JP3454428B2 - 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、高硬度鋼の高速切
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号公報、
特開平２−１９４１５９号公報に代表される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、近年では更なる加工の高能
率、高精度化の要求を満たす為、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切削さ
れる材料（以下、被削材と称す）との溶着現象が切削性
能に大きな影響を及ぼすとともに、切削温度がより高温
になりＴｉＡｌＮ系皮膜でも耐酸化が十分ではない状況
にある。すなわち、従来までの前記ＴｉＮ、ＴｉＣＮお
よびＴｉＡｌＮ皮膜はこのような苛酷な切削環境下にお
いては、被削材との溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増
加及び酸化の進行により、十分な切削性能を得られな
く、また酸化による摩耗進行を十分に抑制できていなく
なったのが現状である。

【０００４】このような問題を解決する為に、耐溶着性
を改善する観点より特表平１１−５０２７７５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最表面に
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上耐酸
化性に乏しく、切削時に剥離または破壊、酸化摩滅など
により上記切削環境下においては十分対応できてはいな
い。

【０００５】また、耐酸化性を改善する観点から特開平
７−２３７０１０号公報や特開平１０−１３０６２０号
公報に代表されるようにＴｉＡｌＮに第３成分を添加す
る事例があるものの、第３成分の添加によるだけでは十
分に満足される耐酸化性の向上は実現されていないのが
実状である。また特開平８−１１８１０６号公報にはＴ
ｉＳｉＮの事例も提案されているが、単なるＴｉＳｉＮ
では耐酸化性を改善するには至っていない。

【０００６】また特開平１１−１３８０３８号公報にみ
られるように硬質皮膜内部にＳｉ_３Ｎ _４粒等を介在させ
る事例もみられるがＳｉ_３Ｎ_４粒界を介して酸化が進行
するため十分な耐酸化性を付与するに至っていない。

【０００７】

【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、耐酸化性に優れるとともに被削材との溶着性が少な
い硬質層を提案し、耐酸化及び耐溶着性を同時に実現
し、高硬度鋼を乾式で高速切削出来うる耐摩耗皮膜被覆
工具を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、硬質皮膜の
耐摩耗性と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、
耐溶着性を付与する（Ｔｉ_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硬質層を被覆するこ
とにより耐溶着性を改善し、さらにその結晶形態を制御
することにより、耐酸化性及び耐摩耗性を同時に付与さ
れた硬質皮膜被覆工具とする事により、高硬度鋼の乾式
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。また、該硬質層はＣ
ｒＡｌＮ系硬質皮膜等との組み合わせにより、より密着
性、耐酸化性の優れた被覆工具を実現するものである。
また上記耐摩耗皮膜は、物理蒸着法により被覆されるこ
とが望ましい。

【０００９】

【作用】はじめに、該硬質層に関して、その各構成の作
用について詳しく述べる。（Ｔｉ _ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘ
Ｂ_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ＴｉとＳｉより構
成される窒化物もしく窒硼化物は、大気中、室温におけ
る鋼との摩擦係数が従来のＴｉＡｌ窒化物皮膜の０．８
に比べ、０．６と低摩擦を示すが、特に高温下ではその
数値が０．３に激減する。これは高温下で皮膜内のＳｉ
が切粉との間の反応により皮膜表面に内部拡散し、皮膜
表面で低融点のＳｉ酸化物を形成することに起因するこ
とが確認された。

【００１０】この低融点のＳｉ酸化物により（Ｔｉ_ａＳ
ｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）皮膜は潤滑皮膜として機能
し、溶着による切削抵抗の増大を抑制する作用を有する
ものであることが確認された。さらに硼素の添加によ
り、硼素が皮膜内部でＢＮ相を形成し、このＢＮ相の有
する潤滑性の作用により、より一層潤滑性が向上するこ
とが明らかとなった。

【００１１】耐酸化性の向上に対し、本発明者らは鋭意
検討した結果、（ＴｉａＳｉ１−ａ）（ＮｘＢ１−ｘ）
相の結晶形態が耐酸化性に大きく影響を及ぼし、結晶形
態を制御することにより、一般的に耐酸化性が優れると
言われる（ＴｉＡｌ）Ｎ系皮膜より優れる耐酸化性を持
たせることができるという驚くべき知見を得るに至っ
た。（ＴｉａＳｉ１−ａ）（ＮｘＢ１−ｘ）相は被覆時
のイオンエネルギーにより結晶形態が異なり、イオンエ
ネルギーが低い場合は全体的に柱状結晶を呈し、その中
にＳｉ３Ｎ４粒子が介在した形態となる。イオンエネル
ギーが高い場合は、全体的にアモルファス状に近い状態
となり、ＴｉＮＢの中にＳｉとＮの結合が確認される状
態となる。イオンエネルギーが中程度であり、かつ被覆
温度が５５０℃以上の場合は完全アモルファスのＴｉＳ
ｉＢＮ相が微細に存在し、このＴｉＳｉＢＮ相のＳｉ含
有量は、マトリックスとなるＴｉＳｉＢＮ相より富む形
態となることが確認された。温度が低いとイオンエネル
ギーが高い場合と同様の結晶形態を呈することが確認さ
れた。温度、イオンエネルギーと結晶形態との相関理由
は今後の物理学的研究が必要である。

【００１２】中でも完全アモルファスＴｉＳｉＢＮ相が
微細に存在する場合、粒界が非常に整合した粒界とな
り、欠陥が少なく、酸素の粒界での拡散を著しく抑制
し、非常に優れた耐酸化性を有することが確認された。
同時に微細に介在することにより、マトリックスを歪強
化し、硬度が向上し結果耐摩耗性をも向上することにな
った。

【００１３】被覆条件としては比較的イオンエネルギー
が中程度となる、-１００Ｖ〜-１５０Ｖの印荷バイア
ス、反応圧力は１Ｐａ〜５Ｐａ程度、被覆温度は５５０
℃以上が好ましい範囲である。

【００１４】本発明の硬質皮膜を構成する硬質層の金属
元素の組成は、（Ｔｉ_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、Ｓｉ含有量が多く
なりすぎて、皮膜そのものの靭性が劣化し、乾式高速切
削において皮膜の内部破壊や破壊にともなう皮膜の剥離
が顕著となり、十分な性能を発揮できない。

【００１５】また、上記硬質層に係る窒化物もしくは窒
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、残留圧縮応力が増大
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。

【００１６】アモルファスＴｉＳｉＢＮ相の微細結晶粒
径は５００ｎｍを越えると格子歪の効果が少なく、皮膜
の硬度向上寄与が低下するため、５００ｎｍ以下である
方がより好ましい。該硬質層は、静的および動的条件下
において優れた密着性、低摩擦、高耐酸化性を有するも
のの、ＨＲＣが６０を越えるような高硬度鋼の乾式高速
切削加工には、単一皮膜では密着性が十分でなく剥離が
発生する場合がある。そこで、優れた耐密着性並びに耐
摩耗性、耐酸化性を有した（ＣｒＡｌ）Ｎ硬質層等と積
層することが、このような高硬度鋼切削ではより好まし
い結果となる。（ＴｉＡｌ）Ｎ系硬質層との積層も性能
を改善するものであるが、（ＣｒＡｌ）Ｎ硬質層との積
層が耐酸化性の向上の観点からより好ましいものであ
る。

【００１７】ここで用いられる（ＣｒＡｌ）Ｎ層は場合
によっては第３の金属成分を添加されたものでも同様の
作用が期待されることは、言うまでもないことである。

【００１８】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。

【００１９】

【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６００℃、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、および超硬合金製インサートに−１３０Ｖ
の電位を印加し、全皮膜総厚みが３μｍとなるように成
膜した。また硼素、Ｓｉは蒸発源であるターケ゛ットに必要量
添加した。比較例１９，２０の（ＴｉＳｉ）Ｎ系皮膜は
基体温度４００℃、反応ガス圧力３．０Ｐａ、バイアス
-１００Ｖで成膜したもので単純な固溶体（ＴｉＳｉ）
Ｎ層である。試作した本発明例並びに比較例を表１に示
す。尚多層の場合はＴｉＳｉＮ系層の総厚１．５μ、他
層の総厚１．５μとなるよう均等に被覆した。

【００２０】

【表１】

【００２１】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。得られた結果を表１に併記す
る。

【００２２】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。

【００２３】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２．０
ｍｍ、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．１５ｍｍ／
ｒｅｖ、乾式切削とした。表１に試験結果を併記する。

【００２４】同様に膜の耐酸化性と高温摩擦係数を測定
した結果を表２に示す。耐酸化性はそれぞれ５μの皮膜
を被覆し９００℃大気中で１時間保持した時に形成され
る酸化層の厚さで評価した。摩擦係数は６００℃におい
てＳＫＤ６１のボールを用い、一般的なボールオンディ
スク法により測定した。

【００２５】

【表２】

【００２６】比較例１６、１７はＳｉもしくは硼素の量
が多すぎる場合の比較例であり、静的評価数値は満足す
るものの密着性が十分ではなく工具寿命が短い結果であ
る。また１９，２０は同じ（ＴｉＳｉ）Ｎ系皮膜である
が、被覆条件によりアモルファスナノ構造が介在しない
単純な固溶体（ＴｉＳｉ）Ｎの事例である。比較例１
３、１４、１５は、ＴｉＡｌＮ系皮膜に第３成分を添加
した事例であり、耐酸化性は改善はされるものの、本発
明例と比べれば改善効果が少ない。

【００２７】これらに対し本発明例は、静的評価特性に
優れると同時に、密着性にも優れ、溶着現象に起因した
異常摩耗や皮膜の酸化摩耗、皮膜剥離が進行することも
なく、総合して工具寿命が著しく向上する。従って、本
発明は高硬度鋼の乾式高速切削加工に十分対応するもの
である。

【００２８】

【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高密着性、低摩擦、高
耐酸化性を同時に有すことから、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ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明例の（Ｔｉ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ
_ｘＢ_１−ｘ）マトリックス内に介在する微細アモルファ
ス結晶（Ｔｉ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）のＴＥＭ
像を示す。

【図２】図２は、図１中のスポット１に対応する（Ｔｉ
_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）マトリックスの極微電
子線回折像を示す。

【図３】図３は、図１中のスポット２に対応する（Ｔｉ
_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）微細アモルファス結晶
（Ｔｉ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）の極微電子線回
折像を示す。

【図４】図４は、図１中のスポット１に対応する（Ｔｉ
_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）マトリックスの組成分
析結果を示す。

【図５】図５は、図１中のスポット２に対応する（Ｔｉ
_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）微細アモルファス結晶
（Ｔｉ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）の組成分析結果
を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2002−331407（ＪＰ，Ａ) 特開2000−326107（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−264066（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−241825（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−19806（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−118106（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23B 27/14 C23C 14/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に硬質皮膜、（ＴｉａＳｉ１−
   ａ）（ＮｘＢ１−ｘ）、但し、０．５≦ａ＜１、０．５
   ≦ｘ≦１、で示される化学組成からなる硬質層を少なく
   とも１層被覆された耐摩耗皮膜被覆工具において、該硬
   質層が相対的にＳｉに富む（ＴｉＳｉ）（ＮｘＢ１−
   ｘ）相と相対的にＳｉの少ない（ＴｉＳｉ）（ＮｘＢ１
   −ｘ）相とから構成され、該Ｓｉに富む（ＴｉＳｉ）
   （ＮｘＢ１−ｘ）相がアモルファス相であることを特徴
   とする耐摩耗皮膜被覆工具。
2. 【請求項２】 請求項１記載の耐摩耗皮膜被覆工具にお
   いて、該Ｓｉに富む（ＴｉＳｉ）（ＮｘＢ１−ｘ）相の
   結晶粒径が５００ｎｍ以下であることを特徴とする耐摩
   耗皮膜被覆工具。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の耐摩耗皮膜被覆工
   具において、該硬質層とＣｒとＡｌを主成分とする窒化
   物、炭窒化物、窒酸化物、窒硼化物層が２層以上積層さ
   れたことを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。