JP5046196B2 - 被覆超硬合金工具 - Google Patents
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Description
また、特許文献2記載の技術では、基材構成成分であるCoが被覆層上層まで拡散含有されるため、特に高速切削等の高温にさらされる使用条件において硬質被覆層中に含まれるCoが容易に酸化し、硬質被覆層の機械的性質を劣化させて工具寿命を低下させる問題がある。
さらに、特許文献3記載の技術は、基材内部の含有量に比べてCrを多く含有する基材表面層を有するものであるが、耐欠損性を高めることを目的として、Co含有量も基材内部に比べて富化されている。従って、特許文献3に開示される被覆超硬合金工具では、硬質被覆層内部へ大量にCoが拡散し、硬質被覆層の耐酸化性を劣化させる可能性がある。
従って、本発明が解決しようとする課題は、密着性に優れた硬質被覆層最下層チタン炭化物膜の耐酸化性を高め、特に高速及び高送り等の高能率加工条件下において、優れた耐酸化性を発揮する硬質被覆層を有する炭化タングステン基被覆超硬合金工具を提供することである。
本発明の被覆超硬合金工具を製作するためにまず基材の加熱処理を行う必要がある。そのためには、例えば切削工具に対して硬質被覆層を形成するために一般的に広く用いられている熱化学蒸着装置が必要である。前記熱化学蒸着装置と、結合相成分としてCoとCrを含んだ炭化タングステン基超硬合金製基材を準備し、前記化学蒸着装置内にその基材をセットする。ここで、本発明が対象とする基材組成範囲は、好ましくはCo含有量が5質量%から10質量%であり、Cr含有量が0.1〜1質量%である炭化タングステン基超硬合金製基材である。この基材組成範囲を外れると本発明の有利な効果を奏することが困難になる。
その後、熱化学蒸着装置に付随する真空ポンプを使用して、前記基材をセットしたチャンバ内を真空排気し、同時にチャンバ内にH2ガス濃度とN2ガス濃度を夫々80から85体積%及び20から15体積%の混合ガスにして、圧力20から30kPaで基材を加熱昇温する。一定の温度に達したとき、その温度で加熱保持しながら、基材最表面の結合相内でCrを濃化させるため、チャンバ内にCH4ガスを流して加熱処理を行う。このとき基材最表面結合相内でのCr濃度は、加熱温度とCH4ガス濃度によって制御可能である。
本発明例の被覆超硬合金工具の形態を実現する上で最適な基材の加熱処理条件として、加熱保持温度は、好ましくは900℃から980℃であり、より好ましくは920℃から950℃である。チャンバ内に放流するCH4ガス濃度は、好ましくは0.5から2.5体積%であり、より好ましくは1.0から2.0体積%である。また、このとき基材はH2ガス、N2ガス及びCH4ガスの混合ガス雰囲気にさらされ、N2ガス濃度は30から40体積%が最適であり、H2ガス、N2ガス及びCH4ガスの合計を100体積%として残りのガスの体積%をH2ガスが占めるようにする。チャンバ内の圧力は15から20kPaが最適である。
本発明の被覆超硬合金工具において、前記の処理条件にて熱化学蒸着装置を用いて硬質被覆層被覆前の加熱処理を実施した後、そのまま硬質被覆層第一層のチタン炭化物被膜の成膜を行う。超硬基材は900℃から980℃までの温度で、CH4ガス、H2ガス及びN2ガスの混合ガス雰囲気中で1時間以上加熱保持された後、TiCl4ガス、H2ガス及びN2ガス雰囲気中で5から10kPaの圧力でチタン炭化物皮膜の成膜を行う。このとき、本発明の被覆超硬合金工具では第一層の成膜はCH4ガス濃度を従来のチタン炭化物の成膜条件の50%以下として成膜することが望ましい。本発明の被覆超硬合金工具において、第一層成膜中その炭素源となるCH4ガスの供給を意図的に少なくするため、雰囲気ガス中のTiCl4は基材表面において不足する分の炭素を基材表面の結合相を介して基材内部から奪うことで、炭化物として基材表面上に形成される。このとき、基材側では基材最表面において炭素が不足し、結合相を介して基材構成成分の硬質被覆層への拡散が促進され、その結果基材構成成分が硬質被覆層第一層内部へ取り込まれることとなる。
本発明の被覆超硬合金工具において、上記の成膜条件にて硬質被覆層第一層を被覆したのち、連続して硬質被覆層第二層柱状結晶組織を有する炭窒化チタン皮膜の成膜を行う。第二層の炭窒化チタン皮膜の成膜は以下の要領で行う。
上記の硬質被覆層第一層成膜工程が終了した後、TiCl4ガスとN2ガスを停止し、H2ガスを流した状態のまま、熱化学蒸着装置のチャンバ内温度を、好ましくは830から900℃とし、より好ましくは840℃から890℃付近まで落とす。炉内の温度が安定したら、まずN2ガスを流し、その後TiCl4ガスを流して柱状結晶組織を有する炭窒化チタン皮膜の成膜を行う。このときTiCl4ガス濃度は、好ましくは1.5から3体積%とし、より好ましくは2.0から2.5体積%とする。CH3CNガス濃度は、好ましくは0.3から0.8体積%とし、より好ましくは0.5体積%とする。チャンバ内圧力は6から8kPaが望ましい。
本発明の被覆超硬合金工具の超硬合金基材において、その炭化タングステン粒子は平均粒径が1から3μmの細・中粒であることが望ましい。1μm未満の微粒合金では、Co濃度の比較的多い基材表面において、結合相の占める割合が大きくなり、Co成分が硬質被覆層第一層へ大量に拡散し、硬質被覆層第二層成膜中に硬質被覆層第一層を通過して、硬質被覆層第二層中へ拡散してしまい、本発明の目的である高い耐酸化性を得ることができなくなる。また、平均粒径が3μmよりも大きくなると、基材の機械的性質が極端に劣化してしまうため、被覆超硬合金工具の耐摩耗性が劣化してしまう。そのため、超硬合金基材の炭化タングステン粒子は平均粒径が1から3μmの細・中粒であることが望ましい。
(実施例1)加熱処理後の基材組織観察による耐酸化性評価
本発明は、Crを含んだ炭化タングステン基超硬合金基材に対し、硬質被覆層被覆前の特殊熱処理によって基材表面にCr濃度を増加させ、また、硬質被覆層第一層を被覆する過程において、硬質被覆層中へCrの選択的拡散を促進するものである。この熱処理及び成膜技術により硬質被覆層中への基材Coの拡散を抑え、Crを多く含んだ密着性の高い硬質皮膜を実現できるものである。
本発明例1から12、比較例13から19及び従来例20のCNMG120408形状テストチップを使用し、以下の条件にて切削評価を行った。
(加工条件):
被削材:SCM440丸棒、160φ×600mm、硬さHB250
周速:300m/分
送り量:0.45mm/回転
切り込み量:2.0mm
切削方法:乾式切削
上記の条件は、合金鋼の高速、高送りの切削条件となっている。乾式切削に加え、高い送り量での加工となり、硬質被膜の耐酸化性、耐摩耗性のみならず刃先の強度も要求される条件となっている。上記の条件で切削評価を行い、夫々の切れ刃の最大逃げ面摩耗量が0.35mmに到達するまでの加工時間を測定した。また、2分間切削した後の切れ刃の損傷状態を観察し、これらの結果を表5に示した。
Claims (2)
- 結合相形成成分としてのCo及びCrを含有し、残部が分散層形成成分としての炭化タングステンと不可避不純物からなる組成の炭化タングステン基超硬合金を基材とし、前記基材上に粒状結晶組織を有するチタンの炭化物皮膜を第一層とし、前記第一層の直上に第二層として柱状結晶組織のチタン炭窒化物皮膜を被覆した被覆超硬合金工具において、前記基材と前記第一層との界面から基材深さ方向に10μmの領域におけるCr含有量、Co含有量を質量%で、CrS、CoS、としたとき、CoS≦5.0であり、含有量比CrS/CoSが0.35≦CrS/CoS≦0.50であり、前記第一層は基材のCo、Crに起因する成分を含有し、該第一層におけるCr含有量、Co含有量を質量%で、CrL1、CoL1、としたとき、0.1≦CrL1≦0.6であり、含有量比CrL1/CoL1が0.6≦CrL1/CoL1≦1.6であることを特徴とする被覆超硬合金工具。
- 請求項1に記載の被覆超硬合金工具において、前記第二層におけるCr含有量を質量%で、CrL2、としたとき、0<CrL2≦0.3であることを特徴とする被覆超硬合金工具。
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