JP4576638B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備えるものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
本発明の被膜は、第1超多層膜と第2超多層膜とを各々1以上交互に積層させてなる複合超多層膜を含むことを特徴とするものである。そして、この第1超多層膜を、A1層とB層とを各々1層以上交互に積層することにより構成し、また第2超多層膜を、A2層とC層とを各々1層以上交互に積層することにより構成し、かつ上記A1層と上記A2層とは、各々TiN、TiCN、TiAlN、またはTiAlCNのいずれかにより構成し、上記B層は、TiSiNまたはTiSiCNにより構成し、上記C層は、AlCrNまたはAlCrCNにより構成している。
本発明の複合超多層膜は、第1超多層膜と第2超多層膜とを各々1以上交互に積層させてなる構成を有している。このような複合超多層膜の厚みは、1.0μm以上8.0μm以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が7μm以下、さらに好ましくは6μm以下、その下限が1.2μm以上、さらに好ましくは1.5μm以上である。その厚みが1.0μm未満の場合、耐熱性や耐摩耗性が十分に示されない場合があり、8.0μmを超えると強度が低下するため好ましくない場合がある。
本発明の第1超多層膜は、A1層とB層とを各々1層以上交互に積層させてなる構成を有している。このような第1超多層膜の厚みは、0.1μm以上0.5μm以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が0.45μm以下、さらに好ましくは0.4μm以下、その下限が0.15μm以上、さらに好ましくは0.2μm以上である。その厚みが0.1μm未満の場合、A1層とB層とを均一に積層させることが困難となり、十分な性能の向上を達成することができないとともに品質が均一にならないという問題を有する傾向を示す。また、その厚みが0.5μmを超えると強度が低下し被膜剥離を生じるため好ましくない場合がある。
本発明の第2超多層膜は、A2層とC層とを各々1層以上交互に積層させてなる構成を有している。このような第2超多層膜の厚みは、0.1μm以上0.5μm以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が0.45μm以下、さらに好ましくは0.4μm以下、その下限が0.15μm以上、さらに好ましくは0.2μm以上である。その厚みが0.1μm未満の場合、A2層とC層とを均一に積層させることが困難となり、十分な性能の向上を達成することができないとともに品質が均一にならないという問題を有する傾向を示す。また、その厚みが0.5μmを超えると強度が低下し被膜剥離を生じるため好ましくない場合がある。
上記第1超多層膜と上記第2超多層膜とは、上記の通り各々0.1μm以上0.5μm以下の厚みを有し、かつ上記第1超多層膜の厚みをX、上記第2超多層膜の厚みをYとする場合、厚み比Y/Xが0.5以上4以下となることが好ましい。厚み比Y/Xをこの範囲に制御することにより、上記のような優れた特性、すなわち耐熱性と耐摩耗性を維持しつつ脆性を示さないという特性を十分に達成できるものとなる。この厚み比Y/Xは、より好ましくは0.8以上3.5以下であり、さらに好ましくは1以上3以下である。
本発明において、第1超多層膜を構成するA1層および第2超多層膜を構成するA2層は、各々TiN、TiCN、TiAlN、またはTiAlCNのいずれかにより構成される。A1層およびA2層をそれぞれこのような化学組成で構成したことにより、後述のB層およびC層が示す脆性を極めて効果的に低減することができる。すなわち、これらのA1層とA2層とを、それぞれB層およびC層と交互に積層することにより、上述のように耐熱性と耐摩耗性を維持しつつ脆性を示さないという優れた効果を奏することが可能となったものである。
本発明において、第1超多層膜を構成するB層は、TiSiNまたはTiSiCNのいずれかにより構成される。B層をこのような化学組成で構成したことにより、被膜の耐熱性と耐摩耗性を向上することができる。
本発明において、第2超多層膜を構成するC層は、AlCrNまたはAlCrCNのいずれかにより構成される。C層をこのような化学組成で構成したことにより、被膜の耐熱性と耐摩耗性を向上することができるとともに、潤滑性を向上することができる。
上記A1層、上記A2層、上記B層、および上記C層は、上記の通り各々40nm以下の厚みを有し、かつ上記A1層の厚みをXa、上記B層の厚みをXbとする場合、厚み比Xb/Xaは0.2以上3以下であり、かつ上記A2層の厚みをYa、上記C層の厚みをYcとする場合、厚み比Yc/Yaは0.2以上3以下であることが好ましい。厚み比Xa/XbおよびYc/Yaを各々上記の範囲に制御することにより、上記のような優れた特性、すなわち耐熱性と耐摩耗性を維持しつつ脆性を示さないという特性を達成できるものとなる。この厚み比Xb/XaおよびYc/Yaは、より好ましくは0.3以上2.5以下であり、さらに好ましくは0.4以上2以下である。
本発明の被膜は、上記の複合超多層膜以外にさらに中間層を含むことができる。この中間層は、上記基材の直上に0.1μm以上1.0μm以下の厚みで形成され、かつTiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrNまたはAlCrCNのいずれかにより構成されることが好ましい。上記厚みは、より好ましくは0.2μm以上0.5μm以下である。
本発明の被膜は、上記の複合超多層膜以外にさらに表面層を含むことができる。この表面層は、上記被膜の最上層として0.1μm以上2.0μm以下の厚みで形成される。このような表面層は、上記第2超多層膜により構成されることができる。また、このような表面層は、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrNまたはAlCrCNのいずれかにより構成されることもできる。上記厚みは、より好ましくは0.3μm以上1.5μm以下である。なお、表面層が第2超多層膜で構成される場合、上記厚みは0.6μm以上1.5μm以下とすることが好ましい。
本発明の被膜を基材表面に形成(成膜)するためには、結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスであることが好ましい。そこで、種々の成膜方法を検討した結果、本発明の被膜は、物理蒸着法により形成することが最適である。すなわち、本発明の被膜は、物理蒸着法により形成されたものであることが好ましい。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1に示すようなアークイオンプレーティング装置10を用いて、アークイオンプレーティング法により表1に記載した実施例1の被膜を形成する場合を例示する。なお、基材は、後述の3種の切削試験毎に異なった基材が用いられるため、これら3種の基材各々に対して同一の条件で被膜を形成した。
基材としては超硬合金製スクエアエンドミル(直径(外径)8mm、4枚刃)を使用した。被削材はSKD11(HRC53)とし、その側面切削をダウンカットで切削速度=120m/min、送り量=0.03mm/tooth、切り込み量Ad=8mm、Rd=0.4mm、エアーブローで行なった。
基材としては超硬合金製ドリル(直径(外径)10mm)を使用した。被削材はS50C(HB220)とし、その湿式穴加工(穴深さ30mmの貫通穴)を切削速度=80m/min、送り量=0.2mm/revで行なった。
基材としてはJIS規格P30相当超硬合金製フライス用スローアウェイチップ(形状:SPG432)を使用した。被削材はSCM435とし、切削速度=250m/min、送り量=0.25mm/tooth、切り込み量=2mm、切削油なし(乾式加工)で行なった。
基材としては、上記と同様の超硬合金製ドリル(直径(外径)10mm)を使用し、被膜としては実施例17、18および比較例7を用いた。被削材はSCM415(HB=235)とし、その湿式穴加工(穴深さ40mmの貫通穴)を切削速度=80m/min、送り量=0.25mm/revで行なった。
Claims (11)
- 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、第1超多層膜と第2超多層膜とを各々1以上交互に積層させてなる複合超多層膜を含み、
前記第1超多層膜は、A1層とB層とを各々1層以上交互に積層することにより構成され、
前記第2超多層膜は、A2層とC層とを各々1層以上交互に積層することにより構成され、
前記A1層と前記A2層とは、各々TiN、TiCN、TiAlN、またはTiAlCNのいずれかにより構成され、
前記B層は、TiSiNまたはTiSiCNにより構成され、
前記C層は、AlCrNまたはAlCrCNにより構成されることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記A1層と前記A2層とは、同じ組成であることを特徴とする請求の範囲1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第1超多層膜と前記第2超多層膜とは、各々0.1μm以上0.5μm以下の厚みを有し、かつ前記第1超多層膜の厚みをX、前記第2超多層膜の厚みをYとする場合、厚み比Y/Xは0.5以上4以下となることを特徴とする請求の範囲1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記A1層、前記A2層、前記B層、および前記C層は、各々40nm以下の厚みを有し、かつ前記A1層の厚みをXa、前記B層の厚みをXbとする場合、厚み比Xb/Xaは0.2以上3以下であり、かつ前記A2層の厚みをYa、前記C層の厚みをYcとする場合、厚み比Yc/Yaは0.2以上3以下であることを特徴とする請求の範囲1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記複合超多層膜は、1.0μm以上8.0μm以下の厚みを有することを特徴とする請求の範囲1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、さらに中間層を含み、
前記中間層は、前記基材の直上に0.1μm以上1.0μm以下の厚みで形成され、かつTiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrNまたはAlCrCNのいずれかにより構成されることを特徴とする請求の範囲1に記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、さらに表面層を含み、
前記表面層は、前記被膜の最上層として0.1μm以上2.0μm以下の厚みで形成されることを特徴とする請求の範囲1に記載の表面被覆切削工具。 - 前記表面層は、前記第2超多層膜により構成されることを特徴とする請求の範囲7に記載の表面被覆切削工具。
- 前記表面層は、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrNまたはAlCrCNのいずれかにより構成されることを特徴とする請求の範囲7に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、物理蒸着法により形成されることを特徴とする請求の範囲1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成されることを特徴とする請求の範囲1に記載の表面被覆切削工具。
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