO
2l5%、H274%の雰囲気中でAl2O3−ZrO
2の混合層を被覆した。
たfし、この場合、温度は850℃で25時間を要して
4μの被覆層を得た。850℃から400℃までは10
℃/分の速度で冷却した。
このチツプをX線回折により調べたところα−Al2O
3と単斜晶ZrO2であつた。同様にして、900℃、
950℃、1000℃、1050℃で夫々22時間、1
5時間、8時間、4時間、被覆処理を行ない約4μの被
覆層を得た。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 5〜30モル%のZrO_2を含有し残部Al_2
    O_3よりなる1〜50μの被覆層を有することを特徴
    とする被覆超硬合金部材。 2 特許請求の範囲1において、該被覆層中のZrO_
    2の結晶型が単斜晶である被覆超硬合金部材。 3 特許請求の範囲1または2において、該被覆層がZ
    rO_2を10〜20モル%含有する被覆超硬合金部材
    。 4 特許請求の範囲1、2または3において、該被覆層
    は3〜15μである被覆超硬合金部材。 5 5〜30モル%のZrO_2を含有し残部Al_2
    O_3より成る1〜50μの被覆層を有する被覆超硬合
    金部材を製造するにあたり、該被覆層を被覆後1000
    ℃から400℃の温度域において15℃/分以下の冷却
    速度にて冷却することを特徴とする被覆超硬合金部材の
    製造法。 6 特許請求の範囲5において、該被覆層は化学蒸着法
    にて被覆する被覆超硬合金部材の製造法。 7 特許請求の範囲6において、該被覆層の被覆温度が
    950℃以上である被覆超硬合金部材の製造法。
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