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技術 硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具

出願人 三菱マテリアル株式会社
発明者 長田晃中村惠滋
出願日 1999年5月13日 (20年2ヶ月経過) 出願番号 1999-132637
公開日 2000年11月21日 (18年7ヶ月経過) 公開番号 2000-317705
状態 特許登録済
技術分野 バイト、中ぐり工具、ホルダ及びタレット CVD
主要キーワード 主体層 固溶体層 電子プローブマイクロアナライザ 炭化チタン層 ロックウ SCM Cr粉末 省エネ化
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2000年11月21日)のものです。
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課題

硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金切削工具を提供する。

解決手段

炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、(a)いずれも0.1〜5μmの平均層厚および粒状結晶組織を有する、TiC層TiN層、およびTiCNO層のうちのTi化合物層と、(b)縦長成長結晶組織を有するZrCN薄層、表面側の縦長成長結晶組織を有するTiCN薄層、およびこれら両薄層に挟まれた中間主体層としての同じく縦長成長結晶組織を有する(Ti,Zr)CN層で構成され、かつ(Ti,Zr)CN層、TiCN薄層にかけて連続した縦長成長結晶組織を有し、これら3層全体の平均層厚を5〜15μmとしてなるTi−Zr系炭窒化物層と、(c)0.5〜10μmの平均層厚および粒状結晶組織を有するAl2 O3層、以上(a)〜(c)で構成された硬質被覆層を5〜25μmの全体平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してなる。

概要

背景

従来、一般に、炭化タングステン基超硬合金基体(以下、超硬基体という)の表面に、(a) いずれも0.1〜5μmの平均層厚および粒状結晶組織を有する、炭化チタン(以下、TiCで示す)層、窒化チタン(以下、同じくTiNで示す)層、炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)層、炭酸化チタン(以下、TiCOで示す)層、窒酸化チタン(以下、TiNOで示す)層、および炭窒酸化チタン(以下、TiCNOで示す)層のうちの1種または2種以上からなるTi化合物層と、(b) 5〜15μmの平均層厚および縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン(以下、l−TiCNで示す)層と、(c) 0.5〜10μmの平均層厚および粒状結晶組織を有する酸化アルミニウム(以下、Al2 O3 で示す)層と、で構成された硬質被覆層を5〜25μmの全体平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してなる被覆超硬工具が知られており、またこの被覆超硬工具が鋼や鋳鉄などの連続切削断続切削に用いられることも知られている。また、一般に上記の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するAl2 O3 層として、α型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどが広く実用に供されることも良く知られており、さらに上記l−TiCN層は、例えば特開平6−8010号公報や特開平7−328808号公報などにより公知であり、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、700〜950℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成されるものである。

概要

硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具を提供する。

炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、(a)いずれも0.1〜5μmの平均層厚および粒状結晶組織を有する、TiC層TiN層、およびTiCNO層のうちのTi化合物層と、(b)縦長成長結晶組織を有するZrCN薄層、表面側の縦長成長結晶組織を有するTiCN薄層、およびこれら両薄層に挟まれた中間主体層としての同じく縦長成長結晶組織を有する(Ti,Zr)CN層で構成され、かつ(Ti,Zr)CN層、TiCN薄層にかけて連続した縦長成長結晶組織を有し、これら3層全体の平均層厚を5〜15μmとしてなるTi−Zr系炭窒化物層と、(c)0.5〜10μmの平均層厚および粒状結晶組織を有するAl2 O3層、以上(a)〜(c)で構成された硬質被覆層を5〜25μmの全体平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してなる。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、(a) いずれも0.1〜5μmの平均層厚および粒状結晶組織を有する、炭化チタン層窒化チタン層炭窒化チタン層炭酸化チタン層窒酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの1種または2種以上からなるTi化合物層と、(b)組成的に異なる3層からなり、該3層は、基体側縦長成長結晶組織を有する炭窒化ジルコニウム薄層、表面側の縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン薄層、およびこれら両薄層に挟まれた中間主体層としての同じく縦長成長結晶組織を有するTiとZrの炭窒化物固溶体層で構成され、かつ前記炭窒化ジルコニウム薄層から前記TiとZrの炭窒化物固溶体層、および前記炭窒化チタン薄層にかけて連続した縦長成長結晶組織を有すると共に、これら3層全体の平均層厚を5〜15μmとしてなる縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層と、(c) 0.5〜10μmの平均層厚および粒状結晶組織を有するを有する酸化アルミニウム層と、で構成された硬質被覆層を5〜25μmの全体平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具

技術分野

0001

この発明は、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆炭化タングステン基超硬合金切削工具(以下、被覆超硬工具という)に関するものである。

背景技術

0002

従来、一般に、炭化タングステン基超硬合金基体(以下、超硬基体という)の表面に、(a) いずれも0.1〜5μmの平均層厚および粒状結晶組織を有する、炭化チタン(以下、TiCで示す)層、窒化チタン(以下、同じくTiNで示す)層、炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)層、炭酸化チタン(以下、TiCOで示す)層、窒酸化チタン(以下、TiNOで示す)層、および炭窒酸化チタン(以下、TiCNOで示す)層のうちの1種または2種以上からなるTi化合物層と、(b) 5〜15μmの平均層厚および縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン(以下、l−TiCNで示す)層と、(c) 0.5〜10μmの平均層厚および粒状結晶組織を有する酸化アルミニウム(以下、Al2 O3 で示す)層と、で構成された硬質被覆層を5〜25μmの全体平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してなる被覆超硬工具が知られており、またこの被覆超硬工具が鋼や鋳鉄などの連続切削断続切削に用いられることも知られている。また、一般に上記の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するAl2 O3 層として、α型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどが広く実用に供されることも良く知られており、さらに上記l−TiCN層は、例えば特開平6−8010号公報や特開平7−328808号公報などにより公知であり、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、700〜950℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成されるものである。

発明が解決しようとする課題

0003

一方、近年の切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削工具には一段使用寿命延命化が求められる傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、硬質被覆層の構成層である相対的に厚膜のl−TiCN層はすぐれた靭性を有するものの硬さが十分でないために、実用に際しては切刃摩耗進行が比較的速く、上記の要求には必ずしも満足に対応することができないのが現状である。

課題を解決するための手段

0004

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来被覆超硬工具の硬質被覆層の構成層である相対的に厚膜のl−TiCN層に着目し、これの一層の耐摩耗性向上を図るべく研究を行った結果、
(a)上記の硬質被覆層を構成するl−TiCN層におけるTiの一部をZr成分で置換して縦長成長結晶組織をもったTiとZrの炭窒化物固溶体[以下、l−(Ti,Zr)CNで示す]層とすると、この結果のl−(Ti,Zr)CN層は、TiのZrによる一部置換によって著しく硬さが向上し、耐摩耗性が向上したものになり、この場合前記l−(Ti,Zr)CN層を、
組成式:(Ti1-xZrx)C1-yNy、
で表した場合、xおよびy値は、原子比で、x:0.1〜0.6、y:0.3〜0.6とするのが望ましいこと。上記組成式において、x値を0.1〜0.6としたのは、その値が0.1未満では所望の硬さ向上効果が得られず、一方その値が0.6を超えると層自体の靭性が急激に低下するようになり、これが原因で切刃に欠けチッピングが発生し易くなるという理由によるものである。また、y値を0.3〜0.6としたのは、その値が0.3未満になると、相対的に炭素の割合が増大し、窒素の割合が減少して、硬さは増すが靭性が急激に低下し、欠けやチッピングの原因となり、一方その値が0.6を超えると、反対に炭素の割合が減少し、窒素の割合が増大して、靭性は増すが硬さが急激に低下し、耐摩耗性低下の原因となるという理由によるものである。

0005

(b)上記l−(Ti,Zr)CN層は、自身の層形成時に粒成長し易く、特に厚膜化の場合の粒成長が著しく、これによって強度低下が避けられないことから、これの蒸着形成に先立って縦長成長結晶組織をもった炭窒化ジルコニウム(以下、l−ZrCNで示す)薄層を、望ましくは0.1〜2μmの平均層厚で形成し、このZrCN層自体微細組織をもつものであるから、このl−ZrCN薄層を種結晶とし、これの上に前記l−(Ti,Zr)CN層の形成を行うと、前記l−(Ti,Zr)CN層は微細なl−ZrCN薄層(種結晶)の連続層として形成され、この結果成長が著しく抑制されて微細な縦長成長結晶組織をもつようになること。この場合の上記l−ZrCN薄層を、同じく組成式:ZrC1-yNy、で表した場合、y値は、上記l−(Ti,Zr)CN層と同様に同じ理由で、原子比で、y:0.3〜0.6とするのが望ましいこと。

0006

(c)一方、上記の硬質のl−(Ti,Zr)CN層は、特にTiCO層、TiNO層、およびTiCNO層、さらにAl2 O3 層に対する密着性に劣るものであるので、これらの層との密着性にすぐれたl−TiCN層の薄層を、望ましくは0.1〜2μmの平均層厚で、前記l−(Ti,Zr)CN層に連続した同じ縦長成長結晶組織をもつように形成しておくと、前記l−(Ti,Zr)CN層は前記l−TiCN薄層をを介してTiCO層、TiNO層、およびTiCNO層、さらにAl2 O3 層と強固に密着するようになり、密着性不足が原因の欠けやチッピングなどが切刃に発生するのが防止され、さらに前記l−TiCN薄層のもつ特に前記l−(Ti,Zr)CN層と連続した縦長成長結晶組織によって前記l−(Ti,Zr)CN層の表面部の靭性が著しく向上するようになること。この場合も上記l−TiCN薄層を、同じく組成式:TiC1-yNy、で表した場合、y値は、上記l−(Ti,Zr)CN層と同様に同じ理由で、原子比で、y:0.3〜0.6とするのが望ましいこと。

0007

(d)以上(a)〜(c)に示される上記l−ZrCN薄層と、上記中間主体層としてのl−(Ti,Zr)CN層と、上記l−TiCN薄層の組成的に異なる3層からなるが、縦長成長結晶組織が連続した縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層を硬質被覆層の構成層としてなる被覆超硬工具は、すぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮すること。以上(a)〜(d)に示される研究結果を得たのである。

0008

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、超硬基体の表面に、(a) いずれも0.1〜5μmの平均層厚および粒状結晶組織を有する、TiC層TiN層、TiCN層、TiCO層、TiNO層、およびTiCNO層のうちの1種または2種以上からなるTi化合物層と、(b)組成的に異なる3層からなり、該3層は、基体側のl−ZrCN薄層、表面側のl−TiCN薄層、およびこれら両薄層に挟まれた中間主体層としてのl−(Ti,Zr)CN層で構成され、かつ前記l−ZrCN薄層から前記l−(Ti,Zr)CN層、および前記l−TiCN薄層にかけて連続した縦長成長結晶組織を有すると共に、これら3層全体の平均層厚を5〜15μmとしてなる縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層と、(c) 0.5〜10μmの平均層厚および粒状結晶組織を有するAl2 O3層と、で構成された硬質被覆層を5〜25μmの全体平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆超硬工具に特徴を有するものである。

0009

なお、この発明の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成する縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層の基体側のl−ZrCN薄層は、
反応ガス組成:容量%で、ZrCl4 :0.5〜2%、CH3CN :0.1〜3%、必要に応じてN2:0.5〜20%、H2 :残り、
反応雰囲気温度:850〜950℃、
反応雰囲気圧力:40〜400Torr、
の条件で形成し、これに続く中間主体層としての同l−(Ti,Zr)CN層は、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:0.6〜6%、ZrCl4:0.3〜3%、CH3CN :0.1〜3%、必要に応じてN2:0.5〜20%、H2:残り、
反応雰囲気温度:850〜950℃、
反応雰囲気圧力:40〜400Torr、
の条件で形成し、さらに表面側の同l−TiCN薄層は、
反応ガス組成:容量%で、TiCl4:0.5〜2%、CH3CN :0.1〜3%、必要に応じてN2:0.5〜20%、H2 :残り、
反応雰囲気温度:850〜950℃、
反応雰囲気圧力:40〜400Torr、
の条件でそれぞれ形成することができる。

0010

さらに、この発明の被覆超硬工具の硬質被覆層における構成層の平均層厚は以下の理由により定めたものである。すなわち、Ti化合物層のそれぞれには、共通する性質として構成層相互間の層間密着性を向上させる作用があり、したがってその平均層厚が0.1μm未満では、所望のすぐれた層間密着性を確保することができず、一方その平均層厚が5μmを越えると、特に構成層としてTiC層が存在する場合、高速切削で切刃に欠けやチッピングが発生し易くなり、また同じく軟質のTiN層が存在する場合には、硬質被覆層の摩耗が促進されるようになることから、その平均層厚を0.1〜5μmと定めた。

0011

また、Al2 O3 層には、硬質被覆層の耐摩耗性を向上させる作用があるが、その平均層厚が0.5μm未満では、所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が10μmを越えると切刃にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を0.5〜10μmと定めた。

0012

さらに、縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層は、l−TiCN層のもつすぐれた靭性を具備した上で高硬度を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、、その平均層厚が5μm未満では、耐摩耗性向上効果が不充分で、この結果満足な使用寿命の延命化が図れず、一方その平均層厚が15μmを越えると切刃に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を5〜15μmと定めた。また、硬質被覆層の全体平均層厚を5〜25μmとしたのは、その平均層厚が5μm未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が25μmを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由からである。

発明を実施するための最良の形態

0013

つぎに、この発明の被覆超硬工具を実施例により具体的に説明する。原料粉末として、平均粒径:1.5μmの細粒WC粉末、3.0μmの中粒WC粉末、同1.2μmの(Ti,W)CN(重量比で、以下同じ、TiC/TiN/WC=24/20/56)粉末、同1.3μmの(Ta,Nb)C(TaC/NbC=90/10)粉末、同1.2μmのZrC粉末、同1.0μmのCr粉末、および同1.2μmのCo粉末を用意し、これら原料粉末を表1に示される配合組成に配合し、ボールミルで72時間湿式混合し、乾燥した後、この混合粉末ISO規格CNMG160612に則したスローアウエイチップ形状の圧粉体プレス成形し、この圧粉体を0.10torrの真空雰囲気中、1400〜1430℃の範囲内の所定の温度に1時間保持の条件で真空焼結することにより超硬基体A〜Eをそれぞれ製造した。さらに、上記超硬基体Eに対して、50torrのCH4ガス雰囲気中、温度:1400℃に1時間保持後、徐冷の条件で浸炭処理を施し、処理後超硬基体表面に付着するカーボンとCoを酸およびバレル研磨で除去することにより、表面から8μmの位置で最大Co含有量:14.2重量%、深さ:32μmのCo富化帯域を基体表面部に形成した。また、いずれも焼結したままで、上記超硬基体Cには表面部に表面から18μmの位置で最大Co含有量:9.3重量%、深さ:22μmのCo富化帯域、上記超硬基体Dには表面部に表面から20μmの位置で最大Co含有量:13.5重量%、深さ:27μmのCo富化帯域がそれぞれ形成されており、残りの超硬基体AおよびBには前記Co富化帯域の形成はなく、全体的に均一な組織をもつものであった。さらに、表1には上記超硬基体A〜Eの内部硬さ(ロックウエル硬さAスケール)をそれぞれ示した。

0014

ついで、これらの超硬基体A〜Eを、所定の形状に加工およびホーニング加工した状態で、その表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表2、3に示される条件にて、表4、5に示される目標組成および目標層厚(切刃の逃げ面)の硬質被覆層を形成することにより硬質被覆層の構成層として縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層を形成してなる本発明被覆超硬工具1〜10、および前記縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層に代わってl−TiCN層を形成してなる従来被覆超硬工具1〜10をそれぞれ製造した。なお、この結果得られた各種の被覆超硬工具について、硬質被覆層の構成層の組成および平均層厚を電子プローブマイクロアナライザーおよび光学顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも表4、5に示される目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成および平均層厚を示した。

0015

つぎに、上記本発明被覆超硬工具1〜10および従来被覆超硬工具1〜10について、
被削材:JIS・SCM440の丸棒
切削速度:270m/min.、
切り込み:3.5mm、
送り:0.4mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件での合金鋼の乾式連続切削試験、並びに、
被削材:JIS・SCM440長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:300m/min.、
切り込み:0.3mm、
送り:3.5mm/rev.、
切削時間:10分、
の条件での合金鋼の乾式断続切削試験を行い、いずれの切削試験でも切刃の最大逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表6に示した。

0016

0017

0018

0019

0020

0021

発明の効果

0022

表2〜6に示される結果から、硬質被覆層中に構成層として縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層が存在する本発明被覆超硬工具1〜10は、いずれも前記縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層によって硬質被覆層が高硬度を具備するようになることから、連続切削および断続切削のいずれの切削でも切刃に欠けやチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層に前記縦長成長結晶Ti−Zr系炭窒化物層に代わってl−TiCN層が存在する従来被覆超硬工具1〜10においては、いずれの切削試験でも切刃の摩耗進行が相対的に速く、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。上述のように、この発明の被覆超硬工具は、例えば鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削ですぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるから、切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

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