JP3404012B2 - 硬質皮膜被覆工具 - 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
加工等に使用される被覆工具において、特に熱処理後の
高硬度鋼の高速切削、乾式切削に適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、近年では加工コストを低減
するために、従来熱処理前に荒加工を実施し、熱処理後
に仕上げ加工をするのが一般的であったものを、熱処理
後に全ての加工をする傾向が強くなってきている。そし
てさらにこれら熱処理後の高硬度材を切削加工の高能
率、高精度化のさせる為、切削速度の高速化及び、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
重要視される傾向にある。こうような切削環境下におい
ては、切粉は切削初期より赤熱化するため、皮膜の酸化
性のみならず、皮膜の高温硬度が非常に重要なものとな
る。つまり高温下での軟化が大きい皮膜では耐摩耗性が
著しく悪くなる結果となる。

【０００４】このような問題を解決する為には未だ具体
的な提案はされていないのが現状であるが、比較的似た
事例としては特開平７−３１０１７１号公報にみられる
ようにＴｉＡｌＮ系皮膜に単純にＳｉを添加し、耐酸化
性を向上させる提案もなされているが、単純な添加では
皮膜の高温硬度の劣化が発生し耐摩耗性の点で十分に満
足される結果を得ていない。その他特開平１０−１７６
２５９号公報に見られるようにＴｉＡｌＮ系に第３成分
を添加する提案もなされているが、高温硬度を改善する
には至っていないのが現状である。

【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、熱処理後の高硬度鋼切削加工の乾式化、高速化
に対応可能な、高温下においても皮膜硬度の劣化を抑制
させた物理蒸着硬質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】本発明の要旨は、工具基
体にＴｉ、Ａｌ、Ｓｉからなる金属元素と、Ｂ、Ｃ、
Ｎ、Ｏから選択される少なくとも１種以上の元素とから
構成される硬質層を１層以上被覆した硬質皮膜被覆工具
において、該硬質層は、金属成分のみの原子％で、Ａｌ
を４０％以上含有し、該硬質層中にＳｉの窒化物相を介
在させたことを特徴とする硬質皮膜被覆工具である。

【０００７】

【作用】本発明者らはＴｉＡｌＮ皮膜を例に、種々の添
加成分の効果を鋭意研究した結果Ｓｉの添加と被覆条件
の最適化により、高硬度材の乾式高速切削の寿命を大幅
に向上できる知見を得るに至った。Ｓｉの単純添加と異
なり、ＴｉＡｌＮ皮膜内部にこれらＳｉの窒化物を極め
て微細に分散せしめ、ＴｉＡｌＮ皮膜の室温硬度をビッ
カース硬度で２８００から３５００に著しく上昇させる
ことに成功した。すなわち、セラミック系の硬質皮膜を
分散強化せしめることが可能であるという驚くべき事実
とその方法を発見した。尚、高温下での硬度はほぼ室温
硬度に依存する傾向にある。

【０００８】図１はＴｉＡｌＳｉターゲットを用い、基
体バイアス３００Ｖ、反応圧０．５Ｐａ３００℃で被覆
された皮膜のＥＳＣＡ解析結果を示す。図１よりこの皮
膜からは、Ｓｉ_３Ｎ_４の結合エネルギーから発生する回
折ピークが確認され、皮膜がＴｉＡｌＮ相とＳｉ_３Ｎ_４
相より構成されていることが確認された。さらに透過電
子顕微鏡により詳細に観察すると、このＳｉ窒化物層は
４０ｎｍ程度のナノ結晶であり、ｆｃｃ構造を有し柱状
に成長するＴｉＡｌＮ層内にナノ結晶が分散されたもの
であることを確認した。このナノ結晶が格子歪を発生し
分散強化機構により、ＴｉＡｌＮの硬度を大幅に上昇せ
しめたものと考えられる。この結果、Ｓｉの添加による
皮膜硬度の大幅向上を実現するに至った。さらに詳細を
鋭意調査した結果、切削中にＳｉが皮膜表面に内部拡散
しＳｉの酸化物を形成し、この酸化物が摩擦係数を低減
させ、切削温度の上昇を抑制させることも明らかになっ
た。

【０００９】しかしながら、この分散ナノ結晶は常に形
成されるものではない。その被覆条件が極めて重要な要
素となる。被覆時におけるイオンエネルギーが小さい場
合、例えば印可バイアス電圧が比較的低い５０Ｖの場合
はＳｉはｆｃｃ構造におけるＴｉＡｌＮの金属原子と置
換し固溶体であるＴｉＡｌＳｉＮを形成し、硬度の上昇
は僅かしか確認されなかった。ナノ結晶で介在せしめる
ためには極めて高いイオンエネルギーで成膜する必要が
ある。被覆時の基体に印可するバイアスは２５０Ｖ以上
で被覆された場合にこのナノ結晶相が介在する結果とな
る。このように、被覆時のイオンエネルギーが結晶形態
を左右していることは明らかであるが、理由については
さらに研究が必要である。

【００１０】また被覆温度に関しては４５０℃を越えた
温度で被覆するとＳｉは拡散エネルギーが高くなり、表
面で移動拡散しＴｉＡｌＮに固溶し、ＴｉＡｌＳｉＮを
形成する。従って、バイアス電圧と被覆温度の最適化に
よりナノ結晶を介在せしめることが可能である。

【００１１】硬度の上昇はＳｉの添加量にほぼ比例する
傾向にあった。硬度上昇に伴い、皮膜に残留する圧縮応
力が増大し、ＴｉＡｌを主成分とする硬質層の密着性は
劣化する傾向にあるためＳｉの添加量はＴｉＡｌに対し
好ましくは５０原子％以下に抑えたほうがより良いと考
えられる。

【００１２】さらにＴｉＡｌを主成分とする硬質皮膜に
おいては、結晶成長の優先方位が切削性能に影響を及ぼ
す。Ｘ線回折における最強回折ピークが（２００）であ
る場合は、皮膜硬度は軟らかいものの結晶が明瞭な柱状
結晶を呈し、耐クレーター摩耗性に優れる結果となる。
一方最強回折ピークが（１１１）の場合、皮膜は明瞭な
柱状結晶ではなくなり柱状結晶が分断されたブロック状
結晶を呈する。この場合個々のブロックが切削中に切粉
とともに脱落する傾向にあり、摩耗の進行が幾分速くな
るため、ＴｉＡｌ系皮膜は（２００）に配向する方が、
より好ましい。配向は被覆条件に依存するが、被覆初期
に（２００）配向となる核を最適条件において形成せし
めれば、それ以降の被覆条件は特に限定されるものでは
ない。それはこの核より皮膜がエピタキシャルに成長す
ることによる。

【００１３】Ｔｉの一部を他成分で置換することにおい
て、ＴｉＡｌを主成分とする硬質層の耐摩耗性もしくは
耐酸化性をさらに向上させることが可能である。４、
５、６族成分での置換はＴｉＡｌ主成分硬質層の幾分の
硬度上昇させる傾向にあり、Ｙでの置換は本成分が粒界
に偏析し、粒界での酸素拡散を抑制し、結果耐酸化性を
改善せしめる傾向にある。置換量は３０原子％を超える
と、結晶が柱状に成長しなくなり、皮膜の靭性が劣化す
るため、３０原子％以下でなければならない。

【００１４】以上のごとく、高温下での皮膜硬度を大幅
に改善した結果、本発明による硬質皮膜被覆工具は、ミ
ーリング切削加工に使用される工具に対しても効果的で
あるが、さらに従来アルミナ皮膜を有するＣＶＤ被覆工
具が使用されていた旋盤加工分野へも適用が可能となっ
た。旋削加工は比較的連続切削であるため特に切削温度
が高くなる傾向にあり従来のＰＶＤ皮膜ではＣＶＤ皮膜
に対し満足される耐摩耗性を達成することができなかっ
た。本発明においても皮膜の膜厚が薄いとＣＶＤ皮膜に
対し耐クレーター摩耗性が劣る結果になるが、本発明皮
膜を６ミクロン以上被覆することにより、ＣＶＤ皮膜と
同等以上の耐摩耗性を持たせることが可能であることを
確認した。さらに、工具の耐欠損性においては、本発明
はＰＶＤ法によるものであり、皮膜には圧縮の応力が残
留し、クラックの発生が少なく、皮膜に引っ張りの残留
応力が存在するＣＶＤ被覆工具に比べ１０倍以上の圧倒
的に優れる耐欠損性を有する結果となった。

【００１５】さらに本発明のＰＶＤ被覆工具を旋削に適
用する場合、基体である超硬インサートの表面が研磨さ
れていると、研磨によるミクロクラックがインサート表
面に内在している場合があり、ＰＶＤ皮膜の場合時とし
てこのミクロクラックが起点となり皮膜剥離が発生して
しまうことがある。従って表面がダイヤモンド砥石によ
り研磨されていない、ＩＳＯ分類におけるＣＮＭＧ、Ｄ
ＮＭＧ、ＶＮＭＧ、ＳＮＭＧ、ＴＮＭＧタイプのインサ
ートを用いると、より皮膜密着性に優れ、長寿命を実現
することが可能である。

【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、アーク放電方式イオンプレーティング物理蒸
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。 （実施例１）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
に反応ガスである窒素ガス、酸素ガス、メタンガスから
目的の皮膜が得られるものを選択し、被覆基体温度３５
０℃、反応ガス圧力１．０Ｐａ、基体印可バイアス電圧
２８０Ｖの条件下にて、被覆基体である外径１０ｍｍの
超硬合金製６枚刃エンドミル、ミーリング用インサート
に各種の表１に示すＡ層を被覆した。

【００１８】

【表１】

【００１９】またＢ層は被覆温度４５０℃、基体印可バ
イアス７０Ｖ、反応ガス圧１．０Ｐａにおいて被覆し本
発明例を作成した。比較例においてはＡ層、Ｂ層欄に便
宜上記載したＴｉＡｌ系及びそれ以外の皮膜も本発明例
におけるＢ層と同一条件で被覆した。皮膜の総厚さは４
μｍとした。ＳｉはＴｉＡｌターゲットに必要量添加す
ることにより皮膜に含有させた。尚、エンドミルに使用
した超硬合金はＣｏ７ｗｔ％、ＷＣ平均粒径０．９ミク
ロンの微粒超硬合金である。インサートに使用した超硬
合金はＪＩＳ−Ｐ２０グレード超硬合金である。硬質皮
膜の膜厚は総厚３．５μに統一した。

【００２０】得られた硬質皮膜被覆エンドミルを用い切
削試験を行った。工具寿命は本切削条件下ではクレータ
ー摩耗もしくはアブレッシブ摩耗の進行が支配する。こ
れら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。

【００２１】６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ＳＫＤ１１（硬さＨＲＣ６
５）、切り込みＡｄ１０ｍｍ×Ｒｄ０．１ｍｍ、切削速
度２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．０３ｍｍ／刃、エアーブ
ロー使用、とした。切削不能になった時を寿命と判定
し、その結果を表１に併記する。

【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ＨＲＣ４５）、切り込み１．５
ｍｍ、切削速度３５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．２５ｍｍ／
刃、乾式切削とした。この場合も切削温度は高温となり
皮膜の摩耗が工具寿命を支配し摩耗の進行からチップは
欠損するかもしくは切削温度が上昇し熱クラックが発生
しこれにより欠損するかいずれかである。欠損に至る切
削長を表１に併記する。

【００２３】表１より明らかなように、本発明例は著し
い寿命改善が認められる。これらは比較例が全て、短寿
命であったことより、耐アブレッシブ摩耗性、耐クレー
ター摩耗性の改善によるところが大きいことが確認され
た。本発明例１〜５は各種組成においてナノ結晶を介在
させた単層皮膜の例、５はその中で結晶配向を（１１
１）とした例である。若干（２００）配向に比べ切削寿
命は低下する傾向にあった。本発明例６、７はナノ結晶
を介在させた層とＴｉＡｌＮ系皮膜の多層の例であり、
多層にすることにより若干の切削寿命の向上が認められ
た。本発明例９〜１１は窒素をメインとしＢ、Ｃ、Ｏガ
ス等を用いて前記各成分を添加した事例でここでも若干
の切削寿命の向上が確認された。比較例１２〜１５は周
知な皮膜の例、比較例１６〜１９は周知な多層の例、２
０、２１はＳｉを含有するものの、被覆条件が異なり、
ナノ結晶が介在していなく、固溶体のＴｉＡｌＳｉＮ皮
膜の例である。いずれにおいても、切削寿命は満足のい
くものではない。

【００２４】（実施例２）ＴｉＡｌＳｉ金属ターゲット
のＴｉの一部を他成分で置換したターゲットを用い実施
例１と同一条件にて本発明例を作成した。実施例１と同
一切削評価を実施し、その結果を表２に併記する。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２の結果から明らかなように、ＴｉＡｌ
Ｓｉ系硬質皮膜に第４の成分を添加することにより、よ
り一層の寿命向上が可能である。本発明例はいづれもＴ
ｉＡｌＳｉＮ系に第４成分を添加したものでナノ結晶を
構成するＳｉ量は５ａｔ％に統一したものの事例であ
る。Ｓｉ量は５ａｔ％以外においても実施例１と同様な
傾向を示すものである。

【００２７】（実施例３）次に、超硬インサートにＪＩ
Ｓ−Ｍ２０グレード相当を用い、インサートは型押しＣ
ＮＭＧ４３２タイプ（表３中、型押しと表示。）と、砥
石によりＲブレーカーを施した同様の形状（表３中、Ｒ
加工と表示。）とを用いた。これらに、実施例１及び２
で示したものと同一の方法により被覆し、本発明例３４
〜４７、比較例４８〜５３を製作した。また、比較例と
して周知なＣＶＤ法（化学蒸着法）によりＴｉＣｌ_４、
ＡｌＣｌ_３、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｎ_２ガスを使用し、８００
℃〜１０００℃の反応温度により比較例５４〜５７を作
成した。各試料において旋盤加工により切削性能の評価
を実施した。切削条件を以下に示す。

【００２８】耐摩耗性評価は被削材としてＳ５３Ｃ（Ｈ
Ｂ２２０）を用い、切削条件は切削速度２００ｍ／ｍｉ
ｎ、切りこみ２ｍｍ、一刃あたりの送り０．３ｍｍ／ｒ
ｅｖ、乾式とした。本切削条件下では、切削が長手連続
切削であり、切削温度が上昇し、クレーター摩耗で寿命
となり欠損が発生する。欠損までの切削時間を表３に併
記する。耐欠損性は４つ溝を有するＳ５３Ｃを用い、切
削条件は１００ｍ／ｍｉｎ、切りこみ２ｍｍ、一刃あた
りの送り０．４ｍｍ／ｒｅｖで、欠損するまでの衝撃回
数により評価した。欠損は皮膜に切削での繰り返し衝撃
が作用する結果、皮膜に微細クラックが多発し、このク
ラックの母材への伝播により発生した。結果を表３に併
記する。

【００２９】

【表３】

【００３０】ＰＶＤ比較例に対し本発明例は、切削時の
クレーター摩耗が進行する速度が遅く、総合して工具寿
命が著しく向上する結果となった。本発明例はいずれに
おいても旋削の長手連続切削加工での寿命が、ＣＶＤ被
覆と同等以上であるに加え、耐欠損性が圧倒的に優れる
ものである。従って、本発明は旋削加工における、高速
切削や乾式高速切削加工に特に顕著な効果を示すもので
ある。また、ナノ結晶が介在しなく軟らかい皮膜と多層
化することにより、耐欠損性が向上する傾向が確認され
た。比較例４８〜５０は周知のＰＶＤ被覆であり、膜厚
が薄く連続切削での寿命が極端に短い。比較例５１、５
２は膜厚を１０μに設定したものであるが、クレーター
摩耗進行がはやく短寿命である。比較例５３はＳｉを添
加したものであるが、ナノ結晶が介在されるものではな
く、満足のいく寿命は達成されていない。また比較例５
４〜５７の周知なＣＶＤ皮膜においては、耐クレーター
摩耗に優れるため比較的連続切削における寿命はあるも
のの、皮膜に引っ張り応力が残留するために、耐欠損性
が著しく劣る結果である。

【００３１】（実施例４）表４に示す各種皮膜を実施例
１と同一条件で試作した。皮膜の厚さは硬度測定に際し
下地の影響をさけるため、１０μとした。７００℃Ａｒ
雰囲気下でスクラッチテストを実施し、スクラッチ荷重
５０Ｎ時の圧痕キズの深さを測定した。結果を表４に併
記する。

【００３２】

【表４】

【００３３】直接高温硬度を測定をすることは現状では
装置上の問題があり、技術的に不可能であるが、表４よ
り、スクラッチテストにおける高温下でのキズの深さは
皮膜の高温高度と相関を有するものと考えられる。本発
明例５８〜６３のキズの深さは、１００〜１３０ミクロ
ンで有るのに対し、比較例６８、６９のナノ結晶の介在
しないＴｉＡｌＳｉＮ皮膜はキズの深さが８５０、７９
０ミクロンと深く入り、本発明皮膜は極めて高温硬度に
優れることが示唆される結果である。また、周知な皮膜
である比較例６４〜６７ではより深くキズついている。

【００３４】

【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ＰＶＤ被覆工具に比べ皮膜硬度が大幅に高
く、皮膜の耐クレータ、アブレッシブ摩耗性に優れ、高
硬度鋼の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、コスト低
減、環境改善に極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明例の硬質層のＥＳＣＡ解析結果の
一例を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23B 27/14 C23C 14/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具基体にＴｉ、Ａｌ、Ｓｉからなる金
   属元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される少なくとも１
   種以上の元素とから構成される硬質層を１層以上被覆し
   た硬質皮膜被覆工具において、該硬質層は、金属成分の
   みの原子％で、Ａｌを４０％以上含有し、該硬質層中に
   Ｓｉの窒化物相を介在させたことを特徴とする硬質皮膜
   被覆工具。
2. 【請求項２】 請求項１記載の硬質皮膜被覆工具におい
   て、該硬質層のＸ腺回折における最強ピーク面指数が
   （２００）であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の硬質皮膜被覆工具
   において、該硬質皮膜層のＴｉの一部を３０原子％以下
   の範囲でＴｉを除く周期律表の４、５、６族元素、Ｙの
   うちの一種以上の元素で置換したことを特徴とする硬質
   皮膜被覆工具。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の硬質
   皮膜被覆工具において、該工具基体が旋削用インサート
   であり、皮膜の総厚さがすくい面において６μｍ以上で
   あることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。