WO1991005074A1 - Surface-coated hard member having excellent abrasion resistance - Google Patents

Description

明 細 書

耐摩耗性に優れた表面被覆硬質部材

技術分野

本発明 は、 各種の基材の表面、 特に切削工具や耐摩ェ 具等の硬質部材の表面に硬質被覆層を設け、 耐摩耗性を 改善向上さ せた表面被覆硬質部材に関する。

背景技術

切削工具ゃ耐摩工具をは じめ、 各種の耐摩部品等の硬 質部材は、 一般に炭化タ ン グ ス テ ン （ WC) 基等の超硬合 金、 炭化チ タ ン （TiC)系等の各種サ 一 メ ッ ト 、 並びに髙 速度鐧等の鋼や硬質合金で構成さ れてい る。

かかる硬質部材の耐摩耗性を改善向上 さ せる ために、 その表面に、 硬質被覆層 と して P V D法や C V D法に よ り Ti, Hf, Zrの炭化物、 窒化物又は炭窒化物、 若 し く は A1の酸化物を単層に又は複層 に形成 した表面被覆硬質部 材が開発 さ れ、 最近では広 く 実用 に供 さ れてい る。

しか し、 上記の表面被覆硬質部材において も耐摩耗性 が充分と は云い難 く 、 特に エ ン ド ミ ルやス ロ ー ァ ウ ェ イ チ ッ プ等の切削工具ゃ耐摩工具と しては、 摩耗性によ り 早期に寿命に至 っ ていた。 ·

本発明 はかかる従来の事情に鑑み、 従来よ り も優れた 耐摩耗性を有 し、 特に切削工具ゃ耐摩工具と して好適な、 表面被覆硬質部材を提供する こ と を目的 と してな さ れた も のであ る。 発明の開示

すなわち、 本発明の表面被覆硬質部材は、 基材、 特に 硬質部材か らな る基材の表面に、 H f と A 1の合金の炭化物、 窒化物及び炭窒化物の う ちの少な く と も 1 種か らな る層 厚 0. 5 〜 1 の硬質被覆層を有する こ と を特徵とす ο

尚、 硬質被覆層 は基材の全表面に設けて も良い し、 耐 摩耗性を要する部分の表面にのみ設けて も良い。 又、 硬 質被覆層の形成方法と しては、 スパ ッ タ リ ン グ法、 ィ ォ ンプ レ ーテ ィ ン グ法、 C V D法等の従来公知の方法を使 用 出来る。

従来か ら硬質被覆層 と して用 い られていた H fの炭化物、 窒化物及び炭窒化物は、 T iの炭化物、 窒化物及び炭窒化 物と 同様に、 基材であ る硬質部材と の付着強度が高 く 且 つ耐酸化性に も優れてい る が、 高温硬度及び耐摩耗性は さ ほ ど高 く ない こ とが知 られてい る。 又、 Mの炭化物、 窒化物及び炭窒化物は、 基材と の付着強度、 耐酸化性、 硬度において H f又は T iの炭化物、 窒化物及び炭窒化物よ り やや劣 っ てい る。

然る に、 硬質部材に対する各種の硬質被覆層 につ いて 耐摩耗性や付着強度等の研究を行な っ た結果、 H f と A 1の 合金の炭化物、 窒化物及び炭窒化物は、 H f単独の炭化物、 窒化物及び炭窒化物に比べて結晶粒が微細化さ れ、 耐摩 耗性が大幅に改善さ れる こ とが見い出 さ れた。 又、 こ-の 硬質被覆層を有する表面被覆硬質部材を切削工具ゃ耐摩 工具と して高速切削を行な う と、 刃先の温度上昇によ り 極めて髙ぃ高温硬度を もつ A1₂0₃ が生成する為高速切削 において も耐摩耗性が低下 しない こ と が判っ た。

Hf と A1の合金の炭化物、 窒化物及び炭窒化物か ら な る 硬質被覆層は、 単層であ っ て も複層であ っ て も良いが、 層厚が 0. 5 M m 未満では耐摩耗性の向上が殆ど見 られず、 又 1 0 m を超え る と層中の残留応力が大き く な り 、 付 着強度が低下する ので層厚を 0. 5 〜 1 0 u m 好ま し く は 0. 5 〜 8 ju m の範囲とする。

しか し、 Hf と A1の合金の炭化物、 窒化物及び炭窒化物 か らな る硬質被覆層 は、 基材と の付着強度及び耐酸化性 の点で、 Hfや Tiの炭化物、 窒化物及び炭窒化物よ り も や や劣 っ てい る。

そ こで、 硬質被覆層 と基材と の間に、 Hf又は Tiの炭化 物、 窒化物及び炭窒化物の う ちの少な く と も 1 種か ら な る付着強化層を基材表面に直接形成すれば、 基材への硬 質被覆層の付着強度を大幅に向上さ せる こ と が出来る。 こ の場合、 付着強化層の層厚が 0. 5 μ m 未満では付着強 度の向上が見 られず、 逆に 5 / ra を超えて も付着強度が 更に向上する こ と は無い。

又、 高温での耐酸化性が要求さ れる場合に も、 上記の 硬質被覆層の表面に、 Hf又は Tiの炭化物、 窒化物及び炭 窒化物の う ちの少な く と も 1 種か ら な る表面層を形成す る こ と によ っ て、 高温において優れた耐酸化性が得 られ 且つ耐摩耗性 も 向上する。 こ の表面層の層厚が 0. 5 tx m 未満では耐酸化性の向上が殆ど認め られず、 又 2 X m を 超えて も耐酸化性の向上は見 られな く な る。

尚、 硬質被覆層、 付着強化層及び表面層の各被覆層の 形成は、 P V D法や C V D法等の従来公知の方法を利用 出来る が、 ス ノ、。 ッ タ リ ン グ法、 イ オ ン プ レ ーテ ィ ン グ法 等の P V D法が基材の強度を容易に維持でき る点で好ま しい o

実施例 1

基材と して、 組成が J I S 規格 P 3 0 (具体的に は WC -20wt¾TiC-10wt¾Co) . 形状が J I S S N G 4 3 2 の 超硬合金製切削チ ッ プを用意 し、 その表面に下記の如 く 真空ア ー ク 放電を用 いたイ オ ンプ レーテ ィ ング法によ り 下記第 1 表に示す被覆層を形成 して本発明例の表面被覆 切削チ ッ プ試料と した。

即ち、 成膜装置内に上記切削チ ッ プと、 タ ーゲ ッ ト と して Ti, Hf, HfAl又は Hf ₃Al を配置 し、 成膜装置内を真 空度 1 X 1 0 — ²torrの Arガス雰囲気に保持 し、 切削チ ッ プに ー 2 Q 0 0 V の電圧をかけて洗'净を行ない、 5 0 0 で まで加熱 した後、 Arガスを排気 した。 次に、 成膜装置 内に Ν₂ガス と CH₄ ガス の一方又は両方を 3 0 O cc Zmin の割合で導入 しなが ら、 真空アー ク 放電によ り 上記のタ ーゲ ッ 卜を蒸発、 イ オ ン化さ せる こ と によ り 、 切削チ ッ プ表面に第 1 表に示す各被覆層を形成 した。

又、 比較のために上記と 同一の成膜装置を使用 して真 空ア ー ク 放電を用 いたイ オ ン プ レ ー テ ィ ン グ法によ り 、 同 じ組成と形状の切削チ ッ プの表面に TiC 、 TiN 、 TiCN を単独又は組合せてな る被覆層を形成する こ と によ り 、 下記第 1 表に示す従来例の表面被覆切削チ ッ プ試料を製 し 。

1 各被覆層の組成と層厚 （ im)

試料

付着強化層 硬質 被覆 層 表 面 層

1 HfAIN (4.0)

2 HfAlCN (4.5)

3 Hf₃AlC (3.5)

4 Hf₃AlN (4.0)

5 HfAlNQ.0)+HfAlCN(2.0)

+ HfAlC(l.0)

6 Hf₃AlN(l.0)+HfAlC(2.5)

+ Hf₃AlC(l.0)

7 TiN (1.5) HfAlC (3.5)

8 TiCN (2.0) HfAlCN (3.2)

9 HfN (1.5) HfaAIN (2.8)

10 TiC (1.5) Hf₃AlCN (3.0)

11 HfCN (1.8) HfAlCN (3.2)

12 HfC (2.0) HfaAlC (2.8)

1 I πd TiN (2.0) HfAIN (3.2) TiN (2.5)

14 TiCN (2.3) HfAlCN (3.6) HfN (1.8)

15 HfN (2.0) Hf₃AlC (3.5) HfC (2.0)

16 TiC (2.0) Hf₃AlCN (3.0) TiCN (1.8)

17 HfC (2.2) HfAlC (3.2) HfCN (1.5)

18 HfCN (1.8) Hf₃AlN (3.5) TiC (1.2)

19 TiN (1.0) HfAlNCl.0)+HfAlCN(2.0) TiCN (1.2)

+ HfAl Cl.0)

20 HfCN (1.0) HfaAlNQ.0)+HfAlC(2,5) HfC (1.0)

+ Hf₃AlCU(l.0)

21* TiC (3.0)

22* TiN (5.0)

23* TiCN (4.0)

24* TiN (1.0) TiCN (2.0) TiN (1.0)

(註） 表中の *印は従来例である （以下同じ） 次に、 上記の如 く 製造 した各表面被覆切削チ ッ プ試料 について、 下記第 2 表に示す条件によ る連続切削試験と 断続切削試験を行ない、 前者について は切刃の逃げ面摩 耗輻及びす く い面摩耗性深さ を測定 し且つ摩耗性状態を 観察 し、 後者については送 り 限界を測定 した。 第 2 表 切 削 条 件

上記の各切削試験の結果を第 3 表に示す

3 逃げ面摩耗幅 すくい面摩耗深さ 被覆層の摩耗 送り限界¾科

(mm) 態 (mm/rev. )

1 0.16 34 若干剝雜 0.40

2 0.15 40 〃 0.35

3 0.15 42 〃 0.40

4 0.14 30 〃 0.40

5 0.12 33 〃 0.40

6 0.11 32 0.40

7 0.11 35 正常摩耗 0.45

8 0.12 38 0.40

9 0.13 32 〃 0.45

10 0.12 30 〃 0.45

11 0.11 31 〃 0.40

12 0.12 34 〃 0.45

13 0.09 30 0.30

14 0.08 28 〃 0.35

15 0.08 26 〃 0.40

16 0.09 26 // 0.40

17 0.08 26 // 0.35

18 0.07 28 // 0.45

19 0.07 25 〃 0.45

20 0.06 28 〃 0.45

21* 0.36 80 剝離 0.35

22* 0.34 60 〃 0.45

23* 0.31 75 〃 0.40

24* 0.29 60 正常摩耗 0.45 上記の結果か ら、 本発明例の表面被覆切削チ ッ プ試料 1 〜 '2 0 は、 連続切削及び断続切削の両方において従来 の表面被覆切削チ ッ プ試料 2 1 〜 2 4 よ り も優れた耐摩 耗性を有 し、 靱性も維持さ れ刃先の耐欠損性 も優れてい る こ と が判る。 特に試料 ？ 〜 2 0 は硬質被覆層が基材と 髙ぃ付着強度を有 し、 試料 1 3 〜 2 0 は表面層の高い耐 酸化性によ り 耐摩耗性が一層向上 してい る。

実施例 2

基材と して、 組成が J I S 規格 P 3 0 (具体的に は WC -20wt¾TiC-10wt¾Co). 形状が同 S N G 4 3 2 の超硬合 金製切削チ ッ プを用意 し、 その表面に下記の如 く 真空ァ — ク 放電を用 いたイ オ ンプ レ ーテ ィ ン グ法によ り 第 4 表 の硬質被覆層を形成 した。

即 ち、 成膜装置内に、 上記切削チ ッ プと、 タ —ゲ ッ ト と して HfAlと Hf ₃A1 を装着 した。 こ の状態で成膜装置内 を真空度 1 X 1 0 _²torrの Arガス雰囲気に保ち、 切削チ ッ プに 一 2 0 0 0 V の電圧をかけて洗淨を行ない、 500 t ま で加熱 した後、 Arガスを排気 した。 次に、 成膜装置 内に N₂ガス と Cih ガス の片方又は両方を 3 0 0 cc / ra i n の割合で導入 し、 真空ア ー ク 放電によ り タ ーゲ ッ ト の Hf A1又は Hf ₃A1 を蒸発、 イ オ ン化 さ せる こ と によ り 、 切削 チ ッ プ表面に硬質被覆層を形成 し、 下記第 4 表に示す各 被覆切削チ ッ プ試料を製造 した。

得 られた硬質被覆層を有する各被覆切削チ ッ プ試料に ついて、 実施例 1 と 同一の条件によ る連続切削試験 （刃 先の逃げ面摩耗性幅及びす く い面摩耗深さ を測定） と断 続切削試験 （送 り 限界を測定） を行い、 結果を下記第 4 表に併せて表示 した。

：被覆切明削チプッ

硬質 被 覆層 の 組成 と 層 厚 逃げ面摩耗 すく い面 送り限界 試 料 摩耗深さ

内 曆 （ju m ) 中間層 （ m ) 層 （ju m ) (mm) 、mm/rev)

25 な し な し HfAlC (4) 0.14 40 0.35 本

26 〃 〃 Hf ₃MCN (4) 0.14 40 0.40

27 HfAlN (1) HfAlCN (2) HfAlN (1) 0.14 37 0.45

28 Hf₃AlN (2) Hf₃AlCN (2) HfaAIN (1) 0.12 28 0.45

29 Hf₃AlN (1) Hf₃AlCN (1) Hf₃AlCN (2) 0.11 30 0.45

幅

上記結果か ら、 本発明の切削チ ッ プ試料は、 従来例の 被覆切削チ ッ プ試料に比べて、 連続切削では従来例よ り 優れた耐摩耗性を示 し、 しかも断続切削では従来例 と同 等の靱性を示 し、 切削工具と して優れた性能を備えてい る こ とが判る。

産業上の利用可能性

本発明 によれば、 新 しい硬質被覆層を有する こ と によ つ て、 従来よ り も優れた耐摩耗性を有する表面被覆硬質 部材を提供する こ とができ る。

従っ て、 特に本発明の表面被覆硬質部材を切削工具や 耐摩工具と して使用 した場合、 長期に亘つ て良好な切削 性能を維持する こ とができ る。

Claims

請 求 の 範 囲

(1) 基材の表面に、 ハ フ ニ ウ ム と 了 ル ミ 二 ゥ ム の炭化物、 窒化物又は炭窒化物の う ちの 1 種か ら な る単層の、 若 し く は 2 層以上か ら な る複層の硬質被覆層を設けた こ と を特徴とする耐摩耗性に優れた表面被覆硬質部材。

(2) 硬質部材か らな る基材の表面に、 H f と A 1の合金の炭 化物、 窒化物及び炭窒化物の う ちの少な く と も 1 種か らな る層厚 0. 5 〜 1 の硬質被覆層を有する こ と を特徴とする耐摩耗性に優れた表面被覆硬質部材。

(3) 上記硬質被覆層 と基材と の間.に、 基材表面に直接形 成さ れた、 H f又は T iの炭化物、 窒化物及び炭窒化物の う ちの少な く と も 1 種か らな る層厚 0. 5 〜 5 m の付 着強化層を.有する こ と を特徴—とする、 請求項（1)記載の 耐摩耗性に優れた表面被覆硬質部材。

(4) 上記硬質被覆層の表面に、 H f又は T iの炭化物、 窒化 物及び炭窒化物の う ちの少な く と も 1 種か ら な る層厚 0. 5 〜 2 / m の表面層を有する こ と を特徴とする 、 請 求項（1)又は（2)記載の耐摩耗性に優れた表面被覆硬質部 材。