JP2008142800A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、高温での安定性が向上した酸化アルミニウムを含む被膜を備えた表面被覆切削工具を提供することにある。
【解決手段】本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された１以上の被膜とを備えるものであって、該被膜は、少なくとも酸化アルミニウム被膜を含み、該酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムとともにＣａを含む被膜であることを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】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１以上の被膜とを備えるものであって、該被膜は、少なくとも酸化アルミニウム被膜を含み、該酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムとともにＣａを含む被膜であることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明は、基材上に被膜を形成してなる表面被覆切削工具に関する。
切削工具を構成する基材は、その表面保護を目的とするとともに耐摩耗性や靭性等の諸特性の更なる向上を目的として、各種の被膜でその表面を被覆することが行なわれてきた。中でも酸化アルミニウムは、高い硬度を有し耐摩耗性に特に優れる効果が発揮されるとともに、基材の表面酸化を防止する効果が期待されることから、上記基材の表面を被覆する被膜として用いる試みが古くから行なわれてきた。
しかしながら、酸化アルミニウムは高温において結晶形や結晶性が変化することがあり、それに起因して硬度が低下するという問題があった。昨今の高速切削等においては切削工具の刃先は極めて高温に曝されることから、酸化アルミニウムに存するこの固有の問題を解決すること（すなわち高温での安定性を向上させること）が求められていた。
このような問題を解決するために、酸化アルミニウムにＶやＳｒ等の種々の元素を共存させた被膜を有する表面被覆切削工具が提案されているが（特許文献１、２）、高温における安定性をさらに向上させることが望まれている。一方、従来より酸化アルミニウムからなるセラミック基板を焼結法により製造するに際して、ＳｉＯ2、ＣａＯ、ＭｇＯ等の焼結助剤を添加することが知られているが（特許文献３）、これらの焼結助剤は酸化アルミニウムの結晶構造に取り入れられるものではなく単に酸化アルミニウムの結晶粒子間に存在し、焼結温度を低下するという効果は示すものの、酸化アルミニウム自体の高温安定性を向上させるという作用は知られていない。
特開２０００−２４６５０６号公報
特開２０００−２５４８０５号公報
特開平０５−００９０６３号公報
本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、高温での安定性が向上した酸化アルミニウムを含む被膜を備えた表面被覆切削工具を提供することにある。
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１以上の被膜とを備えるものであって、該被膜は、少なくとも酸化アルミニウム被膜を含み、該酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムとともにＣａを含む被膜であることを特徴とする。
上記酸化アルミニウム被膜は、化学式Ａｌ1-XＣａXＯ1.5（式中Ｘは原子比を示し、０．０００５≦Ｘ≦０．２）で表わされる化合物を含むことが好ましく、また上記酸化アルミニウムは、α型の結晶構造、γ型の結晶構造、またはα型とγ型とが混在した結晶構造のうちいずれかの結晶構造を有することが好ましい。
また、上記酸化アルミニウム被膜は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。一方、上記被膜は、上記酸化アルミニウム被膜以外に、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む硬質被膜を１以上含むことが好ましい。
また、上記硬質被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されたものであることが好ましい。
また、上記酸化アルミニウム被膜は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂ、ＴｉまたはＹの少なくとも１種を含むことが好ましい。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、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成されることが好ましい。
本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、高温での安定性が向上した酸化アルミニウムを含む被膜を備えたことを特徴とする。
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜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１以上の被膜とを備えるものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップとして極めて有用である。
＜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１以上の被膜とを備えるものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップとして極めて有用である。
＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく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等の炭窒化物等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、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく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等の炭窒化物等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、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
＜被膜＞
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、１以上の被膜が積層されて形成されるものであり、少なくともその一の被膜として酸化アルミニウム被膜を含むものである。なお、このような被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被膜が形成されていない態様をも含む。
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、１以上の被膜が積層されて形成されるものであり、少なくともその一の被膜として酸化アルミニウム被膜を含むものである。なお、このような被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被膜が形成されていない態様をも含む。
また、このような被膜は、酸化アルミニウム被膜以外に、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む硬質被膜を１以上含むことができるとともに、さらに他の組成の被膜を含むこともできる。
なお、このような被膜の合計厚み（総膜厚）は、０．５μｍ以上１５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が１０μｍ以下、さらに好ましくは７μｍ以下、その下限が１μｍ以上、さらに好ましくは２μｍ以上である。その厚みが０．５μｍ未満の場合、耐摩耗性や耐酸化性等の諸特性の向上作用が十分に示されない場合があり、１５μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない。なお、本発明の被膜には、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどが耐摩耗性を低下させない程度に１０原子％以下含有する場合を含む。以下、これらの被膜についてさらに詳細に説明する。
＜酸化アルミニウム被膜＞
本発明の酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とともにＣａを含む被膜である。このように酸化アルミニウム被膜がＣａを含むことにより高温（約７００℃〜１３００℃の温度領域）での安定性が飛躍的に向上したものとなる。すなわち、本発明の酸化アルミニウム被膜に含まれる酸化アルミニウムは、このような高温においても結晶形が変化したり結晶性が変化することが飛躍的に低減され、このため高温で硬度が低下したり脆化することがないという極めて優れた効果が発揮される。したがって、本発明の酸化アルミニウム被膜は、高温での安定性が飛躍的に向上したという極めて優れた効果が示される。なお、ここでいう結晶形の変化とは、たとえばα型の結晶構造がα型以外の結晶構造に変化したりアモルファス状態になることをいい、また結晶性の変化とはたとえばＸ線回折のピーク強度が低下したりブロード化することをいう。なお、本発明の被膜は、このような酸化アルミニウム被膜を１または２以上含むことができる。
本発明の酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とともにＣａを含む被膜である。このように酸化アルミニウム被膜がＣａを含むことにより高温（約７００℃〜１３００℃の温度領域）での安定性が飛躍的に向上したものとなる。すなわち、本発明の酸化アルミニウム被膜に含まれる酸化アルミニウムは、このような高温においても結晶形が変化したり結晶性が変化することが飛躍的に低減され、このため高温で硬度が低下したり脆化することがないという極めて優れた効果が発揮される。したがって、本発明の酸化アルミニウム被膜は、高温での安定性が飛躍的に向上したという極めて優れた効果が示される。なお、ここでいう結晶形の変化とは、たとえばα型の結晶構造がα型以外の結晶構造に変化したりアモルファス状態になることをいい、また結晶性の変化とはたとえばＸ線回折のピーク強度が低下したりブロード化することをいう。なお、本発明の被膜は、このような酸化アルミニウム被膜を１または２以上含むことができる。
このように本発明の酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムとともにＣａを含むものであるが、Ｃａが含まれる態様は特に限定はされないものの、酸化アルミニウムの結晶構造（結晶格子）中にＣａが置換型として含まれる態様が最も好ましい。これにより、結晶粒が微粒化し、さらに高い硬度が得られるためである。
上記のような含有態様の化合物は、たとえば化学式Ａｌ1-XＣａXＯ1.5で表わすことができる。したがって、換言すれば本発明の酸化アルミニウム被膜は、化学式Ａｌ1-XＣａXＯ1.5で表わされる化合物を含むことが好ましいと言える。ここで、上記式中Ｘは原子比を示し、０．０００５≦Ｘ≦０．２であることが好ましい。その上限は好ましくは０．１５であり、より好ましくは０．１であり、その下限は好ましくは０．０００７であり、より好ましくは０．００１である。上記原子比Ｘが０．０００５未満の場合、上記のような優れた効果が示されない場合があり、逆に０．２を超えると結晶性が低下し、硬度が低下する場合がある。
また、このような酸化アルミニウムは、α型の結晶構造（このような結晶構造を有する酸化アルミニウムを以下単にα−Ａｌ2Ｏ3と記すこともある）、γ型の結晶構造（このような結晶構造を有する酸化アルミニウムを以下単にγ−Ａｌ2Ｏ3と記すこともある）、またはα型とγ型とが混在した結晶構造（このような結晶構造を有する酸化アルミニウムを以下単にα、γ−Ａｌ2Ｏ3と記すこともある）のうちいずれかの結晶構造を有することが好ましい。このような結晶構造を有することにより極めて高い硬度を有したものとなる。
ここで、α型の結晶構造とは結晶学的にコランダム型の結晶構造を有するものであり、γ型の結晶構造とは結晶学的にスピネル型の結晶構造を有するものである。これらは、いずれもＸ線回折法（ＸＲＤ）により同定することができる。また、α型とγ型とが混在した結晶構造とは、Ｘ線回折法で上記α型とγ型の双方に起因する回折スペクトルを有するものをいう。
なお、本発明の酸化アルミニウムは、上記のようにＣａを含むことを特徴とするものであるが、Ｃａを含んでいても上記のような結晶構造を維持するという特徴を有するものである。
このような酸化アルミニウム被膜は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚み（本発明の酸化アルミニウム被膜は２以上の層（被膜）で形成することができるが、そのような場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が６μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以下、その下限が０．２μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上である。その厚みが０．１μｍ未満の場合、高温時に十分な耐酸化性が示されなくなるとともに十分な耐摩耗性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない場合がある。
また、このような酸化アルミニウム被膜は、上記の酸化アルミニウムとＣａ以外の成分としてさらにＺｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、またはＹの少なくとも１種を含んでいても差し支えない。これらの成分は、酸化アルミニウムのＡｌに対して０．０１原子％以上２０原子％以下の配合比で包含することができる。またさらに、該酸化アルミニウム被膜は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｙｂ等の元素を２０原子％以下含有することができる。
このように酸化アルミニウムとＣａ以外の上記各成分を含むことにより、酸化アルミニウムの微細化が促進され高硬度化等の向上という特性を付与することができる。なお、酸化アルミニウム被膜が上記のような他の成分を含む場合、これらの他の成分は酸化アルミニウムの結晶格子の正規の位置に置換型として入る場合、該結晶格子間に侵入型として入る場合、金属間化合物を形成する場合、非晶質として存在する場合等、いずれの場合も含まれる。
＜硬質被膜＞
本発明の上記被膜は、上記酸化アルミニウム被膜以外に、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む硬質被膜（すなわち上記元素または化合物を含む硬質被膜）を１以上含むことが好ましい。
本発明の上記被膜は、上記酸化アルミニウム被膜以外に、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む硬質被膜（すなわち上記元素または化合物を含む硬質被膜）を１以上含むことが好ましい。
そして、このような硬質被膜としては、特にＴｉ、Ｃｒ、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されたものであることが好ましい。
このような硬質被膜は、高硬度で耐摩耗性に優れるとともに、極めて優れた靭性を示すものが好ましい。特に、Ｔｉ、Ｃｒ、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む被膜は、耐酸化性および耐熱性に優れていることから特に優れた耐摩耗性が示されるため極めて有効である。
ここで、このような硬質被膜に含まれる元素または化合物としては、たとえば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＴｉＡｌ、ＴｉＳｉ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＯＮ、ＣｒＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、Ｔｉ2Ｏ3、ＴｉＡｌＯＮ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ2、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ等を挙げることができる。
とりわけ、Ｔｉ、Ｃｒ、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物としては、たとえばＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＮＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＮＯ、ＴｉＳｉＣＮＯ、ＣｒＴｉＮ、ＣｒＴｉＮＯ、ＣｒＴｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＣＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＣＮＯ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ等を挙げることができ、特にＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ等が好適である。
なお、上記の化学式において、各元素の原子比が特に記載されていないものは必ずしも等比となるものではなく、従来公知の原子比が全て含まれるものとする。たとえば単にＴｉＮと記す場合、ＴｉとＮとの原子比は１：１が含まれる他、２：１、１：０．９５、１：０．９等が含まれる（特に断りのない限り、以下において同じ）。
なお、この硬質被膜は、これらの元素または化合物を単層または多層として形成することができ、多層の場合はこれらの元素または化合物からなる層を１ｎｍ〜５μｍの厚みで積層する場合も含む。そして、特にＴｉ、Ｃｒ、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されて硬質被膜を構成することが好ましい。このように上記各層を周期的に積層させることにより、耐酸化性および耐熱性がさらに向上し極めて優れた耐摩耗性が示される。ここで、周期的に積層させるとは、たとえば２種の層を上下交互に積層させるなど、一定の周期性をもって積層させることをいう。なお、各層の厚みが１ｎｍ未満となる場合や１００ｎｍを超える場合には積層による耐摩耗性の向上効果が示されない場合があるが、その場合であってもこれらの元素や化合物によってもたらされる固有の耐摩耗性の向上効果は示される。各層の厚みはより好ましくは２ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。
また、このような硬質被膜は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が７μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、その下限が０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。その厚みが０．３μｍ未満の場合には、十分な耐摩耗性が示されなくなるとともに十分な靭性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下することがあるため好ましくない。
なお、このような硬質被膜は、基材と酸化アルミニウム被膜との間に形成することができるとともに、酸化アルミニウム被膜上に形成することもでき、その積層配置は特に限定されない。
＜製造方法＞
本発明において基材上に形成される上記被膜は、物理蒸着法により形成することが最適である。基材を劣化させることなく有利に被膜を形成することができるためである。特に、イオンプレーティング法またはスパッタリング法を採用することが好ましい。イオンプレーティング法は比較的低温における処理であるにもかかわらず緻密な被膜を容易に得ることができ、とりわけアークイオンプレーティング法はさらに成膜速度が速く高い生産効率を得ることができるという利点を有する。また、スパッタリング法は、表面平滑な被膜を容易に作成することができ、被削材に対する耐溶着性に優れた被膜となり、同時に被削材の仕上げ面粗度が良好になるという利点を有する。このような物理蒸着法としては、従来公知の諸条件をいずれも採用することができる。
本発明において基材上に形成される上記被膜は、物理蒸着法により形成することが最適である。基材を劣化させることなく有利に被膜を形成することができるためである。特に、イオンプレーティング法またはスパッタリング法を採用することが好ましい。イオンプレーティング法は比較的低温における処理であるにもかかわらず緻密な被膜を容易に得ることができ、とりわけアークイオンプレーティング法はさらに成膜速度が速く高い生産効率を得ることができるという利点を有する。また、スパッタリング法は、表面平滑な被膜を容易に作成することができ、被削材に対する耐溶着性に優れた被膜となり、同時に被削材の仕上げ面粗度が良好になるという利点を有する。このような物理蒸着法としては、従来公知の諸条件をいずれも採用することができる。
このように本発明の被膜は、その製造方法が特に限定されるものではないが、とりわけ非導電性材料である酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム被膜を形成するためには上述のスパッタリング法を採用することが特に好ましい。中でも、カソードにパルス電源を用いたマグネトロンスパッタリング法を採用することが好ましい。また、スパッタリング法とアークイオンプレーティング法との組み合せや酸化アルミニウム中に導電性物質を分散させて導電性を付与し、アークイオンプレーティング法で成膜する方法も採用できる。
そして、酸化アルミニウム被膜の形成にスパッタリング法を採用する場合は従来公知の条件を採用することができるが、特にターゲットとしてＡｌ粉末とＣａ化合物の粉末とを混合し焼結して得られるターゲットを使用することが好ましい。この場合、ターゲットに含まれるＡｌとＣａとの原子比は酸化アルミニウム被膜中のＡｌとＣａとの所望の原子比が得られるように調製して採用することが有効である。
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。なお、以下の各被膜の化学組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）またはＳＥＭ（ＴＥＭ）−ＥＤＸ（走査型電子顕微鏡（透過型電子顕微鏡）に付帯のエネルギー分散型ケイ光Ｘ線分光計）によって確認した。また、各被膜の厚みは、被膜の表面に対して垂直方向の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察して測定した。また、以下では被膜を物理蒸着法であるアンバランスドマグネトロンスパッタリング法とカソードアークイオンプレーティング法の組み合わせにより形成しているが、公知の他の物理蒸着法によって成膜した場合も含む。
＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、基材として次の２種を準備した。すなわち、グレードがＪＩＳ規格Ｍ２０のＷＣ基超硬合金であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８であるもの（後述の耐摩耗性試験１および耐摩耗性試験２に使用するもの）およびグレードがＪＩＳ規格Ｐ２０のＷＣ基超硬合金であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＳＤＥＸ４２ＭＴであるもの（後述の断続切削試験および強断続切削試験に使用するもの）を準備した（上記のＪＩＳ規格は１９９８年度版である）。そして、それぞれの基材に対して以下のような方法により同様にして被膜を形成した。
まず、基材として次の２種を準備した。すなわち、グレードがＪＩＳ規格Ｍ２０のＷＣ基超硬合金であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８であるもの（後述の耐摩耗性試験１および耐摩耗性試験２に使用するもの）およびグレードがＪＩＳ規格Ｐ２０のＷＣ基超硬合金であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＳＤＥＸ４２ＭＴであるもの（後述の断続切削試験および強断続切削試験に使用するもの）を準備した（上記のＪＩＳ規格は１９９８年度版である）。そして、それぞれの基材に対して以下のような方法により同様にして被膜を形成した。
すなわち、まず上記基材をカソードにパルスＤＣ電源を用いたアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置（成膜装置）に装着した。この成膜装置内には複数のアーク蒸発源と複数のアンバランスドマグネトロンスパッタ蒸発源（以下、ＵＢＭスパッタ源と呼ぶ）が配置され、中心点を中心としこれらの蒸発源に各対向するようにして回転する保持具に上記基材を装着した。なお、必要なガスは、ガス導入口から成膜装置内へ導入される。また、成膜装置内にはヒーターが備えられている。
続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を１×１０-3Ｐａ以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を６５０℃に加熱し、１時間保持した。
次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。
次いで、上記基材表面に形成される被膜として、化学組成および厚みが以下の表１および表２に示したものとなるように上記蒸発源に原料（すなわちターゲット）を各々セットした。すなわち、アーク蒸発源に所定の原料（例えば、ＴｉＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒなど）をセットし、ＵＢＭスパッタ源にも所定の原料（酸化アルミニウム被膜が所望の原子比でＣａを含むようにＡｌ粉末とＣａ化合物としてＣａＯの粉末とを混合し焼結して得られるターゲット）をセットした。ＵＢＭスパッタ源により酸化アルミニウム被膜を形成し、アーク蒸発源により硬質被膜を形成するものである。
続いて、硬質被膜を形成するために、以下の条件を採用して所望の厚みの硬質被膜を形成した。すなわち、基材（基板）温度４００〜６００℃に設定し、真空もしくは反応ガスとして窒素、メタン（炭素源）、酸素のいずれか１以上のガスを導入させながら、アークイオンプレーティング法で上記基材表面に各構成の硬質被膜を形成した。
また、所望の厚みの酸化アルミニウム被膜を形成するためには、以下の条件を採用した。すなわち、基材（基板）温度を５００〜８５０℃に設定し、酸素ガスを流しながらＵＢＭスパッタ源にパルスＤＣ電力を加えつつ、不活性ガスに対する酸素ガスの圧力比を２〜２０％の範囲内で制御するとともに基材バイアス電圧を−５００Ｖ〜−５０Ｖの範囲内で制御して反応性スパッタリング法により酸化アルミニウム被膜を形成した。
このようにして、表１および表２に示したＮｏ．１〜２３の被膜をそれぞれの基材上に形成した表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．１〜２０が本発明の実施例であり、Ｎｏ．２１〜２３は比較例である。
なお、Ｎｏ．１４の酸化アルミニウム被膜は、上記のＵＢＭスパッタ源のターゲットにＡｌに対してＢを５．０原子％添加することにより、Ｂが２．４原子％含まれるようにして形成した。同じく、Ｎｏ．１６の酸化アルミニウム被膜は、上記のＵＢＭスパッタ源のターゲットにＡｌに対してＹを１．０原子％添加することにより、Ｙが１．２原子％含まれるようにして形成した。また、Ｎｏ．２０の酸化アルミニウム被膜は、上記のＵＢＭスパッタ源のターゲットにＡｌに対してＺｒを０．１原子％添加することにより、Ｚｒが０．０５原子％含まれるようにして形成した。また、Ｎｏ．１５の酸化アルミニウム被膜は、上記のＵＢＭスパッタ源のターゲットにＡｌに対してＴｉを４．０原子％、Ｈｆを１．５原子％添加することにより、Ｔｉが４原子％およびＨｆが１．６原子％含まれるようにして形成した。
上記表１および表２において、被膜の積層構成は、左のものから順に基材上に積層させたことを示している（表１および表２中において空欄となっているところは、該当する被膜が形成されないことを示している）。また、上記表１が実施例であり、表２は比較例である。比較例は、ＵＢＭスパッタ源のターゲットにＣａを含まないことを除き、他は全て上記の実施例と同様にして作製した。すなわち、比較例の酸化アルミニウム被膜にはＣａは含まれていない。
なお、Ｎｏ．１６〜２０の硬質被膜（基材と酸化アルミニウム被膜との間に形成されるもの。ただしＮｏ．２０のＴｉＡｌＮは除く）は、２種の層が周期的に積層されてなる被膜であることを示している。たとえば、Ｎｏ．１６は、厚み５．５ｎｍのＡｌＣｒＮを含む層と厚み７ｎｍのＴｉＡｌＮＯを含む層とが周期的に積層（上下交互に積層）して厚み２．０μｍの被膜が形成されていることを示す（基材上にはまずＡｌＣｒＮを含む層が形成されることを示す）。Ｎｏ．１７〜２０についてもＮｏ．１６と同様の内容を示す。このような周期的な積層は、上記成膜装置において保持具の回転速度を調節したり、または半回転毎に反応ガスの種類や流量を調節することにより形成することができる。なお、酸化アルミニウム被膜の結晶構造はＸＲＤにより確認した。
そして、このようにして作製された表面被覆切削工具について、下記の条件により４種の切削試験（耐摩耗性試験１、耐摩耗性試験２、断続切削試験、強断続切削試験）を行なった。その結果を以下の表３に示す。耐摩耗性試験１および耐摩耗性試験２では、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍとなる時間を測定し、その時間が長いもの程耐摩耗性に優れていることを示している。また、断続切削試験および強断続切削試験では、工具が欠損するまでの時間を測定し、その時間が長いもの程耐欠損性（靭性）に優れていることを示している。
＜耐摩耗性試験１＞
被削材：ＳＣＭ４３５丸棒
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜耐摩耗性試験２＞
被削材：ＦＣＤ４５０丸棒
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜断続切削試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３８０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜強断続切削試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５（３０ｍｍ間隔で直径１０ｍｍの穴加工を施したもの）
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
被削材：ＳＣＭ４３５丸棒
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜耐摩耗性試験２＞
被削材：ＦＣＤ４５０丸棒
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜断続切削試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３８０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜強断続切削試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５（３０ｍｍ間隔で直径１０ｍｍの穴加工を施したもの）
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
表３から明らかなように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２０の本発明の実施例の表面被覆切削工具は、いずれも優れた耐摩耗性を有するとともに耐欠損性（靭性）をも兼ね備えるものであった。すなわち、これらの実施例の表面被覆切削工具は、酸化アルミニウム被膜が酸化アルミニウムとともにＣａを含む被膜であるため、切削加工時に曝される高温の温度領域においても酸化アルミニウム被膜が極めて安定性に優れることによりこのように優れた耐摩耗性ならびに耐欠損性（靭性）を示したものと考えられる。
なお、硬質被膜としてＴｉ、Ｃｒ、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、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む２種以上の層を周期的に積層させた被膜を含むＮｏ．１６〜２０において、特に優れた耐摩耗性が示されたことにより、これらの被膜が優れた耐酸化性および耐熱性を有していることが確認できた。
これに対して、Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．２３の比較例の表面被覆切削工具は、上記実施例のものに比し耐摩耗性も靭性（耐欠損性）も劣っていた。すなわち、酸化アルミニウム被膜が、本発明の要件を備えていなければ高温での安定性に欠け、耐摩耗性および耐欠損性が劣ることを示している。
なお、本実施例では、基材としてチップブレーカを有するものを用いたが、チップブレーカを有していないものや、切削工具の上下面全面が研磨されたような工具（チップ）でも本実施例と同様の効果を得ることができる。また、基材の組成としては超硬合金を採用したが、超硬合金に代えてサーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体を採用しても本実施例と同様の効果を得ることができる。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
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 (9)
- 基材と、該基材上に形成された１以上の被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、少なくとも酸化アルミニウム被膜を含み、
前記酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムとともにＣａを含む被膜であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記酸化アルミニウム被膜は、化学式Ａｌ1-XＣａXＯ1.5（式中Ｘは原子比を示し、０．０００５≦Ｘ≦０．２）で表わされる化合物を含むことを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
- 前記酸化アルミニウムは、α型の結晶構造、γ型の結晶構造、またはα型とγ型とが混在した結晶構造のうちいずれかの結晶構造を有することを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
- 前記酸化アルミニウム被膜は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、前記酸化アルミニウム被膜以外に、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む硬質被膜を１以上含む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。
- 前記硬質被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことを特徴とする請求項５記載の表面被覆切削工具。
- 前記硬質被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されたものであることを特徴とする請求項５または６に記載の表面被覆切削工具。
- 前記酸化アルミニウム被膜は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂ、ＴｉまたはＹの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 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、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
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