JP3586216B2 - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents

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される被覆工具、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許第２７９３７７３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７−２３７０１０号公報、特開平１０−１３０６２０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】
本発明者らは、ＴｉＡｌを主金属成分とする硬質皮膜被覆工具において、硬質層中に異なる結晶構造を有するナノ結晶を介在させることにより、ナノ結晶の分散強化機構、格子歪により、高温下でも皮膜硬度劣化の極めて少ない硬質皮膜の開発に成功した。結果、高硬度鋼の乾式、高速切削加工において、切削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。すなわち、本願発明は、基体表面にＴｉとＡｌを主成分とする金属成分と、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂ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、該硬質層の少なくとも１層はＳｉを含有し、相対的にＳｉに富みアモルファスであるＴｉとＡｌとＳｉとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択されるすくなくとも１種との化合物相と、相対的にＳｉに乏しい結晶質のＴｉとＡｌとＳｉとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択されるすくなくとも１種との化合物相と、から構成され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、ＴｉＡｌＮ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の単純添加は（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎの固溶体を形成するが、これとは異なり、ＴｉＡｌＳｉＮ結晶質皮膜内部に相対的にＳｉに富む（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎのアモルファス微細結晶粒を介在分散せしめ、ＴｉＡｌＳｉＮ皮膜の室温硬度がビッカースで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】
このアモルファスナノ結晶が格子歪を発生し分散強化機構により、ＴｉＡｌＳｉＮ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。さらにアモルファス微細粒のマトリックスとの粒界は比較的整合し、格子欠陥が少なく、結晶粒界での酸素の拡散が発生しにくく、結果、耐酸化性に著しく優れた皮膜を形成することも明らかになった。
【０００９】
しかしながら、この分散アモルファス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。またイオンエネルギーが大きい場合、ナノ結晶は結晶化し、明確な結晶粒界を形成し、硬度向上には格子歪の発生を伴い寄与するものの、耐酸化性の向上に十分な効果を発揮しない。アモルファスナノ結晶を形成するためには中程度のイオンエネルギーでかつ、被覆温度が５５０℃以上が必要である。高温によりＳｉの拡散速度が増え、均一な組成分布の固溶体からＳｉ凝集相を形成するものと考えられるが、被覆時のイオンエネルギーが結晶形態を左右している理由についてはさらに研究が必要である。
【００１０】
従って、被覆時の印加バイアスは−１００Ｖ程度、反応圧は１〜５Ｐａ程度で形成されるイオンエネルギーにおいて、５５０℃以上の高温で被覆することが好ましいといえる。
【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】
本発明による（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ層は単層でも十分な切削性能を示すが、より密着性を向上せしめる観点から一般的な（ＴｉＡｌ）Ｎ系皮膜と組み合わせて被覆するほうが好ましい結果となる場合もある。
【００１３】
この場合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。
【００１４】
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４ａ、５ａ、６ａ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。
【００１５】
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、本発明皮膜を十分厚く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。
【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】
（実施例１）
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５５０℃、反応ガス圧力１．０Ｐａ、基体印加バイアス電圧１２０Ｖ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。また、Ｂ層（２００）配向皮膜は被覆温度４５０℃、基体印加バイアス−１００Ｖ、反応ガス圧１．０Ｐａにおいて被覆し本発明例を作成した。（１１１）配向皮膜は基体印加バイアスを−１５０Ｖとした。比較例においては、Ａ層欄に便宜上記載したＴｉＡｌＳｉ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。つまり比較例における（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ皮膜は被覆条件が異なるため、単一固溶体を呈する皮膜である。皮膜の総厚さは３μ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。
【００１８】
【表１】

【００１９】
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。
【００２０】
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ＨＲＣ６５）、切り込みＡｄ１０ｍｍ×Ｒｄ０．１ｍｍ、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、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。
【００２１】
インサート切削条件は、工具形状ＳＥＥ４２ＴＮ、巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの面取り加工、被削材ＳＫＤ６１（硬さＨＲＣ４５）、切り込み１．５ｍｍ、切削速度２５０ｍ／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。
【００２２】
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、耐酸化摩耗性、高温での耐アブレシブ摩耗性の改善によるところが大きいことが確認された。比較例１６、１７、１８、１９は同一組成ではあるが、被覆条件により均一な（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ固溶体皮膜の事例である。比較例２０、２１同様に均一な（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ固溶体皮膜と（１１１）配向した（ＴｉＡｌ）Ｎとの複合化事例である。比較例２３、２４は一般的組み合わせの事例である。いずれにおいても、切削寿命は満足のいくものではないことは明らかである。
【００２３】
本発明例１〜８は各種組成においてアモルファスナノ結晶（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎを介在させた単層皮膜の例、９から１５はＴｉＡｌＮ系皮膜との多層化の事例である。いずれにおいても長寿命が達成され、また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。
【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、またＴｉＡｌ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と同一なエンドミル切削評価を実施し、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系硬質皮膜に第３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。これは第３成分の固溶体強化により高温硬度がより向上することによるものと推察される。
【００２７】
（実施例３）
表３に示す各種皮膜を実施例１と同一条件でＰ３０グレードの旋削用インサートを試作した。皮膜の厚さは１２ミクロンとした。比較例に示したインサートは市販のＣＶＤ被覆超硬インサートであり母材はＰ３０グレードのものを用いた。切削速度１８０ｍ／ｍｉｎ送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ切りこみ２ｍｍで旋盤による連続切削を実施し、平均逃げ面摩耗が０．３ｍｍになる切削時間を寿命と判定した。また４つ溝を設けた被削材で断続切削を同一条件で実施し、インサートが欠損するまでの衝撃回数を求めた。その結果を表３に併記する。用いた被削材はＳ５３Ｃである。
【００２８】
【表３】

【００２９】
表３から明らかなように、本発明例はＣＶＤ被覆インサートと同程度の耐摩耗性を有するに加え、圧倒的に優れる耐欠損性を有することが明らかである。これはＣＶＤ被覆皮膜が引っ張りの残留応力を有するのに反し、ＰＶＤ被覆皮膜が圧縮の残留応力を有し、クラックが発生し難いことに起因するものである。
【００３０】
【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、皮膜の耐酸化性に優れ、高温硬度が高いことに起因し、耐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。

Claims (3)

1. 基体表面にＴｉとＡｌを主成分とする金属成分と、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂ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、該硬質層の少なくとも１層はＳｉを含有し、相対的にＳｉに富みアモルファスであるＴｉとＡｌとＳｉとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択されるすくなくとも１種との化合物相と、相対的にＳｉに乏しい結晶質のＴｉとＡｌとＳｉとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択されるすくなくとも１種との化合物相と、から構成されることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
2. 請求項１記載の硬質皮膜被覆工具において、該ＴｉＡｌを主成分とする硬質層の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１乃至２記載の硬質皮膜被覆工具において、該ＴｉＡｌを主成分とする硬質層のＴｉの一部を３０原子％以下の範囲において、Ｔｉを除く４ａ、５ａ、６ａ族の金属、Ｙのうち１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。