JP3705544B2 - 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
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Description
【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、基体表面にTi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を主成分とする硬質層内に硼素の窒化物相を、数ナノから数十ナノの大きさを有するナノ結晶で分散させたことにより、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。従ってナノ結晶を分散させ、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、上記微細結晶を分散させた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、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。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。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】
さら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。
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。
【0013】
【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、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結合を有する相を分散させた。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。
【0014】
【表1】
【0015】
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。
【0016】
インサート切削条件は、工具形状RDMW1604MOTNである丸コマインサート、巾100mm×長さ250mmの面取り加工、被削材SKD61(硬さ45HRC)、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。尚表に記載の膜厚はスクイ面の膜厚を示す。
【0017】
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。
【0018】
(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−5Mo2C―5Ni−10Coである。
【0019】
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。
【0020】
【表2】
【0021】
(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。
【0022】
【表3】
【0023】
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系皮膜がさら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。
【0024】
【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 (4)
- 基体表面にTi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を主成分とする硬質層内に硼素の窒化物相を、数ナノから数十ナノの大きさを有するナノ結晶で分散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。
- 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。
- 請求項1または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。
- 請求項1乃至3いずれかに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。
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