JP2014069258A

JP2014069258A - 硬質皮膜被覆切削工具

Info

Publication number: JP2014069258A
Application number: JP2012215921A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Takano; 茂人高野; Junichi Noshiro; 淳一野城
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-21

Abstract

【課題】小径の切削工具であっても多層膜が被覆できて、耐摩耗性に優れた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】ＴｉＡｌＣｒＳｉＮからなる第１の硬質皮膜３および第３の硬質皮膜５と、ＴｉＳｉＮからなる第２の硬質皮膜４と、が被覆されている硬質皮膜被覆切削工具１であって、第１ないし第３の硬質皮膜１０が、硬質皮膜被覆切削工具１の母材２側から第１の硬質皮膜３、第２の硬質皮膜４、第３の硬質皮膜５の順に被覆されており、第１の硬質皮膜３の膜厚は、第２の硬質皮膜４および第３の硬質皮膜５の膜厚よりも厚くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮおよびＴｉＳｉＮからなる硬質皮膜を多層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、チタン（Ｔｉ）を含む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、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉからなる混合物（窒化物）の異なる２種類の皮膜を交互に積層しており、各皮膜の膜厚が０．１ｎｍを超え１００ｎｍ未満である多層膜（多層膜の全体の厚さは０．５μｍ〜２０μｍ）を被覆した高速度工具鋼製または超硬合金製の切削工具が開示されている。この切削工具は優れた耐摩耗性を示し、従来の切削工具に比して長寿命になるという特徴を有している。

また、特許文献２では、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの中から選ばれた少なくとも１種の金属元素とＣ、Ｎ、Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素からなり、組成の異なる２種類の硬質皮膜を、平均膜厚が０．１μｍ〜１５μｍとなるように交互に２層以上被覆した切削工具が開示されている。この切削工具は、特に高速加工、高送り加工、高硬度の被削材の加工の条件下で耐摩耗性、耐欠損性および耐酸化性に優れるという特徴を有している。

さらに、特許文献３では、ＡｌＴｉＳｉＣｒＮのａ層とＴｉＡｌＳｉＣｒＮのｂ層とが交互に２層以上積層されており、各層の厚さは１５ｎｍ以下である切削工具が開示されている。また同文献の実施例では直径１０ｍｍの超硬合金製エンドミルと直径８ｍｍの超硬合金製のドリルに対してＡｌＴｉＳｉＮまたはＡｌＴｉＳｉＣｒＮからなる皮膜を２〜１２ｎｍの膜厚で被覆した後に、ＴｉＳｉＮからなる皮膜を８〜３５ｎｍの膜厚で積層被覆した切削工具も開示されている。この切削工具は耐摩耗性、耐欠損性および密着性を兼ね備えているという特徴を有している。

特開２００８−１６２００９号公報特開２００９−２０３４８９号公報特開２０１１−２１２７８６号公報

しかしながら、特許文献１ないし３に開示された切削工具に被覆する皮膜は、例えば直径が８ｍｍ以下の小径の切削工具表面へ被覆した場合には、切刃の先端部分の曲率半径が極めて小さくなる。その結果、被覆した皮膜中に大きな残留応力が発生するので、膜厚が３μｍ以上の多層膜を被覆することが困難であるという問題があった。また、たとえ小径の切削工具表面に多層膜が被覆できたとしても、わずかな衝撃で皮膜が剥離するという問題があった。

そこで、本発明においては小径の切削工具であっても多層膜が被覆できて、耐摩耗性に優れた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、本発明者は小径の切削工具に適したＴｉを含有する硬質皮膜の組成と膜厚との関係について鋭意研究した。その結果、特定の元素と膜厚を制御することで皮膜の膜応力が低下して、小径の切削工具であっても多層膜が被覆できることを見出した。

そこで、本発明においては、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮからなる第１および第３の硬質皮膜と、ＴｉＳｉＮからなる第２の硬質皮膜と、を被覆する硬質皮膜被覆切削工具であって、第１ないし第３の硬質皮膜が、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、第１の硬質皮膜の膜厚が第２および第３の硬質皮膜の膜厚よりも厚い硬質皮膜被覆切削工具とした。このような硬質皮膜被覆切削工具とすることにより、第１ないし第３の各硬質皮膜の膜応力（残留応力）が低減する。

また、第２の発明は前述の第１ないし第３の硬質皮膜の各膜厚が０．１μｍ〜２．０μｍの範囲である硬質皮膜被覆切削工具とした（請求項２）。各膜厚の範囲を限定する理由は、膜厚が０．１μｍを下回ると硬質皮膜の耐摩耗性が乏しくなり、２．０μｍを上回ると過大な膜応力（残留応力）が発生するためである。硬質皮膜に過大な残留応力が発生すると、膜割れや膜飛びに代表される膜自体の破壊（自立破壊）を招いて、結果的に硬質皮膜の剥離原因となり、工具寿命の低下に結びつく恐れがある。さらに、第３の発明は切削工具の直径が８ｍｍ以下である硬質皮膜被覆切削工具とした（請求項３）。

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多層膜を形成する各硬質皮膜の膜応力が低減するので、小径の切削工具であっても多層膜が被覆することできて、優れた耐摩耗性を有するという効果を奏する。

本発明に係る硬質皮膜被覆切削工具１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被覆切削工具１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切削工具の母材（基材）２側から近い順に、最下層としてのＴｉＡｌＣｒＳｉＮ（第１の硬質皮膜３）、中間層としてのＴｉＳｉＮ（第２の硬質皮膜４）、最表層としてのＴｉＡｌＣｒＳｉＮ（第３の硬質皮膜５）の硬質皮膜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ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ膜（第１の硬質皮膜）３は、図１に示すように母材２となる超硬合金や高速度工具鋼に直接被覆する硬質皮膜であり、靭性や耐摩耗性に優れている。成膜（被覆）方法は、アルゴンガスによりイオンボンバード処理がなされた切削工具の母材表面に、ＴｉＡｌＣｒＳｉ製ターゲットを用いて、アークイオンプレーティング装置の真空チャンバー内へ窒素ガスを導入しながら被覆する。また、第１の硬質皮膜の膜厚は後述する第２および第３の硬質皮膜の膜厚よりも厚く、母材との密着性向上の観点から０．３μｍ〜１．５μｍの範囲とすることが好ましい。

中間層としてのＴｉＳｉＮ膜（第２の硬質皮膜）４は、図１に示すように第１の硬質皮膜３上に直接被覆される硬質皮膜であり、硬質皮膜全体の膜強度向上に貢献する役割を果す。成膜方法は、ＴｉＳｉ製ターゲットを備え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、０．２μｍ〜０．５μｍの範囲とすることが好ましい。

最表層としてのＴｉＡｌＣｒＳｉＮ（第３の硬質皮膜）５は、図１に示すように第２の硬質皮膜４上に直接被覆する硬質皮膜であり、第１の硬質皮膜３と同様に靭性や耐摩耗性に優れている。成膜方法は、第１の硬質皮膜の場合と同様にＴｉＡｌＣｒＳｉ製ターゲットを備え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。

なお、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ膜である第１の硬質皮膜および第３の硬質皮膜を被覆する場合には、ＴｉＡｌＣｒＳｉ製ターゲットの他に、ＴｉＳｉ製ターゲットおよびＡｌＣｒ製ターゲットの２種類のターゲットを同時に使用してもＴｉＡｌＣｒＳｉＮ膜を被覆することができる。

本発明に係るドリルと従来のドリルを用いて穴加工試験を行い、各硬質皮膜の耐摩耗性を評価した。本発明に係るドリルと従来のドリルの各硬質皮膜の成膜方法は、アークイオンプレーティング装置にＴｉＳｉ製ターゲットおよびＴｉＡｌＣｒＳｉ製ターゲットの各ターゲットを装着して、基体温度５００〜６００℃、反応ガス圧力４．７Ｐａにて直径８ｍｍの超硬合金製ドリルに対して、−４０Ｖの電位を印加した状態で各硬質皮膜を被覆した。本発明に係るドリル（以下、本発明品１という）は、母材である超硬合金側より、最下層に１．５μｍの厚さでＴｉＡｌＣｒＳｉＮの硬質皮膜を被覆した後、ＴｉＳｉＮの硬質皮膜を０．５μｍの厚さで、最表層にＴｉＡｌＣｒＳｉＮの硬質皮膜を０．２μｍの厚さでそれぞれ被覆して作製した。

これに対して、従来のドリルはＴｉＳｉ製ターゲットおよびＣｒＡｌ製ターゲットの２種類の各ターゲットを用いて、上述した成膜条件と同一条件で母材である超硬合金側よりＣｒＡｌＮの硬質皮膜およびＴｉＳｉＮの硬質皮膜を交互に計１０層積層した（１層当たりの平均膜厚：０．２μｍ、合計膜厚：２．０μｍ）ドリル（以下、従来品１という）を作製した。また、ＣｒＡｌ製ターゲットを用いて、上述した成膜条件と同一条件でＣｒＡｌＮの硬質皮膜のみ（膜厚：約２μｍ）を被覆したドリル（以下、従来品２という）を作製した。

本発明品１および従来品１、２の各ドリルを用いて、以下の試験条件により穴加工試験を行い、試験後に各ドリルの損耗状況（摩耗量）を顕微鏡により確認、測定した。
・被削材：ＳＣＭ４４０（クロムモリブデン鋼）
・切削速度：５５ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：４１０ｍｍ／ｍｉｎ
・送り量：０．１８４ｍｍ／ｒｅｖ
・回転数：２１００ｍｉｎ^−１
・加工穴：深さ２４ｍｍの止まり穴
・使用油剤：なし（ドライ加工）

上述の穴加工試験を行った結果、本発明品は切削長が８５ｍに到達した時点で、切れ刃の外周コーナにおける摩耗量が約１２０μｍであった。これに対して、従来品１は切削長が８５ｍに到達した時点で、切れ刃の外周コーナにおける摩耗量が約１５０μｍであった。従来品２は切削長が３０ｍに到達した時点で切れ刃に約２８０μｍ幅のチッピング（欠け）が発生したので、その時点で従来品２の穴加工試験を中止した。

次に、実施例１と同様に本発明に係るドリルと従来のドリルを用いて穴加工試験を行い、各硬質皮膜の耐摩耗性を確認した。本発明に係るドリルと従来のドリルの各硬質皮膜の被覆方法は、アークイオンプレーティング装置にＴｉＳｉ製ターゲットおよびＴｉＡｌＣｒＳｉ製ターゲットの各ターゲットを装着して、基体温度５００〜６００℃、反応ガス圧力１２Ｐａにて直径５ｍｍの超硬合金製ドリルに対して、−４０Ｖの電位を印加した状態で被覆した。本発明に係るドリル（以下、本発明品２という）は、母材である超硬合金側より最下層に１．２μｍの厚さでＴｉＡｌＣｒＳｉＮの硬質皮膜を被覆した後、ＴｉＳｉＮの硬質皮膜を０．３μｍ、最表層にＴｉＡｌＣｒＳｉＮの硬質皮膜を０．１μｍ被覆したドリルを２本作製した。

これに対して、従来のドリルはＴｉＳｉ製ターゲットおよびＣｒＡｌ製ターゲットの各ターゲットを用いて、上述した成膜条件と同一条件で母材である超硬合金側よりＣｒＡｌＮの硬質皮膜およびＴｉＳｉＮの硬質皮膜を交互に計４層積層した（１層当たりの平均膜厚：０．５μｍ、合計膜厚：２．０μｍ）ドリル（以下、従来品３という）を２本作製した。

これらのドリル（本発明品２および従来品３）を用いて、以下の試験条件により穴加工試験を行い、試験後に各ドリルの損耗状況（摩耗量）を顕微鏡により確認、測定した。
・被削材：ＳＣＭ４４０
・切削速度：５５ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：４８０ｍｍ／ｍｉｎ
・送り量：０．１１７ｍｍ／ｒｅｖ
・回転数：４１００ｍｉｎ^−１
・加工穴：深さ２０ｍｍの止まり穴
・使用油剤：なし（ドライ加工）

上述の穴加工試験を行った結果、本発明品２は穴加工開始から４８０穴目の加工が完了した時点でドリルの逃げ面の摩耗量を測定したところ、穴加工試験に供した２本のドリルの逃げ面摩耗量は、それぞれ４８．７μｍおよび４４．１μｍであった。これに対して、従来品３は穴加工試験に供した２本のドリルの逃げ面摩耗量がそれぞれ５５．６μｍおよび５５．４μｍであった。以上の結果より、本発明に係るドリルは、第１ないし第３の硬質皮膜の各膜厚を０．１μｍ〜２．０μｍの範囲として、第１の硬質皮膜の膜厚を第２および第３の硬質皮膜の各膜厚よりも厚くすることで小径の切削工具であっても多層膜が被覆できて、従来の硬質皮膜を被覆した切削工具に比べて優れた耐摩耗性を示すことがわかった。

１硬質皮膜被覆切削工具
２（硬質皮膜被覆切削工具１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

ＴｉＡｌＣｒＳｉＮからなる第１および第３の硬質皮膜と、ＴｉＳｉＮ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１の硬質皮膜の膜厚は、前記第２および第３の硬質皮膜の膜厚よりも厚い
ことを特徴とする硬質皮膜被覆切削工具。
前記第１ないし第３の硬質皮膜の各膜厚が０．１μｍ〜２．０μｍの範囲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。
前記硬質皮膜被覆切削工具の直径が８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の硬質皮膜被覆切削工具。