JP4393650B2 - 耐摩耗皮膜被覆工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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】
金属加工の高能率化を目的とした調質鋼の直切削においては、特開昭６２−５６５６５号、特開平２−１９４１５９号等に記載されたＴｉＡｌＮ系皮膜が開発され切削工具に多く適用されている。ＴｉＡｌＮ系皮膜は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ系皮膜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（以下、被削材と称す）との凝着および溶着現象が切削性能に大きな影響を及ぼす。すなわち、従来までの前記ＴｉＮ、ＴｉＣＮ系皮膜およびＴｉＡｌＮ系皮膜はこのような苛酷な切削環境下においては、被削材との凝着および溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増加により、十分な切削性能を得られないのが現状である。
【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およびダイヤモンドライクカーボンからなる潤滑性皮膜を硬質皮膜最表面に積層した切削工具が開発されているが、いずれも硬質皮膜との密着性が悪く、皮膜そのものが非常に脆い為、切削時に剥離または破壊などにより上記切削環境下においては十分対応できない。
【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、耐酸化性と耐摩耗性に優れた硬質皮膜であるＢ層と、被削材との凝着及び溶着が少なく、しかもＢ層との密着性に優れた耐凝着性層であるＡ層とを複合化した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】
本発明者は、硬質皮膜の耐摩耗性、様々な被削材と摩擦抵抗の低減に及ぼす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、基体表面に硬質皮膜を被覆してなる耐摩耗皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は、Ａ層とＢ層とを交互に夫々１層以上被覆し、該Ａ層は、（Ｃｒ_ａＸ_１−ａ）（Ｎ_μＯ_１−μ）、但し、Ｘは、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｓｉ、Ｔｉから選択される１種または２種以上の金属成分で０．５５≦ａ＜１、０．５≦μ≦１、該Ｂ層は、（ＴｉＡｌ）（Ｎ_νＯ_１−ν）、但し、０．５≦ν≦１、ナノインデンテーションによる硬度測定法より求めた該Ａ層と該Ｂ層の弾性係数をＥＡ、ＥＢとした時、該ＥＡは、４６５〜５３０ＧＰａで、且つ、ＥＡ／ＥＢ＜１を満足し、該Ａ層を最上層としたことを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具である。上記構成とすることにより、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。
【０００７】
【発明の実施の形態】
はじめにＡ層およびＡ層とＢ層の関係について詳しく述べる。
該Ａ層は、（Ｃｒ_ａＸ_１−_ａ）（ＮμＯ_１−μ）、但し、Ｘは、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｓｉ、Ｔｉから選択される１種または２種以上の金属成分、０．５≦μ≦１、で示されるｒ系酸窒化物皮膜であり、該Ｂ層は、（ＴｉＡｌ）（ＮνＯ_１−ν）、但し、０．５≦ν≦１であり、ナノインデンテーションによる硬度測定法より求めた該Ａ層と該Ｂ層の弾性係数をＥＡ、ＥＢとした時、該ＥＡは、４６５〜５３０ＧＰａで、且つ、ＥＡ／ＥＢ＜１を満足する場合、大気中における摩擦係数が従来のＴｉＡｌＮ系皮膜の０．８に比べ、０．３と極めて低摩擦を示すだけではなく、その他の硬質皮膜との密着性が極めて優れることを見出した。
【０００８】
乾式高速切削過程においては、凝着や溶着現象等により被削材の一部が硬質皮膜表面の微視的な凹凸部に強固に固着し、この凝着物および溶着物等とともに、硬質皮膜は剥離、または剥離に起因した刃先の欠損（溶着欠損）を生じやすい。しかし、本発明の如くＡ層をＢ層に複合化し、該Ａ層を最上層とすることにより、摩擦係数が著しく低下し、このことが凝着や溶着を軽減し、剥離や溶着欠損を防ぐ効果を有する。
【０００９】
この摩擦係数の低下は、Ｃｒによるところが大であるが、これにＥ_Ａ／Ｅ_Ｂ＜１の関係式を満足する様に１種以上の金属成分を添加する事により、高温での使用環境下において、更に摩擦係数の低下がもたらされる。これは、１種以上の金属成分を添加する事により、Ｃｒ酸窒化物の酸化が促進され、工具表面にＣｒ系酸化物を形成し、この酸化物が更に摩擦係数の低減に寄与する事によるものである。
【００１０】
ここで、Ｅ_Ａと、Ｅ_Ｂの比が、Ｅ_Ａ／Ｅ_Ｂ＜１の関係式を満足することが極めて重要である。以下にその作用を説明する。
凝着及び溶着現象の著しい切削環境下において、Ｅ_Ａ／Ｅ_Ｂが１以上の場合、硬質皮膜表面の微視的な凹凸部に強固に固着した凝着物および溶着物等により、容易に硬質皮膜の剥離もしくは溶着欠損が発生し、切削工具の寿命、性能を低下させる。これは硬質皮膜内部の強度よりも皮膜界面の強度が弱くなる為であると考えられる。一方、Ｅ_Ａ／Ｅ_Ｂの値が１よりも小さい場合、微視的な硬質皮膜表面の凹凸部に強固に固着した凝着物および溶着物等とともに、凹凸部の硬質皮膜内部でせん断される為、高弾性係数を有する皮膜に見られる硬質皮膜の剥離もしくは工具の欠損が発生しないことを確認した。
【００１１】
硬質皮膜の耐摩耗性及び様々な被削材との摩擦抵抗の低減、該ＥＡは、４６５〜５３０ＧＰａで、さらにはＥＡ／ＥＢ＜１の関係式の満足しやすさから検討した結果、Ｘとして最適な金属元素はＶ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｓｉ等であり、これらを用いた場合特に優れた性能を示す事が明らかとなった。
【００１２】
但し、弾性係数は皮膜成分及び組成によって一義的に決まるものではなく、成膜条件にも多少依存する。すなわち、高エネルギーでの成膜（高いバイアス）に際しては、弾性係数が増加する傾向があり、低エネルギーでの成膜においては、弾性係数が減少する傾向が確認された。従って、目的とした弾性係数を得るためには、被膜組成に合わせて成膜条件を最適化すればよい。
【００１３】
尚、弾性係数はW.C.Oliver、G.M.PharrによりJournal of Materials Research誌第７巻第１５６４〜１５８３頁に記載された方法によって、ELIONIX社製Nano Indentation Tester ENT-1100を用いて、負荷荷重（load,P）と押し込み深さ(displacement,h)の関係より測定、算出した。実際の弾性係数測定に際しては、試料を傾斜させ鏡面研磨した後、負荷荷重Ｐを９．８１×１０^−３Ｎ、負荷速度は９．８１×１０^−４Ｎ／ｓとし、最大荷重時に１ｓ保持後、荷重除去速度を９．８１×１０^−４Ｎ／ｓにて行った。
【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、（Ｃｒ_ａＸ_１−ａ）、但し、ＸはＣｒを除く１種以上の金属成分、０．５５≦ａ＜１で示される化学組成を満足させることが必要である。ａの値が０．５５未満の場合、Ｃｒによる低摩擦を得る為に十分ではなく、乾式高速切削における性能が十分ではない。
【００１５】
また、上記Ａ層に係る窒化物もしくは酸窒化物は、Ｎ_μＯ_１−μで０．５≦μ≦１．０を満足することが必要であり、μ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。
【００１６】
次にＢ層について述べる。
上記Ａ層は、静的および動的条件下において優れた密着性、低摩擦を有すものの、調質材の切削加工には、単一皮膜では十分な切削性能を示さない。そこで、優れた耐酸化性を有したＢ層を併用する必要がある。このＢ層の組成は、（ＴｉＡｌ）（Ｎ_νＯ_１−ν）で０．５≦ν≦１．０を満足することが必要である。また、Ｏの添加により、更なる耐酸化性が向上するものの、ν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。
【００１７】
以上のように本発明においては、皮膜自体の耐酸化性と耐摩耗性をバランス良く有するＢ層と、高密着、低摩擦に優れるＡ層を交互に、それぞれ２層以上積層する事により、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。
【００１９】
【実施例】
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Ｎ_２ガス、Ｎ_２／Ｏ_２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、Ｒ５ｍｍの超硬合金製２枚刃ボール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、必要に応じてこれを繰り返した。各試料のＡ層、Ｂ層の組成、Ａ層とＢ層の弾性係数の比Ｅ_Ａ／Ｅ_Ｂ、総層数（Ａ層数＋Ｂ層数）を表１に示す。同様に膜の組成や構成を変化させた比較例を表１に併記する。
【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枚刃超硬エンドミルの切削条件は、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】
２枚刃超硬ボールエンドミルの切削条件は、直線ダウンカット、被削材Ｓ５０Ｃ（硬さ２２０ＨＢ）、切り込みＡｄ０．５ｍｍ×Ｐｉｃｋ Ｆｅｅｄ０．５ｍｍ、回転数１００００ｍｉｎ^−１送り１０００ｍｍ／ｍｉｎ、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１５、１６は金属元素、Ｖの量が多すぎる場合の比較例であり、耐凝着及び溶着性が十分ではなく工具寿命が短い。比較例１７、１８は、Ａ層およびＢ層への酸素添加量が多すぎる場合の比較例であり、耐摩耗性が十分でなく工具寿命が短い。比較例１９はＡ層の単一皮膜であり、耐摩耗性が得られず寿命が短い。比較例２０は、Ｂ層の単一皮膜であり、凝着が激しく、異常摩耗を誘発し寿命が短い。比較例２１、２２、２３、２４は、何れもＥ_Ａ／Ｅ_ＢＡの値が１より大きく、凝着および溶着等により、早期に皮膜の異常摩耗が発生し工具寿命が短い。比較例２５、２６、２７、２８、２９、３０は、従来までの硬質皮膜における切削性能を示すが、何れも本発明例に比較して著しく劣る結果となった。
【００２６】
これらに対し本発明例は、切削時の摩擦に対する抵抗を著しく低減し、かつ硬質皮膜との密着性に優れ、また、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、凝着や溶着現象に起因した異常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。従って、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密着性、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被覆してなる耐摩耗皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は、Ａ層とＢ層とを交互に夫々１層以上被覆し、該Ａ層は、（Ｃｒ_ａＸ_１−ａ）（Ｎ_μＯ_１−μ）、但し、Ｘは、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｓｉ、Ｔｉから選択される１種または２種以上の金属成分で０．５５≦ａ＜１、０．５≦μ≦１、該Ｂ層は、（ＴｉＡｌ）（Ｎ_νＯ_１−ν）、但し、０．５≦ν≦１、ナノインデンテーションによる硬度測定法より求めた該Ａ層と該Ｂ層の弾性係数をＥＡ、ＥＢとした時、該ＥＡは、４６５〜５３０ＧＰａで、且つ、ＥＡ／ＥＢ＜１を満足し、該Ａ層を最上層としたことを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。