JP3638332B2

JP3638332B2 - 被覆硬質合金

Info

Publication number: JP3638332B2
Application number: JP03461195A
Authority: JP
Inventors: 広志植田
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: JPH08209334A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は、耐摩耗性、耐欠損性に優れる切削工具として用いられる被覆切削工具及び耐摩耗工具として用いられる被覆耐摩工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来ＰＶＤ法による硬質皮膜は、ＴｉＮが主流であったが、最近ＴｉＣＮ膜があるいは（ＴｉＡｌ）Ｎといった新しい種類の皮膜が開発され注目されてきている。ＴｉＣＮはビッカース硬さが３０００近くあり、ＴｉＮのビッカース硬さ２２００に比べ格段に硬く耐摩耗性を著しく高める効果も持つ。一方（ＴｉＡｌ）ＮはＴｉとＡｌの比率により異なるが、概略２３００〜２８００のビッカース硬さを有し、ＴｉＮに比べ耐摩耗性を高める一方耐酸化性が著しく優れるため刃先が高温になる切削条件下などで優れた特性を発揮するものである。
【０００３】
また、（ＴｉＡｌ）Ｎ膜の皮膜の改善としてＴｉ／Ａｌの比率を限定した特公平５−６７７０５号や、（ＴｉＡｌＺｒ）Ｎ、（ＴｉＡｌＶ）Ｎといった更に多元系の皮膜にした米国特許４８７１４３４号等が提案され、更に改善が計られている。しかしながら、これらの新しい皮膜は、Ａｌの含有により耐酸化性は向上したものの、まだ十分に満足されるものではなく、また皮膜に残留する圧縮応力がＴｉＮ皮膜の１．５倍以上と高く、次のような種々の問題点を有するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
皮膜の密着力は、皮膜の残留圧縮応力が高くなるほど弱くなるものであり、これら新しい皮膜はその密着性がＴｉＮに比べ劣るものである。又、この残留応力が高いことは皮膜の密着性を悪くするだけでなく、膜厚が厚くなるに従い残留応力が増加するため皮膜の厚膜化への技術上の障害ともなり厚膜化が実現されていないのも現状である。
【０００５】
残留圧縮応力を低減する最も簡単な方法は、被覆工程における被覆パラメーターを変更することが考えられる。本発明者は、アークイオン放電法により鋼基板上へＴｉＮを３μｍ成膜する場合、被覆パラメーターである窒素分圧、バイアス電圧に付いて、残留圧縮応力を調べてみたところ、バイアス電圧−５０Ｖにおいては−２ＧＰａ、同 −１００Ｖにおいては−５ＧＰａの残留圧縮応力を示した。又、窒素分圧を１０^-1Ｐａ下においては−１ＧＰａ、同１０⁰ Ｐａにおいては−２ＧＰａの残留圧縮応力を示した。
この様に、成膜パラメーターを変えることにより容易に残留圧縮応力は変更可能ではあるが、アークイオン放電法やホロカソード法等においては、それぞれの最適なパラメーターの範囲を有すること、及びパラメーターの変更により成膜される皮膜の膜特性が全く異なってしまうことの理由により、事実上、パラメーターを変更することにより残留圧縮応力を低減することは不可能であった。
【０００６】
一方、耐酸化性においては、Ａｌを含む皮膜は確かに酸化開始温度は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比べ高く、耐酸化性には優れるものの酸化が連続的に進行する条件下においては酸化進行速度は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮと比べほとんど変わりのないものである。つまり、酸化により生成する酸化皮膜は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮの場合と同様Ａｌを含有する皮膜においても、ルチル構造を有し、ポーラスな皮膜である。従って、酸化進行に対する抵抗は、ルチル構造であるがために極めて低い結果となるわけである。
【０００７】
【本発明の目的】
本発明は上述の残留圧縮応力が高い欠点を改善し、残留圧縮応力を低減することにより皮膜の密着性を高め、強いては被覆工具の耐剥離性を改善すると同時に厚膜化をも可能とする技術を提供するものである。
加えて、ＴｉとＡｌを含有する窒化物、炭窒化物皮膜の耐酸化性をさらに改善し、酸化が連続的に進む高速切削において、より長寿命を示す皮膜を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、（ＴｉＡｌ）Ｎを基本にこれに各種元素を添加する検討を行った結果、次のような知見を得た。表１は、３μｍの（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜をアークイオンプレーティング法により、バイアス電圧 −１２０Ｖ、窒素圧力１０^-1Ｐａの条件下で成膜するときに種々の元素を添加した場合の残留圧縮応力を３μｍのＴｉＮの残留圧縮応力を１とした場合の比で示している。
【０００９】
【表１】

【００１０】
表１より、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜中に軟質金属を分散、または固溶体化させることにより、膜中の残留応力が減少する傾向があることがわかる。
また耐酸化性においては、（ＴｉＡｌＦｅ）Ｎを基本にこれに各種元素を添加する検討を行った結果、Ｙ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｓｒのうちいずれか１種以上の添加により耐酸化性が著しく改善される知見を得た。
表２は、３μｍの（ＴｉＡｌＦｅ）Ｎ皮膜をアークイオンプレーティング法により、バイアス電圧１２０Ｖ、窒素圧力１０^-1Ｐａの条件下で成膜するときにＹを添加した場合の酸化開始温度、及び８５０℃大気中での酸化速度を、３μｍのＴｉＮ、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜と比較した結果を示す。
【００１１】
【表２】

【００１２】
表２より、（ＴｉＡｌＦｅ）Ｎ皮膜中にＹを固溶体化させることにより、皮膜の耐酸化性が向上することがわかる。尚、同様の結果がＤｙ、Ｎｄ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｓｒにおいても得られた。
よって、本願発明は、主成分としてＴｉとＡｌ及び／またはその固溶体の窒化物、炭窒化物より構成された０．５〜１０μｍの膜厚から成る硬質皮膜の主成分の１部をＦｅ族金属及びＭで示される金属で置換した被覆硬質合金の該皮膜組成をモル比において、（Ｔｉ_a Ａｌ_b Ｆｅ族_c Ｍ_d）Ｃ_xＮ_1-xと表した場合、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｘがそれぞれ、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０．３≦ａ≦０．７、０．３≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．２、０．００１≦ｄ≦０．２、０≦ｘ≦１より成る皮膜であり、ＭはＹ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｓｒのうちいずれか１種以上の金属であり、さらに、主成分の一部をＦｅ及びＭで置換された（ＴｉＦｅＭ）の窒化物、炭窒化物の層とＡｌの窒化物から成る層を５層以上の多層にし、厚膜化を達成したものである。
【００１３】
【作用】
（ＴｉＡｌ）化合物の皮膜中にＦｅ族を添加することにより、膜中の残留応力を減少させ、膜の耐衝撃性、特に断続切削等の機械的な衝撃に対しても剥離しにくい膜となる。
また、耐酸化性においては、（ＴｉＡｌＦｅ）化合物の皮膜中にＹ等を添加することにより、皮膜の耐酸化性を向上させることが可能である。特に酸化速度において著しい改善が可能になる理由は、Ｙを添加した場合、形成される酸化皮膜の形態がルチル構造ではなくアナターゼ構造を示すためである。つまり、Ｙ等の添加により非常に緻密な酸化膜が形成され酸化の進行が形成された酸化膜中の酸素の拡散に律速される形態をとることにより、酸化の進行が著しく抑制されるわけである。
従って、酸化が連続的に進行する高速切削において、皮膜の酸化がごく表面のみで発生し、これが酸化に対し保護膜として作用し、皮膜内部にまで酸化が進行せず、長寿命が得られるわけである。
【００１４】
以下、数値限定した理由に付いて説明する。
（ＴｉＡｌ）化合物膜中に固溶体／混合体として添加するＦｅ族は、０．０１未満では残留応力を低減するのに十分な効果がなく、０．２を越えると皮膜中のＦｅ族の量が多くなりすぎ耐摩耗性、耐溶着性等が劣化するため０．０１≦ｃ≦０．２の範囲とした。
また、（ＴｉＡｌＦｅ族）化合物膜中に固溶体／混合体として添加するＹ等は共通して、０．０１未満では耐酸化性を向上するのに必ずしも十分な効果がなく、０．２０を越えると皮膜の硬さが著しく低下し、著しく耐摩耗性を劣化する傾向にあるため０．００１≦ｃ≦０．２０の範囲とした。
【００１５】
尚、上記の元素はターゲット材として固溶体化しても、また各元素を個別のターゲットとして蒸着時に成分を調整してもさらに固溶体ターゲットと個別ターゲットを組み合わせても同様の効果が得られる。
【００１６】
皮膜中のＣＮの比率は、０≦ｘ≦１、すなわち炭化物、窒化物、炭窒化物の範囲としたのは、（ＴｉＡｌ）膜中に固溶体／混合体として添加したＦｅ族の効果により応力が緩和されるため、硬さの高い炭化物でも十分に使用でき、また硬さのやや低い窒化物、炭窒化物においてもＦｅ族の量を調整することにより十分な性能を有するため０≦ｘ≦１の範囲とした。
【００１７】
【実施例】
以下、実施例により本願発明を詳細に説明する。
８４ＷＣ−３ＴｉＣ−１ＴｉＮ−３ＴａＣ−９Ｃｏの組成になるよう市販の２．５μｍのＷＣ粉末、１．５μｍのＴｉＣ粉末、同ＴｉＮ粉末、１．２μｍのＴａＣ粉末をボールミルにて９６時間混合し、乾燥造粒の後、ＳＮＭＡ４３２のスローアウェイインサートをプレスし、焼結後、所定の形状に加工した。
この超硬合金基体上にＰＶＤ法により、各種合金ターゲット、各元素単独のターゲットを用意し、表３に示すような皮膜を形成した。
【００１８】
【表３】

【００１９】
尚、比較のため従来例で記載した膜に付いても行った。
次いで、これらの皮膜をスクラッチテスターにより、０から徐々に荷重を上げ、引っかいていき、膜が剥離する荷重を求めた。それらの結果を表４に示す。
【００２０】
【表４】

【００２１】
また、下記に示す工具が繰り返し衝撃を受ける切削条件にて切削テストを行い最大摩耗が０．２ｍｍに達するまでの寿命時間を求め、その結果を表４に併記する。

【００２２】
表４の結果より、スクラッチ荷重においては明確に違いがでていないが、機械的衝撃が加わる耐衝撃性の試験では使用初期に剥離を生じて、異状摩耗をきたしたことが分かる。
なお、実施例では窒化物の皮膜を使用したが、蒸着時の雰囲気を窒素、メタン等の分圧を調整することにより様々な組成比率の炭窒化物の製作も可能である。
【００２３】
【実施例２】
８４ＷＣ−３ＴｉＣ−１ＴｉＮ−３ＴａＣ−９Ｃｏの組成になるよう市販の２．５μｍのＷＣ粉末、１．５μｍのＴｉＣ粉末、同ＴｉＮ粉末、１．２μｍのＴａＣ粉末をボールミルにて９６時間混合し、乾燥造粒の後、ＳＮＭＧ４３２のスローアウェイインサートをプレスし、焼結後、所定の形状に加工した。
この超硬合金基体上にＰＶＤ法により、各種（ＴｉＡｌＦｅＹ）合金のターゲットを用い、表５に示すような皮膜を形成した。
尚、比較のため従来例で記載した膜も形成した。
【００２４】
【表５】

【００２５】
次いで、これらの皮膜をコーティングされたスローアウェイインサートを大気中で徐々に昇温し、酸化増が認められる温度を測定した。また、大気中９００℃において、時間とともに酸化増量を測定し、酸化速度を算出した。これらの結果も表５に併記する。
更に、下記に示す高速切削条件にて切削テストを行い最大摩耗が０．２ｍｍに達するまでの時間を求め、その結果も表５に併記する。

【００２６】
表５より、Ｙを添加した皮膜は、格段に酸化速度が遅く、また、そのことが連続高速切削において著しい長寿命化に寄与している事が明らかである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の被覆硬質合金は、従来のＴｉＮ、ＴｉＡｌＮに比べ、硬さの低い元素を添加／固溶させることにより、皮膜の残留圧縮応力を低め密着性を向上させ、断続切削などにおいて、格段に長い工具寿命が得られるものである。
また、本発明は超硬合金を主に説明してきたがＴｉＣＮ基サーメットに適用した場合にも優れた効果を現すことは自明である。

Claims

主成分としてＴｉとＡｌ及び／またはその固溶体の窒化物、炭窒化物より構成された０．５〜１０μｍの膜厚から成る硬質皮膜の主成分の１部をＦｅ族金属及びＭで示される金属で置換した被覆硬質合金の該皮膜組成をモル比において、（Ｔｉ_a Ａｌ_b Ｆｅ族_c Ｍ_d）Ｃ_xＮ_1-xと表した場合、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｘがそれぞれ、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０．３≦ａ≦０．７、０．３≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．２、０．００１≦ｄ≦０．２、０≦ｘ≦１より成る皮膜であり、ＭはＹ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｓｒのうちいずれか１種以上の金属であることを特徴とする被覆硬質合金。
請求項１記載の被覆硬質合金において、主成分の一部をＦｅ及びＭで置換された（ＴｉＦｅＭ）の窒化物、炭窒化物の層とＡｌの窒化物から成る層を５層以上の多層にしたことを特徴とする被覆硬質合金。