切削工具のコーティングは、切削工具の摩擦特性と耐摩耗性を向上させるため、切削加工において不可欠です。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、および耐用年数を向上させるための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。その特有の課題は、(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ための統合処理技術という4つの要素に注目し、最適化することにあります。
切削工具の摩耗原因
切削加工中、切削工具と被削材の接触領域では、いくつかの摩耗メカニズムが発生します。例えば、切りくずと切削面との結合摩耗、被削材中の硬質点による工具の摩耗、摩擦化学反応による摩耗（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）などです。これらの摩擦応力は切削工具の切削力を低下させ、工具寿命を短縮するため、主に切削工具の加工効率に影響を与えます。
表面コーティングは摩擦の影響を軽減し、切削工具の基材はコーティングを支え、機械的応力を吸収します。摩擦システムの性能向上により、生産性の向上に加え、材料の節約とエネルギー消費量の削減が可能になります。
コーティングが加工コスト削減に果たす役割
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因です。切削工具の寿命とは、メンテナンスが必要になる前に機械が中断なく加工できる時間を指します。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は少なくなり、機械のメンテナンス作業も少なくて済みます。
非常に高い切削温度においても、コーティングを施すことで切削工具の寿命を延ばすことができ、加工コストを大幅に削減できます。さらに、切削工具のコーティングは潤滑油の使用量を減らす効果もあります。材料費の削減だけでなく、環境保護にも貢献します。
塗装前および塗装後処理が生産性に及ぼす影響
現代の切削加工では、切削工具は高圧（2 GPa以上）、高温、そして絶え間ない熱応力サイクルに耐える必要があります。そのため、切削工具のコーティング前後に、適切な処理を施すことが不可欠です。
切削工具のコーティングを行う前に、様々な前処理方法を用いることで、その後のコーティング工程を準備し、コーティングの密着性を大幅に向上させることができます。コーティングと併用することで、工具の切削刃の準備も行い、切削速度と送り速度を向上させ、切削工具の寿命を延ばすことも可能です。
コーティング後の処理（刃先処理、表面処理、構造化）も、切削工具の最適化において決定的な役割を果たし、特に切りくず（被削材と工具の刃先との結合）の形成による早期摩耗を防ぐ上で重要です。
コーティングに関する考慮事項と選択
コーティング性能に対する要求は多岐にわたる。切削刃の温度が高い加工条件下では、コーティングの耐熱摩耗特性が極めて重要となる。現代のコーティングには、ナノ構造層の設計を通じて、優れた高温性能、耐酸化性、高硬度（高温下でも）、そして微細な靭性（塑性）といった特性も求められる。
効率的な切削工具を実現するには、コーティングの密着性を最適化することと、残留応力を適切に分布させることの2つが決定的な要素となります。まず、基材とコーティング材との相互作用を考慮する必要があります。次に、コーティング材と加工対象物との親和性をできる限り低く抑える必要があります。適切な工具形状を採用し、コーティングを研磨することで、コーティングと被削材との密着性を大幅に低減できます。
アルミニウム系コーティング（例：AlTiN）は、切削加工業界において切削工具のコーティングとして広く用いられています。高温の切削加工下では、これらのアルミニウム系コーティングは薄く緻密な酸化アルミニウム層を形成し、加工中に絶えず再生されることで、コーティング自体とその下の基材を酸化腐食から保護します。
コーティングの硬度と耐酸化性能は、アルミニウム含有量とコーティング構造を変えることで調整できる。例えば、アルミニウム含有量を増やしたり、ナノ構造を採用したり、微量合金化（すなわち、低含有量元素による合金化）を行うことで、コーティングの耐酸化性を向上させることができる。
コーティング材の化学組成に加え、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。切削工具の性能の違いは、コーティングの微細構造における様々な元素の分布によって決まる。
近年では、異なる化学組成を持つ複数の単層コーティング層を組み合わせることで、所望の性能を持つ複合コーティング層を作製することが可能になっています。この傾向は今後も発展していくでしょう。特に、3つの高イオン化コーティングプロセスを1つに統合したHI3（高イオン化トリプル）アーク蒸着・スパッタリングハイブリッドコーティング技術など、新しいコーティングシステムやコーティングプロセスによって、その傾向はさらに強まると考えられます。
チタンシリコン系（TiSi）コーティングは、汎用性の高いコーティングとして優れた被削性を発揮します。これらのコーティングは、炭化物含有量の異なる高硬度鋼（芯部硬度最大HRC 65）と中硬度鋼（芯部硬度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、さまざまな加工用途に合わせて調整可能です。その結果、チタンシリコン系コーティングを施した切削工具は、高合金鋼、低合金鋼から焼入れ鋼、チタン合金まで、幅広い被削材の切削加工に使用できます。平坦な被削材（硬度HRC 44）に対する高精度切削試験では、コーティングを施した切削工具は、寿命がほぼ2倍になり、表面粗さが約10分の1に低減されることが示されています。
チタン・シリコン系コーティングは、その後の表面研磨を最小限に抑える。このようなコーティングは、高速切削、高温刃先、高金属除去率を伴う加工において使用されることが期待される。
その他の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、様々な最適化された表面処理ソリューションの研究開発に取り組んでいます。そのため、加工効率、切削工具の使用効率、加工品質、そして材料、コーティング、加工の相互作用において、大幅な改善が可能となり、実用化も進んでいます。専門的なコーティングパートナーと協力することで、ユーザーは工具のライフサイクル全体を通して、その利用効率を高めることができます。
投稿日時：2022年11月7日