JP3417907B2 - 多層皮膜被覆工具 - Google Patents
多層皮膜被覆工具Info
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、金属材料等の切削
加工等に使用する被覆工具に関するものである。
加工等に使用する被覆工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在、耐摩耗皮膜被覆を有する被覆切削
工具においては、ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比べ高温特性の優
れたＴｉＡｌＮ系皮膜が開発され、従来まで困難であっ
た調質鋼の切削などの、より過酷な条件下での使用を可
能とした被覆切削工具が主流化している。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、環
境問題及び加工コスト低減の観点から、切削工具の切削
速度の高速化、長寿命化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
摩耗皮膜と切削される材料との間に切削中に刃先に凝着
現象が発生し、切削性能に大きな影響を及ぼす傾向にあ
る。すなわちＴｉＡｌＮ系皮膜はこのような苛酷な切削
環境下においては、被加工物との凝着現象等に起因した
摩擦抵抗の増加により、十分な切削寿命を得られないの
が現状であった。また凝着物と一緒に皮膜が剥離、脱落
する現象も確認されておりこのような場合はさらに切削
寿命は不安定で短くなる傾向にあった。また凝着現象に
起因し、凝着物が被加工物に再凝着し、結果、仕上げ面
粗さが悪くなる傾向にもあり、加工物の品質上において
も十分に満足するには至っていない。このような問題を
解決する為に、特開平１１−１５６９９２号公報にＣｒ
系潤滑皮膜を被覆した工具が提案されている。また、特
開平７−１５０３３６号はＣｒＮ膜が低硬度である欠点
を補うために、ＢＮを混在させることを提案している。
工具においては、ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比べ高温特性の優
れたＴｉＡｌＮ系皮膜が開発され、従来まで困難であっ
た調質鋼の切削などの、より過酷な条件下での使用を可
能とした被覆切削工具が主流化している。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、環
境問題及び加工コスト低減の観点から、切削工具の切削
速度の高速化、長寿命化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
摩耗皮膜と切削される材料との間に切削中に刃先に凝着
現象が発生し、切削性能に大きな影響を及ぼす傾向にあ
る。すなわちＴｉＡｌＮ系皮膜はこのような苛酷な切削
環境下においては、被加工物との凝着現象等に起因した
摩擦抵抗の増加により、十分な切削寿命を得られないの
が現状であった。また凝着物と一緒に皮膜が剥離、脱落
する現象も確認されておりこのような場合はさらに切削
寿命は不安定で短くなる傾向にあった。また凝着現象に
起因し、凝着物が被加工物に再凝着し、結果、仕上げ面
粗さが悪くなる傾向にもあり、加工物の品質上において
も十分に満足するには至っていない。このような問題を
解決する為に、特開平１１−１５６９９２号公報にＣｒ
系潤滑皮膜を被覆した工具が提案されている。また、特
開平７−１５０３３６号はＣｒＮ膜が低硬度である欠点
を補うために、ＢＮを混在させることを提案している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
のＣｒ系皮膜は、切削工具として用いるには硬度がきわ
めて不足しており、耐摩耗性が極めて悪く、切削初期に
すぐに摩耗し摩滅してしまい、その効果が切削初期にし
か発揮されない欠点を有するものである。また潤滑性に
おいてもいまだ十分であるとは言い難い。本発明はこう
した事情に鑑み、切削加工の高速化に対応可能な耐酸化
性及び耐摩耗性に優れた公知のＴｉＡｌＮ系皮膜と組み
合わせたときに優れた性能を発揮し、しかも被削材との
凝着および溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増加を抑制
し、更に上記の過酷な切削環境下においても、皮膜剥離
及び熱クラックによる異常摩耗が生じることなく、耐摩
耗性が著しく改善されたＣｒ系皮膜を被覆した多層皮膜
被覆工具を提供することを課題とする。
のＣｒ系皮膜は、切削工具として用いるには硬度がきわ
めて不足しており、耐摩耗性が極めて悪く、切削初期に
すぐに摩耗し摩滅してしまい、その効果が切削初期にし
か発揮されない欠点を有するものである。また潤滑性に
おいてもいまだ十分であるとは言い難い。本発明はこう
した事情に鑑み、切削加工の高速化に対応可能な耐酸化
性及び耐摩耗性に優れた公知のＴｉＡｌＮ系皮膜と組み
合わせたときに優れた性能を発揮し、しかも被削材との
凝着および溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増加を抑制
し、更に上記の過酷な切削環境下においても、皮膜剥離
及び熱クラックによる異常摩耗が生じることなく、耐摩
耗性が著しく改善されたＣｒ系皮膜を被覆した多層皮膜
被覆工具を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、工具基体に多
層の皮膜からなる被覆層を設け、該被覆層のうちの少な
くとも１層は構成元素として少なくともＴｉとＡｌとＮ
を含むＴｉＡｌＮ系皮膜である多層皮膜被覆工具におい
て、該被覆層のうち該ＴｉＡｌＮ系皮膜を除く他の層は
金属成分として、Ｃｒ及びＳｉ、Ｂの１種又は２種を含
有し、非金属成分としてＣ、Ｎ、Ｏの１種以上の元素を
含有するＣｒ系皮膜であり、該Ｃｒ系皮膜はＣｒ化合物
相中にＳｉの窒化物相及び／又はＢの窒化物相が介在
し、該Ｃｒ系皮膜のＸ線回折における最強ピーク面指数
と該ＴｉＡｌＮ系皮膜の最強ピーク面指数が同一であ
り、かつ、該面指数が（２００）面であることを要旨と
するものである。
層の皮膜からなる被覆層を設け、該被覆層のうちの少な
くとも１層は構成元素として少なくともＴｉとＡｌとＮ
を含むＴｉＡｌＮ系皮膜である多層皮膜被覆工具におい
て、該被覆層のうち該ＴｉＡｌＮ系皮膜を除く他の層は
金属成分として、Ｃｒ及びＳｉ、Ｂの１種又は２種を含
有し、非金属成分としてＣ、Ｎ、Ｏの１種以上の元素を
含有するＣｒ系皮膜であり、該Ｃｒ系皮膜はＣｒ化合物
相中にＳｉの窒化物相及び／又はＢの窒化物相が介在
し、該Ｃｒ系皮膜のＸ線回折における最強ピーク面指数
と該ＴｉＡｌＮ系皮膜の最強ピーク面指数が同一であ
り、かつ、該面指数が（２００）面であることを要旨と
するものである。
【０００５】本発明者はＣｒＮ耐凝着性皮膜を例に、種
々の添加成分の効果を鋭意研究した結果、ＳｉとＢの添
加と被覆条件の最適化により、ＣｒＮの耐摩耗性を著し
く改善できる知見を得るに至った。原因を調査した結
果、ＣｒＮ皮膜内部にこれら成分の窒化物が極めて微細
に分散していること、及びＣｒＮ皮膜の硬度がビッカー
スで１８５０から２６００に著しく上昇していることが
確認された。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
の方法を見出した。またＳｉの添加により耐摩耗性の改
善のみならず、さらに凝着現象も改善された。これは切
削中にＳｉが皮膜表面に外部拡散しＳｉの酸化物を形成
し、この酸化物が摩擦係数を低減させた結果であると考
えられる。
々の添加成分の効果を鋭意研究した結果、ＳｉとＢの添
加と被覆条件の最適化により、ＣｒＮの耐摩耗性を著し
く改善できる知見を得るに至った。原因を調査した結
果、ＣｒＮ皮膜内部にこれら成分の窒化物が極めて微細
に分散していること、及びＣｒＮ皮膜の硬度がビッカー
スで１８５０から２６００に著しく上昇していることが
確認された。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
の方法を見出した。またＳｉの添加により耐摩耗性の改
善のみならず、さらに凝着現象も改善された。これは切
削中にＳｉが皮膜表面に外部拡散しＳｉの酸化物を形成
し、この酸化物が摩擦係数を低減させた結果であると考
えられる。
【０００６】そして、ＴｉＡｌＮ系皮膜と耐凝着性に優
れたＣｒ系皮膜を組み合わせた多層皮膜被覆工具におい
て、Ｃｒ系皮膜中に異なる結晶構造を有する他成分系極
微細結晶を介在させることにより、ＴｉＡｌＮ系皮膜と
の密着性を大幅に改善し、Ｃｒ系皮膜の硬度を上昇せし
め、耐摩耗性を著しく改善する事に成功した。結果、上
記過酷な切削加工において凝着現象が少なくかつ耐摩耗
性にも優れ、切削工具としてのの寿命が極めて良好とな
ることを確認し本発明に到達した。
れたＣｒ系皮膜を組み合わせた多層皮膜被覆工具におい
て、Ｃｒ系皮膜中に異なる結晶構造を有する他成分系極
微細結晶を介在させることにより、ＴｉＡｌＮ系皮膜と
の密着性を大幅に改善し、Ｃｒ系皮膜の硬度を上昇せし
め、耐摩耗性を著しく改善する事に成功した。結果、上
記過酷な切削加工において凝着現象が少なくかつ耐摩耗
性にも優れ、切削工具としてのの寿命が極めて良好とな
ることを確認し本発明に到達した。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１及び図２は後述する本発明例
３の分析結果であり、ＣｒＳｉターゲットを用い、基体
バイアス電圧−３００Ｖ、反応圧０．５Ｐａ、被覆温度
３５０℃で被覆された皮膜のＥＳＣＡ解析結果を示す。
図１及び図２より、本発明例３の皮膜からは、ＣｒとＮ
の結合エネルギーから発生するピーク（図１）とＳｉ３
Ｎ４の結合エネルギーから発生するピーク（図２）が確
認され、皮膜がＣｒＮ相とＳｉ３Ｎ４相より構成されて
いることが確認できた。
３の分析結果であり、ＣｒＳｉターゲットを用い、基体
バイアス電圧−３００Ｖ、反応圧０．５Ｐａ、被覆温度
３５０℃で被覆された皮膜のＥＳＣＡ解析結果を示す。
図１及び図２より、本発明例３の皮膜からは、ＣｒとＮ
の結合エネルギーから発生するピーク（図１）とＳｉ３
Ｎ４の結合エネルギーから発生するピーク（図２）が確
認され、皮膜がＣｒＮ相とＳｉ３Ｎ４相より構成されて
いることが確認できた。
【０００８】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２０ｎｍ程度のナノ結晶であ
り、ｆｃｃ構造を有し柱状に成長するＣｒＮ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、ＣｒＮの硬
度を大幅に上昇せしめたものと考えられる。具体的には
ＣｒＮの硬度はビッカース硬度で約２０００であったが
これにＳｉを１０原子重量％添加し、上記被覆条件にて
ナノ結晶を介在させた層の硬度は約２７００であった。
ると、このＳｉ窒化物層は２０ｎｍ程度のナノ結晶であ
り、ｆｃｃ構造を有し柱状に成長するＣｒＮ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、ＣｒＮの硬
度を大幅に上昇せしめたものと考えられる。具体的には
ＣｒＮの硬度はビッカース硬度で約２０００であったが
これにＳｉを１０原子重量％添加し、上記被覆条件にて
ナノ結晶を介在させた層の硬度は約２７００であった。
【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く、被覆条件に依存し被覆時におけ
るイオンエネルギーが小さい場合、例えばバイアス電圧
−５０Ｖの場合はＳｉはｆｃｃ構造におけるＣｒＮのＣ
ｒ原子と置換し、硬度の上昇は確認されなかった。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。従って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。
成されるものではなく、被覆条件に依存し被覆時におけ
るイオンエネルギーが小さい場合、例えばバイアス電圧
−５０Ｖの場合はＳｉはｆｃｃ構造におけるＣｒＮのＣ
ｒ原子と置換し、硬度の上昇は確認されなかった。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。従って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】Ｂ添加の場合も同様な結果が確認された。
図３は後述する本発明例１の分析結果であり、ＣｒＢタ
ーゲットを用い基体バイアス電圧−３００Ｖ、反応圧
０．５ＰａでＣｒＢＮ皮膜を被覆した時の皮膜中のＢと
Ｎの結合エネルギーピークを示すＥＳＣＡ解析結果であ
る。他に、ＣｒとＮの結合エネルギーピークが図１と略
同様のピークで確認された。よって、皮膜はＣｒＮ相と
ＢＮ相から構成されることが確認された。この場合もＢ
Ｎ相はナノ結晶であり、格子歪の発生に起因する大幅な
硬度上昇が確認された。耐凝着性はＳｉ添加に比較して
さらに改善される結果であった。これはＢＮ相自体がＣ
ｒＮ等に比較してもさらに優れた潤滑性を有しているこ
とに起因すると考えられる。またＢ添加においても被覆
条件においてイオンエネルギーが小さい場合にはナノＢ
Ｎ相の出現は認められなかった。また成膜温度に関して
もＳｉの場合と同様な傾向であった。バイアス電圧に関
しては、基体に印可するバイアス電圧が−２５０Ｖを超
える場合にＳｉ、Ｂのナノ結晶が確認された。
図３は後述する本発明例１の分析結果であり、ＣｒＢタ
ーゲットを用い基体バイアス電圧−３００Ｖ、反応圧
０．５ＰａでＣｒＢＮ皮膜を被覆した時の皮膜中のＢと
Ｎの結合エネルギーピークを示すＥＳＣＡ解析結果であ
る。他に、ＣｒとＮの結合エネルギーピークが図１と略
同様のピークで確認された。よって、皮膜はＣｒＮ相と
ＢＮ相から構成されることが確認された。この場合もＢ
Ｎ相はナノ結晶であり、格子歪の発生に起因する大幅な
硬度上昇が確認された。耐凝着性はＳｉ添加に比較して
さらに改善される結果であった。これはＢＮ相自体がＣ
ｒＮ等に比較してもさらに優れた潤滑性を有しているこ
とに起因すると考えられる。またＢ添加においても被覆
条件においてイオンエネルギーが小さい場合にはナノＢ
Ｎ相の出現は認められなかった。また成膜温度に関して
もＳｉの場合と同様な傾向であった。バイアス電圧に関
しては、基体に印可するバイアス電圧が−２５０Ｖを超
える場合にＳｉ、Ｂのナノ結晶が確認された。
【００１１】またＳｉとＢの同時添加により、Ｓｉ３Ｎ
４相とＢＮ相、双方のナノ結晶が確認され、切削結果は
最も優れるものであり相乗効果が存在することが確認さ
れた。硬度の上昇はＳｉとＢ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とＣｒ系皮膜
間の密着性は劣化する傾向にあるためＳｉもしくはＢの
添加量はＣｒに対し５０原子％以下が好ましい。
４相とＢＮ相、双方のナノ結晶が確認され、切削結果は
最も優れるものであり相乗効果が存在することが確認さ
れた。硬度の上昇はＳｉとＢ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とＣｒ系皮膜
間の密着性は劣化する傾向にあるためＳｉもしくはＢの
添加量はＣｒに対し５０原子％以下が好ましい。
【００１２】ＳｉもしくはＢ量の増加時における密着性
の改善に対しては、ＴｉＡｌＮ系皮膜の結晶成長の優先
配向とＣｒを主成分とする硬質皮膜の結晶成長の優先配
向を同一にすることにより、層間の原子成長がエピタキ
シャルとなり、さらに優れた密着性を示す結果となっ
た。結晶配向を合わせることは勿論ＳｉとＢの添加量が
少ない場合にも有効な手段であることは言うまでもな
い。配向を合わせることは、被覆時に基体に印加するバ
イアスを調整することにより可能である。例えば、一般
にＣｒＮ系皮膜は広いバイアス範囲で（２００）面に配
向する。一方ＴｉＡｌＮ系皮膜は−５０〜−１００Ｖ未
満のバイアスでは（２００）に、それ以上では（１１
１）に配向する傾向にある。この境界のバイアスは勿論
反応圧等他の条件によっても影響をうけるため一義的に
は議論できない。従って例えば、ＴｉＡｌＮ系皮膜を−
５０〜−１００Ｖ未満のバイアスで被覆するとＣｒＮ系
皮膜と同一の（２００）配向となるため、より密着性を
向上せしめることが可能である。
の改善に対しては、ＴｉＡｌＮ系皮膜の結晶成長の優先
配向とＣｒを主成分とする硬質皮膜の結晶成長の優先配
向を同一にすることにより、層間の原子成長がエピタキ
シャルとなり、さらに優れた密着性を示す結果となっ
た。結晶配向を合わせることは勿論ＳｉとＢの添加量が
少ない場合にも有効な手段であることは言うまでもな
い。配向を合わせることは、被覆時に基体に印加するバ
イアスを調整することにより可能である。例えば、一般
にＣｒＮ系皮膜は広いバイアス範囲で（２００）面に配
向する。一方ＴｉＡｌＮ系皮膜は−５０〜−１００Ｖ未
満のバイアスでは（２００）に、それ以上では（１１
１）に配向する傾向にある。この境界のバイアスは勿論
反応圧等他の条件によっても影響をうけるため一義的に
は議論できない。従って例えば、ＴｉＡｌＮ系皮膜を−
５０〜−１００Ｖ未満のバイアスで被覆するとＣｒＮ系
皮膜と同一の（２００）配向となるため、より密着性を
向上せしめることが可能である。
【００１３】またＴｉＡｌＮ系皮膜において、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。周期律表のＴｉを除く４ａ、
５ａ、６ａ族金属成分での置換はＴｉＡｌ主成分硬質層
の幾分の硬度上昇させる傾向にあり、Ｓｉ、Ｙでの置換
はこれら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。
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。周期律表のＴｉを除く４ａ、
５ａ、６ａ族金属成分での置換はＴｉＡｌ主成分硬質層
の幾分の硬度上昇させる傾向にあり、Ｓｉ、Ｙでの置換
はこれら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】一方Ｃｒを主成分とする硬質皮膜において
もＣｒの一部を他元素、周期律表のＣｒを除く４ａ、５
ａ、６ａ族金属の一種以上で、置換することが有効であ
る。その理由はＣｒＮ相自体が他元素により固溶強化さ
れ、ＣｒＮマトリックス相自体の硬度が上昇することに
より、ＣｒＮ相の耐摩耗性が向上するためである。置換
量においてはＣｒＮの潤滑性を損なわなければ特に制限
はない。
もＣｒの一部を他元素、周期律表のＣｒを除く４ａ、５
ａ、６ａ族金属の一種以上で、置換することが有効であ
る。その理由はＣｒＮ相自体が他元素により固溶強化さ
れ、ＣｒＮマトリックス相自体の硬度が上昇することに
より、ＣｒＮ相の耐摩耗性が向上するためである。置換
量においてはＣｒＮの潤滑性を損なわなければ特に制限
はない。
【００１５】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。
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。
【００１６】
【実施例】（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４５０℃（ＴｉＡｌＮ系）３５０℃（Ｃｒ系）、
反応ガス圧力双方とも１．０Ｐａ、基体バイアス電圧−
７０Ｖ、−１５０Ｖ（ＴｉＡｌＮ系）−３００Ｖ（Ｃｒ
系）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各種の
バイアス電位を印加し、全皮膜の厚みが４μｍとなるよ
うに成膜し表１の本発明例１〜１５を得た。成膜の順序
は表１に記載の第１層を基体表面に成膜し、続いて第２
層を成膜し、層数に応じてこれを繰り返した。比較例に
おいてはＴｉＡｌＮ系は上記と同一条件にて、またＣｒ
系はナノ結晶が介在しないように、バイアス−１５０
Ｖ、被覆温度４００℃にて成膜した。その他皮膜はＴｉ
ＡｌＮ系被覆と同一条件で被覆して表１の比較例１６〜
２５を得た。なお、Ｂ、Ｓｉは蒸発源であるＣｒ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。表
１において、皮膜組成の表示は金属成分、非金属成分を
夫々合わせて１となるよう、原子比で表記したが、金属
成分と非金属成分の量比は必ずしも１：１となるもので
はない。またＢは、第１層では非金属成分、第２層では
金属成分に算入した。
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４５０℃（ＴｉＡｌＮ系）３５０℃（Ｃｒ系）、
反応ガス圧力双方とも１．０Ｐａ、基体バイアス電圧−
７０Ｖ、−１５０Ｖ（ＴｉＡｌＮ系）−３００Ｖ（Ｃｒ
系）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各種の
バイアス電位を印加し、全皮膜の厚みが４μｍとなるよ
うに成膜し表１の本発明例１〜１５を得た。成膜の順序
は表１に記載の第１層を基体表面に成膜し、続いて第２
層を成膜し、層数に応じてこれを繰り返した。比較例に
おいてはＴｉＡｌＮ系は上記と同一条件にて、またＣｒ
系はナノ結晶が介在しないように、バイアス−１５０
Ｖ、被覆温度４００℃にて成膜した。その他皮膜はＴｉ
ＡｌＮ系被覆と同一条件で被覆して表１の比較例１６〜
２５を得た。なお、Ｂ、Ｓｉは蒸発源であるＣｒ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。表
１において、皮膜組成の表示は金属成分、非金属成分を
夫々合わせて１となるよう、原子比で表記したが、金属
成分と非金属成分の量比は必ずしも１：１となるもので
はない。またＢは、第１層では非金属成分、第２層では
金属成分に算入した。
【００１７】
【表１】
【００１８】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。
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。
【００１９】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ＨＢ２２
０）、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。凝着が激しくなり切削不能にな
った時を寿命と判定し、その結果を表１に併記する。
切削、ダウンカット、被削材Ｓ５０Ｃ（硬さＨＢ２２
０）、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。凝着が激しくなり切削不能にな
った時を寿命と判定し、その結果を表１に併記する。
【００２０】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ＨＢ２２
０）、切り込みＡｄ０．３ｍｍ、ピックフィード＝０．
３ｍｍ、回転数１００００ｍｉｎ−１、送り２０００ｍ
ｍ／ｍｉｎ、水溶性切削液使用、とした。この場合加工
面の面粗さを測定した。切削初期の面粗さを表１に併記
する。また面粗さが２０ミクロンに達した時を寿命と
し、切削長を表１に併記する。
は、直線ダウンカット、被削材Ｓ５０Ｃ（硬さＨＢ２２
０）、切り込みＡｄ０．３ｍｍ、ピックフィード＝０．
３ｍｍ、回転数１００００ｍｉｎ−１、送り２０００ｍ
ｍ／ｍｉｎ、水溶性切削液使用、とした。この場合加工
面の面粗さを測定した。切削初期の面粗さを表１に併記
する。また面粗さが２０ミクロンに達した時を寿命と
し、切削長を表１に併記する。
【００２１】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２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．１０ｍｍ／
ｒｅｖ、乾式切削とした。表１に試験結果を記する。
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２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．１０ｍｍ／
ｒｅｖ、乾式切削とした。表１に試験結果を記する。
【００２２】本発明例１〜１１は各種ＴｉＡｌＮ系皮膜
と各種Ｃｒ系皮膜の多層例である。これらの本発明例に
おいては第１層のＴｉＡｌＮ系皮膜をバイアス電圧−７
０Ｖで被覆し、Ｃｒ系皮膜と同様に（２００）配向に成
膜した。Ｂ添加されたＣｒ系皮膜にはナノＢＮ相が、Ｓ
ｉ添加されたＣｒ系皮膜にはＳｉ３Ｎ４相が確認され
た。切削試験の結果では、従来技術に記載した比較例２
０と対比すると、インサートの寿命では１．５〜２．５
倍程度の向上が計れた。２枚刃エンドミルでも同様な傾
向が確認された。また、ボールエンドミルでは、面粗さ
において、ほぼ半分、寿命において最大２倍程度の向上
が計れた。比較例１２、１４はバイアス−１５０Ｖにて
（１１１）配向させた例、本発明例１３、１５はＴｉＡ
ｌＮ系皮膜をバイアス−７０Ｖで（２００）に配向させ
た場合の比較である。比較例１２、１４は前記の比較例
２０より優れるものの、Ｃｒ系皮膜と同一配向させた本
発明例１３、１５のほうが更に優れた結果となった。
と各種Ｃｒ系皮膜の多層例である。これらの本発明例に
おいては第１層のＴｉＡｌＮ系皮膜をバイアス電圧−７
０Ｖで被覆し、Ｃｒ系皮膜と同様に（２００）配向に成
膜した。Ｂ添加されたＣｒ系皮膜にはナノＢＮ相が、Ｓ
ｉ添加されたＣｒ系皮膜にはＳｉ３Ｎ４相が確認され
た。切削試験の結果では、従来技術に記載した比較例２
０と対比すると、インサートの寿命では１．５〜２．５
倍程度の向上が計れた。２枚刃エンドミルでも同様な傾
向が確認された。また、ボールエンドミルでは、面粗さ
において、ほぼ半分、寿命において最大２倍程度の向上
が計れた。比較例１２、１４はバイアス−１５０Ｖにて
（１１１）配向させた例、本発明例１３、１５はＴｉＡ
ｌＮ系皮膜をバイアス−７０Ｖで（２００）に配向させ
た場合の比較である。比較例１２、１４は前記の比較例
２０より優れるものの、Ｃｒ系皮膜と同一配向させた本
発明例１３、１５のほうが更に優れた結果となった。
【００２３】比較例２０，２１はＳｉ、Ｂを含有しない
ＣｒＮ皮膜である。また比較例２２はＢは含有するもの
のナノＢＮ相が介在しない場合の例であり、比較例２３
は同様にＳｉは含有するものの、ナノＳｉ３Ｎ４相が介
在しない場合の例である。いずれも本発明例に較べ耐摩
耗性が劣り短い寿命となった。また、潤滑性も不十分で
あり初期の面粗さが劣った。
ＣｒＮ皮膜である。また比較例２２はＢは含有するもの
のナノＢＮ相が介在しない場合の例であり、比較例２３
は同様にＳｉは含有するものの、ナノＳｉ３Ｎ４相が介
在しない場合の例である。いずれも本発明例に較べ耐摩
耗性が劣り短い寿命となった。また、潤滑性も不十分で
あり初期の面粗さが劣った。
【００２４】（実施例２）ＴｉＡｌ金属ターゲットのＴ
ｉの一部を他成分で置換したターゲット及びＣｒターゲ
ットのＣｒ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２６〜４２を作成し
た。実施例１と同一切削評価を実施した。その結果を表
１と同様の表記方法で表２に示す。
ｉの一部を他成分で置換したターゲット及びＣｒターゲ
ットのＣｒ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２６〜４２を作成し
た。実施例１と同一切削評価を実施した。その結果を表
１と同様の表記方法で表２に示す。
【００２５】
【表２】
【００２６】本発明例２６〜３７はＴｉＡｌＮ系皮膜に
第３成分を添加した例であり、いずれにおいても、Ｔｉ
ＡｌＮ系より、より優れた結果である。本発明例３８〜
４２はＣｒ系皮膜にＳｉ，Ｂ以外の第２成分を添加した
例であり、Ｃｒ系皮膜が若干耐摩耗性が向上できる。従
来例や単層の比較例１６〜２５に対し、本発明例１〜１
５、２６〜４２は、切削時の凝着現象に起因した異常摩
耗が進行することもなく、かつ、Ｃｒ系皮膜の耐摩耗性
が著しく優れ、総合して工具寿命が著しく向上する結果
となった。また、本発明は乾式高速切削加工にも十分対
応するものである。
第３成分を添加した例であり、いずれにおいても、Ｔｉ
ＡｌＮ系より、より優れた結果である。本発明例３８〜
４２はＣｒ系皮膜にＳｉ，Ｂ以外の第２成分を添加した
例であり、Ｃｒ系皮膜が若干耐摩耗性が向上できる。従
来例や単層の比較例１６〜２５に対し、本発明例１〜１
５、２６〜４２は、切削時の凝着現象に起因した異常摩
耗が進行することもなく、かつ、Ｃｒ系皮膜の耐摩耗性
が著しく優れ、総合して工具寿命が著しく向上する結果
となった。また、本発明は乾式高速切削加工にも十分対
応するものである。
【００２７】
【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耐凝着性と耐摩耗性が同時に
優れ、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。
は、従来の被覆工具に比べ耐凝着性と耐摩耗性が同時に
優れ、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１】図１は、Ｃｒ系皮膜中のＣｒＮの結合エネルギ
ー表すＸ線光電子分光スペクトルを示す。
ー表すＸ線光電子分光スペクトルを示す。
【図２】図２は、Ｃｒ系皮膜中のＳｉ３Ｎ４の結合エネ
ルギー表すＸ線光電子分光スペクトルを示す。
ルギー表すＸ線光電子分光スペクトルを示す。
【図３】図３は、Ｃｒ系皮膜中のＢＮの結合エネルギー
表すＸ線光電子分光スペクトルを示す。
表すＸ線光電子分光スペクトルを示す。
Claims (2)
- 【請求項１】 工具基体に多層の皮膜からなる被覆層を
設け、該被覆層のうちの少なくとも１層は構成元素とし
て少なくともＴｉとＡｌとＮを含むＴｉＡｌＮ系皮膜で
ある多層皮膜被覆工具において、該被覆層のうち該Ｔｉ
ＡｌＮ系皮膜を除く他の層は金属成分として、Ｃｒ及び
Ｓｉ、Ｂの１種又は２種を含有し、非金属成分として
Ｃ、Ｎ、Ｏの１種以上の元素を含有するＣｒ系皮膜であ
り、該Ｃｒ系皮膜はＣｒ化合物相中にＳｉの窒化物相及
び／又はＢの窒化物相が介在し、該Ｃｒ系皮膜のＸ線回
折における最強ピーク面指数と該ＴｉＡｌＮ系皮膜の最
強ピーク面指数が同一であり、かつ、該面指数が（２０
０）面であることを特徴とする多層硬質皮膜被覆工具。 - 【請求項２】 請求項１記載の多層皮膜被覆工具におい
て、該Ｃｒ系皮膜のＣｒの一部を周期律表のＣｒを除く
４ａ、５ａ、６ａ族金属の一種以上で置換したことを特
徴とする多層皮膜被覆工具。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP2000213536A JP3417907B2 (ja) | 2000-07-13 | 2000-07-13 | 多層皮膜被覆工具 |
| EP01306046A EP1174528B1 (en) | 2000-07-13 | 2001-07-13 | Multilayer-coated cutting tool |
| DE60116446T DE60116446T2 (de) | 2000-07-13 | 2001-07-13 | Mehrlagig beschichtetes Schneidwerkzeug |
| US09/903,561 US6586122B2 (en) | 2000-07-13 | 2001-07-13 | Multilayer-coated cutting tool |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000213536A JP3417907B2 (ja) | 2000-07-13 | 2000-07-13 | 多層皮膜被覆工具 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP3417907B2 true JP3417907B2 (ja) | 2003-06-16 |
Family
ID=18709274
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000213536A Expired - Lifetime JP3417907B2 (ja) | 2000-07-13 | 2000-07-13 | 多層皮膜被覆工具 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1174528B1 (ja) |
| JP (1) | JP3417907B2 (ja) |
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