JP3546967B2 - 被覆硬質合金 - Google Patents
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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部材及び耐摩耗工具として用いられる被覆耐摩部材に関する。
【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】
又、（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、上述の長所を有するものの皮膜に残留する圧縮応力が、後述する表１記載のように、ＴｉＮ皮膜の３．０倍〜３．７倍と高く、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系分圧、バイアス電圧の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、同一−１００Ｖにおいては−５ＧＰａの残留圧縮応力を示した。又、窒系分圧を１０−１Ｐａ下においては−１ＧＰａ、同１００Ｐａにおいては−２ＧＰａの残留圧縮応力を示した。この様に皮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】
【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。
【０００７】
【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（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窒系圧力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とした場合のそれぞれの残留圧縮応力を示す。
【０００８】
【表１】
【０００９】
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。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Ｔｉの１部をＦｅ族金属及び／またはＣｒ族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、（ＴｉａＡｌｂＦｅ族ｃＣｒ族 ｄ）ＣｘＮ１−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≦ｄ≦０．１
０≦ｘ≦１
、より成る皮膜であり、かつ、該皮膜の残留圧縮応力を、ＴｉＮの残留圧縮応力を１としたとき、その２．５倍以下とし、厚膜化を達成したものである。
【００１０】
【作用】
（ＴｉＡｌ）化合物の皮膜中にＦｅ族、Ｃｒ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。さらに、Ｆｅ族の場合には合金化したターゲットを使用するとＡｌの一部を（ＣｏＡｌ）、（ＮｉＡｌ）等の化合物として形成でき皮膜の耐摩耗性、耐酸化性等をも合わせて改善できる。Ｃｒ族の場合も同様な効果があり耐酸化性・耐熱性等が改善される。以下、数値限定した理由に付いて説明する。
【００１１】
（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、（ＴｉＡｌ）化合物膜中に固溶体／混合体として添加するＣｒ族はＦｅ族の含有量とも相関するが、Ｆｅ族と合金化させてその耐酸化性等を高めるものであり、０．１を越えて添加すると皮膜中のＣｒ族の量が多くなりすぎ残留応力の低減に十分な効果がなくなるため０≦ｄ≦０．１の範囲とした。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をそうする。
【００１２】
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、Ｃｒ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、Ｃｒ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。以下、実施例により本願発明を詳細に説明する。
【００１３】
【実施例】
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ＴＡ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２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１に示す。
【００１４】
【表２】
【００１５】
叉、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２に示す。
切削条件 被削材（４つ溝付き丸棒）：Ｓ５０Ｃ、Ｈｓ３２
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：２ｍｍ
切削油：なし
【００１６】
表２の結果により、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。
【００１７】
【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、耐摩耗性・耐機械的衝撃性に優れ、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。
【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部材及び耐摩耗工具として用いられる被覆耐摩部材に関する。
【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】
又、（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、上述の長所を有するものの皮膜に残留する圧縮応力が、後述する表１記載のように、ＴｉＮ皮膜の３．０倍〜３．７倍と高く、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系分圧、バイアス電圧の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、同一−１００Ｖにおいては−５ＧＰａの残留圧縮応力を示した。又、窒系分圧を１０−１Ｐａ下においては−１ＧＰａ、同１００Ｐａにおいては−２ＧＰａの残留圧縮応力を示した。この様に皮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】
【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。
【０００７】
【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（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窒系圧力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とした場合のそれぞれの残留圧縮応力を示す。
【０００８】
【表１】
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。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Ｔｉの１部をＦｅ族金属及び／またはＣｒ族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、（ＴｉａＡｌｂＦｅ族ｃＣｒ族 ｄ）ＣｘＮ１−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≦ｄ≦０．１
０≦ｘ≦１
、より成る皮膜であり、かつ、該皮膜の残留圧縮応力を、ＴｉＮの残留圧縮応力を１としたとき、その２．５倍以下とし、厚膜化を達成したものである。
【００１０】
【作用】
（ＴｉＡｌ）化合物の皮膜中にＦｅ族、Ｃｒ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。さらに、Ｆｅ族の場合には合金化したターゲットを使用するとＡｌの一部を（ＣｏＡｌ）、（ＮｉＡｌ）等の化合物として形成でき皮膜の耐摩耗性、耐酸化性等をも合わせて改善できる。Ｃｒ族の場合も同様な効果があり耐酸化性・耐熱性等が改善される。以下、数値限定した理由に付いて説明する。
【００１１】
（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、（ＴｉＡｌ）化合物膜中に固溶体／混合体として添加するＣｒ族はＦｅ族の含有量とも相関するが、Ｆｅ族と合金化させてその耐酸化性等を高めるものであり、０．１を越えて添加すると皮膜中のＣｒ族の量が多くなりすぎ残留応力の低減に十分な効果がなくなるため０≦ｄ≦０．１の範囲とした。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をそうする。
【００１２】
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、Ｃｒ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、Ｃｒ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。以下、実施例により本願発明を詳細に説明する。
【００１３】
【実施例】
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ＴＡ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２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１に示す。
【００１４】
【表２】
叉、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２に示す。
切削条件 被削材（４つ溝付き丸棒）：Ｓ５０Ｃ、Ｈｓ３２
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：２ｍｍ
切削油：なし
【００１６】
表２の結果により、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。
【００１７】
【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、耐摩耗性・耐機械的衝撃性に優れ、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 (1)
- 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Ｔｉの１部をＦｅ族金属及び／またはＣｒ族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、（ＴｉａＡｌｂＦｅ族ｃＣｒ族 ｄ）ＣｘＮ１−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≦ｄ≦０．１
０≦ｘ≦１
、より成る範囲の皮膜であり、かつ、該皮膜の残留圧縮応力を、ＴｉＮの残留圧縮応力を１としたとき、その２．５倍以下としたことを特徴とする被覆硬質合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34996993A JP3546967B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 被覆硬質合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34996993A JP3546967B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 被覆硬質合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07188901A JPH07188901A (ja) | 1995-07-25 |
| JP3546967B2 true JP3546967B2 (ja) | 2004-07-28 |
Family
ID=18407343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34996993A Expired - Fee Related JP3546967B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 被覆硬質合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3546967B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102055320B1 (ko) * | 2019-05-29 | 2019-12-13 | 한국생산기술연구원 | 물리증착용 타겟, 이에 의한 질화물 경질피막 및 이들의 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
| JPH09256138A (ja) * | 1996-03-19 | 1997-09-30 | Kobe Steel Ltd | 耐酸化性および耐摩耗性に優れたＴｉ基合金部材 |
| EP1702997B1 (en) | 2000-12-28 | 2013-11-20 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Process for forming a hard film for cutting tools |
| KR100391501B1 (ko) * | 2001-07-20 | 2003-07-12 | 한국야금 주식회사 | 공구용 초경합금에 코팅되는 ＴｉＡｌＮ계 다층경질 박막 |
| JP2003251503A (ja) | 2001-12-26 | 2003-09-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 表面被覆切削工具 |
| SE528789C2 (sv) | 2004-09-10 | 2007-02-13 | Sandvik Intellectual Property | PVD-belagt skär av hårdmetall samt sätt att tillverka detta |
| JP5118381B2 (ja) * | 2007-04-10 | 2013-01-16 | エリコン・トレーディング・アクチェンゲゼルシャフト，トリュープバッハ | 保護層システムを有する工具 |
| KR101200785B1 (ko) | 2007-10-12 | 2012-11-13 | 히타치 쓰루 가부시키가이샤 | 경질 피막 피복 부재, 및 그 제조 방법 |
-
1993
- 1993-12-28 JP JP34996993A patent/JP3546967B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102055320B1 (ko) * | 2019-05-29 | 2019-12-13 | 한국생산기술연구원 | 물리증착용 타겟, 이에 의한 질화물 경질피막 및 이들의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07188901A (ja) | 1995-07-25 |
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