JP3452726B2

JP3452726B2 - 多層被覆硬質工具

Info

Publication number: JP3452726B2
Application number: JP16680996A
Authority: JP
Inventors: 順彦島
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 2003-09-29
Anticipated expiration: 2016-06-05
Also published as: JPH09323204A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、優れた耐摩耗性を有す
る被覆硬質工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般的であったＴｉＮやＴｉＣＮ
コーティングに対し、近年Ａｌを含有させ、耐摩耗性、
耐酸化性を向上させる研究がなされ、特公平４−５３６
４２号、特公平５−６７７０５号に代表されるように、
Ａｌの添加効果を認める事例も種々存在する。また、人
工格子（超格子）を形成し、皮膜の特性を改善した事例
も認められる。これらの発明により、従来一般的であっ
たＴｉＮやＴｉＣＮ皮膜がＡｌを含有する皮膜へと改良
がなされつつあるのが現状である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近の
切削加工においては、高能率を得るため切削速度が更に
速くなる傾向にあり、また、金型加工においても、従来
は熱処理前の軟らかい鋼を切削していた場合が多いが、
熱処理後の高硬度材を直接加工する事例が増えつつある
のが現状である。このような高速切削、並びに高硬度材
料の切削においては、Ａｌの添加は皮膜の耐酸化性を向
上させ、ＴｉＮ皮膜よりは耐摩耗性を向上せしめるもの
の、今だ十分に満足のいくものではない。その理由は、
一般的にイオンプレーティングにより形成された皮膜
は、圧縮残留応力を有し、この圧縮残留応力は、皮膜の
膜厚が厚くなるに伴い増加する。皮膜は圧縮残留応力の
増加に伴い、その密着性は劣化し、従って、現状では使
用に耐え得る皮膜の厚さは、せいぜい５μｍが限界であ
る。その為、イオンプレーティングにより被覆された工
具は、化学蒸着法（ＣＶＤ）により蒸着された１０〜１
５μｍの膜厚を有する被覆工具に比べ、耐摩耗性が劣る
ことは否定できない事実であった。また、人工格子の形
成により、皮膜の硬さが向上することは事実であり、耐
摩耗性の向上は認められるものの、このような硬い皮膜
はヤング率が高く、皮膜が非常に高い圧縮残留応力を有
し、せいぜい３〜５μｍを形成するのが限界である。こ
のような人工格子皮膜は、高い圧縮残留応力を有するた
めに密着性に大きな課題を有するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、イオンプ
レーティング皮膜において、残留圧縮応力を低減し、厚
膜化を実現し、その結果耐摩耗性を向上せしめるととも
に、更に耐酸化性を向上せしめる研究を行った結果、配
向性の異なる２種の皮膜を多層被覆することにより、残
留圧縮応力は増加することなく、厚膜化が実現でき、ま
た、ＴｉＡｌに対し所定の第３成分にを添加することに
より、更に耐酸化性が向上するという知見を得るに至っ
た。

【０００５】

【作用】一般にイオンプレーティングにおいては、皮膜
は結晶成長において優先成長方位を有し、その結果、柱
状の結晶構造を持つ皮膜が形成される。１つ柱状の結晶
粒子を取り出してみれば、一定方位に強い結晶成長が認
められる単結晶であり、内部欠陥は極めて少ない。この
ような結晶が連続して成膜することが、皮膜の厚さの増
加に伴い残留圧縮応力が増加する原因である。本発明者
等は、優先成長方位のそれぞれ異なる２種の皮膜を多層
被覆することにより、皮膜と皮膜の界面に多くの格子欠
陥を導入する技術を開発するに至った。つまり、（１１
１）面に配向するＴｉの窒化物、炭窒化物と（２００）
面に配向するＴｉ、Ａｌ及び第３成分の窒化物、炭窒化
物を多層被覆することにおいて界面は不連続となり、エ
ピタキシャル成長が抑制され、多くの格子欠陥が導入さ
れる。この多くの格子欠陥は、皮膜の残留圧縮応力を緩
和するように成長中に再配列し、結果、皮膜の残留応力
を抑制し、厚膜化を可能にするものである。例えば、
（２００）に配向するＴｉ、Ａｌ及び第３成分の窒化物
を０．５μｍ形成すると残留応力は、１．２ＧＰａであ
り、この皮膜を１０μｍ形成すると残留圧縮応力は、８
ＧＰａを越え著しく密着性が劣化する。一方（２００）
に配向するＴｉ、Ａｌ及び第３成分の窒化物を０．５μ
ｍ、（１１１）に配向するＴｉＮを０．５μｍ形成し、
この繰り返しの多層被覆において１０μｍの皮膜を形成
した場合は、驚くべき事にその残留圧縮応力は、せいぜ
い２ＧＰａである。従って、本発明によれば容易に厚膜
化が可能であり、その結果被覆工具に皮膜の密着性を劣
化させることなく、非常に高い耐摩耗性を付与すること
が可能である。

【０００６】更に、切削中に皮膜表面に発生したクラッ
クは、結晶成長方向の異なる皮膜の界面において、その
伝播が抑制される傾向にあることが認められた。つま
り、クラック先端に発生する応力集中を界面の多数の格
子欠陥が緩和し、クラックの伝播に対し高い抵抗を示
す。同時にクラックは、更に進展する場合、界面に沿っ
て伝播し基体への伝播、それに起因する刃先の欠損を大
巾に抑制するものである。従って、本発明のよる多層被
覆硬質工具は、厚膜化により高い耐摩耗性を有すると共
に、クラックが伝播し難いため、同時に高い靱性を有す
るものである。よって、皮膜が厚い時のみならず、比較
的薄い場合においても工具寿命を向上させることは言う
までもない。また、ＴｉとＡｌの窒化物、炭窒化物その
ものの耐酸化性の向上に対し研究を加えた結果、Ｚｒ、
Ｈｆ、Ｙといった成分を添加することにより、耐酸化性
が著しく改善されることを見出した。

【０００７】また、本発明による多層皮膜は、前述のご
とく残留圧縮応力が極めて小さいため、高速度鋼、及び
サーメット合金に対しても極めて高い密着性を示すもの
である。一般的にイオンプレーティングの皮膜は、コー
ティング中に圧縮応力が発生する。また、高速度鋼やサ
ーメット合金は、熱膨張係数が皮膜よりも大きいため、
コーティング後の冷却工程において皮膜には更に圧縮応
力が付加される。その結果、室温に取り出した時、超硬
合金基体の場合よりも非常に高い圧縮応力を有し、結
果、密着性が著しく悪くなる。このような問題点も本発
明多層皮膜は、解決するものである。

【０００８】次に、皮膜にカーボンを含有させることに
より、皮膜硬度が著しく向上し、更なる耐摩耗性の向上
を実現させることが可能である。この場合、カーボン含
有量を不連続に変化させると概してカーボンを含有する
皮膜の残留圧縮応力は著しく高いため、その界面強度が
著しく劣化する。従って、カーボンを含有させるために
は、Ｃ₂Ｈ₂あるいはＣＨ₄といったカーボン供給源を連
続して徐々に増加させ、皮膜にカーボンを含有せしめる
ことにおいて、密着性に問題を生じることなく、皮膜の
潤滑性向上、及び硬さ向上による耐摩耗性の向上が可能
である。更に、切削中に皮膜は酸化し、形成されたポー
ラスな酸化皮膜が摩耗する繰り返しにより、摩耗が進行
する現象を見出した。この皮膜の酸化を更に抑制する手
段としては、酸化に対し最も安定であるＡｌ₂Ｏ₃皮膜を
介在させることが最も効果的である。本発明者らは、イ
オンプレーティングにより皮膜を形成した後、プラズマ
ＣＶＤもしくはＭＯＣＶＤによりＡｌ₂Ｏ₃を形成するこ
とにより、密着性の極めて優れるＡｌ₂Ｏ₃皮膜を形成す
ることに成功した。Ａｌ₂Ｏ₃の形成により、皮膜の酸化
による摩耗は大巾に抑制される。特に、本発明による皮
膜は基体が超硬合金、あるいはサーメット合金のインサ
ート、高速度鋼エンドミルといったような比較的一刃当
たりの送り量が高く、皮膜に耐摩耗性と靱性（耐クラッ
ク伝播性）が必要とされる用途において特に有効であ
る。

【０００９】以下、数値を限定した理由について述べ
る。Ｔｉ、Ａｌ及び第３成分の窒化物、炭窒化物のＩ
（２００）／Ｉ（１１１）の値を１以上とした理由は、
この皮膜が（１１１）面に強く配向すればするほど高い
圧縮応力を有するようになるため好ましくなく、（２０
０）面に配向した方が、この皮膜自体の残留圧縮応力が
低いため、（２００）面に配向すべく１以上とした。Ｔ
ｉの窒化物、炭窒化物は前述のように、（２００）面に
配向したＴｉ、Ａｌ及び第３成分の窒化物、炭窒化物層
との多層被覆において、界面に格子欠陥を導入するた
め、前記ＴｉとＡｌの窒化物、炭窒化物と反対に（１１
１）面に配向させなければならず、Ｉ（２００）／Ｉ
（１１１）の値は１以下とした。第３成分のＺｒ、Ｈ
ｆ、Ｙ等に対しては、その置換量において０．１原子％
以下だと耐酸化性の向上に対し、全く効果が認められ
ず、また、５０原子％を越えると本来ＴｉもしくはＴｉ
とＡｌの窒化物、炭窒化物が有する耐摩耗性を劣化させ
るため、０．１原子％以上５０原子％以下とした。以
下、実施例に基づき本発明を説明する。

【００１０】

【実施例】

実施例１ＪＩＳＰ４０グレードの超硬合金インサート、及びφ
１２、４枚刃の市販高速度鋼ラフィングエンドミルにア
ークイオンプレーティング法により、Ｔｉターゲット、
ＴｉＡｌＭｅターゲット（Ｔｉ／Ａｌ＝１、Ｍｅ＝５ａ
ｔ％、Ｍｅ＝Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｗ、Ｙ、Ｓｉ）を用
い、表１に示す皮膜を形成した。

【００１１】

【表１】

【００１２】比較工具として同じアークイオンプレーテ
ィング法により、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ皮膜を形成した。
超硬合金インサートにおいては、切削条件１に基づきフ
ライス切削を行い、逃げ面摩耗値が０．３ｍｍに達する
までの切削長さと求め、それを寿命とした。また、高速
度鋼エンドミルにおいては、切削条件２に基づき切削を
行い、逃げ面摩耗値が０．２ｍｍに達するまでの切削長
を求め、それを寿命とした。その結果も表１に併記す
る。切削条件１は、被削材ＤＡＣ（調質材）ＨＲＣ＝４
０、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、送り０．１ｍｍ／刃、
切り込み２ｍｍで行い、インサートの形状はＳＥＥ４２
−ＴＮ型を用いた。切削条件２は、被削材ＤＡＣ（生
材）ＨＲＣ＝１０、切削速度５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．
０７ｍｍ／刃、切り込み軸方向１８ｍｍ、径方向６ｍ
ｍ、切削油なし、ＤｏｗｎＣｕｔで行った。

【００１３】表１から明らかなように本発明による多層
被覆工具は、１０μｍ以上の厚膜化においても皮膜の剥
離や刃先のチッピングは認められず、安定した長時間の
切削が可能である。

【００１４】実施例２実施例１で用いた超硬インサートを用い、表２に示す発
明合金を実施例１と同様にアークイオンプレーティング
法を用い成膜した後、ＭＯ−ＣＶＤにより６００℃、１
ｈｒ、α−Ａｌ₂Ｏ₃をその上に最外層として成膜した。
切削条件１により、その寿命を評価した結果も表２に併
記する。

【００１５】

【表２】

【００１６】表２から明らかなように本発明工具は、Ａ
ｌ₂Ｏ₃皮膜を形成することにより、更に長寿命化が達成
される。

【００１７】実施例３実施例１で試作した試料番号１の本発明合金において、
皮膜中に連続してカーボン含有量を増加させ、カーボン
を含有せしめた工具を試作した。その内容を表３に示
す。

【００１８】

【表３】

【００１９】表３中、αはＣ₂Ｈ₂を添加し始めた時点の
皮膜の厚さ、ｂは徐々にＣ₂Ｈ₂量を増やし、その後一定
とした時点の皮膜の厚さを示す。すなわちａ−ｂの間が
連続してカーボン含有量が増加する層である。この場
合、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物Ｔｉ、Ａｌ及び第３
成分の窒化物もしくは炭窒化物の各層の厚さはそれぞれ
０．５μｍとした。実施例１において用いた切削条件１
及び２において超硬インサート、高速度鋼エンドミルに
対し、切削テストを行い寿命を求めた。その結果も表３
に併記する。

【００２０】表３から明らかなように、本発明合金にカ
ーボンを含有量しめることにより、更に耐摩耗性の向上
が確認された。

【００２１】実施例４６ヶのターゲットを有するアークイオンプレーティング
装置を用い（３段×２列）最上段の１ケを第３成分のタ
ーゲットを設置し、そのしたの２ケをＴｉターゲット、
反対の列の３ヶをＴｉＡｌターゲットとし表４に示す組
成の発明を試作した。

【００２２】

【表４】

【００２３】第３成分比は、第３成分ターゲットからの
距離により変化するが、また、同時に第３成分ターゲッ
トに流すアーク電流Ｔｉを調整することにより抑制し
た。これらの本発明例及び比較例を大気中７５０℃で１
ｈｒ保持し酸化をさせ酸化膜厚を抑制した。その結果を
表４に併記する。また、切削条件１により、インサート
において寿命評価をした結果も併記する。

【００２４】表４より、第３成分の添加により耐酸化性
の著しい向上が認められ、同時に耐酸化性向上に起因す
る寿命の向上が確認される。

【００２５】実施例５２５ＴｉＣ−３０ＴｉＮ−２０ＷＣ−５ＴａＣ−５Ｍｏ
₂Ｃ−８Ｃｏ−７Ｎｉ（重量％）なる組成のサーメット
合金を表５に示す内容で試作し、実施例１と同様にコー
ティングを行った。

【００２６】

【表５】

【００２７】インサートにおいて、切削条件３により切
削評価を行い、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍに達するま
での切削長を求め寿命とした。その結果も表５に併記す
る。切削条件３は、インサート（ＳＥＥ４２−ＴＮ）を
用い被削材ＳＫＤ６１（生材ＨＲＣ１２）、切削速度
２５０ｍ／ｍｉｎ、送り量０．１ｍｍ／刃、切り込み
量２ｍｍである。被削材の大きさは、実施例１と同一
である。表５に示すとおり、本発明多層被覆サーメット
においては、切削中に皮膜の剥離がなく、長寿命の達成
が可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上の如く、本発明を適用することによ
り、皮膜の厚さの増加に伴う残留圧縮応力を緩和すると
ともに厚膜化が出来、更に、膜の密着性を劣化させるこ
となく、また、クラックが伝播し難いため、同時に高い
靱性を有する被膜が得られた。また、第３元素、酸化物
被膜、皮膜にカーボンを含有等とを組み合わせることに
より皮膜硬度、潤滑性、耐酸化性を顕著に向上させるこ
とが出来る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者島順彦千葉県成田市新泉13番地の２日立ツール株式会社成田工場内 (56)参考文献特開平７−237010（ＪＰ，Ａ) 特開平２−131802（ＪＰ，Ａ) 特開平３−31469（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｔｉ窒化物もしくは炭窒化物からなる層
と、Ｔｉ、Ａｌ及び第３成分の窒化物もしくは炭窒化物
からなる層とを被覆した多層被覆硬質工具において、Ｘ
線回析における（１１１）面の強度をＩ（１１１）、
（２００）面の強度をＩ（２００）としたとき、Ｔｉの
窒化物もしくは炭窒化物層のＩ（２００）／Ｉ（１１
１）の値が１未満であり、Ｔｉ、Ａｌ及び第３成分の窒
化物もしくは炭窒化物層のＩ（２００）／Ｉ（１１１）
の値が１以上であり、かつ、第３成分はＺｒ、Ｈｆ、Ｃ
ｒ、Ｗ、Ｙ、Ｓｉ、Ｃｅ、Ｎｂから選ばれた１種もしく
は２種以上の成分であり、上記Ｉ（２００）／Ｉ（１１
１）の値が１未満の層と、上記Ｉ（２００）／Ｉ（１１
１）の値が１以上の層とを２回以上に亘って交互に繰り
返す多層被覆を形成したことを特徴とする多層被覆硬質
工具。
【請求項２】請求項１記載の多層被覆硬質工具におい
て、カーボンの含有量が、基体表面から被膜表面の方向
において連続して増加する層を有することを特徴とする
多層被覆硬質工具。
【請求項３】請求項１または２記載の多層被覆硬質工
具において、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｗ、Ｙ、Ｓｉ、Ｃｅ、
Ｎｂの１種、または２種以上の添加量がＴｉとＡｌに対
し０．１原子パーセントから５０原子パーセントの範囲
であることを特徴とする多層被覆硬質工具。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか一項記載の多
層被覆硬質工具において、Ａｌの酸化物層を少なくとも
１層有することを特徴とする多層被覆硬質工具。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか一項記載の多
層被覆硬質工具において、基体が超硬合金インサートで
あることを有する多層被覆硬質工具。
【請求項６】請求項１乃至４のいずれか一項記載の多
層被覆硬質工具において、基体が高速度鋼エンドミルで
あることを特徴とする多層被覆硬質工具。
【請求項７】請求項１乃至４のいずれか一項記載の多
層被覆硬質工具において、基体がサーメットインサート
であることを特徴とする多層被覆硬質工具。