JP3371804B2 - 耐欠損性にすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
耐欠損性にすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具Info
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Description
成するTi化合物層と酸化アルミニウム(以下、Al2
O3 で示す)層がすぐれた層間密着性を有し、したがっ
て例えば鋼や鋳鉄などの断続切削を高送りや高切り込み
などの重切削条件で行った場合にも硬質被覆層に剥離の
発生がなく、この結果前記剥離が原因の欠けやチッピン
グ(微小欠け)などの欠損の発生が著しく抑制されるよ
うになることから、使用寿命の長期に亘る延命化を可能
ならしめる表面被覆超硬合金製切削工具(以下、被覆超
硬工具という)に関するものである。 【0002】 【従来の技術】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、いずれも
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、T
iCNO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、同じく粒状結晶組織を有する、α型
酸化アルミニウム(以下、α−Al2 O3 で示す)層お
よび/またはκ型Al2 O3 層とで構成された硬質被覆
層を3〜20μmの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、例えば鋼や鋳鉄などの連続切削や断
続切削に用いられていることも知られている。また、例
えば特開平3−87369号公報および特開平6−80
08号公報などに記載されるように、上記被覆超硬工具
の硬質被覆層において、通常の化学蒸着装置を用い、1
000℃以上の高温で形成していた上記TiCN層を、
反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用して
700〜950℃の中温温度域で化学蒸着を行うことに
より形成した縦長成長結晶組織を有するTiCN層に代
えることにより硬質被覆層の靭性向上を図り、もって切
刃部に欠けやチッピング(微小欠け)などが発生するの
を著しく抑制した被覆超硬工具も知られている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削加工
の省力化およびエネ化に対する要求は強く、これに伴
い、切削加工は高送りや高切り込みなど重切削化する傾
向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これ
を構成する硬質被覆層のうち、特にAl2 O3 層は耐酸
化性と熱的安定性にすぐれ、さらに高硬度を有するが、
他の構成層であるTi化合物層との層間密着性が不十分
なために、例えば衝撃のきわめて高い鋼や鋳鉄などの断
続切削を高送りや高切り込みなどの重切削条件で行った
場合には硬質被覆層に剥離が発生し易く、これ剥離が原
因で切刃部に欠けやチッピングが発生し、比較的短時間
で使用寿命に至るのが現状である。 【0004】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、被覆超硬工具の硬質被覆層を構
成するAl2 O3 層に着目し、これと他の構成層である
Ti化合物層との層間密着性の向上を図るべく研究を行
った結果、いずれも化学蒸着法を用いて、 (a) 反応ガス組成(容量%で、以下同じ)−TiC
l4 :0.1〜5%、CO2 :0.2〜1%、CH4 :
0.1〜1%、CO:0.1〜1%、HCl:0.1〜
1%、H2 またはH2 +Ar:残り(ただしAr含有の
場合は全体に占める割合で10〜50%)、 雰囲気温度:900〜1100℃、 雰囲気圧力:30〜400Torr、 (b) 反応ガス組成−TiCl4 :0.1〜5%、C
O2 :0.2〜1%、N2 :10〜50%、CO:0.
1〜1%、HCl:0.1〜1%、H2 またはH2 +A
r:残り(ただしAr含有の場合は全体に占める割合で
5〜20%)、 雰囲気温度:900〜1100℃、 雰囲気圧力:30〜400Torr、 以上(a)および(b)の条件で層形成を行うと、光学
顕微鏡組織観察で、実質的に三酸化二チタン(以下、T
i2 O3 で示す)相とTiCO相の2相、またはTi2
O3 相とTiCNO相の2相からなり、かつ前記TiC
O相またはTiCNO相の割合が前記Ti2 O3 相との
合量に占める割合で、光学顕微鏡組織測定で2〜50面
積%であるTi2 O3 系2相構成層が形成されるように
なり、このTi2 O3 系2相構成層を、化学蒸着法およ
び/または物理蒸着法を用いて形成された上記の従来硬
質被覆層を構成するTi化合物層とAl2 O3 層の間に
介在させると、前記Ti2 O3 層系2相構成層は前記T
i化合物層およびAl2 O3層のいずれとも、特にこれ
を構成するTi2 O3 相の作用で著しく強固に密着する
ことから、この結果として前記Ti化合物層とAl2 O
3 層は高い層間密着性をもつようになり、したがって、
例えば鋼や鋳鉄などの断続切削を高送りや高切り込みな
どの重切削条件で行っても、前記Ti2 O3 層系2相構
成層を構成するTiCO相またはTiCNO相が層自体
の強度向上に寄与することと相まって、硬質被覆層に剥
離の発生なく、したがって前記剥離が原因の欠けやチッ
ピングなどの発生もなく、長期に亘ってすぐれた切削性
能を発揮するようになるという研究結果を得たのであ
る。 【0005】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、TiC層、T
iN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、Al2 O3 層とで構成された硬質被覆層を
3〜20μmの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において、前記Ti化合物層
と前記Al2 O3 層の間に介在させて、Ti2 O3 相と
TiCO相の2相、またはTi2 O3 相とTiCNO相
の2相からなり、かつ前記TiCO相またはTiCNO
相の割合が前記Ti2 O3 相との合量に占める割合で、
光学顕微鏡組織測定で2〜50面積%であるTi2 O3
系2相構成層を、0.1〜5μmの平均層厚で化学蒸着
形成してなる、耐欠損性にすぐれた被覆超硬工具に特徴
を有するものである。 【0006】なお、この発明の被覆超硬工具において、
硬質被覆層を構成するTi2 O3 系2相構成層は、上記
の通りこれを構成するTi2 O3 相によってAl2 O3
層とTi化合物層との層間密着性を向上させるが、この
場合他の構成相であるTiCO相またはTiCNO相は
層自体の強度を向上させる作用をもつものであり、した
がって前記TiCO相またはTiCNO相の割合が前記
Ti2 O3 相との合量に占める割合で(以下同じ)、2
面積%未満では層自体に所定の強度を確保することがで
きず、一方その割合が50面積%を越えると、相対的に
Ti2 O3 相の割合が50面積%未満になってしまい、
層間密着性が急激に低下するするようになることから、
その割合を2〜50面積%、望ましくは5〜30面積%
と定めたのである。また、上記Ti2 O3 系2相構成層
の平均層厚を0.1〜5μmとしたのは、その厚さが
0.1μm未満ではAl2 O3 層とTi化合物層との間
に所望の優れた層間密着性を確保することができず、一
方その厚さが5μmを越えると、切刃に欠けやチッピン
グ(微小欠け)が発生し易くなるという理由によるもの
であり、望ましくは0.2〜0.7μmとするのがよ
い。また、硬質被覆層の平均層厚を3〜20μmとした
のは、その層厚が3μm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、一方その層厚が20μm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
いう理由からであり、望ましくは7〜14μmとするの
がよい。 【0007】 【発明の実施の形態】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:2.8μmを有する中粒WC粉末、同4.9μ
mの粗粒WC粉末、同1.5μmの(Ti,W)C(重
量比で、以下同じ、TiC/WC=30/70)粉末、
同1.2μmの(Ti,W)CN(TiC/TiN/W
C=24/20/56)粉末、同1.2μmの(Ta,
Nb)C(TaC/NbC=90/10)粉末、および
同1.1μm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、ISO・CNMG12040
8(超硬基体A〜D用)および同SEEN42AFTN
1(超硬基体E用)に定める形状の圧粉体にプレス成形
し、この圧粉体を同じく表1に示される条件で真空焼結
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Bに対して、100TorrのCH
4 ガス雰囲気中、温度:1400℃に1時間保持後、徐
冷の滲炭処理を施し、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11μmの位置で最大Co含有量:1
5.9重量%、深さ:42μmのCo富化帯域を基体表
面部に形成した。また、上記超硬基体AおよびDには、
焼結したままで、表面部に表面から17μmの位置で最
大Co含有量:9.1重量%、深さ:23μmのCo富
化帯域が形成されており、残りの超硬基体CおよびEに
は、前記Co富化帯域の形成がなく、全体的に均質な組
織をもつものであった。なお、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。 【0008】ついで、これらの超硬基体A〜Eの表面
に、ホーニングを施した状態で、通常の化学蒸着装置を
用い、表2、3(表中の※印TiCNは特開平6−80
10号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつもので
ある)に示される条件にて、表4、5に示される組成お
よび平均層厚の硬質被覆層を形成することにより本発明
被覆超硬工具1〜10、およびTi2 O3 系2相構成層
の形成がない従来被覆超硬工具1〜10をそれぞれ製造
した。なお、本発明被覆超硬工具1〜10の硬質被覆層
を構成するTi2 O3 系2相構成層(表4では、表3の
記号ア〜コの条件で形成されたTi2 O3 系2相構成層
をそれぞれ「記号ア〜記号コ」で示す)について、層形
成後の表面を光学顕微鏡にて組織観察し、かつ画像解析
装置を用いてTiCO相およびTiCNO相の割合を測
定したところ、いずれも目標含有割合と同じ値を示し
た。 【0009】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・SNCM440(硬さ:HB 230)
の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、 切削速度:350m/min.、 切り込み:3mm、 送り:0.3mm/rev.、 切削時間:5分、 の条件での合金鋼の乾式断続高切り込み切削試験、並び
に、 被削材:JIS・SCM440(硬さ:HB 220)の
長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、 切削速度:350m/min.、 切り込み:2mm、 送り:0.45mm/rev.、 切削時間:5分、 の条件での合金鋼の乾式断続高送り切削試験を行い、い
ずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。こ
れらの測定結果を表6に示した。 【0010】 【表1】【0011】 【表2】 【0012】 【表3】【0013】 【表4】【0014】 【表5】【0015】 【表6】【0016】 【発明の効果】表4〜6に示される結果から、硬質被覆
層中のTi化合物層とAl2 O3 層の間にTi2 O3 系
2相構成層を介在させた本発明被覆超硬工具1〜10
は、これの介在がない従来被覆超硬工具1〜10に比し
て、Ti化合物層とAl2 O3 層とがすぐれた層間密着
性を有することから、苛酷な切削条件となる鋼の断続高
送りおよび高切り込みの重切削にも硬質被覆層の剥離が
原因の欠けやチッピングの発生がなく、すぐれた切削性
能を長期に亘って発揮するのに対して、従来被覆超硬工
具1〜10においては、Ti化合物層とAl2 O3 層と
の層間密着性が不十分なために硬質被覆層にいずれも剥
離が発生し、これが欠けやチッピングの原因となり、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、これの硬質被覆
層を構成するTi化合物層とAl2 O3 層とがすぐれた
層間密着性を有するので、例えば鋼や鋳鉄などの通常の
条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特にこれら
の切削をきわめて苛酷な条件となる断続重切削条件で行
っても、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、した
がって切削加工の省力化および省エネ化に十分満足に寄
与するものである。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 炭化タングステン基超硬合金基体の表面
に、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、酸化アルミニウム層とで構成された硬質被覆層を3
〜20μmの平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸
着してなる表面被覆超硬合金製切削工具において、 上記硬質被覆層を構成するTi化合物層と酸化アルミニ
ウム層の間に介在させて、実質的に三酸化二チタン相と
炭酸化チタン相の2相、または三酸化二チタン相と炭窒
酸化チタン相の2相からなり、かつ前記炭酸化チタン相
または炭窒酸化チタン相の割合が前記三酸化二チタン相
との合量に占める割合で、光学顕微鏡組織測定で2〜5
0面積%である三酸化二チタン系2相層を、0.1〜5
μmの平均層厚で化学蒸着形成してなる、耐欠損性にす
ぐれた表面被覆超硬合金製切削工具。
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JP11849298A JP3371804B2 (ja) | 1998-04-28 | 1998-04-28 | 耐欠損性にすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具 |
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