JP4033544B2 - 被覆硬質合金 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は切削工具等に使用される耐チッピング性・密着性に優れた被覆硬質合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超硬合金表面に酸化アルミニウムを被覆した被覆超硬合金は被覆層の高温強度、耐酸化性等に優れるため鋼の切削用の工具などとして一般に用いられている。特開平３−１５０３６４号公報には炭化チタン被覆層の上にさらに酸化アルミニウムを被覆した超硬合金においてκ型、θ型酸化アルミニウム被覆層をエピタキシャルとした記載がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のうち、θ型酸化アルミニウムを被覆したものは高温硬さが低く耐摩耗性に難点があった。κ型酸化アルミニウムのものは耐摩耗性、耐酸化性、切粉処理に優れた性能を有しているが、鋼の強断続切削に使用すると被覆層剥離が生じチッピングに至ってしまう。
そこで、被覆層の剥離からチッピングに至る過程を詳細に検討したところ、断続の鋼切削時に炭化チタンと酸化アルミニウムの界面より剥離が進行してチッピングに至ってしまう事がわかった。特に鋼の断続切削では酸化アルミニウムを厚く被覆する傾向にある。しかしながら、酸化アルミニウムを厚膜化すると断続切削中に酸化アルミニウムに微細クラックが発生し、そのクラックが酸化アルミニウムの下層である炭化チタン等の層、あるいはそのさらに下層、ひいては硬質合金基体にまで進展してしまい、被覆層の剥離を生じてしまう。その被覆層剥離がチッピングとなりそこから急激に摩耗が進行して工具の寿命へと至ってしまう。あるいはいくつものクラックが進展すると同時に、クラック同士が連続となって、その部分の被覆層が剥離しチッピングが生じるばあいもある。
【０００４】
【本発明の目的】
本発明は上記クラックの進行および被覆層界面の剥離に着目し、この点を改善することによりチッピングが生じ難い優れた被覆硬質合金を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は次のような構成とすることで上記目的を達成できることを見いだした。即ち、超硬合金、サーメットなど硬質相と結合相からなる硬質合金基体表面に周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの固溶体、混合体のいずれか一種の単層または二種以上の多層からなる内層と、更に、酸化アルミニウム層とＴｉＮ層とを被覆した被覆硬質合金において、前記酸化アルミニウム層の基体側は前記内層と接するように設け、前記酸化アルミニウム層の基体側はθ型酸化アルミニウムを主体とする層であり、それ以外の部分はκ型酸化アルミニウムを主体とする層であることを特徴とする被覆硬質合金であり、好ましくは前記θ型酸化アルミニウムを主体とする層の平均厚さを０．０１〜０．４μｍとする。
このようにすることで内層と酸化アルミニウム層の密着性が著しく改善されチッピングの発生が少なく優れた性能を発揮することができる。
尚、内層のうち酸化アルミニウム層と接する層は粒状結晶のチタンの炭化物、窒化物、炭窒化物とするとすると、より強い密着力が得られ好ましい。κ型酸化アルミニウムを主体とする層にはκ型酸化アルミニウムだけでなくα型酸化アルミニウムが含まれていても良い。
【０００６】
【作用】
本発明例のθ型酸化アルミニウムを介在させた被覆硬質合金の特性が優れる理由は明確ではないが次のことが考えられる。
前記の内層とκ型酸化アルミニウムの間にκ型酸化アルミニウムよりも軟質なθ型酸化アルミニウムを介在させることでθ型酸化アルミニウムが緩衝層となり、微細なクラックの進展を防ぐ役割を果たしているものと考えられる。
【０００７】
前記θ型酸化アルミニウムの膜厚は０．０１μｍより薄いと層間の密着性に効果がなく０．４μｍより厚いとθ型酸化アルミニウムは高温での安定性に欠ける為、高温での強度に問題が発生する場合がある。例えば、切削工具として連続切削に供する場合は、刃先が８００℃以上の高温となるためθ型酸化アルミニウムから破壊する場合がある。
【０００８】
【実施例】
以下に本発明による被覆工具を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の範囲に限定されるものでない
ＪＩＳ Ｍ２０種相当のＣＮＭＧ１２０４１２型スローアウェイチップを基体とし、化学蒸着法により被覆層を形成した。化学蒸着法で基体表面側より、
第１層として窒化チタンを０．５μｍ、
第２層としてアセトニトリルを使用した柱状晶の炭窒化チタンを１０μｍ、
第３層として粒状結晶の炭化チタンを１μｍ、
第４層として酸化アルミニウムを１μｍ、
第５層として窒化チタンを０．３μｍ、
をそれぞれ蒸着した。この時、炭化チタンと酸化アルミニウムの成膜条件を表１に示すように変化させ本発明例１〜４および比較例５〜６を作製した。
【０００９】
【表１】

【００１０】
得られた試料より断面透過型電子顕微鏡用試料を作成し、加速電圧２００ＫＶにて透過型電子顕微鏡観察を行い、電子線回折像よりθ型酸化アルミニウムを同定した。４万倍の透過型電子顕微鏡写真よりθ型酸化アルミニウム層の厚さを測定した結果を表１に併記する。
【００１１】
本発明例１〜４にはκ型酸化アルミニウム層と炭化チタン層の間にθ型酸化アルミニウムが形成されている。本発明例１の透過型電子顕微鏡写真を図１に、図１を説明する模式図を図２に示す。酸化アルミニウム層の炭化チタン層側に層厚約０．０５μｍのθ酸化アルミニウムが観察される。特に本発明例４では層厚が０．５μｍと厚くなっていた。対して、比較例５〜７にはθ型酸化アルミニウムが形成されていない。
【００１２】
これらのチップを用い切削テストを行った。テスト１、２は連続切削による耐摩耗テストであるが、酸化アルミニウム層の耐熱性が大きく影響すると思われる。テスト３は断続切削による耐衝撃テストである。
テスト１として被削材Ｓ５３Ｃ丸棒、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．４ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み２ｍｍ、湿式、にて２０分間の切削を行った後のインサートの逃げ面の摩耗幅を測定した。
テスト２として被削材：ＦＣＤ７００丸棒、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み：２ｍｍ、乾式、にて１５分間の切削を行った後のインサートの逃げ面の摩耗幅を測定した。
テスト３として被削材ＳＣＭ４３５ ４ツ溝丸棒、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み２ｍｍ、湿式、にて３０秒間切削を行った。これを１０回行って欠損、チッピングした個数を調べた。以上の結果をまとめて表２に示す。
【００１３】
【表２】

【００１４】
比較例はいずれのテストにおいても被覆層の剥離、チッピングを起こし、０．４ｍｍ以上の大きな摩耗幅となった。これに対し本発明例１〜３はテスト１、２において被覆層の剥離、チッピングが発生せず、正常な摩耗形態を示した。本発明例４はθ型酸化アルミニウム層が厚いために、テスト２において剥離が起こり、他の発明例と比べ大きな摩耗を示した。テスト３では比較例と比べ本発明例は明らかにチッピングが少なく、良好な結果となった。
【００１５】
【発明の効果】
本発明品は、酸化アルミニウム層の耐衝撃性、耐熱性に優れ切削工具材料として用いた場合には強断続切削、長時間の連続切削に耐え、切削加工の省力・無人化に適した信頼性の高い切削工具として優れた性能を発揮するものである。なお、本発明の用途は切削工具に限るものではなく、耐摩耗材や金型、溶湯部品等に適用しても優れた効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明例の被覆層断面の透過型電子顕微鏡による金属組織写真を示す。
【図２】図２は図１を説明する模式図を示す。
【符号の説明】
１ 第２層
２ 第３層
３ θ型酸化アルミニウム層
４ κ型酸化アルミニウム層
５ 第５層

Claims (2)

1. 超硬合金、サーメットなど硬質相と結合相からなる硬質合金基体表面に周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの固溶体、混合体のいずれか一種の単層または二種以上の多層からなる内層と、更に、酸化アルミニウム層とＴｉＮ層とを被覆した被覆硬質合金において、前記酸化アルミニウム層の基体側は前記内層と接するように設け、前記酸化アルミニウム層の基体側はθ型酸化アルミニウムを主体とする層であり、それ以外の部分はκ型酸化アルミニウムを主体とする層であることを特徴とする被覆硬質合金。
2. 請求項１記載の被覆硬質合金において、θ型酸化アルミニウムを主体とする層の平均厚さが０．０１〜０．４μｍであることを特徴とする被覆硬質合金。

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