JP2699031B2 - 複層コーティング工具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複層コーティングを
施した金属材料等の加工用の切削工具に関する。

【０００２】

【従来技術】従来のコーティング工具として、ＴｉＮ、
ＴｉＣなどのセラミックを単層にコーティングしたも
の、あるいはこれらを多層にコーティングしたものが開
発され、実用に供されてきた（例えば雑誌Industrial H
eating, 1986 年９月号参照）。これらの開発の経緯に
おいては、開発者は切削工具の総合的な機能の改善に着
目してなされたのではなく、コーティング膜自体の耐摩
耗性や耐亀裂性、あるいは母材質との密着性など個々の
特性に注目して開発がなされてきたに過ぎない。

【０００３】例えば、特公昭６３−２１９５６６号には
アンダーコートとしてＣｒ膜及びトップコートとしてＴ
ｉＮ膜の多層膜の形成方法が開示されている。さらに特
開平２−５７６７７号公報には前記公報に開示されたも
のと同様にＴｉのアンダーコートの手法が提案され、母
材と膜、または膜間における密着性を向上させる手法が
示されている。あるいは、特公昭５９−２１３８７号公
報には硬質被覆層における内層と外層との間に中間層を
設け、該中間層の組成成分中の固溶酸素量を可変とし、
上層に酸化アルミニウムを被覆層とした被覆超硬合金部
材が提案されている。この場合は上層の酸化アルミニウ
ムの耐熱亀裂性及びその膜間の密着性の改善と膜の緻密
化を強化したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来のコーテ
ィング工具においては、耐摩耗性や耐亀裂性という切削
工具の個々の特性の改善を目指したものであって、これ
らの改善を包含するとともに、更に切り粉離れの良さな
どのあらゆる機能面を包含した総合的な切削工具の改善
がなされる必要がある。例えば一般的に被覆される硬質
物質の摩擦係数は母材の摩擦係数よりも低くなる。この
ために、切削時の刃先に応力変化を及ぼし、当該コーテ
ィング工具と同一形状のコーティングしていない工具に
比して切削抵抗が高くなるという問題も存在した。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決すべくなされたものであって、高速度鋼，超硬合金，
サーメット，セラミックのいずれかを母材質とし、先ず
（ａ）表面被覆膜が金属成分の原子パーセントでＴｉを
１００％、又はＴｉを６０％以上含みＴｉ以外の膜構成
金属がＺｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｂ，Ａｌ，Ｓｉの１種
又は２種以上の成分であり、６００℃以下の温度にて炭
素、窒素、酸素のうちのいずれか１種または２種以上の
化合物の反応ガス成分中で物理蒸着法により母材表面に
複層コーティングした。即ち、コーティング膜の製造に
おいては、高温で行う化学蒸着法などを用いると、結晶
性は良いが靱性に欠ける面が強いのである。そこで、本
発明では６００℃以下の物理蒸着法を用いて結晶粒を微
細化して膜の緻密化と柱状組織化を実現した。

【０００６】さらに、（ｂ）コーティング膜の最上層の
膜の成分がＴｉ _ｘ Ｎ _ｙ （但し、０．２＜ｙ／ｘ＜０．
７）、またはＴｉ以外の成分ＭがＺｒ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｂ
であり、Ｔｉ _ｕ Ｍ _ｖ Ｎ _ｗ （但し、０．４＜ｗ／（ｕ＋
ｖ）＜０．８）であり、かつ最上層の膜の厚みを表面か
ら０．２〜２．０μｍの範囲とした。即ち、本発明にお
いてはコーティング膜として用いられるＴｉ系セラミッ
クスを積層または多層に形成した。特にコーティング膜
の最上層の膜のＴｉ _ｘ Ｎ _ｙ の成分比ｙ／ｘが０．７以上
では窒素の含有率が高くなりすぎて酸化作用が期待でき
ない。また、成分比ｙ／ｘが０．２以下では基材である
Ｔｉの性質が強くなりすぎて硬度が低く工具としての切
れ味が望めないので、最上層の膜のＴｉ _ｘ Ｎ _ｙ の成分比
を０．２＜／ｘ＜０．７に限定した。また、Ｔｉ以外の
成分ＭがＺｒ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｂの場合においても、同様
な理由により、Ｔｉ _ｕ Ｍ _ｖ Ｎ _ｗ の成分比を０．４＜ｗ／
（ｕ＋ｖ）＜０．８に限定した。さらに、コーティング
膜の最上層の膜は０．２μｍ以下では酸化による潤滑性
や切り粉離れを良好にする層が薄すぎて効果が期待でき
ない。また２．０μｍ以上であれば、逆に下層への酸化
によって生じる酸化膜による効果がうすくなるので、こ
れを０．２〜２．０μｍに限定した。

【０００７】次いで、（ｃ）前記コーティング膜のう
ち、切削に関与する部分はマイクロヴィッカース硬さ
（５０ｇ）の測定結果がＨｖ１３００〜３３００であ
り、膜厚が２．５〜８μｍの範囲にあり、かつＲａ５μ
ｍ以下の面粗さとした。ここでは、Ｈｖ１３００未満の
場合は耐摩耗性が著しく低く、Ｈｖ３３００以上の場
合、膜応力が大きくなり、膜の脱落を生ずる。そこでマ
イクロヴィッカース硬さを上記の如く限定した。さら
に、工具の切削に関与する部分の硬さは被削材の面粗さ
を投影するので、工具の刃先の面粗さの必要からＲａ５
μｍ以下に限定した。

【０００８】さらに、（ｄ）前記コーティング膜に通常
のロックウエル（Ｃスケール）硬度計を用いて押圧した
場合に生ずる圧痕を１００倍の倍率で観察した結果、圧
痕の周囲１ｍｍ以上外側の範囲で膜の剥離が認められな
いものとした。即ち、ロックウエル硬度計を用いてダイ
ヤモンド圧子をコーティング膜を有する工具自体の膜表
面から押しつけ、その圧痕を観察した結果、極めて密着
性が高く、コーティング工具自身の効果を高める範囲と
して、１００倍の倍率で圧痕を観察した結果１ｍｍ以上
外側の範囲で膜の剥離を生じないものが、生じるものよ
り切削性能が高いことを確かめた。

【０００９】

【作用】窒素の含有率を通常のＴｉＮより意図的に減ら
してＴｉ _ｘ Ｎ _ｙ （但し、０．２＜ｙ／ｘ＜０．７）を最
上層に被覆すると切削時に積極的にＴｉの酸化が促進さ
れ、ＴｉＯ _ｋ （ｋ≦２）の酸化層が形成され、ＴｉＯ _ｋ
の酸化層は極めてわづかづつであるが表層から脱落し工
具からの切り粉離れを良くする働き（潤滑作用）が生ず
る。また、ＴｉＯ _ｋ の酸化層によって下層が熱的に保護
（酸化保護作用）される。また、ＴｉＡｌＮ及びＴｉＺ
ｒＮ等の表面被覆膜は内在するＡｌ，Ｚｒの窒化物が積
極的に酸化し膜内の応力増加により耐摩耗性を増加せし
めると同時に、表層から脱落していくため同様の効果を
奏する。実際の穴明け加工や平面研削あるいは歯切り加
工においてこのような実用上の効果を著しく改善せしめ
た。この発明においては基本的に二つの作用の向上が実
現されている。一つは酸化における切削時の潤滑作用の
向上であり、二つ目の作用は酸化した表層膜による下層
の膜に対する、或いは下層となるコーティング工具に対
する酸化保護作用である。これらは特に過酷な切削にお
いては期待されるコーティング工具の寿命に著しい改良
を奏する結果を生む。

【００１０】

【実施例】（実施例１） 高速度鋼製（ＳＫＨ５１）のドリルを複数個の蒸発源を
もつ反応性イオンプレーティング装置内に置いて、２×
１０^−１ｔｏｒｒ以上の真空度で排気し、製品を３５０
〜５５０℃の間の温度に加熱し、イオンボンバードを施
したうえ、１×１０^−４乃至１×１０^−３ｔｏｒｒのア
ルゴンガスと窒素ガス、あるいはアルゴンガスと窒素及
び炭化水素ガスを導入して０．１〜０．５μｍ／ｍｉｎ
の成膜温度で切削に関与する部分、即ち図１に示すよう
に刃先先端１からマージン部にかけて被覆処理（図１で
は被覆処理の都合から斜線で示すようにシャンク部３の
近傍Ｂにまで処理がなされている）して効果を確認し
た。膜厚を市販品と、比較品である４．５μｍに制御し
たＴｉＮ（１．０μｍ）＋ＴｉＣＮ（３．５μｍ）と、
同構造のＴｉＮ（１．０μｍ）＋ＴｉＣＮ（３．０μ
ｍ）＋ＴｉＮ _０．５ （０．５μｍ）（最上層）を被覆し
た本発明品であるコーティングドリルを通常よりやや過
酷な条件で切削したところこれらに比して約１．５倍の
性能向上を得た。これは図２に示すように通常の２〜３
倍の能率向上になる。

【００１１】ＴｉＮ＋ＴｉＣＮはドリルの実測値では、
その硬度がＨｖ１９６０に対し、本発明品はＨｖ１９７
０であった。また、ロックウエルの圧痕については、図
１のＢ部（圧痕測定部）にて観察したところ、図４が本
発明品の顕微鏡写真（×１００）、図５が比較品の顕微
鏡写真（×１００）である。図４によれば黒い輪郭線に
囲まれた圧痕跡の周囲には剥離部分が全く存在していな
いのに対して、図５においては周辺部と黒い輪郭線との
間に該輪郭線を囲むように波形の境界線が表れており、
該境界内に複数個の剥離部分が認められる。なお、コー
ティング条件は４５０℃に１時間保持し、イオンエッチ
ングを１０分行った上、４０分のコーティング時間を各
膜厚に配分した方法により連続して処理を行った。Ｔｉ
Ｎ_X はオージェ分光分析ではｘ＝０．４であった。

【００１２】使用ドリル：φ６ 切削条件：Ｖ＝３７．７ｍ／ｍｉｎ， ｆ＝２００ｍｍ
／ｍｉｎ 被削材：ＳＮＣ８３６，２０ｍｍ貫通 水溶性エマルジョン使用 寿命判定：最大穴明け数

【００１３】（実施例２） 超微粒超硬合金製（Ｐ種）のエンドミルを実施例１と同
じ条件でイオンプレーティング法にて処理し、膜厚３．
５μｍのコーティング（ＴｉＣ膜厚３．５μｍ）を加え
て性能を比較した（図３参照）。なお、オージェ分光分
析では表層のＴｉ_ｕＡｌ_ｖＮ_ｗ，Ｔｉ_ｒＺｒ_ｓＮ_ｔの分
析値はｕ＝０．３３，ｖ＝０．２２，ｗ＝０．４３，ｒ
＝０．３７，ｓ＝０．２１，ｔ＝０．４４であった。コ
ーティングの全体は３．５μｍに制御し、表層の被膜は
０．５μｍの厚さにした。これらのエンドミルの処理条
件は、加熱５００℃に１時間保持した上、イオンエッチ
ングを１０分間行い、次いでコーティングを４０分行
い、各膜厚になるように制御している。これらも装置内
に複数の蒸発源を有し、連続的に処理を行っている。

【００１４】使用エンドミル：φ６．Ｓ２ 切削条件：ｖ＝２６．４ｍ／ｍｉｎ，ｆ＝７１ｍｍ／ｍ
ｉｎ 切り込み量：Ａｄ９ｍｍ Ｒｄ１．２ｍｍ 被削材：ＳＫＤ１１ ドライ ダウンカット 寿命判定：１０ｍ 切削時の摩耗量（逃げ面摩耗量）

【００１５】（実施例３） 高速度鋼及び超硬合金製のφ６のドリルにイオンプレー
ティング法を用い、実施例１、２と同様の条件において
硬質物質を複層コーティングし、母材質を適正条件下で
加速試験を行った。その結果は表１Ａ、表１Ｂに示す通
りである。なお、１）〜９）は高速度鋼、１０）〜１
１）は超硬合金であり、最上層の被覆膜をＡＥＳ分析に
てその成分比を調査した。二成分系金属の金属比率はＴ
ｉＡｌについてはほぼ１：１、ＴｉＺｒ，ＴｉＳｉ，Ｔ
ｉＢについてはほぼ７：３であった。表１Ａ、表２Ｂで
は、便宜上、Ｔｉ _ｕ Ｍ _ｖ Ｎ _ｗ の成分表記は（ｕ＋ｖ）＝
１として示してある。

【００１６】切削試験の条件は、 高速度鋼製ドリル：φ６ 切削条件：ｖ＝４５ｍ／ｍｉｎ，ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒ
ｅｖ 被削材：ＳＮＣ８３６（ＨＢ２８０）２０ｍｍ貫通 水溶性エマルジョン使用 ６００穴時のマージン部逃げ面摩耗量を測定 この条件下で高速度鋼製φ６ドリルの無処理品は５穴で
折損状態に至った。

【００１７】超硬合金製ドリル：φ６ 切削条件：ｖ＝５５ｍｍ／ｍｉｎ，ｆ＝０．３０ｍｍ／
ｒｅｖ 被削材：ＳＣＭ４４０（ＨＢ３００）２２ｍｍ貫通 水溶性エマルジョン使用 ４８０穴時のマージン部逃げ面摩耗量を測定 この条件下で高速度鋼製φ６ドリルの無処理品は５穴
で、また超硬合金製のφ６ドリルは２１穴で摩耗量増大
で折損状態に至った。

【００１８】さらに、図６および図８は、φ６．０の超
硬合金ドリルをＡ：従来のコーティング品（ＴｉＮ），
Ｂ：本発明品（ＴｉＮ＋ＴｉＣＮ＋ＴｉＮ_0.5 ），Ｃ：
無処理品とした場合とした場合であって、ＳＣＭ４４０
（ＨＢ３００）を水溶性切削油を使用して、２２ｍｍ貫
通したときのスラスト荷重の比較結果を示し、図８およ
び図９は同じく切削トルクを比較した結果を示すもので
ある。これによれば、スラスト荷重、切削トルクのいず
れにおいても本発明品は無処理品と殆ど変わりがないこ
とがわかる。

【００１９】

【表１Ａ】

【００２０】

【表１Ｂ】

【００２１】

【発明の効果】この発明は、母材である高速度鋼、超硬
合金、サーメット、セラミックなどにＴｉ_ｘＮ_ｙ （但
し、０．２＜ｙ／ｘ＜０．７）、或いは特別に選定され
たＴｉ_ｕＭ_ｖＮ_ｗ （但し、０．４＜ｗ／（ｕ＋ｖ）＜
０．８）を最外層に配置したので、切削時に積極的に酸
化が促進され、最上層の被膜は充分な耐摩耗性を有する
と同時に、その金属成分或いは窒化物が下層の被覆層の
酸化速度よりも充分速く酸化が促進され、同時に切削時
に極めて緩やかにこれら表層が脱落する。このため潤滑
性能が高められ、同時に下層の酸化を抑制する酸化保護
作用が発揮される。このため本発明によればコーティン
グ工具の切削抵抗が従来品に比して約２０％も減少され
ることになり、耐摩耗性が著しく向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るドリルの側面図である。

【図２】この発明に係るドリルの穴明け個数の従来品と
の比較図である。

【図３】この発明に係るエンドミルの摩耗量の市販品等
の従来品との比較図である

【図４】この発明品に硬度計を押しつけた場合に生ずる
痕跡した場合の１００倍ので観察した場合のスケッチで
ある。

【図５】比較品に硬度計を押しつけた場合に生ずる痕跡
した場合の１００倍の倍率で観察した場合のスケッチで
ある。

【図６】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品のスラスト荷重との切削の抵抗比較図である。

【図７】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品のスラスト荷重との図６の場合と異なる切削条件下の
切削の抵抗比較図である。

【図８】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品との切削トルクの比較図である。

【図９】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品との図８の場合と異なる切削トルクの比較図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−84903（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−25960（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−290784（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−138459（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−96072（ＪＰ，Ａ) 国際公開90／13422（ＷＯ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミ
   ックのいずれかを母材質とし、次の（ａ）（ｂ）（ｃ）
   かつ（ｄ）の条件を満足させたことを特徴とする金属材
   料の加工用の複層コーティング工具。 （ａ）表面被覆膜が金属成分の原子パーセントでＴｉを
   １００％、又はＴｉを６０％以上含みＴｉ以外の膜構成
   金属がＺｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｂ，Ａｌ，Ｓｉの１種
   又は２種以上の成分であり、６００℃以下の温度にて炭
   素、窒素、酸素のうちのいずれか１種または２種以上の
   化合物の反応ガス成分中で物理蒸着法により母材表面に
   複層コーティングする。 （ｂ）コーティング膜の最上層の膜の成分がＴｉ _ｘ Ｎ _ｙ
   （但し、０．２＜ｙ／ｘ＜０．７）、またはＴｉ以外の
   成分ＭがＺｒ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｂであり、Ｔｉ _ｕ Ｍ _ｖ Ｎ _ｗ
   （但し、０．４＜ｗ／（ｕ＋ｖ）＜０．８）であり、か
   つ最上層の膜の厚みが表面から０．２〜２．０μｍの範
   囲である。 （ｃ）前記コーティング膜のうち、切削に関与する部分
   はマイクロヴィッカース硬さ（５０ｇ）の測定結果がＨ
   ｖ１３００〜３３００であり、膜厚が２．５〜８μｍの
   範囲にあり、かつＲａ５μｍ以下の面粗さである。 （ｄ）前記コーティング膜に通常のロックウエル（Ｃス
   ケール）硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕を１
   ００倍の倍率で観察した結果、圧痕の周囲１ｍｍ以上外
   側の範囲で膜の剥離が認められない。