切削工具用コーティング技術の進化 ~CVD法とPVD法~

Similar documents
ステンレス鋼旋削加工用材種AC6030M/AC6040M AC6030M/AC6040M for Stainless Steel Turning

R.10 2 面拘束 +10 (.R.) 切削力 主切れ刃 2,000 fz = 0.2 mm/t 切削抵抗 (N) 1,600 1, % DOWN fz = 0.3 mm/t B Vc = 1 m/min, fz = mm/t,

焼入鋼加工用スミボロン®BN1000/BN2000 の開発

ハイブリッドイオンプレーティング装置「SPS-2020型」

A.indd

切削条件表超硬 4 枚刃不等分割不等リードエンドミル 38 /41 刃長 1.5D 型式 外径 一般構造用鋼炭素鋼 (S45C/SS/FC/FCD) (24~30HRC) 合金鋼 (SCM/ 低合金鋼 ) (30~38HRC) ステンレス鋼 (SUS304/SUS316) プリハードン鋼 (SKD/

4 90 MEW 4 90 MEW 4 MEWH NEW DLC PDL025

GC1040.表 [更新済み]

レアメタル使用量を低減した超硬工具の開発

TOOL NEWS B223J

クテーブルを回転させることにより膜厚分布を良くしている また 有効処理寸法は φ540 H800mm と大きく 500kg 以上の金型の処理にも対応できる構造になっている PCVD 法は PVD 法のように固体の蒸発源を用いないで 原料は全てガス状であるため装置の有効処理寸法が大きくとれる利点がある

Tungsten Carbide End Mills UNIMAX Series

AFC_Produktkatalog_2018_JPN_2_1_DS_grau-weiße Linien.indd

円筒型 SPCP オゾナイザー技術資料 T ( 株 ) 増田研究所 1. 構造株式会社増田研究所は 独自に開発したセラミックの表面に発生させる沿面放電によるプラズマ生成技術を Surface Discharge Induced Plasma Chemical P

KKF-JC 広範囲にクーラントを拡散させ切りくずを分断 KKF-JC A ( 社 ) SUS304 送り f (mm/rev) KKF -JC 他社品 A AB6400(i-6Al-4V) 送り f (mm/rev) KKF -JC 他社品 A

KKF-JC 広範囲にクーラントを拡散させ切りくずを分断 KKF-JC A ( 社 ) SUS304 送り f (mm/rev) KKF -JC 他社品 A AB6400(i-6Al-4V) 送り f (mm/rev) KKF -JC 他社品 A

鋳鉄・焼結合金加工用スミボロン® BN7000 の開発

MagicDrillDRA 5 Point 1 Point 2 S A 20% UP 20% DRA ド DRA 他社品 A Vc=120m/min, f=0.25mm/rev 14, 45mm, Wet S50C Vc=120m/min, f=0.3mm/rev 14, 55mm, Wet S50

e - カーボンブラック Pt 触媒 プロトン導電膜 H 2 厚さ = 数 10μm H + O 2 H 2 O 拡散層 触媒層 高分子 電解質 触媒層 拡散層 マイクロポーラス層 マイクロポーラス層 ガス拡散電極バイポーラープレート ガス拡散電極バイポーラープレート 1 1~ 50nm 0.1~1

TOP-Watch_A4_ indd

Microsoft PowerPoint - hetero_koen_abe.ppt

2.2 小径スクエアエンドミルによる切削加工 加工条件市販のφ1mm スクエアエンドミルを用いて切削加工を行い CCM 合金の加工に適した大まかな条件の選定 と工具の選定 を行う 被削材の CCM 合金は 断面が 10 17mm の棒材である 各条件について 1

突切り加工用に最適化 コロカット QD は市場で最も強度のある 最新の突切り 溝入れ加工システムです 安定した突切り加工や深溝加工に最適で あらゆる被削材と機械に対応します 深く狭い溝の加工向け コロカットQDのブレードは厚く 深溝加工で取り代の多い場合に最適です また ワーク素材節約のため 幅の狭

製品カタログ コロミル745


標準在庫品 DIN 332 Form R (R タイプ ) Ø1.~Ø1 インサートタイプ : NC233 / K2F TiAIN フューチュラナノトップコーティング NC574 / P4 Helica, 8インサート用 DIN 332 Form A+B (A+B タイプ ) Ø1.~Ø1 DIN

溶接棒

<4D F736F F D D94F797B192B48D648D878BE082CC8A4A94AD82C682BB82CC899E977097E E646F63>

1 EPDM EPDM EPDM 耐塩素水性に優れた EPDM の開発 - 次亜塩素酸による EPDM の劣化と耐塩素水性に優れた EPDM の開発 - Development of EPDM with Excellent Chlorine Water Resistance - EPDM: Degr

PowerPoint プレゼンテーション

12 表面技術 小特集 : 表面改質技術 - 熱処理およびショットピーニングを中心に DLC などの硬質薄膜形成に対する WPC 処理の効果 熊谷正夫 不二 WPC( 神奈川県相模原市南区大野台 ) Effect of WPC Treatment to Hard Thi

ACモーター入門編 サンプルテキスト

熱処理油カタログ.xls

Microsoft Word - ★2003-_P133-P138_15-1_堤井result_022.doc

DLC製造プロセスの歴史とその応用

地熱貯留層掘削技術背景および目的 1 3 万 kw の地熱発電所建設に係るコスト試算例 地表設備 ( 発電タービンなど ) (71%)[186 億円 ] 地下調査と探査 (28%) [73 億円 ] 坑井掘削 (97%) [71 億円 ] 環境影響評価 (1%) 地表調査 (3%) [2 億円 ]

DC PD010/PD025 1 耐NE 摩耗PD010 性 低低 耐欠損性 高高PD025 DC 硬度 (GPa) PD010/PD ,000 ヤング率 (GPa) ダイヤモンド B 社水素フリー DCコーティング A

インサート材種 A1 ~ A38 A インサート材種A A ターニング用材種 A2 ミリング用材種 A3 各社材種対照表 (CVDコーティング PVDコーティング ) A4 ( サーメット 超硬合金 セラミックス ) A6 (CBN 焼結体 ダイヤモンド焼結体 ) A7 各社チップブレーカ記号対照表

S.indd

アルミ合金の高能率加工にびびり振動を抑制する不等分割 不等リードエンドミル DLC VL DLC MILL VL series

53nenkaiTemplate

QOBU1011_40.pdf

超硬限界栓 H7 ( 工作用 ) CARBIDE IMIT PUG GAUGES 耐久性抜群! 熱膨張に強く 経済性の良い超硬合金製栓です M 質量 3961 TP1-H7 φ g 18, TP11-H7 φ11 58g 21, TP

研究成果報告書(基金分)

POCO 社の EDM グラファイト電極材料は 長年の技術と実績があり成形性や被加工性が良好で その構造ならびに物性の制御が比較的に容易であることから 今後ますます需要が伸びる材料です POCO 社では あらゆる工業製品に対応するため 各種の電極材料を多数用意しました EDM-1 EDM-3 EDM

新技術説明会 様式例

表 1 1) 航空機の機体構造材料重量構成比推定 アルミ スチール チタン 複合材 その他 合計 運用開始年 B747( 実績 ) 81% 13% 4% 1% 1% 100% 1970 年 B757( 実績 ) 78% 12% 6% 3% 1% 100% 1983 年 B767( 実績 ) 76%

2016 VOL.26 写真位置 削除しないでください Y. Tsuchiya 金型表面処理の技術動向と今後の展望 土屋土屋 能成能成 * 1. まえがき 加工技術は自動車部品の開発とともに進歩し, それを潤滑技術や金型材料, 表面処理技術が支えてきた. 表面処理のうち硬質被膜はトライボ特性に優れる

チップ一覧表 チップのタイプ 用途特徴 寸法表ページ MB フルアール MT-R フルアール R/L MS パイプ フルアール チップブレーカ付きフルアールチップ ~ mm フルアール ポジタイプ フラットなフルアールチップ ~ 8mm パイプ突切り専用 ~ 10mm R/L MZ パイ

UNIMAX SERIES VOL18

EOS: 材料データシート(アルミニウム)

ミニ インサート さらえ刃無し 60º _ 3ページさらえ刃無し 55º _ 3ページ ISO メトリック _ 4ページユニファイ UN 5ページウィットワース W 6ページ BSPT _ 6ページ NPT 7ページ NPT _ 7ページ 30 台形 TR _ 8ページアクメ ACME

Vanadis 30 SuperClean ASSAB PM 30 SUPERCLEAN

高能率モジュラードリル 高能率モジュラードリル MagicDrill DRA 低抵抗設計で優れた穴精度を実現 ホルダ 芯厚が 厚く たわみを抑 制 切りくずを細かく分断し スムーズな深 穴 加 工 簡単チップ 交換 NEW 1.5D タイプホルダ ラインナップ 追加 DRA

Japanese nuclear policy and its effect on EAGLE project

HAYNES Ti-3Al-2.5V 合金 主な特徴軽量 高強度 HAYNES Ti-3Al-2.5V 合金 (UNS R56320) は 軽量で強度が高い合金です この合金は高い比強度を有しており 重量を軽減できるという設計上の大きな利点を提供します Ti-3Al-2.5V 合金は

CASTROL ALUSOL XBB アルミニウム切削加工で妥協しない 自動車 機械および金属製品などの精密部品の加工には 多くの要求性能や課題があります 細かい生産計画の見直しや生産停止時間の短縮といった要求が厳しくなる一方 ますます高くなる生産目標を達成しなければなりません 製造業では 日常的に

Microsoft PowerPoint - 第8章 [互換モード]

開発の社会的背景 産総研 三井金属共同プレス発表資料解禁日時 : 資料配付と同時 平成 22 年 11 月 8 日 14:00 世界的に炭酸ガスの排出規制の動きがあり 鉄鋼分野や非鉄金属分野における製造プロセスの 熱エネルギーロスの低減や鋳造部材の保守間隔の長期化が必要とされている 特に アルミニウ

BOHLER の熱間工具鋼 ボ - ラ - の熱間金型用鋼 W400 VMR

Ultrason® 特殊製品

レオナ物性表

三井化学株式会社12p仕上がりサイズPDF

Microsoft Word - プレリリース参考資料_ver8青柳(最終版)

資バルブの材質 青銅 ( 砲金 ) バルブ 料JIS H 5111 CAC402 (BC2) CAC403 (BC3) CAC406 (BC6) CAC407 (BC7) 銅 (Cu) 錫 (Sn) 化学成分 (%) 機械的性質 亜鉛 (Zn) 鉛 (Pb) その他 引張強さ 伸び (N/mm2)

1


‰à„^›œŁt.ai

特-7.indd

身の回りの表面処理材 電気クロムメッキ 陽極酸化 化成処理を施した亜鉛メッキ鋼板 溶射皮膜を施した鉄製ロール 撥水コーテイング ホットスタンピング 着色仕上げ すべり止めカラー舗装材 プラズマ窒化熱間鍛造金型 ショットピーニング FRP 耐食防水塗装

V- リング 1 / 11 V- リンク の概要と機能について 概要フォーシェダ V- リングは回転軸用のユニークなゴムシールです 1960 年代に開発されて以来 世界中であらゆる業界の OEM や補修市場において幅広く使われてきました V- リングはベアリング内のグリースを保持したまま塵や埃 水ま

研究成果報告書

SEC- マルチドリル SD 型 T T T E E E SEC-UTIDRIS SD セット状態 フロントからのビス止め 放射状のセレーション締結により 確実で強固なクランプを実現 ヘッド シリーズ構成表 ヘッド 確実に切刃と切りくずを狙う油穴 T型 型 5D 特長 E型 型 5D 3型 3D ø

No461_7_p1-6.indd

3D プリンタにより作製した樹脂部品の強度に関する研究 尾形正岐 阿部治 長田和真 西村通喜 山田博之 渡辺誠 Study on Strength of Resin Materials Processed by Fused Deposition Modeling Printer Masaki OGA

<4D F736F F D C82532D E8B5A95F18CB48D655F5F8E878A4F90FC C2E646F63>

Microsoft PowerPoint - 集積デバイス工学2.ppt

インサート式センタードリル >> 特徴 Features i-center は Nine9のトレードマークであり 世界初のインサート式センタードリルです ( 特許取得済 ) Nine9の i-center は インサート式を採用することよって皆様の加工工程を大幅に改善致します 世界初のインサート式セ

電子部品の試料加工と観察 分析 解析 ~ 真の姿を求めて ~ セミナー A 電子部品の試料加工と観察 分析 解析 ~ 真の姿を求めて ~ セミナー 第 9 回 品質技術兼原龍二 前回の第 8 回目では FIB(Focused Ion Beam:FIB) のデメリットの一つであるGaイ

平成22年度事故情報収集調査結果について(概要速報)

Microsystem Integration & Packaging Laboratory

BOHLER の熱間工具鋼 ボ - ラ - の熱間金型用鋼 W403 VMR

金型各用途専用 PVD コーティング型材 複合 PVD プロセス アークイオンプレーティング法とスパッタリング法を組み合わせた独自のコーティング技術によって これまでにない機能の複合 PVD 皮膜を形成しております 研究開発体制 皮膜特性調査に関する高度な試験機器と実験用コーティング装置を駆使し 日

マイクロメータヘッド サイズ比率で見るマイクロメータヘッド一覧 1マス 10mmをイメージ 測定範囲 0 5.0mm 測定範囲 0 13mm 測定範囲 0 15mm MICROMETER HEAD P215 MH-130KD P P

超硬ノンステップボF2 ーラー 超硬ドリル 超硬ノンステップボーラー超硬ドリル 種類別 ( カタログ掲載順 ) 超硬 NSB 超硬ドリル選定基準表直径別寸法早見表超硬ノンステップボーラー (NSB) エポックマイクロステップボーラー超硬ドリル 超硬 OHミニステップボーラー F8 F26 F68 F

Tungsten Carbide End Mills UNIMAX Series

単板マイクロチップコンデンサ / 薄膜回路基板

穴あけの常識を変える「アクアドリルEXフラットシリーズ」

Microsoft PowerPoint - 修論発表.ppt [互換モード]

平成 30 年 1 月 5 日 報道機関各位 東北大学大学院工学研究科 低温で利用可能な弾性熱量効果を確認 フロンガスを用いない地球環境にやさしい低温用固体冷却素子 としての応用が期待 発表のポイント 従来材料では 210K が最低温度であった超弾性注 1 に付随する冷却効果 ( 弾性熱量効果注 2

⑥SIS_発表資料(信大・樽田)

選択ガイドCPVDコーテッドボーリングバーツールエンドミル一覧G外小物加工Ⅰ溝入れJねじ切りKシェーパーLカッタQ技術資料R索ドリル径HSSバイφ12.00 ~ シリーズ A新製品 形状 ~ D 60112H-20FM

ジュラネックス PBT グレードシリーズ ポリブチレンテレフタレート Polybutylene Terephthalate (PBT) ポリプラスチックス株式会社

EM-Tec 導電性接着剤の仕様 ペイント / セメント EM-Tec C30 EM-Tec C33 EM-Tec C39 EM-Tec AG42 EM-Tec AG44 EM-Tec AG46 EM-Tec NI41 パーツ番号

次世代ものづくりのための複合材料(CFRP)の切削加工技術

1.1 テーラードブランクによる性能と歩留りの改善 最適な位置に最適な部材を配置 図 に示すブランク形状の設計において 製品の各 4 面への要求仕様が異なる場合でも 最大公約数的な考えで 1 つの材料からの加工を想定するのが一般的です その結果 ブランク形状の各 4 面の中には板厚や材質

ナノ多結晶ダイヤモンド球状圧子による微小破壊強度評価技術

1011複合加工機.indd

13G G 標準一般 試験法単位条件 DRY WET DRY WET DRY WET DRY WET DRY WET DRY WET DRY WET DRY WET DRY WET 密度 ISO 1183 g/cm

SANWA ダイヤモンドドリル 株式会社三和製作所 社内設備 三和製作所では社内一貫生産を可能にする様々な設備を揃えております ワイヤーカット CNC工具研削盤 平面研削盤 工具研削盤 PCドリルの刃部拡大写真 0 高剛性設備の研削で鋭利な刃先を実現 刃部 外周部チッピング8µm以下 写真製品 ダイ

Transcription:

特 集 切削工具用コーティング技術の進化 ~CVD 法と PVD 法 ~ Evolutional History of Coating Technologies for Cemented Carbide Inserts Chemical Vapor Deposition and Physical Vapor Deposition 福井 治世 Haruyo Fukui コーティング超硬工具は他の工具材種と比較して耐摩耗性と耐欠損性のバランスに優れており 年々その出荷量は増加している 現在ではコーティング超硬工具の使用比率は70% を超えており この傾向は今後も継続するものと考える 当社は切削工具用コーティングの研究を始めて50 年が経過し その間 CVD PVDコーティングそれぞれの技術革新を進めてきた 本報では この50 年の研究開発の歴史を振り返るとともに 最新の新材料に関して記述する Coated cemented carbide inserts have well-balanced wear resistance and chipping resistance compared with uncoated inserts made of other materials. Consequently, the shipment of coated cemented carbide inserts is increasing with each passing year. Coated cemented carbide inserts account for over 70% of all the inserts currently in use, and this trend seems to continue for many years to come. Sumitomo Electric Industries, Ltd. started research and development on coated materials 50 years ago, and has since been working hard to advance the innovation of chemical vapor deposition and physical vapor deposition coating technologies. This paper looks back at 50 years of history of coated materials development and introduces new materials. キーワード : 切削工具 コーティング超硬 CVD PVD 1. 緒言 1(1) 超硬合金は主たる成分がWC( 炭化タングステン )- Co( コバルト ) などからなる セラミックスと金属の複合材料である この超硬合金の主成分であるタングステンは極めて重要な軍事戦略物質であることに加え その生産地が中国に集中し価格が極めて不安定で世界の政治情勢次第で乱高下するため タングステンを超硬合金に用いない脱タングステン あるいは省タングステンが各超硬工具メーカで盛んに研究されてきた その一つの成果として 超硬合金の表面にセラミックス薄膜を気相コーティングしたコーティング工具が開発された コーティング工具は適切な使用条件下では母材となる超硬合金の強靭さとコーティング膜となるセラミックスの高耐熱性と高耐摩耗性を合わせ持った汎用性の高い工具となる それゆえ 近年の高速 高送りの高能率切削加工において特に威力を発揮し ユーザでの加工コスト低減に加え 機械部品の加工精度向上にも大きく貢献している 本報では当社の50 年にも及ぶコーティング技術に関する (2) (3) 研究開発の歴史を振り返るとともに最新の技術革新 新材質 今後の展望に関して述べる 2. 切削工具用気相コーティング技術 2-1 コーティング工具の製造方法と特徴図 1に刃先交換型チップの工具材種別生産割合 ( 国内 ) と 出荷個数を示す ( 日本機械工具工業会統計 ) このデータから コーティング超硬工具は超硬 サーメットやセラミックスに比べると幅広い加工用途に適用され この約 25 年間でその比率が40% から70% まで急増し 最も重要な工具材質となったことが理解できる これは近年の切削工具の過酷な使用環境から考えると至極当然の結果とも言える 切削工具用コーティング薄膜としては CVD(Chemical Vapor Deposition) 法とPVD(Physical Vapor Deposition) 法で成膜されるものがある チップ材種別割合 100% 80% 60% 40% 20% 0% コーティング WC 系サーメットセラミック合計出荷個数 ( 百万個 / 月 ) '92'93'94'95'96'97'98'99'00'01'02'03'04'05'06'07'08'09'10'11'12'13'14 図 1 刃先交換型チップの材種別出荷割合と出荷個数 ( 日本 ) 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 出荷個数 26 切削工具用コーティング技術の進化 ~CVD 法と PVD 法 ~

CVD 法はPVD 法とならび 両者ともドライ成膜プロセスの一種であり メッキなどウエットプロセスに対して環境負荷が低いことが大きな特徴である 化学的蒸着法と称される CVD 法にはプラズマCVD 法 光 CVD 法など色々な方式があるが 超硬工具用に用いられる製法は1000 近い温度で成膜される熱 CVD 法である CVD 法の特徴は 1 均一な被覆と密着性が優れていること 2 高純度で結晶性が高く多種多様な薄膜が成膜できること 3 多層膜 厚膜が容易に得られることなどである 一方 PVD 法は物理的蒸着法と呼ばれ 金属材料のプラズマを用いるイオンプレーティング法とスパッタリング法が主要な成膜プロセスである PVD 法の大きな特徴として 1 600 以下の低温で密着性の良い薄膜が得られること 2 非常に多種の基板材質や薄膜材料が選択できること 3 合金や非平衡系の化合物薄膜の成膜が可能なことなどが挙げられる 表 1に製造方法の違いによる特徴と主な用途をまとめる いずれの方法においても薄膜には応力が残留するが 高温で成膜されるCVD 法では 母材である超硬合金とセラミックス薄膜との熱膨張係数の差により引っ張り応力が残留し母材強度の低下が生じる 一方 PVD 法では圧縮の応力が残留することからコーティング後の母材強度低下はほとんどない その他 密着性や膜厚などにも違いがあり 各々の特徴を生かした用途に対して使い分けがなされている V B C A K T 母材 D コーティングにげ面 図 2 すくい面 B コーティングクレータ摩耗 K T A すくい面 にげ面 A にげ摩耗 V B 刃先交換型チップの摩耗部 刃先交換型チップ摩耗部の A-A 断面図 写真 1に合金鋼 (SCM435) の外径を切削速度 Vc=250m/ minで15 秒切削した後の工具損傷を示す この結果からわかるようにわずか数 µmのコーティングで工具摩耗は抑制され 寿命は10 倍以上となることがわかる 寿命 15s クレータ摩耗大 寿命 120s クレータ摩耗小 寿命 240s 以上 原理 表 1 CVD 法と PVD 法の特徴と主な用途 CVD 法 ( 化学蒸着法 ) Chemical Vapor Deposition 化合物 単体のガスを原料とし 基板上で化学反応させてコーティングする 2-2 コーティング工具の摩耗機構 PVD 法 ( 物理蒸着法 ) Physical Vapor Deposition 加熱 スパッタなどの物理的な作用により原料金属を蒸発 イオン化させて基板にコ - ティングする 膜質 TiC, TiN, TiCN, Al2O3 TiC, TiN, TiCN, TiAlN, CrN 他 コーティング温度 800~1000 400~600 密着力密着力は非常に高い良いが CVD より劣る 応力引っ張り応力 (1GPa 程度 ) 圧縮応力 (-2GPa 程度 ) 強度 基材より強度劣化あり 抗折力 2 で 50~80% 基材の強度と同じ 最適使用膜厚 5~20µm 0.5~5µm 主な用途 厚膜を必要とする用途 ( 断熱 ) 耐摩耗性が必要とされる用途 粗加工を必要とする用途 旋削加工 ( 一部フライス加工 ) シャープエッジを必要とする用途 機械 熱的衝撃が加わる用途 耐抗折強度を必要とする用途 フライス切削 高精度加工 ドリル エンドミル コーティング膜厚は通常 2~20µm 前後であるが 工具 摩耗はにげ面摩耗 (V B) すくい面摩耗 (K T) ともに 50~ 1000µm 以上と大きく それらには大きな差異がある この薄いコーティング膜が このような大きな摩耗に対して効果を示す理由は図 2のA B C Dの点で摩耗幅の拡大を抑えているためである 特に コーティング膜が有する1 高硬度 2 耐酸化抵抗 3 鉄 (Fe) との凝着 反応の抑止 などの効力のためと考えられるが その中でもB D 点での超硬合金粒子の脱落抑制の効果が一番大きいと考えられている (a) 超硬 (b)tin(0.5μm) (c) TiN/Al 2 0 3 (0.5/1.0μm) 切削条件 被削材 :SCM435 インサート :SNGA120408( 超硬 K10) vc=250m/min f=0.3mm/rev ap=1.5mm wet 切削時間 15s 写真 1 合金鋼旋削加工時の工具摩耗の比較 3. CVD コーティング技術の変遷 3-1 CVDコーティング専用の超硬母材開発セラミックス薄膜による切削工具用のコーティングは 1969 年に当時の西ドイツKrupp 社により熱 CVD 法による TiC( 炭化チタン ) 膜を被覆した超硬合金製切削工具で開始され その後 国内外の超硬工具メーカがしのぎを削ることとなった 先発するメーカを凌駕する当社技術として母材に独自な表面強靭層を持った超硬合金を1976 年に開発し CVDコーティング工具の使用量が大きく伸びた これは写真 2に示すように一般的にはCo( コバルト ) 富化層 ( 脱 β 層 ) と言われ 当社ではエース層と呼ぶコーティング膜の直下 すなわち母材の表面 10~30µm に形成させた WC-Co 組成が特徴のものである このエース層により亀裂の伝搬が阻止され 母材の耐衝撃強度が大きく向上し 軽切削から汎用切削 重切削領域まで使用可能となった その後 更に高温特性に優れたジルコニウム入り超硬合金母材が開発され 1994 年に鋼旋削用の汎用材種 AC2000を発売した 2016 年 1 月 S E I テクニカルレビュー 第 188 号 27

膜 亀裂 エース層 (脱β層) 写真2 高密着強度などの向上が必要となった 2006年にはCVD ガス導入系部位 薄膜合成部位 排気系部位の各部位で従来 に比べはるかに高い次元で機器を精密に制御し 加えて成膜 条件の最適化を図ることでセラミックス薄膜の結晶組織の超 亀裂 (a) 従来超硬合金 すなわち 高い硬度 優れた耐チッピング性 耐溶着性 微細化に成功し 高い硬度 優れた耐チッピング性と15µm (b) 表面エース層合金 表面エース層合金による亀裂伝搬抑制 を超える厚膜化を実現した 加えて 均一な結晶組織にする ことで 耐チッピング性 耐溶着性 高密着強度を実現した スーパーFFコート 採用の鋼旋削用材種AC800Pシリーズ を開発した 5 第三世代 ここでTiCN系セラミックス薄膜の表面組織と断面組織観 3 2 察した結果を表2に示す このようにスーパーFFコート は CVDコーティング技術開発 1970年代にまずTiN 窒化チタン TiCN 炭窒化チタン 膜などTi系化合物膜が実用化された後 1980年頃にはκ型 のAl2O3 アルミナ 膜が登場し 当社ではTi系化合物膜と Al2O3 膜の積層構造が特徴のエースコート シリーズAC10 やAC25が市場に浸透して今日の基本となっている 4 第一 従来薄膜と比べ 均一で超平滑 超微細な結晶組織をもつセ ラミックス薄膜であることが判る 以上のコーティング技術の進化をまとめると図3のよう になり 工具の耐酸化性では約2倍 組織微細化では1/30 に 結果 切削加工速度では約3倍の向上が図られた 世代 しかしながら 写真3に示すようにTi系化合物膜は 1000 程度の温度 HT High Temperature -CVD法 で超 表2 硬合金母材上に被覆されるため 母材成分であるW C Coなどがコーティング薄膜中に拡散する結果 基材/コー 従来セラミックス膜とスーパーFFコート の 走査型電子顕微鏡 SEM 組織観察の比較 スーパーFFコート 従来セラミック薄膜 ティング膜界面に脆化層 η層 Co3W3C が生成され 工 具の耐欠損性に問題を起こす場合があった 表 面 組 織 TiCN膜 η層 断 面 組 織 超硬合金 母材 (a) HT-CVD法 写真3 (b) MT-CVD法 第一世代 第二世代 第三世代 CVDコーティング法違いによる母材 膜界面での η層の比較 Al2O3膜との積層 350 HT-CVD法 300 そこで コーティング温度を100 以上低下させたMT れ 脆化層の生成を大幅に低減することができ 上述の 切 250 削 速 度 200 m/min 150 AC2000で高速 高能率加工にも対応できるようになった 100 Moderate Temperature -CVD法 を 用 い たTiCN膜 や 更 に熱的に安定なα型のAl2O3 膜などが1990年代に開発さ 第二世代 近年では環境対策としてのドライ加工化 切削 加工の高速化による生産性向上のニーズの高まりにより更な α-al2o3/ticn icn 28 切削工具用コーティング技術の進化 CVD法とPVD法 AC820P) スーパーFFコート AC700G) κ-al2o3/ticn AC10) κ-al2o3/tic /TiCN AC2000) TiC 10 1 0.1 0.01 結晶組織幅 µm 図3 1000 900 耐 酸 化 800 性 700 600 AC720) る高温使用領域での刃先の安定性が切削工具に求められるこ ととなった MTーCVD法 α-al2o3/ticn CVDコーティングの進化の歴史

3-3 膜表面処理技術開発過酷な切削環境下で使用されるセラミックス薄膜は 高硬度と耐チッピング性に加えて 耐溶着性も必要である 昨今 セラミックス薄膜を施した後に薄膜の表面平滑化処理を行うことが多く 2006 年にはステンレス旋削用材種 AC600Mシリーズに 2014 年にはAbsotech Platinum 技 (6) 術としてAC6030M に適用されている これは膜表面を平滑化することで被削材との摩擦を減少させることと 化学的に安定なアルミナ膜を最表面に露出させるのが目的である またCVD 法では1000 程度の高温で成膜が行われ 成膜終了から被覆超硬合金を取り出す際の冷却工程で超硬合金とセラミックス薄膜との熱膨張係数の違いにより引っ張り応力が残留 薄膜に微小なクラックが発生し これが工具刃先のチッピング 欠損を引き起こす原因の一つとなっている このような場合 ショットピーニング 3 などによる表面処理はこの引張残留応力を緩和する効果があり 耐チッピング性の向上に繋がる これらの理由からCVDコーティングの付加工程技術として表面応力制御処理が採用されており 2011 年に鋳鉄旋削用材種 AC400Kシリーズに 2012 年にフライス用材種新 ACP100/ 新 ACK200や2014 年のACM200にそれぞれ製品展開された 4. PVDコーティング技術の変遷 4-1 世界初 PVDコーティング工具当社 PVDコーティングの応用に関しては 1978 年に高速度工具鋼 ( ハイス ) の表面にTi 化合物を電子ビーム式イオンプレーティング法でコーティングしたゴールドエース GA8として世界に先駆け実用化したことに始まる 翌年には超硬 (7) 母材に適用し エースコート AC330を開発した ( 第一世代 ) これは従来 CVD 法によるコーティング工具では困難とされていた鋼フライス切削を可能にしたことが画期的であった これによりコーティング工具の適用領域が旋削からフライス加工まで広がった その後 更に製法の改良と膜や母材の開発を重ね エンドミルやドリルへの展開が図られた なかでも1982 年に開発されたマルチドリルP 型は独創的な刃型設計とPVD 材種の適用で長年の夢であった鋼の高速 高能率穴あけ加工を可能にした画期的なオリジナル製品であり 業界における当社の超硬ドリルの基盤を確立した また 1990 年にはサーメットへのPVD 法の適用も図り コーテッドサーメットZシリーズを開発した これはTi 化合物 (TiCN) を主体としたセラミックス薄膜をPVD 法によりコーティングしたものでノンコートサーメットの2~6 倍の耐摩耗性と強い膜密着力を持ち 仕上げ加工の高速化を実現した製品である 4-2 ナノ超多層コーティング技術 PVDコーティング薄膜は成膜プロセスの進歩とともに発展を遂げており TiN 膜 TiCN 膜の時代には電子ビーム式ある いはホロカソード式など るつぼ内で原料を融解 蒸発させるタイプのイオンプレーティング法が中心であった 1990 年頃以降 アークイオンプレーティング法が登場して以来 このプロセスで形成されるTiAlN( 窒化チタンアルミ ) 膜が主流となっている アークイオンプレーティング法では金属イオンまたはAr ( アルゴン ) イオンで基材表面をクリーニングした後にコーティングできることから 従来法に比べ密着力が格段に向上した点でも切削工具用コーティングプロセスとして優位性があった また このアークイオンプレーティング法では 導電性さえあればどの様な組成の合金でも原料として用いることができ 加えてターゲット組成に近い値で薄膜組成が得られるという特徴を有することから材料選択の広いプロセスであるという点も大きな強みである 当社では 3 元系のTiAlN 膜とほぼ同じ時期の1994 年に写真 4に示す通りアークイオンプレーティング法で成膜された1 層当たりの膜厚がナノメートル ( 千分の1マイクロメートル ) という極めて薄いTiN 膜とAlN 膜を交互に約 2000 層積層することで cbn 焼結体に匹敵する硬度と高い耐熱性を有するナノ超多層コーティング技術 (ZXコート ) を開 (8) 発し ドリル エンドミル フライス用刃先交換型工具 (ACZ350) などにおいて製品化した ( 第二世代 ) 写真 4 TiN( 暗 ) 2 nm AlN( 明 ) TiN/AlN ナノ多層膜の透過電子顕微鏡 (TEM) 観察結果暗層 :TiN 膜 明層 :AlN 膜 このナノ超多層コーティング技術は当社オリジナル技術としてその後も進化を続け 最近では更にCr( クロム ) やSi ( シリコン ) を添加し硬度 耐熱性を高めた TiAlN/AlCrN ナノ超多層膜 ( スーパー ZXコート ) (9) がフライス用材種 ACP/ACKシリーズに適用され図 4の通り高速切削で優位性を示し ( 第三世代 ) AlTiSiN 系ナノ超多層膜 ( ニュースー 2016 年 1 月 S E I テクニカルレビュー 第 188 号 29

パーZXコート とAbsotech Bronze がステンレス加工 超硬 コーティングなし 用フライス用材種ACMシリーズとステンレス用旋削用材種 DLC コーティング 以上のコーティング技術の進化をまとめると図5のよう になり 工具の硬度では約3倍 耐酸化性では約2倍に 結 果 切削加工速度では約3倍の向上が図られた すくい面 AC6040M 6 にそれぞれ製品展開されている 第四世代 300mm チッピング 凝着 構成刃先 逃げ面 切削族度 V (m/min) 500 400 凝着 300 Ti-Al-N TiAlN/AlCrN 200 10 50 100 切削条件 カッタ WEM3032 (φ32mm) インサート APET160504PDFR-S 被削材 ADC12 Vc=300m/min fz=0.15mm/t ap=ae=5mm 切削長L=9m DRY 200 工具寿命 T (min) 図6 切削試験後の刃先の凝着状況 切削条件 被削材 SCM435 カッタ WGC4160R(φ160 mm) インサート SEET13T3AGSN-G fz=0.3mm/t ap=2mm ae=150mm DRY 図4 換型チップ ドリル エンドミルなど として実用化した 10 TiAlN/AlCrNナノ積層膜のV-T線図 2012年にはコーテッドサーメット工具において 鋼との 反応性が低いコーティング材質 Brilliant Coat を開発し T1500Zとして製品化した 11 Brilliant Coat は 当社独 第三世代 第四世代 ニュースーパーZXコート スーパーZXコート アブソテックブロンズ TiAlSiN系 AlCrN/TiAlN ナノ超多層 400 切 削 速 300 度 m/min ZXコート TiN/AlN 200 TiCN 100 600 800 50 膜 硬 40 度 GPa 30 TiAlN TiN 第一世代 60 第二世代 1000 20 自のPVDコーティング膜で 図7に示す通り摺動性が高く鋼 との反応性が極めて低い薄膜を最表面に積層することで 仕 上げ面品位を大幅に向上させることに成功した このように 従来コーティング薄膜に求められてきた高硬 度 高耐酸化性に加えて 低摩擦 潤滑性と言ったトライボ ロジー特性向上も切削工具寿命安定化に対して重要な要素と なってきている 1200 酸化開始温度 図5 PVDコーティング技術の進化の歴史 ボールオンディスク試験 ボ ー ル 材 質 SCM435 荷 重 10N 回 転 速 度 500rpm 温度 室温 荷重 4 2 トライボロジー 4 性能を向上させる潤滑性コーティ 溶着 ング技術 1µm DLC Diamond like Carbon はダイヤモンドに似た三次 元的な結合を持っており 極めて低い摩擦係数と 優れた耐 従来コーティング 鋼ボール 摩耗性 摺動特性が得られることが特徴である DLCがこ Brilliant Coat 試料 摺動痕 のような特異的とも言える摺動特性を示す理由は 摺動時に 図7 DLCが黒鉛状物質や有機 炭化水素 物質に変化し 潤滑剤 コーティング耐溶着性比較 として作用するためであると考えられている このような摺動特性は 相手材が軟質金属の場合にも有 効に作用し 極めて焼付きを起こしやすいアルミニウム合金 や銅合金でさえ焼付かない 図6参照 この効果を利用し 2002年にオーロラコート としてアルミ加工用工具 刃先交 30 切削工具用コーティング技術の進化 CVD法とPVD法 5. 今後の開発展望 CVDコーティング膜は現在でもなお 薄膜の結晶配向 性 微細構造 およびTiCN膜とAl2O3 膜の各膜厚の最適化

や厚膜化などにより切削性能の向上が図られてはいるが 熱 CVD 法による新規な薄膜材料は長らく登場していない しかしながら 近年 PVDコーティングでは汎用的となっている AlTiN 膜の研究開発が始められており その他の材質も含めて今後の新規コーティング膜開発の展開が期待されている PVDコーティング膜ではナノ結晶と非晶質コンポジット膜構造 ( ナノコンポジット構造 ) をもつnc-MeN/Si 3N 4(Me: Ti W V( バナジウム )) 膜などがダイヤモンドと同程度の (12) 硬度 105 GPaに達するという報告があり高硬度材料開発分野において大きな期待が持たれている また 従来の PVD 法では難しかった酸化物など非導電性薄膜 ( アルミナなど ) の形成も高周波電源あるいはパルス電源を用いればマグネトロンスパッタリング法との組み合わせで成膜できるようになってきており 今後 工具への適用も可能になると考える 加えて 新規成膜プロセスである HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering) 法が現在注目されている 本技術を用いれば マグネトロンスパッタリング法の長所である平滑性に加え アークイオンプレーティング法の特徴である高いイオン化率による良好な密着性と緻密な膜が得られることから次世代 PVD 法としての期待が大きい 用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 超硬合金主たる成分がWC( 炭化タングステン )-Co( コバルト ) などからなる セラミックスと金属の複合材料 2 抗折力 (TRS) Transverse Rupture Strength:3 点曲げ試験により求められる曲げ強度の指標 試験方法 :CIS 026(JIS R 1601 ISO 3327) 3 ショットピーニング小さな多数の球体物質を高速で被加工物表面に衝突させることで 塑性変形による加工硬化 圧縮残留応力の付与を図る処理 4 トライボロジー潤滑 摩擦 摩耗 焼付きなど相対運動しながら互いに影響を及ぼしあう二つの表面の間におこる全ての現象を対象とする科学と技術 6. 結言 1970 年代のコーティング工具の実用化においてCVD 法が専用超硬母材との組み合わせで先行したが その後 PVD 法も1990 年代のアークイオンプレーティング法の普及によって適用領域を拡大し いずれも大きな進歩を遂げた 現在では使用用途にあった工具材料選択が益々重要となってきており 工具メーカとしては新規のセラミックス薄膜材料やコーティングプロセス開発を進めて行くことで機械加工分野での市場ニーズ すなわち環境対応 精度向上 高能率化 工具費低減 ( 長寿命化 ) 難削化対応といった課題解決に貢献していきたい 参考文献 (1) 後藤 イゲタロイ の歴史 SEIテクニカルレビュー第 174 号 1 (2009)pp.1 (2) 住友電工百年史 (1999)pp.298 (3) 研究部門史 (1996)pp.49 (4) 中堂ほか 高靱性アルミナコートチップAC25の開発 住友電気第 128 号 3(1986)pp.100 (5) 岡田ほか 新 CVDコーティング スーパー FFコート の開発と切削工具への適用 SEIテクニカルレビュー第 170 号 1(2007)pp.81 (6) 竹下ほか ステンレス鋼旋削加工用 AC6030M/AC6040M SEIテクニカルレビュー第 186 号 1(2015)pp.85 (7) M. Kobayashi, et al., TiN AND TiC COATING ON CEMENTED CARBIDES BY ION PLATING, Thin Solid Films, 54(1978)pp.67 (8) 瀬戸山ほか TiN/AlN 超格子膜の開発と切削工具への応用 SEIテクニカルレビュー第 146 号 3(1995)pp.92 (9) 福井ほか TiAlN/AlCrN 超多層膜 スーパー ZXコート の開発と切削工具への応用 SEIテクニカルレビュー第 169 号 7(2006)pp.60 (10) 鍵谷ほか DLCコーティング膜 ( オーロラコート ) の開発と工具への適用 SEIテクニカルレビュー第 161 号 9(2002)pp.107 (11) 小池ほか 鋼加工用 Brilliant Coat サーメットT1500Z SEIテクニカルレビュー第 184 号 1(2014)pp.88 (12)S. Veprek, The search for novel, superhard materials, J. Vac. Sci. Technol., A 17(5), Sep/Oct(1999)pp.2401 執筆者 ---------------------------------------------------------------------------------- 福井治世 : 住友電工ハードメタル ( 株 ) 合金開発部グループ長工学博士 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2016 年 1 月 S E I テクニカルレビュー 第 188 号 31