JP2932732B2 - 硬質層被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

硬質層被覆超硬合金製切削工具

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JP2932732B2 JP6080891A JP6080891A JP2932732B2 JP 2932732 B2 JP2932732 B2 JP 2932732B2 JP 6080891 A JP6080891 A JP 6080891A JP 6080891 A JP6080891 A JP 6080891A JP 2932732 B2 JP2932732 B2 JP 2932732B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、フライス切削などの
断続切削に用いた場合に優れた切削性能を示すことは勿
論のこと、連続切削に用いた場合でも特に中低速の連続
切削に用いた場合に優れた切削性能を示す硬質層被覆超
硬合金製切削工具に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、結合相形成成分として、鉄族金
属のうち1種または2種以上を含有し、さらに必要に応
じて周期律表の4a,5a,および6a族金属の炭化
物、窒化物、炭窒化物を0.5〜30重量%含有し、残
りが炭化タングステン(以下、WCと記す、)および不
可避不純物からなる超硬合金基体(以下、超硬合金基体
という)の表面に、TiCN層を物理蒸着法により被覆
してなる硬質層被覆超硬合金製切削工具は知られている
(特開昭52−10871号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法で
得られた従来の物理蒸着法により形成されたTiCN層
の結晶粒径は粗大であるためにTiCN層の靭性が不足
し、従来の物理蒸着法により形成されたTiCN層を有
する硬質層被覆超硬合金製切削工具は、フライス切削な
どの断続切削に用いた場合にはTiCN硬質層は剥離
し、また超硬合金基体に対する十分な付着強度が得られ
ないために、その部分から欠損が発生し、満足のいく使
用寿命が得られないという課題があったのである。
【0004】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
上述のような課題を解決し、フライス切削などの断続切
削に用いた場合にも一層の長寿命を示す硬質層被覆超硬
合金製切削工具を得るべく研究を行った結果、超硬合金
基体の表面に、窒化チタン層部分および上記窒化チタン
層の上に炭素および窒素の傾斜濃度分布を有する炭窒化
チタン層部分(以下、傾斜濃度層部分という)からなる
単一硬質層を被覆してなる切削工具であって、上記濃度
傾斜層部分を組成式Ti(C)〔ただし、x+y
=1〕で表すと、xは、上記窒化チタン層部分に接する
内面で最小値をとり、内面から最外面に向かって層厚方
向に増加するように変化して最外面で最大値をとり、一
方、yは、上記窒化チタン層部分に接する内面で最大値
をとり、内面から最外面に向かって層厚方向に減少する
ように変化して最外面で最小値をとるように変化せしめ
ると上記Ti(C)層の結晶粒は微細化し、この
Ti(C)硬質層を被覆した硬質層被覆超硬合金
切削工具は、優れた性能を示すという知見を得たのであ
る。
【0005】この発明は、かかる知見にもとづいて成さ
れたものであって、超硬合金基体の表面に、窒化チタン
層部分および上記窒化チタン層部分の上に傾斜濃度層部
分からなる単一硬質層を被覆してなる切削工具であっ
て、上記濃度傾斜層部分を組成式Ti(C)〔た
だし、x+y=1〕で表すと、xは、上記窒化チタン層
部分に接する内面で最小値をとり、内面から最外面に向
かって層厚方向に増加するように変化して最外面で最大
値をとり、一方、yは、上記窒化チタン層部分に接する
内面で最大値をとり、内面から最外面に向かって層厚方
向に減少するように変化して最外面で最小値をとる硬質
層被覆超硬合金製切削工具、に特徴を有するものであ
る。
【0006】この発明の硬質層被覆超硬合金製切削工具
におけるTiN層部分および傾斜濃度層部分からなる単
一硬質層を形成するには、イオンプレーティング装置等
の物理蒸着装置を用いる。上記物理蒸着装置には、反応
ガスとして、先ず、窒素ガスを定常的に導入し、続い
て、窒素ガスと炭化水素ガスの混合ガスを導入する。図
1のグラフには、反応ガスの導入状態が示されており、
図1のグラフに示されるように、この混合ガスは、物理
蒸着の途中から導入され、物理蒸着の進行にともなっ
て、窒素ガス導入量を連続的に減少させるとともに、こ
れに反比例するように炭化水素ガスを連続的に増加する
ように供給する。窒素ガス導入量および炭化水素ガス導
入量は断続的に変化させても良いが、連続的に変化させ
るほうが好ましく、図1のグラフでは、直線的に連続し
て変化させているが、これに限定されるものではなく、
曲線的に連続して変化させてもよい。
【0007】このようにして得られたTiN層部分およ
び傾斜濃度層部分からなる単一硬質層において、傾斜濃
度層部分のTi(C)〔ただし、x+y=1〕の
xおよびyの値は、反応ガスとして窒素ガスと炭化水素
ガスの混合ガスを導入する関係から、それぞれ0≦x≦
100および0≦y≦100の範囲内の値をとり、超硬
合金基体上のTiN層部分に接する傾斜濃度層部分の内
面はTiN層部分とほぼ同一成分となるために超硬合金
基体に対する付着性が優れ、一方、切削時に直接影響を
受ける最外面でTiCが最大成分となるので耐摩耗性が
優れ、単一硬質層でありながら付着性および耐摩耗性の
両方を兼備えた優れた特性を有し、さらに傾斜濃度層部
分の結晶粒も微細であるために靭性も向上するのでフラ
イス切削などの断続切削に特に有効である。また、上記
TiN層部分および傾斜濃度層部分からなる単一硬質層
を有するこの発明の硬質層被覆超硬合金製切削工具は、
一般に逃げ面磨耗が激しいとされている中低速(切削速
度:200m/min 未満)の連続切削にも有効である。
【0008】上記TiN層部分および傾斜濃度層部分か
らなる単一硬質層の厚さは、全層厚が30μm以下であ
ることが好ましい。30μmを越えると切削時に基体と
の間に熱膨脹の差が大きくなり、亀裂が生じて剥離しや
すくなる。一方、上記単一硬質層の全層厚が0.5μm
未満では耐摩耗性が十分でないために0.5μm以上で
あることが好ましい。
【0009】
【実施例】つぎに、この発明の硬質層被覆超硬合金製切
削工具を実施例に基づいて具体的に説明する。
【0010】原料粉末として、それぞれ平均粒径:3μ
mのCo粉末、TiC粉末、TaC粉末、WC粉末を用
意し、これら粉末を、Co粉末:9重量%、TiC粉
末:1重量%、TaC粉末:2重量%、残り:WC粉末
となるように配合し、混合したのち、圧粉体に成型し、
この圧粉体を通常の条件で焼結して焼結体を製造し、こ
の焼結体を研削してISO規格TNGA160408の
形状を有するWC基超硬合金製チップを作製した。
【0011】つぎに、このWC基超硬合金製チップを通
常のイオンプレーティング装置内の上方に装着し、一
方、上記イオンプレーティング装置内の下方のルツボ内
には、Ti金属を充填した。かかる状態で上記イオンプ
レーティング装置内を1×10-5Torrの真空に保持し、
昇温速度:6℃/min で700℃に昇温させた。つづい
て、この温度に保持しながら、Ti金属を通電等により
加熱蒸発させるとともに、先ず、供給口より窒素ガスを
導入し、続いて、窒素ガス量を減らしながら、アセチレ
ンガスを導入し、排出口より排出しながらイオンプレー
ティング装置内の圧力を1.0×10×-4Torrに維持
し、窒素ガスとアセチレンガスの混合比を反比例するよ
うに上記窒素ガスは次第に減少するように供給すると同
時にアセチレンガスは次第に増加するように供給しなが
ら窒素ガスとアセチレンガスの量を反比例するように連
続的に変化させながら物理蒸着を行い、上記WC基超硬
合金製チップの表面に表1に示される厚さの炭窒化チタ
ン単一硬質層を被覆してなる本発明硬質層被覆超硬合金
製チップ1〜11を製造した。
【0012】上記傾斜濃度層部分の組成をEPMAを用
いて測定したところ、Cは、超硬合金基体に接する最内
面で最小値をとりかつ最内面から最外面に向かって層厚
方向に連続的に増加するように変化して最外面で最大値
をとり、一方、Nは、超硬合金基体に接する最内面で最
大値をとりかつ最内面から最外面に向かって層厚方向に
連続的に減少するように変化して最外面で最小値を示す
濃度勾配を有していることが分った。
【0013】上記炭窒化チタン単一硬質層をX線回折
し、(200)面の半価幅を用いてScherrerの
式により粒径を算出してその結果を表1に示した。さら
に確認のために、上記本発明硬質層被覆超硬合金製チッ
プ5の基体表面に被覆されたTiN層部分および傾斜濃
度層部分の垂直断面をオージエ分析し、その結果をもと
にファクター解析してグラフに示したところ、図2に示
されるグラフが得られた。図2において、縦軸にはTi
CおよびTiNの濃度比がTiC+TiN=1となるよ
うにとり、横軸に硬質層の層厚をとってある。
【0014】[従来例] 一方、比較のために、実施例のボンバードクリーニング
したのち、窒素ガスおよびアセチレンガスを容量混合比
=1:1の一定比率で混合した混合ガスを流すことによ
り、上記WC基超硬合金製チップの表面に炭窒化チタン
層からなり表1に示される厚さを有する従来硬質層被覆
超硬合金製チップ1〜5を製造した。この従来硬質層被
覆超硬合金製チップ1〜5についてもX線回折し、(2
00)面の半価幅を用いてScherrerの式により
粒径を算出してその結果を表1に示した。
【0015】これら本発明硬質層被覆超硬合金製チップ
1〜11および従来硬質層被覆超硬合金製チップ1〜5
について、それぞれスクラッチ試験を行ってその結果を
表1に示したのち、下記の条件で連続切削試験および断
続切削試験を実施し、それらの切削試験結果を表2に示
した。
【0016】連続乾式切削試験 被削材:SNCM439(ブリネル硬さ:250)、 切削速度:150m/min 、 送り:0.3mm/rev.、 切込み:1.5mm、 の条件で連続乾式切削し、チップの切刃の逃げ面摩耗幅
が0.3mmになるまでの時間(分)を測定した。
【0017】断続乾式切削試験 被削材:SCM440(ブリネル硬さ:300)製で軸
方向外周に4本の溝の付いた円柱体、 切削速度:100m/min 、 送り:0.21mm/rev.、 切込み:1.0mm、 切削時間:2min 、 の条件で切削し、10個の試験切刃のうちの欠損発生切
刃数を測定した。
【0018】
【表1】
【0019】
【表2】
【0020】
【発明の効果】表1および表2に示される結果から、本
発明硬質層被覆超硬合金製チップ1〜11の被覆硬質層
の結晶粒径は微細であり、切削速度:200m/min 未
満の中低速連続乾式切削において優れた効果を発揮し、
さらに断続乾式切削においても、いずれも欠損発生がほ
とんどなく、あってもごく僅かであり、スクラッチ試験
の結果も良好で耐剥離性も優れていることから長期にわ
たって優れた切削性能を発揮する。これに対し、従来硬
質層被覆超硬合金製チップ1〜5は、チップの切刃の逃
げ面摩耗幅が0.3mmになるまでの時間が短く、断続乾
式切削において欠損が多く発生し、スクラッチ試験によ
る切欠き発生までの荷重も小さく、耐剥離性も劣ってい
るところからチップの寿命も短く切削性能も劣ったもの
であることが明らかである。
【0021】上述のように、この発明の硬質層被覆超硬
合金切削工具は、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有す
るので、優れた切削性能を長期にわたって発揮すること
ができ、産業上優れた効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】窒素ガス、並びに窒素ガスおよび炭化水素ガス
の導入量を模型的に示したグラフである。
【図2】本発明硬質層被覆超硬合金製チップ5の基体表
面に被覆されたTiN層部分および傾斜濃度層部分の垂
直断面をオージエ分析し、その結果をもとにファクター
解析して得られたグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/00 - 14/58 B23B 27/14 B23P 15/28

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超硬合金基体の表面に、窒化チタン層部
    分および上記窒化チタン層の上に炭素および窒素の傾斜
    濃度分布を有する炭窒化チタン層部分(以下、傾斜濃度
    層部分という)からなる単一硬質層を被覆してなる切削
    工具であって、 上記濃度傾斜層部分を組成式Ti(C)〔ただ
    し、x+y=1〕で表すと、xは、上記窒化チタン層部
    分に接する内面で最小値をとり、内面から最外面に向か
    って層厚方向に増加するように変化して最外面で最大値
    をとり、一方、yは、上記窒化チタン層部分に接する内
    面で最大値をとり、内面から最外面に向かって層厚方向
    に減少するように変化して最外面で最小値をとる、こと
    を特徴とする硬質層被覆超硬合金製切削工具。
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