JPH11254241A - 耐酸化・耐摩耗被膜付き工具 - Google Patents

耐酸化・耐摩耗被膜付き工具

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JPH11254241A
JPH11254241A JP5648598A JP5648598A JPH11254241A JP H11254241 A JPH11254241 A JP H11254241A JP 5648598 A JP5648598 A JP 5648598A JP 5648598 A JP5648598 A JP 5648598A JP H11254241 A JPH11254241 A JP H11254241A
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JP
Japan
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film
tool
base material
thickness
oxidation
Prior art date
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Pending
Application number
JP5648598A
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English (en)
Inventor
Shinichi Okabe
信一 岡部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Mining Co Ltd filed Critical Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来より広く切削工具用部材として用いられ
る高速度工具鋼材や超硬合金材にTiAlN膜を形成し
ても、剥離の問題なく、十分な耐酸化・耐摩耗性を有す
る工具を提供する。 【解決手段】 鋼材あるいは超硬合金材を母材とする工
具であって、その母材表面に、Alの割合が20〜70
モル%のTiAlN膜がカソードアーク法で形成され、
TiAlN膜はその形成途中にメタルボンバード処理さ
れている耐酸化・耐摩耗被膜付き工具。TiAlN膜の
形成途中にメタルボンバード処理することにより、Ti
AlN膜中に、メタルボンバード処理によって形成され
た不連続面が1つ以上形成される。母材表面とこの不連
続面、または該不連続面同士で挟まれた領域の厚さは、
いずれも0.5〜3μmであることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、鋼材あるいは超硬
合金材を母材とする工具であって、カソードアーク法で
TiAlN膜を形成し、その途中にメタルボンバード処
理を行って不連続面を形成した耐酸化・耐摩耗性に優れ
る工具に関する。
【0002】
【従来の技術】工具の耐摩耗性を向上するために、イオ
ンプレーティングなどによりTiN膜をはじめとする金
属窒化物をコーティングすることが知られている。しか
し、近年では生産性向上のため高速切削や高送り切削が
行われ、より過酷な切削条件で工具が使われる。より過
酷な切削条件では、TiN膜は摩擦熱により酸化され、
耐摩耗性が著しく劣化する。そこで耐酸化性を向上させ
るために、TiN膜にAlを添加したTiAlN膜が実
用化された。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしTiAlN膜
は、Al濃度の増加に伴い耐酸化性が向上するものの、
靱性が低下する。膜の靱性が低下すると、外力が加わっ
たときに母材から膜が剥離する問題が生じる。そのため
工具上にTiAlN膜を形成するには、母材として外力
による変形量が小さい特殊な粉末HSSや超硬合金など
の限られた材料を用いなければ十分な効果は得られなか
った。
【0004】そこで本発明は、粉末HSSや超硬合金は
もちろんのこと、従来より広く切削工具用部材として用
いられる高速度工具鋼材にTiAlN膜を形成しても、
剥離の問題なく、十分な耐酸化・耐摩耗性を有する工具
を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の耐酸化・耐摩耗被膜付き工具は、鋼材あるい
は超硬合金材を母材とする工具であって、その母材表面
に、Alの割合が20〜70モル%のTiAlN膜がカ
ソードアーク法で形成され、TiAlN膜はその形成途
中にメタルボンバード処理されていることを特徴とす
る。
【0006】上記において、カソードアーク法における
バイアス電圧を−25〜−200Vとするのが好まし
い。また、カソードアーク法により形成されたTiAl
N膜の厚さは、1〜5μmであることが好ましい。
【0007】また、TiAlN膜の形成途中にメタルボ
ンバード処理することにより、TiAlN膜中に、メタ
ルボンバード処理によって形成された不連続面が1つ以
上形成される。母材表面とこの不連続面、または該不連
続面同士で挟まれた領域の厚さは、いずれも0.5〜3
μmであることが好ましい。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明に用いられる母材として
は、SKH51に代表される高速度工具鋼(HSS)
や、ドリル、エンドミルおよびカッターなどに使用され
る工具鋼などの公知の鋼材や、切削工具に用いられるJ
IS V1などの超硬合金材が挙げられる。
【0009】母材上に形成されるTiAlN膜は、Al
濃度が20〜70モル%以下とする。Al濃度が20モ
ル%未満では耐酸化性に劣り、TiAlN膜本来の特性
が発揮されないからである。また、70モル%を超える
とAlNが析出し、靱性などの機械的特性が低下し、好
ましくないからである。
【0010】TiAlN膜は各種イオンプレーティング
で作製できるが、本発明では密着力に優れ、工具などの
複雑形状部材の生産性に優れるカソードアーク法を用い
る。
【0011】カソードアーク法における蒸発源は、Ti
とAlの各金属カソードをそれぞれ用いてもよいが、任
意の組成で作製したTiAl合金を用いても良いし、こ
れらを組み合わせて用いても良い。
【0012】カソードアーク法では、工具などに−20
0V以上のバイアス電圧で成膜すると、刃先など鋭利な
部分は逆スパッタの影響で膜厚が薄くなったり、Al濃
度が低くなったりする。そこで、バイアス電圧は−25
〜−200Vが好ましく、さらに好ましくは−50〜−
150Vである。
【0013】TiAlN膜はTiN膜に比べると靱性が
低く、外力が加わったときに母材の変形量が大きいHS
S等では被膜が変形に追随できず、十分な特性を得るこ
とができなかった。
【0014】そこで、本発明では、TiAlN膜の膜厚
を全体で1〜5μmとし、膜形成途中にメタルボンバー
ド処理を行うことで、連続したTiAlN膜の膜厚を
0.5〜3μmとする。連続でTiAlN膜を3μmを
超えて成膜すると、被膜中の内部応力が増加し、剥離し
たりするので好ましくない。また、0.5μm未満とす
ると、生産性が劣る。
【0015】TiAlN膜の形成途中に行うメタルボン
バード処理は、母材を300〜350℃に冷却し、続い
てバイアス電圧を−800〜−2,000V印加して、
メタルイオン衝撃により、500℃まで加熱する。これ
により、すでに形成された被膜が加熱されて被膜中の内
部応力が低下する。続けてTiAlN膜を形成すると、
メタルボンバード処理によって極薄にコーティングされ
たメタル層がバッファ層となって、全体で3μm以上の
膜厚をも得ることができる。
【0016】全体の膜厚が1μm以下では工具として十
分な特性が得られず、逆に5μmを超えると、経済性お
よび生産性の面で好ましくない。
【0017】メタルボンバードに用いるメタルの種類
は、周期律表第IV族、V族、VI族に挙げられるもの
で良いが、特にTiおよびCrがより好ましい。
【0018】全体の膜厚および連続したTiAlN膜の
膜厚が上記範囲内であれば、積層数は何層でも良い。な
お、TiAlN膜を形成する前の母材には、母材表面の
清浄、母材加熱、膜と母材との密着力向上を目的とし
て、メタルボンバード処理を必ず行う。
【0019】
【実施例】実施例1 ・・・ 市販のSKH51高速度
工具鋼(HV750)製、φ6mmのドリルを母材とし
た。まず、有機溶剤でドリルを超音波洗浄し、Al濃度
が60モル%のTiAlカソードと、Tiカソードとを
備えたカソードアーク式イオンプレーティング装置の中
にセットした。装置のチャンバ内を2×10-5Torr
まで排気した後、母材に−1,000Vのバイアス電圧
を印加してTiメタルボンバード処理を行い、ドリル先
端が500℃になるまで加熱した。続いて、窒素ガスを
3×10-2Torrまで導入し、バイアス電圧を−50
VにしてTiAlN膜を5分間形成した。
【0020】その後、300℃まで冷却してから−1,
000Vのバイアス電圧を印加し、Tiメタルのボンバ
ード処理を行い、ドリル先端が500℃になるまで加熱
した。続いて、先ほどと同様にTiAlN膜を5分間成
膜した。Tiメタルボンバード処理と、TiAlN膜の
成膜とを、この後2回繰り返し、合計4層のTiAlN
層を形成した。
【0021】得られた被膜の全膜厚をカロテストにより
測定した結果、2.3μmであった。また、各層の膜厚
は、いずれも約0.5μmであった。各層の境界には、
メタル色の極薄い層が見られた。被膜中のAl濃度をE
PMAにより定量した結果、56.8%であった。な
お、カロテストによる膜厚測定では、母材と被膜、ある
いは被膜と被膜の境界が明確でないと、0.nμmまで
精度良く測定できない。このため、各層の膜厚が1μm
以下の場合では、全体の膜厚と各層の膜厚との測定値の
合計は一致しない場合がある。
【0022】このようにして得られたドリルについて切
削試験をおこなった。切削条件は、硬度HRC30±1
に調質したSCM440を被削材として、回転数1,5
00r.p.m.、送り0.15mm/rev.、切削深さ1
5mmの盲穴で行い、切削不能になるまでの穴の数で評
価した。その結果、1,500回の切削が可能であっ
た。
【0023】実施例2 ・・・ 実施例1と同様の方法
でドリル母材に2層膜を形成した。得られた被膜の膜厚
は4.4μmあり、各層は約2.2μmであった。実施
例1と同様に切削試験を行った結果、2,100回の切
削が可能であった。
【0024】実施例3 ・・・ TiAlカソードのA
l濃度が50モル%のものを使用した以外は実施例1と
同様の方法でドリル母材に4層膜を形成した。得られた
被膜の膜厚は2.3μmであり、各層は約0.6μmで
あった。被膜中のAl濃度は、46%であった。実施例
1と同様の切削試験を行った結果、1,400回の切削
が可能であった。
【0025】実施例4 ・・・ 母材に超硬合金製のド
リルを用いた以外は実施例3と同様の方法で4層膜を形
成した。得られた被膜の膜厚は2.2μmであり、各層
は約0.6μmであった。被膜中のAl濃度は、45.
6%であった。
【0026】得られたドリルについて切削試験を行っ
た。切削条件は、硬度HRC30±1に調質したSCM
440を被削材として、回転数1,500r.p.
m.、送り0.15mm/rev.、切削深さ20mm
の盲穴で行い、切削不能になるまでの穴の数で評価し
た。その結果、2,000回以上の切削が可能であっ
た。
【0027】比較例1 ・・・ TiAlN膜を単層で
2μmコーティングした以外は、実施例1と同様に単層
膜を形成した。得られた被膜の膜厚は2.1μmあっ
た。被膜中のAl濃度は、57.0%であった。実施例
1と同様の切削試験を行った結果、200回しか切削で
きなかった。
【0028】
【発明の効果】従来より広く切削工具用部材として用い
られる高速度工具鋼材や超硬合金材にTiAlN膜を形
成しても、剥離の問題なく、十分な耐酸化・耐摩耗性を
有する工具が提供できた。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鋼材あるいは超硬合金材を母材とする工
    具であって、該母材表面に、Alの割合が20〜70モ
    ル%のTiAlN膜がカソードアーク法で形成され、該
    TiAlN膜はその形成途中にメタルボンバード処理さ
    れていることを特徴とする耐酸化・耐摩耗被膜付き工
    具。
  2. 【請求項2】 カソードアーク法におけるバイアス電圧
    を−25〜−200VとしてTiAlN膜が形成された
    請求項1に記載の耐酸化・耐摩耗被膜付き工具。
  3. 【請求項3】 カソードアーク法により形成されたTi
    AlN膜の厚さが1〜5μmである請求項1または請求
    項2に記載の耐酸化・耐摩耗被膜付き工具。
  4. 【請求項4】 TiAlN膜中に、メタルボンバード処
    理によって形成された不連続面が1つ以上存在し、か
    つ、母材表面と該不連続面、または該不連続面同士で挟
    まれた領域の厚さがいずれも0.5〜3μmである請求
    項1または請求項2または請求項3に記載の耐酸化・耐
    摩耗被膜付き工具。
JP5648598A 1998-03-09 1998-03-09 耐酸化・耐摩耗被膜付き工具 Pending JPH11254241A (ja)

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