JP2005279810A - ＨｆＮコーティング工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 工具母材とＨｆＮ膜との密着性を高めて高速加工やドライ加工、難削材に対する切削加工などにも使用できる高温での耐摩耗性に優れた高寿命のＨｆＮコーティング工具を提供する。
【解決手段】 工具母材１２の表面にＴｉＮ膜１４および（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６が設けられ、その（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６の上にＨｆＮ膜１８が設けられているため、ＴｉＮ膜１４の存在で超硬合金製の工具母材１２に対する密着性が向上するとともに、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６は、膜自体の結合力が高いとともにＴｉＮ膜１４およびＨｆＮ膜１８との密着性が高いため、被膜全体として工具母材１２に対する付着強度が向上する。また、最上部に、高温で優れた耐摩耗性が得られるＨｆＮ膜１８が設けられているため、高速加工やドライ加工、難削材に対する切削加工などに対しても優れた耐久性（耐摩耗性）が得られ、付着強度の向上と相まって工具寿命が実質的に向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、硬質被膜としてＨｆＮ（窒化ハフニウム）膜が設けられているＨｆＮコーティング工具に係り、特に、工具母材とＨｆＮ膜との密着性を高める技術に関するものである。

切削工具等の加工工具の表面に、硬質被膜としてＨｆＮ膜をコーティングしたＨｆＮコーティング工具が知られている。例えば特許文献１には、２０ｍ／ｍｉｎ以下の低速で加工を行う工具にＨｆＮ膜をコーティングすることが提案されている。また、特許文献２には、超硬合金等の工具母材の表面にＴｉＮ膜を設けるとともに、そのＴｉＮ膜の上に、ＨｆＮにＴｉ（チタン）を所定の割合で添加した（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜をコーティングする技術が記載されている。

特開２００１−１７９５３３号公報 特許第３２４９２７７号公報

ところで、上記ＨｆＮ膜は、高温での耐摩耗性が優れているため、被加工物との摩擦などで加工中に高温になる高能率加工等の高速加工やドライ加工、或いは難削材に対する切削加工などに使用する工具にコーティングすることが考えられているが、超硬合金等の工具母材との密着性や膜自体の結合力が低いため、剥離等の被膜の損傷で必ずしも十分に満足できる工具寿命の向上効果が得られなかった。（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜については、Ｔｉの添加で結合力が向上するとともに、ＴｉＮ膜を介して高い密着性でコーティングできるものの、ＨｆＮ膜に比較して高温での耐摩耗性が劣る。

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、工具母材とＨｆＮ膜との密着性を高めて高速加工やドライ加工、難削材に対する切削加工などにも使用できる高温での耐摩耗性に優れた高寿命のＨｆＮコーティング工具を提供することにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、表面にＨｆＮ膜がコーティングされているＨｆＮコーティング工具であって、工具母材の表面にはＴｉＮ膜が設けられるとともに、そのＴｉＮ膜の上には（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜が設けられ、その（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜の上に前記ＨｆＮ膜が設けられていることを特徴とする。

第２発明は、第１発明のＨｆＮコーティング工具において、(a) 前記ＴｉＮ膜、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜、およびＨｆＮ膜は、何れもアーク放電ＰＶＤ（物理的気相成長）法によって設けられているとともに、(b) そのＴｉＮ膜の平均膜厚は０．０１〜０．６μｍの範囲内で、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜の平均膜厚は０．５〜４．０μｍの範囲内で、ＨｆＮ膜の平均膜厚は０．０５〜２．０μｍの範囲内で、それ等の全体の平均総膜厚は０．５６〜６．６μｍの範囲内であることを特徴とする。

このようなＨｆＮコーティング工具においては、ＴｉＮ膜の存在で超硬合金や高速度工具鋼等の工具母材に対する密着性が向上するとともに、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜は、膜自体の結合力が高いとともにＴｉＮ膜やＨｆＮ膜との密着性が良いため、被膜全体として工具母材に対する付着強度が向上し、高速加工やドライ加工、難削材に対する切削加工などでも実用上十分な耐久性（耐剥離性）が得られるようになる。ＨｆＮ膜自体の結合力は低いが、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜の存在でＨｆＮ膜の膜厚を例えば２μｍ程度以下にすることができるため、そのＨｆＮ膜自体の結合力に関する問題が抑制されるのである。また、最上部に、高温で優れた耐摩耗性が得られるＨｆＮ膜が設けられているため、高速加工やドライ加工、難削材に対する切削加工などに対しても優れた耐久性（耐摩耗性）が得られ、上記付着強度の向上と相まって工具寿命が実質的に向上する。

第２発明では、ＴｉＮ膜、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜、およびＨｆＮ膜が、何れもアーク放電ＰＶＤ法によって設けられているため、例えば工具母材を処理炉内に保持したまま、それ等の膜を高い膜厚精度で連続して形成することができる。また、ＴｉＮ膜の平均膜厚は０．０１〜０．６μｍの範囲内で、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜の平均膜厚は０．５〜４．０μｍの範囲内で、ＨｆＮ膜の平均膜厚は０．０５〜２．０μｍの範囲内で、それ等の全体の平均総膜厚は０．５６〜６．６μｍの範囲内であるため、優れた付着強度や高温での耐摩耗性が得られる。

本発明は、エンドミルやフライス、ドリル、バイト等の切削工具に好適に適用されるが、転造加工用の工具など切削加工以外の工具にも適用され得る。それ等の工具に着脱可能に取り付けられて使用されるスローアウェイチップにも適用され得ることは勿論である。

工具母材としては、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工具材料を用いることもできる。

（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜のＴｉとＨｆの割合は、例えば１：１に設定されるが、何れか一方が０とならない範囲で適宜変更することが可能である。この（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜は単層であっても良いが、複数積層して設けることも可能で、ＴｉとＨｆの割合が異なる複数種類の（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜を積層することもできる。

ＴｉＮ膜、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜、ＨｆＮ膜の形成手段としては、アーク放電イオンプレーティング法等のアーク放電ＰＶＤ法が好適に用いられるが、他の成膜技術を採用することもできる。

ＴｉＮ膜は、工具母材との密着性を高めるためのもので、平均膜厚が０．０１〜０．６μｍの範囲内が適当であり、０．０１μｍよりも薄いと密着性が損なわれ、０．６μｍよりも厚いと耐摩耗性が損なわれる。ＨｆＮ膜は、高温での耐摩耗性を高めるためのもので、平均膜厚が０．０５〜２．０μｍの範囲内が適当であり、０．０５μｍよりも薄いと高温での耐摩耗性が損なわれ、２．０μｍよりも厚いと自身の結合力の不足から強度が損なわれる可能性がある。また、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜は、上記ＴｉＮ膜とＨｆＮ膜との密着性を高めるためのもので、平均膜厚が０．５〜４．０μｍの範囲内が適当であり、０．５μｍよりも薄いと密着性が損なわれ、４．０μｍよりも厚いと内部応力が高くなって膜内の密着性が損なわれる。

本発明のＨｆＮコーティング工具は、高温での耐摩耗性が優れているため、加工によって工具温度が高くなる高能率加工等の高速加工やドライ加工、難削材に対する切削加工などに対して好適に用いられるが、その他の加工にも使用できることは勿論である。

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、本発明が適用されたＨｆＮコーティング工具としてのスローアウェイチップ１０を説明する図で、(a) は斜視図、(b) は表層部の断面図である。このスローアウェイチップ１０は、ホルダ等を介して旋盤の刃物台などに取り付けられて旋削加工等に使用されるもので、平面視において略菱形形状を成しており、平行な一対の辺が切れ刃２０として用いられるとともに、平面視の中央部には取付ボルトが挿通させられる取付穴２２が設けられている。また、上下反転して使用できるように、反対側の面（図１(a) における裏側の面）についても、平行な一対の辺が切れ刃２０として用いられるようになっている。

上記スローアウェイチップ１０は、超硬合金製の工具母材１２を主体として構成されており、その工具母材１２の表面には、硬質被膜として、アーク放電イオンプレーティング法によりＴｉＮ膜１４、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６、およびＨｆＮ膜１８が順番に積層して設けられている。ＴｉＮ膜１４の平均膜厚は０．０１〜０．６μｍの範囲内で、本実施例では０．２μｍ程度であり、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６の平均膜厚は０．５〜４．０μｍの範囲内で、本実施例では２．０μｍ程度であり、ＨｆＮ膜１８の平均膜厚は０．０５〜２．０μｍの範囲内で、本実施例では１．０μｍ程度であり、それ等の全体の平均総膜厚は０．５６〜６．６μｍの範囲内で、本実施例では３．２μｍ程度である。（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６は、ＴｉとＨｆとを例えば１：１等の所定の割合で含む窒化物の単層である。

図２は、上記アーク放電イオンプレーティング法によって膜１４、１６、１８を形成するアーク放電イオンプレーティング装置５０の一例を説明する概略構成図（模式図）で、多数のワークすなわち工具母材１２を保持しているワーク保持具５２、そのワーク保持具５２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置５４、工具母材１２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源５６、工具母材１２などを内部に収容している処理炉としてのチャンバ５８、チャンバ５８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置６０、チャンバ５８内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置６２、第１アーク電源６４、第２アーク電源６６等を備えている。反応ガス供給装置６０は、本実施例では窒化物であるＴｉＮ膜１４、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６、ＨｆＮ膜１８を形成するために窒素ガス（Ｎ₂ ）を供給するようになっている。

第１アーク電源６４は、ＴｉＮ膜１４や（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６の構成物質であるＴｉから成る第１ターゲット６８をカソードとして、アノード７０との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第１ターゲット６８からＴｉを蒸発させるもので、蒸発したＴｉは正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材１２の表面に付着する。また、第２アーク電源６６は、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６やＨｆＮ膜１８の構成物質であるＨｆから成る第２ターゲット７２をカソードとして、アノード７４との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第２ターゲット７２からＨｆを蒸発させるもので、蒸発したＨｆは正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材１２の表面に付着する。上記第１ターゲット６８および第２ターゲット７２は、ワーク保持具５２を挟んで略水平方向の対称位置に配置されている。

そして、予め排気装置６２で排気しながらチャンバ５８内が所定の圧力に保持されるように反応ガス供給装置６０から窒素ガスを供給しつつ、バイアス電源５６により工具母材１２に所定のバイアス電圧を印加し、回転装置５４によりワーク保持具５２を所定の回転速度で回転させながら、前記ＴｉＮ膜１４や（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６、ＨｆＮ膜１８をそれぞれ所定の膜厚で連続して形成する。具体的には、ＴｉＮ膜１４を形成する際には、第１アーク電源６４をＯＮ（通電）し、第１ターゲット６８とアノード７０との間でアーク放電させてＴｉを蒸発させることにより、工具母材１２の表面にＴｉＮ膜１４を０．２μｍの狙い膜厚で形成する。（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６を形成する際には、第１アーク電源６４および第２アーク電源６６を共にＯＮ（通電）し、第１ターゲット６８とアノード７０との間でアーク放電させてＴｉを蒸発させるとともに、第２ターゲット７２とアノード７４との間でアーク放電させてＨｆを蒸発させることにより、上記ＴｉＮ膜１４の上に（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６を２．０μｍの狙い膜厚で形成する。また、ＨｆＮ膜１８を形成する際には、第２アーク電源６６をＯＮ（通電）し、第２ターゲット７２とアノード７４との間でアーク放電させてＨｆを蒸発させることにより、上記（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６の上にＨｆＮ膜１８を１．０μｍの狙い膜厚で形成する。

ここで、本実施例のスローアウェイチップ１０は、工具母材１２の表面にＴｉＮ膜１４が設けられるとともに、そのＴｉＮ膜１４の上に（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６が設けられ、その（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６の上にＨｆＮ膜１８が設けられているため、ＴｉＮ膜１４の存在で超硬合金製の工具母材１２に対する密着性が向上するとともに、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６は、膜自体の結合力が高いとともにＴｉＮ膜１４およびＨｆＮ膜１８との密着性が良いため、被膜全体として工具母材１２に対する付着強度が向上し、高速加工やドライ加工、難削材に対する切削加工などでも実用上十分な耐久性（耐剥離性）が得られるようになる。ＨｆＮ膜１８自体の結合力は低いが、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６の存在でＨｆＮ膜１８の膜厚が１μｍ程度とされているため、そのＨｆＮ膜１８自体の結合力に関する問題が抑制されるのである。

また、最上部に、高温で優れた耐摩耗性が得られるＨｆＮ膜１８が設けられているため、高速加工やドライ加工、難削材に対する切削加工などに対しても優れた耐久性（耐摩耗性）が得られ、上記付着強度の向上と相まって工具寿命が実質的に向上する。

また、本実施例ではアーク放電イオンプレーティング装置５０を用いてＴｉＮ膜１４、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６、およびＨｆＮ膜１８を形成するため、工具母材１２をチャンバ５８内に保持したままアーク電源６４、６６のＯＮ、ＯＦＦを切り換えるだけで、それ等のＴｉＮ膜１４、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６、およびＨｆＮ膜１８をそれぞれ高い膜厚精度で連続して形成することができる。

また、ＴｉＮ膜１４の平均膜厚は０．２μｍ程度で、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜１６の平均膜厚は２．０μｍ程度で、ＨｆＮ膜１８の平均膜厚は１．０μｍ程度で、被膜全体の平均総膜厚は３．２μｍ程度であるため、特に優れた付着強度や高温での耐摩耗性が得られる。

次に、本発明の効果を明らかにするために本発明者等が行った試験結果を説明する。図３は、用意した試験品を説明する図で、No１は、超硬合金製の工具母材の表面に直接３．０μｍの膜厚でＨｆＮ膜を設けたもので、No２は、超硬合金製の工具母材の表面に０．２μｍの膜厚でＴｉＮ膜を設けるとともに、そのＴｉＮ膜の上に３．０μｍの膜厚でＨｆＮ膜を設けたものであり、何れも比較品である。また、No３は、超硬合金製の工具母材の表面に０．２μｍの膜厚でＴｉＮ膜を設けるとともに、そのＴｉＮ膜の上に２．０μｍの膜厚で（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜を設け、その（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜の上に１．０μｍの膜厚でＨｆＮ膜を設けたもので、前記実施例のスローアウェイチップ１０と同じものである。

そして、上記No１〜No３の３つの試験品を用いて、付着強度を調べるためにスクラッチ試験を行った。スクラッチ試験は、ダイヤモンドコーンに連続的に変化する荷重を加えながら試験品に押し付けて引っ掻くとともに、被膜が破壊したり剥離したりする際に発生するアコースティックエミッション（ＡＥ）を検出し、その検出信号が急激に立ち上がった時の荷重を臨界荷重として測定するもので、臨界荷重が大きい程付着強度が高いことを意味する。図４は、各試験品No１〜No３の臨界荷重を示したもので、No３の本発明品の臨界荷重は１３０Ｎで、ＨｆＮ膜を直接設けたNo１は勿論、ＴｉＮを介してＨｆＮを設けたNo２よりも優れた付着強度が得られることが分かる。

また、上記No１〜No３の試験品を用いて、以下の加工条件で工具寿命に達するまでの耐久性を調べたところ、図５に示すように、No３の本発明品によれば、試験品No１、No２に比較して寿命が２〜３倍向上することが分かる。
（加工条件）
被削材：Ｓ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）
切削速度：Ｖ＝２４０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量：ｔ＝０．５ｍｍ
切削油剤：乾式
切削方式：ＮＣ旋盤を用いた連続旋削加工
寿命判定：逃げ面摩耗幅０．１ｍｍ

図６は、ＨｆＮ、ＴｉＮ、およびＴｉＣについて、高温時（７００℃および９００℃）における耐摩耗性を調べた結果で、(a) はＴｉＣを基準とする相対アブレッシブ摩耗量で、(b) はＴｉＣを基準とする相対化学的摩耗量である。アブレッシブ摩耗量は擦りによる摩耗量で、化学的摩耗量は化学的反応による摩耗量である。そして、(a) の相対アブレッシブ摩耗量では、ＨｆＮの摩耗量はＴｉＮの数百分の１〜数千分の１で、ＴｉＣに対しても数分の１〜十数分の１であり、特に９００℃の方が、その差が顕著となり、高温での耐摩耗性が優れていることが分かる。また、(b) の相対化学的摩耗量では、ＨｆＮの摩耗量はＴｉＣの百分の１〜千分の１程度で、ＴｉＮに対しても十分の１以下であり、高温での耐摩耗性が優れていることが分かる。

図７は、本発明品（前記実施例のスローアウェイチップ１０と同じ）と、超硬合金の工具母材の表面に３．０μｍの膜厚でＴｉＡｌＮ膜を設けた従来品とを用いて、以下の加工条件で工具寿命に達するまでの耐久性を調べた結果で、切削速度Ｖ＝２４０、３００の何れにおいても本発明品の方が優れた耐久性が得られるが、特に高速加工（Ｖ＝３００）でその差が顕著となり、本発明品は高温での加工で特に優れた耐久性が得られることが分かる。
（加工条件）
被削材：ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）
切削速度：Ｖ＝２４０、３００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量：ｔ＝０．２ｍｍ
切削油剤：水溶性
切削方式：ＮＣ旋盤を用いた連続旋削加工
寿命判定：逃げ面摩耗幅０．１５ｍｍ

図８は、本発明品（前記実施例のスローアウェイチップ１０と同じ）と、超硬合金の工具母材の表面に３．０μｍの膜厚でＴｉＮ膜を設けた従来品とを用いて、以下の加工条件で工具寿命に達するまでの耐久性を調べた結果で、難削材である鉄−銅系焼結金属材料に対する切削加工であることから、図７に比べて工具寿命は著しく低下するものの、従来品に比較して約２倍の工具寿命が得られることが分かる。
（加工条件）
被削材：鉄−銅系焼結金属
（ＪＩＳ Ｚ２５５０の参照記号Ｐ２０１１Ｚ）
切削速度：Ｖ＝１２０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：ｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量：ｔ＝１．０ｍｍ
切削油剤：水溶性
切削方式：ＮＣ旋盤を用いた連続旋削加工
寿命判定：逃げ面摩耗幅０．１５ｍｍ

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。

本発明の一実施例であるスローアウェイチップを説明する図で、(a) は斜視図、(b) は表層部の断面図である。 図１のスローアウェイチップの硬質被膜をコーティングする際に好適に用いられるアーク放電イオンプレーティング装置の一例を説明する概略構成図である。 本発明の効果を明らかにするための試験で使用する試験品を説明する図である。 図３の試験品についてスクラッチ試験により被膜の付着強度を調べた結果を示す図である。 図３の試験品について耐久性を調べた結果を示す図である。 ＨｆＮ、ＴｉＮ、およびＴｉＣについて、高温時（７００℃および９００℃）における耐摩耗性を調べた結果を示す図で、(a) はＴｉＣを基準とする相対アブレッシブ摩耗量、(b) はＴｉＣを基準とする相対化学的摩耗量である。 本発明品と従来品とを用いてＳＵＳ３０４ステンレス鋼に旋削加工を行って耐久性を調べた結果を示す図である。 本発明品と従来品とを用いて鉄−銅系焼結金属材料に旋削加工を行って耐久性を調べた結果を示す図である。

符号の説明

１０：スローアウェイチップ（ＨｆＮコーティング工具） １２：工具母材 １４：ＴｉＮ膜 １６：（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜 １８：ＨｆＮ膜

Claims (2)

1. 表面にＨｆＮ膜がコーティングされているＨｆＮコーティング工具であって、
   工具母材の表面にはＴｉＮ膜が設けられるとともに、該ＴｉＮ膜の上には（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜が設けられ、該（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜の上に前記ＨｆＮ膜が設けられている
   ことを特徴とするＨｆＮコーティング工具。
2. 前記ＴｉＮ膜、（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜、およびＨｆＮ膜は、何れもアーク放電ＰＶＤ法によって設けられているとともに、
   該ＴｉＮ膜の平均膜厚は０．０１〜０．６μｍの範囲内で、該（Ｔｉ、Ｈｆ）Ｎ膜の平均膜厚は０．５〜４．０μｍの範囲内で、該ＨｆＮ膜の平均膜厚は０．０５〜２．０μｍの範囲内で、それ等の全体の平均総膜厚は０．５６〜６．６μｍの範囲内である
   ことを特徴とする請求項１に記載のＨｆＮコーティング工具。

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