JP2012115924A - 切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具を提供する。
【解決手段】Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層２２と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層２４とが、交互に２層以上積層した多層膜であり、原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上、ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内であり、且つ、第１被膜層２２の膜厚Ｄ１は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、第２被膜層２４の膜厚Ｄ２は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚Ｄは０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることから、耐摩耗性と耐溶着性を両立させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、切削工具の表面に被覆して設けられる切削工具用硬質被膜及びその硬質被膜が設けられた硬質被膜被覆切削工具に関し、特に、耐摩耗性及び耐溶着性を共に向上させるための改良に関する。

ドリルやタップ等の切削工具には、耐摩耗性を向上させるために硬質被膜が被覆して設けられる。この切削工具用硬質被膜としては、ＴｉＮ系、ＴｉＡｌＮ系、及びＡｌＣｒ系のコーティングが広く用いられており、その性能を更に向上させるために改良が図られている。例えば、特許文献１に記載された硬質積層被膜がそれである。

特開２００６−３３６０３２号公報

しかし、前述したような従来の技術により硬質被膜が形成された切削工具では、その切削加工に際して被削材の種類や切削条件によっては耐溶着性が不十分となるおそれがあった。すなわち、被削材等の溶着により工具の寿命が短くなる場合があり、改良の余地があった。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具の開発が求められていた。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具を提供することにある。

斯かる目的を達成するために、本第１発明の要旨とするところは、切削工具の表面に被覆して設けられる切削工具用硬質被膜であって、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層とが、交互に２層以上積層した多層膜であり、前記第１被膜層に係る原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、前記第２被膜層に係る原子比ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内であり、且つ、前記第１被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、前記第２被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることを特徴とするものである。

また、前記目的を達成するために、本第２発明の要旨とするところは、上記第１発明の切削工具用硬質被膜が表面に被覆して設けられたことを特徴とする硬質被膜被覆切削工具である。

このように、前記第１発明によれば、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層とが、交互に２層以上積層した多層膜であり、前記第１被膜層に係る原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、前記第２被膜層に係る原子比ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内であり、且つ、前記第１被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、前記第２被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることから、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成され、耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られることに加え、ＴｉＣｒＡｌ系被膜とＴｉＣｒＡｌＭｏ系被膜の積層構造とすることで、耐摩耗性と耐溶着性を両立させることができる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜を提供することができる。

また、前記第２発明によれば、前記第１発明の切削工具用硬質被膜が表面に被覆して設けられたものであるため、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成され、耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られることに加え、ＴｉＣｒＡｌ系被膜とＴｉＣｒＡｌＭｏ系被膜の積層構造とすることで、耐摩耗性と耐溶着性を両立させることができる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた硬質被膜被覆切削工具を提供することができる。

本発明の硬質被膜被覆切削工具の一実施例であるエンドミルを軸心に垂直な方向から見た正面図である。 本発明の切削工具用硬質被膜がコーティングされた図１のエンドミルの表面部分の断面図である。 本発明の切削工具用硬質被膜を形成する際に好適に用いられるスパッタリング装置を説明する概略構成図である。 本発明の効果を検証するために本発明者等が行った試験に関して、その試験に用いられた試験品の被膜構造及び膜厚と、各試験品の試験結果を併せて示す図である。 本発明の効果を検証するために本発明者等が行った他の試験に関して、その試験に用いられた試験品の被膜構造及び膜厚と、各試験品の試験結果を併せて示す図である。 本発明の切削工具用硬質被膜の摩擦特性を検証するため、本発明者等が行った試験の結果を示すグラフである。

本発明の切削工具用硬質被膜は、エンドミル、ドリル、正面フライス、総型フライス、リーマ、タップ等の回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具等、種々の切削工具の表面コーティングに好適に適用される。また、工具母材すなわち硬質被膜が設けられる部材の材質としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、他の材料でもよく、本発明の切削工具用硬質被膜は種々の材料から構成された切削工具に広く適用される。

本発明の切削工具用硬質被膜は、切削工具の一部乃至全部の表面に被覆して設けられるものであり、好適には、その切削工具において切削加工に関与する刃部に設けられる。更に好適には、少なくともその刃部における切れ刃乃至すくい面を被覆するように設けられる。

本発明の切削工具用硬質被膜の形成方法としては、スパッタリング法が好適に用いられるが、アークイオンプレーティング法等の他の物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法等の化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いることもできる。

本発明の切削工具用硬質被膜は、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層とが、交互に２層以上積層した多層膜であり、前記第１被膜層に係る原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、前記第２被膜層に係る原子比ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内とされたものであるが、斯かる数値範囲を外れる場合には十分な耐摩耗性及び耐溶着性が得られず、工具寿命が短くなることが考えられる。前記第１被膜層に係る原子比ａを０．２以上０．７以下の範囲内、ｂを０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃを０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃを０．１以上、前記第２被膜層に係る原子比ｄを０．１以上０．７以下の範囲内、ｅを０．０１以上０．２以下の範囲内とすることで、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた硬質被膜を構成することができる。

本発明の切削工具用硬質被膜に係る前記第１被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、前記第２被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内とされたものであるが、斯かる数値範囲を外れる場合には十分な耐摩耗性及び耐溶着性が得られず、工具寿命が短くなることが考えられる。特に、硬質被膜の総膜厚が０．２μｍ未満である場合には十分な耐摩耗性及び耐溶着性が得られなくなるおそれがある一方、１０．０μｍを超える場合には靱性が低下して欠けや剥離等が発生し易くなるおそれがあり、何れの場合においても工具寿命が短くなることが考えられる。前記第１被膜層の膜厚を０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、前記第２被膜層の膜厚を０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚を０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内とすることで、耐摩耗性及び耐溶着性を保証するのに必要十分な厚さを有し、欠けや剥離等が発生し難い硬質被膜を構成することができる。

以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の硬質被膜被覆切削工具の一実施例であるエンドミル１０を軸心に垂直な方向から見た正面図である。この図１に示すように、本実施例のエンドミル１０は、例えば超硬合金にて構成される工具母材１２にシャンク及び刃部１４が一体に設けられた回転切削工具である。この刃部１４には、切れ刃として外周刃１６及び底刃１８が設けられており、図示しない切削装置に取り付けられてその切削装置により軸心まわりに回転駆動させられることにより、上記外周刃１６及び底刃１８によって被削材に対する切削加工が行われる。

図２は、本発明の切削工具用硬質被膜がコーティングされた上記エンドミル１０の表面部分の断面図である。この図２に示すように、上記エンドミル１０の表面には、その表面を被覆して本発明の切削工具用硬質被膜の一実施例である硬質被膜２０がコーティングされている。図１の斜線部は、上記エンドミル１０においてこの硬質被膜２０が設けられた部分を示しており、この図に示すように、上記硬質被膜２０は、好適には、上記エンドミル１０における刃部１４に対応する工具母材１２の表面に被覆して設けられる。

図２から明らかなように、本実施例の硬質被膜２０は、第１被膜層２２と第２被膜層２４とが交互に２層以上積層した多層膜であり、斯かる第１被膜層２２及び第２被膜層２４は、以下に示す化学組成を満足する材料から構成される。すなわち、上記第１被膜層２２は、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物であって、原子比（混晶比）ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上である。上記原子比ａ〜ｃは、上記数値範囲内において適宜定められる。すなわち、本実施例の硬質被膜２０における第１被膜層２２としては、例えばＴｉ_0.5Ｃｒ_0.1Ａｌ_0.1Ｍｏ_0.3Ｎ等が好適に適用される。また、上記第２被膜層２４は、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物であって、原子比ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内である。上記原子比ｄ、ｅは、上記数値範囲内において適宜定められる。すなわち、本実施例の硬質被膜２０における第２被膜層２４としては、例えばＴｉ_0.5Ｃｒ_0.1Ａｌ_0.4Ｎ等が好適に適用される。

また、前記硬質被膜２０における各第１被膜層２２の膜厚Ｄ１は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、第２被膜層２４の膜厚Ｄ２は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚Ｄは０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内とされる。上記第１被膜層２２及び第２被膜層２４の積層数は、前記硬質被膜２０の総膜厚Ｄ及び各被膜層２２、２４の膜厚Ｄ１、Ｄ２に係る上記数値範囲を逸脱しない限りにおいて適宜定められるが、好適には２層（第１被膜層２２及び第２被膜層２４が各１層）乃至６０層（第１被膜層２２及び第２被膜層２４が各３０層）の範囲内とされる。また、前記硬質被膜２０における複数の第１被膜層２２の膜厚Ｄ１はすべて等しいものであってもよいし、上記数値範囲内で相互に異なるものであってもよい。同様に、前記硬質被膜２０における複数の第２被膜層２４の膜厚Ｄ２はすべて等しいものであってもよいし、上記数値範囲内で相互に異なるものであってもよい。

また、前記硬質被膜２０における前記第１被膜層２２及び第２被膜層２４の積層順は、好適には、図２に示すように前記工具母材１２側から第１被膜層２２、第２被膜層２４、・・・、第２被膜層２４、第１被膜層２２の順で積層されたものである。すなわち、前記硬質被膜２０の基層（工具母材１２と接する最下層）及び表層（硬質被膜２０の最上層）は、何れも前記第１被膜層２２とされたものであるが、必ずしも斯かる構成には限定されず、前記第２被膜層２４が基層乃至表層とされたものであっても本発明の一応の効果を奏する。

図３は、本実施例の硬質被膜２０を形成する際に好適に用いられるスパッタリング装置３０を説明する概略構成図（模式図）である。このスパッタリング装置３０によるスパッタリング工程では、前記硬質被膜２０を構成しているＴｉＡｌ、Ｔｉ等のターゲット３８に電源４０により負の一定のバイアス電圧（例えば−５０〜−６０Ｖ程度）を印加するとともに、バイアス電源３４により前記工具母材１２に負の一定のバイアス電圧（例えば−１００Ｖ程度）を印加することにより、アルゴンイオンＡｒ⁺を上記ターゲット３８に衝突させてＴｉＡｌ、Ｔｉ等の構成物質を叩き出す。上記電源４０及びバイアス電源３４により印加される電圧はコントローラ３６により制御される。チャンバ３２内には、アルゴンガスの他に窒素ガス（Ｎ₂）や炭化水素ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂）等の反応ガスが所定の流量で導入され、その窒素原子Ｎや炭素原子Ｃがターゲット３８から叩き出されたＴｉＡｌやＴｉ等と結合してＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ等となり、前記工具母材１２の表面に硬質被膜として付着させられる。

続いて、本発明の効果を検証するために本発明者等が行った試験について説明する。図４は、この試験に用いられた試験品１〜４７の構成（被膜構造、膜厚、及び積層数）と、各試験品の試験結果（切削距離及び判定）を併せて示す図である。本発明者等は、工具径６（ｍｍφ）の超硬ドリルに図４に示す各構成の硬質被膜をコーティングして試験品１〜４７を作成し、各試験品について以下の切削条件で切削試験を行った。なお、この図４に示す試験品１〜４７のうち、試験品１〜３９が本実施例の硬質被膜２０が適用された本発明品に相当し、試験品４０〜４７が本発明の要件を満たさない硬質被膜が適用された非発明品に相当する。また、これら試験品４０〜４７のうち、試験品４０、４１がＴｉＡｌＮから成る硬質被膜が適用された従来品（従来技術による硬質被膜被覆切削工具）に相当し、試験品４２〜４７がＴｉＣｒＡｌＭｏＮ／ＴｉＣｒＡｌＮの多層膜から成る硬質被膜が適用されたものであるが、その原子比が本発明の数値範囲を逸脱する比較試料に相当する。

［切削条件］
・試験品：超硬ドリル 工具径６（ｍｍφ）
・被削材：ＳＣＭ４４０（ＪＩＳ規格）
・切削方法：穴加工
・切削速度：７０（ｍ／ｍｉｎ）
・送り速度：５５７（ｍｍ／ｍｉｎ）
・加工深さ：１８（ｍｍ）
・切削油：水溶性

図４に※１で示す切削距離（ｍ）は、逃げ面摩耗幅が０．２（ｍｍ）以内である場合の切削距離である。また、※２で示す判定結果は、逃げ面摩耗幅が０．２（ｍｍ）以内の工具寿命が切削距離８０（ｍ）以上継続することを合格判定基準とし、その合格判定基準を満たす合格品を○で、合格基準を満たさない不合格品を×でそれぞれ示している。前述のように、図４に示す試験品１〜３９は、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層２２と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層２４とが、交互に２層以上積層した多層膜であり、前記第１被膜層２２に係る原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、前記第２被膜層２４に係る原子比ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内であり、且つ、前記第１被膜層２２の膜厚Ｄ１は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、前記第２被膜層２４の膜厚Ｄ２は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚Ｄは０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内である本実施例の硬質被膜２０が適用されたものである。本試験の結果、これら試験品１〜３９については、何れも上記合格判定基準を満たし、良好な切削が行われていることがわかる。

一方、図４に示す試験品４０は、Ｔｉ_0.52Ａｌ_0.48Ｎから成る膜厚１０．３（μｍ）の硬質被膜（単層膜）が形成されたもの、試験品４１はＴｉ_0.48Ａｌ_0.52Ｎから成る膜厚５．０（μｍ）の硬質被膜（単層膜）が形成されたものであり、何れも従来技術の硬質被膜が適用された非発明品に相当する。本試験の結果、これらの試験品４０、４１については、何れも上記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。

また、図４に示す試験品４２は、Ｔｉ_0.63Ｃｒ_0.07Ａｌ_0.14Ｍｏ_0.16Ｎから成る膜厚５．２０（μｍ）の第１被膜層と、Ｔｉ_0.10Ｃｒ_0.12Ａｌ_0.78Ｎから成る膜厚５．１０（μｍ）の第２被膜層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚１０．３（μｍ）の多層膜であり、第１被膜層の膜厚Ｄ１が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱し、第２被膜層の膜厚Ｄ２が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱し、更に、総膜厚Ｄが本発明に係る０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内から逸脱する。本試験の結果、この試験品４２については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、第１被膜層の膜厚Ｄ１は５．０μｍ以下、第２被膜層の膜厚Ｄ２は５．０μｍ以下、総膜厚Ｄは１０．０μｍ以下とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。

また、図４に示す試験品４３は、Ｔｉ_0.19Ｃｒ_0.03Ａｌ_0.21Ｍｏ_0.57Ｎから成る膜厚０．０８（μｍ）の第１被膜層と、Ｔｉ_0.65Ｃｒ_0.22Ａｌ_0.13Ｎから成る膜厚０．０８（μｍ）の第２被膜層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚０．１６（μｍ）の多層膜であり、第１被膜層に係るＴｉの原子比ａが本発明に係る０．２以上０．７以下の範囲内から逸脱すると共に、Ａｌの原子比ｃが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱する。また、第１被膜層の膜厚Ｄ１が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱し、第２被膜層の膜厚Ｄ２が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱し、更に、総膜厚Ｄが本発明に係る０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内から逸脱する。本試験の結果、この試験品４３については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、第１被膜層に係るＴｉの原子比ａは０．２以上、Ａｌの原子比ｃは０．２以下、第１被膜層の膜厚Ｄ１は０．１μｍ以上、第２被膜層の膜厚Ｄ２は０．１μｍ以上、総膜厚Ｄは０．２μｍ以上とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。

また、図４に示す試験品４４は、Ｔｉ_0.69Ｃｒ_0.01Ａｌ_0.21Ｍｏ_0.09Ｎから成る膜厚５．２０（μｍ）の第１被膜層と、Ｔｉ_0.09Ｃｒ_0.21Ａｌ_0.70Ｎから成る膜厚０．０８（μｍ）の第２被膜層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚５．３（μｍ）の多層膜であり、第１被膜層に係るＡｌの原子比ｃが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱すると共に、Ｍｏの原子比１−ａ−ｂ−ｃが０．１未満となっている。また、第２被膜層に係るＴｉの原子比ｄが本発明に係る０．１以上０．７以下の範囲内から逸脱すると共に、Ｃｒの原子比ｅが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱する。更に、第１被膜層の膜厚Ｄ１が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱し、第２被膜層の膜厚Ｄ２が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱する。本試験の結果、この試験品４４については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、第１被膜層に係るＡｌの原子比ｃは０．２以下、Ｍｏの原子比１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上、第２被膜層に係るＴｉの原子比ｄは０．１以上、Ｃｒの原子比ｅは０．２以下、第１被膜層の膜厚Ｄ１は０．５μｍ以下、第２被膜層の膜厚Ｄ２は０．１以上とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。

また、図４に示す試験品４５は、Ｔｉ_0.50Ｃｒ_0.05Ａｌ_0.05Ｍｏ_0.40Ｎから成る膜厚０．０８（μｍ）の第１被膜層と、Ｔｉ_0.55Ｃｒ_0.15Ａｌ_0.30Ｎから成る膜厚５．５（μｍ）の第２被膜層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚５．５８（μｍ）の多層膜であり、第１被膜層の膜厚Ｄ１が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱すると共に、第２被膜層の膜厚Ｄ２が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱する。本試験の結果、この試験品４５については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、第１被膜層の膜厚Ｄ１は０．１μｍ以上、第２被膜層の膜厚Ｄ２は５．０μｍ以下とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。

また、図４に示す試験品４６は、Ｔｉ_0.35Ｃｒ_0.21Ａｌ_0.21Ｍｏ_0.23Ｎから成る膜厚０．０８（μｍ）の第１被膜層と、Ｔｉ_0.10Ｃｒ_0.009Ａｌ_0.89Ｎから成る膜厚０．０７（μｍ）の第２被膜層とが、交互に５０層積層して形成された総膜厚３．８（μｍ）の多層膜であり、第１被膜層に係るＣｒの原子比ｂが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱すると共に、Ａｌの原子比ｃが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱する。また、第２被膜層に係るＣｒの原子比ｅが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱する。更に、第１被膜層の膜厚Ｄ１が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱し、第２被膜層の膜厚Ｄ２が本発明に係る０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内から逸脱する。本試験の結果、この試験品４６については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、第１被膜層に係るＣｒの原子比ｂは０．２以下、Ａｌの原子比ｃは０．２以下、第２被膜層に係るＣｒの原子比ｅは０．０１以上、第１被膜層の膜厚Ｄ１は０．１μｍ以上、第２被膜層の膜厚Ｄ２は０．１μｍ以上とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。

また、図４に示す試験品４７は、Ｔｉ_0.59Ｃｒ_0.22Ａｌ_0.10Ｍｏ_0.09Ｎから成る膜厚２．５０（μｍ）の第１被膜層と、Ｔｉ_0.71Ｃｒ_0.15Ａｌ_0.14Ｎから成る膜厚３．０（μｍ）の第２被膜層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚５．５（μｍ）の多層膜であり、第１被膜層に係るＣｒの原子比ｂが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱すると共に、Ｍｏの原子比１−ａ−ｂ−ｃが０．１未満となっている。また、第２被膜層に係るＴｉの原子比ｄが本発明に係る０．１以上０．７以下の範囲内から逸脱する。この試験品４７については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、第１被膜層に係るＣｒの原子比ｂは０．２以下、Ｍｏの原子比１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上、第２被膜層に係るＴｉの原子比ｄは０．７以下とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。

以上の説明から明らかなように、図４に示す本試験の結果から、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層とが、交互に２層以上積層した多層膜であり、前記第１被膜層に係る原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、前記第２被膜層に係る原子比ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内であり、且つ、前記第１被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、前記第２被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内である本実施例の硬質被膜２０が適用された切削工具において良好な切削性能が得られる一方、各数値範囲を逸脱する構成の硬質被膜が適用された切削工具においては良好な切削性能が得られないことがわかった。すなわち、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられ、その総ての数値範囲を満たすことによってはじめて、従来の技術に比べて優れた切削性能を示す硬質被膜乃至硬質被膜被覆切削工具を実現できることが検証された。

図５は、本発明の効果を検証するために本発明者等が行った他の試験に関して、その試験に用いられた実施例試料１〜４及び従来品の構成（被膜構造、膜厚、及び積層数）と、各試験品の試験結果を併せて示す図である。本発明者等は、工具径６（ｍｍφ）の超硬ドリルに図５に示す各構成の硬質被膜をコーティングして試験品１〜５すなわち実施例試料１〜４及び従来品を作成し、各試験品について以下の切削条件で切削試験を行った。なお、この図５に示す試験品のうち、実施例試料１〜４が本実施例の硬質被膜２０が適用された本発明品に相当し、従来品が本発明の要件を満たさない硬質被膜が適用された非発明品に相当する。また、この従来品は、ＴｉＡｌＮから成る硬質被膜が適用された従来技術による硬質被膜被覆切削工具に相当する。

［切削条件］
・試験品：超硬ドリル 工具径６（ｍｍφ）
・被削材：ＳＣＭ４４０（ＪＩＳ規格）
・切削方法：穴加工
・切削速度：７０（ｍ／ｍｉｎ）
・送り速度：５５７（ｍｍ／ｍｉｎ）
・加工深さ：１８（ｍｍ）
・切削油：水溶性

図５に示す切削距離（ｍ）は、逃げ面摩耗幅が０．２（ｍｍ）以内である場合の切削距離である。また、判定結果は、逃げ面摩耗幅が０．２（ｍｍ）以内の工具寿命が切削距離８０（ｍ）以上継続することを合格判定基準とし、その合格判定基準を満たす合格品を○で、合格基準を満たさない不合格品を×でそれぞれ示している。前述のように、図５に示す実施例試料１〜４は、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層２２と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層２４とが、交互に２層以上積層した多層膜であり、前記第１被膜層２２に係る原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、前記第２被膜層２４に係る原子比ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内であり、且つ、前記第１被膜層２２の膜厚Ｄ１は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、前記第２被膜層２４の膜厚Ｄ２は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚Ｄは０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内である本実施例の硬質被膜２０が適用されたものである。本試験の結果、これら実施例試料１〜４については、何れも上記合格判定基準を満たし、良好な切削が行われていることがわかる。一方、図５に示す従来品は、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎから成る膜厚７．８（μｍ）の硬質被膜（単層膜）が形成されたものであり、従来技術の硬質被膜が適用された非発明品に相当する。本試験の結果、この従来品については上記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。

また、図５の結果に示す実施例試料１〜４は、基層すなわち前記工具母材１２と接する基層及び表層すなわち表層を、ＴｉＣｒＡｌＭｏＮ或いはＴｉＣｒＡｌＮとして様々に入れ替えた本実施例の硬質被膜２０が適用されたものである。すなわち、実施例試料１は基層がＴｉＣｒＡｌＭｏＮすなわち第１被膜層２２とされると共に表層がＴｉＣｒＡｌＮすなわち第２被膜層２４とされたもの、実施例試料２は基層及び表層が共にＴｉＣｒＡｌＭｏＮすなわち第１被膜層２２とされたもの、実施例試料３は基層及び表層が共にＴｉＣｒＡｌＮすなわち第２被膜層２４とされたもの、実施例試料４は基層がＴｉＣｒＡｌＮすなわち第２被膜層２４とされると共に表層がＴｉＣｒＡｌＭｏＮすなわち第１被膜層２２とされたものである。図５の結果から明らかなように、基層及び表層が共にＴｉＣｒＡｌＭｏＮすなわち第１被膜層２２とされた実施例試料２が逃げ面摩耗幅が０．２（ｍｍ）以内である場合の切削距離が９６．５（ｍ）と最も良好な耐摩耗性を示していることがわかる。一方、基層及び表層の少なくとも一方をＴｉＣｒＡｌＮすなわち第２被膜層２４とした実施例試料１、３、４では、実施例試料２に及ばないまでも逃げ面摩耗幅が０．２（ｍｍ）以内である場合の切削距離が何れも８０（ｍ）以上と良好な耐摩耗性を示している。この結果から、前記硬質被膜２０においては、基層及び表層共に第１被膜層２２とすることが望ましいが、基層及び表層の少なくとも一方を第２被膜層２４とした構成においても、本発明の一応の効果を奏することが検証された。

図６は、本実施例の硬質被膜２０の摩擦特性を検証するため、本発明者等が行った試験の結果を示すグラフである。本発明者等は、よく知られた超硬圧子に本実施例の硬質被膜２０をコーティングした実施例試料及び従来の硬質被膜をコーティングした比較例試料を作成し、それらの摩擦特性を比較する試験を行った。すなわち、本実施例の硬質被膜２０としてＴｉ_0.5Ｃｒ_0.1Ａｌ_0.1Ｍｏ_0.3Ｎ／Ｔｉ_0.5Ｃｒ_0.1Ａｌ_0.4Ｎから成る厚さ３.０μｍの多層膜を施した実施例試料と、従来の硬質被膜としてＴｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎから成る厚さ３.０μｍの単層膜を施した比較例試料とを作成し、以下の条件で摩擦試験を行った。

［試験条件］
・試験品：超硬圧子 ＪＩＳ Ｒ１６１３「ファインセラミックスのボールオンディスク法による摩擦磨耗試験方法」に規定された圧子であり、φ５ｍｍ（先端Ｒ形状）
・被摩擦材：Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳ規格）
・加重：５０（ｇ）
・摩擦速度：１００（ｍｍ／ｓ）
・摩擦時間：６００（ｓ）
・温度：２２（℃）
・湿度：３５（％）

図６では、上記摩擦試験の結果として、Ｔｉ_0.5Ｃｒ_0.1Ａｌ_0.1Ｍｏ_0.3Ｎ／Ｔｉ_0.5Ｃｒ_0.1Ａｌ_0.4Ｎから成る厚さ３.０μｍの多層膜を施した実施例試料の結果を実線で、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎから成る厚さ３.０μｍの単層膜を施した比較例試料の結果を破線でそれぞれ示している。この図６に示すように、本実施例の硬質被膜２０を施した試料では、従来の硬質被膜を施した試料に比べて、６００（ｓ）に渡る試験時間を通して摩擦係数（μ）が概ね２０〜３０％程度低い値を示し、優れた摩擦特性（潤滑性）を示すという結果が得られた。この結果は、本実施例の硬質被膜２０を施した試料では、従来の硬質被膜を施した試料に比べて摩耗し難いという性質を示しており、また、被削材（被摩擦材）の溶着が発生し難いという性質を裏付けている。このように、本実施例の硬質被膜２０を施した試料が従来の硬質被膜を施した試料に比べて優れた耐摩耗性及び耐溶着性を示すのは、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成されているためと考えられる。以上の結果から、本実施例の硬質被膜２０が適用された切削工具においては、従来の技術に比べて優れた耐摩耗性及び耐溶着性を実現できることが検証された。

このように、本実施例によれば、前記エンドミル１０をはじめとする切削工具の表面に被覆して設けられる硬質被膜２０であって、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層２２と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層２４とが、交互に２層以上積層した多層膜であり、前記第１被膜層２２に係る原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、前記第２被膜層２４に係る原子比ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内であり、且つ、前記第１被膜層２２の膜厚Ｄ１は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、前記第２被膜層２４の膜厚Ｄ２は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚Ｄは０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることから、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成され、耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られることに加え、ＴｉＣｒＡｌ系被膜とＴｉＣｒＡｌＭｏ系被膜の積層構造とすることで、耐摩耗性と耐溶着性を両立させることができる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた硬質被膜２０を提供することができる。

また、本実施例によれば、前記硬質被膜２０が表面に被覆して設けられた切削工具としてのエンドミル１０であるため、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成され、耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られることに加え、ＴｉＣｒＡｌ系被膜とＴｉＣｒＡｌＭｏ系被膜の積層構造とすることで、耐摩耗性と耐溶着性を両立させることができる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えたエンドミル１０を提供することができる。

以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。

１０：エンドミル（切削工具）
２０：切削工具用硬質被膜
２２：第１被膜層
２４：第２被膜層
ｄ：総膜厚
ｄ１：第１被膜層の膜厚
ｄ２：第２被膜層の膜厚

Claims (2)

1. 切削工具の表面に被覆して設けられる切削工具用硬質被膜であって、
   Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層とが、交互に２層以上積層した多層膜であり、
   前記第１被膜層に係る原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、
   前記第２被膜層に係る原子比ｄは０．１以上０．７以下の範囲内、ｅは０．０１以上０．２以下の範囲内であり、
   且つ、前記第１被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、前記第２被膜層の膜厚は０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内である
   ことを特徴とする切削工具用硬質被膜。
2. 請求項１に記載の切削工具用硬質被膜が表面に被覆して設けられた硬質被膜被覆切削工具。

Images