JP2005001088A - 硬質被膜被覆部材、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基材の表面に硬質被膜をコーティングした硬質被膜被覆部材の耐摩耗性、耐久性を更に向上させる。
【解決手段】ＰＶＤ法でコーティングされたＴｉＣＮ硬質被膜の表面にはマクロパーティクルが存在するが、直径が０．５〜２ｍｍの軟質核体４２の外表面に♯３０００〜♯６０００のダイヤモンド砥粒４４が付着させられた研磨材４６を用いてショットブラスト処理が施されることにより、マクロパーティクルが除去されて硬質被膜の表面粗さは最大高さＲｚで１．２μｍ以下にされるとともに、硬質被膜の表面には直径が１〜５μｍの多数の窪みが形成され、油溜りとして機能して耐摩耗性が向上する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材の表面に硬質被膜がコーティングされた硬質被膜被覆部材の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軸方向の先端に切れ刃が設けられるとともに軸方向に溝が設けられ、軸心まわりに回転させられることにより、先端の切れ刃で切削加工を行うとともに溝を通して切屑を排出するドリルや、外周刃を有するエンドミル、フライス等の回転切削工具、バイト等の非回転の切削工具、或いは盛上げタップ、転造工具等の非切削工具など、種々の加工工具において、基材の表面に硬質被膜をコーティングすることにより、耐摩耗性、耐久性を向上させることが提案されている。特許文献１に記載の技術はその一例で、硬質被膜を被覆した後にショットブラスト処理を施すことにより、被膜の残留応力を解放するようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３２３２７７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような優れた耐摩耗性、耐久性を有する硬質被膜被覆加工工具においても、更なる高能率加工化や寿命向上等の要求により耐摩耗性や耐久性を更に向上させることが望まれている。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、前記加工工具等の硬質被膜被覆部材の耐摩耗性や耐久性を更に向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、硬質被膜被覆部材について種々の実験、研究を重ねたところ、ＰＶＤ法によって成膜したＴｉＣＮやＴｉＮ等の硬質被膜の表面には、例えば図４（ａ） や図５（ａ） に示すようにマクロパーティクルと称する０．５μｍから数μｍ程度の突起状の微小粒子が散在しており、これを除去するために最大径が０．５〜２ｍｍの軟質核体の外表面に粒度が♯３０００〜♯６０００のダイヤモンド砥粒が付着した研磨材を０．５ＭＰａ程度のエア圧で吹き付けてショットブラスト処理を施したところ、表面粗さが最大高さＲｚで１．２μｍ以下に平滑化されるだけでなく、図４（ｂ） や図５（ｂ） に示すように直径が１〜５μｍ程度の窪みが散在し、これが油溜りとして機能して冷却油剤などの保持性能が向上して耐摩耗性、耐久性が一層向上することを見出した。
【０００７】
本発明は係る知見に基づいて為されたもので、第１発明は、基材の表面に硬質被膜がコーティングされている硬質被膜被覆部材において、前記硬質被膜の表面粗さは最大高さＲｚで１．２μｍ以下であり、且つその硬質被膜の表面には直径が０．５〜６μｍの窪みが散在していることを特徴とする。
【０００８】
なお、図４（ｂ） や図５（ｂ） から明らかなように上記窪みの大きさは様々で、少なくとも直径が０．５〜６μｍの範囲内のものが散在しておれば良く、０．５μｍ未満や６μｍを越える窪みが存在していても差し支えない。
【０００９】
第２発明は、第１発明の硬質被膜被覆部材において、（ａ） 前記基材は高速度工具鋼または超硬合金で、（ｂ） 前記硬質被膜は元素の周期表の ＩＩＩｂ族、ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体であることを特徴とする。
【００１０】
第３発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜被覆部材において、（ａ） 前記硬質被膜はＰＶＤ法によりコーティングされたもので、（ｂ） その硬質被膜に機械的な表面研磨処理が施されることにより、その硬質被膜の表面に散在しているマクロパーティクルが除去されて、表面粗さが所定値以下とされ且つ前記窪みが設けられていることを特徴とする。
【００１１】
第４発明は、基材の表面に硬質被膜をコーティングした硬質被膜被覆部材の製造方法であって、前記硬質被膜の表面に、最大径が０．１〜２ｍｍの軟質核体の外表面に粒度が♯３０００〜♯１００００の硬質砥粒が付着した研磨材を用いて表面研磨処理を施すことにより、その硬質被膜の表面粗さを最大高さＲｚで１．２μｍ以下とし、且つその硬質被膜の表面に直径が０．５〜６μｍの窪みを散在させたことを特徴とする。
【００１２】
第５発明は、第４発明の硬質被膜被覆部材の製造方法において、前記表面研磨処理は、前記研磨材を前記硬質被膜の表面に投射するショットブラスト処理であることを特徴とする。
【００１３】
第６発明は、第４発明または第５発明の硬質被膜被覆部材の製造方法において、（ａ） 前記基材は高速度工具鋼または超硬合金で、（ｂ） 前記硬質被膜は元素の周期表の ＩＩＩｂ族、ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体で、ＰＶＤ法により前記基材にコーティングされ、表面にはマクロパーティクルが散在している一方、（ｃ） そのマクロパーティクルが前記表面研磨処理によって除去されることにより、前記硬質被膜の表面粗さが所定値以下とされ且つ前記窪みが設けられることを特徴とする
【００１４】
【発明の効果】
第１発明〜第３発明の硬質被膜被覆部材によれば、硬質被膜の表面粗さが最大高さＲｚで１．２μｍ以下で、且つその硬質被膜の表面には直径が０．５〜６μｍの窪みが散在しているため、その窪みが油溜りとして機能することにより、表面の平滑化と相まって耐摩耗性や耐久性が更に向上する。
【００１５】
第４発明〜第６発明の製造方法によれば、上記第１発明の硬質被膜被覆部材が好適に製造され、実質的に第１発明と同様の効果が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、ドリルやフライス等の回転切削工具、バイト等の非回転の切削工具、或いは盛上げタップ、転造工具等の非切削工具など、種々の硬質被膜被覆加工工具に好適に適用されるが、このような加工工具以外でも軸受部材など耐摩耗性や耐久性が要求される種々の部材に適用され得る。切削工具の場合、切り屑排出用の溝などにも硬質被膜が設けられ、且つショットブラストなどで前記窪みが設けられることにより、切り屑排出性能が向上して切り屑詰まりが抑制されるとともに、回転切削工具のスラスト抵抗なども低減される。
【００１７】
基材としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、超硬合金以外の超硬質工具材料や他の種々の工具材料を用いることもできる。
【００１８】
硬質被膜としては、元素の周期表の ＩＩＩｂ族、ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族の金属、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒなどの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体が適当で、具体的にはＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＮなどが好適に用いられ、単層或いは複数層設けられる。硬質被膜の膜厚は、例えばドリル等の切削工具にＴｉＣＮ硬質被膜をコーティングする場合、１〜５μｍ程度など１０μｍ以下であっても十分な耐摩耗性が得られるなど、コーティングする部材や被膜の種類、加工対象物などによって適宜定められる。
【００１９】
上記硬質被膜は、例えばアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等のＰＶＤ法によって好適に設けられるが、他の成膜法を採用することもできる。
【００２０】
機械的な表面研磨処理で用いる研磨材の軟質核体は、外周面に略均一に硬質砥粒を付着させる上で球形等の滑らかな立体形状であることが望ましく、ゴム等の弾性体が好適に用いられる。硬質砥粒としては、ダイヤモンド砥粒が好適に用いられるが、ＣＢＮ砥粒等の他の硬質砥粒を採用することもできる。
【００２１】
上記軟質核体および硬質砥粒は、所定の液体と共に攪拌して混合されることにより、軟質核体の外表面に硬質砥粒が付着させられ、そのまま圧力エアなどで硬質被膜の表面に吹き付けるようにすれば良い。圧力エアのエア圧は、例えば０．１〜１ＭＰａ程度の範囲内が適当で、処理時間は、所定の表面粗さや窪みが得られるように処理面積等に応じて適宜定められる。
【００２２】
窪みは、直径が０．５μｍ未満では油溜りとして十分な機能が得られない一方、６μｍを越えると表面粗さに影響するため、０．５〜６μｍの範囲内が適当で、１〜５μｍの範囲内が望ましい。なお、この窪みの大きさは、マクロパーティクルの大きさや研磨条件に依存するものと考えられる。
【００２３】
ショットブラスト等の表面研磨処理は、硬質被膜の全域に施すことが望ましいが、例えば切れ刃やすくい面、逃げ面付近のみなど、硬質被膜の一部を研磨処理するだけでも良い。硬質被膜のコーティング範囲についても、工具の種類などに応じて適宜定められる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例であるドリル１０を示す図で、（ａ） は軸心Ｏと直角な方向から見た正面図、（ｂ） は軸心Ｏに対して直角な横断面の部分拡大図である。このドリル１０は、２枚刃のツイストドリルで、シャンク１４およびボデー１６を軸方向に一体に備えており、ボデー１６には軸心Ｏの右まわりにねじれた一対の溝１８が形成されているとともに、その溝１８に沿ってマージン２０が設けられている。また、ボデー１６の先端には、溝１８に対応して一対の切れ刃１２が設けられており、シャンク１４側から見て軸心Ｏの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃１２によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝１８を通ってシャンク１４側へ排出される。
【００２５】
ドリル１０は、超硬合金製の基材３０を主体として構成されているとともに、ボデー１６における基材３０の表面、すなわち先端部の切れ刃１２の逃げ面やすくい面は勿論、溝１８やマージン２０、二番取り面などを含めて硬質被膜３２がコーティングされている。図１（ａ） における斜線部は硬質被膜３２のコーティング範囲を表しており、本実施例では硬質被膜３２としてＴｉＣＮ被膜がアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等のＰＶＤ法により１〜３μｍ（目標２μｍ）の略一定の膜厚で設けられている。ドリル１０は硬質被膜被覆加工工具で、硬質被膜被覆部材に相当し、本実施例ではドリル径が９．５ｍｍである。
【００２６】
図３の（ａ） は、硬質被膜３２がコーティングされた状態の電子顕微鏡写真（５００倍）で、溝１８とマージン２０とが交差するリーディングエッジ２２付近を写したものである。また、図４（ａ） 、図５（ａ） は、それぞれマージン２０および溝１８を２０００倍で写した電子顕微鏡写真で、それ等の表面には０．５μｍ〜数μｍ程度の突起状の微小粒子であるマクロパーティクル３４が散在している。なお、溝１８に存在する平行な縞模様は、溝研削加工時に生じたものである。
【００２７】
これに対し、本実施例では、上記硬質被膜３２をコーティングした後に、図２に示す表面研磨装置４０によってその硬質被膜３２の表面の全域にショットブラスト処理が施され、上記マクロパーティクル３４が除去されている。表面研磨装置４０は、直径が０．５〜２ｍｍの軟質核体４２の外表面に粒度が♯３０００〜♯６０００のダイヤモンド砥粒４４を付着させた研磨材４６を、供給ノズル４８から所定の流量で供給しつつ、噴射ノズル５０から例えば０．５ＭＰａ程度のエア圧の圧力エアを噴射することにより、その研磨材４６をワーク５２に投射して表面を機械的に研磨するもので、ワーク５２として硬質被膜３２がコーティングされた基材３０が用いられる。軟質核体４２はゴムの球体で、その軟質核体４２およびダイヤモンド砥粒４４を所定の液体と共にミキサー５４により攪拌して混合することにより、軟質核体４２の外表面の略全面に多数のダイヤモンド砥粒４４が付着させられ、その状態で供給ノズル４８から供給されるようになっている。なお、図２の研磨材４６の軟質核体４２およびダイヤモンド砥粒４４の大きさは、正確な割合で示したものではない。
【００２８】
このような研磨材４６を用いて硬質被膜３２の表面にショットブラスト処理が施されることにより、図４（ｂ） 、図５（ｂ） に示すように前記マクロパーティクル３４が除去され、その硬質被膜３２の表面粗さが最大高さＲｚで１．２μｍ以下とされるとともに、硬質被膜３２の表面には直径が１〜５μｍの多数の窪み３６が散在している。これ等の窪み３６は、マクロパーティクル３４が表面研磨によって硬質被膜３２から離脱（剥離）することによって形成されるものと考えられる。ショットブラスト処理の処理条件、すなわち圧力エアのエア圧や処理時間、研磨材４６の供給量などは、このような所定の表面粗さが得られるとともに窪み３６が形成されるように、処理面積などに応じて適宜定められる。なお、前記図３の（ｂ） は、ショットブラスト処理後の電子顕微鏡写真（５００倍）で、（ａ） に対応する。
【００２９】
このようなドリル１０によれば、硬質被膜３２の表面粗さが最大高さＲｚで１．２μｍ以下で、且つその硬質被膜３２の表面には直径が１〜５μｍの窪み３６が散在しているため、その窪み３６が油溜りとして機能することにより、表面の平滑化と相まって耐摩耗性や耐久性が更に向上し、切り屑排出性能が向上して切り屑詰まりが抑制されるとともに、スラスト抵抗が低減される。
【００３０】
図６は、本実施例のドリル１０を用いて行った耐久性試験を説明する図である。図６の（ａ） は使用工具で、ＴｉＣＮ硬質被膜３２をコーティングしただけ（ショットブラスト未処理）の従来品（工具Ｎｏ１）、逃げ面やすくい面を有する先端部にのみＴｉＣＮ硬質被膜３２にショットブラスト処理を施した本発明品（工具Ｎｏ２）、およびボデー１６の全域にショットブラスト処理を施した本実施例のドリル１０に相当する本発明品（工具Ｎｏ３）の計３種類のドリルを用意し、２種類の被削材Ｓ５０Ｃ（炭素鋼）およびＳＣＭ４４０（調質鋼）に対してそれぞれ（ｂ） に示す加工条件で穴明け加工を行った。そして、切れ刃の摩耗などで加工不可となるまでの加工穴数を調べたところ、（ｃ） に示すように条件１の被削材Ｓ５０Ｃに対する穴明け加工では、本発明品（工具Ｎｏ２、Ｎｏ３）は従来品（工具Ｎｏ１）に比較して約２倍の耐久性が得られた。また、条件２の被削材ＳＣＭ４４０に対する穴明け加工では、本発明品（工具Ｎｏ２、Ｎｏ３）は従来品（工具Ｎｏ１）に比較して５０％以上の耐久性向上効果が得られた。なお、この試験では、先端部のみにショットブラスト処理を施した工具Ｎｏ２と、ボデー１６の全域にショットブラスト処理を施した工具Ｎｏ３とでは、耐久性に殆ど差は見られなかった。
【００３１】
図７は、上記従来品（工具Ｎｏ１）および本発明品（工具Ｎｏ３）を用いて、ＳＣＭ４４０に対して切削速度Ｖ＝８０ｍ／ｍｉｎ、送り速度ｆ＝０．１８ｍｍ／ｒｅｖで深さ２５ｍｍの止り穴に対してステップ加工で穴明け加工を行った場合のスラスト抵抗を測定した結果を示す図で、（ｂ） の本発明品（工具Ｎｏ３）では（ａ） の従来品（工具Ｎｏ１）比較してスラスト抵抗が１０％以上低くなっている。
【００３２】
図８は、直径が５ｍｍのドリルについて、前記図６の場合と同様にして行った耐久性試験を説明する図である。図８の（ａ） は使用工具で、硬質被膜３２をコーティングする前の超硬合金の基材３０のみから成る従来品（工具Ｎｏ１）、ＴｉＣＮ硬質被膜３２をコーティングしただけ（ショットブラスト未処理）の従来品（工具Ｎｏ２）、およびボデー１６の全域にショットブラスト処理を施した本発明品（工具Ｎｏ３）の計３種類のドリルを用意し、２種類の被削材Ｓ５０ＣおよびＳＣＭ４４０に対してそれぞれ（ｂ） に示す加工条件で穴明け加工を行った。そして、切れ刃の摩耗などで加工不可となるまでの加工穴数を調べたところ、（ｃ） に示すように条件１の被削材Ｓ５０Ｃに対する穴明け加工では、本発明品（工具Ｎｏ３）は従来品（工具Ｎｏ１）に比較して約２倍の耐久性が得られ、従来品（工具Ｎｏ２）に比較して約１５％の耐久性向上効果が得られた。また、条件２の被削材ＳＣＭ４４０に対する穴明け加工では、本発明品（工具Ｎｏ３）は従来品（工具Ｎｏ１）に比較して２倍以上の耐久性が得られ、従来品（工具Ｎｏ２）に比較して耐久性が大幅に向上した。なお、条件２における従来品（工具Ｎｏ２）の加工穴数は２個で、硬質被膜無しの従来品（工具Ｎｏ１）よりも少ないのは、硬質被膜３２のコーティングにより表面粗さが悪くなり、加工条件が合わなかったためと考えられる。
【００３３】
図９は、前記基材３０が超微粒子超硬合金のドリルにおいて、溝１８を研削加工した後に前記表面研磨装置４０により第１回目のショットブラスト処理を行い、その後ＴｉＣＮ硬質被膜３２をＰＶＤ法によりコーティングするとともに、表面研磨装置４０により第２回目のショットブラスト処理を行った場合に、各段階における外周部（マージン２０）および溝部（溝１８）の表面粗さ（最大高さＲｚ）を、Ｎｏ１〜Ｎｏ３の３本の試料について調べた結果を示す図である。この結果から、外周部と溝部とで表面粗さ（最大高さＲｚ）は殆ど差がないとともに、第１回目のショットブラスト処理により表面粗さ（最大高さＲｚ）は１／２程度になるが、硬質被膜３２のコーティング処理を行うと溝研削後の表面粗さ（最大高さＲｚ）よりも悪くなり、第２回目のショットブラスト処理により再び表面粗さ（最大高さＲｚ）が改善されて溝研削後以上になることが分かる。右端の「改善率」は、硬質被膜３２をコーティングした後（第２回目のショットブラスト前）の表面粗さ（最大高さＲｚ）をＲｚ１、第２回目のショットブラスト処理後の表面粗さ（最大高さＲｚ）をＲｚ２とした場合に、（Ｒｚ１−Ｒｚ２）／Ｒｚ１の値で、１８％から７１％とばらつきがあるものの、何れも表面粗さ（最大高さＲｚ）が向上しており、第２回目のショットブラスト処理後の最終的な表面粗さ（最大高さＲｚ）は何れも１．２μｍ以下である。なお、第１回目のショットブラスト処理を行わない場合について同様に調べたところ、最終的な表面粗さ（最大高さＲｚ）は図９の場合と殆ど差がなく、硬質被膜３２をコーティングした後にショットブラスト処理を行うだけで十分な効果が得られる。
【００３４】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるドリルを示す図で、（ａ） は正面図、（ｂ） は軸心と直角な断面を部分的に拡大して示した断面図である。
【図２】図１のドリルを製造する際に使用する表面研磨装置のメカニズムを説明する概略図である。
【図３】図１のドリルのリーディングエッジ部分を示す電子顕微鏡写真（×５００）で、（ａ） はショットブラスト処理前、（ｂ） はショットブラスト処理後である。
【図４】図１のドリルのマージン部分の電子顕微鏡写真（×２０００）で、（ａ） はショットブラスト処理前、（ｂ） はショットブラスト処理後である。
【図５】図１のドリルの溝部分の電子顕微鏡写真（×２０００）で、（ａ） はショットブラスト処理前、（ｂ） はショットブラスト処理後である。
【図６】本発明品および比較品を用いて行った耐久性試験を説明する図で、（ａ） は使用工具、（ｂ） は加工条件、（ｃ） は試験結果である。
【図７】本発明品と比較品とを用いて穴明け加工を行った場合のスラスト抵抗を調べた結果を示す図で、（ａ） は比較品、（ｂ） は本発明品である。
【図８】図６とは異なるサイズの本発明品および比較品を用いて行った耐久性試験を説明する図で、（ａ） は使用工具、（ｂ） は加工条件、（ｃ） は試験結果である。
【図９】本発明品の製造工程における各段階の表面粗さの変化を調べた結果を示す図である。
【符号の説明】
１０：ドリル（硬質被膜被覆部材） ３０：基材 ３２：硬質被膜 ３４：マクロパーティクル ３６：窪み ４２：軟質核体 ４４：ダイヤモンド砥粒（硬質砥粒） ４６：研磨材

Claims (6)

1. 基材の表面に硬質被膜がコーティングされている硬質被膜被覆部材において、
   前記硬質被膜の表面粗さは最大高さＲｚで１．２μｍ以下であり、且つ該硬質被膜の表面には直径が０．５〜６μｍの窪みが散在している
   ことを特徴とする硬質被膜被覆部材。
2. 前記基材は高速度工具鋼または超硬合金で、
   前記硬質被膜は元素の周期表の ＩＩＩｂ族、ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体である
   ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜被覆部材。
3. 前記硬質被膜はＰＶＤ法によりコーティングされたもので、
   該硬質被膜に機械的な表面研磨処理が施されることにより、該硬質被膜の表面に散在しているマクロパーティクルが除去されて、表面粗さが所定値以下とされ且つ前記窪みが設けられている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜被覆部材。
4. 基材の表面に硬質被膜をコーティングした硬質被膜被覆部材の製造方法であって、
   前記硬質被膜の表面に、最大径が０．１〜２ｍｍの軟質核体の外表面に粒度が♯３０００〜♯１００００の硬質砥粒が付着した研磨材を用いて表面研磨処理を施すことにより、該硬質被膜の表面粗さを最大高さＲｚで１．２μｍ以下とし、且つ該硬質被膜の表面に直径が０．５〜６μｍの窪みを散在させた
   ことを特徴とする硬質被膜被覆部材の製造方法。
5. 前記表面研磨処理は、前記研磨材を前記硬質被膜の表面に投射するショットブラスト処理である
   ことを特徴とする請求項４に記載の硬質被膜被覆部材の製造方法。
6. 前記基材は高速度工具鋼または超硬合金で、
   前記硬質被膜は元素の周期表の ＩＩＩｂ族、ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体で、ＰＶＤ法により前記基材にコーティングされ、表面にはマクロパーティクルが散在している一方、
   該マクロパーティクルが前記表面研磨処理によって除去されることにより、前記硬質被膜の表面粗さが所定値以下とされ且つ前記窪みが設けられる
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の硬質被膜被覆部材の製造方法。

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