JP4636557B2 - 刃部交換式被覆切削工具 - Google Patents

Description

本願発明は、工具本体の先端に切刃部材が着脱自在に装着された切削工具において、切刃部材に皮膜を被覆した刃部交換式被覆切削工具に関する。

工具本体の表面処理に関する技術が、特許文献１に開示されている。

特開２００３−２３１００６号公報

特許文献１は、切削工具用ホルダーの表面に苛性ソーダ溶液で黒染めによる着色を行い、防錆効果処理を施すことが開示されている。しかし、黒染めによる処理で形成した酸化皮膜は、剥離を生じ易く、切削工具に適用した場合には、皮膜の剥離によって外観を損ねるという不具合がある。更に、黒染めによる処理で形成した酸化皮膜は、鱗片状の四三酸化鉄により形成され、ピンホールを有することから、１時的な防錆効果を期待した処理であり、十分な防錆効果を得ることができない。
そこで本願発明が解決しようとする課題は、工具本体に切刃部材が着脱自在に装着された刃部交換式被覆切削工具において、切刃部材表面に被覆した皮膜の密着性の改善に加えて、防錆効果が格段に優れた皮膜を被覆した刃部交換式被覆切削工具を提供することである。

本願発明は、工具本体１の先端に切刃部材２が着脱自在に装着された切削工具において、該切刃部材２は一端側に刃部３を保持する基体部４を、他端側に該工具本体１と接続するための接続部５を有し、該切刃部材２は、高速度工具鋼、合金工具鋼、ダイス鋼等の高強度材料で、且つ、その表面には皮膜が被覆され、該皮膜は、アークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）、スパッタリング（以下、ＳＰと記す。）によって被覆された４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂのうち１種以上を含有した窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物から選択される１種以上の化合物、であり、且つ、Ｘ線回折ピークにおける面心立方構造の（２００）面の半価幅Ｗ値をＣｕｋα１で測定したとき、２θで、０．６度≦Ｗ≦１．２度に設け、該切刃部材２に残留圧縮応力を付与したことを特徴とする刃部交換式被覆切削工具である。この構成を採用することによって、切刃部材表面に被覆した皮膜の密着性の改善に加えて、防錆効果が格段に優れた皮膜を被覆した刃部交換式被覆切削工具を提供することができる。

本願発明により、工具本体に切刃部材が着脱自在に装着された刃部交換式被覆切削工具において、切刃部材表面に被覆した皮膜の密着性の改善に加えて、防錆効果が格段に優れた皮膜を被覆した刃部交換式被覆切削工具を提供することができた。

図１に本願発明の刃部交換式被覆切削工具の１例を示す。工具本体１に切刃部材２を着脱自在に装着するため、接続部５を介して工具本体１に固定する構造である。接続方法として例えば、接続部５に雄ネジを形成し、工具本体１の取付け穴６に付与した雌ネジ部７と螺合し、接続部５とともに取付け孔６にねじ込む構成にすることで、工作機械上での刃部交換が容易となり、作業能率に優れ好ましい。
切刃部材２の表面には皮膜が被覆される。皮膜は、４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂのうち１種以上を含有したＡＩＰ、ＳＰによって被覆された窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物から選択される１種以上の化合物である。被覆方法は、ＡＩＰ単独、ＳＰ単独又はＡＩＰとＳＰを組み合わせた方法の何れかを採用することができる。これらの手段を採用することによって、高いエネルギーを有した活性化イオンを切刃部材表面にあてて被覆することから、切刃部材表面の皮膜の密着性を改善することができる。また、複雑な立体形状をした基体部４においても、切刃部材自身を自公転させながら被覆することができるので、皮膜の付き回りも良好である。更に、接続部５には適切なマスク処理を施すことによって、被覆領域を容易に制御することができる。例えば皮膜の組成は、Ｔｉ含有の窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物、Ｃｒ含有の窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物であるとき、切刃部材と基体と皮膜との密着性は顕著な改善を図ることができる。皮膜にＯやＣを含有させることによって、皮膜表面に形成される酸化保護膜形成が、早い段階で形成され、優れた防錆効果、耐溶着性を有する。皮膜におけるＮの１部がＯやＣに置換されることにより、結晶格子内に歪が大きく発生し、より大きな圧縮残留応力が発生し、高硬度化が実現できる。

本願発明に用いる皮膜の構成元素が、イオン半径の異なる元素を複数個組み合わせて含有していることにより、結晶格子内に歪が大きく発生し、膜厚に比してより大きな圧縮残留応力が発生するため、好ましい。これによって、皮膜が高硬度化するからである。被覆は、Ｔｉをベースとし、他に、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ等の４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂのうちの１種以上を選択した場合、皮膜はより耐熱特性、耐欠損性を付与させることができ、この効果によって防錆効果の優れたものとなる。この他、ＴｉをＣｒに置換した場合、更に耐熱特性が優れた皮膜を実現できる。皮膜が４ａ、５ａ、６ａ族元素の１種以上を含有することによって、皮膜の高硬度化、耐熱安定性が得られる為、切削工具として使用時に、耐摩耗性や耐熱性が得られる。一方で、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮのみを含有していても、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂのうちの１種以上を含有していないと、次の様な不都合が生じる。更に、本願発明に用いる皮膜は、Ｓを含有していることが好ましい。これにより、切削工具に使用したとき、皮膜表面が高温になる前の比較的に早い段階で、皮膜表面に酸化保護膜が形成され、切削工具として使用した後の保管時でも、優れた防錆効果を得ることができる。更に、切削工具として使用している最中であっても優れた耐溶着性を実現できる。本願発明の刃部交換式被覆切削工具は、皮膜に含有されるＳの量が、原子％で、０．３％以上、１０．０％以下であることにより、より優れた防錆効果、耐溶着性を有し、好ましい。Ｓ量が０．３％未満ではＳの効果が弱くなり、１０．０％を超えて大きいと、皮膜の結晶性が悪くなり、防錆効果に影響する耐酸化性、耐摩耗性が低下する傾向が現れる。
ここで、Ｓを含有させるためには、反応ガスを使用する方法もあるが、安全、環境への配慮から、ターゲット中にＳを含有させ、これをアーク放電やグロー放電等により蒸発、イオン化させることにより、Ｓ含有皮膜を成膜することが好ましい。

皮膜の結晶構造を面心立方構造にすることによって、より高硬度で耐摩耗性と耐熱安定性が格段に優れた硬質皮膜が得られるため、好ましい。一方、面心立方構造でない場合、やや硬度が低くなり、耐摩耗性も低下する傾向になる。皮膜のＸ線回折ピークにおける（２００）面の半価幅Ｗ値をＣｕｋα１で測定したとき、２θで、０．６度≦Ｗ≦１．２度にすることにより、結晶性を有する皮膜が得られるため、好ましい。そして圧縮残留応力が大きく、耐摩耗性も優れた硬質皮膜が得られる。半価幅Ｗ値が０．６度未満では、皮膜内の歪が大きくなり過ぎ、転移等の内部欠陥が多くなり、機械的強度が著しく低下する欠点が現れる。また、１．２度を超えて大きいと皮膜の結晶性が低下し、膜硬度と耐摩耗性とが大幅に低下する欠点が現れる。更に密着性が悪化し、耐欠損性も著しく低下する欠点が現れる。
Ｘ線回折ピークにおける（２００）面の半価幅Ｗ値が、２θで、０．６度≦Ｗ≦１．２度、の皮膜は、成膜条件を制御することによって得られる。例えば、圧力を３〜１０Ｐａの範囲に設定し、成膜時に発生するプラズマ密度を高くするとともに、直流バイアス電圧を１５〜３００Ｖの範囲に設定することが好ましい。圧力を３．０Ｐａよりも低く設定すると半価幅Ｗ値は大きくなり１．２度を超え易くなる。しかし、１０Ｐａを超えると０．６度を下回る。バイアス電圧を１５Ｖ未満に設定すると半価幅Ｗ値は小さくなり、０．６度を下回る。しかし、３００Ｖを超えると１．２度より大きくなりやすい。但し、最適な成膜条件は、使用するターゲットや成膜装置に依存するため、膜の密着性等を考慮して、最適値を実験によりもとめ、調整することが必要である。

本願発明の刃部交換式被覆切削工具において、切刃部材の一端側にインサートを装着して刃部を設けるため、インサートを保持する基体部が設けられていることが好ましい。基体部にインサートを装着することによって刃部が形成される。基体部の形状とインサートの切刃形状とを適宜選択することにより、フライス工具、エンドミル、ドリル、旋削工具等の様々な刃部交換式切削工具へ応用が可能となり、好ましい。

本願発明は、切刃部材、工具本体について、夫々最適な材質を選択することが可能となる。例えば、切刃部材の少なくとも１部が、例えば高速度工具鋼、合金工具鋼、ダイス鋼等の鋼材の高強度材料であることが好ましい。また、工具本体が例えば超硬合金などの高硬度材料である場合、工具の剛性や耐摩耗性が改善されて好ましい。切刃部材を射出成型法によって形成することにより、切刃部材の小径化が可能である。また、本願発明の被覆処理は、インサートを固定する取付ネジの頭部、クランプ駒、クサビ等に適用することもできる。以下、本願発明の実施の形態を図面により説明する。

（実施例１）
図１に示す本願発明の工具は、刃径が２５ｍｍ、２枚のインサートを装着した刃部交換式被覆切削工具である。切刃部材はＨＲＣ４５のＳＫＤ６１材で作製し、切刃部材と工具本体とを、螺合といんろう部の嵌合とにより一体化して本発明例の切削工具を製作した。切刃部材の表面に、ＡＩＰ法、ＳＰ法を用いて皮膜を被覆した。皮膜材料は、窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物から選択される１種以上の化合物を被覆した。反応ガスは、窒素、メタン、アセチレン、アルゴンと酸素の混合ガス、窒素と酸素の混合ガスから、目的の皮膜が得られるものを選択し用いた。蒸発源は、各種合金製ターゲットを選択して用いた。本発明例１の切刃部材の被覆には、Ｔｉターゲットを使用した。被覆処理温度は５００℃、反応圧力を６．０Ｐａとし、直流バイアス電圧を５０ＶでＴｉＮを成膜した。本発明例２〜１４、比較例１５、１６、本発明例１７〜２５、比較例２６及び本発明例２７〜３０は、特に断りの限り、本発明例１の成膜条件に準拠し、全て平均膜厚を２μｍ程度に設定した。一方、従来例３１は、本発明例と同一形状の切刃部材に通常の条件によって黒染め処理を施した。四三酸化鉄の黒色皮膜の膜厚は、２μｍを生成させた。作製した試料を表１に示す。

ＡＩＰ法を用いてバイアス電圧条件を５０Ｖに設定し、Ｔｉ系、Ｃｒ系組成の夫々の皮膜組成を有する本発明例１から９を作成した。また、皮膜組成にＳ成分を有する本発明例１０から３０を作製した。その中でも、バイアス電圧のみを２０Ｖ〜３５０Ｖの範囲に変化させ、皮膜の半価幅Ｗ値が異なる本発明例１０〜１４、比較例１５、１６、を作製した。ターゲット材にＴｉＢＳ、ＴｉＳｉＳを使用し、皮膜中にＢ、Ｓｉを添加した本発明例１７、１８を作製した。ターゲット中にＣｒ、Ｎｂを添加するため、ＡＩＰ法とＳＰ法とを併用して皮膜に大きな圧縮残留応力を付与し、高硬度化した本発明例１９、２０を作製した。ターゲット中に含有するＳ量を変えて皮膜のＳ含有量を変化させた本発明例２１〜２５、比較例２６を作製した。成膜時に酸素や炭化水素系のメタンやアセチレン等のガスを導入し皮膜に酸素や炭素を含有させた本発明例２７〜２９を作製した。本発明例１０に用いたターゲット組成のＴｉをＣｒに置換して本発明例３０を作製した。
本発明例のＳ含有量をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（堀場製作所製Ｓ−７９２Ｘ１、以下、ＥＤＸと記す。）で測定し、皮膜のＸ線回折パターンをＸ線回折装置（理学電気（株）製ＲＵ−２００ＢＨ）を用いて２θ−θ走査法により２θ＝１０〜１４５度の範囲で、Ｘ線回折パターンを測定した。Ｘ線源にはＣｕＫα１線（λ＝０．１５４０５ｎｍ）を用い、バックグランドノイズは装置に内蔵されたソフトにより除去した。測定の結果、本発明例１〜３０は、検出された２θのピーク位置が、結晶構造が面心立方構造であるＴｉＮのＸ線回折パターン（ＪＣＰＤＳファイル番号３８−１４２０）に略一致したので、その（２００）面ピークの半価幅Ｗ値を測定した。これらの評価結果を表１に示す。
また、被覆した切刃部材について、腐食を促進する環境に曝し、環境試験機を用いて乾燥と湿潤の繰り返し試験により評価を行った。この試験条件は、温度４０度、湿度９８％の雰囲気で３日間放置、その後温度２３度、湿度６０％の雰囲気で４日間の計７日間を１サイクルとした。これを４サイクル連続して行い、評価を１サイクル毎に行った。その評価結果を表１に示す。
今回の試験結果より、本願発明の被覆処理を施した切刃部材には、赤錆の発生は全く見られず、高い防錆効果を有することが確認できた。特に、（２００）面の半価幅Ｗ値が２θで、０．６度≦Ｗ≦１．２度、の範囲内にる本発明例１〜１４、１７〜２５、２７〜３０は、３サイクル終了時点で錆の発生が見られず、高い防錆効果を示した。これは、結晶性の良い緻密な皮膜が形成出来たためである。一方、従来の黒染め処理品では、満足のいく防錆効果が得られなかった。

切削試験によって、皮膜の密着性、切削加工時の擦過による剥離、摩耗による損傷状態と溶着物の付着状態などを目視によって評価した。工具の切削試験条件は、２種類に分けて実施した。試験条件１では、フライス加工による皮膜の密着性評価を行った。試験条件２では、ヘリカル加工による皮膜の摩耗による損傷状態と溶着物の付着状態の評価を行った。切り屑の溶着や擦過による損傷が発生し易いヘリカル切削による穴明け加工条件は、加工が進むに従って加工深さが大きくなり、切り屑の排出性が困難になる。従って、工具本体への切り屑の溶着や損傷が顕著となる。加工形状は、穴径が４０ｍｍ、加工深さ３０ｍｍになる様に設定した。評価は、以下の条件で切削を行った。
（試験条件１）
切削方法：フライス加工
被削材：Ｓ５０Ｃ材
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ（回転数：１５３０回転／分）
テーブル送り量：１５３０ｍｍ／分（１刃の送り量：０．５ｍｍ／刃）
テーブル送り量：１５３０ｍｍ／分（１刃の送り量：０．５ｍｍ／刃）
軸方向切込み深さ（Ａｄ）：０．５ｍｍ
径方向切込み深さ（Ｒｄ）：８．０ｍｍ
（試験条件２）
切削方法：ヘリカル切削による穴明け加工
被削材：Ｓ５０Ｃ、硬さ、ＨＢ２２０
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ（回転数：１５３０回転／分）
テーブル送り量：１５３０ｍｍ／分（１刃の送り量：０．５ｍｍ／刃）
ヘリカルピッチ：１．０ｍｍ
切削油：なし（乾式切削）

試験条件１において、２０時間の連続切削加工テストを行った後に、切刃部材表面の皮膜状況を観察した。本発明例、比較例については、何れも皮膜の被覆された状態が維持され、皮膜の優れた密着性を確認することができた。一方、従来例３１は、切屑との擦過によって酸化黒色皮膜の１部が剥離し、切刃部材の肌面の露出が観察された。特に、インサートを取り付けている基体部周辺の外周面、切刃に続く底面及びチップポケット部に激しい擦過状態が観察された。
試験条件２において、穴明け加工を５回繰り返した時点での切刃部材表面を観察したところ、本発明例、比較例には、顕著な形態変化は観察されず、良好な結果であった。しかし、従来例３１は、酸化黒色皮膜の擦過や切屑の凝着が観察された。特に、インサートを取り付けている基体部周辺の外周面、底面及びチップポケット部に激しい擦過が見られた。その後、本発明例を継続して使用し、穴明け加工を２０回繰り返した時点で再度切刃部材表面を観察したところ、Ｓ成分を含有した皮膜の方が、Ｓ成分を含有しない皮膜よりも切屑の凝着量が少なかった。これは、Ｓを含有しているため、切削の初期段階で皮膜表面に酸化保護膜が形成され、優れた耐溶着性が得られたからである。更に、皮膜中にＣｒ、Ｎｂを含有させた本発明例１９、２０は、皮膜の摩耗状態が少なかった。これは大きな残留圧縮応力が付与され、皮膜が高硬度化したからである。本発明例２７、２８、２９は皮膜中に炭素や酸素を含有しているため、溶着物が少なかった。皮膜中にＯやＣが含有されることによって、皮膜表面の潤滑特性が優れるためである。

図１は、本発明例１の刃部交換式被覆切削工具を示す。

１：工具本体
２：切刃部材
３：刃部
４：基体部
５：接続部（雄ネジ部）
６：取付け穴
７：雌ネジ部

Claims (1)

1. 工具本体１の先端に切刃部材２が着脱自在に装着された切削工具において、該切刃部材２は一端側に刃部３を保持する基体部４を、他端側に該工具本体１と接続するための接続部５を有し、該切刃部材２は、高速度工具鋼、合金工具鋼、ダイス鋼等の高強度材料で、且つ、その表面には皮膜が被覆され、該皮膜は、アークイオンプレーティング、スパッタリングによって被覆された４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂのうち１種以上を含有した窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物から選択される１種以上の化合物、であり、且つ、Ｘ線回折ピークにおける面心立方構造の（２００）面の半価幅Ｗ値をＣｕｋα１で測定したとき、２θで、０．６度≦Ｗ≦１．２度に設け、該切刃部材２に残留圧縮応力を付与したことを特徴とする刃部交換式被覆切削工具。

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