JPH07188901A - 被覆硬質合金 - Google Patents
被覆硬質合金Info
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- JPH07188901A JPH07188901A JP34996993A JP34996993A JPH07188901A JP H07188901 A JPH07188901 A JP H07188901A JP 34996993 A JP34996993 A JP 34996993A JP 34996993 A JP34996993 A JP 34996993A JP H07188901 A JPH07188901 A JP H07188901A
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Landscapes
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明はＰＶＤ膜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技
術を提供するものである。 【構成】 皮膜の主成分として、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をモル比において、
（Ｔｉa Ａｌb Ｆｅ族c Ｃｒd）ＣxＮ1-xと表した場
合、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｘがそれぞれ０．３ ≦ａ≦０．
７、０．３ ≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．２、０
≦ｄ≦０．１、０≦ｘ≦１としたものである。
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技
術を提供するものである。 【構成】 皮膜の主成分として、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をモル比において、
（Ｔｉa Ａｌb Ｆｅ族c Ｃｒd）ＣxＮ1-xと表した場
合、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｘがそれぞれ０．３ ≦ａ≦０．
７、０．３ ≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．２、０
≦ｄ≦０．１、０≦ｘ≦１としたものである。
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。
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（ＴｉＡ
ｌ）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。
が主流であったが、最近ＴｉＣＮ膜があるいは（ＴｉＡ
ｌ）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。
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。
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−２
ＧＰａ、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リートほう等において
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。
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−２
ＧＰａ、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リートほう等において
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。
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、（Ｔｉ
Ａｌ）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（ＴｉＡ
ｌ）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。
Ａｌ）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（ＴｉＡ
ｌ）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、（Ｔｉa Ａｌb Ｆｅ族c Ｃｒd）ＣxＮ
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 ≦ｄ≦０．１ ０ ≦ｘ≦１ より成る皮膜であり、さらにそれらの皮膜を５層以上の
多層にして、厚膜化を達成したものである。
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、（Ｔｉa Ａｌb Ｆｅ族c Ｃｒd）ＣxＮ
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 ≦ｄ≦０．１ ０ ≦ｘ≦１ より成る皮膜であり、さらにそれらの皮膜を５層以上の
多層にして、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（ＣｏＡ
ｌ）、（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。
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（ＣｏＡ
ｌ）、（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。
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、（Ｔ
ｉＡｌ）膜中に固溶体／混合体として添加したＦｅ族、
Ｃｒ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。
わち炭化物、窒化物、炭窒化物の範囲としたのは、（Ｔ
ｉＡｌ）膜中に固溶体／混合体として添加したＦｅ族、
Ｃｒ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Ｐ
ＶＤ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２に示す。
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Ｐ
ＶＤ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２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
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。
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Ｔｉ
Ｎ、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。
Ｎ、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 (2)
- 【請求項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０．５〜１
０μｍ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、 （Ｔｉa Ａｌb Ｆｅ族c Ｃｒd）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ることを特徴とする被覆硬質合
金。 - 【請求項２】 請求項１記載の被覆硬質合金において、
Ｔｉの一部をＦｅ及び／またはＣｒで置換された（Ｔｉ
ＦｅＣｒ）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。
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 true JPH07188901A (ja) | 1995-07-25 |
| JP3546967B2 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 (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| KR100391501B1 (ko) * | 2001-07-20 | 2003-07-12 | 한국야금 주식회사 | 공구용 초경합금에 코팅되는 ＴｉＡｌＮ계 다층경질 박막 |
| US6824601B2 (en) | 2000-12-28 | 2004-11-30 | Kobe Steel, Ltd. | Hard film for cutting tools, cutting tool coated with hard film, process for forming hard film, and target used to form hard film |
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