JP2004042149A

JP2004042149A - 被覆切削工具及

Info

Publication number: JP2004042149A
Application number: JP2002199526A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ishikawa; 石川　剛史
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【目的】硬質皮膜、潤滑性皮膜を２層又は複層に設けるのではなく、１膜中に硼素を添加することより硬さ、特に高温硬さに優れ、潤滑性に優れた皮膜で構成することにより、上記耐摩耗性と潤滑性に富む皮膜を備えた切削工具を提供することを目的とする。
【構成】基体が超硬合金又はＴｉＣＮ基サーメットからなり、該基体に（Ｔｉ_ｘＢ_１−ｘ）（Ｎ_ｙＯ_１−ｙ）、但し、０．９０≦Ｘ≦０．９９、０．９０≦ｙ≦１．０からなり、且つ、少なくともＴｉＮ、ＴｉＢ、ＢＮが存在する皮膜を被覆し、該皮膜は、鋼に対する摩擦係数が、切削温度域で０．３〜０．６で有ることを特徴とする被覆切削工具である。
【選択図】　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ等の切削工具に関し、特に、その表面に耐摩耗性と潤滑性に富む皮膜を備えた切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具の高能率化、高精度化の要求を満たすために、切削速度がより高速になってきており、刃先の温度は益々高温になる傾向にある。切削工具は、様々な形態の損傷を受けるが、その主なものは摩耗と欠損である。摩耗は、機械的な摩擦摩耗と、高温での酸化や被削材との間での拡散などによって生じる熱的摩耗とに大きく分けられる。いずれの摩耗の場合も、切削速度や送り速度が大きくなって工具の刃先温度が高くなるほど著しくなる。欠損は、刃先にかかる大きな切削抵抗や機械的、熱的な衝撃によって起こり、高速送り切削や断続切削で顕著に現われる。皮膜に要求される特性は一段と厳しくなる一方である。その皮膜としては、（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＳｉ）Ｎ、が挙げられる。これらの中でも、（ＴｉＳｉ）Ｎ、皮膜の高硬度を生かし、高速切削に対応し、硬質膜として切削工具等に応用されている。これら硬質膜を形成する方法としては、従来から、ＰＶＤ法又はＣＶＤ法に代表されるイオンプレーティング法、スパッター蒸着法、プラズマＣＶＤ法及びイオン注入法などの表面改質技術が検討されている。特に、イオンプレーティング法は、基体との密着性が優れる。
【０００３】
次に、潤滑性では、上記硬質被覆層の上にＣｒＮ、ＢＮ、ダイヤモンド状カーボン（以下、ＤＬＣと称する。）、黒鉛、フッ化黒鉛、ＭｏＳ_２の固体潤滑剤膜を０．１〜２μｍ被覆したものが実用化されている。例えば、特開平１０−１５８８６１号公報では、切削工具の表面での被削材の溶着を防ぐために、耐摩耗性皮膜として窒化チタン膜、ＴｉとＶとＮとを含有する皮膜を設け、上記皮膜が切削時の温度の影響により酸化バナジウム、融点が１０００℃以下の低融点酸化物、に変化し、切削中の摩擦熱で酸化物が軟化または溶融状態になり、溶着した被削材が容易に脱落し、溶着そのものを生じなくしている。
更に、特開２０００−１２９４２０号公報には、高温摺動部材用硬質膜として、ＴｉＮ膜の優れた耐摩耗性および低摩擦係数を生かしつつ、窒化チタンを主成分とし、Ａｌ、Ｃｒ、Ｚｒ及びＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素を含有する窒化物であって、前記窒化物の結晶粒子の格子定数が０．４１４ｎｍから０．４２３ｎｍの範囲にある面心立方晶構造であることを特徴とする高温摺動部材用硬質膜、が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
切削工具の加工能率を一層向上させるために切削速度がより高速になることに加え、環境対策として、切削油剤削減のためのドライ（乾式）加工化が進みつつある。これらのことから、切削工具の刃先温度は益々高温になる傾向にあるので、今後用いられる工具の材料には高温における耐摩耗性が要求されるとともに、刃先での溶着欠損を防ぐための潤滑性が同時に求められるようになってきている。
【０００５】
【本発明の目的】
そのため、本願発明では、上述のような技術的な背景に鑑みてなされたものであり、従来のように硬質皮膜、潤滑性皮膜を２層又は複層設けるのではなく、１膜中に硼素を添加することより硬さ、特に高温硬さに優れ、潤滑性に優れた皮膜で構成することにより、上記耐摩耗性と潤滑性に富む皮膜を備えた切削工具を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基体が超硬合金又はＴｉＣＮ基サーメットからなり、該基体に（Ｔｉ_ｘＢ_１−ｘ）（Ｎ_ｙＯ_１−ｙ）、但し、０．９０≦Ｘ≦０．９９、０．９０≦ｙ≦１．０からなり、且つ、少なくともＴｉＮ、ＴｉＢ、ＢＮが存在する皮膜を被覆し、該皮膜は、鋼に対する摩擦係数が、切削温度域で０．３〜０．６で有ることを特徴とする被覆切削工具である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１に、該皮膜は、（Ｔｉ_ｘＢ_１−ｘ）（Ｎ_ｙＯ_１−ｙ）、但し、０．９０≦Ｘ≦０．９９、０．９０≦ｙ≦１．０の組成からなり、Ｔｉ量を０．９０≦Ｘ≦０．９９、すなわちＢ量を０．０１〜０．１０の範囲とすることにより、適度な硬さと潤滑性の向上がはかれる。Ｂは、Ｔｉと化合物を形成し、非金属のＮ、Ｏとも化合物を形成し、ＴｉＢ、ＢＮ、ＢＯも形成し、硬さと潤滑性を高めることができる。又、Ｂ量が０．１０を越えると硬くなりすぎるため０．０１〜０．１０の範囲とした。
次に、Ｎ量を０．９０≦ｙ≦１．０の範囲としたのは、酸素量が０．１０を越えると他の低級酸化物が生成されやすく、例えばＴｉＮＯ等の生成される量が僅少で有れば皮膜に悪影響を及さないが、増えるに従い皮膜を脆化させるため、０．９０〜１．０の範囲とした。これらの範囲とすることにより、少なくともＴｉＮ、ＴｉＢ及びＢＮとＢＯとが存在し、皮膜自体の硬さが高く、特にＴｉＢを分散させることによりＨＶ２５００〜３０００程度の硬さとなり、ＴｉＮ（ＨＶ２０００〜２１００）に比べて向上させることができる。
【０００８】
図１、図２は、本発明例の（ＴｉＢ）（ＮＯ）皮膜を被覆した時の皮膜のＥＳＣＡ解析結果である。図１のＴｉとＮとの結合エネルギ回折ピークと、図２のＢとＮとの結合エネルギー回折ピークが確認され、皮膜はＴｉＮ相とＢＮ相を含むことが確認された。この場合、ＢＮ相はＴＥＭ観察結果によれば数ナノから数十ナノの大きさを有するナノ結晶であり、格子歪の発生に起因するＴｉＮ層の大幅な硬度上昇が確認された。耐クレータ摩耗性はＴｉＮに比べ著しく改善される結果であった。これはＢＮ相自体が優れた潤滑性を有していることに起因すると考えられる。
【０００９】
第２に、該皮膜の鋼に対する摩擦係数を、切削温度域で０．３〜０．６とした理由は、ボールオンディスク型の摩耗試験器において、主要なパラメータである垂直荷重、接触面積、摺動速度、試験時間があり、更に、試験温度の与える影響は非常に重要で、多くは摩擦による発熱であるが熱的に化学反応が活性化されることがある。本発明の皮膜は、切削工具として用いたときの切れ刃付近の温度に近似した温度域での摩擦の状況を確認した。
ＪＩＳ、ＳＫＤ６１材をボール材（静止相手材）とし、ディスクを超硬合金で製作し、そのディスク上に本発明皮膜を被覆した。測定は、接触面圧：２Ｎ、速度：１００ｍｍ／ｓｅｃ、温度：室温（２５℃）、４００℃、７００℃時で行い、その時の試験時間と摩擦係数の関係を図１に示す。尚、比較のため、従来例２として、本発明の実施例中に基体直上の層に用いた（ＴｉＡｌ）Ｎ膜を併記する。
図３より、本発明例１の摩擦係数は、室温においては、従来例２と大差く、０．８５〜０．９５の範囲で推移している。温度の上昇に伴い、本発明例１は試験温度４００℃では０．５５〜０．６で低下し、更に、７００℃では、０．４３〜０．４７と低下する。それに対し、従来例２では、０．７５〜０．８５の範囲で推移している。
上記のように、本発明皮膜は、切削時に上昇する切れ刃付近の温度、７００℃で摩擦係数が低くなり、切屑の擦り摩耗を低減し、スムーズな切屑排出を行うことができる。
【００１０】
第３に、該皮膜中のＢは、皮膜の最表面から深さ方向に５００ｎｍ未満の領域でＢ含有量が最大となる場合、更に優れた切削寿命が得られた。また、Ｂは、該皮膜の最表面から膜厚深さ方向に５００ｎｍ未満の領域でＢ含有量が最大となることが好ましい。５００ｎｍ未満の表面層側にＢ濃度が高い場合、切削過程において耐摩耗皮膜中の１部のＢがＢとＯの結合及び／又はＢとＮの結合となり、更に被加工物との摩擦が低減され好ましい。５００ｎｍより内部の硬質皮膜でＢの濃度が高くなる場合、靭性が損なわれる場合があり耐欠損性が十分ではない場合が確認されており好ましくない。
上記により、高速切削加工及び高硬度材切削加工などの過酷な切削環境下においても、皮膜剥離を生ずることなく、皮膜の耐酸化性及び皮膜硬さを改善しているため、切削寿命が極めて長く、切削速度の高速化が可能であり、従来技術の課題を解決するに至った。
【００１１】
次に、該皮膜は、Ｘ線回折における回折強度が（２００）面で最大ピークを示し、その（２００）面の回折線が２θの半価幅で１．０度以上である。図６にはＸ線回折パターンを示す。図６より、（２００）面に最強ピーク強度を示し、その（２００）面における回折ピークは２θの半価幅で１．０度以上の広がりが認められる。半価幅の測定には、Ｘ線回折における、Ｃｕ−Ｋα線の回折線を用い、入射角を５度に設定し、θ−２θ法で測定した。半価幅の測定には（２００）面の回折線のバックグラウンドに対するピーク高さの２分の１における回折線の幅をもって算出した。該皮膜は（２００）面に強く配向した場合が最も皮膜内の格子欠陥が少なく、高密度であり耐酸化性に優れるため、（２００）面に最大のピーク強度をもつことが好ましい。更に、その半価幅が１．０度以上の広がりを有する場合、高硬度化並びに耐酸化性改善が著しく、更に好ましい。
【００１２】
更に、該Ｔｉの１部を、金属のみの原子％で３０％未満をＴｉを除く周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌ、Ｓｉ元素から選択される１種以上で置換しても良い。該皮膜の硬さを更に向上させるには、特に、Ｓｉ、Ｚｒ等の添加が有効であり、潤滑性を向上させるには、Ｃｒ、Ａｌの添加が有効である。
【００１３】
被覆方法として、物理蒸着法及び／又はプラズマ活性化化学蒸着法で被覆することが望ましく、耐摩耗皮膜内へのＢの添加方法としてはＢ含有気体を用いると耐摩耗皮膜内のＢ含有量を制御することが可能であり、更に、優れた切削特性を得ることが可能であり好ましい。物理蒸着における被覆処理においては被覆時のイオン化率が高く、高密度なプラズマを形成することが可能であり、被覆基体との密着性が優れる。また、プラズマ活性化化学蒸着法においても同様に高密度であるプラズマを形成することが可能であると同時に、Ｂ含有気体を真空容器内に導入してイオン化することが可能であるため、Ｂ濃度のコントロールが容易である。また、耐摩耗皮膜の被覆基体への密着性の改善及び又は切削寿命を延ばすために、被覆前後に、工具切刃を機械的処理によってなじませることにより、突発的なチッピングが抑制され、好ましい。また、被覆中に付着したドロップレット等の欠陥に関しても機械的処理により除去することも、異常摩耗の抑制に効果的であり好ましい。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
ア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窒素ガス、酸素ガス、硼素系ガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、密着性付与皮膜においては、各種組成の金属ターゲットを用い、被覆基体温度４００℃、反応ガス圧力１．０Ｐａ、基体印可バイアス電圧１５０Ｖの条件下にて、被覆基体としてボールオンディスク型の摩耗試験機のディスクに本発明例１として、（Ｔｉ_０．９９Ｂ_０．０１）（Ｎ_０．９Ｏ_０．１）の皮膜を、厚さ５ミクロン成膜した。尚、比較のため、従来例２として、後述の、本発明の実施例中に基体直上の層に用いる（ＴｉＡｌ）Ｎ膜を５ミクロン成膜したものを用いた。
ＪＩＳ、ＳＫＤ６１材をボール材（静止相手材）とし、測定は、接触面圧：２Ｎ、速度：１００ｍｍ／ｓｅｃ、温度：室温（２５℃）、４００℃、７００℃時で行い、その時の試験時間と摩擦係数の関係を図１に示す。尚、比較のため、従来例２としても併記する。
図１より、本発明例１の摩擦係数は、室温においては、従来例２と大差く、０．８５〜０．９５の範囲で推移している。温度の上昇に伴い、本発明例１は試験温度４００℃では０．５５〜０．６で低下し、更に、７００℃では、０．４３〜０．４７と低下する。それに対し、従来例２では、０．７５〜０．８５の範囲で推移し、本発明例の皮膜は、切削に用いる温度域で低摩擦係数である。
【００１５】
（実施例１）
次に、超硬合金ＪＩＳ　Ｐ４０相当材種のスローアウェイインサート、工具型番：ＲＤＭＷ１６０４ＭＯＴＮ、丸駒インサートを用いて、基体直上に（ＴｉＡｌ）Ｎ層を２ミクロン被覆し、その上に（Ｔｉ_ｘＢ_１−ｘ）（Ｎ_ｙＯ_１−ｙ）を２ミクロン成膜し、本発明例３〜１６を製作した。尚、比較のため、上記（ＴｉＡｌ）Ｎ層のみのものも製作した。その組成等を表１に記載する。
【００１６】
【表１】

【００１７】
得られた被覆インサートを用い切削試験を行った。巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの面加工で、被削材はφ１０ｍｍのドリル穴を２０ｍｍ間隔に設けたＳＫＤ６１（ＨＲＣ４５）を、切削諸元、切り込み：１．０ｍｍ、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、１刃当りの送り：１．５ｍｍ／刃、乾式切削で実施した。このドリル穴を一定間隔で配置したのは、特に、強断続切削とするためであり、皮膜は剥離し易い傾向を有する。欠損に至る切削長を表１に併記する。また、工具寿命は、皮膜に剥離が発生しない場合は、クレーター摩耗が寿命を支配するため、クレーター摩耗により工具が切削不能となった時の切削時間を寿命とした。１刃あたりの送りが１ｍｍを越えるようなフライス加工では切削温度が局部的に上昇し、クレーター摩耗が発生する傾向にある。
表１より明らかなように、本発明例３〜１１は著しい寿命改善が認められる。これらは比較例１４〜１７が全て、クレーター摩耗、皮膜剥離により短寿命であったことより、すくい面の潤滑性による耐クレーター摩耗性の改善によるところが大きい。また、本発明例１２は（１１１）配向の例であるが、本発明例４の（２００）配向に比して寿命までの切削時間がやや短くなった。本発明例１３は、半価幅が０．９度と、本発明例４の半価幅１．３度に比して、短くなったが、本発明例４では、ＳＥＭで皮膜の破面を観察すると、柱状に成長しており、耐摩耗性に優れる結果となった。
【００１８】
（実施例３）
実施例２の方法に基づき、表１記載の本発明例及び比較例の皮膜を旋削用超硬合金インサート、チップ形状：ＴＮＧＧ１１０３０２Ｒ、に被覆し、切削諸元、被削材として４つ溝付きのＳ５３Ｃを用い、切削速度：２００ｍ／分、切り込み：１ｍｍ、送り：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ、水溶性切削油を用い湿式で行った。断続切削であり、皮膜は剥離し易い傾向を有し、剥離しない場合はいずれもクレーター摩耗の進行から発熱が大きくなり、逃げ面摩耗が増大する傾向にある。逃げ面摩耗値が０．１ｍｍになった時点を寿命と判定した。寿命までの切削時間を表２に記載する。
【００１９】
【表２】

【００２０】
表２の結果から明らかなように、本発明例１６〜２９では、ＴｉＮ、ＴｉＢに、第３のＣｒＮ等を加えたことにより、断続の高速旋削加工においても剥離、チッピング等を生せずに、長寿命であり、更には、本発明例２２のＶ、本発明例２６のＭｏでは、寿命に至る時間はやや短くなっている。また、本発明例２３のＺｒ、本発明例２５のＳｉ等では、長寿命が図れている。それに対し、比較例３２では、Ｃｒの添加量が多くなりすぎ、皮膜剥離は発生しないものの、寿命が短くなった。
【００２１】
【発明の効果】
以上の如く、本発明の多層硬質皮膜被覆工具は、従来の被覆工具に比べ耐クレータ摩耗性に優れ、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、コスト低減、環境改善に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例のＥＳＣＡ解析結果で、ＴｉとＮとの結合エネルギ回折ピークを示す。
【図２】図２は、本発明例のＥＳＣＡ解析結果で、ＢとＮとの結合エネルギー回折ピークを示す。
【図３】図３は、ボールオンディスク型の摩耗試験機による、室温、４００℃、７００℃における距離−摩擦係数の推移を示す。

Claims

基体が超硬合金又はＴｉＣＮ基サーメットからなり、該基体に（Ｔｉ_ｘＢ_１−ｘ）（Ｎ_ｙＯ_１−ｙ）、但し、０．９０≦Ｘ≦０．９９、０．９０≦ｙ≦１．０からなり、且つ、少なくともＴｉＮ、ＴｉＢ、ＢＮが存在する皮膜を被覆し、該皮膜は、鋼に対する摩擦係数が、切削温度域で０．３〜０．６で有ることを特徴とする被覆切削工具。
請求項１記載の被覆切削工具において、該皮膜中には、少なくともＢＯ相が存在することを特徴とする被覆切削工具。
請求項１又は２記載の被覆切削工具において、該皮膜の最表面から深さ方向に５００ｎｍ未満の領域でＢ含有量が最大としたことを特徴とする被覆切削工具。
請求項１乃至３記載の被覆切削工具において、該皮膜はＸ線回折における回折強度が（２００）面で最大ピークを示し、その（２００）面の回折線が２θの半価幅で１．０度以上であることを特徴とする被覆切削工具。
請求項１乃至４記載の被覆切削工具において、該Ｔｉの１部を、金属のみの原子％で３０％未満をＴｉを除く周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌ、Ｓｉ元素から選択される１種以上で置換としたことを特徴とする被覆切削工具。
請求項１乃至５記載の被覆切削工具において、該被覆切削工具は、該皮膜以外の皮膜として、金属元素として周期律表４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｓｉの１種以上及び非金属元素としてＣ、Ｎ、Ｏの１種以上とからなる皮膜を設けたことを特徴とする被覆切削工具。