JP2000334607A

JP2000334607A - 硬質皮膜被覆工具

Info

Publication number: JP2000334607A
Application number: JP2000076873A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Inoue; 謙一井上
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2000-12-05
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: JP3248898B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、従来のＴｉＡｌＮ皮膜に対し、更
に耐酸化性、耐摩耗性を改善し、切削加工の乾式化、高
速化に対応する硬質皮膜被覆工具を提供することが目的
とする。【構成】硬質皮膜をａ層（ＴｉＳｉ系化合物等からな
る層）、ｂ層（ＴｉＡｌ系化合物等からなる層）の皮膜
を、それぞれ一層以上交互に被覆し、ｂ層の皮膜を母材
表面直上にし、かつ、ａ層の格子定数を０．４１７ｎｍ
以上０．４２３ｎｍ以下とするように成膜することによ
り構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、金属材料等の切削
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】従来はＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を被覆した切
削工具が汎用的かつ一般的であった。ＴｉＮは比較的耐
酸化性に優れるため、切削時の発熱によって生じる工具
のすくい面摩耗に対して、優れた耐摩耗性を示すだけで
なく、母材との密着性も良好であることが特長である。
また、ＴｉＣＮは、ＴｉＮに比べ高硬度であるため、工
具の逃げ面摩耗に対して優れた特性を示す。しかしなが
ら、金属加工の高能率化を目的とした切削速度の高速化
傾向に対し、上記硬質皮膜では、十分な耐酸化性、耐摩
耗性を示さなくなった。この様な背景から、皮膜の耐酸
化性、耐摩耗性をより向上させる研究がなされ、その結
果、特開昭６２−５６５６５号、特開平２−１９４１５
９号に代表されるＴｉＡｌＮ皮膜が開発され切削工具に
適用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＴｉＡｌＮ皮膜は、そ
の皮膜中に含有するＴｉとＡｌの成分比率により異なる
ものの、概略２３００〜２８００のビッカース硬さを有
すだけではなく、耐酸化性が、前記ＴｉＮ、ＴｉＣＮに
比べ優れるため、刃先が高温に達する切削条件下におい
ては、切削工具の性能を著しく向上させる。しかしなが
ら、近年では切削速度が更に高速化する傾向に加え、乾
式での切削加工が環境問題上重要視され、切削工具の使
用環境はますます苛酷なものとなってきている。本発明
者等の研究によれば、大気中におけるＴｉＡｌＮ皮膜の
酸化開始温度は、ＴｉＮの４５０℃に対し、Ａｌの添加
量に依存して７５０〜９００℃に向上する。しかしなが
ら、前述の乾式高速切削加工においては、使用する工具
の刃先温度が９００℃以上の高温に達するため、前記Ｔ
ｉＡｌＮ皮膜では、十分な工具寿命が得られないのが現
状である。

【０００４】

【本発明の目的】本発明はこうした事情に鑑みなされた
ものであって、従来のＴｉＡｌＮ皮膜に対し、更に耐酸
化性、耐摩耗性を改善し、切削加工の乾式化、高速化に
対応する硬質皮膜被覆工具を提供することが目的であ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明者等は、硬質皮膜の
耐酸化性、耐摩耗性および密着性に及ぼす、様々な元素
の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、Ｓｉを適量含有したＴｉを主成分とする窒化物、
炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物（以下、ＴｉＳ
ｉ系化合物等と記す。）と、ＴｉとＡｌを主成分とした
窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物（以
下、ＴｉＡｌ系化合物等と記す。）に含まれる金属成分
を特定値内に制限した皮膜を、それぞれ一層以上交互に
被覆し、その際、上述のＴｉＡｌ系化合物等の皮膜を母
材表面直上にし、かつＴｉＳｉ系化合物等の格子定数を
０．４１７ｎｍ以上０．４２３ｎｍ以下になるよう成膜
することで、乾式の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。すなわち、本発明は、高速度鋼、超硬合金、サーメ
ット、セラミックスの何れかを母材とし、硬質皮膜のａ
層は金属成分のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上６０％
以下、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈ
ｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残り
Ｔｉから構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭
窒化物のいずれかであり、ＮａＣｌ型結晶構造を有し、
かつ格子定数が０．４１７ｎｍ以上０．４２３ｎｍ以下
からなり、硬質皮膜のｂ層は金属成分のみの原子％が、
Ａｌ：４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、
Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２
種以上で１０％未満、残Ｔｉで構成される窒化物、炭窒
化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかで、ＮａＣｌ型
結晶構造からなり、該ａ層、ｂ層がそれぞれ一層以上交
互に被覆され、かつ、ｂ層が母材表面直上にしたもので
あり、更に上記硬質皮膜は、物理蒸着法により被覆され
ることが望ましい。

【０００６】

【発明の実施の形態】一般にＴｉＡｌＮ皮膜は、大気中
で酸化テストを行うと、皮膜表面近傍のＡｌが最表面に
外向拡散し、そこでアルミナ層を形成する。本発明者ら
の研究によれば、このことが耐酸化性向上の理由と考え
られるが、この時、アルミナ層直下には、Ａｌを含有し
ない非常にポーラスなＴｉ酸化物が形成する。静的であ
る酸化テストにおいては、最表面に形成されたアルミナ
層が、酸化の進行である酸素の内向拡散に対し、酸化保
護膜として機能するものの、動的な切削加工において
は、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなＴｉ
酸化物層より容易に剥離してしまい、酸化の進行に対し
十分な効果を発揮しない。しかしながら、ＴｉＳｉ系化
合物等は皮膜自体の耐酸化性が極めて高いだけでなく、
最表面に酸化保護膜となるＳｉを含有する非常に緻密な
複合酸化物層が形成され、また、その直下には酸化保護
膜の剥離原因となるポーラスなＴｉ酸化物が形成されな
いことを確認した。上記効果を得るには、Ｓｉが皮膜の
金属成分のみの原子％で、１０％以上含有していなけれ
ばならず、逆に６０％を越えて含有すると、皮膜の延性
ないしは硬さの低下が顕著になり、切削工具としての使
用に耐えられなくなる。

【０００７】ａ層に含ませるＢ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、
Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、ＴｉＳｉ系化合
物等の皮膜中において固溶強化元素として働き、皮膜の
高硬度化に有効である。そのため、必要に応じＢ、Ａ
ｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ
の１種または２種以上を微量添加することが望ましい。
しかしながら皮膜の金属成分のみの原子％で１０％以上
添加すると、前述したＳｉ含有による耐酸化性向上効果
が得られなくなる。よって、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、
Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、１種または２種
以上で１０％未満とする。更にａ層は、その格子定数を
０．４１７ｎｍ以上０．４２３ｎｍ以下にすることで高
硬度化が達成でき、著しく耐摩耗性に優れた皮膜が得ら
れる。発明者等の研究によれば、請求項記載の成分範囲
においては、単一のａ層の格子定数は０．４２４〜０．
４２６ｎｍであり、単一のｂ層の格子定数は０．４１５
〜０．４１７ｎｍと単一のｂ層の方が極端に小さい。し
かしながら、ａ層およびｂ層をそれぞれ一層以上交互に
被覆し、その際の基体に印加するバイアス電圧を適当な
値に制御することで、ａ層は、その下地に位置するｂ層
と結晶格子レベルで整合する。その結果、ａ層の結晶格
子は単一で存在する場合よりも縮小することとなり、ａ
層には格子歪みが発生し、その硬さが向上する。ａ層お
よびｂ層を被覆する際、基体に印加するバイアス電圧
は、アーク放電方式イオンプレーティングや、スパッタ
リングといった物理蒸着法の違いや、同様の手法であっ
ても成膜装置の基本的な仕様によって絶対値は異なるも
のの、ａ層とｂ層の界面における結晶格子の整合性を確
保するには、両層を近似のバイアス電圧で成膜すること
により達成できる。

【０００８】次に、ｂ層におけるＡｌの役割は、皮膜の
耐摩耗性および耐酸化性を向上させることである。皮膜
中におけるＡｌ含有量が少ないほど、母材と皮膜の密着
性は良好となるが、皮膜の金属成分のみの原子％で、Ａ
ｌが４０％以下となると、皮膜の耐摩耗性、耐酸化性を
向上させる効果が得られない。しかしながら、７５％を
越えて含有すると、母材と皮膜の密着性が劣化するだけ
でなく、逆に皮膜の硬さも低下し、工具として必要な耐
摩耗性が得られない。そのため、密着性、耐摩耗性、耐
酸化性をバランス良く得るためには、ｂ層のＡｌ含有量
を、皮膜の金属成分のみの原子％で、４０％越え７５％
以下に調整することが重要である。Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃ
ｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、ＴｉＡ
ｌ系化合物等の皮膜中において固溶強化元素として働
き、皮膜の高硬度化に有効である。そのため、必要に応
じＢ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、
Ｔａ、Ｗの１種または２種以上を微量添加することが望
ましい。しかしながら皮膜の金属成分のみの原子％で１
０％以上添加すると、母材と皮膜の密着性が低下する。
そのため、密着性、耐摩耗性、耐酸化性をバランス良く
得るためには、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、
Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは１種または２種以上で１０％未
満とする。

【０００９】上述のように本発明においては、母材との
密着性、皮膜自体の耐摩耗性および耐酸化性をバランス
良く有すＮａＣｌ型結晶構造のｂ層を母材表面直上に被
覆し、その上に著しく耐酸化性、耐摩耗性に優れるａ層
をｂ層と同じＮａＣｌ型結晶構造の状態で被覆すること
が極めて重要であり、その結果、乾式の高速切削に対応
する切削工具を得ることが可能となる。また、母材表面
直上にｂ層を被覆した後、ａ層ならびにｂ層をそれぞれ
交互に積層した多層皮膜によっても同様の効果が得られ
る。また、各層は必要に応じて窒化物、炭窒化物、酸窒
化物、酸炭窒化物のいずれかに調整でき、それらを被覆
した工具についても同様の効果が得られる。

【００１０】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、および
ａ層とｂ層の整合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
の被覆母材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。以下、本発明を実施例に基づいて説
明する。

【００１１】

【実施例】小型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、ＣＨ_４ガス、Ａｒ
／Ｏ _２混合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４００℃、反応ガス圧力３．０Ｐａの
条件下にて、被覆基体である外径８ｍｍの超硬合金製６
枚刃エンドミルおよび超硬合金製インサートに、全皮膜
の厚みが４μｍとなるように成膜を行った。なお、本発
明例の全てと、比較例５４、５５、５６、５８、５９に
ついては、ａ層ならびにｂ層ともに−１００Ｖの同じバ
イアス電圧を印加し成膜したが、比較例５１、５２、５
３、５７については、ａ層を−３０Ｖ、ｂ層を−２００
Ｖとそれぞれ異なったバイアス電圧を印加し成膜した。
また、従来例については、全て−１００Ｖのバイアス電
圧を印加し成膜した。得られた硬質皮膜被覆エンドミル
およびインサートを用い、次の乾式の高速切削条件に
て、刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能と
なるまで加工を行い、その時の切削長を工具寿命とし
た。

【００１２】エンドミルの切削諸元は、側面切削ダウン
カットにて、被削材ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）を、切削
速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．０３ｍｍ／刃、切り
込み量Ａｄ＝１２ｍｍ、Ｒｄ＝０．２ｍｍでエアーブロ
ーを用いて行った。インサートの切削諸元は、直径１６
０ｍｍの正面フライス（インサート形状＝ＳＥＥ４２Ｔ
Ｎ）にて、巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの平面加工
を、被削材：ＳＫＤ６１（４５ＨＲＣ）にて、切削速度
２００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．１５ｍｍ／刃、切り込み
量：２．０ｍｍで行った。表１に本発明例、表２に比較
例、表３に従来例の硬質皮膜に関する詳細およびそれら
の切削結果を示す。ａ層中の格子定数に付いてはＸ線回
折により算出した。併せて、表３に示す。

【００１３】

【表１】

【００１４】

【表２】

【００１５】

【表３】

【００１６】表１、表２および表３より、本発明例は、
比較例ならびに従来例と比べて、工具寿命が著しく向上
しており、乾式高速切削加工に十分対応することがわか
る。比較例５１は、皮膜の組成については本発明に含ま
れるものであるが、皮膜の層構造が異なるため、エンド
ミルおよびインサート、両工具の切削において、皮膜の
剥離が早期に生じ、非常に短寿命となった。比較例５
３、５７は、皮膜の組成、層構造については本発明に含
まれるものであるが、ａ層の格子定数が満足していない
ため、十分な皮膜硬さが得られず本発明例に比べ短寿命
となった。

【００１７】

【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耐酸化性、耐摩耗性を
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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラ
ミックスの何れかを母材とし、硬質皮膜のａ層は金属成
分のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上６０％以下、Ｂ、
Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、
Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉから構
成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のい
ずれかであり、ＮａＣｌ型結晶構造を有し、かつ格子定
数が０．４１７ｎｍ以上０．４２３ｎｍ以下からなり、
硬質皮膜のｂ層は金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０
％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎ
ｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０
％未満、残Ｔｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化
物、酸炭窒化物のいずれかで、ＮａＣｌ型結晶構造から
なり、該ａ層、ｂ層がそれぞれ一層以上交互に被覆さ
れ、かつ、ｂ層が母材表面直上にあることを特徴とする
硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】請求項１記載の硬質皮膜被覆工具におい
て、該硬質皮膜は物理蒸着法により被覆されたことを特
徴とする硬質皮膜被覆工具。