JPH07204907A - 切削加工用工具およびそのコーティング方法 - Google Patents
切削加工用工具およびそのコーティング方法Info
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- JPH07204907A JPH07204907A JP527394A JP527394A JPH07204907A JP H07204907 A JPH07204907 A JP H07204907A JP 527394 A JP527394 A JP 527394A JP 527394 A JP527394 A JP 527394A JP H07204907 A JPH07204907 A JP H07204907A
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- Japan
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- layer
- tialn
- cutting tool
- film
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- Pending
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- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高温耐熱性に優れるＴｉＡｌＮ被膜を母材に
しっかりと固着させ苛酷な使用状態にも耐えてこの被膜
が母材から剥がれることのない長寿命の切削加工用工具
を提供するものである。 【構成】 母材が鉄系材料で構成される切削加工用工具
であって、刃先の表面がＴｉＡｌＮ層で被覆され、か
つ、ＴｉＡｌＮ層と母材との間にＴｉ層からなる中間層
を形成したものである。
しっかりと固着させ苛酷な使用状態にも耐えてこの被膜
が母材から剥がれることのない長寿命の切削加工用工具
を提供するものである。 【構成】 母材が鉄系材料で構成される切削加工用工具
であって、刃先の表面がＴｉＡｌＮ層で被覆され、か
つ、ＴｉＡｌＮ層と母材との間にＴｉ層からなる中間層
を形成したものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、切削バイトや歯車カッ
タなどの切削加工用工具に係り、刃先表面にチタン系セ
ラミックス膜をコーティングして耐摩耗性を増強し長寿
命化を企図した切削加工用工具およびそのコーティング
方法に関する。
タなどの切削加工用工具に係り、刃先表面にチタン系セ
ラミックス膜をコーティングして耐摩耗性を増強し長寿
命化を企図した切削加工用工具およびそのコーティング
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】切削加工用工具には、炭素工具鋼や合金
工具鋼などが従来から用いられ、高い硬さと適度な靱性
が要求される。鋼の硬さを高めるには、炭素含有量を増
すのが有利なので、比較的炭素含有量の多い鋼が用いら
れている。ＪＩＳ規格では工具鋼として、炭素工具鋼鋼
材（ＳＫ材）や合金工具鋼鋼材（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫ
Ｔ材）や高速度工具鋼（ＳＫＨ材）が規定され、炭素工
具鋼は０．６〜１．５％の炭素を含有する工具鋼であ
り、その中でも高炭素鋼は、球状化焼なましによってセ
メンタイトを球状化したのち、焼入れ、焼もどしを行っ
て、強靱な焼もどしマルテンサイトの素地に球状の硬い
未固溶セメンタイト粒子が分散した金属組織として用い
られる。鋼の炭素含有量が多いほどセメンタイト粒子の
数量も増し、耐摩耗性が向上する反面、靱性は炭素含有
量が少ないほど増加し、また、結晶粒度の微細なものほ
ど高い靱性を示す。高い硬さと耐摩耗性を要する切削工
具、組やすりなどには炭素含有量の多い鋼が使用され、
靱性を必要とするぜんまい、刻印、プレス型などには炭
素含有量の少ない鋼が使用される。しかしながら、炭素
工具鋼は焼入性が低いため、水焼入れをする必要があ
り、寸法が大きく、形状が複雑なものでは焼割れを生じ
やすい。また、焼もどし軟化が起こりやすいので、バイ
トとして用いる時には高速切削には適さない。合金工具
鋼は、前述のような炭素工具鋼の欠点を改良するため
に、Ｃｒ、Ｗ、ＶあるいはＮｉなどの合金元素を添加し
た鋼であり、主に切削工具用や耐衝撃工具鋼、熱間金型
用に大別される。
工具鋼などが従来から用いられ、高い硬さと適度な靱性
が要求される。鋼の硬さを高めるには、炭素含有量を増
すのが有利なので、比較的炭素含有量の多い鋼が用いら
れている。ＪＩＳ規格では工具鋼として、炭素工具鋼鋼
材（ＳＫ材）や合金工具鋼鋼材（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫ
Ｔ材）や高速度工具鋼（ＳＫＨ材）が規定され、炭素工
具鋼は０．６〜１．５％の炭素を含有する工具鋼であ
り、その中でも高炭素鋼は、球状化焼なましによってセ
メンタイトを球状化したのち、焼入れ、焼もどしを行っ
て、強靱な焼もどしマルテンサイトの素地に球状の硬い
未固溶セメンタイト粒子が分散した金属組織として用い
られる。鋼の炭素含有量が多いほどセメンタイト粒子の
数量も増し、耐摩耗性が向上する反面、靱性は炭素含有
量が少ないほど増加し、また、結晶粒度の微細なものほ
ど高い靱性を示す。高い硬さと耐摩耗性を要する切削工
具、組やすりなどには炭素含有量の多い鋼が使用され、
靱性を必要とするぜんまい、刻印、プレス型などには炭
素含有量の少ない鋼が使用される。しかしながら、炭素
工具鋼は焼入性が低いため、水焼入れをする必要があ
り、寸法が大きく、形状が複雑なものでは焼割れを生じ
やすい。また、焼もどし軟化が起こりやすいので、バイ
トとして用いる時には高速切削には適さない。合金工具
鋼は、前述のような炭素工具鋼の欠点を改良するため
に、Ｃｒ、Ｗ、ＶあるいはＮｉなどの合金元素を添加し
た鋼であり、主に切削工具用や耐衝撃工具鋼、熱間金型
用に大別される。
【０００３】一方、切削用工具として使用するバイト、
カッタ類は切れ味の点から、何よりも硬さが高いことが
望まれるので比較的炭素含有量の多い鋼を使用し、他
方、切削時の衝撃によって刃こぼれが生じないような適
度な靱性を保持するような炭素含有量の鋼が選択され
る。たがね、ポンチなどのように極めて大きな衝撃荷重
のもとで使用される工具鋼としては、０．３５〜０．５
５％Ｃと炭素含有量を低め、Ｃｒ、Ｗなどを添加して靱
性を加味し、耐摩耗性を向上したＳＫＳ４およびＳＫＳ
４１などが用いられる。また、０．８〜１．１％Ｃと高
炭素含有量で、Ｖの添加で結晶粒を微細化し、表層部の
みを浅く焼入硬化して、表層部の耐摩耗性と内部の靱性
を兼ね備えたＳＫＳ４３、ＳＫＳ４４も利用される。高
速切削では、工具は大きな機械的摩耗を受けるととも
に、摩擦熱によって刃先温度が著しく上昇するので、高
温での硬さ、耐軟化性が必要となる。このため、Ｃｒ、
Ｗ、Ｍｏ、Ｖなどを多量に添加して切削性能を向上した
のが高速度工具鋼であり、Ｃｏを含む鋼は焼もどし抵抗
性と高温硬さが高いので高速切削に好適である。また、
Ｖ含有量の多い鋼は硬い炭化物の量が多く耐摩耗性によ
いので高硬度材の切削に適する。
カッタ類は切れ味の点から、何よりも硬さが高いことが
望まれるので比較的炭素含有量の多い鋼を使用し、他
方、切削時の衝撃によって刃こぼれが生じないような適
度な靱性を保持するような炭素含有量の鋼が選択され
る。たがね、ポンチなどのように極めて大きな衝撃荷重
のもとで使用される工具鋼としては、０．３５〜０．５
５％Ｃと炭素含有量を低め、Ｃｒ、Ｗなどを添加して靱
性を加味し、耐摩耗性を向上したＳＫＳ４およびＳＫＳ
４１などが用いられる。また、０．８〜１．１％Ｃと高
炭素含有量で、Ｖの添加で結晶粒を微細化し、表層部の
みを浅く焼入硬化して、表層部の耐摩耗性と内部の靱性
を兼ね備えたＳＫＳ４３、ＳＫＳ４４も利用される。高
速切削では、工具は大きな機械的摩耗を受けるととも
に、摩擦熱によって刃先温度が著しく上昇するので、高
温での硬さ、耐軟化性が必要となる。このため、Ｃｒ、
Ｗ、Ｍｏ、Ｖなどを多量に添加して切削性能を向上した
のが高速度工具鋼であり、Ｃｏを含む鋼は焼もどし抵抗
性と高温硬さが高いので高速切削に好適である。また、
Ｖ含有量の多い鋼は硬い炭化物の量が多く耐摩耗性によ
いので高硬度材の切削に適する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年切
削加工の対象となるワーク（被削物）の範囲の拡大に伴
って、より硬い被削物をしかも高速切削する必要に迫ら
れ、必然的に高速による摩擦熱の発生は著しく、バイト
やカッタなどの切削加工用工具の耐摩耗性を改善して長
寿命化を図ることが切削加工用工具の大きな課題のひと
つとなってきた。このため、ＰＶＤ法（ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ法
（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）といった表面処理法によって、工具鋼などの母材の
切刃部に耐熱性被膜を形成することも最近行われるよう
になった。ＰＶＤ法の実例の中では、従来、チタン系セ
ラミックス膜のコーティング方法として、母材の表面に
ＴｉＮ被膜を形成させることにより、より高温に耐え耐
摩耗性を改善した切削加工用工具が使用されるようにな
ってきた。しかしながら、ＴｉＮ被膜は耐熱温度は最高
６００℃程度であり、さらに高温に耐えるコーティング
被膜を有する切削加工用工具の需要が高まり、８００℃
の耐熱温度を持つＴｉＡｌＮ被覆が出現するようになっ
て、耐熱度の向上による寿命の延命化の面では改善され
た。ところが、ＴｉＡｌＮ被覆した切削加工用工具は耐
熱度の点では確かにＴｉＮ被覆のものに比べて改善され
た反面、使用中に母材から剥がれ易いという大きな難点
があり、問題となっていた。本発明の目的は、このよう
な高温耐熱性に優れるＴｉＡｌＮ被膜を母材にしっかり
と固着させ、苛酷な使用条件によっても母材からこの被
覆が剥離することのない切削加工用工具を提供すること
にある。
削加工の対象となるワーク（被削物）の範囲の拡大に伴
って、より硬い被削物をしかも高速切削する必要に迫ら
れ、必然的に高速による摩擦熱の発生は著しく、バイト
やカッタなどの切削加工用工具の耐摩耗性を改善して長
寿命化を図ることが切削加工用工具の大きな課題のひと
つとなってきた。このため、ＰＶＤ法（ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ法
（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）といった表面処理法によって、工具鋼などの母材の
切刃部に耐熱性被膜を形成することも最近行われるよう
になった。ＰＶＤ法の実例の中では、従来、チタン系セ
ラミックス膜のコーティング方法として、母材の表面に
ＴｉＮ被膜を形成させることにより、より高温に耐え耐
摩耗性を改善した切削加工用工具が使用されるようにな
ってきた。しかしながら、ＴｉＮ被膜は耐熱温度は最高
６００℃程度であり、さらに高温に耐えるコーティング
被膜を有する切削加工用工具の需要が高まり、８００℃
の耐熱温度を持つＴｉＡｌＮ被覆が出現するようになっ
て、耐熱度の向上による寿命の延命化の面では改善され
た。ところが、ＴｉＡｌＮ被覆した切削加工用工具は耐
熱度の点では確かにＴｉＮ被覆のものに比べて改善され
た反面、使用中に母材から剥がれ易いという大きな難点
があり、問題となっていた。本発明の目的は、このよう
な高温耐熱性に優れるＴｉＡｌＮ被膜を母材にしっかり
と固着させ、苛酷な使用条件によっても母材からこの被
覆が剥離することのない切削加工用工具を提供すること
にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために、本発明の切削加工用工具は、母材が鉄系材
料で構成される切削加工用工具であって、刃先の表面が
ＴｉＡｌＮ層で被覆され、かつ、該ＴｉＡｌＮ被覆層と
母材との間にＴｉ層からなる中間層を形成したものであ
る。また、本発明の切削加工用工具のコーティング方法
は、母材が鉄系材料で構成される切削加工用工具のコー
ティング方法であって、中心部をＴｉＡｌ材とし外周部
をＴｉ材とした１種類のターゲットを用い、カソード内
の磁界制御により成膜中に発生する該ターゲット上のプ
ラズマの位置を移動して前記切削加工用工具の表面にＴ
ｉ層ならびにＴｉＡｌＮ層の被膜を順次形成する構成と
した。
するために、本発明の切削加工用工具は、母材が鉄系材
料で構成される切削加工用工具であって、刃先の表面が
ＴｉＡｌＮ層で被覆され、かつ、該ＴｉＡｌＮ被覆層と
母材との間にＴｉ層からなる中間層を形成したものであ
る。また、本発明の切削加工用工具のコーティング方法
は、母材が鉄系材料で構成される切削加工用工具のコー
ティング方法であって、中心部をＴｉＡｌ材とし外周部
をＴｉ材とした１種類のターゲットを用い、カソード内
の磁界制御により成膜中に発生する該ターゲット上のプ
ラズマの位置を移動して前記切削加工用工具の表面にＴ
ｉ層ならびにＴｉＡｌＮ層の被膜を順次形成する構成と
した。
【０００６】
【作用】本発明の方法では、スパッタリング装置の基板
ホルダに母材を装着したあと、真空引きし所定の真空状
態になった後、アルゴンガスを装置内へ導入してターゲ
ットのスパッタ洗浄を行う。そして、母材の刃先表面を
直流電源または高周波交流電源によるスパッタ洗浄した
あと再びターゲットのスパッタ洗浄を行う。これらの前
処理が終了したあと、カソードに接続された放電用直流
電源装置により放電を開始し、プラズマが外周側へ寄る
ように磁界励磁用ソレノイドコイルへ流れる電流をコン
トロールし、ターゲットの外周部のＴｉ材を母材の刃先
表面へ成膜させる。この被覆膜が所定の厚さに達したと
ころでこの作業を終了し、再び磁界励磁用ソレノイドコ
イルへ流れる電流を変更し、プラズマがターゲットの中
心部に生じるようコントロールして放電を行う。この
時、装置内へは窒素ガスを導入し、母材の刃先表面のＴ
ｉ被膜のうえにＴｉＡｌＮ成膜を厚さが２μｍ程度にな
るまで形成させる。以上のようにして、切削加工用工具
の刃先表面にはＴｉ層とＴｉＡｌＮ層とが積層され、付
着力の強い強固な成膜が完成される。
ホルダに母材を装着したあと、真空引きし所定の真空状
態になった後、アルゴンガスを装置内へ導入してターゲ
ットのスパッタ洗浄を行う。そして、母材の刃先表面を
直流電源または高周波交流電源によるスパッタ洗浄した
あと再びターゲットのスパッタ洗浄を行う。これらの前
処理が終了したあと、カソードに接続された放電用直流
電源装置により放電を開始し、プラズマが外周側へ寄る
ように磁界励磁用ソレノイドコイルへ流れる電流をコン
トロールし、ターゲットの外周部のＴｉ材を母材の刃先
表面へ成膜させる。この被覆膜が所定の厚さに達したと
ころでこの作業を終了し、再び磁界励磁用ソレノイドコ
イルへ流れる電流を変更し、プラズマがターゲットの中
心部に生じるようコントロールして放電を行う。この
時、装置内へは窒素ガスを導入し、母材の刃先表面のＴ
ｉ被膜のうえにＴｉＡｌＮ成膜を厚さが２μｍ程度にな
るまで形成させる。以上のようにして、切削加工用工具
の刃先表面にはＴｉ層とＴｉＡｌＮ層とが積層され、付
着力の強い強固な成膜が完成される。
【０００７】
【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例について
詳細に説明する。図１〜図７は本発明の実施例に係り、
図１はスパッタリング装置の構成図、図２はターゲット
の構成を示す斜視図、図３〜図４はそれぞれスパッタリ
ングプロセス中のターゲットを説明する斜視図、図５は
プラズマ発生時のイオン電流密度分布を示すグラフ、図
６はスパッタリングプロセスの工程手順を示すフローチ
ャート、図７はプラズマコーティングされた切削加工用
工具により切削された被削物の表面粗さを示す比較線図
である。図１は、切削加工用工具として歯車切削用のカ
ッタ２４を表面コーティングする実施例を示したもの
で、スパッタリング装置１００は、配管１２およびメイ
ンバルブ１１を介して図示しない真空ポンプに連結され
た真空容器１０と、真空容器１０内の各々の機器に接続
された４種類の直流電源装置１、２、３、４とで構成さ
れる。真空容器１０内には後述するターゲット２５を設
置したカソード２０が一方の内面に固設され、外部にあ
る放電用直流電源装置２と結線される。カソード２０の
内部には磁界制御用ソレノイドコイル２１が埋設され、
外部のソレノイドコイル用直流電源装置１と結線され
る。一方、カソード２０に対向する真空容器１０内部中
央には軸受２２ａ回りに回転自在な回転軸（基板ホル
ダ）２２が設置されカッタ２４がコーティング被覆面を
カソード２０方向に向けて設置される。回転軸２２はモ
ータ２３の駆動により直接に低速で駆動され、回転可能
に構成される。カッタ２４が密着取付けされる回転軸２
２には逆スパッタ用高周波電源装置３および基板バイア
ス用直流電源装置４とがパラレルに結線される。基板バ
イアス用直流電源装置４の直後のチョークコイル５は逆
スパッタ用高周波電源装置３の高周波電力が基板バイア
ス用直流電源装置４へ流れ込まないための保護用に設け
たものである。また、真空容器１０内にはプロセスガス
導入管１３によりアルゴンガスおよび窒素ガスが導入さ
れるとともに、カソード２０とカッタ２４との間には往
復動できる開閉自在なシャッタ２６が設けられる。次
に、カソード２０に取り付けられるターゲット２５の詳
細について説明する。図２に示すように、ターゲット２
５は、カソード２０と着脱自在なバッキングプレート３
０の表面に厚さ５ｍｍ程度のＴｉメタル３２とＴｉＡｌ
焼結体３１の２種類からなる金属板で構成される。Ｔｉ
Ａｌ焼結体３１は通常ＴｉとＡｌとがともに５０ａｔ
ｍ．％含有される。
詳細に説明する。図１〜図７は本発明の実施例に係り、
図１はスパッタリング装置の構成図、図２はターゲット
の構成を示す斜視図、図３〜図４はそれぞれスパッタリ
ングプロセス中のターゲットを説明する斜視図、図５は
プラズマ発生時のイオン電流密度分布を示すグラフ、図
６はスパッタリングプロセスの工程手順を示すフローチ
ャート、図７はプラズマコーティングされた切削加工用
工具により切削された被削物の表面粗さを示す比較線図
である。図１は、切削加工用工具として歯車切削用のカ
ッタ２４を表面コーティングする実施例を示したもの
で、スパッタリング装置１００は、配管１２およびメイ
ンバルブ１１を介して図示しない真空ポンプに連結され
た真空容器１０と、真空容器１０内の各々の機器に接続
された４種類の直流電源装置１、２、３、４とで構成さ
れる。真空容器１０内には後述するターゲット２５を設
置したカソード２０が一方の内面に固設され、外部にあ
る放電用直流電源装置２と結線される。カソード２０の
内部には磁界制御用ソレノイドコイル２１が埋設され、
外部のソレノイドコイル用直流電源装置１と結線され
る。一方、カソード２０に対向する真空容器１０内部中
央には軸受２２ａ回りに回転自在な回転軸（基板ホル
ダ）２２が設置されカッタ２４がコーティング被覆面を
カソード２０方向に向けて設置される。回転軸２２はモ
ータ２３の駆動により直接に低速で駆動され、回転可能
に構成される。カッタ２４が密着取付けされる回転軸２
２には逆スパッタ用高周波電源装置３および基板バイア
ス用直流電源装置４とがパラレルに結線される。基板バ
イアス用直流電源装置４の直後のチョークコイル５は逆
スパッタ用高周波電源装置３の高周波電力が基板バイア
ス用直流電源装置４へ流れ込まないための保護用に設け
たものである。また、真空容器１０内にはプロセスガス
導入管１３によりアルゴンガスおよび窒素ガスが導入さ
れるとともに、カソード２０とカッタ２４との間には往
復動できる開閉自在なシャッタ２６が設けられる。次
に、カソード２０に取り付けられるターゲット２５の詳
細について説明する。図２に示すように、ターゲット２
５は、カソード２０と着脱自在なバッキングプレート３
０の表面に厚さ５ｍｍ程度のＴｉメタル３２とＴｉＡｌ
焼結体３１の２種類からなる金属板で構成される。Ｔｉ
Ａｌ焼結体３１は通常ＴｉとＡｌとがともに５０ａｔ
ｍ．％含有される。
【０００８】以上のように構成されたスパッタリング装
置１００を使用してカッタ２４の表面にＴｉＡｌＮ被覆
層を形成するスパッタリングプロセスについて説明す
る。まず、所望のカッタ２４を回転軸２２に取り付け、
メインバルブ１１を開いて真空容器１０内の圧力を真空
ポンプの駆動により５×１０-6Ｔｏｒｒ以下に真空引き
する。真空引きが完了した後、プロセスガス導入管１３
よりアルゴンガスを導入し、圧力を２×１０-3Ｔｏｒｒ
程度に設定する。この状態でシャッタ２６を閉じたま
ま、ターゲット２５上にプラズマを発生してターゲット
２５表面のスパッタ洗浄を充分に行う。その後、基板
（カッタ２４）に高電圧を印加してカッタ２４のスパッ
タ洗浄を行うが、この時に利用する放電電源は、カッタ
２４の表面形状により選択する。すなわち、表面が平滑
の場合には基板バイアス用直流電源装置４を用いて直流
スパッタエッチングを行うが、表面コーティングする切
削加工用工具２４は複雑な形状をしており表面が平滑で
ない場合には、直流スパッタエッチングを使うとスパッ
タエッチされる個所が凸部に集中してしまい、凹部は逆
に凸部から蒸発したガスなどにより汚染される現象が起
って所期の目的を達成できないことになる。このため、
本発明では、逆スパッタ用高周波電源装置３を使用して
逆スパッタを行うことによって、処理時間は長くなって
しまうという問題はあるけれども、放電が切削加工用工
具２４表面全体に発生し、局所的なエッチングやエッチ
ング不良個所の発生を防止する。逆スパッタによる基板
（カッタ２４）のエッチング洗浄が終了した後、再度タ
ーゲット２５のスパッタ洗浄を行う。その理由は逆スパ
ッタ時にカッタ母材表面から発生した不純物がターゲッ
ト２５に付着しているので、それを取り除くためであ
る。このようにして、成膜までの全ての前処理が完了す
る。
置１００を使用してカッタ２４の表面にＴｉＡｌＮ被覆
層を形成するスパッタリングプロセスについて説明す
る。まず、所望のカッタ２４を回転軸２２に取り付け、
メインバルブ１１を開いて真空容器１０内の圧力を真空
ポンプの駆動により５×１０-6Ｔｏｒｒ以下に真空引き
する。真空引きが完了した後、プロセスガス導入管１３
よりアルゴンガスを導入し、圧力を２×１０-3Ｔｏｒｒ
程度に設定する。この状態でシャッタ２６を閉じたま
ま、ターゲット２５上にプラズマを発生してターゲット
２５表面のスパッタ洗浄を充分に行う。その後、基板
（カッタ２４）に高電圧を印加してカッタ２４のスパッ
タ洗浄を行うが、この時に利用する放電電源は、カッタ
２４の表面形状により選択する。すなわち、表面が平滑
の場合には基板バイアス用直流電源装置４を用いて直流
スパッタエッチングを行うが、表面コーティングする切
削加工用工具２４は複雑な形状をしており表面が平滑で
ない場合には、直流スパッタエッチングを使うとスパッ
タエッチされる個所が凸部に集中してしまい、凹部は逆
に凸部から蒸発したガスなどにより汚染される現象が起
って所期の目的を達成できないことになる。このため、
本発明では、逆スパッタ用高周波電源装置３を使用して
逆スパッタを行うことによって、処理時間は長くなって
しまうという問題はあるけれども、放電が切削加工用工
具２４表面全体に発生し、局所的なエッチングやエッチ
ング不良個所の発生を防止する。逆スパッタによる基板
（カッタ２４）のエッチング洗浄が終了した後、再度タ
ーゲット２５のスパッタ洗浄を行う。その理由は逆スパ
ッタ時にカッタ母材表面から発生した不純物がターゲッ
ト２５に付着しているので、それを取り除くためであ
る。このようにして、成膜までの全ての前処理が完了す
る。
【０００９】次に、ハードコーティング層の生成プロセ
スに入る。本発明ではハードコーティング層としてＴｉ
ＡｌＮを用いる。基板（カッタ２４）の金属表面とＴｉ
ＡｌＮ層の間にＴｉ層を設けるには、通常スパッタリン
グでこのような２種類の膜をつける場合にはＴｉターゲ
ットとＴｉＡｌターゲットの２種類のターゲットを取り
付けた別々のカソードが必要となる。つまり、従来の方
法では上記別々のカソードを有する装置を必要としてい
たが、本発明では、図２に示すターゲット２５をカソー
ド２０へ取り付け、かつ、図３〜図４に示すように、カ
ソード内の磁界の制御を用いてプラズマ発生位置を制御
することによって１種類のカソード２０で操業可能とな
った。図３はプラズマＰをＴｉＡｌ焼結体３１の外周の
Ｔｉメタル層３２に発生させた例であり、図４はプラズ
マＰをＴｉＡｌ焼結体３１領域の表面に発生した状態を
示し、それぞれＴｉ膜、ＴｉＡｌＮ膜を成膜させる場合
に対応する。実際の成膜では、まず真空容器１０内にア
ルゴンガスを導入して２×１０-3Ｔｏｒｒ程度のガス圧
に設定し、基板であるカッタ２４にはプラズマによるイ
オンアシスト効果を得るため、基板バイアス用直流電源
装置４にて１００Ｖ程度の基板バイアスを印加してお
く。この状態でプラズマをターゲット２５外周部に発生
させて（図３に相当）、Ｔｉ膜を約１０００〜２０００
Å（オングストローム）成膜する。引き続いて真空容器
１０内にＮ2 とＡｒガスを導入してターゲット２５内周
部にプラズマを発生させて（図４に相当）、ＴｉＡｌＮ
膜を約２μｍ成膜する。この時Ｎ2 ガスとＡｒガスの比
率は使用する真空ポンプの性能や基板（カッタ２４）の
大きさ、放電のパワーなどによって変化するのでその時
々の最適条件をテストによって予め把握しておくことが
望ましい。また、膜厚は、通常のハードコーティングで
は２μｍが標準とされているが、利用目的により５μｍ
程度の膜厚までは可能である。それ以上の膜厚になる
と、セラミックス本来の特性である脆性が顕著に現れ
て、ハードコーティングとしての効果が減殺されるので
注意を要する。このようにして積層されたＴｉＡｌＮ
（窒化チタンアルミ）は、従来のＴｉＮ（窒化チタン）
より耐熱性に優れ約８００℃まで分解しないことが実験
的に確認されている。また、Ｔｉ膜を中間膜として使用
することにより表層のＴｉＡｌＮ層と母材との付着力が
強化される。また、母材となるＳＫＤ６１（熱膨張係数
１１．６）とＴｉＮ膜（熱膨張係数９．４）とが比較的
近い熱膨張係数を有するに対して、ＴｉＡｌＮ膜（熱膨
張係数６．５）はこれらよりかなり低い値となり、高温
時にはＴｉＡｌＮコーティングされた切削用工具の方が
強い圧縮応力が生じており耐靱性が一層向上することが
わかる。
スに入る。本発明ではハードコーティング層としてＴｉ
ＡｌＮを用いる。基板（カッタ２４）の金属表面とＴｉ
ＡｌＮ層の間にＴｉ層を設けるには、通常スパッタリン
グでこのような２種類の膜をつける場合にはＴｉターゲ
ットとＴｉＡｌターゲットの２種類のターゲットを取り
付けた別々のカソードが必要となる。つまり、従来の方
法では上記別々のカソードを有する装置を必要としてい
たが、本発明では、図２に示すターゲット２５をカソー
ド２０へ取り付け、かつ、図３〜図４に示すように、カ
ソード内の磁界の制御を用いてプラズマ発生位置を制御
することによって１種類のカソード２０で操業可能とな
った。図３はプラズマＰをＴｉＡｌ焼結体３１の外周の
Ｔｉメタル層３２に発生させた例であり、図４はプラズ
マＰをＴｉＡｌ焼結体３１領域の表面に発生した状態を
示し、それぞれＴｉ膜、ＴｉＡｌＮ膜を成膜させる場合
に対応する。実際の成膜では、まず真空容器１０内にア
ルゴンガスを導入して２×１０-3Ｔｏｒｒ程度のガス圧
に設定し、基板であるカッタ２４にはプラズマによるイ
オンアシスト効果を得るため、基板バイアス用直流電源
装置４にて１００Ｖ程度の基板バイアスを印加してお
く。この状態でプラズマをターゲット２５外周部に発生
させて（図３に相当）、Ｔｉ膜を約１０００〜２０００
Å（オングストローム）成膜する。引き続いて真空容器
１０内にＮ2 とＡｒガスを導入してターゲット２５内周
部にプラズマを発生させて（図４に相当）、ＴｉＡｌＮ
膜を約２μｍ成膜する。この時Ｎ2 ガスとＡｒガスの比
率は使用する真空ポンプの性能や基板（カッタ２４）の
大きさ、放電のパワーなどによって変化するのでその時
々の最適条件をテストによって予め把握しておくことが
望ましい。また、膜厚は、通常のハードコーティングで
は２μｍが標準とされているが、利用目的により５μｍ
程度の膜厚までは可能である。それ以上の膜厚になる
と、セラミックス本来の特性である脆性が顕著に現れ
て、ハードコーティングとしての効果が減殺されるので
注意を要する。このようにして積層されたＴｉＡｌＮ
（窒化チタンアルミ）は、従来のＴｉＮ（窒化チタン）
より耐熱性に優れ約８００℃まで分解しないことが実験
的に確認されている。また、Ｔｉ膜を中間膜として使用
することにより表層のＴｉＡｌＮ層と母材との付着力が
強化される。また、母材となるＳＫＤ６１（熱膨張係数
１１．６）とＴｉＮ膜（熱膨張係数９．４）とが比較的
近い熱膨張係数を有するに対して、ＴｉＡｌＮ膜（熱膨
張係数６．５）はこれらよりかなり低い値となり、高温
時にはＴｉＡｌＮコーティングされた切削用工具の方が
強い圧縮応力が生じており耐靱性が一層向上することが
わかる。
【００１０】このようにして、従来技術で述べた工具鋼
などを母材とするバイト、カッタなどの切削用工具にＴ
ｉＮ層ならびにＴｉＡｌＮ層で被覆コーティングされた
ものを実際の切削加工に使用し、被削物の表面粗さを測
定したものを図７に示す。図７の例は、本発明のように
Ｔｉ層およびＴｉＡｌＮ層被覆したピニオンカッタで歯
切加工したＲギヤーと、ＴｉＡｌＮ層のみコーティング
したピニオンカッタならびにコーティング施工しないピ
ニオンカッタで歯切加工したＲギヤーの切削後の表面粗
さを測定したもので、結果はＴｉ層およびＴｉＡｌＮ層
施工したピニオンカッタの場合がＴｉＡｌＮ層のみのも
のやコーティングなしのものに比べてはるかに優れてい
ることがわかる。以上述べたように、本発明のコーティ
ング被覆した切削加工用工具は、仕上面粗さが向上する
とともに工具の寿命が伸び、高硬度歯車の切削も可能と
なる。本発明の実施例では、コーティングされる切削加
工用工具として、歯切用のカッタ２４を示したが、本発
明の適用を受ける切削加工用工具は、これだけに止まら
ずバイト、フライスカッタ、組やすり、糸のこ、ナイフ
カッタ、帯のこ、丸のこ、ハクソー、シャー刃、ねじ切
りダイス、ホブ、ドリル、タップ、シャーブレード、刻
印などが含まれる。また、以上の加工工具以外の治工
具、例えば、押出し工具、鍛造型、ポンチ、ハンマ、ペ
ンチ、モンキ、スパナ、ドライバ、レンチ、プライヤ、
ステープラー、ホーミングロール、タガネなどに適用す
ることもできる。なお、本発明では、ＴｉＡｌＮ膜と母
材との間にＴｉ膜を入れて付着力を増強したが、さら
に、ＴｉＡｌＮ膜とＴｉ膜との間にＴｉＮ膜を形成し、
ＴｉＡｌＮ膜の靱性を補強するようにすることもでき
る。この場合、Ｔｉ膜０．１〜０．２μｍ、ＴｉＡｌＮ
膜０．５〜１．０μｍに対してＴｉＮ膜は１．０〜１．
５μｍ程度とする。
などを母材とするバイト、カッタなどの切削用工具にＴ
ｉＮ層ならびにＴｉＡｌＮ層で被覆コーティングされた
ものを実際の切削加工に使用し、被削物の表面粗さを測
定したものを図７に示す。図７の例は、本発明のように
Ｔｉ層およびＴｉＡｌＮ層被覆したピニオンカッタで歯
切加工したＲギヤーと、ＴｉＡｌＮ層のみコーティング
したピニオンカッタならびにコーティング施工しないピ
ニオンカッタで歯切加工したＲギヤーの切削後の表面粗
さを測定したもので、結果はＴｉ層およびＴｉＡｌＮ層
施工したピニオンカッタの場合がＴｉＡｌＮ層のみのも
のやコーティングなしのものに比べてはるかに優れてい
ることがわかる。以上述べたように、本発明のコーティ
ング被覆した切削加工用工具は、仕上面粗さが向上する
とともに工具の寿命が伸び、高硬度歯車の切削も可能と
なる。本発明の実施例では、コーティングされる切削加
工用工具として、歯切用のカッタ２４を示したが、本発
明の適用を受ける切削加工用工具は、これだけに止まら
ずバイト、フライスカッタ、組やすり、糸のこ、ナイフ
カッタ、帯のこ、丸のこ、ハクソー、シャー刃、ねじ切
りダイス、ホブ、ドリル、タップ、シャーブレード、刻
印などが含まれる。また、以上の加工工具以外の治工
具、例えば、押出し工具、鍛造型、ポンチ、ハンマ、ペ
ンチ、モンキ、スパナ、ドライバ、レンチ、プライヤ、
ステープラー、ホーミングロール、タガネなどに適用す
ることもできる。なお、本発明では、ＴｉＡｌＮ膜と母
材との間にＴｉ膜を入れて付着力を増強したが、さら
に、ＴｉＡｌＮ膜とＴｉ膜との間にＴｉＮ膜を形成し、
ＴｉＡｌＮ膜の靱性を補強するようにすることもでき
る。この場合、Ｔｉ膜０．１〜０．２μｍ、ＴｉＡｌＮ
膜０．５〜１．０μｍに対してＴｉＮ膜は１．０〜１．
５μｍ程度とする。
【００１１】なお、本発明におけるターゲット２５の構
造は、前述したように図２に示したとおり内側にＴｉＡ
ｌ焼結体３１、外側にＴｉメタル３２を配設したもので
あるが、このＴｉとＴｉＡｌとを内外入れ替えることは
有り得ない。なぜならば、ハードコーティング層となる
ＴｉＡｌＮ層は成膜時に基板をプラズマ中のイオンでピ
ーニングするイオンアシストがより良い膜質を得るため
の必要条件であり、図５に示すように、プラズマが中心
部に寄るほど基板に流入するイオン量が増えるからであ
る。逆にプラズマが外側に寄っている場合には、ほとん
ど基本イオン電流は流れず、イオンアシスト効果はあま
り期待できない。従って、本発明で使用する複合ターゲ
ットではターゲット中心部がハードコーティング材料で
あるＴｉＡｌで構成されている必要がある。図６は、以
上のスパッタリング方法の工程手順を説明するフローチ
ャートであり、その内容は前述したとおりである。
造は、前述したように図２に示したとおり内側にＴｉＡ
ｌ焼結体３１、外側にＴｉメタル３２を配設したもので
あるが、このＴｉとＴｉＡｌとを内外入れ替えることは
有り得ない。なぜならば、ハードコーティング層となる
ＴｉＡｌＮ層は成膜時に基板をプラズマ中のイオンでピ
ーニングするイオンアシストがより良い膜質を得るため
の必要条件であり、図５に示すように、プラズマが中心
部に寄るほど基板に流入するイオン量が増えるからであ
る。逆にプラズマが外側に寄っている場合には、ほとん
ど基本イオン電流は流れず、イオンアシスト効果はあま
り期待できない。従って、本発明で使用する複合ターゲ
ットではターゲット中心部がハードコーティング材料で
あるＴｉＡｌで構成されている必要がある。図６は、以
上のスパッタリング方法の工程手順を説明するフローチ
ャートであり、その内容は前述したとおりである。
【００１２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の切削用工具
のコーティング方法は、２種類のチタン系セラミックス
膜からなる被覆層を有する積層の成膜を基板（工具刃先
表面）に、同一の装置内で簡便に、かつ、高能率で実施
することができるので、作業能率が向上する。また、こ
のようにして得られたコーティング積層された切削加工
用工具は、被削物の表面粗さが向上し、耐摩耗性と靱性
がともに高く、刃物寿命が長くなるので工費節減となる
とともに、高速切削や超硬度被削物の切削が可能とな
り、適用範囲が拡大する。
のコーティング方法は、２種類のチタン系セラミックス
膜からなる被覆層を有する積層の成膜を基板（工具刃先
表面）に、同一の装置内で簡便に、かつ、高能率で実施
することができるので、作業能率が向上する。また、こ
のようにして得られたコーティング積層された切削加工
用工具は、被削物の表面粗さが向上し、耐摩耗性と靱性
がともに高く、刃物寿命が長くなるので工費節減となる
とともに、高速切削や超硬度被削物の切削が可能とな
り、適用範囲が拡大する。
【図１】本発明に係る実施例を示すスパッタリング装置
の構成図である。
の構成図である。
【図２】本発明に係る実施例を示すターゲットの構成を
示す斜視図である。
示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例に係るスパッタリングプロセス
中のターゲットを説明する斜視図である。
中のターゲットを説明する斜視図である。
【図４】本発明の実施例に係るスパッタリングプロセス
中のターゲットを説明する斜視図である。
中のターゲットを説明する斜視図である。
【図５】本発明に係るプラズマ発生時のイオン電流密度
分布を示すグラフである。
分布を示すグラフである。
【図６】本発明に係るスパッタリングプロセスの工程手
順を示すフローチャートである。
順を示すフローチャートである。
【図７】本発明に係るプラズマコーティングされた切削
用工具により切削された被削物の表面粗さを示す比較線
図である。
用工具により切削された被削物の表面粗さを示す比較線
図である。
１ ソレノイドコイル用直流電源装置 ２ 放電用直流電源装置 ３ 逆スパッタ用高周波電源装置 ４ 基板バイアス用直流電源装置 ５ チョークコイル １０ 真空容器 １１ メインバルブ １２ 配管 １３ プロセスガス導入管 ２０ カソード ２１ 磁界制御用ソレノイドコイル ２２ 回転軸（基板ホルダ） ２２ａ 軸受 ２４ カッタ（切削加工用工具） ２５ ターゲット ２６ シャッタ ３０ バッキングプレート ３１ ＴｉＡｌ焼結体 ３２ Ｔｉメタル １００ スパッタリング装置 Ｐ プラズマ Ｑ 基板流入イオン電流密度 Ｓ ターゲット中心からの距離 ｓ 表面粗さ
Claims (2)
- 【請求項１】 母材が鉄系材料で構成される切削加工用
工具であって、刃先の表面がＴｉＡｌＮ層で被覆され、
かつ、該ＴｉＡｌＮ被覆層と母材との間にＴｉ層からな
る中間層を形成してなる切削加工用工具。 - 【請求項２】 母材が鉄系材料で構成される切削加工用
工具のコーティング方法であって、中心部をＴｉＡｌ材
とし外周部をＴｉ材とした１種類のターゲットを用い、
カソード内の磁界制御により成膜中に発生する該ターゲ
ット上のプラズマの位置を移動して前記切削加工用工具
の表面にＴｉ層ならびにＴｉＡｌＮ層の被膜を順次形成
する切削加工用工具のコーティング方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP527394A JPH07204907A (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | 切削加工用工具およびそのコーティング方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP527394A JPH07204907A (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | 切削加工用工具およびそのコーティング方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07204907A true JPH07204907A (ja) | 1995-08-08 |
Family
ID=11606633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP527394A Pending JPH07204907A (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | 切削加工用工具およびそのコーティング方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07204907A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109207944A (zh) * | 2017-07-06 | 2019-01-15 | 深圳先进技术研究院 | 一种具有含钛化合物涂层的剪线钳及其制备方法 |
| WO2019156169A1 (ja) * | 2018-02-07 | 2019-08-15 | 住友重機械ハイマテックス株式会社 | 工具材の製造方法及び工具材 |
| WO2019156168A1 (ja) * | 2018-02-07 | 2019-08-15 | 住友重機械ハイマテックス株式会社 | 工具材の再生方法及び工具材 |
| JP2020127998A (ja) * | 2019-02-12 | 2020-08-27 | 三菱マテリアル株式会社 | 硬質皮膜切削工具 |
| JP2023023797A (ja) * | 2021-08-06 | 2023-02-16 | 株式会社マキタ | 打ち込み工具 |
-
1994
- 1994-01-21 JP JP527394A patent/JPH07204907A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109207944A (zh) * | 2017-07-06 | 2019-01-15 | 深圳先进技术研究院 | 一种具有含钛化合物涂层的剪线钳及其制备方法 |
| WO2019156169A1 (ja) * | 2018-02-07 | 2019-08-15 | 住友重機械ハイマテックス株式会社 | 工具材の製造方法及び工具材 |
| WO2019156168A1 (ja) * | 2018-02-07 | 2019-08-15 | 住友重機械ハイマテックス株式会社 | 工具材の再生方法及び工具材 |
| JP2019136799A (ja) * | 2018-02-07 | 2019-08-22 | 住友重機械ハイマテックス株式会社 | 工具材の製造方法及び工具材 |
| JP2019137880A (ja) * | 2018-02-07 | 2019-08-22 | 住友重機械ハイマテックス株式会社 | 工具材の再生方法 |
| CN111655874A (zh) * | 2018-02-07 | 2020-09-11 | 住友重机械精密铸锻株式会社 | 工具材料的再生方法及工具材料 |
| JP2020127998A (ja) * | 2019-02-12 | 2020-08-27 | 三菱マテリアル株式会社 | 硬質皮膜切削工具 |
| JP2023023797A (ja) * | 2021-08-06 | 2023-02-16 | 株式会社マキタ | 打ち込み工具 |
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