JP2014050916A

JP2014050916A - 硬質皮膜被覆切削工具

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Publication number: JP2014050916A
Application number: JP2012196866A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kitajima; 和男北島
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: JP5945950B2

Abstract

【課題】連続切削加工において長寿命の硬質皮膜被覆切削工具を提供することを課題とする。
【解決手段】Ｔｉの窒化物からなる第１の硬質皮膜３および第３の硬質皮膜５と、Ｔｉの炭窒化物からなる第２の硬質皮膜４と、を被覆する硬質皮膜被覆切削工具１であって、硬質皮膜１０は、硬質皮膜被覆切削工具１の母材２の側から近い順に第１の硬質皮膜３、第２の硬質皮膜４、第３の硬質皮膜５として被覆する。また、第２の硬質皮膜４は、Ｘ線回折時の（１１１）結晶面のピーク強度をｈ（１１１）、（２００）結晶面のピーク強度をｈ（２００）と表して、各ピーク強度の比であるｈ（１１１）／ｈ（２００）をＨとした時に、２０≦Ｈ≦５０の関係式を満たす硬質皮膜１０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｔｉ（チタン）の窒化物および炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆した切削工具に関する。

一般的にドリルやエンドミルに代表される切削工具には、耐摩耗性や靱性を高めるためにＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）やチタン化合物など種々の硬質皮膜が被覆されている。これらの硬質皮膜の選定に関しては、切削工具の材種（高速度工具鋼や超硬合金等）との密着性や多層膜の場合には安定した積層ができるか否か等の種々の観点から決定される。

中でも、Ｔｉの窒化物や炭窒化物からなる硬質皮膜は広範な材種に被覆することができて、かつ比較的容易に多層膜を被覆できる点から種々の切削工具に多用されている。例えば、特許文献１では、超硬合金製の基体上にＴｉを含む窒化物、炭窒化物の内の１種以上で構成される硬質皮膜を少なくとも１層以上被覆した切削工具であって、この硬質皮膜中には０．０１質量％〜１質量％の不活性ガスが含有されており、Ｘ線回折法で検出されたピークのうち、硬質皮膜の（１１１）結晶面のピーク強度Ａと（２００）結晶面のピーク強度Ｂとの比である（Ａ／Ｂ）が、１．１＜（Ａ／Ｂ）＜１０．０の関係を満たす切削工具が開示されている。この切削工具は、硬質皮膜の付着力を低下させることなく、高硬度を得ることができて、耐摩耗性を向上できるという特徴を有している。

また、特許文献２では、超硬合金（母材）の表面から近い順にＴｉＮ（窒化チタン）層、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）層、ＴｉＮ層を被覆した切削工具であって、Ｘ線回折法でＴｉＮ層の最大のピーク強度である結晶面を（ｈｋｌ）結晶面とし、ＴｉＣＮ層の（ｈｋｌ）結晶面のピーク強度Ｉ（ｈｋｌ）と、（４２２）結晶面のピーク強度Ｉ（４２２）との比であるＩ（４２２）／Ｉ（ｈｋｌ）をＲとするとき、切削工具のＴｉＣＮ層における最表面側のＲが（ＴｉＣＮ層における）ＴｉＮ層側のＲよりも大きくする切削工具が開示されている。この切削工具は断続切削においては硬質皮膜の剥離が発生せず、長寿命で耐欠損性および耐チッピング性を兼ね備えているという特徴を有している。

特開２００６−１５０５８３号公報特開２００６−２９７５８３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された切削工具は、仮に１．１＜Ａ／Ｂ＜１０．０の関係を満足する条件でドリルを作製した場合、結晶歪みが大きく軟質化した皮膜ではドリルの連続切削に対して皮膜の靱性が切削加工に耐えうることが出来ず、寿命低下に陥るという問題があった。

また、特許文献２に示す切削工具には、ＴｉＣＮ層におけるピーク強度の比（Ｉ（４２２）／Ｉ（ｈｋｌ））について、実施例に開示されている事例はＩ（ｈｋｌ）がＩ（１１１）の場合で、Ｉ（１１１）のピークが最大であり、かつＩ（１１１）と他の結晶面に現れるピーク強度の比は、包括的には１０より小さい事が望ましいと述べている。しかし、この点については前述の特許文献１の場合と同様に連続切削加工に対する被覆として、また加工毎に著しい衝撃が加わる工具に対する被覆としては結晶配向比率が適していない。その結果、この被覆の持つ靱性は加工現象に対する耐性に乏しく、早期摩耗や折損を引き起こしやすいという問題があった。

そこで、本発明においては、連続切削加工において長寿命の硬質皮膜被覆切削工具を提供することを課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明者はＴｉの窒化物および炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆した切削工具に着目し、特に最下層（第１の硬質皮膜）、中間層（第２の硬質皮膜）および最表層（第３の硬質皮膜）の３層からなる硬質皮膜の場合、中間層（第２の硬質皮膜）がＴｉの炭窒化物である硬質膜について鋭意研究した。その結果、Ｔｉの炭窒化物の硬質膜のＸ線回折時の複数の結晶面のピーク強度比が特定の関係である場合に切刃の耐摩耗性が向上することを見出した。

そこで、本発明においては、Ｔｉの窒化物からなる第１および第３の硬質皮膜と、Ｔｉの炭窒化物からなる第２の硬質皮膜と、を被覆している硬質皮膜被覆切削工具であって、硬質皮膜は工具の母材側から第１の硬質皮膜、第２の硬質皮膜、第３の硬質皮膜の順に被覆しており、第２の硬質皮膜はＸ線回折時の（１１１）結晶面のピーク強度をｈ（１１１）、（２００）結晶面のピーク強度をｈ（２００）と表して、各ピーク強度の比であるｈ（１１１）／ｈ（２００）をＨとした時、２０≦Ｈ≦５０の関係式を満たす硬質皮膜である硬質皮膜被覆切削工具とした。本発明に係る硬質皮膜被覆切削工具とすることにより、硬質皮膜の耐摩耗性が向上する。

また、請求項２に係る発明は第１の硬質皮膜をＴｉＮ、第３の硬質皮膜をＴｉ_２Ｎとする硬質皮膜被覆切削工具とした。本発明に係る硬質皮膜被覆切削工具とすることにより、靱性に富んだ最下層（第１の硬質皮膜）上に、高硬度で耐摩耗性に優れた最表層（第３の硬質皮膜）が形成される。

以上述べたように、本発明に係る硬質皮膜被覆切削工具とすることにより硬質皮膜の耐摩耗性が向上するので、連続切削加工においても長寿命であるという効果を奏する。また、第１の硬質皮膜をＴｉＮ、第３の硬質皮膜をＴｉ_２Ｎとする硬質皮膜被覆切削工具とすることにより、靱性に富んだ最下層（第１の硬質皮膜）上に、高硬度で耐摩耗性に優れた最表層（第３の硬質皮膜）が形成されるので、切削加工時に切刃の摩耗の進行を抑制しつつ、刃先欠損等の突発的な寿命低下を防止できるという効果を奏する。

本発明に係る硬質皮膜を被覆した切削工具表面の模式断面図である。

本発明の実施の形態の一例について図面を参照して説明する。図１は本発明に係る硬質皮膜を被覆した切削工具表面の模式断面図である。本発明に係る硬質皮膜被覆切削工具１は、図１に示すように超硬合金製または高速度工具鋼製の母材（基材）２側から近い順に、最下層としてのＴｉの窒化物（第１の硬質皮膜３）、中間層としてのＴｉの炭窒化物（第２の硬質皮膜４）、最表層としてのＴｉの窒化物（第３の硬質皮膜５）からなる硬質皮膜１０が被覆されている。以下、第１ないし第３の硬質皮膜について詳細に説明する。

最下層としてのＴｉの窒化物（第１の硬質皮膜）は、切削工具の母材表面に直接被覆する硬質皮膜であり、アルゴンガスによりイオンボンバード処理がなされた母材表面に対して、Ｔｉ製ターゲットが設置された真空チャンバー内へ窒素ガスを導入することで被覆する。第１の硬質皮膜の膜厚は、第２および第３の皮膜を積層する点から０．３μｍ〜０．８μｍの範囲とすることが好ましい。また、第１の硬質皮膜としては切削工具表面に直接被覆する点から窒化チタン（ＴｉＮ）であることが好ましい。

中間層としてのＴｉの炭窒化物（第２の硬質皮膜）は、第１の硬質皮膜上に直接被覆される硬質皮膜であり、Ｔｉ製ターゲットが設置された真空チャンバー内に窒素ガスとアセチレンなどの炭化水素系ガスを導入して形成される。第２の硬質皮膜の膜厚は、上下方向に第１および第３の硬質皮膜により挟まれた状態で積層する点から、２．０μｍ〜２．５μｍの範囲とすることが好ましい。また、第２の硬質皮膜としては切削工具表面や被削材とは接することはなく、第１および第３の硬質皮膜をＴｉＮとする場合には、ＴｉＮとの密着性向上の観点から炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）とすることが好ましい。さらに、第２の硬質皮膜は成膜工程中に成膜室（チャンバー）内の減圧雰囲気やチタン製ターゲットへのバイアス電圧等の成膜条件を変更することで、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を構成する炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の構成比率が異なる多層膜にすることがより好ましい。

また、第２の硬質皮膜については、銅製ターゲットを用いたＸ線回折時の（１１１）結晶面のピーク強度をｈ（１１１）、（２００）結晶面のピーク強度をｈ（２００）とした時の各ピーク強度の比であるｈ（１１１）／ｈ（２００）が、２０≦ｈ（１１１）／ｈ（２００）≦５０の関係式を満たすことで、切削工具の逃げ面における耐摩耗性が向上する。また、長寿命と耐摩耗性向上とを両立する観点から、上記の関係式が３０≦ｈ（１１１）／ｈ（２００）≦５０の関係を満たすことが好ましい。

最表層としてのＴｉの窒化物（第３の硬質皮膜）は、第２の硬質皮膜上に直接被覆する硬質皮膜であり、第１の硬質皮膜の場合と同様にＴｉ製ターゲットが設置された真空チャンバー内に窒素ガスを導入して形成される。第３の硬質皮膜の膜厚は、第２の硬質皮膜上に積層する点から０．１μｍ〜０．５μｍの範囲とすることが好ましい。また、第３の硬質皮膜としては切削工具の最表層である点から窒化二チタン（Ｔｉ_２Ｎ）であることが好ましい。

ドリルの母材表面から近い順に第１の硬質皮膜としてＴｉＮ（膜厚：０．５μｍ）、第２の硬質皮膜としてＴｉＣＮ（膜厚：２．０μｍ）、第３の硬質皮膜としてＴｉ_２Ｎ（膜厚：０．３μｍ）の各硬質皮膜（総膜厚：２．８μｍ）を、種々の異なる成膜条件（真空チャンバー内圧力：０．５〜０．６Ｐａ、バイアス電圧：５０〜１５０Ｖ）で被覆したドリルＮｏ．１〜１２（計１２本）を用いて、穴加工試験（以下、本試験という）を行った。その結果について表１を用いて説明する。表１は、異なる成膜条件（全１２水準）にて硬質皮膜を被覆したドリルを用いて本試験を行った場合の使用ドリルの硬質皮膜（第２の硬質皮膜）のピーク強度比Ｈ、硬質皮膜の硬度（単位：ビッカース硬さＨｖ）およびドリルの二番面摩耗幅（単位：μｍ）をそれぞれ示す。また、本試験は以下の試験条件により行った。
・使用工具：高速度工具鋼製ドリル（ドリル径６．０ｍｍ）
・被削材：炭素鋼Ｓ５０Ｃ（ブリネル硬さ：１８０ＨＢ）
・切削速度：４０ｍ／ｍｉｎ
・送り量：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ
・回転数：２１００ｍｉｎ^−１
・加工穴数：１００穴

表１に示すように、硬質皮膜（第２の硬質皮膜）のピーク強度比Ｈの値が２．２〜１４．６の範囲にあるドリルＮｏ．１〜６およびピーク強度比Ｈが５５．６であるドリルＮｏ．１２を用いた各ドリルの二番面の摩耗幅は、２５．３μｍ〜４３．９μｍの範囲であった。これに対して、本発明である硬質皮膜（第２の硬質皮膜）のピーク強度比Ｈの値が２２．３〜４８．７の範囲にあるドリルＮｏ．７〜１１の各ドリルの二番面の摩耗幅は、１１．７μｍ〜２１．８μｍの範囲であった。以上の結果より、本発明である硬質皮膜（第２の硬質皮膜）のピーク強度比Ｈが２０以上５０以下であるドリルを用いることで、ドリルの二番面の摩耗幅を低減することができた。

次に、実施例１と同様にエンドミルの母材表面から近い順に第１の硬質皮膜としてＴｉＮ（膜厚：０．５μｍ）、第２の硬質皮膜としてＴｉＣＮ（膜厚：２．１μｍ）、第３の硬質皮膜としてＴｉ_２Ｎ（膜厚：０．３μｍ）の各硬質皮膜（総膜厚：２．９μｍ）を、種々の異なる成膜条件（真空チャンバー内圧力：０．５〜０．６Ｐａ、バイアス電圧：５０〜１５０Ｖ）で被覆したエンドミルＮｏ．１〜１２（計１２本）を用いて、切削加工試験（以下、本試験という）を行った。その結果について表２を用いて説明する。表２は、異なる成膜条件（全１２水準）にて硬質皮膜を被覆したエンドミルを用いて本試験を行った場合のエンドミルの硬質皮膜（第２の硬質皮膜）のピーク強度比Ｈ、硬質皮膜の硬度（単位：ビッカース硬さＨｖ）およびエンドミルの逃げ面摩耗幅（単位：μｍ）をそれぞれ示す。また、本試験は以下の試験条件により行った。
・使用工具：高速度工具鋼製２枚刃エンドミル（エンドミル径１０．０ｍｍ）
・被削材：炭素鋼Ｓ５０Ｃ（ブリネル硬さ：１８０ＨＢ）
・切削速度：４１ｍ／ｍｉｎ
・送り量：０．０６５ｍｍ／ｒｅｖ
・切り込み量（ａａ×ａｅ）：１５ｍｍ×２．５ｍｍ
・総切削長：５ｍ

表２に示すように、硬質皮膜（第２の硬質皮膜）のピーク強度比Ｈの値が３．９〜１６．６の範囲にあるエンドミルＮｏ．１〜６およびピーク強度比Ｈが５７．９であるエンドミルＮｏ．１２を用いた各エンドミルの逃げ面の摩耗幅は、１５０μｍ〜１８９μｍの範囲であった。これに対して、本発明である硬質皮膜（第２の硬質皮膜）のピーク強度比Ｈの値が２３．８〜４６．９の範囲にあるエンドミルＮｏ．７〜１１の各エンドミルの逃げ面の摩耗幅は、１３０μｍ〜１３９μｍの範囲であった。以上の結果より、本発明である硬質皮膜（第２の硬質皮膜）のピーク強度比Ｈの値が２０以上５０以下であるエンドミルを用いることで、エンドミルの逃げ面の摩耗幅を低減することができた。

１硬質皮膜被覆切削工具
２（硬質皮膜被覆切削工具の）母材
３第１の硬質皮膜
４第２の硬質皮膜
５第３の硬質皮膜
１０硬質皮膜

Claims

Ｔｉの窒化物からなる第１および第３の硬質皮膜と、Ｔｉの炭窒化物からなる第２の硬質皮膜と、が被覆されている硬質皮膜被覆切削工具であって、前記第１ないし第３の硬質皮膜が、前記硬質皮膜被覆切削工具の母材側から前記第１の硬質皮膜、前記第２の硬質皮膜、前記第３の硬質皮膜の順に被覆されており、前記第２の硬質皮膜は、Ｘ線回折時の（１１１）結晶面のピーク強度をｈ（１１１）、（２００）結晶面のピーク強度をｈ（２００）と表して、前記各ピーク強度の比であるｈ（１１１）／ｈ（２００）をＨとした時に、２０≦Ｈ≦５０の関係式を満たす硬質皮膜であることを特徴とする硬質皮膜被覆切削工具。
前記第１の硬質皮膜はＴｉＮであり、前記第３の硬質皮膜はＴｉ_２Ｎであることを特徴とする請求項１に記載の硬質皮膜被覆切削工具。