JP2002254208A

JP2002254208A - 耐酸化性および耐摩耗性に優れた工具

Info

Publication number: JP2002254208A
Application number: JP2001048864A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Inoue; 謙一井上
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-09-10

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のＴｉＡｌＮ皮膜を被覆した工具に比べ
優れた耐酸化性を有し、金属加工の高速化に対応する耐
酸化性および耐摩耗性に優れた工具を提供する。【解決手段】母材表面に硬質皮膜を被覆してなる工具
であって、その硬質皮膜は、金属成分のみの原子％が、
Ｓｉ：５〜５０％、実質的に残部、Ａｌ、Ｗの１種もし
くは２種で構成される窒化物であるａ層と、金属成分の
みの原子％が、Ａｌ：４０〜６０％、Ｓｉ：１０％越
え、２０％以下、実質的に残部がＴｉで構成される窒化
物であるｂ層とが、それぞれ一層以上交互に被覆された
ものであり、かつｂ層が被覆母材表面直上にある工具で
ある。ａ層の層厚が０．１〜３μｍであることが好まし
い。なお、硬質皮膜は、物理蒸着法により被覆すること
が望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、主として金属材料
等の加工に使用される切削工具、金型等の工具に関し、
特に表面コーティング材として有用な耐酸化性および耐
摩耗性に優れた硬質皮膜を被覆した工具に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、切削工具および金型等に用いられ
る硬質皮膜は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮもしくはそれらの複合
皮膜が一般的であった。ＴｉＮはＴｉＣＮに比べ、耐酸
化性に優れるため、加工時の発熱によって生じる工具の
酸化摩耗に対して、優れた耐摩耗性を示すだけでなく、
母材との密着性も良好であることが特長である。また、
ＴｉＣＮは、ＴｉＮに比べ高硬度であり、かつ摩擦係数
も低いため、工具の摺動摩耗に対して優れた特性を示
す。

【０００３】しかしながら、昨今の金属加工の高能率化
を目的とした加工速度の高速化傾向に対し、上記硬質皮
膜では、耐酸化性が満足できず十分な性能を示さなくな
った。この様な背景から、皮膜の耐酸化性、耐摩耗性を
より向上させる研究がなされ、その結果、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を主体に適用されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＴｉＡｌＮ皮膜は、そ
の皮膜中に含有するＴｉとＡｌの成分比率により異なる
ものの、概略２３００〜２８００のビッカース硬さを有
すだけではなく、耐酸化性が前記ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比
べ著しく優れるため、特に高速切削加工のような、刃先
が高温に達する加工条件下においては、工具の性能を著
しく向上させる。しかしながら、近年では更に加工速度
が高速化する傾向に加え、環境問題上、潤滑剤使用量の
低減もしくは乾式による加工が重要視され、工具の使用
環境は、高熱負荷、低潤滑化とますます苛酷なものとな
ってきた。

【０００５】本発明者の研究によれば、大気中における
ＴｉＡｌＮ皮膜の酸化開始温度は、ＴｉＮの４５０℃に
対し、Ａｌの添加量に依存して約７５０〜９００℃に向
上する。しかしながら、前述の乾式高速切削加工におい
ては、使用する工具の刃先温度が９００℃以上の高温に
達するため、前記ＴｉＡｌＮ皮膜でも、十分な工具寿命
が得られないのが現状である。

【０００６】本発明はこうした事情に鑑みなされたもの
であって、従来のＴｉＡｌＮ皮膜に比べ優れた耐酸化性
を有し、金属加工の高速化に対応する耐酸化性および耐
摩耗性に優れた硬質皮膜を確立することで、耐酸化性お
よび耐摩耗性に優れた工具を提供することが目的であ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、母材表面に
被覆される硬質皮膜の耐酸化性、耐摩耗性、母材との密
着性に及ぼす、様々な元素の影響および皮膜の層構造に
ついて詳細な検討を行った。その結果、Ｓｉを適量含有
した、Ａｌ、Ｗの１種もしくは２種で構成される窒化物
の皮膜と、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉを主成分とした窒化物の皮
膜を、それらに含まれる各金属成分を特定値内に制限
し、かつ、それぞれ一層以上交互に被覆する際、上述の
Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉを主成分とした窒化物の皮膜を被覆母
材表面直上にすることで、皮膜の耐酸化性ならびに耐摩
耗性が著しく向上し、特に高速加工における工具性能が
極めて良好となることを見いだし、本発明に到達した。

【０００８】すなわち、本発明は、母材表面に硬質皮膜
を被覆してなる工具であって、その硬質皮膜は、金属成
分のみの原子％が、Ｓｉ：５〜５０％、実質的に残部、
Ａｌ、Ｗの１種もしくは２種で構成される窒化物である
ａ層と、金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０〜６０
％、Ｓｉ：１０％越え、２０％以下、実質的に残部がＴ
ｉで構成される窒化物であるｂ層とが、それぞれ一層以
上交互に被覆されたものであり、かつｂ層が被覆母材表
面直上にあることを特徴とする工具である。なお、本発
明の硬質皮膜のａ層は、０．１〜３μｍの層厚であるこ
とが好ましく、更に本発明の硬質皮膜は、物理蒸着法に
より被覆されたことが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】はじめに請求項中記載の硬質皮膜
のａ層に関して、その構成要件について詳しく述べる。

【００１０】一般にＴｉＡｌＮ皮膜は、大気中で酸化テ
ストを行うと、皮膜表面近傍のＡｌが最表面に外向拡散
し、そこでＡｌ酸化物層を形成する。一般に、このＡｌ
酸化物層の形成が耐酸化性向上の理由と言われている
が、この時、Ａｌ酸化物層の直下には、Ａｌを含有しな
い非常にポーラスなＴｉ酸化物の層が形成する。

【００１１】本発明者の研究によれば、上記のＴｉＡｌ
Ｎ皮膜は、静的な酸化試験においては、最表面に形成さ
れたＡｌ酸化物の層が、皮膜の酸化を進行させる酸素の
内向拡散に対し保護膜として機能するが、実際に工具へ
適用した場合では、加工時の応力や衝撃等により、最表
面のＡｌ酸化物の層は、その直下のポーラスなＴｉ酸化
物の層より容易に剥離してしまい、酸化の進行に対し十
分その効果を発揮していないことが認められた。これら
より、皮膜の耐酸化性を改善するだけでなく、酸化時、
酸化保護膜の直下に形成されるポーラスな層を緻密な形
態に改善することで、更に硬質皮膜の性能を向上できる
ことが予想された。

【００１２】そこで、上記考えに基づき検討を行った結
果、金属成分が、適量のＳｉと、実質的に残部がＡｌ、
Ｗの１種もしくは２種で構成される窒化物の皮膜は、従
来のＴｉＡｌＮ皮膜に対し極めて耐酸化性に優れている
だけでなく、酸化後、最表面には酸化保護膜となるＳｉ
を主体に含有する非常に緻密な酸化物層を形成し、ま
た、その直下には酸化保護膜の剥離原因となるポーラス
な酸化物層を形成しないということを確認した。

【００１３】上記効果を得るには、金属成分のみの原子
％で、Ｓｉが、実質的に残部であるＡｌ、Ｗの１種もし
くは２種に対し、５％以上添加されていなければなら
ず、逆に５０％を越えて含有すると、皮膜の密着性低下
が顕著になり、工具としての使用に耐えられなくなる。
Ｓｉの望ましい範囲は、皮膜の金属成分のみの原子％で
１０〜４０％である。

【００１４】本発明にある硬質皮膜のａ層は、その層厚
が０．１μｍ〜３μｍで有ることが好ましい。ａ層の層
厚が０．１μｍ未満の場合、酸素の内向拡散に対して層
厚が十分でない場合があり、耐酸化性向上効果が顕著に
表れない。また、ａ層の層厚が３μｍを越えると使用中
にａ層の破壊もしくは剥離が発生する機会が増加する。
そのためａ層の層厚は０．１μｍ〜３μｍが好ましい。

【００１５】上記ａ層は、静的および動的条件下におい
て優れた耐酸化性を有すものの、母材との密着性におい
ては十分でない。そのため、母材表面直上には、密着
性、耐摩耗性、耐酸化性等をバランス良く適度に有す皮
膜である、請求項中に記載のｂ層を被覆することが必要
である。

【００１６】ｂ層におけるＡｌの役割は、皮膜の耐摩耗
性および耐酸化性を向上させることである。皮膜中にお
けるＡｌ含有量が少ないほど、母材と皮膜の密着性は良
好となるが、皮膜の金属成分のみの原子％で、Ａｌが４
０％未満となると、皮膜の耐摩耗性、耐酸化性を向上さ
せる効果が得られない。しかしながら、６０％を越えて
含有すると、母材と皮膜の密着性が劣化するだけでな
く、逆に皮膜の硬さも低下し、工具として必要な耐摩耗
性が得られない。そのため、密着性、耐摩耗性、耐酸化
性をバランス良く得るためには、ｂ層のＡｌ含有量を、
皮膜の金属成分のみの原子％で、４０〜６０％に調整す
ることが重要である。

【００１７】また、上記ｂ層においてＳｉは、耐酸化
性、皮膜硬さの向上に効果がある。この効果を得るに
は、金属成分のみの原子％で、Ｓｉを１０％を越えて含
有させることが必要であるが、２０％を越えて含有させ
ると、ｂ層の密着性が著しく低下する。よって、工具へ
適用した場合、密着性、耐摩耗性、耐酸化性を高次元で
バランス良く得るには、ｂ層のＳｉ含有量を、皮膜の金
属のみの原子％で、１０％を越えて２０％以下にするこ
とが重要である。

【００１８】以上のように本発明の工具においては、母
材との密着性、皮膜自体の耐摩耗性および耐酸化性を高
次元でバランス良く有すｂ層を母材表面直上に被覆し、
その上に著しく耐酸化性に優れるａ層を被覆することが
極めて重要であり、その結果、低潤滑下加工や高速加工
に対し、十分に使用可能となる切削工具、金型等を得る
ことができる。また、母材表面直上にｂ層を被覆した
後、ａ層ならびにｂ層をそれぞれ交互に積層した多層皮
膜によっても同様の効果が得られる。

【００１９】本発明の工具に被覆される硬質皮膜は、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母材側にバ
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。

【００２０】

【実施例】次に実施例に基づき詳細に説明するが、本発
明は下記実施例によって限定を受けるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更が可能であ
り、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

【００２１】小型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
らびに反応ガスとしてＮ_２ガスを用い、被覆基体温度４
００℃、反応ガス圧力３．０Ｐａの条件下にて、被覆基
体である外径８ｍｍの超硬合金製６枚刃エンドミルに、
−５０Ｖの電位を印加し、１分間に５回転させながら、
まずｂ層として被覆基体表面直上に成膜し、全皮膜の厚
みが約４μｍとなるように成膜を行った。

【００２２】得られた硬質皮膜は、オージェ分光分析法
による皮膜組成の定量、皮膜断面の走査型電子顕微鏡観
察による各層厚の測定を行い、さらに次に示す乾式高速
切削条件にて切削性能を評価した。この時、刃先の欠け
ないしは摩耗等により工具が切削不能となるまで加工を
続け、この時の切削長を工具寿命とした。表１、２に本
発明例および比較例に関する硬質皮膜の詳細およびその
切削性能評価結果を示す。また、併せて表３に従来例の
評価結果について示す。

【００２３】（切削条件）工具：超硬合金製６枚刃エンドミル外径８ｍｍ切削方法：側面切削ダウンカット、エアーブロー被削材：ＳＫＤ１１（硬さ６０ＨＲＣ）切り込み：Ａｄ１２ｍｍ×Ｒｄ０．４ｍｍ切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ送り：０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】表１、２および表３に示すように、本発明
例は、比較例ならびに従来例と比べ工具寿命が著しく延
長していることがわかる。表２中の比較例３１、３３、
３４、３６については、皮膜の組成については本発明に
含まれるものであるが、皮膜の層構造が異なるため、早
期に皮膜と母材の界面より剥離が生じ、極めて短寿命の
結果となった。また、比較例３５、４１は、ａ層のＳｉ
含有量が多く、切削初期の段階でａ層の剥離が生じたた
め、従来例とほぼ同等の工具寿命になった。

【００２８】一方、比較例３２、３７、３８、３９、４
０については、いずれも従来例に比べ工具寿命は優れる
結果となったが、本発明例のような著しい改善効果は認
められなかった。これは、比較例３２、３７、３８、３
９では、ａ層もしくはｂ層におけるＳｉ含有量が少ない
こと、比較例４０については、ｂ層にＳｉを含有してい
ないことで、皮膜の耐酸化性が本発明例ほど十分に改善
されなかったためと考える。

【００２９】

【発明の効果】本発明の硬質皮膜を被覆してなる工具
は、従来のＴｉＡｌＮ皮膜を被覆してなる工具に比べ、
優れた耐酸化性、耐摩耗性を有すことから、金属加工の
高速化に対応することが可能であり、生産性の向上に極
めて有効である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材表面に硬質皮膜を被覆してなる工具
であって、その硬質皮膜は、金属成分のみの原子％が、
Ｓｉ：５〜５０％、実質的に残部、Ａｌ、Ｗの１種もし
くは２種で構成される窒化物であるａ層と、金属成分の
みの原子％が、Ａｌ：４０〜６０％、Ｓｉ：１０％越
え、２０％以下、実質的に残部がＴｉで構成される窒化
物であるｂ層とが、それぞれ一層以上交互に被覆された
ものであり、かつｂ層が被覆母材表面直上にあることを
特徴とする耐酸化性および耐摩耗性に優れた工具。
【請求項２】ａ層の層厚が０．１〜３μｍであること
を特徴とする請求項１に記載の耐酸化性および耐摩耗性
に優れた工具。
【請求項３】硬質皮膜は、物理蒸着法により被覆した
ことを特徴とする請求項１および２に記載の耐酸化性お
よび耐摩耗性に優れた工具。