JP3371564B2 - 被覆超硬合金部材 - Google Patents
被覆超硬合金部材Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は強靱且つ耐摩耗性に優れ
た皮膜を形成した被覆切削工具に関するものである。
た皮膜を形成した被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】切削工具の使用される環境がますます過
酷になるのに伴い、炭化タングステン基超硬合金やサー
メットといった硬質母材の表面に化学蒸着法（ＣＶＤ
法）や物理蒸着法（ＰＶＤ法）等の手法によって各種の
セラミックス皮膜を形成した、いわゆる被覆切削工具が
広く活用されるようになっている。このような皮膜の実
例としては、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（Ｔｉ
Ｎ）及びアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）皮膜がある。これらの
単層または複層コーティングによって、切削工具の耐摩
耗性が向上するだけでなく、切削時に被削材と切削工具
とが反応することを防止でき、結果的に工具の寿命向上
が図れたことは、すでに公知の通りである。しかし、こ
れらの被覆切削工具を用いて加工を行った場合、特に高
速切削加工のように高温での被覆層の耐摩耗性が必要な
加工、あるいは小物部品加工のように加工数が多く被削
材への食いつき回数が多い加工などで被覆層の耐摩耗性
が不足したり、被覆層の損傷が発生することによる工具
寿命の低下が発生していた。また、熱ＣＶＤ法による被
覆膜では、被膜を形成するセラミックスがＰＶＤ法によ
る被膜に比べて粗い結晶粒を持ち、被膜の摩耗形態が不
均一になり易いという傾向がある。この為に被覆層の脱
落が比較的大規模に発生し、寿命が不安定になる場合が
あった。この問題を解決するために、皮膜の微細構造に
ついての発明が多数出願されている。例えば特願昭６０
−２４０１３６号の様に、被覆層を構成するＴｉＣＮ膜
及び／又はＴｉＮ膜を構成する結晶粒の径が０．５μｍ
以下であれば最適であるとの提案はなされているが、結
晶粒の形状に関する記載と粒径の評価法に関する記載が
いずれもされておらず、現実的ではなかった。また特願
平４−１９１７３６、特願平４−２８２５５５、特願平
４−２８２５５６号では粒の構造を柱状構造の組み合わ
せあるいは柱状構造の単独構造が最適であるとの提案が
なされているが、粒の大きさに関する記述は見られなか
った。
酷になるのに伴い、炭化タングステン基超硬合金やサー
メットといった硬質母材の表面に化学蒸着法（ＣＶＤ
法）や物理蒸着法（ＰＶＤ法）等の手法によって各種の
セラミックス皮膜を形成した、いわゆる被覆切削工具が
広く活用されるようになっている。このような皮膜の実
例としては、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（Ｔｉ
Ｎ）及びアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）皮膜がある。これらの
単層または複層コーティングによって、切削工具の耐摩
耗性が向上するだけでなく、切削時に被削材と切削工具
とが反応することを防止でき、結果的に工具の寿命向上
が図れたことは、すでに公知の通りである。しかし、こ
れらの被覆切削工具を用いて加工を行った場合、特に高
速切削加工のように高温での被覆層の耐摩耗性が必要な
加工、あるいは小物部品加工のように加工数が多く被削
材への食いつき回数が多い加工などで被覆層の耐摩耗性
が不足したり、被覆層の損傷が発生することによる工具
寿命の低下が発生していた。また、熱ＣＶＤ法による被
覆膜では、被膜を形成するセラミックスがＰＶＤ法によ
る被膜に比べて粗い結晶粒を持ち、被膜の摩耗形態が不
均一になり易いという傾向がある。この為に被覆層の脱
落が比較的大規模に発生し、寿命が不安定になる場合が
あった。この問題を解決するために、皮膜の微細構造に
ついての発明が多数出願されている。例えば特願昭６０
−２４０１３６号の様に、被覆層を構成するＴｉＣＮ膜
及び／又はＴｉＮ膜を構成する結晶粒の径が０．５μｍ
以下であれば最適であるとの提案はなされているが、結
晶粒の形状に関する記載と粒径の評価法に関する記載が
いずれもされておらず、現実的ではなかった。また特願
平４−１９１７３６、特願平４−２８２５５５、特願平
４−２８２５５６号では粒の構造を柱状構造の組み合わ
せあるいは柱状構造の単独構造が最適であるとの提案が
なされているが、粒の大きさに関する記述は見られなか
った。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点に鑑み、ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜のメリットを最大
限発揮させることで、従来以上に信頼性の高い被覆切削
工具を発明することを目的としている。この為に、皮膜
を構成する結晶粒形状のみならず粒の大きさについても
最適な範囲を提供し、安定した耐摩耗性を発揮する被覆
切削工具を提供するものである。
点に鑑み、ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜のメリットを最大
限発揮させることで、従来以上に信頼性の高い被覆切削
工具を発明することを目的としている。この為に、皮膜
を構成する結晶粒形状のみならず粒の大きさについても
最適な範囲を提供し、安定した耐摩耗性を発揮する被覆
切削工具を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決しようとする手段】本発明者らは、上記問
題点を解決するために種々検討を加えた結果、多層被膜
中に形成されるＴｉＣＮ膜について、その構造が母材側
から上層側に向けてテーパー形状の柱状結晶粒から構成
され、その膜厚（ｔμｍ）と平均結晶粒径（ｄμｍ）と
の関係が、次の通りとなっていることが好ましいことを
見いだした。 ・膜厚が２．０μｍ以下のとき、ｄ＝ｃ＋ｋｔであり、
０．０１≦ｃ≦０．１、０．０２≦ｋ≦０．２ ・膜厚が２．０μｍを越え、１０μｍ以下のとき、ｄ＝
ｃ＋ｋ（ｔ−２）であり、０．０５≦ｃ≦０．５、０≦
ｋ≦０．１ 即ち、本発明は、主たる成分として元素周期率表におけ
るＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒
化物のうち少なくとも１種以上の硬質相を、周期率表の
ＶＩＩＩ族の金属により焼結した硬質合金よりなる母材
の表面に化学蒸着法によってセラミックス被膜を形成し
た被覆切削工具において、内層が、母材と接する第１層
が窒化チタン、炭窒化チタン、炭化チタンのうちのいず
れか１種であり、その上の第２層が必ず炭窒化チタンを
含みチタンの炭化物、窒化物、ホウ窒化物、ホウ炭窒化
物から選ばれる一種以上を積層被覆した多重層で構成さ
れ、外層が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸
化ハフニウム、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化チタン
から選ばれる一種以上の単層または多重層で構成されて
おり、前記内層の第２層に含まれる炭窒化チタンが、母
材側から上層側に向けてテーパー形状の柱状結晶粒から
構成され、その膜厚（ｔμｍ）と平均結晶粒径（ｄμ
ｍ）との関係が、上記の関係を満足するものである。こ
こで、母材となる硬質合金としては、通常用いられる炭
化タングステン基超硬合金又はサーメットを用いる。ま
た母材に接する第１層はＴｉＮあることが好ましく、特
に厚み０．１μｍ以上、２．０μｍ以下のＴｉＮとする
ことが好ましい。この場合、外層が酸化アルミニウム、
炭化チタン、単窒化チタン、窒化チタンから選ばれる一
種以上の単層または多重層で構成することが好ましい。
題点を解決するために種々検討を加えた結果、多層被膜
中に形成されるＴｉＣＮ膜について、その構造が母材側
から上層側に向けてテーパー形状の柱状結晶粒から構成
され、その膜厚（ｔμｍ）と平均結晶粒径（ｄμｍ）と
の関係が、次の通りとなっていることが好ましいことを
見いだした。 ・膜厚が２．０μｍ以下のとき、ｄ＝ｃ＋ｋｔであり、
０．０１≦ｃ≦０．１、０．０２≦ｋ≦０．２ ・膜厚が２．０μｍを越え、１０μｍ以下のとき、ｄ＝
ｃ＋ｋ（ｔ−２）であり、０．０５≦ｃ≦０．５、０≦
ｋ≦０．１ 即ち、本発明は、主たる成分として元素周期率表におけ
るＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒
化物のうち少なくとも１種以上の硬質相を、周期率表の
ＶＩＩＩ族の金属により焼結した硬質合金よりなる母材
の表面に化学蒸着法によってセラミックス被膜を形成し
た被覆切削工具において、内層が、母材と接する第１層
が窒化チタン、炭窒化チタン、炭化チタンのうちのいず
れか１種であり、その上の第２層が必ず炭窒化チタンを
含みチタンの炭化物、窒化物、ホウ窒化物、ホウ炭窒化
物から選ばれる一種以上を積層被覆した多重層で構成さ
れ、外層が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸
化ハフニウム、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化チタン
から選ばれる一種以上の単層または多重層で構成されて
おり、前記内層の第２層に含まれる炭窒化チタンが、母
材側から上層側に向けてテーパー形状の柱状結晶粒から
構成され、その膜厚（ｔμｍ）と平均結晶粒径（ｄμ
ｍ）との関係が、上記の関係を満足するものである。こ
こで、母材となる硬質合金としては、通常用いられる炭
化タングステン基超硬合金又はサーメットを用いる。ま
た母材に接する第１層はＴｉＮあることが好ましく、特
に厚み０．１μｍ以上、２．０μｍ以下のＴｉＮとする
ことが好ましい。この場合、外層が酸化アルミニウム、
炭化チタン、単窒化チタン、窒化チタンから選ばれる一
種以上の単層または多重層で構成することが好ましい。
【０００５】
【作用】本発明の重要な特徴は内層の第２層に含まれる
ＴｉＣＮ膜を特定の構造とする点にある。この理由を以
下に述べる。既に述べた様に、ＴｉＣＮ膜が母材側から
上層側に向けてテーパー形状の結晶粒から構成され、そ
の膜厚（ｔμｍ）と平均結晶粒径（ｄμｍ）との関係が ・膜厚が２．０μｍ以下のとき、ｄ＝ｃ＋ｋｔであり、
０．０１≦ｃ≦０．１、０．０２≦ｋ≦０．２ ・膜厚が２．０μｍを越え、１０μｍ以下のとき、ｄ＝
ｃ＋ｋ（ｔ−２）であり、０．０５≦ｃ≦０．５、０≦
ｋ≦０．１ の関係になっている皮膜が最適である。
ＴｉＣＮ膜を特定の構造とする点にある。この理由を以
下に述べる。既に述べた様に、ＴｉＣＮ膜が母材側から
上層側に向けてテーパー形状の結晶粒から構成され、そ
の膜厚（ｔμｍ）と平均結晶粒径（ｄμｍ）との関係が ・膜厚が２．０μｍ以下のとき、ｄ＝ｃ＋ｋｔであり、
０．０１≦ｃ≦０．１、０．０２≦ｋ≦０．２ ・膜厚が２．０μｍを越え、１０μｍ以下のとき、ｄ＝
ｃ＋ｋ（ｔ−２）であり、０．０５≦ｃ≦０．５、０≦
ｋ≦０．１ の関係になっている皮膜が最適である。
【０００６】具体的に言うと、ＴｉＣＮ膜の成長がテー
パー状であるが、成長に伴った柱状結晶の太さの増大が
わずかであることを意味する。ＴｉＣＮ膜をこの様な微
細な柱状結晶とすることで、被膜表面の凹凸が少なくな
り、被削材との摩擦において安定した摩耗が得られる。
また、柱状晶が太い場合に比べて損傷が小規模であり、
正常摩耗により寿命に達することがわかった。なお、こ
こで言う平均結晶粒径とは、テーパー形状の結晶の太さ
のことである。平均結晶粒径の評価は、例えば走査型電
子顕微鏡により撮影された破断面あるいは研磨後のエッ
チング面の写真において、決まった寸法の視野の中に見
える結晶粒の本数を数えることにより実施される。例え
ば１０μｍ幅の視野の中に１００本の結晶粒が見られた
時には、観察した幅である１０μｍを１００で割ること
によって、０．１μｍと評価される。このとき、視野か
らわずかでもはみ出した結晶粒については、０．５と数
えるものとする。ちろん薄片に加工した試料を透過型電
子顕微鏡で観察する方法などの方法を用いても構わな
い。いずれも適切な倍率で撮影した写真から、結晶粒径
を算出する。但し、Ｘ線回折法による結晶粒径の算出
は、計算値が皮膜の残留応力等に影響され易いため、好
ましくない。この様にして測定された結晶粒径とＴｉＣ
Ｎ被膜厚みから、皮膜厚みと結晶粒径との相関を調査す
ればよい。
パー状であるが、成長に伴った柱状結晶の太さの増大が
わずかであることを意味する。ＴｉＣＮ膜をこの様な微
細な柱状結晶とすることで、被膜表面の凹凸が少なくな
り、被削材との摩擦において安定した摩耗が得られる。
また、柱状晶が太い場合に比べて損傷が小規模であり、
正常摩耗により寿命に達することがわかった。なお、こ
こで言う平均結晶粒径とは、テーパー形状の結晶の太さ
のことである。平均結晶粒径の評価は、例えば走査型電
子顕微鏡により撮影された破断面あるいは研磨後のエッ
チング面の写真において、決まった寸法の視野の中に見
える結晶粒の本数を数えることにより実施される。例え
ば１０μｍ幅の視野の中に１００本の結晶粒が見られた
時には、観察した幅である１０μｍを１００で割ること
によって、０．１μｍと評価される。このとき、視野か
らわずかでもはみ出した結晶粒については、０．５と数
えるものとする。ちろん薄片に加工した試料を透過型電
子顕微鏡で観察する方法などの方法を用いても構わな
い。いずれも適切な倍率で撮影した写真から、結晶粒径
を算出する。但し、Ｘ線回折法による結晶粒径の算出
は、計算値が皮膜の残留応力等に影響され易いため、好
ましくない。この様にして測定された結晶粒径とＴｉＣ
Ｎ被膜厚みから、皮膜厚みと結晶粒径との相関を調査す
ればよい。
【０００７】またＣＶＤ法によるＴｉＣＮ皮膜を母材表
面に直接被覆するのではなく、ＴｉＮ皮膜を介して被覆
することで、ＴｉＣＮ被膜の密着強度が安定するため、
より好ましい。この時のＴｉＮ膜の厚みを０．１μｍ以
上、２．０μｍ以下とした時に、密着強度の向上と耐摩
耗性の向上が両立できる。ＴｉＮ皮膜が０．１μｍより
も薄いと、連続した膜とならず、密着度を安定化すると
いう機能を発揮しないため、ＴｉＮ皮膜の膜厚は０．１
μｍ以上であることが好ましい。また第１層のＴｉＮ膜
の厚みが２．０μｍを越えると、工具としての耐摩耗性
がかえって低下するため、２．０μｍ以下であることが
好ましい。しかしＴｉＮ膜を炭素含有母材表面に形成し
た場合、被膜形成中あるいは形成後に母材から供給され
る炭素を吸って、ＴｉＮ膜中に若干の炭素が混じる場合
がある。この様なＴｉＮ膜は炭素含有量に応じてその色
調が金色から紫あるいは褐色に変化することが知られて
いる。本発明における第１層のＴｉＮ膜とは、その色調
が明らかに金色のものを指す。母材から炭素を吸って紫
色あるいは褐色に変色したＴｉＮ膜は、その特性を十分
発揮できない。
面に直接被覆するのではなく、ＴｉＮ皮膜を介して被覆
することで、ＴｉＣＮ被膜の密着強度が安定するため、
より好ましい。この時のＴｉＮ膜の厚みを０．１μｍ以
上、２．０μｍ以下とした時に、密着強度の向上と耐摩
耗性の向上が両立できる。ＴｉＮ皮膜が０．１μｍより
も薄いと、連続した膜とならず、密着度を安定化すると
いう機能を発揮しないため、ＴｉＮ皮膜の膜厚は０．１
μｍ以上であることが好ましい。また第１層のＴｉＮ膜
の厚みが２．０μｍを越えると、工具としての耐摩耗性
がかえって低下するため、２．０μｍ以下であることが
好ましい。しかしＴｉＮ膜を炭素含有母材表面に形成し
た場合、被膜形成中あるいは形成後に母材から供給され
る炭素を吸って、ＴｉＮ膜中に若干の炭素が混じる場合
がある。この様なＴｉＮ膜は炭素含有量に応じてその色
調が金色から紫あるいは褐色に変化することが知られて
いる。本発明における第１層のＴｉＮ膜とは、その色調
が明らかに金色のものを指す。母材から炭素を吸って紫
色あるいは褐色に変色したＴｉＮ膜は、その特性を十分
発揮できない。
【０００８】本発明に該当する工具を試作し、切削試験
における逃げ面摩耗性を評価した結果は、実施例におい
て詳しく説明されるが、被膜構造と切削時の損傷状態に
ついては、概ね以下の傾向がある。 （本発明品）皮膜は正常摩耗を示し、皮膜の耐摩耗性、
耐剥離性共に高いために、非常に長い工具寿命を示す。 （従来品１）ＴｉＣＮ膜の断面が明瞭な柱状構造を持た
ないか、あるいは本発明品よりも細い柱状構造を持った
場合、皮膜の摩耗性が低く、皮膜の正常摩耗から母材の
露出、溶着、異常摩耗と急速に進展する。 （従来品２）ＴｉＣＮ膜の断面が、本発明品よりも太い
テーパー状あるいは粒状である場合、本発明品と同様に
皮膜の耐摩耗性が高く、工具寿命は概ね長いが、しばし
ば皮膜が局部的に欠け等の異常摩耗を生じ、母材の異常
損傷を引き起こす。 本発明品の皮膜は、耐摩耗性に優れると共に、安定して
正常摩耗を示すために、工具の異常摩耗を生じることが
ない。比較例１の皮膜は、ＴｉＣＮ皮膜の結晶性が低
く、皮膜を構成する粒子同志の結合が弱いために、皮膜
が崩れながら摩耗しているものと推定される。一方比較
例２の皮膜は耐摩耗性に優れるものの、結晶粒径が大き
いために皮膜が大規模に破壊する傾向があり、工具切れ
刃のチッピング等の異常摩耗につながっているものと推
定される。
における逃げ面摩耗性を評価した結果は、実施例におい
て詳しく説明されるが、被膜構造と切削時の損傷状態に
ついては、概ね以下の傾向がある。 （本発明品）皮膜は正常摩耗を示し、皮膜の耐摩耗性、
耐剥離性共に高いために、非常に長い工具寿命を示す。 （従来品１）ＴｉＣＮ膜の断面が明瞭な柱状構造を持た
ないか、あるいは本発明品よりも細い柱状構造を持った
場合、皮膜の摩耗性が低く、皮膜の正常摩耗から母材の
露出、溶着、異常摩耗と急速に進展する。 （従来品２）ＴｉＣＮ膜の断面が、本発明品よりも太い
テーパー状あるいは粒状である場合、本発明品と同様に
皮膜の耐摩耗性が高く、工具寿命は概ね長いが、しばし
ば皮膜が局部的に欠け等の異常摩耗を生じ、母材の異常
損傷を引き起こす。 本発明品の皮膜は、耐摩耗性に優れると共に、安定して
正常摩耗を示すために、工具の異常摩耗を生じることが
ない。比較例１の皮膜は、ＴｉＣＮ皮膜の結晶性が低
く、皮膜を構成する粒子同志の結合が弱いために、皮膜
が崩れながら摩耗しているものと推定される。一方比較
例２の皮膜は耐摩耗性に優れるものの、結晶粒径が大き
いために皮膜が大規模に破壊する傾向があり、工具切れ
刃のチッピング等の異常摩耗につながっているものと推
定される。
【０００９】これらの各皮膜の特性の具体的な内容は実
施例において詳しく説明するが、いずれにしても、特許
請求の範囲に記載した特性を有するＴｉＣＮ膜は、安定
して優れた切削性能を示す工具を得るために必要なもの
である。また、本明細書においては、母材を炭化タング
ステン基超硬合金についてのみ記したが、炭窒化チタン
基の硬質相を金属結合相で焼結したサーメットにおいて
も、全く同じ効果が得られる。したがって、本発明の工
具における皮膜構造は、超硬合金以外にも炭窒化チタン
基サーメットにも適用可能である。
施例において詳しく説明するが、いずれにしても、特許
請求の範囲に記載した特性を有するＴｉＣＮ膜は、安定
して優れた切削性能を示す工具を得るために必要なもの
である。また、本明細書においては、母材を炭化タング
ステン基超硬合金についてのみ記したが、炭窒化チタン
基の硬質相を金属結合相で焼結したサーメットにおいて
も、全く同じ効果が得られる。したがって、本発明の工
具における皮膜構造は、超硬合金以外にも炭窒化チタン
基サーメットにも適用可能である。
【００１０】
（実施例１）ＣＮＭＧ１２０４０８の形状の超硬合金
（ＩＳＯ Ｐ１０）の表面に、公知の熱ＣＶＤ法により
厚み０．５μｍのＴｉＮ膜を形成した後に、公知のＣＶ
Ｄ法によりＴｉＣＮ皮膜を４μｍ形成した。ＴｉＮ膜の
形成条件は、ＴｉＣｌ4 ：１．５％、Ｎ2 ：６０％、Ｈ
2 ：残、（いずれも流量モル比）、総流量２０リットル
／分、基板温度９００℃、反応槽圧力５００Ｔｏｒｒと
し、窒素の分圧を高めにすることでＴｉＮ膜が母材から
炭素を吸う現象を抑えた。一方ＴｉＣＮ膜の形成状件
は、ＴｉＣｌ4 ：１．５％、ＣＨ4 ：３％、Ｎ2 ：２
％、Ｈ2 ：残、（いずれも流量モル比）、総流量２０リ
ットル／分、基板温度９８０℃、反応槽圧力５０Ｔｏｒ
ｒとし、公知条件に対してより低圧力で被膜形成を行な
うことで、結晶成長時に柱状結晶が太く成長しない様に
配慮した。この上にＴｉＣ（３μｍ）、ＴｉＢＮ（０．
５μｍ）、Ａｌ2 Ｏ3 （１．５μｍ）、ＴｉＮ（０．５
μｍ）の順に被膜を形成し、本発明の膜構造を持った工
具（本発明品１）を試作した。また第１層ＴｉＮ膜を入
れずに母材表面に直接ＴｉＣＮを０．５μｍ厚みで形成
し、引き続き上記条件でＴｉＣＮを積層被覆したもの
（本発明品２）も試作した。平均結晶粒系の評価は、皮
膜の断面を研磨して平滑にし、弗酸と硝酸の混合液を用
いてエッチングして結晶粒界を出し、これを走査型電子
顕微鏡を用いて観察し、評価した。この結果本発明品１
及び２におけるＴｉＣＮ被膜は、いずれも本発明の範囲
の結晶粒の大きさを有していた。また本発明品２におい
ては、第１層ＴｉＮ膜が明らかに金色の色調を持ってお
り、母材からの炭素拡散による変色は全く認められなか
った。
（ＩＳＯ Ｐ１０）の表面に、公知の熱ＣＶＤ法により
厚み０．５μｍのＴｉＮ膜を形成した後に、公知のＣＶ
Ｄ法によりＴｉＣＮ皮膜を４μｍ形成した。ＴｉＮ膜の
形成条件は、ＴｉＣｌ4 ：１．５％、Ｎ2 ：６０％、Ｈ
2 ：残、（いずれも流量モル比）、総流量２０リットル
／分、基板温度９００℃、反応槽圧力５００Ｔｏｒｒと
し、窒素の分圧を高めにすることでＴｉＮ膜が母材から
炭素を吸う現象を抑えた。一方ＴｉＣＮ膜の形成状件
は、ＴｉＣｌ4 ：１．５％、ＣＨ4 ：３％、Ｎ2 ：２
％、Ｈ2 ：残、（いずれも流量モル比）、総流量２０リ
ットル／分、基板温度９８０℃、反応槽圧力５０Ｔｏｒ
ｒとし、公知条件に対してより低圧力で被膜形成を行な
うことで、結晶成長時に柱状結晶が太く成長しない様に
配慮した。この上にＴｉＣ（３μｍ）、ＴｉＢＮ（０．
５μｍ）、Ａｌ2 Ｏ3 （１．５μｍ）、ＴｉＮ（０．５
μｍ）の順に被膜を形成し、本発明の膜構造を持った工
具（本発明品１）を試作した。また第１層ＴｉＮ膜を入
れずに母材表面に直接ＴｉＣＮを０．５μｍ厚みで形成
し、引き続き上記条件でＴｉＣＮを積層被覆したもの
（本発明品２）も試作した。平均結晶粒系の評価は、皮
膜の断面を研磨して平滑にし、弗酸と硝酸の混合液を用
いてエッチングして結晶粒界を出し、これを走査型電子
顕微鏡を用いて観察し、評価した。この結果本発明品１
及び２におけるＴｉＣＮ被膜は、いずれも本発明の範囲
の結晶粒の大きさを有していた。また本発明品２におい
ては、第１層ＴｉＮ膜が明らかに金色の色調を持ってお
り、母材からの炭素拡散による変色は全く認められなか
った。
【００１１】本発明品に対して、トータル膜厚を１０μ
ｍに揃えた３種類の比較用工具を作製した。 比較例１：下地ＴｉＮを３μｍ形成したもの（ＴｉＣＮ
厚みを１．５μｍとした） 比較例２：ＴｉＣＮ膜が本発明品よりも細いテーパー状
結晶から構成されているもの 比較例３：ＴｉＣＮ膜が本発明品よりも太いテーパー状
結晶から構成されているもの ２つの本発明品及び３つの比較例について、表１に示す
条件で切削試験を実施した。結果を表２に示す。この試
験では、母材との密着性、皮膜の耐欠損性について評価
した。
ｍに揃えた３種類の比較用工具を作製した。 比較例１：下地ＴｉＮを３μｍ形成したもの（ＴｉＣＮ
厚みを１．５μｍとした） 比較例２：ＴｉＣＮ膜が本発明品よりも細いテーパー状
結晶から構成されているもの 比較例３：ＴｉＣＮ膜が本発明品よりも太いテーパー状
結晶から構成されているもの ２つの本発明品及び３つの比較例について、表１に示す
条件で切削試験を実施した。結果を表２に示す。この試
験では、母材との密着性、皮膜の耐欠損性について評価
した。
【００１２】
【表１】
【００１３】
【表２】
【００１４】表２からもわかる様に、本発明品は、耐摩
耗性に優れると同時に耐剥離性、耐欠損性にもすぐれる
ことがわかる。一方、第１層ＴｉＮが厚い場合（比較例
１）は、耐剥離性は優れるものの、耐摩耗性にやや劣
る。次にＴｉＣＮ膜が本発明品よりも細いテーパー状結
晶から構成されている場合（比較例２）は、耐摩耗性に
劣り、寿命が短かった。最後にＴｉＣＮ膜が本発明品よ
りも太いテーパー状結晶から構成されている場合（比較
例３）は、概ね良好な耐摩耗性と耐剥離性を示したが、
刃先部に欠けが見られ、摩耗が乱れ易く、寿命がばらつ
くことがわかった。
耗性に優れると同時に耐剥離性、耐欠損性にもすぐれる
ことがわかる。一方、第１層ＴｉＮが厚い場合（比較例
１）は、耐剥離性は優れるものの、耐摩耗性にやや劣
る。次にＴｉＣＮ膜が本発明品よりも細いテーパー状結
晶から構成されている場合（比較例２）は、耐摩耗性に
劣り、寿命が短かった。最後にＴｉＣＮ膜が本発明品よ
りも太いテーパー状結晶から構成されている場合（比較
例３）は、概ね良好な耐摩耗性と耐剥離性を示したが、
刃先部に欠けが見られ、摩耗が乱れ易く、寿命がばらつ
くことがわかった。
【００１５】（実施例２）ＩＳＯ Ｐ３０のＣＮＭＧ１
２０４０８（チップブレーカー付き）の形状の超硬合金
を母材として用い、この表面に表３に示す構造の被覆層
を形成した。ここで、本発明品における第１層ＴｉＮ膜
は実施例１に記載した条件と同じとし、第２層ＴｉＣＮ
膜の形成は、アセトニトリル（ＣＨ3 ＣＮ）を用いたＭ
Ｔ−ＣＶＤ法により行った。ＭＴ−ＣＶＤ時のコーティ
ング条件としては、アセトニトリルに対するＴｉＣｌ4
のモル比率を約２．５と低く設定し、ＴｉＣＮ膜成長時
に柱状結晶が太く成長しない様に配慮した。この結果Ｔ
ｉＣＮ膜は実施例１の本発明品とほぼ同じ被覆構造を持
っていた。また本発明品である工具においては、第１層
ＴｉＮ膜が明らかに金色の色調を持っており、母材から
の炭素拡散による変色は認められなかった。他方、比較
例２及び３では、ＴｉＣＮ被膜形成時のガス比率をそれ
ぞれ変えたことで、比較例２はＴｉＣＮ膜が本発明品よ
りも細いテーパー状結晶から構成されており、比較例３
ではＴｉＣＮ膜が本発明品よりも太いテーパー状結晶か
ら構成されていた。なお本発明品と同様に、全ての比較
例におけるＴｉＣＮ膜の形成はＭＴ−ＣＶＤ法により行
った。その他の膜については、公知の熱ＣＶＤ法により
皮膜形成を行った。
２０４０８（チップブレーカー付き）の形状の超硬合金
を母材として用い、この表面に表３に示す構造の被覆層
を形成した。ここで、本発明品における第１層ＴｉＮ膜
は実施例１に記載した条件と同じとし、第２層ＴｉＣＮ
膜の形成は、アセトニトリル（ＣＨ3 ＣＮ）を用いたＭ
Ｔ−ＣＶＤ法により行った。ＭＴ−ＣＶＤ時のコーティ
ング条件としては、アセトニトリルに対するＴｉＣｌ4
のモル比率を約２．５と低く設定し、ＴｉＣＮ膜成長時
に柱状結晶が太く成長しない様に配慮した。この結果Ｔ
ｉＣＮ膜は実施例１の本発明品とほぼ同じ被覆構造を持
っていた。また本発明品である工具においては、第１層
ＴｉＮ膜が明らかに金色の色調を持っており、母材から
の炭素拡散による変色は認められなかった。他方、比較
例２及び３では、ＴｉＣＮ被膜形成時のガス比率をそれ
ぞれ変えたことで、比較例２はＴｉＣＮ膜が本発明品よ
りも細いテーパー状結晶から構成されており、比較例３
ではＴｉＣＮ膜が本発明品よりも太いテーパー状結晶か
ら構成されていた。なお本発明品と同様に、全ての比較
例におけるＴｉＣＮ膜の形成はＭＴ−ＣＶＤ法により行
った。その他の膜については、公知の熱ＣＶＤ法により
皮膜形成を行った。
【００１６】
【表３】
【００１７】表３に示した試料について、表４に示す切
削条件にて切削試験を実施した。
削条件にて切削試験を実施した。
【表４】
【００１８】切削試験の結果を表５に示す。
【表５】
【００１９】表５より、本発明品１〜３は、耐摩耗性、
耐剥離性共に優れており、安定した寿命が得られること
がわかる。これに対して、下地ＴｉＮ膜の厚みが厚い場
合（比較例１）は、実施例１においても確認した様に、
耐摩耗性に劣るという結果が得られた。次にＴｉＣＮ膜
を構成する柱状結晶の平均粒径及び皮膜の硬度が本発明
品に該当しない場合（比較例２及び３）は、切削中に皮
膜が大規模に破壊し易く、欠けを生じた。これらの比較
例は全て耐摩耗性と耐剥離性を両方満足させておらず、
切削工具としては性能的に劣ることがわかる。
耐剥離性共に優れており、安定した寿命が得られること
がわかる。これに対して、下地ＴｉＮ膜の厚みが厚い場
合（比較例１）は、実施例１においても確認した様に、
耐摩耗性に劣るという結果が得られた。次にＴｉＣＮ膜
を構成する柱状結晶の平均粒径及び皮膜の硬度が本発明
品に該当しない場合（比較例２及び３）は、切削中に皮
膜が大規模に破壊し易く、欠けを生じた。これらの比較
例は全て耐摩耗性と耐剥離性を両方満足させておらず、
切削工具としては性能的に劣ることがわかる。
【００２０】（実施例３）ＩＳＯ Ｐ０１のＣＮＭＧ１
２０４０８の形状の炭窒化チタン基サーメットを母材と
して用い、この表面に表６に示す構造の被覆層を形成し
た。ここで、本発明品における第１層ＴｉＮ膜及び第２
層ＴｉＣＮ膜の形成は、実施例１に記載の本発明品の被
膜形成条件にて実施した。比較例では、実施例１の比較
例１と同様に、第１層ＴｉＮ厚みを厚くし、その上にＴ
ｉＣＮ膜の形成を行った。また比較例２及び３における
ＴｉＣＮ膜の形成は、実施例１の比較例２と同様に、Ｔ
ｉＣＮ膜の結晶粒の太さを本発明の範囲よりも細いもの
と太いものとなる様に被膜の形成を行った。その他の膜
については、従来の熱ＣＶＤ法により被膜形成を行っ
た。
２０４０８の形状の炭窒化チタン基サーメットを母材と
して用い、この表面に表６に示す構造の被覆層を形成し
た。ここで、本発明品における第１層ＴｉＮ膜及び第２
層ＴｉＣＮ膜の形成は、実施例１に記載の本発明品の被
膜形成条件にて実施した。比較例では、実施例１の比較
例１と同様に、第１層ＴｉＮ厚みを厚くし、その上にＴ
ｉＣＮ膜の形成を行った。また比較例２及び３における
ＴｉＣＮ膜の形成は、実施例１の比較例２と同様に、Ｔ
ｉＣＮ膜の結晶粒の太さを本発明の範囲よりも細いもの
と太いものとなる様に被膜の形成を行った。その他の膜
については、従来の熱ＣＶＤ法により被膜形成を行っ
た。
【００２１】
【表６】
【００２２】表６に示した試料について、表７に示す切
削条件にて切削試験を実施した結果を表８に示す。
削条件にて切削試験を実施した結果を表８に示す。
【表７】
【００２３】
【表８】
【００２４】表８より、本発明品は体摩耗性、耐剥離性
共に優れており、安定した寿命が得られていることがわ
かる。これに対して、下地ＴｉＮ膜が厚い場合は、実施
例１においても確認したように、耐摩耗性に劣るという
結果が得られた。次にＴｉＣＮ膜を構成する柱状結晶の
平均粒径が本発明品に該当しない場合は、切削中に異常
摩耗を生じやすく、欠けを生じた。これらの比較例はい
ずれも耐摩耗性と耐剥離性を両方満足させておらず、切
削工具としては性能的に劣ることがわかる。
共に優れており、安定した寿命が得られていることがわ
かる。これに対して、下地ＴｉＮ膜が厚い場合は、実施
例１においても確認したように、耐摩耗性に劣るという
結果が得られた。次にＴｉＣＮ膜を構成する柱状結晶の
平均粒径が本発明品に該当しない場合は、切削中に異常
摩耗を生じやすく、欠けを生じた。これらの比較例はい
ずれも耐摩耗性と耐剥離性を両方満足させておらず、切
削工具としては性能的に劣ることがわかる。
【００２５】
【発明の効果】以上記した様に、本発明の被覆切削工具
は、従来の被覆切削工具に比較し、被覆層全体の耐摩耗
性が高いだけでなく、被覆膜表面が平滑であり、切削時
の耐剥離性にも優れている。つまり、従来提案されてい
た膜構造ではＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜の持つ特徴を引
き出すことが困難であったのに対して、下地中間層Ｔｉ
Ｎを特定の厚みで挿入すること、及び特定の構造を持っ
たＴｉＣＮ皮膜を形成することで、被覆切削工具の性能
を安定させることが可能となった。以上の点を加味した
積層皮膜を超硬合金あるいはサーメット基材上に形成す
ることで、前記の様な優れた性能を持った切削工具を容
易に製造することができる。
は、従来の被覆切削工具に比較し、被覆層全体の耐摩耗
性が高いだけでなく、被覆膜表面が平滑であり、切削時
の耐剥離性にも優れている。つまり、従来提案されてい
た膜構造ではＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜の持つ特徴を引
き出すことが困難であったのに対して、下地中間層Ｔｉ
Ｎを特定の厚みで挿入すること、及び特定の構造を持っ
たＴｉＣＮ皮膜を形成することで、被覆切削工具の性能
を安定させることが可能となった。以上の点を加味した
積層皮膜を超硬合金あるいはサーメット基材上に形成す
ることで、前記の様な優れた性能を持った切削工具を容
易に製造することができる。
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭62−99467（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−8010（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−106402（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−108254（ＪＰ，Ａ)
特開 昭64−83662（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−236779（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B23B 27/14
C23C 16/34
C23C 16/36
C23C 16/40
Claims (3)
- 【請求項１】 主たる成分として元素周期率表における
ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化
物のうち少なくとも１種以上の硬質相を、周期率表のＶ
ＩＩＩ族の金属により焼結した硬質合金よりなる母材の
表面に化学蒸着法によってセラミックス被膜を形成した
被覆切削工具において、 内層が、母材と接する第１層が窒化チタン、炭窒化チタ
ン、炭化チタンのうちのいずれか１種であり、その上の
第２層が必ず炭窒化チタンを含みチタンの炭化物、窒化
物、ホウ窒化物、ホウ炭窒化物から選ばれる一種以上を
積層被覆した多重層で構成され、外層が、酸化アルミニ
ウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、炭化チタ
ン、炭窒化チタン、窒化チタンから選ばれる一種以上の
単層または多重層で構成されており、前記内層の第２層
に含まれる炭窒化チタンが、母材側から上層側に向けて
テーパー形状の柱状結晶粒から構成され、その膜厚（ｔ
μｍ）と平均結晶粒径（ｄμｍ）との関係が、 ・膜厚が２．０μｍ以下のとき、ｄ＝ｃ＋ｋｔであり、
０．０１≦ｃ≦０．１、０．０２≦ｋ≦０．２ ・膜厚が２．０μｍを越え、１０μｍ以下のとき、ｄ＝
ｃ＋ｋ（ｔ−２）であり、０．０５≦ｃ≦０．５、０≦
ｋ≦０．１ の関係になっていることを特徴とする被覆切削工具。 - 【請求項２】 母材と接する内層の第１層が窒化チタン
であることを特徴とする請求項１記載の被覆切削工具。 - 【請求項３】 母材と接する内層の第１層が、厚み０．
１μｍ以上、２．０μｍ以下の窒化チタンであり、外層
が酸化アルミニウム、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化
チタンから選ばれる一種以上の単層また多重層で構成さ
れていることを特徴とする請求項１記載の被覆切削工
具。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21480794A JP3371564B2 (ja) | 1994-09-08 | 1994-09-08 | 被覆超硬合金部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21480794A JP3371564B2 (ja) | 1994-09-08 | 1994-09-08 | 被覆超硬合金部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0871814A JPH0871814A (ja) | 1996-03-19 |
| JP3371564B2 true JP3371564B2 (ja) | 2003-01-27 |
Family
ID=16661854
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21480794A Ceased JP3371564B2 (ja) | 1994-09-08 | 1994-09-08 | 被覆超硬合金部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3371564B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4437353B2 (ja) * | 2000-03-30 | 2010-03-24 | 株式会社タンガロイ | 被覆切削工具およびその製造方法 |
-
1994
- 1994-09-08 JP JP21480794A patent/JP3371564B2/ja not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0871814A (ja) | 1996-03-19 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RVOP | Cancellation by post-grant opposition |