JP2002096206A - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＴｉＡｌを主成分とする硬質皮膜の耐アブレッ
シブ摩耗性及び耐クレーター摩耗性を改善し、切削加工
の乾式化、高速化に対応可能な物理蒸着硬質皮膜被覆工
具を提供する。 【構成】 工具基体にＴｉ、Ａｌ、Ｂからなる金属元素
とＣ、Ｎ、Ｏから選択される少なくとも１種以上の元素
とから構成される硬質層を１層以上被覆した硬質皮膜被
覆工具において、該硬質層にＢの窒化物相を介在させた
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
加工等に使用される被覆工具において、特に高速切削、
乾式切削に適用される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
れる材料との間に化学反応が発生し、工具寿命が逃げ面
のこすり摩耗だけではなく、すくい面のクレーター摩耗
により強く支配される傾向が強くなってきた。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、切削温度の上昇に伴
い被加工物との化学反応に起因したクレーター摩耗の増
加、及びアブレッシブ摩耗の進行に伴う切削熱の上昇に
起因する熱クラックの発生により、十分な切削寿命を得
られないのが実状である。また比較的連続切削である旋
盤加工においてＰＶＤ被覆を適用する場合は、このクレ
ーター摩耗を抑制することが、極めて重要なことであ
る。従って、これらの問題を解決するためには、切削温
度の上昇を抑制するか、もしくはある程度高温になって
も皮膜が軟化せず、耐クレーター摩耗性を維持するかの
２点の改善が必要である。

【０００４】このような問題を解決する為に、まず切削
温度の上昇を抑制する観点からは、潤滑性皮膜を被覆す
る提案がなされている。例えば特表平１１−５０２７７
５号公報に示される二硫化モリブデンや、特開平７−１
６４２１１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耐摩耗
性を有する硬質皮膜を最表面に積層し、切削温度上昇抑
制に基づく、皮膜と被加工物間の拡散現象を抑制しよう
とする切削工具が開発されているが、いずれも下地硬質
皮膜との密着性が悪い上に皮膜そのものが非常に脆い
為、これら潤滑皮膜は切削時に容易に剥離または破壊な
どを発生し、上記切削環境下においては何ら効果を発揮
するには至っていない。また特開平１１−１５６９９２
号公報に示される、Ｃｒ系潤滑皮膜を被覆した工具が提
案されているが、Ｃｒ系皮膜は硬度そのものが低く耐摩
耗性が極めて悪く、耐クレーター摩耗性を改善するには
至っていない。皮膜の高温硬度を維持し耐クレーター摩
耗性を高温で維持する観点からは、具体的提案は未だな
い。比較的似た事例として、特開平７−３１０１７１号
公報にみられるようにＴｉＡｌＮ系皮膜にＳｉや硼素を
添加した事例が提案されているが、単純な添加では耐酸
化性は改善するものの、高温硬度を高める結果には至っ
ていない。その他特開平１０−１７６２５９号公報にみ
られるように、各種の第３成分を添加する提案もなされ
ているが、いずれも皮膜の高温硬度を改善せしめるもの
ではない。

【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、従来の耐酸化性を損なわないために、この特性に優
れるＴｉＡｌを主成分とする硬質皮膜の耐アブレッシブ
摩耗性及び耐クレーター摩耗性を著しく改善した物理蒸
着硬質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】本発明の要旨は、工具基
体にＴｉ、Ａｌ、Ｂを主成分とする金属元素と、Ｃ、
Ｎ、Ｏから選択される少なくとも１種以上の元素とから
構成される硬質層を１層以上被覆した硬質皮膜被覆工具
において、該硬質層の少なくとも１層内にＢの窒化物相
を介在させたことを特徴とする硬質皮膜被覆工具であ
る。

【０００７】

【作用】本発明者らはＴｉＡｌＮ皮膜を例に、アークイ
オンプレーティング法において、種々の添加成分の効果
を鋭意研究した結果Ｂ（硼素）の添加と被覆条件の最適
化により、ＴｉＡｌＮの耐アブレッシブ摩耗性と耐クレ
ーター摩耗性を著しく改善できる知見を得るに至った。
原因を鋭意調査した結果、ＴｉＡｌＮ皮膜内部にこれら
Ｂの窒化物が極めて微細に分散していること、及びＴｉ
ＡｌＮ皮膜の硬度がビッカースで２８００から３３００
に著しく上昇していることが確認された。すなわち、セ
ラミック系の硬質皮膜を分散強化せしめることが可能で
あるという驚くべき事実とその方法を発見した。

【０００８】図１はＴｉＡｌＢターゲットを用い、基体
バイアス３５０Ｖ、反応圧０．５Ｐａ、３００℃で被覆
された皮膜のＥＳＣＡ解析結果を示す。図１より、この
皮膜からは、ＢＮの結合エネルギーから発生する回折ピ
ークが確認され、皮膜がＴｉＡｌＮ相とＢＮ相より構成
されていることが確認された。さらに透過電子顕微鏡に
より詳細に観察すると、このＢの窒化物層は２５ｎｍ程
度のナノ結晶であり、ｆｃｃ構造を有し柱状に成長する
ＴｉＡｌＮ層内にナノ結晶が分散されたものであること
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、ＴｉＡｌＮの硬度を大幅に上昇せしめたもの
と考えられる。この結果、Ｂの添加による皮膜硬度の大
幅向上により耐アブレッシブ摩耗性及び耐クレーター摩
耗性が大幅に改善されるに至った。さらに他の理由を詳
細に調査した結果、切削中にＢＮが皮膜表面に内部拡散
し摩擦係数を低減させ、切削温度の上昇を抑制し、結果
耐アブレッシブ摩耗性、耐クレーター摩耗性を向上せし
めていることが明らかになった。

【０００９】しかしながら、この分散ナノ結晶は常に形
成されるものではない。その被覆条件が極めて重要な要
素となる。被覆時におけるイオンエネルギーが小さい場
合、例えば印可バイアス電圧が比較的低い５０Ｖの場合
はＢはｆｃｃ構造におけるＴｉＡｌＮの金属原子と置換
し固溶体である（ＴｉＡｌＢ）Ｎを形成し、硬度の上昇
は僅かしか確認されなかった。ナノ結晶で介在せしめる
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。被覆時の基体に印可するバイアスは３００Ｖ以上
で被覆された場合にこのナノ結晶相が介在する結果とな
る。このように、被覆時のイオンエネルギーが結晶形態
を左右していることは明らかであるが、理由については
さらに研究が必要である。

【００１０】また被覆温度に関しては４５０℃を越えた
温度で被覆するとＢは拡散エネルギーが高くなり、表面
で移動拡散しＴｉＡｌＮに固溶し、（ＴｉＡｌＢ）Ｎを
形成する。従って、バイアス電圧と被覆温度の最適化が
ナノ結晶を介在せしめるために必要である。

【００１１】硬度の上昇はＢと硼素の添加量にほぼ比例
する傾向にあった。硬度上昇に伴い、皮膜に残留する圧
縮応力が増大し、ＴｉＡｌを主成分とする硬質層とＴｉ
を主成分とする硬質層間の密着性は劣化する傾向にある
ためＢの添加量はＴｉＡｌに対し好ましくは３０原子％
以下に抑えたほうがより良いと考えられる。

【００１２】さらにＴｉＡｌを主成分とする硬質皮膜に
おいては、結晶成長の優先方位が切削性能に影響を及ぼ
す。Ｘ線回折における最強回折ピークが（２００）であ
る場合は、皮膜硬度は軟らかいものの結晶が明瞭な柱状
結晶を呈し、耐クレーター摩耗性に優れる結果となる。
一方最強回折ピークが（１１１）の場合、皮膜は明瞭な
柱状結晶ではなくなり柱状結晶が分断されたブロック状
結晶を呈する。この場合個々のブロックが切削中に切粉
とともに脱落する傾向にあり、クレーター摩耗の進行が
幾分速くなるため、ＴｉＡｌ系皮膜は（２００）に配向
する方が、より好ましい。配向は被覆条件に依存する
が、被覆初期に（２００）配向となる核を最適条件にお
いて形成せしめれば、それ以降の被覆条件は特に限定さ
れるものではない。それはこの核より皮膜はエピタキシ
ャルに成長することによる。

【００１３】Ｔｉの一部を他成分で置換することにおい
て、ＴｉＡｌを主成分とする硬質層の耐摩耗性もしくは
耐酸化性をさらに向上させることが可能である。周期律
表の４、５、６族成分での置換はＴｉＡｌ主成分硬質層
の硬度上昇させる傾向にあり、Ｙでの置換は本成分が粒
界に偏析し、粒界での酸素拡散を抑制し、結果耐酸化性
を改善せしめる傾向にある。置換量は３０原子％を超え
ると、結晶が柱状に成長しなくなり、皮膜の靭性が劣化
するため、３０原子％以下でなければならない。特に、
Ｓｉの添加においてもほぼ同一の被覆条件下でＳｉ_３Ｎ
_４のナノ結晶を介在させることが可能であることを見出
した。ＢＮナノ結晶に加えＳｉＮナノ結晶を介在させる
ことにより、皮膜硬度をさらに向上させることが可能で
あり、Ｓｉの添加量によりビッカース硬度でさらに３６
００〜４２００の高硬度化が可能であった。ＢＮの有す
る潤滑性と相俟ってさらに長寿命化が可能である。

【００１４】以上のごとく、耐クレーター摩耗性を大幅
に改善した結果、本発明による多層硬質皮膜被覆工具
は、ミーリング切削加工に使用される工具に対しても効
果的であるが、さらに従来アルミナ皮膜を有するＣＶＤ
被覆工具が使用されていた旋盤加工分野へも適用が可能
となった。旋削加工は比較的連続切削であるため特にク
レーター摩耗に工具寿命が支配される場合が多い。本発
明においても皮膜の膜厚が薄いとＣＶＤ皮膜に耐クレー
ター摩耗性が劣る結果になるが、６ミクロン以上被覆す
ることにより、ＣＶＤ皮膜と同等以上の耐クレーター摩
耗性を持たせることが可能であることを確認した。さら
に、工具の耐欠損性においては、本発明はＰＶＤ法によ
るものであり、皮膜には圧縮の応力が残留し、クラック
の発生が少なく、皮膜に引っ張りの残留応力が存在する
ＣＶＤ被覆工具に比べ１０倍以上の圧倒的に優れる耐欠
損性を有する結果となった。

【００１５】さらに本発明のＰＶＤ被覆工具を旋削に適
用する場合、基体である超硬インサートの表面が研磨さ
れていると、研磨によるミクロクラックがインサート表
面に内在している場合があり、ＰＶＤ皮膜の場合時とし
てこのミクロクラックが起点となり皮膜剥離が発生して
しまうことがある。従って表面がダイヤモンド砥石によ
り研磨されていない、ＩＳＯ分類におけるＣＮＭＧ、Ｄ
ＮＭＧ、ＶＮＭＧ、ＳＮＭＧ、ＴＮＭＧタイプのインサ
ートを用いると、より皮膜密着性に優れ、長寿命を実現
することが可能である。

【００１６】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、アーク放電方式イオンプレーティング物理蒸
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。

【００１７】

【実施例】（実施例１）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窒素ガス、酸素ガス、メタ
ン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３５０℃、反応ガス圧力０．５Ｐａ、基体印可バ
イアス電圧３２０Ｖの条件下にて、被覆基体である外径
１０ｍｍの超硬合金製６枚刃エンドミル、ミーリング用
超硬インサートに各種の表１に示すＡ層を被覆した。

【００１８】

【表１】

【００１９】またＢ層は被覆温度４５０℃、基体印可バ
イアス７０Ｖ、反応ガス圧１．０Ｐａにおいて被覆し本
発明例を作成した。比較例においてはＡ層、Ｂ層欄に便
宜上記載したＴｉＡｌ系及びそれ以外の皮膜も本発明例
におけるＢ層と同一条件で被覆した。皮膜の総厚さは４
μとした。ＢはＴｉＡｌターゲットに必要量添加するこ
とにより皮膜に含有させた。尚、エンドミルに使用した
超硬合金はＣｏ７ｗｔ％、ＷＣ平均粒径０．９ミクロン
の微粒超硬合金である。インサートに使用した超硬合金
はＪＩＳ−Ｐ２０グレード超硬合金である。硬質皮膜の
膜厚は総厚３．５μに統一した。

【００２０】得られた硬質皮膜被覆エンドミルを用い切
削試験を行った。工具寿命は本切削条件下ではクレータ
ー摩耗もしくはアブレッシブ摩耗の進行による切削熱上
昇に起因する熱クラック発生による欠損が支配するた
め、これら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】６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ＳＫＤ１１（硬さＨＲＣ６
５）、切り込みＡｄ１０ｍｍ×Ｒｄ０．１ｍｍ、切削速
度２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．０３ｍｍ／刃、エアーブ
ロー使用、とした。切削不能になった時を寿命と判定
し、その結果を表１に併記する。

【００２２】インサート切削条件は、工具形状ＳＥＥ４
２ＴＮ、被削材は巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの面取
り加工で、被削材ＳＫＤ６１（硬さＨＲＣ４５）、切り
込み１．５ｍｍ、切削速度３５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．
１５ｍｍ／刃、乾式切削とした。この場合もクレーター
摩耗が工具寿命を支配しクレーター摩耗の進行からチッ
プは欠損するかもしくはアブレッシブ摩耗の進行により
切削温度が上昇し熱クラックが発生しこれにより欠損す
るかいずれかである。欠損に至る切削長を表１に併記す
る。

【００２３】表１より明らかなように、本発明例は著し
い寿命改善が認められる。本発明例１〜５は各種組成に
おいてナノ結晶を介在させた単層皮膜の例、本発明例５
はその中で結晶配向を（１１１）とした例である。若干
（２００）配向に比べ切削寿命は低下する傾向にあっ
た。本発明例６、７はナノ結晶を介在させた層とＴｉＡ
ｌＮ系皮膜の多層の例であり、多層にすることにより若
干の切削寿命の向上が認められた。本発明例９〜１１は
窒素に酸素、炭素を含有するガスを用いてＣ、Ｏを添加
した例で、ここでも若干の切削寿命の向上が確認され
た。これらは比較例が全て、短寿命であったことより、
耐アブレッシブ摩耗性、耐クレーター摩耗性の改善によ
るところが大きいことが確認された。比較例１２〜１５
は周知な組成の皮膜の例、比較例１６〜１９は周知な多
層皮膜の例、比較例２０、２１はＢを含有するものの、
被覆条件が異なり、ナノ結晶が介在していなく、固溶体
の（ＴｉＡｌＢ）Ｎ皮膜の例である。いずれにおいて
も、切削寿命は満足のいくものではない。

【００２４】（実施例２）ＴｉＡｌＢ金属ターゲットの
Ｔｉの一部を他成分で置換したターゲットを用い実施例
１と同一条件にて本発明例を作成した。実施例１と同一
切削評価を実施し、その結果を表２に併記する。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２の結果から明らかなように、ＴｉＡｌ
Ｂ系硬質皮膜に第４の成分を添加することにより、より
一層の寿命向上が可能である。本発明例はいづれもＴｉ
ＡｌＢＮ系に第４成分を添加したものでナノ結晶を構成
するＢ量は５ａｔ％に統一したものの例である。Ｂ量は
５ａｔ％以外においても実施例１と同様な傾向を示すも
のである。

【００２７】（実施例３）各試料において旋削加工によ
り切削評価を実施した。旋削用の超硬インサートはＪＩ
Ｓ−Ｍ２０グレードを用いた。用いたインサートは型押
しＣＮＭＧ４３２タイプ（表３中、型押しと表示。）
と、砥石によりＲブレーカーを施した同様の形状（表３
中、Ｒ加工と表示。）を有するものである。先ず、実施
例１及び２で示したものと同一の方法により、本発明例
３４〜４７、比較例４８〜５３を製作した。次に、周知
なＣＶＤ被覆により、ＴｉＣｌ_４、ＡｌＣｌ_３、Ｃ
Ｏ_２、Ｈ_２、Ｎ_２ガスを使用し、８００℃〜１０００℃
の反応温度により、比較例５４〜５７を作成した。

【００２８】耐摩耗性評価は被削材としてＳ５３Ｃ（Ｈ
Ｂ２２０）を用い、切削条件は切削速度２００ｍ／ｍｉ
ｎ、切りこみ２ｍｍ、一刃あたりの送り０．３ｍｍ／ｒ
ｅｖ、乾式とした。本切削条件下では、クレーター摩耗
で寿命となり欠損が発生する。欠損までの切削時間を表
３に併記する。耐欠損性は４つ溝を有するＳ５３Ｃを用
い、切削条件は１００ｍ／ｍｉｎ、切りこみ２ｍｍ、一
刃あたりの送り０．４ｍｍ／ｒｅｖで、欠損するまでの
衝撃回数により評価した。欠損は皮膜に切削での繰り返
し衝撃が作用する結果、皮膜に微細クラックが多発し、
このクラックの母材への伝播により発生した。結果を表
３に併記する。

【００２９】

【表３】

【００３０】本発明例はいずれにおいても長手連続切削
での寿命も比較例のＣＶＤ皮膜と同等以上であるに加
え、耐欠損性が圧倒的に優れるものである。従って、本
発明は旋削加工における、高速切削や乾式高速切削加工
に特に顕著な効果を示すものである。また、ナノ結晶が
介在しなく軟らかい皮膜と多層化することにより、耐欠
損性が向上する傾向が確認された。比較例４８〜５３の
ＰＶＤの例に対し本発明例３４〜４７は、切削時のクレ
ーター摩耗の進行する速度が遅く総合して工具寿命が著
しく向上する結果となった。比較例４８〜５０は通常の
ＰＶＤ被覆であり、膜厚が薄く連続切削での寿命が極端
に短い。比較例５１、５２は膜厚を厚く１０μに設定し
たものであるが、クレーター摩耗進行がはやく短寿命で
ある。比較例５３はＢを添加したものであるが、ナノ結
晶が介在されるものではなく、満足のいく寿命は達成さ
れていない。また比較例５４〜５７の周知なＣＶＤ例に
おいては、耐クレーター摩耗に優れるため比較的連続切
削における寿命はあるものの、皮膜に引っ張り応力が残
留するために、耐欠損性が著しく劣る結果である。

【００３１】（実施例４）表４に示す各種皮膜を実施例
１と同一条件で超硬合金に被覆した。皮膜の厚さは下地
の影響を避けるため、１０μとし、７００℃Ａｒ雰囲気
下でスクラッチテストを実施し、荷重５０Ｎ時の圧痕キ
ズの深さを比較し、７００℃における皮膜硬度の比較を
検討した。結果を表４に併記する。

【００３２】

【表４】

【００３３】直接皮膜の高温硬度を測定することは、現
状では装置上の問題があり、技術的に不可能であるが、
スクラッチテストにおける高温下でのキズの深さは高温
高度と相関を有するものと考えられる。周知な皮膜であ
る比較例６７〜７０やナノ結晶の介在しないＴｉＡｌＢ
Ｎ皮膜では比較例７１、７２では高温硬度が軟らかく、
キズの深さが７００ミクロン以上となった。本発明例５
８〜６６のナノ結晶が介在した皮膜ではキズの深さが１
００〜１６０ミクロンとなり、高温硬度が極めて高いこ
とが示唆される。特にＢＮ、ＳｉＮ双方のナノ結晶を介
在させた６４、６５、６６においては極めて高温硬度が
高いものと考えられる。

【００３４】

【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ＰＶＤ被覆工具に比べ耐クレータ摩耗性に優
れ、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、コスト低減、環
境改善に極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明例の硬質層のＥＳＣＡ解析結果の
一例を示す図である。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C046 FF02 FF10 FF11 FF13 FF17 FF19 FF25 4K029 BA43 BA44 BA48 BA55 BA58 BA59 BA60 BB07 BD05 CA04 DD06

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工具基体にＴｉ、Ａｌ、Ｂからなる金属元
   素とＣ、Ｎ、Ｏから選択される少なくとも１種以上の元
   素とから構成される硬質層を１層以上被覆した硬質皮膜
   被覆工具において、該硬質層にＢの窒化物相を介在させ
   た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、該硬質層のＸ腺回折における最強ピーク面指数が
   （２００）であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
3. 【請求項３】請求項１乃至２のいずれかに記載の硬質皮
   膜被覆工具において、該硬質層のＴｉの一部を３０原子
   ％以下の範囲でＴｉを除く周期率表４、５、６族元素、
   Ｓｉ、Ｙのうちの一種以上の元素で置換したことを特徴
   とする硬質皮膜被覆工具。
4. 【請求項４】請求項３記載の硬質皮膜被覆工具におい
   て、該硬質層内にＢの窒化物相とＳｉの窒化物相とを介
   在させたことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の硬質皮
   膜被覆工具において、該工具基体が旋削用超硬インサー
   トであり、皮膜の総厚さがすくい面において６μｍ以上
   であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具