JP3853757B2 - 切削工具用硬質皮膜 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
【0002】
本発明は、高硬度鋼の切削加工等に使用する切削工具の皮膜に関するものである。
【0003】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、金属切削用工具に被覆する硬質耐磨耗皮膜(以下、硬質皮膜という。)として、TiN,TiCNが使用されてきたが、最近、より耐酸化性に優れた硬質皮膜として特開昭62−56565号,特開平2−194159号に代表されるTiAlN系皮膜が開発され、焼入鋼等の高硬度被切削材の切削が可能となってきた。
【0004】
ところで、近年では更に高硬度な材料(例えば、高硬度焼入鋼等)の切削を実現するための工具が求められてきており、TiAlN系皮膜とTiSiN系皮膜とを積層させた特許3248897号公報若しくは特許3248898号公報及び前記TiAlN系皮膜とTiSiN系皮膜に更にTiN系皮膜を組み合せた特許3343727号公報若しくは特許3347687号公報等で開示される硬質皮膜が提案されている。
【0005】
しかしながら、SKD11等に代表される高硬度焼入鋼の切削では、上記硬質皮膜でも耐磨耗性が充分とは言えず、更に耐磨耗性を向上させた切削工具用硬質皮膜の開発が求められている。
【0006】
本発明者等は、皮膜組成と皮膜の構成について研究し、硬質皮膜の耐酸化性及び潤滑性を向上させることにより上記課題を解決できることの知見を得、この知見に基づき、従来に比し耐磨耗性を向上させ、従来不十分であったSKD11等に代表される高硬度焼入鋼に対する耐磨耗性を向上させた切削工具用硬質皮膜を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨を説明する。
【0008】
切削工具に設けられる皮膜であって、金属元素としてのTi及び非金属元素としてのN,Cのうち1種若しくは2種を含む第一皮膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子%で、
Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
ただし、X:10≦Cr≦30,Y:10≦Si≦40
で表される化学組成の窒化物,炭窒化物,酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二皮膜が最上層に設けられており、前記第一皮膜と前記第二皮膜との間に、該第二皮膜と同構成であり膜厚が0.2μm以下の中間第二皮膜と、該第一皮膜と同構成であり膜厚が0.2μm以下の中間第一皮膜が交互に2層以上積層して成る中間皮膜が設けられており、この中間皮膜全体の膜厚は、前記第一皮膜及び前記第二皮膜より薄く設定されており、更に、この中間皮膜は最上層が前記中間第一皮膜であり最下層が前記中間第二皮膜であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【0009】
また、請求項1記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一皮膜の非金属元素の含有割合が前記第一皮膜内で連続的若しくは不連続的に変化せしめられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【0010】
また、請求項1,2のいずれか1項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一皮膜のTiの一部が、原子%で10%以下の範囲で、B,V,Cr,Y,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wのうち1種若しくは2種以上の元素で置換せしめられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【0011】
また、請求項1〜3のいずれか1項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第二皮膜のTiの一部が、原子%で10%以下の範囲で、B,V,Y,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wのうち1種若しくは2種以上の元素で置換せしめられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【0012】
また、請求項1〜4のいずれか1項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一皮膜及び前記第二皮膜は物理蒸着方式で形成されるものであり、また、前記第一皮膜を除く皮膜は、皮膜形成時のイオンエネルギーを各皮膜内で一定にして形成されるものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【0013】
【発明の作用及び効果】
本発明は、基材表面直上に該基材との密着性が良好な第一皮膜が設けられ、最上層に高硬度で耐酸化性及び潤滑性に秀れる第二皮膜が設けられている。この構成の皮膜を設けた切削工具は良好な切削加工が行えるのは勿論、高硬度焼入鋼等の高硬度被切削材に切削加工を行っても、切削工具の磨耗が可及的に阻止され、切削工具の長寿命化を図ることができる。
【0014】
従って、本発明は、極めて良好な耐久性を有する実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
本実施例は、切削工具に設けられる皮膜であって、金属元素としてのTi及び非金属元素としてのN,Cのうち1種若しくは2種を含む第一皮膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子%で、
Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
ただし、X:10≦Cr≦30,Y:10≦Si≦40
で表される化学組成の窒化物,炭窒化物,酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二皮膜が最上層に設けられているものである。
【0016】
第二皮膜の組成を上述の範囲に設定した理由は次の通りである。
【0017】
本発明者等は、TiSiN系の硬質膜へ、様々な種類の第3元素の添加を試み、Crを所定量含有させることで耐酸化性と潤滑性を向上できることを確認した。
【0018】
即ち、金属及び半金属のみの原子%でCr量が10%に満たない場合、その効果は小さいが、10%以上で耐酸化性と潤滑性の向上効果が現れ、その皮膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が向上することが確認された。
【0019】
また、Cr含有量を多くし過ぎると皮膜の硬度が低下し、その皮膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が低下してくることも確認された。
【0020】
一方、Siの含有については、その含有量を多くすると耐酸化性と硬度が向上する。
【0021】
即ち、金属及び半金属のみの原子%でSi量が10%に満たない場合、その効果は小さいが、10%以上で耐酸化性と硬度の向上効果が現れ、その皮膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が向上することが確認された。
【0022】
また、Si含有量を多くしすぎると皮膜の内部応力が大きくなり、皮膜に亀裂が発生して、その皮膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が低下してくることも確認された。
【0023】
以上を踏まえ、本実施例においては、第二皮膜の組成範囲を、切削工具用硬質皮膜の耐酸化性及び潤滑性と硬度とを両立させるために、金属及び半金属のみの原子%でCr量を10%以上,30%以下に設定すると共に、切削工具用硬質皮膜の耐酸化性及び硬度と内部応力を両立させるために、金属及び半金属のみの原子%でSi量を10%以上,40%以下に設定している。
【0024】
更に、B,V,Y,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wの元素を微量添加させると、皮膜の硬度及び耐酸化性を更に向上させる効果がある。そのため、これら元素のうち1種若しくは2種以上を微少量、例えば原子%で2〜5%含有させることが望ましい。
【0025】
第一皮膜の組成をTiCN系皮膜とした理由は以下の通りである。
【0026】
水溶性切削油若しくは不水溶性切削油を使用した高硬度被切削材の切削加工では、工具に激しい熱サイクル(ヒートショック)が作用するが、超硬合金基材から成る切削工具の表面にTiAlN系皮膜層を設けた場合、前記超硬合金基材とTiAlN系皮膜層との間に生じる熱応力により前記TiAlN系皮膜層が剥離してしまい切削工具の耐磨耗性が劣化する(即ち、密着性が悪い)という問題がある。
【0027】
また、特許3343727号公報及び特許3347687号公報に記載されているように、密着性に秀れたTiN系皮膜を、前記TiAlN系皮膜と超硬合金基材との間に設けた場合には、前述したような切削油を使用した高硬度材の切削加工における耐磨耗性劣化を抑えることができるが、アーク放電式イオンプレーティングやスパッタリング等の物理蒸着法で当該多層皮膜を形成するためには、Ti系ターゲット,TiAl系ターゲット,TiSi系ターゲットの3種類のターゲットを別々に使う必要があり、コスト高になるのは避けられない。
【0028】
そこで本発明者等は、超硬合金基材表面に設ける皮膜として切削油条件下における耐磨耗性で従来から実績があり、基材との密着性が良好で2種類のターゲットで第一皮膜及び第二皮膜を形成できるTiCN系皮膜を採用している。
【0029】
TiCN系皮膜は、ビッカース硬度で3000〜3500HVと充分な硬さを有しているが、耐酸化性が低いという欠点を持つ。しかしながら、本発明者等はTiCN系皮膜の上に耐酸化性に優れる皮膜を積層することによりTiCN系皮膜の耐酸化性の低さが隠れ、皮膜全体の耐酸化性が最上層の皮膜に従うことを確認した。
【0030】
また、皮膜と基材との密着性を一層高めるため、基材表面から皮膜内に向かって徐々に(連続的に)C量を増やしていくことが望ましい。尚、皮膜中で徐々にC量を変化させるのではなく、皮膜中に(不連続的に)C量の多い部分と少ない部分とを形成することによっても、皮膜と基材との密着性を高めることができる。
【0031】
また、第一皮膜としてTiCN系皮膜を採用せず、より基材との密着性に秀れたTiN系皮膜若しくはよりコスト安に形成できるTiC系皮膜を採用しても良い。
【0032】
更に、B,V,Cr,Y,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wの元素を微量添加させると、皮膜の硬度及び耐酸化性を向上させる効果があるため、これら元素のうち1種若しくは2種以上を微少量、例えば原子%で2〜5%含有させることが望ましい。
【0033】
上述のように第二皮膜においてはSi量を多くすると内部応力が大きくなるが、その内部応力を緩和させるために、第一皮膜と第二皮膜との間に2つの皮膜組成を混在させて形成した中間皮膜を設けることが望ましい。
【0034】
例えば、アーク放電式イオンプレーティングやスパッタリングなどの物理蒸着法においては、次のような方法で中間皮膜を形成することができる。
【0035】
即ち、第一皮膜の皮膜組成を形成するTi系ターゲットと第二皮膜の皮膜組成を形成するTiCrSi系ターゲットを成膜装置内の左右に配置し、その間の位置に皮膜を被覆しようとする切削工具をセットする。
【0036】
次に2種類のターゲットを同時に稼動させイオンを放出させると共に、2種類のターゲットを結ぶ直線に直交する軸を回転中心として切削工具を回転させる。
【0037】
このようにすることで、極薄い中間第一皮膜と極薄い中間第二皮膜とが交互に積層され、その結果前記第一皮膜と同構成の中間第一皮膜と第二皮膜と同構成の中間第二皮膜が交互に積層されて中間皮膜が形成される。
【0038】
また、中間第一皮膜及び中間第二皮膜の膜厚は0.2μm以下とするのが望ましい。膜厚が0.2μmより厚いと中間皮膜内の内部応力が膜厚方向で不均質となり、皮膜に亀裂が発生しやすくなるからである。
【0039】
更に、内部応力や硬度等の皮膜特性を再現性良く安定的に形成するため、第一皮膜を除く皮膜(第二皮膜,中間第一皮膜,中間第二皮膜)は、皮膜形成時のイオンエネルギーを各皮膜内で一定にして形成するのが望ましい。
【0040】
以下、本実施例を具体的に説明する。
【0041】
成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング装置を用い、金属及び半金属成分の蒸発源として各種組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、また、反応ガスとしてN2ガス,CH4ガス,N2/O2混合ガスのうち、1種類若しくは2種類のガスを成膜装置内に導入して成膜基材としての超硬合金製2枚刃ボールエンドミル(外径3mm)に所定の皮膜を成膜した。
【0042】
成膜に当たっては、基材温度450℃,ガス圧3.0Pa,バイアス電圧−100Vの条件とし(即ち、皮膜形成時のイオンエネルギーを一定とし)、全皮膜の膜厚が2.3〜2.8μmになるように前記エンドミルに成膜した。
【0043】
所定の皮膜を被覆した前記エンドミルを用いて、次の2つの切削条件で切削試験を行い、エンドミル逃げ面の磨耗幅を測定した。
【0044】
第1の切削試験では、被削材をSKD11焼入材(60HRC)とし、乾式条件下で切削を行った。
【0045】
外径3mmのエンドミルを19000min-1の回転速度で回転させ、送り速度1440mm/min,切り込み量Ad=0.15mm,Pf=0.45mmとし、エアーブローをクーラントとして試験を行った。
【0046】
切削試験の結果を表1に示す。表1では本実施例と共に、従来の硬質皮膜や本発明の範囲外の硬質皮膜を実施例と同様な手段で被覆したエンドミルで切削試験を行った結果を比較例として記載している。
【0047】
【表1】
【0048】
表1から、本実施例は比較例に比べてエンドミル逃げ面磨耗幅の低減、即ち、耐磨耗性の向上が認められる。尚、No.18の皮膜は表1の切削試験条件、即ち、乾式条件下における切削では本実施例と大きな差異は認められなかった。
【0049】
第2の切削試験として、被削材をSKD61焼入材(50HRC)とし、湿式条件下で切削を行った。
【0050】
外径3mmのエンドミルを20000min-1の回転速度で回転させ、送り速度1680mm/min,切り込み量Ad=0.24mm,Pf=0.72mmとし、水溶性切削油をクーラントとして試験を行った。切削試験の結果を表2に示す。
【表2】
【0051】
表2から本実施例は比較例に比べて大幅なエンドミル逃げ面磨耗幅の低減、即ち、湿式条件下においても大幅な耐磨耗性の向上が認められる。
【0052】
従って、本実施例は、上述のように乾式条件下において良好な耐磨耗性を発揮するのは勿論、従来良好な耐磨耗性を得られなかった湿式条件下においても良好な耐磨耗性を発揮できる。
Claims (5)
- 切削工具に設けられる皮膜であって、金属元素としてのTi及び非金属元素としてのN,Cのうち1種若しくは2種を含む第一皮膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子%で、
Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
ただし、X:10≦Cr≦30,Y:10≦Si≦40
で表される化学組成の窒化物,炭窒化物,酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二皮膜が最上層に設けられており、前記第一皮膜と前記第二皮膜との間に、該第二皮膜と同構成であり膜厚が0.2μm以下の中間第二皮膜と、該第一皮膜と同構成であり膜厚が0.2μm以下の中間第一皮膜が交互に2層以上積層して成る中間皮膜が設けられており、この中間皮膜全体の膜厚は、前記第一皮膜及び前記第二皮膜より薄く設定されており、更に、この中間皮膜は最上層が前記中間第一皮膜であり最下層が前記中間第二皮膜であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。 - 請求項1記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一皮膜の非金属元素の含有割合が前記第一皮膜内で連続的若しくは不連続的に変化せしめられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
- 請求項1,2のいずれか1項に記載の切削工具用硬質皮膜において、
前記第一皮膜のTiの一部が、原子%で10%以下の範囲で、B,V,Cr,Y,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wのうち1種若しくは2種以上の元素で置換せしめられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の切削工具用硬質皮膜において、
前記第二皮膜のTiの一部が、原子%で10%以下の範囲で、B,V,Y,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wのうち1種若しくは2種以上の元素で置換せしめられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の切削工具用硬質皮膜において、
前記第一皮膜及び前記第二皮膜は物理蒸着方式で形成されるものであり、また、前記第一皮膜を除く皮膜は、皮膜形成時のイオンエネルギーを各皮膜内で一定にして形成されるものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
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