JP2001328009A - 被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被削材との凝着および溶着現象等に起因した摩
擦抵抗の増加を抑制し、皮膜剥離及び熱クラックによる
異常摩耗の生じることのない耐凝着皮膜と、耐酸化性及
び耐摩耗性に優れた硬質皮膜とを複合化した被覆切削工
具を提供することを課題とする。 【構成】切削工具基体に、Ｃｒ窒化物からなるＡ層と、
ＴｉＡｌ窒化物からなるＢ層を交互に夫々１層以上被覆
した被覆切削工具において、該Ａ層は少なくとも２種以
上の結晶構造を有するようにして構成する。

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
加工に使用される被覆切削工具に関し、特に被覆エンド
ミルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、耐摩耗皮膜被覆を有する被覆切削
工具においては、汎用的に使用されるＴｉＮ及びＴｉＮ
にＣを固溶強化させることにより皮膜を高硬度化し、耐
摩耗性の改善を図ったＴｉＣＮなどに代表される耐摩耗
皮膜が用いられている。更には、ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比
べ高温特性の優れた特開昭６２−５６５６５号、特開平
２−１９４１５９号に代表されるＴｉＡｌＮ皮膜が開発
され、従来まで困難であった調質鋼の直切削などの、よ
り過酷な条件下での使用を可能とした被覆切削工具が主
流化している。

【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、加工コスト低減の観点から、更なる切削工具の長寿
命化および被加工物の仕上げ精度向上が要求されてい
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、ＴｉＣ
ＮおよびＴｉＡｌＮ皮膜などの耐高温特性および耐アブ
レッシブ摩耗性を追求した高硬度皮膜においては被削材
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、十分な切削寿命が得られないばかりでなく、切削
加工面がむしれ現象により、加工精度を劣化させたりな
どの課題がある。

【０００４】このような問題を解決する為に、特開平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
そのものが非常に低強度である為、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その効果が十
分に発揮されていないのが現状である。

【０００５】このような使用環境下においては、金型な
どの表面処理に使用される、Ｃｒ／Ｎの原子比率が１．
０のＣｒＮ皮膜が摺動特性および被処理物との親和性に
優れ、結果として潤滑作用を有し優れた特性を示すこと
が知られる。しかしながら、このＣｒＮ皮膜の潤滑性を
目的とし切削工具に被覆した事例は少なく、その試みが
特開平１１−１５６９９２号および特表平１１−５０５
５７３号に示される如く成されてはいるが、極めて皮膜
硬度が低く、皮膜中に残留する圧縮応力も極めて低いこ
とより、過酷な切削環境下においては耐摩耗性が十分で
はなく、また熱クラックによる皮膜剥離が生じてしま
う。

【０００６】

【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、被削材との凝着および溶着現象等に起因した摩
擦抵抗の増加を抑制し、更に上記の過酷な切削環境下に
おいても、皮膜剥離及び熱クラックによる異常摩耗の生
じることのない耐凝着皮膜（Ａ層）と、切削加工の高速
化、高精度化に対応可能な、耐酸化性及び耐摩耗性に優
れた硬質皮膜（Ｂ層）とを複合化した被覆切削工具を提
供することを課題とする。

【０００７】

【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、
本発明に至った。本発明の要旨は、切削工具基体に、Ｃ
ｒ窒化物からなるＡ層と、ＴｉＡｌ窒化物からなるＢ層
を交互に夫々１層以上被覆した被覆切削工具において、
該Ａ層内に少なくとも２種以上の結晶構造を有すること
を特徴とする被覆切削工具、でありさらに、金属元素含
有量ａとその他の元素の含有量ｂの原子比、ａ／ｂの値
が１．４以上からなる窒化物と１．４未満からなる窒化
物とが該Ａ層内に共存することを特徴とする被覆切削工
具である。また、該Ａ層は、Ｖ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂから選
ばれる元素の一種または二種以上を３０ａｔ％未満含有
するＣｒ窒化物からなる場合も本発明である。ただし、
ここではＢを金属元素として扱う。このような構成を採
用することで、高速切削加工などの過酷な切削環境下に
おいて切削工具の性能が極めて良好となり、被加工物の
精度が著しく向上することが判明し、従来技術の課題を
解決するに至った。また、該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。

【０００８】

【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。Ｃｒ窒化物は、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。しかしながら皮膜の硬度
が低く耐摩耗性が十分でないばかりではなく、皮膜内部
に発生する残留圧縮応力が極めて低い為、時として熱ク
ラックが発生し、切れ刃の欠損、チッピング等が発生す
る場合がある。

【０００９】そこで、更に該Ａ層内に少なくとも２種以
上の結晶構造を有するものとした。これが、皮膜の更な
る耐摩耗性、耐クラック性及び耐摺動性に大きく影響を
及ぼすパラメータであることが明らかとなった。図１に
該皮膜Ａ層の結晶構造をθ−２θ法によるＸ線回折法で
調べた結果を示す。但し、図１において●で示したピー
クはＷＣ−Ｃｏ超硬合金基体に起因するピークである。
図１より、該Ａ層内には２種以上の結晶構造より構成さ
れていることが分かる。具体的には、ｆｃｃ、ｈｃｐ構
造を有する２種類の結晶構造をＡ層内に共存させるもの
である。すなわち、該Ａ層内にｆｃｃ構造のＣｒ系窒化
物のみからなる場合、Ａ層内に残留する応力が−１．１
０ＧＰａ未満となり、切削時の熱クラックを抑制するの
に十分ではなく、切れ刃の欠損、チッピングまたは皮膜
剥離が生じる。

【００１０】逆に、ｈｃｐ構造のみを有するＡ層の場
合、ｆｃｃ構造より構成されるＢ層との皮膜界面におい
て原子間での不整合が生ずる場合があり、結果としてＡ
層とＢ層の密着強度が劣る場合がある。従って、Ｂ層と
接する界面のＡ層側はｆｃｃ構造とするのが好ましく、
更にＡ層の中心部分はｈｃｐ構造からなるＣｒ系窒化物
を形成することが好ましい。このことがＡ層とＢ層の密
着強度を大幅に改善する結果となった。

【００１１】一方、Ａ層内にｆｃｃ構造からなるＣｒ系
窒化物とｈｃｐ構造からなるＣｒ系窒化物とが共存する
場合においては、ｆｃｃ構造のＣｒ系窒化物のみからな
る場合に比べて、皮膜硬度が上昇するとともに残留圧縮
応力も適度に上昇し、この適度な残留圧縮応力が前記過
酷な切削環境化においても、熱クラックを抑制するのに
効果的に作用する為、安定した切削を可能にすることが
確認された。

【００１２】また該Ａ層において、金属元素含有量ａと
その他の元素の含有量ｂの原子比、ａ／ｂの値が１．４
以上からなる窒化物と１．４未満からなる窒化物とが共
存する場合においても、皮膜硬度、残留圧縮応力が最適
化され、耐クラック性が大幅に改善されることが分かっ
た。また、夫々の耐摩耗皮膜に含有される元素の定量に
はＸ線マイクロアナライザーを用いた。

【００１３】また必要に応じて該Ａ層に添加元素を加え
ることも本発明に含まれる。本発明者の研究では特に
Ｖ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂの一種または二種以上を添加した場
合に優れた効果を確認できた。これは、前記高速切削過
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、皮膜は脱落またはこれに
起因した刃先の欠損を生じる。Ａ層を複合化することに
よる摩擦抵抗の低下は、凝着や溶着現象そのものを低減
させる効果も有する。更に、この摩擦抵抗の低下は、Ｃ
ｒ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
摩擦抵抗が低下される。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
に摩擦抵抗の低減に寄与する事によるものである。ま
た、Ａ層内にＳｉ、Ｔｉを添加した場合には、耐潤滑性
を犠牲にすることなくＣｒ系皮膜の欠点である皮膜硬度
を向上させ、更に耐摩耗性を向上させることが可能とな
る。Ａ層にＢを添加した場合には、Ａ層内にＢＮ層が介
在され、このＢＮ層が潤滑性をより一層向上せしめ、溶
着を更に発生し難くする効果を有することが分かった。
また、Ｂの耐摩耗皮膜への添加はそれぞれ合金ターゲッ
トを用い、定量では金属成分として取り扱った。上記皮
膜中のＢＮ相の定性にはＸ線光電子分光法により行っ
た。

【００１４】上述の如く、Ａ層のＣｒ窒化物への適量の
添加元素は、優れた性能を発揮するものの、その添加量
が原子比率で３０ａｔ％以上となる場合には、上記Ｃｒ
窒化物の切削特性が十分に得られないばかりでなく、耐
凝着性能が低下する。このことより、Ａ層への添加元素
としては３０ａｔ％未満とする必要がある。

【００１５】特に硬度や圧縮応力を上昇させる目的でＡ
ｌ及び／又はＴｉを添加する場合は注意が必要である。
過度の添加は脆化を招き、異常摩耗の原因となる場合が
あるためである。Ｔｉ及び／又はＡｌに関しては最大で
も１０ａｔ％以内とすべきである。

【００１６】Ｃｒ窒化物もしくはＶ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂの
一種または二種以上を含有するＣｒ系窒化物もしくはＣ
ｒ窒硼化物は、金属元素含有量とその他の元素含有量の
原子比が１．０より構成されるものだけではなく、成膜
条件により金属元素含有量とその他の元素含有量との原
子比の異なる皮膜が形成され、この比が異なる夫々の領
域においては、結晶構造の異なる窒化物もしくは窒硼化
物を形成することが可能である。図２に成膜条件と、そ
の各成膜条件において最大Ｘ線回折強度を示した結晶構
造との関係を示す。

【００１７】本発明は被覆エンドミルに特に好適であ
る。種々ある切削工具の中でも断続性が強くかつ微小な
取り代で仕上げ加工が行われ、被加工物の仕上げ精度が
要求されるエンドミルにおいては、工具表面への凝着お
よび溶着等および切削時の熱クラックなどに切削性能が
大きく左右される。また、ボールエンドミルなどの連続
的に切削速度の変化する形状においては、この切削時の
熱クラックに加えて、切削速度ゼロ付近では摺動特性を
も要求される。以上が如く、これらの特性はエンドミル
において特に要求される特性であることが明らかであ
る。

【００１８】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、調質材の切削加工など高強度を有する
被削材に対しては、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層は、ＴｉＡｌ窒化物より構成され
るものである。

【００１９】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、硬
質皮膜との密着性に優れ、低摩擦かつ潤滑性に極めて良
好であり、過酷な切削環境下においてもクラックによる
損傷が発生しないＡ層を交互に、それぞれ２層以上積層
する事により、高速切削に対応する被覆切削工具を得る
ことが可能となる。

【００２０】本発明の被覆切削工具は、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。

【００２１】

【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_２ガスを用い、被覆基体温度４００℃とし、反応ガ
ス圧力およびバイアス電圧等は目的とした組成及び結晶
構造が得られるように適宜調整を施した。被覆基体には
外径１０ｍｍ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を用い、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。Ａ層、Ｂ層は略同じ厚さになるように調整し、さら
にＡ層の厚みを上中下段に３等分して、本発明例５以外
の本発明例では上段と下段をｆｃｃ、中段をｈｃｐとな
るようにし、本発明例５では上段からｂｃｃ、ｈｃｐ、
ｆｃｃとした。各試料のＡ層およびＢ層の組成、Ａ層内
の金属元素組成をその他の元素組成を除した数値、Ａ層
内の結晶構造及びその数、総層数を表１に、憂いについ
て同様に表２に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】得られた被覆エンドミルを用い切削試験を
行った。工具寿命は刃先の欠けないしは摩耗等により工
具が切削不能または、切削した加工面の精度が著しく劣
化した時の切削長とした。切削諸元を次に示す。

【００２５】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。

【００２６】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Ａｄ０．２ｍｍ×Ｐｉｃｋ Ｆｅｅｄ
０．２ｍｍ、回転数１００００ｍｉｎ^−１送り４０００
ｍｍ／ｍｉｎ、水溶性切削液使用、とした。

【００２７】比較例１８、１９、２０は、Ａ層内の結晶
構造数が１種のみより構成され、また金属元素組成をそ
の他の元素組成で除した数値が１．４未満であり、耐凝
着性及び耐溶着性が十分ではないばかりではなく、熱ク
ラックが発生し、本発明例に比較して工具寿命が短い。
比較例２１はＡ層内の結晶構造がｈｃｐ単一相より構成
されたものであるが、密着性が不十分であり本発明例に
比して寿命が短い。比較例２２はＡ層の単一皮膜であ
り、本発明例に比較して工具寿命が短い。比較例２３
は、Ａ層にＣｒ窒化物以外を用いた場合の比較例である
が本発明例に対して性能が悪い。比較例２６、２７、２
８、２９、３０、３１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。

【００２８】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、硬質皮膜との密着力、硬さ
と靭性のバランスを考慮したＡ層および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、また熱クラックに対しも優れた特性を示
し、総合して工具寿命が著しく向上し、また凝着や溶着
現象による切削加工面の加工精度の劣化を抑制し従来の
課題を大きく改善するに至った。

【００２９】但し、本発明例１５の様にＳｉの添加量が
３０ａｔ％以上の場合は耐凝着性が悪く先端部が異常摩
耗し性能が他の発明例と比べ必ずしも十分でないことが
わかる。本発明例１６、１７は、Ａ層に１３ａｔ％以上
３０ａｔ％未満の他組成を用いた場合の比較例である
が、この組成範囲内のＡｌ、Ｚｒの添加に関しては耐凝
着性及び耐溶着性が十分ではなく、他の本発明例に比較
して工具寿命が短いことからＡｌ、Ｚｒの添加には十分
な注意が必要なことがわかる。

【００３０】

【発明の効果】以上の如く、本発明の被覆切削工具は、
従来までの被覆切削工具に比べ優れた密着性、低摩擦を
有すことから、更なる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。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のＡ層のθ−２θ法によるＸ線
回折パターンの一例を表す図を示す。

【図２】図２は、成膜条件と、その各成膜条件において
最大Ｘ線回折強度を示した結晶構造との関係を表す図を
示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切削工具基体に、Ｃｒ窒化物からなるＡ
   層と、ＴｉＡｌ窒化物からなるＢ層を交互に夫々１層以
   上被覆した被覆切削工具において、該Ａ層内に少なくと
   も２種以上の結晶構造を有することを特徴とする被覆切
   削工具。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の被覆切削工具におい
   て、金属元素含有量ａとその他の元素の含有量ｂの原子
   比、ａ／ｂの値が１．４以上からなる窒化物と１．４未
   満からなる窒化物とが該Ａ層内に共存することを特徴と
   する被覆切削工具。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の被覆切削工具
   において、該Ａ層は、Ｖ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂから選ばれる
   元素の一種または二種以上を３０ａｔ％未満含有するＣ
   ｒ窒化物からなることを特徴とする被覆切削工具。