JPH09291353A - 表面被覆エンドミル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ロックウェル硬度５０（Ｃスケー
ル）を越える高硬度スチールの切削加工において、皮膜
の密着性、並びに耐摩耗性を改善したエンドミル、ドリ
ルを提供する。 【構成】 ＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物、炭化物
を被覆したエンドミルにおいて、被覆層のＸ線回折にお
ける（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２０
０）面の回折強度をＩ（２００）とした時にＩ（２０
０）／Ｉ（１１１）の値が２．０以下とする事により構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗性、耐剥離性に富
む被覆エンドミルに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴｉとＡｌを主成分をする硬質被覆部材
に関しては、古くは特公平４−５３６４２号、特公平５
−６７７０５号の各公報にみられるようにＴｉＮ皮膜に
対し、Ａｌ添加効果を確認した数多くの報告がある。し
かしながら、これらの発明においてはＡｌ添加による皮
膜の耐酸化性の向上、並びに皮膜物性の改善が認められ
たにすぎず、被覆エンドミルにおいて、十分に満足され
る皮膜の密着性、並びに耐摩耗性を得るに至っていな
い。特に最近では金型加工において金型が熱処理後に加
工される傾向が強く、熱処理後の高硬度スチールを加工
する場合においては、従来のＴｉとＡｌを主成分とする
エンドミルにおいては、切削加工中に皮膜の剥離が発生
し易く、剥離により工具寿命が決定され、また耐摩耗性
も不十分であり満足される工具寿命は得られるに至って
いない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、この様
な問題点を解決すべく、ロックウェル硬度５０（Ｃスケ
ール）を越える高硬度スチールの切削加工評価におい
て、皮膜の密着性、並びに耐摩耗性を改善すべく鋭意研
究を重ねた結果、次のような事実を見出すに至った。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に至った第１の知
見は、金型を加工する場合、スローアウェイインサー
ト、エンドミル、ドリルといった種々の工具が用いられ
るわけであるが、それぞれにおいて切削メカニズムの相
違により最適な皮膜設計が異なるべきであることを見出
した点にある。特にＨＲＣ５０を越える高硬度スチール
のエンドミル切削においては、切削応力が極めて高く皮
膜の剥離が発生し易く、更に、切削温度が５００℃〜８
００℃以上に達し、皮膜の高温物性が工具寿命を決定す
ることが特徴である。従って、高硬度材のエンドミルに
よる切削加工においては、これらの知見を基に皮膜の密
着性、高温物性を向上せしめることが工具寿命を大幅に
改善することになるわけである。

【０００５】

【作用】第２の知見は、第１の知見に対し皮膜のＸ線回
折における（１１１）面の配向が、エンドミル切削にお
ける皮膜の見かけ上の密着性、高温物性を支配すること
を見出した点にある。つまり、（１１１）面の配向が強
くなるに伴い、皮膜の柱状結晶粒径は小さくなり、室温
における硬さを向上させることが可能であるとの結論を
得た。エンドミルの場合、特にＨＲＣ５０以上の高硬度
スチールの切削においては、皮膜の硬さが硬いほど皮膜
の剥離が発生しにくいことを見出した。つまり、エンド
ミルのように比較的シャープなエッジを持つ工具におい
ては、数１０μｍの微小切り込みが、刃先にかかった場
合、特に高硬度スチールにおいては、そこに発生するせ
ん断応力が高く、例えば、もしコーティングが施されて
いない場合にはシャープエッジでは肉厚が薄く、そもそ
もこの高いせん断応力に基体そのものが持ちこたえるこ
とができない。つまり、硬い「カラ」で基体を保護して
やることが極めて重要なことである。従って、軟らかい
皮膜で基体を保護しても高いせん断応力に持ちこたえら
れることができないわけである。硬いカラで基体を保護
して初めてシャープエッジそのものの強度が増すわけで
ある。軟らかい皮膜で基体を保護した場合、局所的に高
いせん断応力に持ちこたえられずに微小チッピングが基
体の塑性変形を伴い発生し、更にこの場合で切削応力が
増加し、ひいては皮膜の剥離や、大きなチッピングを発
生させることになる。また、皮膜の室温硬さが硬いと５
００〜８００℃まで高温硬さが硬く、エンドミル切削に
対し、高温でも皮膜の硬さがキープされ長い工具寿命を
もたらす結果となる。

【０００６】本発明に至った第３の知見は、上述の（１
１１）面をより強く配向せしめたＴｉとＡｌの窒化物、
炭窒化物、炭化物皮膜と基体との間にＴｉの窒化物、炭
窒化物を中間層として用いることにより、更に皮膜の密
着性を向上させることが可能なことを見出した点であ
る。一般にＡｌを含有する皮膜を物理蒸着法、特にアー
クイオンプレーティング法で蒸着する場合、Ａｌの融点
が低いためにＡｌ成分に富んだ粗大粒子がターゲットか
ら飛散し、皮膜の面粗さを悪くする傾向にある。基体の
コーティング初期の段階ではこの様な減少を避け緻密な
皮膜を成膜することが密着性向上に対し効果的であり、
Ａｌを含有しないＴｉを主成分とするその窒化物、炭窒
化物からなる中間層を設けることが密着性向上に対し好
ましい結果となる。特に（１１１）面に配向した、Ｔｉ
とＡｌを含む皮膜に対しては、同じく（１１１）面に配
向した中間層を用いることによりＴｉとＡｌを含む皮膜
が中間層に対し、エピタキシャル成長し、いっそう密着
性を向上せしめる。

【０００７】本発明に至った第４の知見は前述の切削時
に熱の発生を更に抑制することにより、より一層工具寿
命を向上させることが可能であることを見出した点にあ
る。ＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物、炭化物は一般
に鋼に対する摩擦係数が０．４０〜０．４５と高く、切
削時に刃先が高温になり易い、本発明者等の研究によれ
ば、これらの皮膜に酸素を含有させることにより、摩擦
係数の低減が可能となり、最外層に用いることにより切
削熱の低減による更なる工具寿命の向上を確認すること
が出来た。更には、Ｔｉの炭窒化物、炭酸窒化物、Ａｌ
の酸化物の順で更に摩擦係数の低減が計れ、これらの皮
膜を最外層に用いることにより、より一層の工具寿命の
向上を認めるに至った。更に、Ａｌの酸化物はプラズマ
ＣＶＤにより成膜された場合、高い密着性を有する。更
に、エンドミル溝部の皮膜の表面を機械的にラップし、
表面粗さを１μｍ以下とすることにより、更に摩擦係数
の低減が可能であり、工具寿命を向上させることが可能
である。

【０００８】本発明に至った第５の知見は、ＴｉとＡｌ
の複合窒化物、炭窒化物、炭化物にＺｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓ
ｉ、Ｗ、Ｃｒのうち１種もしくは２種以上の成分をＴｉ
に対し、０．０５ａｔ％から６０ａｔ％の範囲で置き換
えることにより、耐酸化性の向上を可能にした点にあ
る。エンドミルの切削の場合、スローアウェイインサー
トほどではないが皮膜の耐酸化性も重要である。これら
の成分の添加により、結晶粒界の酸化が抑制され皮膜の
酸化速度を抑制することが可能であると共に切削加工中
に皮膜表面に形成される酸化物層がより緻密な構造とな
り、酸素の皮膜内部への拡散を抑制し皮膜の酸化速度を
極めて遅くすることが可能である。これらの理由につい
ては更に研究中である。

【０００９】次に数値限定をした理由を述べる。（２０
０）面の回折強度Ｉ（２００）（１１１）面の回折強度
をＩ（１１１）とした時、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）
を２．０以下とした理由は、（２００）面の配向が強く
なり本値が２．０を越えると柱状晶層の粒径が粗大化
し、室温硬さの低下、高温高度の低下をもたらすため
２．０以下とした。

【００１０】中間層として用いるＴｉも窒化物、炭窒化
物層の膜厚は、０．０５μｍ未満であると密着性改善に
対し効果がなく、５．０μｍを越えると皮膜全体の耐摩
耗性を損なうため０．０５μｍ以上５．０μｍ以下とし
た。耐酸化性向上のため添加するＹ等の成分は、０．０
５原子％以下では耐酸化性に対する効果が少なく６０原
子％を越えてＴｉを置き換えると耐摩耗性を劣化させる
ため０．０５原子％以上６０原子％以下とした。

【００１１】

【実施例】

実施例１ 小型アークイオンプレーティング装置を用い表１に示す
条件において、ＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物を３
μｍの厚さになるようコーティングを行った。

【００１２】

【表１】

【００１３】得られエンドミルを次の条件においてフラ
イス切削した時、平均逃げ面摩耗幅が０．２０ｍｍにな
るまでの可能切削距離を表１に併記した。表１より明ら
かなように、皮膜を（１１１）面に配向させることによ
り極めて正常な摩耗形態において、エンドミル切削にお
いて超寿命化が達成される。

【００１４】実施例２ 実施例１で用いた実験装置を用い、表２に示す皮膜構造
となるようにコーティングを行った。ＴｉとＡｌの複合
窒化物層の膜厚は、３μｍに統一した。実施例１と同一
な切削評価を行い、工具寿命を評価した。その結果を表
２に併記する。Ａｌ₂Ｏ₃はプラズマＣＶＤにより成膜し
た。

【００１５】

【表２】

【００１６】表２より、２．５以上のＩ（２００）／Ｉ
（１１１）値を有する本発明合金に中間層あるいは、最
外層を設けることにより、より一層工具寿命を向上させ
ることが認められる。尚、表２中の中間層のＴｉＮは、
Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）を１．０とした。

【００１７】実施例３ 実施例１で用いた実験装置を用い表３に示す種々の組成
の（ＴｉＡｌＸ）Ｎ皮膜を作成した。コーティングされ
た試験片を大気炉中で７５０℃、３０分間保持し、形成
された酸化層の厚みを測定した。その結果も表３に併記
する。

【００１８】

【表３】

【００１９】表３から明らかなように、Ｙ、Ｓｉ、Ｗ、
Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆの添加により皮膜の耐酸化性の改善が
可能である。

【００２０】

【発明の効果】本発明を適用することにより、ロックウ
ェル硬度５０（Ｃスケール）を越える高硬度鋼の切削に
おいて、皮膜の密着性、並びに耐摩耗性を改善でき、特
に、切削加工中に皮膜の剥離の発生を少なくし、剥離に
よる工具寿命ではなく、膜質自身の有する耐摩耗性を生
かした工具寿命が得られるようになった。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物、炭
   化物を被覆したエンドミルにおいて、被覆層のＸ線回折
   における（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２
   ００）面の回折強度をＩ（２００）とした時にＩ（２０
   ０）／Ｉ（１１１）の値が２．０以下になることを特徴
   とする表面被覆エンドミル。
2. 【請求項２】 請求項１記載の表面被覆エンドミルにお
   いて、基体とＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物、炭化
   物被覆層の間に、０．０５μｍ以上５．０μｍ以下の膜
   厚を有するＴｉの窒化物、炭窒化物を中間層として用い
   たことを特徴とする表面被覆エンドミル。
3. 【請求項３】 請求項１及び２記載の表面被覆エンドミ
   ルおいて、ＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物、炭化物
   層の上に、更にＴｉの炭窒化物、炭酸窒化物、ＴｉとＡ
   ｌの複合窒酸化物、炭酸窒化物、炭酸化物、酸化物、Ａ
   ｌの酸化物のうち１種の単層もしくは２種以上の複層を
   被覆したことを特徴とする表面被覆エンドミル。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載の表面被覆エンドミ
   ルにおいて、Ｔｉの一部をＴｉに対し０．０５原子％以
   上６０原子％以下の範囲でＺｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｉ、Ｗ、
   Ｃｒのうち１種もしくは２種以上に置き換えたことを特
   徴とする表面被覆エンドミル。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４記載の表面被覆エンドミ
   ルにおいて、エンドミルのすくい面側の面粗さを１μｍ
   以下にしたことを特徴とする表面被覆エンドミル。