JP2004230515A

JP2004230515A - 高機能加工用工具

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Publication number: JP2004230515A
Application number: JP2003022734A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Katou; 範博加藤; Masaru Sonobe; 勝園部; Yoshio Kizawa; 敬男木沢
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】高速度鋼、超硬合金の母材上にＳｉの含有量が１０％を越えてもＴｉＡｌＳｉＮ系膜の耐酸化性を充分に発揮することのでき、工具基体である被覆母材と硬質被膜との密着性と硬度が確保された膜構造の高機能加工用工具を提供。
【解決手段】アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜の成分が、
（Ｔｉ_xＡｌ_1-x-yＳｉ_y）（Ｃ_zＮ_1-z）、ただし、金属元素の原子分率で
０．３≦ｘ≦０．４５，０．１＜ｙ≦０．３，０≦ｚ≦０．４で示される化学組成からなるａ層と、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_zＮ_1-z）、ただし、金属元素の原子分率で０．３≦ｘ≦０．７，０≦ｚ≦０．２で示される化学組成からなるｂ層と、がそれぞれ１層以上交互に被覆されたものであり、かつ、ｂ層が被覆母材表面上にある。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複層コーティングを施した金属材料などのフライス加工、切削加工、穿孔加工用の加工工具に関し、特に高能率加工でき高温下での耐酸化性、耐摩耗性及び密着性に優れた硬質被膜を被覆した工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の硬質被膜を被覆した工具として、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮなどなどのセラミックスを単層又は複層にコーティングしたものが開発され、実用に供されてきた。これらの硬質被膜では切削工具の寿命延長を図る目的で耐摩耗性に優れた高硬度の硬質被膜が求められてきた。そして金属加工の高能率化と共に切削工具に要求される機能も従来の工具寿命から高能率加工時の刃先保護へと変化して来た。高能率加工では切削速度の増加に従って加工時の発熱量も増大しており、それに伴って硬質被膜も従来のＴｉＣ、ＴｉＣＮ被膜から例えば特開平２−１９４１５９号公報に開示するような耐熱性に優れたＴｉＡｌＮ被膜へと変遷して来た。ところが、近年の加工機械の能力向上に伴って切削速度がさらに向上し、ＴｉＡｌＮ被膜でも耐熱性が不十分になってきた。これに対してＴｉＡｌＮ膜の耐熱性を向上させる添加元素についての研究が行われ、特許文献１に記述されているＳｉの添加が耐熱性の向上に対して有効であることが分かった。しかしながら、金属元素の原子分率でＳｉの含有量が１０％を越えると耐熱性自身は向上するものの被膜自身の密着性が低下し、かつ被膜の硬度が低下するため、十分な耐摩耗性が得られなかった。このためＳｉの含有量が１０％を越えても被膜の密着性と硬度が確保されている硬質被膜の開発が期待されていた。
【０００３】
【特許文献１】特許２７９３７７３請求項１、〔００１０〕
【特許文献２】特許３０８９２６２請求項２、〔００１４〕表１
【特許文献３】特開２００２−９６２０５請求項１、〔００２９〕表３
【特許文献４】特開２００２−３３７００２請求項１、〔００１８〕表１
【特許文献５】特開２００２−３３７００６請求項１、〔００２２〕表１
【０００４】
この他にも金属加工の高能率化を目的としてＴｉＡｌＮ被膜にＳｉを添加した例がいくつかあるが、それぞれ次の様な問題があった。特許文献２ではＴｉＡｌＳｉ合金をターゲット材料として用いスパッタリング法によりＴｉＡｌＳｉＮ膜を成膜しているが、スパッタリング法ではターゲット材料に用いている材料元素のスパッタ収率の相違により成分が継続的に変化しやすいため、この変化を見込んだ組成のターゲットを要する。また、被膜の密着性が必ずしも良好でなく、複雑な形状の基材を被覆する場合の生産性も低い。さらにスパッタ粒子のイオン化率が低いため、基板に突入するイオンの量が少なく、従って十分な膜硬さが得られないという欠点があった。さらに成膜速度が遅く量産化が困難である。
【０００５】
さらに、特許文献３では、工具基体に直接にＴｉ、Ａｌ、Ｓｉからなる金属元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される少なくとも１種以上の元素から構成される硬質層を１層以上被覆した硬質被覆工具において、該硬質層にＳｉの窒化物層を介在させたものが開示され、その〔００２９〕表３では、ＴｉＡｌＳｉＮ膜の上にＴｉＡｌＮ膜を被覆したものが開示されている。しかしながら工具基体に直接にＴｉＡｌＳｉＮ膜、又はＴｉＡｌＳｉＮ膜の上にＴｉＡｌＮ膜を被覆したものでは、工具基体とＴｉＡｌＳｉＮ膜との密着性が悪く、硬質被膜の硬度が低下するため、十分な耐摩耗性が得られなかった。
【０００６】
また、特許文献４では、工具基体表面に直接にＴｉ、Ａｌ、Ｓｉからなる金属元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される少なくとも１種以上の元素から構成される硬質層を１層以上被覆した硬質被覆工具において、該硬質層にＳｉを含有し、相対的にＳｉに富みアモルファスであるＴｉとＡｌとＳｉとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂ、から選択されるすくなくとも１種以上の化合物相と、相対的にＳｉに乏しい結晶質のＴｉとＡｌとＳｉとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂ、から選択されるすくなくとも１種以上の化合物相と、から構成されたものが開示され、その〔００１８〕表１では、Ｓｉに富む化合物相とＳｉに乏しい化合物相とから構成されたＴｉＡｌＳｉＮ膜と、比較例として被覆条件により均一な（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ固溶体被膜であるＴｉＡｌＳｉＮ膜と、かかる各ＴｉＡｌＳｉＮ膜の上にＴｉＡｌＮ膜を被覆したものが開示されている。相対的にＳｉに富む化合物相と相対的にＳｉに乏しい化合物相とから構成されたＴｉＡｌＳｉＮ膜は製造が複雑で極めて厳格な工程管理を行なわないと所望の構成の被膜を形成することが難しく、多くの手間とコストを要するだけでなく、工具基体に直接にＴｉＡｌＳｉＮ膜、又はＴｉＡｌＳｉＮ膜の上にＴｉＡｌＮ膜を被覆したものでは、工具基体とＴｉＡｌＳｉＮ膜との密着性が悪く、硬質被膜の硬度が低下するため、十分な耐摩耗性が得られなかった。
【０００７】
同様に、特許文献５では、その〔００２２〕表１では特許文献４と同様な、Ｓｉに富む化合物相とＳｉに乏しい化合物相とから構成されたＴｉＡｌＳｉＮ膜と、かかるＴｉＡｌＳｉＮ膜の上にＴｉＡｌＮ膜を被覆したものが開示されている。相対的にＳｉに富む化合物相と相対的にＳｉに乏しい化合物相とから構成されたＴｉＡｌＳｉＮ膜は製造が複雑で極めて厳格な工程管理を行なわないと所望の構成の被膜を形成することが難しく、多くの手間とコストを要するだけでなく、工具基体に直接にＴｉＡｌＳｉＮ膜、又はＴｉＡｌＳｉＮ膜の上にＴｉＡｌＮ膜を被覆したものでは、工具基体とＴｉＡｌＳｉＮ膜との密着性が悪く、硬質被膜の硬度が低下するため、十分な耐摩耗性が得られなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ＴｉＡｌＳｉＮ系膜の優れた耐酸化性に注目し、金属元素の原子分率でＳｉの含有量が１０％を越えてもＴｉＡｌＳｉＮ系膜の耐酸化性を充分に発揮することのでき、工具基体である被覆母材と硬質被膜との密着性と硬度が確保された膜構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、高速度鋼、超硬合金のいずれかを母材質とし、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜を被覆してなる工具であって、前記硬質被膜の成分が、
（Ｔｉ_ｘＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｉ_ｙ）（Ｃ_ｚＮ_１−ｚ）、ただし金属元素の原子分率で
０．３≦ｘ≦０．４５，０．１＜ｙ≦０．３，０≦ｚ≦０．４で示される化学組成からなるａ層と、
（Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘ）（Ｃ_ｚＮ_１−ｚ）、ただし金属元素の原子分率で、
０．３≦ｘ≦１．０，０≦ｚ≦０．２で示される化学組成からなるｂ層と、
がそれぞれ１層以上交互に被覆されたものであり、
かつ、ｂ層が被覆母材表面上にあることを特徴とする高機能加工工具を提供することによって上述した課題を解決した。
【００１０】
より望ましくは、前記ａ層のｘ、ｙ、ｚは金属元素の原子分率で、
０．３１≦ｘ≦０．３９，０．１１＜ｙ≦０．２１，０≦ｚ≦０．４，そして
前記ｂ層のｘ、ｙ、ｚは金属元素の原子分率で、０．４≦ｘ≦０．６，
０≦ｚ≦０．２である
【００１１】
【発明の効果】本発明者らはＴｉＡｌＳｉＮ系膜の耐熱性をより一層向上させることを目的として大気中での耐酸化性を向上させることのできるＳｉ添加量の範囲を調査した。その結果表１に示す様にＳｉの添加量が金属元素の原子分率で１０％を越えた場合に耐酸化性向上の効果が高くＳｉ添加量の増加に伴ってその効果が高くなることを見出した。しかしながら、特許文献１にも記載があるようにＳｉ添加量の増加は結晶系が立方晶から六法晶に変化してしまい、被膜硬さが低下して十分な耐摩耗性を得ることが出来なくなる。一般に物理気相蒸着法により成膜された被覆膜は成膜される下地の結晶構造および結晶方位の影響を受け、結晶構造が等しく格子定数が近い結晶系では特にその傾向は顕著になることが一般的に知られている。本発明者らは気相合成法のこのような特性を利用し、上述した本発明の構成の、被覆母材とＴｉＡｌＳｉＮ系膜との界面に結晶学的に格子定数が近い立方晶系のＴｉＡｌＮ被膜を被覆することで、被覆母材上に直接にＴｉＡｌＳｉＮ膜、又はＴｉＡｌＳｉＮ膜の上にＴｉＡｌＮ膜を被覆したものに比べて、工具基体である被覆母材とＴｉＡｌＮ膜との密着性を良くし、ＴｉＡｌＮ膜の上に被覆されたＴｉＡｌＳｉＮ膜とＴｉＡｌＮ膜との密着性を良くし、被覆母材上の硬質被膜の硬度の低下を防止して、ＴｉＡｌＮ膜よりも優れた硬度と高い密着性を有する硬質被膜を得た。本発明における硬質被膜の構成を図１に示す。
【００１２】
【表１】

【００１３】
本発明の硬質被膜ａ層を構成する金属元素中のＴｉの原子比率は、図２に示した膜硬度の測定結果から、金属元素の原子分率で３０％以上、４５％以下、より望ましくは３１％以上、３９％以下を満足することが必要である。図２において左端のものは比較例である。同じく硬質被膜ａ層におけるＳｉの添加量は、耐酸化性の観点から金属元素の原子分率で１０％以上で多ければ多いほど効果が高いが、３０％を越えると密着性が低下し、切削に耐えることが出来ない。より望ましくは１１％以上、２１％以下である。
【００１４】
本発明において硬質被膜ａ層の密着性を向上し、被膜の硬度低下を抑制する下地の硬質被膜ｂ層ＴｉＡｌＣＮ膜としてはａ層と結晶構造の等しいＴｉＡｌＮ系の被膜である必要がある。従って硬質被膜ｂ層における金属元素中のＴｉの原子比率は金属元素の原子分率で７０％以下を満足する必要があり、０％、すなわちＴｉＮでもかまわないが、より望ましくは同４０％以上６０％以下である。
【００１５】
又、本発明では硬質被膜ａ層およびｂ層の窒素の一部を炭素で置き換えることが可能であるが、硬質被膜ａ層においては炭素の添加量が増えると耐酸化性が低下することから金属元素の原子分率で４０％以下、より望ましくは２０％以下である必要があり、硬質被膜ｂ層においては炭素の添加量が増えると密着性が低下するため２０％以下である必要がある。
【００１６】
切削工具としての適用する場合の硬質被膜ａ層の厚さとしては０．３μｍ以上１０μｍ以下、より望ましくは２．１μｍ以上３．２μｍ以下であることが望ましいく、硬質被膜ｂ層の厚さとしては０．２μｍ以上５μｍ以下、より望ましくは０．３μｍ以上０．６μｍ以下であることが望ましく、それぞれ下限値未満では膜自体の強度が不足し、また上限値以上では切削時の衝撃によって被膜にきれつが生じ、膜厚が薄い場合と同様に母材を保護することができない。そして全体の硬質被膜の厚さとしては０．５μｍ以上１０μｍ以下、より望ましくは２．４μｍ以上３．７μｍ以下であることが望ましく、膜の厚さが０．５μｍ未満であると膜自体の強度が不足し、被膜に容易に亀裂が入るため、母材を発熱から保護することができない。また、被膜の厚さが１０μｍを越えると切削時の衝撃によって被膜にきれつが生じ、膜厚が薄い場合と同様に母材を保護することができない。
【００１７】
【発明の実施の形態】〔実施例１〕図３に示すアーク方式イオンプレーティング装置に、１２．７ｍｍ角の超硬合金チップ素材を装着して真空ポンプにて０．１３３Ｐａ以下まで排気し、ヒータにより４００〜５００℃に加熱した。所定の温度に達した後、アルゴンガスによってイオンボンバードを施した上、０．６６６〜０．４Ｐａの窒素ガスを導入して硬質被膜ｂ層としてＴｉＮ膜又はＴｉＣＮ膜を０．３μｍ成膜した。その後、硬質被膜ｂ層の上にＴｉ_０．４Ａｌ_０．４Ｓｉ_０．２，Ｔｉ_０．３Ａｌ_０．５Ｓｉ_０．２またはＴｉ_０．５Ａｌ_０．５ターゲットを組み合わせて、基板電圧５０Ｖを印加して、表１に示す金属元素の原子分率で示す種々の組成の硬質被膜ａ層を得た。電子プローブマイクロアナリシスにより得られた硬質被膜ｂの金属成分の構成比とマイクロビッカース硬度計で測定した被膜の硬度を表１に示す。表１からＳｉの添加により膜硬度が向上していること、ならびにＳｉ含有量が１０％を越えた場合においても被膜の硬度低下が生じていないことがわかる。
【００１８】
〔実施例２〕実施例１で作製した被覆超硬チップを大気中で１０００℃、１時間加熱保持し、鋼球による擦過痕を利用したカロテスト法により酸化物層の膜厚を測定した結果を表１中に併記した。従来例１，２，３及び比較例２ではＳｉ含有量が１０％より少ないために耐酸化性が本発明品よりも劣っていた。
【００１９】
〔実施例３〕実施例１に示したコーティング条件にて超硬製のエンドミルφ１０に、表２に示す金属元素の原子分率で示す当該硬質被膜を被覆し、下記の切削条件にて切削試験を実施した。切削試験結果を表２に示す。

【００２０】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の膜構成を示す説明図。
【図２】本発明の実施例１によって得られた被膜の硬度分布を示すグラフ。
【図３】本発明の実施例実施例１〜３に使用したアーク方式イオンプレーティング装置のブロック図。
【符号の説明】
１・・真空装置２・・電子銃３・・工具取り付け治具
４・・アノード５・・金属蒸発源６・・アルゴンガス導入口
７・・窒素ガス導入口８・・金属蒸発源用直流電源９・・電子銃用直流電源
１０・・基板用直流電源１１・・真空排気口１２・・加熱用ヒータ

Claims

高速度鋼、超硬合金のいずれかを母材質とし、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜を被覆してなる工具であって、前記硬質被膜の成分が、（Ｔｉ_ｘＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｉ_ｙ）（Ｃ_ｚＮ_１−ｚ）、ただし、金属元素の原子分率で０．３≦ｘ≦０．４５，０．１＜ｙ≦０．３，０≦ｚ≦０．４
で示される化学組成からなるａ層と、
（Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘ）（Ｃ_ｚＮ_１−ｚ）、ただし、金属元素の原子分率で
０．３≦ｘ≦１．０，０≦ｚ≦０．２で示される化学組成からなるｂ層と、
がそれぞれ１層以上交互に被覆されたものであり、
かつ、ｂ層が被覆母材表面上にあることを特徴とする高機能加工工具。
高速度鋼、超硬合金のいずれかを母材質とし、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜を被覆してなる工具であって、前記硬質被膜の成分が、（Ｔｉ_ｘＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｉ_ｙ）（Ｃ_ｚＮ_１−ｚ）、ただし、金属元素の原子分率で０．３１≦ｘ≦０．３９，０．１１＜ｙ≦０．２１，０≦ｚ≦０．４で示される化学組成からなるａ層と、
（Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘ）（Ｃ_ｚＮ_１−ｚ）、ただし、金属元素の原子分率で
０．４≦ｘ≦０．６，０≦ｚ≦０．２で示される化学組成からなるｂ層と、
がそれぞれ１層以上交互に被覆されたものであり、
かつ、ｂ層が被覆母材表面上にあることを特徴とする高機能加工工具。
前記ａ層の膜厚が０．３〜５μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高機能加工工具。
前記ｂ層の膜厚が０．３〜５μｍであることを特徴とする請求項３記載の高機能加工工具。
前記ａ層の膜厚が２．１〜３．２μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高機能加工工具。
前記ｂ層の膜厚が０．３〜０．６μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高機能加工工具。
前記ａ層及びｂ層を合わせた前記硬質被膜の膜厚が０．５〜１０μｍであることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１に記載の高機能加工工具。
前記ａ層及びｂ層を合わせた前記硬質被膜の膜厚が２．４〜３．７μｍであることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１に記載の高機能加工工具。