JP2026055005A - 表面被覆工具及びその再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
母材が第１、第２の硬質被膜によって順次コーティングされた表面被覆工具において、切削性能を回復するための再生処理を容易かつ効果的に実施する。
【解決手段】
母材表面に第１の硬質被膜がコーティングされ、第１の硬質被膜の表面に第２の硬質被膜がコーティングされた表面被覆工具であって、第２の硬質被膜は、第１の硬質被膜は除膜できない除膜手段によって除膜可能である。これによって、第２の硬質被膜の除膜に際して、母材が第１の硬質被膜で保護され、表面被覆工具の再生を容易に実施し得る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、母材（基材）に硬質被膜がコーティングされた切れ刃を備えた表面被覆工具、その再生方法、および再生された表面被覆工具に関する。

本発明は、切れ刃に硬質被膜をコーティングしてなる表面被覆工具、その再生方法、および再生された表面被覆工具に関するものである。

エンドミルやドリルのように金型や部品等を切削する切削工具であって、切れ刃の母材（基材）が、例えば超硬合金によって形成され、切れ刃の耐摩耗性向上のために、母材（基材）に、ＴｉＮ等の硬質被膜を単層あるいは複数層コーティングする表面被覆工具が知られている。このような耐摩耗性の表面被覆工具においても、摩耗が進行すれば切削性能が低下し、切れ刃を再研磨あるいは再刃立てするなどの再生処理によって、摩耗部分を除去し、切れ味を回復させる必要がある。その際、硬質被膜が損傷し、あるいは除去されて当初の切削性能が維持されないという問題があり、特に、近年の高い切削速度、切削油剤を使用しないドライ加工に充分対応し得る切削性能は得られないことがあった。

このような問題に対して、硬質被膜を一旦全て除去してから切れ刃を再研磨して硬質被膜を再コーティングすることが、最も単純かつ確実な対処法に見えるが、適用範囲が限定される。すなわち、硬質被膜がＴｉ系である場合、被膜除去には、水酸化アルカリおよび過酸化水素を含有する除膜液が使用されるが、母材（基材）が超硬合金の場合、上記除膜液では超硬基材に含まれるＣｏが溶出し、母材の強度低下や表面荒れを生じ、硬質被膜を再コーティングした際に、密着性低下などを招き、工具性能が低下する。
そこで、硬質被膜をすべて除去しないように除膜液に浸漬し、母材表面が露出しないように除膜して、母材への悪影響を抑制し、下地層や下層部分を残しつつ再コーティングする再生方法が採用されている。

また、特許文献１には、切れ刃のすくい面の硬質被膜を、新品製作時には研削や除膜液により、また再研磨時には再研磨により除去した後、窒化処理、浸炭、またはショットピーニングにより母材露出部すなわちすくい面の表面硬度を向上させ、さらに切れ刃表面に硬質被膜を再コーティングする方法が記載されている。

しかしながら、母材表面の露出を制限し、硬質被膜における下地層や下層部分を残して再コーティングする方法では、残される下地層や下層部分の厚さが均一になるように硬質被膜を除去するのが困難であるため、再コーティングされた硬質被膜も含めた硬質被膜全体の膜厚が不均一となることが避けられない。また、特許文献１に記載された、すくい面の硬質被膜を除去した後に切れ刃表面に再コーティングを施す方法では、再コーティングの度に逃げ面に硬質被膜が積層されて膜厚が増大するため、剥離を生じ易くなり、切れ刃の寸法精度が低下するおそれがある。

特開２００５－８２８７７号公報

本発明は、このような背景の下になされたもので、切削性能を回復するための再生処理を容易かつ効果的に実施し得る表面被覆工具、およびその再生方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１の表面被覆工具は、母材と、前記母材の表面にコーティングされた第１の硬質被膜と、前記第１の硬質被膜の表面にコーティングされた第２の硬質被膜と、を備えた表面被覆工具であって、前記第２の硬質被膜は、第１の硬質被膜は除膜できない除膜手段によって、除膜することができ、その後、母材が露出するまで再研磨でき、その後、第１、第２硬質被膜をコーティングすれば効果的な再生処理が可能である。

これによって、母材を第１の硬質被膜によって保護しつつ、第２の硬質被膜を除膜手段によって容易に除去することができ、さらに、第１の硬質被膜を再研磨して母材を露出させて、母材をも再研磨し得る。

請求項２の表面被覆工具は請求項１記載の表面被覆工具において、第２の硬質被膜が、第１の硬質被膜の表面に複数種コーティングされている。これら複数種の第２の硬質被膜は、異なる切削性能のものが選択され、表面被覆工具の多様な切削性能を発現し得る。

請求項３の表面被覆工具は、請求項１記載の表面被覆工具において、 第１の硬質被膜の膜厚は、０．２μｍ以上、１．０μｍ未満である。第２の硬質被膜の膜厚が過少であると、ピンホールが生じて除膜手段が母材に悪影響を与え、過大であると剥がれ等の問題を生じるが、０．２μｍ以上、１．０μｍ未満であれば、そのような問題はない。なお、膜厚の制御は種々のパラメータの調節によって行うことができ、例えば、コーティング時間によって調節可能である。

請求項４の表面被覆工具は、請求項１の表面被覆工具において、第１の硬質被膜の膜厚は、０．２μｍ以上、０．５μｍ未満である。これによって第１の硬質被膜の保護効果を確保し、膜厚増大による工具性能低下を防止し得る。

請求項５の表面被覆工具は、母材が超硬合金によって形成されている。超硬合金は除膜手段によりＣｏ溶出の可能性はあるが、第１の硬質被膜で保護されており、その優れた機械的性能が守られる。

請求項６の表面被覆工具は、第１の硬質被膜の組成がＣｒＮである。これによって、優れた切削性能、切削寿命が保証されるとともに、再生処理における母材保護が保証される。

請求項７の表面被覆工具は、第２の硬質被膜の組成がＴｉＡｌＮ／ＴｉＳｉＮである。これによって、優れた切削性能、切削寿命が保証されるとともに、再生処理において第１の硬質被膜を保持しつつ容易に除膜し得る。

請求項８の表面被覆工具は、除膜手段はフッ化水素アンモニウムが主成分である。これによって、第１の硬質被膜を保持しつつ、第２の硬質被膜を除膜し得る。

請求項９は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の表面被覆工具のための再生処理方法であって、前記除膜手段によって、第１の硬質被膜が露出するまで第２の硬質被膜を除膜する除膜工程と、その後、前記母材が露出するまで再研磨する再研磨工程と、その後、母材表面に第１の硬質被膜をコーティングする第１硬質被膜コーティング工程と、その後、第１の硬質被膜表面に第２の硬質被膜をコーティングする第２硬質被膜コーティング工程とを備える。

すなわち、超硬母材等の表面被覆工具の再生において、超硬母材等の母材を第１の硬質被膜によって保護しつつ、第２の硬質被膜を除膜手段によって容易に除去することができ、さらに、第１の硬質被膜を再研磨して母材を露出させて、母材をも再研磨し得る。

請求項１０は、請求項９記載の再生方法において、第１の硬質被膜をＡｒイオンによるボンバード工程によって除膜する。これによって、第１の硬質被膜の厚膜化による工具性能の低下が防止される。

本発明により、表面被覆工具の再生が可能となり、除膜工程における母材の劣化や再コーティング工程における膜厚過多による工具性能低下を防止し得る。

本発明に係る表面被覆工具の未再生品、再生品１～３と比較例１～３の硬質被膜の組成、膜厚、除膜方法を示す表である。 表面被覆工具の再生処理すべき切れ刃における刃部を示す断面図である。 除膜工程によって第２の硬質被膜が除去された刃部の断面図である。 再研磨工程によってすくい面の母材が露出した刃部の断面図である。 再コーティング時の前処理工程でＡｒイオンを衝突させてクリーニングを行うボンバード工程で第1の硬質被膜が除去された断面図である。 再コーティング工程によって第１、第２の硬質被膜が再コーティングされた刃部の断面図である。

次に、本発明に係る表面被覆工具の好適な実施例を、図面を参照しつつ説明する。
［実施例］

図２に示すように、表面被覆工具の切れ刃における刃部１は、母材５の逃げ面２及びすくい面４の表面に第１の硬質被膜３がコーティングされ、さらに第１の硬質被膜３の表面に第２の硬質被膜６がコーティングされている。そして、第１の硬質被膜３は、第２の硬質被膜６の除膜液（除膜手段）では除去できない組成とされている。例えば、第１の硬質被膜がＣｒ系、第２の硬質被膜がＴｉ系である場合、フッ化水素アンモニウムを主成分とする除膜手段が適用可能であり、具体的には、ＮＧＬ Ｃｌｅａｎｉｎｇ ＧｍｂＨ製のＵＮＩＣＥＲＡＬ１０８（商標）、ＵＮＩＣＥＲＡＬ２０８（商標）、ＵＮＩＣＥＲＡＬ３０８（商標）が除膜手段の一例である。

表面被覆工具において、切り刃の刃部１に摩耗が生じた場合、除膜工程を実施し、図３に示すように、第１の硬質被膜３を除去しえず、且つ第２の硬質被膜６を除去可能な上記除膜液に浸漬して、刃部１のすくい面４と逃げ面２の上層にコーティングされた第２の硬質被膜６を除去する。これによりこのすくい面４及び逃げ面２には第１の硬質被膜３のみが当初のコーティングされたままの膜厚で残される。

次いで、図４に示すように、すくい面４側の第１の硬質被膜３を研削し、さらに工具母材５もすくい面４が後退するように研削して、この工具母材５がすくい面４に露出するように再研磨を行う。これにより、すくい面４の摩耗部分が除去されるとともに鋭利な刃部１が新たに形成される。

さらに、こうして再研磨工程及び除膜工程を経た工具は、図５に示すように再コーティング時の前処理工程である適正な条件で管理されたＡｒイオンによるボンバード工程によって刃部の逃げ面２の第１の硬質被膜３がエッチングにより除去される。これにより、図６に示すように除膜・再研磨の繰り返しによる逃げ面２の厚膜化（膜厚増大）を防止し得る。その後、コーティング工程において刃部１のすくい面４と逃げ面２とに第１、第２の硬質被膜を所定の膜厚で再コーティングし、再生（再研磨・再コーティング）表面被覆工具が得られる。

なお、こうして得られた再生表面被覆工具に摩耗が生じたときには、除膜工程（図２）から再研磨工程（図４）、再コーティング工程（図５、図６）を実施し、再研磨・再コーティングを繰り返せば良い。

そして、このような再研磨・再コーティング方法による再生工具においては、すくい面４と逃げ面２には新品時と同様に第１、第２の硬質被膜３、６が積層してコーティングされている。さらに、上層の第２の硬質被膜６は再コーティング前の除膜工程で除去され、第１の硬質被膜３について、すくい面４は再研磨により除去し、逃げ面２はボンバード工程のエッチングにより除去して再コーティングされたものであり、第１、第２の硬質被膜３、６を合わせた硬質被膜の膜厚を増大させることなく、硬質被膜の剥離が生じるのを防止することができる。

本実施例は、Ｔｉ系硬質被膜とＣｒ系硬質被膜とがそれぞれ専用の除膜液でなければ除去し得ないことを利用して、上記除膜工程において、第１の硬質被膜を除去し得ない上記除膜液によって第２の硬質被膜のみを除膜するとともに、再研磨工程において、超硬母材が露出するまで切れ刃を再研磨する。

従って、こうして除膜工程および再研磨工程を経た超硬工具は、再研磨されなかった切れ刃部分には第１の硬質被膜のみがコーティングされるとともに、再研磨された切れ刃部分には硬質被膜がコーティングされていない状態とされるので、再コーティング工程において、切れ刃に再び第１および第２の硬質被膜をコーティングすることにより、再研磨された切れ刃には第１の硬質被膜がコーティングされた上に第２の硬質被膜が再コーティングされ、また再研磨されなかった切れ刃では除膜工程によって除膜されなかった第1の硬質被膜と連続して第1および第２の硬質被膜が再コーティングされ、超硬基材の表面被覆工具を得ることができる。

ここで、こうして得られた超硬基材の表面被覆工具では、再研磨されなかった切れ刃で除膜工程によって除膜されなかった第1の硬質被膜と連続して第1の硬質被膜が再コーティングされているが、第1の硬質被膜の膜厚が０．２μｍ以上１．０μｍ未満であれば、厚膜化による剥がれやチッピング、また第２の硬質被膜の密着不良などによる工具性能の低下を招かない。

第1の硬質被膜の膜厚が０．２μｍ未満であると、除膜工程において被膜のピンホールを介して除膜液が浸透し、超硬基材に含まれるＣｏが溶出し、超硬基材の強度低下や表面荒れ、再コーティングした被膜の密着性低下などを招き、工具性能を低下させてしまう。

一方で第1の硬質被膜の膜厚が１．０μｍ以上であると、除膜工程における保護膜としては問題ないが、再コーティングを繰り返すごとに膜厚が増大し、剥がれやチッピング、第２の硬質被膜との密着不良などによる工具性能の低下を引き起こす。

第１の硬質被膜の膜厚を０．２μｍ以上１．０μｍ未満、好ましくは０．２μｍ以上０．５μｍ未満にすることで、除膜工程における保護膜としての機能、厚膜化による工具性能の低下を防止できる。第１の硬質被膜は、除膜工程においては膜厚が減肉することはないが、再コーティング時の前処理工程でＡｒイオンを衝突させてクリーニングを行うボンバード工程で減肉する。その減肉量は、上記した膜厚の範囲内であるため、再コーティング時に除膜工程で除膜できなかった第１の硬質被膜はボンバード工程によって除去もしくは減肉するため、厚膜化による工具性能の低下を招くことがない。
{再生評価}

図１は、未だ再生処理を行う必要のない前記実施例（未再生品）、再生回数１回、５回、７回の再生品１～３、および比較対象の比較例１～３について、切削性能・寿命評価を行った結果を示す。

本願出願人においては、切削性能、切削寿命について、所定距離の切削の結果生じた、摩耗量および粗度を指標とした評価基準を設定している。
切削性能については、所定切削量に対する切れ刃所定部分の摩耗量、粗度を指標とし、切削寿命については、切れ刃所定部分に所定摩耗量が生じるまでの切削量を指標とする。

例えば、２枚刃超硬ＥＭの切削寿命評価において、被削材ＳＣＭ４４０（硬さＨＲＣ３２）、切削速度５５ｍ／ｍｉｎ、送り１７５ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み量ａｐ５ｍｍ、ａｅ０．３ｍｍ、水溶性切削油によるフライス加工（側面切削）の切削条件を設定する。そして、一定切削距離ごとに被削材の加工面粗度及び刃先を観察して、被膜の摩耗幅が０．０７ｍｍを超えた切削距離を切削寿命とした。

一方、切削性能評価では、所定切削距離において、切れ刃に生じた摩耗、粗度が評価基準を超えなければ切削性能は評価基準を満たしていることになる。

未再生品、再生品１～３に用いた表面被覆工具はタングステンカーバイトを主成分とする超硬合金母材のエンドミルであって、第１、第２の硬質被膜は図１に示す組成、膜厚であり、公知のコーティング手法でコーティングしたものである。そして、再生品１～３では、側面切削を行い、切れ刃の逃げ面摩耗が０．０７ｍｍとなった時点で、寿命と判断し、再生処理した。

再生処理では、まず図１に示す除膜液、浸漬時間で浸漬して第２の硬質被膜を除去した。次に、すくい面側の第１の硬質被膜、工具母材を研削し、工具母材をすくい面に露出させ、摩耗部分を除去し、鋭利な刃部を新たに形成した。そして、ボンバード工程によって刃部の逃げ面の第１の硬質被膜をエッチング除去し、コーティング工程によって刃部のすくい面と逃げ面に第１、第２の硬質被膜を再コーティングして、再生品を製作した。

再生品１は再生回数１回、再生品２は再生回数５回、再生品３は再生回数７回であるが、いずれも、切削性能、切削寿命において前記評価基準を満たしていた。

再生品１～３の第２の硬質被膜の除膜工程後に第１の硬質被膜を除去しているが、比較例１～３では、再コーティング時の前処理工程においてＡｒイオンを衝突させてクリーニングを行うボンバード工程により硬質被膜を全て除去した上で、切れ刃に最初にコーティングしたのと同じ種類の第１、第２の硬質被膜を同じ膜厚で再コーティングした。

また、比較例１では、新品の工具に第１の硬質被膜をコーティングせずに第２の硬質被膜のみをコーティングし、上記切削条件で切れ刃の逃げ面の摩耗幅が０．０７ｍｍとなった時の切削距離を比較した。また再生品１～３は未再生品と同等の切削寿命であることを確認した。

未再生品、再生回数１回の再生品１において充分な切削寿命が得られたことはいうまでもないが、再生回数５回、７回の再生品２，３においても充分な切削寿命を発揮し、再生処理の効果が高いことが確認された。

比較例１は、第１の硬質被膜をコーティングせずに第２の硬質被膜のみをコーティングし、除膜液に浸漬しており、超硬成分のＣｏが表層より深さ１．０μｍまで溶出していることを確認した。このため、工具強度が低下し、切削性能が著しく低下した。

比較例２は、第1の硬質被膜が厚い場合の影響について比較調査し、第1の硬質被膜の膜厚が２．０μmでは切削性能が著しく低下することが確認された。第1の硬質被膜は上記適正な膜厚で管理される必要があることが判明した。

比較例３は、第２の硬質被膜が０．２μｍ未満の場合、再コーティング時に前工程であるボンバード工程中に第１の硬質被膜が減肉し超硬基材が露出する。この状態でボンバード処理され続けることで母材がエッチングされて、刃具径が減少する。そのため、第１の硬質被膜は０．２～０．５μｍの範囲で管理されることが望ましいことが判明した。

以上の実施例およびその再生品においては、母材（基材）は超硬合金で形成されていたが、本発明を、母材が超硬合金以外の素材よりなる表面被覆工具およびその再生方法に適用し得ることは言うまでもない、

１ 切れ刃の刃部
２ 逃げ面
３ 第１の硬質被膜
４ すくい面
５ 母材
６ 第２の硬質被膜

Claims (10)

1. 母材と、前記母材の表面にコーティングされた第１の硬質被膜と、前記第１の硬質被膜の表面にコーティングされた第２の硬質被膜と、を備えた表面被覆工具であって、前記第２の硬質被膜は、第１の硬質被膜によって母材への悪影響が阻止され、かつ第１の硬質被膜は除膜できない除膜手段によって、除膜可能である表面被覆工具。
2. 第２の硬質被膜は、第１の硬質被膜の表面に複数種コーティングされている請求項１記載の表面被覆工具。
3. 第１の硬質被膜の膜厚は、０．２μｍ以上、１．０μｍ未満である、請求項１記載の表面被覆工具。
4. 第１の硬質被膜の膜厚は、０．２μｍ以上、０．５μｍ未満である、請求項１記載の表面被覆工具。
5. 母材は超硬合金によって形成されている請求項１記載の表面被覆工具。
6. 第１の硬質被膜の組成は、Ｃｒ系である請求項１記載の表面被覆工具。
7. 第２の硬質被膜の組成は、Ｔｉ系である請求項１記載の表面被覆工具。
8. 除膜手段はフッ化水素アンモニウムが主成分である請求項１記載の表面被覆工具。
9. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の表面被覆工具のための再生方法であって、前記除膜手段によって、第１の硬質被膜が露出するまで第２の硬質被膜を除膜する除膜工程と、その後、前記母材が露出するまで再研磨する再研磨工程と、その後、母材表面に第１の硬質被膜をコーティングする第１硬質被膜コーティング工程と、その後、第１の硬質被膜表面に第２の硬質被膜をコーティングする第２硬質被膜コーティング工程とを備えた、再生処理方法。
10. 第１の硬質被膜はＡｒイオンによるボンバード工程によって除膜される請求項９記載の再生方法。