JP2011011270A - 放射冷却能力に優れた硬質皮膜被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】切削工具を形成する各刃部が被削材と接触する時間が少ない切削加工であっても硬質皮膜の放熱効果を発揮する切削工具を提供する。
【解決手段】超硬合金、高速度工具鋼またはサーメットから成る基材の表層に被覆する硬質皮膜が（Ａｌ_ａＣｒ_ｂＭ_Ｃ）Ｃ_{１００−ｄ}Ｎ_ｄからなり、ＭはＳｉおよび／またはＴｉとする。また、Ａｌ、Ｃｒ、ＭおよびＮの原子比をそれぞれａ、ｂ、ｃおよびｄと表した時に、ａ≧５０、ａ＋ｂ≧８０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、およびｄ≧９０の関係を満たす。さらに硬質皮膜の放射率の最大値が赤外線の波長で２μｍから７μｍまでの範囲に存在し、放射率の最大値を０．９０以上とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、切削加工中に優れた放射冷却能力を発揮する硬質皮膜を被覆した切削工具に関する。

従来、切削工具の耐摩耗性を高め、工具寿命を延ばすためにＴｉＮをはじめとする硬質皮膜を被覆することが行われてきた。また、研削液を使用しない乾式加工（ドライ加工）や高速加工のためには、より高い耐熱性が必要となり硬質皮膜の主流はＡｌを含むＴｉＡｌＮや耐熱性の高いＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＮなどの硬質皮膜へと移り変わってきている。

例えば、特許文献１には超硬合金、高速度工具鋼またはサーメットから成る基材上に、（Ａｌ_ａＣｒ_ｂＭ_Ｃ）（Ｃ_１−ｄＮ_ｄ）からなる硬質皮膜であって、Ｍは１種または２種以上の金属および半金属元素であり、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍのそれぞれの原子比ａ、ｂ、ｃが７５≦ａ≦９５、５≦ｂ≦２５、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００を満たし、かつＮの原子比ｄが５０≦ｄ≦１００となる硬質皮膜を少なくとも１層以上被覆した切削工具は高速切削が可能で耐熱性に優れている旨が開示されている。

しかし、特許文献１に開示された切削工具ではドライ加工の場合、たとえ耐熱性に優れていても耐熱温度を超えると切削加工中に発生した熱は放熱されない限り、徐々に切削工具に蓄積されて、ついには強度低下や亀裂発生の原因になるという問題があった。

そこで、特許文献２には超硬合金の基材上に平均膜厚が０．８〜５μｍであるＡｌＴｉＮからなる下層の硬質皮膜と、平均膜厚が０．１〜０．５μｍであるＺｒＢＮからなる中間層の硬質皮膜と、平均膜厚が０．８〜５μｍである硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）からなる上層の硬質皮膜とから成る複合硬質皮膜を被覆した切削工具は、ＺｒＢ_２からなる上層の硬質皮膜の優れた熱伝導性により高速切削時に発生する高熱を速やかに放熱する旨が開示されている。

特開２００６−１７５５６９号公報 特開２００６−１００４号公報

しかし、特許文献２に開示された切削工具では熱伝導による放熱効果を利用して切削工具の過熱を抑制しているが、例えば切削工具でホブを用いた加工ではドリルを用いた加工に比べて、ホブを形成する各刃部に着目した場合に被削材と接触する時間が非接触の時間よりも短くなるため、熱伝導による硬質皮膜の放熱効果は低下する。また、エンドミルを用いた加工も側面加工を行う場合は、溝加工を行う場合に比べてエンドミルを形成する各刃部の被削材との接触時間が短くなるので、熱伝導による硬質皮膜の放熱効果は同様に低下する。つまり、切削工具の種類や同一の切削工具でも加工態様の違いによって、切削工具を形成する各刃部と被削材との接触時間が短くなるほど放熱効果が低下するという問題があった。

本発明の課題は、前述した問題点に鑑みて、切削工具を形成する各刃部が被削材と接触する時間が少ない切削加工であっても硬質皮膜の放熱効果を発揮する切削工具を提供することである。

本出願人は、かかる課題を解決するために特許文献２に開示された熱伝導による放熱効果では上述したように切削工具の温度上昇を抑えるには限界があるため、硬質皮膜の熱放射による放熱現象に着目して鋭意研究を重ねた結果、特定の赤外線波長における硬質皮膜が有する放射率を利用することで切削工具の放熱効果を高めることができることを知得した。

この知得により、本発明においては、超硬合金、高速度工具鋼またはサーメットから成る基材の表層に被覆する硬質皮膜が（Ａｌ_ａＣｒ_ｂＭ_Ｃ）Ｃ_{１００−ｄ}Ｎ_ｄからなる硬質皮膜であって、ＭはＳｉおよび／またはＴｉであり、Ａｌ、Ｃｒ、ＭおよびＮの原子比をそれぞれａ、ｂ、ｃおよびｄと表した時に、ａ≧５０、ａ＋ｂ≧８０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、およびｄ≧９０を満たし、かつ硬質皮膜の放射率の最大値が赤外線の波長２μｍから７μｍまでの範囲に存在し、その最大値が０．９０以上である切削工具とすることで上記課題を解決した。以下、本発明に係る切削工具に被覆する硬質皮膜の放熱効果について説明する。

物体の温度Ｔと黒体の放射発散度が最大となる波長λとの積は一定であるという下式に示すウィーンの変位則によれば、物体の温度が高ければその物体から放射する赤外線の波長は短くなることがわかっている。
λＴ＝２８９７（μｍ・Ｋ）
上式を利用すると、例えばドライ加工中の切削工具の刃先温度を６００Ｋ（３２７℃）〜１３００Ｋ（１０２７℃）の範囲とした場合、切削工具の刃先に被覆した硬質皮膜から放射する赤外線の波長は２μｍ〜５μｍの範囲にピークが存在し、その範囲の放射エネルギー密度（分光放射発散度）が一番高い領域となる。したがって波長が２μｍ〜５μｍの範囲にある赤外線を積極的に放射させることで切削工具の刃先温度を速やかに低下できる。

また、下式は物体の温度Ｔ_ＣＥＮと、その物体が持つ放射エネルギーを２分する赤外線の波長λ_ＣＥＮとの積が一定値であることを示す。
λ_ＣＥＮＴ_ＣＥＮ＝４１０８（μｍ・Ｋ）
上式を利用すると上述の刃先温度が６００Ｋ〜１３００Ｋの範囲にある切削工具では、その放射エネルギーを２分する波長の範囲は３μｍ〜７μｍである。したがって波長３μｍ〜７μｍの範囲にある赤外線を積極的に放射させることでも、切削工具の刃先温度を速やかに下げることができる。

さらに、切削工具を含めた全ての物体は、キルヒホッフの法則によると赤外線を放射しており、放射する赤外線と吸収する赤外線の量が同じ時、物体は放射による温度変化をしないことがわかっている。そのため、物体の温度が高いとき、その物体は吸収するよりも多くの赤外線を放射して物体自身の温度が低下する。このとき、赤外線の放射量は物体の温度と物体固有の放射率で決まり、放射率の高い物体ほど赤外線の放射量は多く、温度が低下しやすいことになる。

以上より、６００Ｋ〜１３００Ｋの温度域で使用する切削工具の場合、切削工具に被覆した硬質皮膜から放射する赤外線の波長のピークが２μｍ〜７μｍの範囲にあり、その範囲の放射率を高くすることで硬質皮膜の放熱効果が発揮されて、結果として切削工具の温度を効率的に低下できる。そこで、請求項１に係る本発明は、切削工具に被覆した硬質皮膜の放射率の最大値が赤外線の波長２μｍから７μｍまでの範囲に存在し、かつその最大値が０．９０以上である硬質皮膜を被覆した切削工具とした。また、本発明に係る硬質皮膜の組成は、特許文献１に開示された硬質皮膜の組成から後述する切削試験結果を行った結果、放熱効果が得られた組成範囲に絞り込み、特定したものである。

本発明によって、例えばフライス切削のようにフライスを形成する各刃部（スローアウェイチップ）が被削材に対して断続切削する切削工具でも、被削材と接触していない時間に各刃部で放熱効果を発揮するため切削工具の温度を低下できる。なお、放射率の最大値を０．９０以上に設定した理由は、放射率を高くした鋼や銅の酸化面（放射率０．８５）以上の放熱効果を得るためである。

請求項１の切削工具がドリルである場合、切れ刃が連続して被削材と接触しており、加工時間の長短によって切削工具の放熱効果も変化する。そこで、請求項２の発明では、切削工具をエンドミル、スローアウェイチップ、ホブ、ピニオンカッタに限定することで、切削工具を形成する各刃部が被削材と断続接触することで各刃部が被削材と接触していない間に放熱効果が発揮されて、切削加工の時間が長い場合でも放熱効果が得られる。

特定の赤外線波長の領域に対して硬質皮膜の組成のみを限定しても、膜厚が変化すると放射率が変化する。図１は、硬質皮膜を被覆した基材に入射した赤外線の反射と吸収の原理を表した概念図である。図１に示すように外部から入射した赤外線３は、大気８と硬質皮膜１との界面９を透過する赤外線４と界面９にて反射する赤外線５とに別れる。さらに、大気８と硬質皮膜１との界面９を透過する赤外線４は、硬質皮膜１と基材２との界面１０を透過する赤外線６と界面１０で反射する赤外線７とに別れる。この赤外線７は硬質皮膜１の膜厚が大きい場合には硬質皮膜１に吸収されて、大気８と硬質皮膜１との界面９に到達しないので、赤外線５と干渉することはなく、赤外線の反射率には影響を及ぼさない。

これに対して、硬質皮膜１の膜厚が１μｍ以下のように小さい場合には界面１０で反射する赤外線７が大気８と硬質皮膜１との界面９にまで到達して、光学薄膜における反射防止膜と同じ原理により赤外線５と干渉することで赤外線の反射率が低下する場合がある。そこで、請求項３の発明では硬質皮膜の膜厚を１μｍ以下とすることで、大気と表層との界面で反射する赤外線および表層と下地層もしくは基材との界面で反射する赤外線が干渉し、赤外線の反射率が低下する。

なお、図１では基材２に被覆される皮膜が硬質皮膜１のみである単層皮膜を想定しているが、硬質皮膜１の下層に別の硬質皮膜が被覆されているような複合被膜の場合には、当該下層の硬質皮膜を基材２と置き換えて本原理を適用できる。

以上述べたように、本発明の請求項１においては、超硬合金等から成る基材の表層に被覆する硬質皮膜が（Ａｌ_ａＣｒ_ｂＭ_Ｃ）Ｃ_{１００−ｄ}Ｎ_ｄからなり、ＭがＳｉおよび／またはＴｉであり、Ａｌ、Ｃｒ、ＭおよびＮの原子比をそれぞれａ、ｂ、ｃおよびｄと表した時に、ａ≧５０やａ＋ｂ≧８０等の条件を満たし、硬質皮膜の放射率の最大値が赤外線波長２μｍから７μｍまでの範囲に存在し、かつその最大値が０．９０以上である切削工具とすることにより、ドライ加工において硬質皮膜が放射冷却能力を有するので、６００Ｋ〜１３００Ｋの温度域で使用する工具の温度上昇を抑制するという効果を奏するものとなった。

また、請求項２に係る発明においては、請求項１に係る切削工具をエンドミル、スローアウェイチップ、ホブ、ピニオンカッタに限定することで、これらの切削工具を形成する各刃部が被削材と断続的に接触するので、切削加工中でも放熱効果が得られるという効果を奏する。

さらに、請求項３に係る発明においては、膜厚を１μｍ以下とすることで大気と表層との界面で反射する赤外線および表層と下地層もしくは基材との界面で反射する赤外線が干渉するので、赤外線の反射率が低下する。ここで、赤外線の透過率が０の場合、赤外線の反射率と放射率との和は１であることから、赤外線の反射率が低下すれば赤外線の放射率を高めるという効果を奏することになる。

硬質皮膜を被覆した基材に入射した赤外線の反射と吸収の原理を表した概念図である。 本発明に係る硬質皮膜を表層に被覆した切削工具の断面図である。 本発明に係る実施例１における表１に示した本発明材１と比較材１乃至４の硬質皮膜および硬質皮膜が被覆されていない超硬合金の赤外線波長が２〜２５μｍの範囲における分光反射率である。 本発明に係る実施例１における本発明材２、３および４の硬質皮膜における赤外線波長が２〜２５μｍの範囲における分光反射率である。 図３の横軸を波長（単位：μｍ）から波数（単位：ｃｍ^−１）へ変換した時の表１に示す比較材３の分光反射率である。 本発明に係る実施例２におけるＡｌ_８０Ｃｒ_１５Ｔｉ_５Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜（膜厚０．４８μｍ）の赤外線波長２〜２５μｍの範囲における分光反射率である。

本発明の実施の形態の一例を、図面に基いて説明する。図２は本発明に係る硬質皮膜を表層に被覆した切削工具１１の断面図である。図２に示すように切削工具１１の基材１４は、基材１４側から下地層を構成する第１の硬質皮膜１３、および第１の硬質皮膜１３上部で表層を構成する第２の硬質皮膜１２を被覆している。

基材１４は超硬合金、高速度工具鋼またはサーメットから選択される金属材料とする。また、切削工具１１はドリル、エンドミル、エンドミル、スローアウェイチップ、ホブ、ピニオンカッタとし、第１の硬質皮膜１３はＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなどの単層もしくは二以上の異なる硬質皮膜から成る複合層とする。

第２の硬質皮膜１２は、（Ａｌ_ａＣｒ_ｂＭ_Ｃ）Ｃ_{１００−ｄ}Ｎ_ｄからなる硬質皮膜であって、ＭはＳｉおよび／またはＴｉであり、Ａｌ、Ｃｒ、ＭおよびＮの原子比をそれぞれａ、ｂおよびｃと表した時に、ａ≧５０、ａ＋ｂ≧８０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、およびｄ≧９０を満たす硬質皮膜とする。

また、第２の硬質皮膜１２の分光放射率の最大値が赤外線反射スペクトルで波長２μｍから７μｍまでの範囲に存在し、かつその最大値は０．９０以上とする。分光放射率は直接測定して求めることができないため、まず赤外線の吸収スペクトルを測定して赤外線の分光反射率を求めた後、放射率（＝吸収率）と反射率との和が１であることを利用して、放射率を算出した。赤外線の吸収スペクトル測定は、反射ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）を用いて金ミラーの反射率を１として、第２の硬質皮膜１２の赤外線反射スペクトルを４００〜５０００ｃｍ^−１すなわち２μｍ〜２５μｍの範囲で行った。

なお、第１の硬質皮膜１３および第２の硬質皮膜１２の各硬質皮膜の被覆は、ホロカソード放電による電子ビームを用いてターゲットを構成する金属を蒸発およびイオン化して基材１４上に硬質皮膜１２および１３を被覆する溶融蒸発型イオンプレーティング法（溶解法）、またはアーク放電によりターゲットを構成する金属を蒸発およびイオン化して基材１４上に硬質皮膜１２および１３を被覆するアーク放電方式イオンプレーティング物理蒸着法（アーク法）により行うことができる。

前述した方法を用いて各種硬質皮膜の膜組成と膜厚による分光反射率への影響を調査したので、その結果を表１、図３および図４に示す。表１は、分光反射率の測定対象とした本発明に係る４種類の硬質皮膜および比較材とした４種類の硬質皮膜の各々の膜組成と膜厚を示す。

表１に示すように本発明に係る硬質皮膜は、膜厚２．５μｍのＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜と膜厚０．５μｍのＡｌ_８０Ｃｒ_１５Ｔｉ_５Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜から成る硬質皮膜（本発明材１）、膜厚２．７μｍのＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９５Ｃ_５皮膜と膜厚０．７μｍのＡｌ_７０Ｃｒ_２０Ｓｉ_１０Ｎ_９５Ｃ_５皮膜から成る硬質皮膜（本発明材２）、膜厚３．０μｍのＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９８Ｃ_２皮膜と膜厚０．４μｍのＡｌ_６０Ｃｒ_２０Ｔｉ_１５Ｃｒ_５Ｎ_９８Ｃ_２皮膜から成る硬質皮膜（本発明材３）、膜厚２．０μｍのＴｉ_５０Ａｌ_４０Ｃｒ_１０Ｎ_１００皮膜と膜厚０．６μｍのＡｌ_７０Ｃｒ_３０Ｎ_１００皮膜から成る硬質皮膜（本発明材４）、の４種類とした。

また、比較材としては膜厚２．８μｍのＴｉ_１００Ｎ_１００皮膜（比較材１）、膜厚３．５μｍのＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜（比較材２）、膜厚０．４μｍのＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜と膜厚２．８μｍのＡｌ_８０Ｃｒ_１５Ｔｉ_５Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜から成る硬質皮膜（比較材３）、膜厚５．４μｍのＡｌ_５０Ｃｒ_５０Ｎ_１００皮膜（比較材４）の計４種類を用いた。

図３は表１に示した本発明材１と比較材１乃至４の硬質皮膜および硬質皮膜が被覆されていない超硬合金の赤外線波長が２〜２５μｍの範囲における分光反射率を示す。また、図４は本発明材２、３および４の各硬質皮膜における赤外線波長が２〜２５μｍの範囲における分光反射率を示す。

図３に示すように、本発明に係る硬質皮膜（本発明材１）は赤外線波長４．２μｍの時に分光反射率が最低値の４％を示している。これは、本発明材１に係る硬質皮膜は波長２〜７μｍの範囲に放射率の最大値が存在し、その値が９６％であることを示している。また、図４に示すように本発明材２、３および４も本発明材１と同様に赤外線波長２〜７μｍの間に反射率の最小値が存在し、その値は１．４〜２．８％である。すなわち赤外線波長２〜７μｍの間に放射率の最大値が存在して、その値は９７．２〜９８．６％であった。

これに対して、硬質皮膜が被覆されていない超硬合金、比較材１および２は測定した波長の範囲ではいずれも分光反射率が５０％以上であったことから、放射率が５０％以下であることを示す。また、比較材３および４は赤外線波長に応じて分光反射率が大きく変化していた。比較材３は分光反射率の最小値が赤外線波長が約８μｍと約１１μｍの位置に存在し、本発明の赤外線波長の範囲である２〜７μｍの範囲から外れている。比較材４は
赤外線波長２〜７μｍの範囲に分光反射率の最小値が存在するが、その値は１０％を超えており放射率にすると９０％未満となる。

次に、本発明に係る硬質皮膜の放射率に対する膜厚の影響について比較材３を用いて試験したので、その結果を図５および図６を用いて説明する。図５は、図３の横軸を波長（単位：μｍ）から波数（単位：ｃｍ^−１）へ変換した時の表１に示す比較材３の分光反射率である。一般的に特定の波長での固有振動による吸収や屈折率の分散等が無ければ、横軸を波数にした時の干渉の山−山あるいは谷−谷の間隔は等間隔になる。図５に示すように、比較材３の分光反射率は分散の影響によって長波長側へ行くにつれて山−山間が狭くなっている。

ここで光学薄膜における入射光と反射光の位相差と光路差（膜厚）について説明する。光学薄膜において図１の大気８と硬質皮膜１との界面９での反射光５と、硬質皮膜１と基材２との界面１０での反射光７との光学的経路差（光路差）が波長の整数倍となる場合に反射光５と反射光７の位相が一致して光は強めあう。この理論を用いると分光反射スペクトルにおいて反射率が極大値を持つ波長λ（波数σ＝１／λ）では硬質皮膜１の屈折率をｎ、膜厚をｔとすると、ｍを任意の整数として下式の関係が成立する。
２ｎｔ＝ｍλ＝ｍ／σ
σ＝ｍ／２ｎｔ

すなわち任意の極大値を持つ波数σ_１とその隣の極大値を持つ波数σ_２との差、すなわち分光反射スペクトルの山−山の間隔は、上式を用いると下式に変形できる。
｜σ_１−σ_２｜＝（ｍ＋１）／２ｎｔ−ｍ／２ｎｔ＝１／２ｎｔ
ｎ＝１／２ｔ（σ_１−σ_２）
実際には屈折率ｎは波長λの関数であるが、赤外線では一般的に分散が小さく、この区間での屈折率変化（分散）は小さいので波長λの影響は無視できる。上式を用いると分光反射スペクトルの山−山の間隔（σ_１−σ_２）と硬質皮膜１の膜厚ｔより硬質皮膜１の屈折率ｎが算出できる。

ここで、比較材３の膜厚をいくらに設定すれば反射率を最小にできるかを検討する。 仮に赤外線波長λが４μｍの場合、波数σは２５００ｃｍ^−１となり、その付近での山−山間隔（σ_１−σ_２）は図５に示すように８００ｃｍ^−１である。また、膜厚ｔは表１に示すように２．９μｍすなわち０．０００２９ｃｍである。したがって波長λが４μｍにおける屈折率ｎ_４μｍは、上式を利用すると２．１６になる。
ｎ_４μｍ＝１／（２×０．０００２９×８００）＝２．１６

また、波長λにおける反射率を最小にするためには反射防止膜の位相条件を利用できる。すなわち、屈折率ｎ、膜厚ｔとして、ｍを任意の整数とすると下式が成立する。
ｎｔ＝（２ｍ＋１）λ／４
波長４μｍとその周辺の反射率を最小にするには上式でｍ＝０の場合が望ましいので、波長４μｍとその周辺での反射率を最小にする膜厚をｔ_ｔａｒは、上式を利用すると０．４６μｍになる。
ｎ_４μｍｔ_ｔａｒ＝（２ｍ＋１）λ／４＝（２×０＋１）４／４＝１
ｔ_ｔａｒ＝１／ｎ_４μｍ＝１／２．１６＝０．４６（μｍ）

そこで、表１に示す比較材３の皮膜構成と同様にＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜を被覆した超硬合金製のインサート表面上にＡｌ_８０Ｃｒ_１５Ｔｉ_５Ｎ_９０Ｃ_１０膜を目標膜厚０．４６μｍとして被覆して、図３と同様に分光反射率を測定した。図６は、膜厚０．４８μｍのＡｌ_８０Ｃｒ_１５Ｔｉ_５Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜の赤外線波長２〜２５μｍの範囲における分光反射率である。Ａｌ_８０Ｃｒ_１５Ｔｉ_５Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜の成膜時は０．４６μｍの膜厚を目標としたが、実際の膜厚は０．４８μｍとなった。図６に示すように赤外線波長２〜７μｍの範囲で分光反射率が極小値を持ち、その値は２％であったことから放射率は９８％となり、図３および図４に示す本発明材１乃至４と同様の特性が得られた。

次に、表１に示した本発明材１乃至４の硬質皮膜および比較材１乃至４の硬質皮膜をそれぞれ被覆した切削工具を用いて、切削試験を行ったのでその結果について説明する。表２は、上述の各硬質皮膜を被覆した切削工具による切削試験結果を膜厚３．５μｍのＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜（比較材２）の工具寿命を１とした相対的な工具寿命を示す。ここで硬質皮膜の剥離、切削工具の磨耗および被削材のバリ発生などが確認できた時を以って工具寿命と判断した。

表２に示すように、本発明材１の硬質皮膜であるＡｌ_８０Ｃｒ_１５Ｔｉ_５Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜をＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜被覆工具上に０．５μｍ被覆し、切削試験を行った結果、ドリルによる穴加工では膜厚３．５μｍのＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜（比較材２）と比較した工具寿命は１．８倍に留まったが、エンドミル溝加工においては１．９倍、エンドミル側面加工においては２．４倍の工具寿命が得られた。これは、ドリルによる穴加工では１穴についてほぼ連続切削となるため切削工具の刃部における放射冷却効果は小さいが、エンドミルによる溝加工や側面加工では全加工時間に対する各刃部と被削材との接触時間の割合が減少し、放射冷却効果が大きくなるためと考えられる。

同様に、本発明材２乃至４についてもドリルによる穴加工では、１．２〜１．６倍の工具寿命であったが、エンドミルによる切削加工では溝切削では１．６〜１．９倍、側面切削では２〜２．４倍の工具寿命が得られた。以上より、エンドミルの側面加工では膜厚３．５μｍのＴｉ_５０Ａｌ_５０Ｎ_９０Ｃ_１０皮膜（比較材２）と比較して、いずれも２倍以上の工具寿命が得られたことから、本発明に係る硬質皮膜被覆工具がエンドミルの側面加工において著しい効果を発揮した。

これに対して、比較材１および３は、ドリルによる穴加工、エンドミルによる溝加工および側面加工で工具寿命は１以下であったので、総合的に比較材２以下の工具寿命となった。また、比較材４はドリルによる穴加工では比較材２以下の工具寿命であったが、エンドミルによる溝加工、側面加工ともに１．５倍の工具寿命が得られたが、本発明材１乃至４を用いたエンドミルの側面加工時の工具寿命である２倍には及ばなかった。

よって、本発明に係る切削工具の表層に被覆する硬質皮膜を赤外線波長２〜７μｍの範囲において、その最大放射率を９０％以上とすることで、切削工具を形成する各刃部が被削材と接触する時間が少ない切削加工であっても硬質皮膜の放熱効果を発揮した。その結果、切削工具の刃部が効率よく熱放射されて、刃先の温度上昇を抑制して硬質皮膜の剥離や切削工具の磨耗も長時間にわたり防止できた。

なお、光学モニター等でモニタリングしながら成膜する光学薄膜と異なり、本発明に係る硬質皮膜の膜厚は条件管理で行われ、大きさや形状の異なる製品をひとつのチャージで処理する工具や部品等のコーティングでは膜厚の精度は低く、有効数字２桁以上の膜厚制御は困難である。

通常の光学薄膜における反射防止膜では透過率を上げるために光を吸収しない膜材料が使用されるが、本発明に係る硬質皮膜は反射させないことが目的であるので硬質皮膜内で光の吸収があっても構わない。また、分光反射率の極小値は光の吸収が無い場合は図１に示すように大気８と硬質皮膜１との界面９と硬質皮膜１と基材２との界面１０における反射率の関係で決まるが、硬質皮膜１で光が吸収される場合には硬質皮膜１の膜厚も極小値に影響する。したがって硬質皮膜１の光の吸収率が高い場合、硬質皮膜１の膜厚が大きすぎると硬質皮膜１と基材２との界面１０での反射光が、大気８と硬質皮膜１との界面９に到達せず、反射防止効果は得られない。

ここで、実施例１の図３に示すように比較材１および比較材２の２〜７μｍにおける分光反射率の極小値が本発明材１および本発明材２と比較して大きくなった原因は、上述のように図１に示す硬質皮膜１と基材２との界面１０での反射光７が硬質皮膜１によって吸収されて減衰し、大気８と硬質皮膜１との界面９での反射光５を干渉により打ち消す量が得られない、すなわち反射防止効果が不足していたためと考えられる。

すなわち、特定の波長において反射防止効果が現れるのは、光路差（膜厚）が波長の１／４、３／４、５／４等である時であるが、硬質皮膜１の膜厚が大きい場合には光の吸収により反射防止効果が弱まる。そのため、波長２〜７μｍにおいてなるべく広範囲で低反射率を得るためにも、膜厚は波長の１／４であることが望ましい。

１ 硬質皮膜
２、１４ 基材
１１ 切削工具
１２ 第２の硬質皮膜
１３ 第１の硬質皮膜

Claims (3)

1. 超硬合金、高速度工具鋼またはサーメットから成る基材の表層に被覆された硬質皮膜が（Ａｌ_ａＣｒ_ｂＭ_Ｃ）Ｃ_{１００−ｄ}Ｎ_ｄからなり、前記ＭはＳｉおよび／またはＴｉであり、Ａｌ、Ｃｒ、ＭおよびＮの原子比をそれぞれａ、ｂ、ｃおよびｄと表した時に、ａ≧５０、ａ＋ｂ≧８０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、およびｄ≧９０の関係を満たし、かつ前記硬質皮膜の放射率の最大値が赤外線の波長で２μｍから７μｍまでの範囲に存在し、前記放射率の最大値が０．９０以上であることを特徴とする放射冷却能力に優れた硬質皮膜被覆切削工具。
2. 前記切削工具は、エンドミル、スローアウェイチップ、ホブ、ピニオンカッタの中から選ばれた一の工具であることを特徴する請求項１に記載の放射冷却能力に優れた硬質皮膜被覆切削工具。
3. 前記硬質皮膜の膜厚が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放射冷却能力に優れた硬質皮膜被覆切削工具。