JP2005082877A

JP2005082877A - 窒化被覆工具

Info

Publication number: JP2005082877A
Application number: JP2003319231A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sonobe; 勝園部
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】高速度工具鋼又は合金工具鋼を基材とし、イオンプレーティング法等により硬質被膜を被覆した歯切工具及び切削工具を含む硬質被膜被覆工具において、新品製作時、又は、再研磨時に、窒化処理をしたとき、刃先先端のコーナの窒化深さを抑制し、先端部の靱性の低下を防止して刃欠けを防止した硬質被膜被覆工具を提供。
【構成】新品製作時、再研磨面である１面３８である、切削に寄与する切れ刃の一部面３８の予め被覆した硬質被膜を、研削を含む物理的方法等により除去した後、又は再研磨時に再研磨面３８の前記硬質被膜を再研磨で除去した後、基材露出部３８を窒素ガス雰囲気中で窒化処理を行い窒化層３７窒化層を形成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速度工具鋼又は合金工具鋼を基材とし、イオンプレーティング法等により硬質被膜を被覆した歯切工具及び切削工具を含む硬質被膜被覆工具において、新品製作時、又は、再研磨時に、窒化処理をしたときの刃先先端のコーナの窒化深さを抑制し、先端部の靱性の低下を防止した硬質被膜被覆工具に関する。

工具に適用される窒化処理、または反応ガスである窒素の負グロー放電を利用して窒化処理を行ういわゆるイオン窒化処理の目的は、工具表面に窒化層を形成することで表面硬さを上げて耐摩耗性を向上させることにあるが、ビッカース硬度は６００〜１２００ＨＶ程度であり、近年の工具を使用する時の過酷な高速切削条件下では十分な硬度とはいえない。一方ではイオンプレーティング装置の普及でＴｉＮやＴｉＡｌＮなどの、ビッカース硬度が２０００ＨＶ以上の硬さのセラミック硬質膜を工具表面に被覆して高速条件下での工具の寿命を大幅に向上させることが可能となった。このセラミック硬質膜被覆技術は表面改質技術として一般的に行われているものであり、工具の寿命を延長させるためには非常に有効な手法であるが、さらに工具の寿命を延ばすために、上記の窒化処理技術とセラミック硬質膜形成技術を組み合わせた技術の開発が進んでいる。

イオン窒化で形成した窒化層については、切削工具に適用する場合は細心の注意が必要であり、特にエンドミルのような鋭利な刃を持つ工具については窒化層の厚さが切削中のコーナ刃欠けの原因になるため、セラミック硬質膜の厚さとともに耐摩耗性のある高機能ハイス工具を製作するうえでは重要な因子となる。しかしながら従来製品ではいずれもその範囲は明確に規定されていないため、実際の鋭利な刃を持つ工具、特にエンドミルに適用する場合には窒化処理の効果は保証されるものではない。特許文献１では、表面硬化層に硬質被膜を施した場合に、切削中に生じ易い切れ刃のチッピングを防ぐため、工具に応じて切れ刃の形状を変えて切削寿命の改善を図っているが、実際の工具に適用する場合は、工具の複雑な形状に応じた面状の切れ刃の微妙な加工が必要となるため実用的とはいえない。図３の従来の被覆切削工具の刃先部分の拡大した説明図に示すように、（ａ）の従来の被覆切削工具の基材１４に形成された窒化層１５、１５、又は（ｂ）の（ａ）の上に硬質被膜１６、１６を施した場合において、窒化層１５、１５は２面に形成されているので、刃先先端のコーナの窒化深さ１７、１７が各１面での窒化深さよりも深くなるため、先端部の靱性が低下して欠けやすくなる。図３は２次元での例であるが、刃先先端の様な三次元形状ではその傾向はさらに顕著になる。
特開２０００−５９０４号公報請求項１

本発明の課題は、上記課題を解決するため、高速度工具鋼又は合金工具鋼を基材とし、イオンプレーティング法等により硬質被膜を被覆した歯切工具及び切削工具を含む硬質被膜被覆工具において、新品製作時、又は、再研磨時に、窒化処理をしたとき、刃先先端のコーナの窒化深さを抑制し、先端部の靱性の低下を防止して刃欠けを防止した硬質被膜被覆工具を提供することにある。

このため本発明は、高速度工具鋼又は合金工具鋼を基材とし、イオンプレーティング法又は化学メッキ、電気メッキを含むＣＶＤ法により硬質被膜を被覆した歯切工具及び切削工具を含む工具において、新品製作時、再研磨面である、即ち、ホブ、ピニオンカッタ、ラックカッタ及び歯切り用フライスを含む歯切工具においてはすくい面、ドリルにおいては先端逃げ面、エンドミルにおいては外周逃げ面である、切削に寄与する切れ刃の一部面の前記硬質被膜を、研削を含む物理的方法又は除膜液を使用した化学的方法により除去した後、又は再研磨時に再研磨面の前記硬質被膜を再研磨で除去した後、基材露出部を窒素ガス雰囲気中で窒化処理を行い窒化層を形成したことを特徴とする窒化被覆工具を提供することによって上記した従来方法の課題を解決した。
前記基材露出部を窒素ガス雰囲気中で窒化処理を行い窒化層を形成する代わりに、基材露出部の表面硬度の向上を浸炭又はショットピーニングで行うものであってもよい。

かかる構成により本発明は、高速度工具鋼又は合金工具鋼を基材とし、硬質被膜を被覆した工具において、新品製作時、再研磨面である、切削に寄与する切れ刃の一部面の前記硬質被膜を除去した後、窒素ガス雰囲気中で窒化処理を行い窒化層を形成し（窒化層を形成する代わりに、基材露出部の表面硬度の向上を浸炭又はショットピーニングで行うものであってもよい）、基材露出部の一面のみに窒化層を形成するので、コーナでの窒化深さの増加を抑制した。その結果、従来例と比較して工具の耐摩耗性を向上させ、コーナ部の欠けを抑制することで特に切削工具においてその工具寿命を飛躍的に向上させることができる。その効果は粉末ハイス工具の持つ寿命に匹敵、かつそれ以上の性能を示しており、以上の様に本発明品の窒化被覆工具は、従来の被覆工具に比べて耐摩耗性および耐欠損性に優れ、生産性の向上、工具費コストの低減に極めて有効である。図１の本発明の被覆切削工具の刃先部分の拡大した説明図に示すように、（ａ）では基材２４の１面３５には予め硬質被膜１６が被覆されており、窒化層３７は１面３８のみに形成したので、コーナでの窒化深さ３９の増加を抑制し、浅い深さとなった。（ｂ）は（ａ）の上にさらに硬質被膜３６、３６を施したものである。コーナでの窒化深さ３９は（ａ）と同じである。

好ましくは、前記硬質被膜を除去した後窒化処理した表面処理部位と基材内部の窒化処理がされていない部位との硬度の差を５０Ｈｖ以上２００Ｈｖ以下するとよい。
より好ましくは、前記工具切れ刃のコーナ部における表面からの窒化処理深さを、コーナ先端から２０μｍを越え１００μｍ以内とすることがよい。
さらに好ましくは、前記硬質被膜を除去した後窒化処理した表面処理部位に、化学メッキ、電気メッキ、イオンプレーティング法又はＣＶＤ法により硬質被膜を被覆することにより、よりコーナ摩耗を少なくできる。

本発明を実施するための最良の形態の一例を図１を参照して説明する。図１は本発明を実施するための最良の形態の一例である被覆切削工具の刃先部分の拡大した説明図で、本発明の被覆切削工具は、高速度工具鋼又は合金工具鋼を基材２４とし、基材２４の１面３５にはイオンプレーティング法又は化学メッキ、電気メッキを含むＣＶＤ法により予め硬質被膜１６を被覆されており、新品製作時、再研磨面である１面３８、即ち、ホブ、ピニオンカッタ、ラックカッタ及び歯切り用フライスを含む歯切工具においてはすくい面、ドリルにおいては先端逃げ面、エンドミルにおいては外周逃げ面である、切削に寄与する切れ刃の一部面３８の予め被覆した硬質被膜を、研削を含む物理的方法又は除膜液を使用した化学的方法により除去した後、又は再研磨時に再研磨面３８の予め被覆した硬質被膜を再研磨で除去した後、基材露出部３８を窒素ガス雰囲気中で窒化処理を行い窒化層３７窒化層を形成したものである（窒化層を形成する代わりに、基材露出部の表面硬度の向上を浸炭又はショットピーニングで行うものであってもよい）。図１（ａ）では基材２４の１面３５には予め硬質被膜１６が被覆されたており、窒化層３７は１面３８のみに形成したので、コーナでの窒化深さ３９の増加を抑制し、浅い深さとなった。（ｂ）は（ａ）の上にさらに硬質被膜３６、３６を施したものである。コーナでの窒化深さ３９は（ａ）と同じである。

本発明の高機能ハイス工具の製造方法とその効果について具体的に実施例１として説明する。脱脂洗浄した高速度工具鋼ＳＫＨ５９相当材（以下ハイスと称する）を基材とした外径６ｍｍの２枚刃の無処理エンドミルを図２のイオンプレーティング装置の工具取り付け治具３に設置して真空装置１の内部を排気口１１から図示しない真空ポンプを用いて０．０１Ｐａまで真空に排気する（真空排気工程）。その後、加熱用ヒータ１２で工具取り付け治具３に装着した工具部材を４００〜５００℃まで加熱して保持する（加熱工程）。そしてアルゴンガス導入口６からアルゴンガスを導入して所定の真空度（１０〜０．１Ｐａ）にした後、電子銃２とアノード４との間で電子銃用直流電源９で印加（Ａに接続）してアルゴンガス放電によるプラズマ領域を形成する。アルゴンプラズマ領域はアルゴンイオンと電子および高速中性子からなるプラズマ状態にあり、その状態で工具取り付け治具３に基板用直流電源１０をマイナス数百ボルトに負印加する。プラズマ領域中のアルゴンイオンが工具基材に電気的に引き寄せられ、治具３に装着された工具表面にアルゴンイオンが衝突することで工具表面の付着物や表面酸化物等をエッチングして工具表面の清浄化を行う（アルゴンイオンボンバード工程）。次に窒素ガス導入口７から所定の圧力（１０〜０．１Ｐａ）になるまで窒素ガスを導入し、印加電圧を１０〜２００Ｖに設定してプラズマ窒化処理を行う（プラズマ窒化工程）。プラズマ窒化後は電子銃用直流電源９を切り替える（Ｂに接続）ことで電子銃を金属蒸発源に移行させて金属の溶解（例えばチタン）を行い、反応ガス（例えば窒素ガス）を導入してセラミック硬質膜（例えばＴｉＮ）を工具基材の表面に形成する（コーティング工程）。所定の膜厚を成膜した後は１５０℃までに真空中で冷却してから工具部材を取り出す。

次に、新品製作時、再研磨面である、エンドミルにおいては外周逃げ面である、切削に寄与する切れ刃の一部面の予め被覆した硬質被膜を、研削を含む物理的方法又は除膜液を使用した化学的方法により除去した後、又は再研磨時に再研磨面の前記硬質被膜を再研磨で除去した後、硬質被膜の一部を除去した工具を脱脂洗浄し、図２のイオンプレーティング装置の工具取り付け治具３に設置して真空装置１の内部を排気口１１から図示しない真空ポンプを用いて０．０１Ｐａまで真空に排気する（真空排気工程）。その後、加熱用ヒータ１２で工具取り付け治具３に装着した工具部材を４００〜５００℃まで加熱して保持する（加熱工程）。そしてアルゴンガス導入口６からアルゴンガスを導入して所定の真空度（１０〜０. １Ｐａ）にした後、電子銃２とアノード４との間で電子銃用直流電源９で印加（Ａに接続）してアルゴンガス放電によるプラズマ領域を形成する。アルゴンプラズマ領域はアルゴンイオンと電子および高速中性子からなるプラズマ状態にあり、その状態で工具取り付け治具３に基板用直流電源１０をマイナス数百ボルトに負印加する。プラズマ領域中のアルゴンイオンが工具基材に電気的に引き寄せられ、治具３に装着された工具表面にアルゴンイオンが衝突することで工具表面の付着物や表面酸化物等をエッチングして工具表面の清浄化を行う（アルゴンイオンボンバード工程）。次に窒素ガス導入口７から所定の圧力（１０〜０．１Ｐａ）になるまで窒素ガスを導入し、印加電圧を１０〜２００Ｖに設定してプラズマ窒化処理を行う（プラズマ窒化工程）。プラズマ窒化後は１５０℃まで真空中で冷却してから工具部材を取り出す。さらに、プラズマ窒化後に電子銃用直流電源９を切り替える（Ｂに接続）ことで電子銃を金属蒸発源に移行させて金属の溶解（例えばチタン）を行い、反応ガス（例えば窒素ガス）を導入してセラミック硬質膜（例えばＴｉＮ）を工具基材の表面に形成した（コーティング工程）。所定の膜厚を成膜した後は１５０℃までに真空中で冷却してから工具部材を取り出した。

（ハイスエンドミル切削試験）
切削工具：外径６ｍｍ×柄径８ｍｍ２枚刃ハイスエンドミル（材質ＳＫＨ５９相当材）
切削条件：ドライ（エアブロー）
加工方法：側面切削（ダウンカット）
切削速度：１２．４ｍ／ｍｉｎ（６６０ｍｉｎ−１）
送り速度：０．０２７ｍｍ／刃（３５ｍｍ／ｍｉｎ）
切り込み：ａａ＝６ｍｍａｒ＝１．５ｍｍ
切削長：１m
被削材：ＳＫＤ１１（硬さ１８０ＨＢ）
本発明品と従来品および比較品とのハイスエンドミル切削試験結果を表１に示す。
従来品の特徴として全面に窒化したNo.2やNo.5は刃先にチッピング（刃欠け）現象を引き起こしており、全面窒化処理は鋭利な工具に対して逆効果になることがわかる。一方で被覆により外周マージン部のみを窒化し、コーナでの窒化深さを浅くした本発明品（No.7〜9 ）は従来品（No.1〜6 ）に比べてエンドミル切削後のコーナ摩耗量が小さく、刃欠けも見られない。比較例として、部分的に窒化した製品においてもコーナ窒化深さが深い比較品（No.10 ）では、全面窒化品と同様に刃欠けが生じており、コーナの窒化深さを規定する必要があることがわかる。また、窒化が不十分な比較品（No.11 ）では、被覆のみ（No.3）の摩耗量と大差なく、２０μｍを越えるといった、ある程度の窒化深さが必要であることがわかる。

（ハイスドリル切削試験）
実施例１と同様な製作過程でハイスドリルを製作して、次に、新品製作時、再研磨面である、ハイスドリルにおいては先端逃げ面である、切削に寄与する切れ刃の一部面の予め被覆した硬質被膜を、研削を含む物理的方法又は除膜液を使用した化学的方法により除去した後、又は再研磨時に再研磨面の前記硬質被膜を再研磨で除去した後、実施例１と同様な窒化処理とセラミック硬質膜を被覆し、従来品と性能比較を行った。本発明品No.7は、窒化処理の代わりに基材表面硬度の向上を浸炭で行い、基材表面硬度を1030ＨＶとしたものである。
ハイスドリル切削試験条件
切削工具：外径６ｍｍ
（溶解ハイス：ＳＫＨ５1 相当材、粉末ハイス：ＳＫＨ４０相当材）
切削条件：水溶性エマルジョン
加工方法：１９ｍｍ通し穴
切削速度：４８ｍ／ｍｉｎ（２５５０ｍｉｎ−１）
送り速度：４１０ｍｍ／ｍｉｎ（０．１６２ｍｍ／ｒｅｖ）
被削材：Ｓ５０Ｃ（硬さ２１２ＨＢ）
ドリルにおいて、従来品と本発明品の寿命の差は顕著であり、全面窒化（No.4〜6 ）では被覆のみ（No.3）と比較して表面硬度が向上しているにも係わらず寿命が短い。これに対して、先端逃げ面のみを窒化し、コーナでの窒化深さを浅くした本発明品（No.7〜9 ）は従来品（No.1〜6 ）に比べて飛躍的に寿命が向上している。比較例として、部分的に窒化した製品においてもコーナ窒化深さが深い比較品（No.10 ）では、全面窒化品と同様に寿命が低下しており、コーナの窒化深さを規定する必要があることがわかる。また、窒化が不十分な比較品（No.11 ）では、被覆のみ（No.3）の摩耗量と大差なく、２０μｍを越えるといった、あるていどの窒化が必要であることがわかる。

（ハイスホブ切削試験）
実施例１と同様な製作過程ハイスホブを製作して、次に、新品製作時、再研磨面である、ハイスホブにおいてはすくい面である、切削に寄与する切れ刃の一部面の予め被覆した硬質被膜を、研削を含む物理的方法又は除膜液を使用した化学的方法により除去した後、又は再研磨時に再研磨面の前記硬質被膜を再研磨で除去した後、実施例１と同様な窒化処理とセラミック硬質膜を被覆し、従来品と性能比較を行った。
ホブの形状はモジュールｍ２．８７で、圧力角１５°、３条１２溝、外径９５mmである。ワークである被削歯車の緒元は、歯の大きさｍ２．８７、圧力角１５°、歯数４８，ねじれ角３１°、外径１６６．６ｍｍ、歯たけ、７．９９５，歯厚３．９１７である。
切削条件：ドライ
加工方法：クライムカット
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ又は２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
被削材：ＳＣＭ４２０Ｈ（硬さ１８０ＨＢ）
切削長：１２ｍ

〔本発明の最良の実施形態の効果〕

本発明の最良の実施形態では、発明者らは刃先要部を硬質被膜で被覆処理した上ですくい面などの一部の切削要部を除去した上、イオン窒化により基材露出部を窒化処理し、コーナでの窒化深さの増加を抑制した。その結果、従来例と比較して切削時の欠けが抑制され、工具寿命を延長することができた。即ち本発明の特徴は、窒化処理においてセラミック硬質被膜を利用して工具刃先における窒化深さを制御して、刃先の靱性低下を予防し、耐久性に優れた工具としたものである。その効果は粉末ハイス工具の持つ寿命に匹敵、かつそれ以上の性能を示しており、本発明品の窒化被覆工具は従来の被覆工具に比べて耐摩耗性および耐欠損性に優れ、生産性の向上、工具費コストの低減に極めて有効である。

本発明の最良の実施形態では、コーナの窒化深さは２０μｍを越え１００μｍ以下、望ましくは２０μｍを越え５０μｍ以下とした。２０μｍ以下では窒化処理の効果が少なく、１００μｍ又は５０μｍの深さを越えて窒化された場合には通常の窒化処理と同様にコーナ部の欠けを生じやすくなるため、この範囲に限定した。また、切削試験において優位の差として認められる耐摩耗性の向上には基材と表面硬化処理部位の硬度差で５０Ｈｖ以上必要であり、１００Ｈｖ程度が望ましく、２００Ｈｖを越える硬度差が生じると欠けが生じやすくなるためにこの範囲に限定した。

本発明を実施するための最良の形態の一例である被覆切削工具の刃先部分の拡大した説明図で、（ａ）では基材２４の１面３５には予め硬質被膜１６が被覆されたており、窒化層３７は１面３８のみに形成した。（ｂ）は（ａ）の上にさらに硬質被膜３６、３６を施したものである。本発明を実施するためのアーク溶解方式イオンプレーティング装置の概略断面ブロック図である。従来の被覆切削工具の刃先部分の拡大した説明図で、（ａ）では基材１４の２面に窒化層１５、１５が形成され、（ｂ）では（ａ）の上に硬質被膜１６、１６が被覆されている。

符号の説明

１６予め形成した硬質被膜２４基材
３６窒化層３７の上にさらに被覆した硬質被膜３７窒化層

Claims

高速度工具鋼又は合金工具鋼を基材とし、イオンプレーティング法又は化学メッキ、電気メッキを含むＣＶＤ法により硬質被膜を被覆した歯切工具及び切削工具を含む工具において、新品製作時、再研磨面である、即ち、ホブ、ピニオンカッタ、ラックカッタ及び歯切り用フライスを含む歯切工具においてはすくい面、ドリルにおいては先端逃げ面、エンドミルにおいては外周逃げ面である、切削に寄与する切れ刃の一部面の前記硬質被膜を、研削を含む物理的方法又は除膜液を使用した化学的方法により除去した後、又は再研磨時に再研磨面の前記硬質被膜を再研磨で除去した後、基材露出部を窒素ガス雰囲気中で窒化処理を行い窒化層を形成したことを特徴とする窒化被覆工具。
高速度工具鋼又は合金工具鋼を基材とし、イオンプレーティング法又は化学メッキ、電気メッキを含むＣＶＤ法により硬質被膜を被覆した歯切工具及び切削工具を含む工具において、新品製作時、再研磨面である、即ち、ホブ、ピニオンカッタ、ラックカッタ及び歯切り用フライスを含む歯切工具においてはすくい面、ドリルにおいては先端逃げ面、エンドミルにおいては外周逃げ面である、切削に寄与する切れ刃の一部面の前記硬質被膜を、研削を含む物理的方法又は除膜液を使用した化学的方法により除去した後、又は再研磨時に再研磨面の前記硬質被膜を再研磨で除去した後、基材露出部の表面硬度の向上を浸炭又はショットピーニングで行うことを特徴とする窒化被覆工具。
前記硬質被膜を除去した後窒化処理した表面処理部位と基材内部の窒化処理がされていない部位との硬度の差を５０Ｈｖ以上２００Ｈｖ以下としたことを特徴とする請求項１記載の窒化被覆工具。
前記工具切れ刃のコーナ部における表面からの窒化処理深さを、コーナ先端から２０μｍを越え１００μｍ以内としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の窒化被覆工具。
前記硬質被膜を除去した後窒化処理した表面処理部位に、化学メッキ、電気メッキ、イオンプレーティング法又はＣＶＤ法により硬質被膜を被覆したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載の窒化被覆工具。