JP2006082208A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、被膜の耐摩耗性と耐酸化特性とを飛躍的に向上させた表面被覆切削工具を提供することにある。
【解決手段】 本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関し、特にその表面に耐摩耗性等を向上させる被膜を形成した鋼／鋳物加工用に好適な表面被覆切削工具に関する。

昨今の切削加工では、高速、高精度、高能率加工への追求に加え、環境対策としてのゼロエミッション加工としてドライ加工も志向されている。加えて、工業技術の進歩にともない、航空機、宇宙開発、原子力発電などに使用される難削材や新素材を多く使用する産業の活動がますます活発化し、質的な多様化と量的な拡大が一層進むと見られ、これらの切削加工についても当然その対応が求められている。

特に、このような状況下において切削加工時における工具刃先温度はますます高温になる傾向にあり、その結果として切削工具の寿命は短命化するため、それを改善するべく切削工具にはさらに高度な耐摩耗性と耐酸化特性等の特性が要求されるようになってきている。

このような課題に対して、種々の表面被覆切削工具が数多く提案され、また実用化されてきた。たとえば、耐摩耗性および表面保護機能改善のため、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の切削工具や耐摩耗工具等の硬質基材の表面に、硬質被覆層として、（Ａｌ_xＴｉ_1-x-yＳｉ_y）（Ｎ_zＣ_1-z）、ただし、０．０５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、０．６≦ｚ≦１のようなＡｌＴｉＳｉ系の膜が被覆されたものが知られている（特許文献１）。しかし、このような構成の切削工具では、上記のような高度な特性の要求に対しては未だ十分には対応できていない。

また、Ｓｉを適量含有したＴｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物と、ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物とを、前者の微細組織構造が、Ｔｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物中に、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立相として存在するようにそれぞれ一層以上交互に被覆すると、乾式の高速切削加工において切削工具の性能が極めて良好になることが提案されている（特許文献２）。

この提案によれば、従来のＴｉＡｌＮ膜では切削加工において起こる表面酸化で形成されるアルミナ層は酸素の内向拡散に対し酸化保護膜として機能するものの、動的な切削加工においては、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなＴｉ酸化物層より容易に剥離してしまい酸化の進行に対して十分でないとされ、これに対して該提案のＴｉＳｉ系被膜は膜自体の耐酸化性が極めて高いだけではなく、最表面にＳｉを含む非常に緻密なＴｉとＳｉの複合酸化物が形成されるので、従来問題となっていたポーラスなＴｉ酸化物層が形成されず、以って性能が向上するとされている。さらに、この提案によれば、ＴｉＡｌ系膜の直上にＴｉＳｉ系被膜を被覆することが重要であるとされ、その被覆の順序も規定されている。しかし、このような構成の切削工具においても、上記のような高度な特性の要求に対しては未だ十分には対応できていない。

一方、従来のＴｉＡｌＮ膜よりも耐摩耗性に優れた切削工具用硬質皮膜として（Ａｌ_b，［Ｃｒ_1-αＶ_α］_c）（Ｃ_1-dＮ_d）からなる硬質皮膜（ただし０．５≦ｂ≦０．８、０．２≦ｃ≦０．５、ｂ＋ｃ＝１、０．５≦ｄ≦１、０．０５≦α≦０．９５）または（Ｍ_a，Ａｌ_b，［Ｃｒ_1-αＶ_α］_c）（Ｃ_1-dＮ_d）からなる硬質皮膜（ただし０．０２≦ａ≦０．３、０．５≦ｂ≦０．８、０．０５≦ｃ、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．５≦ｄ≦１、０≦α≦１、ＭはＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ）を備えた切削工具が提案されている（特許文献３）。

この提案によれば、金属成分のうちＡｌを高含有にさせながらＣｒとＶを添加することで常温常圧で準安定相である立方晶のＡｌＮを形成し、高硬度と耐酸化特性を向上させている。しかし、切削過程において高速、高能率加工や完全に潤滑油剤を使わないドライ加工を行なうためには、これらの皮膜は硬度および高温での皮膜の安定性が不足しており、上記のような高度な特性の要求に対しては十分には対応できていない。
特許第２７９３７７３号公報 特許第３３４７６８７号公報 特開２００３−３４８５９号公報

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、被膜の耐摩耗性と耐酸化特性とを飛躍的に向上させた表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている。

また、本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている。

また、本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、２以上の被覆層により構成されており、該被覆層のうちの第１の層は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含み、該被覆層のうちの第２の層は、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、ＡｌおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている。なお、上記被膜は、上記第１の層および上記第２の層以外の第３の層を含むものとすることができる。

ここで、上記被膜は、０．０５μｍ以上２０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。また、上記化合物中における上記Ｈｆの濃度は、金属成分に対して０．００１原子％以上２０原子％以下であることが好ましい。

また、上記被膜は、立方晶の結晶構造を有することが好ましい。また、上記被膜表面において、上記表面被覆切削工具の刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さが、上記表面被覆切削工具の断面から観察する方法で測定される基準長さ５μｍに対して、最大面粗さＲmaxが１．５μｍ以下であることが好ましい。

また、上記被膜は、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の残留圧縮応力を有することが好ましく、アーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成されることが好ましい。

また、上記基材は、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、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることが好ましい。

また、上記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップのいずれかであることが好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、上記の構成、特に被膜中にＨｆを含むことにより、被膜の耐摩耗性と耐酸化特性とが飛躍的に向上したものとなる。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える構成を有する。ここで、基材上に形成された被膜とは、該被膜が基材上に直接接するように形成されている場合のみに限らず、基材と被膜との間に後述するような任意の中間層が形成されていても差し支えない。本願において基材上に形成された被膜という場合は、このように任意の中間層が形成された場合も含むものとする。さらに、該被膜の表面には、後述するような任意の表面層が形成されていても差し支えない。

このような本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップのいずれかであるような切削工具として好適に用いることができる。そして特に、被膜の耐摩耗性と耐酸化特性とが飛躍的に向上したものであるため、鋼／鋳物加工用に好適な表面被覆切削工具として用いることができる。

＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具に用いられる基材は、この種の用途の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることが好ましい。

＜被膜＞
本発明の被膜は、上記の基材上に形成されるものである限り、必ずしも上記基材を全面に亘って被覆している必要はなく、上記基材の表面に該被膜が形成されていない部分が含まれていても差し支えない。なお、被膜を一旦形成した後に、任意の後加工によりその被膜の表面の一部が除去される場合には、それが除去された後に新たに最表面に露出した層についても本発明の対象の被膜となり得る。また、後述のように基材と被膜との間に中間層が形成されている場合において、その被膜が任意の後加工により除去されて中間層が最外層として露出する場合には、その露出部分については該中間層が本発明の被膜となり得る。

このような本発明の被膜は、まずＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている（以下、便宜的にこのような被膜を第１被膜とも記す）。

このように該被膜は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素を含むことにより耐酸化特性が向上するとともに、熱伝導率が高くなり、これにより切削加工時の発熱を被膜表面から逃がすことができるので被膜表面が高温になるような用途にも適したものとなる。

また、該被膜（化合物）は、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含むことにより、高硬度を有したものとなる。

さらに該被膜（化合物）は、Ｈｆを含むことにより耐摩耗性が飛躍的に向上したものとなる。該被膜がＨｆを含むことによりなぜ耐摩耗性が向上するのかその詳細なメカニズムは未だ十分には解明されていないものの、該被膜の化合物の結晶構造のＡｌまたはＣｒの位置にＨｆが置換型で一部導入されることにより結晶格子に歪みが生じ、この結果として被膜硬度、すなわち耐摩耗性が向上するのではないかと考えられる。

このようなＨｆは、たとえば後述のような方法で被膜を形成する際に、被膜を形成する物質とＨｆとを共存させることにより、被膜中（化合物中）に含めることができる。

このように、本発明の被膜は、以上の作用が相乗的に作用することにより、耐摩耗性と耐酸化特性が飛躍的に向上したものとなる。このような被膜に含まれる、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物としては、たとえばＡｌ_1-xＨｆ_xＮ、Ｃｒ_1-xＨｆ_xＮ、Ａｌ_1-x-yＣｒ_xＨｆ_yＮ、Ａｌ_1-x-yＣｒ_xＨｆ_yＣＮ等（式中、ｘ、ｙは１以下の任意の数）を挙げることができる。

特にこのような化合物として、金属成分（Ａｌ、Ｃｒ、Ｈｆ）に対してＡｌを５０原子％以上７５原子％以下含んでいることが好ましい。より好ましくは、その上限が７０原子％、その下限が５５原子％である。Ａｌが５０原子％未満では十分な耐摩耗性を得ることができず、７５原子％を超えると結晶系が好ましい結晶系である立方晶を形成するのが困難となることがある。

さらに、上記化合物としては、上記ＡｌとともにＣｒを含んでいることが好ましく、この場合Ｃｒは金属成分に対して２０原子％以上５０原子％以下となることが好ましい。より好ましくは、その上限が４０原子％、その下限が３０原子％である。Ｃｒが２０原子％未満では十分な耐摩耗性が得られず、５０原子％を超えると硬度が低下することがある。

また、上記化合物中におけるＨｆの濃度は、金属成分に対して０．００１原子％以上２０原子％以下とすることが好ましい。０．００１原子％未満の場合には、Ｈｆの含有によりもたらされる上記のような効果が十分に示されない場合がある。また２０原子％を超えると、被膜の硬度を劣化させる場合がある。したがって、このようなＨｆ濃度は、より好ましくはその上限が１０原子％、その下限が０．１原子％である。なお、化合物中の各元素濃度は、ＸＰＳ（Ｘ線電子分光）法、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）法、ＩＣＰ（誘導結合高周波プラズマ分光分析）法等により測定することができる。

一方、本発明の被膜は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とするものも含まれる（以下、便宜的にこのような被膜を第２被膜とも記す）。

このような被膜は、上記の第１被膜で述べた各特性に加え、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含むことにより、基材との密着強度が向上するとともに、被膜の硬度、特に高温時の被膜硬度がさらに向上したものとなる。ただし、ＩＶａ族元素に含まれるＴｉは、Ｈｆを含む当該化合物中において使用する場合、被削材との溶着性を増大させる傾向を示すことから、選択しないことが好ましい。

ここで、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物としては、たとえばＡｌ_1-x-yＶ_xＨｆ_yＮ、Ａｌ_1-x-y-zＣｒ_xＶ_yＨｆ_zＮ、Ａｌ_1-x-y-zＣｒ_xＶ_yＨｆ_zＣＮ、Ａｌ_1-x-y-zＣｒ_xＳｉ_yＨｆ_zＮ等（式中、ｘ、ｙ、ｚは１以下の任意の数）を挙げることができる。

特にこのような化合物として、金属成分（炭素、窒素、酸素、ホウ素以外の元素）に対してＡｌを５０原子％以上７５原子％以下含んでいることが好ましい。より好ましくは、その上限が７０原子％、その下限が５５原子％である。Ａｌが５０原子％未満では十分な耐摩耗性を得ることができず、７５原子％を超えると結晶系が好ましい結晶系である立方晶を形成するのが困難となることがある。

さらに、上記化合物としては、上記ＡｌとともにＣｒまたは元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含んでいることが好ましく（ただし前述のようにＴｉは除く）、この場合Ｃｒまたは元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素は金属成分に対して２０原子％以上５０原子％以下となることが好ましい。より好ましくは、その上限が４０原子％、その下限が３０原子％である。Ｃｒまたは元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素が２０原子％未満では十分な耐摩耗性が得られず、５０原子％を超えると硬度が低下することがある。

また、上記化合物中におけるＨｆの濃度は、金属成分に対して０．００１原子％以上２０原子％以下とすることが好ましい。０．００１原子％未満の場合には、Ｈｆの含有によりもたらされる上記のような効果が十分に示されない場合がある。また２０原子％を超えると、被膜の硬度を劣化させる場合がある。したがって、このようなＨｆ濃度は、より好ましくはその上限が１０原子％、その下限が０．１原子％である。なお、化合物中の各元素濃度は、ＸＰＳ（Ｘ線電子分光）法、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）法、ＩＣＰ（誘導結合高周波プラズマ分光分析）法等により測定することができる。

さらに本発明の被膜は、２以上の被覆層により構成されたものとすることができ、該被覆層のうちの第１の層は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含み、該被覆層のうちの第２の層は、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、ＡｌおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とすることができる（以下、便宜的にこのような被膜を第３被膜とも記す）。

このような被膜において、上記第１の層と上記第２の層とは、いずれの層が基材側に形成されていても差し支えなく、それらの上下関係は特に制限されない。しかし、第２の層を基材側に配置し、その上に第１の層を配置する構成とすることが好ましい。

また上記第１の層と上記第２の層は、いずれの層も複数の層を積層して構成することができ、この場合、第１の層と第２の層とを交互に積層したような構成のものとすることもできる。さらにこの第１の層と第２の層との間には、後述するような中間層や表面層が存在するように積層されたものであっても差し支えない。

このように第３被膜は、上記第１の層および上記第２の層以外の第３の層を含むことができる。この第３の層は、上記第１の層と上記第２の層との間に形成される後述の中間層や表面層を含む他、この第３被膜と基材との間に形成される中間層や、この第３被膜の表面に形成される表面層も含まれる。

このような第３被膜は、上記の第１被膜および第２被膜で述べた各特性に加え、第１の層と第２の層とを積層したことにより、第２の層の作用により基材との密着強度がさらに向上し、しかも被膜の硬度、特に高温時の被膜硬度がさらに向上したものとなる。この点、上記第２の層として、特に好ましくは、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等を挙げることができる。なお、第１の層の化合物としては、上記第１被膜で例示したものと同様のものを挙げることができる。

なお、以上の第１被膜〜第３被膜の各被膜は、化学的安定性の観点から結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスで形成されることが好ましい。たとえば、気相合成法や物理的蒸着法を好適な例として挙げることができる。物理的蒸着法としては、スパッタリング法や真空蒸着法等を挙げることができるが、特にアーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成されることが好ましい。

また、上記各被膜は、０．０５μｍ以上２０μｍ以下の厚み（被膜が複数の層で形成される場合はその合計厚み）を有することが好ましい。０．０５μｍ未満の場合には、耐摩耗性が十分に向上しない場合があり、２０μｍを超えると、被膜自体の残留応力が大きくなり基材との密着強度が低下したり、工具の靭性が劣化する場合がある。したがって、このような被膜の厚みは、より好ましくはその上限が１０μｍ、さらに好ましくは６μｍ、その下限が０．１μｍ、さらに好ましくは０．５μｍである。なお、このような被膜の厚みは、たとえば表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。

また、上記各被膜は、立方晶の結晶構造を有することが好ましい。立方晶は、優れた硬度を有するとともに化学的安定性にも優れるからである。これに対して正方晶、斜方晶、あるいは非晶質等立方晶以外の結晶構造は、耐摩耗性が劣化する場合がある。

なお、上記被膜表面において、上記表面被覆切削工具の刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さが、上記表面被覆切削工具の断面から観察する方法で測定される基準長さ５μｍに対して、最大面粗さＲmaxが１．５μｍ以下であることが好ましい。このように被膜表面を平滑にすることにより被削材の溶着を抑制することができ、その結果として表面被覆切削工具の寿命を長寿命化することができる。

上記最大面粗さＲmaxが１．５μｍを超えると、被削材の溶着が著しく増加し、被削材自体の面粗さや表面被覆切削工具の寿命を劣化させる場合がある。この点、最大面粗さＲmaxは１．３μｍ以下であることが好ましく、１．０μｍ以下であることがより好ましい。

ここで、上記被膜表面とは、上記被膜が複数の層で形成される場合には、該被膜の最外層の表面をいうものとする。したがって、被膜表面に後述の表面層が形成されている場合には、被膜表面とはこの表面層の表面をいうものとする。

また、面粗さとは、基材上に被膜を形成した後これを切断し、ラッピングした後に金属顕微鏡や電子顕微鏡等を用いて観察される被膜表面の凹凸状況をいい、工具全体の巨視的なうねり等は排除される概念である。

また、最大面粗さＲmaxとは、上記のような被膜表面の凹凸状況において、基準長さを５μｍとした範囲内で観察した場合の最大凹凸差をいい、上記のような巨視的なうねり等は排除されたものである。

本発明の被膜表面の面粗さは、被膜を形成した後に何等処理を施していない状態で上記のような面粗さを有するもののみに限られず、被膜形成後においてブラシ、ブラストまたはバレル等による種々の表面研磨工程を施した後に上記のような面粗さを有することになったものも含まれる。

また、上記において刃先稜線部分近傍とは、実質的に表面被覆切削工具の実作用部（切りくずおよび被削材との接触部）をいい、表面被覆切削工具のすくい面と逃げ面との境界となる刃先稜線から逃げ面およびすくい面方向の垂直方向に向かってそれぞれ１ｍｍの範囲、より好ましくは０．５ｍｍの範囲をいうものとする。

一方、上記被膜は、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の残留圧縮応力を有することが好ましい。表面被覆切削工具の刃先靭性が向上するためである。その残留圧縮応力が−６ＧＰａ未満では、被膜自体が自己破壊する場合があり、０ＧＰａを超えると（すなわち、引張残留応力が発生すると）刃先靭性が劣化する場合がある。

したがって、このような残留圧縮応力は、より好ましくはその上限が−５ＧＰａ、さらに好ましくは−４ＧＰａ、その下限が−０．０５ＧＰａ、さらに好ましくは−０．１ＧＰａである。

なお、上記残留圧縮応力は、上記被膜が複数の層で形成される場合には、該被膜の最外層の残留圧縮応力をいうものとする。したがって、被膜表面に後述の表面層が形成されている場合には、この表面層の残留圧縮応力をいうものとする。

＜中間層および表面層＞
本発明の表面被覆切削工具においては、上記基材と上記被膜との間に任意の中間層を形成することができる。このような中間層は、通常耐摩耗性を向上させたり、基材と被膜との密着性を向上させたりする特性を有するものであり、１層または複数層として形成することができる。

このような中間層は、たとえばＡｌ₂Ｏ₃、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等により構成することができ、その形成方法としてはＣＶＤ法、ＰＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法等を挙げることができる。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、上記被膜の表面に任意の表面層を形成することができる。このような表面層は、通常耐酸化特性を向上させたり、耐摩耗性を向上させたりする特性を有するものであり、１層または複数層として形成することができる。

このような表面層は、たとえばＡｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ等により構成することができ、その形成方法としてはＣＶＤ法、ＰＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法等を挙げることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１〜２８および比較例１〜４＞
まず、平均粒径２．５μｍのＷＣ粉末（以下、原料粉Ａという）、平均粒径１．４μｍの（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ粉末（質量比でＴｉＣ／ＷＣ＝３０／７０、以下原料粉Ｂという）、平均粒径１．０μｍのＴａＮｂＣ粉末（質量比でＴａＣ／ＮｂＣ＝２／１、以下原料粉Ｃという）および平均粒径１．３μｍのＣｏ粉末（以下、原料粉Ｄという）を準備した。

続いて、原料粉Ｂを４．５質量％、原料粉Ｃを２．５質量％、原料粉Ｄを９．０質量％および残りを原料粉Ａで１００質量％となるように配合した後、ボールミルを用いて７２時間湿式混合した。

次いで、この混合物を乾燥後、１．０ｔ／ｃｍ²の圧力でプレス成型し、この成型体を真空中、１４００℃で１時間焼結した。該焼結後、ダイヤモンド砥石による研磨加工を行なった後、バレル研磨により切れ刃部（刃先）にＲ０．０５の丸ホーニング処理を施すことにより、ＩＳＯ・ＳＮＧＮ１２０４０８のＷＣ基超硬合金切削チップを作成し、これを基材とした。

なおこの基材は、刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さをさらに平滑なものとするために、特に実施例６と１０については刃先稜線部分近傍に対してバフ布による研磨加工を行なった。これにより、刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さが、上記基材の断面から観察する方法で測定される基準長さ５μｍに対して、最大面粗さＲmaxが０．０２μｍであることを確認した。

この基材の表面に対して、表１および表２に示した被膜（組成は原子比を示す）をアーク式イオンプレーティング法によって形成することにより、本発明の表面被覆切削工具を製造した。このようにして得られた表面被覆切削工具の被膜は、実施例２８を除き全て立方晶（以下の比較例のものも全て立方晶であるが、実施例２８のものについてのみ斜方晶とした）の結晶構造を有するものであった。

なお、各被膜（化合物）に含まれるＨｆは、金属成分として最も多く含有する成分の一部をＨｆに置き換えることにより、各被膜に含めるようにした。そして、各被膜中のＨｆ量は、ＳＩＭＳ法により測定した。なお、表１および表２中、Ｈｆ量の項の「−」という表示は、Ｈｆ量がＳＩＭＳ法の検出限界以下であることを示している。また、各被膜の組成を示す化学式ではＨｆの組成比はｘで示されているが、このｘが同表中のＨｆ量（原子％）に相当する。すなわち、たとえばＨｆが０．６原子％含まれる場合、このｘは０．００６となる。またこの場合、たとえばＡｌがＡｌ_0.7-xとして表されるとすると、Ａｌは０．７−０．００６＝０．６９４（原子％＝６９．４％）となる。

なお、表１および表２中、被膜が第１層以外に第２層〜第４層を有する場合は、第１層側が基材表面側に形成されるように被覆した。また、表１および表２中、表面面粗度Ｒmaxとは、表面被覆切削工具の刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さの最大面粗さＲmaxを示し、残留圧縮応力とは、被膜（被膜が複数の層で形成されている場合はその最外層）の残留圧縮応力を示す。

なお、比較例１〜４として、表２に示すように被膜にＨｆを含まない表面被覆切削工具を同様にして製造した。

そして、このようにして製造された各実施例の表面被覆切削工具および各比較例の表面被覆切削工具について、以下の条件により連続切削試験および断続切削試験を行なった。その結果を逃げ面摩耗量として表１および表２に示す。逃げ面摩耗量が少ないもの程、耐摩耗性に優れていることを示している。

＜連続切削試験の条件＞
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３３０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：２．０ｍｍ
切削油：未使用
切削時間：３５分
＜断続切削試験の条件＞
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３１０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３２ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：１．５ｍｍ
切削油：未使用
切削時間：３５分
表１および表２より明らかな通り、実施例１〜２８のものは、いずれも比較例１〜４のものに比し優れた耐摩耗性を示し、このように優れた耐摩耗性は被膜がＨｆを含むことによりもたらされることを示している。

＜実施例２９〜３５および比較例５〜８＞
外径８ｍｍのドリル（ＪＩＳＫ１０超硬合金）を基材とし、その上に表３に示した被膜を形成することにより、ドリルである本発明の表面被覆切削工具を製造した。また、これと同様にして、表３に示したようにＨｆを含まない被膜を形成した比較例としての表面被覆切削工具を製造した。

そして、このようにして製造された各実施例の表面被覆切削工具および各比較例の表面被覆切削工具を用いて、実際に被削材としてＳＣＭ４４０（ＨＲＣ３０）に対して穴開け加工を行なうことによりその寿命評価を行なった。なお、切削条件としては、切削速度６５ｍ／ｍｉｎ、送り量０．２４ｍｍ／ｒｅｖ．、切削油剤は用いず（エアーブローを使用）、深さ２２ｍｍの止まり穴加工とした。また、寿命評価の判定は、被削材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点を寿命とした。その寿命評価結果を表３に示す。なお、加工数（穴）が多いもの程、寿命が長いことを示している。

表３より明らかな通り、実施例２９〜３５のものは、いずれも比較例５〜８のものに比し寿命が長く、耐酸化特性に優れていることを示した。よって、このように優れた耐酸化特性は被膜がＨｆを含むことによりもたらされることを示している。

＜実施例３６〜４２および比較例９〜１２＞
外径８ｍｍの６枚刃エンドミル（ＪＩＳＫ１０超硬合金）を基材とし、その上に表４に示した被膜を形成することにより、エンドミルである本発明の表面被覆切削工具を製造した。また、これと同様にして、表４に示したようにＨｆを含まない被膜を形成した比較例としての表面被覆切削工具を製造した。

そして、このようにして製造された各実施例の表面被覆切削工具および各比較例の表面被覆切削工具を用いて、実際に被削材としてＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）に対してエンドミル側面削り加工を行なうことによりその寿命評価を行なった。なお、切削条件としては、切削速度２３０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０３５ｍｍ／刃、切削油剤は用いず（エアーブローを使用）、切り込み量Ａｄ＝１１ｍｍ、Ｒｄ＝０．２ｍｍの側面切削とした。また、寿命評価の判定は、被削材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点を寿命とした。その寿命評価結果を表４に示す。なお、寸法精度外となるまでの加工長さ（ｍ）が長いもの程、寿命が長いことを示している。

表４より明らかな通り、実施例３６〜４２のものは、いずれも比較例９〜１２のものに比し寿命が長く、耐酸化特性に優れていることを示した。よって、このように優れた耐酸化特性は被膜がＨｆを含むことによりもたらされることを示している。

＜実施例４３〜４９および比較例１３〜１６＞
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて、３９質量％のＴｉＮと１０質量％のＡｌからなる結合材粉末と５１質量％の平均粒径２．３μｍの立方晶窒化硼素粉末とを混ぜ合わせ、超硬製容器に充填した。そして、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で５０分間焼結した。このようにして立方晶窒化硼素焼結体を製造し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４０８の形状の切削用チップを得、これを基材とした。

この基材表面に対して、表５に示した被膜を形成することにより、切削用チップである本発明の表面被覆切削工具を製造した。また、これと同様にして、表５に示したようにＨｆを含まない被膜を形成した比較例としての表面被覆切削工具を製造した。

そして、このようにして製造された各実施例の表面被覆切削工具および各比較例の表面被覆切削工具を用いて、実際に被削材としてＳＣＭ４１５の丸棒（ＨＲＣ６２）に対して外周切削を行なった。なお、切削条件としては、切削速度２１０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０８ｍｍ／ｒｅｖ．、切り込み０．１１ｍｍで乾式切削とした。なお、初期面粗度Ｒｚは１分間切削後の被削材の面粗さとし、被膜の耐久性は被削材の面粗さＲｚが３．２μｍとなるのに要する切削時間により評価した。ここで、ＲｚはＪＩＳ Ｂ０６０１に定められた１０点平均粗さを示す。その結果を表５に示す。なお、面粗さＲｚが３．２μｍとなるのに要する切削時間が長いもの程、耐久性に優れていることを示している。

表５より明らかな通り、実施例４３〜４９のものは、いずれも比較例１３〜１６のものに比し耐久性に優れ、耐酸化特性に優れていることを示した。よって、このように優れた耐酸化特性は被膜がＨｆを含むことによりもたらされることを示している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (12)

1. 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被膜は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被膜は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とする表面被覆切削工具。
3. 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被膜は、２以上の被覆層により構成されており、
   前記被覆層のうちの第１の層は、ＡｌまたはＣｒのいずれか一方または両方の元素と、Ｈｆと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含み、
   前記被覆層のうちの第２の層は、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、ＡｌおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とする表面被覆切削工具。
4. 前記被膜は、前記第１の層および前記第２の層以外の第３の層を含むことを特徴とする請求項３記載の表面被覆切削工具。
5. 前記被膜は、０．０５μｍ以上２０μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
6. 前記化合物中における前記Ｈｆの濃度は、金属成分に対して０．００１原子％以上２０原子％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
7. 前記被膜は、立方晶の結晶構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
8. 前記被膜表面において、前記表面被覆切削工具の刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さが、前記表面被覆切削工具の断面から観察する方法で測定される基準長さ５μｍに対して、最大面粗さＲmaxが１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
9. 前記被膜は、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の残留圧縮応力を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
10. 前記被膜は、アーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
11. 前記基材は、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、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
12. 前記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップのいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。