JP2001001202A - 被覆工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】刃先の温度が高い場合の切削寿命を改善する。 【構成】基体表面にＴｉもしくはＴｉとＡｌの窒化物、
炭窒化物、窒硼化物、炭窒硼化物等のいずれか一種以上
の皮膜をイオンプレーティング法で被覆した被覆工具に
おいて、基体に間欠パルスバイアスを印加して皮膜を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は乾式切削や高硬度鋼の高
速切削など、切削温度が極めて高くなる切削において優
れた耐摩耗性を発揮する被覆工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、Ａｌを含有させたＴｉＡｌＮ系の
皮膜が耐酸化性に優れるため従来のＴｉＮ、ＴｉＣＮ系
に代わり普及しつつある。Ａｌの添加効果に基づく応用
例として、特公平４−５３６４２、特公平５−６７７０
５等がある。しかしながら、これらの事例はＡｌを添加
することにより皮膜そのものの耐酸化性が幾分改善がさ
れたにすぎず、現状では特殊な高速高能率切削、高硬度
鋼切削、乾式切削において十分に満足のいく工具寿命を
得るには至っていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のような切削にお
いては、刃先の切削温度が著しく高くなり、本発明者ら
の詳細な観察の結果、Ａｌを添加したといえども皮膜の
酸化が発生し、酸化皮膜の摩滅、剥離により摩耗が進行
することが明らかになった。従ってさらに皮膜の耐酸化
性を改善しなければ、上述のような切削条件下では、十
分に満足のいく切削寿命は達成されない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】酸化は皮膜の結晶粒子そ
のものの酸化と結晶粒子の粒界での酸素拡散により進行
する。結晶粒界は格子欠陥が多数あり、ここでの酸素の
拡散速度は結晶内部での酸素拡散速度の数十倍となり、
皮膜の酸化は結晶粒界の欠陥密度に比例して速くなる。
従って皮膜の結晶粒界の格子欠陥をなくせば、理論的に
は酸化速度は十数分の一となることになる。このような
格子欠陥は結晶粒界だけでなく、結晶粒内にも多数存在
し、皮膜密度を理論値より低いものとするものである。
従って皮膜の密度を向上すれば、確実に皮膜の耐酸化性
は向上すると考えられる。

【０００５】一方、現状の物理蒸着法によるコーティン
グはイオンプレーティングと呼ばれるようにエレクトロ
ンビーム法（ホロカソード法）、スパッタリング法、マ
グネトロンスパッタリンぐ法、カソードアーク法いずれ
においても、被覆物にマイナスのバイアスを印加し、イ
オン化した金属イオンや窒素イオンを電気的に加速し物
質を堆積させるものである。いずれも共通して被覆物に
印加するバイアスには直流の電圧を使用するものであ
る。高圧の直流電圧を連続的に印加すると被覆物の温度
が上昇するため、直流電圧は現状では２０Ｖ〜２００Ｖ
であるのが一般的である。このような印加電圧範囲では
被覆物表面に堆積するイオンは表面移動に十分なエネル
ギーがなく表面上の移動可能距離が限定され格子欠陥を
うめることに限界が存在する。結晶粒界の格子欠陥密度
は皮膜の密度を支配すると思われる。通常のマイナスの
バイアスを印加した場合のコーティング皮膜の密度は実
際のところ、組成から計算される理論値に対し、６０％
〜７０％程度である。

【０００６】イオンエネルギーを高めるためには基体に
印可するバイアスをたかめれば可能であるが、単純にバ
イアスを高めるとそれに伴い残留圧縮応力が増大し皮膜
密着性が劣化してしまう。種々検討した結果、被覆物に
印加するバイアスをパルス化しより高バイアスでの被覆
を可能にすれば皮膜結晶粒内の欠陥や結晶粒界の欠陥を
大幅に減少させることが可能であるという知見を得るに
至った。つまりバイアス電圧を間欠的に付与することに
より、被覆物の温度上昇を抑制しながら、表面に堆積す
るイオンのエネルギーを格段に高め、表面での移動可能
距離を高めることにより、イオンが格子欠陥をうめる位
置までの移動を可能にすることに成功した。即ち本発明
者は、この結晶内部及び結晶粒界の格子欠陥を低減し皮
膜密度を向上せしめるには被覆物に印加するバイアスを
間欠的パルス化することにより可能であり、そのように
した被覆工具は刃先温度が高温となる場合での耐酸化性
に優れるばかりでなく、刃先温度が比較的低い場合でも
耐剥離性、耐チッピング性に優れ、よりいっそう優れた
切削性能と、より広い適用範囲を示すことを見いだし本
発明に至った。

【０００７】本発明は、基体表面にＴｉもしくはＴｉと
Ａｌの窒化物、炭窒化物、窒硼化物、炭窒硼化物等のい
ずれか一種以上の皮膜をイオンプレーティング法で被覆
した被覆工具において、該皮膜は該基体に間欠パルスバ
イアスを印加して形成したことを特徴とする被覆工具、
または、該皮膜のＴｉの一部または全部を１〜３０原子
％の範囲でＳｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｄ、Ｎｂ、Ｙの
一種以上で置換したことを特徴とする被覆工具である。

【０００８】

【作用】印加電圧を４００Ｖとし、電圧印加５０％、無
印加（０Ｖ）５０％の比率で一秒間に２０ｋＨｚの周波
数で電圧を印加すると、被覆物の温度上昇なくイオンエ
ネルギーを向上させることが可能となる。イオンエネル
ギーの向上によりイオン、原子の移動距離が長くなり粒
内欠陥、粒界欠陥まで原子が移動可能となり、皮膜内の
欠陥を大幅に低減し、皮膜の密度を大幅に向上すること
が可能となる。このように、皮膜内の欠陥を少なめ、皮
膜密度を向上させることにより酸素の拡散速度は大幅に
低下し、皮膜の耐酸化性を大幅に高める結果となり切削
温度が上昇する高速切削、高硬度鋼切削で極めて長い切
削寿命を達成することが可能となる。また皮膜結晶内部
に存在する格子欠陥は、格子歪を発生し皮膜に残留する
圧縮応力を増加せしめる。圧縮応力が増加すると皮膜の
密着性が劣化し剥離を生じやすくなり安定した切削がで
きず、皮膜の微少剥離に起因するチッピング等が発生し
易くなる。バイアスのパルス化は残留圧縮応力の低減に
も大きく寄与する。

【０００９】さらに、ＴｉＡｌ系の皮膜にＳｉ、Ｙとい
った第三成分を添加することにより、皮膜の耐酸化性が
向上しさらに切削特性を向上させることが可能である。
これら第三成分はＴｉＡｌ系皮膜の結晶粒界に偏析し、
粒界の格子欠陥をさらにうめ、粒界での酸素の拡散をさ
らに抑制することにより皮膜の耐酸化性を向上せしめ
る。このような効果をもたらす成分としてＳｉ、Ｃｒ、
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｎｂ、Ｎｄが確認された。またＴｉＡ
ｌ系化合物層の間にＴｉ系の化合物層を介在させること
により、より一層の残留圧縮応力の低減が可能であるこ
とを確認した。これはＴｉ系化合物層はヤング率が低い
ためにＴｉＡｌ系皮膜に残留する応力を吸収緩和するこ
とによると考えられる。

【００１０】皮膜の密度測定はここでは超音スペクトロ
マイクロスコピーを用いた。測定方法は周波数域４０Ｍ
Ｈｚ〜１４０ＭＨｚの超音波センサーを用い、入射角を
種々変更し、超音波反射率の測定を行った。各周波数に
おける反射率の位相曲線における最急峻となる位置をレ
ーリー臨界角とみなして、各周波数における臨界角を決
定し、スネルの法則よりレーリー波速度を決定する。各
周波数とレーリ波速度の分散曲線から逆解析を用いて、
皮膜の弾性特性を算出する。具体的には計算される分散
曲線と実験より求めた分散曲線との残差の自乗和を最小
にする最適化法により求めた。

【００１１】

【実施例】実施例に基づき本発明を説明する。 実施例１ 市販の平均粒径０．２ミクロンから１．５ミクロンのＷ
Ｃ粉末と同１ミクロンのＣｏ粉末を用いＣｏ含有量が７
ｗｔ％になるようアトライターでアルコール中６時間調
合、混合しφ１０ｍｍの本発明ボールエンドミルを製作
した。これらエンドミルをＴｉ（５０）Ａｌ（５０）の
ターゲットを用いアークイオンプレーティング法によ
り、コーティング膜厚 ２ミクロンの条件下でＴｉＡｌ
Ｎをコーティングし表１に示す本発明エンドミル、比較
エンドミルを製作した。尚、コーティング工程の前処理
として行うイオンボンバード処理においてもコーティン
グ工程と同様のバイアスを基体に印加した。

【００１２】

【表１】

【００１３】表１より明らかなように、バイアスをパル
ス化した本発明例はいずれも密度が高く、酸化皮膜の形
成量も極めて少ない。また全般に皮膜に残留する圧縮応
力も低いことも明らかである。表１中、皮膜組成はＴｉ
０．５Ａｌ０．５Ｎで一定とし、理論密度は計算で求め
た４．６１ｇ／ｃｍ３としそれに対する比率を表わし
た。酸化皮膜は大気中、９００℃で１ｈｒ保持した場合
に形成される酸化皮膜の厚さを測定して併記した。これ
らボールエンドミルを用い直径１００ｍｍ深さ５ｍｍの
ポケット加工をＳＫＤ６１硬さＨｒＣ５０に対して行っ
た。切削条件は主軸回転数 １００００ｒｐｍ（切削速
度 ３１４ｍ／分）、テーブル送り ２０００ｍｍ／ｍ
ｉｎ（０．１ｍｍ／刃）、切り込み×ピッチ ０．２×
０．５ｍｍ、切削油なし、オーバーハング ３０ｍｍと
した。加工は等高線加工とし、加工ポケット数に対する
摩耗量と加工面粗さを測定した。その結果を表２に示
す。

【００１４】

【表２】

【００１５】表２中、摩耗量はボールエンドミルの先端
において刃先の後退量を測定した。単位はｍｍである。
面粗さは送り方向において測定し、Ｒｍａｘ値を採用し
た。寿命は刃先の後退量が０．０３以上となるか、チッ
ピングが発生するまでの穴加工数とした。表２より明ら
かなようにパルスバイアスを採用した本発明例は摩耗進
行量が少なく安定した切削、仕上げ面がえられているこ
とが明らかである。尚この場合ボールエンドミルの先端
部は常に被削材と接触し高温となり皮膜が酸化により摩
滅して刃先が後退するものである。

【００１６】尚、ボールエンドミルと同様な加工ができ
るコーナーＲ付きのエンドミルにおいても結果は同様な
傾向を示した。

【００１７】実施例 ２ 実施例１と同様に表３に示す各種３元系の皮膜を２ミク
ロンコーティングし実施例１と同一切削にて同様な評価
をした。その結果を表３に併記する。ここで本発明例は
全てパルスバイアスを用い、その条件は３００Ｖ付与率
８０％とした。一方比較例はＤＣバイアスを採用しその
バイアスは１００Ｖとした。反応圧力は３Ｐａとした。

【００１８】

【表３】

【００１９】表３より明らかなように３元系にした本発
明エンドミルはより優れた性能を発揮することが明らか
である。これは前述のような耐酸化性の向上に伴う皮膜
自体の耐摩耗性の向上に起因するものと考えられる。ま
た置換量が１％未満では添加効果が認められず本発明例
１とほとんど同じ結果であることも確認される。また、
添加量が３０％を越えると皮膜が脆くなり初期にチッピ
ングが発生したり、皮膜硬さが劣化し、著しく耐摩耗性
を損なう結果も確認される。

【００２０】実施例３ 表４に示す各種多層膜を印加バイアス５００Ｖ パルス
付与率５０％にて試作しＤＣバイアス品との応力及び密
着性の比較を行った。応力はＸ腺により算出し、密着力
はスクラッチテスターを用い皮膜が剥離する臨界の荷重
を求めた。また９００℃大気中で一時間保持した時に形
成される酸化膜の厚さを調査した。その結果を表４に併
記する。

【００２１】

【表４】

【００２２】表４から明らかなように、ＴｉＡｌ系皮膜
とＴｉ系皮膜を多層化することにより、より一層の残留
応力低減が可能であり、またＤＣバイアスに比べ格段に
密着性に優れることが明らかである。また耐酸化性も極
めて優れることも明らかである。

【発明の効果】本発明による被覆エンドミルは上述のよ
うに刃先が特に高温となる乾式切削等において著しく工
具特性を向上させるものである。また、刃先の温度が低
い場合においても皮膜の残留応力が小さいこと、等によ
り耐チッピング性、耐剥離性などの著しい改善があり、
よって本発明品は幅広い用途に適用して優れた性能を示
し、生産性を大いに改善しうるものである。実施例のボ
ールエンドミルに限らず、その他の工具においてもその
効果は同様であることは言うまでもない。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体表面にＴｉもしくはＴｉとＡｌと
   Ｎ、Ｃ、Ｂ、Ｏより選ばれる一種以上の化合物よりなる
   皮膜をイオンプレーティング法で少なくとも一種以上被
   覆した被覆工具において、該皮膜は該基体に間欠パルス
   バイアスを印加して形成したことを特徴とする被覆工
   具。
2. 【請求項２】 請求項１記載の被覆工具において、該皮
   膜のＴｉの一部または全部を１〜３０原子％の範囲でＳ
   ｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｄ、Ｎｂ、Ｙの一種以上で置
   換したことを特徴とする被覆工具。