JP2001105205A - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents
硬質皮膜被覆工具Info
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Abstract
耗性ならびに密着性を犠牲にすること無く更に耐酸化性
を改善し、切削加工の乾式化、高速化に対応する硬質皮
膜被覆工具を提供することを目的とする。 【構成】金属成分が、SiとAlで構成される金属皮膜
もしくはその窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物
のいずれかである層と、金属成分がAlとTiで構成さ
れる窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれ
かである層が、それぞれ一層以上交互に被覆して構成す
る。
Description
加工に使用される硬質皮膜被覆工具に関するものであ
る。
削工具が汎用的かつ一般的であった。TiNは比較的耐
酸化性に優れるため、切削時の発熱によって生じる工具
のすくい面摩耗に対して、優れた耐摩耗性を示すだけで
なく、基体との密着性も良好であることが特長である。
また、TiCNは、TiNに比べ高硬度かつ被加工物か
ら排出される切り粉との接触抵抗が低いため工具表面の
発熱が抑制される。このことから、被削材との機械的な
擦り摩耗によって工具逃げ面に生じるフランク摩耗が抑
制することができる。しかしながら、金属加工の高能率
化を目的とした切削速度の高速化傾向に対し、上記硬質
皮膜では、十分な耐酸化性、耐摩耗性を示さなくなっ
た。この様な背景から、皮膜の耐酸化性、耐摩耗性をよ
り向上させる研究がなされ、その結果、特開平8−17
0167号に代表されるTiAlN皮膜およびTiAl
SiCN皮膜が開発され切削工具に適用されている。
の皮膜中に含有するTiとAlの成分比率またはSiや
Cの皮膜中の含有量により異なるものの、概略2300
〜2800のビッカース硬さを有すだけではなく、耐酸
化性が、前記TiN、TiCNに比べ著しく優れるた
め、刃先が高温に達する切削条件下においては、切削工
具の性能をめざましく向上させる。また、TiAlSi
CN皮膜は、TiAlN皮膜よりもさらに耐酸化性を向
上させようとSiを添加させたものである。しかしなが
ら、近年では切削速度が更に高速化する傾向に加え、従
来使用されていた湿式での切削加工が環境問題上重要視
されるなかで、乾式での切削加工が注目され、切削工具
の使用環境はますます苛酷なものとなってきている。
るTiAlN皮膜の酸化開始温度は、TiNの450℃
に対し、Alの添加量に依存して750〜900℃に向
上する。しかしながら、前述の乾式高速切削加工におい
ては、使用する工具の刃先温度が900℃以上の高温に
達するため、前記TiAlN皮膜では、十分な工具寿命
が得られないのが現状である。
であって、従来のTiAlN皮膜、もしくはTiAlS
iCN皮膜の耐摩耗性ならびに密着性を犠牲にすること
無く更に耐酸化性を改善し、切削加工の乾式化、高速化
に対応する硬質皮膜被覆工具を提供することが目的であ
る。
の耐酸化性、耐摩耗性、母材との密着性に及ぼす、様々
な元素との影響および皮膜の最適な層構造について鋭意
研究を重ねた結果、SiとAlからなる金属膜もしくは
その窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物の
皮膜と、TiとAlを主成分とした窒化物、炭窒化物、
酸窒化物もしくは酸炭窒化物皮膜を、それぞれ一層以上
交互に被覆することで、乾式の高速切削加工において、
切削工具の性能が極めて良好となることを発見し本発明
に到達した。
構成される金属膜もしくは窒化物、炭窒化物、酸窒化
物、酸炭窒化物のいずれかであるa層と、TiとAlで
構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物の
いずれかであるb層が、それぞれ一層以上交互に被覆さ
れ、更に上記硬質皮膜は、物理蒸着法により被覆された
ことが望ましい。
して、その構成要件について詳しく述べる。
ストを行う(特開平11−131216号公報)と、皮
膜表面近傍のAlが最表面に向かって外向拡散し、Al
2O3層を形成する。この現象によりその後の皮膜内へ
の酸素の進入が抑制される。本発明者らの研究によれ
ば、このことが耐酸化性向上の理由と考えられるが、こ
の時、最表層に形成されるAl2O3層直下には、Al
を含有しない非常にポーラスなTi酸化物が形成する。
静的な酸化テストにおいては、最表面に形成されたAl
2O3層が、酸化の進行である酸素の内向拡散に対し、
酸化保護膜として機能するものの、動的な切削において
は、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなTi
酸化物層より容易に剥離してしまい、酸化の進行に対し
十分な効果を発揮しない。また、TiAlSiCN膜に
ついても従来のTiAlN膜にSiを添加させることで
耐酸化性を若干良好にさせるが、前述同様、酸化物に対
する生成自由エネルギーの差から表面の酸化保護膜のA
l2O3層直下にポーラスなTiの酸化物を形成してし
まい、結果、切削中の皮膜剥離をもたらす。
求項記載の金属膜もしくは窒化物等は、皮膜自体の耐酸
化性が、従来のTiとAlの窒化物よりも優れることを
見出した。本発明者等は、各種元素の酸化物に対する自
由生成エネルギーの観点から鋭意研究を重ねた結果、本
発明硬質皮膜の酸化機構は、まず最表層にAl2O3層
を形成し、Al2O3層直下には非常に緻密なSiO層
が形成される機構をもつことを発見した。本発明者等の
研究によれば、Al2O3層直下の緻密なSiO層の形
成により、動的な切削における上記記載のTiとAlの
窒化物等のときに見られた剥離現象がなくなり、最表層
のAl2O3層が酸化の進行、いわば酸素の内向拡散に
対し十分に効果を発揮することを確認した。このよう
に、従来の皮膜に対し著しく耐酸化性が向上し切削加工
中の皮膜剥離現象がなくなるSiとAlで構成される金
属膜もしくは窒化物等は皮膜中のSi含有量が金属成分
のみの原子%で8%越え85%以下に調整することが重
要である。Si量を設定した理由については、その量が
15原子%以下では、皮膜の結晶形態がウルツ鉱型とな
り、優れた耐酸化性は得られても、皮膜自身が軟質化す
るため十分に満足のいく耐摩耗性を発揮することができ
ない。また、85原子%を越えると、非常に高硬度な皮
膜が得られる反面、皮膜の残留圧縮応力が大きくなり密
着性を阻害し皮膜剥離の因子となるからである。
て優れた耐酸化性を有すものの、皮膜自身がもつ残留圧
縮応力が大きいため母材との密着性においては十分でな
い。そのため、基体表面直上には、密着性、耐摩耗性、
耐酸化性等をバランス良く適度に有す皮膜、TiAl系
窒化物等である請求項中に記載のb層を被覆することが
好ましい。また、基体表面直上には、上記記載の硬質膜
の他に元素周期表に記載される4a、5a、6a族の金
属膜または4a、5a、6a族の金属のうち1種とAl
もしくはSiとの合金膜をもちいてもよい。TiAl系
窒化物等の皮膜であるb層におけるAlの役割は、皮膜
の耐摩耗性および耐酸化性を向上させることである。そ
のため、密着性、耐摩耗性、耐酸化性をバランス良く得
るためには、好ましくはb層のAl含有量を、皮膜の金
属成分のみの原子%で、30%越え75%以下に調整す
ることが重要である。b層における好ましいAlの含有
量を設定した理由については、その量が30原子%を越
えたときに耐酸化性が著しく向上し始めるためである。
また、75原子%以下に調整する理由は、耐酸化性が向
上しても、皮膜硬度が著しく低下し耐摩耗性が劣化して
しまうためである。
密着性、皮膜自体の耐摩耗性および耐酸化性をバランス
良く有すb層を基体表面直上に被覆し、その上に著しく
耐酸化性に優れるa層を被覆することが極めて重要であ
り、その結果、乾式の高速切削に対応する切削工具を得
ることが可能となる。また、基体表面直上にb層を被覆
した後、a層ならびにb層をそれぞれ交互に積層した多
層皮膜によっても同様の効果が得られる。
物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかに調整でき、それ
らを被覆した工具についても同様の効果が得られる。
法については、特に限定されるものではないが、被覆基
体への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮
した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した皮膜に圧縮
応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング、
もしくはスパッタリング等の被覆基体側にバイアス電圧
を印加する物理蒸着法であることが望ましい。
い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、な
らびに反応ガスであるN2ガス、CH4ガス、Ar/O
2混合ガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、被
覆基体温度400℃、反応ガス圧力3。0Paの条件下
にて、被覆基体である外径8mmの超硬合金製6枚刃エ
ンドミルおよび超硬合金製インサートに−150Vの電
位を印加させ、全皮膜の厚みが4μmとなるように被覆
を行った。
ンサートを用い、次に示す乾式の高速切削条件にて、刃
先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能となるま
で加工を行い、その時の切削長を工具寿命とした。表1
に本発例および比較例に関する硬質皮膜の詳細およびそ
の切削結果を示す。また、併せて表2に従来例の切削結
果についても示す。
比べて、工具寿命が著しく向上しており、乾式高速切削
加工に十分対応できることがわかる。特に、Siおよび
Alで構成されるうちのSiの含有量を皮膜の金属成分
のみで8原子%越え、85%以内の皮膜は優れた工具性
能を示した。これは、請求項記載の皮膜構成についてバ
ランス良く被覆するために鋭意研究を重ねた結果であ
る。更に、例えば本発明例16の様な2層でも、本発明
例11の様な積層(80層)においても、優れた切削性
能を示す。a層が3。56ミクロンと厚い本発明例16
では、AlSiCN膜が優れた耐摩耗性があることがわ
かり、酸化試験の結果とよく一致した。また0。04ミ
クロンの薄いa層を積層させた本発明例11では、、a
層が切削中の酸化の進行を止めるバリヤー層となり、b
層のみの単層膜、例えば従来例29に比較して約3倍の
寿命を示した。また、本発明皮膜の成膜に使用した導入
ガスについても同時に検討を行った結果、著しく優れた
耐酸化性を保つためには、請求項記載の元素に対しての
窒化物、酸化物、酸窒化物として被覆されることが望ま
しいが、工具の発熱ならびに被削材との摩擦を考慮した
場合、成膜時に上記記載膜を製造する上で必要となる窒
素、酸素を含むガスの他に本発明例4等のように炭素を
含むガスを導入し請求項記載の元素の炭窒化物、炭酸窒
化物を被覆しても十分に優れた工具性能を発揮する。更
には、従来例21、TiAlSiCN膜の様にTiとS
iを含有する皮膜では、切削中の酸化により酸化保護膜
のAl2O3層直下にポーラスなTiの酸化物を形成し
切削中の皮膜剥離が生じたため本発明例に比較しエンド
ミルでは1/4程度の切削長さで寿命となった。
は、従来の被覆工具に比べ優れた耐酸化性、耐摩耗性を
有すことから、乾式高速切削加工において著しく長い工
具寿命が得られ、切削加工における生産性の向上に極め
て有効である。
Claims (2)
- 【請求項1】金属成分が、SiとAlで構成される金属
皮膜もしくはその窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒
化物のいずれかである層と、金属成分がAlとTiで構
成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のい
ずれかである層が、それぞれ一層以上交互に被覆されて
いることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。 - 【請求項2】請求項1記載の硬質皮膜を物理蒸着法によ
り被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
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JP2004217481A (ja) * | 2003-01-15 | 2004-08-05 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 耐摩耗性部材 |
WO2009037776A1 (ja) * | 2007-09-20 | 2009-03-26 | Osg Corporation | 硬質積層被膜、硬質積層被膜被覆工具、および被膜形成方法 |
CN106591784A (zh) * | 2016-11-12 | 2017-04-26 | 常州大学 | 一种离子镀制备TiAlSiCN涂层的方法 |
JP2019522721A (ja) * | 2016-05-11 | 2019-08-15 | ケンナメタル インコーポレイテッドKennametal Inc. | 被覆された物体及びこの物体の製造方法 |
RU2720003C1 (ru) * | 2019-09-16 | 2020-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
-
1999
- 1999-10-08 JP JP28866499A patent/JP4569981B2/ja not_active Expired - Fee Related
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