JP2002331406A - 耐摩耗皮膜被覆工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】高硬度鋼切削加工の乾式化、高速化に対応する
ため、皮膜の潤滑性を著しく高め、切削温度の上昇を抑
制し、同時に耐酸化性及び密着性に優れた硬質皮膜被覆
工具を提供するとともに、従来皮膜との組み合わせによ
りさらに密着性に優れた複合硬質皮膜被覆工具を提供す
る。 【解決手段】基体表面に少なくとも１層（ＴｉＡｌ）系
硬質皮膜を被覆してなる耐摩耗皮膜被覆工具において、
Ｓを添加することにより、潤滑性を改善した。該皮膜の
Ｓの一部をさらにＢで置換しさらなる潤滑性を改善した
硬質皮膜を被覆して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、超硬合金、高硬度
鋼製工具の高速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号公報、
特開平２−１９４１５９号公報に代表される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）との溶着現象が切削性
能に大きな影響を及ぼすとともに、切削温度がより高温
になりＴｉＡｌＮ系皮膜でも耐酸化が十分ではない状況
にある。すなわち、従来までの前記ＴｉＮ、ＴｉＣＮ及
びＴｉＡｌＮ皮膜はこのような苛酷な切削環境下におい
ては、被削材との溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増加
及び酸化の進行により、十分な切削性能を得られなく、
また酸化による摩耗進行を十分に抑制できていなくなっ
たのが現状である。

【０００４】このような問題を解決する為に、耐溶着性
を改善する観点より特表平１１−５０２７７５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及びダイヤモンドラ
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上耐酸化
性に乏しく、切削時に剥離または破壊、酸化摩滅などに
より上記切削環境下においては十分対応できてはいな
い。

【０００５】また耐酸化性を改善する観点から特開平７
−２３７０１０号公報や特開平１０−１３０６２０号公
報に代表されるようにＴｉＡｌＮに第３成分を添加する
事例があるものの、第３成分の添加によるだけでは十分
に満足される耐酸化性の向上は実現されていないのが実
状である。また特開平８−１１８１０６号公報にはＴｉ
ＳｉＮの事例も提案されているが、単なるＴｉＳｉＮで
は耐酸化性を改善するには至っていないと同時に切削温
度そのものを低下させるには至っていない。

【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、切削加工の乾式化、高速化に対応可能な、即
ち、耐酸化性に優れるとともに被削材との溶着性が少な
く潤滑性を有する硬質層を提案し、切削温度を低減し、
耐酸化性及び耐溶着性を同時に実現し、高硬度鋼を乾式
で高速切削出来うる耐摩耗皮膜被覆工具を提供すること
を課題とする。総括すれば、耐酸化性の向上よりも高硬
度材の乾式高速切削においては、皮膜の耐酸化性を維持
しつつ、切削抵抗そのものを低減せしめ、切削温度の上
昇を抑制することが極めて重要な課題であり切削温度を
低下せしめ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
耐摩耗性と様々な被削材と摩擦抵抗の低減に及ぼす影響
及び皮膜の層構造について詳細な検討を行った結果、切
削中の高温化により皮膜内部で金属成分の拡散が発生す
ることを見出しかつ拡散速度が皮膜全体の結晶配向によ
り異なる事実を検証した。つまり、金属成分が皮膜表面
に拡散しやすい結晶配向と拡散した皮膜表面に拡散した
金属成分が潤滑性を付与するような金属成分の選択によ
り極めて切削温度を低減できることを実証した。また上
記硬質皮膜は、物理蒸着法により被覆されることが望ま
しい。

【０００８】

【作用】はじめに該硬質層に関して、その作用について
詳しく述べる。本発明者らは各種金属成分を鋭意検証し
た結果、皮膜内の金属成分が切削熱より皮膜表面に内部
拡散し、拡散成分そのものが潤滑性を付与する場合と、
皮膜表面で酸化し、酸化物そのものが潤滑性を付与する
場合と、形成された酸化物が極めて低融点を有し低融点
の酸化物が液化することにより潤滑性を付与する場合が
あることが確認された。

【０００９】拡散した成分そのものが、潤滑を付与する
成分として機能するものはＳ、Ｂ、が挙げられる。酸化
物を形成し、酸化物そのものが潤滑を付与する成分とし
て機能するものはＳｉが挙げられる。形成された酸化物
が極めて低融点を有し低融点の酸化物が液化することに
より潤滑性を付与する成分としてはＶ、Ｌｉ等が挙げら
れる。本発明者らの検討結果においてはＳ添加の場合が
表面に拡散したＳの効果とＳが添加された（ＴｉＡｌ
Ｓ）Ｎそのものの潤滑性の相乗効果により、最も潤滑性
が高いことが確認された。さらに拡散成分そのものが潤
滑性を付与するＢとの併用においてより一層切削温度が
低減できることが確認された。

【００１０】ここで皮膜の結晶配向が金属成分の拡散速
度を決定する極めて重要な要素であることも重要な知見
である。細密充填面である（１１１）面に最高の回折強
度を有する場合、つまり細密充填面である（１１１）面
が工具表面と平行に存在する確率が高い場合は、金属成
分の表面への拡散、つまり工具表面と垂直方向への拡散
がし難くなる。これは細密充填面が拡散に対し、何らか
の障壁として作用するものであることを示唆するもので
ある。従って結晶配向は（１１１）面よりも（２００）
面もしくは（２２０）面に最高の回折強度を有する場合
のほうが金属成分は拡散し易い結果となる。（２２０）
面に最高の回折強度を持たせるためには被覆条件に制約
をうけ、結果皮膜の密着性が劣化することがあり、（２
００）面に最高の回折強度を持たせることが最も好まし
い結果となる。

【００１１】本発明の硬質皮膜を構成する硬質層のＳ金
属元素の組成は、０．５原子％以上、２０原子％以下で
あることがより好ましい。０．５原子％未満の場合潤滑
性は付与するものの効果は少なく、２０原子％を越える
と被覆条件によっては皮膜の硬度が低下する場合がある
からである。またＳ含有量が多くなるにつれ皮膜の密着
性は劣化する傾向があり、母材側はＳ含有量は少なく、
表面に向かうに伴い潤滑性を付与するＳ含有量を高めた
いわゆるＳの傾斜組成を採用するのが最も好ましい。

【００１２】また、Ｂの置換量は皮膜全体に対し０．５
原子％未満では効果が認められず、１０原子％を越える
と残留圧縮応力を増大せしめ、皮膜の密着性が劣化する
ため、この成分の置換量は皮膜全体に対し０．５原子％
以上１０原子％以下に制約される。

【００１３】該硬質層は、静的及び動的条件下において
優れた密着性、低摩擦、高耐酸化性を有すものの、ＨＲ
Ｃが６０を越えるような高硬度鋼の乾式高速切削加工に
は、単一皮膜では密着性が十分でなく剥離が発生する場
合がある。そこで、優れた耐密着性並びに耐摩耗性を有
した（ＴｉＡｌ）Ｎ硬質層等と下地層として用いた積層
にすることが、このような高硬度鋼切削ではより好まし
い結果となる場合もある。

【００１４】ここで用いられる（ＴｉＡｌ）Ｎ層は場合
によっては第３の金属成分を添加されたものでも同様の
作用が期待されることは、言うまでもないことである。

【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
ーク蒸発源を２個、マグネトロンスパッタリング蒸発源
を１個有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ガスから目的の皮膜が得られるも
のを選択し、被覆基体温度５００℃、反応ガス圧力０．
８Ｐａの条件下にて、被覆基体である外径１０ｍｍの超
硬合金製２枚刃エンドミル、及び超硬合金製インサート
に−１００Ｖの電位を印加し、全皮膜総厚みが３μｍと
なるように成膜した。Ｂ添加量はＴｉＡｌ金属アークタ
ーゲットに含有する量を調整することにより調整した。
Ｓの添加はＭｏＳ_２ターゲットを用いマグネトロンスパ
ッタリングによりＳを添加した。この場合アークイオン
プレーティング法と併用し（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜内にＳを
添加した。Ｓ添加量の調整はアーク、及びマグネトロン
スパッタリングにおける放電電流値を調整することによ
り調整した。他層との多層化においてはＳ含有層と他層
との膜厚比率は１：１とした。Ｓ添加の場合必然的にＭ
ｏも添加されるがＭｏは特に性能を左右するものではな
い。同様にＴｉＳターゲットを使用した場合には必然的
にＴｉが添加される。実施例の組成比はＭｏ量はのぞい
たＴｉ＋Ａｌ＋Ｓを１００％とした場合の比率を示す。
また→で示す組成変化は皮膜内部組成と最表面部組成を
示し、Ｓ添加量は放電電流値を調整することにより、Ｓ
含有量を傾斜化させた。

【００１７】

【表１】

【００１８】得られた硬質皮膜被覆エンドミル及び硬質
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。得られた結果を表１に併記す
る。

【００１９】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ＨＢ２２
０）、切り込みＡｄ１０ｍｍ×Ｒｄ１ｍｍ、切削速度１
５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、エア
ーブロー使用、とした。

【００２０】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ＨＲＣ４５）、切り込み２．０
ｍｍ、切削速度１２０ｍ／ｍｉｎ、送り０．１５ｍｍ／
ｒｅｖ、乾式切削とした。表１に試験結果を併記する。

【００２１】切削温度は旋盤加工で測定した。測定の方
法は熱起電力法を用い切削時に被加工物と被覆インサー
トの間に発生する熱起電力を測定することにより測定し
た。用いた被削材はＳ５３Ｃで切削条件は切削速度３０
０ｍ／ｍｉｎ送り０．２５ｍｍ／ｒｅｖ切りこみ２ｍｍ
で乾式である。測定時間は１０秒で最終の切削温度を採
用した。その結果を表２に示す。またＳ５３Ｃ球を用い
ボールオンディスクにより６５０℃条件下で被覆工具と
球間の摩擦係数を測定した。その結果も表２に併記す
る。

【００２２】

【表２】

【００２３】比較例１９、２０はＢの量が多すぎる場合
の比較例であり、静的評価数値は満足するものの密着性
が十分ではなく工具寿命が短い結果である。また比較例
２１、２２は同じ（ＴｉＡｌＳ）Ｎ系皮膜であるが、被
覆条件により（１１１）面に最強回折強度を有する（１
１１）配向としたものでＳの表面拡散が十分ではなく切
削温度も低下しないことが明らかである。比較例１５、
１６、１７、１８は、ＴｉＡｌＮ系皮膜に第３成分を添
加した事例であり、耐酸化性は改善はされるものの、切
削温度低下の観点からは、本発明例と比べ改善効果が少
ない。

【００２４】これらに対し本発明例は、静的評価特性に
優れる、切削温度も低く、同時に、密着性にも優れ、溶
着現象に起因した異常摩耗や皮膜の酸化摩耗、皮膜剥離
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、本発明は高硬度鋼の乾式高速切削加工に
十分対応するものである。

【００２５】

【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特に切削温度の低減に
効果的であり、かつ高密着性、高耐酸化性を同時に有す
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
効であるものである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体表面にＸ線回折において最強回折強度
   を（２００）面に有するＴｉとＡｌを主成分とする窒化
   物、炭窒化物、窒酸化物、窒硼化物を１層以上被覆した
   被覆工具において、前記少なくとも１層の硬質皮膜のＴ
   ｉの一部をＳで置き換えたことを特徴とする耐摩耗皮膜
   被覆工具。
2. 【請求項２】請求項１記載の耐摩耗皮膜被覆工具におい
   て、該Ｓ量が０．５原子％以上、２０原子％以下である
   ことを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。
3. 【請求項３】請求項１乃至２記載の耐摩耗皮膜被覆工具
   において、該Ｓの含有量が皮膜内で皮膜表面部ほど富む
   ことを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。
4. 【請求項４】請求項１乃至３記載の耐摩耗皮膜被覆工具
   において、該Ｓの一部を皮膜全体に対し０．５原子％以
   上、１０原子％以下の範囲においてＢで置換したことを
   特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。