JP2003266212A - クロム含有膜被覆工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】工具として使用・未使用が容易に判別出来、し
かも従来に比べて工具表面の膜密着性と摺動性や耐摩耗
性が優れ、切削耐久特性が大幅に改善された被覆工具を
提供する。 【構成】基体表面に、クロムの炭化物、窒化物、炭窒化
物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか１種の
単層皮膜又は２種以上の多層皮膜からなり引張残留応力
を有するクロム含有膜を酸化アルミニウム膜よりも工具
表面側に被覆してなることにより構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クロム含有膜被覆
工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、硬質膜被覆工具は超硬合金、高
速度鋼又は特殊鋼よりなる基体表面に化学蒸着（ＣＶ
Ｄ）法又は物理蒸着（ＰＶＤ）法等により硬質皮膜を被
覆することにより作製され、皮膜の耐摩耗性と基体の強
靭性とを兼ね備えているため広く利用されている。特に
高硬度材を高速で切削する場合には切削工具の刃先温度
が１０００℃付近にまで上昇することがあり、このよう
な高温で工具は被削材との接触による摩耗や断続切削等
の機械的衝撃に耐える必要があるため耐摩耗性と耐欠損
性性とを兼ね備えた上記の硬質膜被覆工具が重宝されて
いる。硬質皮膜は、ＣＶＤ法或いはＰＶＤ法により成膜
されている。ＰＶＤ法で成膜された膜は一般に圧縮応力
を有しておりＣＶＤ法で成膜された膜は引張応力を有し
ている。ＰＶＤ法の長所は多数の元素を含有する膜を比
較的容易に成膜できることであり、欠点はＣＶＤ膜に比
べて膜の密着性が劣ることである。すなわち、ＰＶＤ法
で成膜され圧縮応力を有する皮膜は下地膜との密着性が
劣るため切削の初期に皮膜が剥がれてしまい摺動性や耐
摩耗性を高める皮膜の役割があまり期待できない欠点が
ある。これに対して、ＣＶＤ法の長所は７５０〜１０５
０℃と高い温度で成膜されるため膜間の密着性が優れし
かもより高温で使用しても膜特性の劣化が少ないことで
あり、欠点は化学反応を用いて成膜するために多数の元
素を含有する膜を成膜することが困難なことである。こ
のため、切削加工時に刃先が１０００℃前後まで昇温す
る旋削工具に使用されている皮膜は熱ＣＶＤ法で成膜さ
れたＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ_２Ｏ_３膜に限定さ
れているのが実状である。熱ＣＶＤ法で成膜された硬質
膜被覆工具表面の皮膜は耐摩耗性を左右するため種々の
改善がなされてきた。例えば、基体表面に高硬度の炭化
チタン膜を被覆して耐摩耗性を改善したもの、或いはこ
の炭化チタン膜の表面にさらに酸化アルミニウム膜を被
覆し耐酸化性を改善したもの等がある。特に、酸化アル
ミニウム膜は化学的に安定しており酸化に強く被削材と
も反応し難いため多くの工具で利用されている。

【０００３】しかし、酸化アルミニウム膜は透明である
ため一旦切削工具として使用された後も使用済みの痕跡
が一目では判別し難い欠点がある。このため、多くの工
具では酸化アルミニウム膜の外側に略金色の窒化チタン
膜が被覆されている。このような工具は一旦使用される
と最外層の窒化チタン膜の表面が黒く変色するために工
具が使用済であることが容易に判別される利点があるた
め広く実用されているが、残念ながら、酸化アルミニウ
ム膜の表面に窒化チタン膜や炭窒化チタン膜を形成する
ため工具表面の摺動性が低下し切削耐久特性が低下する
という欠点が現れていた。また、化学蒸着法で成膜した
酸化アルミニウム膜の上にチタン、クロム、バナジウ
ム、ジルコニウムの炭化物又は窒化物或いは炭窒化物か
ら成る層をＰＶＤ法によって形成した被覆硬質合金が特
開昭６２−１９２５７６で提案されている。しかし、こ
れら酸化アルミニウム膜の上に成膜された被膜はいずれ
もＰＶＤ法で成膜されているため圧縮応力を有しており
酸化アルミニウム膜等から容易に剥がれてしまい表面に
被覆されている効果が小さい欠点がある。また、刃先部
の最外層の少なくとも一部が酸化アルミニウム膜で構成
されていないため被削材と溶着しさらに膜剥がれが発生
し易い欠点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、工具として使用・未使用が容易に判別出来
しかも従来に比べて工具表面の膜密着性と摺動性とが優
れ、切削耐久特性が大幅に改善された被覆工具を提供す
ることである。本発明者らは上記従来技術被覆工具の欠
点を解決するために鋭意研究した結果、有色で引張残留
応力を有するクロム含有膜を工具の表面に形成すること
によって工具として使用・未使用が容易に判別できるよ
うになるとともに、工具表面の摺動性と皮膜間の密着性
が高く、優れた切削耐久特性を有する工具が得られるこ
とを見出し、本発明に至った。更には、被削材との接触
頻度が最も高い刃先部の最外層の少なくとも一部に内層
の酸化アルミニウム膜を露出させることにより被削材と
の溶着が少なく更に優れた切削耐久特性を有する工具が
得られることを見出し、本発明に至った。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、基体表面に、
クロムの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化
物、炭窒酸化物のいずれか１種の単層皮膜又は２種以上
の多層皮膜からなり引張残留応力を有するクロム含有膜
を、酸化アルミニウム膜よりも工具表面側に被覆してな
るクロム含有膜被覆工具である。このように有色のクロ
ム含有膜により工具の最外層部分を構成することにより
工具として使用済みか否かが容易に判別出来るようにな
るとともに、工具表面に良好な摺動性が得られるため優
れた切削耐久特性が実現されている。クロムは特に耐酸
化性と摺動性とを高めるため工具表面が被削材や切屑か
ら受ける摩耗や衝撃を小さくするため良好な切削耐久特
性が実現されている。また、引張残留応力を有している
ことによりクロム含有膜とその下地膜との間に優れた密
着性が得られる。ここで、皮膜が引張残留応力を有する
か否かはＸ線応力測定法の１種である並傾法を用いて膜
応力σの符号（±）を求めることにより判定できる。符
号が＋の時は引張残留応力を持ち、−の時は圧縮残留応
力を有している。一般に、膜の残留応力σは、Ｘ線応力
測定法による並傾法を用いて、次式に示す応力計算式に
より求められる。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、Ｅは弾性定数、νはポアソン比、
θ_０は無歪みの格子面からの標準ブラッグ回折角、Ψは
回折格子面法線と試料面法線との傾き、θは測定試料の
角度がΨの時のブラッグ回折角である。前記数式１よ
り、膜応力の符号（±）の決定には２θ−ｓｉｎ２Ψ線
図の勾配のみが必要とされ、弾性定数Ｅやポアソン比
ν、ｃｏｔθ_０（常に＋）の正確な値は必要としないこ
とがわかる。

【０００８】本発明の被覆工具は、刃先部の最外層の少
なくとも一部が酸化アルミニウム膜で構成されているこ
とが好ましい。被削材との接触頻度が高い刃先部の少な
くとも一部が耐酸化性と耐溶着性とが特に優れている酸
化アルミニウム膜で構成されていることにより被削材と
溶着することが特に少なくなり、更に優れた切削耐久特
性が実現される。この時も刃先部以外の主要部が有色の
クロム含有膜で覆われているため良好な摺動性と工具使
用済の有無が容易に判定できる利点が確保される。刃先
部の最外層の少なくとも一部に酸化アルミニウム膜を露
出させる方法としては、例えば当初最外層を構成してい
るクロム含有膜等を研磨布、バフ、ブラシ或いはラバー
等と研磨用砥粒とを組み合わせて研磨する、或いは砥粒
を含んだ加圧基体や流体流を吹き付ける等の方法があ
る。

【０００９】次に、本発明の被覆工具は、クロム含有膜
と酸化アルミニウム膜の間にチタン含有膜が挿入されて
いることが好ましい。こうすることによりクロム含有膜
と酸化アルミニウム膜の間に更に優れた密着性が得られ
るとともにチタン含有膜により耐摩耗性が強化され、更
に優れた切削耐久特性が実現される。チタン含有膜には
ＴｉＮやＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＯ、Ｔｉ
ＣＮＯ等を用いることができる。

【００１０】更に、本発明の被覆工具は、前記刃先部、
特にホーニング部近傍の表面粗さＲａを０．１２μｍ以
下とすることが好ましい。こうすることにより、特に被
削材との接触頻度が高い刃先部の摺動性が更に高まり更
に優れた切削耐久特性が実現される。刃先部の表面粗さ
Ｒａは０．０８μｍ以下であることが最も好ましく、最
も優れた切削耐久特性が実現できる。

【００１１】本発明の被覆工具において、クロム含有膜
は上記の膜に限るものではなく、例えばＺｒ、Ｈｆ、Ｔ
ｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｓｉ、Ｂの１種又は２種以上を０．３〜
１０質量％添加した膜でも良い。０．３質量％未満では
これらを添加する効果が現れず、１０質量％を超えると
上記膜の耐摩耗や高靭性の効果が低くなる欠点が現れ
る。

【００１２】本発明において、最外層のクロム含有膜の
上に更に美観を高めるために少なくとも一層のチタンや
ジルコニウム、ハフニウム、ボロンの化合物（例えばＴ
ｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣＮ、ＺｒＣＮ、ＨｆＣ
Ｎ、ＴｉＢＮ、ＢＣＮ、ＢＮ或いはこれらを組み合わせ
た多層膜等）を被覆してもよい。また、本発明に用いる
酸化アルミニウム膜にはκ型酸化アルミニウム（κ−Ａ
ｌ_２Ｏ_３）単相膜やα型酸化アルミニウム（α−Ａｌ_２
Ｏ_３）単相膜或いはκ型酸化アルミニウムとα型酸化ア
ルミニウムとの混合膜でもよい。また、κ型酸化アルミ
ニウム及び／又はα型酸化アルミニウムと、γ型酸化ア
ルミニウム、θ型酸化アルミニウム、δ型酸化アルミニ
ウム、χ型酸化アルミニウムの少なくとも１種とからな
る混合膜でもよい。また、酸化アルミニウム膜の代わり
に酸化アルミニウムと酸化ジルコニウム等に代表される
他の酸化物との混合膜でもよい。また、本発明で用いる
膜には被覆工具の切削耐久特性を劣化させない範囲でＷ
やＣｏ等不可避の添加物や不純物を、例えば３質量％程
度まで含むことが許容される。

【００１３】本発明の被覆工具の製作は既知の成膜方法
を採用できる。例えば、通常の化学蒸着法、プラズマを
付加した化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）、イオンプレーティ
ング法等を用いることができる。本発明の被覆工具にお
いて、クロム含有膜は膜中の塩素量が２質量％以下であ
ることが好ましい。より高温で成膜する熱ＣＶＤ法を用
いることにより膜中の塩素量が２質量％以下になりより
高い膜硬度と耐摩耗性が得られる。これに対してプラズ
マＣＶＤ法で成膜すると膜中の塩素量が２質量％を越え
膜硬度と耐摩耗性が低下し、工具寿命が低下する欠点が
現れる。用途は切削工具に限るものではなく、硬質皮膜
を被覆した耐摩耗材や金型、溶湯部品等でもよい。以
下、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する
が、それら実施例により本発明が限定されるものではな
い。

【００１４】

【発明の実施の形態】（実施例１）本発明例１としてＷ
Ｃ７２質量％、ＴｉＣ８質量％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ１１
質量％、Ｃｏ９質量の主成分組成よりなるＪＩＳ規格Ｃ
ＮＭＧ１２０４０８形状の切削工具用超硬合金基体をＣ
ＶＤ反応炉内に設置し、Ｈ_２キヤリヤーガスとＴｉＣｌ
_４ガスとＮ_２ガスとを原料ガスに用いて０．５μｍ厚さ
のＴｉＮ膜を９００℃で形成後、Ｈ_２キャリヤーガスと
ＴｉＣｌ_４ガス、Ｎ_２ガス、ＣＨ_３ＣＮガスを原料ガス
に用いて６μｍ厚さのＴｉＣＮ膜を８９０℃で形成し
た。その後、１０００℃でＨ_２キヤリヤーガスとＴｉＣ
ｌ_４ガス、ＣＨ_４ガスとを原料ガスに用いてＴｉＣ膜を
１５分間成膜した後、そのまま連続して本構成ガスに二
酸化炭素ガスと一酸化炭素ガスとを追加しＴｉＣＯ膜を
１５分間成膜した。その後、Ｈ_２キャリヤーガス、Ａｌ
Ｃｌ_３ガス、ＣＯ_２ガスを原料ガスに用いて４μｍ厚さ
のα−Ａｌ_２Ｏ_３膜を１０２０℃で形成した。その後、
Ｈ_２キヤリヤーガスとＮ_２ガス及びＣＶＤ反応炉の直前
で約９００℃付近に保持した金属クロムにＨＣｌガスを
反応させることにより作製した塩化クロムガス（ＣｒＣ
ｌ_３、ＣｒＣｌ_４と考えられる）を原料ガスに用いて厚
さ１μｍのＣｒＮ膜を１０２０℃で形成し、その後室温
まで冷却することにより本発明のクロム含有膜被覆工具
を作製した。作製した本発明例１のクロム含有膜の残留
応力を理学電気（株）製のＸ線回折装置（ＲＵ−２００
ＢＨ）と応力測定用ソフト（ＭａｎｕａｌＮｏ．ＭＪ１
３０２６Ａ０１）を用いて並傾法（Ｘ線の走査面と応力
の測定方向面とが平行）により測定した結果、符号は＋
であり、本発明例のクロム含有膜が引張残留応力を有し
ていることが判明した。また、本発明例１の刃先部表面
の平均面粗さＲａを形状測定顕微鏡（（株）キーエンス
社製、測定部ＶＫ−８５１０、コントロール部ＶＫ−８
５００）で評価した結果０．１４μｍであった。

【００１５】（実施例２）比較例２としてクロム含有膜
が引張残留応力を有している場合と圧縮残留応力を有し
ている場合との差違による切削耐久特性への影響を明ら
かにするために、本発明例１の試料と同一の膜構成と成
膜条件でα−Ａｌ_２Ｏ_３膜までを形成した後、試料をア
ーク放電方式のイオンプレーティング装置内にセットし
直し、その表面にＣｒ合金ターゲットとＮ_２ガスとを用
いて４００℃、基体へのバイアス電圧−１５０Ｖの成膜
条件でＣｒＮ膜を１μｍ厚さ成膜することにより比較例
２を作製した。作製した比較例２のＣｒＮ膜の残留応力
は符号が−であり、圧縮残留応力を有していることがわ
かった。

【００１６】（実施例３）比較例３としてクロム含有膜
におけるクロム含有の有無による切削耐久特性への影響
を明らかにするために、本発明例１と同一の膜構成と成
膜条件でα−Ａｌ_２Ｏ_３膜までを形成した後、Ｈ_２キャ
リヤーガスとＴｉＣｌ_４ガスとＮ_２ガスとを原料ガスに
用いて１μｍ厚さのＴｉＮ膜を１０００℃で形成するこ
とにより比較例３の試料を製作した。

【００１７】本発明例１及び比較例２、３の膜密着性と
連続切削寿命特性を以下の条件で評価した。膜の密着性
は、各試料５個を用いて、以下の条件で３０秒間切削し
た後、膜剥離の有無を倍率５０倍の工具顕微鏡を用いて
観察することにより評価した。 被削材：ＦＣ２５（ＨＢ２３０） 切削速度：２５０ｍ／分 送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ 切り込み：１．０ｍｍ 水溶性切削油使用 また、連続切削寿命は、上記の条件で更に連続切削し、
平均逃げ面摩耗量が０．４ｍｍ、クレーター摩耗が０．
１ｍｍのどちらかに達した時間を連続切削寿命時間と判
断した。

【００１８】上記の切削テストの結果、３０秒切削後に
比較例２はＣｒＮ膜が刃先部全体で大きく剥離している
にも関わらず、本発明例１と比較例２、３はいずれも膜
が剥離しておらず膜密着性が優れていることが判明し
た。また、切削後の工具を見ると本発明例１は最外層の
銀色のクロム含有膜が黒く変色しているため工具が使用
済であることが容易に判別できた。

【００１９】また、各試料の連続切削寿命は比較例２、
３はそれぞれ１０分、１７分であったのに対して、本発
明例１は３０分であった。本発明例１の連続切削寿命は
比較例２、３に比べて３倍、１．８倍と格段に長く、最
外層の皮膜が引張残留応力を持つクロム含有膜から成っ
ている効果が著しいことが判明した。

【００２０】（実施例４）本発明例１と同一の膜構成と
成膜条件でα−Ａｌ_２Ｏ_３膜とＣｒＮ膜とを形成し、そ
の後室温まで冷却した。次に、ラバー砥石を用いて刃先
部のホーニング部分周辺を研磨することにより内層の酸
化アルミニウム膜を露出させて本発明例４のクロム含有
膜被覆工具を作製した。本発明例４の刃先部表面の平均
面粗さＲａは、０．１２μｍであった。

【００２１】（実施例５）本発明例１と同一の膜構成と
成膜条件でα−Ａｌ_２Ｏ_３膜とＣｒＮ膜とを形成した
後、さらにダイヤモンドの微粒を塗布したブラシを用い
て刃先部のホーニング部周辺を研磨して内層の酸化アル
ミニウム膜を露出させることにより本発明例５のクロム
含有膜被覆工具を作製した。この本発明例５の刃先部表
面を構成する酸化アルミニウム膜表面の平均面粗さＲａ
を本発明例１と同一の条件で測定した結果０．０８μｍ
であった。

【００２２】本発明例４、５とを先述の条件で切削評価
した結果、各試料の平均連続切削寿命はそれぞれ４５分
と５５分であった。このことから、刃先部表面に酸化ア
ルミニウム膜が露出しておらず本発明例１の面粗さＲａ
が０．１４μｍの平均連続切削寿命が３０分であったの
に対して、本発明例４は１．５倍と格段に連続切削寿命
が長く、本発明例５は１．８倍と最も平均連続切削寿命
が長いことがわかった。すなわち、本発明は、刃先部表
面に酸化アルミニウム膜が露出しており刃先部表面の平
均面粗さＲａが０．１２μｍ以下であることが好まし
く、０．０８μｍ以下であることが最も好ましいことが
判明した。

【００２３】（実施例６）クロム含有膜と酸化アルミニ
ウム膜との間にチタン含有膜が挿入されている場合の切
削耐久特性への影響を明らかにするために、本発明例１
と同一の膜構成と成膜条件でα−Ａｌ_２Ｏ_３膜までを形
成した後、Ｈ_２キャリヤーガスとＴｉＣｌ_４ガスとＮ_２
ガス及びＣＯ_２ガスとを原料ガスに用いて０．５μｍ厚
さのＴｉＮＯ膜を１０００℃で形成した後、本発明例１
と同じ条件でＣｒＮ膜を１μｍ厚さ成膜することにより
本発明例６の試料を製作した。

【００２４】本発明例１と本発明例６の膜密着性の差異
を求めるため各試料５個を以下の条件で切削評価した。
被削材には断続切削性を高めるため４ツ溝を入れた。 被削材：Ｓ５３Ｃ溝入材（ＨＳ３８） 切削条件：２２０ｍ／分 送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ 切り込み：２．０ｍｍ 切削液使用せず（乾式切削） １０００回衝撃切削後に倍率５０倍の実体顕微鏡で観察
すると本発明例１、６はともに刃先先端に欠けが発生し
ておらずいずれも良好な切削特性を有していることが判
明した。更に、１５００回まで衝撃切削を継続したとこ
ろ本発明例１はクレータ部全体にＣｒＮ膜が剥がれてお
り刃先の一部に欠けが発生し工具寿命に達していること
が判明した。一方、本発明例６はクレータ部の一部しか
膜剥がれが発生しておらず刃先の欠けも観察されなかっ
た。このことから、本発明例６は本発明例１に比べて工
具寿命が１．５倍優れており、クロム含有膜と酸化アル
ミニウム膜との間にチタン含有膜が挿入されていること
が好ましいことが判明した。

【００２５】

【発明の効果】上述の通り、本発明によれば、工具とし
ての使用・未使用が容易に判別出来、しかも工具表面の
膜密着性と摺動性とが優れ、切削耐久特性が大幅に改善
された被覆工具を提供することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C046 FF02 FF03 FF11 FF16 4K029 AA04 BA58 BC02 BD05 CA03 DD06 4K030 AA01 AA03 AA09 AA17 AA18 BA02 BA06 BA18 BA36 BA38 BA42 BA43 BA46 BB12 CA03 FA10 LA22

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超硬合金、高速度鋼又は特殊鋼よりなる基
   体表面に、クロムの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化
   物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか１種の単層皮膜又
   は２種以上の多層皮膜からなり引張残留応力を有するク
   ロム含有膜を酸化アルミニウム膜よりも工具表面側に被
   覆してなることを特徴とするクロム含有膜被覆工具。
2. 【請求項２】請求項１に記載の被覆工具において、前記
   被覆工具の刃先部の最外層は、少なくとも一部に酸化ア
   ルミニウム膜を露出させたことを特徴とするクロム含有
   膜被覆工具。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の被覆工具において、
   前記クロム含有膜と酸化アルミニウム膜の間に、チタン
   含有膜が挿入されていることを特徴とするクロム含有膜
   被覆工具。
4. 【請求項４】請求項１乃至３記載の被覆工具において、
   刃先部近傍の表面粗さＲａが０．１２μｍ以下であるこ
   とを特徴とするクロム含有膜被覆工具。