(57)【要約】      （修正有）【課題】硬質被膜と別個に必要であった固体潤滑作用を有する固体潤滑剤を使用することなく、高温潤滑性を持ち、耐酸化性に優れ、高硬度で耐摩耗性に優れた高温潤滑膜とその被覆工具を生産性良く提供。【解決手段】高速度鋼、超硬合金を母材質とし、物理蒸着法により基材表面に硬質被膜の成分が窒化物形成元素をＭとし、それぞれ原子比で、（Ｔｉ1-u-v-wＡｌuＮｉvＭw）（ＣxＮ1-x）ただし、０≦ｕ≦０．７５，０．００５≦ｖ≦０．０５，０≦ｗ≦０．３，ｕ＋ｖ＋ｗ＜１，０≦ｘ≦０．５、であって、ｕ，ｖ，ｗはそれぞれＡｌ，Ｎｉ，Ｍの原子比を示し、ｘはＮの原子比で示されることを特徴とする高温潤滑膜とその被覆工具。【選択図】  図１
2004346366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度鋼、超硬合金のいずれかを母材質とし、イオンプレーティング気相蒸着法などの物理蒸着法により基材表面に形成される被膜であってその硬質被膜の成分が窒化物形成元素をＭとし
（Ｔｉ１−ｕ−ｖ−ｗ  Ａｌｕ  Ｎｉｖ  Ｍｗ  ）（Ｃｘ  Ｎ１−ｘ  ）ただし、０≦ｕ≦０．７５，
０．００５≦ｖ≦０．０５，  ０≦ｗ≦０．３，  ｕ＋ｖ＋ｗ＜１，
０≦ｘ≦０．５、であって、ｕ，ｖ，ｗはそれぞれＡｌ，Ｎｉ，Ｍの原子比を示し、ｘはＮの原子比で示されることを特徴とする高温潤滑膜。
【請求項２】
前記ｕ，ｖ，ｗ，ｘはそれぞれ
０．３８≦ｕ≦０．５８，  ０．０１≦ｖ≦０．０５，  ０≦ｗ≦０．１５，
０≦ｘ≦０．４，であることを特徴とする請求項１記載の高温潤滑膜。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の高温潤滑膜を少なくとも一層被覆したことを特徴とする切削工具、歯切工具、鍛造工具を含む被覆切削工具。
【請求項４】
前記基材表面にＴｉＮの硬質被膜を少なくとも一層被覆し、その上に請求項１又は請求項２に記載の高温潤滑膜を少なくとも一層被覆したことを特徴とする切削工具、歯切工具、鍛造工具を含む被覆切削工具。
【請求項５】
前記高温潤滑膜の膜厚が０．５〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の被覆切削工具。
【請求項６】
前記高速度鋼を母材質とするホブにおいて、前記基材表面にＴｉＮの硬質被膜を少なくとも一層被覆し、その上に請求項１又は請求項２に記載の硬質被膜を少なくとも一層被覆し、切削速度が１００ｍ／ｍｉｎ  から３００ｍ／ｍｉｎ  の範囲で、切削油剤を用いずに完全乾式または微少な油剤を噴霧状にして切削部に吹き付け切削加工するようにしたことを特徴とするホブである被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、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、穿孔加工に関連し、特に高能率加工において優れた潤滑性と耐摩耗性を示す高温潤滑膜とその被覆工具に関する。
【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などのセラミックスを単層にコーティングしたもの、あるいはこれらを多層にコーティングしたものが開発され、実用化されている。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。
しかし、昨今の金属加工の高能率化と共に切削工具に要求される硬質被膜の機能も従来の高硬度から高能率加工時の刃先保護へと変化している。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ＴｉＣＮ、ＴｉＣ被膜を例とする硬度を重視した硬質被膜から特許文献１に代表される耐酸化性にすぐれたＴｉＡｌＮ被膜が開発され、高能率加工用の切削工具を主体に適用されている。さらに近年では環境に対する配慮から切削油剤を使用しない、もしくは使用量を低減することができる工具が要求されるようになってきた。ところが、切削油剤を使用しない乾式切削では被削材がコーティング被膜に付着し、工具の切れ味を悪化させると共に付着した被削材が脱落する際に刃先に損傷を与え、工具寿命を低下させる場合がある。
【０００３】
この様な問題点に対して特許文献２の様に二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を硬質被膜の表面に被着する手法や特許文献３の様にタングステンカーバイド膜を硬質被膜上に被覆する方法、特許文献４の様にニッケル酸化物などの固体潤滑膜を硬質被膜上に被覆する方法が提示されている。これらの固体潤滑材はいずれも硬質被膜の上に、潤滑膜を形成するものであり、硬質被膜と潤滑膜の少なくとも２層を被覆処理する必要があった。２層を被覆処理場合、たとえば２つの蒸発原料（ターゲット）を装着可能なアークイオンプレーティング装置では片方を硬質被膜原料、残りを潤滑膜形成用原料とする必要があり、硬質被膜だけ（２つの蒸発原料を使った場合）と比べると２倍以上の成膜時間が必要となり、性能は向上するものの生産性の点で不利であった。
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１９４１５９号公報  請求項１
【特許文献２】特表平１１−５０２７７５号公報  第５頁第１０〜２３行目
【特許文献３】特開平７−１６４２１１号公報  要約
【特許文献４】特開２０００−２３３３２４号公報  要約
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、硬質被膜と別個に必要であった固体潤滑作用を有する固体潤滑剤を使用することなく、高温潤滑性を持ち、耐酸化性に優れ、高硬度で耐摩耗性に優れた高温潤滑膜とその被覆工具を生産性良く提供することにある。
【０００６】
【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、イオンプレーティング気相蒸着法などの物理蒸着法により基材表面に形成される被膜であってその硬質被膜の成分が窒化物形成元素をＭとし（Ｔｉ１−ｕ−ｖ−ｗ  Ａｌｕ  Ｎｉｖ  Ｍｗ  ）（Ｃｘ  Ｎ１−ｘ  ）ただし、０≦ｕ≦０．７５，
０．００５≦ｖ≦０．０５，  ０≦ｗ≦０．３，  ｕ＋ｖ＋ｗ＜１，
０≦ｘ≦０．５、であって、ｕ，ｖ，ｗはそれぞれＡｌ，Ｎｉ，Ｍの原子比を示し、ｘはＮの原子比で示される高温潤滑膜とその被覆工具を提供することにより上述した本発明の課題を解決した。
【０００７】
【発明の効果】本発明者らは乾式切削において工具表面の摩擦係数によって切り屑の形態と工具の損傷状態が著しく変化することに注目し、高温で固体潤滑作用のある硬質被膜の成分を調査した結果、微量のＮｉを硬質被膜中に微細分散させることで乾式切削における工具の損傷を低減できることを見いだした。工具刃先先端の硬質被膜は切削開始直後から摩滅をはじめ、図１に示した各例の摩耗部位では被膜断面が露出する。（ａ）に示す特許文献１に開示する工具を示す従来例ａでは潤滑剤が無いために摩耗部位およびすくい面に被削材が付着し、切削抵抗を増大させる結果となる。また、（ｂ）に示すに示す特許文献２に開示する工具を示す従来例ｂの様に硬質被膜の表面に潤滑被膜を被覆した場合、摩耗部位以外のすくい面に対しては被削材の付着を防止する効果と切り屑の排出効果が得られるが、最も負荷の高い被膜の摩耗部位に対しては被削材の付着を抑制する効果が得られにくい。
【０００８】
これに対して図１（ｃ）に示す上記した本発明品では、従来硬質被膜と別個に必要であった固体潤滑作用を有する固体潤滑剤を硬質被膜自体に内在させたことにより、高温潤滑性を持ち、耐酸化性に優れ、高硬度で耐摩耗性に優れた高温潤滑膜とその被覆工具を生産性良く提供するものとなった。本発明品では、摩耗部位において硬質被膜中に微量添加したＮｉが膜の摩耗により表面に露出し、切削による発熱と大気中の酸素によって酸化する。このニッケル酸化物は特許文献４に記載のあるように固体潤滑膜として作用し、切削点での摩擦係数を低減させる。摩擦係数の低下は切削抵抗を引き下げ、工具刃先にかかる応力を減らす作用がある。また、切り屑排出に対しても固体潤滑効果が働くため、切り屑排出性が向上する。かかる作用を発現するためには硬質被膜中のＮｉ原子比率が金属元素の原子比率で０．５原子％以上必要であり、０．５原子％未満であると、潤滑効果が不十分であり、Ｎｉ添加量の増加に伴って潤滑効果も増大するが、５原子％を越えると硬質被膜の硬度が低下するのに加え、切削中のＮｉの酸化による発熱が生じるため、必要な切削条件に合わせてＮｉ原子比率を調節する必要がある。このため、Ｎｉ原子比率を  ０．００５≦ｖ≦０．０５  に限定した。好ましくはＮｉ原子比率は  ０．０１≦ｖ≦０．０５  である。硬質被膜中のＡｌについては、ＴｉＮ被膜においてもＮｉ元素の添加による効果が発現するため必ずしもＡｌ元素は必要とはいえないが、高速乾式切削を行う場合にはＡｌの添加による耐酸化性向上の効果が得られるため、Ａｌ原子比率で３８原子％以上が望ましい。また、Ａｌの原子比率が７５原子％を越えると結晶構造が六方晶となり、硬質被膜の硬度が低下するためＡｌの原子比率は７５原子％以下である必要があり、好ましくは５８原子％以下である。
【０００９】
ここで、窒化物形成元素としては、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｙ  （イットリウム）、Ｖ  （バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｓｉ（珪素）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ  （タングステン）、Ｂ  （ホウ素）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）及びＢｅ（ベリリウム）等が適用される。尚、添加する窒化物形成元素の量が金属元素の原子比率で３０原子％を越えると、硬質被膜内部の膜応力が増大し剥離が生じやすくなるため、添加する窒化物形成元素の量は金属元素の原子比率で３０原子％以下が好ましい。硬質被膜中の炭素元素の窒素元素に対する原子比率は０原子％以上で５０原子％までが可能であるが、炭素元素の比率が増加するに従い被膜硬度は増加するが、耐酸化性と密着性が共に低下するため１０原子％以下が望ましく、高速度乾式切削においては炭素原子比率が少ない方が望ましい。
【００１０】
前記ｕ，ｖ，ｗ，ｘはそれぞれ
０．３８≦ｕ≦０．５８，０．０１≦ｖ≦０．０５，  ０≦ｗ≦０．１５，
０≦ｘ≦０．４，であることが望ましい。
【００１１】
好ましくは、前記高温潤滑膜を少なくとも一層被覆することにより、有用な高温潤滑性を持ち、耐酸化性に優れ、高硬度で耐摩耗性に優れた切削工具、歯切工具、鍛造工具を含む被覆切削工具とすることができる。
さらに好ましくは、前記基材表面にＴｉＮの硬質被膜を少なくとも一層被覆し、その上に請求項１に記載の高温潤滑膜を少なくとも一層被覆することにより、有用な、より一層の、高温潤滑性を持ち、耐酸化性に優れ、高硬度で耐摩耗性に優れた切削工具、歯切工具、鍛造工具を含む被覆切削工具とすることができる。
前記高温潤滑膜の膜厚は０．５〜１０μｍが好ましい。
【００１２】
また好ましくは、前記高速度鋼を母材質とするホブにおいて、前記基材表面にＴｉＮの硬質被膜を少なくとも一層被覆し、その上に請求項１に記載の硬質被膜を少なくとも一層被覆し、切削速度が１００ｍ／ｍｉｎ  から３００ｍ／ｍｉｎ  の範囲で、切削油剤を用いずに完全乾式または微少な油剤を噴霧状にして切削部に吹き付け切削加工するようにしたことにより、より一層の、有用な高温潤滑性を持ち、耐酸化性に優れ、高硬度で耐摩耗性に優れ、高速度で完全乾式または微少な油剤を噴霧状にして切削部に吹き付け切削加工できるホブとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明品の実施の形態の高温潤滑膜を被覆した一例の工具の概略断面を示すブロック図を図１（ｃ）に示す。本発明品の高温潤滑膜１は、高速度鋼、超硬合金のいずれかを母材質とする工具基材２に、イオンプレーティング気相蒸着法などの物理蒸着法により基材表面に形成される被膜であって、その硬質被膜の成分が窒化物形成元素をＭとし
（Ｔｉ１−ｕ−ｖ−ｗ  Ａｌｕ  Ｎｉｖ  Ｍｗ  ）（Ｃｘ  Ｎ１−ｘ  ）ただし、０≦ｕ≦０．７５，
０．００５≦ｖ≦０．０５，  ０≦ｗ≦０．３，  ｕ＋ｖ＋ｗ＜１，
０≦ｘ≦０．５、であって、ｕ，ｖ，ｗはそれぞれＡｌ，Ｎｉ，Ｍの原子比を示し、ｘはＮの原子比で示される高温潤滑膜であり、工具基材２上に、従来硬質被膜と別個に必要であった固体潤滑作用を有する固体潤滑剤を、硬質被膜自体に内在させることで、高温潤滑性を持ち、耐酸化性に優れ、高硬度で耐摩耗性に優れた硬質被膜としたものである。工具基材２上には、かかる高温潤滑膜を少なくとも一層被覆した切削工具、歯切工具、鍛造工具としたものである。
【００１４】
〔実施例１〕本発明の構成の高温潤滑膜を被覆した高速度工具鋼ドリルは、高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）のφ６ｍｍドリル（ＤＩＮ  ３３８）を脱脂洗浄した後イオンプレーティング装置内に装填した。イオンプレ−ティング装置を１  ×１０−２  Ｐａ  以上に排気した上、加熱を  ４００°Ｃ  まで行い、ボンバード処理を３０分間（バイアスは−１５０  Ｖ）行った後、Ｎｉペレットを埋込んだＴｉを蒸発源とし、１Ｐａ  の窒素を導入して１００分コーティング処理を実施した。これらドリルの切削試験を行った結果を図２に示す。その際のドリルの切削条件は、被削材：ＳＮＣ８３６（２８０ＨＢ）、厚さ２０ｍｍ、切削速度：３７．７ｍ／ｍｉｎ  、送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、水溶性エマルジョン使用で行った。なお、断面観察による膜厚の測定結果は従来例１、本発明１共に２．８μｍであり、ＥＰＭＡによる本発明１の分析結果によるとＮｉの含有量は１．２原子％であった。図２より、Ｎｉの微量添加により湿式切削におけるドリルの切削性能が約３０％向上することがわかる。
【００１５】
〔実施例２〕高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）のφ６ｍｍドリル（ＤＩＮ  ３３８）を脱脂洗浄した後、実施例１と同一の手順でボンバードした後、Ｔｉを蒸発源とし、１Ｐａ  の窒素を導入して３０分のコーティング処理を実施し、母材の表面に厚さ約０．３μｍのＴｉＮ被膜を被覆した。しかる後にＴｉとＡｌ、Ｎｉおよび窒化物形成元素Ｍから構成された成分の異なる複数の蒸発源を使用して、１Ｐａ  の窒素およびメタンを導入して２００分コーティング処理を実施し、表１に示す、本発明２〜本発明５、従来例１、従来例２、比較例１、比較例２のそれぞれにつき、各最表層膜、下地膜を形成した各ドリルの切削試験を行った結果を表１に示す。これらその際のドリルの切削条件は、被削材：Ｓ５０Ｃ（２１０ＨＢ）、厚さ１９ｍｍ、切削速度：４０ｍ／ｍｉｎ  、送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、乾式切削で行った。表１中の従来例２および従来例３と本発明品２〜５の比較により、ドリルの乾式切削においてＮｉの微量添加により切削性能が向上することがわかる。
【００１６】
〔実施例３〕実施例２の条件で、超硬インサート（Ａ３０）上にコーティング処理を実施し、大気中で８００℃に１時間加熱保持した後、表面の酸化被膜の厚さを測定した結果を表１の右欄に付記した。表１中の比較例１より、Ｎｉ含有量が５原子％を越えた場合に耐酸化性が低下することがわかる。また、比較例２より、炭素含有量が５０原子％を越えた場合にも同様に耐酸化性が著しく低下することがわかる。
【００１７】
〔実施例４〕実施例２の条件で、表面をラップ（Ｒａ＜０．２μｍ）した高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）上にコーティング処理を実施し、ボールオンディスク試験により摩擦係数を測定した。摩擦係数はφ６のＳＵＪ２鋼を用い、荷重１０Ｎ、回転半径２ｍｍ、５００  ｒｐｍで２０分行い、２０分後の摩擦係数を測定した。Ｎｉの微量添加により、摩擦係数が０．４以下と低下することがわかる。比較例２では耐酸化性が著しく低下するものの、摩擦係数は０．４以下であり、Ｎｉ添加による効果が観測される（Ｎｉの含有量が少ないため潤滑効果は不十分）。
【００１８】
【表１】
2004346366.tif 000003
【表２】
2004346366.tif 000004
【００１９】
〔実施例５〕実施例２の条件で、表１に示す、請求項の範囲の最表層膜、下地膜を形成した各種コーティングした本発明２〜本発明５のホブと、比較のための、従来例１、従来例２、比較例１、比較例２の各ホブを切削した結果を表２に示す。本発明品のホブの形状はモジュールｍ２．８７で、圧力角１５°、外径９５ｍｍである。ワークである被削歯車の緒元は、歯の大きさｍ２．８７、圧力角１５°、歯数４８，ねじれ角３１°、外径１６６．６ｍｍ、歯たけ、７．９９５，歯厚３．９１７でる。ワークの材質はＳＣＭ４２０Ｈで硬さは１８０ＨＢのものを使用した。歯車加工の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ  から３００ｍ／ｍｉｎ  の範囲で高速加工を切削油剤を用いずに完全乾式または切削部にエアを吹き付ける微小油剤使用で行った。本発明品のホブは歯車加工の切削速度１００ｍ／ｍｉｎ  から３００ｍ／ｍｉｎ  の範囲で同様な良好な結果を示したが、表２は切削速度２００ｍ／ｍｉｎ  、送り  ｆ＝２．２  ｍｍ／ｒｅｖ  、切削長８０ｍ  で測定したものを記載した。
【００２０】
またホブの摩耗測定部位の形態を図４に模式的に示す。本発明品である本発明２〜５のＴｉＡｌＮｉＮを施したホブのクレータ摩耗はＴｉＡｌＮのそれ（従来例２、３）よりも少なく、逃げ面摩耗幅についても同様な結果となった。このようにＮｉの成分は切削中の耐熱効果に大きく効果を現しているが、ＴｉＡｌＮｉＮにおいて原子分率でＮｉ含有が５％以上の場合、すなわち（Ｔｉ１−ｕ−ｖ−ｗ  Ａｌｕ  Ｎｉｖ  Ｍｗ  ）（Ｃｘ  Ｎ１−ｘ  ）で金属元素の原子分率で、ｖ＜０．００５のときはＮｉの含有量が少ないため潤滑効果が十分に発揮されない（比較例２）。またＮｉの含有量が５％を越える場合（ｖ＞０．０５）ではコーティング膜の耐熱性が低くなり摩耗が増大するため（比較例１）、Ｎｉの含有量ｖを
０．００５≦ｖ≦０．０５の範囲に限定した。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１に示した切削時の切削工具の摩耗部位の断面を示し、（ａ）は特許文献１に開示する工具を示す従来例ａのもの、（ｂ）は特許文献２に開示する工具を示す従来例ｂのもの、（ｃ）は本発明品の切削工具ののもの、をそれぞれ示し、コーティング被覆のコーティング膜の構成を示すブロック図でもある。
【図２】本発明の実施例１のドリルの切削試験結果を示すグラフ。
【図３】本発明品の実施例４ボールオンディスク試験装置の概略斜視図。
【図４】本発明品の実施例５の被覆切削工具であるホブ切削後の切刃の摩耗形態を表した概略斜視図。
【符号の説明】
１・・硬質被膜      １・・工具母材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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