JP2005186184A - ドライ加工用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】
ドライ加工を行う際に、従来のセラミックス被膜では加工中の発熱により被膜が酸化して被膜が破壊してしまい、露出した工具に被削材が溶着してしまう。これを防ぐ方法としてセラミックス硬質被膜の上に耐溶着性被膜をコーティングする方法が見出されているが、工程が煩雑になる。
【解決手段】
耐摩耗性および耐酸化性に優れた、ＣｒＮの微結晶とＳｉＮの非晶質部とがナノメートルオーダーで混在している微構造を持つＣｒＳｉＮ硬質被膜を、ドライ加工プロセス用の工具に成膜することで、耐摩耗性および耐溶着性を向上させ、ドライ工具の寿命を向上させる。
【選択図】
図２

Description

本発明は、切削工具の表面にセラミックス硬質被膜をコーティングしたドライ加工に用いられる工具およびその形成方法に関するものである。

切削工具にセラミックス硬質被膜をコーティングし、工具寿命を向上させるという手法は一般化している。特に、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮといったセラミックス硬質被膜が有名である。これらの被膜が工具本体よりも硬いため、耐摩耗特性に優れていることから寿命が延びるのである。

最近、環境改善などの観点から冷媒を用いないドライ加工プロセスが拡がってきた。この加工においては従来の加工に比べ非常に過酷な条件となることから、従来のセラミックス硬質被膜では持たないという問題が生じている。これは、加工中の発熱により被膜が酸化して被膜が破壊してしまい、露出した工具に被削材が溶着してしまうのである。

これを防ぐ方法として、セラミックス硬質被膜の上に耐溶着性被膜をコーティングする方法が見出されている。例えば、特開２００３−２５１１６号公報には、ＴｉＡｌＮ等の硬質被膜の上に、ＢやＳｉ等の半金属をコーティングして、熱処理を施すことで耐溶着性を向上させている。
特開２００３−２５１１６

しかし、表面改質に２度のコーティングを行うことは煩雑となってしまう。該明細書中には、連続して行ってもよい旨の記載はあるが、連続して行う際には原料を複数用意する必要があるため、生産性が悪くなる。

本発明が解決しようとする問題は、一度のコーティングで、耐摩耗性に優れかつ耐溶着性に優れた被膜を形成し、ドライ加工プロセスという過酷な環境下であっても工具の寿命を延ばし溶着も防ぐことである。

本発明では、耐摩耗性および耐酸化性に優れたＣｒＳｉＮ硬質被膜を見出し、ドライ加工プロセス用の工具に成膜することで耐摩耗性および耐溶着性を向上させ、ドライ工具の寿命を向上させるものである。

このＣｒＳｉＮ硬質被膜が、ＣｒＮの微結晶とＳｉＮの非晶質部とがナノメートルオーダーで混在している微構造を持つ際に、耐摩耗性が優れ、かつ耐酸化性が向上し、耐溶着性が向上することが分かった。さらに、Ｓｉ含有量が３〜１１ａｔ％の際に、耐摩耗性と耐溶着性の両方に優れることから好適であることも分かった。

被膜の耐酸化性が向上すると、工具使用中の摩擦による発熱での被膜の酸化が防止され、被膜が破壊して露出した工具に被削材が溶着することも防げることから、被膜の耐溶着性も向上すると考えられる。

さらに、このＣｒＳｉＮ硬質被膜を形成するのに、ＰＶＤ法、特にイオンプレーティング法を用いて成膜するのが好適である。

本発明の効果として、耐摩耗性および耐酸化性に優れた硬質被膜をコーティングすることで、ドライ加工プロセスという過酷な環境下であっても長寿命の工具を提供することができる。

我々は、ＣｒＳｉＮ硬質被膜がＣｒＮの微結晶とＳｉＮの非晶質部とがナノメートルオーダーで混在している微構造を持つ際に非常に高硬度であるとの発明をなしている（特開２００２−２６６６９７号公報参照）。
特開２００２−２６６６９７

このナノ複合構造を持つＣｒＳｉＮ硬質被膜が耐摩耗性に優れているのは分かっていたが、今回Ｓｉ含有量を検討し、特に耐酸化性ひいては耐溶着性に優れたＣｒＳｉＮ硬質被膜を見出したものである。以下、実施例に沿って詳細に説明する。

超硬合金製の外径１０ｍｍの２枚刃の無処理エンドミルに、アークイオンプレーティング法にてＣｒＳｉＮ被膜を形成した。カソードのＣｒ−ＳｉのＳｉ含有量を１０ａｔ％として、窒素中でアークイオンプレーティングを行い、ＣｒＳｉＮ硬質被膜コーティング工具を得た。成膜の際に同梱した試験片で被膜特性を測定したところ、被膜のＳｉ含有量は７％、硬度はＨｖ２８００、密着力を表わすスクラッチ試験の結果（以下、スクラッチ値と呼ぶ）は４０Ｎと良好であった。

このコーティング工具を以下の条件で切削試験を行い、切削長２５ｍと５０ｍの時点でのコーナー部の摩耗深さを評価した。測定部を図１にて示す。
切削条件：エアーブロー（ドライ）
加工方法：側面切削
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．０５ｍｍ／刃（１０００ｍｍ／ｍｉｎ）
切り込み：ａａ＝１０ｍｍ、ａｒ＝０．２ｍｍ
切削長：２５ｍ，５０ｍ
被削材：ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５１）

切削長５０ｍでも溶着することはなく、切削長２５ｍと５０ｍでの摩耗深さはそれぞれ８０μｍ、１００μｍであった。

アークイオンプレーティングのカソードのＳｉ含有量を５％と代え、実施例１と同様にＣｒＳｉＮ硬質被膜を形成した。被膜のＳｉ含有量は３％、硬度はＨｖ２２００、スクラッチ値は３２Ｎと良好であった。切削試験の結果、溶着はなく、摩耗深さは順に１００μｍ、１７０μｍであった。

アークイオンプレーティングのカソードのＳｉ含有量を１５％と代え、実施例１と同様にＣｒＳｉＮ硬質被膜を形成した。被膜のＳｉ含有量は１１％、硬度はＨｖ２５００、スクラッチ値は３０Ｎと良好であった。切削試験の結果、溶着はなく、摩耗深さは順に７５μｍ、９８μｍであった。

（比較例１）アークイオンプレーティングのカソードのＳｉ含有量を３％と代え、実施例１と同様にＣｒＳｉＮ硬質被膜を形成した。被膜のＳｉ含有量は１．６％、硬度はＨｖ１９００と低くなり、スクラッチ値は２５Ｎであった。切削試験の結果、溶着はなかったが、摩耗深さは順に１５０μｍ、２００μｍと大きくなった。

（比較例２）アークイオンプレーティングのカソードのＳｉ含有量を１８％と代え、実施例１と同様にＣｒＳｉＮ硬質被膜を形成した。被膜のＳｉ含有量は１４％、硬度はＨｖ２９００と良好であったが、スクラッチ値は１３Ｎと低くなった。また、切削試験の結果、被膜の一部に剥れが見られ、焼き付いてはいないものの、５０ｍでの摩耗深さは不均一となってしまった。

（比較例３）アークイオンプレーティングのカソードをＴｉＡｌに代え、実施例１と同様にＴｉＡｌＮ被膜を形成した。硬度はＨｖ２０００、スクラッチ値は２０Ｎで、切削試験の結果、溶着はなく、摩耗深さは順に１５０μｍ、２２０μｍであった。

図２に各実施例にて作製したＣｒＳｉＮ硬質被膜（実施例６ではＴｉＡｌＮ被膜）を形成した超硬合金エンドミルによる切削試験の結果を示す。縦軸はコーナー部での摩耗深さ、横軸は切削長である。

比較例１（実施例４）では、Ｓｉ含有量が少ないため、ＣｒＳｉＮ硬質被膜の硬度が十分に上がらず耐摩耗性が不十分であった。また、比較例２（実施例５）ではスクラッチ値が低く密着力が低いことから被膜の一部が剥れ、耐溶着性が不十分となった。

そこで、耐摩耗性と耐溶着性の両方を要求を同時に満たす範囲は、ＣｒＳｉＮ硬質被膜のＳｉ含有量が３〜１１ａｔ％となることが分かった。この範囲であれば、最も過酷なエンドミルのコーナー部においても溶着もなく、ＴｉＡｌＮ被膜より３割以上も耐摩耗性が向上していることから、ドライ加工においても好適な工具を得ることができる。

図１は切削試験に用いた超硬エンドミルの断面図である。 図２は実施例１〜６により形成されたＣｒＳｉＮ硬質被膜コーティング超硬エンドミルによる切削試験の結果をプロットした図である。

Claims (4)

1. ＣｒＳｉＮ硬質被膜を成膜したことを特徴とするドライ加工用工具。
2. 前記ＣｒＳｉＮ硬質被膜が、ＣｒＮの微結晶とＳｉＮの非晶質部とがナノメートルオーダーで混在している微構造を持つことを特徴とする、請求項１に記載のドライ加工用工具。
3. 前記ＣｒＳｉＮ硬質被膜が、被膜中のＳｉ含有量が３〜１１ａｔ％であることを特徴とする、請求項１ないし２に記載のドライ加工用工具。
4. 前記ＣｒＳｉＮ硬質被膜が、イオンプレーティング法で形成されたことを特徴とする、請求項１ないし３に記載のドライ加工用工具。
   

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