JP2005028544A

JP2005028544A - 被覆工具およびその製造方法

Info

Publication number: JP2005028544A
Application number: JP2003272729A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Shibamura; 明俊芝村
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】アーク式イオンプレーティング法による被覆工具は、被覆層の密着性に優れるものの被覆層にマクロ粒子を含むため、切削中にマクロ粒子の除去や脱落に起因する部分的な異常損傷を生じてしまい、短寿命になることが多かった。
【解決手段】基体に接する被覆層の第１層をアーク式イオンプレーティング法により被覆し、第１層を被覆した後、第１層に含まれるマクロ粒子を除去し、第２層を被覆させた多層の被覆工具は、切削中にマクロ粒子の除去や脱落に起因する部分的な異常損傷を生じず、被覆層本来の性能を発揮させるため、工具寿命が向上する。

Description

本発明は、耐摩耗性の優れた被覆工具およびその製造方法に関するものである。その中でも、特に、鋼、鋳鉄などの鉄系材料の切削加工に用いられる被覆工具およびその製造方法に関する。

工具の耐摩耗性向上のため基体の表面に気相法で被覆層を形成することがよく行われている。代表的な気相法としては、ＣＶＤ法やＰＶＤ法がある。ＰＶＤ法として、具体的には、ホロカソード式イオンプレーティング法、スパッタリング法、アーク式イオンプレーティング法を挙げることができるが、このうちアーク式イオンプレーティング法は、密着性の優れた良質な被覆層を得られる反面、固体カソードからの直接放電のため被覆層内に直径１〜５μｍの略球状のマクロ粒子が存在する。マクロ粒子が存在すると工具寿命低下を生じる。この点を改良した従来技術としては、被覆層内のマクロ粒子を機械的な方法により除去し、０．２〜２μｍの深さのクレーターを有する硬質皮膜が表面に形成された耐摩耗性・耐溶着性硬質皮膜被覆工具がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開平７−１５７８６２号公報

ＰＶＤ法の場合、被覆工具の平均層厚は２〜５μｍが好ましく、直径１〜５μｍの略球状のマクロ粒子除去処理を行うと、局部的に基体が露出する。また、マクロ粒子除去処理を行わなくても切削中の被削材との摩擦によりマクロ粒子が脱落すると、局部的に被覆層が薄くなる。切削中において、被覆層の薄い部分は早期に摩耗し、局所的な基体の露出部を生じさせる。特に、マクロ粒子が超硬合金基体に接していた場合は、マクロ粒子除去処理あるいは脱落と同時に局所的な基体の露出部を生じる。このような局所的な基体の露出部は、被覆層と基体の硬さの差および被削材との化学的親和性の差から生じる極端な耐摩耗性の差から、優先的に摩耗するため、部分的な異常損傷を引き起こし工具寿命を低下させる。

一方、アーク式以外のイオンプレーティング法やスパッタリング法では、マクロ粒子を含まない平滑な被覆層が得られるため、局所的な基体の露出部を生じさせないが、被覆層の形成効率が非常に低いことと、被覆層の密着性がアーク式イオンプレーティング方と比較して低いことが実用上問題となる。

本発明は、この様な事情に着目してなされたもので、その目的はマクロ粒子の除去および／または脱落に起因する部分的な異常損傷をなくすことで、工具寿命を向上させるとともに効率よく製造できる被覆工具およびその製造方法を提供しようとするものである。

本発明者は、機械的処理または冷却によって第１層に含まれるマクロ粒子を除去した後、第２層を被覆することにより、工具寿命を向上させることに成功した。具体的には、第１層を被覆した後、直径１〜５μｍの略球状のマクロ粒子を除去し再度被覆することで、マクロ粒子の脱落による局部的な基体露出と層厚減少をなくし工具寿命の向上を実現した。

すなわち、本発明の被覆工具は、基体に被覆層を被覆してなる被覆工具であって、該被覆層が２層以上の多層からなり、該基体に接する被覆層の第１層が、該第１層被覆工程中に発生するマクロ粒子を除去された層であることを特徴とする。

本発明の被覆工具の基体は、工具として一般的に用いられる硬質材料であればよく、具体的には、合金工具鋼、高速度鋼（ハイス）、超硬合金、サーメット、セラミックス、ダイヤモンド焼結体、ｃＢＮ焼結体などを挙げることができる。その中でも超硬合金は、靱性と硬さに優れるため被覆工具の基体として特に好ましい。

本発明の被覆工具における被覆層の第１層は、基体上に被覆することで耐摩耗性向上が得られる硬質材料であればよい。そのような硬質材料としては、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素、Ａｌ，Ｓｉの炭化物、窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの固溶体の中の少なくとも１種が好ましい。具体的には、TiN、TiC、Ti(C,N)、(Ti,Al)N、(Ti,Al,Cr)N、(Ti,Si)N、(Cr,Si)N、TiB₂、Ti(B,N)、Ti(B,N,O)などが挙げられる。被覆層の第２層以降の材料も、特に限定されるものではないが、第１層と同様に、耐摩耗性向上に効果がある硬質材料が好ましい。また、被覆層の第１層の材料と第２層以降の材料は、同一であっても異なっていてもよい。

本発明の被覆工具の被覆層を断面観察すると、第１層には直径１〜５μｍの略半円状あるいは略半楕円状の凹部があり、第２層以降の被覆層が第１層の凹部を埋めるという形態が観察される。第１層の凹部は第１層を貫通して基体まで到達している場合と到達していない場合があるが、第２層以降の被覆層により、層厚がゼロの部分は実質的に皆無となる。第２層にマクロ粒子が含まれる場合は、その脱落が生じても基体の露出は生じず、また、極端に層厚が薄い部分も生じないため、第１層にマクロ粒子が含まれる場合のような致命的な悪影響を与えない。すなわち、本発明の被覆工具は、マクロ粒子の脱落および／または除去に起因する部分的な異常損傷を起こしにくく、そのため、本発明の被覆工具は工具寿命が向上する。

被覆層の最外層としては、最外層に含まれるマクロ粒子の直径が０．５μｍ未満であると好ましい。この場合、被覆工具の表面粗さを改善し工具寿命を向上させる効果がある。被覆層全体の平均層厚が２μｍ未満では耐摩耗性が低下し、５μｍを超えると耐チッピング性が低下する傾向が見られるため、２〜５μｍが好ましい。

本発明の被覆工具の用途としては、ドリル、エンドミル、リーマ、切削チップなどの切削工具、もしくは、金型などの耐摩耗工具を挙げることができる。

本発明の被覆工具の製造方法は、基体に被覆層を被覆してなる被覆工具の製造方法において、該基体に接する該被覆層の第１層をアーク式イオンプレーティング法により被覆する工程と、該第１層に含まれるマクロ粒子を除去する工程と、該被覆層の第２層以降をＰＶＤ法あるいはＣＶＤ法により被覆する工程と、を含むことを特徴とする。

第１層の被覆方法としては、密着性の高いアーク式イオンプレーティング法が好ましい。しかしながら、アーク式イオンプレーティング法による被覆では、直径１〜５μｍの略球状のマクロ粒子が大量に発生し、マクロ粒子を含む第１層が形成される。

第１層に含まれるマクロ粒子を除去する具体的な方法としては、第１層被覆後に機械的な処理を行う方法、第１層被覆後に被覆工具の温度を下げる方法などを挙げることができる。機械的な処理として、具体的には、ガラスビーズによるブラスト処理、ブラシ処理、バレル研磨処理、ラッピング処理、バフ研磨処理などを挙げることができる。また、第１層を被覆した後、被覆工具温度を２００℃以上冷却すると第１層に含まれるマクロ粒子を除去することができる。この現象は、第１層のマクロ粒子以外の部分とマクロ粒子の組成と熱収縮率がわずかに異なるために生じる。

第２層以降の被覆方法は、特に限定されるものではないが、硬質な被覆層が得られるＰＶＤ法またはＣＶＤ法が好ましい。

本発明の被覆工具の効果の一つとしては、部分的な異常損傷を生じないために被覆層は被覆層本来の性能を発揮し、被覆工具の工具寿命を向上させることができる。本発明の被覆工具の製造方法を用いることにより、本発明の被覆工具を得ることができる。

基体として、市販のSNGN120408形状の超硬合金基体（P30）を用意した。基体を、通常の方法で洗浄した後、アーク式イオンプレーティング炉内に装入し、１×１０^-3Ｐａ以下まで排気後、ヒーター温度５００℃として基体の加熱処理を１時間行った。その後、ターゲット材料：TiAl合金（Ti/Al＝50／50at%）、アーク電流値：１００Ａ、Ａｒガス圧力：０．２Ｐａ、基体電圧：−６００Ｖで、メタルイオンボンバード処理を１５分間行った。次いで、上記と同じTiAl合金ターゲットを用い、アーク電流値：１００Ａ、基体電圧：−５０Ｖ、Ｎ₂ガス圧力：２．６６Ｐａとする被覆条件で表１に示す層厚のTiAlN層を被覆した。その後、試料番号１〜３には、表２に示す条件でガラスビーズによるマクロ粒子除去処理を行った。

さらに、試料番号１、２は、ガラスビーズ処理の後に通常の洗浄を行い、アーク式イオンプレーティング炉内に装入し、第１層の被覆工程と同様に、排気、加熱工程、メタルイオンボンバード工程を経て、第１層の被覆工程と同一の被覆条件で、表１に示す層厚のTiAlN層を被覆した。こうして得られた試料を用いて下記のフライス切削試験を実施した。その際、平均逃げ面摩耗量が０．３ｍｍになるまでの時間、または、最大逃げ面摩耗量が０．３５ｍｍになるまでの時間を工具寿命とし、その結果を表1に示した。

フライス切削試験条件
被削材：SCM440、切削速度Ｖｃ＝２００ｍ／ｍｉｎ、切り込みｄ＝２．０ｍｍ、一刃当たりの送りｆ＝０．２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、一枚刃中心切削、水溶性切削油使用。

損傷形態を観察すると、比較品である試料番号３、４は、切削初期から基体の露出が生じ、それが拡大して工具寿命（最大逃げ面摩耗量が０．３５ｍｍになる）に至ったのに対し、発明品である試料番号１、２は、部分的な異常損傷は生じず、均一な逃げ面摩耗により工具寿命（平均逃げ面摩耗量が０．３ｍｍになる）に至った。

基体として、市販のSNGN120408形状の超硬合金基体（P30）を用意した。基体を、通常の方法で洗浄した後、アーク式イオンプレーティング炉内に装入し、１×１０^-3Ｐａ以下まで排気後、ヒーター温度５００℃として基体の加熱処理を１時間行った。その後、ターゲット材料：TiAl合金（Ti/Al＝50／50at%）、アーク電流値：１００Ａ、Ａｒガス圧力：０．２Ｐａ、基体電圧：−６００Ｖで、メタルイオンボンバード処理を１５分間行った。次いで、上記と同じTiAl合金ターゲットを用い、アーク電流値：１００Ａ、基体電圧：−５０Ｖ、Ｎ₂ガス圧力：２．６６Ｐａとする被覆条件で表３に示す層厚のTiAlN層を被覆した。その後、試料番号５〜７には、実施例１の表２と同一条件でガラスビーズによるマクロ粒子除去処理を行った。

さらに、試料番号５、６は、ガラスビーズ処理の後に通常の洗浄を行い、表４に示す方法で、第２層を被覆した。こうして得られた試料を用いて実施例１と同一の切削条件でフライス切削試験を実施した。その際、平均逃げ面摩耗量が０．３ｍｍになるまでの時間、または、最大逃げ面摩耗量が０．３５ｍｍになるまで時間を工具寿命とし、その結果を表３に示した。

損傷形態を観察すると、実施例１と同様に、比較品である試料番号７、８は、切削初期から基体の露出が生じ、それが拡大して工具寿命（最大逃げ面摩耗量が０．３５ｍｍになる）に至ったのに対し、発明品である試料番号５、６は、部分的な異常損傷は生じず、均一な逃げ面摩耗により工具寿命（平均逃げ面摩耗量が０．３０ｍｍになる）に至った。

上記実施例１、２から明らかなように比較品は、マクロ粒子またはマクロ粒子を除去した凹部が原因となり部分的な異常損傷が発生するため、平均逃げ面摩耗量で寿命になる前に最大逃げ面摩耗量で寿命となってしまう。異常損傷の生じない場合と比較すると工具寿命は短くなる。一方、発明品は異常損傷が生じず、逃げ面摩耗が進行して寿命となるため、被覆層本来の性能が発揮でき、工具寿命が向上した。また、発明品は部分的な異常損傷が無くなったため比較品より工具寿命が安定した。

Claims

基体に被覆層を被覆してなる被覆工具であって、該被覆層が２層以上の多層からなり、該基体に接する被覆層の第１層が、該第１層被覆工程中に発生するマクロ粒子を除去された層であることを特徴とする被覆工具。
該被覆層の最外層に含まれるマクロ粒子の直径が、０．５μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。
基体に被覆層を被覆してなる被覆工具の製造方法において、該基体に接する該被覆層の第１層をアーク式イオンプレーティング法により被覆する工程と、該第１層に含まれるマクロ粒子を除去する工程と、該被覆層の第２層以降をＰＶＤ法あるいはＣＶＤ法により被覆する工程と、を含むことを特徴とする被覆工具の製造方法。