JPS61270374A - 被覆超硬合金 - Google Patents

被覆超硬合金

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JPS61270374A
JPS61270374A JP11204185A JP11204185A JPS61270374A JP S61270374 A JPS61270374 A JP S61270374A JP 11204185 A JP11204185 A JP 11204185A JP 11204185 A JP11204185 A JP 11204185A JP S61270374 A JPS61270374 A JP S61270374A
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JP
Japan
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thickness
coating film
cemented carbide
base material
coated
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JP11204185A
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English (en)
Inventor
Minoru Nakano
稔 中野
Masaaki Tobioka
正明 飛岡
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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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】 (産業上の利用分野) 本発明は、靭性に富みかつ高速切削が可能表切削工具材
料として用い得る被覆超硬合金に関する。
(従来の技術) 周期律表■a、 va及び■a族遷移金属の1種以上と
、C、N及び0からなる群より選ばれた非金属元素の1
種以上を含有する化合物の1種以上とを、l1le、C
C、Ni、Or、Mo、W からなる群より選ばれた1
種以上の金属で結合した超硬合金を基材とし、その表面
に酸化アルミニウム、炭化チタン。
窒化チタン等からなる薄膜を1層もしくはそれ以上、厚
さ5〜10μ被覆してなる被覆超硬合金社、基材の強靭
性と、表面被覆層の耐摩耗性を兼ね備えた材質を持つも
のとして、従来の超硬合金切削工具材料にかわって広く
実用に供されている。
特に近時実業界においては、コストの軽減を追求するた
めもあって、高速切削に適した工具材料への関心が急激
に高まっており、被覆超硬合金においても、Tic!、
TiN等の被覆膜に始まり、より高速切削に適した酸化
アルミニウムを被覆したものへと移行しつつある。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、酸化アルミニウムを被覆してなる被覆超
硬合金は、その靭性、特に初期欠損に対する靭性が、炭
化チタンを被覆してなるものに比べ大巾に低下する。そ
こで炭化チタンの被覆膜厚が5〜15μであったのに対
し、酸化アルミニウムの被覆膜厚は1.0〜40μ程度
にとどまっていた。なお、被覆超硬合金の強度は、被覆
膜厚のは譬1/2乗に比例して低下することが知られて
おシ、被覆膜厚を厚くすると強度低下が著しくなる。
これは、酸化アルミニウムと炭化チタンの強度の差によ
るものと考えられ、従って酸化アルミニウムの強度を向
上させれば、−そうの耐摩耗性向上が図られるわけであ
る。本発明者らは、このような考えに基いて、従来よシ
耐摩耗性が向上した高速切削用工具材料として用い得る
被覆超硬合金を目的として、種々検討の結果、本発明に
到ったものである。
(問題点を解決するための手段) 酸化アルミニウムの強度向上を図る手段として、種々の
方法が知られている中で、最近特に注目をあびているの
は、酸化ジルコニウムを5〜15重量う添加し、酸化ア
ルミニウムの相変態に伴う容積変化によるマイクロクラ
ックによって、亀裂の進展速度を緩和する、いわゆるト
リップ型の強靭化である。
本発明者らはこのトリップ型強靭化を検討するため、実
際に公知の化学蒸着法に従い、酸化アルミニウムに10
重量%の酸化ジルコニウムを添加した被覆膜を作成し、
切削試験を行ったところ、極めて短かい寿命しか得られ
なかった。
この事実については、化学蒸着法は約1000℃の高温
で処理するため、被覆された酸化ジルコニウムは殆んど
高温和である正方晶であるが、冷却時に相変態を起し、
低温相である単斜晶となってしまったためによると考え
られる。通常は、高温相である正方晶を低温でも存在さ
せるための安定剤として、酸化イツトリウム、酸化カル
シウム等が添加される。
従来のトリップ型の強靭化機構は、酸化ジルコニウムの
正方晶から単斜晶への相変態に伴う容積変化を主因とす
るものであるため、当然得られた被覆膜中の酸化ジルコ
ニウムは殆んど単斜晶であったため、被覆超硬合金にお
いては期待した強靭効果が得られなかったと考えられる
そこで本発明は、正方晶に属する酸化ジルコニウムを添
加した酸化アルミニウム被覆膜を作成するととくよυ、
きわめて強靭な被覆超硬合金を得ようとするものである
すなわち本発明は超硬合金からなる基材と、該基材表面
に形成された被覆膜からなる被覆超硬合金において、該
被覆膜の厚さは2.0〜20μであり、該被覆膜は厚さ
2.0μ以下の酸化アルミニウム膜と厚さcL5μ以下
の酸化ジルコニウム膜を交互に積層してなる被覆超硬合
金である。さらに本発明は超硬合金からなる基材と、該
基材表面に形成された被覆膜からなる被覆超硬合金にお
いて、該被覆膜は上記基材と接する被覆内膜と該被覆内
膜上に形成した被覆外膜とからなり、上記被覆内膜はE
、 C、N及び0からなる群より選ばれる1種以上の非
金属元素とTiからなる化合物の1fii以上からなる
膜の1層以上からなり厚さIIL5〜10μでちゃ、上
記被覆外膜は厚さ2.0μ以下の酸化アルミニウム膜と
厚さくL5μ以下の酸化ジルコニウム膜を交互に積層し
てなる被覆超硬合金をも提供する。
また実上用の便宜のために上記した被覆超硬合金の最外
層に既使用刃の判別用として窒化チタンを11〜3.0
μ被覆した被覆超硬合金が特に好ましい実施態様のとし
て挙げられる。
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
、該酸化ジルコニウムの粒度に依存し1粒度が微細であ
るほど、相変態温度は低温化することが知られている。
一方、化学蒸着法において、酸化アルミニウム、酸化ジ
ルコニウム等の、基材表面における被覆膜構成元素の表
面拡散速度が膜生成を律速するような物質においては、
被覆膜生成が核生成よりは粒成長によることから、被覆
膜構成粒子の粒度は、はy該被覆膜の膜厚と同じである
ことが知られている。
従って、酸化ジルコニウムの粒度を微細にするためKは
、酸化ジルコニウムを含有する被覆膜の膜厚を、できる
だけ薄くすればよいことがわかる。
酸化アルミニウムに酸化ジルコニウムを添加する方法と
しては、化学蒸着法による酸化アルミニウムと酸化ジル
コニウムの共蒸着co−aepo””sit法が挙げら
れるが、被覆膜内における組成の変動、さらにはバッチ
内の各工具間の組成の変動が問題になることから、酸化
アルミニウムと酸化ジルコニウムの薄膜を交互に積層す
ることが、工業生産上好ましい。
本発明における酸化ジルコニウムの膜厚に関しては、本
発明が酸化ジルコニウムの粒度を小さくすることに基く
ため、できるだけ小さいことが好ましいが、本発明者ら
が広範囲に検討を重ねた結果、CL5μ以下であれば所
望の効果を得られることが判った。
本発明における酸化アルミニウムの膜厚に関しては、特
に本質的な問題はないが、その強度はベツチの式σ−σ
i 十B//” (B :定数2強度:σ。
σ1:摩擦抵抗、α:粒子径)からも判るように、粒度
が小さい方が高いため、当然小さい方が好ましい。本発
明者らが広範囲に検討したところでは、2.0μ以下が
好ましい。2.0μを越えると、該酸化アルミニウム薄
膜中の粒子径が大きくなシすぎ強度低下が犬になること
、酸化ジルコニウムの相対的な存在量が低下することか
ら、強靭化効果が得られない。
また本発明における被覆膜の膜厚は合計で2.0μ未満
では被覆効果が乏しく、20μを越えるといかに酸化ジ
ルコニウムの添加による強靭化が図られても、強度低下
がまぬがれないため、好ましくは102以上、20μ以
下である。
さらに酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの交互積層
被覆膜と、超硬合金基材との中間に、接着強度の向上を
図るためCL5〜10μの、TiとB、C!、N及び0
からなる群から選ばれる1種以上非金属元素からなる化
合物の1種以上からなる膜の1層以上を用いることも好
ましい。
該被覆内膜の膜厚はCL5μ以上10μ以下が好ましく
、CL5μ未満では効果が認められず、10μを越える
と効果が飽和してしまうからである。
さらに被覆最外層に、既使用切削切刃と未使用切削切刃
との識別を容品とするために、窒化チタンを0.1〜3
.0μ被覆しても本発明の効果に変わシはない。該窒化
チタンの膜厚は11μ未満では上記した識別効果が得ら
れず、3.0μを越えると効果が飽和するため好ましく
ない。
本発明において基材として用いられる超硬合金は、例え
ば周期律表R/l!L 、 Va及び■a族遷移金属の
1種以上と、C、N及び0からなる群より選ばれた非金
属元素の181以上を含有する化合物の1種以上とを、
FJOC、Ni、Or、Mo、W からなる群より選ば
れた1種以上の金属で結合した超硬合金を、挙げること
ができる。
(実施例) 実施例1 超硬合金工EiOM−10グレード、型番BNMG45
2zNz基材1. OOQケを、化学蒸着設備内に保持
し、水素気流中で1000℃まで加熱したのち水素、四
塩化チタン、メタン混合気流を20Torr  の圧力
で流し、炭化チタンを2.5μ被覆し、さらに、水素、
四塩化チタン、三塩化硼素。
窒素の混合気流を15 Torr の圧力で流し、硼窒
化チタンをl1lL5μ被覆した。化学蒸着設備内を1
1τorr  まで真空排気したのち、水素、三塩化ア
ルミニウム、二酸化炭素の混合気流を圧力10 Tor
r  で流し酸化アルミニウムを1.5μ被覆した。次
に水素、四塩化ジルコニウム、二酸化炭素の混合気流を
圧力10 Torr  で流し、酸化ジルコニウムをa
、Sμ被被覆た。以降、同様の操作を4回くシ返し、酸
化アルミニウム。
酸化ジルコニウムを交互にそれぞれ4層被覆した。しか
るのち化学蒸着設備を再びCL ’I Torrまで真
空排気したのち、水素、四塩化チタン。
窒素の混合気流を圧力60 Torr  で流し、窒化
チタンを1.5μ被覆した。
以上により得られた試料を取り出しX−線回折で被覆膜
中の酸化ジルコニウムの結晶形を調べ/′C,ところ、
殆んど正方晶であった。
この試料をAとし、比較のため酸化ジルコニウムの薄膜
の膜厚のみを1.aμとし、その他はAと全く同様に作
成した試料をB1市販の酸化アルミニウム被覆超硬合金
、但し酸化アルミニウムの膜厚が!、、0μのもの(住
友電気工業株式会社製、AOO5)を01酸化アルミニ
ウムの膜厚が1.0μのもの(同社製AC+10)をD
1炭イヒチタンを7.0μ被覆したもの(同社製AC7
20)をEとし、以下の切削テストを行なった。なおA
005.AOlo、AO720はこの1@に靭性に富み
強度が向上する一方、順耐摩耗性が減少する。
切削条件〔1〕  被削材  50M435(HB−2
80)切削速度  300g/l111n 送 、リ            0.36常票/re
v。
切シ込み  1.5mm ホルダー  PSBNR2525−43切削時間  1
0分間 Aは10分間切削してフランク摩耗が0.24■であっ
たのに対し、Bはフランク摩耗が0.46鱈、Cは5分
38秒、Dは2分15秒、Hは1分12秒しか切削出来
なかった。
切削条件〔2〕  被削材   90M455(ち=2
80)巾20目×長500M%板林 切削速度  1゜50@/m 3.n 送j)     0.36 W/reV。
切シ込み  2.0m ホルダー  PSBNR2525−45Aは5分間切削
してフランク摩耗がα22静であったのに対し、Bは1
分35秒、0は3分48秒、Dは4分48秒で欠損した
。又mはフランク摩耗が028鱈であった。
以上のテストの結果、本発明品がきわめて高速切削で優
れているにもかかわらず耐初期欠損に富むことが判る。
なおりの試料をX線回折で調べたところ、酸化ジルコニ
ウムの結晶形は、正方晶と単斜晶のものが混合している
ことが検出された。
実施例2 超硬合金工50M−10グレード、型番SNM()43
2EliNZを基材とし、実施例1とはソ同様の方法で
各種構造の被覆超硬合金を作成した。被覆膜の構造、な
らびに実施例1における切削条件1による切削テストの
結果を表−1に示す。膜厚合計1.8μの場合のFと2
1.0μの場合の工はいずれも42秒、49秒で使用で
きなくなった。
表−1より本発明品の優れていることが明らかである。
実施例3 実施例1のAとまったく同じ試料に、さらに化学蒸着法
によって窒化チタンをcL05μ被覆したものをU、0
.2μ被覆したものをV、t。
μ被覆したものをW、2.0μ被覆したものをX140
μ被覆したものをYとし、Aとff 、V 、W 、X
 、Yそれぞれ100チツプずつを、実際に生産現場に
投入し、切削を行なったのち、すべて回収をはかった。
各チップ中、欠損した切刃をのぞ亀へた全切刃中で、切
削を行なっていた切刃の比率はAが7&2%、■が7&
9%であったのに比べVは9Zf%、Wけ9a8%、X
は97.4%、Yは97.8%であった。
(発明の効果) 本発明の被覆超硬合金は、高速切削用工具として十分実
用できる、靭性、強度に優れたものである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)超硬合金からなる基材と、該基材表面に形成され
    た被覆膜からなる被覆超硬合金において、該被覆膜の厚
    さは2.0〜20μであり、該被覆膜は厚さ2.0μ以
    下の酸化アルミニウム膜と厚さ0.5μ以下の酸化ジル
    コニウム膜を交互に積層してなる被覆超硬合金。
  2. (2)超硬合金からなる基材と、該基材表面に形成され
    た被覆膜からなる被覆超硬合金において、該被覆膜は上
    記基材と接する被覆内膜と該被覆内膜上に形成した被覆
    外膜とからなり、上記被覆内膜はB、C、N及びOから
    なる群より選ばれる1種以上の非金属元素とTiからな
    る化合物の1種以上からなる膜の1層以上からなり厚さ
    0.5〜10μであり、上記被覆外膜は厚さ2.0μ以
    下の酸化アルミニウム膜と厚さ0.5μ以下の酸化ジル
    コニウム膜を交互に積層してなる被覆超硬合金。
  3. (3)被覆膜の最外層に、窒化チタンを0.1〜3.0
    μ被覆してなる特許請求の範囲の第(1)項又は第(2
    )項に記載される被覆超硬合金。
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