(57)【要約】【課題】ミスト加工において、コーティング表面の濡れ性を改善した、工具切削油剤をより保持しやすくし、摩擦抵抗を軽減したミスト加工に適したコーティング工具を提供。【解決手段】物理蒸着法により硬質被膜を形成したコーティング工具において、被覆膜の最上層の膜がTi、Zr、Cr、Al、Si、V 及びB の一種あるいは二種以上の金属元素と反応した炭化物、炭窒化物もしくは炭酸化物であり、この膜厚が0.1 〜1.5 μm の範囲にあり、幅が 0.1〜10.0μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成されたことを特徴とするコーティング工具。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度工具鋼、超硬合金またはサーメットを基材とした切削工具表面に物理蒸着法により硬質被膜を形成したコーティング工具において、被覆膜の最上層の膜厚が0.1 〜1.5 μm の範囲にあり、幅が 0.1〜10.0μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成されたことを特徴とするコーティング工具。
【請求項２】
前記物理蒸着法による硬質被膜は、アークイオンプレーティング法で TiN又は TiAlNを成膜した後、最上層を膜厚で 0.1〜1.5 μm だけ成膜し、反応ガスＮ2 にArを加えることにより前記最上層表面に形成されるドロップレットから飛び出した溶融粒子であるTiの金属を、超微細なアルミナ粉又はジルコニア細粒を含む研磨剤をアークイオンプレーティング表面に対し圧力(0.5〜2)×105Pa 程度で弱く吹きつけるブラスト処理（研掃処理）を行い、又は、超微細なダイヤ砥粒をアークイオンプレーティング表面に対しブラスト処理を行うエアロラップで前記溶融粒子であるTiの金属の除去を行い、表面上に幅が 0.1〜10.0μm 程度で深さ 0.1〜1.5 μm のレベルのポアを持つ被覆膜を形成したことを特徴とする請求項１記載のコーティング工具。
【請求項３】
高速度工具鋼、超硬合金またはサーメットを基材とした切削工具表面に物理蒸着法により硬質被膜を形成したコーティング工具において、被覆膜の最上層の膜がTi、Zr、Cr、Al、Si、V 及びB の一種あるいは二種以上の金属元素と反応した炭化物、炭窒化物もしくは炭酸化物であり、前記最上層の膜の膜厚が0.1 〜1.5 μm の範囲にあり、幅が 0.1〜10.0μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成したことを特徴とするコーティング工具。
【請求項４】
前記物理蒸着法による硬質被膜は、成膜条件として、Ti、Zr、Cr、Al、Si、V 及びB の一種あるいは二種以上の金属元素に反応ガスとしてアセチレン又はメタンなどの炭化水素ガスを主体とする反応ガスをほぼ化学量論にする反応ガスの1.２倍から２倍量のガスを反応させ、バイアス電位を通常の 0.8〜2.5 倍の電位を印加して制御して 0.1〜1.5 μm の膜厚で最上層に炭化物主体の膜を成膜し、前記最上層には前記炭化物の他、粒径が0.1 〜10.0μm のレベルの大きさの遊離カーボンを析出形成させてコーティング工具を製造後、リン酸塩もしくはリン酸そのもので遊離カーボンの除去を行うことで幅が 0.1〜10.0μm レベルのポアを持つ被覆膜を形成したことを特徴とする請求項３記載のコーティング工具。
【請求項５】
各前記ポアの深さが 0.1〜1.5 μm の範囲にあることを特徴とする請求項１又は請求項３記載のコーティング工具。
【請求項６】
各前記被覆膜の最上層の膜の膜厚が 0.5〜0.8 μm の範囲にあり、深さが 0.5〜0.8 μm の範囲にあり、幅が 0.5〜3.0 μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成したことを特徴とする請求項１又は請求項３記載のコーティング工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、高速度工具鋼、超硬合金またはサーメットを基材とした切削工具で硬質物質、例えば、TiN 、TiCN、TiAlN あるいはCrN などのイオンプレーティングにより形成されるコーティング工具で噴霧上の潤滑によるミスト加工、例えばドリル、エンドミル、タップ、ホブなどのミスト切削加工又はフォーミングラックなどのミスト転造加工に適したコーティング工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の加工技術の傾向として切削加工等ではコーティング工具を用いたドライ加工が広範に用いられるようになっている。しかし、切削油（潤滑剤）による湿式切削しかできない加工法も、例えば深穴加工などのような加工において多く散見されている。非特許文献１では、ドライ加工に近いＭＱＬ（Minimum Quantity Lubrication）のようなミスト加工を採用した場合に、コーティングした超硬油穴付き深穴ドリルは、コーティングした超硬油穴付きガンドリル又は高速度鋼製ツイストドリルの水溶性の湿式加工と比較して、性能向上が確認されている。従来、コーティング工具に使用される被覆膜は一般に TiN又はTiAlN などの窒化物や窒炭化物が被覆されているが、これらの硬質物質はセラミクスであり、通常の金属バインダを持つ超硬合金や高速度鋼と比較して切削油剤に対しては濡れやすいとは言い難く、切削油剤をはじきやすいものであるが、切削性能としては、切り屑の排出等では滑りが良く、膜の平滑性が良いと考えられ、硬質被膜であるため切削性能向上に寄与しているが、ミスト加工に対しては濡れ性が不足して、潤滑油剤が十分には刃先先端部に作用していないという課題があった。
【非特許文献１】2003年度精密工学会秋期大会学術講演会講演論文集136 頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のミスト加工では、この刃先先端に対して膜の平滑性が求められるが、これは切り屑の生成及び排出の上で摩擦が低減させることを意味しており、十分な切削油剤が保持されるなら、膜の平滑性は、切り屑の生成及び排出の上で摩擦が低減される効果が期待できる。非特許文献１では、 TiAlN系のコーティングを施した超硬油穴付き深穴ドリルの場合には、膜の平滑性があると表面粗さの低減により、切り屑詰まりが発生しやすくなることを防止できることが述べられている。
本発明の課題は、ミスト加工において、コーティング表面の濡れ性を改善した、工具切削油剤をより保持しやすくし、摩擦抵抗を軽減したコーティング工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このため本発明の第１発明は、高速度工具鋼、超硬合金またはサーメットを基材とした切削工具表面に物理蒸着法により硬質被膜を形成したコーティング工具において、被覆膜の最上層の膜厚が0.1 〜1.5 μm の範囲にあり、幅が 0.1〜10.0μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成したことを特徴とするコーティング工具を提供することによって上記した従来製品の課題を解決した。
本発明の第２発明は、高速度工具鋼、超硬合金またはサーメットを基材とした切削工具表面に物理蒸着法により硬質被膜を形成したコーティング工具において、被覆膜の最上層の膜がTi、Zr、Cr、Al、Si、V 及びB の一種あるいは二種以上の金属元素と反応した炭化物、炭窒化物もしくは炭酸化物であり、この膜厚が0.1 〜1.5 μm の範囲にあり、幅が 0.1〜10.0μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成したことを特徴とするコーティング工具を提供することによって上記した従来製品の課題を解決した。
【発明の効果】
【０００５】
切削油剤を保持するためには表面に凹状の窪みの存在が有効である。この窪みは油剤を保持するのに有効な大きさである必要がある。本発明の第１発明又は第２発明により、窪み即ちポアの幅が 0.1〜10.0μm のレベルの大きさによりミスト油剤の保持機能を高める作用により、ミスト加工においてコーティング表面の濡れ性を改善し、工具切削油剤をより保持しやすくし、摩擦抵抗を軽減したコーティング工具を提供するものとなった。即ち、幅が0.1 μm レベルより細い穴であれば切削油剤の表面張力で油剤の保持は難しいものとなり、幅が10μm より大きい場合であれば 0.1〜 1.5μm を越えた深さが必要となり、コーティングの膜厚を1.5 μm 以上に厚くしなければならなくなる。このため、最上層の被覆膜の厚さは少なくとも 0.1μm 以上必要であるが、膜厚が 1.5μm を越えると膜欠陥なって最上層の耐摩耗性の機能が失われる結果となるので、膜厚を 0.1〜1.5 μm の範囲に限定した。なお、当然湿式加工においても、表面の凹状の窪みの存在は確実に切削油剤を保持することとなることはいうまでもない。
【０００６】
好ましくは、各前記ポアの深さが 0.1〜1.5 μm の範囲にあることがより好ましい。
さらに好ましくは、各前記被覆膜の最上層の膜の膜厚が 0.5〜0.8 μm の範囲にあり、深さが 0.5〜0.8 μm の範囲にあり、幅が 0.5〜3.0 μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成されることがより好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を実施するための最良の形態の一例を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の第１発明のコーティング工具の最上層の表面に形成された、アークインプレーティングのドロップレットの例を示す約１０００倍の部分拡大写真である。本発明の第１発明のコーティング工具は、高速度工具鋼、超硬合金またはサーメットを基材とした切削工具表面に物理蒸着法により硬質被膜を形成したコーティング工具において、被覆膜の最上層の膜厚が0.1 〜1.5 μm の範囲にあり、幅が 0.1〜10.0μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成されることを特徴とするものである。
【０００８】
このような窪み即ちポアを作る方法には下地母材をブラスト等であらす方法もあるが、これらは刃先部もあらしてしまい、切削に関与する切れ刃をもあらして性能低下をもたらす。またこの方法で幅が 0.1〜10.0μm レベルの大きさ及び0.1 から1.5 μm 深さを制御するのは非常に難しい。そこで、本発明では高速度工具鋼、超硬合金またはサーメットを基材とした切削工具表面上物理蒸着法により硬質被膜を形成する手段として、アークイオンプレーティング法で最上層に膜厚で 0.1〜1.5 μm の TiN又は TiAlNなどを成膜する。アークイオンプレーティングは原理上、図１に示すようなドロップレットと呼ぶ欠陥が存在する。このドロップレットは蒸発源をアーク放電で蒸発させる際に溶融粒子が飛び出し、被処理物上に到達することにより生じる。ドロップレットから飛び出した溶融粒子は、例えば TiNの場合にはTiの金属であり、膜に比べ柔らかいものである。この例えばTiの溶融粒子の粒径は制御が可能であり、Tiの場合には反応ガスＮ2 にArを加えることにより細粒が得られる。あるいは蒸発源を磁界制御することでも可能である。この溶融粒子の粒径を調整した上、超微細なアルミナ粉を含む研磨剤をアークイオンプレーティング表面に対しブラスト処理（研掃処理）を行うマイクロブラストや、超微細なダイヤ砥粒をアークイオンプレーティング表面に対しブラスト処理を行うエアロラップ等で前記粒径の除去を行う。これらは研掃加工であり、マイクロブラストの場合には＃2000程度のアルミナやジルコニア細粒、圧力(0.5〜2)×105Pa 程度で弱く動作させることにより、表面上に幅が 0.1〜10.0μm 程度で、深さ 0.1〜1.5 μm の窪みを設けることが可能となる。
コーティング工具でアークイオンプレーティングにより成膜する場合には下層の膜は極力ドロップレットが発生させないような制御条件で成膜し、最上層では上述の制御により目的とする形態を得ることができる。これは他の手法で製造したコーティング工具上に上述の最上層を追加しても良い。
【０００９】
図２は本発明の第２発明のコーティング工具の、TiC 膜上に TiC＋遊離カーボンを成膜し、メタリン酸ナトリウムに浸漬してカーボン除去を行った最上層の表面のポアの例を示す約１００倍の部分拡大写真である。本発明の第１発明のコーティング工具は、高速度工具鋼、超硬合金またはサーメットを基材とした切削工具表面に物理蒸着法により硬質被膜を形成したコーティング工具において、被覆膜の最上層の膜がTi、Zr、Cr、Al、Si、V 及びB の一種あるいは二種以上の金属元素と反応した炭化物、炭窒化物もしくは炭酸化物であり、この膜厚が0.1 〜1.5 μm の範囲にあり、幅が 0.1〜10.0μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成されることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の第２発明による、ポアを持つ被覆膜を形成する方法について述べる。この発明は請求項１に示すコーティング工具と同様であるが、最上層の形成方法において最上層に炭化物主体の膜を成膜する。この最上層成膜条件はTi、Zr、Cr、Al、Si、V 及びB の一種あるいは二種以上の金属元素に反応ガスとしてアセチレンやメタンなどの炭化水素ガスを主体とする反応ガスをほぼ化学量論にする反応ガスの1.２倍から２倍量のガスを反応させ、バイアス電位を通常の 0.8〜2.5 倍の電位を印加して制御して 0.1〜1.5 μm の膜厚に成膜する。その最上層には炭化物等の他、粒径が0.1 〜10.0μm のレベルの大きさの遊離カーボンを析出形成する。このコーティング工具を製造後、リン酸塩もしくはリン酸そのもので遊離カーボンの除去を行うことで幅が 0.1〜10.0μm レベルのポアをもつコーティング工具が製造できる。この方法は上記した請求項１の除去方法でも可能である。
最上層成膜条件はTi、Zr、Cr、Al、Si、V 及びB の一種あるいは二種以上の金属元素に限定したのは炭化物として硬質被膜を形成し、工具用途の耐摩耗性を有するものとして限定した。炭化物、炭窒化物もしくは炭酸化物としたのは炭化物主体で反応しにくいCrやAlの場合には窒素や酸素を加え、耐摩耗性を持たせるためである。
【実施例１】
【００１１】
TiAlN コーティングをアークイオンプレーティングで施したφ６の超硬ロングドリルを通常に処理したものと、ドロップレットを調整しマイクロブラストにより、深さが0.8 μm 、幅が 0.5〜8.0 μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成される請求項１のドリルを製作し、穴深さ120mm 、切削速度80/min、送り速度 850mm/minの条件でS50C炭素鋼のミスト加工切削試験を行った結果、図３に示すように通常に処理したφ６の超硬ロングドリル通常品に比べ、本発明品は20〜30％の寿命延長が得られた。
【実施例２】
【００１２】
通常品６Ｓ２の TiNコーテイングハイスエンドミルと、それに0.5 μm の TiC＋遊離カーボン膜を施し、メタリン酸ナトリウムに浸漬してカーボン除去を行い、深さが0.5 μm 、幅が 0.5〜3.0 μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成された本発明品を製作し、切削速度 22.5m/mim、送り速度0.04mm/tooth、切込み  Aa=9mm，Ar=1.2mmにてミスト加工切削試験を行った。20ｍ切削加工したエンドミルの逃げ面摩耗を計測した結果、通常品６Ｓ２の TiNコーテイングハイスエンドミルは0.13mm、本発明品は0.09mmの摩耗幅であり、本発明品は約1. 5倍の耐摩耗性能が得られた。
〔本発明の最良の実施形態の効果〕
【００１３】
本発明の第１発明又は第２発明の最良の実施形態によると、窪み即ちポアの幅が 0.1〜10.0μm のレベルの大きさで、本発明のポア形成によるミスト油剤の保持機能を高める作用により、ミスト加工において、コーティング表面の濡れ性を改善し、工具切削油剤をより保持しやすくし、摩擦抵抗を軽減したコーティング工具を提供するものとなった。すなわち幅が0.1 μm レベルより細い穴であれば切削油剤の表面張力で油剤の保持は難しいものとなり、幅が10μm より大きい場合であれば 0.1〜 1.5μm を越えた深さが必要となり、コーティングの膜厚を1.5 μm 以上に厚くしなければならなくなる。このため、最上層の被覆膜の厚さは少なくとも 0.1μm 以上必要であり膜厚が 1.5μm を越えると膜欠陥なって最上層の耐摩耗性の機能が失われる結果となるので、膜厚を 0.1〜1.5 μm の範囲に限定した。なお、当然湿式加工においても、表面の凹状の窪みの存在は確実に切削油剤を保持することとなることはいうまでもない。
【００１４】
好ましくは、各前記ポアの深さが 0.1〜1.5 μm の範囲にあることがより好ましい。
さらに好ましくは、各前記被覆膜の最上層の膜の膜厚が 0.5〜0.8 μm の範囲にあり、深さが 0.5〜0.8 μm の範囲にあり、幅が 0.5〜3.0 μm レベルのポアを持つ被覆膜が形成されることがより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１発明のコーティング工具の最上層の表面に形成されたアークインプレーティングのドロップレットの例を示す約１０００倍の部分拡大写真である。
【図２】本発明の第２発明のコーティング工具の、 TiC膜上に TiC＋遊離カーボンを成膜し、メタリン酸ナトリウムに浸漬してカーボン除去を行った最上層の表面のポアの例を示す約１００倍の部分拡大写真である。
【図３】実施例１の本発明品と通常品とのミスト加工切削試験の結果を示すグラフ。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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