JPH11291103A

JPH11291103A - 被覆切削工具

Info

Publication number: JPH11291103A
Application number: JP11412098A
Authority: JP
Inventors: Hisanori Ohara; 久典大原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 1999-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高能率で高精度の切削加工の持続できる被覆
切削工具を提供する。【解決手段】セラミックス、超硬合金、サーメットあ
るいは高速度鋼を基材とした切削工具において、該切削
工具のすくい面、逃げ面、切れ刃稜線部、切り屑が流れ
る溝の４つの部位のうち、少なくともその一つ以上の部
位を、炭素に対する窒素の比率が２原子％以上３０原子
％以下の窒素含有硬質炭素膜が最外層となるように被覆
してなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フライス加工、旋
削加工、穿孔加工、歯切加工等に用いられる切削工具の
うち、工具の表面に耐摩耗性被膜を形成した、いわゆる
被覆切削工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】切削加工の高能率化・高精度化の要求を
満たすために、新しい切削工具材料が次々と開発されて
いる。この様な材料開発の流れの中で、各種工具素材上
へのセラミックスコーティング技術は、欠かせない工具
製造技術の一つとなっている。また、最近の動向とし
て、加工能率をより一層向上させるために、切削速度が
より高速になりつつあり、切れ刃の摩耗がますます激し
くなる傾向がある。この様な摩耗を抑えるために、セラ
ミックスコーティング膜の成分として、炭化チタン（Ｔ
ｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣ
Ｎ）といったチタン系セラミックスによって形成された
硬質の耐摩耗性皮膜が現在最も広く使われている。

【０００３】しかし、上記の様な耐摩耗性被膜は、切削
される材料（以下被削材）が工具の切れ刃近傍に溶着
し、切れ刃の欠けを誘発するという、いわゆる「溶着欠
損」の抑制効果が不十分であるという欠点があった。こ
の原因は溶着物と耐摩耗性皮膜との間の密着力が高く、
構成刃先の成長を招き、結果として切れ刃先端部の大規
模な欠損等の現象を引き起こしていたためであると考え
られる。また穿孔加工においては、特に深い穴をドリル
で加工する際に、切り屑の流出抵抗が増大し、ドリルの
折損などのトラブルを引き起こすという現象をなくす効
果も不十分であった。

【０００４】この様な被削材の溶着を防いだり切り屑の
流出抵抗を抑える一つの方法として、二硫化モリブデン
などの層状化合物からなる潤滑牲皮膜を上述の耐摩耗性
被膜の上に積層した工具も提案され、市販されている
が、二硫化モリブデンなどの層状化合物は機械的強度が
低いために摩耗しやすく、切削開始直後には良好な特性
を示すものの、潤滑性皮膜の損耗に伴って溶着防止の効
果が失われてしまうという欠点があった。

【０００５】またダイヤモンドあるいはダイヤモンド状
炭素からなる硬質被膜を被覆した工具も提案され、一部
実用化が図られているが、工具母材との密着強度が低か
ったり不安定であったりするために剥離しやすく、性能
が不安定であるという問題があった。このように、従来
の工具材料・被覆膜材料では、これらのニーズを充分に
満足することはできていなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
の事情に鑑み、セラミックスコーティングの優れた点を
活かしながら、被覆切削工具の表面への被削材の溶着を
防ぐと同時に被削材や切り屑との滑りを良くすることが
できる画期的な被覆切削工具を提供しようとするもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の特徴とす
るところは、超硬合金、高速度鋼などを基材とする切削
工具の表面のうち、切削に関与する部位、即ち披削材と
擦れる逃げ面、切り屑と擦れるすくい面、それら二つの
面の境界部に当たる切れ刃稜線部、更に切り屑が流れる
溝の４つの部位のうちのいずれか一つまたは二つ以上の
部位が、窒素を含有する硬質炭素膜で被覆されているこ
とである。

【０００８】そしてこの窒素含有硬質炭素膜における炭
素に対する窒素の比率が２原子％以上３０原子％以下で
あること、また不可避不純物の一つとして水素を含んで
いることを第２の特徴としている。

【０００９】また該窒素含有硬質炭素膜が基材上に直接
被覆された単層構造、あるいは該窒素含有硬質炭素膜
が、基材に隣接して形成された下地層の上に形成され、
該下地層の成分が周期律表のＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元
素の炭化物、窒化物、炭窒化物、並びにＡｌＮ、Ｓｉ
Ｃ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｂ₄ Ｃ、ＢＮ及びこれらの化合物、混
合物、多層構造物からなることを第３の特徴としてい
る。

【００１０】このような被覆切削工具の用途としては、
最も一般的な鉄系合金はもちろんのこと、とりわけアル
ミニウム合金や銅合金のような軟質且つ焼付きやすい材
料の切削加工に適しており、これは別の特徴の一つであ
る。切削加工の種類としては、旋削加工、フライス加
工、エンドミルによるフライス加工、ドリルによる穿孔
加工、カッターによる歯切加工など、全ての切削加工が
対象となる。

【００１１】

【作用】既に説明した様に、切削工具においては、披削
材や切り屑と接触する部位における摩擦摩耗特性が、工
具の性能を左右する重要な因子となっている。本発明者
は、各種セラミックスの持つ多種多様な特徴を活かすこ
との出来る皮膜を検討する中から、該切削工具のうちの
切削に関与する部位、即ち被削材と擦れる逃げ面、切り
屑と擦れるすくい面、それら二つの面の境界部に当たる
稜線部、更に切り屑が流れる溝を加えた４つの部位のう
ちのいずれか一つまたは二つ以上の部位が、窒素を含有
する硬質炭素膜で被覆されていれば、切削加工中の溶着
現象をなくしたり、切り屑の流出抵抗を抑えることがで
きることを見いだした。また従来から用いられていたダ
イヤモンドやダイヤモンド状炭素膜に起こりやすかった
剥離現象もなくすことができることも見いだした。この
原因は、窒素を添加したことで、ダイヤモンド状炭素膜
に近い材質・構造を持った硬質炭素膜が、圧縮内部応力
の低減、膜自身の耐摩耗性向上、下地層との親和性（密
着性）向上などの面で改善され、剥離しにくく耐摩耗性
も向上したためであると考えられる。

【００１２】本発明者は、硬質炭素膜への窒素添加が膜
内部応力に与える影響を調査した結果、窒素を含まない
ダイヤモンド状炭素膜の残留圧縮応力を１とした時に、
炭素に対する窒素の比率を３原子％とした窒素含有硬質
炭素膜では残留圧縮応力が０．８となり、窒素を数原子
％添加することで、硬質炭素膜の残留圧縮応力が目覚ま
しく低下することを見いだした。圧縮応力が高すぎる
と、膜自身が圧壊するだけでなく、切削加工中の外部応
力なども加わって、膜の損壊が促進される傾向にある。
従って窒素を添加することが膜の圧縮損壊の抑制に効果
があることが推察される。

【００１３】次に本発明者は、硬質炭素膜への窒素添加
が膜の耐摩耗性に与える影響を調査した結果、窒素を含
まないダイヤモンド状炭素膜の摩耗量を１とした時に、
炭素に対する窒素の比率を３原子％とした窒素含有硬質
炭素膜では摩耗量が０．６となり、窒素を数原子％添加
することで、硬質炭素膜の耐摩耗牲が目覚ましく向上す
ることを見いだした。この試験では相手材を軸受け鋼
（JIS SUJ２）の鋼球とし、潤滑油を全く用いない条件
でのボールオンディスク試験を用いた。このように耐摩
耗性が著しく向上する理由は、一つには窒素添加による
残留圧縮応力の低減にあるものと思われるが、もう一つ
は窒化炭素化合物が生成したことが考えられる。窒化炭
素化合物とは、ダイヤモンドを越える硬質物質として期
待されている新材料であるが、窒化炭素として完全な形
で合成された例はない。本発明による窒素含有硬質炭素
膜の膜内部には、わずかな量の窒素しか存在しないが、
ダイヤモンド状炭素のマトリックス中に窒化炭素の微細
粒子が分散した構造を持っている可能性があり、この窒
化炭素成分が耐摩耗性向上にも好影響を与えたものと考
えられる。

【００１４】またダイヤモンド状炭素膜に窒素を添加す
ることが、膜の密着強度にも好影響を与えることが本発
明者によって確認された。本発明では、窒素含有硬質炭
素膜を工具母材表面上に直接形成しても、優れた効果が
得られる。

【００１５】本発明のもう一つの特徴の一つに、周期律
表のＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物、炭
窒化物、並びに、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｂ₄
Ｃ、ＢＮ及びこれらの化合物、混合物からなる一つ以上
の中間層を介して、窒素含有硬質炭素膜を最外層に形成
すると言う多層構造物としたことが挙げられるが、ここ
で用いられている周期律表のＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元
素やＡｌ、Ｓｉ、Ｂといった元素は、容易に窒素や炭素
と反応することが知られている。

【００１６】本発明者は共同研究者らと共に、この炭素
と反応することを利用して、ダイヤモンドあるいはダイ
ヤモンド状炭素膜を基材上に形成する際に、周期律表の
ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素やＡｌ、Ｓｉ、Ｂといった
元素そのもの、あるいはこれらの炭化物、炭窒化物など
を利用することを提案している（例えば特開昭５７−１
５８３７２号公報、特開昭５８−１２６９７２号公報、
特開昭６１−１０４０７８号公報、特開昭６２−１１６
７６７号公報など）。しかしこれらの提案では、いずれ
も最外層がダイヤモンドまたは硬質炭素膜（ダイヤモン
ド状炭素膜）であるという点で、本発明とは異なる。即
ち既に述べたように、中間層材料と硬質炭素膜との密着
性を向上させるためには、硬質炭素膜に窒素を少量でも
添加することが極めて有効なのである。これは、炭素は
往々にして「低硬度の黒鉛質物質」に変化し、材料中に
このような低硬度物質が生成することで、界面や材料そ
のものの機械的強度を損ねるが、このような場合に窒素
が存在すると、黒鉛質の物質の生成を抑制でき、また中
間層構成物質中の元素と窒化反応を起こすことでも密着
強度向上に効果があるものと推定される。

【００１７】硬質炭素膜への窒素添加量としては、炭素
に対する窒素の比率が２原子％以上、３０原子％以下で
あることが好ましい。窒素の比率が２原子％を下回る
と、窒素添加の効果が得られない。また窒素の比率が３
０原子％施を越えると、膜の硬度が極端に低下する傾向
を示し、好ましくないこともわかった。炭素と窒素の比
率が重要であり、窒素含有硬質炭素膜中の炭素と窒素の
組成比（含有率）をそれぞれＡ原子％、Ｂ原子％とした
時に、炭素に対する窒素の比率とは、炭素に対する窒素
の比率（原子％）＝Ｂ÷（Ａ十Ｂ）×１００で計算され
るものとした。このような組成比の測定については、化
学分析、物理分析などのあらゆる手法が適用できるが、
本発明者らはＸ線光電子分析法（ＸＰＳ法）を用いて分
析を行った。分析においては、膜の最表面における吸着
不純物を物理的に除去するための「イオンビームスパッ
タリング」を併用した。

【００１８】なお窒素含有硬質炭素膜の形成において炭
化水素ガスを用いる場合は、前記不可避不純物として水
素が含まれる。条件によりその含有量を変化させること
ができるが、例えば炭素に対する組成比は３０〜４０原
子％程度である。水素は膜の硬度を下げ、圧縮残留応力
を下げるので、膜厚を厚くすることができるなどの効果
がある。従って、固体炭素を原料として窒素含有硬質炭
素膜を形成する場合は、不可避不純物として水素を含ま
ないが、必要によっては膜形成雰囲気中に水素を添加し
て水素を含有せしめてもよい。

【００１９】なお本発明の被覆切削工具の用途として
は、アルミニウム合金や銅合金など軟質で且つ工具表面
に融着を起こしやすい披削材の加工が特に好適である。
その詳細については実施例によって説明する。なお実施
例ではドリルについての結果のみを説明しているが、ド
リル以外の工具、例えばエンドミル、バイト、刃先交換
型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマであっても同
様の効果が得られることは言うまでもない。また実施例
では高速度鋼と超硬合金製の工具についてのみ説明して
いるが、これら以外のセラミックス、サーメットといっ
た切削工具用材質においても同様の効果が得られると考
えられる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施の形態につ
いては実施例で示す。

【００２１】

【実施例】高周波電界中におけるプラズマＣＶＤ法によ
りダイヤモンド状炭素膜を形成する公知の手法におい
て、原料ガスであるメタンガスに窒素ガスを添加するこ
とで、窒素含有硬質炭素膜を形成した。得られた窒素含
有硬質炭素膜の厚みは１μｍであった。なお原料ガス中
への窒素ガスの添加比率を変化させることで、０原子％
から３５原子％までの窒素比率の窒素添加硬質炭素膜を
得た。この窒素添加硬質炭素膜の形成は、高速度鋼ＳＫ
Ｈ５１を基材とするツイストドリルの刃部表面を被覆す
るように形成したものである。ドリルのサイズは直径
３．２mm、長さ１５０mmとした。また各種の中間層物質
をスパッタ法、アークイオンプレーティング法、中空陰
極放電イオンプレーティング法などを用いて該ドリルの
表面に形成し、その上に窒素含有硬質炭素膜を形成した
ドリルも作成した。

【００２２】これらのドリルに対して、アルミニウム合
金（JIS A5052）の穴開け加工を実施し、ドリルの性能
を評価した。切削条件はドリル外周での切削速度１００
ｍ／分、送り量０．２mm／回転、穴深さ５０mm、水溶性
切削油剤の外部給油方式とし、穴開け時の切削抵抗の変
化、ドリル破損時の穴開け個数、試験柊了時のドリルの
状態を観察した。試験を行った膜構造と切削試験結果を
表１に示す。表１からわかるように、実施例１〜２０は
何れも比較例１〜５に比し、切削抵抗が小さく、ドリル
寿命も極めて長く、且つ試験終了後も硬質炭素膜が健全
な状態にあることが確認できた。

【００２３】

【表１】

【００２４】上記と同様の手法で、高周波電界の代りに
直流電界を用いたプラズマＣＶＤ法により、窒素含有硬
質炭素膜を形成した。なお基材は超硬合金（JIS P30）
とし、形状はφ８．５の油穴付きツイストドリルを用
い、表２に示す膜構造の試作を行った。これらのドリル
に対して、アルミニウム合金（ADC12 ）の穴開け加工を
実施し、ドリルの性能を評価した。切削条件はドリル外
周での切削速度５００ｍ／分、送り量０．４mm／回転、
穴深さ２６mm、水容性切削油剤の内部給油方式とし、穴
開け時の切削抵抗の変化、切削長３０ｍ時点でのドリル
の状態を観察した。試験を行った膜構造と切削試験結果
を表２に示す。表２からわかるように、実施例２１〜４
０は何れも比較例６〜１０に比し、切削抵抗が小さく、
ドリル寿命も極めて長く、且つ試験終了後も硬質炭素膜
が健全な状態にあることが確認できた。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、切削工具のすくい面と
逃げ面等の切削に関与する部位における被削材の溶着を
防ぐとともに切り屑の流れをスムースにすることがで
き、工具の摩耗を穏やかに進行させることができるだけ
でなく、コーティング膜の持つ耐摩耗性を最大限に引き
出すことができる。また本発明は、穴あけ加工、エンド
ミル加工、フライス切削、旋削共に利用することができ
有用である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス、超硬合金、サーメットあ
るいは高速度鋼を基材とした切削工具において、該切削
工具のすくい面、逃げ面、切れ刃稜線部、切り屑が流れ
る溝の４つの部位のうちの少なくとも一つまたは二つ以
上の部位が耐摩耗性被膜で被覆されてなり、該耐摩耗性
被膜の最外層は、炭素を主成分として炭素に対する窒素
の比率が２原子％以上３０原子％以下であり、炭素と窒
素以外の成分として不可避不純物を含んだ窒素含有硬質
炭素膜であることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項２】不可避不純物の一つが水素であることを
特徴とする請求項１記載の被覆切削工具。
【請求項３】窒素含有硬質炭素膜が切削工具基材表面
に直接被覆形成されてなることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の被覆切削工具。
【請求項４】窒素含有硬質炭素膜と切削工具基材との
間には１層以上の中間層を設けた多層耐摩耗被覆構造で
あることを特徴とする請求項１または２記載の被覆切削
工具。
【請求項５】窒素含有硬質炭素膜に接する中間層が、
周期律表ΙＶａ，Ｖａ，ＶΙａ族元素の炭化物、窒化
物、炭窒化物、並びにＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄ 、Ｂ₄
Ｃ、ＢＮ及びこれらの化合物、混合物からなることを
特徴とする請求項１、２または４記載の被覆切削工具。
【請求項６】切削工具は、非鉄金属切削用であること
を特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の被覆
切削工具。
【請求項７】アルミニウム合金の切削に用いられるド
リル、エンドミル、バイト、刃先交換型チップ、メタル
ソー、歯切工具、リーマのいずれかであることを特徴と
する請求項６記載の被覆切削工具。
【請求項８】超硬合金または高速度鋼を基材としたド
リルまたはエンドミルの基材表面に、直接窒化チタン膜
を形成し、その上に設けた炭化チタン膜を介して、最外
層に請求項１または２記載の窒素含有硬質炭素膜を形成
したことを特徴とする被覆切削工具。