JP2007021654A - 被覆小径部材及び被覆小径部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質皮膜被覆プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での硬質皮膜の欠陥やダメージを回避し、皮膜の密着性を維持し、被覆小径部材の耐摩耗性を改善することである。
【解決手段】被覆小径部材本体は、大径円筒部と小径円筒部とからなり、該小径円筒部は円筒状で、且つ、概略円筒面で形成され、該小径円筒部に硬質皮膜が被覆され、該硬質皮膜部に刃部を設けたことを特徴とする被覆小径部材である。硬質皮膜被覆プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での硬質皮膜の欠陥やダメージを回避し、皮膜の密着性を維持できる。そして被覆小径部材の先端部が硬質皮膜から構成され、皮膜の厚さ内で刃部が形成された被覆小径部材を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、被覆小径部材及びその製造方法に関する。

被覆小径部材としては、部材本体に、切れ刃稜線、刃溝等を加工した後、被覆する例が特許文献１に、更に、被覆後に皮膜を研削等で一部除去する例が特許文献２に記載されている。

特開２００４−８２３０１号公報 特開平９−１１０５０号公報

本願発明は、硬質皮膜被覆プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での硬質皮膜の欠陥やダメージを回避し、皮膜の密着性を維持し、被覆小径部材の耐摩耗性を改善することである。本願発明では、最終形状の工具に硬質皮膜を被覆するよりも、むしろ硬質皮膜を被覆した後に、刃部を形成した方が有効であり、被覆前に切れ刃稜線、刃溝を設けると、それらの形状、特に凹凸形状に倣って皮膜が成長するため、皮膜の構造欠陥を生じてしまい、特に、エッジ部では皮膜成長速度差に起因する皮膜構造欠陥を引き起こすことが多く、工具として用いたときに皮膜の剥離・脱落の原因となっている。

本願発明は、被覆小径部材本体は、大径円筒部と小径円筒部とからなり、該小径円筒部は円筒状で、且つ、概略円筒面で形成され、該小径円筒部に硬質皮膜が被覆され、該硬質皮膜部に刃部を設けたことを特徴とする被覆小径部材である。上記構成を採用することによって、硬質皮膜被覆プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での硬質皮膜の欠陥やダメージを回避し、皮膜の密着性を維持できる。そして被覆小径部材の先端部が硬質皮膜から構成され、皮膜の厚さ内で刃部が形成された被覆小径部材を提供することができる。本明細書における円筒状とは、先端に向い若干のテーパを含む形状であり、概略円筒面は、円筒面に、切れ刃稜線、刃溝等を設けていないことを表している。

本願発明によって、被覆小径部材の硬質皮膜被覆プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での硬質皮膜の欠陥やダメージを回避し、皮膜の密着性を維持し、被覆小径部材の耐摩耗性を改善することができた。また、そのその製造方法を提供することができた。

本発明の被覆小径部材における第１の形態を図１、図２に示す。図１は円筒面に、切れ刃稜線、刃溝等を設けていない概略円筒面を有する小径円筒部５の先端部に刃部７を設けている。図２は小径円筒部５を拡大した図であり、該先端部は、硬質皮膜が被覆されている。本発明の概略円筒面を有する小径円筒部における部材本体の直径をＡとしたとき、Ａ値は、６００μｍ以下であることが好ましい。これは、Ａ値が６００μｍ以下の場合に耐摩耗性などの小径部材としての特性が十分に発揮されるからである。一方、Ａ値が５μｍ未満になると、硬質皮膜を被覆する前工程におけるプラズマクリーニング工程におけるイオンボンバード処理によって、部材先端の小径円筒部の変形、或いは消滅の可能性があるため、５μｍ以上が好ましい。該小径円筒部に硬質皮膜を被覆した後、該硬質皮膜の皮膜の厚さ内で機械加工等を施すことにより適切な形状の刃部を形成する。これにより硬質皮膜被覆プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での硬質皮膜の欠陥やダメージを取り除き、硬質皮膜表面の凹凸が極めて少ない被覆小径部材が得られる。本形態における刃部は、加工後の形状によって切削工具、プレス金型等の用途にも適用可能である。

本願発明の被覆小径部材における第２の形態を図３、図４に示す。図３は、小径円筒部のＡ値が、５≦Ａ＜６００、図４は、図３の外周部分に機械加工等を施し、例えば、３枚刃となるように加工し、硬質皮膜の一部で刃部７を３箇所形成した時の例を示す。心厚をＢ値とした時、Ａ／Ｂ＞１、の関係となっている被覆小径部材である。この場合は、耐摩耗性の他に、特に耐折損性が要求される加工環境下において、耐摩耗性と耐折損性を両立した部材が得られる。これは、部材全体の断面積に占める部材部分の面積が大きく、耐摩耗性を維持しながら、耐折損性を大幅に向上させることができるのである。

本発明の被覆小径部材における第３の形態を図５、図６に示す。図６は、図５の外周部分に機械加工等を施し、３枚刃となる様に加工し、硬質皮膜の一部で刃部７を３箇所形成した時の例を示す。心厚をＢ値とした時、０＜Ａ／Ｂ≦１、の関係となっている被覆小径部材である。この場合は、耐熱性と耐摩耗性の改善が著しい。これは、部材全体の断面積に占める硬質皮膜の面積が大きく、刃部を鋭利に保ちながら、耐摩耗性を大幅に改善することができる。特に耐熱性と耐摩耗性とが要求される加工分野において極めて優れた特性が得られる。

本発明での被覆小径部材の刃部は、外周逃げ面とすくい面が交差するエッジ部に切れ刃稜線を形成する。本発明の被覆小径部材は、切れ刃部が硬質皮膜で構成されることによって、逃げ面では耐摩耗性の改善効果が得られ、すくい面では被加工物の溶着、凝着等の低減効果が得られる。従って、加工後の被加工物面の精度を向上させることができる。本発明における被覆小径部材の製造方法は、該小径円筒部に硬質皮膜を被覆する工程と、機械的加工手段により該硬質皮膜に刃部を形成する工程とからなることを特徴とする被覆小径部材の製造方法である。硬質皮膜の欠陥を生ぜず、膜本来の耐摩耗性、耐熱性が発揮される。更に、切れ刃等の形状もシャープエッジで形成することができ、加工性能も改善することができる。

本発明の被覆小径部材において、硬質皮膜の組成は、少なくとも１層が、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｆｅ、より選択される１種以上の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、硫化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物であることにより耐摩耗性を発揮することができるので好ましい。上記の組合せとしては、例えば（ＴｉＳｉ）Ｎ、（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、（ＣｒＳｉ）Ｎ、（ＡｌＣｒ）Ｎ、（ＴｉＡｌ）Ｎ、ＳｉＣ、ＴａＮ、ＷＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯ、ＳｉＯ、ＭｏＳ、ＨｆＮ等が挙げられる。これらの組合せが本発明の目的を達成する上で好適である。窒化硼素、或いは窒化硼素を主体とした硬質皮膜又は硬質炭素膜、或いは硬質炭素膜と組合わせても良い。

部材本体は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、Ｔｉ基合金、超硬合金、サーメット、窒化硼素焼結体の何れかであることが好ましい。硬質皮膜との組合せを適切に選択することによって、耐摩耗性と耐折損性のバランスが好適である。部材本体は、Ｆｅ基合金としては炭素鋼、ステンレス鋼、高速度鋼が挙げられる。超硬合金のＣｏ含有量としては、３重量パーセントから２０重量パーセントの範囲で各種用途に応じて選択することができる。用途は回転工具に適用し、例えばエンドミル、ドリル、リーマで優れた耐摩耗効果を発揮することができる。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

部材本体は、Ｃｏ含有量が７重量％、ＷＣ平均粒径が０．３μｍ〜０．６μｍの超硬合金を使用した。部材本体は大径円筒部と小径円筒部とを備えている。最も径の大きい大径円筒部はシャンク部となり、最も径の小さい小径円筒部が刃部を有する。実施例は、シャンク直径を４ｍｍとした。ＡＩＰ法により小径円筒部に硬質皮膜を被覆した。例えばＴｉターゲットを用いた場合、小径円筒部の表面にＴｉＮ皮膜を膜厚１２から２３μｍ被覆した。その後、小径円筒部の直径が目的値となるように研削加工を実施した。図７より、本発明例２の模式図で、逃げ面１１とすくい面１２が交差する切れ刃稜線となるエッジ部１３を形成し、２枚刃エンドミルに近似の工具形状を作成した。表１に被覆小径部材について本発明例１から３２を示した。また比較例及び従来例も併記した。

Ａ値、Ｂ値と膜厚Ｔ値の測定は、小径円筒部の軸直角断面を鏡面加工し、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと言う。）により実測した。測定誤差は、機械的に軸直角断面切断し鏡面加工していること、さらに表面の凹凸等による測定誤差を考慮すると、少なくとも±２μｍの測定誤差が生じると考えられる。表１内でＡＩＰ＋ＳＰは、ＡＩＰ法とＳＰ法の同時稼動を示す。超硬合金は、特に断りのない限り前述の組成を有する超硬合金である。従来例３３は硬質炭素膜を０．２μｍ被覆、従来例３４は（ＴｉＡｌ）Ｎを０．５μｍ被覆、従来例３５は硬質皮膜無し、従来例３６はＤ値が８００μｍの工具で、（ＴｉＡｌ）Ｎを０．５μｍ被覆、した場合を夫々示す。これらを用いて切削評価を実施した。条件は被削材のみが異なる２条件を設定し。条件１は被削材にマルテンサイト系ステンレス鋼、ＨＲＣ５２を使用、条件２は被削材にオーステナイト系ステンレス鋼、ＨＢ１７０を使用した。切削寿命の評価は、同一試料で３本加工し、切削長さの平均値を折損寿命として示した。
（条件１、２に共通する切削条件）
工具：２枚刃エンドミル
切削方法：側面仕上げ切削加工
切り込み：軸方向、５μｍ、径方向、１μｍ
切削速度：６ｍ／ｍｉｎ
送り：１μｍ／刃
切削油：なし

表１に示す様に本発明例１から３２は、従来例３３から３６、比較例３７に対して安定した折損寿命が得られた。本発明例１から５は、Ａ／Ｂ値が異なる場合の本発明例を示す。切削条件１においてはＡ／Ｂ値が小さく、０＜Ａ／Ｂ≦１の方が折損寿命に優れていた。実質的に、硬質皮膜そのもので切削加工しており、特に耐熱性と耐摩耗性の著しい改善が得られた。一方、条件２においては、逆にＡ／Ｂ値が大きく、Ａ／Ｂ＞１の方が折損寿命に優れていた。この場合は、工具断面に占める部材面積が大きく、切刃の耐摩耗性を維持しながら、特に耐折損性が要求される切削加工において十分な効果が得られた。本発明例６、７、８はＤ値が２００μｍ、５００μｍ、２０μｍの場合である。Ｄ値の大きい方が折損寿命に優れていた。本発明例９から本発明例１４は部材の材質が夫々異なる場合の折損寿命を示す。特に条件２においては、部材靭性の高い方が折損寿命に優れた。高硬度を有する硬質皮膜が厚く脆い特性を有するにも拘らず、部材靭性の高い方が折損寿命に優れる結果となった。本発明例１５から本発明例２９は硬質皮膜の組成、積層構造、積層数が異なる場合を示す。特に硬度の高い（ＴｉＳｉ）Ｎ皮膜を第２の層として上層側に被覆した場合、工具の折損寿命が長くなった。また多層の積層構造とする事により、単一皮膜よりも優れた折損寿命を得ることができた。本発明例３０、本発明例３１、本発明例３２は、被覆小径部材の先端部が硬質皮膜から構成され、皮膜の厚さ内で切れ刃が形成されている場合を示す。従って、刃部の軸直角断面には、部材部分であるＡ値が存在しない。条件１では、切れ刃部の耐摩耗性と耐欠損性に優れ、長寿命となる効果が確認された。また、本発明例３１は炭素系の硬質皮膜を適用した場合であり、被削材が非鉄金属等である場合には、更に優れた折損寿命を期待できる。
従来例３３から従来例３６は、耐摩耗性が十分でなく、また被加工物の凝着が激しかった。そのために切削開始の早期段階で折損に至った。比較例３７は、Ｄ値が８００μｍの場合であるが、折損寿命の改善効果は明確に確認出来なかった。

図１は、被覆小径部材の正面図を示す。 図２は、図１の小径円筒部の拡大図を示す。 図３は、図１の小径円筒部の断面模式図を示す。 図４は、図３に刃部を形成した後の断面模式図を示す。 図５は、他の実施例の小径円筒部の断面模式図を示す。 図６は、図５に刃部を形成した後の断面模式図を示す。 図７は、本発明例２の小径円筒部の断面模式図を示す。

符号の説明

１：被覆小径部材本体
２：硬質皮膜
３：大径円筒部
４：大径円筒部
５：小径円筒部
７：刃部
１１：逃げ面
１２：すくい面
１３：切れ刃稜線のエッジ部
Ａ：部材本体の直径
Ｂ：心厚
Ｄ：刃部の直径
Ｔ：膜厚

Claims (3)

1. 被覆小径部材本体は、大径円筒部と小径円筒部とからなり、該小径円筒部は円筒状で、且つ、概略円筒面で形成され、該小径円筒部に硬質皮膜が被覆され、該硬質皮膜部に刃部を設けたことを特徴とする被覆小径部材。
2. 請求項１記載の被覆小径部材において、該小径円筒部の円筒面は、切れ刃稜線、刃溝等を設けていないことを特徴とする被覆小径部材。
3. 請求項１記載の被覆小径部材の製造方法において、該小径円筒部に硬質皮膜を被覆する工程と、機械的加工手段により該硬質皮膜に刃部を形成する工程とからなることを特徴とする被覆小径部材の製造方法。
   

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