JP3666640B2 - コーティング工具用固体潤滑膜の製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はドリル、エンドミル又はタップを含む工具に使用される工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−メット又はセラミックを母材とする工具上に TiN,TiCN,TiAlN,Al₂O₃ のうちの１もしくはこれらの組合せを含む硬質物質をコーティングしたコーティング工具上に、工具の潤滑特性を改善することを目的とした、潤滑膜を形成する、コーティング工具用固体潤滑膜の製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、イオンプレーティングを含む物理蒸着法はコーティング工具の製造法として一般化しており、その主たる目的は TiN,TiCN,TiAlN,Al₂O₃,CrN を含む硬質物質をコーティングした硬質被覆膜を成膜することであった。一方工具の潤滑特性を改善することでは、例えば9-192908号公報に記載するような２硫化モリブデン及びフッ素樹脂を主成分とする固体潤滑剤やグラファイトが知られており、これらは粉体塗布又はやきつき法によって回転部品や塑性加工で用いられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年コーティング工具の広がりは、機械加工分野の加工能率の向上や加工コストの低減という効果をもたらしてきた。これはコーティングされる物質が硬質であり耐摩耗性を向上させた結果の他、これらの物質が摩擦抵抗を低減させる作用があり、この特性が強く作用していることは否めないことである。一方グラファイトや２硫化モリブデン及びフッ素樹脂を主成分とする固体潤滑剤は、工具に塗布して使用しても、短時間で除去され、長時間の切削に耐える使用法としては、その都度塗布を行う作業が必要であった。
本発明の課題は、ドリル、エンドミル又はタップを含む工具に使用される工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−メット又はセラミックを母材とする工具上に TiN,TiCN,TiAlN,Al₂O₃ のうちの１もしくはこれらの組合せを含む硬質物質をコーティングしたコーティング工具上に、工具の潤滑特性を改善することを目的とした、潤滑膜を形成するコーティング工具用固体潤滑膜の製造法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、ドリル、エンドミル又はタップを含む工具に使用される工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−メット又はセラミックを母材とする工具上に TiN,TiCN,TiAlN,Al₂O₃ のうちの１もしくはこれらの組合せを含む硬質物質をコーティングしたコーティング工具上に、
(a).Si,Zr,Ni,Fe,Co及びCrのうちの一種または二種以上の金属 Mに対して主として酸素が主成分となる酸化物( MO_x : 0.2 ≦ x＜ 2 )として、
(b).成膜する厚さ t は、 0.01≦ t ＜ 2.0 (μｍ）であり、
(c). これらの酸化物の膜は、 150 ° C 以上 450 ° C 未満に加熱され、イオンプレーティングを含む物理蒸着法により形成され、成膜バイアスは -15 V 〜 -1000 V の直流印加方式、もしくは -15 V 〜 -1000 V 相当の実効バイアスが得られる高周波交流電流印加方式によって成膜することを特徴とするコーティング工具用固体潤滑膜の製造法を提供することによって上述した従来技術の課題を解決した。
【０００５】
かかる構成のコーティング工具用固体潤滑膜の製造法により、金属酸化物を成膜することにより、従来の工具鋼、高速度工具鋼等を使用した工具又はコーティング工具の寿命をさらに伸ばすことが可能になった。かかる金属酸化物の成膜作用は、グラファイトや２硫化モリブデン及びフッ素樹脂を主成分とする固体潤滑剤を塗布した場合に比較すれば、摩擦係数は小さく、工具の潤滑特性を改善する効果は大きいと考えられえる。一方摩擦係数が小さ過ぎると切削工具の場合には刃先先端の損傷を誘発させるので摩擦係数が小さいほど最良とはいえない。
また、一般にはコーティング工具の場合には無処理の切削工具と比較すると、摩擦係数を低減する効果はあるが、刃先先端の溶着性を改善するためには酸化物を形成することが妥当である。しかしながら酸化物の多くは絶縁体を形成するので一般には化学蒸着法を用いているが、工具の潤滑特性を改善する場合には厚めに形成されるので、切削工具の刃先としては不向きである。また、従来の化学蒸着法を用いた場合、高温処理のためコーティング工具の再処理が難しく、密着性も強固となり初期の硬質膜ごと除去されたり、潤滑膜が全体として除去されてしまうので、潤滑を目的とした膜の場合はその調整が重要となる。
【０００６】
本発明は、請求項１において、物理蒸着法特にイオンプレーティングを用いて工具の潤滑特性を改善する目的の酸化物を成膜する製造法を限定した。ここで各種の数値限定理由を説明する。イオンプレーティングを含む物理蒸着法の処理温度は、 150 ° C 未満となると表面の膜とコーティング工具との密着性が下がり、また、 450 ° C 以上の場合には膜が脆くなるので、前記処理温度は、 150 ° C 以上 450 ° C 未満に限定した。成膜バイアス電圧は、 -15 V 未満の場合、酸素との反応が不十分で成膜できなくなるり、 -1000 V 以上の場合には、ボンバード効果により酸素との反応が過剰にまるかもしくは成膜できなくなるので、成膜バイアス電圧をそれぞれ -15 V 〜 -1000 V の直流印加方式、もしくは -15 V 〜 -1000 V 相当の実効バイアスに限定した。そして、物理蒸着法で成膜する厚さ t は、0.01μｍ以下では効果がないし、 2.0μｍ以上では剥離のおそれがあるので、厚さ t を0.01≦ t ＜ 2.0 (μｍ）と限定した。
いずれの膜もコーティング工具との密着が比較的に強固である必要があるが、これらの製造法による膜は図１(b) で示すように、図１(a) で示す従来の通常の被覆膜に比べて高い密着性が得られる。図１は酸化物の膜を、Ａスケ−ルロックウエル硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕を 100倍の倍率で観察した結果を示す。請求項２において、共通となる密着性の基準を限定した。これらの膜の応用は下地となるコーティング工具のコーティング膜の硬度より同等乃至低いものを用いると効果的である。図２は本発明の潤滑膜の作用を図解する潤滑膜表面断面の拡大説明図であり、図示のように、かかる潤滑膜の作用はコーティング工具のコーティング膜の欠陥や面粗度の影響により高い密着性によって、残留する酸化物による作用であることを示す。
【０００７】
【実施例】
〔実施例１〕各２本の、SKH51 高速度鋼製無処理φ６ドリル、SKH51 φ６ドリルに TiAlNコーティングを被覆したコーティングドリル(DIN338)に、それぞれイオンプレ−ティングにより NiO _X、 ZrO _Xを被覆し、以下の切削条件で切削試験を行った。
切削条件 DRY
切削速度 : 20.7 m/min
送り : 0.12 mm/rev
被削材
材種 : SNC 836 280HB
厚さ : 20mm through
イオンプレ−ティング装置を、2 ×10^-5 Torr 以上に排気した上、加熱を 300°C まで行い、ボンバード処理を10分間（バイアスは-200 V）行った後、蒸発源にはNiを配置して溶解した上、4 ×10^-4 Torr の酸素導入処理を実施して NiO _Xを成膜するコーティング処理を20分行った。この後、同様の条件で蒸発源にはZrを配置して溶解し ZrO _Xをを成膜した。これら各２本の、SKH51 無処理φ６ドリル、SKH51 φ６ドリルに TiAlNコーティングを被覆したコーティングドリル、これらドリルにそれぞれ NiO _X、 ZrO _Xをイオンプレ−ティングによりを被覆したドリル、の切削試験を行い評価を実施した結果を図３に示す。図３でみてわかるように、 NiO _X , ZrO _Xを被覆したドリルは被覆しないドリルに比べて約25％工具の性能の向上が見られた。
【０００８】
〔実施例２〕各２本の、超硬合金製無処理φ６ドリル、超硬合金φ６ドリルに TiAlNコーティングを被覆したコーティングドリルに、それぞれイオンプレ−ティングにより FeO _X, NiO _X を被覆し、以下の切削条件で切削試験を行った。
切削条件 DRY P30
切削速度 : 30.0 m/min
送り : 0.12 mm/rev
被削材
材種 : S 50 C 180HB
厚さ : 18mm through
イオンプレ−ティング装置を、2 ×10^-5 Torr 以上に排気した上、加熱を 300°C まで行い、ボンバード処理を10分間（バイアスは-750 V）行った後、蒸発源にはFeを配置して溶解した上、5 ×10^-4 Torr の酸素導入処理を実施して FeO _Xを成膜するコーティング処理を15分行った。この後、各２本の、超硬合金製無処理φ６ドリル、超硬合金φ６ドリルに TiAlNコーティングを被覆したコーティングドリルに、それぞれ同様の条件で蒸発源にはNiを配置して溶解しイオンプレ−ティングにより NiO _Xをを成膜した。これら各２本の無処理φ６ドリル、コーティングを被覆したコーティングドリル、これらドリルにそれぞれ FeO _X , NiO _Xをイオンプレ−ティングによりを被覆したドリル、の切削試験を行い評価を実施した結果を図４に示す。図４でみてわかるように、 FeO _X ,NiO _X を被覆したドリルは被覆しないドリルに比べて約20％工具の性能の向上が見られた。
【０００９】
〔実施例３〕表１はそれぞれφ６高速度鋼製ドリルに表１にそれぞれ示す成分の下地コーティングを、2.7 μｍ〜3.2 μｍ被覆して、その上に表１にそれぞれ示す成分及び膜厚の上層コーティング膜を被覆した各資料ドリルについて、Ａスケ−ルロックウエル硬度計を用いて酸化物膜を押圧した場合に生ずる圧痕を 100倍の倍率で観察した、ロックウエル圧痕による酸化物膜の判定結果を表１にそれぞれ圧痕判定として示す。
そして各資料ドリルについて、以下の切削条件で切削試験を行った結果を、表１にそれぞれ効果として示す。
切削条件 DRY P30
切削速度 : 25.5 m/min
送り : 0.12 mm/rev
被削材
材種 : S 50 C 180HB
厚さ : 18mm through
表１で、効果○は、上層コーティング膜を被覆しない資料ドリルに対し、10％以上の貫通穴数を得る効果が得られたものを示し、×は10％未満の貫通穴数しか得られないものを示す。
図５は判定ＡとＢの判定基準を示す。
【００１０】
【表１】

【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−メット又はセラミックを母材とする工具上に硬質物質をコーティングしたコーティング工具上に、潤滑膜を成膜するとき、酸化物を用いたこと、酸化物が化学量論理的なものではなくむしろ不十分な未反応部分を有することによって潤滑作用をもたらすものであること、また、低温による処理であることに特徴があり、この作用により潤滑膜の成膜のない高速度工具鋼等を母材とする工具、コーティング工具に比べて、性能を約12％〜 25 ％改善する効果を奏する。従って、工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−メット又はセラミックを母材上で、本発明による直接潤滑膜を形成しても効果を奏する場合があることが示唆される。また、本発明では物理蒸着法により工業的手法を用いる点で広い分野で使用でき、工具性能を改善する効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】(a) 従来の通常の被覆膜と、(b) 本発明品の酸化物の膜を、それぞれＡスケ−ルロックウエル硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕の状態を 100倍の倍率で観察した結果を示す説明図。
【図２】本発明の潤滑膜の作用を図解する潤滑膜表面断面の拡大説明図。
【図３】実施例１の、各２本の、SKH51 無処理φ６ドリル、SKH51 φ６ドリルに TiAlNコーティングを被覆したコーティングドリル、これらドリルにそれぞれ NiO _X , ZrO _Xをイオンプレ−ティングによりを被覆したドリル、の切削試験を実施した結果を示すグラフ。
【図４】実施例２の、各２本の、超硬合金製無処理φ６ドリル、超硬合金φ６ドリルに TiAlNコーティングを被覆したコーティングドリルに、それぞれイオンプレ−ティングにより FeO _X , NiO _Xを被覆し、切削試験を行った結果を示すグラフ。
【図５】ロックウエル圧痕による酸化物膜の判定結果である、判定ＡとＢの判定基準を示す説明図。

Claims (2)

1. ドリル、エンドミル及びタップを含む工具に使用される工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金、サ−メット又はセラミックを母材とした工具上に TiN,TiCN,TiAlN,Al₂O₃ のうちの１もしくはこれらの組合せを含む硬質物質をコーティングしたコーティング工具上に、以下の条件を満たす潤滑膜を形成することを特徴とするコーティング工具用固体潤滑膜の製造法、
   (a).Si,Zr,Ni,Fe,Co及びCrのうちの一種または二種以上の金属 Mに対して主として酸素が主成分となる酸化物( MO_x : 0.2 ≦ x＜2 )としてコーティング工具上に成膜し、
   (b).成膜する厚さ t は、 0.01≦ t ＜ 2.0 (μｍ）であり、そして、
   (c). これらの酸化物の膜は、 150 ° C 以上 450 ° C 未満に加熱され、物理蒸着法特にイオンプレーティングにより形成され、成膜バイアスは -15 V 〜 -1000 V の直流印加方式、もしくは -15 V 〜 -1000 V 相当の実効バイアスが得られる高周波交流電流印加方式、によって成膜する。
2. 前記酸化物の膜は、Ａスケ−ルロックウエル硬度計を用いて押圧した場合に生ずる圧痕を 100倍の倍率で観察した結果が、前記圧痕の外周１ｍｍ以上の範囲で膜と工具母材との間で剥離が認められない、ことを特徴とする請求項１記載のコーティング工具用固体潤滑膜の製造法。

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