JP2000326107A

JP2000326107A - 硬質皮膜被覆工具

Info

Publication number: JP2000326107A
Application number: JP13803999A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Inoue; 謙一井上
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2000-11-28
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: JP3343727B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】耐酸化性、耐摩耗性を改善し、切削加工の乾式
化、高速化に対応する、ＴｉＡｌＮ皮膜を有する、硬質
皮膜被覆工具。【解決手段】高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミ
ックスの何れかを母材とし、金属成分のみの原子％で、
Ｓｉが１０〜６０で、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、
Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ（成分Ｄ）が１種以上で１
０未満、残Ｔｉで、構成される窒化物、炭窒化物、酸窒
化物、酸炭窒化物（化合物Ｅ）のいずれかであり、Ｎａ
Ｃｌ型結晶構造を有し、格子定数が０．４１７〜０．４
２３ｎｍであるａ層と、金属成分のみの原子％が、Ａ
ｌ：４０越え７５以下で、成分Ｄが１種以上で１０未
満、残Ｔｉで構成される化合物Ｅのいずれかで、ＮａＣ
ｌ型結晶構造を有すｂ層が、それぞれ一層以上交互に被
覆され、母材表面直上には金属成分としてＴｉを主体と
する窒化物で層厚が０．１〜１μｍのｃ層があり、さら
にｃ層直上にはｂ層である、硬質皮膜被覆工具。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、金属材料等の切削
加工に使用される硬質皮膜被覆工具に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来はＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を被覆した切
削工具が汎用的かつ一般的であった。ＴｉＮは比較的耐
酸化性に優れるため、切削時の発熱によって生じる工具
のすくい面摩耗に対して、優れた耐摩耗性を示すだけで
なく、母材との密着性も良好であることが特長である。
また、ＴｉＣＮは、ＴｉＮに比べ高硬度であるため、工
具の逃げ面摩耗に対して優れた特性を示す。しかしなが
ら、金属加工の高能率化を目的とした切削速度の高速化
傾向に対し、上記硬質皮膜では、十分な耐酸化性、耐摩
耗性を示さなくなった。この様な背景から、皮膜の耐酸
化性、耐摩耗性をより向上させる研究がなされ、その結
果、特開昭６２−５６５６５号、特開平２−１９４１５
９号に代表されるＴｉＡｌＮ皮膜が開発され切削工具に
適用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＴｉＡｌＮ皮膜は、そ
の皮膜中に含有するＴｉとＡｌの成分比率により異なる
ものの、概略２３００〜２８００のビッカース硬さを有
すだけではなく、耐酸化性が、前記ＴｉＮ、ＴｉＣＮに
比べ優れるため、刃先が高温に達する切削条件下におい
ては、切削工具の性能を著しく向上させる。しかしなが
ら、近年では切削速度が更に高速化する傾向に加え、乾
式での切削加工が環境問題上重要視され、切削工具の使
用環境はますます苛酷なものとなってきている。

【０００４】本発明者等の研究によれば、大気中におけ
るＴｉＡｌＮ皮膜の酸化開始温度は、ＴｉＮの４５０℃
に対し、Ａｌの添加量に依存して７５０〜９００℃に向
上する。しかしながら、前述の乾式高速切削加工におい
ては、使用する工具の刃先温度が９００℃以上の高温に
達するため、前記ＴｉＡｌＮ皮膜では、十分な工具寿命
が得られないのが現状である。

【０００５】本発明はこうした事情に鑑みなされたもの
であって、従来のＴｉＡｌＮ皮膜に対し、更に耐酸化
性、耐摩耗性を改善し、切削加工の乾式化、高速化に対
応する硬質皮膜被覆工具を提供することが目的である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者等は、硬質皮膜の
耐酸化性、耐摩耗性および密着性に及ぼす、様々な元素
の影響および皮膜の層構造について詳細な検討を行った
結果、Ｓｉを適量含有したＴｉを主成分とする窒化物、
炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物（以下、ＴｉＳ
ｉ系窒化物等と記す）と、ＴｉとＡｌを主成分とした窒
化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物（以下、
ＴｉＡｌ系窒化物等と記す）に含まれる金属成分を特定
値内に制限した皮膜を、ＴｉＳｉ系窒化物等の格子定数
を０．４１７ｎｍ以上０．４２３ｎｍ以下になるよう、
それぞれ一層以上交互に被覆し、その際、金属成分とし
てＴｉを主体とする窒化物層を母材表面直上に被覆する
ことで、乾式の高速切削加工において、切削工具の性能
が極めて良好となることを見出し本発明に到達した。

【０００７】すなわち本発明は、高速度鋼、超硬合金、
サーメット、セラミックスの何れかを母材とし、金属成
分のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上６０％以下、Ｂ、
Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、
Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残Ｔｉで構成さ
れる窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれ
かであり、ＮａＣｌ型結晶構造を有し、かつ格子定数が
０．４１７ｎｍ以上０．４２３ｎｍ以下であるａ層と、
金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以
下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈ
ｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残Ｔ
ｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化
物のいずれかで、ＮａＣｌ型結晶構造を有すｂ層が、そ
れぞれ一層以上交互に被覆され、かつ母材表面直上には
金属成分としてＴｉを主体とする窒化物で層厚が０．１
μｍ以上１μｍ以下のｃ層があり、さらにｃ層直上はｂ
層であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具であり、上
記硬質皮膜は、物理蒸着法により被覆されたことが望ま
しい。

【０００８】

【発明の実施の形態】はじめに請求項中記載のａ層に関
して、その構成要件について詳しく述べる。一般にＴｉ
ＡｌＮ皮膜は、大気中で酸化テストを行うと、皮膜表面
近傍のＡｌが最表面に外向拡散し、そこでアルミナ層を
形成する。本発明者らの研究によれば、このことが耐酸
化性向上の理由と考えられるが、この時、アルミナ層直
下には、Ａｌを含有しない非常にポーラスなＴｉ酸化物
が形成する。静的である酸化テストにおいては、最表面
に形成されたアルミナ層が、酸化の進行である酸素の内
向拡散に対し、酸化保護膜として機能するものの、動的
な切削加工においては、最表面のアルミナ層は、その直
下のポーラスなＴｉ酸化物層より容易に剥離してしま
い、酸化の進行に対し十分な効果を発揮しない。

【０００９】しかしながら、ＴｉＳｉ系窒化物等は皮膜
自体の耐酸化性が極めて高いだけでなく、最表面に酸化
保護膜となるＳｉを含有する非常に緻密な複合酸化物層
が形成され、また、その直下には酸化保護膜の剥離原因
となるポーラスなＴｉ酸化物が形成されないことを確認
した。上記効果を得るには、Ｓｉが皮膜の金属成分のみ
の原子％で、１０％以上含有していなければならず、逆
に６０％を越えて含有すると、皮膜の延性ないしは硬さ
の低下が顕著になり、切削工具としての使用に耐えられ
なくなる。

【００１０】Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍ
ｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、ＴｉＳｉ系窒化物等の皮膜中に
おいて固溶強化元素として働き、皮膜の高硬度化に有効
である。そのため、必要に応じＢ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、
Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２
種以上を微量添加することが望ましい。しかしながら皮
膜の金属成分のみの原子％で１０％以上添加すると、前
述したＳｉ含有による耐酸化性向上効果が得られなくな
る。よって、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍ
ｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、１種または２種以上で１０％未
満とする。

【００１１】本発明ａ層は、その格子定数を０．４１７
ｎｍ以上０．４２３ｎｍ以下にすることで高硬度化が達
成でき、著しく耐摩耗性に優れた皮膜が得られる。発明
者等の研究によれば、請求項記載の成分範囲において
は、単一ａ層の格子定数は０．４２４〜０．４２６ｎｍ
であり、単一ｂ層の格子定数は０．４１５〜０．４１７
ｎｍと単一ｂ層の方が極端に小さいことを確認してい
る。しかしながら、ａ層およびｂ層をそれぞれ一層以上
交互に被覆し、その際の基体に印加するバイアス電圧を
適当な値に制御することで、ａ層は、その下地に位置す
るｂ層と結晶格子レベルで整合する。その結果、ａ層の
結晶格子は単一で存在する場合よりも縮小することとな
り、ａ層には格子歪みが発生し、その硬さが向上する。
ａ層およびｂ層を被覆する際、基体に印加するバイアス
電圧は、アーク放電方式イオンプレーティングや、スパ
ッタリングといった物理蒸着法の違いや、同様の手法で
あっても成膜装置の基本的な仕様によって絶対値は異な
るものの、ａ層とｂ層の界面における結晶格子の整合性
を確保するには、両層を近似のバイアス電圧で成膜する
ことにより達成できる。

【００１２】次に請求項中記載のｂ層に関して、その構
成要件について詳しく述べる。ＴｉＡｌ系窒化物等の皮
膜であるｂ層におけるＡｌの役割は、皮膜の耐摩耗性お
よび耐酸化性を向上させることである。皮膜の耐摩摩耗
性および耐酸化性は、皮膜中のＡｌ含有量の増加に伴っ
て向上する。しかしながら、７５％を越えて含有する
と、皮膜の硬さが低下し、工具として必要な耐摩耗性が
得られなくなる。そのため、耐摩耗性、耐酸化性をバラ
ンス良く得るためには、ｂ層中のＡｌ含有量を、皮膜の
金属成分のみの原子％で、４０％越え７５％以下に調整
することが重要である。

【００１３】Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍ
ｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、ＴｉＡｌ系窒化物等の皮膜中に
おいて固溶強化元素として働き、皮膜の高硬度化に有効
である。そのため、必要に応じＢ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、
Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２
種以上を微量添加することが望ましい。しかしながら皮
膜の金属成分のみの原子％で１０％以上添加すると、皮
膜の靭性が極端に低下する。そのため、耐摩耗性、耐酸
化性、靭性をバランス良く得るためには、Ｂ、Ｓｉ、
Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは１
種または２種以上で１０％未満とする。

【００１４】上記ａ層およびｂ層は、いずれも母材との
密着性においては十分でない。そのため、母材表面直上
には、ｂ層および母材との密着性に優れ、適度に耐摩耗
性、耐酸化性等を有す金属成分としてＴｉを主体とする
窒化物のｃ層が必要である。ｃ層はａ層およびｂ層に比
べ硬さの低いＴｉＮであることが望ましいが、ＴｉＮに
周期律表IVａ族、Ｖａ族、VIａ族金属およびＡｌ、Ｓ
ｉ、Ｙ、Ｃｏ等を微量に含有する場合、具体的には金属
成分のみの原子％で１０ａｔ％未満の含有量においても
同様の効果が得られる。

【００１５】ｃ層の層厚は０．１μｍ以上１μｍ以下に
限定される。ｃ層の層厚が厚いほど密着性の向上は顕著
になる。しかしながら、一般に切削中においては、刃先
部の皮膜は斜め断面の形態で摩耗するため、ａ層および
ｂ層に比べ耐酸化性の低いｃ層より優先的に酸化が進行
する。そのためｃ層の層厚が厚い場合、つまり切削中の
摩耗によるｃ層の露出面積が大きい場合は、ｃ層の優先
酸化が顕著となり、切削工具の性能は著しく向上しな
い。また、極端にｃ層の層厚が薄い場合は、密着性向上
効果が顕著に表れない。以上のような理由からｃ層の層
厚を０．１μｍ以上１μｍ以下とする。望ましくは０．
２μｍ以上０．４μｍ以下である。

【００１６】以上のように本発明においては、母材との
密着性に優れるｃ層を母材表面直上に被覆し、その上に
皮膜自体の耐摩耗性および耐酸化性をバランス良く有す
ＮａＣｌ型結晶構造のｂ層と、著しく耐酸化性に優れる
ａ層を、ｂ層と同じＮａＣｌ型結晶構造の状態で被覆す
ることが極めて重要であり、その結果、乾式の高速切削
に対応する切削工具を得ることが可能となる。また、母
材表面直上にｃ層を被覆し、その上にｂ層を被覆した
後、ａ層ならびにｂ層をそれぞれ交互に積層した多層皮
膜によっても同様の効果が得られる。

【００１７】また、ａ層およびｂ層の各層は必要に応じ
て窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれか
に調整でき、それらを被覆した工具についても同様の効
果が得られる。本発明の硬質皮膜被覆工具は、その被覆
方法については、特に限定されるものではないが、被覆
母材への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性、およ
びａ層とｂ層の整合性等を考慮した場合、比較的低温で
被覆でき、被覆した皮膜に圧縮応力が残留するアーク放
電方式イオンプレーティング、もしくはスパッタリング
等の被覆母材側にバイアス電圧を印加する物理蒸着法で
あることが望ましい。以下、本発明を実施例に基づいて
説明する。

【００１８】

【実施例】小型アークイオンプレーティング装置を用
い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、な
らびに反応ガスであるＮ_２ガス、ＣＨ_４ガス、Ａｒ／Ｏ
_２混合ガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、被
覆基体温度４００℃、反応ガス圧力３．０Ｐａの条件下
にて、被覆基体である超硬合金製６枚刃エンドミル（外
径８ｍｍ）および超硬合金製ドリル（外径８ｍｍ）に、
全皮膜の厚みが４μｍとなるように成膜を行った。な
お、本発明例の全てと、比較例５４、５５、５６、５
８、５９については、ａ層ならびにｂ層ともに−１００
Ｖの同じバイアス電圧を印加し成膜したが、比較例５
１、５２、５３、５７については、ａ層を−３０Ｖ、ｂ
層を−２００Ｖとそれぞれ異なったバイアス電圧を印加
し成膜した。また、本発明例ならびに比較例のｃ層およ
び従来例については、全て−１５０Ｖのバイアス電圧を
印加し成膜した。本発明例および比較例のａ層およびｂ
層の厚みについては、基本的にほぼ１：１であるが、表
中の総積層数が２層のものについては、ａ層を約０．５
μｍとしたため、ｂ層は全皮膜の厚みよりａ層、ｃ層
（表中記載）を差し引いた層厚である。

【００１９】得られた硬質皮膜被覆エンドミルおよびド
リルを用い、次に示す乾式の高速切削条件にて、刃先の
欠けないしは摩耗等により工具が切削不能となるまで加
工を行い、その時の切削長，穴あけ数を工具寿命とし
た。表１に本発明例、表２に比較例の硬質皮膜に関する
詳細およびそれらの切削結果を示す。ａ層の格子定数に
ついてはＸ線回折より算出した。併せて表３に従来例の
切削結果を示す。

【００２０】エンドミル切削条件は、工具として超硬合
金製６枚刃エンドミル、外径８ｍｍを用いて、側面切削
をダウンカットで、被削材はＳＫＤ１１（ＨＲＣ６
０）、切り込み量Ａｄ＝１２ｍｍ、Ｒｄ＝０．２ｍｍ、
切削速度＝２００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．０３ｍｍ／ｔ
ｏｏｔｈ、切削油＝なし、但し、エアーブローを使用で
行った。

【００２１】次に、ドリルの切削条件は、工具として超
硬合金製ドリル、外径８ｍｍを用いて、被削材ＳＣＭ４
４０（ＨＲＣ３０）の穴加工を、切削速度＝９０ｍ／ｍ
ｉｎ、送り量＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切削油＝なし、但
し、エアーブローを使用し、穴深さ２４ｍｍの止まり穴
の加工で行った。また、加工穴数は最高２０００穴で終
わりとした。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】表１、表２および表３より、本発明例は、
比較例ならびに従来例と比べて、工具寿命が著しく向上
しており、乾式高速切削加工に十分対応することがわか
る。比較例５１は、皮膜組成については本発明に含まれ
るものであるが、皮膜の層構造が異なるため、エンドミ
ルおよびドリル、両工具の切削において、皮膜の剥離が
早期に生じ、非常に短寿命となった。比較例５３、５７
は、皮膜の組成、層構造については本発明に含まれるも
のであるが、ａ層の格子定数が満足していないため、十
分な皮膜硬さが得られず本発明例に比べ短寿命となっ
た。また、比較例５９においても、従来例に比べ比較的
良好な工具寿命を示すものの、ｃ層の層厚が厚いため、
本発明例に比べると短寿命である。

【００２６】

【発明の効果】以上の如く、本発明の硬質皮膜被覆工具
は、従来の被覆工具に比べ優れた耐酸化性、耐摩耗性を
有すことから、乾式高速切削加工において格段に長い工
具寿命が得られ、切削加工における生産性の向上だけで
なく環境問題への対応にも極めて有効である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラ
ミックスの何れかを母材とし、金属成分のみの原子％
で、Ｓｉが１０％以上６０％以下、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃ
ｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種また
は２種以上で１０％未満、残Ｔｉで構成される窒化物、
炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであり、Ｎ
ａＣｌ型結晶構造を有し、かつ格子定数が０．４１７ｎ
ｍ以上０．４２３ｎｍ以下であるａ層と、金属成分のみ
の原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、
Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１
種または２種以上で１０％未満、残Ｔｉで構成される窒
化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかで、
ＮａＣｌ型結晶構造を有すｂ層が、それぞれ一層以上交
互に被覆され、かつ母材表面直上には金属成分としてＴ
ｉを主体とする窒化物で層厚が０．１μｍ以上１μｍ以
下のｃ層があり、さらにｃ層直上はｂ層であることを特
徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】請求項１記載の硬質皮膜を物理蒸着法に
より被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。