(57)【要約】【課題】  アルミニウムのセミドライ加工において、凝着なく加工しうる表面処理が施された被覆工具を提供する。【解決手段】  アルミニウム等の材料の被削材を加工するための被覆工具は、母材と、前記母材上に表面処理により形成された非晶質カーボンの表面処理材とを具備する。前記被削材と前記表面処理材との表面自由エネルギー差が2.8ｍＮ／ｍ以上であることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム等の材料の被削材を加工するための被覆工具において、この被覆工具は、
母材と、
前記母材上に表面処理により形成された表面処理材と、
を具備しており、
前記被削材と前記表面処理材との表面自由エネルギー差が所定値以上であることを特徴とする被覆工具。
【請求項２】
前記表面自由エネルギー差の所定値が2.8ｍＮ／ｍであることを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。
【請求項３】
前記被削材はアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の被覆工具。
【請求項４】
前記表面処理材と前記被削材とのドライでの摩擦係数が0.70以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の被覆工具。
【請求項５】
前記母材は高速度鋼であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の被覆工具。
【請求項６】
前記表面処理材が非晶質カーボンであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の被覆工具。
【請求項７】
前記非晶質カーボン膜を形成する工程は、メタン等の水素を含まない原料を用いた物理蒸着法により実施されたことを特徴とする請求項６に記載の被覆工具。
【請求項８】
前記メタン等の水素を含まない原料は固体カーボンであることを特徴とする請求項７に記載の被覆工具。
【請求項９】
前記母材と前記表面処理材との間に、クロム、チタン又はそれらの合金等の中間層を更に具備することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の被覆工具。
【請求項１０】
前記被覆工具はセミドライ加工において使用されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の被覆工具。
【請求項１１】
前記被覆工具は転造用工具であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械加工用の工具に係り、特にはアルミニウム又はアルミニウム合金のセミドライ加工に使用される被覆工具に関する。本発明はより特別には、転造工具、転削工具(ドリル、エンドミル、リーマなど)、フライス工具、旋削工具、切断工具(カッター、ナイフ、スリッター等)の表面に非晶質カーボン膜を形成した工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削加工は、切削油をかけながら刃具を用いてワークを造形するものである。切削油は設備１台あたり約50ｌ／minもの量を循環させて使用している。ここで切削油の役割は、刃具の潤滑、刃具の冷却、切屑排出等重要なものである。これらの役割を担うために、切削油には成分として極圧添加剤、界面活性剤、防錆材、防腐剤等が含まれている。これらの成分の内、塩素はダイオキシン、窒素やリンは赤潮の発生原因となっており、これらの有害物質の排除が求められている。また、精密部品の精度確保や高速加工のため、切削油を多量に使用することがあり、この場合もその削減が必要である。そこで、切削油を極微量に抑えるセミドライ加工技術が必要とされている。
ここで、セミドライ加工とは、セミドライ切削加工用水溶性切削油剤組成物を霧状で切削部位に供給し切削を行なう加工方法である。
【０００３】
刃具に表面処理を施して特性を付与するという考え方は、既知のものである。しかし、従来技術は、耐摩耗性や耐酸化性、あるいは母材との密着力といった、刃具寿命の延長を狙ったものが主であった（例えば、特許文献１及び２参照）。しかし、このような狙いから施される表面処理（例えば、TiNやTiAlNなど）では、アルミニウムのセミドライ加工において表面処理とアルミニウムで凝（溶）着が発生してしまうという問題点があった。
【０００４】
そこで、耐摩耗性、潤滑性に優れていることから、非晶質カーボン皮膜（一般にダイヤモンドライクカーボンと称される）が刃具の表面処理として注目されている。例えば、高速度鋼または超硬合金からなるドリルに、TiC，TiN，TiCN，TiAlN，CrNもしくはこれらの組合せを含む硬化物質をコーティングし、その上にダイヤモンドライクカーボンを含む非晶質カーボン皮膜を被覆させている（例えば、特許文献３参照）。また、工具鋼または超硬合金からなる工具上に、原子比率がSi（0.03-0.25）Ｃ（0.30-0.75）Ｈ（0.22-0.50）である珪素含有非晶質カーボン皮膜を被覆させている（例えば、特許文献４参照）。しかし、これらの技術は、アルミニウムのセミドライ加工において十分な耐凝着性を持ち合わせていなかった。
また、非晶質カーボン皮膜により耐摩耗性および耐凝着性に優れた皮膜の提案（例えば、特許文献５参照）も見られるものの、セミドライ加工に関する記載がなく、その加工性も明らかとなっていない。
【０００５】
切削油の役割は刃具に対する潤滑、冷却、および切屑の排出である。セミドライ化で切削油を極微量に抑えることにより発生する課題として、加工の可否、刃具寿命の低下、加工精度の劣化、設備停止等が考えられる。これらの課題に対する取り組みとして、高性能切削油開発、刃具コーティング技術開発、切屑排出性向上設備開発が挙げられる。ここで、本発明は刃具コーティング技術に関わるもので、特に被削材をアルミニウムとして用いた場合の加工である。
しかし、被削材としてアルミニウムを用いた場合のセミドライ加工においては、被削材と刃具の凝着が課題で、そもそも加工自体が困難であった。
【０００６】
また、被覆工具に関する別の従来技術がある（例えば、特許文献６及び７参照）が、本発明の提案を開示するものではない。
【特許文献１】特許第３５８６２１７号
【特許文献２】特開２００４−１８１５６５号
【特許文献３】特開２０００−１７６７０５号
【特許文献４】特開２００４−２０２５９２号
【特許文献５】特開２００３−６２７０５号
【特許文献６】特開２００３−１９１１０７号
【特許文献７】特許第３３７２４９３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、特には、アルミニウムのセミドライ加工において、凝着なく加工し得る表面処理が施された被覆工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１の形態では、上述した目的を達成するために、アルミニウム等の材料の被削材を加工するための被覆工具は、母材と、前記母材上に表面処理により形成された表面処理材とを具備する。前記被削材と前記表面処理材との表面自由エネルギー差が所定値以上であることを特徴とする。
【０００９】
この様に構成することにより、従来からの表面処理された工具に比較して、特にはアルミニウムの加工において、凝着のない加工が可能である。
【００１０】
本発明の請求項２の形態では、上記請求項１の形態において、前記表面自由エネルギー差の所定値が2.8ｍＮ／ｍであることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の特徴である前記表面自由エネルギー差の値をより具体化する。
【００１１】
本発明の請求項３の形態では、上記請求項１又は２のいずれかの形態において、前記被削材はアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする。
本形態によれば、被削材の材質をより具体化する。
【００１２】
本発明の請求項４の形態では、上記請求項１から３の形態のいずれか一項において、前記表面処理材と前記被削材とのドライでの摩擦係数が0.70以下であることを特徴とする。
本形態によれば、表面処理材の特性を更に具体化する形態を開示する。
【００１３】
本発明の請求項５の形態では、上記請求項１から４の形態のいずれか一項において、前記母材は高速度鋼であることを特徴とする。
本形態によれば、母材の材質をより具体化する。
【００１４】
また、本発明の請求項６の形態では、上記請求項１から５の形態いずれか一項において、前記表面処理材が非晶質カーボンであることを特徴とする。
本形態によれば、表面処理材の材質をより具体化する。
【００１５】
本発明の請求項７の形態では、上記請求項６の形態において、前記非晶質カーボンの膜を形成する工程は、メタン等の水素を含まない原料を用いた物理蒸着法により実施されたことを特徴とする。
本形態によれば、表面処理材である非晶質カーボンの膜を形成するための材料及び方法をより具体化する。
【００１６】
本発明の請求項８の形態では、上記請求項７の形態において、前記メタン等の水素を含まない原料は固体カーボンであることを特徴とする。
本形態によれば、表面処理材である非晶質カーボンの膜の材料を更により具体化する。
【００１７】
本発明の請求項９の形態では、上記請求項１から８の形態のいずれか一項において、前記母材と前記表面処理材との間に、クロム、チタン又はそれらの合金等の中間層を更に具備することを特徴とする。
本形態によれば、本発明の被覆工具の加工性能を更に向上させる形態を開示する。
【００１８】
本発明の請求項１０の形態では、上記請求項１から９の形態のいずれか一項において、前記被覆工具はセミドライ加工において使用されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の被覆工具の用途をより具体化する。
【００１９】
本発明の請求項１１の形態では、上記請求項１から１０の形態のいずれか一項において、前記被覆工具は転造用工具であることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の被覆工具の種類をより具体化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の被覆工具の実施の形態について図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の１つの好適な実施の形態の被覆工具１の構成を部分断面で示す説明図である。説明を分り易くするため、ノンスケールで部分的に強調して表示している。本実施の形態の被覆工具１は、転造タップであり、母材（又は基材）２と、母材２上に被覆された中間層４と、中間層４上に表面処理により形成された表面処理材（又は被覆）３とを具備する。本実施の形態において、母材２は高速度鋼により形成され、中間層４はクロム（Cr）被覆であり、表面処理材３は非晶質カーボンにより形成される。非晶質カーボンは、物理蒸着法、化学蒸着法等の表面処理により母材２に被覆される。また本実施の形態においては、セミドライ加工が難しいことで知られるアルミニウム又はアルミニウム合金を被削材とし、上記の被覆工具１によりそれをセミドライ加工する。その際前記の従来技術の被覆工具とは異なり、被削物と刃具の凝着を生じることがない。
【００２１】
まず、凝着について述べると、樹脂・ゴムの粘着メカニズムは、一般的に物理作用（くさび効果等）と化学作用から説明されている。ここで、化学作用としては、粘着を問題とする物質間の表面自由エネルギーの差が、表面の結合性の尺度として用いられている。出願人は、この表面自由エネルギーに着目し、被削材と刃具との関係においても適用できることを見出した。即ち、被削材と刃具の凝着防止性能と、表面処理と被削材との間の表面自由エネルギーの差には因果関係があることを見出した。
【００２２】
本実施の形態においては、被削材はアルミ材で固定であるため、表面自由エネルギーの差を変化させるためには、刃具の表面自由エネルギーを変化させる必要がある。そこで、出願人は刃具への表面処理に着目した。更に出願人は、各種表面処理の表面自由エネルギーを評価したところ、非晶質カーボン（ＤＬＣ；ダイアモンドライクカーボン）、とりわけ水素を含まないＤＬＣにおいて、被削材（アルミ材）との表面自由エネルギーの差を大きくすることが可能であることを見出した。
【００２３】
出願人は、上記の考えが正しいことを証明するため、従来品の工具と本発明を適用した工具を使って、実際に加工テストを行い、本発明の効果を検証した。
表１に示すように、本発明の実施例との比較のための比較例として３種類の従来工具を用意した。比較例１は、母（基）材が高速度鋼である転造タップであり、表面処理（被覆）は施していない。比較例２，３は高速度鋼（母材）の上に市販のＴｉＮとＣｒＮ被膜（３μ）をそれぞれ被覆した転造タップである。表１にはそれぞれの比較例の摩擦係数、アルミ材との表面自由エネルギー差等の諸元が記載されている。比較例１，２，３の表面自由エネルギー差は、それぞれ2.7、2.6、2.1［ｍＮ／ｍ］と、表２に示す本発明の実施例に比較して小さな値であった。また比較例の摩擦係数は全て0.7以上で本発明の実施例と比較して大きな値であった。
【００２４】
一方、テストで使用した本発明の実施例については、表２に11例がその諸元と共に示されている。実施例については、全てその母材が比較例と同様な高速度鋼である転造タップであり、従って、比較例との比較が容易である。実施例１は高速度鋼上にＰＶＤ（物理蒸着）法によりＴｉＮ中間層上に非晶質カーボン被膜を被覆した転造タップである。実施例２（2-1，2-2，2-3）については、高速度鋼上にＰＶＤ法によりＣｒ中間層上に非晶質カーボン被膜を被覆した転造タップである。実施例３（3-1，3-2，3-3）については、高速度鋼上にＰＶＤ法によりＴｉ中間層上に非晶質カーボン被膜を被覆した転造タップである。特に、実施例3-2は表面自由エネルギー差が2.8ｍＮ／ｍとなるような、実施例3-3は表面自由エネルギー差が4.0mN/mとなるような非晶質カーボン被膜を被覆した転造タップである。実施例４（4-1，4-2，4-3）については、高速度鋼上にプラズマＣＶＤ法（化学蒸着）により窒素含有非晶質カーボン被膜を被覆した転造タップである。実施例3-3の表面自由エネルギが8.1ｍＮ/ｍと最も大きく、他の10例の表面自由エネルギは2.8〜7.9ｍＮ/ｍであった。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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【００２７】
表３は表２の実施例の被膜の組成を示している。非晶質カーボン中の水素（Ｈ）含有量が概略３０％程度であった、実施例１、実施例2-1、実施例2-2、および実施例4-1〜4-3の実施例については、表面自由エネルギー差が概略6.5ｍＮ／ｍ程度で差異が小さかった。これに対し、水素含有量が0.5％であり、従って、カーボン含有量が99.5％と非常に高い他の５つの実施例から、水素含有量が低く、炭素含有率が高いことで、表面自由エネルギー差を調整することが可能である。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
上記の表１から３に示す、各諸元及び組成の評価方法等について以下で説明する。
摩擦係数は、ＨＦＲＲ（High Frequency Reciprocating Rig）試験にて評価を行なった。評価条件は、相手材Alボール、ドライ、20Ｈｚ、荷重0.1Ｎで実施した。表面自由エネルギーは、表面自由エネルギー測定装置（協和界面科学製CA-VA）を用いて評価を行なった。非晶質カーボン皮膜と珪素含有非晶質カーボン皮膜の組成評価については、ＲＢＳ，ＨＦＳ分析（日新ハイボルテージ製AN-2500）を用いて評価を行なった。
また、耐凝着性の判定は以下のように行った。刃具（本実施の形態では転造タップ）に凝（溶）着を生じると、刃の溝がアルミで埋まってしまい、その後の加工が困難となる。すなわち、転造タップにアルミニウムの凝着が生じ、ネジ穴加工ができなくなった時点を凝着と判定した。
【００３０】
次に、上記の本発明の実施例及び比較例について行った特性評価テストについて説明する。
まず課題抽出のための工程の選定を行った。比較例１を用いて、端面フライス、下穴ドリル、リーマ、転造タップ、切削タップ、旋削について、アルミニウムのセミドライ加工を試みた。旋削、リーマ、切削タップについては、品質、寿命共に湿式加工と同等レベル、またドリルについては品質にわずかに難ありだが規格に対し問題ないレベルであったのに対し、転造タップにおいては１穴目にて凝着が発生し２穴目にて折損してしまい全く加工ができないという結果となった。この理由は、ドリル、リーマ、旋削、切削タップといった切屑が発生する加工は、切削時に発生した熱が切屑とともに排出されるのに対し、転造タップは塑性変形による加工のため切屑が発生せず刃先が高温になってしまうためである。
【００３１】
このように、アルミニウムのセミドライ加工において、難易度の高い転造タップにおいて、各種表面処理を施して評価を実施した。
評価条件として、被削材ADC12、切削速度35ｍ／min、送り速度1.25mm／rev、下穴φ7.3、ネジサイズφ８、ミスト供給量20cc／ｈにて評価を実施した。
【００３２】
評価結果を以下にまとめる。
・比較例１〜３は、いずれにおいても転造タップにおける加工が困難であった。
・実施例１，2-1，2-2，3-1，3-2，4-1〜3においては、転造タップにおける加工か可能であった。しかし、耐凝着性において不十分である。
・実施例2-3，2-4，3-3において、十分な耐凝着性を確保しつつ、転造タップにおける加工が可能であった。
・以上の結果と、摩擦係数、アルミニウムとの表面自由エネルギー差、および非晶質カーボン皮膜の組成から、アルミニウムのセミドライ加工における最適な表面処理が明らかとなった。
また図２には、比較例の転造タップである被覆工具５０によりアルミニウムの被削材をセミドライ加工した際の被覆工具５０に凝着部５４（斜線部）が発生した状態を示している。被覆工具５０は、高速度鋼の母材５２にＣrＮ表面処理材５３を被覆している。
【００３３】
評価テストの結果は表１及び２に含まれている。即ち、加工穴数の欄を見れば、転造タップが損傷しないで加工できた穴の数が示されている。表１によると、比較例１から３はいずれも加工穴数は０であり、完全に加工できた穴がなかったことを示している。それに対し表２に示す本発明の実施例については、いずれの実施例についても穴加工は可能であった。即ち、表面自由エネルギー差が2.8mN/m以上、摩擦係数0.7以下の時、穴加工が可能であることが分かった。さらには、実施例2-3，2-4，3-3では500以上の穴加工が可能であり、他の実施例と比較して格段に耐凝（溶）着性において優れていることが表２から分かる。すなわち、十分な耐凝着性を確保しつつ、転造タップにおける加工を可能とするためには、摩擦係数０．３５以下で、表面自由エネルギー差が６．３ｍＮ／ｍ以上である、水素含有量が低く、炭素含有量の多い非晶質カーボン被膜がより望ましいことが分かる。
評価テストより、実施例2-3，2-4，3-3、即ち高速度鋼上にＰＶＤ（物理蒸着）法によりＣｒあるいはＴｉ中間層上に非晶質カーボン被膜を被膜した表面処理で、非晶質カーボン被膜の組成において水素（Ｈ）の組成％が少ないもの、例えばメタン等の水素を含まない固体カーボン原料を使用する表面処理が、耐凝着性に最も優れており、最適な表面処理であるといえることが分かった。
【００３４】
次に上記実施の形態の被覆工具の効果及び作用について説明する。
本発明の上記の実施の形態の被覆工具により以下の効果が期待できる。
・従来困難であったアルミニウムの被削材の転造タップによるセミドライ加工において、高速度鋼上に物理蒸着法等により非晶質カーボン被膜の表面処理の施された被覆工具を使用することにより凝着なく加工し得る。
・高速度鋼上に物理蒸着法により、Ｃr中間層上あるいはＴｉ中間層上に水素（Ｈ）の組成％が少ない非晶質カーボン被膜を被覆した表面処理の施された被覆工具が最も耐凝着性に優れており、その被覆工具を使用することにより、アルミニウムの被削材の転造タップによるセミドライ加工において凝着なく加工し得る。
【００３５】
また、上記において記載した、あるいは添付図面に示した実施の形態において、被削材の材質はアルミニウムとされたが、本発明はこれに限定されず、他の材料から製作される被削材であっても良く、また、工具は転造タップとされたが、やはり本発明はこれに限定されず、転削工具、フライス工具、旋削工具等のこれ以外の工具であっても良い。即ち、本発明は、母材に表面処理した被覆工具であって、被削材と表面処理材との表面自由エネルギー差が所定値以上であることを特徴とする被覆工具であれば良い。
【００３６】
上記の実施の形態は本発明の一例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は本発明の１つの実施の形態の被覆工具１の構成を示す説明図であり、部分断面を含む。
【図２】図２は比較例の転造タップに凝着が発生した状態を示しており、部分断面を含む。
【符号の説明】
【００３８】
１    被覆工具
２    母材
３    表面処理材
４    中間層
【図１】
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【図２】
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