JP3481216B2 - 耐摩耗皮膜被覆工具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、高硬度鋼の高速切
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。

【０００２】

【従来の技術】金属加工の高能率化を目的とした調質鋼
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。

【０００３】しかしながら、近年では更なる加工の高能
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。

【０００４】このような問題を解決する為に、耐溶着性
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。

【０００５】また、耐酸化性を改善する観点から特開平
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。

【０００６】また特開平１１−１３８０３８号公報にみ
られるように硬質皮膜内部にＳｉ_３Ｎ _４粒等を介在させ
る事例もみられるがＳｉ_３Ｎ_４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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした事情
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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、硬質皮膜の
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（Ｃｒ_ａＳｉ_１−_ａ）（Ｎ_ｘＢ_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ＴｉＡ
ｌＮ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。

【０００９】

【作用】はじめにＡ層に関して、その各構成の作用につ
いて詳しく述べる。元来ＣｒＮは潤滑性を有する皮膜と
して知られており、その摩擦係数は０．６前後である。
（Ｃｒ_ａＳｉ_１−_ａ）（Ｎ_ｘＢ_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Ｃｒ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、ＣｒＮの０．６に比べ、
０．４と低摩擦を示すが、特に高温下ではその数値がさ
らに０．２前後に激減する。これは高温下で皮膜内のＳ
ｉ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。

【００１０】この低融点のＳｉ酸化物により（Ｃｒ_ａＳ
ｉ_１−_ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−_ｘ）皮膜はＣｒＮそのものが有
する潤滑特性にさらに潤滑性が付与され、著しく特性の
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。

【００１１】耐酸化性の向上に対し、本発明者らは鋭意
検討した結果、（Ｃｒ_ａＳｉ_１−_ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−_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。（Ｃｒ_ａＳｉ_１−_ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−_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柱状結晶を呈し、その中
にＳｉ_３Ｎ_４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、ＣｒＮＢ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ＣｒＳ
ｉＢＮ相が微細結晶で存在し、このＣｒＳｉＢＮ相のＳ
ｉ含有量は、マトリックスとなるＣｒＳｉＢＮ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。

【００１２】中でも完全アモルファスＣｒＳｉＢＮ相が
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。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。さらに最表面には１〜５ｎｍのＣｒ
の安定酸化層が形成されより一層優れた耐酸化性を有す
る結果となった。

【００１３】被覆条件としては比較的イオンエネルギー
が中程度となる、−１００Ｖ〜−１５０Ｖの印荷バイア
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。

【００１４】本発明の硬質皮膜を構成するＡ層の金属元
素の組成は、（Ｃｒ_ａＳｉ_１−_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。

【００１５】また、上記Ａ層に係る窒化物もしくは窒硼
化物の場合、Ｎ_ｘＢ_１−_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。

【００１６】アモルファスＣｒＳｉＢＮ相の微細結晶粒
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
いて優れた密着性、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。

【００１７】ここで用いられる（ＴｉＡｌ）Ｎ層は場合
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。

【００１８】本発明の硬質皮膜被覆工具は、その被覆方
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。

【００１９】

【実施例】以下本発明を実施例に基づいて説明する。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３μｍ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１．５μ、他層の総厚
１．５μとなるよう均等に被覆した。

【００２０】

【表１】

【００２１】得られた硬質皮膜被覆エンドミルおよび硬
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。切削諸元を次に示す。

【００２２】２枚刃超硬エンドミルの切削条件は、側面
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。

【００２３】インサート切削条件は、工具形状ＳＥＥ４
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。

【００２４】耐酸化性はそれぞれ５μの皮膜を被覆し９
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。それらの結果を表２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】比較例１６、１７はＳｉもしくは硼素の量
が多すぎる場合の比較例であり、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。

【００２７】これらに対し本発明例は、静的評価特性に
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。

【００２８】

【発明の効果】以上の如く、本発明の硬質皮膜被覆工具
は、従来の被覆工具に比べ優れた高密着性、低摩擦、高
耐酸化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。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明例の（Ｃｒ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ
_ｘＢ_１−ｘ）マトリックス内に介在する微細アモルファ
ス結晶（Ｃｒ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）のＴＥＭ
像を示す。

【図２】図２は、図１中のスポット１に対応する（Ｃｒ
_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）マトリックスの極微電
子線回折像を示す。

【図３】図３は、図１中のスポット２に対応する（Ｃｒ
_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）微細アモルファス結晶
（Ｔｉ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）の極微電子線回
折像を示す。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体表面に硬質皮膜、（Ｃｒ_ａＳｉ
   _１−_ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−_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層被覆され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ＣｒＳｉ（Ｎ_ｘＢ_１−_ｘ）
   相と、相対的にＳｉの少ないＣｒＳｉ（Ｎ_ｘＢ_１− _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。
2. 【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ＣｒＳｉ（Ｎ_ｘＢ_１−_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。
3. 【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ＣｒＳｉ（Ｎ_ｘＢ_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。
4. 【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。