JPH11291104A

JPH11291104A - 被覆工具

Info

Publication number: JPH11291104A
Application number: JP11412198A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Oda; 一彦織田; Kazuo Noguchi; 和男野口; Yasuhiro Yamamoto; 泰弘山本
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】アルミニウム合金、銅合金あるいは鋳物など
の軟質金属を、焼き付けを生ぜず効率よく切削や切断の
機械加工のできる工具を提供する。【解決手段】超硬合金、鋼製などの工具の刃部の表面
のうち、少なくとも被削材本体または切り屑と接触する
部位の一部は、層厚０．１μｍ〜１０μｍの炭化チタン
または炭窒化チタンの被覆層を設ける。そして上記被覆
層中の炭素との組成比は、Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）の比で０．３
から１．０とする。また上記被覆層は他の中間層を介し
た最外層として形成することが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム、
銅、鉛、亜鉛、すず、ニッケル、鋳物や軟鉄、ステンレ
スなどの軟質金属の穴開け加工、エンドミル加工、旋削
加工などの機械加工に使用される工具に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年需要が急激に増大しつつあるアルミ
ニウム合金をはじめ、銅合金、あるいは鉛、亜鉛、す
ず、ニッケル、鋳物や軟鉄、ステンレスなどは、その柔
らかさゆえ、切削や切断などの加工時に焼き付きが発生
し易く、切削、切断に大きな負荷が加わり易い。このた
め、軟質金属の切削や切断に用いる工具材料には、超硬
合金などの剛性の高い材料が多く使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな工具材料を用いた工具による加工においては、加工
時に発生する焼き付きにより、工具を破損したり加工不
良を起こすことが極めて多い。この対応策として、一般
に低速で切削したり、潤滑剤を多用したり、あるいは頻
繁に加工を止めて工具を清掃したり、交換したりするな
どの方法がとられている。これらの対応策は何れも生産
性の著しく低いものである。

【０００４】こうした焼さ付きを低減するための試みと
して、工具にクロムメッキや窒化チタンコーティングな
どを施すこともあるが、焼き付きの低減にはほとんど効
果が認められていない。また焼き付け低減の外、耐摩耗
性などの向上も含め、特開昭５７−１５８３７２号、特
開昭６２−１１６７６７号あるいは特開平７−８８７１
３号により、炭素膜を含む複合被覆を施した工具が提案
されているが、被削材によっては必ずしも充分とは言い
難い。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる問題を解
決するには、工具表面に離型性の優れた材料を被覆する
ことが好ましいと考え、各種被膜材料による試験研究を
行った結果、以下に示すものにおいてその改善が著しい
ことを見い出したものである。

【０００６】ここで対象となる被加工材は、アルミニウ
ム、銅、鉛、亜鉛、すず、ニッケル、鉄の中から選ばれ
る元素のうち少なくとも１種類を含有し、それらを合わ
せた組成が４０at％以上である合金である。アルミニウ
ム、銅、鉛、亜鉛、すず、ニッケル系の合金などは、難
質で加工時に焼き付きが起きやすい。また、鉄系材料で
も、鋳物やステンレス、軟鉄などは、同様に焼き付きの
起きやすい材料である。硬さに置き換えると、ビッカー
ス硬度で４００以下、ブリネル硬さで３８０以下、ロッ
クウェル硬度Ｃスケールで４０以下の材料、特に、ビッ
カース硬度で３００以下、ブリネル硬さで２８０以下、
ロックウェル硬度Ｃスケールで３０以下、ロックウェル
硬度Bスケールで１１０以下の材料を対象としている。
また、被加工材が、ここに記載した材料を含む張り合わ
せ品、メッキ品等も対象とする。

【０００７】また、工具の刃部を形成する材質は、超硬
合金、鋼、サーメット、アルミナ、窒化珪素、ジルコニ
アの中のいずれか少なくとも一種類で構成されているも
のである。この刃部は工具本体に直接形成される場合
も、チップとしてその儘工具本体に機械的に固定して用
いられる場合も、台金、シャンクあるいは工具本体にろ
う付けして用いられる場合もある。

【０００８】そして本発明の第１の特徴とするところ
は、上記工具の刃部のすくい面、逃げ面、切刃稜線部な
ど、少なくともその表面の一部以上、即ち表面のうち、
被削材本体またはその削り屑と接触する部位の少なくと
も一部に、炭化チタンまたは炭窒化チタンを被覆するこ
とである。最外層に、この炭化チタンまたは炭窒化チタ
ンを被覆するのは、これらの材料が、アルミニウムなど
の軟質金属の離型性に優れているためである。ここで少
なくとも一部としたのは、被覆処理が困難な場合がある
ためであり、可能なかぎり、被削材本体またはその削り
屑と接触する部位すべてに被覆することが好ましい。

【０００９】被覆する炭化チタンまたは炭窒化チタンは
単層でもよいし、最外層が炭化チタンまたは炭窒化チタ
ンである積層構造でもよい。最外層の炭化チタンまたは
炭窒化チタン層の膜厚（特許請求の範囲では層厚と記載
したが、この層は膜によって形成されているので、以下
の説明では膜厚と記載する。また同様の理由により層の
内容を示すのに膜と記載する場合もある）は、０．１μ
ｍ以上１０μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以上５μｍ
以下がさらに好ましい。０．１μｍ以下では摩耗などに
より被覆層が短時間で無くなる問題があり、これ以上の
膜厚、できれば０．３μｍ以上の厚さが好ましい。ま
た、膜厚が１０μｍ以上では応力の蓄積により剥離しや
すくなるため、これ以下の膜厚が好ましく、また膜厚と
ともに増加する表面粗さを抑える目的で５μｍ以下とす
るのがより好ましい。

【００１０】さらに、炭化チタンまたは炭窒化チタン中
の炭素と窒素との組成比は、Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）の比で、
０．３から１．０であることが望ましい。炭素成分の含
有量が多いほうが焼き付きが発生しにくく離型性に優れ
る傾向にあり、最低でもＣ／（Ｃ＋Ｎ）の比が０．３以
上であることが好ましい。

【００１１】本発明の第２の特徴とするところは、上記
工具の刃部の表面のうち、被削材本体またはその削り屑
と接触する部位の少なくとも一部に、硬質炭素膜を被覆
することである。最外層に、硬質炭素膜を被覆するの
は、炭化チタンまたは炭窒化チタンの場合と同様に、硬
質炭素膜はアルミニウムなどの軟質金属の離型性に優れ
ているためである。

【００１２】硬質炭素膜は単層でもよいし、最外層が硬
質炭素膜となる積層構造でもよい。その膜厚は、０．１
μｍ以上５μｍ以下が好ましく、より好ましくは、０．
３μｍ以上１．５μｍ以下が好ましい。０．１μｍ以下
では摩耗などにより被覆層が短時間で無くなる問題があ
り、これ以上の膜厚、できれば０．３μｍ以上の厚さが
好ましい。また、膜厚が５μｍ以上では応力の蓄積によ
り剥離しやすくなるため、これ以下の膜厚が好ましく、
１．５μｍ以下の膜厚であれば応力による剥離の心配は
ほとんどなくなる。しかし、硬質炭素膜は、一般に膜厚
が増加しても表面粗さはほとんど変わらないので、応力
による剥離の問題がなければ５μｍを越える厚い層を形
成してもよい。

【００１３】本発明の第３の特徴は、上記硬質炭素膜と
して、該硬質炭素層中に、周期律表の４ａ、５ａ、６
ａ、４ｂ族の金属元素を３０at％以下含有せしめたこと
である。含有している金属は、金属炭化物の状態で含有
してもよいし、単体金属の状態で含有していてもよい。
また、均一に分布していてもよいし、傾斜組成で分布し
ていてもよい。あるいは、１ｎｍから１００ｎｍ程度の
周期で金属または金属炭化物と硬質炭素膜が交互に積層
されていてもよく、この場合平均で３０at％以下の含有
量であればよい。金属の添加の効果は、応力を低減し、
比較的厚めの膜でも応力による剥離などの悪影響が少な
い点にある。含有量が３０at％をこえると軟質金属の離
型性が低下するためこれ以下が好ましいが、添加材料に
よってはこれ以上でも効果がある場合もある。なお、離
形成のみに着目すれば、添加元素量は２０at％以下がよ
り好ましく、１０at％以下であればさらに良い傾向にあ
る。

【００１４】本発明の第４の特徴は、上記硬質炭素膜
を、最外層とし、それに接してすぐ内層に炭化チタンま
たは炭窒化チタン層を有する２層以上の積層構造とした
ことである。硬質炭素膜は、一般に多くの材料に村して
密着強度が低いが、炭化チタンや炭窒化チタンに対して
は高い密着性を示す。また同時に炭化チタンや炭窒化チ
タンは離型性に優れた材料であるため、硬質炭素膜層が
摩耗して無くなったりした場合でも、さらに中間層であ
る炭化チタンや炭窒化チタンの層で離型性を維持するこ
とができるという大きなメリットがある。

【００１５】本発明の第５の特徴は、上記硬質炭素から
なる層と炭化チタンまたは炭窒化チタンからなる層との
間で組成が連続的に変化せしめたことである。これは、
硬質炭素層と炭化チタンまたは炭窒化チタン層との間の
密着性をより高める効果がある。

【００１６】本発明の第６の特徴は、硬質炭素膜を最外
層とし、それに接してすぐ内層に珪素または炭化珪素ま
たは窒化珪素または炭窒化珪素を有する２層以上の積層
構造としたことである。これら珪素系の材料も、硬質炭
素膜との親和性が高く、密着強度を向上させる効果があ
る。

【００１７】本発明の第７の特徴は、上記被覆工具をAl
合金穴開け用ドリルに適用したことである。Al合金穴開
けドリルは、Alが凝着しやすく、切削抵抗が大きくなり
ドリルの破損が問題となる事が多いが、上記特徴を備え
たドリルを用いることにより大きな改善が見られる。

【００１８】特にこのAl合金穴開け用ドリルにおいて、
マージンの表面粗さを、Raで３μｍ以下、より好ましく
は１μｍ以下とし、溝内部の表面粗さを、Raで５μｍ以
下、より好ましくは３μｍとした場合にその改善が著し
い。マージンは、最も凝着が発生しやすい場所のひとつ
であり、溝は、削り屑が流れる場所で、やはり凝着が起
きやすい。これら部位の表面粗さを小さくすることで、
焼き付きの発生を抑える効果がある。なお、マージンを
Ra０．５μｍ以下、溝内部をRa１μｍ以下にするとさら
に効果がある。経済的な合理性が得られるならこの表面
粗さを推奨する。

【００１９】本発明の第８の特徴は、上記被覆工具をAl
合金切削用チップに適用したことである。Al切削用チッ
プも、Alが凝着しやすく、チップの交換が頻繁になるな
ど作業性が悪い問題がある。上記特徴を備えたチップを
用いることにより、大きな改善が見られる。

【００２０】特にこのAl合金切削用チップにおいて、す
くい面、逃げ面の表面粗さを、Raで１μｍ以下、より好
ましくは０．３μｍ以下とした場合にその改善が著し
い。焼き付きが起きやすいこれら部位の表面粗さを小さ
くすることで、焼き付きの発生を抑える効果がある。

【００２１】なお、ここで、炭化チタンまたは炭窒化チ
タンまたは硬質炭素膜または珪素または炭化珪素または
窒化珪素または炭窒化珪素の合成には、各種PVD 法やCV
D 法などの気相合成法を用いて合成される。具体的に
は、PVD 法では、ホロカソードイオンプレーティング
法、カソードアークイオンプレーティング法、熱電子励
起型アークイオンプレーティング法、高周波イオンプレ
ーティング法などの各種イオンプレーティング法、マグ
ネトロンスパッタ法、非平衡型マグネトロンスパッタ
法、DCスパッタ法などの各種スパッタ法、イオンビーム
を使用するイオンミキシング法などが、一方、CVD 法で
は、一般的な熱CVD 法のほかに、高周波プラズマCVD 法
などのプラズマを使用した手法などが通用できる。また
これらの中から複数のプロセスを併用してもよい。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下実施例により本発明の実施の
形態を示す。

【００２３】

【実施例】実施例１ Al合金切削用の超硬合金製ドリル
の保持部を除く全面に、イオンプレーティング法によ
り、TiN 、TiCN、TiC などのチタン系セラミックス膜の
コーティング処理を行った。このとき、コーティング膜
中のＣ／（Ｃ＋Ｎ）組成比を変化させ、それぞれについ
て、切削抵抗と、Alの凝着量を比較した。ここで、切削
抵抗は、未コートの超硬合金を使用したときの抵抗を
１．００とした。またAl凝着量は、EDX で加速エネルギ
ー２０keV の電子線を用いて測定を行い、（Alの強度）
／（検出されたすべての元素の強度の和）を求め、未コ
ートの超硬合金で得られた（Alの強度）／（検出された
すべての元素の強度の和）を１００としている。表１に
その結果を示す。比較例に示す未コートやTiN コート、
Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）比が小さいTiCNコートと比較し、実施例
のＣ／（Ｃ＋Ｎ）比が大きいTiCNコートやTiC コート
は、切削抵抗が小さく、Al凝着量も小さかった。

【００２４】

【表１】

【００２５】実施例２ Al合金切削用の超硬合金製ドリ
ルの保持部を除く全面に、イオンプレーティング法によ
り、TiC 膜のコーティング処理を行った。膜厚を各種変
化させたものについて、穴開け加工の寿命を比較した。
表２にその結果を示す。膜厚が０．１μｍより小さ
と、寿命はわずかの向上しか見られなかった。また膜厚
が１０μｍより大きいと、成膜直後に一部剥離が見ら
れ、切削時の抵抗も大きく、寿命は逆に減少した。膜厚
が０．１μｍ〜１０μｍのものに関しては、寿命の大幅
な向上が確認された。

【００２６】

【表２】

【００２７】実施例３ Al合金切削用の超硬合金製ドリ
ルの保持部を除く全面に、イオン蒸着法で硬質炭素膜の
コーティング処理を行なった。この時、同時にスパッタ
法で金属元素を蒸着させ、金属成分を添加した硬質炭素
膜も形成した。これらのドリルにつき、Al合金切削時の
切削抵抗とAl凝着量を実施例１と同じ方法で比較した。
表３にその結果を示す。硬質炭素膜及び各種金属成分を
含有した硬質炭素膜は、切削抵抗は大幅に低減し、Alの
凝着量も１／１０以下と極めて少ないものとなった。

【００２８】

【表３】

【００２９】実施例４ Al合金切削用の超硬合金製ドリ
ルの保持部を除く全面に、Siを含有した硬質炭素膜を被
覆処理した。Siの含有量は、０から５０at％まで変化さ
せた。これらのドリルについて、Al合金の切削を行な
い、切削抵抗とAl凝着量を比較した。その結果を表４に
示す。Siの添加量が３０at％以下では、切削抵抗が小さ
く、Al凝着量も少ない。特に２０at％以下の時にその傾
向は顕著である。

【００３０】

【表４】

【００３１】実施例５ Al合金切削用の超硬合金製ドリ
ルの保持部を除く全面に、イオン蒸着法で硬質炭素膜の
コーティング処理を行なった。膜厚を各種変化させたも
のについて、穴開け加工の寿命を比較した。表５にその
結果を示す。膜厚が０．１μｍより小さいと寿命はわず
かの向上しか見られなかった。また膜厚が５μｍより大
きいと、成膜直後に剥離が見られ、切削時の抵抗も大き
く、寿命はほとんど変化しなかった。膜厚が０．１μｍ
〜５μｍのものに関しては、寿命の大幅な向上が確認さ
れた。

【００３２】

【表５】

【００３３】実施例６超硬合金製のテストピースに、
表６に示す膜構造で硬質炭素膜とTiC 、TiCN、TiN 膜と
の積層コーティングを施した。硬質炭素膜はイオン化蒸
着法で、TiC 、TiCN、TiN膜はイオンプレーティング法
で処理を行い、傾斜組成の膜は両者を併用した。これら
について、スクラッチ試験法で密着強度を測定しその強
度を比較した。中間層を用いたものは、単層の硬質炭素
膜に比較して、密着強度が向上する傾向にあった。

【００３４】

【表６】

【００３５】実施例７超硬合金製のテストピースに、
表７に示す膜構造で硬質炭素膜とSiC 、Si₃N₄ 、SiCN膜
との積層コーティングを施した。硬質炭素膜はイオン化
蒸着法で、SiC 、Si₃N₄ 、SiCN膜はプラズマCVD 法で処
理を行った。これらについて、スクラッチ試験法で密着
強度を測定しその強度を比較した。中間層を用いたもの
は、単層の硬質炭素膜に比較して、密着強度が向上する
傾向にあった。

【００３６】

【表７】

【００３７】実施例８ Al合金切削用の超硬合金製ドリ
ルの保持部を除く全面に、イオン蒸着法で硬質炭素膜の
コーティング処理を、または、イオンプレーティング法
でTiC コーティング処理を行なった。ドリル表面は、コ
ーティング後に、表８に示す表面粗さになるようにし
た。このように粗さを変えたドリルについて、Al合金切
削時の切削抵抗及びAl凝着量を比較した。硬質炭素膜コ
ーティング、TiC コーティングのいずれの場合も、表面
粗さが小さいほど、切削抵抗は小さく、Alの凝着量も小
さかった。

【００３８】

【表８】

【００３９】実施例９ Al合金切削用チップに、イオン
蒸着法で硬質炭素膜のコーティング処理を、または、イ
オンプレーティング法でTiC コーティング処理を行なっ
た。チップの表面は、コーティング後に、表９に示す表
面粗さになるようにした。このように粗さを変えたチッ
プについて、Al合金切削後のAl凝着量を比較した。硬質
炭素膜コーティング、TiC コーティングのいずれの場合
も、表面粗さが小さいほど、Alの凝着量は小さかった。

【００４０】

【表９】

【００４１】実施例１０ピン・オン・ディスク摩擦摩
耗試験で、各種金属の焼付き試験を行なった。ディスク
に、各種コーティングを施した工具鋼基材、ピンに各種
金属を用い、一定時間摺動後の焼付き量を比較した。そ
の結果を表１０に示す。いずれの金属の場合も、未コー
トに比べ、TiCN、TiC 、硬質炭素膜、金属添加の硬質炭
素膜をコーティングした方が、焼付き量が大幅に減少し
た。

【００４２】

【表１０】

【００４３】実施例１１アルミニウム加工用の超硬合
金製エンドミルに、イオン蒸着法で硬質炭素膜を、イオ
ンプレーティング法でTiC コーティング処理を行なっ
た。アルミニウムの焼き付きによる不良品が出るまでの
加工数は、未コートエンドミルで２６０個、TiC コート
エンドミルで５６００個、DLC コートエンドミルで１５
８００個であった。

【００４４】

【発明の効果】すでに上記各項において述べたように、
本発明の構成の被覆工具を用いれば、アルミニウム合
金、銅合金あるいは鋳物など、軟質で切削や切断加工に
際し、焼き付いて大きな負荷のかかり易い被削材でも、
小さな負荷で効率的な加工を持続することができる。ま
たこの構成の被覆工具は、容易に安定して製造すること
ができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム、銅、鉛、亜鉛、すず、ニ
ッケル、鉄の中から選ばれる元素のうち少なくとも１種
類を含有し、それらを合わせた組成が４０at％以上であ
る合金を切削または切断する工具において、その工具の
刃部の材質が超硬合金、鋼、サーメット、アルミナ、窒
化珪素、ジルコニアの中のいずれか少なくとも一種類で
構成され、その刃部の表面のうち、被削材本体またはそ
の削り屑と接触する部位の少なくとも一部に被覆処理が
なされ、該被覆処理により形成された被覆層の最外層
は、層厚が０．１μｍ以上１０μｍ以下である炭化チタ
ンまたは炭窒化チタンであり、かつ該炭化チタンまたは
炭窒化チタン中の炭素と窒素との組成比は、Ｃ／（Ｃ＋
Ｎ）の比で、０．３から１．０であることを特徴とする
被覆工具。
【請求項２】アルミニウム、銅、鉛、亜鉛、すず、ニ
ッケル、鉄の中から選ばれる元素のうち少なくとも１種
類を含有し、それらを合わせた組成が４０at％以上であ
る合金を切削または切断する工具において、その工具の
刃部の材質が超硬合金、鋼、サーメット、アルミナ、窒
化珪素、ジルコニアの中のいずれか少なくとも一種類で
構成され、その刃部の表面のうち、被削材本体またはそ
の削り屑と接触する部位の少なくとも一部に被覆処理が
なされ、該被覆処理により形成された被覆層の最外層
は、層厚が０．１μｍ以上５μｍ以下である硬質炭素層
であることを特徴とする被覆工具。
【請求項３】硬質炭素層は、周期律表の４ａ、５ａ、
６ａ、４ｂ族の金属元素を３０at％以下含有しているこ
とを特徴とする請求項２記載の被覆工具。
【請求項４】硬質炭素層に接するすぐ内側の内層が炭
化チタンまたは炭窒化チタンであり、該炭化チタンまた
は炭窒化チタン中の炭素と窒素との組成比は、Ｃ／（Ｃ
＋Ｎ）の比で、０．３から１．０であることを特徴とす
る請求項２または３記載の被覆工具。
【請求項５】硬質炭素層に接するすぐ内側の内層が炭
化チタンまたは炭窒化チタンであり、該硬質炭素層と炭
化チタンまたは炭窒化チタンとの間の組成が連続的に変
化していることを特徴とする請求項２、３または４記載
の被覆工具。
【請求項６】硬質炭素層に接するすぐ内側の内層が珪
素または炭化珪素または窒化珪素または炭窒化珪素であ
ることを特徴とする請求項２または３記載の被覆工具。
【請求項７】被覆工具はAl合金穴開け用のドリルであ
ることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６
記載の被覆工具。
【請求項８】被覆後の表面粗さRaがマージンにおいて
３μｍ以下、溝内部において５μｍ以下であることを特
徴とする請求項７記載の被覆工具。
【請求項９】被覆工具はAl合金切削用のチップである
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記
載の被覆工具。
【請求項１０】被覆後の表面粗さRaが１μｍ以下であ
ることを特徴とする請求項９記載の被覆工具。
【請求項１１】被覆工具は、Al合金加工用のエンドミ
ルであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５ま
たは６記載の被覆工具。