JP2002018606A - 被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特に湿式切削加工においては耐熱クラック性
が極めて悪く熱クラックによる皮膜破壊もしくは剥離が
生じる。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、
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
ない耐凝着皮膜を採用した被覆切削工具を提供する。 【構成】 切削工具基体に１層又は多層からなる被覆層
を被覆した被覆切削工具において、該被覆層の少なくと
も１層は（Ｃｒ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）、但し
０．７≦ａ＜１、０．４≦ｘ≦１、で示される化学組成
からなり、かつ、Ｓｉの窒化物相及び／又はＢの窒化物
相を含むＣｒＳｉ系膜であることを特徴とする被覆切削
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
加工に使用される被覆切削工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の高能率、高精度切削においては切
削工具表面に被覆する耐摩耗皮膜と被削材との凝着およ
び溶着現象が切削性能に大きな影響を及ぼす。すなわ
ち、現在主流のＴｉＡｌＮ皮膜など、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、
切削加工面のむしれ現象により、加工精度を劣化させた
りなどの課題がある。ところで、金型などの表面処理で
は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。そこで、前記課題を解決する試みとして、こ
のＣｒＮ皮膜の潤滑性を切削工具に応用した事例が特開
平１１−１５６９９２号、特表平１１−５０５５７３号
に開示されている。また、ＢＮを混在させＣｒＮ皮膜の
耐摩耗性を改善した例として特開平７−１５０３３７号
がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしＣｒＮ皮膜は皮
膜硬度が十分ではなく、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。特に湿式切削加工においては耐熱クラック
性が極めて悪く熱クラックによる皮膜破壊もしくは剥離
が生じる。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、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を採用した被覆切削工具を提供する
ことを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、切削工
具基体に１層又は多層からなる被覆層を被覆した被覆切
削工具において、該被覆層の少なくとも１層は（Ｃｒ_ａ
Ｓｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_{１ −ｘ}）、但し０．７≦ａ＜１、
０．４≦ｘ≦１、で示される化学組成からなり、かつ、
Ｓｉの窒化物相及び／又はＢの窒化物相を含むＣｒＳｉ
系膜であることを特徴とする被覆切削工具である。

【０００５】

【発明の実施の形態】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も皮
膜剥離を生ずることなく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。ＣｒＳｉ系膜のＣ
ｒ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、Ｃｒ含有量が金属成分の原子比率で７０ａｔ％
未満となる場合には、切削特性が十分に得られないばか
りでなく、Ｃｒ窒化物中にＳｉまたはＢが過度に固溶し
てしまい、皮膜が非常に脆くなり耐凝着性能が低下す
る。このことより、ＣｒＳｉ系膜へのＳｉの添加は３０
ａｔ％以下とする必要がある。また、Ｃｒ窒化物中への
Ｂの添加量は低摩擦化および耐摩耗性の観点から、非金
属成分の６０ａｔ％以下とする必要がある。なお、本明
細書ではＢを非金属成分として扱う。

【０００６】Ｃｒ窒化物の耐摩耗性および耐熱クラック
性を改善する手段として、Ｃｒ窒化物中にＳｉおよび／
またはＢを添加し、Ｃｒ窒化物中にＳｉ窒化物相または
Ｂの窒化物相を介在させることが極めて有効である。本
発明に係るＣｒＳｉ系膜を透過電子顕微鏡により詳細に
観察した結果、このＳｉの窒化物相またはＢの窒化物相
は２０ｎｍ程度のナノ結晶であり、ｆｃｃ構造を有し柱
状に成長するＣｒＮ相内にこのナノ結晶が分散したもの
であることを確認した。このナノ結晶が格子歪を発生し
分散強化機構により、皮膜中の残留圧縮応力を適度に上
昇させ、耐凝着性を劣化させることなく皮膜を高硬度化
し耐摩耗性の著しい改善が成されたものと考えられる。
更に、この適度な残留圧縮応力は、湿式切削加工におけ
る熱クラックの抑制、更には高速切削加工などのより過
酷な切削環境化においても効果的に作用する為、安定し
た切削を可能にする。特にＳｉの窒化物相の介在は湿式
切削における改善に大きく寄与している。更に、Ｂの窒
化物はＣｒ窒化物の更なる低摩擦化に寄与し、切削加工
面のむしれ現象または被加工物の再付着を抑制し加工面
を著しく改善するに至った。

【０００７】上記ＣｒＳｉ系膜は、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
など高硬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場合がある。そこで、優れた耐摩
耗性、耐酸化性を有する膜を併用する必要があるが、こ
の膜として最適なのは、金属元素として少なくともＴｉ
とＡｌを含み、非金属元素として少なくＮを含むＴｉＡ
ｌ系膜である。これを採用することで、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。ＴｉＡｌ系
膜とＣｒＳｉ系膜を交互に、それぞれ１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。ＴｉＡｌ系膜は耐酸化性と耐摩耗性をバ
ランス良く有するばかりでなく、請求項３記載の密着性
改善方法によりＣｒＳｉ系膜との密着性が特に優れるた
め、ＣｒＳｉ系膜の特性を補完し、その性能を最大限に
発揮させるものである。このときＣｒＳｉ系膜は硬質皮
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、その効果を十分に発揮するものである。

【０００８】さらに、該ＴｉＡｌ系膜と該ＣｒＳｉ系膜
の夫々の（１１１）面のＸ線回折から算出される格子定
数の比の値を０．９８乃至１．０２とすることで、Ｃｒ
Ｓｉ系膜とＴｉＡｌ系膜の原子間での格子不整合が低減
し、その結果、著しい密着性の向上を示す。この値はＴ
ｉＡｌ系膜の（１１１）面より算出される格子定数を、
通常はその直上に成膜されるＣｒＳｉ系膜の（１１１）
面より算出される格子定数で除した値である。より具体
的には、ＴｉＡｌ系膜とＣｒＳｉ系膜の（１１１）面か
ら算出される格子定数がそれぞれ０．４１２ｎｍ乃至
０．４２０ｎｍの範囲内であれば上記格子定数の比の値
が満足され、このことが、ＣｒＳｉ系膜とＴｉＡｌ系膜
の原子間での格子不整合を低減し、ＴｉＡｌ系膜とＣｒ
Ｓｉ系膜の膜界面強度が著しく向上し、界面剥離が生じ
なくなり、その結果、著しい密着性の向上を示すものと
なった。この格子定数の調整方法としても成膜条件に大
きく依存するため、目的とした格子定数となるように適
宜調整する必要がある。主に影響的なパラメータとして
はバイアス電圧であるがＴｉＡｌ系膜の直上には比較的
エネルギーの低い側が好ましい。より具体的にはバイア
ス電圧が−３０〜−２００Ｖが良い。即ち、成膜過程に
おける膜種の切り替え前後においてこのバイアスを適用
することにより高密着が得られる。

【０００９】本発明におけるＣｒＳｉ系膜は上述の如く
単独で使用しても工具として十分な性能を発揮しない場
合があるため、耐摩耗性、耐酸化性を補う膜を別途設
け、併用する必要がある。現時点ではこの膜として公知
のＴｉＡｌ系膜が最適と思われるので、以下ではこれを
用いて説明するが、本願の請求項１に係る発明の実施に
おいては必ずしもＴｉＡｌ系膜を併用する必要はない。

【００１０】

【実施例】本発明に係る前記ＣｒＳｉ系膜を基体表面に
形成する方法としては、イオンプレーティング法やスパ
ッタリング法等に代表されるＰＶＤ法が挙げられるが、
例えばアークイオンプレーティング法による成膜におい
ては以下による方法を用いれば良い。まず炉内を３×１
０^５Ｐａまで真空排気を行った後にＡｒによる基体の清
浄化および活性化を行う。その後、アーク放電により蒸
発源であるカソードからイオン化させたＣｒ、Ｓｉおよ
びＢをＮ_２雰囲気中でイオンプレーティングすることに
よって得られる。更に目的とする皮膜組成に応じて組成
を調整したターゲットを使用すれば、目的の皮膜組成が
安定して得らる。

【００１１】本発明において極めて重要であるＳｉ窒化
物相またはＢの窒化物相が分散したＣｒＳｉ系膜の形成
は、成膜時の被覆条件に大きく依存する。即ち、皮膜形
成に関与するイオンが放出するエネルギー（以下、イオ
ンエネルギーと言う。）がきわめて重要であると本発明
者は考える。被覆時におけるイオンエネルギーの大小は
基体に印可するバイアス電圧に依存するので、本発明で
はバイアス電圧の設定が重要である。すなわち、比較的
低バイアス電圧の−５０Ｖの場合には、Ｃｒ窒化物のｆ
ｃｃ構造におけるＣｒ原子が、Ｓｉ原子またはＢ原子と
置換し、Ｃｒ窒化物中に独立したＳｉ窒化物相およびＢ
窒化物相は確認されなかった。すなわち、Ｃｒ窒化物中
にＳｉの窒化物相およびＢの窒化物相を介在せしめるた
めには極めて高いイオンエネルギーで成膜する必要があ
る。イオンエネルギーは反応容器内圧力、イオン種など
にも依存するが、これらは目的とする被膜組成やイオン
源の性能によって制約を受けるため、変化させる余地が
少ない。よって、イオンエネルギーを高める手段として
はバイアス電圧が最も効果的なパラメータであり、−２
００〜−５００Ｖ程度が好ましく、この範囲内であれば
Ｓｉ窒化物相またはＢの窒化物相がナノ単位で分散した
極めて優れた特性を示すＣｒＳｉ系膜が得られ易い。そ
のほか、イオンエネルギーを高める手段として雰囲気中
に酸素など活性な気体成分を微量添加し、アーク放電中
のプラズマを活性化することも有効な手段である。

【００１２】図１〜図３にＸ線光電子分光法により該Ｃ
ｒＳｉ系膜内部に存在する化合物の結合エネルギーを測
定した結果を示す。図１はＮの１Ｓ軌道における結合エ
ネルギーを示したものであるがＣｒＮより構成される窒
化物が存在することを示すものである。図２はＳｉの２
Ｐ軌道における結合エネルギーを示したものであるがＳ
ｉ_３Ｎ_４の結合が確認される。図３はＢの１Ｓ軌道の結
合エネルギーを示したものであるがＢＮの結合が確認さ
れる。尚、当該ピークが表す結合エネルギーは図中に示
した。図１〜図３より、該ＣｒＳｉ系膜内にはＳｉの窒
化物およびＢの窒化物相の結合が存在することが明らか
である。即ち、Ｃｒ窒化物、Ｓｉ窒化物、Ｂ窒化物の結
合エネルギーが確認され、Ｃｒ窒化物中にＳｉおよびＢ
が窒化物として存在することが明らかとなった。

【００１３】バイアス電圧を高くすると基体温度も上昇
する傾向がある。基体材質の要求から温度が制限される
場合は基体の冷却手段が必要となる場合がある。また、
基体温度によってＳｉ窒化物相、Ｂの窒化物相の生成量
が変化する。本発明者の研究によれば温度の上昇と共に
生成量は減少し、７００℃以上ではＳｉ窒化物相、Ｂの
窒化物相が検出できない場合もあった。よって、好まし
い基体温度は５００℃以下、より好ましくは３５０℃以
下であると考える。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
縮応力が残留し、密着性の優れ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。以下、本発明を実
施例に基づいて説明する。

【００１４】

【実施例】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、反応ガス圧力を１×１０^−１〜７×１０^０Ｐａお
よびバイアス電圧を−３０〜−５００Ｖの条件下で目的
の皮膜が成膜されるよう適宜調整した。被覆基体には外
径１０ｍｍの超硬合金製２枚刃スケアエンドミル、Ｒ５
ｍｍ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４乃至は５μｍとなるように成膜した。成膜
順序は先ずＴｉＡｌ系膜を２．５μｍ、次にＣｒＳｉ系
膜を１．５μｍ成膜した。各試料のＣｒＳｉ系膜および
ＴｉＡｌ系膜の組成、ＣｒＳｉ系膜内に含有される窒化
物および窒硼化物、またＴｉＡｌ系膜およびＣｒＳｉ系
膜の（１１１）面から算出される格子定数およびその比
の値を表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】また、比較例の成膜条件においても表１に
記載した組成および格子定数になるよう調整した。なお
表１において、組成の表示は金属成分、非金属成分を夫
々合わせて１００となるよう、原子比で表記したが、こ
れは金属成分と非金属成分の原子比が１：１であること
を意味するものではない。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。

【００１７】２枚刃超硬合金製スケアエンドミルの切削
諸元は、側面切削、ダウンカット、被削材Ｓ５０Ｃ（Ｈ
Ｂ２２０）、切り込み量Ａｄ１０ｍｍ×Ｒｄ１ｍｍ、切
削速度２５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０６ｍｍ／刃、エア
ーブロー使用、とした。

【００１８】２枚刃超硬合金製ボールエンドミルの切削
諸元は、ダウンカット、被削材Ｓ５０Ｃ（ＨＢ２２
０）、切り込み量Ａｄ０．２ｍｍ×Ｐｉｃｋ Ｆｅｅｄ
０．２ｍｍ、回転数１００００ｍｉｎ^−１、テーブル送
り量４０００ｍｍ／ｍｉｎ、水溶性切削液使用、とし
た。

【００１９】本発明例２はＣｒＳｉ系膜にＢが未添加の
場合であるが、比較例１１に比して切削長が長い。本発
明例３はＳｉが０．５原子％と極微量ではあるが、比較
例１４に対して優れた切削性能を示すことが分かる。本
発明例５はＢを５０原子％添加したものであるが、Ｂの
添加量を多くするに従い切削長は同等であるが、７０原
子％とした比較例１２では欠損が生じた。本発明例６は
Ｓｉを２０原子％添加したものであるが、本発明例に比
して寿命が長い。本発明例８、９はＴｉＡｌＮ膜にＮ
ｂ，またはＹを添加した場合の本発明例であるが、本発
明例に比して優れた切削性能が得られた。本発明例１０
はＴｉＡｌ系膜の（１１１）面から算出される格子定数
をＣｒＳｉ系膜の（１１１）面から算出される格子定数
で除した値が０．９８至る１．０２の範囲外であり、Ｃ
ｒＳｉ系膜の皮膜組成及び検出化合物は本発明範囲内で
ある場合の皮膜例を示すが、本発明例試料番号１〜９に
比べて幾分切削長が短くなって入るものの従来の皮膜に
比べては格段に長い切削長が得られた。

【００２０】以上より、本発明例１〜１０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ＣｒＳｉ系膜およ
びＴｉＡｌ系膜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。本発明の皮膜はボールエンドミル、特に湿式で用い
るボールエンドミルに好適である。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ボールエンド
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切削取りしろも微小となり
摺動特性をも要求される。以上の如く、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。

【００２１】これらに対し、比較例１１、１２は、Ｃｒ
Ｓｉ系膜内のＳｉおよびＢの添加量が請求範囲よりも多
い場合であり、耐凝着性及び耐溶着性が十分ではなく、
凝着による異常摩耗が発生した。比較例１３は本請求範
囲内の皮膜組成及びＣｒＳｉ系膜、ＴｉＡｌ系膜の格子
定数の比であるが、ＣｒＳｉ系膜内にＳｉ_３Ｎ_４，ＢＮ
の化合物が介在しない場合の比較例であり本発明例に比
して寿命が短い。比較例１４は、Ｃｒに元素を添加しな
い場合であるが熱クラックによる皮膜剥離が発生し十分
な特性が発揮できない。比較例、１５、１６、１７、１
８、１９、２０、２１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。

【００２２】

【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、ＣｒＳｉ系膜中のＣｒＮの結合エネル
ギーを表すＸ線光電子分光スペクトルを示す。

【図２】図２は、ＣｒＳｉ系膜中のＳｉ_３Ｎ_４の結合エ
ネルギーを表すＸ線光電子分光スペクトルを示す。

【図３】図３は、ＣｒＳｉ系膜中のＢＮの結合エネルギ
ーを表すＸ線光電子分光スペクトルを示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切削工具基体に１層又は多層からなる被
   覆層を被覆した被覆切削工具において、該被覆層の少な
   くとも１層は（Ｃｒ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_{１− ｘ}）、
   但し０．７≦ａ＜１、０．４≦ｘ≦１、で示される化学
   組成からなり、かつ、Ｓｉの窒化物相及び／又はＢの窒
   化物相を含むＣｒＳｉ系膜であ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、該被覆層の少なくとも１層は金属元素として少なく
   ともＴｉとＡｌを含み、非金属元素として少なくともＮ
   を含むＴｉＡｌ系膜であることを特徴とする被覆切削工
   具。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の被覆切削工具におい
   て、該ＴｉＡｌ系膜と該ＣｒＳｉ系膜の夫々の（１１
   １）面のＸ線回折から算出される格子定数を夫々ｄ_Ｔ及
   びｄ_Ｃとしたとき、ｄ_Ｔ／ｄ_Ｃの値が０．９８以上、
   １．０２以下であることを特徴とする被覆切削工具。