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技術 高温潤滑膜および被覆切削工具

出願人 株式会社不二越
発明者 加藤範博園部勝北島和男
出願日 2003年5月21日 (18年7ヶ月経過) 出願番号 2003-143874
公開日 2004年12月9日 (17年0ヶ月経過) 公開番号 2004-346366
状態 未査定
技術分野 歯車加工 バイト、中ぐり工具、ホルダ及びタレット 物理蒸着
主要キーワード 摩耗部位 固体潤滑効果 摩耗測定 切削開始直後 鍛造工具 固体潤滑作用 高温潤滑性 TiN被膜
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この項目の情報は公開日時点(2004年12月9日)のものです。
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課題

硬質被膜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、高硬度耐摩耗性に優れた高温潤滑膜とその被覆工具生産性良く提供。

解決手段

高速度鋼超硬合金母材質とし、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。

概要

背景

従来の硬質被膜被覆した工具として、TiN、TiCなどのセラミックス単層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。

概要

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生産性良く提供。高速度鋼超硬合金母材質とし、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。

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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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−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

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油剤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。

技術分野

0001

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

従来の硬質被膜被覆した工具として、TiN、TiCなどのセラミックス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。

背景技術

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

発明が解決しようとする課題

0005

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。

課題を解決するための手段

0006

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 )(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

本発明者らは乾式切削において工具表面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。

発明の効果

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油剤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

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 )(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】

【表2】

発明を実施するための最良の形態

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。

図面の簡単な説明

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 )(CxN1−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

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