JP2001179505A - 耐摩耗皮膜被覆工具 - Google Patents

耐摩耗皮膜被覆工具

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JP2001179505A
JP2001179505A JP36898799A JP36898799A JP2001179505A JP 2001179505 A JP2001179505 A JP 2001179505A JP 36898799 A JP36898799 A JP 36898799A JP 36898799 A JP36898799 A JP 36898799A JP 2001179505 A JP2001179505 A JP 2001179505A
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Japan
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film
cutting
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abrasion
tool
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JP36898799A
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Takashi Ishikawa
剛史 石川
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Moldino Tool Engineering Ltd
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Hitachi Tool Engineering Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C28/40Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
    • C23C28/42Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by the composition of the alternating layers

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Abstract

(57)【要約】 【目的】切削加工の乾式化、高速化に対応するため、耐
酸化性及び耐摩耗性に優れた硬質皮膜と、被削材との凝
着性及び溶着性が少なく、しかも他層との密着性に優れ
た耐凝着性層とを複合化した耐摩耗皮膜被覆工具を提供
する。 【構成】基体表面に硬質皮膜を被覆してなる耐摩耗皮膜
被覆工具において、該皮膜は(Cr1−a)(N
1−x)、但し、0.5≦a<1、0.5≦x≦1、
で示される化学組成からなるA層と、(TiAl)(N
1−y)、但し、0.5≦y≦1で示される化学組
成からなるB層を交互に夫々1層以上被覆して構成す
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】金属加工の高能率化を目的とした調質鋼
の直切削においては、特開昭62−56565号、特開
平2−194159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。TiAlN皮膜は、
TiN、TiCNに比べ耐酸化性が優れるため、刃先が
高温に達する調質鋼の切削においては、切削工具の性能
を著しく向上させるものである。
【0003】しかしながら、近年では更なる加工の高能
率、高精度化の要求を満たす為、切削速度の高速化に加
え、環境問題及び加工コスト低減の観点から乾式での切
削加工が重要視されている。こうような切削環境下にお
いては、切削工具表面に被覆される耐摩耗皮膜と切削さ
れる材料(以下、被削材と称す)との凝着および溶着現
象が切削性能に大きな影響を及ぼす。すなわち、従来ま
での前記TiN、TiCNおよびTiAlN皮膜はこの
ような苛酷な切削環境下においては、被削材との凝着お
よび溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増加により、十分
な切削性能を得られないのが現状である。
【0004】このような問題を解決する為に、特表平1
1−502775号公報に示される二硫化モリブデン
や、特開平7−164211号公報に示される炭化タン
グステンおよびダイヤモンドライクカーボンからなる潤
滑性皮膜を硬質皮膜最表面に積層した切削工具が開発さ
れているが、いずれも硬質皮膜との密着性が悪く、皮膜
そのものが非常に脆い為、切削時に剥離または破壊など
により上記切削環境下においては十分対応できない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした事情
に鑑み、切削加工の乾式化、高速化に対応可能な、即
ち、耐酸化性及び耐摩耗性に優れた硬質皮膜(B層)
と、被削材との凝着性及び溶着性が少なく、しかもB層
との密着性に優れた耐凝着性層(A層)とを複合化した
耐摩耗皮膜被覆工具を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は、硬質皮膜の
耐摩耗性、様々な被削材と摩擦抵抗の低減に及ぼす影響
および皮膜の層構造について詳細な検討を行った結果、
皮膜の一部に耐凝着性及び耐溶着性に優れた層を介在さ
せた耐摩耗皮膜被覆工具において、該皮膜は、耐凝着性
及び耐溶着性を付与する(Cr1−a)(N
1−x)、但し、0.5≦a<1.0、0.5≦x≦
1.0で示される化学組成からなるA層と、耐酸化性及
び耐摩耗性を付与する(TiAl)(N1−y)、
但し、0.5≦y≦1.0で示される化学組成からなる
B層を交互に夫々1層以上被覆した耐摩耗皮膜被覆工具
とする事により、乾式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。また、A層は硬質皮膜の最上層に有ることが好まし
いが、必ずしも最上層でなくとも、その効果は十分に発
揮するものである。更に上記耐摩耗皮膜は、物理蒸着法
により被覆されることが望ましい。
【0007】
【作用】はじめにA層に関して、その各構成の作用につ
いて詳しく述べる。(Cr1−a)(N
1−x)、但し、0.5≦a<1.0、0.5≦x
≦1.0、で示される化学組成からなるVとCrより構
成される窒化物もしくは酸窒化物(以下、VCr化合物
と称す)は、大気中における摩擦係数が従来のTiAl
窒化物皮膜の0.8に比べ、0.3と極めて低摩擦を示
すだけではなく、その他の硬質皮膜との密着性が極めて
優れることを見出した。
【0008】前記乾式高速切削過程においては、凝着や
溶着現象等により被削材の一部が硬質皮膜表面の微視的
な凹凸部に強固に固着し、この凝着物および溶着物等と
ともに、皮膜は剥離または剥離に起因した刃先の欠損を
生じる。A層を複合化することによる摩擦係数の低下
は、凝着や溶着現象そのものを低減させる効果を有す
る。この摩擦係数の低下は、Crそのものの有する効果
によるものであるが、これにVを添加する事により高温
での使用環境下において、更に摩擦係数の低下がもたら
される。これは、Vが比較的低い温度で工具表面にバナ
ジウム酸化物を形成し、この酸化物が更に摩擦係数の低
減に寄与する事によるものである。
【0009】またA層は、皮膜そのものの弾性係数がT
iAl窒化物皮膜の620GPaに比べ、450GPa
と著しく低い値を示す。このことは以下の作用をもたら
すことを確認した。つまり、耐凝着性改善皮膜の弾性係
数が従来のTiAl系窒化物よりも高い場合、硬質皮膜
内部の強度よりも皮膜界面の強度が弱くなる為、容易に
硬質皮膜の剥離もしくは剥離に起因した刃先の欠損が発
生し、切削工具の性能を低下させる。一方、硬質皮膜の
弾性係数が従来のTiAl系窒化物よりも低い場合、微
視的な硬質皮膜表面の凹凸部に固着した凝着物および溶
着物等は、この凹凸部の硬質皮膜内部でせん断される
為、高弾性係数の皮膜に見られる硬質皮膜の剥離もしく
は工具の欠損が発生しないことを確認した。
【0010】尚、上記弾性係数はJournal of Materials
Research誌第7巻第1564〜1583頁に記載され
た方法によって、ELIONIX社製Nano Indentation Tester
ENT-1100を用いて負荷荷重(load,P)と押し込み深さ
(displacement,h)の関係より測定、算出した。
【0011】本発明の硬質皮膜を構成するA層の金属元
素の組成は、(Cr1−a)において、aの値が
0.5≦a<1.0という式を満足させることが必要で
ある。aの値が0.5未満の場合、Crそのものの効果
による低摩擦を得る為に十分ではなく、乾式高速切削に
おける性能が十分ではない。
【0012】また、上記A層に係る窒化物もしくは酸窒
化物の場合、N1−xで0.5≦x≦1.0を満足
することが必要であり、xの値が0.5未満の場合は、
皮膜の硬度が著しく低下し、十分な切削性能を示さな
い。
【0013】次にB層の作用について述べる。上記A層
は、静的および動的条件下において優れた密着性、低摩
擦を有すものの、調質材の切削加工には、単一皮膜では
十分な切削性能を示さない。そこで、優れた耐酸化性を
有したB層を併用する必要がある。このB層の組成は、
(TiAl)(N1−y)で0.5≦y≦1.0を
満足することが必要である。また、Oの添加により、更
なる耐酸化性が向上するものの、yの値が0.5未満の
場合は、皮膜の硬度が著しく低下してしまい十分な耐摩
耗性を示さない。
【0014】以上のように本発明においては、皮膜自体
の耐酸化性と耐摩耗性をバランス良く有するB層と、高
密着、低摩擦に優れるA層を交互に、それぞれ2層以上
積層する事により、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。
【0015】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基体側にバイアス電圧
を印加する物理蒸着法であることが望ましい。
【0016】
【実施例】以下本発明を実施例に基づいて説明する。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ガス、N/O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10m
mの超硬合金製2枚刃エンドミル、R5mmの超硬合金
製2枚刃ボールエンドミルおよび超硬合金製インサート
に−150Vの電位を印加し、全皮膜の厚みが4μmと
なるように成膜した。成膜順序は先ずB層を、次にA層
を成膜し、必要に応じてこれを繰り返した。各試料のA
層、B層の組成、総層数(A層数+B層数)を表1に示
す。
【0017】
【表1】
【0018】同様に膜の組成や構成を変化させた比較例
を表2に示す。
【0019】
【表2】
【0020】得られた硬質皮膜被覆エンドミルおよび硬
質皮膜被覆インサートを用い切削試験を行った。工具寿
命は刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能と
なった時の切削長とした。切削諸元を次に示す。
【0021】2枚刃超硬エンドミルの切削条件は、側面
切削ダウンカット、被削材S50C(硬さ220H
B)、切り込みAd10mm×Rd1mm、切削速度2
50m/min、送り0.06mm/tooth、エア
ーブロー使用、とした。
【0022】2枚刃超硬ボールエンドミルの切削条件
は、直線ダウンカット、被削材S50C(硬さ220H
B)、切り込みAd0.5mm×Pick Feed
0.5mm、回転数10000min−1送り1000
mm/min、エアーブロー使用、とした。
【0023】インサート切削条件は、工具形状SEE4
2TN、巾100mm×長さ250mmの面取り加工、
被削材SKD61(硬さ45HRC)、切り込み2.0
mm、切削速度150m/min、送り0.15mm/
rev、乾式切削とした。表1及び表2に試験結果を併
記する。
【0024】比較例12、13はVの量が多すぎる場合
の比較例であり、耐凝着及び溶着性が十分ではなく工具
寿命が短い。比較例14、15は、A層およびB層への
酸素添加量が多すぎる場合の比較例であり、耐摩耗性が
十分でなく工具寿命が短い。比較例16はA層の単一皮
膜であり、耐摩耗性が得られず寿命が短い。比較例17
は、B層の単一皮膜であり、凝着が激しく、異常摩耗を
誘発し寿命が短い。比較例18、19、20、21、2
2は、A層に他成分皮膜を用いた場合の比較例であり、
いずれも凝着および溶着等により、早期に皮膜の異常摩
耗が発生し寿命が短い。比較例23、24、25、2
6、27、28は、従来までの硬質皮膜における切削性
能を示すが、何れも本発明例に比較して著しく劣る結果
となった。
【0025】これらに対し本発明例は、切削時の摩擦に
対する抵抗を著しく低減し、かつ硬質皮膜との密着性に
優れ、また、密着力、硬さと靭性のバランスを考慮した
B層を併用しているので、凝着や溶着現象に起因した異
常摩耗が進行することもなく、総合して工具寿命が著し
く向上する。従って、本発明は乾式高速切削加工に十分
対応するものである。
【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密着性、低摩擦を有す
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 (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基体表面に硬質皮膜を被覆してなる耐摩
    耗皮膜被覆工具において、該皮膜は(Cr1−a
    (N1−x)、但し、0.5≦a<1、0.5≦x
    ≦1、で示される化学組成からなるA層と、(TiA
    l)(N −y)、但し0.5≦y≦1で示される
    化学組成からなるB層を交互に夫々1層以上被覆したこ
    とを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。
JP36898799A 1999-12-27 1999-12-27 耐摩耗皮膜被覆工具 Pending JP2001179505A (ja)

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