JP4540120B2 - 多層皮膜被覆工具及びその被覆方法 - Google Patents

Description

本発明は、フライス加工、切削加工、穴加工等に使用される切削工具に関し、耐摩耗皮膜を被覆することにより優れた耐剥離性と切り屑排出性を有し、優れた耐摩耗性を発揮する多層皮膜被覆切削工具及びその被覆方法に関する。

切削加工の高能率化に伴い切削工具の耐摩耗皮膜は、高硬度な硬質皮膜の上に摩擦抵抗の極めて低い、例えば炭素系潤滑膜を被覆する多層化の試みが行われ、耐摩耗性と潤滑特性を兼ね備えた硬質皮膜の提案がなされている。
特許文献１は、硬質炭素系潤滑膜と耐摩耗皮膜の密着強度を改善するためにＳｉ中間層を形成することが開示されている。しかし、Ｓｉを含む中間層は強度が低く、２層間の密着強度が不十分である。
特許文献２も同様、中間層として、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ、３ｂ族元素及びＣ以外の４ｂ続元素の元素群から選ばれた元素の炭化物を用いているが、２層間の密着強度が不十分であり、切削工具の耐摩耗性を大幅に改善するには至ってはいない。
特許文献３は、高硬度皮膜の下地層と、２硫化モリブデン等の固体潤滑性を有する皮膜が提案されている。しかし、２硫化モリブデンに添加元素を加えた程度では、過酷な切削環境においては２層間の密着強度、表面平滑性が十分ではなく、摩擦抵抗が高く耐摩耗性の改善はなされてはいない。
特許文献４は、耐摩耗性被膜と硬質炭素膜とが交互に積層された切削工具が開示されているが、２層間の密着強度改善に対して、大幅な耐摩耗性の改善がなされてはいない。
特許文献５にも、基体と非晶質カーボン層の間に、密着性の改善を目的として界面層と称するＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ）、（ＴｉＡｌ）Ｎが用いられているが、大幅な耐摩耗性の改善が成されてはいない。

特許第３３７２４９３号公報 特開２００１−３１６８００号公報 特開２０００−１７６８号公報 特開２００２−１１３６０４号公報 特開２００１−６２６０５号公報

上記特許文献１〜５は、耐摩耗性に優れ、且つ、潤滑特性とを兼ね備えた被覆切削工具は得られてはいない。その原因は、耐摩耗皮膜とその上に被覆される例えば潤滑皮膜との密着性が不十分であることに起因するためである。本発明は、耐摩耗皮膜と潤滑性皮膜を兼ね備え、両者の密着強度が極めて優れる耐摩耗皮膜を提供する。

本発明は、物理蒸着法によって該基材にＡ層とＢ層とからなる皮膜が被覆され、該Ａ層は、金属元素としてＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂのうちの少なくとも１種又は２種以上より選択された元素と、非金属元素としてＮを含みＣ、Ｏ、Ｂのうち１種又は２種以上より選択された元素から構成され、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂを原子％で１００とした時、Ｎを６０原子％以上含有するとともに結晶構造がｆｃｃ構造を有し、該Ｂ層は、該Ａ層の直上に接する硬質炭素膜、非晶質の硬質炭素膜、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗより選択される１種以上の元素を含有した硼化物、硫化物及び窒化硼素、から選択される少なくとも１種以上の潤滑性皮膜であり、該Ａ層と該Ｂ層との界面から該Ａ層の膜厚方向に５００ｎｍ未満の領域における結晶粒径の平均値が、２ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であり、該Ｂ層の膜厚は２０ｎｍ以上、５００ｎｍ未満で、且つ、その表面から２０ｎｍ以内の範囲に、２原子％以上の酸素を含有することを特徴とする多層皮膜被覆切削工具であり、本構成を採用することにより、Ａ層及びＢ層間の密着性が極めて優れ、大幅な耐摩耗性の改善を可能にする。

本発明の被覆方法は、スパッタリング法（以下、ＳＰ法と言う。）、アークイオンプレーティング法（以下、ＡＩＰ法と言う。）の何れかの方法を用いて被覆するか、両者の方法を同時に用いて被覆するかにより、該Ａ層と該Ｂ層とを同一真空容器内で被覆することである。

本発明により、切削加工の高能率化、耐摩耗性、耐溶着性を大幅に改善することを可能にし、切削加工における生産性向上並びにコスト低減に極めて有効な多層皮膜被覆切削工具並びに被覆方法を提供することができた。

切削加工において、切削工具の耐摩耗性を維持しつつ、潤滑特性を併せ持つ皮膜が有効ではある。しかしながら、これらの特性を満足させるには、高硬度を有する皮膜（以下、Ａ層と称する。）に加え、その上に被覆される潤滑特性を持つ皮膜（以下、Ｂ層と称する。）が脱落しないことが前提となる。Ａ層とＢ層の界面が強度不足もしくは密着強度不十分により、Ｂ層が脱落した場合、その界面部を起点として、被加工物が工具表面に付着する現象を誘発する（以下、溶着と言う。）。この溶着が連続的に発生すると異常摩耗が発生し、切れ刃のチッピング、欠けにより、切削工具は短寿命となる。そこで本発明は、このＡ層とＢ層との２層間の密着性を飛躍的に改善すれば切削寿命が大幅に改善できることに着目し、本発明を完成させた。

本発明のＡ層は、基材と接するように被覆され、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂのうちの少なくとも１種又は２種以上より選択された元素と、非金属元素として、ＮとＣ、Ｏ、Ｂのうち１種又は２種以上より選択された元素から構成され、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂを原子％で１００としたときに、Ｎを６０原子％以上含有する必要がある。これらにより構成されるＡ層は、高硬度で耐摩耗性に優れる。Ａ層のＮ含有量が６０原子％未満の場合、皮膜硬度が十分に得られず、耐摩耗性が得られない。Ａ層は、結晶構造がｆｃｃ構造を主体とすることが極めて重要である。これはＢ層との密着強度を高めるためである。更にＢ層との密着強度を高めるための手段として、該Ａ層の表面から深さ方向に５００ｎｍ未満の領域における結晶粒径の平均値が、２ｎｍ以上、４０ｎｍ未満であることが本発明において最も重要な手段となる。上記結晶粒径の制御が、Ｂ層との界面において、明瞭な界面を形成し難い構造を形成し、密着強度を著しく改善することを可能にした。
処理方法としては複数の方法から選択することができる。第１の方法は、Ａ層の被覆終了５分前に、バイアス電圧をパルス状に変化させて、−５００Ｖ、＋２０Ｖのバイアス電圧を印加することにより、結晶粒径を上記範囲に制御することである。第２の方法は、Ｂを８原子％添加したターゲットを用いることである。第３の方法は、上記のパルス状バイアス電圧に加えて、Ｎ _２ ガスとＯ _２ ガスとを、８０対２０の割合で同時に真空容器内に導入することにより、Ｏ _２ を硬質皮膜内へ添加しながら結晶粒径を制御することである。第４の方法は、Ｏ _２ ガスの代わりに、ＣＯガス、ＣＯ _２ ガスを導入することによって、硬質皮膜内への酸素の添加が可能であり、結晶粒径の制御することである。

Ｂ層の膜厚は、２０ｎｍ以上、５００ｎｍ未満の値が好ましい。この理由は、膜厚が２０ｎｍ未満では、Ｂ層の持つ低摩擦効果が十分ではなく、５００ｎｍを越えると、界面破壊もしくは剥離に起因した剥離異常摩耗が発生しやすくなるためである。上記構成を採用することで、Ａ層とＢ層との界面に中間層を用いなくても、極めて優れた密着強度を得ることができ、極めて長い切削寿命を得ることができる。
Ｂ層は、最表面に被覆されていることが有効であり、この場合、特に耐溶着性に優れるからである。Ｂ層は、硬質炭素膜からなる場合又は非晶質の硬質炭素膜からなる場合に耐溶着性に優れる。更に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗより選択される１種以上の元素を含有した硼化物、硫化物及び窒化硼素から選択される少なくとも１種以上から構成される皮膜である場合にも潤滑性を有し、耐溶着性に優れる。
Ｂ層の表面から２０ｎｍ以内の範囲に、２原子％以上の酸素を含有する場合、そうでないものに比べて、溶着量が少なく、耐溶着性に優れる。２０ｎｍ以内の範囲が好ましいとした理由は、２０ｎｍを超えて大きい場合、耐溶着性が劣化する傾向にあったためである。また、２原子％未満の酸素含有量は、酸素を含有しないものと大きく性能は変わらなかった。上記の理由から、Ｂ層の酸素含有の範囲と含有量を上記数値に設定した。

本発明の切削工具は、ドリル、タップ、リーマ、エンドミル、刃先交換型インサート、歯切り工具、ブローチからなる群より選ばれた切削工具であり、これらの切削工具は、本発明皮膜の改善効果が特に顕著に確認できる。更に、本発明皮膜を、工具外径に対する加工深さが３倍以上、２５倍以下で使用可能であるドリルに被覆することにより、特に切削加工の高能率化が可能となる。

本発明の被覆方法は、ＳＰ法、ＡＩＰ法の何れかの方法を用いて被覆するか、両者の方法を同時に用いて被覆することにより、Ａ層とＢ層とを同一真空容器内で連続的に被覆する被覆方法である。ＡＩＰ法でＡ層を被覆した後に、ＳＰ法でＢ層を被覆することも可能であり好ましいが、この時ＳＰ法のみ別の被覆装置で被覆するよりも、連続して行うことが２層間の密着強度の観点から特に適切である。同様にＡＩＰ法とＳＰ法を同時に行う場合も、２層間の密着強度の改善に有効であり好ましい。
本発明皮膜の基材への密着性の改善及び欠損を防止することを目的とし、被覆前後に、工具切刃を機械的処理によってなじませることにより、突発的な切刃もしくは本発明皮膜のチッピングが抑制され好ましい。また、被覆中に本発明皮膜表面及び本発明皮膜内部に付着したドロップレット等を、機械的処理により除去することも、低摩擦に有効であり異常摩耗の抑制にも効果的であり好ましい。本発明の多層皮膜被覆工具は、被削材として炭素鋼、合金鋼などの鋼や鋳鉄に使用すると効果的である。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

本発明例１は、ＡＩＰ法とＳＰ法との併用が可能な装置を用いて、以下記載による方法により被覆することが可能である。即ち、目的とする組成となるよう作成した各種合金製ターゲット、並びに各種反応ガスであるＮ_２、Ｃ_２Ｈ_２、Ｏ_２、ＣＨ_４、ＣＯ_２、Ａｒの何れかもしくはその組合せによる反応ガスを用いた。また、Ｎ、Ｃ、Ｏに関しては、被覆の際にガスを真空容器内に導入することにより硬質皮膜に添加することも可能であるが、別の手段として、金属ターゲットに予め添加することによっても可能である。
Ａ層は、被覆基材である超硬合金製の外径６ｍｍの２枚刃ドリルと外径８ｍｍの４枚刃エンドミルは、化学的手段による洗浄と乾燥を行い、アークイオンプレーティング用蒸発源を配備する真空容器内に配置した。基材温度が５２５℃となるよう加熱及び排気を行い、Ａｒを真空容器内に導入しこれをイオン化して、Ａｒイオンによる被覆基材のクリーニングを行った。反応ガスを真空容器内に導入し、各種合金ターゲット表面にアーク放電を発生させ、負のバイアス電圧を印加して基材に被覆処理を行った。この時のバイアス電圧は−４０Ｖに設定し、所定の膜厚に達した後、前記第１の方法により、結晶粒径を２ｎｍ以上、４０ｎｍに制御するるための処理を行った。

次に、連続してＢ層を被覆した。ここで重要となるのがＢ層の形成に用いるターゲット表面の汚染物質を、Ａ層とＢ層との界面に存在させないようにすることである。そのため、Ａ層から、Ｂ層の被覆プロセスへ移行するステップでは、Ａ層の被覆プロセス終了する５分前に、Ｂ層に使用するスパッタリング蒸発源に電流を供給し、ターゲット材のスパッタリングを開始した。スパッタリングターゲットの前面に可動式の遮蔽板を設け、スパッタリングされたターゲット材料及びターゲット表面の汚染物質が基材に到達しないようにした。この汚染物質は、例えば被覆前処理に行うＡｒエッチング中に付着した物質、基材の加熱中に付着した物質もしくは真空容器を開けた際に付着した物質のことを指す。ターゲットの前面に遮蔽板を設けた状態で５分間放電を継続し、ターゲット表面をクリーニングし、次にターゲット前面の遮蔽板を移動させ、イオン化したターゲット材料を基材へと導き、被覆処理を行った。
Ｂ層が所定の膜厚に達した時点で、ターゲット材前面の可動式遮蔽板を再びターゲット材前面に移動させてターゲット材料が基材に到達しない様にし、Ａｒに対するＯ_２比率を１：１で真空容器内に導入しながら、バイアス電圧を−３００Ｖに設定し３分間処理を継続させ、Ｂ層内へ酸素を添加した。

上記の被覆方法で、表１、表２に示す本発明例１、２、比較例３〜１４を被覆した。表１、表２に示す組成の定量分析は、エネルギー分散型Ｘ線分光法、オージェ電子分光法及び電子線エネルギーロス分光法を用い、総合的に決定した。表１、表２に示す組成の表示は金属成分、非金属成分を夫々合わせて１００となる様に原子％で表記したが、ここでは金属成分と比金属成分の原子比が１：１であることを意味するものではない。Ａ層及びＢ層の結晶構造の解析は、Ｘ線回折法を用いて行った。結晶粒子径の測定は、例えば硬質皮膜断面を透過型電子顕微鏡によりランダムに選択した視野の断面写真より実測した。図２に結晶粒子径を測定するための１つの方法を模式図により示す。
図１は、Ｂ層（１）とＡ層（２）の境界面（４）を示し、本発明の結晶粒子径は、境界面（４）に接するＡ層（２）の結晶粒子の幅（３）を示し、境界面方向に１μｍの領域で測定した場合の平均値である。
Ｂ層の表面から膜厚方向に２０ｎｍ以内の領域における酸素含有量の決定にはオージェ電子分光法を用いて深さ方向に定量分析を行った。
表１、表２中の被覆方法は、各層の被覆方法、ＳＰ法、ＡＩＰ法を記載した。連続処理とは、Ａ層から連続してＢ層を被覆する処理のことである。

本発明例１、２、比較例３〜１４を用い、切削試験を行った。評価はドリルコーナー部の摩耗幅が０．２ｍｍに達した時点の穴加工数、切屑が分断されずに排出された時点の穴加工数、ドリルが折れた時点の穴加工数、もしくは切削動力が急上昇し穴加工ができなくなった時点の穴加工数のうち、最も少ない数値を測定した。切削諸元を次に示す。
ドリル切削条件１は乾式による切削加工であり、ドリル切削条件２は水溶性切削液を外部より供給しながらの湿式の切削加工を行い、結果を表３に示す。穴加工数値は５０穴未満を繰り下げて表示した。
（ドリル切削条件１）
工具：２枚刃ドリル、外径６ｍｍ
被覆基材：超硬合金製
切削方法：止まり穴加工
被削材：ＳＣＭ４４０（ＨＲＣ３０）
穴深さ：３２ｍｍ
切削速度：７０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：なし、乾式エアーブロー
（ドリル切削条件２）
工具：２枚刃ドリル、外径６ｍｍ
被覆基材：超硬合金製
切削方法：止まり穴加工
被削材：ＳＣＭ４４０（ＨＲＣ３０）
穴深さ：３２ｍｍ
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：水溶性エマルションタイプ使用、外部給油による

エンドミルの評価は、工具送り方向と直角方向における加工面粗さが２０μｍを越えた時点の切削長を測定した。加工面粗さが２０μｍを超えた状態において工具には多数の溶着物が付着し、工具摩耗も進行する。従って、溶着物が付着しない皮膜程、長い切削長が得られる。切削諸元を示し、その結果を表３に示す。数値は１０ｍ未満を繰り下げて表示した。
（エンドミル切削条件）
工具：４枚刃エンドミル、外径８ｍｍ
被覆基材：超硬合金製
切削方法：側面ダウンカット
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＲＣ３０）
突き出し長さ：２５ｍｍ
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０７ｍｍ／刃
切込み：軸方向１２ｍｍ、径方向０．２ｍｍ
切削油：水溶性エマルションタイプ使用、外部給油による。

表１、表２に示す本発明例１、２、比較例３〜１４と比較して、安定した切削寿命が得られた。以下、本発明例の詳細について述べる。
本発明例１、本発明例２は、Ｂ層が最表面であり、且つ表面から２０ｎｍ以内の酸素含有量が原子％で、最大３．８％、２．１％の場合の事例を示すが、特にＢ層の表面平滑性に優れ、切削動力が小さく、優れた潤滑効果を発揮し、切削寿命に優れた。本発明例１の皮膜表面から、オージェ電子分光分析法により、膜厚方向に分析した結果を図２に示す。図２より、本発明例１は表面から２０ｎｍ以内の領域に酸素を３．８原子％含有していることが認められた。
比較例３、比較例４は、Ａ層が、（ＶＴｉ）Ｎ、（ＺｒＴｉ）Ｎの場合の事例を示すが、皮膜硬度が低い上に、Ｂ層との密着強度が悪く、異常摩耗が発生し、切削寿命が短い。比較例９と比較例１０は、Ｂ層の膜厚を変化させた場合の事例を示すが、１μｍを越えると、Ａ層とＢ層との２層間の密着強度が急激に低下し、異常摩耗が発生することによる。比較例５は、Ａ層のＮ含有量が５２原子％、Ｃ含有量４８％の場合の事例を示すが、低硬度であり、本発明例に比べて耐摩耗性が劣る結果となった。比較例１１から比較例１４は、Ｂ層が結晶質からなる場合であるが、Ａ層との密着強度が不十分であり異常摩耗を誘発し、本発明例に比べて著しく耐摩耗性に劣る結果となった。

図１は、本発明皮膜の１例である断面の模式図を示す。 図２は、本発明例１の深さ方向元素分析結果を示す。

１：Ｂ層
２：Ａ層
３：Ｂ層と接するＡ層の結晶粒径
４：Ｂ層とＡ層の境界面

Claims (2)

1. 物理蒸着法によって該基材にＡ層とＢ層とからなる皮膜が被覆され、該Ａ層は、金属元素としてＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂのうちの少なくとも１種又は２種以上より選択された元素と、非金属元素としてＮを含みＣ、Ｏ、Ｂのうち１種又は２種以上より選択された元素から構成され、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂを原子％で１００とした時、Ｎを６０原子％以上含有するとともに結晶構造がｆｃｃ構造を有し、該Ｂ層は、該Ａ層の直上に接する硬質炭素膜、非晶質の硬質炭素膜、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗより選択される１種以上の元素を含有した硼化物、硫化物及び窒化硼素、から選択される少なくとも１種以上の潤滑性皮膜であり、該Ａ層と該Ｂ層との界面から該Ａ層の膜厚方向に５００ｎｍ未満の領域における結晶粒径の平均値が、２ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であり、該Ｂ層の膜厚は２０ｎｍ以上、５００ｎｍ未満で、且つ、その表面から２０ｎｍ以内の範囲に、２原子％以上の酸素を含有することを特徴とする多層皮膜被覆切削工具。
2. 請求項１記載の多層皮膜被覆切削工具において、該物理蒸着法は、スパッタリング法、アークイオンプレーティング法の何れかの方法を用いて被覆するか、両者の方法を同時に用いて被覆することにより、該Ａ層と該Ｂ層とを同一真空容器内で被覆することを特徴とする多層皮膜被覆切削工具の被覆方法。

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