(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステンを主成分とし、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種を含む硬質相とＣｏを主成分とする結合相とからなる超硬合金を基材とし、前記基材の表面に形成された内層および外層を有するセラミックス被覆層を有し、
前記内層は、炭窒化チタン層および窒化チタン層を有する多層構造を有し、
前記外層は、少なくとも酸化アルミニウム層を含み、前記酸化アルミニウム層の結晶構造はκ型を有し、
前記内層の炭窒化チタン層は１０μｍ以上の厚みを有する柱状組織からなり、前記炭窒化チタン層の配向性において、以下の式で表される（４２２）面と（３１１）面との配向性指数ＴＣ（４２２）、ＴＣ（３１１）がともに１．３以上３以下であることを特徴とする、被覆超硬合金。
【数１】
0003658948.tif 000010
【請求項２】
前記内層は前記炭窒化チタン層および前記窒化チタン層以外に、硼窒化チタン層を有し、
前記外層は前記酸化アルミニウム層以外に、炭化チタン層、炭窒化チタン層および窒化チタン層の少なくとも１層を有する、請求項１に記載の被覆超硬合金。
【請求項３】
前記配向性指数ＴＣ（４２２）とＴＣ（３１１）とを除く配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）がすべて１．５以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の被覆超硬合金。
【請求項４】
κ型結晶構造の前記酸化アルミニウム層の直下の層が硼窒化チタン層であり、かつ前記酸化アルミニウム層の面間隔がＡＳＴＭにおいて、２．７９Åの面に最大ピークを有することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の被覆超硬合金。
【請求項５】
切刃稜線部付近のみにおいて前記酸化アルミニウム層が存在しないことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の被覆超硬合金。
【請求項６】
少なくとも前記切刃稜線部において前記内層の前記炭窒化チタン層の引張り残留応力が１０ｋｇ／ｍｍ2以下であることを特徴とする、請求項５に記載の被覆超硬合金。
【請求項７】
超硬合金の前記基材の表面部で前記炭化タングステンを除く前記硬質相が減少または消失した層を有し、その層の厚みが平坦部において５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の被覆超硬合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被覆超硬合金に関し、より特定的には、切削工具などに使用される強靱かつ耐摩耗性に優れる被覆超硬合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
超硬合金の表面に炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンあるいは酸化アルミニウムなどの被覆層を蒸着することにより切削工具の寿命を向上させることが行なわれており、一般に化学蒸着法、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法、物理蒸着法などを用いて生成された被覆層などが広く普及している。
【０００３】
しかし、これらの被覆切削工具を用いて加工を行なった場合、特に高速切削加工のように高温での被覆層の耐摩耗性が必要な加工、あるいは小物部品加工のように加工数が多く被削材への食いつき回数が多い加工などで被覆層の耐摩耗性が不足したり、被覆層の損傷、剥離が発生することによる工具寿命の低下が発生していた。
【０００４】
これらの課題を克服するために、これまでに被覆技術については、被覆層の組織制御あるいは、特開平８−１３２１３０号公報や特開平５−２６９６０６号公報に示されるような被覆層の配向性の制御など、多くの改良が試みられてきた。しかし、その効果は十分とは言えないのが現状であった。
【０００５】
それゆえ、本発明の目的は、優れた耐剥離性、耐摩耗性および耐クレータ性と優れた破壊強度とを有し、切削工具に適した被覆超硬合金を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、上記問題点を解決すべく鋭意検討した結果、従来の被覆切削工具用の被覆超硬合金に比較して、切削における被覆用の耐剥離性を大きく向上させるとともに、膜自体の耐摩耗性を向上させ、膜の破壊強度の向上を可能とすることにより、工具の寿命を安定して飛躍的に向上させ得る被覆超硬合金を見出した。
【０００７】
このため、本発明の被覆超硬合金は以下の構成を有する。
本発明の被覆超硬合金は、炭化タングステンを主成分とし、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種を含む硬質相とＣｏを主成分とする結合相とからなる超硬合金を基材とし、その基材の表面に形成された内層および外層を有するセラミックス被覆層を有し、内層および外層は以下の特徴を有する。
【０００８】
外層は少なくとも酸化アルミニウム層を含み、酸化アルミニウム層の結晶構造はκ型を有している。
【０００９】
内層は炭窒化チタン層および窒化チタン層を有する多層構造を有し、炭窒化チタン層は１０μｍ以上の厚みを有する柱状組織からなり、その炭窒化チタン層の配向性指数ＴＣを、
【００１０】
【数２】
0003658948.tif 000002
【００１１】
と定義したとき、この式で表わされる（４２２）面と（３１１）面との配向性指数ＴＣ（４２２）、ＴＣ（３１１）がともに１．３以上３以下である。
【００１２】
本発明の被覆超硬合金において、炭窒化チタン層の配向性指数ＴＣ（４２２）、ＴＣ（３１１）をともに１．３以上とし、その組織を柱状組織とすることにより、１０μｍ以上の膜厚でも膜の耐破壊性を大きく向上させつつ耐摩耗性を向上させることが可能となる。ただし、配向性指数ＴＣ（４２２）、ＴＣ（３１１）が３を超えると、一定方向の配向が強くなりすぎることにより、逆に膜の破壊性が低下する。
【００１３】
また、耐摩耗性が向上するのは、１０μｍ以上の厚膜とした柱状組織の効果以外にも、膜の耐破壊性の向上により切削中に膜中のチッピングによる摩耗の進行が抑制される効果も大きいと考えられる。さらに、膜中のチッピングが生じにくくなることにより、これに起因する切削中の被削材の溶着が起こりにくくなり、膜にかかる切削応力の増大が防げることから耐剥離性が大幅に向上できる。
【００１４】
また外層としてκ型結晶構造を主とする酸化アルミニウム層で被覆することにより、すくい面で生じるクレータ摩耗を抑制する効果が向上する。これは、以下の理由による。
【００１５】
従来の膜質で生じていたクレータ摩耗は、一般に言われる化学摩耗と切り粉により生じた膜の剥離および膜の破壊といった機械的損傷の複合として現れていた。これに対し、本発明の構造では酸化アルミニウム層の下地の膜強度、硬度が著しく向上している効果により、機械的損傷は抑制され、かつ酸化アルミニウム層の効果により化学的摩耗も抑制されるからである。
【００１６】
なお本構造の炭窒化チタン層は、雰囲気をＴｉＣｌ4 、ＣＨ3 ＣＮ、Ｎ2 およびＨ2 とし、前半と後半との条件を次のように変更して成膜される。すなわち、成膜初期から１２０分の間は、（ＴｉＣｌ4 ＋ＣＨ3 ＣＮ）／トータルガス量の比率を後半に比べて小さくし、かつ前半のＮ2 ／トータルガス量の比率を後半の２倍以上とすることにより炭窒化チタン層が成膜される。
【００１７】
また本構造の外層の酸化アルミニウム層は、ＡｌＣｌ3 およびＣＯ2 を原料ガスとする通常のＣＶＤプロセスにより製造される。一般に本原料ガスによるＣＶＤプロセスでは、酸化アルミニウム層の結晶構造は、α、κあるいはθ構造となる。本発明で酸化アルミニウム層の結晶構造がκ型であるのは、これらの各結晶構造の酸化アルミニウムの中で、κ型の酸化アルミニウムが最も微粒で強度が高く、かつ密着度に優れることによる。これにより、本発明の効果がより明瞭となる。
【００１８】
本発明の被覆超硬合金において、内層は炭窒化チタン層および窒化チタン層以外に、硼窒化チタン層を有し、外層は酸化アルミニウム層以外に炭化チタン層、炭窒化チタン層および窒化チタン層の少なくとも１層を有していることが望ましい。
【００１９】
本発明の被覆超硬合金において、配向性指数ＴＣ（４２２）とＴＣ（３１１）を除くＴＣ（ｈｋｌ）がすべて１．５以下であることが望ましい。
【００２０】
本発明の被覆超硬合金の構造において、炭窒化チタン層の配向性が、ＴＣ（４２２）とＴＣ（３１１）のみで強く、これらを除く結晶面の配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）がすべて１．５以下であることにより、より顕著な効果が得られる。
【００２１】
本発明の被覆超硬合金において、κ型結晶構造の酸化アルミニウム層の直下の層が硼窒化チタン層であり、かつ酸化アルミニウム層の面間隔がＡＳＴＭにおいて、２．７９Åの面に最大ピークを有することが好ましい。
【００２２】
これは、本発明における内層の炭窒化チタン層の配向性を本発明の方位とし、酸化アルミニウム層直下の層を硼素を微量添加したＴｉＮ層とすることにより、２．７９Åの面に最大ピークを持つκ構造の酸化アルミニウム層を外層とすることができ、この場合、酸化アルミニウム層の密着強度が著しく向上し、上述のようなすくい面側で生じる損傷の抑制効果が抜群になることを見出したことによる。２．７９Åの面に最大ピークを有する配向性を持たせるのは、上述の原料系を用いた従来の製法で可能である。
【００２４】
本発明の被覆超硬合金において、切刃稜線部付近のみにおいて酸化アルミニウム層が存在しないことが好ましい。
【００２５】
被覆層を被覆した後、被覆層の表面にブラスト処理あるいは、ブラシ処理などの機械的処理により切刃稜線部のみで酸化アルミニウム層が除去されるまで表面を処理すれば、上述の効果はより大きくなる。この際の処理の程度については、切刃稜線部の中でも実際に切削時に切り粉が接触する刃先部で確実に酸化アルミニウム層が除去されていることが必要である。しかし、処理の程度により、刃先から離れた位置の稜線部で酸化アルミニウム層が一部除去されずに残留していても全く問題はなく、本発明の効果は得られる。また、本発明では、酸化アルミニウム層が存在しないのは切刃稜線部のみとしているが、処理法によってはチップの座面周辺などの切削と関係ない角張った場所でも除去されることがあるが、これについても実質的には、本発明の効果には全く影響しない。
【００２６】
本発明の被覆超硬合金において、少なくとも切刃稜線部において、内層の炭窒化チタン層の引張り残留応力が１０ｋｇ／ｍｍ2 以下であることが好ましい。
【００２７】
上記のような膜表面処理により、被覆後の被覆層中に存在する引張り残留応力を内層のＴｉＣＮ層で１０ｋｇ／ｍｍ2 以下まで低減させることにより、膜の耐破壊に対する効果を向上させることが可能である。
【００２８】
本発明の被覆超硬合金において、超硬合金の基材の表面部で炭化タングステンを除く硬質相が減少または消失した層を有し、その層の厚みが平坦部において５０μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
上記のような表面部を有する超硬合金の基材と本発明の被覆層および表面処理とを組合せることにより、超硬合金部の表層付近ごと被覆層が脱落するような損傷に対し、非常に効果がある。
【００３０】
また基材表層領域の厚みを５０μｍ以下としたのは、５０μｍを超えると切削中に表層部でやや塑性変形あるいは弾性変形が生じる傾向があるためで、５０μｍ以下でより効果的であるためである。
【００３１】
なお、上記基材の表層領域は、従来より知られているような窒素含有硬質相原料を用いる方法、または焼結時の昇温過程で加窒雰囲気とし結合相の液相出現後に脱窒、脱炭雰囲気とする方法により製造できる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３３】
実施例１
基材として以下のＡ〜Ｄの組成でＣＮＭＧ１２０４０８の形状を有するＷＣ基超硬合金基材を準備した。
【００３４】
Ａ：ＷＣ−９％Ｃｏ−３．５％ＺｒＣＮ−５％ＮｂＣ
Ｂ：ＷＣ−９％Ｃｏ−２％ＺｒＣＮ−２％ＴｉＣＮ
Ｃ：ＷＣ−９％Ｃｏ−４％ＴｉＣＮ−４％ＮｂＣ
Ｄ：ＷＣ−６％Ｃｏ−３．５％ＺｒＣ−２％ＴｉＣ
この基材の表面に表１に示す内層および外層の構造の被覆膜を生成した。
【００３５】
【表１】
0003658948.tif 000003
【００３６】
サンプルＡ〜Ｃの基材表層部には、ＷＣとＣｏのみからなる層が存在し、それぞれのサンプルにおけるその層の厚みは平坦部厚みで、Ａ：２５μｍ、Ｂ：５０μｍ、Ｃ：５５μｍであった。サンプルＤの基材表面には表層領域は存在しなかった。以下に本発明品の各層の被覆条件を示す。
【００３７】
（ＴｉＮ層）
温度：９００℃、圧力：２００ｔｏｒｒ、
反応ガス組成：容量％で、４８％Ｈ2 −４％ＴｉＣｌ4 −４８％Ｎ2 
（本発明品１〜４のＴｉＣＮ層）
ＴｉＣＮ層（前半１２０分）：
温度：９００℃、圧力：５０ｔｏｒｒ、
反応ガス組成：容量％で、６８％Ｈ2 −１．７％ＴｉＣｌ4 −０．３％ＣＨ3 ＣＮ−３０％Ｎ2 
ＴｉＣＮ層（後半残り）：
温度：９００℃、圧力：５０ｔｏｒｒ、
反応ガス組成：容量％で、７８％Ｈ2 −６％ＴｉＣｌ4 −１％ＣＨ3 ＣＮ−１５％Ｎ2 
（ＴｉＢＮ層）
温度：１０００℃、圧力：２００ｔｏｒｒ、
反応ガス組成：容量％で、４６％Ｈ2 −４％ＴｉＣｌ4 −４８％Ｎ2 −２％ＢＣｌ3 
（Ａｌ2 Ｏ3 層）
温度：１０２０℃、圧力：６８ｔｏｒｒ、
反応ガス組成：容量％で、８６％Ｈ2 −９％ＡｌＣｌ3 −５％ＣＯ2 
（ＴｉＣ層）
温度：１０２０℃、圧力：６８ｔｏｒｒ、
反応ガス組成：容量％で、９０％Ｈ2 −３％ＴｉＣｌ4 −７％ＣＨ4 
ここで、生成されたアルミナ（酸化アルミニウム）膜は、Ｘ線回折により、いずれもκ型結晶構造のみであることを確認した。
【００３８】
また、アルミナ膜直下の層がＴｉＮにＢを添加したＴｉＢＮである試料１〜３のみで、２．７９Åの面が最大ピークを有していた。ここで、内層のＴｉＣＮ層の配向性指数は、Ｘ線回折による回折ピークから求めた。この際、ＴｉＣＮの（３１１）面の回折ピークは基材のＷＣの（１１１）面ピークと重なり、（１１１）面のピーク強度は、（ＷＣの最強ピークである（１０１）面の強度）×０．２５であることから、ＴｉＣＮの（３１１）面の強度からこれを減じてＷＣ（１１１）面による強度分を差し引いた。
【００３９】
また、各試料のＴｉＣＮ層の配向性を表２に示す。
【００４０】
【表２】
0003658948.tif 000004
【００４１】
なお、本発明のＴｉＣＮ層については、それを被覆した後破断し、破断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察で柱状組織となっていることを確認した。
【００４２】
表１、２には比較のために比較品も併せて載せた。比較品のＴｉＣＮ膜の成膜は、以下に示す条件で行なった。
【００４３】
（ＴｉＣＮ層（比較品５））
温度：９００℃、圧力：５０ｔｏｒｒ、
反応ガス組成：容量％で、７８％Ｈ2 −６％ＴｉＣｌ4 −１％ＣＨ3 ＣＮ−１５％Ｎ2 
（ＴｉＣＮ層（比較品６））
温度：１０００℃、圧力：２００ｔｏｒｒ、
反応ガス組成：容量％で、９１％Ｈ2 −３％ＴｉＣｌ4 −４％ＣＨ4 −２％Ｎ2 
また、比較品６′のアルミナ層は、本発明品のアルミナ成膜条件と同条件で被覆し、被覆後に温度を１１００℃まで上昇し、１時間、Ｈ2 雰囲気（５０ｔｏｒｒ）中で熱処理することにより、アルミナの結晶構造をα構造に変態させて作製した。
【００４４】
以上のサンプルを用い、次に示す切削条件１および２で性能評価を行なった。
（切削条件１）
被削材：ＳＣＭ４１５（ＨＢ＝１４０）４溝材
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
衝撃回数：５００回
切削油：水溶性
（切削条件２）
被削材：ＳＣＭ４１５（ＨＢ＝１７０）
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３６ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削時間：２０分
切削油：水溶性
この評価結果を表３および表４に示す。
【００４５】
【表３】
0003658948.tif 000005
【００４６】
【表４】
0003658948.tif 000006
【００４７】
この結果から、本発明品では、比較品に比較して、膜の耐摩耗性、耐チッピング性、および耐クレータ性のいずれにおいても優れていることが判明した。
【００４８】
実施例２
実施例１で作製したサンプル１および２を用い、これに被覆層を被覆した後、稜線部のアルミナ層が除去されるまでＳｉＣ砥粒を含有するナイロンブラシで、膜表面に処理を施した。表面を処理した試料を作製し、これらを１Ｈおよび２Ｈとした。また、さらにこれに鉄粉を用いたブラスト処理を施した試料１ＨＢおよび２ＨＢを作製し、これらについてＸ線回折装置を用いて、ｓｉｎ2 ψ法により内層のＴｉＣＮ層の残留応力を測定した。応力測定結果を表５に、実施例１の切削条件１および２の条件で切削評価した結果を表６および表７に示す。
【００４９】
【表５】
0003658948.tif 000007
【００５０】
【表６】
0003658948.tif 000008
【００５１】
【表７】
0003658948.tif 000009
【００５２】
これらの結果から、ブラスト処理を施さない試料１Ｈおよび２Ｈでは引張り残留応力がすべて１０ｋｇ／ｍｍ2 より大きかったのに対し、ブラスト処理を施した試料１ＨＢおよび２ＨＢでは引張り残留応力は１０ｋｇ／ｍｍ2 以下となることが判明した。またブラスト処理を施した試料１ＨＢ、２ＨＢでは、切削条件１および２の双方においてブラスト処理を施さない試料１Ｈ、２Ｈよりも逃げ面摩耗およびチッピングの双方が改善されることが判明した。
【００５３】
今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の被覆超硬合金においてはセラミックス被覆層の内層に含まれる炭窒化チタン層の配向性を所定の範囲とすることにより、優れた耐剥離性、耐摩耗性および耐クレータ性と優れた破壊強度とを有し、切削工具に適した被覆超硬合金を得ることができる。これにより、切削工具の寿命を安定して飛躍的に向上させることが可能となる。