JPWO2010150411A1 - 硬質被膜、および硬質被膜被覆工具 - Google Patents
硬質被膜、および硬質被膜被覆工具 Download PDFInfo
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Abstract
Description
図1は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具の一例であるボールエンドミル10を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は先端側((a) の図の右方向)から見た拡大底面図であり、超硬合金にて構成されている工具母材12にはシャンクおよび刃部14が一体に設けられている。刃部14には、切れ刃として一対の外周刃16およびボール刃18が軸心に対して対称的に設けられており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃16およびボール刃18によって切削加工が行われるとともに、その刃部14の表面には硬質被膜20がコーティングされている。図1(a) の斜線部は硬質被膜20を表しており、図1の(c) は、硬質被膜20がコーティングされた刃部14の表面近傍の断面図である。ボールエンドミル10は回転切削工具で、工具母材12は硬質被膜20が設けられる所定の部材に相当する。
《加工条件》
・被削材種:SUS304(JISの規定によるステンレス鋼)
・切削方法:ピック加工
・切削速度:238m/min
・送り速度:0.12mm/t
・切り込み:aa=0.3mm、Pf=0.6mm
・切削油剤:エアブロー
《加工条件》
・被削材種:ダイカスト金型鋼(JISの規定によるSKD61相当)(43HRC)
・切削方法:ピック加工
・切削速度:216m/min
・送り速度:0.12mm/t
・切り込み:aa=0.3mm、Pf=0.6mm
・切削油剤:水溶性
《試験条件》
・相手材:SUS304(JISの規定によるステンレス鋼)
・荷重:0.5N
・線速度:100mm/s
・時間:600秒
・試験雰囲気:大気
《試験条件》
・加熱温度:1000℃(昇温時間:40分 保持時間:10分)
・装置:電気炉
・試験雰囲気:大気
に亘って安定して得られるようにすることにある。
課題を解決するための手段
[0007]
かかる目的を達成するために、第1発明は、所定の部材の表面上に設けられる耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜であって、(a)前記部材の表面に接して設けられる第III層と、その第III層の上に設けられる第II層と、その第II層の上に設けられて表面を構成する第I層とを有する多層構造で、(b)前記第I層は、(b−1)AlCrNまたはAlCrαN〔但し、CrとAlとの原子比は0.25≦Cr/Al≦0.67、αは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の何れか1種類〕から成るIa層と、(b−2)(Cr1−a−bBaXb)(CcOdN1−c−d)〔但し、a、b、c、dはそれぞれ原子比で、0<a≦0.2、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.3の範囲内、Xは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の1種類以上〕から成るIb層と、から構成され、(b−3)そのIa層が最表層となるように10nm以上の積層周期で1周期以上交互に積層されたもので、(c)前記第II層は、AlCrNまたはAlCrDN〔但し、CrとAlとの原子比は0.25≦Cr/Al≦0.67、Dは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の何れか1種類〕にて構成され、(d)前記第III層は、B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Wの中の1種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物にて構成されており、且つ、(e)前記第I層、前記第II層、および前記第III層の総膜厚Ttotalは0.1〜15μmの範囲内で、(f)前記第I層の膜厚T1は、総膜厚Ttotalの9〜50%の範囲内で、(g)前記第III層の膜厚T3は、総膜厚Ttotalの1〜25%の範囲内で、(h)前記第II層の膜厚T2は、(Ttotal−T1−T3)であることを特徴とする。
[0008]
第2発明は、第1発明の硬質被膜において、(a)前記第I層の前記Ia層と前記Ib層との境界部分には両者の混合層が設けられ、(b)その第I層と前記第II層との境界部分には両者の混合層が設けられ、(c)その第II層と前記第III層との境界部分には両者の混合層が設けられていることを特徴とする。
[0009]
[0010]
第4発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、第1発明または第2発明の硬質被膜で工具母材の表面が被覆されていることを特徴とする。
発明の効果
[0011]
第1発明の硬質被膜は、AlCrNまたはAlCrDN〔但し、CrとAlとの原子比は0.25≦Cr/Al≦0.67、Dは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の何れか1種類〕にて構成されている第II層により優れた耐摩耗性が得られるとともに、工具母材等の硬質被膜を形成すべき所定の部材と上記第II層との間には、B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Wの中の1種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物にて構成されている第III層が介在させられているため、高い付着強度が得られる。また、上記第II層の上に設けられる第I層は、Ia層が最表層となるようにIa層およびIb層を10nm以上の積層周期(Ia層およびIb層の合計厚さ)で1周期以上交互に積層したもので、そのIb層は、(Cr1−a−b BaXb)(CcOdN1−c−d)〔但し、a、b、c、dはそれぞれ原子比で、0<a≦0.2、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.3の範囲内、Xは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の1種類以上〕にて構成されているため、摩擦係数が小さくなって優れた耐溶着性が得られる。Ia層は、AlCrNまたはAlCrαN(但し、CrとAlとの原子比は0.25≦Cr/Al≦0.67、αは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の何れか1種類〕にて構成されているため、耐熱性が向上し、上記Ib層による耐溶着性を維持しつつ高速切削等の高温になる加工条件で使用する場合でも優れた耐摩耗性が得られるようになる。
特に、第I層〜第III層の総膜厚Ttotalが0.1〜15μmの範囲内で、第I層の膜厚T1が総膜厚Ttotalの9〜50%の範囲内で、第III層の膜厚T3が総膜厚Ttotalの1〜25%の範囲内で、第II層の膜厚T2が(Ttotal−T1−T3)であるため、第I層による耐溶着性および耐熱性の向上、第II層による耐摩耗性向上、および第III層による付着強度向上の各効果が適切に得られる。
[0012]
このように、第1発明の硬質被膜によれば、高温となる加工条件下での使用においても優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようになる。これにより、例えば第4発明のような硬質被膜被覆工具の場合、ステンレス鋼に対する切削加工や50HRC以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などを高温となる加工条件で行なう場合でも、剥離やチッピング摩耗が抑制され、良好な加工面が得られるとともに、所定の加工性能が安定して得られるようになって工具寿命が向上する。
[0013]
第2発明では、第I層のIa層とIb層との境界部分に両者の混合層が設けられ、第I層と第II層との境界部分に両者の混合層が設けられ、第II層と第III層との境界部分にも両者の混合層が設けられているため、それ等の各層間の相互の付着強度も高くなり、剥離やチッピング摩耗が一層効果的に抑制される。また、それ等のIa層〜第III層をアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等のPVD法で形成する場合、上記混合層が形成されるようにターゲットや反応ガスの切換タイミングを適当に設定することにより、その混合層を含めて第III層〜Ia層を連続的に効率良く形成することができる。
[0014]
図面の簡単な説明
[0015]
[図1]本発明が適用されたボールエンドミルを示す図で、(a)は軸心直角方向から見た正面図、(b)は先端側から見た拡大底面図、(c)は硬質被膜が設けられた刃部の表面近傍の拡大断面図である。
[図2]本発明品および比較品を含む複数の試験品の硬質被膜の被膜構造を説明する図である。
[0018]
(Cr1−a−bBaXb)(CcOdN1−c−d)〔但し、a、b、c、dはそれぞれ原子比で、0<a≦0.2、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.3の範囲内、Xは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の1種類以上〕から成るIb層のXは、1種類の元素または化合物(SiC)であっても良いが2種類以上の元素または化合物を含んでいても良く、2種類以上の元素または化合物から成る場合は、それ等の原子比の合計が原子比bの範囲内、すなわち0.5以下であれば良い。
[0019]
AlCrNまたはAlCrαN〔但し、CrとAlとの原子比は0.25≦Cr/Al≦0.67、αは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の何れか1種類〕から成るIa層のαは、前記Ib層のXとは別個に適宜定められるが、Ib層のXと同じであっても良い。AlCrNまたはAlCrDN〔但し、CrとAlとの原子比は0.25≦Cr/Al≦0.67、Dは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の何れか1種類〕から成る第II層のDも、上記Ia層のαや前記Ib層のXとは別個に適宜定められるが、それ等のIa層のα或いはIb層のXと同じであっても良い。Ia層のα、Ib層のX、および第II層のDが同じであっても良い。
[0020]
第2発明では、第I層のIa層とIb層との境界部分に両者の混合層が設けられ、第I層と第II層との境界部分に両者の混合層が設けられ、第II層と第III層との境界部分に両者の混合層が設けられているが、それ等の混合層は必ずしも必要なく、第III層の上に直接第II層を形成するとともに、その第II層の上に直接第I層を形成するようにしても良い。第I層のIa層およびIb層についても、混合層を介在することなく直接積層しても良い。また、上記境界部分の一部についてのみ混合層が設けられても良い。
[0021]
第3発明では、総膜厚Ttotalが0.1〜15μmの範囲内であるが、0.1μm未満の場合は硬質被膜としての性能が十分に得られず、15μmを超えると切削工具の刃先が丸くなるなどして工具性能が損なわれる可能性がある。第I層の膜厚T1は総膜厚Ttotalの9〜50%の範囲内であるが、
9%未満では第I層による耐溶着性(摩擦係数低下)の向上効果が十分に得られず、50%を超えると、第II層による耐摩耗性の向上効果が損なわれる可能性がある。また、第III層の膜厚T3は総膜厚Ttotalの1〜25%の範囲内であるが、1%未満では第III層による付着強度の向上効果が十分に得られず、25%を超えると、第II層による耐摩耗性の向上効果が損なわれる可能性がある。
[0022]
第I層は、少なくともIa層が最表層となるようにIa層およびIb層が1周期以上交互に設けられれば良く、例えば第II層の上にIb層、Ia層を1層ずつ設けるだけでも良い。第II層の上にIa層を設け、その上にIb層、Ia層を交互に1周期以上積層することもできる。要するに、第II層の上にIa層およびIb層を偶数層設ける場合はIb層から形成し、Ia層およびIb層を3層以上の奇数層設ける場合はIa層から形成すれば良い。
[0023]
Ia層およびIb層は、10nm以上の積層周期(Ia層およびIb層の合計厚さ)で積層され、例えばそれぞれ5nm以上の同じ厚さで積層されるが、必ずしも両者が同じ厚さである必要はなく、少なくとも積層周期が10nm以上になるように互いに相違する膜厚で積層することも可能である。積層周期が連続的或いは段階的に変化していても良いし、Ia層とIb層の厚さの比が連続的或いは段階的に変化していても良い。Ia層およびIb層は、耐熱性および耐溶着性の向上効果を適切に得る上で、それぞれ1層当り5nm〜500nm程度の範囲内の膜厚で設けることが望ましい。
実施例
[0024]
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具の一例であるボールエンドミル10を説明する図で、(a)は軸心と直角方向から見た正面図、(b)は先端側((a)の図の右方向)から見た拡大底面図であり、超硬合金にて構成されている工具母材12にはシャンクおよび刃部14が一体に設けられている。刃部14には、切れ刃として一対の外周刃16およびボール刃18が軸心に対して対称的に設けられており、軸心まわりに回転駆動されることにより
24と第III層26との境界部分の混合層と同様に連続して形成することができる。
[0028]
上記Ib層22bの上に設けられるIa層22aは、AlCrNまたはAlCrαN〔但し、CrとAlとの原子比は0.25≦Cr/Al≦0.67、αは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の何れか1種類〕にて構成されている。具体的には、例えば図2の「被膜構造」の「Ia層」の欄に例示されているように、AlCrN、AlCrYN、AlCrSiCN、AlCrTiN、AlCrMoN、AlCrWN、AlCrNbN、AlCrTaN、AlCrZrNなどである。このIa層22aとIb層22bとの境界部分にも、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ(例えばIa層22aの膜厚の10%以下)で設けられているが、図では省略されている。この混合層も、前記第II層24と第III層26との境界部分の混合層と同様に連続して形成することができる。
[0029]
上記Ia層22aおよびIb層22bは、Ia層22aが最表層となるように10nm以上の積層周期で1周期以上交互に積層されている。図2および図3の具体例では、試験品No5の積層数が50で、膜厚が0.3μmであることから、積層周期は12nmとなり、この中では最も薄い場合である。試験品No22の積層数は2すなわち1周期で、膜厚が1μmであることから、積層周期は1μmであり、この中では最も厚い場合である。また、Ia層22aおよびIb層22bの各膜厚は、例えば5nm以上の厚さで個別に適宜設定されるが、本実施例では同じ膜厚で形成されており、試験品No5の場合はそれぞれ6nm、試験品No22の場合はそれぞれ500nmである。この膜厚は、前記混合層を含めた厚さである。
[0030]
また、前記第I層22、第II層24、および第III層26を合わせた硬質被膜20全体の総膜厚Ttotalは0.1〜15μmの範囲内で、第I層22の膜厚T1は総膜厚Ttotalの9〜50%の範囲内、第III層26の膜厚T3は総膜厚Ttotalの1〜25%の範囲内、第II層24の膜厚T2は(Ttotal−T1−T3)である。図3の膜厚の欄に括弧書きで示されている%は、
タイミングを適当に設定することにより、その混合層を含めて第III層26〜Ia層22aを連続的に効率良く形成することができる。
[0034]
また、本実施例では、第I層22〜第III層26の総膜厚Ttotalが0.1〜15μmの範囲内で、第I層22の膜厚T1が総膜厚Ttotalの9〜50%の範囲内で、第III層26の膜厚T3が総膜厚Ttotalの1〜25%の範囲内で、第II層24の膜厚T2が(Ttotal−T1−T3)であるため、第I層22による耐溶着性および耐熱性の向上、第II層24による耐摩耗性向上、および第III層26による付着強度向上の各効果が適切に得られる。
[0035]
次に、工具母材12が超硬合金製で直径が6mm(先端R=3)、2枚刃の本実施例のボールエンドミル10(請求の範囲第1項〜第3項の要件を満たす本発明品)と、硬質被膜20を構成している第I層22、第II層24、第III層26の有無や被膜組成、原子比、膜厚が請求の範囲第1項または第3項の要件を満たしていない比較品(従来品を含む)とを用意し、以下の加工条件で切削加工を行って280m切削加工した後のボール刃18の逃げ面摩耗幅(mm)を調べた結果を説明する。図2および図3の試験品No1〜No38は本発明品で、試験品No39〜No48は比較品であり、網掛けを付した欄は本発明の要件から外れている項目である。また、逃げ面摩耗幅(mm)は2枚のボール刃18の平均値で、許容範囲を0.1mm以下として合否判定を行った。なお、被膜硬さ(HV0.025)については測定が容易でないため、一部の試験品についてのみ調べ、記載の無いものは測定を省略した。
《加工条件》
・被削材種:SUS304(JISの規定によるステンレス鋼)
・切削方法:ピック加工
・切削速度:238m/min
・送り速度:0.12mm/t
・切り込み:aa=0.3mm、Pf=0.6mm
・切削油剤:エアブロー
Claims (4)
- 所定の部材の表面上に設けられる耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜であって、
前記部材の表面に接して設けられる第 III層と、該第 III層の上に設けられる第II層と、該第II層の上に設けられて表面を構成する第I層とを有する多層構造で、
前記第I層は、
AlCrNまたはAlCrαN〔但し、CrとAlとの原子比は0.25≦Cr/Al≦0.67、αは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の何れか1種類〕から成るIa層と、
(Cr1-a-b Ba Xb )(Cc Od N1-c-d )〔但し、a、b、c、dはそれぞれ原子比で、0<a≦0.2、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.3の範囲内、Xは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の1種類以上〕から成るIb層と、
から構成され、該Ia層が最表層となるように10nm以上の積層周期で1周期以上交互に積層されたもので、
前記第II層は、AlCrNまたはAlCrDN〔但し、CrとAlとの原子比は0.25≦Cr/Al≦0.67、Dは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、Y、およびSiCの中の何れか1種類〕にて構成され、
前記第 III層は、B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Wの中の1種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物にて構成されている
ことを特徴とする硬質被膜。 - 前記第I層の前記Ia層と前記Ib層との境界部分には両者の混合層が設けられ、
該第I層と前記第II層との境界部分には両者の混合層が設けられ、
該第II層と前記第 III層との境界部分には両者の混合層が設けられている
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の硬質被膜。 - 前記第I層、前記第II層、および前記第 III層の総膜厚Ttotal は0.1〜15μmの範囲内で、
前記第I層の膜厚T1は、総膜厚Ttotal の1〜50%の範囲内で、
前記第 III層の膜厚T3は、総膜厚Ttotal の1〜25%の範囲内で、
前記第II層の膜厚T2は、(Ttotal −T1−T3)である
ことを特徴とする請求の範囲第1項または第2項に記載の硬質被膜。 - 請求の範囲第1項〜第3項の何れか1項に記載の硬質被膜で工具母材の表面が被覆されていることを特徴とする硬質被膜被覆工具。
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