JP2000233324A - コーティング工具用固体潤滑膜及びその製造法 - Google Patents
コーティング工具用固体潤滑膜及びその製造法Info
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Abstract
る工具上にTiN,TiCN,TiAlN,A2O3 等の硬質物質をコーテ
ィングしたコーティング工具上に、工具の潤滑特性を改
善することを目的とした潤滑膜を成膜したコーティング
工具用固体潤滑膜及びその製造法を提供。 【構成】コーティング工具上に、Si,Zr,Ni,Fe,Co及びCr
のうちの一種または二種以上の金属 Mに対して主として
酸素が主成分となる酸化物( MOx : 0.2 ≦ x< 2)を、
成膜する厚さ t は、 0.01≦ t < 2.0 (μm)であ
り、 150°C 〜 450°C に加熱され、イオンプレーティ
ングを含む物理蒸着法により形成され、成膜バイアスは
-15 V 〜 -1000 Vの直流印加方式、もしくは-15 V 〜
-1000 V相当の実効バイアスが得られる高周波交流電流
印加方式によって成膜。
Description
タップを含む工具に使用される工具鋼、高速度工具鋼、
超硬合金、サ−メット又はセラミックを母材とする工具
上に TiN,TiCN,TiAlN,A2O3のうちの1もしくはこれらの
組合せを含む硬質物質をコーティングしたコーティング
工具上に、工具の潤滑特性を改善することを目的とし
た、潤滑膜を形成する、コーティング工具用固体潤滑膜
の製造法に関する。
蒸着法はコーティング工具の製造法として一般化してお
り、その主たる目的は TiN,TiCN,TiAlN,A2O3,CrNを含む
硬質物質をコーティングした硬質被覆膜を成膜すること
であった。一方工具の潤滑特性を改善することでは、例
えば9-192908号公報に記載するような2硫化モリブデン
及びフッ素樹脂を主成分とする固体潤滑剤やグラファイ
トが知られており、これらは粉体塗布又はやきつき法に
よって回転部品や塑性加工で用いられてきた。
の広がりは、機械加工分野の加工能率の向上や加工コス
トの低減という効果をもたらしてきた。これはコーティ
ングされる物質が硬質であり耐摩耗性を向上させた結果
の他、これらの物質が摩擦抵抗を低減させる作用があ
り、この特性が強く作用していることは否めないことで
ある。一方グラファイトや2硫化モリブデン及びフッ素
樹脂を主成分とする固体潤滑剤は、工具に塗布して使用
しても、短時間で除去され、長時間の切削に耐える使用
法としては、その都度塗布を行う作業が必要であった。
本発明の課題は、ドリル、エンドミル又はタップを含む
工具に使用される工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ
−メット又はセラミックを母材とする工具上にTiN,TiC
N,TiAlN,A2O3のうちの1もしくはこれらの組合せを含む
硬質物質をコーティングしたコーティング工具上に、工
具の潤滑特性を改善することを目的とした、潤滑膜を形
成するコーティング工具用固体潤滑剤の製造法を提供す
ることにある。
ル、エンドミル又はタップを含む工具に使用される工具
鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−メット又はセラミッ
クを母材とする工具上に TiN,TiCN,TiAlN,A2O3のうちの
1もしくはこれらの組合せを含む硬質物質をコーティン
グしたコーティング工具上に、(a).Si,Zr,Ni,Fe,Co及び
Crのうちの一種または二種以上の金属 Mに対して主とし
て酸素が主成分となる酸化物( MOx : 0.2 ≦ x< 2 )と
して、(b).成膜する厚さ t は、 0.01≦ t < 2.0
(μm)であり、(c).これらの酸化物の膜は、 150°C
〜 450°C に加熱され、イオンプレーティングを含む物
理蒸着法により形成され、成膜バイアスは -15 V 〜 -
1000 Vの直流印加方式、もしくは-15 V 〜 -1000 V相当
の実効バイアスが得られる高周波交流電流印加方式によ
って成膜することを特徴とするコーティング工具用固体
潤滑膜及びその製造法を提供することによって上述した
従来技術の課題を解決した。好ましくは、前記 (b).成
膜する厚さ t は、 0.05≦ t < 1.8 (μm)であ
る。
膜及びその製造法により、金属酸化物を成膜することに
より、従来の工具鋼、高速度工具鋼等を使用した工具又
はコーティング工具の寿命をさらに伸ばすことが可能に
なった。かかる金属酸化物の成膜作用は、グラファイト
や2硫化モリブデン及びフッ素樹脂を主成分とする固体
潤滑剤を塗布した場合に比較すれば、摩擦係数は小さ
く、工具の潤滑特性を改善する効果は大きいと考えられ
える。一方摩擦係数が小さ過ぎると切削工具の場合には
刃先先端の損傷を誘発させるので摩擦係数が小さいほど
最良とはいえない。また、一般にはコーティング工具の
場合には無処理の切削工具と比較すると、摩擦係数を低
減する効果はあるが、刃先先端の溶着性を改善するため
には酸化物を形成することが妥当である。しかしながら
酸化物の多くは絶縁体を形成するので一般には化学蒸着
法を用いているが、工具の潤滑特性を改善する場合には
厚めに形成されるので、切削工具の刃先としては不向き
である。また、従来の化学蒸着法を用いた場合、高温処
理のためコーティング工具の再処理が難しく、密着性も
強固となり初期の硬質膜ごと除去されたり、潤滑膜が全
体として除去されてしまうので、潤滑を目的とした膜の
場合はその調整が重要となる。
着法特にイオンプレーティングを用いて工具の潤滑特性
を改善する目的の酸化物を成膜する製造法を限定した。
ここで各種の数値限定理由を説明する。イオンプレーテ
ィングを含む物理蒸着法の処理温度は、 150°C 未満と
なると表面の膜とコーティング工具との密着性が下が
り、また、 450°C 以上の場合には膜が脆くなるので、
前記処理温度は、 150°C 〜 450°C に限定した。成膜
バイアス電圧は、-15 V 未満の場合、酸素との反応が不
十分で成膜できなくなるり、 -1000 V 以上の場合に
は、ボンバード効果により酸素との反応が過剰にまるか
もしくは成膜できなくなるので、成膜バイアス電圧をそ
れぞれ -15 V 〜 -1000 Vの直流印加方式、もしくは-1
5 V 〜 -1000V相当の実効バイアスに限定した。そし
て、物理蒸着法で成膜する厚さ t は、0.01μm以下で
は効果がないし、 2.0μm以上では剥離のおそれがある
ので、厚さ t を0.01≦ t < 2.0 (μm)と限定し
た。また、請求項2、5において物理蒸着法以外に、同
様の潤滑特性を改善する性能を有する水蒸気処理法で、
酸化物を成膜する製造法を限定した。本発明の水蒸気処
理法で成膜する厚さ t は、0.01μm以下では効果がな
いし、 3.0μm以上では剥離のおそれがあるので、厚さ
t を0.01≦ t < 3.0 (μm)と限定した。いずれの
膜もコーティング工具との密着が比較的に強固である必
要があるが、これらの製造法による膜は図1(b) で示す
ように、図1(a) で示す従来の通常の被覆膜に比べて高
い密着性が得られる。図1は酸化物の膜を、Aスケ−ル
ロックウエル硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕
を 100倍の倍率で観察した結果を示す。請求項3、6に
おいて、共通となる密着性の基準を限定した。これらの
膜の応用は下地となるコーティング工具のコーティング
膜の硬度より同等乃至低いものを用いると効果的であ
る。図2は本発明の潤滑膜の作用を図解する潤滑膜表面
断面の拡大説明図であり、図示のように、かかる潤滑膜
の作用はコーティング工具のコーティング膜の欠陥や面
粗度の影響により高い密着性によって、残留する酸化物
による作用であることを示す。
処理φ6ドリル、SKH51 φ6ドリルに TiAlNコーティン
グを被覆したコーティングドリル(DIN338)に、それぞれ
イオンプレ−ティングにより NiO X、 ZrO Xを被覆し、
以下の切削条件で切削試験を行った。 切削条件 DRY 切削速度 : 20.7 m/min 送り : 0.12 mm/rev 被削材 材種 : SNC 836 280HB 厚さ : 20mm through イオンプレ−ティング装置を、2 ×10-5 Torr 以上に排
気した上、加熱を 300°C まで行い、ボンバード処理を
10分間(バイアスは-200 V)行った後、蒸発源にはNiを
配置して溶解した上、4 ×10-4 Torr の酸素導入処理を
実施して NiO Xを成膜するコーティング処理を20分行っ
た。この後、同様の条件で蒸発源にはZrを配置して溶解
し ZrO Xをを成膜した。これら各2本の、SKH51 無処理
φ6ドリル、SKH51 φ6ドリルに TiAlNコーティングを
被覆したコーティングドリル、これらドリルにそれぞれ
NiO X、 ZrO Xをイオンプレ−ティングによりを被覆し
たドリル、の切削試験を行い評価を実施した結果を図3
に示す。図3でみてわかるように、 NiO X , ZrO Xを被
覆したドリルは被覆しないドリルに比べて約25%工具の
性能の向上が見られた。
φ6ドリル、超硬合金φ6ドリルに TiAlNコーティング
を被覆したコーティングドリルに、それぞれイオンプレ
−ティングにより AlO X , FeO Xを被覆し、以下の切削
条件で切削試験を行った。 切削条件 DRY P30 切削速度 : 30.0 m/min 送り : 0.12 mm/rev 被削材 材種 : S 50 C 180HB 厚さ : 18mm through イオンプレ−ティング装置を、2 ×10-5 Torr 以上に排
気した上、加熱を 300°C まで行い、ボンバード処理を
10分間(バイアスは-750 V)行った後、蒸発源にはFeを
配置して溶解した上、5 ×10-4 Torr の酸素導入処理を
実施して FeO Xを成膜するコーティング処理を15分行っ
た。この後、各2本の、超硬合金製無処理φ6ドリル、
超硬合金φ6ドリルに TiAlNコーティングを被覆したコ
ーティングドリルに、それぞれ同様の条件で蒸発源には
Niを配置して溶解しイオンプレ−ティングにより NiO X
をを成膜した。これら各2本の無処理φ6ドリル、コー
ティングを被覆したコーティングドリル、これらドリル
にそれぞれ FeO X , NiO Xをイオンプレ−ティングによ
りを被覆したドリル、の切削試験を行い評価を実施した
結果を図4に示す。図4でみてわかるように、 FeO X ,
NiO X を被覆したドリルは被覆しないドリルに比べて約
20%工具の性能の向上が見られた。
無処理φ6ドリル、SKH51 φ6ドリルに TiAlNコーティ
ングを被覆したコーティングドリル、SKH51 φ6ドリル
に TiAlNコーティングを被覆したコーティングドリル及
びSKH51 φ6ドリルに TiAlNコーティングを被覆したコ
ーティングドリルにそれぞれ水蒸気処理法により NiO X
を被覆し以下の切削条件で切削試験を行った。 切削条件 DRY P30 切削速度 : 25.5 m/min 送り : 0.12 mm/rev 被削材 材種 : S 50 C 180HB 厚さ : 18mm through ここでは、水蒸気処理装置を、Niストライクを実施した
後、550 °C による水蒸気処理を30分間実施して NiO X
を成膜した。これら各2本の、無処理φ6ドリル、それ
ぞれ TiCN,TiAlN コーティングを被覆したコーティング
ドリルにそれぞれ NiO Xを水蒸気処理で被覆したドリ
ル、の切削試験を行い評価を実施した結果を図5に示
す。図5でみてわかるように、NiO X を水蒸気処理で被
覆したドリルは被覆しない TiCN,TiAlN コーティングド
リルに比べて約12%工具の性能の向上が見られた。
製ドリルに表1にそれぞれ示す成分の下地コーティング
を、2.7 μm〜3.2 μm被覆して、その上に表1にそれ
ぞれ示す成分及び膜厚の上層コーティング膜を被覆した
各資料ドリルについて、Aスケ−ルロックウエル硬度計
を用いて酸化物膜を押圧した場合に生ずる圧痕を 100倍
の倍率で観察した、ロックウエル圧痕による酸化物膜の
判定結果を表1にそれぞれ圧痕判定として示す。そして
各資料ドリルについて、以下の切削条件で切削試験を行
った結果を、表1にそれぞれ効果として示す。 切削条件 DRY P30 切削速度 : 25.5 m/min 送り : 0.12 mm/rev 被削材 材種 : S 50 C 180HB 厚さ : 18mm through 表1で、効果○は、上層コーティング膜を被覆しない資
料ドリルに対し、10%以上の貫通穴数を得る効果が得ら
れたものを示し、×は10%未満の貫通穴数しか得られな
いものを示す。図6は判定AとBの判定基準を示す。
高速度工具鋼、超硬合金、サ−メット又はセラミックを
母材とする工具上に硬質物質をコーティングしたコーテ
ィング工具上に、潤滑膜を成膜するとき、酸化物を用い
たこと、酸化物が化学量論理的なものではなくむしろ不
十分な未反応部分を有することによって潤滑作用をもた
らすものであること、また、低温による処理であること
に特徴があり、この作用により潤滑膜の成膜のない高速
度工具鋼等を母材とする工具、コーティング工具に比べ
て、性能を約12%〜 25 %改善する効果を奏する。従っ
て、工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−メット又は
セラミックを母材上で、本発明による直接潤滑膜を形成
しても効果を奏する場合があることが示唆される。ま
た、本発明では物理蒸着法、又は好ましくは水蒸気処理
法、により工業的手法を用いる点で広い分野で使用で
き、工具性能を改善する効果が大きい。
化物の膜を、それぞれAスケ−ルロックウエル硬度計を
用いて押圧した場合に生ずる圧痕の状態を 100倍の倍率
で観察した結果を示す説明図。
面の拡大説明図。
ル、SKH51 φ6ドリルに TiAlNコーティングを被覆した
コーティングドリル、これらドリルにそれぞれ NiO X ,
ZrO Xをイオンプレ−ティングによりを被覆したドリ
ル、の切削試験を実施した結果を示すグラフ。
ドリル、超硬合金φ6ドリルに TiAlNコーティングを被
覆したコーティングドリルに、それぞれイオンプレ−テ
ィングにより AlO X , NiO Xを被覆し、切削試験を行っ
た結果を示すグラフ。
理φ6ドリル、SKH51 φ6ドリルに TiAlNコーティング
を被覆したコーティングドリル、SKH51 φ6ドリルに T
iAlNコーティングを被覆したコーティングドリル及びSK
H51 φ6ドリルに TiAlNコーティングを被覆したコーテ
ィングドリルにそれぞれ水蒸気処理法により NiO Xを被
覆し、切削試験を行った結果を示すグラフ。
ある、判定AとBの判定基準を示す説明図。
Claims (6)
- 【請求項1】 ドリル、エンドミル及びタップを含む工
具に使用される工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−
メット又はセラミックを母材とした工具上に TiN,TiCN,
TiAlN,A2O3のうちの1もしくはこれらの組合せを含む硬
質物質をコーティングしたコーティング工具上に、以下
の条件を満たす潤滑膜を形成することを特徴とするコー
ティング工具用固体潤滑膜の製造法、 (a).Si,Zr,Ni,Fe,Co及びCrのうちの一種または二種以上
の金属 Mに対して主として酸素が主成分となる酸化物(
MOx : 0.2 ≦ x<2 )としてコーティング工具上に成膜
し、 (b).成膜する厚さ t は、 0.01≦ t < 2.0 (μm)
であり、そして、 (c).これらの酸化物の膜は、 150°C 〜 450°C に加熱
され、物理蒸着法特にイオンプレーティングにより形成
され、成膜バイアスは -15 V 〜 -1000 Vの直流印加方
式、もしくは-15 V 〜 -1000 V相当の実効バイアスが得
られる高周波交流電流印加方式、によって成膜する。 - 【請求項2】 請求項1記載の製造法において、Ni及び
Crの酸化物は、湿式メッキ法により酸化もしくは水蒸気
処理により成膜が形成され、このときの成膜する厚さ t
は、 0.01≦ t < 3.0 (μm)であることを特徴と
するコーティング工具用固体潤滑膜の製造法。 - 【請求項3】 前記酸化物の膜は、Aスケ−ルロックウ
エル硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕を 100倍
の倍率で観察した結果が、前記圧痕の外周1mm以上の
範囲で膜と工具母材との間で剥離が認められない、こと
を特徴とする請求項1又は請求項2記載のコーティング
工具用固体潤滑膜の製造法。 - 【請求項4】 ドリル、エンドミル及びタップを含む工
具に使用される工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−
メット又はセラミックを母材とした工具上に TiN,TiCN,
TiAlN,A2O3のうちの1もしくはこれらの組合せを含む硬
質物質をコーティングしたコーティング工具上に、以下
の条件を満たす潤滑膜を形成することを特徴とするコー
ティング工具用固体潤滑膜、 (a).Si,Zr,Ni,Fe,Co及びCrのうちの一種または二種以上
の金属 Mに対して主として酸素が主成分となる酸化物(
MOx : 0.2 ≦ x<2 )として成膜し、 (b).成膜する厚さ t は、 0.01≦ t < 2.0 (μm)
であり、 (c).これらの酸化物の膜は、 150°C 〜 450°C に加熱
され、物理蒸着法特にイオンプレーティングにより形成
され、成膜バイアスは -15 V 〜 -1000 Vの直流印加方
式、もしくは-15 V 〜 -1000 V相当の実効バイアスが得
られる高周波交流電流印加方式、によって成膜する。 - 【請求項5】 請求項4記載のコーティング工具用固体
潤滑膜において、Ni及びCrの酸化物は、湿式メッキ法に
より酸化もしくは水蒸気処理により成膜が形成され、こ
のときの成膜する厚さ t は、 0.01≦ t < 3.0 (μ
m)であることを特徴とするコーティング工具用固体潤
滑膜。 - 【請求項6】 前記酸化物の膜は、Aスケ−ルロックウ
エル硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕を 100倍
の倍率で観察した結果が、前記圧痕の外周1mm以上の
範囲で膜と工具母材との間で剥離が認められない、こと
を特徴とする請求項4又は請求項5記載のコーティング
工具用固体潤滑膜。
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