JP2000334606A - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、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
とする。 【構成】 硬質皮膜をａ層（ＴｉＳｉ系窒化物等）、ｂ
層（ＴｉＡｌ系窒化物等）の皮膜を、それぞれ一層以上
交互に被覆し、ｂ層の皮膜を母材表面直上にし、かつａ
層の微細組織構造が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中にＳｉ_３Ｎ_４および
Ｓｉが独立した相として存在するように成膜することに
より構成する。

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。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Ｔ
ｉＡｌＮ皮膜では、十分な工具寿命が得られないのが現
状である。

【０００４】

【本発明の目的】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。

【０００５】

【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ＴｉＳｉ
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Ｔｉ
Ａｌ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、それぞれ一層以上交互に被覆し、そ
の際、上述のＴｉＡｌ系窒化物等の皮膜を母材表面直上
にし、かつＴｉＳｉ系窒化物等の微細組織構造が、Ｔｉ
を主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸
炭窒化物中に、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＳｉが独立した相とし
て存在するように成膜することで、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。

【０００６】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、硬質皮
膜のａ層は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、Ｍ
ｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未
満、残り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、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＳｉが
独立した相として化合物中に存在し、ｂ層は金属成分の
みの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ
の１種または２種以上で１０％未満、残り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、該ａ層、ｂ層がそれぞれ一層以上交互に被覆
され、かつ、ｂ層が母材表面直上にあることを特徴とす
る硬質皮膜被覆工具であり、更に上記硬質皮膜は、物理
蒸着法により被覆されたことが望ましい。

【０００７】

【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。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Ｔ
ｉ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。

【０００８】ａ層に含まれるＢ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、
Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、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。必要に応じＢ、Ａｌ、Ｖ、Ｃ
ｒ、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、Ｎ
ｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、１種または２種以上で１
０％未満とする。更に、ａ層の微細組織は、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
物中に、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＳｉが独立した相として存在
する構造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。この様な構造を持つ皮
膜、つまり本発明ａ層を形成するには、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、その絶対値は異なるものの、被覆の
際、基体に印加するバイアス電圧を−１０〜−１００Ｖ
といった比較的低い値にすることで達成できる。

【０００９】ｂ層中の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。皮膜中における
Ａｌ含有量が少ないほど、母材と皮膜の密着性は良好と
なるが、皮膜の金属成分のみの原子％で、Ａｌが４０％
以下となると、皮膜の耐摩耗性、耐酸化性を向上させる
効果が得られない。しかしながら、７５％を越えて含有
すると、母材と皮膜の密着性が劣化するだけでなく、逆
に皮膜の硬さも低下し、工具として必要な耐摩耗性が得
られない。そのため、密着性、耐摩耗性、耐酸化性をバ
ランス良く得るためには、ｂ層の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。Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚ
ｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、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、母材と皮膜の密着性が低下する。そのため、密
着性、耐摩耗性、耐酸化性をバランス良く得るために
は、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈ
ｆ、Ｔａ、Ｗは１種または２種以上で１０％未満とす
る。

【００１０】上述のように、本発明においては母材との
密着性、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ｂ層を母材表面直上に被覆し、その上に著しく
耐酸化性、耐摩耗性に優れるａ層を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
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。ま
た、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。

【００１１】

【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、被覆基体である外径８ｍｍの超硬合金製６
枚刃エンドミルおよび超硬合金製インサートに、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５１、５２、５３、５４、５５、
５６、５７、５８については、−３０Ｖのバイアス電圧
を印加し成膜したが、比較例５９については、−２００
Ｖのバイアス電圧を印加し成膜した。また、従来例につ
いては、全て−１００Ｖのバイアス電圧を印加し成膜し
た。

【００１２】得られた硬質皮膜被覆エンドミルおよびイ
ンサートを用い、次の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、その時の切削長を工具寿命とした。エンドミ
ルの切削諸元は、、側面切削ダウンカットにて、被削材
ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）を、切削速度２００ｍ／ｍｉ
ｎ、送り量０．０３ｍｍ／刃、切り込み量Ａｄ＝１２ｍ
ｍ、Ｒｄ＝０．２ｍｍでエアーブローを用いて行った。
インサートの切削諸元は、直径１６０ｍｍの正面フライ
ス（インサート形状＝ＳＥＥ４２ＴＮ）にて、巾１００
ｍｍ×長さ２５０ｍｍの平面加工を、被削材：ＳＫＤ６
１（４５ＨＲＣ）にて、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、送
り量０．１５ｍｍ／刃、切り込み量：２．０ｍｍで行っ
た。表１に本発明例、表２に比較例、表３に従来例の硬
質皮膜に関する詳細およびそれらの切削結果を示す。ａ
層中のＳｉ_３Ｎ_４ならびにＳｉの有無についてはＸＰＳ
にて確認を行い、Ｓｉ_３Ｎ_４ならびに（もしくは）Ｓｉ
の存在が認められた皮膜については表中に記した。

【００１３】

【表１】

【００１４】

【表２】

【００１５】

【表３】

【００１６】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５２は、皮膜の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
ミルおよびインサート、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５９
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層には、Ｓｉ相のみしか存在していない
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５７のようにｂ層のＡｌ含有量
が著しく多い場合は、切削中に母材とｂ層の界面より剥
離が生じ、極端な短寿命となった。

【００１７】

【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に極め
て有効である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【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、硬質皮膜のａ層は金属成
   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、残り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、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＳｉが独立した相として化合
   物中に存在し、ｂ層は金属成分のみの原子％が、Ａｌ：
   ４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚ
   ｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上
   で１０％未満、残り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、該ａ層、
   ｂ層がそれぞれ一層以上交互に被覆され、かつ、ｂ層が
   母材表面直上にあることを特徴とする硬質皮膜被覆工
   具。
2. 【請求項２】 請求項１記載の硬質皮膜被覆工具におい
   て、該硬質皮膜は物理蒸着法により被覆されたことを特
   徴とする硬質皮膜被覆工具。