JPS61201778A - 被覆超硬合金 - Google Patents

被覆超硬合金

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JPS61201778A
JPS61201778A JP4169085A JP4169085A JPS61201778A JP S61201778 A JPS61201778 A JP S61201778A JP 4169085 A JP4169085 A JP 4169085A JP 4169085 A JP4169085 A JP 4169085A JP S61201778 A JPS61201778 A JP S61201778A
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JP
Japan
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coating film
zirconium oxide
hard alloy
coated
cemented carbide
Prior art date
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Pending
Application number
JP4169085A
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English (en)
Inventor
Masaaki Tobioka
正明 飛岡
Minoru Nakano
稔 中野
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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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】 〔技術分野〕 本発明は切削工具等に使用される極めて、強靭な被覆超
硬合金を提供することにある。
〔技術背景〕
超硬合金母材の表面に、炭化チタンなどの薄膜を気相よ
り蒸着被覆した被覆超硬合金は母材の強靭性と、表面の
耐摩耗性をあわせもつため、従来の被覆しない超硬合金
に比べ、より高能率な切削工具として広く実用に供して
いる。
最近になって、この被覆超硬合金の被覆膜として酸化ア
ルミニウムを用いた被覆超硬合金も開発されている。酸
化アルミニウムは炭化チタンに比べ、被削材たる鋼との
反応性、耐酸化性、等が優れているため、従来の炭化チ
タンを被覆した被覆超硬合金よりも、より高速度で切削
加工が可能であるという特徴を持つ。
しかしながら酸化アルミニウムは、炭化チタンに比べる
と強度が劣るため、酸化アルミニウムを被覆した被覆超
硬合金は、従来の炭化チタン被覆超硬合金に比べ、靭性
が欠けるという、欠点を有していた。
一方、工業界における能率向上への要求は日ましに高ま
るばかりであり、切削加工に関しても、能率向上、即ち
加工時間短縮に関する要求をよ、非常に高い。切削加工
において、加工時間を短縮するには、渓りを大きくする
か、切削速度を速くするかであるが、仕上げ面粗度を考
慮すると、送りには、おのずと上限が存在するため、切
削速度をいかに速くするかが焦点となる。高速で切削す
ると、当然工具の刃先は極めて高温にさらされるため、
工具の寿命は主として1.工具と被削材との反応、およ
び酸化によって定まる。
従がって、高速に耐えうる切削工具としては、酸化アル
ミニウム被覆超硬合金が最も好ましく、かつ出来るだけ
酸化アルミニウム被覆膜の膜厚を厚くすることが望まし
い。しかしながら前述したごとく、酸化アルミニウム被
覆超硬合金は、靭性面に問題があるため被覆膜の膜厚を
厚くすることが出来なかった。そこで発明者等は高速で
切削加工が可能な被覆超硬合金をうるためには、酸化ア
ルミニウムの強度を向上させ靭性面の問題を解決させる
ことによって、被覆膜の厚膜化をはかることを考えた。
酸化アルミニウムの強度を上げる方法として炭化チタン
を30重量%程度添加することによって分散強化を図る
ことが良く知られている。
しかしながら炭化チタンは耐酸化性が酸化アルミニウム
に比べ劣るため、高速切削加工のように耐酸化性が大き
な問題となる用途では好ましくな5゛・       
                         
        70酸化ジルコニウムを酸化アルミニ
ウムに濃化すると、酸化ジルコニウムの相変態にともな
う体積膨張によるマイクロクラックが、大きなりラック
の伝播をおさえることから、靭性が改善されることが知
られている。
この場合酸化ジルコニウムの耐酸化性は酸化アルミニウ
ムとかわらないため、高速切削加工には最適と考えた。
この考え方にしたがって、発明者らは実際に超硬合金母
材に、化学蒸着法によって炭化チタンを3μ被覆したの
ち、やはり化学蒸着法によって酸化アルミニウムと酸化
ジルコニウムの混合物を3μ被覆してみた。
得られた試料を実際にテストするため以下の条件で、切
削テストを行なった。
切削条件〔1〕 被削材 50M485(HB= 28
0 )切削速度 800m/m 送       リ    0.40tl/rev切り
込み 1.511N 工具形状 SNMGI 20408ENUZホルダー 
PSBNR2525−48 以下Cと称す)では3分間切削して、フランク摩耗が0
.24fi、 クレータ−摩耗がQ、Q4ff、であっ
たのに比べ酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム被覆超
硬合金は摩耗の進行が著しく1分38秒間しか切削出来
なかった。そこでこのチップを詳しく調べてみた結果、
酸化ジルコニウムのほとんどすべてが、単斜晶の結晶構
造を有していることが判かった。酸化ジルコニウムの添
加による、酸化アルミニウムの靭性改善は酸化ジルコニ
ウムの結晶構造が正方晶から単斜晶へ相変態する際に生
ずる体積膨張にともなうマイクロクラックが、大きなり
ラックの伝播をおさえることによる。したがって、正方
晶の酸化ジルコニウムの存在が不可欠であることはいう
までもない。正方晶から単斜晶への相変態は1200℃
前後といわれているため、化学蒸着法で酸化ジルコニウ
ムと超硬合金母材に被覆する温度が一般に1000℃前
後であることを考えると被覆された酸化ジルコニウムは
すべて単斜晶系の結晶構造を持つことは十分に考えられ
る。
酸化ジルコニウムは酸化アルミニウムに比へ、硬さに劣
り、又鋼との反応性でも若干劣るため、単斜晶の酸化ジ
ルコニウムを酸化アルミニウムに添加しても靭性向上が
望めないため、このような短かい寿命となったものと考
えられる。そこで、単斜晶ではなく正方晶の酸化ジルコ
ニウムを被覆すれば良いわけであるから、被覆温度を1
200℃以上の高温とすることが考えられる。
しかしながら、1200℃以上の高温で被覆すると超硬
合金母材が変形する外、超硬合金母材から被覆膜へコバ
ルトが拡散することによって耐摩耗性が著しく劣化する
ため好ましくない。そのため、1000℃前後の被覆温
度で正方品の酸化ジルコニウムを被覆すれば良いのでは
ないかと考えた。
〔発明の開示〕
酸化ジルコニウムの正方・晶から単斜晶への相変態温度
は酸化ジルコニウムの粒径によって著しく変化すること
が知られている。
R,H,Hannink等によると(Advances
 in Cera −mics、 Vol、3. P1
16. American CeramicSocie
ty。
Inc、 1981年出版9酸化ジルコニウムの粒径が
90mμ以下であれば室温でも、正方品から単斜晶への
相変態は生じないとされている。又、単斜晶から正方晶
への相変態は酸化ジルコニウムの粒径が90mμであれ
ば800℃で完了するとされている。そこで化学蒸着法
によって炭化チタンを3μ被覆した超硬合金に900℃
で、塩化アルミニウム、塩化ジルコニウム、二酸化炭素
および水素の混合気流中より酸化アルミニウムと酸化ジ
ルコニウムを3μ析出させて調べたところ、正方晶系と
単斜晶系の酸化ジルコニウムが共存していた。又この試
料の破面を走査型電子顕微鏡(以下SEMと称す)で調
べたところ、該被覆族の酸化アルミ++ウムおよび酸化
ジルコニウムはいずれも非常に細かく平均粒度は0.5
μ以下であった。この試料で前述の切削条件〔1〕で切
削テストを行なったところ、3分間切削して;ランク摩
耗は0.2611ffであった。次に被覆膜の強度を調
べるため、以下の条件でテストを行なった。
切削条件〔2〕 被削材 S(M2B5(HB= 28
0 、100fl角)切削速度 200m/MIX 送      リ   0.1 2u/ を切り込み 
2.5ff 工具形状 SNMN120408 カッター DNF4160R 10分間切削して、本発明品はフランク摩耗が0.24
fflであったのに対し、前述の従来の酸化アルミニウ
ム被覆超硬合金Cは4分間切削し被覆族が剥離してしま
い、欠損した。以上のテストの結果、たしかに本発明に
よれば、被覆膜の靭性が向上することが判った。
以下限定理由につき説明する。
(イ)被覆膜の組成 本発明は酸化アルミニウムの靭性不足を酸化ジルコニウ
ムの添加によって改善するため、この二つは必須である
ことはいうまでもない。酸化ジルコニウムの量としては
4体積%以下では効果が乏しく50体積%以上では、耐
摩耗性が乏しくなり好ましくない。
(ロ)酸化シルコニウニの粒度 酸化ジルコニウムの粒度が、酸化ジルコニウムの正方晶
から単斜晶への相転移温度を大きく左右し、粒度が小さ
い程、転移温度が低くなることを利用した発明であるた
め酸化ジルコニウムの平均粒度は出来るだけ小さいほう
が好ましいことはいうまでもない。
発明者は種々の条件の下、酸化ジルコニウムを被覆した
結果平均粒度が0,5μ以下であればよいとの知見が得
られた。
(ハ)被覆膜の膜厚 0、1μ以下では、被覆効果が認められず100μ以上
では強度が低下するため好ましくない。
なお、本発明の実施方法としては化学蒸着法が最も一般
的である。化学蒸着法において、被覆物質の平均粒度を
小さくするには被覆温度を出来るだけ低くする、被覆膜
厚を出来るだけ薄くする等が考えられる。又より低温で
被覆が可能なプラズマCVD法、あるいはイオンブレー
ティング法なども好ましいことはいうまでもない。
本発明は、母材として超硬合金を上げているが、本発明
の要旨は、強靭な酸化アルミニウムを主成分とする被&
膜を提供することにあるため、母材として超硬合金以外
の材料、例えば鋼、セラミックス等を用いること、さら
に用途としては切削工具でも酸化アルミニウムの耐摩耗
性、耐熱性、絶縁性等を生かす用途においても、何等効
果にかわりがないことはいうまでも□ない。
以下実施例により本発明の詳細な説明する。
実施例l l50M−10超硬合金(型番5MNG120408E
NUZ )を母材とし、その表面1/CCVD法100
0℃で炭化チタンを3μ被覆した。
さらに同一温度で四塩化ジルコニウム、三塩化アルミニ
ウム二酸化炭素、水素の混合気流を10Torr流すこ
とによって酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの混合
物を3μ被覆した。この試料をAとする。次に全く同様
の工程で、炭化チタン3μ被覆したのち、Aと同じ条件
で酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの混合物を1μ
被覆したのち、再度炭化チタンを0.2μ被覆、する工
程を3回くりかえした。(最終的には炭化チタン0.2
μ酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの混合物(以下
セラミックスと称す)1μ、炭化チタン0.2μ、セラ
ミックスlμ、炭化チタン0.2μ、セラミックス1μ
、炭化チタン3μが超硬合金母材に被覆されたことにな
る。)この試料をBとする。
Aの試料の被覆膜の組成をオージェ分光分析装置で分析
したところ酸化アルミニウムが92体積%、酸化ジルコ
ニウムが8体積%であった。又、A。
Bの試料の破面をSEMで調べたところ、Aのセラミッ
クス膜は平均粒度が1.8μであったのに対回折線しか
得られなかったのに対し、Bからは正方晶と単斜晶の酸
化ジルコニウムの回折線が得られた。この両者と比較の
ため従来の被覆超硬合金C′とで以下の条件で切削テス
トを行なった。
切削条件〔3〕 被削 材 545C鍛造材(HB=2
30.80uX3001ff)切削速度 300m1m
M 送       リ     0.40朋/rev。
切り込み 1m5mM 工具形状 CNMGI 20408ENUGホルダー 
PCLNR2525−43 Aは、32本削れたのに対し、本発明の13は、69本
削れた。比較のためのCは48本削れた。
本発明の被覆膜の靭性を改良する効果が確められた。
実施例2 実施例1と同一母材、同一条件のもと、各種の被覆超硬
合金を作成した。その構造と、切削条件〔1〕で行なっ
にテスト結果を表−IK示す。(構造としCは、炭化チ
タンを3μ被覆したのち、セラミックスを3μ被覆した
) 表中、EFGが本発明品である。
表−1 しかしながら、切削条件〔2〕でテストを行うとE、F
、Gは10分間切削出来たのに対し、Dは被覆膜の剥離
のため5分24秒しか、又Hは摩耗のため7分48秒し
か切削出来なかった。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)超硬合金母材の表面に、気相より被覆膜を0.1
    μ〜100μの厚さで析出、蒸着させた被覆超硬合金に
    おいて、該被覆膜のうち、少なくとも1層が酸化アルミ
    ニウム50〜96体積%、酸化ジルコニウム4〜50体
    積%、残不可避不純物からなりかつ、酸化ジルコニウム
    の平均粒度が0.5μよりも小さいことを特徴とする被
    覆超硬合金。
JP4169085A 1985-03-01 1985-03-01 被覆超硬合金 Pending JPS61201778A (ja)

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