ツールコーティングの一般的な概要

- Jan 24, 2018-

コーティングされた切削工具とは、超硬合金または高速度鋼(HSS)表面に高融点金属または非金属化合物の薄層を有する工具を指し、セラミック、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素(CBN)および他の超硬材料ブレード)。 化学的バリアおよび熱障壁として、フィルムは工具とワークピースとの間の拡散および化学反応を低減し、それによって三日月の摩耗を低減することができる。 コーティングされた切削工具は、高い表面硬度、良好な耐摩耗性、良好な化学的安定性、優れた耐熱性、耐酸化性、小さな摩擦係数および低い熱伝導率などの特性を有し、これらの利点は工具寿命を3〜切削速度を20%~70%向上させることができ、加工精度を0.5対1向上させることができ、工具消費コストを20%~50%低減することができる。 その結果、コーティングされた切削工具は現代の切削工具の象徴となり、切削工具における切削工具の使用率は50%以上である。 現在、旋削工具、ボーリング工具、ドリル、リーマ、ブローチ、ねじタップ、スレッドチェーサー、ミルヘッド、フライスカッター、成形工具、ギアカッターホブ、スロットカッターなどのすべての工具が、パフォーマンスを向上させます。  


コートされたHSS工具、被覆された超硬合金工具、コーティングされたセラミック工具、およびコーティングされた超硬材料(ダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素)ブレードの4種類があります。 しかし、被覆されたHSS工具および被覆された超硬合金工具が最も使用される。 セラミックおよび超硬質ブレード上のコーティングは、基板よりも硬度の低い材料です。 その目的は、刃面の破壊靱性(破壊靱性を10%向上させることができる)を向上させることであり、これはブレードの剥離および破損を低減し、適用範囲を拡大するのに役立つ。


コーティング方法


現状では、物理蒸着法(PVD法)と化学気相成長法(CVD法)の2種類が一般的に用いられている。 PVDの堆積温度は500 であり、コーティングの厚さは2〜5μmである。 CVDの堆積温度は900 〜1100 であり、コーティング厚さは5〜10μmであり、またCVD装置は単純でCVDコーティングは非常に均一である。 HSSツールは、PVDの堆積温度が高速スチール自体の焼き戻し温度を超えないので、PVD法を一般的に使用している。 超硬合金の多くは、CVD法を用いている。その理由は、コーティング時に、高い析出温度のためにコーティングと基板との間に脱炭(η相)の脆い層が形成されるからである。 近年、コーティング技術の発達により、超硬合金はPVD法を用いることもできる。 複合コーティングプロセスとして、PVDとCVDの組み合わせは、PACVD法(プラズマCVD法)と呼ばれている。 PECVD法は、プラズマを利用して化学反応を促進し、コーティング温度を400 以下に下げることができます(現在、コーティング温度は180 〜200 ℃に低下しています)。ブレードの元の強靭性を維持するために、 この方法は、ダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素(CBN)超硬コーティングに特に有効である。


CVD法を採用する場合、刃先は予め不動態化処理が必要である(鈍い円の半径は通常0.02-0.08mmであり、鈍い円の半径が大きくなると刃先の強度が増加する)。 したがって、切れ味は、コーティングされていないブレードほど鋭くありません。 その結果、鋭利な刃先を必要とする切削工具はPVD法を使用すべきである。 コーティングは、一般的な切削ブレード上だけでなく、ソリッド工具上にも堆積することができ、今や、溶接された超硬合金工具にコーティングすることができる。 超硬ドリルのPCVD法を採用することで、高速ドリルよりもドリル寿命が10倍長くなり、効率を5倍に向上させることができます。

   

コーティング材料


コーティング材料は、高硬度、良好な耐摩耗性、良好な化学的安定性、ワーク材料との化学反応、良好な耐熱および耐酸化性、低摩擦係数、基材との良好な接着などの要件を満たさなければならない。 明らかに、単一のコーティング材料は、上記要件を満たすことが困難である。 したがって、ハードコーティング材料は、単一のTiC、TiN、Al 2 O 3の最初から厚膜、複合コーティングおよび多成分コーティングを開発する新しい段階に入った。 新たに開発されたTiCN、TiAlN、TiAlN多重、超薄、超多層コーティング、TiC、TiN、Al 2 O 3コーティング、および新しい抗塑性変形マトリックスの組成は、コーティング靭性の改善、コーティングと基材の結合強度、コーティングの耐摩耗性などが挙げられる。


現在、超硬合金基材上にダイヤモンド膜をコーティングする技術が飛躍的に進歩したことで、工具の性能を総合的に向上させることができます。 最も成熟して最も広く使用されているハードコーティング材料はTiNですが、TiNコーティングと基板との間の結合強度はTiCコーティングよりも低く、TiNコーティングは剥がれやすく、硬度はTiCよりも低い。 切削温度が高いと、TiN被膜が酸化されてアブレーションされやすくなる。 TiC皮膜は、高い硬度と耐摩耗性、良好な耐酸化性を有するが、耐衝撃性に乏しく脆い。 TiCNは、TiCとTiNの両方の利点を有し、コーティング工程中にCとNの組成を連続的に変化させ、次いで異なる組成を有する多層構造を形成することによってTiCN特性を制御することができ、靭性を改善し、コーティングの厚さを増加させ、クラックの成長を防ぎ、フレークを減少させる。 TiCN系皮膜は、通常の鋼、合金鋼、ステンレス鋼、耐摩耗鋳鉄などの加工に適しています。材料の除去率は、機械加工で2〜3倍に増加します。


TiAlN、CrN、TiAlCrNは、近年新たに開発されたハードコーティング材です。 TiAlN被覆ブレードが商品化されている。 優れた化学的安定性と耐酸化摩耗性により、高合金鋼、ステンレス鋼、チタン合金およびニッケル合金を機械加工する際の工具寿命はTiNコーティングの3-4倍です。 また、TiAlN皮膜に適度なアルミニウム濃度があれば切削工具面とチップ界面の間に硬い不活性保護膜が形成され、断熱性が良好で高速切削に有効です。 CrNは、チタン、チタン合金、銅、アルミニウム、および他の軟質材料を化学的安定性が良好で粘着性のないものに切断するのに適した一種の無チタンコーティングです。 TiAlCrNは、靭性と硬度が高い勾配構造のコーティングであり、摩擦係数が小さいので、フライスカッター、ホブ、タップなどの工具に適しており、切削性能はTiNよりも大幅に優れています。



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