JP2001277010A

JP2001277010A - 被覆工具

Info

Publication number: JP2001277010A
Application number: JP2000091741A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kato; 英喜加藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】加工作用面毎に要求される個別の特性水準に
きめ細かく対応することができ、ひいては長寿命で高性
能の被複工具を提供する。【解決手段】工具１の表面の加工作用面が複数の領域
１ｃ，１ｅに分割されており、それら各領域１ｃ，１ｅ
において工具基材が各々単層又は複数層からなるコーテ
ィング被膜２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂにより被覆される。
そして、該コーティング被膜において最も厚さの大きい
層（主層）２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが、領域１ｃ，１ｅ
の間で、互いに異なる材質の層２ｂ，３ａとして設定さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被覆工具に関す
るものであり、具体的には金属、金属−セラミック複合
材料（例えば、超硬合金やサーメットなど）あるいはセ
ラミックからなる工具基材表面を、耐摩耗性あるいは耐
熱衝撃性改善等の目的で硬質化合物により被覆した被覆
工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】工具基材が高速度工具鋼や超硬合金ある
いはサーメットからなる工具において、耐摩耗性等をよ
り向上させるために、工具基材の表面にＴｉ等の窒化
物、炭化物あるいは炭窒化物よりなるコーティング被膜
を形成することが行われている。このようなコーティン
グ被膜を形成する方法としては化学蒸着（ＣＶＤ）法や
物理蒸着（ＰＶＤ）法が知られているが、ＣＶＤ法は基
材が高温にさらされるため、その機械的性質が損なわれ
やすい欠点があり、基材温度が上昇しにくいＰＶＤ法が
主流になりつつある。特に、比較的低温での処理が行い
やすい方法として、イオンプレーティング法やスパッタ
リング法は盛んに採用されている。

【０００３】切削工具のコーティング被膜としては、イ
オンプレーティング法によるＴｉＮ膜、ＴｉＣ膜（ある
いはＴｉＣＮ膜）が広く用いられている。すなわち、Ｔ
ｉＮはＴｉＣ等よりも耐熱性や耐酸化性に優れているた
め、切削時の加工熱や摩擦熱によって昇温する工具のす
くい面を、クレータ摩耗から保護する機能を発揮する。
しかし、ＴｉＮはＴｉＣより低硬度であるため、被削材
と接する逃げ面に発生するフランク摩耗には弱く、むし
ろＴｉＣの方が高い摩耗性を示す。

【０００４】また、近年では切削加工の高能率化の要求
から、切削加工条件がさらに高速化する傾向にあり、上
記のようなＴｉＮやＴｉＣ等の被膜ではこうした要求を
必ずしも十分に満たしきれなくなってきている。そこ
で、耐熱性や耐摩耗性に一層優れたＴｉＡｌＮやＴｉＡ
ｌＮＣといった被膜の使用も提案されている（例えば特
開平２−１９４１５９号あるいは特開平７−３１０１７
３号の各公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、コーティン
グ被膜を形成するための前述のＰＶＤ法は、イオンのエ
ネルギーを使用した低温被覆法であることから、基材表
面と被覆層との間にはＣＶＤ法のような熱による拡散層
が形成されにくい。従って、ＰＶＤ法による被膜はＣＶ
Ｄ法によるものよりも密着性に劣るといわれている。ま
た、耐摩耗性改善の目的で被膜を厚膜化することも試み
られているが、コーティング被膜の膜厚が大きくなるほ
ど被膜中の内部応力が増大して被膜の自己破壊が生じや
すくなり、また膜の密着性も損なわれて却って性能が低
下しやすくなる。

【０００６】さらに、前述のＴｉＡｌＮやＴｉＡｌＮＣ
などの材質は、耐熱性や耐摩耗性には優れているもの
の、被膜中に残留する内部応力がＴｉＮやＴｉＣ等と比
較して非常に高いため、被膜が自己破壊等を起こさない
ように厚さを限定したり、さらには他材質の被膜との積
層・複合化を行ったりするなどの手段をとらざるを得な
い。また、切削工具としての性能を考慮した場合、Ｔｉ
ＡｌＮやＴｉＡｌＮＣは、耐熱クラック性や耐クレータ
摩耗性においては良好であるが、耐逃げ面摩耗性につい
てはＴｉＣ等に劣る欠点もある。

【０００７】このように、工具の表面被覆に関しては、
逃げ面やすくい面などの加工作用面の部位によって要求
される特性が異なり、単一材質の被膜の場合はもちろ
ん、単に２以上の材質を複合化させた従来の多層被膜構
造では、要求される全ての条件を満たすことが非常に困
難であり、いずれかの部位での要求特性を犠牲にするな
ど、妥協を強いられているのが現状である。

【０００８】本発明の課題は、加工作用面毎に要求され
る個別の特性水準にきめ細かく対応することができ、ひ
いては長寿命で高性能の被覆工具を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために本発明の被覆工具は、工具表面の加
工作用面が複数の領域に分割されており、それら各領域
において工具基材が各々単層又は複数層からなるコーテ
ィング被膜により被覆されるとともに、該コーティング
被膜において最も厚さの大きい層（以下、主層という）
が、上記領域の間で、互いに異なる材質の層として形成
されていることを特徴とする。なお、加工作用面とは、
切削工具のすくい面と逃げ面など、被加工材あるいは加
工屑と接する等の形で加工に直接使用される面のことで
ある。

【００１０】上記本発明の被覆工具によれば、複数に分
割された加工作用面の領域ごとに、材質の異なる主層を
形成するようにした。このようにすることで、領域ごと
に要求される特性やその水準が異なる場合でも、例え
ば、互いに相反する特性が要求されるような場合でも、
主層の材質として最適のものを個別に選択することによ
りきめ細かく対応することができ、ひいては長寿命で高
性能の被覆工具を実現できる。なお、被覆層の形成方法
としては、基材への熱影響が少ないイオンプレーティン
グやスパッタリングなどのＰＶＤ法が好ましいが、基材
への熱影響が問題にならない場合は、密着性向上等の目
的でＣＶＤ法を用いることも可能である。

【００１１】上記の構成では、最も単純には、複数の領
域を互いに材質の異なる単層あるいは複層のコーティン
グ被膜にて覆う構成がある。このような構造は、例えば
加工作用面として予定された基材表面を選択的にマスキ
ングして、領域ごとに個別の材質のコーティング被膜を
形成することにより実現できる。

【００１２】他方、材質の異なる被覆層を積層すること
により、個々の被覆層の特性を相補的あるいは相乗作用
的に引き出して、より高性能化を図ることができる。具
体的には、各領域が各々複数層からなる複合コーティン
グ被膜により被覆されるとともに、各領域の複合コーテ
ィング被膜は、互いに異なる材質からなるとともに積層
順序が複数の領域間で同じとされた２層以上の対応被覆
層群を含み、対応被覆層群において最も厚さの大きい層
を主層として、該主層が領域の間で、互いに異なる材質
の層として形成される。個々の領域において最も重視さ
れる特性（以下、基本特性という）を満たすのに好適な
材質を、その領域の主層として選択することにより、領
域ごとに特有の基本特性が満足されるとともに、主層以
外の層の寄与により、他の特性の最適化や基本特性との
間のバランス調整等も容易に行うことができるようにな
る。なお、各複合コーティング被膜は、各領域に共通の
対応被覆層群のみによって構成されていてもよいし、本
発明の効果が極度に損なわれない範囲内にて、必要に応
じて領域ごとに付属層を追加積層してもよい。この場
合、その付属層は、対応被覆層群に対して積層方向の片
側又は両側に隣接形成してもよいし、対応被覆層群の層
間に挿入する形で積層してもよい。対応被覆層群は、各
材質の積層順が領域ごとに同じであればよいのである。
なお、付属層の例としては、対応被覆層群内にて隣接す
る２層間に、それらの密着性向上等の目的で、両層の中
間の性質を有する層を挿入する構成を例示できる。例え
ば、隣接する２層がＴｉＮ層とＴｉＣ層であった場合
に、付属層として両層の間にＴｉＣＮ層を付属層として
挿入できる。ただし、付属層の構成例はこれに限られる
ものではない。

【００１３】上記の加工作用面を構成する複数の領域
は、工具表面に形成されたエッジ部の両側に隣接する第
一加工作用面と第二加工作用面とを含むものとすること
ができる。この場合、第一加工作用面と第二加工作用面
とを、材質の異なる単層被膜により覆うことができる。
また、対応被覆層を含む複合コーティング被膜とする場
合は、その対応被覆層を、工具基材と接する１層又は複
数層からなる第一層と、その第一層に積層される１層又
は複数層からなる第二層とを含むものとすることがで
き、それら第一層と第二層との一方が第一加工作用面の
主層となり、他方が第二加工作用面の主層となるように
各層の膜厚設定を行うことができる。例えば、図３に示
すように、第一加工作用面上の第一層の厚さ（複数の場
合はその合計厚さ）をａ1、同じく第二層の厚さをｂ1と
し、第二加工作用面上の第一層の厚さ（複数の場合はそ
の合計厚さ）をａ2、同じく第二層の厚さをｂ2とすれ
ば、厚くなる層の種別（材質）が第一加工作用面と第二
加工作用面との間で異なるものとなるための、各層の厚
さの大小関係として同図に示す１２通りがあり、目的に
応じて適宜選択することができる（図中、丸で囲ったも
のが主層である）。

【００１４】被覆工具が切削工具である場合、エッジ部
は切れ刃とすることができ、第一加工作用面と第二加工
作用面とはそれぞれすくい面と逃げ面とすることができ
る。切削工具のすくい面は切削時の加工熱や摩擦熱によ
って昇温し、逃げ面よりもクレータ摩耗な熱クラックを
生じやすい。従って、すくい面に形成される主層は、逃
げ面に形成される主層よりも耐熱性及び耐酸化性に優れ
た材質にて構成することが、すくい面のクレータ摩耗や
熱クラック発生を防止する上で有効である。すくい面主
層の具体的な材質としては、Ｔｉ−Ａｌ系窒化物又はＴ
ｉ−Ａｌ系炭窒化物（以下、Ｔｉ−Ａｌ系化合物とい
う）を本発明に好適に使用できる。

【００１５】一方、逃げ面はすくい面と比較してフラン
ク摩耗が生じやすい傾向にあるので、逃げ面に形成され
る主層を、すくい面に形成される主層よりも耐フランク
摩耗性が良好な材質にて構成することが有効である。逃
げ面主層の具体的な材質として、Ｔｉの炭化物、窒化
物、炭窒化物、炭酸化物及び炭窒酸化物（以下、これら
を総称してＴｉ系化合物という）から選ばれる１種の単
層又は２種以上の複層を、本発明に好適に使用すること
ができる。なお、各層ともに、上記の化合物が主体にな
っていればよく、当該主体となる化合物に由来した硬度
や耐摩耗性等の基本特性が極端に損なわれない範囲に
て、不可避不純物や、その他の副成分が適宜含有されて
いてもよい。なお、第一加工作用面と第二加工作用面と
は工具の種別によって種々に設定でき、すくい面と逃げ
面とに限られるものではない。例えば、打抜パンチ先端
面外周縁をエッジ部とすれば、これに隣接するパンチ先
端面とパンチ外周面とがそれぞれ第一加工作用面及び第
二加工作用面となる。

【００１６】また、工具の基材としては、金属炭化物又
は金属炭窒化物を主体とする無機硬質相を金属結合相に
て結合した構造を有する硬質材料（金属−セラミック複
合材料でもある）を使用できる。無機硬質相は、Ｗ、Ｍ
ｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ及びＴｉから選
ばれる１種又は２種以上の金属元素Ｍの炭化物を主体
（例えば不可避不純物を除く全て）となるように構成す
ることができる。

【００１７】例えば、超硬合金では、無機硬質相の８０
質量％以上をＷＣとし、残部がＭｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎ
ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｈｆ及びＺｒから選ばれる１種又は２種
以上の金属元素Ｍの炭化物と不可避不純物とからなるも
のとして構成することができる。上記の金属元素は主に
炭化物の形で含有される。この場合、Ｗは無機硬質相の
主成分金属元素であり、高硬度発現の主を担うものであ
る。Ｔｉ、ＴａあるいはＮｂは、その１種又は２種以上
を合計で５〜２０質量％添加することにより、鋼を切削
する際の耐クレータ摩耗性を向上できる。Ｖ、Ｃｒある
いはＴａは、その１種又は２種以上を合計で０．５〜３
質量％添加することにより、硬質相の結晶粒を微細化
し、強度あるいは靭性を向上できる効果が得られる。

【００１８】金属結合相は、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅの１種
又は２種以上を主成分（２種以上の場合は、その合計を
一成分とみて、その結合相中での含有量が最も多くなる
ようにする）として構成できる。なお、金属結合相中に
は、無機硬質相の構成金属元素成分と同じ種類の金属元
素成分が、例えば焼結時の拡散等により含有されること
がある。また、別の目的で上記以外の副成分を積極添加
してもよいことはもちろんであり、例えばＣｒの添加に
より金属結合相の耐食性を向上させることができる。

【００１９】次に、硬質材料としては、以下のようなサ
ーメットを使用することもできる。該サーメットは、そ
の無機硬質相の金属元素成分がＴｉを主成分とし、Ｖ、
Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷから選ばれ
る１種又は２種以上の添加金属元素成分Ｍを含有すると
ともに、それら金属元素成分の炭窒化物を主体に構成さ
れる。そして、この無機硬質相が、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅ
の１種又は２種以上を主成分とする金属結合相にて結合
された構造を有する。

【００２０】サーメット中の、無機硬質相の金属元素成
分全体に対するＴｉ成分の含有率は５０〜８０重量％と
なっているのがよい。Ｔｉ成分の含有率が５０重量％未
満になると、サーメットの耐塑性変形性あるいは耐摩耗
性が損なわれることにつながる。一方、Ｔｉ成分の含有
率が８０重量％を超えると、サーメットの靭性が損なわ
れる場合がある。なお、Ｔｉ成分の含有率は、より望ま
しくは６０〜７０重量％となっているのがよい。

【００２１】また、無機硬質相の金属元素成分全体に対
する添加金属元素成分の含有率は２０〜５０重量％とな
っているのがよい。添加金属元素成分の含有率が５０重
量％を超えるとＴｉ成分が相対的に不足して、サーメッ
トの耐塑性変形性あるいは耐摩耗性が損なわれることに
つながる。一方、添加金属元素成分の含有率が２０重量
％未満になると、Ｔｉ成分が相対的に過剰となってサー
メットの靭性が損なわれる場合がある。なお、添加金属
元素成分の含有率は、より望ましくは３０〜４０重量％
となっているのがよい。。

【００２２】また、上記のような硬質材料以外では、高
速度工具鋼などの金属材料や、アルミナ、窒化珪素ある
いはジルコニアなどのセラミックを使用することも可能
である。なお、本発明において、基材あるいは被膜の組
成に関し、「主成分」（「主に」あるいは「主体に」等
も同じ）とは、着目している物質において最も質量含有
率の高い成分を意味する。従って、本発明の目的が達成
され、上記の効果が損なわれない範囲にて、副成分の含
有を許容するものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例により説明する。図１は、本発明の被覆工
具の一実施例としての旋削用工具チップ１（以下、単に
チップともいう）を示している。該チップ１は、図１
（ａ）に示すように、偏平な略四角柱形状に形成された
工具基材４の外面全体をコーティング被膜で覆った構造
を有しており、例えばその主面１ｃがすくい面を（以
下、すくい面１ｃともいう）、側面１ｅが逃げ面を形成
する（以下、逃げ面１ｅともいう）。図１（ｂ）に示す
ように、チップ１は、その各コーナー部１ａにアールが
施され、同図（ｃ）に示すように各切れ刃１ｂに対応し
て面取部１ｋが形成されている。また、（ａ）に示すよ
うに、その主面１ｃの中央には、図示しないチップホル
ダにチップ１を装着するための挿通孔１ｄが厚さ方向に
貫通して形成されている。図１（ｃ）に示すように、面
取部１ｋは断面が平面状とされ、すくい面をなす主面１
ｃとのなす角度θが例えば２０〜３５°の範囲で調整さ
れている。なお、面取部１ｋの断面形状を、図１（ｄ）
に示すように外向きの曲面（アール面）としたり、ある
いは図１（ｅ）のように平面と曲面との組み合わせとし
たりすることも可能である。

【００２４】工具基材４は、超硬合金やサーメット等の
金属−セラミック複合材料、あるいは高速度工具鋼等の
焼結体として構成される。一方、図２に示すように、コ
ーティング被膜はセラミック被覆層であり、すくい面１
ｃと逃げ面１ｅとにおいて、いずれもＴｉ系化合物から
なる内層２ａ，２ｂと、その内層２ａ，２ｂに積層され
るＴｉ−Ａｌ系化合物からなる外層３ａ，３ｂとを含
む。そして、すくい面１ｃ側においては外層３ａ（平均
的な厚さをｂ１とする）が内層２ａ（平均的な厚さをａ
１とする）よりも厚く形成されている（すなわち、ａ１
＜ｂ１）。また、逃げ面１ｅ側においては、内層２ｂ
（平均的な厚さをａ２とする）が外層３ｂ（平均的な厚
さをｂ２とする）よりも厚く形成されている（すなわ
ち、ａ２＞ｂ２）。

【００２５】すなわち、セラミック被覆層は、それぞれ
外層と内層とを対応被覆層として含む複合コーティング
被膜であり、すくい面１ｃを第一加工作用面、逃げ面１
ｅを第二加工作用面として、すくい面１ｃ側では外層３
ａがすくい面側主層を、また、逃げ面１ｅ側では内層２
ｂが逃げ面側主層を形成する形となっている。

【００２６】内層に使用する材質は、Ｔｉの炭化物（Ｔ
ｉＣ）、窒化物（ＴｉＮ）、炭窒化物（ＴｉＣＮ）、炭
酸化物（ＴｉＣО）及び炭窒酸化物（ＴｉＣＮО）の各
種Ｔｉ系化合物から選ばれる１種の単層又は２種以上の
複層（例えば、図２（ｂ）に示すように、基材４と接す
る側にＴｉＮ層２ａ１，２ｂ１を形成し、その上にＴｉ
ＣＮ層２ａ２，２ｂ２を積層形成する）である。このよ
うなＴｉ系化合物は、ＰＶＤ法で膜形成した際に残留応
力が小さく、基材との密着性に優れる。さらに、逃げ面
においては主層として形成され、耐フランク摩耗性を向
上させる。このうちＴｉＣＮは、耐フランク摩耗性向上
効果が特に優れていることから本発明に好適に使用する
ことができる。

【００２７】内層の厚さは０．３〜３μｍとするのがよ
い。厚さが０．３μｍ未満では耐フランク摩耗改善効果
に乏しく、３μｍを超えると、外層を必要な厚さ形成し
た際の全膜厚が大きくなりすぎて、膜中に生ずる残留応
力により被膜の自己破壊等を招く場合がある。また、耐
フランク摩耗性の高いことが要求される逃げ面１ｅ側で
は、内層２ａ（逃げ面側主層）の厚さａ１は１〜３μ
ｍ、望ましくは１〜２μｍとするのがよい。他方、すく
い面１ｃ側では内層２ａの厚さａ１は、耐クレータ摩耗
を向上させるための外層形成厚さを確保するために、逃
げ面１ｅ側より小さくするのがよく、０．３〜２μｍ、
望ましくは０．５〜１μｍとするのがよい。

【００２８】一方、外層に使用する材質は、Ｔｉ−Ａｌ
系窒化物あるいはＴｉ−Ａｌ系炭窒化物からなるＴｉ−
Ａｌ系化合物である。外層の材質としては、Ｔｉ−Ａｌ
系化合物として特に、Ｔｉ_ＸＡｌ_１−ＸＮ_ＹＣ
_１−Ｙ（ただし、０．２≦Ｘ≦０．５、０．６≦Ｙ≦
１）の組成を有するものが、被膜の耐熱性あるいは耐ク
レータ摩耗性の向上を図る上で望ましい。該組成におい
て、０．２＞ＸではＡｌ成分が過剰となって皮膜中の残
留応力が高くなり、被膜の自己破壊や密着性低下を招く
場合がある。他方、Ｘ＜０．５では耐熱性あるいは耐ク
レータ摩耗性の付与効果が不十分となる場合がある。よ
り望ましくは、０．３≦Ｘ≦０．４であるのがよい。ま
た、Ｙ＜０．６になると、Ｃの含有量が過剰となり耐酸
化性の確保が困難となる場合がある。より望ましくは、
０．７≦Ｙ≦０．９であるのがよい。なお、各層中のＴ
ｉ成分、Ａｌ成分、Ｃ成分及びＮ成分の含有比率は、Ｘ
線光電子分光（ＸＰＳ）法、あるいはオージェ電子分光
（ＡＥＳ）法等の公知の分析手法により特定できる。

【００２９】外層の厚さは０．５〜４μｍとするのがよ
い。厚さが０．４μｍ未満では耐クレータ摩耗性あるい
は耐熱性の改善効果あるいはに乏しく、４μｍを超える
と、膜中に生ずる残留応力により被膜の自己破壊を招く
場合がある。また、耐クレータ摩耗性等の高いことが要
求されるすくい面１ｃ側では、外層３ａ（すくい面側主
層）の厚さｂ１は１〜３μｍ、望ましくは２〜３μｍと
するのがよい。他方、逃げ面１ｅ側では外層３ｂの厚さ
ｂ２はすくい面１ｃ側より小さくてよく、０．５〜２μ
ｍ、望ましくは１〜２μｍとするのがよい。

【００３０】さらに、外層と内層との合計膜厚は、被膜
中の残留応力が過剰とならないよう、５μｍ以下である
のがよい。いずれにしろ、すくい面１ｃ側では耐熱性と
耐クレータ摩耗性が、逃げ面１ｅでは耐フランク摩耗性
（耐すきとり摩耗性）がそれぞれ重要となる。そして、
すくい面１ｃ側にて外層が厚く、逃げ面１ｅ側にて内層
が厚くなるようにコーティング被膜を形成することで、
それぞれの性能上の役割り分担により、より大きな性能
改善が可能となるのである。

【００３１】以下、上記工具チップ１の製造方法の一例
について説明する。例えば超硬合金製の工具基体の場
合、炭化Ｗ粉末及びＣｏ粉末等の原料粉末を所定量配合
し、これに必要に応じてバインダを添加・混合してプレ
ス成形（冷間静水圧プレス法を含む）あるいは射出成形
等の公知の方法で成形することにより成形体を作製し、
さらに該成形体を所定の炉内で焼成することにより工具
基材４を得る。

【００３２】次に、この工具基材４の表面にイオンプレ
ーティング法によりセラミック被覆層の内層２ａ，２ｂ
と外層３ａ，３ｂとを順次形成する。なお、この実施例
では内層２ａ，２ｂと外層３ａ，３ｂとをそれぞれ一体
に形成する方法を例にとる。図４（ａ）は、アーク蒸発
式イオンプレーティング装置の一例を概念的に示してお
り、チャンバー１０内にターンテーブル式基板ホルダ３
１が配置されてこれに工具基材４が固定される一方、こ
れと対向して１ないし複数の蒸発源としての金属ターゲ
ット３３ａ，３３ｂが設けられ、各々直流電源３２に接
続されている。ターゲット３３ａはＴｉ金属製であり、
ターゲット３３ｂはＴｉ−Ａｌ合金（例えばＴｉ_０．３
Ａｌ_０．７合金）製である。チャンバー１０内は、排気
口１０ａから減圧排気され、ガス導入口１３から反応ガ
スが導入される。そして、その状態で工具基材４及び金
属ターゲット３３ａ，３３ｂは、各直流電源３２により
各々負に帯電するように電圧が印加されるが、その各印
加電圧のレベルは金属ターゲット３３ａ，３３ｂ側が相
対的に正、工具基材４側が相対的に負となるように調整
される。これにより、金属ターゲット３３ａ，３３ｂと
工具基材４との間にはアーク放電が生じ、その発熱によ
り金属ターゲット３３ａ，３３ｂを構成する金属原料が
蒸発する一方、金属ターゲット３３ａ，３３ｂと工具基
材４との間の電位勾配により蒸発した金属原料及び反応
ガスがイオン化し、これを工具基材４の表面に付着・堆
積させることにより、金属ターゲットの材質及び反応ガ
スの種類に応じたセラミック層が形成される。

【００３３】例えばＴｉＮからなる内層２ａ，２ｂを形
成するときは、Ｔｉ金属製のターゲット３３ａを用い、
反応ガスを窒素ガスとする。また、ＴｉＣからなる内層
２ａ，２ｂを形成するときは、反応ガスを炭化水素ガス
（例えばメタン）とする。さらに、ＴｉＣＮからなる内
層２ａ，２ｂを形成する場合は窒素ガスと炭化水素ガス
との混合ガスを用いる。図４（ｂ）に示すように、基材
４の逃げ面１ｅ側をＴｉ金属製のターゲット３３ａに対
向させることで、逃げ面１ｅ側の内層２ｂがすくい面１
ｃ側の内層２ａよりも大きな膜厚で形成される。

【００３４】内層２ａ，２ｂの形成が終われば、Ｔｉ−
Ａｌ系複合炭窒化物からなる外層３ａ，３ｂを形成す
る。この場合はＴｉ−Ａｌ合金製の金属ターゲット３３
ｂを用い、反応ガスを窒素と炭化水素の混合ガスとす
る。なお、Ｔｉ−Ａｌ系複合炭窒化物のＴｉ成分とＡｌ
成分との含有比率は、金属ターゲット３３ｂに使用する
Ｔｉ−Ａｌ合金の組成に基づいて調整することができ
る。また、同じくＣ成分とＮ成分との含有比率は、反応
ガス中の窒素と炭化水素との混合比率に基づいて調整す
ることができる。図４（ｂ）に示すように、基材４のす
くい面１ｃ側を金属ターゲット３３ｂに対向させること
で、すくい面１ｃ側の外層３ａが逃げ面１ｅ側の外層３
ｂよりも大きな膜厚で形成される。こうして、図２
（ａ）に示す被膜構造が完成する。なお、ターゲット３
３ａ，３３ｂに対して、各基材の逃げ面１ｅ及びすくい
面１ｃを上記のように対向させる方法としては、図４
（ｂ）に示すように、基板ホルダ３１の保持面に立設さ
れる軸状の基材保持体３１ａを、例えば挿通孔１ｄに圧
入することにより、基材保持体３１ａ上にて基材を厚さ
方向に所定の間隔で取り付けるとともに、ターゲット３
３ｂの主面が各基材の主面に臨み、同じくターゲット３
３ａの主面が各基材の逃げ面１ｅに望むように配置する
方法を例示できる。

【００３５】なお、より単純な構成としては、図２
（ｃ）に示すように、基材４のすくい面１ｃに対し、す
くい面側主層としてのＴｉ−Ａｌ系化合物層５のみを形
成し、同じく逃げ面１ｅに対しては、逃げ面主層として
のＴｉ系化合物層５のみを形成するようにしてもよい。
この場合、基材表面にマスキングを施すことにより、必
要部分にのみ所期の化合物層を形成することができる。

【００３６】また、本発明の被覆工具は上記のような旋
削用工具チップ１に限らず、フライス工具やドリル等、
他の切削工具にも適用できることはいうまでもない。図
６は、その一例たる正面フライス工具３０を示してお
り、回転ベース３１の外周面に複数の切削チップ３２が
植設されている。Ｗは切削されるワークを示す。各切削
チップ３２は上記旋削用工具チップ１と同様の材質にて
構成され、切れ刃３５に対して隣接するすくい面３３と
逃げ面３４とに、上記チップ１と同様のコーティング被
膜が形成される。他方、図７は別例としてのドリル４０
を示しており、軸上の本体４０の先端面に、２個のドリ
ルチップ４４が取り付けられている。各チップ４４は上
記旋削用工具チップ１と同様の材質にて構成され、切れ
刃４５に対して隣接するすくい面４３と逃げ面４４と
に、上記チップ１と同様のコーティング被膜が形成され
る。

【００３７】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。ま
ず、ＷＣ粉末（平均粒径１．６μm）に対してＣｏ粉末
（平均粒径１．２μm）とを、ＷＣ＋Ｃｏの合計量に対
する比率で６重量％配合し、これに適量のバインダを配
合して混合することにより原料粉末を得た。そして、こ
の原料粉末を、図１に示す工具外形に対応する形状に金
型プレス成形することにより成形体とし、この成形体を
温度１３６０℃で焼成した後、得られた焼成体を図１に
示す形状（ただしコーナー部１ａにはアールを施してい
ない）に研削加工して工具基材４とした。なお、工具基
材４の寸法は、ＩＳＯ規格でＳＰＧＡ４２２として規定
されているものを採用した。

【００３８】こうして得られた工具基材４のすくい面１
ｃ及び逃げ面１ｅに、アークイオンプレーティング装置
により図４を用いて既に説明した方法にて、内層及び外
層を、各種厚さにて形成して工具チップ試料を得た。具
体的なイオンプレーティングの条件であるが、まずチャ
ンバー内を１×１０^−５ｔｏｒｒまで減圧した後、ヒー
タを使用して工具基材４を５５０℃まで昇温する。次い
で、工具基材４に８００Ｖ、１００Ａの直流電流を３０
〜８０秒通じて、基体表面をＴｉイオンによりボンバー
ドクリーニングする。そして、Ｔｉターゲットに５０〜
１００Ａの直流電流を印加してアーク放電させ、続いて
工具基材４に対するバイアス電圧を１００Ｖに調整し、
その状態で高純度窒素ガス及び／又は高純度メタンガス
を各種流量で導入して、ＴｉＮあるいはＴｉＣＮからな
る内層を形成する。その後、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット
を用いることにより、同様にしてＴｉ−Ａｌ系複合炭窒
化物からなる外層を形成する。なお、各層の形成厚さ
は、工具基材４のアークイオン流に対する暴露時間によ
り調整できる。

【００３９】なお、得られた各工具チップ試料の外層の
組成は、公知のＸＰＳ法により、膜厚方向のエッチング
を行いながら各深さ位置でのＴｉ、Ａｌ、Ｎ及びＣの所
定の電子軌道に係る結合エネルギーのピーク高さを測定
し、それらピーク高さの比に基づいて、前記したＸ及び
Ｙの値を同定した。なお、同定に使用したピークは、Ｔ
ｉの２ｐ3/2、Ａｌの２ｐ、Ｎの１ｓ、及びＣの１ｓで
ある。また、各層の平均膜厚は層断面の走査電子顕微鏡
（ＳＥＭ）像に基づいて測定した。各試料の膜厚と組成
（外層のＸ及びＹの値）は表１に示している。番号１〜
７が本発明品であり、番号８〜１４は発明外の比較例品
である。

【００４０】次に、各試料（工具）の切削性能の評価
は、下記の条件にて行なった。すなわち、図５（ａ）に
示す形状の棒状の被削材Ｗを軸線周りに回転させ、その
外周面に対し工具チップ１を、図５（ｂ）に示すように
当接させ、主面１ｃの一方をすくい面、側面１ｅを逃げ
面として用いることにより、以下の切削１〜３の３条件
にて被削材Ｗの外周面を湿式で連続切削した。なお、耐
摩耗性評価と耐熱衝撃性の評価を、以下の別の試験条件
によりそれぞれ行っている。

【００４１】（耐摩耗性評価）被削材：はだ焼き鋼（ＳＣＭ４２０）、形状：丸棒
（外径φ２４０ｍｍ、長さ２００ｍｍ）；切削速度Ｖ：４５７ｍ／分；送り量ｆ：０．１７ｍｍ／１回転；切り込みｄ：０．１５ｍｍ；切削油：なし（乾式切削）；切削時間：１２００ｍ切削終了まで；評価方法：切削終了時の逃げ面摩耗量。

【００４２】（耐熱衝撃性評価）被削材：機械構造用Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼（ＳＮＣＭ４
３９：焼入れ−焼き戻し処理剤）、形状：丸棒（外径φ
２４０ｍｍ、長さ２００ｍｍ）；切削速度Ｖ：２５０ｍ／分；送り量ｆ：０．２５ｍｍ／１回転；切り込みｄ：０．１５ｍｍ；切削油：水溶性切削油Ｗ１種１号Ｚ（ＪＩＳＫ２２
４１（１９８６）に規定されているもの；エマルジョン
化された不揮発分を９０％以上含有し、そのｐＨは８．
５〜１０．５であり、不揮発分は、０〜３０重量％の脂
肪酸と、５０〜８０重量％の鉱物油と、１５〜３５％の
界面活性を含有する）；切削時間：刃先が欠損に至るまで；評価方法：発生衝撃回数。以上の結果を表１に示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１の結果から明らかなように、本発明品
は比較例品よりも逃げ面摩耗量及び衝撃回数のいずれに
おいても優れた結果が得られていることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面被覆工具の一実施例としての工具
チップを示す斜視図、側面部分断面模式図及び部分拡大
斜視図。

【図２】セラミック被覆層の形成例をいくつかの変形例
をとともに示す模式図。

【図３】第一加工作用面にそれぞれ二層のセラミック被
覆層を形成する場合の、第一層及び第二層の形成厚さの
関係を示す説明図。

【図４】イオンプレーティング装置の一例を示す概念
図。

【図５】切削試験の概要を示す説明図。

【図６】本発明の被覆工具をフライス工具として構成し
た例を示す斜視図及び拡大部分側面図。

【図７】本発明の被覆工具をドリルとして構成した例を
示す正面図及び底面図。

【符号の説明】

１旋削用工具チップ（被覆工具）１ｃすくい面１ｅ逃げ面２セラミック被覆層（コーティング被膜）２ａ，２ｂ内層３ａ，３ｂ外層４工具基材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工具表面の加工作用面が複数の領域に分
割されており、それら各領域において工具基材が各々単
層又は複数層からなるコーティング被膜により被覆され
るとともに、該コーティング被膜において最も厚さの大
きい層（以下、主層という）が、前記領域の間で、互い
に異なる材質の層として形成されていることを特徴とす
る被覆工具。
【請求項２】前記各領域が各々複数層からなる複合コ
ーティング被膜により被覆されるとともに、各領域の複
合コーティング被膜は、互いに異なる材質からなるとと
もに積層順序が前記複数の領域間で同じとされた２層以
上の対応被覆層群を含み、前記対応被覆層群において最
も厚さの大きい層を前記主層として、該主層が前記領域
の間で、互いに異なる材質の層として形成されている請
求項１記載の被覆工具。
【請求項３】前記複数の領域は、工具表面に形成され
たエッジ部の両側に隣接する第一加工作用面と第二加工
作用面とを含む請求項１又は２に記載の被覆工具。
【請求項４】前記対応被覆層は工具基材と接する１層
又は複数層からなる第一層と、その第一層に積層される
１層又は複数層からなる第二層とを含み、それら第一層
と第二層との一方が前記第一加工作用面の主層となり、
他方が前記第二加工作用面の主層となる請求項３記載の
被覆工具。
【請求項５】前記被覆工具は切削工具であり、前記エ
ッジ部は切れ刃であり、前記第一加工作用面と前記第二
加工作用面とはそれぞれすくい面と逃げ面である請求項
３又は４に記載の被覆工具。
【請求項６】前記すくい面に形成される主層は、前記
逃げ面に形成される主層よりも耐熱性及び耐酸化性に優
れた材質にて構成される請求項５記載の被覆工具。
【請求項７】前記逃げ面に形成される主層は、前記す
くい面に形成される主層よりも耐フランク摩耗性が良好
な材質にて構成される請求項５又は６に記載の被覆工
具。
【請求項８】前記すくい面に形成される主層（以下、
すくい面主層という）が、Ｔｉ−Ａｌ系窒化物又はＴｉ
−Ａｌ系炭窒化物（以下、Ｔｉ−Ａｌ系化合物という）
にて構成される請求項５ないし７のいずれかに記載の被
覆工具。
【請求項９】前記Ｔｉ−Ａｌ系化合物は、Ｔｉ_ＸＡｌ
_１−ＸＮ_ＹＣ_１−Ｙ（ただし、０．２≦Ｘ≦０．５、
０．６≦Ｙ≦１）の組成を有する請求項８記載の被覆工
具。
【請求項１０】前記すくい面主層の厚さが０．５〜４
μｍに調整される請求項８又は９に記載の被覆工具。
【請求項１１】前記逃げ面に形成される主層（以下、
逃げ面主層という）が、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化
物、炭酸化物及び炭窒酸化物（以下、これらを総称して
Ｔｉ系化合物という）から選ばれる１種の単層又は２種
以上の複層からなる請求項５ないし１０のいずれかに記
載の被覆工具。
【請求項１２】前記逃げ面主層の厚さが０．３〜３μ
ｍに調整される請求項１１記載の被覆工具。
【請求項１３】前記逃げ面と前記すくい面とは、前記
Ｔｉ系化合物からなる内層と、その内層に積層される前
記Ｔｉ−Ａｌ系化合物からなる外層とを含み、前記すく
い面側においては外層が内層よりも厚く形成されて該外
層が前記すくい面側主層とされ、前記逃げ面側において
は内層が外層よりも厚く形成されて該内層が前記逃げ面
側主層とされている請求項１１又は１２に記載の被覆工
具。
【請求項１４】前記内層と外層との厚さの合計が、前
記すくい面と前記逃げ面とのいずれにおいても５μｍ以
下とされている請求項１３記載の被覆工具。