JP3430939B2 - 耐チッピング性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
耐チッピング性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、従来表面被覆超
硬合金製切削工具の硬質被覆層を構成する酸化アルミニ
ウム（以下、Ａｌ2 Ｏ3 で示す）層の改良に係り、これ
を厚膜化してもその層厚が均一化すると共に、靭性低下
がなく、したがって例えば鋼や鋳鉄などの連続切削は勿
論のこと、特に断続切削に用いた場合にも切刃にチッピ
ング（微小欠け）などの発生なく、長期に亘ってすぐれ
た切削性能を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具（以
下、被覆超硬工具と云う）に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、一般に、例えば特開平６−３１５
０３号公報、特開平６−３１６７５８号公報、および特
開平７−２１６５４９号公報などに記載されるように、
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０．１〜１５μｍの平均層厚を
有する、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化
物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、
ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示
す）層、窒酸化物（以下、ＴｉＮＯで示す）層、および
炭窒酸化物（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、０．５〜１５
μｍの平均層厚を有するＡｌ2 Ｏ3 層とで構成され、前
記Ｔｉ化合物層はいずれも粒状結晶組織を有し、また前
記ＴｉＣＮ層には縦長成長結晶組織をもつものもあり、
さらに前記Ａｌ2 Ｏ3 層はα型やκ型などの結晶構造を
もつものである硬質被覆層を３〜２５μｍの全体平均層
厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具が知られている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削加工
のＦＡ化はめざましく、かつ省力化に対する要求も強
く、これに伴い、被覆超硬工具には使用寿命のさらなる
延命化が求められ、これに対応する手段として、これを
構成する硬質被覆層のうち、特に耐酸化性と熱的安定性
にすぐれ、さらに高硬度を有するＡｌ2 Ｏ3 層の厚膜化
が広く検討されているが、前記Ａｌ2 Ｏ3 層は、これを
厚くすると、層厚が局部的に不均一になり、切刃の逃げ
面、すくい面、および前記逃げ面とすくい面の交わるエ
ッジ部の間には層厚に著しいバラツキが発生するように
なり、さらに厚膜化によるＡｌ2 Ｏ3層自体の靭性低下
も避けられず、この結果、例えば鋼や鋳鉄などの断続切
削に用いた場合に切刃にチッピングが発生し易く、これ
が原因で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、特に厚膜化した場合の層
厚の局部的バラツキの減少と靭性低下の抑制を図るべく
研究を行った結果、 （ａ） 化学蒸着法にて、 反応ガス組成（容量％で、以下同じ）−ＴｉＣｌ4 ：：
０．４〜１０％、Ａｒ：１〜３０％、ＣＯ：０．５〜５
％、ＣＯ2 ：０．５〜１０％、Ｎ2 ：１〜４０％、Ｈ
2 ：残り、 雰囲気温度：８００〜１１００℃、 雰囲気圧力：３０〜５００Ｔｏｒｒ、 の条件で蒸着を行うと、主体がＴｉ2 Ｏ3 からなり、か
つ酸素（Ｏ）以外の非金属元素として炭素（Ｃ）および
窒素（Ｎ）を、合量で、Ｏ（酸素）との合量に占める割
合で１〜２０原子％含有するＴｉ2 Ｏ3 主体層、すなわ
ちＣとＮがＴｉ2Ｏ3 を形成するＯとの合量に占める割
合で、合量で１〜２０原子％含有し、残りが実質的にＴ
ｉ2 Ｏ3 ［微量のＣｌ（塩素）を不可避不純物として含
有する場合がある］からなるＴｉ2 Ｏ3 主体層が形成さ
れ、このＴｉ2 Ｏ3 主体層は、Ａｌ2 Ｏ3 層に対する密
着性にすぐれると共に、自身も良好な靭性をもつもので
あること。 （ｂ） したがって、基本的に、所定層厚のＡｌ2 Ｏ3
層を形成した後に、上記のＴｉ2 Ｏ3 主体層を所定層厚
で形成し、さらに再び所定層厚のＡｌ2 Ｏ3 層を形成す
る交互積層構造層、すなわち所定層厚のＡｌ2 Ｏ3 層の
２層以上と、所定層厚のＴｉ2 Ｏ3 主体層の１層以上の
交互積層構造層においては、これを厚膜化しても、これ
を構成するＡｌ2 Ｏ3 層個々の層厚を相対的に薄くする
ことができるので、その層厚に局部的バラツキが著しく
少なくなり、切刃の逃げ面、すくい面、および前記逃げ
面とすくい面の交わるエッジ部の層厚が相互に均一化す
るようになり、加えてＡｌ2 Ｏ3 層自体を厚膜化した場
合に発生する靭性低下が著しく抑制されるようになるこ
と。 （ｃ） この結果硬質被覆層が、それぞれ所定層厚の上
記Ａｌ2 Ｏ3 層の２層以上および上記Ｔｉ2 Ｏ3 主体層
の１層以上の交互積層構造層と、所定層厚の１種または
２種以上からなる上記Ｔｉ化合物層で構成された被覆超
硬工具は、前記Ａｌ2 Ｏ3 層によって、硬質被覆層にす
ぐれた耐酸化性と熱的安定性、および高硬度が確保さ
れ、かつ前記Ｔｉ2 Ｏ3 主体層によって、前記交互積層
構造層に、これを厚膜化しても良好な靭性および層間密
着性が確保されることから、例えば鋼や鋳鉄などの連続
切削は勿論のこと、断続切削に用いた場合にも切刃にチ
ッピングなどの発生なく、長期に亘ってすぐれた切削性
能を発揮するようになること、以上（ａ）〜（ｃ）に示
される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、いずれも０．
１〜１５μｍの平均層厚を有する、ＴｉＣ層、ＴｉＮ
層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉ
ＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合
物層と、交互積層構造層とで構成された硬質被覆層を３
〜２５μｍの全体平均層厚で形成してなる被覆超硬工具
にして、前記交互積層構造層を、０．５〜７μｍの平均
層厚を有するＡｌ2 Ｏ3 層の２層以上と、０．０５〜２
μｍの平均層厚を有し、主体がＴｉ2 Ｏ3 からなり、か
つＯ以外の非金属元素としてＣおよびＮを、合量で、Ｏ
との合量に占める割合で１〜２０原子％含有するＴｉ2
Ｏ3 主体層の１層以上、で構成してなる、特にＡｌ2 Ｏ
3 層を厚膜化した場合の層厚の均一化および靭性低下の
抑制をはかり、これによって切刃の耐チッピング性を向
上せしめ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の硬質被覆
層を構成する交互積層構造層において、Ａｌ2 Ｏ3 層の
個々の平均層厚を０．５〜７μｍとしたのは、その層厚
が０．５μｍ未満では、これを多重積層しても、これの
もつすぐれた耐酸化性と熱的安定性、および高硬度を硬
質被覆層に具備せしめることができず、一方その層厚が
７μｍを越えると、硬質被覆層の層厚の均一化が損なわ
れ、かつ硬質被覆層の靭性が低下するようになるという
理由にもとづくものであり、また同じくＴｉ2Ｏ3 主体
層の個々の平均層厚を０．０５〜２μｍとしたのは、そ
の層厚が０．０５μｍ未満では、Ｔｉ2 Ｏ3 主体層のも
つ上記の特性、すなわちＡｌ2 Ｏ3 層に対するすぐれた
密着性および交互積層構造層を厚膜化した場合の靭性を
確保することができず、一方その層厚が２μｍを越える
と、硬質被覆層の耐摩耗性が急激に低下するようになる
という理由によるものである。また、この場合、Ｔｉ2
Ｏ3 主体層中のＣとＮの含有割合は、反応ガス中のＣ
Ｏ、ＣＯ2 、Ａｒ、およびＮ2 の含有割合を調整するこ
とによって制御でき、さらにＣとＮの相互割合は、Ｃ
Ｏ、ＣＯ2 、およびＮ2 の相互割合を調整することによ
って制御できるものであり、しかもＣとＮは共に層自体
の強度向上に均等作用を発揮するものである。したがっ
てその割合が１原子％未満では所望の強度向上効果が得
られず、一方その２０原子％を越えると層自体の靭性が
低下するようになることから、合量で１〜２０原子％、
望ましくは２〜１０原子％と定めたが、この場合ＣとＮ
の含有割合が、合量で１〜２０原子％の範囲内の所定含
有割合であれば、ＣがＮに比して相対的に多くても、逆
にＣがＮに比して少なくても前記強度向上効果に変りは
ないことから、ＣとＮの合量割合で示した。 【０００７】さらに、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Ｔｉ化合物層の各層には硬質
被覆層の耐欠損性（靭性）を向上させる作用があるが、
その平均層厚が０．１μｍ未満では前記作用に所望の効
果がえられず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると
硬質被覆層自体の摩耗が急激に進行するようになること
から、その平均層厚を０．１〜１５μｍと定めた。ま
た、硬質被覆層の全体平均層厚を３〜２５μｍとしたの
は、その平均層厚が３μｍ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。 【０００８】 【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、同１．
２μｍのＣｒ3 Ｃ2 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・ＣＮＭＧ１２０４０８（超硬基体Ａ〜Ｄ
用）および同ＳＥＥＮ４２ＡＦＴＮ１（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。なお、上記超硬基体
Ａ、Ｂ、およびＣには、焼結したままで、表面部に結合
相形成成分であるＣｏ含有量が超硬基体内部に比して相
対的に高いＣｏ富化帯域が形成されており、残りの超硬
基体Ｄ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。 【０００９】ついで、これらの超硬基体Ａ〜Ｄ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２におけるｌ−ＴｉＣＮは、縦長成
長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであ
り、これ以外の条件で形成された層はいずれも粒状結晶
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本発明被覆超硬工具１〜１
０、およびＴｉ2 Ｏ3 主体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について、それぞれの切刃逃げ面を、Ｃ
ｕｋα線を線源として用いたＸ線回折で、Ｘ線回折パタ
ーンを観察したところ、いずれもＴｉ2 Ｏ3 の回折角
（２θ）である２４．０±１度、３４．５±１度、６
１．０±１度、および６３．０±１度に回折ピークが現
われ、これによってＴｉ 2 Ｏ3 主体層は、主体がＴｉ2
Ｏ3 からなることが確認でき、さらに工具縦断面を鏡面
研磨仕上げした状態で、工具すくい面および逃げ面にお
けるＴｉ2 Ｏ3 主体層のＣおよびＮ含有量を、オージェ
電子分光分析装置を用いて測定したところ、いずれもＴ
ｉ2 Ｏ3 主体層中のＣ、Ｎ、およびＯの合量に占めるＣ
およびＮの合量の割合は表３の目標含有量と実質的に同
じ値を示した。また、硬質被覆層を構成する構成層はい
ずれも目標層厚と実質的に同じ層厚をもつものであっ
た。 【００１０】つぎに、上記本発明被覆超硬工具１、２お
よび従来被覆超硬工具１、２について、 被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の角材、 切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：２ｍｍ、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件でダクタイル鋳鉄の乾式断続切削試験を行い、切
刃の逃げ面摩耗幅を測定した。 【００１１】上記本発明被覆超硬工具３、４および従来
被覆超硬工具３、４については、 被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの角材、 切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：１．５ｍｍ．、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件で炭素鋼の乾式断続切削試験を行い、切刃の逃げ
面摩耗幅を測定した。 【００１２】上記本発明被覆超硬工具５、６および従来
被覆超硬工具５、６については、 被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の角材、 切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：２ｍｍ．、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件で合金鋼の乾式断続切削試験を行い、切刃の逃げ
面摩耗幅を測定した。 【００１３】上記本発明被覆超硬工具７、８および従来
被覆超硬工具７、８については、 被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２００の角材、 切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：２ｍｍ．、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件で鋳鉄の乾式断続切削試験を行い、切刃の逃げ面
摩耗幅を測定した。 【００１４】同じく本発明被覆超硬工具９、１０および
従来被覆超硬工具９、１０については、 被削材：幅１００ｍｍ×長さ５００ｍｍの寸法をもった
ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の角材、 使用条件：直径１２５ｍｍのカッターに単刃取り付け、 回転数：６４０ｒ．ｐ．ｍ．、 切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：２ｍｍ．、 送り：０．２ｍｍ／刃、 切削時間：２パス（１パスの切削時間：４．３分）、 の条件で合金鋼の乾式フライス切削（断続切削）試験を
行い、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。 【００１５】 【表１】 【００１６】 【表２】【００１７】 【表３】 【００１８】 【表４】【００１９】 【表５】 【００２０】 【表６】【００２１】 【発明の効果】表４〜６に示される結果から、硬質被覆
層が、Ａｌ2 Ｏ3 層およびＴｉ2 Ｏ3主体層の交互積層
構造層とＴｉ化合物層からなる本発明被覆超硬工具１〜
１０は、いずれも前記Ｔｉ2 Ｏ3 主体層の作用で前記Ａ
ｌ2 Ｏ3 層を総合的に厚膜化しても硬質被覆層の靭性低
下が著しく抑制され、かつ層厚の局部的バラツキがきわ
めて少なく、切刃の逃げ面、すくい面、および逃げ面と
すくい面の交わるエッジ部の層厚が均一化しているのに
対して、硬質被覆層がＡｌ2 Ｏ3 層とＴｉ化合物層から
なる従来被覆超硬工具１〜１０においては、前記Ａｌ2
Ｏ3 層を厚膜化した場合、硬質被覆層の靭性低下が避け
られず、かつ層厚のバラツキも著しく、この結果として
本発明被覆超硬工具１〜１０は、前記従来被覆超硬工具
１〜１０に比して、鋼および鋳鉄の断続切削で一段とす
ぐれた耐チッピング性を示す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Ａｌ 2 Ｏ3 層はＴｉ2 Ｏ3 主体層との交互
積層による厚膜化なので、硬質被覆層の靭性低下がな
く、さらに層厚の局部的バラツキもきわめて少ないこと
から、例えば鋼や鋳鉄などの連続切削は勿論のこと、特
に断続切削においてすぐれた耐チッピング性を示し、長
期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するので、切削加工
のＦＡ化および省力化に満足に対応することができるも
のである。
硬合金製切削工具の硬質被覆層を構成する酸化アルミニ
ウム（以下、Ａｌ2 Ｏ3 で示す）層の改良に係り、これ
を厚膜化してもその層厚が均一化すると共に、靭性低下
がなく、したがって例えば鋼や鋳鉄などの連続切削は勿
論のこと、特に断続切削に用いた場合にも切刃にチッピ
ング（微小欠け）などの発生なく、長期に亘ってすぐれ
た切削性能を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具（以
下、被覆超硬工具と云う）に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、一般に、例えば特開平６−３１５
０３号公報、特開平６−３１６７５８号公報、および特
開平７−２１６５４９号公報などに記載されるように、
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０．１〜１５μｍの平均層厚を
有する、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化
物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、
ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示
す）層、窒酸化物（以下、ＴｉＮＯで示す）層、および
炭窒酸化物（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、０．５〜１５
μｍの平均層厚を有するＡｌ2 Ｏ3 層とで構成され、前
記Ｔｉ化合物層はいずれも粒状結晶組織を有し、また前
記ＴｉＣＮ層には縦長成長結晶組織をもつものもあり、
さらに前記Ａｌ2 Ｏ3 層はα型やκ型などの結晶構造を
もつものである硬質被覆層を３〜２５μｍの全体平均層
厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具が知られている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削加工
のＦＡ化はめざましく、かつ省力化に対する要求も強
く、これに伴い、被覆超硬工具には使用寿命のさらなる
延命化が求められ、これに対応する手段として、これを
構成する硬質被覆層のうち、特に耐酸化性と熱的安定性
にすぐれ、さらに高硬度を有するＡｌ2 Ｏ3 層の厚膜化
が広く検討されているが、前記Ａｌ2 Ｏ3 層は、これを
厚くすると、層厚が局部的に不均一になり、切刃の逃げ
面、すくい面、および前記逃げ面とすくい面の交わるエ
ッジ部の間には層厚に著しいバラツキが発生するように
なり、さらに厚膜化によるＡｌ2 Ｏ3層自体の靭性低下
も避けられず、この結果、例えば鋼や鋳鉄などの断続切
削に用いた場合に切刃にチッピングが発生し易く、これ
が原因で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、特に厚膜化した場合の層
厚の局部的バラツキの減少と靭性低下の抑制を図るべく
研究を行った結果、 （ａ） 化学蒸着法にて、 反応ガス組成（容量％で、以下同じ）−ＴｉＣｌ4 ：：
０．４〜１０％、Ａｒ：１〜３０％、ＣＯ：０．５〜５
％、ＣＯ2 ：０．５〜１０％、Ｎ2 ：１〜４０％、Ｈ
2 ：残り、 雰囲気温度：８００〜１１００℃、 雰囲気圧力：３０〜５００Ｔｏｒｒ、 の条件で蒸着を行うと、主体がＴｉ2 Ｏ3 からなり、か
つ酸素（Ｏ）以外の非金属元素として炭素（Ｃ）および
窒素（Ｎ）を、合量で、Ｏ（酸素）との合量に占める割
合で１〜２０原子％含有するＴｉ2 Ｏ3 主体層、すなわ
ちＣとＮがＴｉ2Ｏ3 を形成するＯとの合量に占める割
合で、合量で１〜２０原子％含有し、残りが実質的にＴ
ｉ2 Ｏ3 ［微量のＣｌ（塩素）を不可避不純物として含
有する場合がある］からなるＴｉ2 Ｏ3 主体層が形成さ
れ、このＴｉ2 Ｏ3 主体層は、Ａｌ2 Ｏ3 層に対する密
着性にすぐれると共に、自身も良好な靭性をもつもので
あること。 （ｂ） したがって、基本的に、所定層厚のＡｌ2 Ｏ3
層を形成した後に、上記のＴｉ2 Ｏ3 主体層を所定層厚
で形成し、さらに再び所定層厚のＡｌ2 Ｏ3 層を形成す
る交互積層構造層、すなわち所定層厚のＡｌ2 Ｏ3 層の
２層以上と、所定層厚のＴｉ2 Ｏ3 主体層の１層以上の
交互積層構造層においては、これを厚膜化しても、これ
を構成するＡｌ2 Ｏ3 層個々の層厚を相対的に薄くする
ことができるので、その層厚に局部的バラツキが著しく
少なくなり、切刃の逃げ面、すくい面、および前記逃げ
面とすくい面の交わるエッジ部の層厚が相互に均一化す
るようになり、加えてＡｌ2 Ｏ3 層自体を厚膜化した場
合に発生する靭性低下が著しく抑制されるようになるこ
と。 （ｃ） この結果硬質被覆層が、それぞれ所定層厚の上
記Ａｌ2 Ｏ3 層の２層以上および上記Ｔｉ2 Ｏ3 主体層
の１層以上の交互積層構造層と、所定層厚の１種または
２種以上からなる上記Ｔｉ化合物層で構成された被覆超
硬工具は、前記Ａｌ2 Ｏ3 層によって、硬質被覆層にす
ぐれた耐酸化性と熱的安定性、および高硬度が確保さ
れ、かつ前記Ｔｉ2 Ｏ3 主体層によって、前記交互積層
構造層に、これを厚膜化しても良好な靭性および層間密
着性が確保されることから、例えば鋼や鋳鉄などの連続
切削は勿論のこと、断続切削に用いた場合にも切刃にチ
ッピングなどの発生なく、長期に亘ってすぐれた切削性
能を発揮するようになること、以上（ａ）〜（ｃ）に示
される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、いずれも０．
１〜１５μｍの平均層厚を有する、ＴｉＣ層、ＴｉＮ
層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉ
ＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合
物層と、交互積層構造層とで構成された硬質被覆層を３
〜２５μｍの全体平均層厚で形成してなる被覆超硬工具
にして、前記交互積層構造層を、０．５〜７μｍの平均
層厚を有するＡｌ2 Ｏ3 層の２層以上と、０．０５〜２
μｍの平均層厚を有し、主体がＴｉ2 Ｏ3 からなり、か
つＯ以外の非金属元素としてＣおよびＮを、合量で、Ｏ
との合量に占める割合で１〜２０原子％含有するＴｉ2
Ｏ3 主体層の１層以上、で構成してなる、特にＡｌ2 Ｏ
3 層を厚膜化した場合の層厚の均一化および靭性低下の
抑制をはかり、これによって切刃の耐チッピング性を向
上せしめ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の硬質被覆
層を構成する交互積層構造層において、Ａｌ2 Ｏ3 層の
個々の平均層厚を０．５〜７μｍとしたのは、その層厚
が０．５μｍ未満では、これを多重積層しても、これの
もつすぐれた耐酸化性と熱的安定性、および高硬度を硬
質被覆層に具備せしめることができず、一方その層厚が
７μｍを越えると、硬質被覆層の層厚の均一化が損なわ
れ、かつ硬質被覆層の靭性が低下するようになるという
理由にもとづくものであり、また同じくＴｉ2Ｏ3 主体
層の個々の平均層厚を０．０５〜２μｍとしたのは、そ
の層厚が０．０５μｍ未満では、Ｔｉ2 Ｏ3 主体層のも
つ上記の特性、すなわちＡｌ2 Ｏ3 層に対するすぐれた
密着性および交互積層構造層を厚膜化した場合の靭性を
確保することができず、一方その層厚が２μｍを越える
と、硬質被覆層の耐摩耗性が急激に低下するようになる
という理由によるものである。また、この場合、Ｔｉ2
Ｏ3 主体層中のＣとＮの含有割合は、反応ガス中のＣ
Ｏ、ＣＯ2 、Ａｒ、およびＮ2 の含有割合を調整するこ
とによって制御でき、さらにＣとＮの相互割合は、Ｃ
Ｏ、ＣＯ2 、およびＮ2 の相互割合を調整することによ
って制御できるものであり、しかもＣとＮは共に層自体
の強度向上に均等作用を発揮するものである。したがっ
てその割合が１原子％未満では所望の強度向上効果が得
られず、一方その２０原子％を越えると層自体の靭性が
低下するようになることから、合量で１〜２０原子％、
望ましくは２〜１０原子％と定めたが、この場合ＣとＮ
の含有割合が、合量で１〜２０原子％の範囲内の所定含
有割合であれば、ＣがＮに比して相対的に多くても、逆
にＣがＮに比して少なくても前記強度向上効果に変りは
ないことから、ＣとＮの合量割合で示した。 【０００７】さらに、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Ｔｉ化合物層の各層には硬質
被覆層の耐欠損性（靭性）を向上させる作用があるが、
その平均層厚が０．１μｍ未満では前記作用に所望の効
果がえられず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると
硬質被覆層自体の摩耗が急激に進行するようになること
から、その平均層厚を０．１〜１５μｍと定めた。ま
た、硬質被覆層の全体平均層厚を３〜２５μｍとしたの
は、その平均層厚が３μｍ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。 【０００８】 【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、同１．
２μｍのＣｒ3 Ｃ2 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・ＣＮＭＧ１２０４０８（超硬基体Ａ〜Ｄ
用）および同ＳＥＥＮ４２ＡＦＴＮ１（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。なお、上記超硬基体
Ａ、Ｂ、およびＣには、焼結したままで、表面部に結合
相形成成分であるＣｏ含有量が超硬基体内部に比して相
対的に高いＣｏ富化帯域が形成されており、残りの超硬
基体Ｄ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。 【０００９】ついで、これらの超硬基体Ａ〜Ｄ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２におけるｌ−ＴｉＣＮは、縦長成
長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであ
り、これ以外の条件で形成された層はいずれも粒状結晶
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本発明被覆超硬工具１〜１
０、およびＴｉ2 Ｏ3 主体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について、それぞれの切刃逃げ面を、Ｃ
ｕｋα線を線源として用いたＸ線回折で、Ｘ線回折パタ
ーンを観察したところ、いずれもＴｉ2 Ｏ3 の回折角
（２θ）である２４．０±１度、３４．５±１度、６
１．０±１度、および６３．０±１度に回折ピークが現
われ、これによってＴｉ 2 Ｏ3 主体層は、主体がＴｉ2
Ｏ3 からなることが確認でき、さらに工具縦断面を鏡面
研磨仕上げした状態で、工具すくい面および逃げ面にお
けるＴｉ2 Ｏ3 主体層のＣおよびＮ含有量を、オージェ
電子分光分析装置を用いて測定したところ、いずれもＴ
ｉ2 Ｏ3 主体層中のＣ、Ｎ、およびＯの合量に占めるＣ
およびＮの合量の割合は表３の目標含有量と実質的に同
じ値を示した。また、硬質被覆層を構成する構成層はい
ずれも目標層厚と実質的に同じ層厚をもつものであっ
た。 【００１０】つぎに、上記本発明被覆超硬工具１、２お
よび従来被覆超硬工具１、２について、 被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の角材、 切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：２ｍｍ、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件でダクタイル鋳鉄の乾式断続切削試験を行い、切
刃の逃げ面摩耗幅を測定した。 【００１１】上記本発明被覆超硬工具３、４および従来
被覆超硬工具３、４については、 被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの角材、 切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：１．５ｍｍ．、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件で炭素鋼の乾式断続切削試験を行い、切刃の逃げ
面摩耗幅を測定した。 【００１２】上記本発明被覆超硬工具５、６および従来
被覆超硬工具５、６については、 被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の角材、 切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：２ｍｍ．、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件で合金鋼の乾式断続切削試験を行い、切刃の逃げ
面摩耗幅を測定した。 【００１３】上記本発明被覆超硬工具７、８および従来
被覆超硬工具７、８については、 被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２００の角材、 切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：２ｍｍ．、 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件で鋳鉄の乾式断続切削試験を行い、切刃の逃げ面
摩耗幅を測定した。 【００１４】同じく本発明被覆超硬工具９、１０および
従来被覆超硬工具９、１０については、 被削材：幅１００ｍｍ×長さ５００ｍｍの寸法をもった
ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の角材、 使用条件：直径１２５ｍｍのカッターに単刃取り付け、 回転数：６４０ｒ．ｐ．ｍ．、 切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、 切込み：２ｍｍ．、 送り：０．２ｍｍ／刃、 切削時間：２パス（１パスの切削時間：４．３分）、 の条件で合金鋼の乾式フライス切削（断続切削）試験を
行い、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。 【００１５】 【表１】 【００１６】 【表２】【００１７】 【表３】 【００１８】 【表４】【００１９】 【表５】 【００２０】 【表６】【００２１】 【発明の効果】表４〜６に示される結果から、硬質被覆
層が、Ａｌ2 Ｏ3 層およびＴｉ2 Ｏ3主体層の交互積層
構造層とＴｉ化合物層からなる本発明被覆超硬工具１〜
１０は、いずれも前記Ｔｉ2 Ｏ3 主体層の作用で前記Ａ
ｌ2 Ｏ3 層を総合的に厚膜化しても硬質被覆層の靭性低
下が著しく抑制され、かつ層厚の局部的バラツキがきわ
めて少なく、切刃の逃げ面、すくい面、および逃げ面と
すくい面の交わるエッジ部の層厚が均一化しているのに
対して、硬質被覆層がＡｌ2 Ｏ3 層とＴｉ化合物層から
なる従来被覆超硬工具１〜１０においては、前記Ａｌ2
Ｏ3 層を厚膜化した場合、硬質被覆層の靭性低下が避け
られず、かつ層厚のバラツキも著しく、この結果として
本発明被覆超硬工具１〜１０は、前記従来被覆超硬工具
１〜１０に比して、鋼および鋳鉄の断続切削で一段とす
ぐれた耐チッピング性を示す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Ａｌ 2 Ｏ3 層はＴｉ2 Ｏ3 主体層との交互
積層による厚膜化なので、硬質被覆層の靭性低下がな
く、さらに層厚の局部的バラツキもきわめて少ないこと
から、例えば鋼や鋳鉄などの連続切削は勿論のこと、特
に断続切削においてすぐれた耐チッピング性を示し、長
期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するので、切削加工
のＦＡ化および省力化に満足に対応することができるも
のである。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 遠藤 邦博
埼玉県大宮市北袋町１−297 三菱マテ
リアル株式会社 総合研究所内
(56)参考文献 特開 平11−77405（ＪＰ，Ａ)
特表2002−526654（ＪＰ，Ａ)
特許3371823（ＪＰ，Ｂ２)
特許3353675（ＪＰ，Ｂ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B23B 27/14
C23C 14/06
C23C 16/30
C23C 28/04
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、いずれも０．１〜１５μｍの平均層厚を有する、Ｔ
ｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、窒
酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１種または２種
以上からなるＴｉ化合物層と、交互積層構造層とで構成
された硬質被覆層を３〜２５μｍの全体平均層厚で化学
蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具にして、前記
交互積層構造層を、 ０．５〜７μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層
の２層以上と、 ０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、主体が三酸化二チ
タンからなり、かつ酸素以外の非金属元素として炭素お
よび窒素を、合量で、酸素との合量に占める割合で１〜
２０原子％含有する三酸化二チタン主体層の１層以上、 で構成したこと、を特徴とする耐チッピング性のすぐれ
た表面被覆超硬合金製切削工具。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP29514098A JP3430939B2 (ja) | 1998-10-16 | 1998-10-16 | 耐チッピング性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29514098A JP3430939B2 (ja) | 1998-10-16 | 1998-10-16 | 耐チッピング性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000117510A JP2000117510A (ja) | 2000-04-25 |
| JP3430939B2 true JP3430939B2 (ja) | 2003-07-28 |
Family
ID=17816804
Family Applications (1)
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| JP29514098A Expired - Fee Related JP3430939B2 (ja) | 1998-10-16 | 1998-10-16 | 耐チッピング性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具 |
Country Status (1)
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|---|---|---|---|---|
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-
1998
- 1998-10-16 JP JP29514098A patent/JP3430939B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2000117510A (ja) | 2000-04-25 |
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