なぜカッティングツールにコーティングが必要でしょうか

切削加工において、工具性能は切削加工の効率、精度、表面品質に決定的な影響を与えます。工具性能の2つの重要な指標である硬度と強度（靭性）の間には、常に矛盾が生じているようです。硬度の高い材料は強度と靭性が低い傾向があり、靭性を向上させると硬度が低下することがよくあります。コーティング工具は、高硬度で耐摩耗性に優れた金属または非金属化合物膜（TiC、TiN、Al2O3など）の1層または複数層で構成されたコーティング工具を柔らかい工具基材にコーティングすることで、工具の不具合をより効果的に解決します。強度と靭性の矛盾は、切削工具開発における革命です。

1. 工具コーティングの特性

優れた機械的特性と切削特性

コーティング工具は、母材とコーティング材の優れた特性を兼ね備えています。母材の優れた靭性と高強度を維持するだけでなく、コーティングの高い硬度、耐摩耗性、低摩擦係数も備えています。そのため、コーティング工具の切削速度は、コーティングされていない工具と比較して2～5倍向上します。コーティング工具の使用により、明らかな経済的メリットが得られます。

高い汎用性

コーティング工具は幅広い汎用性を備え、加工範囲を大幅に拡大します。1本のコーティング工具で複数の非コーティング工具を置き換えることができるため、工具の種類と在庫を大幅に削減し、工具管理を簡素化し、工具および設備コストを削減します。

2. コーティングの分類

コーティング方法の違いにより、コーティング工具は化学蒸着（CVD）コーティング工具、物理蒸着（PVD）コーティング工具、ハイブリッドプロセス、複合技術に分類されます。CVDコーティングの原理を図1aに、PVDコーティングの原理を図1bに示します。ハイブリッドプロセスは、プラズマ支援CVD技術と従来のPVD技術を効果的に組み合わせたものです。例えば、まず従来のCrN硬質コーティングを成膜し、その上に摩擦を低減するためのDLCコーティング層を成膜します。複合技術では、コーティング前に工具または部品の表面層を窒化処理することで、コーティングの効果を高めます。

CVDコーティングは、耐摩耗性に優れたTiCNと耐熱性に優れたAl2O3厚膜をコーティングできます。そのため、CVDコーティングは、高温が発生する高速・高効率切削プロセスにおいて長寿命を発揮します。

PVDは、工具寿命の延長を目的として、コーティングされていない超硬合金や高速度鋼と同等かそれ以上の切削速度条件下で一般的に使用されます。母材への拘束が少なく、損傷も少ないため、耐摩耗性と耐チッピング性が求められる工具に特に適しています。また、低送り加工や仕上げ加工、ねじ切り加工など、鋭利な刃先が求められる工具にも適しています。

コーティング工具の基材の種類により、コーティング工具は超硬合金コーティング工具、高速度鋼コーティング工具、セラミックおよび超硬合金（ダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素）コーティング工具に分類されます。コーティングされた超硬合金切削工具は一般的に化学蒸着法（CVD）を用いており、蒸着温度は約1000℃です。コーティングされた高速度鋼切削工具は一般的に物理蒸着法（PVA）を用いており、蒸着温度は約500℃です。

ダイヤモンドコーティングは、CVD（化学蒸着法）を用いて超硬合金基材上に合成されます。合成コーティングは、天然ダイヤモンドに匹敵する硬度と熱伝導率を有し、非鉄金属の加工において優れた性能を発揮します。優れた切削性能により、ダイヤモンドコーティング工具は切削加工分野において幅広い応用が期待されています。グラファイト、金属基複合材、高シリコンアルミニウム合金など、多くの耐摩耗性材料の加工に最適な工具であり、現在、主に自動車産業と航空宇宙産業で使用されています。

コーティング材の性質により、コーティング工具は「ハード」コーティング工具と「ソフト」コーティング工具の2種類に分けられます。「ハード」コーティング工具の主な目的は、高硬度と耐摩耗性です。その主な利点は、高硬度と優れた耐摩耗性です。代表的なものとしては、TiCコーティングとTiNコーティングがあります。図4に、様々なコーティング工具を示します。「ソフト」コーティング工具は、MoS2、WS2などの固体潤滑剤を用いて製造された工具です。「ソフト」コーティングの目的は、低摩擦係数、つまり自己潤滑工具です。被削材との摩擦係数は非常に低く、約0.1と非常に低いため、粘着性、摩擦、切削力、切削温度を低減できます。

コーティング切削工具は、切削工具の性能を向上させる重要な方法の1つです。コーティング切削工具の登場により、切削工具の切削性能が大幅に向上し、その応用分野は絶えず拡大しています。コーティング切削工具はCNC加工の分野で大きな可能性を秘めており、将来的にはCNC加工分野で最も重要な工具品種となるでしょう。現在、外国製の超硬合金スローアウェイチップのコーティング率は70％を超え、欧州製のギアカッターのコーティング率は90％にも達します。コーティング技術は、エンドミル、リーマ、複合穴加工工具、ギアホブ、シェービングカッター、成形ブローチ、各種機械固定式スローアウェイチップに適用され、各種鋼や鋳鉄、耐性材料の高速切削のニーズに応えています。耐熱合金、非鉄金属などの材料が必要です。

3. コーティングの種類をどれほどご存知でしょうか？

TINコーティング

TiNは汎用PVDコーティングで、コスパに優れ、工具硬度を高め、高い酸化温度を持つ非常に安定した化合物です。このコーティングは、高速度鋼切削工具や成形工具に使用すると、非常に良好な加工結果を得ることができます。

TiNコーティングとその焼結体は美しい金色を呈し、優れた金彩効果と装飾性を備え、耐腐食性にも優れ、工具の寿命を延ばします。

TiCNコーティング

TiCNコーティングの特徴：銀灰色、内部応力が低い、比較的高い靭性、良好な潤滑性、高硬度（HV3200）、耐摩耗性等の特性を備えています。チップツール、成形金型、スタンピング金型等、低摩擦係数と高硬度が求められる用途に適しています。

TiAlNコーティング

TiAlNコーティングは、チタン窒化物と比較して、アルミニウムの添加により、ナノ硬度、結合強度、耐摩耗性、高温酸化耐性等の特性が大幅に向上しています。高温では、Alイオンが表面に拡散し、酸化アルミニウム（Al2O3）の緻密な保護膜を形成しやすく、膜の抗酸化温度が窒化チタン（TiN）の600℃から窒化チタンアルミニウム（TiAlN）の900℃に上昇し、コーティング硬度はHV4000近くまで上昇します。TiAlNコーティングによって形成される酸化アルミニウム層は、工具の高温加工寿命を効果的に向上させることができます。主に乾式又は半乾式切削に使用される超硬切削工具は、このコーティングを選択できます。

AlTiN コーティング

チタンアルミニウム窒化物コーティングは、チタンアルミニウム窒化物をベースに開発されたコーティングです。コーティング中のアルミニウム（TiAlN）含有量をさらに増加させたため、コーティングの耐酸化性がさらに向上しました。耐熱温度は最高1000℃に達し、コーティング硬度も4200HVまで向上しました。特に高速ドライカットや高硬度カットに適しており、鍛造金型や鋳型等耐高温性が求められる金型に使用されています。

DLC

DLCコーティングは、ダイヤモンドライクコーティングとも呼ばれ、特徴は高硬度（HV1500以上）と低い乾燥摩擦係数（0.05～0.1）です。オイルフリーの自己潤滑性を実現できるコーティングです。コーティング処理温度は極めて低く、130℃まで対応可能です。あらゆる金属材料とほとんどの非鉄金属基材に適しています。DLCコーティングは、部品の寸法や表面粗さに影響を与えません。

DLCコーティングは優れた潤滑特性で、エンジン部品、非鉄金属切削工具、非鉄金属およびステンレス鋼成形プレス金型、摺動シール部品、半導体産業用金型、射出成形金型、繊維産業等に広く利用されています。

でも、具体的な性能は、ワーク材質、加工条件、使用状況（摩擦、速度、圧力等のパラメータ）等、実際の状況に応じて調整する必要があります。SP3とSP2の比率を調整することで、耐摩耗性、硬度等が変化し、それで、ワークの具体的な使用状況に合わせます。

CrNコーティング

CrNコーティングは、優れた耐凝着性と耐腐食性を備えており、金型および切削ツール業界で重要な役割を果たしています。

CrNコーティングは、摩擦係数は低いものの、硬度をそんなに求めてないプレス金型、特に銅やアルミニウム等の非鉄金属をプレス加工する金型に適しています。CrNコーティングは、摩擦や摩耗の条件において他のコーティングよりも優れており、より強靭で耐久性に優れています。CrNコーティングは、表面硬度が高く、摩擦係数が低く、残留応力が低いため、耐摩耗や金属同士の摩擦に適しています。さらに、CrNコーティングは高い靭性、水溶液に対する耐腐食性、耐薬品性を備え、一定の潤滑性も備えています。特に射出成形業界において、CrNコーティングは金型の腐食問題を解決する理想的な選択肢です。

切削ツール：CrN コーティングは優れた耐凝着性を備えているため、積屑瘤が発生しやすい材質の加工に最適です。銅、アルミニウム等の非鉄金属の加工に適用されます。

AlTiCrNコーティング

AlTiCrNコーティングは広く使われており、乾式および湿式切削に適しており、優れた靭性、耐摩耗性を備えています。

炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼板、溶射又は塗装鋼、銅合金等の材質が含まれます。

さらに、AlTiCrNコーティングは優れた熱安定性と耐食性を備えており、アルミダイカスト金型加工の場合、AlTiCrNコーティングは一般的な腐食や凝着を効果的に低減します。

ZrN コーティング

ZrN（窒化ジルコニウム）コーティングは、TiとCrを含まない特殊な固着防止コーティングで、アルミニウム、銅、チタン、およびそれらの合金の加工に適しており、堆積物や固着を発生しません。