JPH0680184B2 - 切削工具用または耐摩耗工具用表面被覆高速度鋼部材の製造方法 - Google Patents

切削工具用または耐摩耗工具用表面被覆高速度鋼部材の製造方法

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JPH0680184B2
JPH0680184B2 JP16946286A JP16946286A JPH0680184B2 JP H0680184 B2 JPH0680184 B2 JP H0680184B2 JP 16946286 A JP16946286 A JP 16946286A JP 16946286 A JP16946286 A JP 16946286A JP H0680184 B2 JPH0680184 B2 JP H0680184B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、表面に硬質の被覆層が形成されている切削
工具用または耐摩耗工具用表面被覆高速度鋼部材の製造
方法に関し、特に、密着性にすぐれた硬質のチタン化合
物の被覆層が表面に形成されている切削工具用または耐
摩耗工具用表面被覆高速度鋼部材を、物理蒸着法を利用
して製造する方法に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、高速度鋼(以下、ハイスという)は、高い硬さと
すぐれた靱性を有するので、スローアウエイチツプ、バ
イト、ギアーホブ、タツプ、ドリル、エンドミルのよう
な切削工具、あるいはパンチ、ジヨンピン、ダイスのよ
うな耐摩耗工具の素材として広く使用されているが、こ
のハイス表面に炭化チタンや窒化チタンのようなチタン
化合物からなる硬質被覆層を設けると、それによつて耐
溶着性、耐焼付性および耐摩耗性が向上し、工具寿命が
飛躍的に延びるところから、最近ではこのような被覆層
をハイス表面に1〜8μmの厚さに設けることも盛んに
行われている。
このような炭化チタンまたは窒化チタンの表面被覆層を
有する切削工具用または耐摩耗工具用ハイス部材を反応
性の物理蒸着法によつて製造するには、例えば、まずハ
イス基体を反応炉内で圧力:10-5〜10-3Torrの真空雰囲
気中、ハイスの焼戻し温度以下の温度に加熱してから、
圧力:10-4〜10-2Torrにおいてアルゴンによるイオンエ
ツチングを随意にこの基体に施した後、引続きこの温度
と圧力を維持しながら、炭化チタンまたは窒化チタンに
よる被覆反応を起すこと、すなわち反応炉内で電子ビー
ムなどによつて蒸発させた金属チタンと、この反応炉中
に供給されたアセチレンまたは窒素ガスをそれぞれ正に
イオン化し、これらの正イオンを負に帯電させた基体上
に電気的に引寄せて、それぞれ炭化チタンまたは窒化チ
タンからなる被膜を基体表面に析出形成させ、ついで放
冷または反応炉内にアルゴンガスを吹込んで前記基体を
室温まで冷却している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、上記の方法によつて製造された表面被覆
ハイス部材における炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒
化チタン(以下、これらをそれぞれTiC、TiNおよびTiCN
で表わし、また便宜上これらを総称してチタンの炭・窒
化物という)の被膜は、密着性に乏しいために、このよ
うな被膜で被覆された切削工具用または耐摩耗工具用ハ
イス部材は工具寿命が短いという問題があつた。
〔研究に基づく知見事項〕
そこで、本発明者は、このような問題を解決するために
種々研究を重ねた結果、 物理蒸着法を利用して、チタンの炭・窒化物の被覆成分
からなる被覆層を切削工具用または耐摩耗工具用ハイス
基体にコーテイングする場合に、前記基体に対する前記
被覆層の蒸着が終了した後、前記反応性の物理蒸着法の
適用によつてハイスの焼戻し温度以下の温度に加熱され
ていた前記基体を室温まで冷却する際の冷却速度を毎時
50〜100℃とすると、密着性にすぐれた切削工具用また
は耐摩耗工具用表面被覆ハイス部材が得られること、を
見出した。
このような結果は、一般にハイスの熱膨脹係数がチタン
の炭・窒化物のそれよりもかなり大きいため、従来のよ
うに、被膜形成後の基体を無造作に、すなわち比較的速
やかに室温まで冷却すると、ハイス基体の急激な収縮に
対して被覆層が十分に追随できないで、基体と被覆層と
の間に剥離やずれを起したり、被覆層中に歪が残るのに
対し、上記のように基体を比較的ゆつくり冷却すると、
ハイス基体は徐々に収縮し、その収縮に伴つて被覆層と
の界面で生ずる圧縮力が被覆層に対して穏やかに作用
し、それによつて前記の剥離やずれ、あるいは歪が生じ
難くなることに基づくものと考えられる。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明は、上記知見に基づいて発明されたもので、 物理蒸着法を利用して、TiC、TiNおよびTiCNのうちのい
ずれか1種または2種以上の被覆成分を切削工具用また
は耐摩耗工具用ハイス基体にコーテイングすることによ
つて、前記被覆成分からなる被覆層が表面に付着してい
る切削工具用または耐摩耗工具用表面被覆ハイス部材を
製造する方法において、前記基体に対する前記被覆層の
蒸着が終了した後、前記物理蒸着法の適用によつてハイ
ス焼戻し温度以下の温度に加熱されていた前記基体を、
毎時50〜100℃の冷却速度で室温まで冷却することを特
徴とする、前記切削工具用または耐摩耗工具用表面被覆
ハイス部材の製造方法、に係わるものである。
〔発明の具体的な説明〕
(1)物理蒸着法 この発明において利用する物理蒸着法を、例えばTiN被
膜の析出形成を例にとつて説明すると、第1図に概略説
明図で示されているように、例えば、まずハイス基体を
反応炉1内で圧力:10-5〜10-3Torrの真空雰囲気中、ハ
イスの焼戻し温度以下の温度に加熱してから、圧力:10
-4〜10-2Torrにおいてアルゴンによるイオンエツチング
をこの基体に随意に施した後、前記アルゴンの代りに窒
素ガス2を反応炉1内に導入して反応炉1内の雰囲気圧
力および温度を前記圧力および温度に維持するととも
に、反応炉1内に対向配置した基体3と冷却銅ルツボ4
との間に設けられた放電用電極5に数十ボルトの直流電
圧を印加して、前記ルツボ4内に保持された金属チタン
6と放電用電極5との間に放電を起して、窒素ガス2の
プラズマを前記放電用電極5とルツボ4との間に形成さ
せる一方、前記金属チタン6に電子ビーム7を照射して
これを溶解蒸発させ、この蒸発したチタンを前記プラズ
マ中に通過させてプラスイオンにイオン化した後、0〜
1500ボルトのマイナス電位に保つた前記基体3に付着さ
せるとともに、前記放電によつてプラスにイオン化した
窒素も前記基体3に付着させて、これらのチタンイオン
と窒素イオンとの反応によつて生成したTiN被膜を基体
3の表面に析出形成させ、ついで、ハイス焼戻し温度以
下の温度に加熱されている基体3を放冷または外部加熱
手段8により、所定の冷却速度で室温まで冷却する。
(2)基体の冷却速度 チタンの炭・窒化物の被覆層形成後、ハイス焼戻し温度
以下の温度に保持されていた基体を、100℃/hrを越える
速さで冷却すると、所望のすぐれた密着性を有する被覆
層によつてコーテイングされた表面被覆ハイス部材が得
られず、一方その冷却速度が50℃/hr未満になると、基
体の冷却に時間がかかりすぎ、かつ上記効果に格別の向
上がみられないところから、この発明では基体の冷却速
度を50〜100℃/hrと定めた。
この発明において特定した50〜100℃/hrという冷却速度
で前記効果が顕著に現われるのは、前記被覆層の厚みが
2〜8μmの場合であり、また、ハイス基体上に形成さ
れたTiCおよびTiN被膜をX線回折の解析によつて調査す
ると、基体の冷却速度が速すぎた場合、すなわちその冷
却速度が100℃/hrを越えた場合は、それらのチタン化合
物からなる結晶の(220)面におけるd値がASTMカード
の値に対して±0.04であつたのに対し、冷却速度:50〜1
00℃/hrによる基体の冷却においては、前記d値が±0.0
3以下であり、このような結果は、この発明によつて得
られた被覆層では、従来のものよりも歪の発生が軽微で
あることを示している。
〔実施例〕
ついで、この発明を、チタンの炭・窒化物被覆層で被覆
された切削工具の製造を例にあげて、比較例と対比しな
がら説明する。
実施例1 第1図に示されるような、反応炉1、水冷銅ルツボ4、
放電用電極5、および電熱器8を備えた蒸着装置を利用
し、かつチタン6、反応ガス2、および基体3として、
m3、PA20°右1条、進み角2°23′、Dtf3.5、外径:80m
m×長さ:150mm×内径:31.75mmの形状、寸法を有するSKH
55製ホブを使用し、さらに反応条件として、炉内温度:5
00℃、炉内圧力:7×10-4Torrとなる窒素またはアセチレ
ンを使用し、反応ガス流量:250ml/minおよび基体電位:
−100ボルトを採用して、前記ホブ表面に第1表に示さ
れる厚みのTiN被覆およびTiC被膜をそれぞれ蒸着させた
後、500℃に保持されている基体が急冷されるのを防ぐ
ため、反応炉1の外部から電熱器8で熱を供給しなが
ら、第1表に示される冷却速度で基体を室温(25℃)ま
で徐々に冷却することによつて本発明表面被覆ホブ1〜
6をそれぞれ製造するとともに、比較のため、前記500
℃に保持されている基体を放冷して、それの降温速度を
第1表に示されるように増大させた点だけを変えること
によつて、比較表面被覆ホブ1〜6をそれぞれ製造し
た。
ついで、これらの表面被覆ホブの耐摩耗性を調べるため
に、 被削材:JIS SCM3の丸棒、 (硬さ:HRC 9〜13) 作製歯車:歯数21、寸法:外径70mm×厚さ 20mm×内径30mm 切削速度:160r.p.m.(40m/min)、 送り:2mm/w・rev.、 切削方向:クライムカツト、 の条件での断続切削試験を実施し、12.6m切削した時点
におけるホブ表面の三番最大摩耗幅を測定して、その結
果を第1表に示した。
実施例2 鋼種:SKH2のハイスを焼戻し温度:560〜580℃において焼
戻すことによつて得られた、硬さ:HRC64を有するハイ
スから形状:TPP322のスローアウエイチツプを多数製作
し、これらのチツプを基体として、実施例1と同様なコ
ーテイング条件を採用し、第2表に示される厚みのTi
N、TiCおよびTiCN(ただし、C/N比=4/6、この場合反応
ガスとして、アセチレンと窒素との混合ガスを使用)か
らなる被覆層を前記チツプ表面に析出形成させた後、50
0℃に保持されているチツプを第2表に示される冷却速
度で冷却することによつて、本発明表面被覆チツプ1〜
9および比較表面被覆チツプ1〜9をそれぞれ製 造した。
ついでこれらの表面被覆チツプの耐摩耗性を調べるため
に下記の条件による切削試験を実施し、VB摩耗が0.3mm
に達するまでの切削時間を工具寿命として、その時間を
測定し、その結果を第2表に示した。
切削条件 被削材:SNCM8、HB:250、 ホルダ:P22R-44、 切削速度:V=60m/min、d=1.5mm、 f=0.1mm/rev.。
〔発明の効果〕
第1表に示される結果から、材質と厚みが互に同じであ
る本発明表面被覆ホブと比較表面被覆ホブとを比較する
と、12.6m切削した時点におけるホブ表面の三番最大摩
耗幅は、本発明表面被覆ホブの方が著しく小さく、かつ
比較表面被覆ホブ3および6ではそれぞれ切削の途中お
よび切削開始直後で被覆層が剥離したことがわかり、ま
た第2表に示される結果から、同様に本発明表面被覆チ
ツプと比較表面被覆チツプとを比較すると、本発明表面
被覆チツプは比較表面被覆チツプよりも工具寿命が著し
く長く、かつ比較表面被覆チツプ6および9では切削開
始直後に被覆層が剥離したことがわかり、実施例1およ
び2の結果によれば、ホブおよびスローアウエイチツプ
のいずれにおいても、この発明によつて製造されたホブ
およびチツプは著しくすぐれた耐摩耗性をそなえている
ことがわかる。
以上述べた説明から明らかなように、この発明による
と、密着性が著しく改善され、したがつて耐摩耗性が著
しく向上した切削工具用または耐摩耗工具用表面被覆ハ
イス部材が得られ、その結果工具寿命の著しく長いこれ
らの表面被覆ハイス部材が提供されるという産業上有用
な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法を遂行する場合に使用される装置の
概要を示す説明図である。図において 1……反応炉、2……反応ガス、 3……基体、4……ルツボ、 5……放電用電極、6……金属チタン、 7……電子ビーム、8……電熱器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】物理蒸着法を利用して、炭化チタン、窒化
    チタンおよび炭窒化チタンのうちのいずれか1種または
    2種以上の被覆成分を切削工具用または耐摩耗工具用高
    速度鋼基体にコーテイングすることによつて、前記被覆
    成分からなる被覆層が表面に付着している切削工具用ま
    たは耐摩耗工具用表面被覆高速度鋼部材を製造する方法
    において、前記基体に対する前記被覆層の蒸着が終了し
    た後、前記物理蒸着法の適用によつて前記高速度鋼焼戻
    し温度以下の温度に加熱されていた前記基体を、毎時50
    〜100℃の冷却速度で室温まで冷却することを特徴とす
    る、前記切削工具用または耐摩耗工具用表面被覆高速度
    鋼部材の製造方法。
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