JP3388267B2 - 耐摩耗皮膜被覆工具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明が属する技術分野】本発明は金属材料等の切削加
工に使用される硬質皮膜被覆工具に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】金属加工の高能率化を目的とした調質鋼
の直切削においては、特開昭６２−５６５６５号、特開
平２−１９４１５９号に代表されるＴｉＡｌＮ皮膜もし
くは特開平８−１３４６２９号に代表されるＴｉＡｌＮ
系の高硬度超多層膜などが開発され切削工具に適用され
ている。ＴｉＡｌＮ皮膜は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比べ耐
酸化性が優れるため、刃先が高温に達する調質鋼の切削
においては、切削工具の性能を著しく向上させるもので
ある。 【０００３】しかしながら、近年では更なる加工の高能
率、高精度化の要求を満たす為の切削速度の高速化に加
え、環境問題及び加工コスト低減の観点から乾式での切
削加工が重要視されている。こうような切削環境下にお
いては、切削工具表面に被覆される耐摩耗皮膜と被削材
との凝着および溶着現象が切削性能に大きな影響を及ぼ
す。すなわち、従来までのＴｉＮ、ＴｉＣＮおよびＴｉ
ＡｌＮ等の耐アブレッシブ摩耗性を追求した高硬度皮膜
は、著しい凝着現象を伴う切削環境下においては被削材
との凝着および溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増加に
より、十分な切削寿命が得られないばかりでなく、切削
加工面がむしれ現象により、加工精度を劣化させたりな
どの問題がある。 【０００４】このような問題を解決する為に、特表平１
１−５０２７７５号公報に示される二硫化モリブデン
や、特開平７−１６４２１１号公報に示される炭化タン
グステンおよびダイヤモンドライクカーボンからなる潤
滑性皮膜を硬質皮膜の表面に積層した切削工具が開発さ
れているが、いずれも硬質皮膜との密着性が悪く、皮膜
そのものが非常に脆い為、切削時に剥離または破壊など
により上記切削環境下においては十分対応できない。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした事情
に鑑み、切削加工の乾式化、高速化に対応可能な、即
ち、耐酸化性及び耐摩耗性に優れた硬質皮膜（Ｂ層）
と、被削材との凝着性及び溶着性が少なく、しかもＢ層
との密着性に優れた耐凝着性層（Ａ層）とを複合化した
耐摩耗皮膜被覆工具を提供することを課題とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明者は、硬質皮膜の
耐摩耗性、様々な被削材と摩擦抵抗の低減に及ぼす影響
および皮膜の層構造について詳細な検討を行った結果、
皮膜の一部に耐凝着性及び耐溶着性に優れた層を介在さ
せた耐摩耗皮膜被覆工具において、該皮膜は、耐凝着性
及び耐溶着性を付与する（Ｃｒ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ
_１−ｘ）、但し、０．５≦ａ＜１．０、０．５≦ｘ≦
１．０で示される化学組成からなるＡ層と、耐酸化性及
び耐摩耗性を付与するＴｉ及びＡｌの窒化物より構成さ
れるＢ層を交互に夫々１層以上被覆した耐摩耗皮膜被覆
工具とする事により、乾式高速切削加工において切削工
具の性能が極めて良好となることを見出し本発明に到達
した。ここに、Ａ層においてＣｒとＳｉ対ＮとＢの原子
比率は必ずしも１対１である必要はないし、Ｂ層におい
ても同様にＴｉとＡｌ対Ｎの原子比率は必ずしも１対１
である必要はない。また、Ａ層は硬質皮膜の最上層に有
ることが好ましいが、必ずしも最上層でなくとも、その
効果は十分に発揮するものである。更に上記耐摩耗皮膜
は、物理蒸着法により被覆されることが望ましい。 【０００７】 【作用】はじめにＡ層の作用について詳しく述べる。 （Ｃｒ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）、但し、０．５
≦ａ＜１．０、０．５≦ｘ≦１．０、で示される化学組
成からなるＣｒとＳｉより構成される窒硼化物は、大気
中における摩擦係数が従来のＴｉＡｌ窒化物皮膜の０．
８に比べ、０．３と極めて低摩擦を示すだけではなく、
その他の硬質皮膜との密着性が極めて優れることを見出
した。 【０００８】前記乾式高速切削過程においては、凝着や
溶着現象等により被削材の一部が硬質皮膜表面の微視的
な凹凸部に強固に固着し、この凝着物および溶着物等と
ともに、皮膜は剥離または剥離に起因した刃先の欠損を
生じる。Ａ層を複合化することによる摩擦係数の低下
は、凝着や溶着現象そのものを低減させる効果を有す
る。この摩擦係数の低下は、Ｃｒそのものの有する効果
によるものであるが、これにＳｉを添加する事により高
温での使用環境下において、更に摩擦係数の低下がもた
らされる。これは、Ｓｉが比較的低い温度で工具表面に
Ｓｉ酸化物を形成し、この酸化物が更に摩擦係数の低減
に寄与することによるものである。 【０００９】またＡ層は、皮膜そのものの弾性係数がＴ
ｉＡｌ窒化物皮膜の６２０ＧＰａに比べ、４００〜５０
０ＧＰａと著しく低い値を示す。つまり、耐凝着性改善
皮膜の弾性係数が従来のＴｉＡｌ系窒化物よりも高い場
合、残留圧縮応力が増大し、硬質皮膜内部の強度よりも
皮膜界面の強度が弱くなる為、容易に硬質皮膜の剥離も
しくは剥離に起因した刃先の欠損が発生し、Ａ層の働き
が低下し切削工具の性能を低下させる。一方、硬質皮膜
の弾性係数が低い場合はＡ層の残留圧縮応力が低くＢ層
との密着性が優れるとともに、硬度も低く、微視的な硬
質皮膜表面の凹凸部に固着した凝着物および溶着物等
は、この凹凸部の硬質皮膜が摩滅する為、Ａ層の剥離も
しくは工具の欠損が発生しないことを確認した。 【００１０】さらにＳｉ添加の効果はＣｒ窒硼化物の欠
点である耐クラック性の改善及びＣｒＮ皮膜そのものよ
りも多少硬度を高め耐摩耗性の向上に寄与する。またＳ
ｉの酸化物の形成により、酸素および被削材成分Ｆｅの
皮膜内部への拡散を抑制するため皮膜の耐酸化性を向上
させ、より高速での切削を可能にする。 【００１１】硼素の添加は窒素と同時に添加することに
よりＡ層内部にＢＮ相が介在され、このＢＮ相が潤滑性
をより一層向上せしめ、溶着をさらに発生し難くする効
果を有する。 【００１２】本発明の硬質皮膜を構成するＡ層の金属元
素の組成は、（Ｃｒ_ａＳｉ_１−ａ）において、ａの値が
０．５≦ａ＜１．０という式を満足させることが必要で
ある。ａの値が０．５未満の場合、Ｃｒそのものの効果
による低摩擦を得る為に十分ではなく、乾式高速切削に
おける性能が十分ではない。 【００１３】また、上記Ａ層に係る窒硼化物の場合、Ｎ
_ｘＢ_１−ｘで０．５≦ｘ≦１．０を満足することが必要
であり、ｘの値が０．５未満の場合は、皮膜の硬度が著
しく上昇し、皮膜の密着性が劣化するため十分な切削性
能を示さない。 【００１４】次にＢ層の作用について述べる。上記Ａ層
は、静的および動的条件下において優れた密着性、低摩
擦を有すものの、調質材の切削加工には、単一皮膜では
十分な切削性能を示さない。そこで、優れた耐酸化性並
びに耐摩耗性を有したＢ層を併用する必要がある。この
Ｂ層の成分は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎより構成されるものであ
る。 【００１５】以上のように本発明においては、皮膜自体
の耐酸化性と耐摩耗性をバランス良く有するＢ層と、高
密着、低摩擦に優れるＡ層を交互に、それぞれ２層以上
積層する事により、乾式の高速切削に対応する切削工具
を得ることが可能となる。 【００１６】本発明の硬質皮膜被覆工具は、その被覆方
法については、特に限定されるものではないが、被覆母
材への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮
した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した皮膜に圧縮
応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング、
もしくはスパッタリング等の被覆基体側にバイアス電圧
を印加する物理蒸着法であることが望ましい。 【００１７】 【実施例】以下本発明を実施例に基づいて説明する。ア
ークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発
源である各種合金製ターゲット、ならびに反応ガスであ
るＮ_２ガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、被
覆基体温度４００℃、反応ガス圧力３．０Ｐａの条件下
にて、被覆基体である外径１０ｍｍの超硬合金製２枚刃
エンドミル、Ｒ５ｍｍの超硬合金製２枚刃ボールエンド
ミルおよび超硬合金製インサートに−１５０Ｖの電位を
印加し、全皮膜の厚みが４μｍとなるように成膜した。
また硼素は蒸発源であるターゲットに必要量添加した。
成膜順序は先ずＢ層を、次にＡ層を成膜し、必要に応じ
てこれを繰り返した。各試料のＡ層、Ｂ層の組成、総層
数（Ａ層数＋Ｂ層数）を表１に示す。同様に膜の組成や
構成を変化させた比較例を表１に併記する。 【００１８】 【表１】 【００１９】得られた硬質皮膜被覆エンドミルおよび硬
質皮膜被覆インサートを用い切削試験を行った。工具寿
命は刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能と
なった時の切削長とした。切削諸元を次に示す。 【００２０】２枚刃超硬エンドミルの切削条件は、側面
切削ダウンカット、被削材Ｓ５０Ｃ（硬さ２２０Ｈ
Ｂ）、切り込みＡｄ１０ｍｍ×Ｒｄ１ｍｍ、切削速度２
５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、エア
ーブロー使用、とした。 【００２１】２枚刃超硬ボールエンドミルの切削条件
は、直線ダウンカット、被削材Ｓ５０Ｃ（硬さ２２０Ｈ
Ｂ）、切り込みＡｄ０．２ｍｍ×Ｐｉｃｋ Ｆｅｅｄ
０．２ｍｍ、回転数１００００ｍｉｎ^−１送り４０００
ｍｍ／ｍｉｎ、エアーブロー使用、とした。 【００２２】インサート切削条件は、工具形状ＳＥＥ４
２ＴＮ、巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの面取り加工、
被削材ＳＫＤ６１（硬さ４５ＨＲＣ）、切り込み２．０
ｍｍ、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．１５ｍｍ／
ｒｅｖ、乾式切削とした。表１及び表２に試験結果を併
記する。 【００２３】比較例１２、１３はＳｉの量が多すぎる場
合の比較例であり、耐凝着及び溶着性が十分ではなく工
具寿命が短い。比較例１４、１５は、Ａ層およびＢ層へ
の硼素添加量が多すぎる場合の比較例であり、皮膜密着
性が十分でなく工具寿命が短い。比較例１６はＡ層の単
一皮膜であり、耐摩耗性が得られず寿命が短い。比較例
１７は、Ｂ層の単一皮膜であり、凝着が激しく、異常摩
耗を誘発し寿命が短い。比較例１８、１９、２０、２
１、２２は、Ａ層に他成分皮膜を用いた場合の比較例で
あり、いずれも凝着および溶着等により、早期に皮膜の
異常摩耗が発生し寿命が短い。比較例２３、２４、２
５、２６、２７、２８は、従来までの硬質皮膜における
切削性能を示すが、何れも本発明例に比較して著しく劣
る結果となった。 【００２４】これらに対し本発明例は、切削時の摩擦に
対する抵抗を著しく低減し、かつ硬質皮膜との密着性に
優れ、また、密着力、硬さと靭性のバランスを考慮した
Ｂ層を併用しているので、凝着や溶着現象に起因した異
常摩耗が進行することもなく、総合して工具寿命が著し
く向上する。従って、本発明は乾式高速切削加工に十分
対応するものである。 【００２５】 【発明の効果】以上の如く、本発明の硬質皮膜被覆工具
は、従来の被覆工具に比べ優れた密着性、低摩擦を有す
ことから、乾式高速切削加工において格段に長い工具寿
命が得られ、切削加工における生産性の向上に極めて有
効である。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 工具基体に硬質皮膜を被覆してなる耐摩
   耗皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は（Ｃｒ_ａＳｉ
   _１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）、但し０．５≦ａ＜１、０．
   ５≦ｘ≦１で示される化学組成からなるＡ層と、Ｔｉ及
   びＡｌの窒化物より構成されるＢ層を交互に夫々１層以
   上被覆してなることを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。