JPH1076407A - 多層被覆硬質工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 切削加工、特に金型加工の高能率化により切
削速度が更に速くなるため、熱処理後の高硬度材を直接
加工する多層被覆硬質工具を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 Ｔｉ窒化物もしくは炭窒化物からなる層
とＴｉＡｌの窒化物もしくは、炭窒化物からなる層を少
なくとも２層以上被覆した多層被覆硬質工具において、
Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物層のＩ（２００）／Ｉ
（１１１）の値が１以下であり、Ｔｉ、Ａｌの窒化物も
しくは炭窒化物層のＩ（２００）／Ｉ（１１１）の値が
１以上であり、多層被覆する各層の中間にＴｉの窒化
物、炭窒化物層とＴｉ、Ａｌの窒化物、炭窒化物層双方
よりなる５ｎｍから５００ｎｍの厚さの中間層を介在さ
せたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた耐摩耗性を
有する多層被覆硬質工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来一般的であったＴｉＮやＴｉＣＮコ
ーティングに対し、近年Ａｌを含有させ、耐摩耗性、耐
酸化性を向上させる研究がなされ、特公平４−５３６４
２号、特公平５−６７７０５号に代表されるように、Ａ
ｌの添加効果を認める事例も種々存在する。また、人工
格子（超格子）を形成して、皮膜の特性を改善した事例
も認められる（例として、特開平７−９７６７９号）。
これらの発明により、従来一般的であったＴｉＮやＴｉ
ＣＮ皮膜がＡｌを含有する皮膜へと改良がなされつつあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近の
切削加工においては、高能率を得るため切削速度が更に
速くなる傾向にあり、また、金型加工においても、従来
は熱処理前の軟らかい鋼を切削していた場合が多いが、
熱処理後の高硬度材を直接加工する事例が増えつつある
のが現状である。

【０００４】このような高速切削、並びに高硬度材料の
切削においては、Ａｌの添加は皮膜の耐酸化性を向上さ
せ、ＴｉＮやＴｉＣＮ皮膜よりは耐摩耗性を向上せしめ
るものの、今だ十分に満足のいくものではない。その理
由は、一般的にイオンプレーティングにより形成された
皮膜は、圧縮残留応力を有し、この圧縮残留応力は、皮
膜の膜厚が厚くなるに伴い増加する。皮膜は圧縮残留応
力の増加に伴い、その密着性は劣化し、従って現状で
は、使用に耐え得る皮膜の厚さは、せいぜい５μｍが限
界である。その為イオンプレーティングにより被覆され
た工具は、化学蒸着法（ＣＶＤ）により蒸着された１０
〜１５μｍの膜厚を有する被覆工具に比べ、耐摩耗性が
劣ることは否定できない事実であった。また、人工格子
の形成により、皮膜の硬さが向上することは事実であ
り、耐摩耗性の向上は認められるものの、このような硬
い皮膜はヤング率とも高く、皮膜が非常に高い圧縮残留
応力を有し、せいぜい３〜５μｍを形成するのが限界で
ある。また、このような人工格子皮膜は、高い圧縮残留
応力を有するために密着性に大きな課題を有するもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、イオンプ
レーティング皮膜において、残留圧縮応力を低減し、厚
膜化を実現し、その結果耐摩耗性を向上せしめる研究を
行った結果、配向性の異なる２種の皮膜を多層被覆する
ことにより、残留圧縮応力は増加することなく、厚膜化
が実現できるという知見を得るに至った。

【０００６】一般に、イオンプレーティングにおいては
皮膜は結晶成長において優先成長方位を有し、その結
果、柱状の結晶構造を持つ皮膜が形成される。１つの柱
状の結晶粒子を取り出してみれば、一定方向に強い結晶
成長が認められる単結晶であり、内部欠陥は極めて少な
い。このような結晶が連続して成膜することが、皮膜の
厚さの増加に伴い残留圧縮応力が増加する原因である。

【０００７】本発明者等は、優先成長方位のそれぞれ異
なる２種の皮膜を多層被覆することにより、皮膜と皮膜
の界面に多くの格子欠陥を導入する技術を開発するに至
った。つまり、（１１１）面に配向するＴｉの窒化物、
炭窒化物と（２００）面に配向するＴｉ、Ａｌの窒化
物、炭窒化物を多層被覆することにおいて界面は不連続
となり、エピタキシャル成長が抑制され、多くの格子欠
陥が導入される。この多くの格子欠陥は、皮膜の残留圧
縮応力を緩和するように成長中に再配列し、結果、皮膜
の残留応力を抑制し、厚膜化を可能にするものである。

【０００８】例えば、（２００）に配向するＴｉＡｌＮ
を０．５μｍ形成すると残留応力は、１．２ＧＰａであ
り、この皮膜を連続して１０μｍ形成すると残留圧縮応
力は、８ＧＰａを越え著しく密着性が劣化する。一方
（２００）に配向するＴｉＡｌＮを０．５μｍ、（１１
１）に配向するＴｉＮを０．５μｍ形成し、この多層被
覆において１０μｍの皮膜を形成した場合は、驚くべき
事にその残留圧縮応力は、せいぜい２ＧＰａである。

【０００９】従って、本発明によれば容易に厚膜化が可
能であり、その結果被覆工具に非常に高い耐摩耗性を付
与することが可能である。

【００１０】更に、切削中に皮膜表面に発生したクラッ
クは、結晶成長方向の異なる皮膜の界面において、その
伝播が抑制される傾向にある。つまり、クラック先端に
発生する応力集中を界面の多数の格子欠陥が緩和し、ク
ラックの伝播に対し高い抵抗を示す。同時にクラック
は、更に進展する場合、界面に沿って伝播し基体への伝
播、強いては刃先の欠損を大巾に抑制するものである。

【００１１】しかしながら、この界面に沿ってクラック
が伝播する傾向が著しいと皮膜が順次剥離し、結果、耐
摩耗性を劣化させる場合も存在する。本発明者らは、こ
のような現象を抑制し、多層被覆された皮膜と皮膜との
界面に沿うクラック伝播をある程度抑制するために、界
面にＴｉの窒化物、もしくは炭窒化物、Ｔｉ、Ａｌの窒
化物、もしくは炭窒化物を同時にコーティングし、中間
的組成を有する中間層を介在させることより、皮膜と皮
膜の界面に沿うクラック伝播を抑制する事実を見出し
た。従って、本発明による多層被覆硬質工具は、厚膜化
により高い耐摩耗性を有すると共に、クラックが伝播し
難いため、同時に高い靭性を有するものである。従っ
て、皮膜が厚い時のみならず、比較的薄い場合において
も工具寿命を向上させることは言うまでもない。

【００１２】以下に数値を限定した理由について述べ
る。

【００１３】Ｔｉ、Ａｌの窒化物、炭窒化物のＩ（２０
０）／Ｉ（１１１）の値を１以上とした理由は、この皮
膜が（１１１）面に強く配向すればするほど高い圧縮応
力を有するようになるため、好ましくなく、（２００）
面に配向した方が、この皮膜自体の残留圧縮応力が低い
ため、（２００）面に配向すべく１以上とした。

【００１４】Ｔｉの窒化物、炭窒化物は前述のように、
（２００）面に配向したＴｉ、Ａｌの窒化物、炭窒化物
層との多層被覆において、界面に格子欠陥を導入するた
め、前記Ｔｉ、Ａｌの窒化物、炭窒化物と反対に（１１
１）面に配向させなければならず、Ｉ（２００）／Ｉ
（１１１）の値は１以下とした。

【００１５】また、中間層の厚さは、５ｎｍ以下である
と上記界面に沿うクラック伝播に対し効果が認められ
ず、５００ｎｍを越えるとＴｉの窒化物、もしくは炭窒
化物とＴｉ、Ａｌの窒化物、もしくは炭窒化物がエピタ
キシャルに成長し易くなり、それぞれのＩ（２００）／
Ｉ（１１１）の値を制御することが困難になるため、５
ｎｍ以上５００ｎｍ以下とした。

【００１６】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を説明する。

【００１７】実施例１ ＪＩＳ Ｐ４０相当の超硬合金インサート、及びφ１
２、４枚刃の市販高速度鋼ラフィングエンドミルにアー
クイオンプレーティング法により、Ｔｉターゲット、Ｔ
ｉＡｌターゲット（Ｔｉ／Ａｌ＝５０／５０）を用い、
表１に示す皮膜を形成した。比較工具として同じアーク
イオンプレーティング法により、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ皮
膜を形成した。

【００１８】

【表１】 超硬合金インサートにおいては、切削条件１に基づきフ
ライス切削を行い、逃げ面摩耗値が０．３ｍｍに達する
までの切削長さを求め、それを寿命とした。ＴｉＮのコ
ーティングにおいては、Ｔｉターゲットに電流を流し、
ＴｉＡｌＮコーティングにおいては、ＴｉＡｌターゲッ
トに電流を流しコーティングを行った。また、中間層の
形成においては、Ｔｉターゲット、ＴｉＡｌターゲット
双方に電流を流し、コーティングを行った。

【００１９】また、高速度鋼エンドミルにおいては、切
削条件２に基づき切削を行い、逃げ面摩耗値が０．２ｍ
ｍに達するまでの切削長を求め、それを寿命とした。そ
の結果も表１に併記する。

【００２０】切削条件１は、インサート（ＳＥＥ４２−
ＴＮ）を用い、被削材ＤＡＣ（ＨＲＣ４０）、切削速度
１００（ｍ／ｍｉｎ）、送り０．１（ｍｍ／刃）、切り
込み（２ｍｍ）である。

【００２１】切削条件−２は、高速度鋼エンドミルを用
い、被削材ＤＡＣ（ＨＲＣ１０）、切削速度５０（ｍ／
ｍｉｎ）、送り０．０７（ｍｍ／刃）、軸方向切り込み
量１８ｍｍ、径方向切り込み量６ｍｍ、切削油なし、ダ
ウンカット（Ｄｏｗｎ Ｃｕｔ）である。

【００２２】表１から明らかなように、本発明による多
層被覆工具は、１０μｍ以上の厚膜化においても残留応
力が制御されるため、皮膜の剥離や刃先のチッピングは
認められず、安定した長時間の切削が可能である。

【００２３】実施例２ 実施例１と同一の方法により、表２に示す種々中間層を
有する工具を作成し、同様の切削評価を行った。その結
果を表２に併記する。

【００２４】

【表２】 表２より明らかなように、１０ｎｍから４００ｎｍの厚
みの範囲の中間層を介在させることにより、ほぼ同程度
の長寿命化が認められる。

【００２５】

【発明の効果】本発明により、イオンプレーティング法
での厚膜化が容易に可能となり、また膜厚化にさいし、
結晶成長方向を特定することによりクラックが伝播し難
く、高い靭性を有する多層皮膜を得ることが出来、また
比較的薄い場合においても工具寿命を向上させることが
出来る。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｔｉ窒化物もしくは炭窒化物からなる層
   とＴｉＡｌの窒化物もしくは、炭窒化物からなる層を少
   なくとも２層以上被覆した多層被覆硬質工具において、
   Ｘ線回折における（１１１）面の強度をＩ（１１１）、
   （２００）面の強度をＩ（２００）としたとき、Ｔｉの
   窒化物もしくは炭窒化物層のＩ（２００）／Ｉ（１１
   １）の値が１以下であり、Ｔｉ、Ａｌの窒化物もしくは
   炭窒化物層のＩ（２００）／Ｉ（１１１）の値が１以上
   であり、多層被覆する各層の中間にＴｉの窒化物、炭窒
   化物層とＴｉ、Ａｌの窒化物、炭窒化物層双方よりなる
   ５ｎｍから５００ｎｍの厚さの中間層を介在させたこと
   を特徴とする多層被覆硬質工具。
2. 【請求項２】 請求項１記載の多層被覆硬質工具におい
   て、基体が超硬合金インサートであることを特徴とする
   多層被覆硬質工具。
3. 【請求項３】 請求項１記載の多層被覆硬質工具におい
   て、基体が高速度鋼エンドミルであることを特徴とする
   多層被覆硬質工具。