WO1991005075A1 - Element dur revêtu en surface pour outils de coupe et pour outils resistant a l'abrasion - Google Patents

Description

明 細 書

切削工具 · 耐摩工具用表面被覆硬質部材

技術分野

本発明 は、 切削工具又は耐摩工具の母材の表面に被覆 層を設け、 耐摩耗性を改善向上さ せた切削 · 耐摩工具用 表面被覆超硬部材に関する。

背景技術

従来、 切削工具ゃ耐摩工具は、 一般に炭化タ ン ダス テ ン （ WC) 等を基とする超硬合金、 炭化チ タ ン （ TiC)系等 の各種サ ーメ ッ ト 、 高速度工具鋼等の鐧ゃ硬質合金、 炭 化珪素ゃ窒化珪素等のセ ラ ミ ッ タ スか ら構成さ れてい る。

又、 これ ら切削工具ゃ耐摩工具の耐摩耗性を改善向上 さ せるため、 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。 特に P V D法によ り 形成 した硬質被覆層 は、 母材の 強度を劣化さ せずに耐摩耗性を向上 さ せる こ と が出来る ので、 ド リ ル、 エ ン ド ミ ル、 フ ラ イ ス切削用ス ロ ー ァ ゥ エ イ チ ッ プ等の強度の要求さ れる切削用途に適 してい る。

しか し、 P V D法が母材強度の劣化な し に硬質被覆層 を形成出来る点で C V D法よ り 優れてい る と は云え、 P V D法では A1の酸化物を安定 して形成する こ と が困難で あ る為、 P V D法で形成 した A1酸化物か らな る硬質被覆 層 は実用化に至 っ ていない。 又、 現在の P V D法で形成 でき る Ti， Hf, Zrの炭化物、 窒化物又は炭窒化物の硬質 被覆層は、 耐摩耗性が充分と は云い難 く 、 特に高速切削 においては耐摩耗性の不足によ り 早期に寿命に至る も の が多かっ た。

本発明 はかかる従来の事情に鑑み、 切削工具や耐摩ェ 具の母材強度を維持 しつつ、 同時に従来よ り も優れた耐 摩耗性を有 し、 特に高速切削における耐摩耗性に優れた 切削工具 · 耐摩工具用表面被覆硬質部材を提供する こ と を目的と して開発さ れた も のであ る。

発明の開示

上記の目的を達成するため、 本発明の切削 * 耐摩工具 用表面被覆超硬部材においては、 （1)切削工具又は耐摩ェ 具の母材の表面に、 組成が母材と の界面の TiN か ら母材 と反対側の外表面の TiAIN ま で段階的に又は連続的に変 化 した傾斜組成を有する被覆層を設け る か、 （2)切削工具 又は耐摩工具か らな る母材の表面に、 Zrと A1の組成比が 母材と の界面での Zrか ら母材と反対側の表面での ZrAlま で連続的又は段階的に変化 した、 Z — _KA ( 0 ≤ X ≤ 0. 5 ) の炭化物、 窒化物及び炭窒化物の少な く と も 1 種 か らな る層厚 0. 5 〜 1 O ju m の硬質被覆層を設け るか、 (3)切削工具又は耐摩工具の母材の表面に、 Hf と A1の組成 比が母材と の界面での Hfか ら母材と反对側の表面での Hf A1ま で連続的又は段階的に変化 した、 Hf 卜 （ 0 ≤ X ≤ 0. 5 ) の炭化物、 窒化物又は炭窒化物の少な く と も 1 種か ら な る層厚 0. 5 〜 1 0 m の硬質被覆層を設け る こ と を特徴とする。

すなわち本発明 は、 切削工具又は耐摩工具の母材の表 面に金属 M ( た し Mは Ti, Zr, Hfを表わす） と A1の組 成比が母材と の界面での Mか ら母材 と 反対側の表面での M A1ま で連続的に も し く は段階的に変化 した Μ ,— _KA1_X ( 0 ≤ x ≤ 0. 5 ) の炭化物、 窒化物及び炭窒化物の少な く と も 1 種か ら な る層厚 0. 5 〜 1 O m の硬質被覆層を 設けた こ とを特徴とする切削工具 · 耐摩工具用表面被覆 硬質部材を提供する。

尚、 被覆層は切削工具又は耐摩工具の全表面に設けて も良い し、 切刃部分の表面にのみ設けて も良い。 又、 被 覆層の形成方法は従来公知の方法を利用出来る が、 ス パ ッ タ リ ン グ法、 イ オ ンプ レ ーテ ィ ン グ法等の P V D法が 母材強度を容易に維持でき る点で好ま し い。

本発明 において、 硬質被覆層 は母材と の界面か ら反対 側の表面ま で Zrと A1の組成比が傾斜 した、 M !— _ΧΑ ( 0 ≤ ≤ 0. 5 ) の炭化物、 窒化物及び炭窒化物の少な く と も 1 種で構成さ れてい る。 即 ち、 上記の式において母材 と の界面で X = 0 及び母材と反対側の表面で X = 0. 5 と な る よ う に、 A1の濃度が母材 と の界面か ら硬質被覆層の 表面に向 っ て連続的又は段階的に増加 してい る。

こ のため、 母材と の界面は特に密着強度に優れた金属 Mの炭化物、 窒化物又は炭窒化物によ っ て構成さ れる の で、 硬質被覆層の耐剝雜性が極めて優れてい る。 同時に、 硬質被覆層の表面は、 金属 Mの炭化物、 窒化物又は炭窒 化物よ り も耐摩耗性及び耐溶着性に優れた M A 1の炭化物、 窒化物又は炭窒化物によ っ て構成さ れる ので、 切削工具 ゃ耐摩工具と して長期に亘 り 優れた切削性能を維持す る こ とが出来る。

しかも、 上記硬質被覆層を備えた切削工具又は耐摩ェ 具と しての表面被覆硬質部材は、 切削時にお け る刃先温 度の上昇によ り 、 硬質被覆層中に極めて高温硬度の高い A 1 ₂ 0 ₃ が微量なが ら生成する こ と が認め られ、 こ のため 髙速切削において も良好な耐摩耗性を示すこ とが判 っ た。

上記硬質被覆層の傾斜組成は、 段階的に変化 して も連 続的に変化 して も良いが、 連続的に変化 した方が線膨張 率の違い等によ る歪が緩和さ れる ので望ま しい。 又、 硬 質被覆層の層厚に関 しては、 0. 5 m 未満では耐摩耗性 の向上が殆ど見 られず、 逆に 1 を超え る と耐欠損 性が低下する ので層厚を 0. 5 〜 1 Ό M m の範囲 とする。

尚、 上記の式 M において、 X の上限を 0. 5 とす る のは、 X = 0. 5 を超えて硬質被覆層の A 1が増加する と 被覆層全体の硬度が低下するか らであ る。

実施例

以下本発明を実施例 と比較例によ り さ ら に詳細に説明 する。 - 実施例 1

母材と して、 組成が J I S 規格 P 3 0 (具体的に は WC -20 t¾TiC-10 t%Co) . 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 真空了 ー ク 放電を用 いたイ オ ン プ レ ー テ ィ ン グ法に よ り 、 第 2 表に示す傾斜組成を有す る被覆層を形成 した。

即 ち、 成膜装置内に上記切削チ ッ プと 、 タ ーゲ ッ ト と して A1と Ti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 — 2 0 0 0 V の電圧をかけて洗浄を行ない、 5 0 0 Τ: 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 CH₄ ガス の一方又は両方を 3 0 0 cc / m i n の割 合で導入 しなが ら、 真空ア ー ク 放電に よ り Tiタ ーゲ ッ ト を蒸発、 イ オ ン化さ せて、 切削チ ッ プ表面に T iの炭化物、 窒化物又は炭窒化物を被覆 した。 更に、 Tiタ ーゲ ッ ト と 同時に A 1タ 一ゲ ッ ト を蒸発、 イ オ ン化さ せなが ら、 T iと A1の組成比を調整する こ と によ り 、 A1濃度が連続的に増 加 して表面での組成が TiAlの炭化物、 窒化物又は炭窒化 物と な る よ う に各硬質被覆層を形成 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 プの表面上に Tiの炭化物、 窒 化物又は炭窒化物か ら な る被覆層を形成する こ と に よ り 、 下記第 2 表に示す従来例の被覆切削チ ッ プ試料を製造 し た。 尚、 通常の C V D法によ り 、 同 じ組成と形状の切削 チ ッ プの表面上に下記第 2 表に示す Tiの炭化物等の被覆 層を形成 した被覆切削チ ッ プ試料も用意 した。

得 られた被覆層を有する各被覆切削チ ッ プ試料につい て、 下記第 1 表の条件によ る連続切削試験と断続切削試 験を行な っ て切刃の逃げ面摩耗幅を測定 し、 結果を第 3 表に併せて表示 した。

第 1 表 連続切削試験 断続切削試験

被削材 SCM 435 被削材 SCM 435 切削速度 220 m/min 切削速度 220 m/min 送 り 0.37mm/rev 送 り 0.30mm/r ev 切込み 2.0 mm 切込み 1.5 mm

切削時間 15 分 切削時間 20 分

第 2

〔注〕 試料 No_8， 9, 10, 11, 12は比較例、 他は本発明品 3

上記の結果か ら、 本発明例の被覆切削チ ッ プ試料は、 連続切削及び断続切削の両方において、 優れた耐摩耗性 と耐欠損性を兼ね備え、 従来例の も のよ り も優れた切削 性能を示す こ と が判る。

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 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 第 4 表に示す硬質被覆層を形成 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 一ゲ ッ ト と して Zrと A1を配置 し、 成膜装置内を真空度 1 X 1 0 "² torrの Arガス雰囲気に保持 し、 切削チ ッ プに 一 2 0 0 0 V の電圧をかけて洗浄を行な い、 5 0 0 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 CH ガス の一方又は両方を 3 0 0 cc / ni i n の割合で導入 しな が ら、 真空ア ー ク 放電によ り Zrタ 一ゲ ッ ト を蒸発、 ィ ォ ン化さ せる こ と によ り 、 切削チ ッ プ表面に Zrの炭化物、 窒化物又は炭窒化物を被覆 した。 引 き続き A1タ ーゲ ッ ト を蒸発、 イ オ ン化さ せ、 Zrと A1の組成比を調整す る こ と によ り 、 A1濃度が連続的に増加 して表面での組成が ZrAl の炭化物、 窒化物又は炭窒化物 と な る よ う に各硬質被覆 層を形成 した。

4 表

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、 第 1 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、 切刃の逃げ面摩耗幅を測定 した。

上記の各切削試験の結果を第 5 表に示す。

第 5 表

上記の結果か ら、 従来の表面被覆切削チ ッ プ試料の う ち硬質被覆層を P V D法で形成 した試料 8 〜 1 0 は耐摩 耗性に劣 り 、 又 C V D法で形成 した試料 1 1 及び 1 2 は 母材の靱性劣化によ り 刃先の耐欠損性が低下 したのに に 对 し、 本発明例の表面被覆切削チ ッ プ試料 1 3 〜 2 1 は 連続切削 ^ び断続切削の両方において優れた耐摩耗性を 有する と 同時に、 硬質被覆層を P V D法で形成 したので 母材の靱性が維持さ れ優れた耐欠損性を備え る こ と が判 実施例 3

基材と して、 組成が J I S 規格 P 3 0 (具体的に は WC -20wt%TiC-10wt%Co) 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 真空了 ー ク 放電を用 いたィ ォ ン プ レ ーテ ィ ン グ法によ り 、 第 6 表に示す硬質被覆層を形成 して本発明例の表面被覆 切削チ ッ プ試料 2 2 〜 3 0 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 Hf と A1を配置 し、 成膜装置内を真空度 1 X 1 0 一 ² torrの Arガス雰囲気に保持 し、 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、 5 0 0 *C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 CH ガス の一方又は両方を 3 0 0 cc / m i π の割合で導入 しな が ら、 真空ア ー ク 放電によ り Hfタ ーゲ ッ ト を蒸発、 ィ ォ ン化さ せる こ と によ り 、 切削チ ッ プ表面に Hfの炭化物、 窒化物又は炭窒化物を被覆 した。 引 き続き Mタ ーゲ ッ ト を蒸発、 イ オ ン化さ せ、 Hf と A1の組成比を調整する こ と によ り 、 A1濃度が連続的に増加 して表面での組成が Hf A1 の炭化物、 窒化物又は炭窒化物と な る よ う に各硬質被覆 層を形成 した。 6 表

ϋ)ノ

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、 第 1 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、 切刃の逃げ面摩耗幅を測定 した。

上記の各切削試験の結果を第 7 表に示す。

第 Ί 表

上記の結果か ら、 従来の表面被覆切削チ ッ プ試料の う ち硬質被覆層を P V D法で形成 した試料 8 〜 1 0 は耐摩 耗性に劣 り 、 又 C V D法で形成 した試料 1 1 及び 1 2 は 母材の靱性劣化によ り 刃先の耐欠損性が低下 したのち に 対 し、 本発明例の表面被覆切削チ ッ プ試料 2 2 〜 3 0 は 連続切削及び断続切削の両方において優れた耐摩耗性 有する と 同時に、 硬質被覆層を P V D法で形成 したので 母材の靱性が維持さ れ優れた耐欠損性を備え る こ と が判 o

産業上の利用可能性

本発明 によれば、 切削工具ゃ耐摩工具の母材強度を維 持 しつつ、 同時に従来よ り も優れた耐摩耗性を有 し、 特 に高速切削において も切削工具ゃ耐摩工具 と して長期に 亘 つ て良好な切削性能を維持する こ と が出来る 切削工具 • 耐摩工具用表面被覆硬質部材を提供でき る。

Claims

請 求 の 範 囲

切削工具又は耐摩工具の母材の表面に、 金属 M (た し Mは Ti, Zr， Hfを表わす） と A1の組成比が母材と の界 面での Mか ら母材と反対側の表面での M A1ま で連続的に も し く は段階的に変化 した M , -κΑΙκ ( 0 ≤ X ≤ 0. 5 ) の 炭化物、 窒化物及び炭窒化物の少な く と も 1 種か らな る 層厚 0. 5 〜 1 の硬質被覆層を設けた こ とを特徴と する切削工具 · 酎摩工具用表面被覆硬質部材。