JP2010115760A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＶＮの特性とＴｉＡｌＮの特性とを兼備し、特に耐摩耗性に優れた被覆膜を備えた表面被覆切削工具を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被覆膜とを備え、該被覆膜は、ＶＮからなるＡ層と、Ｔｉ_1-xＡｌ_xＮ（ただし式中ｘは０．３≦ｘ≦０．７）からなるＢ層とが交互に各々２層以上積層されてなり、該Ａ層の層厚λａと該Ｂ層の層厚λｂとは、それぞれ２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、その層厚比λａ／λｂは、基材側から被覆膜の最表面側にかけて増大し、かつ基材に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは０．１以上０．７以下であり、最表面側に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは１．５以上１０以下であることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材とその上に形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具に関する。

最近の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、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の理由から、工具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。特に工具材料の要求特性として、基材上に形成される被覆膜の高温での安定性（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の向上や潤滑油剤に代替する被覆膜の潤滑特性が一段と重要となっている。

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、高速度鋼等の硬質基材からなる切削工具や耐摩耗工具等の表面には、硬質被覆膜としてＴｉＡｌＮを単層または複層形成することはよく知られているところである。しかしながら、最近の高速、ドライ加工では、ＴｉＡｌＮからなる硬質被覆膜では十分な工具寿命が得られないのが現状である。

このような状況下、高速切削時における硬質被覆膜の温度上昇を抑制し、長い工具寿命を実現する方法として、ＴｉＡｌＮからなる硬質被覆膜に潤滑性、耐溶着性を向上させる元素としてＶを添加する試みが提案されている。

たとえば、特許文献１では、基材上に層厚が０．５μｍ以上１５μｍ以下の硬質被覆膜であって、その組成が（Ｔｉ_xＡｌ_yＶ_ｚ)(Ｃ_uＮ_vＯ_w)（ただし式中ｘ、ｙ、ｚ、ｕ、ｖ、ｗはそれぞれ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０．２＜ｘ＜１、０≦ｙ＜０．８、０．０２≦ｚ＜０．６、０≦ｕ＜０．７、０．３＜ｖ≦１、０≦ｗ＜０．５）からなるものを形成した表面被覆切削工具が提案されている。

また、同じく特許文献１には別の試みとして、基材上に（Ｔｉ_aＡｌ_bＶ_c)（Ｃ_dＮ_eＯ_f）（ただし式中ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆはそれぞれ、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０．２＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．８、０≦ｃ＜０．６、０≦ｄ＜０．７、０．３＜ｅ≦１、０≦ｆ＜０．５）からなる層と、ＶＮ（窒化バナジウム）からなる層とをそれぞれの層厚が０．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下になるように複数層積層したものを硬質被覆膜とする表面被覆切削工具も提案されている。

また、特許文献２では、基材上の硬質被覆膜が上部層と下部層からなるものであって、上部層の層厚は０．５μｍ以上１．５μｍ以下であり、下部層の層厚は２μｍ以上６μｍ以下であり、さらに上部層は薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造であって、薄層Ａと薄層Ｂのいずれの層厚もそれぞれ５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、薄層Ａは、[Ｔｉ_1-(E+F)Ａｌ_EＶ_F]Ｎ（ただし式中Ｅ、Ｆは０．０５≦Ｅ≦０．２０、０．４０≦Ｆ≦０．５５）からなるＴｉとＡｌとＶとの複合窒化物層であり、薄層Ｂは、[Ｔｉ_1-(M+N)Ａｌ_MＶ_N]Ｎ（ただし式中Ｍ、Ｎは０．５０≦Ｍ≦０．６５、０．０１≦Ｎ≦０．１０）からなるＴｉとＡｌとＶとの複合窒化物層であり、下部層は[Ｔｉ_1-(X＋Y)Ａｌ_XＶ_Y]Ｎ（ただし式中Ｘ、Ｙは０．５０≦Ｘ≦０．６５、０．０１≦Ｙ≦０．１０）からなるＴｉとＡｌとＶとの複合窒化物の単一の層構造からなる表面被覆切削工具が提案されている。
特開平１０−２３７６２８号公報 特開２００７−１０５８４０号公報

上記特許文献１において、硬質被覆膜に用いる(Ｔｉ_xＡｌ_yＶ_z)(Ｃ_uＮ_vＯ_w)（ただし式中ｘ、ｙ、ｚ、ｕ、ｖ、ｗはそれぞれ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０．２＜ｘ＜１、０≦ｙ＜０．８、０．０２≦z＜０．６、０≦ｕ＜０．７、０．３＜ｖ≦１、０≦ｗ＜０．５）は、潤滑性、耐溶着性、耐摩耗性および耐熱性のバランスを取るために、Ｖの組成範囲を０．０２≦ｚ＜０．６としているが、Ｖの組成が０．６に近いと潤滑性および耐溶着性はよくなるが、耐摩耗性および耐熱性が不十分となり、Ｖの組成が０．０２に近いと耐摩耗性および耐熱性はよくなるが、潤滑性および耐溶着性が不十分となるという課題があった。

また、特許文献１には、硬質被覆膜の潤滑性および耐溶着性をさらに高めるためのもう一つの試みとして、基材上に（Ｔｉ_aＡｌ_bＶ_c)(Ｃ_dＮ_eＯ_f)からなる層と、ＶＮ層とをそれぞれ複数層積層することにより、硬質被覆膜に含まれるＶの組成を多くすることが提案されているが、(Ｔｉ_aＡｌ_bＶ_c)(Ｃ_dＮ_eＯ_f)とＶＮの層厚の比が硬質被覆膜内で一定であるため、たとえばＶＮの優れた潤滑性および耐溶着性を活かすためにＶＮの層厚を厚くすると、耐摩耗性および耐熱性が不十分となり、(Ｔｉ_aＡｌ_bＶ_c)(Ｃ_dＮ_eＯ_f)の層厚を厚くすると、ＶＮの潤滑性および耐溶着性が不十分となるという問題があった。

また、特許文献２においては、基材上の被膜を上部層と下部層の２層構造とし、上部層ではＶの組成を多くすることにより、潤滑性および耐溶着性を高め、下部層ではＶ組成を少なくすることにより、耐摩耗性および耐熱性を高めようと試みているが、上部層のＶ組成の多いＡ層でもＶの組成比は０．４０〜０．５５程度であるため、ＶＮの優れた潤滑性、耐溶着性が十分に活かしきれないという問題があった。

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、ＶＮの特性とＴｉＡｌＮの特性とを兼備し、特に耐摩耗性に優れた被覆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、基材とその上に形成された被覆膜とを備え、該被覆膜は、ＶＮからなるＡ層と、Ｔｉ_1-xＡｌ_xＮ（ただし式中ｘは０．３≦ｘ≦０．７）からなるＢ層とが交互に各々２層以上積層されてなり、該Ａ層の層厚λａと該Ｂ層の層厚λｂとは、それぞれ２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、その層厚比λａ／λｂは、基材側から被覆膜の最表面側にかけて増大し、かつ基材に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは０．１以上０．７以下であり、最表面側に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは１．５以上１０以下であることを特徴としている。

ここで、本発明の表面被覆切削工具は、上記基材と上記被覆膜との間に、さらに中間層を備え、該中間層は、０．１μｍ以上１μｍ以下の層厚を有し、かつＴｉＮ、ＣｒＮ、Ｔｉ、およびＣｒからなる群より選ばれる少なくとも１種で構成されることが好ましい。

また、上記被覆膜は、その全体の膜厚が０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、物理的蒸着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、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、ＶＮの特性とＴｉＡｌＮの特性とを兼備し、特に耐摩耗性に優れた被覆膜を備えたものである。

以下、本発明について、詳細に説明する。なお、本発明において、層厚または膜厚は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により測定し、その組成はエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）により測定するものとする。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被覆膜とを備えたものである。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よく、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＞
本発明の被覆膜は、ＶＮからなるＡ層と、Ｔｉ_1-xＡｌ_xＮ（ただし式中ｘは０．３≦ｘ≦０．７）からなるＢ層とが交互に各々２層以上積層されてなり、該Ａ層の層厚λａと該Ｂ層の層厚λｂとは、それぞれ２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、その層厚比λａ／λｂは、基材側から被覆膜の最表面側にかけて増大し、かつ基材に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは０．１以上０．７以下であり、最表面側に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは１．５以上１０以下であることを特徴としている。

このような本発明の被覆膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被覆膜が形成されていない態様をも含み、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、本発明の被覆膜は、その全体の膜厚が０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。０．５μｍ未満であると耐摩耗性に劣る場合があり、２０μｍを超えると被覆膜に残存する圧縮応力に耐え切れず被覆膜が自己破壊する場合がある。このような被覆膜の特に好ましい膜厚は２μｍ以上１５μｍ以下である。

以下、このような被覆膜についてさらに詳細に説明する。
＜Ａ層＞
被覆膜を構成するＡ層は、ＶＮであることを特徴とする。このようなＡ層は潤滑性、耐溶着性に優れるため、被削材の加工品位の向上や、高速、ドライ加工時の刃先温度低下に効果的である。

なお、ＶＮという表記は、ＶとＮの原子比が１：１の場合のみに限られるものではなく、従来公知の原子比を全て含み得るものであり、両者の原子比は特に限定されない。

＜Ｂ層＞
上記のＡ層とともに被覆膜を構成するＢ層は、Ｔｉ_1-xＡｌ_xＮ（ただし式中ｘは０．３≦ｘ≦０．７）であることを特徴とする。このようなＢ層は耐摩耗性と耐酸化性と靭性とのバランスに優れるが、さらなる高速、ドライ加工へ対応するためにはそれ単体では限界があるため、本発明においては上記のＡ層と積層されるものである。ここで、上記ｘは０．４≦ｘ≦０．６５であることがさらに好ましく、この場合耐摩耗性と耐酸化性と靭性とのバランスが一層良好なものとなる。上記式中、ｘが０．３未満では、耐摩耗性が著しく低下する結果となり、ｘが０．７を超えても耐摩耗性が著しく低下する結果となる。

なお、Ｔｉ_1-xＡｌ_xＮという表記において、「Ｔｉ_1-xＡｌ_x」と「Ｎ」との比は１：１の場合のみに限られるものではなく、従来公知の比を全て含み得るものであり、両者の比は特に限定されない。

＜被覆膜の積層構造＞
本発明の被覆膜は、上記のＡ層と上記のＢ層とが交互に各々２層以上積層されていることを基本とする。これは、潤滑性、耐溶着性に優れるＡ層と、耐摩耗性と耐酸化性と靭性とに優れるＢ層とを交互に積層させることにより、これらの両層が有するそれぞれの特性を享受することを期待したものである。しかし、これら両層を均一な層厚で単純に積層させただけでは両層が有する特性を両立させることはできず、特に耐摩耗性が不十分なものとなる。

そこで、本発明は、種々の検討を重ねた結果、該Ａ層の層厚をλａとし、該Ｂ層の層厚をλｂとする場合、その層厚比λａ／λｂが基材側から被覆膜の最表面側にかけて増大する場合において、上記両層の特性が両立される傾向が示され、特に基材に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂを０．１以上０．７以下とし、最表面側に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂを１．５以上１０以下とした場合に、両層の特性が何等損ねられることなく十分に発揮されることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明の被覆膜は、高速、ドライ加工における工具寿命を著しく改善することに成功したものである。

このように、基材側においてＢ層を厚くすることにより、特に耐摩耗性と耐酸化性と靭性とのバランスが優れたものとなる。基材に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂが０．１未満の場合、後述の物理的蒸着法による成膜が困難となり、０．７を超えると耐摩耗性が低下したり靭性が低下し切削中に被覆膜が破壊する結果となる。基材に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは、さらに好ましくは０．２以上０．５以下である。

一方、最表面側ではＡ層を厚くすることにより、特に潤滑効果による刃先温度の低下や被削材の加工品位が向上することになる。最表面側に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂが１．５未満の場合、Ａ層による潤滑効果や耐溶着性改善効果が発揮できない結果となり、１０を超えると耐摩耗性や靭性が低下する結果となる。最表面側に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは、さらに好ましくは２以上５以下である。

ここで、Ａ層の層厚λａおよびＢ層の層厚λｂはそれぞれ２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、より好ましくは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。これらの層厚が２ｎｍ未満の場合、後述のように成膜装置の基材をセットする回転テーブルの回転数が非常に早くなり、装置スペック上成膜が困難となり、１０００ｎｍを超えると層厚が厚すぎるため、Ａ層とＢ層とを組合せる効果が低減する。

また、「基材に最も近いＡ層とＢ層」とは、図１や図３に示したようにＢ層１０３が基材１０１と接する（後述の中間層が形成される場合は中間層に接する）ようにしてもよいし、図２や図４に示したようにＡ層１０２が基材１０１に接するようにしてもよい。また、「最表面側に最も近いＡ層とＢ層」とは、図１および図４に示すようにＡ層１０２が最表面を構成するものであってもよいし、図２および図３に示すようにＢ層１０３が最表面を構成するものであってもよい。このように、Ａ層１０２とＢ層１０３の積層順序は、これら両層が交互に積層される限り、基材１０１上にどちらの層を形成させて積層を開始してもよいし、最表面層としてどちらの層を形成させてその積層を終えてもよい。なお、図１〜図４における点線部分は積層が繰り返されていることを示すものであるが、本発明の積層態様の最少積層数はＡ層１０２、Ｂ層１０３がともに２層ずつである計４層の場合である。

一方、基材側から被覆膜の最表面側にかけての層厚比λａ／λｂの増大の態様は、たとえばその概念を模式的に示すと図５に示すように「連続的」に増大するものであってもよいし、図６に示すように「段階的」に増大するものであってもよい。また、「段階的」に形成した場合、その段差（すなわち層厚比λａ／λｂの差）は図６に示したように一定でなくても良く、いずれにせよ基材側と最表面側の層厚比λａ／λｂが上述のように異なっていることが重要である。

＜中間層＞
本発明の表面被覆切削工具は、上記基材と上記被覆膜との間にさらに中間層を備え、該中間層は、０．１μｍ以上１μｍ以下の層厚を有し、かつＴｉＮ、ＣｒＮ、Ｔｉ、およびＣｒからなる群より選ばれる少なくとも１種で構成されることが好ましい。

このような中間層は、基材表面と上記被覆膜との両者に対して密着性がよいので、基材と被覆膜との密着性を向上させることができる。よって、被覆膜が基材から剥がれることなく切削工具寿命をさらに向上させることができる。このような中間層の厚みが０．１μｍ未満では密着強度の向上が見られず、逆に１μｍを超えても密着強度の更なる向上は見られない。このような中間層のさらに好ましい厚みは、０．２μｍ以上０．５μｍ以下である。

＜製造方法＞
本発明の被覆膜は、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により形成されることが好ましい。これは、本発明の被覆膜を基材表面に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不可欠であり、種々の成膜方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが最適であることが見出されたからである。物理的蒸着法には、たとえばスパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、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もしくはスパッタリング法を用いると、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が可能となるため、被覆膜と基材の密着性が格段に向上するので好ましい。

したがって、本発明の被覆膜は次のようにして形成することが好ましい。まず、物理的蒸着法の一種であるカソードアークイオンプレーティング法を採用する場合について説明する。図７は、カソードアークイオンプレーティング法に用いられるアークイオンプレーティング装置２００の概略図である。対向する蒸発源２０１と２０２において、蒸発源２０１にはＡ層用のＶターゲットをセットし、蒸発源２０２にはＢ層用のＴｉＡｌターゲットをセットする。また、回転テーブル２０４に基材２１０（切削工具）をセットする。

そして、装置内が真空となるように排気し、Ａｒガスによるスパッタクリーニング（ボンバード）を行なった後、回転テーブル２０４を３ｒｐｍで回転させ、蒸発源２０１および２０２をアーク放電させ各ターゲットをイオン化させる。同時に反応ガスである窒素をガス導入口２０５より導入し、基材２１０表面に各窒化物（すなわちＡ層およびＢ層）を成膜させる。

すなわち、蒸発源２０１の前を基材２１０が通過するときにＶＮからなるＡ層が積層され、蒸発源２０２の前を基材２１０が通過するときにＴｉ_1-xＡｌ_xＮからなるＢ層が成膜され、このように回転テーブル２０４が回転するのにしたがいＡ層とＢ層とを順次交互に積層させることができる。

ここで、蒸発源２０２にセットされるターゲットの組成（ＴｉとＡｌの比）によりＢ層を構成するＴｉ_1-xＡｌ_xＮのｘを決定することができる。また、成膜開始直後はたとえば蒸発源２０１のアーク電流を７０Ａとし、蒸発源２０２のアーク電流を１５０Ａにするというように、蒸発源２０１のアーク電流値を蒸発源２０２のアーク電流値より小さくすることによって、基材側におけるＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂを最表面側に比し小さくすることができる。すなわち、基材に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂを０．１以上０．７以下という関係を満たすように設定することができる。

一方、成膜継続中において、連続的または段階的に蒸発源２０１のアーク電流値を大きくし、蒸発源２０２のアーク電流値を小さくすることにより、層厚比λａ／λｂを基材側から被覆膜の最表面側にかけて増大させることができる。この場合、電流値の変化を連続的なものとすれば図５に示すように層厚比λａ／λｂは連続的に増大し、電流値の変化を段階的なものとすれば図６に示すように層厚比λａ／λｂは段階的に増大することになる。

そして、成膜終了直前の蒸発源２０１のアーク電流を１５０Ａとし、蒸発源２０２のアーク電流を７０Ａにするというように、蒸発源２０１のアーク電流値を蒸発源２０２のアーク電流値より大きくすることによって、最表面側に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂを１．５以上１０以下という関係を満たすように設定することができる。

なお、上記の電流値の変化の態様を種々変更させることにより層厚比λａ／λｂの変化の態様を種々変化させることができる。たとえば、いずれか一方の電流値を一定にし他方の電流値のみを変化させると、Ａ層またはＢ層のいずれか一方の層の層厚のみが相対的に変化するというような態様とすることができる。また、蒸発源２０２のアーク電流値を小さくする代わりに、蒸発源２０１の増大幅よりは小さくなるような増大幅で増大させることにより、Ｂ層の層厚を被覆膜の最表面側にかけて厚くするようにしながらその層厚比λａ／λｂを増大させることが可能となる。

以上、回転テーブル２０４の回転数、アーク電流値により各層の層厚は制御可能である。なお、Ａ層およびＢ層の各層厚が２ｎｍ未満では回転テーブルの回転数が非常に早くなり、装置スペック上成膜が困難となる。また、各層厚が１０００ｎｍを超えると層厚が厚すぎることにより、Ａ層とＢ層とを組合せる効果が低減するため好ましくない。

なお、アークイオンプレーティング装置２００は、蒸発源２０３を有することができ、中間層を形成する場合は中間層用のターゲットをセットすることができる。また、該装置には、複数のヒータ２０６が備えられている。

一方、本発明の被覆膜の形成方法としてスパッタリング法を採用する場合は、次のようになる。なお、スパッタリング法を用いると、層厚比λａ／λｂの値の制御範囲が広く、また被覆膜の面粗度が改善されて被削材の加工品位が上がるという効果が期待できる。

まず、スパッタリング法を採用する場合の装置としては、図７のアークイオンプレーティング装置において、蒸発源２０１および２０２にアーク蒸発源の代わりにスパッタ蒸発源を用いたスパッタリング装置を用いれば良い。そして、蒸発源２０１および２０２（スパッタ蒸発源）に投入する電力値（パルスＤＣスパッタ電力）を上記のアークイオンプレーティング法の場合のアーク電流値と同様にして変化させることにより、層厚比λａ／λｂの値を変化させることができる。

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。

図７のようなアークイオンプレーティング装置およびスパッタリング装置を用い、各層形成用のターゲットを蒸発源にセットし、基材温度４５０℃にて基材上に被覆膜（および中間層を形成するものは基材と被覆膜との間に中間層）を成膜した。

基材としては、超硬合金製エンドミル（φ１０、６枚刃）、超硬合金製ドリル（φ８）、Ｐ２０相当超硬合金製旋削加工用刃先交換型切削チップ（形状：ＣＮＭＧ１２０４０８Ｎ−ＧＵ）の３種類を準備し、それぞれに表１に示した実施例１〜２３および比較例１〜７の被覆膜を成膜した。

表１中、「成膜方法」の欄の「ＩＰ」はカソードアークイオンプレーティング法（成膜装置：アークイオンプレーティング装置）により成膜したことを示し、「ＳＰ」はスパッタリング法（成膜装置：スパッタリング装置）により成膜したことを示す。「中間層」の欄が空欄のものは中間層が形成されていないことを示し、それ以外のものは「組成」の欄に記載した組成の中間層が「層厚」の欄に示した層厚で形成されていることを示す。被覆膜は、「組成」の欄に記載した「Ａ層」および「Ｂ層」を積層させて構成し、「基材側」および「最表面側」の欄に基材側および最表面側のＡ層の層厚（λａ）、Ｂ層の層厚（λｂ）、および層厚比λａ／λｂを示した。なお、この層厚比λａ／λｂは、基材側から被覆膜の最表面側にかけて増大するものである。また、「層厚比の変化の態様」の欄にその被覆膜の層厚比λａ／λｂの変化の態様が「連続的」であるか、「段階的」であるかを示した。「全体膜厚」の欄は、被覆膜の膜厚を示している。

たとえば、実施例１は、図７のアークイオンプレーティング装置を用い、蒸発源２０１、蒸発源２０２のターゲット材料にＶ、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5をそれぞれ用いて被覆膜を形成したとともに、中間層用に蒸発源２０３のターゲット材料にＴｉを用いて中間層を形成した表面被覆切削工具に関するものである。

まず、Ａｒガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持しＤＣバイアス電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとし基材表面のクリーニング（ボンバード）を１５分間行なった。その後アルゴンガスを排気した。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。

次に中間層としてＴｉＮを成膜した。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ＤＣバイアス電圧を−５０Ｖとした。Ｔｉターゲットをアーク電流１５０Ａとしてイオン化しＮ₂ガスと反応させて基材直上にＴｉＮからなる中間層を成膜した。

次いで、Ａ層およびＢ層を成膜した（すなわち被覆膜を形成した）。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ＤＣバイアス電圧を−５０Ｖとした。Ｖターゲットをアーク電流８０Ａ、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5ターゲットをアーク電流２００Ａとしてイオン化し、Ｎ₂ガスと反応させてＴｉＮからなる中間層上にＶＮからなるＡ層とＴｉ_0.5Ａｌ_0.5ＮからなるＢ層を、層厚比λａ／λｂが０．４０となるように成膜した。

その後、連続的にアーク電流を変化させ、成膜終了直前においてＶターゲットをアーク電流１８０Ａ、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5ターゲットをアーク電流６０Ａとし、最表面側の層厚比λａ／λｂが３．００となるように成膜することにより、本発明の表面被覆切削工具を製造した。なお、Ａ層とＢ層の積層数は、それぞれ３２３層であった。

一方、実施例２は、アンバランスドマグネトロンスパッタ装置（すなわちスパッタリング法）を用い、蒸発源２０１、蒸発源２０２のターゲット材料にＶ、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5をそれぞれ用いて被覆膜を形成したとともに、中間層用に蒸発源２０３のターゲット材料にＣｒを用いて中間層を形成した表面被覆切削工具に関するものである。

まず、Ａｒガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持しＤＣバイアス電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとすることにより、基材表面のクリーニング（ボンバード）を１５分間行なった。その後アルゴンガスを排気した。

次に中間層としてＣｒＮを成膜した。チャンバー内の圧力が０．６ＰａになるようにＡｒガスとＮ₂ガスを１：１の流量比で導入し、基材パルスＤＣバイアス電圧を−９０Ｖとした。ＣｒターゲットをパルスＤＣスパッタ電力２０００Ｗとしてイオン化しＮ₂ガスと反応させて基材直上にＣｒＮからなる中間層を成膜した。

次いで、Ａ層およびＢ層を成膜した。チャンバー内の圧力が０．６ＰａになるようにＡｒガスとＮ₂ガスを１：１の流量比で導入し、基材パルスＤＣバイアス電圧を−９０Ｖとした。ＶターゲットをパルスＤＣスパッタ電力６００Ｗ、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5ターゲットをパルスＤＣスパッタ電力２０００Ｗとしてイオン化し、Ｎ₂ガスと反応させて、ＣｒＮからなる中間層上にＶＮからなるＡ層とＴｉ_0.5Ａｌ_0.5ＮからなるＢ層を、層厚比λａ／λｂが０．３０となるように成膜した。

その後、段階的にパルスＤＣスパッタ電力を変化させ、成膜終了直前においてＶターゲットをパルスＤＣスパッタ電力３２００Ｗ、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5ターゲットをパルスＤＣスパッタ電力８００Ｗとし、最表面側の層厚比λａ／λｂが４．００となるように成膜することにより、本発明の表面被覆切削工具を製造した。なお、Ａ層とＢ層の積層数は、それぞれ３０３層であった。

他の実施例および比較例の表面被覆切削工具もこれらのものと同様にして製造した。そして、このようにして得られた表面被覆切削工具（すなわち表面被覆エンドミル、表面被覆ドリル、表面被覆旋削加工用刃先交換型切削チップ）について次に示す切削条件にて評価を行なった。その切削評価の結果を表２に示す。

（１）エンドミル評価
表面被覆エンドミルを用いて行なった。すなわち、エンドミル切削条件は基材として６枚刃、外径１０ｍｍの超硬合金製エンドミルを用い、被削材はＳＫＤ１１（ＨＲＣ６１）とし、側面切削をダウンカットで切削速度＝２００ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．０２５ｍｍ／刃、切込み量ａ_ｐ＝１０ｍｍ、ａ_ｅ＝０．６ｍｍ、エアーブローで行なった。切削長５０ｍ時点での切れ刃外周の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れていることを示している。

（２）ドリル評価
表面被覆ドリルを用いて行なった。すなわち、ドリル切削条件は基材として外径８ｍｍの超硬合金製ドリルを用い、被削材はＳ５０Ｃとし、穴加工を切削速度＝８０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、穴深さ３０ｍｍの貫通穴、切削油なしで行なった。切削長３０ｍ時点での先端マージン部の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れていることを示している。

（３）旋削チップ評価
表面被覆旋削加工用刃先交換型切削チップを用いて行なった。旋削条件は基材としてＰ２０相当超硬合金製旋削加工用刃先交換型切削チップ（形状：ＣＮＭＧ１２０４０８Ｎ−ＧＵ）を用い、被削材はＳＣＭ４３５（直径３５０ｍｍ）とし、切削速度＝３００ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、切込み量＝１．５ｍｍ、水溶性切削油で行なった。切削時間１５分時点での逃げ面の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れていることを示している。

表２より、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向上しており、高速、ドライ加工に十分対応できることがわかった。すなわち、本発明の表面被覆切削工具が、ＶＮの特性とＴｉＡｌＮの特性とを兼備し、特に耐摩耗性に優れた被覆膜を備えたものであることが確認された。

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。

基材直上にＢ層が形成され、最表面層にＡ層が形成された態様の被覆膜を示す概略断面図である。 基材直上にＡ層が形成され、最表面層にＢ層が形成された態様の被覆膜を示す概略断面図である。 基材直上にＢ層が形成され、最表面層にもＢ層が形成された態様の被覆膜を示す概略断面図である。 基材直上にＡ層が形成され、最表面層にもＡ層が形成された態様の被覆膜を示す概略断面図である。 層厚比λａ／λｂが連続的に増大することを概念的に示したグラフである。 層厚比λａ／λｂが段階的に増大することを概念的に示したグラフである。 アークイオンプレーティング装置の概略図である。

符号の説明

１０１，２１０ 基材、１０２ Ａ層、１０３ Ｂ層、２００ アークイオンプレーティング装置、２０１，２０２，２０３ 蒸発源、２０４ 回転テーブル、２０５ ガス導入口、２０６ ヒータ。

Claims (5)

1. 基材とその上に形成された被覆膜とを備え、
   前記被覆膜は、ＶＮからなるＡ層と、Ｔｉ_1-xＡｌ_xＮ（ただし式中ｘは０．３≦ｘ≦０．７）からなるＢ層とが交互に各々２層以上積層されてなり、
   前記Ａ層の層厚λａと前記Ｂ層の層厚λｂとは、それぞれ２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
   その層厚比λａ／λｂは、基材側から被覆膜の最表面側にかけて増大し、かつ基材に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは０．１以上０．７以下であり、最表面側に最も近いＡ層とＢ層の層厚比λａ／λｂは１．５以上１０以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記基材と前記被覆膜との間に、さらに中間層を備え、
   前記中間層は、０．１μｍ以上１μｍ以下の層厚を有し、かつＴｉＮ、ＣｒＮ、Ｔｉ、およびＣｒからなる群より選ばれる少なくとも１種で構成される、請求項１記載の表面被覆切削工具。
3. 前記被覆膜は、その全体の膜厚が０．５μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
4. 前記被覆膜は、物理的蒸着法により形成される、請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 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、請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。

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