JP2008183671A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、基材と被覆層との密着性および被覆層中の各層間の密着性に優れることにより長寿命が達成可能な表面被覆切削工具を提供することにある。
【解決手段】表面被覆切削工具において、基材上に形成される被覆膜は、１層以上のＡ層と１層以上のＢ層と２層以上のＣ層とを含み、基材と接する最下層はＣ層であり、かつＡ層とＢ層とはＣ層を挟んで交互に積層した構造を有し、該Ａ層は、化学式Ａｌ_aＴｉ_bＭ_c（０．４＜ａ＜０．７５、０≦ｂ＜０．６、０＜ｃ＜０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、Ｍは少なくとも１種の特定の元素を示す）で表わされる第１複合金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物によって構成され、該Ｂ層は、化学式Ｔｉ_dＳｉ_e（０＜ｅ＜０．３、ｄ＋ｅ＝１）で表わされる第２複合金属の炭窒化物によって構成され、該Ｃ層は、ＴｉＮによって構成されることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属材料の切削加工等に使用される表面被覆切削工具に関するものである。

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、各種の被覆膜でその表面を被覆することが古くから行なわれてきた。近年、切削工具の動向として、地球環境保全の観点から切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、被削材が多様化していること、および加工能率を一層向上させるため切削速度がより高速になってきていることなどから、切削加工時の切削工具の刃先温度はますます高温に曝される傾向にあり、切削工具用材料に要求される特性は厳しくなる一方である。

特にそのような切削工具用材料の要求特性として、高温での被覆膜の安定性（耐酸化特性や被覆膜の密着性）はもちろんのこと、切削工具寿命に関係する耐摩耗性、すなわち被覆膜の高温における硬度の向上や潤滑油剤に変わる被覆膜の潤滑特性が一段と重要となっている。

一般に、耐摩耗性の向上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対して、硬質の被覆層としてＴｉＡｌの窒化物を単層または複層形成することがよく知られている。しかしながら、上記のような切削速度が高速でしかも切削油剤を用いないドライ加工のような苛酷な条件下では、工具の刃先温度が９００℃以上に達するため、ＴｉＡｌによる被覆層では十分な工具寿命が得られないのが現状である。

このため、更なる耐熱性の向上を目的として、ＴｉＳｉの窒化物または炭窒化物を被覆膜として用いた切削工具が提案されている（特許文献１）。このようなＴｉＳｉ系被覆膜は、最表面にＳｉを含有する緻密な酸化保護膜が形成されることからＴｉＡｌ系被覆膜より耐熱性に優れ、かつ大きな圧縮応力も付与されることから靭性にも優れるものである。しかし、逆にこの圧縮応力が大きくなり過ぎる傾向を示し脆性が高くなることから、基材と被覆膜との密着強度が極端に低下するとともに切削時の衝撃で被覆膜全体が破壊もしくは剥離することが問題であった。

この問題を解決するため、Ｓｉを適量含有したＴｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物（すなわちＴｉＳｉ系被覆膜）と、ＴｉとＡｌとを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物（すなわちＴｉＡｌ系被覆膜）とを積層させた積層被覆膜を備えた切削工具が提案されている（特許文献２、３）。この提案により、上記のような問題はある程度低減され、特にこのような積層構造の被覆膜と基材との間に、ＴｉＮやＴｉＡｌ等を主成分とする被覆膜を配置することにより、被覆膜と基材との密着性はある程度向上している。

しかしながら、このような提案における被覆膜は上記のように異種の層を積層させた構造を有するため、該積層構造中の各層間における層間剥離が生じやすく長寿命の切削工具を提供することは困難であった。
特開平０８−１１８１０６号公報 特開２０００−３３４６０６号公報 特開２０００−３２６１０８号公報

本発明は、上記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、基材と被覆層との密着性および被覆層中の各層間の密着性に優れることにより長寿命が達成可能な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被覆膜とを備えるものであって、該被覆膜は、１層以上のＡ層と１層以上のＢ層と２層以上のＣ層とを含み、基材と接する最下層はＣ層であり、かつＡ層とＢ層とはＣ層を挟んで交互に積層した構造を有し、該Ａ層は、化学式Ａｌ_aＴｉ_bＭ_c（化学式中、ａ、ｂ、ｃは各々原子比を示し、０．４＜ａ＜０．７５、０≦ｂ＜０．６、０＜ｃ＜０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＝１を満たし、ＭはＳｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｂ、Ｎｂ、ＭｏおよびＭｎからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で表わされる第１複合金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物によって構成され、該Ｂ層は、化学式Ｔｉ_dＳｉ_e（化学式中、ｄ、ｅは各々原子比を示し、０＜ｅ＜０．３、ｄ＋ｅ＝１を満たす。）で表わされる第２複合金属の炭窒化物によって構成され、該Ｃ層は、ＴｉＮによって構成されることを特徴とする。

ここで、上記被覆膜は、０．５μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有し、上記Ａ層は、０．０５μｍ以上６μｍ以下の厚みを有し、上記Ｂ層は、０．０５μｍ以上６μｍ以下の厚みを有し、上記Ｃ層は、０．０５μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することが好ましい。

また、上記被覆膜は、物理的蒸着法により形成されることが好ましく、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、上記のような構造を有することにより、基材と被覆層との密着性および被覆層中の各層間の密着性に優れることにより長寿命が達成可能という効果を有する。

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被覆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、たとえばドリル、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等として極めて有用に用いることができる。

＜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。

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。

＜被覆膜＞
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覆膜は、１層以上のＡ層と１層以上のＢ層と２層以上のＣ層とを含み、基材と接する最下層はＣ層であり、かつＡ層とＢ層とはＣ層を挟んで交互に積層した構造を有している。本発明の被覆膜は、このような構造、特に基材と接する位置にＣ層を配置させるとともに、Ａ層とＢ層とがこのＣ層を挟んで交互に積層されたものであるため、基材と被覆層との密着性および各層間の密着性が飛躍的に向上したことにより、苛酷な切削条件下においてさえ極めて優れた耐剥離性が示され、これにより後述のようなＡ層固有の特性（すなわち耐摩耗性と靭性との両者を向上させる特性）とＢ層固有の特性（すなわち耐熱性と潤滑性との両者を向上させる特性）とが相乗的に発現されることとなるため切削工具としての寿命を極めて長寿命化することに成功したものである。したがって、このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、切削速度が高速でしかも切削油剤を用いないドライ加工のような苛酷な条件下での切削加工においても極めて良好な切削性能を示すものである。

このように極めて優れた耐剥離性が示されるのは、上記Ｃ層が基材に対して優れた密着性を有するばかりか、Ａ層およびＢ層の両者に対しても極めて優れた密着性が示されるためであると考えられる。

なお、このような被覆膜は、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、部分的に被覆膜が形成されていない態様も含み、さらにまた部分的に被覆膜の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。

また、このような被覆膜は、上記の各層とは異なる組成の層をさらに含むこともできる。なお、このような被覆膜の厚み（総膜厚）は、０．５μｍ以上１０μｍ以下と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１μｍ以上、さらに好ましくは１．５μｍ以上である。その厚みが０．５μｍ未満の場合、耐摩耗性が十分に示されない場合があり、１０μｍを超えると靭性が低下するため好ましくない場合がある。

＜被覆膜の積層の態様＞
本発明の被覆膜は、上記の通り、１層以上のＡ層と１層以上のＢ層と２層以上のＣ層とを含み、基材と接する最下層はＣ層であり、かつＡ層とＢ層とはＣ層を挟んで交互に積層した構造を有している。ここで、基材と接する最下層であるＣ層上に形成される層は、Ａ層であっても良いし、Ｂ層であっても良い。仮に最下層のＣ層上にＡ層が形成されると仮定すると、このＡ層には引き続きＣ層が形成され、そのＣ層上に次はＢ層が形成されることになる。

この時点で積層を終了すると、得られた被覆層は本発明の被覆層としては最小の積層数を有するものとなり、すなわち１層のＡ層と１層のＢ層と２層のＣ層とを含んだものとなる。一方、さらに積層を続ける場合は、上記Ｃ層上に形成されたＢ層上に、引き続きＣ層が形成され、その上にまたＡ層が形成されるというようにして、順次積層数が増加することになる。このようにＡ層とＢ層とは上下交互に積層されるが、Ａ層とＢ層とが直接接することはなく必ずＣ層を挟んで積層されることになる。また、上記のような積層構造の最上層は、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層のいずれであっても差し支えない。

なお、このようなＡ層、Ｂ層、Ｃ層の積層数は、被覆層の全体の厚みとこれら各層の厚みとが決定すると自ずと決定されるものであるが、好ましくは（Ａ層、Ｂ層それぞれの積層数で示せば）１層以上２０層以下、より好ましくは１層以上１０層以下である。

＜Ａ層＞
上記被覆膜に含まれる本発明のＡ層は、化学式Ａｌ_aＴｉ_bＭ_c（化学式中、ａ、ｂ、ｃは各々原子比を示し、０．４＜ａ＜０．７５、０≦ｂ＜０．６、０＜ｃ＜０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＝１を満たし、ＭはＳｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｂ、Ｎｂ、ＭｏおよびＭｎからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で表わされる第１複合金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物によって構成される。このような構成を有するＡ層は、耐摩耗性と靭性との両者を向上させる特性を有するものであるが、特に上記化学式中Ｍで表わされる元素を上記のように特定量含むことにより硬度が飛躍的に向上した特性を示すものとなる。

ここで、上記化学式中ａが０．４未満の場合、十分な硬度と耐熱性が得られないというデメリットが示され、０．７５を超えると結晶構造が立方晶から六方晶ヘ変化し大幅に硬度が低下するというデメリットが示される。このようなａは、より好ましくは０．４５≦ａ≦０．７３であり、さらに好ましくは０．５≦ａ≦０．７である。

また、上記化学式中ｂが０．６を超えると十分な硬度と耐熱性が得られないというデメリットが示される。このようなｂは、より好ましくは０．２≦ｂ≦０．５であり、さらに好ましくは０．３≦ｂ≦０．４５である。

また、上記化学式中ｃが０の場合、硬度を向上させる上記のような特性が示されなくなり、０．３を超えると靭性が低下するため好ましくない。このようなｃは、より好ましくは０．０５≦ｃ≦０．２５であり、さらに好ましくは０．１≦ｃ≦０．２である。

また、上記化学式中Ｍとしては、特にＳｉまたはＣｒを選択すると硬度が向上することに加え耐熱性も向上するため好ましい。なお、このようなＭとしては、上記元素を１または２種以上採用することができるが、２種以上の元素を採用する場合は、それらの合計量が上記ｃの範囲となることが必要である。逆に上記ｃの範囲となる限りそれらの元素間の原子比は限定されず、任意の原子比を採用することができる。

また、上記の通り、このＡ層は第１複合金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物によって構成されるものであるが、第１複合金属と窒素、炭素、または酸素との原子比（組成比）は、従来公知の原子比（組成比）を自由に選択することができ何等限定されるものではない。換言すれば、どのような原子比（組成比）を選択したとしても本発明の効果は示され本発明の範囲を逸脱するものではない。そのような原子比（組成比）は、好ましくは上記第１複合金属１（すなわち上記化学式におけるａ＋ｂ＋ｃ＝１とする場合の１）に対して窒素、炭素、または酸素を０．５以上１．５以下の範囲で選択することができる。なお、窒素、炭素、または酸素のいずれかを２種以上含む場合は、それらの合計量が上記範囲内に含まれるものとし、それらの元素間の原子比は限定されず任意の原子比を採用することができる。

なお、このようなＡ層の厚みは、０．０５μｍ以上６μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が５μｍ以下、さらに好ましくは４μｍ以下、その下限が０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．２μｍ以上である。その厚みが０．０５μｍ未満の場合、後述のような製造条件で安定して製造することができない場合があり、６μｍを超えるとその高い圧縮応力に起因して被覆膜自体の自己破壊を生じるため好ましくない場合がある。なお、このようなＡ層が本発明の被覆層中において２層以上含まれる場合、各層の厚みは実質的に等しいものであっても良いし、異なるものであっても良い。

＜Ｂ層＞
上記被覆膜に含まれる本発明のＢ層は、化学式Ｔｉ_dＳｉ_e（化学式中、ｄ、ｅは各々原子比を示し、０＜ｅ＜０．３、ｄ＋ｅ＝１を満たす。）で表わされる第２複合金属の炭窒化物によって構成される。そして、このような構成を有するＢ層は、耐熱性と潤滑性（耐被削材溶着性）との両者を向上させる特性を有するものであるが、特に窒化物ではなく炭窒化物としたことにより、窒化物に比し摩擦係数をより低くすることができるため極めて優れた潤滑性が示される。これは恐らくＢ層中に炭素が分散する構造となるためであると考えられる。このように潤滑性が飛躍的に向上したことにより、切削加工時の工具の刃先温度を低下させることが可能となり被覆膜の酸化を防ぐことができることから耐熱性の向上に寄与したものとなり、また同時に被削材が切れ刃に溶着することが防止されることから被削材の加工面粗さも向上する利点がある。

ここで、上記化学式中ｅが０の場合、十分な硬度と耐熱性が示されなくなり、０．３を超えると脆化により十分な強度が得られなくなるため好ましくない。このようなｅは、より好ましくは０．０５≦ｅ≦０．２５であり、さらに好ましくは０．１≦ｅ≦０．２である。

また、このようなＢ層は第２複合金属の炭窒化物によって構成されるものであるが、第２複合金属と、窒素および炭素との原子比（組成比）は、従来公知の原子比（組成比）を自由に選択することができ何等限定されるものではない。換言すれば、どのような原子比（組成比）を選択したとしても本発明の効果は示され本発明の範囲を逸脱するものではない。このような原子比（組成比）は、好ましくは上記第２複合金属１（すなわち上記化学式におけるｄ＋ｅ＝１とする場合の１）に対して窒素および炭素の合計量を０．５以上１．５以下の範囲で選択することができる。なお、窒素および炭素の合計量が上記範囲内となる限り、窒素および炭素間の原子比は限定されず任意の原子比を採用することができる。

なお、このようなＢ層の厚みは、０．０５μｍ以上６μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が４μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以下、その下限が０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．２μｍ以上である。その厚みが０．０５μｍ未満の場合、後述のような製造条件で安定して製造することができない場合があり、６μｍを超えるとその高い圧縮応力に起因して被覆膜自体の自己破壊を生じるため好ましくない場合がある。なお、このようなＢ層が本発明の被覆層中において２層以上含まれる場合、各層の厚みは実質的に等しいものであっても良いし、異なるものであっても良い。

＜Ｃ層＞
上記被覆膜に含まれる本発明のＣ層は、ＴｉＮによって構成される。そして、このような構成を有するＣ層は、基材ならびに上記Ａ層およびＢ層に対して優れた密着性を有している。このような良好な密着性、特にＢ層のように高い圧縮残留応力を有する層に対しても良好な密着性が示されるのは、ＴｉＮ自体のヤング率が低いことによるものと考えられる。さらにこのようなＣ層は、切削加工時の衝撃を緩衝するという作用を有しているとともに、被覆層表面から厚み方向に亀裂が進展するのを防止するという作用も有している。

ここで、このようなＣ層はＴｉＮによって構成されるものであるが、ＴｉとＮとの原子比は、必ずしも等比を示すものではなく従来公知の原子比を自由に選択することができ何等限定されるものではない。換言すれば、どのような原子比を選択したとしても本発明の効果は示され本発明の範囲を逸脱するものではない。このような原子比は、好ましくはＴｉ１に対してＮを０．５以上１．５以下の範囲で選択することができる。

なお、このようなＣ層の厚みは、０．０５μｍ以上１μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が０．５μｍ以下、さらに好ましくは０．４μｍ以下、その下限が０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．２μｍ以上である。その厚みが０．０５μｍ未満の場合、弾性効果（上記のような切削加工時の衝撃の緩衝作用や亀裂の進展防止作用）が十分に発揮されない場合があり、１μｍを超えるとＴｉＮの低硬度に起因して耐摩耗性が低下するため好ましくない場合がある。なお、このようなＣ層は本発明の被覆層中において２層以上含まれるものであるが、各層の厚みは実質的に等しいものであっても良いし、異なるものであっても良い。

＜製造方法＞
上記で説明した本発明の被覆膜を基材表面に形成（成膜）するためには、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あることが好ましい。そこで、種々の成膜方法を検討した結果、本発明の被覆膜の形成方法としては物理的蒸着法を用いることが好適である。

このような物理的蒸着法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法などが知られており、このような従来公知のいずれの物理的蒸着法も採用し得るが、特に原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法を採用することが特に好ましい。このカソードアークイオンプレーティング法を採用すると被覆膜を形成する前に基材表面に対して金属またはガスイオンボンバードメント処理を行なうことが可能となるため、これにより被覆膜の密着性を飛躍的に高めることができることからもこのカソードアークイオンプレーティング法は本発明において好ましい成膜プロセスである。

以下、このカソードアークイオンプレーティング法を採用して被覆膜を形成する場合の具体的な条件を例示する。なお、以下に例示する以外の諸条件は、従来公知の諸条件を特に限定なく採用することができる。

まず、被覆膜中のＡ層は、基材バイアス電圧（以下単にバイアス電圧とも記す）を−３０〜−１００Ｖとする一般的なカソードアークイオンプレーティング法の成膜条件を採用することにより形成することが好ましい。

一方、被覆膜中のＢ層は、上記Ａ層の形成条件とは異なった形成条件を採用することが好ましい。上記Ａ層の形成条件のようにバイアス電圧を−３０〜−１００Ｖとする一般的な形成条件を採用するとメタンやアセチレンガス等の反応ガスが十分に分解されず、このためＢ層を構成する緻密な第２複合金属の炭窒化物が得られないためである。すなわち、このような条件でＢ層を形成すると部分的に炭素が析出した構造となり、耐熱性や強度等が低下する。

このため、優れた特性を有するＢ層を形成するべく種々の成膜条件を検討した結果、成膜時のバイアス電圧を−２００Ｖまたはそれを超える値という非常に高い値（その絶対値が大きくなる値）を採用すると、耐熱性および潤滑性に優れた緻密な構造のＢ層が形成されることが明らかとなった。すなわち、Ｂ層を形成するためには、カソードアークイオンプレーティング法において−２００Ｖまたはそれを超えるという高いバイアス電圧（すなわちその絶対値が大きくなる数値の電圧）を採用することが好ましい。

また、被覆膜中のＣ層は、Ａ層およびＢ層が上記のようなバイアス電圧を採用して形成されることから、Ａ層成膜時のバイアス電圧とＢ層成膜時のバイアス電圧との間の数値範囲となるバイアス電圧で形成することが好ましい。すなわち、Ｃ層を形成するためには、カソードアークイオンプレーティング法において−１００〜−１５０Ｖのバイアス電圧を採用することが好ましい。これにより、Ｃ層に付与される圧縮残留応力をＡ層とＢ層との中間的な圧縮残留応力に制御することが可能となり、これらの各層間において優れた密着性を付与することが可能となる。換言すれば、このようなＣ層を形成することなく直接Ａ層とＢ層とを接するようにして形成すると、これら両層は大きなバイアス電圧の差に起因して圧縮残留応力の差が大きくなり、密着性が低下することから容易に層間剥離を生じることとなる。本発明のＣ層は、成膜条件（バイアス電圧）を調節することにより正しくこのような不都合を解消するために形成されるものである。

また、基材直上に（すなわち基材と接するようにして）形成されるＣ層もこのような条件を採用して形成することができ、これにより基材上に密着性高くＣ層を形成することができる。なお、このような条件を採用して形成されるＣ層を構成するＴｉＮは、５０ｎｍ以下の微細な結晶粒となる。このため、このようなＣ層上にＡ層を形成すれば、Ａ層の形成条件が上記のように−３０〜−１００Ｖという低いバイアス電圧であるにもかかわらず、微細な結晶が成長するためより高硬度なＡ層を得ることが可能となる。

本発明の被覆膜は、上記のようにバイアス電圧を各層ごとに制御することにより、基材上に各層を積層して形成されるものであり、その他の積層に必要な諸条件は従来公知の一般的な条件を採用することができる。

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。

本実施例では、アークイオンプレーティング装置を用いて（すなわち物理的蒸着法であるアークイオンプレーティング法により）、基材上に被覆膜を形成した。まず、目的とする被覆膜が得られるように、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲットを選択するとともに、反応ガスとしてＮ₂、ＣＨ₄、Ｏ₂の中から選んだ少なくとも１種のガスとＡｒガスとからなる混合ガスを選択した。基材温度は４５０℃に設定した。

なお、基材としては、後述の３種の切削試験毎に異なった基材が用いられることから３種の基材を準備した。すなわち、エンドミル切削試験の基材としては超硬合金製エンドミル（直径（外径）１０ｍｍ、６枚刃）を使用し、ドリル切削試験の基材としては超硬合金製ドリル（直径（外径）８ｍｍ）を使用し、フライス切削試験の基材としてはＪＩＳ規格Ｐ３０超硬合金製フライス用スローアウェイチップ（形状：ＳＤＫＮ４２）を使用した。そして、同一の成膜条件の下、これらの基材毎に以下の表１および表２に記載した被覆膜（すなわちＡ層、Ｂ層およびＣ層を含み、基材と接する最下層はＣ層であり、かつＡ層とＢ層とはＣ層を挟んで交互に積層した構造のもの）をそれぞれ形成した。

表１に記載したＮｏ．１〜２５の被覆膜が本発明の実施例の被覆膜であり、表２に記載したＮｏ．３１〜４１の被覆膜が比較例の被覆膜である。なお、Ｎｏ．３１の比較例は、Ｎｏ．１の実施例に対応するものでＣ層を形成しない点が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．３２の比較例は、Ｎｏ．２の実施例に対応するもので第１複合金属の化学式においてａ＝０．７５となる点が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．３３の比較例は、Ｎｏ．３の実施例に対応するもので第１複合金属の化学式においてｃ＝０．４となる点が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．３４の比較例は、Ｎｏ．４の実施例に対応するもので第２複合金属の化学式においてｅ＝０．３となる点が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．３５の比較例は、Ｎｏ．５の実施例に対応するもので第１複合金属の化学式においてａ＝０．４となる点が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．３６の比較例は、Ｎｏ．６の実施例に対応するもので第１複合金属の化学式においてＭを含まない点が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．３７の比較例は、Ｎｏ．７の実施例に対応するものでＢ層を形成させない点（表２においてＢ層の組成が「なし」と表記されているのはＢ層に代えてＡ層をそこに記載されている厚みおよび層数で形成することを示し、その結果Ａ層とＣ層とを交互に積層したことを示す）が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．３８の比較例は、Ｎｏ．８の実施例に対応するものでＡ層を形成させない点（表２においてＡ層の組成が「なし」と表記されているのはＡ層に代えてＢ層をそこに記載されている厚みおよび層数で形成することを示し、その結果Ｂ層とＣ層とを交互に積層したことを示す）が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．３９の比較例は、Ｎｏ．９の実施例に対応するもので基材直上にのみＣ層を形成し、Ａ層とＢ層間にＣ層を形成させない点が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．４０の比較例は、Ｎｏ．１０の実施例に対応するものでＡ層とＢ層間のみにＣ層を形成し基材直上にＣ層を形成させない点が本発明の規定と異なる。Ｎｏ．４１の比較例は、Ｎｏ．２の実施例に対応するもので第１複合金属の化学式においてａ＝０．３、ｂ＝０．６５となる点が本発明の規定と異なる。

これらの被覆膜の具体的形成条件を表１に記載したＮｏ．１の被覆膜を例にとり以下に示す。すなわち、まずターゲット材料としては、Ａｌが５０原子％でありＴｉが４５原子％でありＣｒが５原子％である合金（Ａ層形成用ターゲット）と、Ｔｉが８０原子％でありＳｉが２０原子％である合金（Ｂ層形成用ターゲット）と、Ｔｉが１００原子％である金属（Ｃ層形成用ターゲット）との３種類を用いた（いずれも微量の不可避不純物を含むがそれを除外した表記としている）。

そして、上記装置に基材をセットし、Ａｒガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持しバイアス電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとして、基材表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、Ａｒガスを排気した。これにより、Ａｒイオンが基材表面をスパッタクリーニングし強固な汚れや酸化膜が除去された。

次に、基材上にＣ層を形成する。すなわち、チャンバー内の圧力が３ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し基材バイアス電圧を−１５０Ｖとした。Ｃ層形成用ターゲットをアーク放電によりイオン化し、Ｎ₂ガスと反応させることにより、基材直上に（基材と接するように）ＴｉＮによって構成される厚み０．２μｍのＣ層を形成した。

続いて、上記Ｃ層上にＡ層を形成する。すなわち、チャンバー内の圧力が２．６ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し基材バイアス電圧を−７０Ｖとした。Ａ層形成用ターゲットをアーク放電によりイオン化し、Ｎ₂ガスと反応させることにより、上記Ｃ層上に化学式Ａｌ_0.5Ｔｉ_0.45Ｃｒ_0.05で表わされる第１複合金属の窒化物で構成される厚み２．００μｍのＡ層を積層した。

次いで、上記でＣ層を形成したのと同条件を採用することにより、上記Ａ層上に再度ＴｉＮによって構成される厚み０．２μｍのＣ層を積層した。

次に、上記Ｃ層上にＢ層を形成する。すなわち、チャンバー内の圧力が２．６ＰａになるようにＮ₂ガスおよびＣＨ₄ガスを導入し基材バイアス電圧を−２００Ｖとした。Ｂ層形成用ターゲットをアーク放電によりイオン化し、Ｎ₂ガスおよびＣＨ₄ガスと反応させることにより、上記Ｃ層上に化学式Ｔｉ_0.8Ｓｉ_0.2で表わされる第２複合金属の炭窒化物で構成される厚み２．００μｍのＢ層を積層した。

このようにして、基材と該基材上に形成された被覆膜とを備え、該被覆膜は１層のＡ層と１層のＢ層と２層のＣ層とを含み、基材と接する最下層はＣ層であり、かつＡ層とＢ層とはＣ層を挟んで交互に積層した構造を有する本発明の表面被覆切削工具を製造した。このようにＣ層を挟んでＡ層とＢ層とを交互に積層することで密着性が良好な積層構造が可能となる。

なお、表１および表２に記載した他の被覆膜についても上記と同様の条件を流用することにより形成することができる。Ａ層、Ｂ層、およびＣ層の各厚みは成膜時間を制御することにより調整した。また、上記においては基材直上のＣ層上にはＡ層を形成しているが（この場合、被覆膜の最上層（表面を構成する層）は通常Ｂ層となるが、Ａ層となっていても良い）、Ｂ層を形成することにより積層を開始（この場合、被覆膜の最上層（表面を構成する層）は通常Ａ層となるが、Ｂ層となっていても良い）しても同様の効果を得ることができる。また、表１および表２では、Ａ層、Ｂ層、およびＣ層をそれぞれ複数形成する場合、各層毎の厚みは等しくなることを示しているが、前述の通りこのような厚みは異なるものであっても本発明の効果は示される。因みに、表１中のＮｏ．１８の被覆膜において、複数形成されるＡ層、Ｂ層、Ｃ層のそれぞれについて、厚みを変化させた（Ａ層は０．０６〜０．１μｍの範囲、Ｂ層も０．０６〜０．１μｍの範囲、Ｃ層も０．０６〜０．１μｍの範囲）が以下の各切削試験においては厚みを変化させなかったものと同様の結果が示された。

なお、表１および表２中、Ａ層の欄の組成において、化学式Ａｌ_aＴｉ_bＭ_c（ただしＭとしては具体的な元素記号を表記）で表わされる第１複合金属以外に記載されている元素記号につき、「Ｎ」は窒化物、「ＣＮ」は炭窒化物、「ＮＯ」は窒酸化物、「ＣＮＯ」は炭窒酸化物をそれぞれ示す（それぞれにつき、第１複合金属とこれらのガス成分との組成比は１：１とした（ガス成分を２種以上用いる場合はそのガス成分間の原子比は等比とした）ものを採用したが、前述の通りその組成比は特に限定されるものではなく他の組成比を採用しても同様の性能が示される）。

また、Ｂ層の欄の組成において、化学式Ｔｉ_dＳｉ_eで表わされる第２複合金属以外の「ＣＮ」は炭窒化物であることを示す（第２複合金属と「ＣＮ」との組成比は１：１とし、ＣとＮとの原子比も１：１としたが、前述の通りその組成比は特に限定されるものではなく他の組成比を採用しても同様の性能が示される）。

なお、Ｃ層を構成するＴｉＮは、ＴｉとＮとの原子比を１：１としたが、前述の通りその組成比は特に限定されるものではなく他の組成比を採用しても同様の性能が示される。

また、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層の厚みは各１層あたりの厚みを示し、層数とは積層される層数を示す。なお、Ｃ層については基材直上と各Ａ層とＢ層間に形成されるものであるため、層数は明らかであるのであえて記載していない。

また、表２において、Ａ層およびＢ層の欄には本発明のＡ層およびＢ層の規定外となるものも便宜上Ａ層およびＢ層として記載した。

そして、上記のようにして得られた表面被覆切削工具（すなわちエンドミル、ドリル、フライス用スローアウェイチップ）について、以下に示す切削条件の３種の切削試験を行ない切削性能の評価を行なった。表１に本発明の実施例の結果を、表２に比較例の結果をそれぞれ示す。

＜エンドミル切削試験＞
上記の通り、基材としては超硬合金製エンドミル（直径（外径）１０ｍｍ、６枚刃）を使用した。被削材はＳＫＤ６１（ＨＲＣ５３）とし、その側面切削をダウンカットで切削速度＝２００ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．０２５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、切り込み量Ａｄ＝１０ｍｍ、Ｒｄ＝０．６ｍｍ、エアーブローで行なった。

切削性能の評価（結果）は、切れ刃外周の摩耗幅が０．１ｍｍを越えた時点での切削距離として示してある。その距離が長い程切削性能が優れていること（工具の寿命が長寿命化されること）を示し、その距離が短かったり、切削開始の初期に欠損したりするもの（「初期欠損」と表記）は切削性能に劣ることを示す。

＜ドリル切削試験＞
上記の通り、基材としては超硬合金製ドリル（直径（外径）８ｍｍ）を使用した。被削材はＳ５０Ｃとし、その穴加工（穴深さ３０ｍｍの貫通穴）を切削速度＝７０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、切削油なしで行なった。

切削性能の評価（結果）は、先端マージン部の摩耗幅が０．２ｍｍを越えた時点での加工穴数として示してある。その加工穴数が多い程切削性能が優れていること（工具の寿命が長寿命化されること）を示し、その加工穴数が少なかったり、加工開始の初期に欠損したりするもの（「初期欠損」と表記）は切削性能に劣ることを示す。

＜フライス切削試験＞
上記の通り、基材としてはＪＩＳ規格Ｐ３０超硬合金製フライス用スローアウェイチップ（形状：ＳＤＫＮ４２）を使用した。被削材はＳＣＭ４３５とし、直径１６０ｍｍの正面フライス加工を切削速度＝２５０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、切り込み量＝２ｍｍ、切削油なしで行なった。

切削性能の評価（結果）は、逃げ面の摩耗幅が０．２ｍｍを越えた時点での切削距離として示してある。その距離が長い程切削性能が優れていること（工具の寿命が長寿命化されること）を示し、その距離が短かったり、切削開始の初期に欠損したりするもの（「初期欠損」と表記）は切削性能に劣ることを示す。

表１および表２より明らかなように、本発明の実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具と比較して工具寿命が著しく長寿命化しており、切削速度が高速でしかも切削油剤を用いないドライ加工のような苛酷な切削条件にも十分に対応できることが明らかである。

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 (4)

1. 基材と、該基材上に形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被覆膜は、１層以上のＡ層と１層以上のＢ層と２層以上のＣ層とを含み、前記基材と接する最下層はＣ層であり、かつＡ層とＢ層とはＣ層を挟んで交互に積層した構造を有し、
   前記Ａ層は、化学式Ａｌ_aＴｉ_bＭ_c（化学式中、ａ、ｂ、ｃは各々原子比を示し、０．４＜ａ＜０．７５、０≦ｂ＜０．６、０＜ｃ＜０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＝１を満たし、ＭはＳｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｂ、Ｎｂ、ＭｏおよびＭｎからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で表わされる第１複合金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物によって構成され、
   前記Ｂ層は、化学式Ｔｉ_dＳｉ_e（化学式中、ｄ、ｅは各々原子比を示し、０＜ｅ＜０．３、ｄ＋ｅ＝１を満たす。）で表わされる第２複合金属の炭窒化物によって構成され、
   前記Ｃ層は、ＴｉＮによって構成されることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記被覆膜は、０．５μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有し、
   前記Ａ層は、０．０５μｍ以上６μｍ以下の厚みを有し、
   前記Ｂ層は、０．０５μｍ以上６μｍ以下の厚みを有し、
   前記Ｃ層は、０．０５μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
3. 前記被覆膜は、物理的蒸着法により形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 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１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。