JP2002337003A - 耐摩耗皮膜被覆工具 - Google Patents
耐摩耗皮膜被覆工具Info
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Abstract
ため、耐酸化性及び耐摩耗性、潤滑性、密着性に同時に
格段に優れた硬質皮膜被覆工具を提供するとともに、従
来皮膜との組み合わせによりさらに密着性に優れた複合
硬質皮膜被覆工具を提供する。 【解決手段】基体表面に硬質皮膜を被覆してなる耐摩耗
皮膜被覆工具において、該皮膜は(AlaSi1−a)
(NxB1−x)、但し、0.5≦a<1、0.5≦x
≦1、で示される化学組成からなるA層を少なくとも一
層、被覆されたものであり、該A層は相対的にSiに富
む相と、相対的にSiの少ない相からなる。A層内には
アモルファス微細結晶(AlaSi1−a)(NxB
1−x)が介在する。また一般的(TiAl)Nで示さ
れる化学組成からなる層を交互に夫々1層以上被覆して
構成する。
Description
削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。
の直切削においては、特開昭62−56565号公報、
特開平2−194159号公報に代表されるTiAlN
皮膜が開発され切削工具に適用されている。TiAlN
皮膜は、TiN、TiCNに比べ耐酸化性が優れるた
め、刃先が高温に達する調質鋼の切削においては、切削
工具の性能を著しく向上させるものである。
率、高精度化の要求を満たす為、切削速度の高速化に加
え、環境問題及び加工コスト低減の観点から乾式での切
削加工が重要視されている。こうような切削環境下にお
いては、切削工具表面に被覆される耐摩耗皮膜と切削さ
れる材料(以下、被削材と称す)との溶着現象が切削性
能に大きな影響を及ぼすとともに、切削温度がより高温
になりTiAlN系皮膜でも耐酸化が十分ではない状況
にある。すなわち、従来までの前記TiN、TiCNお
よびTiAlN皮膜はこのような苛酷な切削環境下にお
いては、被削材との溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増
加及び酸化の進行により、十分な切削性能を得られな
く、また酸化による摩耗進行を十分に抑制できていなく
なったのが現状である。
を改善する観点より特表平11−502775号公報に
示される二硫化モリブデンや、特開平7−164211
号公報に示される炭化タングステンおよびダイヤモンド
ライクカーボンからなる潤滑性皮膜を硬質皮膜最表面に
積層した切削工具が開発されているが、いずれも硬質皮
膜との密着性が悪く、皮膜そのものが非常に脆い上耐酸
化性に乏しく、切削時に剥離または破壊、酸化摩滅など
により上記切削環境下においては十分対応できてはいな
い。
7−237010号公報や特開平10−130620号
公報に代表されるようにTiAlNに第3成分を添加す
る事例があるものの、第3成分の添加によるだけでは十
分に満足される耐酸化性の向上は実現されていないのが
実状である。また特開平8−118106号公報にはT
iSiNの事例も提案されているが、単なるTiSiN
では耐酸化性を改善するには至っていない。
みられるように硬質皮膜内部にSi3N4粒等を介在さ
せる事例もみられるがSi3N4粒界を介して酸化が進
行するため十分な耐酸化性を付与するに至っていない。
に鑑み、切削加工の乾式化、高速化に対応可能な、即
ち、耐酸化性に優れるとともに被削材との溶着性が少な
い硬質層を提案し、耐酸化及び耐溶着性を同時に実現
し、高硬度鋼を乾式で高速切削出来うる耐摩耗皮膜被覆
工具を提供することを課題とする。
耐摩耗性と様々な被削材と摩擦抵抗の低減に及ぼす影響
および皮膜の層構造について詳細な検討を行った結果、
耐溶着性を付与する(AlaSi1−a)(NxB
1−x)、但し、0.5≦a<1.0、0.5≦x≦
1.0で示される化学組成からなるA層を被覆すること
により耐溶着性を改善し、さらにその結晶形態を制御す
ることにより、耐酸化性及び耐摩耗性を同時に付与され
た硬質皮膜被覆工具とする事により、高硬度鋼の乾式高
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
ことを見出し本発明に到達した。また、A層は一般的な
TiAlN系硬質皮膜等との組み合わせにより、より密
着性の優れた被覆工具を実現するものである。また上記
耐摩耗皮膜は、物理蒸着法により被覆されることが望ま
しい。
ついて詳しく述べる。(AlaSi1−a)(NxB
1−x)、但し、0.5≦a<1.0、0.5≦x≦
1.0、で示される化学組成からなるAlとSiより構
成される窒化物もしく窒硼化物は、大気中、室温におけ
る鋼との摩擦係数が従来のTiAl窒化物皮膜の0.8
に比べ0.5と低摩擦を示すが、特に高温下ではその数
値がさらに0.3前後に激減する。これは高温下で皮膜
内のSiが切粉との間の反応により皮膜表面に内部拡散
し、皮膜表面で低融点のSi酸化物を形成することに起
因することが確認された。
i1−a)(NxB1−x)皮膜は潤滑特性の優れた潤
滑皮膜として機能し、溶着による切削抵抗の増大を抑制
する作用を有するものであることが確認された。さらに
硼素の添加により、硼素が皮膜内部でBN相を形成し、
このBN相の有する潤滑性の作用により、より一層潤滑
性が向上することが明らかとなった。
検討した結果、(AlaSi1−a)(NxB1−x)
相の結晶形態が耐酸化性に大きく影響を及ぼし、結晶形
態を制御することにより、一般的に耐酸化性が優れると
言われる(TiAl)N系皮膜より優れる耐酸化性を持
たせることができるという驚くべき知見を得るに至っ
た。(AlaSi1−a)(NxB1−x)相は被覆時
のイオンエネルギーにより結晶形態が異なり、イオンエ
ネルギーが低い場合は全体的にアモルファス結晶を呈
し、その中にSi3N4粒子が介在した形態となる。イ
オンエネルギーが高い場合は、全体的にアモルファス状
に近い状態となり、AlNBの中にSiとNの結合が確
認される状態となる。イオンエネルギーが中程度であ
り、かつ被覆温度が550℃以上の場合は完全アモルフ
ァスのAlSiBN相が微細結晶で存在し、このAlS
iBN相のSi含有量は、マトリックスとなる結晶質A
lSiBN相のSi量より富む形態となることが確認さ
れた。温度が低いとイオンエネルギーが高い場合と同様
の結晶形態を呈することが確認された。温度、イオンエ
ネルギーと結晶形態との相関理由は今後の物理学的研究
が必要である。
微細結晶で存在する場合結晶粒界が非常に整合した粒界
となり、欠陥が少なく、酸素の粒界での拡散を著しく抑
制し、非常に優れた耐酸化性を有することが確認され
た。また酸化時に最表面に緻密なAlの酸化物が形成さ
れると同時にその直下に同じく緻密なSiの酸化物が形
成され、皮膜内部への酸素の拡散を一層抑制する結果と
なった。同時に微細結晶で介在することにより、マトリ
ックスを格子歪強化し、硬度が向上し結果耐摩耗性をも
向上することになった。
が中程度となる、-100V〜-150Vの印加バイア
ス、反応圧力は1Pa〜5Pa程度、被覆温度は550
℃以上が好ましい範囲である。
素の組成は、(AlaSi1−a)において、aの値が
0.5≦a<1.0という式を満足させることが必要で
ある。aの値が0.5未満の場合、Si含有量が多くな
りすぎて、皮膜そのものの靭性が劣化し、乾式高速切削
において皮膜の内部破壊や破壊にともなう皮膜の剥離が
顕著となり、十分な性能を発揮できない。
化物の場合、NxB1−xで0.5≦x≦1.0を満足
することが必要であり、xの値が0.5未満の場合は、
皮膜の硬度が著しく上昇し、残留圧縮応力が増大し、皮
膜の密着性が劣化するため十分な切削性能を示さない。
径は500nmを越えると格子歪の効果が少なく、皮膜
の硬度向上寄与が低下するため、500nm以下である
方がより好ましい。A層は、静的および動的条件下にお
いて優れた低摩擦、高耐酸化性を有すものの、HRCが
60を越えるような高硬度鋼の乾式高速切削加工には、
単一皮膜では密着性が十分でなく剥離が発生する場合が
ある。そこで、優れた耐密着性並びに耐摩耗性を有した
(TiAl)N層等と積層することが、このような高硬
度鋼切削ではより好ましい結果となる。
によっては第3の金属成分を添加されたものでも同様の
作用が期待されることは、言うまでもないことである。
法については、特に限定されるものではないが、被覆母
材への熱影響、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。
ークイオンプレーティング装置を用い、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N 2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600℃、反応ガス圧力3.0Paの条件下
にて、被覆基体である外径10mmの超硬合金製2枚刃
エンドミル、および超硬合金製インサートに−130V
の電位を印加し、全皮膜総厚みが1μmとなるように成
膜した。また硼素、Siは蒸発源であるターゲットに必
要量添加した。試作した本発明例並びに比較例を表1に
示す。尚多層の場合はA層の総厚0.5μ、他層の総厚
1.5μとなるよう均等に被覆した。
質皮膜被覆インサートを用い切削試験を行った。工具寿
命は刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能と
なった時の切削長とした。得られた結果を表1に併記す
る。
切削ダウンカット、被削材S50C(硬さHB22
0)、切り込みAd10mm×Rd1mm、切削速度2
50m/min、送り0.06mm/tooth、エア
ーブロー使用、とした。
2TN、巾100mm×長さ250mmの面取り加工、
被削材SKD61(硬さHRC45)、切り込み2.0
mm、切削速度150m/min、送り0.15mm/
rev、乾式切削とした。表1に試験結果を併記する。
00℃大気中で1時間保持した時に形成される酸化層の
厚さで評価した。摩擦係数は600℃においてSKD6
1のボールを用い、一般的なボールオンディスク法によ
り測定した。それらの測定した結果を表2に示す。
が多すぎる場合であり、静的評価数値は満足するものの
密着性が十分ではなく工具寿命が短い結果である。比較
例13、14、15は、TiAlN系皮膜に第3成分を
添加した事例であり、耐酸化性は改善はされるものの、
本発明例と比べれば改善効果が少ない。
優れると同時に、密着性にも優れ、溶着現象に起因した
異常摩耗や皮膜の酸化摩耗、皮膜剥離が進行することも
なく、総合して工具寿命が著しく向上する。従って、本
発明は高硬度鋼の乾式高速切削加工に十分対応するもの
である。
は、従来の被覆工具に比べ特に優れた耐酸化性を有し、
高密着性、低摩擦性を同時に有すことから、乾式高速切
削加工において格段に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ものである。
xB1−x)マトリックス内に介在する微細アモルファ
ス結晶(AlaSi1−a)(NxB1−x)のTEM
像を示す。
aSi1−a)(NxB1−x)の極微電子線回折像を
示す。
aSi1−a)(NxB1−x)マトリックス内に介在
する微細アモルファス結晶(AlaSi1−a)(Nx
B 1−x)の極微電子線回折像を示す。
Claims (4)
- 【請求項1】基体表面に硬質皮膜、(AlaS
i1−a)(NxB1−x)、但し、0.5≦a<1、
0.5≦x≦1、で示される化学組成からなるA層を少
なくとも1層被覆した耐摩耗皮膜被覆工具において、該
A層が相対的にSiに富むAlSi(NxB1−x)相
と相対的にSiの少ないAlSi(NxB1−x)相と
から構成されることを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。 - 【請求項2】請求項1記載の耐摩耗皮膜被覆工具におい
て、該相対的にSiに富むAlSi(NxB1−x)相
がアモルファス相であることを特徴とする耐摩耗皮膜被
覆工具。 - 【請求項3】請求項1乃至2記載の耐摩耗皮膜被覆工具
において、該相対的にSiに富むAlSi(NxB
1−x)相の結晶粒径が500nm以下であることを特
徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。 - 【請求項4】請求項1乃至3記載の耐摩耗皮膜被覆工具
において、該A層とTiとAlを主成分とする窒化物、
炭窒化物、窒酸化物、窒硼化物層が2層以上積層された
ことを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。
Priority Applications (1)
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JP2001140905A JP3699004B2 (ja) | 2001-05-11 | 2001-05-11 | 耐摩耗皮膜被覆工具 |
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JP2002337003A true JP2002337003A (ja) | 2002-11-26 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008073800A (ja) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Kobe Steel Ltd | 硬質皮膜および硬質皮膜被覆工具 |
JP2012072500A (ja) * | 2011-11-22 | 2012-04-12 | Kobe Steel Ltd | 硬質皮膜および硬質皮膜被覆工具 |
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2001
- 2001-05-11 JP JP2001140905A patent/JP3699004B2/ja not_active Expired - Fee Related
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