JP2002337002A - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents
硬質皮膜被覆工具Info
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Abstract
るため、耐酸化性に優れた硬質皮膜にアモルファスナノ
結晶相を介在させ、皮膜の高硬度化を達成し、耐アブレ
ッシブ摩耗性及び耐酸化摩耗性に優れる硬質皮膜被覆工
具を提供する。 【構成】基体表面にTiとAlを主成分とする金属成分
と、C、N、O、B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層はS
iを含有し、相対的にSiに富みアモルファスであるT
iとAlとSiとC、N、O、Bから選択されるすくな
くとも1種との化合物相と、相対的にSiに乏しい結晶
質のTiとAlとSiとC、N、O、Bから選択される
すくなくとも1種との化合物相と、から構成する。
Description
加工等に使用される被覆工具、特に熱処理後の高硬度鋼
の高速切削、乾式切削に適用される被覆工具に関するも
のである。
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。
するために、従来熱処理前に荒加工を実施し、熱処理後
に仕上げ加工をするのが一般的であったものを、熱処理
後に全ての加工をする傾向が強くなってきている。そし
てさらにこれら熱処理後の高硬度材を切削加工の高能
率、高精度化のさせる為、切削速度の高速化及び、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
重要視される傾向にある。こうような切削環境下におい
ては、切粉は切削初期より赤熱化するため、皮膜の酸化
性のみならず、皮膜の高温硬度が非常に重要なものとな
る。つまり高温下での軟化が大きい皮膜では耐摩耗性が
著しく悪くなる結果となる。
的な提案はされていないのが現状であるが、比較的似た
事例としては特許第2793773号公報にみられるよ
うに、TiAlN系皮膜に単純にSiを添加し、耐酸化
性を向上させる提案もなされているが、単純な添加では
皮膜の高温硬度の劣化が発生し耐摩耗性の点で十分に満
足される結果を得ていない。その他特開平7−2370
10号公報、特開平10−130620号公報に見られ
るようにTiAlN系に第3成分を添加する提案もなさ
れているが、高温硬度を改善するには至っていないのが
現状である。
に鑑み、熱処理後の高硬度鋼切削加工の乾式化、高速化
に対応可能な、高温下においても皮膜硬度の劣化を抑制
させ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。
を主金属成分とする硬質皮膜被覆工具において、硬質層
中に異なる結晶構造を有するナノ結晶を介在させること
により、ナノ結晶の分散強化機構、格子歪により、高温
下でも皮膜硬度劣化の極めて少ない硬質皮膜の開発に成
功した。結果、高硬度鋼の乾式、高速切削加工におい
て、切削寿命が極めて良好となることを確認し本発明に
到達した。すなわち、本願発明は、基体表面にTiとA
lを主成分とする金属成分と、C、N、O、B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層はSiを含有し、相対的にSiに
富みアモルファスであるTiとAlとSiとC、N、
O、Bから選択されるすくなくとも1種との化合物相
と、相対的にSiに乏しい結晶質のTiとAlとSiと
C、N、O、Bから選択されるすくなくとも1種との化
合物相と、から構成される硬質皮膜被覆工具である。
加成分の効果を鋭意研究した結果、Siの添加と被覆条
件の最適化により、TiAlN高硬度材の乾式高速切削
の寿命を大幅に向上できる知見を得るに至った。Siの
単純添加は(TiAlSi)Nの固溶体を形成するが、
これとは異なり、TiAlSiN結晶質皮膜内部に相対
的にSiに富む(TiAlSi)Nのアモルファス微細
結晶粒を介在分散せしめ、TiAlSiN皮膜の室温硬
度がビッカースで2800から3500に著しく上昇さ
せることに成功した。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。尚、高温下での硬度はほぼ
室温硬度に依存する傾向にある。
し分散強化機構により、TiAlSiN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、Siの添加
による皮膜硬度の大幅向上を実現するに至った。さらに
詳細を鋭意調査した結果、切削中にSiが皮膜表面に内
部拡散しSiの酸化物を形成し、この酸化物が摩擦係数
を低減させ、切削温度の上昇を抑制させることも明らか
になった。さらにアモルファス微細粒のマトリックスと
の粒界は比較的整合し、格子欠陥が少なく、結晶粒界で
の酸素の拡散が発生しにくく、結果、耐酸化性に著しく
優れた皮膜を形成することも明らかになった。
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Siはfcc構造におけるTiAlNの
金属原子と置換し固溶体であるTiAlSiNを形成
し、硬度の上昇は僅かしか確認されなかった。またイオ
ンエネルギーが大きい場合、ナノ結晶は結晶化し、明確
な結晶粒界を形成し、硬度向上には格子歪の発生を伴い
寄与するものの、耐酸化性の向上に十分な効果を発揮し
ない。アモルファスナノ結晶を形成するためには中程度
のイオンエネルギーでかつ、被覆温度が550℃以上が
必要である。高温によりSiの拡散速度が増え、均一な
組成分布の固溶体からSi凝集相を形成するものと考え
られるが、被覆時のイオンエネルギーが結晶形態を左右
している理由についてはさらに研究が必要である。
V程度、反応圧は1〜5Pa程度で形成されるイオンエ
ネルギーにおいて、550℃以上の高温で被覆すること
が好ましいといえる。
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の密着性は
劣化する傾向にあるためSiの添加量はTiAlに対し
好ましくは50原子%以下に抑えたほうがより良いと考
えられる。
でも十分な切削性能を示すが、より密着性を向上せしめ
る観点から一般的な(TiAl)N系皮膜と組み合わせ
て被覆するほうが好ましい結果となる場合もある。
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、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。
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4a、5a、6a族成分での置換はTiAl主成分
硬質層の幾分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。
に改善した結果、本発明による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切削温度
が高くなる傾向にあり従来のPVD皮膜ではCVD皮膜
に対し満足される耐摩耗性を達成することができなかっ
た。本発明においても皮膜の膜厚が薄いとCVD皮膜に
対し耐クレーター摩耗性が劣る結果になるが、本発明皮
膜を十分厚く被覆することにより、CVD皮膜と同等以
上の耐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PV
D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。
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。
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550
℃、反応ガス圧力1.0Pa、基体印加バイアス電圧1
20V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、ミーリング用インサートに
各種の表1に示すA層を被覆した。また、B層(20
0)配向皮膜は被覆温度450℃、基体印加バイアス−
100V、反応ガス圧1.0Paにおいて被覆し本発明
例を作成した。(111)配向皮膜は基体印加バイアス
を−150Vとした。比較例においては、A層欄に便宜
上記載したTiAlSi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。つまり比較例に
おける(TiAlSi)N皮膜は被覆条件が異なるた
め、単一固溶体を呈する皮膜である。皮膜の総厚さは3
μとした。Si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。
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が支配する。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。
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/tooth、
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。
2TN、巾100mm×長さ250mmの面取り加工、
被削材SKD61(硬さHRC45)、切り込み1.5
mm、切削速度250m/min、送り0.25mm/
刃、乾式切削とした。この場合も切削温度は高温となり
皮膜の摩耗が工具寿命を支配し摩耗の進行からチップは
欠損するかもしくは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。
い寿命改善が認められる。これらは比較例が全て、短寿
命であったことより、耐酸化摩耗性、高温での耐アブレ
シブ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16、17、18、19は同一組成ではある
が、被覆条件により均一な(TiAlSi)N固溶体皮
膜の事例である。比較例20、21同様に均一な(Ti
AlSi)N固溶体皮膜と(111)配向した(TiA
l)Nとの複合化事例である。比較例23、24は一般
的組み合わせの事例である。いずれにおいても、切削寿
命は満足のいくものではないことは明らかである。
ファスナノ結晶(TiAlSi)Nを介在させた単層皮
膜の例、9から15はTiAlN系皮膜との多層化の事
例である。いずれにおいても長寿命が達成され、また多
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。
のTiの一部を他成分で置換したターゲットを用い、ま
たTiAl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と同一なエンドミル切削評価を
実施し、その結果を表2に併記する。
系硬質皮膜に第3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。これは第3成分の固溶体強
化により高温硬度がより向上することによるものと推察
される。
1と同一条件でP30グレードの旋削用インサートを試
作した。皮膜の厚さは12ミクロンとした。比較例に示
したインサートは市販のCVD被覆超硬インサートであ
り母材はP30グレードのものを用いた。切削速度18
0m/min送り0.3mm/rev切りこみ2mmで
旋盤による連続切削を実施し、平均逃げ面摩耗が0.3
mmになる切削時間を寿命と判定した。また4つ溝を設
けた被削材で断続切削を同一条件で実施し、インサート
が欠損するまでの衝撃回数を求めた。その結果を表3に
併記する。用いた被削材はS53Cである。
D被覆インサートと同程度の耐摩耗性を有するに加え、
圧倒的に優れる耐欠損性を有することが明らかである。
これはCVD被覆皮膜が引っ張りの残留応力を有するの
に反し、PVD被覆皮膜が圧縮の残留応力を有し、クラ
ックが発生し難いことに起因するものである。
は、従来のPVD被覆工具に比べ皮膜硬度が大幅に高
く、皮膜の耐酸化性に優れ、高温硬度が高いことに起因
し、耐アブレッシブ摩耗性に優れ、高硬度鋼の乾式高速
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。
Claims (3)
- 【請求項1】基体表面にTiとAlを主成分とする金属
成分と、C、N、O、B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
はSiを含有し、相対的にSiに富みアモルファスであ
るTiとAlとSiとC、N、O、Bから選択されるす
くなくとも1種との化合物相と、相対的にSiに乏しい
結晶質のTiとAlとSiとC、N、O、Bから選択さ
れるすくなくとも1種との化合物相と、から構成される
ことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。 - 【請求項2】請求項1記載の硬質皮膜被覆工具におい
て、該TiAlを主成分とする硬質層の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。 - 【請求項3】請求項1乃至2記載の硬質皮膜被覆工具に
おいて、該TiAlを主成分とする硬質層のTiの一部
を30原子%以下の範囲において、Tiを除く4a、5
a、6a族の金属、Yのうち1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。
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- 2001-05-11 JP JP2001140904A patent/JP3586216B2/ja not_active Expired - Fee Related
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