JP4169544B2 - 潤滑性に優れた硬質皮膜被覆工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属材料等の乾式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】
近年、機械加工の分野においては、全世界的な環境対策の要求によって、切削油剤を用いるいわゆる湿式切削加工から、切削油剤を用いない乾式切削加工に移行している。この理由は、従来の湿式加工が切削油剤の悪臭や飛散による汚染、油煙の発生などによる作業環境の悪化や廃油の処理問題、大気の汚染によって環境保全を阻害する要因と見なされているからである。このような状況下にあって、最近の乾式切削加工における高能率、高精度化においては、切削工具表面に被覆する耐摩耗皮膜と被加工物との凝着及び溶着現象が切削性能に大きな影響を及ぼしていると言える。例えば、硬質皮膜の耐摩耗性を追求したＴｉＡｌＮ皮膜に代表される高硬度皮膜が実用化されているが、皮膜を高硬度化することにより潤滑特性が犠牲となってしまい、その結果、被加工物との凝着及び溶着現象等に起因した摩擦抵抗が増加している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高硬度皮膜と複層化を適用することにより、耐摩耗性と潤滑特性の両特性を併せ持った被覆工具作製を達成するためには、異材種を複層化するために、被覆装置上の制約がある。また、皮膜を低硬度化したことにより潤滑特性を有するものであるが、その作用はあくまでも自己潤滑作用によるものであり、低硬度を有する潤滑層が摩耗した後は、その効果は期待できない。乾式切削加工のような切削環境下においては満足される切削寿命は得られてはいない。更に、硬質皮膜表面に被加工物が凝着することにより発生する切削加工面のむしれが加工面品位及び加工精度を劣化させる等の課題がある。
又、皮膜表面を研磨処理した場合には、皮膜表面が活性化された状態で大気と接触した状態で放置することになり、潤滑性などの性能を長期間維持できないといった課題がある。
【０００４】
本発明は上記の様な乾式切削加工での切削環境下において生じる耐摩耗性や潤滑特性の問題に対し、硬質皮膜に潤滑性を付与する手段として、被覆装置上の制約もなく、また硬質皮膜の硬度を低下させることなく、優れた潤滑特性を容易に付与することを可能にするものであり、切削工具の長寿命化及び被削材との凝着及び溶着現象等を抑制可能である潤滑性に優れた硬質皮膜被覆工具を提供することを目的とする。又、皮膜表面の更なる潤滑性付与のために行う皮膜表面の研磨処理後においても、皮膜表面が大気と接触することから保護することによって、性能を長期間維持することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＳｉ）（ＮＯ）、（ＣｒＳｉ）（ＮＢＯ）、Ｃｒ（ＢＮ）、Ｔｉ（ＮＢ）、（ＴｉＳｉＡｌ）Ｎ、Ｔｉ（ＣＮ）、（ＣｒＳｉ）Ｎ、Ｃｒ（ＣＮ）の硬質皮膜を最表面に被覆し、該硬質皮膜表面の凸部を機械的方法により除去し、その皮膜表面に、硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤を塗布したことを特徴とする潤滑性に優れた硬質皮膜被覆工具からなることを要旨とするものである。詳細には、潤滑防錆油剤は、鉱油及び合成油の少なくとも１種を基油とし、硫黄系極圧添加剤として硫化油脂、硫化エステル、硫化オレフィン、ポリサルファイド、ジベンジルジサルファイド、ドデシルジサルファイド、ジフェニルジサルファイド、飽和脂肪酸硫化物、ジアルキルジチオカルバミン酸エステル−金属化合物から選択される少なくとも１種以上を質量比で３〜５０％含有し、防錆添加剤として中性スルフォネート、カルボン酸、カルボン酸エステルから選択される少なくとも１種以上を質量比で０．５〜１７％含有する潤滑防錆油剤であることが好ましい。
【０００６】
また、本願発明は、該硬質皮膜被覆表面の凸部を除去することによって更なる潤滑特性を付与することができ、この性能を長期間維持する為に硬質皮膜表面に硫黄系極圧添加剤を含有した該潤滑防錆油剤が塗布して皮膜表面が大気と接触することから保護することが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明者は工具切刃に付着する凝着もしくは溶着現象は、硬質皮膜そのものの摩擦抵抗、被加工物との親和性もしくは被加工物が皮膜へ付着した際の付着物の解離性等が複雑に関与しており、これらが切削工具の寿命もしくは被加工物の加工精度を支配していると考えた。従って、これらの改善が凝着もしくは溶着等の発生する切削環境下においてきわめて重要となる。硬質皮膜表面に硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤が塗布されていることにより、硬質皮膜の摩擦抵抗の低減、被加工物との親和性もしくは被加工物との解離性等高めることに極めて有効に作用することを突き止め、本発明を完成させた。
【０００８】
即ち、工具切刃に付着する凝着もしくは溶着現象を抑制させるためには、硬質皮膜の摩擦抵抗の低減、被加工物との親和性もしくは被加工物が皮膜へ付着した際、付着物の解離性等の改善が有効である。そこで硬質皮膜表面に硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤が塗布されていることが有効である。これは、切削加工中に切刃すくい面もしくは逃げ面において、硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤中の硫黄成分と被加工物中の鉄、更に大気中の酸素が反応し、硬質皮膜最表面に酸硫化鉄層を形成し、この酸硫化鉄層が切屑生成プロセスにおける、摩耗、溶着及び凝着抑制に有効に作用し、その結果として切刃近傍における、摩擦抵抗を低減し、工具のアブレッシブ摩耗や切削加工面の品位を著しく改善することによるものである。更に、一度硬質皮膜最表面に形成した酸硫化鉄層は該硬質皮膜表面に強固に固着し、脱落し難いため、効果の持続性があり、これらの作用により切削工具の寿命を格段に向上させるとともに、工具切刃への被加工物の凝着が減少し、被加工物の加工品位及び加工精度を大幅に改善するに至った。
【０００９】
皮膜被覆過程において基体表面には微細な凹凸を形成するため、硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤の付着面積が増加し、硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤が硬質皮膜表面に付着し易く好ましい。
【００１０】
また、硬質皮膜を被覆し、硬質皮膜表面の凸部を除去し、硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤を塗布することが更に好ましい。このことは硬質皮膜表面には微細な凹部が形成され、この凹部に硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤が安定して付着し易く好ましい。硬質皮膜表面の凸部を除去するための機械的な手段としては、例えば、ＳｉＣ粉末を付着させたプラスチックブラシで硬質皮膜表面を全体的にブラッシング処理する方法、硬質粒子と軟質粒子を混合した投射材を吹き付け処理する方法、磁性粒子を用いた磁気研磨による方法、またはダイヤモンド砥粒等を用いたブラスト処理による方法がある。これらの処理法によって除去したその除去部は微細な凹部となり、硫黄を含有した油剤が凹部に保持され易いため、前述の効果が得られやすい。更に、ブラストや研摩処理によって活性化した皮膜表面が空気中の成分と反応し、工具保管期間中に意図としない反応層等の形成、例えば、酸化層の形成がなされ潤滑効果の劣化を引き起こすことから回避することができる。また、上記加工により、切刃エッジ部へ初期摩耗を与え、なじみ効果も確認され、チッピング等の異常摩耗も抑制し、相乗効果を発揮するものである。硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤の切削工具への塗布方法は、刷毛、吹き付け、噴霧などが可能である。以下、実施例について説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、適宜変更することは本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００１１】
【実施例】
本発明に係る該硬質皮膜を形成する方法としては、イオンプレーティング法やスパッタリング法等に代表される物理蒸着法が挙げられるが、例えばアーク放電式イオンプレーティング法による成膜においては以下による方法を用いれば良い。まず真空容器内を３×１０−^５Ｐａまで真空排気を行った後にアルゴンイオンによる基体の清浄化及び活性化を行う。その後、目的とした皮膜組成に応じて組成を調整したターゲットを用い、アーク放電により蒸発源であるカソードに設置したターゲットから組成元素をイオン化させ、窒素雰囲気中でイオンプレーティングすることによって得られる。以下、その詳細について述べる。
【００１２】
アーク放電式イオンプレーティング装置を用い、蒸発源に目的とする組成となるよう調整した金属ターゲットを設置し、下記の条件で成膜した。成膜した各皮膜組成を表１に示す。被覆条件は、基体温度５００℃、ならびに反応ガスである窒素を圧力３．５Ｐａ、バイアス電圧を−５０Ｖの条件で行った。また、被覆基体にはＲ５ｍｍの超硬合金製２枚刃ボールエンドミル及びφ８ｍｍの超硬合金製ドリルを用い、全皮膜の厚みが３乃至４μｍとなるように成膜した。
【００１３】
得られた該硬質皮膜表面に、更に、本発明例１は、潤滑防錆油剤を塗布する前にＳｉＣ粉末を付着させたプラスチックブラシで硬質皮膜表面を全体的にブラッシングし、被覆の際に付着した溶融金属である凸部を除去し、硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤を塗布し、比較例７は、潤滑防錆油剤を塗布しないものを、各々作成し切削加工用試料に供した。これらの処理条件を表１、表２に示す。
【００１４】
【表１】

【００１５】
【表２】

【００１６】
更に、本発明例３、４及び比較例９、１０、１１、１２として、凸部を除去し、硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤を塗布したものと、硫黄系極圧添加剤を含有しない潤滑防錆油剤を塗布したものと、潤滑防錆油剤を塗布しないものとを３０日間大気中に放置した後、これを切削加工用試料とした。図１に被覆後にＳｉＣ粉末を付着させたプラスチックブラシで硬質皮膜表面を全体的にブラッシングした後の、硬質皮膜表面の電子顕微鏡写真を示す。被覆後のブラッシング処理により、凸部である被覆中に発生した溶融金属が除去され、微細な凹部が形成されている。各種処理を施した被覆超硬ソリッドボールエンドミルの切削諸元を次に示す。２枚刃超硬ボールエンドミルを用い、直線ダウンカット、被削材Ｓ５５Ｃ（ＨＢ２２０）、軸方向切り込み２．０ｍｍ、径方向切り込み０．５ｍｍ、回転数１５０００ｍｉｎ^−１、送り５０００ｍｍ／ｍｉｎ、乾式で最大逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍに達するまでの切削長を表１に示す。被覆超硬ソリッドドリルの切削諸元を次に示す。２枚刃鋼用超硬ドリルを用い、被削材Ｓ５５Ｃ（ＨＢ２２０）、切削速度：１１０ｍ／ｍｉｎ、送り０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、３０ｍｍの貫通穴を乾式で加工を行ない、切削不能に至るまでの加工穴数を表１に併記する。比較例並びに従来例に関しても、同一の切削諸元にてそれぞれ切削加工に供した。比較例並びに従来例の詳細並びに切削試験結果を表２に示す。
【００１７】
表１より明らかに、本発明例１〜４は、従来例１３、１４に比較してエンドミル、ドリル共に優れた切削寿命を示している。本発明例１に示す切削後のボールエンドミル先端部チゼルエッジの皮膜摩耗部を深さ方向に元素分析した結果を図２に示すが、最表面層は酸硫化鉄を形成していることが確認され、この酸硫化鉄層が摩耗抑制に効果的に作用するものである。また、切削加工面も従来例１３に比較して、むしれ等も減少しており、光沢のある切削加工面が得られた。更に、硬質膜被覆後に凸部を除去した後、硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤を塗布することにより、更に優れた切削寿命が得られることが明確である。更に、３０日間大気中に放置した後、これを用いて切削加工を行った場合には、比較例１１、１２に対して、本発明例３、４の工具寿命は５倍程度長寿命、比較例９、１０の工具寿命はおよそ２倍程度長寿命となっており、これより潤滑防錆油剤の塗布が性能維持に有効で、更に硫黄系極圧添加剤の潤滑防錆油剤が好ましいことが確認された。
【００１８】
【発明の効果】
以上の如く、本発明の硬質皮膜被覆切削工具は、従来までの被覆切削工具に比べ優れた潤滑性を有し、被加工物との凝着及び溶着が著しい切削環境においても格段に長い工具寿命を得ることができた。これら改善した硬質皮膜被覆切削工具が切削加工における生産性の向上ならびに加工面のむしれを低減させることによる高品質加工が可能となりコスト低減に極めて有効である。更に、硬質皮膜の表面処理後の性能劣化を回避するためにも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、被覆後にＳｉＣ粉末を付着させたプラスチックブラシで硬質皮膜表面を全体的にブラッシングした後の表面の電子顕微鏡写真を示す。
【図２】図２は、切削加工後の硬質皮膜摩耗表面の深さ方向元素分析結果を示す。

Claims (2)

1. （ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＳｉ）（ＮＯ）、（ＣｒＳｉ）（ＮＢＯ）、Ｃｒ（ＢＮ）、Ｔｉ（ＮＢ）、（ＴｉＳｉＡｌ）Ｎ、Ｔｉ（ＣＮ）、（ＣｒＳｉ）Ｎ、Ｃｒ（ＣＮ）の硬質皮膜を最表面に被覆し、該硬質皮膜表面の凸部を機械的方法により除去し、その皮膜表面に、硫黄系極圧添加剤を含有した潤滑防錆油剤を塗布したことを特徴とする潤滑性に優れた硬質皮膜被覆工具。
2. 請求項１記載の硬質皮膜被覆工具において、該潤滑防錆油剤は、鉱油及び合成油の少なくとも１種を基油とし、硫黄系極圧添加剤として硫化油脂、硫化エステル、硫化オレフィン、ポリサルファイド、ジベンジルジサルファイド、ドデシルジサルファイド、ジフェニルジサルファイド、飽和脂肪酸硫化物、ジアルキルジチオカルバミン酸エステル−金属化合物から選択される少なくとも１種以上を質量比で３〜５０％含有し、防錆添加剤として中性スルフォネート、カルボン酸、カルボン酸エステルから選択される少なくとも１種以上を質量比で０．５〜１７％含有する潤滑防錆油剤を塗布したことを特徴とする、潤滑性に優れた硬質皮膜被覆工具。

Images