切削工具コーティングの役割と性能の最適化

切削工具コーティングは切削工具の摩擦と摩耗特性を改善するため、切削加工には不可欠です。長年にわたり、表面処理技術プロバイダーは、切削工具の耐摩耗性、加工効率、耐用年数を向上させるためにカスタマイズされたコーティング ソリューションを開発してきました。このユニークな課題は、次の 4 つの要素の注意と最適化から生まれます。(i) 切削工具表面のコーティング前およびコーティング後の処理。(ii) コーティング材料。(iii) コーティング構造。(iv) コーティングされた切削工具の統合加工技術。

切削工具の摩耗源
切削プロセス中に、切削工具と被削材の接触領域でいくつかの摩耗メカニズムが発生します。たとえば、チップと切削面の間の結合摩耗、ワーク材料の硬い点による工具の摩耗、摩擦化学反応（機械的作用と高温によって引き起こされる材料の化学反応）によって引き起こされる摩耗などです。これらの摩擦応力は切削工具の切削抵抗を低下させ、工具寿命を短縮させるため、主に切削工具の加工効率に影響を与えます。

表面コーティングが摩擦の影響を軽減し、切削工具の母材がコーティングをサポートして機械的応力を吸収します。摩擦システムの性能の向上により、生産性が向上するだけでなく、材料を節約し、エネルギー消費も削減できます。

加工コスト削減におけるコーティングの役割
切削工具の寿命は、生産サイクルにおける重要なコスト要素です。とりわけ、切削工具の寿命は、メンテナンスが必要になるまでに機械が中断することなく加工できる時間として定義できます。切削工具の寿命が長ければ長いほど、生産中断によるコストが下がり、機械のメンテナンス作業も少なくなります。

非常に高い切削温度でも、コーティングにより切削工具の寿命を延ばすことができるため、加工コストが大幅に削減されます。さらに、切削工具のコーティングにより、潤滑液の必要性を減らすことができます。材料コストを削減するだけでなく、環境保護にも役立ちます。

コーティング前後の処理が生産性に及ぼす影響

最新の切削加工では、切削工具は高圧 (>2 GPa)、高温、および一定サイクルの熱応力に耐える必要があります。切削工具のコーティングの前後には、適切なプロセスで処理する必要があります。

切削工具コーティングの前に、コーティングの密着性を大幅に向上させながら、次のコーティングプロセスに備えるためにさまざまな前処理方法を使用できます。コーティングと連動することで、工具刃先の処理により切削速度と送り速度が向上し、切削工具の寿命を延ばすこともできます。

コーティングの後処理 (刃先処理、表面処理、構造化) も、特に切りくずの形成 (加工材料の刃先への結合) による早期摩耗の可能性を防ぐために、切削工具の最適化において決定的な役割を果たします。道具）。

コーティングの考慮事項と選択

コーティングの性能に対する要件は大きく異なる場合があります。刃先温度が高温となる加工条件では、コーティングの耐熱摩耗特性が非常に重要になります。最新のコーティングは、ナノ構造層の設計により、優れた高温性能、耐酸化性、高硬度（高温でも）、微視的な靭性（可塑性）といった特性も備えていることが期待されています。

効率的な切削工具の場合、最適化されたコーティング密着性と残留応力の合理的な分布が 2 つの決定的な要素となります。まず、基材材料とコーティング材料の間の相互作用を考慮する必要があります。第二に、コーティング材料と加工される材料との間には可能な限り親和性がないことが必要です。適切な工具形状を使用し、コーティングを研磨することにより、コーティングとワークピース間の付着の可能性を大幅に減らすことができます。

アルミニウムベースのコーティング (AlTiN など) は、切削業界で切削工具コーティングとして一般的に使用されています。高い切削温度の作用下で、これらのアルミニウムベースのコーティングは薄くて緻密な酸化アルミニウム層を形成し、加工中に継続的に更新され、コーティングとその下の基材材料を酸化攻撃から保護します。

アルミニウム含有量や皮膜構造を変えることで、皮膜の硬度や耐酸化性能を調整できます。例えば、ナノ構造またはマイクロ合金化（すなわち、含有量の少ない元素との合金化）を使用して、アルミニウム含有量を増やすことによって、コーティングの耐酸化性を改善することができる。

コーティング材料の化学組成に加えて、コーティング構造の変化もコーティングの性能に大きな影響を与える可能性があります。切削工具の性能の違いは、コーティングの微細構造内のさまざまな元素の分布によって異なります。

現在では、化学組成の異なる複数の単一コーティング層を組み合わせて複合コーティング層を形成することで、望ましい性能を得ることができます。この傾向は、特に 3 つの高イオン化コーティング プロセスを 1 つに組み合わせた HI3 (高イオン化トリプル) アーク蒸着およびスパッタリング ハイブリッド コーティング技術などの新しいコーティング システムおよびコーティング プロセスを通じて、今後も発展し続けるでしょう。

万能コーティングとして、チタン - シリコン ベース (TiSi) コーティングは優れた機械加工性を提供します。これらのコーティングは、異なる炭化物含有量の高硬度鋼 (中心硬度 HRC 65 まで) と中硬度鋼 (中心硬度 HRC 40) の両方の加工に使用できます。コーティング構造の設計は、さまざまな機械加工用途に応じて適合させることができます。その結果、チタンシリコンベースのコーティング切削工具は、高合金鋼、低合金鋼から焼き入れ鋼、チタン合金に至るまで、幅広い被削材の切断および加工に使用できます。平坦なワークピース (硬度 HRC 44) での高度仕上げ切削テストでは、コーティングされた切削工具は寿命をほぼ 2 倍に延ばし、表面粗さを約 10 倍低減できることが示されました。

チタンシリコンベースのコーティングにより、その後の表面研磨が最小限に抑えられます。このようなコーティングは、高い切削速度、高い刃先温度、高い金属除去率を伴う加工での使用が期待されます。

他の一部の PVD ​​コーティング (特にマイクロアロイコーティング) についても、コーティング会社は加工業者と緊密に連携して、さまざまな最適化された表面処理ソリューションを研究開発しています。したがって、加工効率、切削工具の使用、加工品質、材料、コーティング、加工間の相互作用の大幅な改善が可能であり、実用化可能です。プロのコーティングパートナーと協力することで、ユーザーはライフサイクル全体を通じて工具の利用効率を高めることができます。