JP4214344B2 - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents

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】
硬質皮膜被覆工具の皮膜としてＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等が一般的に用いられている。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徴である。ＴｉＣＮは、ＴｉＮに比べ高硬度かつ低摩擦を示すため、逃げ面摩耗および工具に凝着を伴う切削条件下においては、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。
【０００３】
この様な背景から、皮膜の耐酸化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。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調質材の切削においては、切削工具の性能を著しく向上させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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おり、ＴｉＡｌＮ皮膜の耐酸化性では十分満足されないのが現状である。
【０００５】
本発明者はまず、従来の各皮膜を近年の過酷な条件で使用した場合に起こる不具合、具体的には皮膜の摩擦係数と酸化を主に検討し、改善すべき点を明らかにした。
【０００６】
相手材をＳＫＤ１１調質材、相対速度を１００ｍ／ｍｉｎとした場合の各種硬質皮膜の摩擦係数を測定した結果、ＴｉＮが０．６、ＴｉＣＮが０．３、ＴｉＡｌＮが０．７であった。このなかでもっとも摩擦係数が小さいＴｉＣＮは比較的切削速度の低い乾式切削では優れた性能を示す。
しかしながら刃先がより高温に達する高速切削条件下においては、皮膜の特性が十分に発揮されない。この理由は、ＴｉＣＮ皮膜は５００℃程度で皮膜表面に非常にポーラスなＴｉ酸化物を形成するためであることが判った。
【０００７】
そこで各皮膜の酸化開始温度を調査した。本発明者等の研究によれば、空気中における各皮膜の酸化開始温度はＴｉＮでは約６００℃、ＴｉＣＮでは約５００℃であるのに対し、ＴｉＡｌＮ皮膜ではＡlの添加量に応じて約７５０〜８５０℃に向上する。
【０００８】
このなかで酸化開始温度が比較的高いＴｉＡｌＮでも、調質材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、切削速度の高速化に十分対応できないことが判った。しかも、ＴｉＡｌＮ皮膜は静的酸化試験では、Ａｌの外向拡散により最表層に緻密なＡｌ酸化保護膜を形成し、比較的優れた耐酸化性を示したものの、ポーラスなＴｉ酸化物が、Ａｌ酸化物直下に形成されるため、実際の切削時には容易に剥離が発生してしまうことが判った。
以上の検討より、先ず硬質皮膜の耐酸化性の改善が必要であると思われた。
【０００９】
また、非調質材の乾式高速切削においても、工具の刃先温度の上昇に加え、前記の如く摩擦係数の大きいＴｉＡｌＮ皮膜は、被削材と化学反応を起こし、工具切れ刃への被削材の凝着が激しい。被削材が凝着した皮膜は、容易に脱落してしまい十分な耐摩耗性が得られないことも明らかとなった。
この知見より、高温における摩擦係数の低減も必要であるように思われた。
【００１０】
本発明はこうした事情に鑑み、硬質皮膜の耐酸化性と摩擦係数を改善し、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を課題とする。
【００１１】
【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、摩擦係数に及ぼす、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、硬質皮膜を、（Ｔｉ１−ａ−ｂＶａＳｉｂ）（ＮｘＯ１−ｘ）、但し、０≦ａ≦０．５、０．１≦ｂ≦０．７、０．５≦ｘ≦０．９９９、で示される化学組成からなるＡ層と、（ＴｉＡｌ）（ＮｙＯ１−ｙ）、但し０．５≦ｙ≦０．９９９で示される化学組成からなるＢ層を交互に２層以上積層した硬質皮膜被覆工具とすることによって、乾式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。更に上記硬質皮膜は、物理蒸着法により被覆されることが望ましい。
【００１２】
【作用】
はじめに請求項中記載のＡ層に関して、その各構成の作用について詳しく述べる。
（Ｔｉ１−ａ−ｂＶａＳｉｂ）（ＮｘＯ１−ｘ）、但し、０≦ａ≦０．５、０．１≦ｂ≦０．７、０．５≦ｘ≦０．９９９からなる、Ｔｉ系酸窒化物は、Ｓｉの添加量に依存して、皮膜自体の耐酸化性が向上するのみならず、実際の切削工具としての使用時においても酸化が進行しにくいことを見出した。これはＴｉ系酸窒化物の酸化後の硬質皮膜最表面に酸化保護膜となるＳｉを含有する非常に緻密な酸化物層を形成し、その直下に酸化保護膜の剥離原因となるポーラスなＴｉ酸化物を形成しないためである。従って、酸化開始温度は従来のＴｉＡｌＮ皮膜に比べて極めて高温化する。また、非金属元素として窒素の他に酸素を適量添加することで耐酸化性がさらに向上する。
【００１３】
本Ａ層は更にＶを添加することにより皮膜の摩擦係数が低下し、これにより切削温度の上昇が抑制されるので、切削工具として使用した場合の酸化防止機能をさらに強化せしめることができる。
【００１４】
本発明の硬質皮膜を構成するＡ層の金属元素の組成は、（Ｔｉ１−ａ−ｂＶａＳｉｂ）においてａ、ｂそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦ｂ≦０．７という式を満足させることが必要である。ａの値が０．５を超える場合、皮膜の硬さの低下が顕著となり切削工具としての使用に耐えられなくなる。またｂの値が０．１未満では十分な耐酸化性を得られず、また０．７をこえると、皮膜中の内部応力が大きく自己破壊を誘発することもあり、前述の耐酸化性を示さない。
【００１５】
また、上記Ａ層に係る酸窒化物の場合、ＮｘＯ１−ｘで０．５≦ｘ≦０．９９９を満足することが必要であり、ｘの値が０．５未満の場合は、皮膜の硬度が著しく低下し十分な切削性能を示さない。一方、０．９９９を超えると皮膜の耐酸化性向上に対する寄与が少なくなり、望ましくない。
【００１６】
次にＢ層の作用について述べる。
上記Ａ層は、静的および動的条件下において優れた耐酸化性、低摩擦を有すものの、皮膜の内部応力が高く、単一皮膜としては十分な切削性能を示さない。そこで、優れた密着性、耐摩耗性、耐酸化性を有するＢ層を併用する必要がある。このＢ層の組成は、（ＴｉＡｌ）（ＮｙＯ１−ｙ）で０．５≦ｙ≦０．９９９を満足することが必要である。ｙの値が０．５未満の場合は、皮膜の硬度が著しく低下してしまい十分な耐摩耗性を示さない。一方、０．９９９を超えると皮膜の耐酸化性向上に対する酸素の寄与が少なくなり、望ましくない。
【００１７】
以上のように本発明においては、基体との密着性、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、耐酸化性、低摩擦に優れるＡ層を交互に、望ましくはそれぞれ２層以上積層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。
【００１８】
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基体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。
【００１９】
【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Ｎ２ガス、Ｎ２／Ｏ２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、被覆基体である外径１０ｍｍの超硬合金製２枚刃エンドミル、外径８ｍｍの超硬合金製６枚刃エンドミルおよび超硬合金製インサートに−１５０Ｖの電位を印加し、全皮膜の厚みが４μｍとなるように成膜した。成膜順序は先ずＢ層を、次にＡ層を成膜し、積層数に応じてこれを繰り返した。各試料のＡ層、Ｂ層の組成、層数（Ａ層数＋Ｂ層数）を表１に示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
得られた硬質皮膜被覆エンドミルおよび硬質皮膜被覆インサートを用い切削試験を行った。工具寿命は刃先の欠けないしは摩耗等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。
【００２２】
２枚刃エンドミル切削条件は、側面切削ダウンカット、被削材Ｓ５０Ｃ（硬さ２２０ＨＢ）、切り込みＡｄ１０ｍｍ×Ｒｄ１ｍｍ、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、エアーブロー使用、とした。
【００２３】
６枚刃エンドミル切削条件は、側面切削ダウンカット、被削材ＳＫＤ１１（硬さ６２ＨＲＣ）、切り込みＡｄ８ｍｍ×Ｒｄ０．４ｍｍ、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ送り０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、エアーブロー使用、とした。
【００２４】
インサート切削条件は、工具形状ＳＥＥ４２ＴＮ、巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの面取り加工、被削材ＳＫＤ６１（硬さ４５ＨＲＣ）、切り込み２．０ｍｍ、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、乾式切削とした。表１に試験結果を併記する。
【００２５】
比較例２０、２１は夫々Ｖ、Ｓｉの量が多すぎる場合の比較例であり皮膜剥離により工具寿命が短い。比較例２２はＳｉの量が少なすぎる場合の比較例であり、皮膜の耐酸化性が十分でなく工具寿命が短い。比較例２３はＳｉの量が多すぎる場合の比較例で、皮膜剥離の発生により寿命が短い。比較例２４はＳｉの量が少なすぎる場合の例で、皮膜の耐酸化性が十分でなく工具寿命が短い。
比較例２５は、酸素添加量が多過ぎる場合であり、皮膜硬度が得られず、逃げ面摩耗が大きくなり寿命が短い。比較例２６、２７、２８はＳｉおよびＶの量は本請求項内のものであるがＡ層もしくはＢ層内にＯが添加されていない場合の比較例であり、本発明例に比較して耐摩耗性が十分でなはない。比較例２９、３０はＳｉ量が多くＯ無添加の場合の比較例であり、極めて耐摩耗性が悪い。比較例３１、３２はＡ層の単一皮膜であるが、皮膜の剥離が早期に生じ短寿命となった。比較例３３はＢ層の単一皮膜であるが耐摩耗性が十分ではない。
【００２６】
これらに対し本発明例は、硬質皮膜の、工具として使用した場合の動的耐酸化性に優れ、摩擦による温度の上昇も少なく、また、内部応力、密着力、硬さと靭性のバランスを考慮したＢ層を併用しているので、剥離によって急激に摩耗が進行することもなく、総合して工具寿命が著しく向上する。本発明は乾式高速切削加工に十分対応するものである。
【００２７】
【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、低摩擦を有すことから、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に極めて有効である。

Claims (1)

1. 基体表面に硬質皮膜を設けてなる硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は（Ｔｉ１−ａ−ｂＶａＳｉｂ）（ＮｘＯ１−ｘ）、但し、０≦ａ≦０．５、０．１≦ｂ≦０．７、０．５≦ｘ≦０．９９９、で示される化学組成からなるＡ層と、（ＴｉＡｌ）（ＮｙＯ１−ｙ）、但し０．５≦ｙ≦０．９９９で示される化学組成からなるＢ層を交互に２層以上積層したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。