JP3616049B2 - 耐クレータ摩耗性に優れる物理蒸着硬質皮膜被覆工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本願発明は、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おいて、特に高速切削、乾式切削に適用される耐クレーター摩耗性に優れる物理蒸着硬質皮膜被覆工具に関する。
【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との間に化学反応が発生し、工具寿命が逃げ面のこすり摩耗だけではなく、すくい面のクレーター摩耗により強く支配される傾向が強くなってきた。従来までの前記ＴｉＮ、ＴｉＣＮ及びＴｉＡｌＮ皮膜はこのような苛酷な切削環境下においては、切削温度の上昇に伴い被加工物との化学反応に起因したクレーター摩耗の増加により、十分な切削寿命を得られないのが実状である。特に比較的連続切削である旋盤加工や高速高送りのフライス加工においてＰＶＤ被覆を適用する場合は、このクレーター摩耗を抑制することが、極めて重要なことである。
【０００４】
このような問題を解決する為に、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及びダイヤモンドライクカーボンからなる潤滑性皮膜を耐摩耗性を有する硬質皮膜を最表面に積層し、切削温度上昇抑制に基づく、皮膜と被加工物間の拡散現象を抑制しようとする切削工具が開発されているが、いずれも下地硬質皮膜との密着性が悪い上に皮膜そのものが非常に脆い為、これら潤滑皮膜は切削時に容易に剥離または破壊などを発生し、上記切削環境下においては何ら効果を発揮するには至っていない。また特開平１１−１５６９９２号公報に示される、Ｃｒ系潤滑皮膜を被覆した工具が提案されているが、Ｃｒ系皮膜は硬度そのものが低く耐摩耗性が極めて悪く、耐クレーター摩耗性を改善するには至っていない。
【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、切削加工の乾式化、高速化に対応可能な、即ち、従来の耐酸化性及び耐摩耗性を損なわないために、これら特性に優れるＴｉＡｌを主成分とする硬質皮膜と、被削材との化学反応が少なく、しかも耐クレーター摩耗性が著しく改善されたＴｉを主成分とする被削材と皮膜との拡散を抑制する層とを複合化し、耐クレーター摩耗性に優れる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を主成分とする硬質皮膜とＴｉを主成分とする硬質層を組み合わせた硬質皮膜被覆工具において、Ｔｉを主成分とする硬質層中にＢＮ相を介在させることにより、Ｔｉを主成分とする硬質層の硬度を上昇せしめるとともに、ＢＮ相が有する潤滑性によりＴｉを主成分とする硬質層の潤滑性を改善し、結果耐クレーター摩耗性を著しく改善させる事に成功した。乾式、高速切削加工において拡散現象が少なく、耐クレーター摩耗性に優れ切削工具として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】
本発明者らはＴｉＮ系皮膜を例に、種々の添加成分の効果を鋭意研究した結果、硼素の添加と被覆条件の最適化により、ＴｉＮの耐クレーター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、ＴｉＮ皮膜内部に硼素の窒化物が極めて微細に分散しており、ＴｉＮ皮膜の硬度がビッカースで２２００から２８００に著しく上昇していること及び本来潤滑性が優れる硼素の窒化物の効果によりＴｉＮの摩擦係数が０．８から０．４に激減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と同時に分散相のもつ潤滑性をも硬質皮膜に付与す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。
【０００８】
図１、図２は、ＴｉＢターゲットを用い基体バイアス３００Ｖ、反応圧０．５ＰａでＴｉＢＮ皮膜を被覆した時の皮膜のＥＳＣＡ解析結果である。図１のＴｉとＮとの結合エネルギ回折ピークと、図２のＢとＮとの結合エネルギー回折ピークが確認され、皮膜はＴｉＮ相とＢＮ相から構成されることが確認された。この場合、ＢＮ相はＴＥＭ観察結果によれば数ナノから数十ナノの大きさを有するナノ結晶であり、格子歪の発生に起因するＴｉＮ層の大幅な硬度上昇が確認された。耐クレータ摩耗性はＴｉＮに比べ著しく改善される結果であった。これはＢＮ相自体が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。また硼素添加においては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ＢＮ相の出現は認められなかった。従ってナノ結晶を介在させ、高硬度化を達成するためには、被覆条件の最適化も重要であるといえる。
【０００９】
しかしながら、上記微細結晶を介在させたＴｉＮ層単層では所望の結果を得ることは出来ない。その理由は、高速切削や乾式切削においては、皮膜はクレーター摩耗による摩滅だけではなく、酸化による摩滅が発生する。ＴｉＮは４５０℃を超えると酸化し、粉状のＴｉＯに変態してしまい、耐摩耗性を維持することができない。従って上記微細粒子を分散したＴｉＮ層単層では酸化発生により摩滅を伴う工具境界摩耗が発生してしまう場合がある。従って、この現象を抑制するために、耐酸化性の優れるＴｉＡｌ系硬質皮膜との多層構造等の併用が必要不可欠である。ＴｉＡｌＮ系の有する高耐酸化性により、皮膜は酸化から保護され工具として、極めて長寿命を達成する。
【００１０】
多層の構造に関しては、皮膜表面側に潤滑性の優れる皮膜を被覆する方がより好ましく、母材側に耐酸化性皮膜、表面側にＴｉＢ（Ｃ、Ｎ、Ｏ）を被覆することが望ましいが必ずしも限定されるものではない。また層数そのものも特に限定されるものではない。
【００１１】
以上のごとく、耐クレーター摩耗性を大幅に改善した結果、本発明による多層硬質皮膜被覆工具は、高速、高送り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、更に、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クレーター摩耗に工具寿命が支配される場合が多い。本発明においても皮膜の膜厚が薄いとＣＶＤ皮膜に耐クレーター摩耗性が劣る結果になるが、クレーター摩耗が発生するスクイ面において、３ミクロン以上被覆することにより、ＣＶＤ皮膜に匹敵する耐クレーター摩耗性を持たせることが可能であることを確認した。更に、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。皮膜の膜厚は１５μを越えると剥離が発生する場合もあり、皮膜の厚さは３μから１５μであることがより好ましいといえる。
【００１２】
更に、工具性能を向上させるために、ＴｉＡｌＮ系皮膜に第３成分を添加することが有効であることを見出した。これは第３成分がＴｉＡｌＮ皮膜を固溶強化することに起因するものである。
【００１３】
また、従来ＰＶＤ被覆ミーリング用インサードはＭ種もしくはＰ種超硬合金が使用されるのが一般的であった。その理由は皮膜が摩耗し、母材が露出した場合にクレーター摩耗がＫ種では進行し易いからである。本発明によれば、皮膜が十分に耐クレーター摩耗性を有するため、母材にＫ種もしくは微粒超硬合金を使用しても十分に満足する結果となる。そのため、Ｋ種の利点である耐熱クラック性が要求されるような切削条件化においては、本発明によりＫ種を使用した場合のほうが、長寿命である場合がある。また微粒種の利点として耐チッピング性に優れることが挙げられるが、シャープエッジを有するエンドミルやインサートにおいて、クレーター摩耗を心配することなく微粒超硬合金を用いることも本発明によれば可能である。
【００１４】
数値を限定した理由について次に述べる。硼素含有量はＴｉに対し０．５原子％未満では潤滑性改善効果が少なく、また１０原子％を超えて含有すると、皮膜の靭性が劣化するため、０．５％以上１０％以下とした。
【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、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。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００１６】
【実施例】
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、ＴｉＡｌＮ系皮膜においては、被覆基体温度４００℃、反応ガス圧力１．０Ｐａ、基体印可バイアス電圧１５０Ｖの条件下にて、被覆基体であるミーリング用超硬インサートに表１に示す各皮膜を被覆した工具を作成した。比較例においてはＴｉＡｌ系以外の皮膜も同一条件で被覆した。本発明例におけるＴｉ系硬質層の被覆条件は同一温度において、バイアス電位３００Ｖ反応ガス圧力０．５Ｐａとし、ＢＮ結合を有する相を介在させた。硼素はＴｉ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。インサートに使用した超硬合金はＪＩＳ−Ｐ４０グレード超硬合金である
【００１７】
【表１】

【００１８】
得られた硬質皮膜被覆インサートを用い切削試験を行った。工具寿命は本切削条件下ではクレーター摩耗が支配するため、クレーター摩耗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。一刃あたりの送りが１ｍｍを越えるようなフライス加工では切削温度が局部的に上昇し、クレーター摩耗が発生する傾向にある。
【００１９】
インサート切削条件は、工具形状ＲＤＭＷ１６０４ＭＯＴＮである丸駒インサート、巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの面取り加工、被削材ＳＫＤ６１（硬さＨＲＣ４５）、切り込み１．０ｍｍ、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り１．５ｍｍ／刃、乾式切削とした。欠損に至る切削時間を表１に併記する。尚、表１に記載の膜厚はスクイ面の膜厚を示す。
【００２０】
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、クレーター摩耗により短寿命であったことより、耐クレーター摩耗性の改善によるところが大きい。
【００２１】
（実施例２）
実施例１の方法に基づき、表１記載の本発明例及び比較例の皮膜を旋削用サーメットインサートに被覆し、旋削加工を実施した。用いたサーメット合金の組成は重量％で６０ＴｉＣＮ−１０ＷＣ−１０ＴａＣ−５Ｍｏ_２Ｃ―５Ｎｉ−１０Ｃｏである。
【００２２】
切削条件は被削材としてＳ５３Ｃを用い、切削速度２２０ｍ／分、切り込み１ｍｍ、送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、水溶性である。いずれもクレーター摩耗の進行から発熱が大きくなり、逃げ面摩耗が増大する傾向にある。逃げ面摩耗値が０．１ｍｍになった時点を寿命と判定した。寿命までの切削時間を表２に記載する。インサート形状はＴＮＧＧ１１０３０２Ｒである。
【００２３】
【表２】

【００２４】
（実施例３）
ＴｉＡｌ金属ターゲットのＡｌ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と同一切削評価を実施し、その結果を表３に併記する。
【００２５】
【表３】

【００２６】
表３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成分の添加によりＴｉＡｌＮ系皮膜が更に固溶強化されたり、耐酸化性が向上することに起因するものである。
【００２７】
（実施例４）
実施例１と同一の条件において、母材をＫ３０相当のＫ種母材を用い、本発明例を試作し、次に示す切削条件において切削評価を実施した。本条件は切削の衝撃が強く、熱クラックが発生し易い条件である。被削材は５０ｍｍｘ２５０ｍｍ、切削速度２５０ｍ／分、切り込み２ｍｍ、送り０．３ｍｍ／刃、乾式である。工具寿命はクレーター摩耗進行に伴う発熱と切削衝撃による熱クラックからの欠損である。得られた結果を表４に示す。
【００２８】
【表４】

【００２９】
表４の結果からも明らかなように、本発明例はいずれも比較例に対し長寿命であり、また本発明例の中においては、Ｋ種母材がこのような用途においてはより好ましいことが明らかである。
【００３０】
【発明の効果】
以上の如く、本発明の多層硬質皮膜被覆工具は、従来の被覆工具に比べ耐クレータ摩耗性に優れ、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例のＴｉＢＮ皮膜のＥＳＣＡ解析結果で、ＴｉとＮとの結合エネルギ回折ピークを示す。
【図２】図２は、本発明例の皮膜のＥＳＣＡ解析結果で、ＢとＮとの結合エネルギー回折ピークを示す。

Claims (5)

1. 基体表面に（Ｔｉ_１−_ｘＢ_ｘ）からなる金属成分と、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される１種以上の元素とから構成される硬質層とＴｉＡｌを主成分とし、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される１種以上の元素とから構成される硬質層を２種以上多層に被覆した物理蒸着被覆工具において、該（Ｔｉ_１−_ｘＢ_ｘ）のｘは０．００５≦ｘ≦０．１であり、且つ、該硬質層内に硼素の窒化物相を介在させたことを特徴とする耐クレーター摩耗性に優れる物理蒸着硬質皮膜被覆工具。
2. 請求項１記載の物理蒸着硬質皮膜被覆工具において、該ＴｉとＡｌを主成分とする層が基体直上に被覆されていることを特徴とする耐クレーター摩耗性に優れる物理蒸着硬質皮膜被覆工具。
3. 請求項１乃至２記載の物理蒸着硬質皮膜被覆工具において、該ＴｉＡｌを主成分とする層のＡｌの一部を４ａ、５ａ、６ａ族金属及びＳｉの一種以上の成分で置換したことを特徴とする耐クレーター摩耗性に優れる物理蒸着硬質皮膜被覆工具。
4. 請求項１乃至３記載の物理蒸着硬質皮膜被覆工具において、該基体が超硬合金もしくはサーメット合金インサートであり、皮膜の総厚さがスクイ面において３μから１５μであることを特徴とする耐クレーター摩耗性に優れる物理蒸着硬質皮膜被覆工具。
5. 請求項１乃至３記載の物理蒸着硬質皮膜被覆工具において、基体がＫ種超硬合金もしくは平均ＷＣ粒径が０．８μ以下である微粒超硬合金であることを特徴とする耐クレーター摩耗性に優れる物理蒸着硬質皮膜被覆工具。

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