JP2015174196A

JP2015174196A - 被覆切削工具の製造方法

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Publication number: JP2015174196A
Application number: JP2014053455A
Authority: JP
Inventors: 智也佐々木; Tomoya Sasaki; 謙一井上; Kenichi Inoue
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2015-10-05

Abstract

【課題】耐久性に優れる被覆切削工具の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】基材の表面に硬質皮膜が被覆された被覆切削工具の製造方法であって、前記基材の表面をＴｉボンバード処理してＷおよびＴｉを含む炭化物であるa層を形成する工程と、次いで、前記基材に印加するバイアス電圧を−２２０V〜−７０V、前記基材の設定温度を５００℃以下として、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が最も多く、Ｓｉの含有比率（原子％）が４％〜２０％であるＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物からなるｂ層を被覆する工程とを有する被覆切削工具の製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、基材の表面にＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物が被覆された被覆切削工具の製造方法に関する。

近年、室温での板材の曲げ、絞り、抜きなどのプレス成形に用いられる金型材の切削加工には、高硬度なプリハードン鋼の加工および高能率加工が求められている。切削工具にはより優れた耐久性が要求されており、切削工具の表面に耐熱性や耐摩耗性が優れる各種セラミックスからなる硬質皮膜を被覆した被覆切削工具が適用されている。例えば、耐熱性に優れる皮膜種であるＡｌＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分として含み、Ｓｉおよびその他の金属（半金属を含む）元素を添加して耐摩耗性や耐熱性を高めた、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物を被覆した被覆切削工具が適用されている（特許文献１〜３）。
更には、ミクロ組織を制御したＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物も提案されている（特許文献４）。特許文献４によれば、相対的にＳｉに富むアモルファス相と相対的にＳｉに乏しい結晶相とからなるミクロ組織を有するＡｌＣｒＳｉ系の窒化物は、皮膜硬度が向上して、耐酸化性も改善され、これを適用することで被覆切削工具の耐久性が向上することが示されている。

被覆切削工具の耐久性を改善するためには、硬質皮膜の膜組成やミクロ組織を改良して被覆切削工具の耐久性を改善する一方で、基材と硬質皮膜の密着性を改善することも重要である。例えば、水素ガスを含有する雰囲気下でメタルボンバードを実施してＷ改質相を形成し、基材とＡｌＣｒＳｉ系の窒化物との密着性を向上させる手法が開示されている（特許文献５）。特許文献５によれば、基材表面にあるＷＣのＣがメタルボンバードによって照射される金属イオンと結合し、基材の表面側に金属ＷからなるＷ改質相、その直上に炭化物相が形成され、該炭化物相の直上に硬質皮膜を被覆することで基材と硬質皮膜の密着性が改善されるものである。

特開２００６−２３９７９２号公報特開２００５−１２６７３６号公報特開２００４−３３７９８８号公報特開２００２−３３７００７号公報特開２００９−２２０２６０号公報

近年、被削材の高硬度化および更なる高速加工化により、被覆切削工具には更なる耐久性が求められている。本発明者が詳細検討したところ、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物を被覆した被覆切削工具であっても耐久性を改善する余地があることを確認した。
本発明は上記の課題に鑑み、耐久性に優れる被覆切削工具の製造方法を提供することを目的とする。

すなわち本発明は、基材の表面に硬質皮膜が被覆された被覆切削工具の製造方法であって、前記基材の表面をＴｉボンバード処理してＷおよびＴｉを含む炭化物であるa層を形成する工程と、次いで、前記基材に印加するバイアス電圧を−２２０V〜−７０V、前記基材の設定温度を５００℃以下として、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が最も多く、Ｓｉの含有比率（原子％）が４％〜２０％であるＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物からなるｂ層を被覆する工程とを有する被覆切削工具の製造方法である。

本発明によれば、耐久性に優れる被覆切削工具を得ることができる。

本発明者は、高硬度材の高能率加工における被覆切削工具の損傷要因について検討し、硬質皮膜を形成する柱状粒界が起点となり、皮膜破壊が発生し易いことを確認した。一方で、柱状粒界を低減するために、硬質皮膜の組織を微細化すると、硬質皮膜と基材との密着性が低下するため被覆切削工具の耐久性が低下する。本発明者は、高硬度材を高能率加工するためには、耐熱性と耐摩耗性を兼ね備えた皮膜種を適用した被覆切削工具が有効であることを確認し、耐熱性と耐摩耗性が優れる皮膜種であるＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物をベースに皮膜組織を微細化して破壊の起点となる柱状粒界を低減することを検討した。そして、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物の皮膜組織を微細化するには一定量のＳｉ元素を含有することが有効であること、及び皮膜組織を微細化することに起因する密着性の低下を補完するには、特定の中間皮膜をＴｉボンバード処理により形成することが有効であることを知見した。更に、Ｔｉボンバード処理後の、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物の被覆において、基材に印加するバイアス電圧に加えて成膜温度を適切に制御することで、被覆切削工具の耐久性をより高めることができることを確認して本発明に到達した。

まず、本発明に係るa層に関して説明する。本発明で被覆する硬質皮膜であるｂ層は微細な組織形態であるため基材との密着性が乏しく、従来の窒化物からなる中間皮膜を介しては密着性を改善するには十分でない。本発明者は様々な条件で切削試験を行い、ＷおよびＴｉを含む炭化物からなるa層を基材の上に設けることで、微細な組織形態であるｂ層との密着性が改善されて被覆切削工具の耐久性が向上することを確認した。つまり、基材と硬質皮膜との間に特定の中間皮膜を形成することにより、微細な組織形態であるｂ層の基材との密着性を改善したものである。
基材の上にあるa層がＷを含んだ炭化物とすれば基材である超硬合金との親和性が強くなり密着性が優れると考えられる。また、a層がＴｉを含むことで、a層の上にある微細組織であるｂ層がＮａＣｌ型の結晶構造を維持し易くなる。そして、a層の近傍にある硬質皮膜の結晶性がより高まり、基材とb層の密着性がより高まると考えられる。a層の膜厚は２ｎｍ〜１０ｎｍとすることが好ましい。a層の膜厚が薄くなり過ぎれば基材との密着性が低下する場合がある。また、a層の膜厚が厚膜になり過ぎると皮膜剥離が発生する場合がある。ａ層の膜厚は２ｎｍ以上であることがより好ましい。ａ層の膜厚は７ｎｍ以下であることがより好ましい。
a層は、ＷおよびＴｉ以外に皮膜成分および母材成分を含有しても良い。a層の実測定においては、基材側のＣｏや硬質皮膜側のＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎが含まれ得るが、ＷおよびＴｉを含む炭化物とすることで本発明の効果は発揮される。
a層は、透過型電子顕微鏡観察による断面観察、組成分析、ナノビーム回折パターンより確認することができる。

本発明に係るa層の形成は、ターゲットの外周にコイル磁石を配備してアークスポットをターゲット内部に閉じ込めるような磁場構成としたカソードを用いてＴｉボンバードを実施することが好ましい。このようなカソードを用いて炭化物を形成し易い元素種であるＴｉでボンバード処理することで、基材表面の酸化物が除去されて清浄化されるだけでなく、ボンバードされたＴｉイオンが基材表面のＷＣに拡散してＷおよびＴｉを含む炭化物が形成され易くなる。本発明において、ＷおよびＴｉを含む炭化物であるa層は、機能部である刃先に形成されることで、刃先における基材とｂ層の密着性が高まり被覆切削工具の耐久性を高める効果を得ることができる。
Ｔｉボンバードの際に基材に印加する負圧のバイアス電圧およびカソードへ投入する電流が低いとＷおよびＴｉを含む炭化物が形成され難い。そのため、基材に印加するバイアス電圧は−１０００Ｖ〜−７００Ｖとすることが好ましい。また、カソードへ投入する電流は８０Ａ〜１５０Ａとすることが好ましい。
ボンバードはアルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、炭化水素系ガス等を導入しながら実施してもよいが、炉内雰囲気を１．０×１０^−２Ｐａ以下の真空下で実施することで基材表面が清浄化されるだけでなく、拡散層が形成され易くなり好ましい。
Ｔｉボンバード処理の前には、Ａｒ等のガスボンバード処理をしておくことが好ましい。

続いて本発明に係るｂ層について説明する。本発明では、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物からなるｂ層を被覆する。ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物は被覆切削工具として優れた耐摩耗性と耐熱性が発揮できる膜種であり、より好ましくは窒化物である。そして、優れた耐熱性を確保するためには、ｂ層の金属（半金属を含む）元素のうち原子比率（原子％）でＡｌの含有量を最も多くすることが重要である。Ａｌは耐熱性を付与する元素であり、金属（半金属を含む）元素の含有比率（原子％）でＡｌ以外の元素が最も多くなるとｂ層の耐熱性が低下する。
ｂ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）を５０％以上とすることで耐熱性が高まるので好ましい。より好ましくは、Ａｌの含有比率（原子％）は５５％以上である。一方、Ａｌの含有比率（原子％）が多くなり過ぎると、ＺｎＳ型の結晶構造が主体となり、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、ｂ層の金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）を６８％以下とすることが好ましい。なお、本発明における半金属とは、Ｓｉ、Ｂである。

ｂ層の結晶構造をＮａＣｌ型として被覆切削工具の耐久性を高めるためには、b層はＣｒの元素を含有する必要がある。ｂ層の金属（半金属を含む）元素のうちＣｒの含有比率（原子％）が２０％以上であることで、耐摩耗性および耐熱性が高いレベルで両立されて好ましい。Ｃｒの含有比率（原子％）が２０％よりも少なくなると、ＺｎＳ型の結晶構造となり易くなるため被覆切削工具の耐久性が低下する場合がある。
ｂ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）が８５％以上であることで、耐熱性および耐摩耗性がより向上して好ましい。更には、ＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）は９０％以上であることが好ましい。

Ｓｉは、ｂ層の組織を微細化するために重要な元素である。Ｓｉの含有量が少ないとＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物は粗大な柱状粒子が明確な組織形態となる。柱状粒子が明確な組織形態では、皮膜破壊の起点となる結晶粒界が多くなるため逃げ面摩耗が増大する傾向にある。一方、一定量のＳｉを含有量したＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物は、組織が微細化しており断面観察において明確な柱状粒子が観察されない。このような組織形態の硬質皮膜は、破壊の起点となる柱状粒界が少なくなり逃げ面摩耗を抑制することができる。但し、Ｓｉ含有量が多くなると非晶質およびＺｎＳ型の結晶構造が主体となり易くなり、被覆切削工具の耐久性が低下する。
よって、ｂ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＳｉの含有比率（原子％）を４％〜２０％とすることが重要である。Ｓｉの含有比率（原子％）が４％未満であると、柱状粒子が粗大となって耐久性が低下する傾向にある。Ｓｉの含有比率（原子％）が２０％を超えると、皮膜構造が非晶質となり易くなるため、ＮａＣｌ型の結晶構造とすることが困難となり耐久性が低下する傾向にある。Ｓｉの含有比率（原子％）としては、より好ましくは５％以上であり、更に好ましくは６％以上である。また、Ｓｉの含有比率（原子％）の上限は、より好ましくは１２％以下であり、更に好ましくは１０％以下である。

ｂ層は、ＮａＣｌ型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示す範囲であれば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの含有量を考慮して、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族（Ｃｒを除く）の金属元素およびＢから選択される１種または２種以上の元素の合計を、金属（半金属を含む）元素の原子比率（原子％）で０〜１０％含有することができる。これ以上の添加は硬質皮膜の耐摩耗性及び耐熱性を低下させる傾向にある。

被覆切削工具が優れた耐久性を発揮するためには、ｂ層はＮａＣｌ型の結晶構造であることが重要である。硬質皮膜がＺｎＳ型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示すものは脆弱であるため被覆切削工具として耐久性が乏しくなる。特に湿式加工において耐久性が低下する傾向にある。硬質皮膜の結晶構造は皮膜組成だけでなく、被覆時の基材に印加するバイアス電圧の影響を大きく受ける。基材に印加する負圧のバイアス電圧の絶対値が小さくなると、ＺｎＳ型の結晶構造に起因する回折強度が大きくなって工具の耐久性が低下する。一方、基材に印加する負圧のバイアス電圧の絶対値が大きくなると、硬質皮膜に付与される残留圧縮応力が増加して工具刃先が損傷する場合がある。そのため、ｂ層の被覆では、前記基材に印加するバイアス電圧を−２２０V〜−７０Vとする。ｂ層の被覆では、前記基材に印加するバイアス電圧を−２００V〜−１００Vとすることがより好ましい。

本発明においてＮａＣｌ型の結晶構造であるとは、例えば、Ｘ線回折においてＮａＣｌ型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示すものである。ｂ層は、Ｘ線回折においてＺｎＳ型の結晶構造に起因する回折強度が確認されないことが好ましい。しかし、ＮａＣｌ型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示すのであれば、一部にＺｎＳ型の結晶構造および非晶質相を含有してもよい。但し、皮膜の被験面積が小さい場合には、上記Ｘ線回折によるＮａＣｌ型の結晶構造の同定が困難な場合がある。このような場合であっても、例えば、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折法による結晶構造の同定を行うことができる。

ｂ層の被覆では、基材に印加するバイアス電圧の制御に加えて基材の設定温度を５００℃以下とする。本発明者の検討によると、成膜時の基材の設定温度を５００℃以下とすることで、ｂ層に付与される圧縮残留応力が増加して工具の耐久性がより向上することを確認した。一方、被覆時の基材の設定温度が低すぎると基材側から多量のガスが発生して、不純物を多く含んだ硬質皮膜となり、工具の耐久性が低下する傾向にある。また、圧縮残留応力が大きくなり過ぎるため、硬質皮膜が自身の残留圧縮応力で破壊してしまう。ｂ層に適度な圧縮残留応力を付与するため、基材の設定温度を４２０℃以上で被覆することが好ましい。

一般的に、Ｓｉ含有量が多くなるとＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物は、非晶質相が主体の組織形態となり易く、靱性が低下する傾向にある。ｂ層の結晶性を高めるためには、ターゲット中心付近の平均磁束密度が１４ｍＴ以上のカソードを用いることが好ましい。更に、ターゲット中心付近から基材付近まで磁力線が到達するよう調整したカソードを用いることが好ましい。このようなカソードを用いてｂ層を被覆することで、ｂ層のミクロ組織は、全体的なＳｉ量に対して相対的にＳｉ含有量の多い結晶相に、全体的なＳｉ量に対して相対的にＳｉ含有量が少ない結晶相が分散する組織形態となり易い。ｂ層がこのような組織形態になることで、皮膜により高い残留圧縮応力が付与されるとともに、クラックの進展がミクロレベルでも抑制される。これにより、より優れた耐久性が発揮できると考えられる。

本発明においては、ｂ層の上に更に別の層を被覆しても本発明の効果を発揮する。そのため、本発明でｂ層を切削工具の最表面に形成する以外に、別の層を被覆しても良い。そしてこの場合、ｂ層の上には保護皮膜として耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物又は炭窒化物からなるｃ層を被覆することが好ましい。より好ましくは窒化物である。保護皮膜は、耐熱衝撃性に優れる残留圧縮応力を有する硬質皮膜であることが好ましい。特に湿式加工においては加熱冷却のサイクルにより硬質皮膜が剥離し易くなることから、高い残留圧縮応力を有する硬質皮膜を保護皮膜として設けることが好ましい。
特に、金属（半金属を含む）元素のうちＴｉの原子比率（原子％）を５０％以上、Ｓｉの原子比率（原子％）を１％〜３０％有する窒化物又は炭窒化物皮膜は残留圧縮応力が高い皮膜種であることから、これらをｂ層の上層に設けることが好ましい。

本発明の被覆切削工具の製造方法は、ボールエンドミルに適用することで特に優れた耐久性を発揮することができる。工具の外周刃で被加工材を加工するスクエアエンドミルと違い、ボールエンドミルにおいては、チゼル部が被加工材と常に接触しながら加工を行っている。そのため、ボールエンドミルのチゼル部ではより優れた耐熱性と耐摩耗性が要求され、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物を適用することが有効であり、本発明を適用することでより優れた耐久性を発揮することができる。

本発明に適用する基材は、硬度は９３．０ＨＲＡ以上９５．０ＨＲＡ以下の超硬合金であることが好ましい。基材の硬度が低くなり過ぎれば耐摩耗性を改善するのに十分でない場合がある。また、基材の硬度が高くなり過ぎれば靱性が低下するためチッピングが発生する場合がある。優れた耐久性をより安定して発揮には、基材の硬度は９３．５ＨＲＡ以上であることがより好ましい。また、基材の硬度は、９４．５ＨＲＡ以下であることがより好ましい。

＜成膜装置＞
成膜には、アークイオンプレーティング方式の成膜装置を用いた。本装置は、複数のカソード（アーク蒸発源）、真空容器および基材回転機構を含む。
カソードは、ターゲット外周にコイル磁石を配備したカソードを１基（以下「Ｃ１」という。）と、ターゲット背面および外周に永久磁石を配備し、ターゲットに垂直方向の磁束密度がターゲット中央付近で１４ｍＴ以上の磁場を有したカソードを２基（以下「Ｃ２」、「Ｃ３」という。）が搭載されている。
Ｃ１には金属Ｔｉのターゲットを設置した。Ｃ２にはＡｌＣｒＳｉ合金のターゲットを設置した。Ｃ３にはＴｉＳｉ合金のターゲットを設置した。
真空容器内は、内部を真空ポンプにより排気され、ガスは供給ポートより導入される。真空容器内に設置した各基材にはバイアス電源が接続され、独立して各基材に負圧のＤＣバイアス電圧を印加する。
基材回転機構は、プラネタリーとプラネタリー上のプレート状治具、プレート状治具上のパイプ状治具が取り付けられ、プラネタリーが毎分３回転の速さで回転し、プレート状治具、パイプ状治具は夫々自公転する。

＜基材＞
物性評価用および切削試験用に、基材として、組成がＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−Ｃｒ（０．５質量％）−ＶＣ（０．３質量％）、ＷＣ平均粒度０．６μｍ、硬度９３．９ＨＲＡ、からなる超硬合金製の２枚刃ボールエンドミル（ボール半径０．５ｍｍ日立ツール株式会社製）を準備した。

＜加熱および真空排気工程＞
各基材をそれぞれ真空容器内のパイプ状冶具に固定し、成膜前プロセスを以下にように実施した。まず、真空容器内を８×１０^−３Ｐａ以下に真空排気した。その後、真空容器内に設置したヒーターにより、基材温度５００℃まで加熱して真空排気を行った。そして、基材の設定温度を５００℃とし、真空容器内の圧力を８×１０^−３Ｐａ以下とした。

＜Ａｒボンバード工程＞
その後、真空容器内にＡｒガスを導入し、０．６７Ｐａとした。その後、フィラメント電極に２０Ａの電流を供給、基材に−１５０Ｖのバイアス電圧を印加し、Ａｒボンバードを４分間実施した。

＜Ｔｉボンバード工程＞
その後、真空容器内の圧力が８×１０^−３Ｐａ以下になるように真空排気した。続いて、基材にバイアス電圧を印加して、Ｃ１に８０Ａのアーク電流を供給してＴｉボンバード処理を４分間実施した。

＜成膜工程＞
Ｔｉボンバード処理後、直ちにＣ１への電流の供給を中断した。そして、真空容器内のガスを窒素に置き換え真空容器内の圧力を５Ｐａとした。Ｃ２に１００Ａの電流を供給して、試料によって成膜時の基材温度とバイアス電圧を変化させて約２μｍの硬質皮膜を被覆した。その後、Ｃ３に１００Ａの電流を供給し、基材に印加するバイアス電圧を−５０VとしてＴｉＳｉNを約１μｍ被覆して、本発明例１〜３、比較例１０〜１２を作製した。
比較例１３は、Ａｒボンバード工程の後にＴｉボンバード処理を実施せずに、Ｃ２及びＣ３に電流を供給して硬質皮膜を被覆した。
比較例１４は、Ａｒボンバード工程の後に基材に印加するバイアス電圧を−６５０VとしてＴｉボンバードを３分間実施し、Ｃ２及びＣ３に電流を供給して硬質皮膜を被覆した。
比較例１７は、Ｔｉボンバード処理をせずに、Ａｒボンバード工程の後にチタン窒化物を被覆し、Ｃ２及びＣ３に電流を供給して硬質皮膜を被覆した。表１に各試料の成膜条件を示す。

株式会社日本電子製の電子プローブマイクロアナライザー装置（型番：ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）でｂ層の皮膜組成を測定した。この皮膜組成の分析は、分析用の被覆切削工具を断面観察して、各層を加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０^−８Ａ、取り込み時間１０秒、分析領域直径１μｍ、分析深さが略１μｍで５点測定してその平均から組成を求めることにより行った。

分析用の被覆切削工具を用いてＴＥＭによる断面解析を行った。装置は、日本電子株式会社製の電界放出型透過電子顕微鏡（型番：ＪＥＭ−２０１０Ｆ型）を用いた。組成分析は付属のＵＴＷ型Ｓｉ（Ｌｉ）半導体検出器を用いてビーム径１ｎｍで分析した。ナノビーム回折は、カメラ長５０ｃｍとし、２ｎｍ以下のビーム径で分析した。

本発明例のＴＥＭ観察により、基材と硬質皮膜の間には別層（ａ層）が形成されていることを確認した。ＥＤＳスペクトル分析結果から、基材の直上のａ層には、ＷとＴｉが含まれていることを確認した。また、ナノビーム回折パターンからａ層はＷＣの結晶構造に指数付けが可能であった。ＥＤＳスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、基材の直上にあるａ層は、ＷＣの一部にＴｉを含有した炭化物であることを確認した。また、ａ層は金属（半金属を含む）部分の原子比率でＷを最も多く含有していた。なお、ＷおよびＴｉ以外には硬質皮膜の成分であるＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎを含有していた。また、基材成分であるＣｏも僅かに含有していた。
ａ層の直上は、ＥＤＳスペクトル分析結果およびナノビーム回折パターンから、立方晶構造の窒化物からなる硬質皮膜であることを確認した。本発明例１〜３および比較例１０〜１２には約７ｎｍのa層が形成されていた。比較例１４は、明確なa層は形成されていなかった。

ＴＥＭを用いた制限視野回折法で本発明のｂ層の制限視野回折パターンを確認した。ｂ層の制限視野回折パターンには、ＮａＣｌ型の結晶構造を示すデバイリングが確認された。
本発明で被覆したｂ層は、ＴＥＭを用いたナノビーム回折法で分析した結果、詳細には、全体的なＳｉ量に対して、相対的にＳｉ量が少ない部位と、相対的にＳｉ量が多い部位とでなることを確認した。そして、相対的にＳｉ量が少ない部位に対応したナノビーム回折パターンにＮａＣｌ型の結晶構造を示すスポットが確認された。また、相対的にＳｉ量が多い部位についても、ナノビーム回折パターンでスポットが確認されることから結晶質であることが確認された。

作製した被覆切削工具を用いて切削試験を行った。表２に分析結果および切削試験結果を示す。切削条件は以下の通りである。
（条件）湿式加工
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＤＢＥ２０１０−６、ボール半径０．５ｍｍ、首下長さ６ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＨＰＭ３８（５２ＨＲＣ）（日立金属株式会社製）
・切り込み：軸方向、０．０４ｍｍ、径方向、０．０４ｍｍ
・切削速度：７８．５ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０１８９ｍｍ／刃
・切削油：水溶性エマルション加圧供給
・切削距離：６０ｍ
・評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１５０倍で観察し、工具と被削材が擦過した幅を実測し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を最大摩耗幅とした。

本発明例で作製した被覆切削工具は何れも最大摩耗幅が小さく優れた耐久性を示した。
比較例１０は、C２への電力投入時の基材温度が高いため、ｂ層に十分な圧縮残留応力が付与されていないため本発明例に比べて最大摩耗幅が大きくなった。比較例１１は、ｂ層被覆時の基材に印加する負圧のバイアス電圧の絶対値が小さいため、ＺｎＳ型の結晶構造が多くなって耐久性が低下した。比較例１２は、ｂ層のＳｉ量が少ないため皮膜の柱状粒子が粗大となったため工具の耐久性が低下した。
比較例１３は、Ｔｉボンバード処理しなかったためa層が形成されておらず、工具の耐久性が低下した。比較例１４は、Ｔｉボンバード処理をしたが、a層が明確には形成されておらず工具の耐久性が低下した。比較例１５は、中間皮膜にＴｉNを形成しているがｂ層の密着性を改善する十分でなく耐久性が低下した。

Claims

基材の表面に硬質皮膜が被覆された被覆切削工具の製造方法であって、前記基材の表面をＴｉボンバード処理してＷおよびＴｉを含む炭化物であるa層を形成する工程と、
次いで、前記基材に印加するバイアス電圧を−２２０V〜−７０V、前記基材の設定温度を５００℃以下として、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が最も多く、Ｓｉの含有比率（原子％）が４％〜２０％であるＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物からなるｂ層を被覆する工程とを有することを特徴とする被覆切削工具の製造方法。