JP3871530B2 - ドライ加工用コーティング工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴｉＮ，ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮのセラミック被覆膜を成膜したエンドミルといった切削工具上に、半金属膜を物理蒸着法により形成させることでドライ加工に適したコーティング膜を有するドライ加工用コーティング工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来コーティング工具の寿命を向上させる方法としてイオンプレーティングを含む物理蒸着法によるセラミック硬質膜、例えばＴｉＮ，ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮ等を工具表面にコーティングする手法がよく知られているが、最近では環境改善を目的に加工中に冷却材を用いないドライ加工が盛んに行われているなかで、従来の硬質膜だけではドライ加工のような過酷な加工環境下では十分な寿命が得られないという問題が生じている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年のコーティング工具の普及は著しいものがあり、機械加工分野での加工能率の向上や加工コストの低減をもたらしてきた。これはセラミック硬質膜が工具本体よりも硬いために耐摩耗性に優れるという特性に依存しているが、ドライ加工にあっては耐摩耗特性だけでは十分な寿命延長は得られず、加工中の発熱による膜の酸化による膜破壊が大きいため使用中に摩耗を起こして露出した工具母材に被削材が溶着して工具が破損に至るという問題が生じている。
本発明の課題はドライ加工中でも長時間の切削に耐えるように、従来のセラミック硬質膜に加えて、その上にさらに半金属膜を形成し、工具の耐溶着性を改善したコーティングエンドミル工具を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、高速度工具鋼又は超硬合金を使用した工具の刃部に第１層としてＴｉＮ，ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮのうちの１つもしくはこれらの組み合わせを含む硬質膜を成膜したコーティング工具上に、最表層としてさらに下記条件を満たす第２層のコーティング膜を成膜する、即ち、
ａ．半金属の硼素（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）のうち１種または２種を前記コーティング工具上に半金属のコーティング膜として、厚さｔを、０．０１≦ｔ＜２．０（μｍ）で成膜し、
ｂ．前記半金属のコーティング膜は、物理蒸着法であるイオンプレーティング法、スパッタリング法及びアーク法のいずれかの方式により前記第１層を成膜した後で、前記方式のうちいずれかの方式で連続もしくは不連続にコーティング膜を形成し、
ｃ．前記半金属のコーティング膜を成膜するにあたり前記コーティング工具は１５０℃〜５５０℃に加熱され、成膜時には−１５Ｖ〜−２００Ｖの直流印加方式によって形成した、ことを特徴とするドライ加工用コーティング工具を提供することにより、上述した従来製品の課題を解決した。
【０００５】
【発明の効果】
かかる構成により、いずれにしても積層間の密着に関しては、従来からの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸化物のセラミック硬質膜同士の積層と比べて本発明では、反応ガスを用いない単金属だけの蒸着であるため真空容器内での複雑な物理化学反応は必要ではなく、容易に成膜が可能であり、かつ図１に示すように、第１層のセラミック硬質膜１と最表層である第２層の半金属膜２の間はセラミック硬質膜同士の密着と比較して遙かに良好な密着を得ることができ、加工中の食いつき性が向上しドライ加工においても耐溶着性に優れたものとなった。
【０００６】
かかる構成の物理蒸着法で得られたセラミック硬質膜上の半金属膜の摩擦係数は、図２に示すようにセラミック硬質膜よりも摩擦係数が高いことが特徴である。例えばエンドミルの加工の場合にセラミック硬質膜は硬度が硬いために摩擦係数が低く切削中に被削材との間で滑りやすく切れ刃の加工接触面が被削材に食いつきにくくなるのに対して、半金属膜は摩擦係数が大きいために滑りにくく被削材との食いつきがよくなる。この食いつきのよさは切削中の被削材と工具の間の加工中の接触面積を大きくする結果となり、ドライ加工のような過酷な切削条件下で刃先にかかる切削応力は著しく緩和されることになる。刃先にかかる応力緩和は摩耗進行を遅らせ、工具母材の露出を防ぎ被削材の溶着が少なくなるため溶着した被削材質によって形成される構成刃先ができにくくなり、溶着による構成刃の形成と脱落によって進行する硬質皮膜の摩耗が抑制されることになる。
【０００７】
セラミック硬質膜上の摩擦係数の増加を目的として半金属膜を選択した理由を以下に述べる。工具の食いつきの改善を目的として摩擦係数を増加させるだけであるならばチタンのような純金属をそのまま蒸着すればよいが、表１に示すようにチタン被膜自身の持つ硬さが被削材の硬さと同程度であり、非常に低いために切削中の摩耗に耐えることができず、すぐに被削材と反応して剥がれ落ちてしまう。一方半金属膜の硬さはセラミック硬質膜の硬さとほぼ同じであり、切削中の抵抗に耐えるだけの硬さを有しているため耐摩耗効果が期待できる。また蒸着後の半金属膜の表面は非常に滑らかであり、セラミック硬質膜特有のクレータ（凹み）を平滑にするため切削中の切り屑の排出は抵抗が少なくなり、セラミック硬質膜の表面の時よりも排出機能に優れる。表１は各種の物質の押し込み硬さを比較したものであり最大荷重５００ｍＮを押し込んだときの硬さを比較したものである。また図５は押し込み硬さ試験を行った時の押し込み荷重とダイヤモンド圧子が被膜に押し込まれた深さを示している。ＴｉＮとＳｉは同じような硬さを有しており半金属膜はそれ自身で耐摩耗性に優れることがわかる。
【０００８】
【表１】

【０００９】
本発明は請求項１において製造法を限定したが、その理由について以下に述べる。半金属膜の厚さｔは、０．０１μｍ未満では膜の厚さが薄すぎるため耐溶着作用が期待できない。また厚さが２．０μｍ以上は、通常コーティング工具で使用されるセラミック硬質膜の範囲は２〜５μｍであるため、同程度の膜の厚さでは切削中のセラミック硬質膜の耐摩耗効果を阻害する。このように半金属膜にはセラミック硬質膜の表面改質効果のみの作用を持たせたいため ０．０１≦ｔ＜２．０（μｍ）の範囲に限定した。
【００１０】
また物理蒸着法であるイオンプレーティング法、スパッタリング法、アーク法のいずれかの方式により半金属膜を形成させる際に処理温度は、１５０℃未満では表面の膜とコーティング工具の密着性が低下するため、５５０℃以上では高速度工具鋼が工具母材である場合に母材の高度低下を引き起こすため前記範囲に限定した。また成膜時のバイアス電圧は−１５Ｖ未満の場合セラミック硬質膜との反応性が弱く密着力が低下し、−２００Ｖ以上ではプラズマ反応ガス（例えばアルゴン）によるエッチング作用が強くなるために膜成長がしにくくなり、平滑な表面が得られないという理由から前記範囲に限定した。
【００１１】
上記複合膜は従来からのセラミック硬質膜の上に同一処理内で連続に成膜してもよく、または異なった方式による不連続な製造法、例えばアーク法によりＴｉＡｌＮ膜をコーティングした上にイオンプレーティング法（ルツボ溶解法）による半金属である硼素（Ｂ）をコーティングするといったような組み合わせでもよい。
また、コーティング工具上に形成された半金属の膜は、Ａスケールロックウエル硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕を１００倍の倍率で観察した結果が、前記圧痕の外周１ｍｍ以上の範囲で膜と工具母材との間で剥離が認められない程度の密着性を有することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施例1
以下に本発明の実施の形態につき詳細に述べる。超硬合金を母材とした外径１０ｍｍの２枚刃の無処理エンドミルにアーク法によりＴｉＡｌＮコーティングを被覆した。その後イオンプレーティング装置を用いて0.27×10^-2 Pa （２×10^-5torr）以上に真空排気した上で加熱を３００℃まで行い、アルゴンボンバード処理を１０分間行った後、硼素（Ｂ）を配置した蒸発源をプラズマ電子銃で３０分間溶解し直流電圧を−１００Ｖ印加した状態でＴｉＡｌＮ膜上に硼素（Ｂ）膜を０．５μｍ被覆した。そして硼素（Ｂ）コーティングのあるものとＴｉＡｌＮコーティングだけのものとの比較を以下の切削条件で切削試験を行った。切削工具：外径１０mm ２枚刃 超硬合金エンドミル
切削条件：ドライ（エアブロー）
加工方法：側面切削（ダウンカット）
切削速度：３１４ m/min（１００００ min^-1）
送り速度：０．０７mm／刃（１４００ mm/min ）
切り込み：ａａ＝１０mm ａｒ＝０．２mm
切削長：６０mm
被削材：ＳＫＤ６１（硬さ５１ＨＲＣ）
【００１３】
ロックウェル圧痕剥離試験：工具部材上に形成されたセラミック硬質被覆膜と半金属膜の密着評価として、同時に処理をした超硬合金製チップ試験片（１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ×５ｍｍ）の表面にロックウェル硬度計のダイヤモンド圧子で押圧し、圧痕周囲の剥離状態を観察した。ロックウェル圧痕剥離試験は被膜の剥離の状態に応じて図３のような剥離判定基準をもとにして剥離判定を行った結果、セラミック硬質膜（ＴｉＡｌＮ）と半金属である硼素（Ｂ）膜の間の密着性は、１００倍の倍率で観察した結果が、圧痕の外周１ｍｍ以上の範囲で膜と工具母材との間で剥離が認められず、剥離判定基準ではＨ１であり良好なものであった。
切削試験結果：図４に示すように本発明品であるＴｉＡｌＮ膜の上に硼素（Ｂ）コーティングを施したものは、ＴｉＡｌＮコーティングだけの工具と比較して摩耗量は少ない。特に最も溶着の激しいエンドミルのコーナ摩耗はＴｉＡｌＮコーティングの２０％も摩耗が少なく溶着もほとんどしていない状態であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明品の構成を示す説明図。
【図２】（ａ）はボールオンディスク摩擦試験による本発明品の摩擦係数μを示すグラフ、（ｂ）はボールオンディスク摩擦試験方法を示す説明図。
【図３】剥離試験方法による剥離判定基準を示す模式図。
【図４】超硬エンドミルの切削試験結果を示すグラフで、（ａ）は切削長（ｍ）に対するコーナー摩耗量（μｍ）を示すグラフ、（ｂ）は切削長（ｍ）に対する逃げ面摩耗量（μｍ）を示すグラフ、（ｃ）は超硬エンドミルのコーナー摩耗と逃げ面摩耗を示す説明図である。
【図５】各種物質の押し込み荷重と圧子の深さを測定したグラフである。
【符号の説明】
１・・第１層のセラミック硬質膜
２・・第２層の半金属膜

Claims (2)

1. 高速度工具鋼又は超硬合金を使用した工具の刃部に第１層としてＴｉＮ，ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮのうちの１つもしくはこれらの組み合わせを含む硬質膜を成膜したコーティング工具上に、最表層としてさらに下記条件を満たす第２層のコーティング膜を成膜する、即ち、
   ａ．半金属の硼素（Ｂ）及びシリコン（Ｓｉ）のうち１種または２種を前記コーティング工具上に半金属のコーティング膜として、厚さｔを、０．０１≦ｔ＜２．０（μｍ）で成膜し、
   ｂ．前記半金属のコーティング膜は、物理蒸着法であるイオンプレーティング法、スパッタリング法及びアーク法のいずれかの方式により前記第１層を成膜した後で、前記方式のうちいずれかの方式で連続もしくは不連続にコーティング膜を形成し、
   ｃ．前記半金属のコーティング膜を成膜するにあたり前記コーティング工具は１５０℃〜５５０℃に加熱され、成膜時には−１５Ｖ〜−２００Ｖの直流印加方式によって形成した、ことを特徴とするドライ加工用コーティング工具。
2. 前記コーティング工具上に、最表層として形成された半金属の膜は、Ａスケールロックウエル硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕を１００倍の倍率で観察した結果が、前記圧痕の外周１ｍｍ以上の範囲で膜と工具母材との間で剥離が認められないことを特徴とする請求項１記載のドライ加工用コーティング工具。

Images