JP4346020B2 - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents

Description

本発明は、チップ、ドリル、タップ、エンドミル、ホブ、ブローチ等の切削工具の耐摩耗性を向上するための複合硬質皮膜工具に関する。

従来、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の耐摩耗性を向上させることを目的に、TiN やTiCN、TiAlN 等の硬質皮膜をコーティングすることが行われている。特に、TiとAlの複合窒化皮膜（以下、TiAlN と記す）が、優れた耐摩耗性を示すことから、前記チタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜に代わって高速切削や焼き入れ鋼等の高硬度材切削用の切削工具に適用されてきた。前記TiAlN 皮膜は、Alを添加することによって膜の硬度が上昇し、耐摩耗性が向上することが知られているが、特許文献１には、TiAlN を(Al _x ,Ti_1-x )N と表現した場合のAlの組成比x が0.7 以上でZnS 型の軟質AlN が析出していることが示されている。また特許文献１には「Al量(x) が0.75を越える場合は、硬質皮膜がAlN に近似してくる結果、皮膜の軟質化を招き、十分な硬度が得られなくなり、フランク摩耗を容易に引き起こす」ことが記述されている。更に同特許文献１の図３には、Al組成比と膜硬度の関係が示され、Al組成が 0.6を越えた付近から硬度が低下しているが、これはAl組成比x が 0.6〜0.7 の間で ZnS型の AlNが析出し始め、Alの組成比増加とともに ZnS型 AlNの析出が増加して、膜硬度が低下することを示唆している。更に同特許には、耐酸化性について、Al組成比x が0.56以上で酸化開始温度が800 ℃以上となり、前記x 値の増加に伴い酸化開始温度も上昇していく傾向が示されているが、硬度を考慮して規定しているAl組成比の上限：0.75においては 850℃程度である。 また、特許文献２ではTiAlN にCrを添加することで岩塩構造型AlN の割合を増加させて硬度を高め、且つ耐酸化性も向上させることができると記載されているが、ここでのAl組成比の上限は 0.8にとどまっている。

即ち従来の方法では、Alの組成比を増加させて硬度を高めるにも限界があるため硬度と耐酸化性を同時に高めていくことができず、結果として耐摩耗性の向上にも限界があった。しかしながら、近年では、切削工具の使用条件としてより高速化・高能率化が要求されており、この様な切削工具を実現するため、更に優れた耐摩耗性を発揮する切削工具用複合硬質皮膜が求められている。
特許第2644710 号 特開2003-71610号公報

本発明の課題は、高速・高能率切削が可能な、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を被覆した切削工具およびこの様な硬質皮膜被覆工具を提供することにある。

本発明によると、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、(Ti _a ,Al _b ,M_c )(C _1-d N _d ) からなり、M はSi、Cr又はNiの金属および半金属元素であり、Ti、Al、M それぞれの原子比a 、b 、c が、0.02≦a ≦0.2 、0.8 ≦b ≦0.95、a+b+c=1 を満たし、かつN の原子比d が0.5 ≦d ≦1 となるようにしかつ膜厚が 0.2μm 〜１μm である硬質皮膜、又は(Ti _a ,Al _b )(C _1-d N _d ) からなり、Ti、Alのそれぞれの原子比a 、b が、0.05≦a ≦0.2 、0.8 ≦b ≦0.95、a+b=1 を満たし、かつN の原子比d が0.5 ≦d ≦1 となるようにしかつ膜厚が 0.2μm 〜１μm である硬質皮膜、である硬質皮膜Ａと、Ti_1-e Al_e N からなり、Alの原子比e がe ≦0.6 でかつ膜厚が 2.4μm 〜 5.0μm である硬質皮膜Ｂを少なくとも1 層ずつ被覆してなる硬質皮膜被覆工具であって、前記硬質皮膜Ｂを前記硬質皮膜Ａよりも基材側に被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具によって上記した課題を解決した。

上記した本発明により、高速・高能率切削が可能な、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具を提供するものとなった。
前記硬質皮膜Ａは、厚が0.2 μm では切削における耐酸化性の効果は期待できず、膜厚が１μm 以下と比較的薄い膜厚でも十分に耐酸化保護膜として機能する。前記硬質皮膜Ｂは膜厚が 2.4μm 未満では切削における耐摩耗性の効果は期待できず、膜厚が 5.0μm を越えると、セラミック硬質膜層での微少チッピングが発生しやすくなるため硬質皮膜Ｂの膜厚をこの範囲に限定した。

好ましくは、前記硬質皮膜Ｂに金属成分の原子比率で２０％以下のTi、Al以外の窒化物構成元素を添加したことことが好ましい。
さらに好ましくは、前記硬質皮膜の前記基材の最表面に、NiO _x 、DLC 、MoS ₂ 又はBNの潤滑機能皮膜を形成することが好ましい。

本発明者らは、前述した様な状況の下で、より優れた耐摩耗性をもつ硬質皮膜被覆工具の実現を目指して鋭意研究を進めた。その結果、Al比率0.8 〜0.95％のTiAlMN膜が１μm 以下と比較的薄い膜厚でも十分に耐酸化保護膜として機能することを見出し、Al比率 0.2〜0.6 のTiAlN 膜上に適切な膜厚の上記TiAlMN膜を被覆することにより、工具全体としての表面硬さを損なうことなく優れた耐酸化性発揮し、結果として特に高速切削において優れた耐摩耗性を持つ硬質皮膜被覆工具を得るに至ったのである。

即ち、本発明を実施するための最良の形態の硬質皮膜被覆工具は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、(Ti _a ,Al _b ,M_c )(C _1-d N _d ) からなり、M はSi、Cr又はNiの金属および半金属元素であり、Ti、Al、M それぞれの原子比a 、b 、c が、0.02≦a ≦0.2 、0.8 ≦b ≦0.95、a+b+c=1 を満たし、かつN の原子比d が0.5 ≦d ≦1 となるようにしかつ膜厚が 0.2μm 〜１μm である硬質皮膜、又は(Ti _a ,Al _b )(C _1-d N _d ) からなり、Ti、Alのそれぞれの原子比a 、b が、0.05≦a ≦0.2 、0.8 ≦b ≦0.95、a+b=1 を満たし、かつN の原子比d が0.5 ≦d ≦1 となるようにしかつ膜厚が 0.2μm 〜１μm である硬質皮膜、である硬質皮膜Ａと、Ti_1-e Al_e N からなり、Alの原子比e がe ≦0.6 でかつ膜厚が 2.4μm 〜 5.0μm である硬質皮膜Ｂを少なくとも1 層ずつ被覆してなる硬質皮膜被覆工具であって、前記硬質皮膜Ｂを前記硬質皮膜Ａよりも基材側に被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具である。

本発明を実施するための最良の形態の硬質皮膜被覆工具の硬質皮膜形成方法は、成膜ガス雰囲気中でTi、Al、Si、Cr又はNiを含む金属を蒸発させイオン化して、前記金属とともに成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ、次の第１の又は第２の方法のどちらかあるいは両方を用いて成膜する請求項１記載の硬質皮膜被覆工具の硬質皮膜形成方法である。即ち、 前記第１の方法は、アーク放電を行ってターゲットを構成する前記金属を蒸発およびイオン化して被処理体上に請求項１で規定する皮膜を形成するアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）において、前記ターゲットの蒸発面にほぼ直交した方向に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって前記被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ被処理体上に請求項１で規定する皮膜を成膜することであり、この場合に前記被処理体に印加するバイアス電位は、好ましくはアース電位に対して-50V〜-300V とし、又成膜時の被処理体温度（以下、基板温度という）は好ましくは 300℃以上で 800℃以下の範囲内とし、成膜時の反応ガスの分圧または全圧を好ましくは 0.5Ｐａ以上７Ｐａ以下とし、
前記第２の方法は、ホローカソード放電による電子ビームを用いてターゲットを構成する前記金属を蒸発およびイオン化して被処理体上に請求項１で規定する皮膜を形成する溶融蒸発型イオンプレーティング法( 以下溶解法) において成膜し、この場合に前記被処理体に印加するバイアス電位は、 好ましくはアース電位に対して-50V〜-300V とし、また、成膜時の被処理体温度（以下、基板温度ということがある）は好ましくは 300℃以上で 800℃以下の範囲内とし、成膜時の反応ガスの分圧または全圧を好ましくは0.05Ｐａ以上１Ｐａ以下とする。
尚、本発明における上記反応ガスとは、窒素ガス、メタンガス、エチレン、アセチレン、アンモニア、水素、またはこれら２種以上を混合させた皮膜の成分組成に必要な元素を含むガスをいい、これら以外に用いられるＡｒなどの様な希ガス等をアシストガスといい、これらをあわせて成膜ガスということとする。

アークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）により、Ti50Al50at% ターゲットを用いて約２Paのアルゴン窒素混合雰囲気中で、TiAlN 皮膜を超硬エンドミル基材上に成膜した。同様に、Ti42Al42Si16at% ターゲットを用いてTiAlSiN 皮膜を超硬エンドミル基材上に成膜した。次に、溶解法により、Ti70Al30at% の混合粉末30g をφ40の円筒形金型を用いて2GPaにて成形した圧粉成型体をターゲットとして、約 0．1Pa のアルゴン窒素混合雰囲気中で、圧粉成形体上面のプラズマビーム径が10mm程度となるよう収束させたHCD ガンを用いて溶融蒸発させ、TiAlN 被膜を成膜した。この時のプラズマ出力は 3000Wから 8000Wまで毎分500Wずつ上昇させた。
同様にTi60Al30Si10at% 、Ti60Al30Ni10at% 、Ti60Al30Cr10at% の圧粉整形体を用いて超硬エンドミルにTiAlN+TiAlSiN 、TiAlN+TiAlNiN 、TiAlN+TiAlCrN 皮膜を成膜した。得られたエンドミルよる切削試験結果を表１に示す。超硬エンドミルは切削長 50m時での逃げ面摩耗幅を測定した。切削諸元を次に示す。超硬エンドミルではアーク法により成膜した TiAlN膜と比較して同等以上の耐摩耗性を示した。
（超硬エンドミル切削条件)
工具：φ10超硬6 枚刃スクェアエンドミル
切削方法：側面切削ダウンカット
被削材：SKD61(硬さ53HRC)
切り込み：軸方向 10mm 、径方向 0.2mm
切削速度：785m/min、送り 0.07mm/ 刃
切削長：５0m、潤滑剤：無し（エアーブロー）

TiAlN(アーク法) 、TiAlSiN(アーク法) 、TiAlN+TiAlCrN(アーク法＋溶解法) を被覆した超硬インサートを大気中で1000℃まで加熱し、1 時間保持したあと冷却した。試料表面のカロテスト法により酸化深さを測定した。結果を表２に示す。

実施例１と同様に、AIP 法により、Ti50Al50ターゲットを用いてTiAlN 皮膜を超硬エンドミル基材上に成膜し、次に溶解法により、Ti70Al30at% の混合粉末を成形した圧粉成型体をターゲットとして、Ti15Al85被膜を成膜した。基材の最表面に、DLC の潤滑機能皮膜を形成し、実施例１と同様な超硬エンドミルによる切削試験を行ったところ、表１の TiAlN＋ TiAlNの本発明品より、エンドミル逃げ面摩耗は約２．５％少なかった。
〔本発明の最良の実施形態の効果〕

上記の本発明の最良の実施形態の硬質皮膜被覆工具は、高速・高能率切削が可能な、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具を提供するものとなった。
前記硬質皮膜Ａは、厚が0.2 μm では切削における耐酸化性の効果は期待できず、膜厚が１μm 以下と比較的薄い膜厚でも十分に耐酸化保護膜として機能する。前記硬質皮膜Ｂは膜厚が 2.4μm 未満では切削における耐摩耗性の効果は期待できず、膜厚が 5.0μm を越えると、セラミック硬質膜層での微少チッピングが発生しやすくなるため硬質皮膜Ｂの膜厚をこの範囲に限定した。

好ましくは、前記硬質皮膜Ｂに金属成分の原子比率で２０％以下のTi、Al以外の窒化物構成元素を添加したことことが好ましい。
さらに好ましくは、前記硬質皮膜の前記基材の最表面に、NiO _x 、DLC 、MoS ₂ 又はBNの潤滑機能皮膜を形成することが好ましい。

Claims (3)

1. 超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、(Ti _a ,Al _b ,M_c )(C _1-d N _d ) からなり、M はSi、Cr又はNiの金属および半金属元素であり、Ti、Al、M それぞれの原子比a 、b 、c が、0.02≦a ≦0.2 、0.8 ≦b ≦0.95、a+b+c=1 を満たし、かつN の原子比d が0.5 ≦d ≦1 となるようにしかつ膜厚が 0.2μm 〜１μm である硬質皮膜、又は(Ti _a ,Al _b )(C _1-d N _d ) からなり、Ti、Alのそれぞれの原子比a 、b が、0.05≦a ≦0.2 、0.8 ≦b ≦0.95、a+b=1 を満たし、かつN の原子比d が0.5 ≦d ≦1 となるようにしかつ膜厚が 0.2μm 〜１μm である硬質皮膜、である硬質皮膜Ａと、Ti_1-e Al_e N からなり、Alの原子比e がe ≦0.6 でかつ膜厚が 2.4μm 〜 5.0μm である硬質皮膜Ｂを少なくとも1 層ずつ被覆してなる硬質皮膜被覆工具であって、前記硬質皮膜Ｂを前記硬質皮膜Ａよりも基材側に被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
2. 前記硬質皮膜Ｂに金属成分の原子比率で２０％以下のTi、Al以外の窒化物構成元素を添加したことを特徴とする請求項１記載の硬質皮膜被覆工具。
3. 前記硬質皮膜の前記基材の最表面に、NiO _x 、DLC 、MoS ₂ 又はBNの潤滑機能皮膜を形成した請求項１又は請求項２に記載の硬質皮膜被覆工具。