(57)【要約】【課題】耐摩擦性と高いすべり性を兼備し、連続切削で摩耗しても性質が変化しない切削用工具を提供する。【解決手段】切削用工具は、表面粗さが５００〜２０００オングストロームの基材１１の表面に、基材の表面粗さの１／２０以上１／３以下の厚さで、硬度が大きいＴｉＡｌＮ層１２とすべり性に優れたＣｒＮ層１３が交互に積層され、全体で厚さ１〜３μｍの金属層が構成されたものである。表面が摩耗すると、表面にはＴｉＡｌＮ層１２とＣｒＮ層１３が同時に現れるので、高い耐摩耗性とすべり性が同時に得られ、摩耗が進行しても初期と同じ状態・性能を維持できる。【選択図】図３
2010214522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の表面粗さを有する基材の表面に当該基材とは異なる金属からなる金属層がコーティングされた工具において、
互いに機械的性質が異なるとともに前記基材の前記表面粗さよりも小さい膜厚とされた第１の金属層と第２の金属層が交互に積層されたことを特徴とする工具。
【請求項２】
前記基材の前記表面粗さが５００〜２０００オングストロームの範囲内にあり、前記第１の金属層の膜厚と、前記第２の金属層の膜厚が、前記基材の前記表面粗さの１／２０以上１／３以下であることを特徴とする請求項１記載の工具。
【請求項３】
前記第１の金属層と前記第２の金属層の各膜厚の合計が１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の工具。
【請求項４】
前記第１の金属層が、前記第２の金属層に比較して相対的に硬度が大きい金属からなり、少なくとも前記基材の表面に接して形成されており、
前記第２の金属層が、前記第１の金属層に比較して相対的にすべり性の高い金属からなることを特徴とする請求項３記載の工具。
【請求項５】
前記第１の金属層が、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＣＮからなる群から選択された金属であり、
前記第２の金属層が、前記第１の金属層と機械的性質が異なるように、ＣｒＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮからなる群から選択された金属であることを特徴とする請求項４記載の工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面に金属層がコーティングされた切削用工具に係り、特に機械的性質の異なる２種類の金属層が交互に積層するようにコーティングされ、摩耗によって切削性能が変化しないように工夫された切削用工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、工作機械等に設けられる切削用工具には、切削時の摩擦に耐えるための硬さや、被削材を速やかに排出しうる摩擦係数の低さを示すすべり性等が求められる。従って、切削用工具には、求められる性能に応じて種々の工具用金属材料の中から適当な金属材料が基材として選択されるとともに、当該基材の表面には、特に必要な機械的性質を実現するために金属層がコーティングされることがある。
【０００３】
下記特許文献１には、基材の表面にＴｉとＡｌの炭化物、窒化物及び炭窒化物のような耐摩耗性を有する金属を１層あたり１〜４μｍの厚さで１層乃至３層積層させて硬質被膜層を形成した金属部材についての発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−５６５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献に記載の発明によれば、基材の表面に耐摩耗性を有する金属を１層乃至３層積層させて硬質被膜層を形成したので、切削用工具に適用した場合には連続切削に対する耐摩耗性は向上するが、その他の性質、例えばすべり性等は十分とはいえず、切削時に削りくずを速やかに排出することができない。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、切削時の摩擦に耐える硬度と、被削材を速やかに排出する高いすべり性を兼備し、しかも連続切削により摩耗しても性質が変化しない切削用工具を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載された切削用工具は、
所定の表面粗さを有する基材の表面に当該基材とは異なる金属からなる金属層がコーティングされた切削用工具において、
互いに機械的性質が異なるとともに前記基材の前記表面粗さよりも小さい膜厚とされた第１の金属層と第２の金属層が交互に積層されたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２に記載された切削用工具は、請求項１記載の切削用工具において、
前記基材の前記表面粗さが５００〜２０００オングストロームの範囲内にあり、前記第１の金属層の膜厚と、前記第２の金属層の膜厚が、前記基材の前記表面粗さの１／２０以上１／３以下であることを特徴としている。
【０００９】
請求項３に記載された切削用工具は、請求項２記載の切削用工具において、
前記第１の金属層と前記第２の金属層の各膜厚の合計が１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載された切削用工具は、請求項３記載の切削用工具において、
前記第１の金属層が、前記第２の金属層に比較して相対的に硬度が大きい金属からなり、少なくとも前記基材の表面に接して形成されており、前記第２の金属層が、前記第１の金属層に比較して相対的にすべり性の高い金属からなることを特徴としている。
【００１１】
請求項５に記載された切削用工具は、請求項４記載の切削用工具において、
前記第１の金属層が、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＣＮからなる群から選択された金属であり、
前記第２の金属層が、前記第１の金属層と機械的性質が異なるように、ＣｒＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮからなる群から選択された金属であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載された切削用工具によれば、基材の表面粗さよりも膜厚が小さい種類の金属層を基材上に交互に積層したので、使用によって摩耗すると表面に両方の金属層が同時に現れて互いに異なる各々の機械的性質が同時に発揮される。また、連続切削により摩耗がさらに進んでも、表面に両方の金属層が同時に現れる状態は変化しないので、各金属層の機械的性質が同時に発揮される状態も変化せず、維持される。
【００１３】
請求項２に記載された切削用工具によれば、請求項１記載の切削用工具による効果において、さらに、各金属層の厚さが基材の表面粗さの１／２０以上１／３以下なので、使用状態や使用による摩耗の状況等に左右されることなく、切削用工具の表面には常に両方の金属層が同時に現れ、各々の機械的性質が同時に発揮される効果を確実に得ることができる。
【００１４】
請求項３に記載された切削用工具によれば、請求項２記載の切削用工具による効果において、さらに、全金属層の合計厚さを１μｍ以上としたので切削による摩耗の進行が速すぎることがなく、また全金属層の合計厚さを３μｍ以下としたので金属層が厚すぎて摩耗する前に基体から剥がれ落ちてしまうおそれがない。
【００１５】
請求項４に記載された切削用工具によれば、請求項３記載の切削用工具による効果において、さらに、第１の金属層が第２の金属層と比較して相対的に硬度が大きい金属であり、第２の金属層が第１の金属層と比較して相対的にすべり性の高い金属であるため、硬さによる良好な耐摩耗性と、すべり性による被削材の良好な排出性とを共に向上させることができる。また、硬度の大きい第１の金属層は基材に対する被着性が高いので、積層された金属層は全体として基材に対し安定して被着した状態を保つことができる。
【００１６】
請求項５に記載された切削用工具によれば、請求項４記載の切削用工具による効果において、第１の金属層としては、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＣＮの群から選択することができ、第２の金属層としては、第１の金属層と機械的性質が異なる限りにおいて、ＣｒＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮの群から選択することができ、両群から高い自由度で選択した各金属の多様な組み合わせを目的に応じて任意に設定することができ、選択の幅が広いという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る切削用工具の製造に使用されるアークイオンプレーティング装置の構造を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る切削用工具において、金属層を積層する前の基材の表面粗さの一例を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る切削用工具の同図（ｂ）のａ−ａ切断線における模式的断面図であり、図３（ｂ）は、同切削用工具を表面に垂直な面で切断した模式的断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る切削用工具の切削試験において、比較例とした切削用工具の金属層の種類及びその膜厚と、達成した切削長を示した表図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に係る切削用工具の切削試験において、当該切削用工具の金属層の１層あたりの厚さと、達成した切削長及び良好な効果が得られた試料であることを示す○印を示した表図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の第１又は第２実施形態に係る試験例に供された切削用工具のうち、一層の厚さが５００オングストロームの切削工具を表面に垂直な面で切断した断面図であり、図６（ｂ）は、同図（ａ）の部分拡大図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係る切削用工具の切削試験において、当該切削用工具の金属層の１層あたりの厚さと、達成した切削長及び良好な効果が得られた試料であることを示す○印を示した表図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態を図１〜図７を参照して説明する。
１．アークイオンプレーティング装置の構造
本発明の切削用工具は、所定の表面粗さを有する基材の表面に、互いに機械的性質が異なるとともに、前記基材の表面粗さよりも小さい膜厚となるように、第１の金属層と第２の金属層を交互に積層したものである。基材の表面に２種類の金属層を交互に積層させるために、本例では図１に示すようなアークイオンプレーティング装置１が使用される。
【００１９】
図１に示すように、このアークイオンプレーティング装置１は、被コーティング物である切削用工具の基材を収納する真空チャンバー２を備えている。真空チャンバー２は高気密性の箱型容器であり、内部の気体を図示しない排気ポンプによって排気するための排気口３と、コーティング工程で内部に必要なプロセスガスを導入するための供給口４が設けられている。
【００２０】
真空チャンバー２内には、外部に設けられた図示しない駆動源によって回転する回転式テーブル５が設けられており、この回転式テーブル５にはバイアス電源６により一定の負のバイアス電圧が印加できるようになっている。
【００２１】
真空チャンバー２内には、切削用工具の基材にコーティングしようとする金属材料からなる第１及び第２のターゲット７，８が、回転式テーブル５の真上と左側方の２箇所にそれぞれ設けられている。これらのターゲット７，８は各アーク電源９の負極に接続されたカソードであり、各アーク電源９の陽極には各ターゲット７，８の周囲にそれぞれ設けられた略円筒形のアノード１０が接続されている。カソードである２つのターゲット７，８は、真空チャンバー２の外で回路的に接続されて同電位とされている。
【００２２】
２．アークイオンプレーティング装置１による金属層の形成
回転式テーブル５の上に切削用工具の基材１１を配置する。基材１１の材質としては、切削用工具としての用途・目的に応じて適宜選択すればよいが、例えば炭素工具鋼の他、炭素工具鋼に少量のタングステン、クロム、バナジウム等が添加された合金工具鋼（低合金工具鋼）や、鋼にクロム、タングステン、モリブデン、バナジウムといった金属成分を多量に添加した高速度工具鋼（ハイス鋼）を採用することができる。
【００２３】
工具の種類により基材１１の表面粗さは異なるのが通常であるが、本例では、成膜前の基材１１の表面粗さとしては５００オングストロームから２０００オングストロームの範囲内を対象とした。図２に示す例では、表面粗さが２０００オングストロームとなっている。
【００２４】
真空チャンバー２内の所定位置に金属材料からなる第１及び第２のターゲット７，８をそれぞれ装着してそれぞれアーク電源９に接続する。本例では、基材１１に２種類の金属層を交互に被着する。第１の金属層としては、基材１１及び第２の金属層に比べて相対的に硬度が大きい金属としてＴｉＡｌＮを採用するため、真空チャンバー２の上方に設ける第１のターゲット７はＴｉＡｌとする。また、第２の金属層としては、基材１１及び第１の金属層に比べて相対的にすべり性の高い金属としてＣｒＮを採用するため、真空チャンバー２の左側面に設ける第２のターゲット８はＣｒとする。各金属層に含まれるＮはプロセスガスである窒素ガスから供給される。
【００２５】
基材１１に対する金属層の被着の順序であるが、硬度が大きい金属の方が一般的に金属に対する被着性が良好であるため、本例において基材１１に最初に被着するのはＴｉＡｌＮとする。また、金属の被着工程はＣｒＮの被着で終了することにより、切削用工具の最表面をＣｒＮ層で覆うものとする。これは、基材１１の刃部以外の部分もすべり性の高いＣｒＮ層で覆うことにより、被削材がＣｒＮ層の高いすべり性で速やかに排出できるようにするためである。
【００２６】
なお、第２の金属層と比較して相対的に硬度が大きい第１の金属層としては、ＴｉＡｌＮの他、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＣＮ等の中から採用可能である。また、第１の金属層と比較して相対的にすべり性が良好な第２の金属層としては、第１の金属層と機械的性質が異なるように他の金属を選択する限りにおいて、ＣｒＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の中から採用可能である。すなわち、ＣｒＳｉＮやＴｉＣＮは、切削用工具のコーティングに用いる金属として硬度及びすべり性の両方について採用しうる性能を有しているので、これらを硬度又はすべり性のために選択する場合には、他方の金属については、これよりもすべり性又は硬度が良好な別の金属を採用するものとする。
【００２７】
アークイオンプレーティング装置１を用いた金属層の形成について説明する。排気口３から真空チャンバー２内の空気を抜いて真空度を高め、供給口４からプロセスガスとしての窒素を導入する。図１に示すように、回転式テーブル５を回転させながら、真空チャンバー２の上方に設けられたターゲット７とアノード１０の間にアーク電源９によってアーク放電を発生させ、ターゲット７の金属であるＴｉＡｌを蒸発させる。蒸発したＴｉＡｌと雰囲気ガスである窒素から構成されたイオンが、負のバイアス電圧が印加された基材１１の表面に堆積し、第１の金属層であるＴｉＡｌＮを形成する。
【００２８】
次に、ターゲット７への通電を切って、ターゲット８に通電を切り替える。すなわち、回転式テーブル５の回転を継続しながら、真空チャンバー２の左側面に設けられたターゲット８とアノード１０の間にアーク電源９によってアーク放電を発生させ、ターゲット８の金属であるＣｒを蒸発させる。蒸発したＣｒと雰囲気ガスである窒素から構成されたイオンが、負のバイアス電圧が印加された基材１１に前工程で被着しているＴｉＡｌＮの上に堆積し、第２の金属層であるＣｒＮを形成する。
【００２９】
このように、基材１１を回転させながら、第１及び第２のターゲット７，８への通電を交互に切り替えて蒸着を各々必要回数だけ繰り返すことにより、基材１１の表面にＴｉＡｌＮ層とＣｒＮ層を積層して形成することができる。
【００３０】
各金属層の個々の厚さは、基材１１の表面粗さよりも小さいものとし、基材１１の表面の表面粗さによる凹凸が、金属層を被着しても当該金属層の表面に同様の凹凸として現れるようにする。具体的には次項の「実施例」で説明するが、各金属層の膜厚は、基材１１の表面粗さの１／２０以上１／３以下であるものとし、また両金属層の各膜厚の合計は１μｍ以上３μｍ以下であるものとする。
【００３１】
３．得られた金属層の構成
図３（ｂ）に、以上の製造工程で金属膜を形成した切削用工具の表面に垂直な面で切断した場合の模式的断面図を示す。基材１１の表面には硬度が大で金属に対する被着性が良好なＴｉＡｌＮ層１２があり、ＣｒＮ層１３と交互に積層した金属層が構成されており、基材１１の最表面はすべり性の良好なＣｒＮ層１３で覆われている。
【００３２】
図３（ｂ）に示すように、２種類の金属層１２，１３が交互に重ねられた金属層の表面は、基材１１の表面と略同様の粗さが現れている。これを切削用工具として用いた場合には、図３（ｂ）中に切断線ａ−ａで示唆するように突出した部分が摩耗して表面が平坦に近い状態となり、図３（ａ）に示すように、切削用工具の表面には２種類の金属層１２，１３が交互に縞状に現れる。
【００３３】
このような状態になると、切削用工具としては、硬度の大きいＴｉＡｌＮ層１２による耐摩耗性と、すべり性の良好なＣｒＮ層１３による切削くずの排出性の両方の性能を高いレベルで発揮できることとなる。そして、累積総切削長が大きくなって切削用工具の摩耗が進んでも、ＴｉＡｌＮ層１２とＣｒＮ層１３が交互に縞状に現れた表面状態は依然として維持されるので、最終的にすべての金属層が摩耗して基材１１が露出するまで、良好な耐摩耗性及びすべり性が継続的に維持されて安定した切削を長期間継続することができる。
【００３４】
４．実施例
次に、以上説明した本例の切削用工具を実際に種々の条件で製造し、また単層の金属膜を有する切削用工具を比較例として製造し、これらを切削試験に供して互いに寿命を比較することにより、本例の切削用工具の構成において必要とされる膜厚等の諸条件について検討する。
【００３５】
（１）切削条件等
本実施例の切削用工具はＷＣ−Ｃｏからなり、外径１０ｍｍ、刃長２２ｍｍ、全長８０ｍｍ、シャンク径１０ｍｍのエンドミルであり、その表面粗さ１５００オングストロームの基材１１に、前述したようにＴｉＡｌＮ層１２とＣｒＮ層１３が交互に積層した合計厚さ３μｍの金属層を形成した。このエンドミルを実際に切削に供して寿命評価を行なった。切削条件は、被削材を機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃとし、切削速度５０ｍ／ｍｉｎ、１刃当たりの送り量０．４４ｍｍ／刃、切り込み深さは径方向１ｍｍ、軸方向１５ｍｍとした。以上の条件で切削を行い、エンドミルの切刃の切削方向と反対側の面である逃げ面の摩耗量が０．２ｍｍに達した時をもって寿命とし、その時の切削長を記録した。なお、逃げ面の摩耗量が０．２ｍｍに達したか否かは切削長３〜５ｍごとに随時切削を中断して確認するものとした。
【００３６】
（２）比較例
図４は、比較例であるＴｉＡｌＮを単層で３００００オングストローム（３μｍ）の厚さに形成した比較例の寿命評価試験の結果を示すものであり、寿命に達した時点での累積切削長（以下、単に切削長と呼ぶ）は５０ｍであった。
【００３７】
（３）実施例１
図５は、第１実施例であるＴｉＡｌＮ層１２とＣｒＮ層１３が交互に積層された多層膜の切削用工具であり、１層当たりの厚さを１０オングストロームから２０００オングストロームまで変化させて７種類製作し、それぞれ上述した試験を行なって寿命としての切削長の値を得た。同図中、○印を付したものが比較例と比較した場合に良好な結果と考えられるものであり、１層当たりの厚さが７５オングストロームで切削長が８０ｍ、１層当たりの厚さが２５０オングストロームで切削長が９０ｍ、１層当たりの厚さが５００オングストロームで切削長が９５ｍとなっている。この範囲について基材１１の表面粗さ１５００オングストロームと比較すると、金属層の１層当たりの厚さは、図５の表中の「１層当たりの厚さ」の欄中に膜厚の数値に並べて表記したように、基材１１の表面粗さの１／２０以上１／３以下であることが条件となる。
【００３８】
また、図５において、切削用工具の基材１１の表面粗さの１／２０未満、同１／３を越える範囲では、効果が得られないことも確認された。
【００３９】
また、総膜厚は１μｍから３μｍが良好であり、これよりも薄いと摩耗が早くなり（切削長が短くなり）、またこれよりも厚いと膜厚が均一になりにくく、厚くなりすぎたところの金属層が剥離して基材１１から剥がれ落ちてしまう原因となる。第１実施例は総膜厚が３μｍの例であるが、同様の実験により総膜厚で１μｍ〜３μｍの範囲で効果が得られることが確認されている。
【００４０】
図６は、本実施例における切削用工具の金属膜の状態を実施例の実際の寸法に従って表した図であり、同図（ａ）は表面粗さ約１５００オングストロームの基材１１の表面を示す図であり、同図（ｂ）は当該基材１１の表面に、１層当たり約５００オングストロームのＴｉＡｌＮ層１２とＣｒＮ層１３が交互に積層されて全体で約３００００オングストロームの金属層が構成されている状態を拡大して示したものである。従って、図６（ｂ）に示す構造によれば、一部省略して示しているが、各層ごとに３０層、合計６０層の金属層が積層した状態になり、最下層のＴｉＡｌＮ層１２は基材１１の凹凸に入り込んで確実に被着し、最上層のＣｒＮ層は基材１１と同様の凹凸を見せている。
【００４１】
従って、図６（ｂ）中に下向きの矢印で示すように、切削に伴って金属層が摩耗して凹凸が均され、同図中に切断線で示すように表面が略平坦になると、同表面には、ＴｉＡｌＮ層１２とＣｒＮ層１３が交互に縞状になって現れることとなり、硬度の大きいＴｉＡｌＮ層１２による耐摩耗性と、すべり性の良好なＣｒＮ層１３による切削くずの排出性の両方の性能を高いレベルで発揮できる。切削用工具の摩耗が進んで金属層全体としての厚さが減じても、ＴｉＡｌＮ層１２とＣｒＮ層１３が縞状になって同一表面内に現れる状態は維持されるので、最終的に基材１１が露出するまでは、良好な耐摩耗性及びすべり性が継続的に維持されて安定した切削を長期間継続できる。
【００４２】
（４）実施例２
図７は、第２実施例であるＴｉＡｌＮ層とＣｒＳｉＮ層（ＣｒＳｉ中のＳｉ含有率３％）が交互に積層された多層膜の切削用工具である。その他の条件等は第１実施例と同一である。本例においては、１層当たりの厚さが７５オングストロームで切削長が８５ｍ、１層当たりの厚さが２５０オングストロームで切削長が９５ｍ、１層当たりの厚さが５００オングストロームで切削長が１００ｍとなっており、第１実施例よりも寿命が伸びている。これは、Ｓｉを添加したことにより膜の硬度がより高くなったためと考えられる。第１実施例と同様、本例においても金属層の１層当たりの厚さは基材１１の表面粗さの１／２０以上１／３以下であることが条件となる。その他の事項についても第１実施例と同様の結果が得られた。
【００４３】
なお、以上説明した各実施例では、切削用工具の基材１１の材質はＷＣ−Ｃｏであったが、高速度工具鋼でも同様の結果が得られた。また、本実施形態乃至実施例では、金属膜の形成にアークイオンプレーティング装置１を用いるものとしたが、アーク放電でなく電子ビーム等を用いて行なうイオンプレーティング装置や、その他の蒸着手段乃至手法を用いることもできる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の切削用工具によれば、単層膜や、耐摩耗性を有する複数種類の金属膜を基材に積層して設けた場合に比べ、耐摩耗性と摺動性の両方に優れるため、工具の長寿命化が図れるとともに切削性が向上し、しかも長時間使用して摩耗が進行しても初期と同じ状態・性能を維持できるという効果がある。
【符号の説明】
【００４５】
１…アークイオンプレーティング装置
７，８…ターゲット
１１…基材
１２…第１の金属層としてのＴｉＡｌＮ層
１３…第２の金属層としてのＣｒＮ層
【図１】
2010214522.tif 000003
【図２】
2010214522.tif 000004
【図３】
2010214522.tif 000005
【図４】
2010214522.tif 000006
【図５】
2010214522.tif 000007
【図６】
2010214522.tif 000008
【図７】
2010214522.tif 000009