JP2003291007A

JP2003291007A - 硬質皮膜被覆工具

Info

Publication number: JP2003291007A
Application number: JP2002099937A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Kubota; 和幸久保田; Nobuhiko Shima; 順彦島
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2003-10-14

Abstract

(57)【要約】【目的】切削加工の乾式化、高速化に対し被削材との化
学反応が少なく、しかも耐クレーター摩耗性が著しく改
善された硬質皮膜被覆工具を提供する。【構成】基体表面に硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工
具において、該硬質皮膜の少なくとも１層が硼素と酸素
を含有し金属成分は（ＴｉｘＭｅｙＢｚ）で表されるＴ
ｉを主成分とする酸窒化物層であり、ｘ、ｙ、ｚは、ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１００、５０ｘ＜１００、０．１＜ｙ＜４
０、０．１＜ｚ＜３０を満たし、ＭｅはＴｉを除く４
ａ、５ａ、６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｋ、Ｙ、Ｍ
ｇ、Ｆの１種以上の元素からなり、且つ、該Ｔｉを主成
分とする酸窒化物層はＥＳＣＡ分析において、Ｔｉと酸
素、硼素と窒素の結合エネルギーが確認されることを特
徴とする硬質皮膜被覆工具である。

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おいて、特に高速
切削、乾式切削に適用される耐クレーター摩耗性に優れ
る物理蒸着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との
間に化学反応が発生し、工具寿命が逃げ面のこすり摩耗
だけではなく、スクイ面のクレーター摩耗により強く支
配される傾向が強くなってきた。従来のＴｉＮ、ＴｉＣ
Ｎ及びＴｉＡｌＮ皮膜はこのような苛酷な切削環境下に
おいては、切削温度の上昇に伴い被加工物との化学反応
に起因したクレーター摩耗の増加により、十分な切削寿
命を得られないのが実状である。特に比較的連続切削で
ある旋盤加工や高速高送りのフライス加工においては、
このクレーター摩耗を抑制することが、極めて重要なこ
とである。この対策として、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７−１６
４２１１号公報に示される炭化タングステン及びダイヤ
モンドライクカーボンからなる潤滑性皮膜と耐摩耗性を
有する硬質皮膜を積層し、潤滑効果を利用することによ
り切削温度上昇抑制に基づく、皮膜と被加工物間の拡散
現象を抑制しようとする切削工具が開発されているが、
いずれも硬質皮膜と潤滑皮膜間の密着性が悪い上に潤滑
皮膜そのものが非常に脆い為、これら潤滑皮膜は切削時
に容易に剥離または破壊などを発生し、上記切削環境下
においては何ら効果を発揮するには至っていない。また
特開平１１−１５６９９２号公報に示される、Ｃｒ系潤
滑皮膜を被覆した工具が提案されているが、Ｃｒ系皮膜
は硬度そのものが低く耐摩耗性が極めて悪く、耐クレー
ター摩耗性を改善するには至っていない。

【０００３】

【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、高速化に対し被削材との化
学反応が少なく、しかも耐クレーター摩耗性が著しく改
善された硬質皮膜被覆工具を提供することを課題とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、基体表面
に硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具において、該硬
質皮膜の少なくとも１層が硼素と酸素を含有し金属成分
は（ＴｉｘＭｅｙＢｚ）で表されるＴｉを主成分とする
酸窒化物層であり、ｘ、ｙ、ｚは、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１０
０、５０ｘ＜１００、０．１＜ｙ＜４０、０．１＜ｚ＜
３０を満たし、ＭｅはＴｉを除く４ａ、５ａ、６ａ族金
属、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｋ、Ｙ、Ｍｇ、Ｆの１種以上の
元素からなり、且つ、該Ｔｉを主成分とする酸窒化物層
はＥＳＣＡ分析において、Ｔｉと酸素、硼素と窒素の結
合エネルギーが確認されることを特徴とする硬質皮膜被
覆工具であり、上記Ｔｉを主成分とする酸窒化物層の硬
度を上昇せしめるとともに、潤滑性を向上させ、結果耐
クレーター摩耗性を著しく改善させる事に成功した。乾
式、高速切削加工において拡散現象が少なく、耐クレー
ター摩耗性に優れ切削工具としての寿命が極めて良好と
なることを確認し本発明に到達した。

【０００５】

【作用】先ず、ＴｉＮ系皮膜を例に、種々の添加成分の
効果を鋭意研究した結果、硼素の添加と被覆条件の最適
化により、ＴｉＮの耐クレーター摩耗性を著しく改善で
きる知見を得るに至った。調査した結果、ＴｉＮ皮膜内
部に硼素と窒素の結合エネルギーが確認され、ＢとＮの
結合エネルギーを有する相の潤滑効果により切削温度が
２〜４割低減される事実を確認した。また、ＴｉＮの鋼
に対する摩擦係数が硼素の添加により０．８から０．４
に激減していることも確認された。更に、被覆条件によ
って、ＴｉＮ皮膜の硬度が硼素添加によりビッカース硬
度で２２００から２８００に上昇していることも確認さ
れた。これは硼素の窒化物が微細に分散されることによ
るものである。すなわち、セラミック系の硬質皮膜を分
散強化せしめると同時に分散相のもつ潤滑性をも硬質皮
膜に付与することが可能であるという驚くべき事実を発
見した。

【０００６】しかしながら、硼素を添加したといえど
も、切削条件によっては、切削温度が極めて上昇する場
合があり、このような場合、皮膜に酸化による摩滅が発
生する結果となる。従って、更に皮膜の耐酸化性を向上
する必要がある。酸素を添加することにより、結晶粒界
が緻密になり、結晶粒界の欠陥が減少するため、耐酸化
性が改善されることが確認された。これは硬質皮膜の酸
化は主に皮膜の結晶粒界を酸素が拡散浸透することによ
り進行するため、結晶粒界が緻密化することにより、酸
素の拡散が抑制され、結果、耐酸化性が向上するものと
考えられる。

【０００７】次に、耐酸化性を高めるためには、耐クレ
ーター摩耗性はあまり良くないが耐酸化性には極めて優
れるＴｉとＡｌ系硬質皮膜と硼素と酸素が添加されたＴ
ｉの酸窒化物皮膜とを複層化することにより、相乗効果
が発揮される結果となるため、このような複層化をする
ことも、極めて切削温度が上昇するような切削環境下で
は、より好ましいといえる。

【０００８】図１はＴｉＢターゲットを用い基体バイア
ス３００Ｖ、反応ガスとして窒素を５００ＳＣＣＭ、酸
素を２０ＳＣＣＭ使用し、反応圧０．５ＰａでＴｉＢＯ
Ｎ皮膜をアークイオンプレーティング法により被覆した
時の皮膜のＥＳＣＡ（Electoron Spectroscopy for Che
mical Analysis）解析結果である。硼素含有量は４原子
％と２５原子％である。図１、図２ではＴｉと酸素との
結合エネルギー回折ピークが確認される。図３ではＢと
Ｎとの結合エネルギー回折ピークが確認される。図１は
Ｔｉと酸素の結合が、ＴｉＯを形成している例であり、
図２はＴｉＯ_２を形成している例である。ＢとＮの結合
においては、相を形成する場合、ＴＥＭ（Transmission
Electron Microscope）観察結果によれば数ナノから数
十ナノの大きさを有するナノ結晶であり、結晶形態は種
々のものが存在する。ＴｉＮ層の大幅な硬度上昇はこの
ナノ結晶が格子歪を発生させることに起因するものであ
り、耐クレーター摩耗性はＴｉＮに比べ著しく改善され
る結果となったで。これはＢＮ結合自体が優れた潤滑性
を付与していることに起因すると考えられる。また硼素
添加においては被覆条件においてイオンエネルギーが小
さい場合にはナノＢＮ相の出現は認められなかった。従
って、ナノ結晶を介在させ、高硬度化を達成するために
は、被覆条件の最適化も重要であるといえる。

【０００９】更なる高速切削や乾式切削においては、皮
膜はクレーター摩耗による摩滅だけではなく、酸化によ
る摩滅や皮膜の高温硬度の劣化に起因する、こすり摩耗
が発生し、十分に満足する結果を得ることが困難にな
る。そのため、Ｔｉの一部をＷ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚ
ｒ、Ａｌ、Ｓｉに置き換えることにより、これらの元素
がＴｉ原子と置換し、皮膜全体を固溶強化し、高温硬度
を改善できることを見出した。Ｔｉ以外の金属成分はそ
の置換量が０．１原子％以下では何ら明確な効果が確認
されず、４０原子％以上置換するとＴｉＮの有する強靭
性を劣化させる。また、硼素に関してはその添加量が
０．１原子％以下では潤滑性を改善させるに至らず、３
０原子％を超えて含有させるとＴｉＮの有する強靭性を
劣化させる。

【００１０】こすり摩耗に影響を及ぼす高温硬度に関し
ては、皮膜を８００℃で１時間真空中で保持した後の硬
度を測定してみたところ、窒素に対し１０原子％の酸素
とＴｉに対し１０原子％の硼素を含む（ＴｉＢ）（Ｏ
Ｎ）はビッカース硬度が２２００であるのに対し、酸素
量は同一のもと、Ｔｉに２０原子％別元素を添加したも
のは、その１例として（ＴｉＣｒＢ）（ＯＮ）で２６０
０、（ＴｉＺｒＢ）（ＯＮ）で２５５０、（ＴｉＮｂ
Ｂ）（ＯＮ）で２６５０と高い数値を示した。Ｔｉの一
部を周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属やＡｌ、Ｓｉに
置換した系はいずれも同様の傾向をしめした。酸化に関
し、ＴｉＮは４５０℃を超えると酸化し、粉状のＴｉＯ
に変態してしまう。硼素を添加したＴｉＢＮは５５０℃
で酸化が開始する。次に、酸素を添加した（ＴｉＢ）
（ＯＮ）は酸化開始温度が７００℃まで向上する。更
に、Ｔｉの一部を２０原子％Ａｌ、Ｓｉ、Ｙで置換した
ものは（ＴｉＡｌＢ）（ＯＮ）で８５０℃、（ＴｉＳｉ
Ｂ）（ＯＮ）で１０５０℃、（ＴｉＹＢ）（ＯＮ）で９
００℃まで酸化は確認されないことが確認された。従っ
て、上記硼素と酸素を含有せしめたＴｉＮ層単層は７０
０℃までは十分その効果を発揮するものの、更に切削温
度が上がる場合は、酸化発生により摩滅を伴う工具境界
摩耗が発生してしまうが、上記添加成分によりこの現象
を抑制するために、より一層の寿命向上が可能である。

【００１１】もう一つの重要な因子として、潤滑性が挙
げられる。硼素の添加により潤滑性も向上せしめること
が可能であるが、更に、Ｃａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｆの添加が潤
滑性をより一層向上せしめることが確認された。これは
Ｃａ、Ｍｇ、Ｋは切削熱により優先的に酸化し、低融点
酸化物を皮膜表面に形成することにより、より潤滑性を
向上させる結果となる。Ｆはハロゲン族そのものが有す
る潤滑性により、皮膜の潤滑性を向上させる結果とな
る。但し、この皮膜は高温硬度も高く、圧縮残留応力も
高い傾向にあり、高圧縮残留応力による剥離が発生する
場合がある。このような場合は一般的硬質皮膜と積層に
することが好ましい結果となる。特に耐酸化性の優れる
ＴｉＡｌ系硬質皮膜との多層構造等の併用が好ましい。
ＴｉＡｌＮ系は８５０℃まで酸化が抑制されるため、更
に切削温度が上昇する場合、極めて長寿命を達成する。

【００１２】硼素と酸素を含有する上述の各種硬質皮膜
に炭素を添加することにより、炭素の有する潤滑性が付
与され、より好ましい結果となる。また硼素と酸素を含
有する上述のＴｉを主成分とする硬質皮膜とＴｉとＡｌ
系皮膜と積層する場合、双方の皮膜はともに同じ結晶形
態を有するため、層間の密着性は極めて強固である。多
層の構造に関しては、皮膜表面側に潤滑性の優れる皮膜
を被覆する方がより好ましいが必ずしも限定されるもの
ではない。また層数そのものも特に限定されるものでは
ない。

【００１３】以上のごとく、耐クレーター摩耗性を大幅
に改善するとともに、耐酸化性、耐こすり摩耗性、潤滑
性を改善した本発明による硬質皮膜被覆工具は、高速、
高送りミーリング切削加工に使用される工具に対しても
効果的であるが、更に、従来アルミナ皮膜を有し、膜厚
が１０μｍ程度に硬質皮膜が被覆された一般的に化学蒸
着（以下、ＣＶＤと称する。）による被覆工具が使用さ
れていた旋削分野へも適用が可能となった。旋削は比較
的連続切削であるため、特に、クレーター摩耗に工具寿
命が支配される場合が多い。本発明においても皮膜の膜
厚が薄いとＣＶＤ皮膜に耐クレーター摩耗性が劣る結果
になるが、クレーター摩耗が発生するすくい面におい
て、３μｍ以上被覆することにより、ＣＶＤ皮膜に匹敵
する耐クレーター摩耗性を持たせることが可能であるこ
とを確認した。皮膜の厚さは３μｍから１５μｍである
ことがより好ましいといえる。

【００１４】更に、工具性能を向上させるために、Ｔｉ
ＡｌＮ系皮膜に第３成分を添加することが有効であるこ
とを見出した。これは第３成分がＴｉＡｌＮ皮膜を固溶
強化することに起因するものである。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、アーク放電方式イ
オンプレーティング物理蒸着法であることが望ましい。
また、ナノ結晶が存在するか否かの被覆条件は本発明に
おいては前述のＴｉＢＯＮ系と同様の傾向であった。以
下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１５】

【実施例１】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、並びに
反応ガスである窒素ガス、酸素ガス、メタンガスから目
的の皮膜が得られるものを選択し、ＴｉＡｌＮ系皮膜に
おいては、被覆基体温度４００℃、反応ガス圧力１．０
Ｐａ、基体印加バイアス電圧１５０Ｖの条件下にて、被
覆基体であるミーリング用超硬インサートに表１に示す
各皮膜を被覆した工具を作成した。本発明例におけるＴ
ｉ系硬質層の被覆条件は同一温度において、バイアス電
位３００Ｖ反応ガス圧力０．５Ｐａとし、ＢＮ結合を有
する相を介在させた。硼素はＴｉターゲットに必要量添
加することにより皮膜に含有させた。インサートに使用
した超硬合金はＪＩＳ−Ｐ４０グレード超硬合金であ
る。尚本発明例３６はバイアス電位１００Ｖ反応ガス圧
力０．５Ｐａとしイオンエネルギーを落とし、ナノ結晶
が確認されない場合の事例である。

【００１６】

【表１】

【００１７】比較例においてはＴｉＡｌ系以外の皮膜も
同一条件で被覆した。得られた硬質皮膜被覆インサート
を用い切削試験を行った。工具寿命は本切削条件下では
クレーター摩耗が支配するため、クレーター摩耗により
工具が切削不能となった時の切削長とした。切削諸元を
次に示す。一刃あたりの送りが１ｍｍを越えるようなフ
ライス加工では切削温度が局部的に上昇し、クレーター
摩耗が発生する傾向にある。インサート切削条件は、工
具形状ＲＤＭＷ１６０４ＭＯＴＮである丸コマインサー
トを用いたミーリング加工で、巾１００ｍｍ×長さ２５
０ｍｍの面取り加工、被削材ＳＫＤ６１（ＨＲＣ４
５）、切り込み１．０ｍｍ、切削速度２００ｍ／ｍｉ
ｎ、送り２．０ｍｍ／刃、乾式切削とした。欠損に至る
切削時間を表１に併記する。尚、表に記載の膜厚はすく
い面の膜厚を示す。

【００１８】表１より、本発明例１〜３６は全体的に著
しい寿命改善が認められる。本発明例は、比較例が全て
クレーター摩耗により短寿命であったことより、耐クレ
ーター摩耗性の改善によるところが大きい。酸素と硼素
を添加された本発明例１〜１５は、いずれもＭｅ成分が
４ａ、５ａ、６ａ族の事例であり、Ｍｅ成分を含有しな
い比較例４１〜４４に対し長寿命であることが確認され
た。本発明例１６〜１８は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙを添加した
例、本発明例１９〜２２は、Ｋ、Ｃａを添加した例で、
更に耐摩耗性が向上した。本発明例２５〜２９はＴｉＡ
ｌＮ系皮膜と積層にした例であり、本発明例２に対し更
に寿命が改善されることが明らかである。また、本発明
例３０〜３２は一般的硬質皮膜と積層した事例である。
いずれも比較例３８、４０と比べ格段に長寿命である。
比較例３８、４０は皮膜に剥離が発生した。本発明例３
６は被覆条件によりナノ結晶が介在しない場合の事例で
あるが、本発明例２に対し若干は劣るものの十分に満足
のいく結果である。比較例４５〜５０は組成範囲が本発
明外の事例であるが、潤滑効果が十分でなかったり、切
削中に皮膜に破壊や剥離が発生し、満足な結果を得るに
至らなかった。

【００１９】

【実施例２】実施例１の方法に基づき表１記載の本発明
例及び比較例の皮膜を旋削用サーメットインサート（チ
ップ形状：ＴＮＧＧ１１０３０２Ｒ）に被覆し、旋削加
工を実施した。用いたサーメット合金の組成は重量％で
６０ＴｉＣＮ−１０ＷＣ−１０ＴａＣ−５Ｍｏ_２Ｃ―５
Ｎｉ−１０Ｃｏである。切削条件は被削材としてＳ５３
Ｃを用い、切削速度２２０ｍ／分、切り込み１ｍｍ、送
り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、水溶性切削油を用いて実施し
た。いずれもクレーター摩耗の進行から発熱が大きくな
り、逃げ面摩耗が増大する傾向にある。逃げ面摩耗値が
０．１ｍｍになった時点を寿命と判定した。寿命までの
切削時間を表２に記載する。

【００２０】

【表２】

【００２１】表２より、本発明例は旋削加工においても
全体的に著しい寿命改善が認められる。比較例が全て、
クレーター摩耗により短寿命であったことより、耐クレ
ーター摩耗性の改善によるところが大きい。酸素と硼素
を添加された本発明例１〜１５は、いずれもＭｅ成分が
４ａ、５ａ、６ａ族の事例であり、Ｍｅ成分を含有しな
い比較例４１〜４４に対し長寿命であることが確認され
た。本発明例２５〜２９はＴｉＡｌＮ系皮膜と積層にし
た例であり、本発明例２に対し更に寿命が改善されるこ
とが明らかである。また、本発明例３０〜３２は一般的
硬質皮膜と積層した事例である。いずれも比較例３８、
４０と比べ格段に長寿命である。比較例３８、４０は旋
削加工においても、皮膜に剥離が発生した。本発明例３
６は被覆条件によりナノ結晶が介在しない場合の事例で
あるが、本発明例２に対し若干は劣るものの十分に満足
のいく結果である。比較例４５〜５０は組成範囲が本発
明外の事例であるが、潤滑効果が十分でなかったり、切
削中に皮膜に破壊や剥離が発生し、満足な結果を得るに
至らなかった。

【００２２】

【実施例３】ＴｉＡｌ金属ターゲットのＡｌの一部を他
成分で置換したターゲットを用い実施例１と同一条件に
て本発明例を作成した。実施例１と同一切削評価を実施
し、その結果を表３に示す。

【００２３】

【表３】

【００２４】表３より、ＴｉＡｌ系硬質皮膜に第３の成
分を添加することにより、より一層の寿命向上が可能で
ある。これは第３成分の添加によりＴｉＡｌＮ系皮膜が
更に固溶強化されたり、耐酸化性が向上することに起因
するものである。

【００２５】

【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耐クレーター摩耗性に優れ、
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、コスト低減、環境
改善に極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明例の皮膜のＥＳＣＡ解析結果
で、Ｔｉと酸素との結合エネルギー回折ピークを示し、
ＴｉＯを形成している例を示す。

【図２】図２は、本発明例の皮膜のＥＳＣＡ解析結果
で、Ｔｉと酸素との結合エネルギー回折ピークを示し、
ＴｉＯ_２を形成している例を示す。

【図３】図３は、本発明例の皮膜のＥＳＣＡ解析結果
で、ＢとＮとの結合エネルギー回折ピークを示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3C046 FF03 FF05 FF10 FF13 FF16 FF19 FF25 4K029 AA02 AA04 BA34 BA41 BA48 BA60 BC02 BD05 CA03 DD06 EA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体表面に硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被
覆工具において、該硬質皮膜の少なくとも１層が硼素と
酸素を含有し金属成分は（ＴｉｘＭｅｙＢｚ）で表され
るＴｉを主成分とする酸窒化物層であり、ｘ、ｙ、ｚ
は、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、５０ｘ＜１００、０．１＜ｙ
＜４０、０．１＜ｚ＜３０を満たし、ＭｅはＴｉを除く
４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｋ、Ｙ、
Ｍｇ、Ｆの１種以上の元素からなり、且つ、該Ｔｉを主
成分とする酸窒化物層はＥＳＣＡ分析において、Ｔｉと
酸素、硼素と窒素の結合エネルギーが確認されることを
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Ｔｉを主成分とする酸窒化物層に炭素を含有させ
たことを特徴とする物理蒸着硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】請求項１及び２記載の硬質皮膜被覆工具に
おいて、該皮膜が該Ｔｉの酸窒化物層とＴｉとＡｌを主
成分とし、Ｃ、Ｎ、Ｏの１種以上からなる硬質化合物層
とが２層以上被覆されたことを特徴とする硬質皮膜被覆
工具。
【請求項４】請求項３記載の硬質皮膜被覆工具におい
て、該硬質化合物層のＡｌの一部を周期律表の４ａ、５
ａ、６ａ族金属及びＳｉの１種以上の成分で置換したこ
とを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項５】請求項１乃至４記載の硬質皮膜被覆工具に
おいて、該基体が超硬合金若しくはサーメット合金であ
り、皮膜の総厚がすくい面において３μｍ〜１５μｍで
あることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。