JP3589396B2

JP3589396B2 - 硬質皮膜被覆工具

Info

Publication number: JP3589396B2
Application number: JP13803899A
Authority: JP
Inventors: 謙一井上
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: JP2000326106A

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】
従来はＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を被覆した切削工具が汎用的かつ一般的であった。ＴｉＮは比較的耐酸化性に優れるため、切削時の発熱によって生じる工具のすくい面摩耗に対して、優れた耐摩耗性を示すだけでなく、母材との密着性も良好であることが特長である。また、ＴｉＣＮは、ＴｉＮに比べ高硬度であるため、工具の逃げ面摩耗に対して優れた特性を示す。しかしながら、金属加工の高能率化を目的とした切削速度の高速化傾向に対し、上記硬質皮膜では、十分な耐酸化性、耐摩耗性を示さなくなった。この様な背景から、皮膜の耐酸化性、耐摩耗性をより向上させる研究がなされ、その結果、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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＴｉＡｌＮ皮膜は、その皮膜中に含有するＴｉとＡｌの成分比率により異なるものの、概略２３００〜２８００のビッカース硬さを有すだけではなく、耐酸化性が、前記ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比べ優れるため、刃先が高温に達する切削条件下においては、切削工具の性能を著しく向上させる。しかしながら、近年では切削速度が更に高速化する傾向に加え、乾式での切削加工が環境問題上重要視され、切削工具の使用環境はますます苛酷なものとなってきている。
【０００４】
本発明者等の研究によれば、大気中におけるＴｉＡｌＮ皮膜の酸化開始温度は、ＴｉＮの４５０℃に対し、Ａｌの添加量に依存して７５０〜９００℃に向上する。しかしながら、前述の乾式高速切削加工においては、使用する工具の刃先温度が９００℃以上の高温に達するため、前記ＴｉＡｌＮ皮膜では、十分な工具寿命が得られないのが現状である。
【０００５】
本発明はこうした事情に鑑みなされたものであって、従来のＴｉＡｌＮ皮膜の耐摩耗性ならびに密着性を犠牲にすること無く更に耐酸化性を改善し、切削加工の乾式化、高速化に対応する硬質皮膜被覆工具を提供することが目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者等は、硬質皮膜の耐酸化性、耐摩耗性、母材との密着性に及ぼす、様々な元素の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、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂの１種もしくは２種以上を適量含有したＴｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物（以下、Ｔｉ系窒化物等と記す）の皮膜と、ＴｉとＡｌを主成分とした窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物（以下、ＴｉＡｌ系窒化物等と記す）に含まれる金属成分を特定値内に制限した皮膜を、それぞれ一層以上交互に被覆し、その際、金属成分としてＴｉを主体とする窒化物層を母材表面直上に被覆することで、乾式の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。
【０００７】
すなわち本発明は、高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスの何れかを母材とし、金属成分のみの原子％で、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂの１種もしくは２種以上が１０％以上６０％以下、残り：Ｔｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかで、層厚が０．１μｍ以上３μｍ以下であるａ層と、金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、残り：Ｔｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるｂ層が、それぞれ一層以上交互に被覆され、前記母材表面直上には金属成分としてＴｉを主体とする窒化物で層厚が０．１μｍ以上１μｍ以下のｃ層があり、さらにｃ層直上はｂ層、最表面はａ層であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具であり、上記硬質皮膜は、物理蒸着法により被覆されたことが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
はじめに請求項中記載のａ層に関して、その構成要件について詳しく述べる。一般にＴｉＡｌＮ皮膜は、大気中で酸化テストを行うと、皮膜表面近傍のＡｌが最表面に外向拡散し、そこでアルミナ層を形成する。本発明者らの研究によれば、このことが耐酸化性向上の理由と考えられるが、この時、アルミナ層直下には、Ａｌを含有しない非常にポーラスなＴｉ酸化物が形成する。静的である酸化テストにおいては、最表面に形成されたアルミナ層が、酸化の進行である酸素の内向拡散に対し、酸化保護膜として機能するものの、動的な切削においては、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなＴｉ酸化物層より容易に剥離してしまい、酸化の進行に対し十分な効果を発揮しない。
【０００９】
しかしながら、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂの１種もしくは２種以上を、Ｔｉ系窒化物等に適量添加させることで、皮膜自体の耐酸化性が極めて向上するだけでなく、最表面には、酸化保護膜となるＳｉ、Ｃｒ、Ｎｂを含有する非常に緻密な複合酸化物層が形成され、また、その直下には酸化保護膜の剥離原因となるポーラスなＴｉ酸化物は形成されないことを確認した。上記効果を得るには、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂの１種もしくは２種以上が、皮膜の金属成分のみの原子％で、１０％以上含有していなければならず、逆に６０％を越えて含有すると、皮膜の延性ないしは硬さの低下が顕著になり、切削工具としての使用に耐えられなくなる。
【００１０】
本発明のａ層は、その層厚を０．１μｍ以上３μｍ以下に限定する。ａ層の層厚が０．１μｍ未満の場合、酸素の内向拡散に対して層厚が十分でないため、上述の耐酸化性向上効果が顕著に表れない。また、ａ層の層厚が３μｍを越えると切削中にａ層の破壊もしくは剥離が発生する。そのためａ層の層厚を０．１μｍ以上３μｍ以下とする。望ましくは０．３μｍ以上２μｍ以下である。
【００１１】
上記ａ層は、静的および動的条件下において極めて優れた耐酸化性を有すものの、その靭性は、Ｔｉ−Ｎ系、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系等の皮膜と比べて十分でない。そのため、ａ層単一の被覆では、工具の性能が顕著に向上しない。そこで、耐摩耗性、耐酸化性、靭性等のバランスを最適化するためには、ＴｉＡｌ系窒化物等である請求項中記載のｂ層を被覆することが必要である。
ＴｉＡｌ系窒化物等の皮膜であるｂ層におけるＡｌの役割は、皮膜の耐摩耗性および耐酸化性を向上させることである。皮膜の耐摩摩耗性および耐酸化性は、皮膜中のＡｌ含有量の増加に伴って向上する。しかしながら、７５％を越えて含有すると、皮膜の硬さが低下し、工具として必要な耐摩耗性が得られなくなる。そのため、耐摩耗性、耐酸化性をバランス良く得るためには、ｂ層中のＡｌ含有量を、皮膜の金属成分のみの原子％で、４０％越え７５％以下に調整することが重要である。
【００１２】
上記ａ層およびｂ層は、いずれも母材との密着性においては十分でない。そのため、母材表面直上には、ｂ層および母材との密着性に優れ、適度に耐摩耗性、耐酸化性等を有す金属成分としてＴｉを主体とする窒化物のｃ層が必要である。ｃ層はａ層およびｂ層に比べ硬さの低いＴｉＮであることが望ましいが、ＴｉＮに周期律表ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族金属およびＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｃｏ等を微量に含有する場合、具体的には金属成分のみの原子％で１０ａｔ％未満の含有量においても同様の効果が得られる。
【００１３】
ｃ層の層厚は０．１μｍ以上１μｍ以下に限定される。ｃ層の層厚が厚いほど密着性の向上は顕著になる。しかしながら、一般に切削中においては、刃先部の皮膜は斜め断面の形態で摩耗するため、ａ層およびｂ層に比べ耐酸化性の低いｃ層より優先的に酸化が進行する。そのためｃ層の層厚が厚い場合、つまり切削中の摩耗によるｃ層の露出面積が大きい場合は、ｃ層の優先酸化が顕著となり、切削工具の性能は著しく向上しない。また、極端にｃ層の層厚が薄い場合は、密着性向上効果が顕著に表れない。以上のような理由からｃ層の層厚を０．１μｍ以上１μｍ以下とする。望ましくは０．２μｍ以上０．４μｍ以下である。
【００１４】
以上のように本発明においては、母材との密着性に優れるｃ層を母材表面直上に被覆し、その上に皮膜自体の耐摩耗性および耐酸化性をバランス良く有すｂ層と、著しく耐酸化性に優れるａ層を被覆することが極めて重要であり、その結果、乾式の高速切削に対応する切削工具を得ることが可能となる。また、母材表面直上にｃ層を被覆し、その上にｂ層を被覆した後、ａ層ならびにｂ層をそれぞれ交互に積層した多層皮膜によっても同様の効果が得られる。
【００１５】
また、ａ層およびｂ層の各層は必要に応じて窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかに調整でき、それらを被覆した工具についても同様の効果が得られる。
【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、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母材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。以下本発明を実施例に基づいて説明する。
【００１７】
【実施例】
小型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、ＣＨ_４ガス、Ａｒ／Ｏ_２混合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４００℃、反応ガス圧力３．０Ｐａの条件下にて、被覆基体である超硬合金製６枚刃エンドミル（外径８ｍｍ）および超硬合金製ドリル（外径８ｍｍ）に−１５０Ｖの電位を印加し、全皮膜の厚みが４μｍとなるように成膜を行った。
【００１８】
得られた硬質皮膜被覆エンドミルおよびドリルを用い、次に示す切削条件にて、刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能となるまで加工を行い、その時の切削長、穴あけ数を工具寿命とした。表１に本発明例および比較例に関する硬質皮膜の詳細およびその切削結果を示す。また、併せて表２に従来例の切削結果についても示す。
【００１９】
エンドミル切削条件は、工具として超硬合金製６枚刃エンドミル、外径８ｍｍを用いて、側面切削をダウンカットで、被削材はＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）、切り込み量Ａｄ＝１２ｍｍ、Ｒｄ＝０．２ｍｍ、切削速度＝２００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、切削油＝なし、但し、エアーブローを使用で行った。
【００２０】
次に、ドリルの切削条件は、工具として超硬合金製ドリル、外径８ｍｍを用いて、被削材ＳＣＭ４４０（ＨＲＣ３０）の穴加工を、切削速度＝９０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切削油＝なし、但し、エアーブローを使用し、穴深さ２４ｍｍの止まり穴の加工で行った。また、加工穴数は最高２０００穴で終わりとした。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
表１および表２より、本発明例は、比較例ならびに従来例と比べて、工具寿命が著しく安定しており、特にｃ層を０．２〜０．４μｍに設けることにより、特にドリルの試験では安定して２０００穴以上の加工が行える。また、エンドミルでは乾式高速切削加工に十分対応することがわかる。
次に、比較例２７は、ａ層およびｂ層の皮膜組成、厚みとも本発明に含まれるものであるが、皮膜の層構造が異なるため、エンドミルおよびドリル、両工具とも切削初期において、皮膜の剥離が生じ、非常に短寿命となった。また、比較例３５においては、比較例中、最も良好な工具寿命を示すものの、ｃ層の層厚が厚いため、本発明例の工具寿命と比べると短寿命である。
【００２４】
【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耐酸化性、耐摩耗性を有すことから、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だけでなく環境問題への対応にも極めて有効である。

Claims

高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスの何れかを母材とし、金属成分のみの原子％で、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂの１種もしくは２種以上が１０％以上６０％以下、残り：Ｔｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかで、層厚が０．１μｍ以上３μｍ以下であるａ層と、金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、残り：Ｔｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるｂ層が、それぞれ一層以上交互に被覆され、前記母材表面直上には金属成分としてＴｉを主体とする窒化物で層厚が０．１μｍ以上１μｍ以下のｃ層があり、さらにｃ層直上はｂ層、最表面はａ層であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
請求項１記載の硬質皮膜を物理蒸着法により被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。