JP2019065324A - 切削工具用硬質皮膜 - Google Patents
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Abstract
【課題】オーステナイト系ステンレス鋼に対しても良好な耐摩耗性及び耐溶着性が発揮され、切削工具の長寿命化を実現できる極めて実用的な切削工具用硬質皮膜の提供。【解決手段】基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、金属成分が原子％で、Ａｌ(100-x)Ｃｒ(x)（ただし、25≦X≦35）と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第１皮膜層と、金属成分が原子％で、Ｃｒ(100-α)Ｖ(α)（ただし、15≦α≦50）と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第２皮膜層とを含むものであり、前記第２皮膜層を最表面に配置する。【選択図】なし
Description
本発明は、エンドミルやドリル等の切削工具に被覆される切削工具用硬質皮膜に関するものである。
金属切削用工具に被覆する硬質皮膜としては、例えば耐摩耗性に優れるＡｌＣｒＮ皮膜があるが（特許文献１参照）、ＡｌＣｒＮにＶ，Ｂを添加することで、ＡｌＣｒＮよりも耐摩耗性を向上させたＡｌＣｒＶＢＮ皮膜が知られている（特許文献２参照）。
さらに、この特許文献２においては、ＣｒＮにＶを添加することで潤滑性が向上することが開示されている。特許文献２では、ＡｌＣｒＶＢＮ皮膜の表層にＣｒＶＮ皮膜を被覆することで、耐溶着性（潤滑性）の改善が図られているが、ステンレス鋼を加工する際には未だ耐溶着性は不十分であり、耐溶着性の更なる改善が要望されている。
即ち、ステンレス鋼（特にＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼）は、粘性が高く加工硬化性があるために、加工する工具の皮膜に硬さと靭性の両方が求められる。また、熱伝導率が低いため、切削加工時に発生する高熱が逃げにくく、工具刃先に溶着が発生しやすいために耐摩耗性だけでなく、耐溶着性も求められる。
工具刃先に溶着が発生すると、その溶着物と被削材とが擦れることで加工面粗さを悪化させ、さらに加工を継続すると、溶着物が更に強固に工具刃先に付着して所謂構成刃先を形成してしまう。そして、構成刃先が形成された状態で切削加工を続けると、構成刃先は成長と脱落を繰り返すことが知られている。この場合、構成刃先の脱落時に工具刃先にチッピングが生じることで被覆されていた硬質皮膜が欠落するため、更に摩耗が促進し、加工面粗さを悪化させるだけでなく、工具の短命化を招いてしまう。
以上の理由から、ステンレス鋼加工用の硬質皮膜被覆工具には、耐摩耗性だけでなく、構成刃先によるチッピングを生じさせることが無いように、耐溶着性が求められているが、上述の通り、従来の硬質皮膜では十分な耐溶着性が得られていないのが現状である。
本発明は、上述のような現状に鑑み、特許文献２に係る硬質皮膜を更に改良したもので、オーステナイト系ステンレス鋼に対しても良好な耐摩耗性及び耐溶着性が発揮され、切削工具の長寿命化を実現できる極めて実用的な切削工具用硬質皮膜を提供するものである。
本発明の要旨を説明する。
基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、金属成分が原子％で、
Ａｌ(100-x)Ｃｒ(x)
ただし、25≦X≦35
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第１皮膜層と、
金属成分が原子％で、
Ｃｒ(100-α)Ｖ(α)
ただし、15≦α≦50
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第２皮膜層とを含み、前記第２皮膜層が最表面に配置されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
Ａｌ(100-x)Ｃｒ(x)
ただし、25≦X≦35
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第１皮膜層と、
金属成分が原子％で、
Ｃｒ(100-α)Ｖ(α)
ただし、15≦α≦50
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第２皮膜層とを含み、前記第２皮膜層が最表面に配置されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記αが15以上25以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
また、請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第１皮膜層の膜厚T1と前記第２皮膜層の膜厚T2の比率が、0.1≦T2/T1≦0.5であり、前記膜厚T1と前記膜厚T2の合計が2.0μｍ以上5.0μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
また、請求項１〜３いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材と前記第１皮膜層との間に下地層が設けられ、この下地層は、Ｔｉの窒化物または炭窒化物から成り、この下地層の膜厚は0.20μｍ以上1.0μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、ＮａＣｌ型結晶構造を含み、Ｘ線回折法で測定される（１１１）面の回折強度が（２００）面の回折強度より強いものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、ＮａＣｌ型結晶構造を含み、Ｘ線回折法で測定される（１１１）面の回折強度が（２００）面の回折強度より強く、前記（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）としたとき、次式（１）を充足するものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≧１．５ （１）
Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≧１．５ （１）
本発明は上述のように構成したから、オーステナイト系ステンレス鋼に対しても良好な耐摩耗性及び耐溶着性が発揮され、切削工具の長寿命化を実現できる極めて実用的な切削工具用硬質皮膜となる。
好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。
第１皮膜層は所定の組成で且つＶ及びＢが添加されていないため、硬度が高くなり過ぎず、硬度及び靱性を両立することができ、ステンレス鋼に対して良好な耐摩耗性が発揮される。また、潤滑性に優れた第２皮膜層により耐溶着性を確保することが可能となる。
従って、切削工具のステンレス鋼（特にオーステナイト系ステンレス鋼）に対する耐摩耗性及び耐溶着性が向上し、チッピングの発生を可及的に抑制して切削工具の長寿命化を図ることが可能となる。
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
本実施例は、基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、金属成分が原子％で、
Ａｌ(100-x)Ｃｒ(x)
ただし、25≦X≦35
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第１皮膜層と、
金属成分が原子％で、
Ｃｒ(100-α)Ｖ(α)
ただし、15≦α≦50
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第２皮膜層とを含み、前記第２皮膜層が最表面に配置されているものである。
Ａｌ(100-x)Ｃｒ(x)
ただし、25≦X≦35
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第１皮膜層と、
金属成分が原子％で、
Ｃｒ(100-α)Ｖ(α)
ただし、15≦α≦50
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第２皮膜層とを含み、前記第２皮膜層が最表面に配置されているものである。
各部を具体的に説明する。
基材は、ＷＣ（タングステンカーバイド）とＣｏ（コバルト）を含有する超硬合金製のものが採用されている。具体的には、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ以上２．０μｍ以下に設定され、前記Ｃｏ含有量が質量％で５以上１５％以下に設定されたものが採用されている。この基材は具体的には、エンドミルやドリル等の切削工具であり、第１皮膜層及び第２皮膜層はこの切削工具の表面に順次積層状態で設けられる。
第１皮膜層の膜厚T1と第２皮膜層の膜厚T2の比率は、0.1≦T2/T1≦0.5に設定され、前記膜厚T1と前記膜厚T2の合計が2.0μｍ以上5.0μｍ以下となるように設定されている。
また、本実施例は、ＮａＣｌ型結晶構造を含み、Ｘ線回折法で測定される（１１１）面の回折強度が（２００）面の回折強度より強いものである。
具体的には、前記（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）としたとき、次式（１）を充足するものである。
Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≧１．５ （１）
Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≧１．５ （１）
また、第２皮膜層の前記αは好ましくは15以上25以下に設定される。
また、本実施例においては、基材と第１皮膜層との間に下地層が設けられている。この下地層は、Ｔｉの窒化物または炭窒化物から成り、この下地層の膜厚は0.20μｍ以上1.0μｍ以下に設定されている。
即ち、本実施例は、切削工具の直上に設けた下地層と、この下地層上に設けられた第１皮膜層と、この第１皮膜層上に設けられた第２皮膜層とで構成されている。
以上の構成を採用した理由及び上記構成による作用効果を以下に説明する。
先ず、第１皮膜層及び第２皮膜層について、その組成及び膜厚を上述の構成とした理由を述べる。
難削材のステンレス鋼は、粘性が高く加工硬化性があるために、これを加工する工具には硬さと靭性の両方が求められる。特許文献２のＡｌＣｒＮ皮膜にＶとＢを添加したＡｌＣｒＶＢＮ皮膜は、硬度が高すぎるためか靭性が劣り、ステンレス鋼を加工する際に、加工初期においてもチッピングが見られた（後述する実験例の表１の従来例１〜３参照）。また、ＶとＢの添加のない（Ａｌ70Ｃｒ30）Ｎにおいては、加工初期のチッピングは見られなかったが、耐摩耗性は劣る（表１の従来例４）。
そこで、耐チッピング性及び耐摩耗性の両方を兼ね備えた皮膜（第１皮膜層）の開発を試み、種々の実験・検討を重ねた結果、組成が（Ａｌ(100-x)Ｃｒ(x)）Ｎ（ただし25≦X≦35）で、且つ、ＮａＣｌ型結晶構造を含むものであり、Ｘ線回折法で測定される（１１１）面の回折強度が（２００）面の回折強度より強い皮膜（測定範囲を０°≦２θ≦８０°としたときの最強ピーク面指数が（１１１）である皮膜）が、加工初期のチッピングがなく、耐摩耗性に優れることが判明した（表１の比較例１〜３）。上記組成から外れる場合は摩耗が大きい（表１の比較例４〜６）。また、最強ピーク面指数が（１１１）ではない場合も摩耗が大きい（表１の比較例７〜９）。これは、（Ａｌ(100-x)Ｃｒ(x)）Ｎ（ただし25≦X≦35）の場合に、硬度が最も高く、さらにＡｌＣｒＮのとるＮａＣｌ型結晶の最密充填面が（１１１）面であるために密度が高くなり、耐摩耗性と耐チッピング性の両方に優れるものになったと考えられる。一方で、耐溶着性に関しては不十分であった（表１の比較例１〜３）。
工具に溶着が発生すると、加工面粗さを悪化させる。溶着が発生したまま更に加工を継続すると、構成刃先が形成され、その成長及び脱落を繰り返してチッピング及び摩耗を促進させ、工具の短命化を招いてしまう。
第１皮膜層のステンレス鋼に対する耐溶着性を改良するため、第２皮膜層である（Ｃｒ(100-α)Ｖ(α)）Ｎを第１皮膜層の表面にコーティングした。ＣｒＮ皮膜は潤滑性に優れる皮膜として知られているが、鉄鋼材料に対する潤滑性能に富むＶをＣｒＮに固溶させて、潤滑性の向上を図った。Ｖ含有量を多くしすぎると皮膜硬度が低下するので、Ｖ含有量を変えて実験をしたところ、組成が（Ｃｒ(100-α)Ｖ(α)）Ｎ（ただし15≦α≦50）であると耐溶着性に優れることがわかった（表２の実験例１〜18参照）。即ち、α＜15だと潤滑性が不足して溶着が大きくなる（表１の比較例10，11）。また、α＞50でも溶着が大きい（表１の比較例12）。これはＶの含有量が多すぎて膜が軟らかくなり、加工初期でＣｒＶＮ膜が磨滅して耐溶着性の効果が無くなるためであると考えられる。
以上から、第２皮膜層は、組成が（Ｃｒ(100-α)Ｖ(α)）Ｎ（ただし15≦α≦50）であると、潤滑性と硬度のバランスがとれることがわかった。特にαが15≦α≦25の範囲の効果が高いことがわかった(表２の実験例１〜５，８〜10，13〜18)。
また、膜厚は、第１皮膜層の膜厚をT1、第２皮膜層の膜厚をT2とすると、膜厚T1とT2の膜厚比率が、0.1≦T2/T1≦0.5とするのが望ましい。T2/T1が0.1未満の場合、耐溶着性の効果が小さく（表１の比較例13）、T2/T1が0.5を超える場合、硬度の低い第２皮膜層の割合が多くなって、耐摩耗性が低下してしまう（表１の比較例14，15）。第１皮膜層と第２皮膜層の合計膜厚(T1+T2)は2.0μm以上5.0μm以下が望ましい。薄過ぎると耐摩耗性の効果が小さく（表１の比較例16）、膜厚5.0μmより厚い場合は耐摩耗性の効果を維持できるが（表１の比較例17）、膜厚を厚くする分、成膜時間が長くなり、また、ターゲット材料の消耗が多くなり、高価な切削工具となってしまう。なお、合計膜厚（T1＋T2）が11μmを超えると、すくい面に剥離が生じてしまうことを確認済みである。
次に、下地層の組成及び膜厚を上述の構成とした理由について述べる。
Ｔｉの窒化物または炭窒化物から成る化合物を下地層として切削工具用基材と第１皮膜層の間に設けると基材と第１皮膜層との密着性が良好となることで、更に耐摩耗性及び耐溶着性が向上することがわかった（表２の実験例１〜10，13〜18，表３の実験例19〜27)。また、下地層の膜厚は0.20μｍ以上1.0μｍ以下であることが望ましいことがわかった（表２の実験例１〜10，13〜18，表３の比較例18〜21）。下地層の膜厚が0.2μｍ未満だと、密着性向上の効果が小さく、1.0μｍを超えると硬度の低い下地層の割合が多くなって耐摩耗性が低下する。
本実施例は、上述のように構成したから、第１皮膜層は硬度が高くなり過ぎず、硬度及び靱性を両立することができ、ステンレス鋼に対して良好な耐摩耗性が発揮される。また、潤滑性に優れた第２皮膜層により耐溶着性を確保することが可能となる。従って、切削工具のステンレス鋼（特にオーステナイト系ステンレス鋼）に対する耐摩耗性及び耐溶着性が向上し、チッピングの発生を可及的に抑制して工具の長寿命化を図ることが可能となる。
よって、本実施例は、オーステナイト系ステンレス鋼に対しても良好な耐摩耗性及び耐溶着性が発揮され、切削工具の長寿命化を実現できる極めて実用的なものとなる。
以下、本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。
成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング装置を用い、金属および半金属成分の蒸発源として各種組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、また、反応ガスとしてＮ２ガスを成膜装置内に導入して、成膜基材としての超硬合金製４枚刃スクエアエンドミル（外径６ｍｍ）に所定の皮膜を成膜した。基材の超硬合金はＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなり、ＷＣ粒子の平均粒径が０．５μｍ、Ｃｏ含有量が１０質量％のものを使用した。成膜に当たっては、下地層、第１皮膜層及び第２皮膜層の膜厚が種々の厚さとなるように上述の基材エンドミルに成膜した。
切削試験は、被削材をＳＵＳ304とし、水溶性切削油を用いた湿式加工条件下で側面切削を行った。外径６ｍｍのエンドミルを12000min−１の回転速度で回転させ、送り速度を650ｍｍ／ｍｉｎ、径方向の切り込み量を0.3ｍｍ、軸方向の切り込み量を2.0ｍｍとして試験した。表１，２の加工試験では、加工時間60ｍｉｎ（加工初期）における比較評価を実施した。
表３の加工試験では、下地層を設けることによる硬質皮膜の密着性の改善効果を顕在化するため、さらに加工時間を伸ばして180ｍｉｎとして比較評価を実施した。
即ち、本実施例の構成に係る硬質皮膜（実験例）と、従来の硬質皮膜（従来例）と、本発明の範囲外の硬質皮膜（比較例）とを夫々、上述した手段でエンドミルに被覆し、各エンドミルによる切削試験を行った。試験結果を表１〜３に示す。
なお、外周摩耗幅は、エンドミル先端から軸方向の切り込み量2.0ｍｍの位置の外周刃の摩耗幅（外周面側）を刃直角方向に測定した（図１参照）。最大溶着幅は、エンドミル先端から軸方向の切り込み量2.0ｍｍ以内の領域で外周刃に溶着している溶着物の刃直角方向の最大幅（すくい面側）を測定した（図２参照）。
表１，２より、実験例は従来例及び比較例に比べてエンドミルの外周摩耗幅の低減及び耐溶着性の向上が認められた。
図３，４は夫々、表２の実験例２，１０のＸ線回折パターンである。（１１１）面の回折強度が（２００）面の回折強度より強いことが確認できる。図５は従来例２のＸ線回折パターン、図６は実験例２と基材のみのＸ線回折パターンの比較図である。
アーク放電式イオンプレーティング装置を用いて成膜する場合、同一組成のターゲットにもかかわらず、成膜条件により皮膜の結晶配向性を制御することができ、本実施例では、ＮａＣｌ型結晶構造の（１１１）面の回折強度が（２００）面の回折強度より強くなるようにすることで優れた耐摩耗性を実現している。特に、（１１１）面の回折強度と（２００）面の回折強度との比を、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≧１．５とすることが望ましい。なお、表には記載していないが各実験例はいずれもＩ（１１１）／Ｉ（２００）≧１．５であることは確認済みである。
また、表３より、下地層を設けることにより、密着性が改善されることで、より優れた耐摩耗性及び耐溶着性が発揮されることが確認できた。
Claims (6)
- 基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、金属成分が原子％で、
Ａｌ(100-x)Ｃｒ(x)
ただし、25≦X≦35
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第１皮膜層と、
金属成分が原子％で、
Ｃｒ(100-α)Ｖ(α)
ただし、15≦α≦50
と表され、非金属元素として少なくともＮを含み不可避不純物を含む第２皮膜層とを含み、前記第２皮膜層が最表面に配置されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。 - 請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記αが15以上25以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
- 請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第１皮膜層の膜厚T1と前記第２皮膜層の膜厚T2の比率が、0.1≦T2/T1≦0.5であり、前記膜厚T1と前記膜厚T2の合計が2.0μｍ以上5.0μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
- 請求項１〜３いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材と前記第１皮膜層との間に下地層が設けられ、この下地層は、Ｔｉの窒化物または炭窒化物から成り、この下地層の膜厚は0.20μｍ以上1.0μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
- 請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、ＮａＣｌ型結晶構造を含み、Ｘ線回折法で測定される（１１１）面の回折強度が（２００）面の回折強度より強いものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
- 請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、ＮａＣｌ型結晶構造を含み、Ｘ線回折法で測定される（１１１）面の回折強度が（２００）面の回折強度より強く、前記（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）としたとき、次式（１）を充足するものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≧１．５ （１）
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