JPH0592304A - 複層コーテイング工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速度綱、超硬合金、サーメット、セラミッ
ク等にＴｉ等の硬質物質をコーティングした切削工具の
耐摩耗性、耐亀裂性を始めとして、さらに切り粉離れ等
の総合的な機能の改善を図る。 【構成】 表面被覆膜が原子パーセントでＴｉを６０〜
１００％含み、Ｔｉ以外の金属の膜構成金属がＺｒ，Ｈ
ｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｂ，Ａｌ，Ｓｉの一種又は２種以上の
成分であり、６００℃以下の温度にて炭素、窒素、酸素
のうちのいずれか１種または２種以上の化合物の反応ガ
ス成分中で物理蒸着法により母材表面に複層コーティン
グした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複層コーティングを
施した金属材料等の加工用の切削工具に関する。

【０００２】

【従来技術】従来のコーティング工具として、ＴｉＮ、
ＴｉＣなどのセラミックを単層にコーティングしたも
の、あるいはこれらを多層にコーティングしたものが開
発され、実用に供されてきた（例えば雑誌Industrial H
eating, 1986 年９月号参照）。これらの開発の経緯に
おいては、開発者は切削工具の総合的な機能の改善に着
目してなされたのではなく、コーティング膜自体の耐摩
耗性や耐亀裂性、あるいは母材質との密着性など個々の
特性に注目して開発がなされてきたに過ぎない。

【０００３】例えば、特公昭６３−２１９５６６号には
アンダーコートとしてＣｒ膜及びトップコートとしてＴ
ｉＮ膜の多層膜の形成方法が開示されている。さらに特
開平２−５７６７７号公報には前記公報に開示されたも
のと同様にＴｉのアンダーコートの手法が提案され、母
材と膜、または膜間における密着性を向上させる手法が
示されている。あるいは、特公昭５９−２１３８７号公
報には硬質被覆層における内層と外層との間に中間層を
設け、該中間層の組成成分中の固溶酸素量を可変とし、
上層に酸化アルミニウムを被覆層とした被覆超硬合金部
材が提案されている。この場合は上層の酸化アルミニウ
ムの耐熱亀裂性及びその膜間の密着性の改善と膜の緻密
化を強化したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来のコーテ
ィング工具においては、耐摩耗性や耐亀裂性という切削
工具の個々の特性の改善を目指したものであって、これ
らの改善を包含するとともに、更に切り粉離れの良さな
どのあらゆる機能面を包含した総合的な切削工具の改善
がなされる必要がある。例えば一般的に被覆される硬質
物質の摩擦係数は母材の摩擦係数よりも低くなる。この
ために、切削時の刃先に応力変化を及ぼし、当該コーテ
ィング工具と同一形状のコーティングしていない工具に
比して切削抵抗が高くなるという問題も存在した。

【０００５】

【課題を解決する手段】本発明は上記の課題を解決すべ
くなされたものであって、高速度鋼，超硬合金，サーメ
ット，セラミックのいずれかを母材質とし、先ず（ａ）
表面被覆膜が原子パーセントでＴｉを６０〜１００％含
み、Ｔｉ以外の金属の膜構成金属がＺｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，
Ｔａ，Ｂ，Ａｌ，Ｓｉの１種又は２種以上の成分であ
り、６００℃以下の温度にて炭素、窒素、酸素のうちの
いずれか１種または２種以上の化合物の反応ガス成分中
で物理蒸着法により母材表面に複層コーティングした。
即ち、コーティング膜の製造においては、高温で行う化
学蒸着法などを用いると、結晶性は良いが靱性に欠ける
面が強いのである。そこで、本発明では６００℃以下の
物理蒸着法を用いて結晶粒の微細化して膜の緻密化と柱
状組織化を実現した。

【０００６】さらに、（ｂ）コーティング膜の最上層の
表面から０．２〜２．０μｍの範囲の膜の成分がＴｉ_X
Ｎ_Y （０．２＜ｙ／ｘ＜０．７）、またはＴｉ以外の成
分ＭがＺｒ，Ａｌ，Ｓｉであり、Ｔｉ_U Ｍ_V Ｎ_W （但
し、０．４＜ｗ／ｕ＋ｖ＜１．０）とした。即ち、本発
明においてはコーティング膜として用いられるＴｉ系セ
ラミックスを積層または多層に形成した。コーティング
膜の最上層の膜は０．２μｍ以下では潤滑性や切り粉離
れを良好にする層が薄すぎて効果が期待できず、また
２．０μｍ以上であれば、逆に下層の耐摩耗性の効果が
うすくなるので、これを０．２〜２．０μｍに限定し
た。

【０００７】次いで、（ｃ）前記コーティング膜のう
ち、切削に関与する部分はマイクロヴィッカース硬さ
（５０ｇ）の測定結果がＨｖ１３００〜３３００であ
り、膜厚が２．５〜８μｍの範囲にあり、かつＲａ５μ
ｍ以下の面粗さとした。ここでは、Ｈｖ１３００未満の
場合は耐摩耗性が著しく低く、Ｈｖ３３００以上の場
合、膜応力が大きくなり、膜の脱落を生ずる。そこでマ
イクロヴィッカース硬さを上記の如く限定した。さら
に、工具の切削に関与する部分の硬さは被削材の面粗さ
を投影するので、工具の刃先の面粗さの必要からＲａ５
μｍ以下に限定した。

【０００８】さらに、（ｄ）前記コーティング膜に通常
のロックウエル（Ｃスケール）硬度計を用いて押圧した
場合に生ずる圧痕を１００倍の倍率で観察した結果、圧
痕の周囲１mm以上（外側）の範囲で膜の剥離が認めれな
いものとした。即ち、ロックウエル硬度計を用いてダイ
ヤモンド圧子をコーティング膜を有する工具自体の膜表
面から押しつけ、その圧痕を観察した結果、極めて密着
性が高く、コーティング工具自身の効果を高める範囲と
して、１００倍の倍率で圧痕を観察した結果１ｍｍ以上
（外側）の範囲で膜の剥離を生じないものより切削性能
が高いことを確かめた。

【０００９】

【作用】Ｔｉ_x Ｎ_y を上層に被覆すると切削時に積極的
に酸化を促進して、ＴｉＯ_k （ｋ≦２）を形成し、コー
ティング工具から切り粉離れを良くする働きが生ずる。
あるいはＴｉＡｌＮ及びＴｉＺｒＮ等の表面被腹膜はは
内在するＡｌ，Ｚｒの窒化物が積極的に酸化し膜内の応
力増加により耐摩耗性を増加せしめると同時に、表層か
ら脱落していくため同様の効果を奏する。実際の穴明け
加工や平面研削あるいは歯切り加工においてこのような
実用上の効果を著しく改善せしめた。この発明において
は基本的に二つの作用の向上が実現されている。一つは
酸化における切削時の潤滑作用の向上であり、二つ目の
作用は酸化した表層膜による下層の膜に対する、或いは
下層となるコーティング工具に対する酸化保護作用であ
る。これらは特に過酷な切削においては期待されるコー
ティング工具の寿命に著しい改良を奏する結果を生む。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）高速度鋼製（ＳＫＨ５１）のドリルを複数
個の蒸発源をもつ反応性イオンプレーティング装置内に
置いて、２×１０^-1torr以上の真空度で排気し、製品を
３５０〜５５０℃の間の温度に加熱し、イオンボンバー
ドを施したうえ、１×１０^-4乃至１×１０^-3torrのアル
ゴンガスと窒素ガス、あるいはアルゴンガスと窒素及び
炭化水素ガスを導入して０．１〜０．５μｍ／ｍｉｎの
成膜温度で切削に関与する部分、即ち図１に示すように
刃先先端１からマージン部にかけて被覆処理（図１では
被覆処理の都合から斜線で示すようにシャンク部３の近
傍Ｂにまで処理がなされている）して効果を確認した。
膜厚を市販品と、比較品である４．５μｍに制御したＴ
ｉＮ（１．０μｍ）＋ＴｉＣＮ（３．５μｍ）と、同構
造のＴｉＮ（１．０μｍ）＋ＴｉＣＮ（３．０μｍ）＋
ＴｉＮ_X ( ０．５μｍ）（表層）を被覆した本発明品で
あるコーティングドリルを通常よりやや過酷な条件で切
削したところこれらに比して約１．５倍の性能向上を得
た。これは図２に示すように通常の２〜３倍の能率向上
になる。

【００１１】ＴｉＮ＋ＴｉＣＮはドリルの実測値では、
その硬度がＨｖ１９６０に対し、本発明品はＨｖ１９７
０であった。また、ロックウエルの圧痕については、図
１のＢ部（圧痕測定部）にて観察したところ、図４が本
発明品の顕微鏡写真（×１００）、図５が比較品の顕微
鏡写真（×１００）である。図４によれば黒い輪郭線に
囲まれた圧痕跡の周囲には剥離部分が全く存在していな
いのに対して、図５においては周辺部と黒い輪郭性との
間に該輪郭線を囲むように波形の境界線が表れており、
該境界内に複数個の剥離部分が認められる。なお、コー
ティング条件は４５０℃に１時間保持し、イオンエッチ
ングを６０分行った上、４０分のコーティング時間を各
膜厚に配分した方法により連続して処理を行った。Ｔｉ
Ｎ_x はオージェ分光分析ではｘ＝０．４であった。

【００１２】使用ドリル：φ６ 切削条件：Ｖ＝３７．７ｍ／ｍｉｎ， ｆ＝２００ｍｍ
／ｍｉｎ 被削材：ＳＮＣ８３６，２０ｍｍ貫通 水溶性エマルジョン使用 寿命判定：最大穴明け数

【００１３】（実施例２）超微粒超硬合金製（Ｐ種）の
エンドミルを実施例１と同じ条件でイオンプレーティン
グ法にて処理し、膜厚３．５μｍのコーティング（Ｔｉ
Ｃ膜厚３．５μｍ）を加えて性能を比較した（図３参
照）。なお、オージェ分光分析では表層のＴｉ_u Ａｌ_v
Ｎ_w ，Ｔｉ_r Ｚｒ_s Ｎ_t の分析値はｕ＝０．３３，ｖ＝
０．２２，ｗ＝０．４３，ｒ＝０．２１，ｔ＝０．４４
であった。コーティングの全体は３．５μｍに制御し、
表層の被膜は０．５μｍの厚さにした。これらのエンド
ミルの処理条件は、加熱５００℃に１時間保持した上、
イオンエッチングを１０分間行い、次いでコーティング
を４０分行い、各膜厚になるように制御している。これ
らも装置内に複数の蒸発源を有し、連続的に処理を行っ
ている。

【００１４】使用エンドミル：φ６．Ｓ２ 切削条件：ｖ＝２６．４ｍ／ｍｉｎ，ｆ＝７１ｍｍ／ｍ
ｉｎ 切り込み量：Ａｄ９ｍｍ Ｒｄ１．２ｍｍ 被削材：ＳＫＤ１１ ドライ ダウンカット 寿命判定：１０ｍ 切削時の摩耗量（逃げ面摩耗量）

【００１５】（実施例３）高速度鋼及び超硬合金製のφ
６のドリルにイオンプレーティング法を用い、実施例
１、２と同様の条件において硬質物質を複層コーティン
グし、母材質を適正条件下で加速試験を行った。その結
果は表１Ａ、表１Ｂに示す通りである。なお、１）〜
９）は高速度鋼、１０）〜１１）は超硬合金であり、最
上層の被覆膜をＡＥＳ分析にてその成分比を調査した。
二成分系金属の金属比率はＴｉＡｌについてはほぼ１：
１、ＴｉＺｒ，ＴｉＳｉ，ＴｉＢについてはほぼ７：３
であった。

【００１６】切削試験の条件は、 高速度鋼製ドリル：φ６ 切削条件：ｖ＝４５ｍ／ｍｉｎ，ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒ
ｅｖ 被削材：ＳＮＣ８３６（ＨＢ２８０）２０ｍｍ貫通 水溶性エマルジョン使用 ６００穴時のマージン部逃げ面摩耗量を測定 この条件下で高速度鋼製φ６ドリルの無処理品は５穴で
折損状態に至った。

【００１７】超硬合金製ドリル：φ６ 切削条件：ｖ＝５５ｍｍ／ｍｉｎ，ｆ＝０．３０ｍｍ／
ｒｅｖ 被削材：ＳＣＭ４４０（ＨＢ３００）２２ｍｍ貫通 水溶性エマルジョン使用 ４８０穴時のマージン部逃げ面摩耗量を測定 この条件下で高速度鋼製φ６ドリルの無処理品は５穴
で、また超硬合金製のφ６ドリルは２１穴で摩耗量増大
で折損状態に至った。

【００１８】さらに、図６および図８は、φ６．０の超
硬合金ドリルをＡ：従来のコーティング品（ＴｉＮ），
Ｂ：本発明品（ＴｉＮ＋ＴｉＣＮ＋ＴｉＮ_0.5 ），Ｃ：
無処理品とした場合とした場合であって、ＳＣＭ４４０
（ＨＢ３００）を水溶性切削油を使用して、２２ｍｍ貫
通したときのスラスト荷重の比較結果を示し、図８およ
び図９は同じく切削トルクを比較した結果を示すもので
ある。これによれば、スラスト荷重、切削トルクのいず
れにおいても本発明品は無処理品と殆ど変わりがないこ
とがわかる。

【００１９】

【表１Ａ】

【００２０】

【表１Ｂ】

【００２１】

【発明の効果】この発明は、母材である高速度鋼、超硬
合金、サーメット、セラミックなどにＴｉ_X Ｎ_Y 或いは
特別に選定されたＴｉ_u Ｍ_V Ｎ_W を最外層に配置したの
で、最上層の被膜は充分な耐摩耗性を有すると同時に、
その金属成分或いは窒化物が下層の被覆層の酸化速度よ
りも充分速く酸化が促進され、同時に切削時に極めて緩
やかにこれら表層が脱落する。このため潤滑性能が高め
られ、同時に下層の酸化を抑制する酸化保護作用が発揮
される。このため本発明によればコーティング工具の切
削抵抗が従来品に比して約２０％も減少されることにな
り、耐摩耗性が著しく向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るドリルの側面図である。

【図２】この発明に係るドリルの穴明け個数の従来品と
の比較図である。

【図３】この発明に係るエンドミルの摩耗量の市販品等
の従来品との比較図である。

【図４】この発明品に硬度計を押しつけた場合に生ずる
痕跡した場合の１００倍の倍率で観察した場合の顕微鏡
写真である。

【図５】比較品に硬度計を押しつけた場合に生ずる痕跡
した場合の１００倍の倍率で観察した場合の顕微鏡写真
である。

【図６】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品のスラスト荷重との切削の抵抗比較図である。

【図７】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品のスラスト荷重との図６の場合と異なる切削条件下の
切削の抵抗比較図である。

【図８】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品との切削トルクの比較図である。

【図９】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品との図８の場合と異なる切削トルクの比較図である。

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【手続補正書】

【提出日】平成３年７月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】本発明は上記の課題を解決すべくなされた
ものであって、高速度鋼、超硬合金，サーメット，セラ
ミックのいずれかを母材質とし、先ず（ａ）表面被覆膜
が金属成分の原子パーセントでＴｉを６０〜１００％含
み、Ｔｉ以外の金属の膜構成金属がＺｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，
Ｔａ，Ｂ，Ａｌ，Ｓｉの１種又は２種以上の成分であ
り、６００℃以下の温度にて炭素、窒素、酸素のうちの
いずれか１種または２種以上の加工物の反応ガス成分中
で物理蒸着法により母材表面に複層コーティングした。
即ち、コーティング膜の製造においては、高温で行う化
学蒸着法などを用いると、結晶性は良いが靱性に欠ける
面が強いのである。そこで、本発明では６００℃以下の
物理蒸着法を用いて結晶粒を微細化して膜の緻密化と柱
状組織化を実現した。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】ＴｉＮ＋ＴｉＣＮはドリルの実測値では、
その硬度がＨｖ１９６０に対し、本発明品はＨｖ１９７
０であった。また、ロックウエルの圧痕については、図
１のＢ部（圧痕測定部）にて観察したところ、図４が本
発明品の顕微鏡写真（×１００）、図５が比較品の顕微
鏡写真（×１００）である。図４によれば黒い輪郭線に
囲まれた圧痕跡の周囲には剥離部分が全く存在していな
いのに対して、図５においては周辺部と黒い輪郭線との
間に該輪郭線を囲むように波形の境界線が表れており、
該境界内に複数個の剥離部分が認められる。なお、コー
ティング条件は４５０℃に１時間保持し、イオンエッチ
ングを１０分行った上、４０分のコーティング時間を各
膜厚に配分した方法により連続して処理を行った。Ｔｉ
Ｎ_X はオージェ分光分析ではｘ＝０．４であった。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【表１Ａ】

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【表１Ｂ】 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年９月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るドリルの側面図である。

【図２】この発明に係るドリルの穴明け個数の従来品と
の比較図である。

【図３】この発明に係るエンドミルの摩耗量の市販品等
の従来品との比較図である

【図４】この発明品に硬度計を押しつけた場合に生ずる
痕跡した場合の１００倍ので観察した場合のスケッチで
ある。

【図５】比較品に硬度計を押しつけた場合に生ずる痕跡
した場合の１００倍の倍率で観察した場合のスケッチで
ある。

【図６】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品のスラスト荷重との切削の抵抗比較図である。

【図７】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品のスラスト荷重との図６の場合と異なる切削条件下の
切削の抵抗比較図である。

【図８】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品との切削トルクの比較図である。

【図９】この発明に係る超硬合金ドリルと従来品、比較
品との図８の場合と異なる切削トルクの比較図である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミ
   ックのいずれかを母材質とし、次の（ａ）乃至（ｄ）の
   条件を満足させたことを特徴とする金属材料等の加工用
   の複層コーティング工具。 （ａ）表面被覆膜が原子パーセントでＴｉを６０〜１０
   ０％含み、Ｔｉ以外の金属以外の膜構成金属がＺｒ，Ｈ
   ｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｂ，Ａｌ，Ｓｉの１種又は２種以上の
   成分であり、６００℃以下の温度にて炭素、窒素、酸素
   のうちのいずれか１種または２種以上の化合物の反応ガ
   ス成分中で物理蒸着法により母材表面に複層コーティン
   グする。 （ｂ）コーティング膜の最上層の表面から０．２〜２．
   ０μｍの範囲の膜の成分がＴｉ_X Ｎ_Y （０．２＜ｙ／ｘ
   ＜０．７）、またはＴｉ以外の成分ＭがＺｒ，Ａｌ，Ｓ
   ｉであり、Ｔｉ_U Ｍ_V Ｎ_W （但し、０．４＜ｗ／ｕ＋ｖ
   ＜１．０）である。 （ｃ）前記コーティング膜のうち、切削に関与する部分
   はマイクロヴィッカース硬さ（５０ｇ）の測定結果がＨ
   ｖ１３００〜３３００であり、膜厚が２．５〜８μｍの
   範囲にあり、かつＲａ５μｍ以下の面粗さである。 （ｄ）前記コーティング膜に通常のロックウエル（Ｃス
   ケール）硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕を１
   ００倍の倍率で観察した結果、圧痕の周囲１mm以上（外
   側）の範囲で膜の剥離が認めれない。