JP2004042192A

JP2004042192A - 被覆切削工具

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Publication number: JP2004042192A
Application number: JP2002203324A
Authority: JP
Inventors: Haruyo Fukui; 福井　治世; Kazuo Yamagata; 山縣　一夫; Keiichi Tsuda; 津田　圭一; Shinya Imamura; 今村　晋也
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: KR100978438B1; CN1470350B; EP1382709A1; JP3996809B2; US20040018393A1; US7060345B2; IL156763A0; CN1470350A; IL156763A; EP1382709B1; KR20040007293A

Abstract

【課題】耐摩耗性を維持しながら潤滑性を有する被膜膜を具える被覆切削工具を提供する。
【解決手段】基材上に複数層の被覆膜を具える被覆切削工具である。被覆膜は、ＴｉＳｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物及び炭酸窒化物から選択された１種の化合物からなる第一の膜と、Ｔｉ、Ｃｒ及びＴｉＣｒ合金から選択された１種の金属Ｍの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物及び炭酸窒化物から選択された１種の化合物からなる第二の膜とをそれぞれ１層以上具える。第一の膜と第二の膜とは、交互に積層されている。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの基材上に複数層の被覆膜を具える被覆切削工具に関するものである。特に、耐摩耗性を維持しながら潤滑性を有する被膜膜を具える被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、切削工具や耐摩耗性工具などの耐摩耗性及び表面保護機能を改善するために、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼などからなる基材の表面に、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＴｉＡｌの炭化物、窒化物、炭窒化物からなる硬質の膜を単層又は複数層形成することがよく知られている。
【０００３】
しかし、以下に示す最近の動向から、切削の際、工具の刃先温度はますます高温になる傾向にあり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。
▲１▼地球環境保全の観点から切削油剤（潤滑油剤）を用いないドライ（乾式）加工が求められている、
▲２▼被削材が多様化している、
▲３▼加工能率を一層向上させるために切削速度が高速になってきているなど。
【０００４】
特に、工具材料の要求特性として、高温での膜の安定性（耐酸化特性や基材に対する密着性）はもちろんのこと、工具寿命に関係する耐摩耗性、即ち、高温における膜の硬度の向上や、潤滑油剤に代わる膜の潤滑特性が一段と重要となっている。
【０００５】
そこで、特許第２７９３７７３号公報には、（Ａｌ_ＸＴｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｉ_ｙ）（Ｎ_ｚＣ_１−ｚ）、ただし、０．０５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、０．６≦ｚ≦１といったＴｉＡｌＳｉ系の膜を形成することが提案されている（従来技術１）。この技術は、膜にＳｉを微量に含有させることにより、高硬度で良好な耐酸化性を具えて、耐摩耗性の向上を図るものである。
【０００６】
また、特開平８−１１８１０６号公報には、（Ｔｉ_１−ｘＳｉ_ｘ）（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）_ｚ、ただし、０．０１≦ｘ≦０．４５、０．０１≦ｙ≦０．１、０．５≦ｚ≦１．３４といったＴｉＳｉ系の膜を形成することが提案されている（従来技術２）。この技術は、高硬度な（Ｔｉ_１−ｘＳｉ_ｘ）（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）_ｚを被覆することで高速連続切削においても耐摩耗性に優れ、工具の使用寿命の延長を図るものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術では、以下の問題があった。
従来技術１では、膜中にアルミニウムが含有されている。この場合、９００℃を超える高温下では、膜表面において優先的にアルミニウムが酸素と結びつきＡｌ_２Ｏ_３が形成される。すると、残ったチタンが膜内部に拡散して、非常にポーラスな（多孔質な）チタン酸化物が形成されて耐摩耗性が低下するという問題がある。
【０００８】
従来技術２では、（Ｔｉ_１−ｘＳｉ_ｘ）（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）_ｚが高硬度である反面、非常に脆い性質があるため、切削工具などに用いた場合、特に、断続切削に用いた場合、刃先が欠け易いという問題がある。
【０００９】
また、上記従来技術１及び２では、ドライ加工の際に問題となる膜の潤滑性に関して何ら検討していない。
【００１０】
そこで、本発明の主目的は、高硬度で優れた耐摩耗性を有すると共に、潤滑性にも優れる被覆切削工具を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するにあたり、高硬度で耐摩耗性に優れる膜と、潤滑特性に優れる膜とを基材上に交互に積層する構造が有利であるとの知見を得て、本発明を規定するものである。
【００１２】
即ち、本発明は、基材上に複数層の被覆膜を具える被覆切削工具である。被覆膜は、ＴｉＳｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物及び炭酸窒化物から選択された１種の化合物（ＴｉＳｉ系化合物）からなる第一の膜と、Ｔｉ、Ｃｒ及びＴｉＣｒから選択された１種の金属Ｍの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物及び炭酸窒化物から選択された１種の化合物（金属Ｍの化合物）からなる第二の膜とをそれぞれ１層以上具える。そして、第一の膜と第二の膜とを交互に積層させている。
【００１３】
本発明は、非常に高硬度で耐摩耗性に優れるＴｉＳｉ系化合物の膜（第一の膜）と、潤滑特性に優れる金属Ｍの化合物の膜（第二の膜）とをそれぞれ１層以上具えて、交互に積層させることで、被覆膜全体として、高硬度で優れた耐摩耗性と潤滑性とを併せもつことができる。また、潤滑性に効果のある金属Ｍの化合物は、ＴｉＳｉ系化合物に較べて硬度が低くなるものの、被覆膜に残留する圧縮応力値が低いため、ＴｉＳｉ系化合物の膜と組み合わせた場合、被覆膜全体の残留応力値を下げることができる。従って、本発明工具は、断続切削時などの刃先に衝撃がかかる加工で発生する刃先の膜剥離や欠けを抑制することも可能である。更に、金属Ｍの化合物の中でもＣｒ系化合物の被覆膜は、摩擦係数が低く、耐焼き付き特性に優れているため、自動車関連部品などへの使用にも適する。
【００１４】
以下、本発明をより詳しく説明する。
本発明工具において、ＴｉＳｉ系化合物からなる第一の膜及び金属Ｍの化合物からなる第二の膜の構成は、図１に示す複数の構成が考えられる。図１（Ａ）は、第一の膜１及び第二の膜２の２層構造、（Ｂ）は、第一の膜１及び第二の膜２の複数層積層構造３である。また、図１（Ｃ）に示すよう一部が第一の膜１又は第二の膜２の構成成分からなる単一層４、他部が第一の膜１及び第二の膜２からなる複数層積層構造３の構成、（Ｄ）に示すように一部が後述する中間層や公知の膜からなる単一層４’、他部が第一の膜１及び第二の膜２からなる複数層積層構造３の構成、（Ｅ）に示すように第一の膜１及び第二の膜２からなる複数層積層構造３が単一層４に挟まれた構成などが挙げられる。図１（Ｃ）では、単一層４として第二の膜２の構成成分からなる膜、（Ｄ）では、単一層４’として例えば、ＴｉＡｌＮ膜などの公知の膜、（Ｅ）では、上方の単一層４として第二の膜２の構成成分からなる膜、下方の単一層４として第一の膜１の構成成分からなる膜を示している。なお、積層する順序は、第一の膜、第二の膜のいずれが基材側でもよい。
【００１５】
ＴｉＳｉ系化合物からなる第一の膜の厚み、及び金属Ｍの化合物からなる第二の膜の厚みは、それぞれ０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましい。このような薄膜を積層させた構造では、転移やクラックを抑制する効果を有する。膜の厚みが０．５ｎｍ未満の場合、被覆膜の硬度の向上が得られにくい。また、０．５ｎｍ未満であると、被覆膜を構成する各元素が拡散して、各膜の構造が非常に不安定になり、薄膜の積層構造が消失したり、隣接する膜と結合したりして膜の境界が判別しにくくなる恐れがある。一方、膜の厚みが５０ｎｍを超える場合、薄膜の積層構造による転位やクラックの抑制効果が低下し易くなる。より好ましくは、厚みをそれぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることである。
【００１６】
ＴｉＳｉ系化合物からなる第一の膜においてＳｉは、原子量％で１％超３０％以下であることが好ましい。被覆膜中にＳｉが存在すると、被覆膜の硬度が向上するため好ましいが、原子量％で３０％以上のＳｉを含有すると、被覆膜が脆くなって、逆に摩耗性が促進される恐れがある。また、第一の膜を物理蒸着法にて形成するにあたりＴｉＳｉ合金のターゲット（蒸発原料）を熱間静水圧加圧処理で作製する場合、Ｓｉを３０％超含有させると、ターゲットが割れてコーティングに使用可能な材料強度が得られにくい。より好ましくは、第一の膜にＳｉが原子量％で１５％超２５％以下含有されることである。
【００１７】
第一の膜において、Ｔｉ系化合物（Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物及び炭酸窒化物から選択された１種の化合物）は立方晶構造、Ｓｉ系化合物（Ｓｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物、炭酸窒化物から選択された１種の化合物）は非晶質構造であり、第二の膜において、金属Ｍの化合物は立方晶構造であることが好ましい。このとき、被覆膜全体の結晶性は、Ｘ線回折測定にて評価可能であるが、Ｓｉ系化合物は、非晶質構造であるためＸ線回折で同定することはできない。従って、被覆膜全体のＸ線回折測定では、ＴｉＳｉ系化合物からなる第一の膜中で立方晶構造をもつＴｉ系化合物、及び第二の膜中で立方晶構造をもつ金属Ｍの化合物しか同定できないので、結果として、被覆膜全体の構造は、立方晶構造となる。なお、本発明において、第一の膜及び第二の膜からなる被覆膜に加えて、後述する中間層などを具える場合は、これら中間層なども具えた膜全体の構造が立法晶構造となる。また、Ｓｉ系化合物の結晶性の評価は、例えば、透過電子回折法（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｉｏｎ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）にて行うことができる。
【００１８】
第一の膜においてＴｉ系化合物は、平均粒径が０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の結晶質であり、かつＳｉ系化合物の非晶質構造内に分散していることが好ましい。図２は、被覆膜の組織構造を示す模式図であり、（Ａ）は本発明工具、（Ｂ）は従来の工具を示す。本発明工具では、図２（Ａ）に示すように、第一の膜１において微細なＴｉ系化合物の結晶粒５が非晶質構造のＳｉ系化合物６内に分散した状態である。Ｔｉ系化合物の結晶粒がこのようにナノメートルサイズであることで、いわゆるナノサイズ効果により、被覆膜の硬度の上昇、転位やクラック抑制効果が得られて損傷しにくい。これに対し、従来の工具では、図２（Ｂ）に示すように被覆膜全体の組織構造がいわゆる縦長の柱状組織７となるため、クラックが生じると縦長の組織７毎に脱落して損傷し易い、即ち、摩耗し易い。また、本発明において第一の膜は、結晶質のＴｉ系化合物と非晶質のＳｉ系化合物との混合相であることからエネルギーを分散させて被覆膜中に進展するクラックの伝播を抑制することができ、更なる耐摩耗性の向上が図れる。更に、結晶質のＴｉ系化合物と非晶質のＳｉ系化合物との混合相である第一の膜は、金属Ｍの化合物からなる第二の膜と交互に積層しても、従来の工具の被覆膜のように膜全体がいわゆる縦長の柱状組織にならないので、微粒組織が維持される。
【００１９】
一方、金属Ｍの化合物からなる第二の膜は、ＴｉＳｉ系化合物からなる第一の膜に較べて、膜硬度が３０％程度低くなるが、被削材としてよく用いられる鋼との焼き付きが少なく潤滑性を有している。従って、本発明工具は、ドライ加工であっても切りくずの排出性をよくすることができるため、刃先の温度上昇を抑制し、工具の損傷スピードを遅くして、工具寿命の延長を図ることが可能である。なお、第二の膜は、図２（Ａ）に示すように柱状組織を有するものが好ましい。
【００２０】
このような第一の膜及び第二の膜から構成される被覆膜の総厚みは、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。総厚みが０．５μｍ未満では、耐摩耗性の向上が得られにくく、総厚みが１０μｍを超えると、被覆膜中の残留応力などの影響により、基材との密着強度が低下する恐れがあるからである。
【００２１】
本発明工具において、基材表面と上記被覆膜との間には、中間層を具えてもよい。中間層は、Ｔｉ（チタン）、Ｔｉの窒化物（チタンナイトライド）、Ｃｒ（クロム）及びＣｒの窒化物（クロムナイトライド）から選択された１種からなるものが好ましい。特に、チタンとチタンナイトライドとは、基材表面及び被覆膜の両方に対して密着性がよく、基材と被覆膜との密着性を一層向上させることができる。そのため、上記中間層を具えると、被覆膜が基材から剥離することを抑制して、工具寿命をより向上させることができる。このような中間層は、厚みが０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。厚みが０．０５μｍ未満では、密着強度の向上が得られにくく、厚みが１μｍを超えても密着強度の更なる向上が見られにくいからである。
【００２２】
上記被覆膜や中間層を形成する基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素（ｃＢＮ）焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化ケイ素焼結体及び酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む焼結体から選択された１種であることが好ましい。
【００２３】
ＷＣ基超硬合金は、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする硬質相と、コバルト（Ｃｏ）などの鉄族金属を主成分とする結合相とからなるもので、通常よく用いられているものを用いるとよい。更に、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の遷移金属元素から選ばれる少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素及び硼素から選ばれる少なくとも１種とからなる固溶体が含まれているものでもよい。固溶体としては、例えば、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ、ＶＣ、Ｃｒ_２Ｃ_２、ＮｂＣなどが挙げられる。
【００２４】
サーメットとしては、例えば、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の遷移金属元素から選ばれる少なくとも１種と炭素、窒素、酸素及び硼素から選ばれる少なくとも１種とからなる固溶体相と、１種以上の鉄系金属からなる結合相と、不可避的不純物とからなるもので、通常よく用いられるものを用いるとよい。
【００２５】
高速度鋼としては、例えば、ＪＩＳ記号ＳＫＨ２、ＳＫＨ５、ＳＫＨ１０などのＷ系高速度鋼、ＳＫＨ９、ＳＫＨ５２、ＳＫＨ５６などのＭｏ系高速度鋼などが挙げられる。
【００２６】
セラミックスは、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどが挙げられる。
【００２７】
ｃＢＮ焼結体としては、ｃＢＮを３０体積％以上含むものが挙げられる。より具体的には、以下の焼結体が挙げられる。
（１）ｃＢＮを３０体積％以上８０体積％以下含み、残部が結合材と鉄族金属と不可避的不純物とからなる焼結体。結合材は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物並びにこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも１種と、アルミニウム化合物とを含むものである。
【００２８】
上記ｃＢＮ焼結体においてｃＢＮ粒子は、被削材としてよく用いられる鉄との親和性が低い上記結合材を介して主に結合され、この結合が強固であることから、基材の耐摩耗性と強度とを向上させる。
【００２９】
ｃＢＮ含有量を３０体積％以上とするのは、３０体積％未満となると、ｃＢＮ焼結体の硬度が低下し易くなり、例えば、焼入鋼のような高い硬度の被削材を切削するには、硬度が不足するからである。ｃＢＮ含有量を８０体積％以下とするのは、８０体積％を超える場合、結合材を介してｃＢＮ粒子同士の結合が困難になり、ｃＢＮ焼結体の強度が低下する恐れがあるからである。
【００３０】
（２）ｃＢＮを８０体積％以上９０体積％以下含み、ｃＢＮ粒子同士が結合しており、残部が結合材と不可避的不純物とからなる焼結体。結合材は、Ａｌ化合物又はＣｏ化合物を主成分とするものである。
【００３１】
このｃＢＮ焼結体は、触媒作用を有するＡｌ又はＣｏを含有する金属、或いは金属間化合物を出発原料として液相焼結を行うことで、ｃＢＮ粒子同士を結合させ、かつｃＢＮ粒子の含有率を高めることができる。ｃＢＮ粒子の含有率が高いことから、耐摩耗性が低下し易いものの、ｃＢＮ粒子同士が強固な骨格構造を形成しているため、耐欠損性に優れ、過酷な条件での切削が可能となる。
【００３２】
ｃＢＮ含有量を８０体積％以上とするのは、８０体積％未満となると、ｃＢＮ粒子同士の結合による骨格構造を形成することが難しくなるからである。ｃＢＮ含有量を９０体積％以下とするのは、９０体積％を超えると、触媒作用を有する上記結合材が不足して、未焼結部分を生ずるため、ｃＢＮ焼結体の強度が低下するからである。
【００３３】
ダイヤモンド焼結体としては、ダイヤモンドを４０体積％以上含むものが挙げられる。より具体的には、以下の焼結体が挙げられる。
（１）ダイヤモンドを５０〜９８体積％含み、残部が鉄族金属、ＷＣ及び不可避的不純物からなる焼結体。鉄族金属は、特に、Ｃｏが好ましい。
（２）ダイヤモンドを８５〜９９体積％含み、残部が空孔、ＷＣ及び不可避的不純物からなる焼結体。
（３）ダイヤモンドを６０〜９５体積％含み、残部が結合材及び不可避的不純物からなる焼結体。結合材は、鉄族金属と、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物及び炭窒化物からなる群から選択される１種以上と、ＷＣとを含むものである。より好ましい結合材は、ＣｏとＴｉＣとＷＣとを含むものである。
（４）ダイヤモンドを６０〜９８体積％含み、残部がケイ素及び炭化ケイ素の少なくとも１種、ＷＣ及び不可避的不純物からなる焼結体。
【００３４】
窒化ケイ素焼結体としては、窒化ケイ素を９０体積％以上含むものが挙げられる。特に、ＨＩＰ法（熱間静水圧焼結法）を用いて結合した窒化ケイ素を９０体積％以上含む焼結体が好ましい。この焼結体において残部は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、希土類、ＴｉＮ及びＴｉＣから選ばれる少なくとも１種からなる結合材と不可避的不純物とからなることが好ましい。
【００３５】
酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む焼結体としては、体積％で酸化アルミニウムを２０％以上８０％以下、炭化チタンを１５％以上７５％以下含み、残部がＭｇ、Ｙ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴｉＮの酸化物から選ばれる少なくとも１種の結合材と不可避的不純物とからなる焼結体が挙げられる。特に、酸化アルミニウムは、６５体積％以上７０体積％以下、炭化チタンは、２５体積％以上３０体積％以下で、結合材は、Ｍｇ、Ｙ、Ｃａの酸化物から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。
【００３６】
本発明被膜切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ及びタップから選択された１種を含む用途に使用されるとよい。
【００３７】
本発明において、被覆膜を基材上に被覆するには、結晶性が高い化合物を形成できる成膜プロセスにて作製されることが適する。そこで、上記第一の膜及び第二の膜からなる被覆膜は、ＴｉＳｉ合金及び金属Ｍをそれぞれ蒸発原料として、窒素、炭素、酸素のうち一種以上を含むガス中で物理的蒸着法により形成されたものが好ましい。また、本発明者らが種々の成膜方法を検討した結果、物理的蒸着法の中でも、原料元素のイオン率が高いアーク式イオンプレーティング法（カソードアークイオンプレーティング）が最も適していることがわかった。カソードアークイオンプレーティングを用いた場合、被覆膜を形成する前に基材表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能であるため、被覆膜の密着性を格段に向上させることができ、密着性の観点からも好ましいプロセスである。
【００３８】
上記物理的蒸着法に用いられるＴｉＳｉ合金の蒸発原料は、熱間静水圧加圧処理により製造され、相対密度が９９〜１００％であり、原料表面から対向する面に及んで連続する欠陥、例えば、ポア（穴）やクラック（切割）などがないものが好ましい。このとき、成膜中にターゲット（蒸発材料）が割れるなどのトラブルを防ぐことが可能である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
以下に示す被覆切削工具を作製し、耐摩耗性を調べてみた。
【００４０】
（実施例１）
（１）試料の作製
（ｉ）本発明品（試料Ｎｏ．１−１〜１−８）
まず、本試験で用いた成膜装置について説明する。図３（Ａ）は、本試験で用いた成膜装置の模式図、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。成膜装置１１は、基材１９が搭載されると共に支持棒１４にて回転自在に装着された主テーブル１３と、基材１９を囲むようにチャンバー１２の側壁に配置されたアーク式蒸発源１５ａ、１５ｂ、１５ｃと、各蒸発源１５ａ、１５ｂ、１５ｃに接続される可変電源としての直流電源１６ａ、１６ｂ（図示せず）、１６ｃと、主テーブル１３に接続される直流電源１７と、ガスを供給するガス導入口１８と、ガスを排気するガス排気口１８’とをチャンバー１２内に具える。
【００４１】
チャンバー１２は、真空ポンプ（図示せず）と連結されており、チャンバー１２内の圧力を変化可能である。支持棒１４の内側には回転軸（図示せず）が設けられており、この回転軸にて主テーブル１３を回転させる。主テーブル１３上には、基材１９を保持する治具２０が設けられている。主テーブル１３、支持棒１４及び治具２０は、直流電源１７の負極と電気的に接続され、直流電源１７の正極は、アースされている。アーク式蒸発源１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、直流電源１６ａ、１６ｂ、１６ｃの負極と電気的に接続され、直流電源１６ａ、１６ｂ、１６ｃの正極はアースされると共にチャンバー１２と電気的に接続される。
【００４２】
そして、アーク式蒸発源１５ａ、１５ｂ、１５ｃとチャンバー１２との間のアーク放電によって、蒸発源１５ａ、１５ｂ、１５ｃを部分的に容解させてカソード物質を図３（Ｂ）に示す矢印２１ａ、２１ｂ、２１ｃの示す方向に蒸発させることで、基材１９表面に被覆膜を形成する。このとき、チャンバー１２には、ガスを供給するガス導入口１８からマスフローコントローラー（図示せず）を介して様々なガスが導入される。このガスは、例えば、アルゴンや窒素ガスなどの不活性ガス、メタン、アセチレン、ベンゼンなどの炭化水素ガスなどが挙げられる。なお、放電の際には、アーク式蒸発源１５ａ、１５ｂ、１５ｃとチャンバー１２との間には、数十から数百Ｖ程度の電圧が印加される。
【００４３】
以下、試料Ｎｏ．１−１〜１−８の成膜方法を説明する。基材には、グレードがＪＩＳＰ３０の超硬合金、チップ形状がＪＩＳ規格のＳＰＧＮ１２０３０８のものを用意した。そして、図３で示す成膜装置１１を用いて、主テーブル１３を回転させながらヒーター（図示せず）にてチップ形状の基材１９を温度５００℃に加熱すると共に、真空ポンプにて真空引きを行ってチャンバー１２内の圧力が１．３×１０^−３Ｐａとなるまで減圧する。次に、ガス導入口１８からアルゴンガスを導入してチャンバー１２内の圧力を３．０Ｐａに保持し、直流電源１７の電圧を徐々に上げていって−１０００Ｖとし、基材１９表面のクリーニングを１５分間行った。その後、ガス排気口１８’からアルゴンガスを排気した。
【００４４】
直流電源１７の電圧を−１０００Ｖに維持したまま、チャンバー１２内にガス導入口１８から１００ＳＣＣＭのアルゴンと窒素との混合ガスを導入する。そして、直流電源１６ａから１５０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源１５ａから金属イオンを発生させる。この工程により、アーク式蒸発源１５ａからの金属イオンが基材１９表面をスパッタクリーニングし、基材１９表面に存在する強固な汚れや酸化膜などを除去する。なお、本例において、アーク式蒸発源１５ａ、１５ｂ、１５ｃの蒸発原料は、それぞれ後述する表１に示す中間層、第一の膜、第二の膜を形成するのに適した金属、化合物を用いた。また、第一の膜の形成に対しては、熱間静水圧加圧処理により製造され、相対密度が９９．８％であり、原料表面から対向する面に及んで連続する欠陥がないＴｉＳｉ合金を蒸発材料として用いた。
【００４５】
その後、チャンバー１２内の圧力が２．７Ｐａになるようにガス導入口１８から窒素ガスを導入し、直流電源１７の電圧を−８０Ｖとした。すると、基材１９表面において金属窒化膜、又は金属膜の形成が始まる。金属窒化膜（例えばＴｉＮなど）又は金属膜（例えばＴｉなど）が所定の厚みに（０．３μｍ）に達するまで上記の状態を維持した。この工程により、中間層として、金属窒化膜（例えば、ＴｉＮ膜など）又は金属膜（例えば、Ｔｉ膜など）を形成した。
【００４６】
上記中間層の形成が終了した後、チャンバー内の圧力：２．７Ｐａ、窒素ガス導入、直流電源１７の電圧：−８０Ｖの状態のまま、直流電源１６ｂ、１６ｃからアーク式蒸発源１５ｂ、１５ｃに、それぞれ−４０Ｖ、９５Ａの電流を供給する。すると、アーク式蒸発源１５ｂから金属イオンが矢印２１ｂに示す方向に蒸発し、蒸発源１５ｃから化合物イオンが矢印２１ｃに示す方向に蒸発して、基材１９表面に所定の厚みの被覆膜を形成して、試料Ｎｏ．１−１〜１−８を得た。なお、試料Ｎｏ．１−１〜１−８において、第一の膜及び第二の膜からなる被覆膜の構成は、図１に示す構成などが考えられる。
【００４７】
（ｉｉ）従来品（試料Ｎｏ．１−９）
試料Ｎｏ．１−９は、以下のように作製した。まず、基材は、上記試料Ｎｏ．１−１〜１−８と同じ基材を準備した。この基材を図３に示す成膜装置１１の治具２０にセットし、ガス導入口１８をチャンバー１２の上部に配置する。アーク式蒸発源１５ａの蒸発原料をチタン、蒸発源１５ａに対向する壁面に配置するアーク式蒸発源１５ｃの蒸発原料をチタンアルミニウムの化合物（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）とした。（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）とはＴｉとＡｌとの原子数比が０．５：０．５の化合物をいう。成膜装置１１のその他の構成は、上記試料Ｎｏ．１−１〜１−８の作製の際と同様にした。
【００４８】
成膜装置１１を用いて、上記試料Ｎｏ．１−１〜１−８と同様の手法で、基材１９表面にアルゴンでスパッタクリーニングした後、チタンイオンでスパッタクリーニングした。そして、上記試料Ｎｏ．１−１〜１−８と同様に基材１９表面に中間層として、厚さ０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【００４９】
ＴｉＮ膜の形成が終了した後、直流電源１６ｃからアーク式蒸発源１５ｃに−４０Ｖ、９５Ａの電流を供給して、蒸発源１５ｃからチタンイオン、アルミニウムイオンを発生させると共に、ガス導入口１８から窒素ガスを導入する。チタンイオン、アルミニウムイオン、窒素ガスが基材１９上で反応して、基材１９表面の中間層（ＴｉＮ膜）上に膜厚３μｍの（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎ膜を形成して、試料Ｎｏ．１−９を得た。（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎとは、ＴｉとＡｌとＮの原子数比が０．５：０．５：１の化合物をいう。
【００５０】
（ｉｉｉ）従来品（試料Ｎｏ．１−１０）
試料Ｎｏ．１−１０は、上記試料Ｎｏ．１−９と同様にして作製した。具体的には、上記試料Ｎｏ．１−１〜１−８と同じ基材を準備し、この基材を図３に示す成膜装置１１の治具２０にセットし、ガス導入口１８をチャンバー１２の上部に配置する。アーク式蒸発源１５ａの蒸発原料をチタン、蒸発源１５ａに対向する壁面に配置するアーク式蒸発源１５ｃの蒸発原料をチタンシリコンの化合物（Ｔｉ０．８、Ｓｉ０．２）とした。（Ｔｉ０．８、Ｓｉ０．２）とは、ＴｉとＳｉの原子数比が０．８：０．２の化合物をいう。そして、上記試料Ｎｏ．１−１〜１−８の作製の際と同様の構成の成膜装置１１を用いて、試料Ｎｏ．１−９と同様に基材１９表面に、アルゴンでスパッタクリーニングした後、チタンイオンでスパッタクリーニングし、更に中間層として、厚さ０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【００５１】
ＴｉＮ膜の形成が終了した後、直流電源１６ｃからアーク式蒸発源１５ｃに−４０Ｖ、９５Ａの電流を供給して、蒸発源１５ｃからチタンイオン、シリコンイオンを発生させると共に、ガス導入口１８から窒素ガスを導入する。チタンイオン、シリコンイオン、窒素ガスが基材１９上で反応して、基材１９表面の中間層（ＴｉＮ膜）上に膜厚３μｍの（Ｔｉ０．８、Ｓｉ０．２）Ｎ膜を形成して、試料Ｎｏ．１−１０を得た。（Ｔｉ０．８、Ｓｉ０．２）Ｎとは、ＴｉとＳｉとＮの原子数比が０．８：０．２：１の化合物をいう。
【００５２】
（ｉｖ）従来品（試料Ｎｏ．１−１１）
試料Ｎｏ．１−１１は、上記試料Ｎｏ．１−９と同様にして作製した。具体的には、上記試料Ｎｏ．１−１〜１−８と同じ基材を準備し、この基材を図３に示す成膜装置１１の治具２０にセットし、ガス導入口１８をチャンバー１２の上部に配置する。アーク式蒸発源１５ａの蒸発材料をチタンとして、上記試料Ｎｏ．１−１〜１−８の作製の際と同様の構成の成膜装置１１を用いて、試料Ｎｏ．１−９と同様に基材１９表面に、アルゴンでスパッタクリーニングした後、チタンイオンでスパッタクリーニングし、更に中間層として、厚さ０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【００５３】
ＴｉＮ膜の形成が終了した後、直流電源１６ａからアーク式蒸発源５ａに−４０Ｖ、９５Ａの電流を供給して、蒸発源１５ａからチタンイオンを発生させると共に、ガス導入口１８からメタンガス（ＣＨ_４）と窒素ガスとを導入する。チタンイオン、メタンガス、窒素ガスが基材１９上で反応して、基材１９表面の中間層（ＴｉＮ膜）上に膜厚３μｍのＴｉ（Ｃ０．５、Ｎ０．５）膜を形成して、試料Ｎｏ．１−１１を得る。Ｔｉ（Ｃ０．５、Ｎ０．５）とは、ＴｉとＣとＮの原子数比が１：０．５：０．５の化合物をいう。
【００５４】
（２）工具寿命の評価
上記により得られた試料Ｎｏ．１−１〜１−１１のそれぞれについて、表２に示す条件で乾式の連続切削試験及び断続切削試験を行い、刃先の逃げ面摩耗幅を測定した。その結果を表１に示す。なお、表１において、試料Ｎｏ．１−１〜１−８に示す化合物の粒子の粒径は、透過電子顕微鏡で観察し、平均粒径を求めた。また、試料Ｎｏ．１−１〜１−１１の組成は、透過電子顕微鏡に併設の微小領域ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ−ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて行った。組成の確認は、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）や、ＳＩＭＳ（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｉｏｎ　ｍａｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によってもできる。第二の膜、及び第一の膜、第二の膜、中間層からなる膜全体の組織（結晶性）は、Ｘ線回折測定にて行った。第一の膜の組織（結晶性）は、透過電子回折測定にて行った。
【００５５】
【表１】

【００５６】
【表２】

【００５７】
表１に示すように、試料Ｎｏ．１−１〜１−８は、試料Ｎｏ．１−９〜１−１１と比較して、逃げ面摩耗量が少なく、工具寿命を大きく向上したことが確認された。特に、乾式切削であっても逃げ面摩耗量が少なく、試料Ｎｏ．１−１〜１−８は、耐摩耗性を有すると共に潤滑性を有するものであることが分かる。また、試料Ｎｏ．１−１〜１−８は、断続切削においても、優れた耐摩耗性と潤滑性とを有するものであることが分かる。更に、試料Ｎｏ．１−１〜１−８の組成を調べると、第一の膜において、Ｔｉ系化合物の粒子がＳｉ系化合物の非晶質構造内に分散していた。
【００５８】
（実施例２）
実施例１と同様の製造方法により、リーマ（ＪＩＳＫ１０超硬合金）の基材上にそれぞれにコーティングを行い、試料Ｎｏ．２−１〜２−６を得た。試料Ｎｏ．２−１は、上記試料Ｎｏ．１−１と同様の中間層、被覆膜を具える。試料Ｎｏ．２−２は、基材表面にＴｉＳｉＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記試料Ｎｏ．１−１と同様の被覆膜を具える。試料Ｎｏ．２−３は、基材表面にＴｉＡｌＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記試料Ｎｏ．１−１と同様の被覆膜を具える。試料Ｎｏ．２−４〜２−６は、それぞれ基材上に上記試料Ｎｏ．１−９〜１−１１と同様の中間層、被覆膜を具える。
【００５９】
これら試料Ｎｏ．２−１〜２−６のそれぞれについて、ねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０）の穴開け加工を行い、その寿命評価を行った。切削条件は、リーマ径２０ｍｍ、切削速度５ｍ／ｍｉｎ、送り０．４ｍｍ／刃、切り込み０．１５ｍｍ、ウエット（湿式）条件とした。寿命評価は、被加工材（鋳鉄）に開けた穴の寸法精度が規定の範囲を外れた時点を寿命とし、寿命となるまでの穴の個数を評価した。結果を表３に示す。
【００６０】
【表３】

【００６１】
表３に示すように、試料Ｎｏ．２−１〜２−３は、試料Ｎｏ．２−４〜２−６と比較して、寿命を大きく向上していることが確認された。このように寿命を向上することができたのは、特に、耐摩耗性に優れているためであると考えられる。
【００６２】
（実施例３）
実施例１と同様の製造方法により、エンドミル（ＪＩＳＫ１０超硬合金）の基材上にそれぞれにコーティングを行い、試料Ｎｏ．３−１〜３−６を得た。試料Ｎｏ．３−１は、上記試料Ｎｏ．１−１と同様の中間層、被覆膜を具える。試料Ｎｏ．３−２は、基材表面にＴｉＳｉＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記試料Ｎｏ．１−１と同様の被覆膜を具える。試料Ｎｏ．３−３は、基材表面にＴｉＡｌＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記試料Ｎｏ．１−１と同様の被覆膜を具える。試料Ｎｏ．３−４〜３−６は、それぞれ基材上に上記試料Ｎｏ．１−９〜１−１１と同様の中間層、被覆膜を具える。
【００６３】
これら試料Ｎｏ．３−１〜３−６のそれぞれについて、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ４５０）のエンドミル側面削り（切削幅１５ｍｍ）加工を行い、その寿命評価を行った。切削条件は、切削速度７５ｍ／ｍｉｎ、送り０．０３ｍｍ／刃、切り込み２ｍｍ、ウエット（湿式）条件とした。寿命評価は、被加工材（鋳鉄）に行った側面削りの寸法精度が規定の範囲を外れた時点を寿命とし、寿命となるまでの切削長さを評価した。その結果を表４に示す。
【００６４】
【表４】

【００６５】
表４に示すように、試料Ｎｏ．３−１〜３−３は、試料Ｎｏ．３−４〜３−６と比較して、寿命を大きく向上していることが確認された。このように寿命を向上することができたのは、特に、耐摩耗性に優れているためであると考えられる。
【００６６】
（実施例４）
実施例１と同様の製造方法により、旋削用刃先交換型チップ（ＪＩＳＰ１０超硬合金、刃先形状はスクイ角８°、逃げ角６°）の基材上にそれぞれにコーティングを行い、試料Ｎｏ．４−１〜４−６を得た。試料Ｎｏ．４−１は、上記試料Ｎｏ．１−１と同様の中間層、被覆膜を具える。試料Ｎｏ．４−２は、基材表面にＴｉＳｉＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記試料Ｎｏ．１−１と同様の被覆膜を具える。試料Ｎｏ．４−３は、基材表面にＴｉＡｌＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記試料Ｎｏ．１−１と同様の被覆膜を具える。試料Ｎｏ．４−４〜４−６は、それぞれ基材上に上記試料Ｎｏ．１−９〜１−１１と同様の中間層、被覆膜を具える。
【００６７】
これら試料Ｎｏ．４−１〜４−６のそれぞれについて、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）の中仕上げ旋削加工を行い、その寿命評価を行った。切削条件は、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、送り０．０８ｍｍ／刃、ドライ（乾式）条件とした。寿命評価は、被加工材（鋼）の中仕上げの寸法精度が規定の範囲を外れた時点を寿命とし、寿命となるまでの時間を評価とした。その結果を表５に示す。
【００６８】
【表５】

【００６９】
表５に示すように、試料Ｎｏ．４−１〜４−３は、試料Ｎｏ．４−４〜４−６と比較して、寿命を大きく向上していることが確認された。また、試料Ｎｏ．４−１〜４−３は、ドライ条件においても、寿命を向上させていることから、耐摩耗性に優れると共に、潤滑性にも優れるものであることが分かる。
【００７０】
（実施例５）
基材にｃＢＮ焼結体を用いた切削用チップを作製し、摩耗量を調べてみた。ｃＢＮ焼結体は、超硬合金製ポット及びボールを用いて、ＴｉＮ：４０重量％、Ａｌ：１０重量％からなる結合材粉末と平均粒径２．５μｍのｃＢＮ粉末：５０重量％とを混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で６０分焼結することで得た。このｃＢＮ焼結体を加工して、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削用チップを得た。このチップの基材上に、実施例１と同様にして上記試料Ｎｏ．１−１と同様の中間層、被覆膜を形成した（試料Ｎｏ．５−１）。また、比較例として、このチップの基材上に、実施例１と同様にして上記試料Ｎｏ．１−９と同様の中間層、被覆膜を形成した試料Ｎｏ．５−２を用意した。
【００７１】
これら試料Ｎｏ．５−１及び５−２のそれぞれについて、焼入鋼の１種であるＳＵＪ２の丸棒（ＨＲＣ６２）の外周切削を行い、逃げ面摩耗量を調べた。切削条件は、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．２ｍｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、ドライ（乾式）条件とし、３０分間の切削を行った。その結果、試料Ｎｏ．５−１の逃げ面摩耗量は、０．０８５ｍｍであったのに対し、試料Ｎｏ．５−２の逃げ面摩耗量は０．２５５ｍｍであった。このように試料Ｎｏ．５−１は、ドライ条件においても逃げ面摩耗量が少ないことから、耐摩耗性に優れると共に潤滑性に優れたものであることが分かる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明被覆切削工具によれば、高硬度で耐摩耗性に優れると共に潤滑性にも優れるという効果を奏し得る。そのため、本発明工具は、特に、切削油剤を用いないドライ加工であっても、工具自体の潤滑性により工具寿命を向上することができる。従って、本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなど工具において耐摩耗性の向上が図れ、工具寿命を向上することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明工具において、被覆膜の構成を示す模式図であって、（Ａ）は、第一の膜及び第二の膜の２層構造、（Ｂ）は、第一の膜及び第二の膜の複数層積層構造、（Ｃ）は、一部が第一の膜又は第二の膜の構成成分からなる単一層、他部が第一の膜及び第二の膜からなる複数層積層構造の構成、（Ｄ）は、一部が中間層などからなる単一層、他部が第一の膜及び第二の膜からなる複数層積層構造の構成、（Ｅ）は、第一の膜及び第二の膜からなる複数層積層構造が単一層に挟まれた構成である。
【図２】
膜の組織構造を示す模式図であり、（Ａ）は、本発明工具、（Ｂ）は、従来の工具を示す。
【図３】
成膜装置の一例を示す図であり、（Ａ）は、成膜装置の模式図、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
１　第一の膜　２　第二の膜　３　複数層積層構造　４、４’　単一層
５　結晶粒　６　Ｓｉ系化合物　７　柱状組織
１１　成膜装置　１２　チャンバー　１３　主テーブル　１４　支持棒
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ　アーク式蒸発源　１６ａ、１６ｃ、１７　直流電源
１８　ガス導入口　１８’　ガス排気口　１９　基材　２０　治具

Claims

基材上に複数層の被覆膜を具える被覆切削工具であって、
前記被覆膜は、
ＴｉＳｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物及び炭酸窒化物から選択された１種の化合物からなる第一の膜と、
Ｔｉ、Ｃｒ及びＴｉＣｒから選択された１種の金属Ｍの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物及び炭酸窒化物から選択された１種の化合物からなる第二の膜とをそれぞれ１層以上具え、
前記第一の膜と第二の膜とは、交互に積層されていることを特徴とする被覆切削工具。
第一の膜の厚み及び第二の膜の厚みは、それぞれ０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
第一の膜の厚み及び第二の膜の厚みは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
第一の膜においてＳｉは、原子量％で１％超３０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の被覆切削工具。
第一の膜においてＳｉは、原子量％で１５％超２５％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の被覆切削工具。
第一の膜において、Ｔｉ系化合物は立方晶構造、Ｓｉ系化合物は非晶質構造であり、第二の膜において、金属Ｍの化合物は立方晶構造であり、被覆膜全体のＸ線回折測定では、立方晶構造であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の被覆切削工具。
第一の膜において、Ｔｉ系化合物は、平均粒径０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の結晶質であり、かつＳｉ系化合物の非晶質構造内に分散していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の被覆切削工具。
被覆膜の総厚みが０．５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の被覆切削工具。
基材表面と被覆膜との間に中間層を具え、前記中間層は、Ｔｉ、Ｔｉの窒化物、Ｃｒ及びＣｒの窒化物から選択された１種からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の被覆切削工具。
中間層の厚みが０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の被覆切削工具。
基材がＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化ケイ素焼結体及び酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む焼結体から選択された１種であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の被覆切削工具。
被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ及びタップから選択された１種であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の被覆切削工具。
被覆膜は、ＴｉＳｉ合金及び金属Ｍをそれぞれ蒸発原料として、窒素、炭素及び酸素のうち一種以上を含むガス中で物理的蒸着法により形成されたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の被覆切削工具。
物理的蒸着法に用いられるＴｉＳｉ合金の蒸発原料は、熱間静水圧加圧処理により製造され、相対密度が９９〜１００％であり、原料表面から対向する面に及んで連続する欠陥がないことを特徴とする請求項１３に記載の被覆切削工具。
物理的蒸着法がアーク式イオンプレーティング法であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の被覆切削工具。