JP3353449B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
被覆切削工具Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は強靱且つ耐摩耗性に優れ
た皮膜を形成した被覆切削工具に関するものである。
た皮膜を形成した被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】切削工具の使用される環境がますます過
酷になるのに伴い、炭化タングステン基超硬合金母材の
表面に化学蒸着法（ＣＶＤ法）や物理蒸着法（ＰＶＤ
法）等の手段によって各種のセラミックス皮膜を形成し
た、いわゆる被覆切削工具が広く活用されるようになっ
てきている。このような皮膜の例としては、炭化チタン
（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）及びアルミナ（Ａｌ
2 Ｏ3 ）皮膜がある。これらの単層または複層コーティ
ングによって、切削工具の耐摩耗性が向上するだけでな
く、切削時に被削材と切削工具とが反応することを防止
でき、結果的に工具の寿命向上が図れたことは、すでに
公知の通りである。しかし、これらの被覆切削工具を用
いて加工を行った場合、特に高速切削加工のように高温
での被覆層の耐摩耗性が必要な加工、あるいは小物品加
工のように加工数が多く被削材への食いつき回数が多い
加工などで被覆層の耐摩耗性が不足したり、被覆層の損
傷が発生することによる工具寿命の低下が発生してい
た。また、熱ＣＶＤ法による被覆膜ではＰＶＤ法に比べ
て母材との密着性には優れるものの、母材の種類によっ
ては、特に性能に寄与する切り刃稜線部において母材と
の界面に脆化層であるη相が厚く析出し易く、切削中に
このη相とともに被覆層が脱落して摩耗の進行が発生す
ることから、工具寿命のばらつきを引き起こし、被覆層
が十分に寿命の向上に寄与しているとは言えない場合が
あった。
酷になるのに伴い、炭化タングステン基超硬合金母材の
表面に化学蒸着法（ＣＶＤ法）や物理蒸着法（ＰＶＤ
法）等の手段によって各種のセラミックス皮膜を形成し
た、いわゆる被覆切削工具が広く活用されるようになっ
てきている。このような皮膜の例としては、炭化チタン
（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）及びアルミナ（Ａｌ
2 Ｏ3 ）皮膜がある。これらの単層または複層コーティ
ングによって、切削工具の耐摩耗性が向上するだけでな
く、切削時に被削材と切削工具とが反応することを防止
でき、結果的に工具の寿命向上が図れたことは、すでに
公知の通りである。しかし、これらの被覆切削工具を用
いて加工を行った場合、特に高速切削加工のように高温
での被覆層の耐摩耗性が必要な加工、あるいは小物品加
工のように加工数が多く被削材への食いつき回数が多い
加工などで被覆層の耐摩耗性が不足したり、被覆層の損
傷が発生することによる工具寿命の低下が発生してい
た。また、熱ＣＶＤ法による被覆膜ではＰＶＤ法に比べ
て母材との密着性には優れるものの、母材の種類によっ
ては、特に性能に寄与する切り刃稜線部において母材と
の界面に脆化層であるη相が厚く析出し易く、切削中に
このη相とともに被覆層が脱落して摩耗の進行が発生す
ることから、工具寿命のばらつきを引き起こし、被覆層
が十分に寿命の向上に寄与しているとは言えない場合が
あった。
【０００３】これらの従来から発生していた問題を解決
するために、アセトニトリル（ＣＨ 3 ＣＮ）等の有機Ｃ
Ｎ化合物を用いた熱ＣＶＤ法による炭窒化チタン膜（Ｔ
ｉＣＮ）の形成方法が注目されている（特開昭５０−１
１７８０９、昭５０−１０９８２８号公報など）。この
方法は、従来の熱ＣＶＤ法に比べて、やや低い温度での
コーティングが可能であることから、一般に中温ＣＶＤ
法（ＭＴ−ＣＶＤ法）と呼ばれている。従来の熱ＣＶＤ
法（高温ＣＶＤ法；ＨＴ−ＣＶＤ法と称する）では、チ
タン系皮膜の形成中に母材から皮膜へと元素（特に炭
素）の移動が生じ、母材表面に変質層（η相と呼ばれる
Ｃｏ3 Ｗ3 Ｃ等の複炭化物）が生成する。この様にＨＴ
−ＣＶＤ法において元素が移動する原因としては、被覆
温度が高い（通常１０００℃〜１０５０℃）ことがまず
考えられる。特に炭素の移動については、温度が高いこ
とに加えて、皮膜形成中に気相からの炭素の供給が不十
分であるために、形成中の皮膜と母材表面との間に、炭
素の濃度勾配が生じ、皮膜が母材から炭素を吸うという
現象が生じていることなどが考えられている。これに対
してＭＴ−ＣＶＤ法は、被覆温度がやや低く（８００℃
〜９００℃）、気相からのＣやＮの供給が十分であるた
めに、切り刃稜線部の界面でさえもη相が生じないとさ
れている。
するために、アセトニトリル（ＣＨ 3 ＣＮ）等の有機Ｃ
Ｎ化合物を用いた熱ＣＶＤ法による炭窒化チタン膜（Ｔ
ｉＣＮ）の形成方法が注目されている（特開昭５０−１
１７８０９、昭５０−１０９８２８号公報など）。この
方法は、従来の熱ＣＶＤ法に比べて、やや低い温度での
コーティングが可能であることから、一般に中温ＣＶＤ
法（ＭＴ−ＣＶＤ法）と呼ばれている。従来の熱ＣＶＤ
法（高温ＣＶＤ法；ＨＴ−ＣＶＤ法と称する）では、チ
タン系皮膜の形成中に母材から皮膜へと元素（特に炭
素）の移動が生じ、母材表面に変質層（η相と呼ばれる
Ｃｏ3 Ｗ3 Ｃ等の複炭化物）が生成する。この様にＨＴ
−ＣＶＤ法において元素が移動する原因としては、被覆
温度が高い（通常１０００℃〜１０５０℃）ことがまず
考えられる。特に炭素の移動については、温度が高いこ
とに加えて、皮膜形成中に気相からの炭素の供給が不十
分であるために、形成中の皮膜と母材表面との間に、炭
素の濃度勾配が生じ、皮膜が母材から炭素を吸うという
現象が生じていることなどが考えられている。これに対
してＭＴ−ＣＶＤ法は、被覆温度がやや低く（８００℃
〜９００℃）、気相からのＣやＮの供給が十分であるた
めに、切り刃稜線部の界面でさえもη相が生じないとさ
れている。
【０００４】ＭＴ−ＣＶＤ法を採用した特許はその後多
数出願されている。例えば特開平３−６４４６９号公報
及び特開平３−８７３６８号公報では、いずれも超硬合
金母材表面に直接ＭＴ−ＣＶＤ法を用いてＴｉＣＮ膜を
形成した上に、ＨＴ−ＣＶＤ法によりアルミナ（Ａｌ2
Ｏ3 ）や窒化チタン（ＴｉＮ）等の多層膜を形成した工
具が提案されている。また、特開昭６２−９９４６７公
報には、結晶粒径が０．５μｍ以下のＴｉＣＮ膜及び／
又はＴｉＮ膜を０．５〜５．０μｍの厚みで被覆した単
層あるいは積層皮膜が開示されており、ＴｉＣＮ膜の形
成方法としては蒸着温度７００〜９００℃におけるＭＴ
−ＣＶＤ法が開示されている。しかし、この方法におい
ても母材に接する膜はＴｉＣＮ膜であった。
数出願されている。例えば特開平３−６４４６９号公報
及び特開平３−８７３６８号公報では、いずれも超硬合
金母材表面に直接ＭＴ−ＣＶＤ法を用いてＴｉＣＮ膜を
形成した上に、ＨＴ−ＣＶＤ法によりアルミナ（Ａｌ2
Ｏ3 ）や窒化チタン（ＴｉＮ）等の多層膜を形成した工
具が提案されている。また、特開昭６２−９９４６７公
報には、結晶粒径が０．５μｍ以下のＴｉＣＮ膜及び／
又はＴｉＮ膜を０．５〜５．０μｍの厚みで被覆した単
層あるいは積層皮膜が開示されており、ＴｉＣＮ膜の形
成方法としては蒸着温度７００〜９００℃におけるＭＴ
−ＣＶＤ法が開示されている。しかし、この方法におい
ても母材に接する膜はＴｉＣＮ膜であった。
【０００５】ところが、本発明者らがＴｉＣＮ膜で被覆
した超硬合金部材について研究を進める間に、ＭＴ−Ｃ
ＶＤ法によるＴｉＣＮ膜と超硬合金母材との密着性は、
しばしば不安定になることが明らかとなった。これにつ
いて鋭意分析を進めた中から、その原因が、ＭＴ−ＣＶ
Ｄ法によるＴｉＣＮ皮膜の形成中に、反応生成物として
生じる塩素ガスによって、超硬合金母材表面の結合相で
あるコバルト（Ｃｏ）が腐食（エッチング）されている
ことが判明した。またアセトニトリル等の有機ＣＮ化合
物の熱分解は、母材表面の化学結合状態に影響を受け易
く、しばしば遊離炭素の生成を生じる。このような遊離
炭素の発生は皮膜と母材との密着性を低下させ、先に述
べた界面変質層の発生と複合することで、ＭＴ−ＣＶＤ
法による被覆切削工具の性能を不安定にしているのであ
った。超硬合金を基体としその表面にＴｉＣ、ＴｉＮ、
ＴｉＣＮを多層膜に被覆した被覆超硬合金において、基
体に隣接する最内層を０．１〜１．０μｍのＴｉＮとし
た被覆超硬合金も開示されているが（特開昭６１−１７
０５５９号公報）、これはＰＶＤ法による被膜に関する
ものである。更に、皮膜の硬度については、一般的に高
ければ高いほど耐摩耗性に優れていると考えられている
が、単に硬度が高いだけでは皮膜の靱性が低下するため
に欠け易くなり、切削工具においては異常摩耗を起こし
易く、実用に耐えないという問題があった。従って、硬
度と靱性をバランスよく両立させる必要に迫られてい
た。皮膜の微細構造については、特開昭６２−９９４６
７号公報のように、被覆層を構成するＴｉＣＮ膜及び／
あるいはＴｉＮ膜結晶粒の径が０．５μｍ以下であれば
最適であるとの提案はなされているが、結晶粒の形状と
粒径の評価法に関する記載がなく、現実的ではなかっ
た。
した超硬合金部材について研究を進める間に、ＭＴ−Ｃ
ＶＤ法によるＴｉＣＮ膜と超硬合金母材との密着性は、
しばしば不安定になることが明らかとなった。これにつ
いて鋭意分析を進めた中から、その原因が、ＭＴ−ＣＶ
Ｄ法によるＴｉＣＮ皮膜の形成中に、反応生成物として
生じる塩素ガスによって、超硬合金母材表面の結合相で
あるコバルト（Ｃｏ）が腐食（エッチング）されている
ことが判明した。またアセトニトリル等の有機ＣＮ化合
物の熱分解は、母材表面の化学結合状態に影響を受け易
く、しばしば遊離炭素の生成を生じる。このような遊離
炭素の発生は皮膜と母材との密着性を低下させ、先に述
べた界面変質層の発生と複合することで、ＭＴ−ＣＶＤ
法による被覆切削工具の性能を不安定にしているのであ
った。超硬合金を基体としその表面にＴｉＣ、ＴｉＮ、
ＴｉＣＮを多層膜に被覆した被覆超硬合金において、基
体に隣接する最内層を０．１〜１．０μｍのＴｉＮとし
た被覆超硬合金も開示されているが（特開昭６１−１７
０５５９号公報）、これはＰＶＤ法による被膜に関する
ものである。更に、皮膜の硬度については、一般的に高
ければ高いほど耐摩耗性に優れていると考えられている
が、単に硬度が高いだけでは皮膜の靱性が低下するため
に欠け易くなり、切削工具においては異常摩耗を起こし
易く、実用に耐えないという問題があった。従って、硬
度と靱性をバランスよく両立させる必要に迫られてい
た。皮膜の微細構造については、特開昭６２−９９４６
７号公報のように、被覆層を構成するＴｉＣＮ膜及び／
あるいはＴｉＮ膜結晶粒の径が０．５μｍ以下であれば
最適であるとの提案はなされているが、結晶粒の形状と
粒径の評価法に関する記載がなく、現実的ではなかっ
た。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来技
術の問題点を解決し、ＭＴ−ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜
のメリットを最大限発揮させることで、従来以上に信頼
性の高い被覆切削工具を提供することを目的としてい
る。そしてこの目的を達成するために、被覆形成中にお
ける母材表面の変質を防止するとともに、皮膜と母材と
の界面に好ましくない物質の析出を抑制することのでき
る皮膜構造を有する被覆切削工具を提供するものであ
り，また、マクロな皮膜構造の最適化にとどまらず、微
視的な構造や硬度の観点からみて最適な構造と最適範囲
の機械的強度を有する被覆切削工具を提供するものであ
る。
術の問題点を解決し、ＭＴ−ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜
のメリットを最大限発揮させることで、従来以上に信頼
性の高い被覆切削工具を提供することを目的としてい
る。そしてこの目的を達成するために、被覆形成中にお
ける母材表面の変質を防止するとともに、皮膜と母材と
の界面に好ましくない物質の析出を抑制することのでき
る皮膜構造を有する被覆切削工具を提供するものであ
り，また、マクロな皮膜構造の最適化にとどまらず、微
視的な構造や硬度の観点からみて最適な構造と最適範囲
の機械的強度を有する被覆切削工具を提供するものであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点を解決するために種々検討を加えた結果、ＭＴ−ＣＶ
Ｄ法によるＴｉＣＮ膜を母材表面に直接被覆するのでは
なく、まず母材の表面に第１層としてＴｉＮ膜を被覆
し、その上に第２層としてＴｉＣＮ膜を被覆することが
上記問題点の解決に有効であることを見出した。また、
第２層であるＴｉＣＮ膜については、その微小硬度や結
晶構造と粒子の大きさなどが皮膜の特性に大きく影響す
るすることを見出した。本発明はこれらの知見に基づい
て完成されたものである。
点を解決するために種々検討を加えた結果、ＭＴ−ＣＶ
Ｄ法によるＴｉＣＮ膜を母材表面に直接被覆するのでは
なく、まず母材の表面に第１層としてＴｉＮ膜を被覆
し、その上に第２層としてＴｉＣＮ膜を被覆することが
上記問題点の解決に有効であることを見出した。また、
第２層であるＴｉＣＮ膜については、その微小硬度や結
晶構造と粒子の大きさなどが皮膜の特性に大きく影響す
るすることを見出した。本発明はこれらの知見に基づい
て完成されたものである。
【０００８】すなわち本発明は、（１）主たる成分とし
て元素周期律表におけるＩＶａ、Ｖａ又はＶＩａ族元素
の炭化物、窒化物及び炭窒化物からなる群から選ばれる
１種以上の硬質成分とＶＩＩＩ族金属成分からなる合金
である母材の表面に化学蒸着法により硬質被膜を形成し
てなる被覆切削工具において、前記母材の表面に内層
が、母材と接する第１層が窒化チタンであり、その上の
第２層が硬度が１６００〜２４００ｋｇ／ｍｍ2 である
炭窒化チタンであり、更にその上にチタンの炭化物、窒
化物、炭窒化物及びホウ窒化物からなる群から選ばれる
一種以上を被覆した多重層で構成され、外層が、酸化ア
ルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、炭化
チタン、炭窒化チタン及び窒化チタンからなる群から選
ばれる一種以上の単層又は多重層で構成されている被覆
層を被覆してなることを特徴とする被覆切削工具、
（２）主たる成分として元素周期律表におけるＩＶａ、
Ｖａ又はＶＩａ族元素の炭化物、窒化物及び炭窒化物か
らなる群から選ばれる１種以上の硬質成分とＶＩＩＩ族
金属成分からなる合金である母材の表面に化学蒸着法に
より硬質被膜を形成してなる被覆切削工具において、前
記母材の表面に母材と接する第１層として厚み０．１〜
２．０μｍの窒化チタンが被覆され、その上に第２層と
して硬度が１６００〜２４００ｋｇ／ｍｍ2 である炭窒
化チタンが被覆されており、更にその上にチタンの炭化
物、窒化物、炭窒化物及びホウ窒化物からなる群から選
ばれる一種以上からなる単層あるいは多重層を被覆し、
これらの内層の上に外層として、酸化アルミニウム、炭
化チタン、炭窒化チタン及び窒化チタンからなる群から
選ばれる一種以上の単層又は多重層で構成されている被
覆層を被覆してなることを特徴とする被覆切削工具、
（３）第２層の炭窒化チタンが柱状結晶粒から構成さ
れ、該炭窒化チタンの平均結晶粒径が、第２層の膜厚が
４．０μｍ以下のときには０．１〜１μｍの範囲であ
り、第２層の膜厚が４．０μｍを越え、２０μｍ以下の
ときには０．５〜３．０μｍの範囲にある前記（１）又
は（２）の被覆切削工具である。
て元素周期律表におけるＩＶａ、Ｖａ又はＶＩａ族元素
の炭化物、窒化物及び炭窒化物からなる群から選ばれる
１種以上の硬質成分とＶＩＩＩ族金属成分からなる合金
である母材の表面に化学蒸着法により硬質被膜を形成し
てなる被覆切削工具において、前記母材の表面に内層
が、母材と接する第１層が窒化チタンであり、その上の
第２層が硬度が１６００〜２４００ｋｇ／ｍｍ2 である
炭窒化チタンであり、更にその上にチタンの炭化物、窒
化物、炭窒化物及びホウ窒化物からなる群から選ばれる
一種以上を被覆した多重層で構成され、外層が、酸化ア
ルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、炭化
チタン、炭窒化チタン及び窒化チタンからなる群から選
ばれる一種以上の単層又は多重層で構成されている被覆
層を被覆してなることを特徴とする被覆切削工具、
（２）主たる成分として元素周期律表におけるＩＶａ、
Ｖａ又はＶＩａ族元素の炭化物、窒化物及び炭窒化物か
らなる群から選ばれる１種以上の硬質成分とＶＩＩＩ族
金属成分からなる合金である母材の表面に化学蒸着法に
より硬質被膜を形成してなる被覆切削工具において、前
記母材の表面に母材と接する第１層として厚み０．１〜
２．０μｍの窒化チタンが被覆され、その上に第２層と
して硬度が１６００〜２４００ｋｇ／ｍｍ2 である炭窒
化チタンが被覆されており、更にその上にチタンの炭化
物、窒化物、炭窒化物及びホウ窒化物からなる群から選
ばれる一種以上からなる単層あるいは多重層を被覆し、
これらの内層の上に外層として、酸化アルミニウム、炭
化チタン、炭窒化チタン及び窒化チタンからなる群から
選ばれる一種以上の単層又は多重層で構成されている被
覆層を被覆してなることを特徴とする被覆切削工具、
（３）第２層の炭窒化チタンが柱状結晶粒から構成さ
れ、該炭窒化チタンの平均結晶粒径が、第２層の膜厚が
４．０μｍ以下のときには０．１〜１μｍの範囲であ
り、第２層の膜厚が４．０μｍを越え、２０μｍ以下の
ときには０．５〜３．０μｍの範囲にある前記（１）又
は（２）の被覆切削工具である。
【０００９】
【作用】本発明の第１のポイントは、ＭＴ−ＣＶＤ法に
よるＴｉＣＮ皮膜を母材表面に直接被覆するのではな
く、ＴｉＮ皮膜を介して被覆する点にある。このように
する理由を以下に述べる。前記のように、ＭＴ−ＣＶＤ
法によるＴｉＣＮ膜と母材との密着性は、しばしば不安
定になる。この原因について鋭意分析を進めた中から、
被覆中の雰囲気に含まれる塩素ガスによって超硬合金表
面の結合相（Ｃｏ等）が腐食（エッチング）されている
こと、及び母材上での有機ＣＮ化合物の分解が不安定で
あるために遊離炭素が生じ易いことが判明した。結合相
の腐食は母材表面の靱性低下を招き、遊離炭素の発生は
皮膜と母材との密着性を低下させ、これらが複合するこ
とで、ＭＴ−ＣＶＤ法による被覆切削工具の性能を低下
させていると考えられる。特に結合相の腐食は従来のＨ
Ｔ−ＣＶＤ法では発生していなかった現象であり、ＭＴ
−ＣＶＤ法に特有の問題であると考えられる。
よるＴｉＣＮ皮膜を母材表面に直接被覆するのではな
く、ＴｉＮ皮膜を介して被覆する点にある。このように
する理由を以下に述べる。前記のように、ＭＴ−ＣＶＤ
法によるＴｉＣＮ膜と母材との密着性は、しばしば不安
定になる。この原因について鋭意分析を進めた中から、
被覆中の雰囲気に含まれる塩素ガスによって超硬合金表
面の結合相（Ｃｏ等）が腐食（エッチング）されている
こと、及び母材上での有機ＣＮ化合物の分解が不安定で
あるために遊離炭素が生じ易いことが判明した。結合相
の腐食は母材表面の靱性低下を招き、遊離炭素の発生は
皮膜と母材との密着性を低下させ、これらが複合するこ
とで、ＭＴ−ＣＶＤ法による被覆切削工具の性能を低下
させていると考えられる。特に結合相の腐食は従来のＨ
Ｔ−ＣＶＤ法では発生していなかった現象であり、ＭＴ
−ＣＶＤ法に特有の問題であると考えられる。
【００１０】そこで鋭意検討を重ねた結果、母材の表面
に第１層としてＴｉＮ膜を被覆すると、超硬合金母材の
腐食が抑制され、またこの上にＭＴ−ＣＶＤ法によりＴ
ｉＣＮ皮膜を被覆する際に、遊離炭素等の発生も抑制さ
れることがわかった。第１層をＴｉＮ膜とすることによ
りこのような効果が得られるのは、母材に接する第１層
のＴｉＮ膜が、超硬合金等の母材の腐食に対して保護膜
の働きをするると同時に、ＭＴ−ＣＶＤ法によりＴｉＣ
Ｎ皮膜を形成する際の表面反応を安定化させるためと推
定される。第１層のＴｉＮ皮膜の膜厚は０．１μｍ以上
であることが好ましい。またこのＴｉＮ膜の厚みが２．
０μｍを越えると、工具としての耐摩耗性がかえって低
下するため、２．０μｍ以下であることが好ましい。こ
のＴｉＮ膜の形成方法としては窒素ガス、水素ガス、四
塩化チタン等を原料とした公知のＣＶＤ法を用いること
ができる。この第１層のＴｉＮ膜を中間層として、その
上にＭＴ−ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜を形成する。
に第１層としてＴｉＮ膜を被覆すると、超硬合金母材の
腐食が抑制され、またこの上にＭＴ−ＣＶＤ法によりＴ
ｉＣＮ皮膜を被覆する際に、遊離炭素等の発生も抑制さ
れることがわかった。第１層をＴｉＮ膜とすることによ
りこのような効果が得られるのは、母材に接する第１層
のＴｉＮ膜が、超硬合金等の母材の腐食に対して保護膜
の働きをするると同時に、ＭＴ−ＣＶＤ法によりＴｉＣ
Ｎ皮膜を形成する際の表面反応を安定化させるためと推
定される。第１層のＴｉＮ皮膜の膜厚は０．１μｍ以上
であることが好ましい。またこのＴｉＮ膜の厚みが２．
０μｍを越えると、工具としての耐摩耗性がかえって低
下するため、２．０μｍ以下であることが好ましい。こ
のＴｉＮ膜の形成方法としては窒素ガス、水素ガス、四
塩化チタン等を原料とした公知のＣＶＤ法を用いること
ができる。この第１層のＴｉＮ膜を中間層として、その
上にＭＴ−ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜を形成する。
【００１１】本発明の第２のポイントは、ＴｉＮ膜の上
に形成するＴｉＣＮ膜を特定の硬度あるいは特定の硬度
及び構造とする点にある。すなわち、第２層のＴｉＣＮ
膜の硬度が、１６００〜２４００ｋｇ／ｍｍ2 の範囲で
あり、そのＴｉＣＮが柱状結晶粒から構成され、該Ｔｉ
ＣＮの平均結晶粒径が、第２層の膜厚が４．０μｍ以下
のときには０．１〜１μｍの範囲であり、第２層の膜厚
が４．０μｍを越え、２０μｍ以下のときには０．５〜
３．０μｍの範囲にある皮膜が最適である。ここで言う
皮膜の硬度とは、マイクロビッカース硬度あるいはヌー
プ硬度のことを指す。具体的には，皮膜表面を母材と平
行あるいは適当な角度をつけて研磨し、この研磨された
面に、例えば荷重２５〜５０ｇ、荷重時間１０〜２０秒
でビッカースあるいはヌープの圧痕をつけ、その圧痕の
サイズを計測することにより測定される。工具用薄膜の
硬度測定に際しては、圧子の侵入深さが皮膜厚みを越え
ると、正しい硬度が測定できないため、少なくとも侵入
深さが皮膜厚みの半分以下となるような測定方法及び荷
重を選択する必要がある。ただし、薄膜硬度測定法とし
て開発されたダイナミック硬度測定法（圧子の押し込み
深さと押し込み荷重と関係から硬度を求める方法）は、
得られる測定値とビッカース硬度（あるいはヌープ硬
度）との絶対値での比較が困難なため、被覆切削工具の
硬度測定法としては好ましくない。
に形成するＴｉＣＮ膜を特定の硬度あるいは特定の硬度
及び構造とする点にある。すなわち、第２層のＴｉＣＮ
膜の硬度が、１６００〜２４００ｋｇ／ｍｍ2 の範囲で
あり、そのＴｉＣＮが柱状結晶粒から構成され、該Ｔｉ
ＣＮの平均結晶粒径が、第２層の膜厚が４．０μｍ以下
のときには０．１〜１μｍの範囲であり、第２層の膜厚
が４．０μｍを越え、２０μｍ以下のときには０．５〜
３．０μｍの範囲にある皮膜が最適である。ここで言う
皮膜の硬度とは、マイクロビッカース硬度あるいはヌー
プ硬度のことを指す。具体的には，皮膜表面を母材と平
行あるいは適当な角度をつけて研磨し、この研磨された
面に、例えば荷重２５〜５０ｇ、荷重時間１０〜２０秒
でビッカースあるいはヌープの圧痕をつけ、その圧痕の
サイズを計測することにより測定される。工具用薄膜の
硬度測定に際しては、圧子の侵入深さが皮膜厚みを越え
ると、正しい硬度が測定できないため、少なくとも侵入
深さが皮膜厚みの半分以下となるような測定方法及び荷
重を選択する必要がある。ただし、薄膜硬度測定法とし
て開発されたダイナミック硬度測定法（圧子の押し込み
深さと押し込み荷重と関係から硬度を求める方法）は、
得られる測定値とビッカース硬度（あるいはヌープ硬
度）との絶対値での比較が困難なため、被覆切削工具の
硬度測定法としては好ましくない。
【００１２】一方平均結晶粒径とは、皮膜の厚みを０．
１〜２０μｍとしたときに皮膜表面から走査電子顕微鏡
等で観察したときの、柱状結晶の先端の結晶粒の大き
さ、すなわち、柱状結晶先端部の太さのことである。平
均結晶粒径の評価は、顕微鏡により撮影された表面写真
において、決まった寸法の視野の中に１００個の結晶粒
が見られた時には、一辺の長さ１０μｍを１００の平方
根である１０で割ることによって、１μｍと評価され
る。このとき、視野からわずかでもはみ出した結晶粒に
ついては、０．５と数えるものとする。しかし積層膜の
場合は、皮膜の成長面を直接観察することができないの
で、平均結晶粒径の評価方法としては、被覆超硬合金部
材の被覆層を母材に対して平行あるいは適当な角度（１
０°以下が好ましい）をつけて研磨し、適当な腐食液
（弗酸と硝酸と蒸留水の混合溶液等）を用いて結晶粒界
を浮き上がらせた後に、走査型電子顕微鏡で観察する方
法や、薄片に加工した試料を透過型電子顕微鏡で観察す
る方法などの方法を使用する。いずれも適切な倍率で撮
影した写真から、結晶粒径を算出する。ただし、Ｘ線回
析法による結晶粒径の算出は、計算値が皮膜の残留応力
等に影響され易いため、好ましくない。
１〜２０μｍとしたときに皮膜表面から走査電子顕微鏡
等で観察したときの、柱状結晶の先端の結晶粒の大き
さ、すなわち、柱状結晶先端部の太さのことである。平
均結晶粒径の評価は、顕微鏡により撮影された表面写真
において、決まった寸法の視野の中に１００個の結晶粒
が見られた時には、一辺の長さ１０μｍを１００の平方
根である１０で割ることによって、１μｍと評価され
る。このとき、視野からわずかでもはみ出した結晶粒に
ついては、０．５と数えるものとする。しかし積層膜の
場合は、皮膜の成長面を直接観察することができないの
で、平均結晶粒径の評価方法としては、被覆超硬合金部
材の被覆層を母材に対して平行あるいは適当な角度（１
０°以下が好ましい）をつけて研磨し、適当な腐食液
（弗酸と硝酸と蒸留水の混合溶液等）を用いて結晶粒界
を浮き上がらせた後に、走査型電子顕微鏡で観察する方
法や、薄片に加工した試料を透過型電子顕微鏡で観察す
る方法などの方法を使用する。いずれも適切な倍率で撮
影した写真から、結晶粒径を算出する。ただし、Ｘ線回
析法による結晶粒径の算出は、計算値が皮膜の残留応力
等に影響され易いため、好ましくない。
【００１３】前記のような特定の硬度あるいは特定の硬
度及び構造を有するＴｉＣＮ膜はＭＴ−ＣＶＤ法により
容易に形成させることができる。この第２層のＴｉＣＮ
膜の形成はアセトニトリル、水素ガス、四塩化チタン等
を主原料とし、更に窒素あるいはアルゴンを原料ガス中
に添加し、基板温度８００〜９８０℃、反応槽内圧力４
０〜１５０Ｔｏｒｒで実施される。
度及び構造を有するＴｉＣＮ膜はＭＴ−ＣＶＤ法により
容易に形成させることができる。この第２層のＴｉＣＮ
膜の形成はアセトニトリル、水素ガス、四塩化チタン等
を主原料とし、更に窒素あるいはアルゴンを原料ガス中
に添加し、基板温度８００〜９８０℃、反応槽内圧力４
０〜１５０Ｔｏｒｒで実施される。
【００１４】前記のようにＴｉＣＮ膜を特定の硬度及び
構造とする理由は以下のとおりである。まず皮膜硬度に
ついては、硬度が高いほど耐摩耗性に優れるとされてい
るが、これはいわゆる擦り摩耗と呼ばれる、室温付近に
おける穏やかな摩耗における傾向である。したがって、
切削工具にチタン系セラミックス、即ちＴｉＮ、ＴｉＣ
Ｎ、ＴｉＣを適用する場合に、擦り摩耗に対する耐久性
を向上させるためには、ＴｉＣが最も優れているとされ
ている。しかし切削工具の様に、衝撃や熱を伴った摩擦
摩耗現象においては、単に硬度が高いだけでは靱性や耐
酸化性に劣るため、しばしば異常な摩耗を生じ、安定し
た寿命を示さない場合が多い。したがって、安定して長
い寿命を得るためには、適当な硬度と併せて、破壊しに
くい、あるいは破壊しても小規模で終わる様な微細構造
を持つとともに、耐酸化性も併せ持つことが望まれる。
このような目的のためには、耐酸化性に優れたＴｉＮ
と、高い硬度を持ったＴｉＣの両方の長所を併せ持った
ＴｉＣＮが最適である。本発明ではこのＴｉＣＮ皮膜の
硬度および細構造について検討し、最適の範囲を定めて
いる。
構造とする理由は以下のとおりである。まず皮膜硬度に
ついては、硬度が高いほど耐摩耗性に優れるとされてい
るが、これはいわゆる擦り摩耗と呼ばれる、室温付近に
おける穏やかな摩耗における傾向である。したがって、
切削工具にチタン系セラミックス、即ちＴｉＮ、ＴｉＣ
Ｎ、ＴｉＣを適用する場合に、擦り摩耗に対する耐久性
を向上させるためには、ＴｉＣが最も優れているとされ
ている。しかし切削工具の様に、衝撃や熱を伴った摩擦
摩耗現象においては、単に硬度が高いだけでは靱性や耐
酸化性に劣るため、しばしば異常な摩耗を生じ、安定し
た寿命を示さない場合が多い。したがって、安定して長
い寿命を得るためには、適当な硬度と併せて、破壊しに
くい、あるいは破壊しても小規模で終わる様な微細構造
を持つとともに、耐酸化性も併せ持つことが望まれる。
このような目的のためには、耐酸化性に優れたＴｉＮ
と、高い硬度を持ったＴｉＣの両方の長所を併せ持った
ＴｉＣＮが最適である。本発明ではこのＴｉＣＮ皮膜の
硬度および細構造について検討し、最適の範囲を定めて
いる。
【００１５】すなわち、ＴｉＣＮ皮膜の微細構造につい
ては後述するが、皮膜の硬度については１６００ｋｇ／
ｍｍ2 以上、２４００ｋｇ／ｍｍ2 以下であれば本発明
の目的のために最適であることがわかった。チタン系セ
ラミックスは、Ｔｉ1 Ｃx Ｎ1-x （但し０≦ｘ≦１）で
組成を表現したときに、ｘが大きい程硬度が高くなると
いう性質を持ち、ｘ＝０（即ちＴｉＮ）のときの２００
０ｋｇｆ／ｍｍ2 から、ｘ＝１（即ちＴｉＣ）のときの
３０００ｋｇｆ／ｍｍ2 まで、ｘの値の増大に伴って、
ほぼ直線的に硬度が上昇するとされる。しかし硬度は、
ＣとＮの比率以外にも、Ｔｉとの比率や不純物、残留応
力、微細構造等によっても左右される。本発明において
ＴｉＣＮと称する皮膜は、これらの種々の因子のいずれ
かが作用しているのかはさだかではないが、硬度が１６
００〜２４００ｋｇ／ｍｍ2 の時に、最も安定した工具
用皮膜が得られることが判明した。硬度が１６００ｋｇ
／ｍｍ2 を下回ると、摩耗が早く進むため、好ましくな
い。一方硬度が２４００ｋｇ／ｍｍ2 を越えると、靱性
が極端に低下し、欠けを生じ易くなるため、好ましくな
い。
ては後述するが、皮膜の硬度については１６００ｋｇ／
ｍｍ2 以上、２４００ｋｇ／ｍｍ2 以下であれば本発明
の目的のために最適であることがわかった。チタン系セ
ラミックスは、Ｔｉ1 Ｃx Ｎ1-x （但し０≦ｘ≦１）で
組成を表現したときに、ｘが大きい程硬度が高くなると
いう性質を持ち、ｘ＝０（即ちＴｉＮ）のときの２００
０ｋｇｆ／ｍｍ2 から、ｘ＝１（即ちＴｉＣ）のときの
３０００ｋｇｆ／ｍｍ2 まで、ｘの値の増大に伴って、
ほぼ直線的に硬度が上昇するとされる。しかし硬度は、
ＣとＮの比率以外にも、Ｔｉとの比率や不純物、残留応
力、微細構造等によっても左右される。本発明において
ＴｉＣＮと称する皮膜は、これらの種々の因子のいずれ
かが作用しているのかはさだかではないが、硬度が１６
００〜２４００ｋｇ／ｍｍ2 の時に、最も安定した工具
用皮膜が得られることが判明した。硬度が１６００ｋｇ
／ｍｍ2 を下回ると、摩耗が早く進むため、好ましくな
い。一方硬度が２４００ｋｇ／ｍｍ2 を越えると、靱性
が極端に低下し、欠けを生じ易くなるため、好ましくな
い。
【００１６】さて、ＴｉＣＮ皮膜の硬度が前記範囲内な
らば、比較的寿命の安定した工具を得ることができる
が、次に述べる様に皮膜の微細構造が最適な構造となっ
ていれば、更に好ましい。ＭＴ−ＣＶＤ法により被覆さ
れたＴｉＣＮ膜は、被覆時の条件によって様々な微細構
造をとる。本発明者らの研究によれば、この様な微細構
造として代表的なものは、次のタイプ１〜３の３通りに
分類できることがわかった。 （タイプ１）ドーム状の一次粒子が集合した二次粒子か
ら皮膜表面が構成されたもの。一次粒子の結晶粒径が
０．１μｍ未満である場合が多い。皮膜形成雰囲気中で
の原料ガスの濃度が高すぎるために皮膜の成長速度が毎
時２μｍ以上になっている場合や、蒸着温度が低い場合
に発現する。 （タイプ２）明瞭な多角形からなる一次粒子から皮膜表
面が構成されたもので、柱状の断面構造を持ち、それぞ
れの柱が比較的細いもの。つまり、柱状結晶粒の成長
が、初期にはテーパー状であるが、膜厚が２μｍを越え
たあたりから、柱の太さが余り変化しなくなる場合を指
す。蒸着温度が適正であり、原料ガスの濃度や比率が適
正であるときに見られる。具体的な平均結晶粒径と膜厚
との関係は、次の通りとなっている。 ・膜厚が４．０μｍ以下のとき、粒径が０．１〜１μｍ ・膜厚が４．０〜２０μｍのとき、粒径が０．５〜３．
０μｍ 本発明の目的のためにはこのタイプのものが好ましい性
状を示す。なお、切削工具においては２０μｍを超える
厚みのＴｉＣＮ層は、工具の靱性低下を招くため現実的
ではない。 （タイプ３）明瞭な多角形からなる一次粒子から皮膜表
面が構成されたもので、柱状の断面構造を持ち、それぞ
れの柱が皮膜の成長に従い、太くなっていくもの。つま
り、柱状結晶粒の成長がテーパー状であり、タイプ２の
結晶粒径と膜厚との関係には当てはまらずに、膜厚の増
大に伴って柱の太さが増大していく場合を指す。蒸着温
度が高い場合や、原料ガス濃度が低いために皮膜の成長
速度が遅い場合に見られる。
らば、比較的寿命の安定した工具を得ることができる
が、次に述べる様に皮膜の微細構造が最適な構造となっ
ていれば、更に好ましい。ＭＴ−ＣＶＤ法により被覆さ
れたＴｉＣＮ膜は、被覆時の条件によって様々な微細構
造をとる。本発明者らの研究によれば、この様な微細構
造として代表的なものは、次のタイプ１〜３の３通りに
分類できることがわかった。 （タイプ１）ドーム状の一次粒子が集合した二次粒子か
ら皮膜表面が構成されたもの。一次粒子の結晶粒径が
０．１μｍ未満である場合が多い。皮膜形成雰囲気中で
の原料ガスの濃度が高すぎるために皮膜の成長速度が毎
時２μｍ以上になっている場合や、蒸着温度が低い場合
に発現する。 （タイプ２）明瞭な多角形からなる一次粒子から皮膜表
面が構成されたもので、柱状の断面構造を持ち、それぞ
れの柱が比較的細いもの。つまり、柱状結晶粒の成長
が、初期にはテーパー状であるが、膜厚が２μｍを越え
たあたりから、柱の太さが余り変化しなくなる場合を指
す。蒸着温度が適正であり、原料ガスの濃度や比率が適
正であるときに見られる。具体的な平均結晶粒径と膜厚
との関係は、次の通りとなっている。 ・膜厚が４．０μｍ以下のとき、粒径が０．１〜１μｍ ・膜厚が４．０〜２０μｍのとき、粒径が０．５〜３．
０μｍ 本発明の目的のためにはこのタイプのものが好ましい性
状を示す。なお、切削工具においては２０μｍを超える
厚みのＴｉＣＮ層は、工具の靱性低下を招くため現実的
ではない。 （タイプ３）明瞭な多角形からなる一次粒子から皮膜表
面が構成されたもので、柱状の断面構造を持ち、それぞ
れの柱が皮膜の成長に従い、太くなっていくもの。つま
り、柱状結晶粒の成長がテーパー状であり、タイプ２の
結晶粒径と膜厚との関係には当てはまらずに、膜厚の増
大に伴って柱の太さが増大していく場合を指す。蒸着温
度が高い場合や、原料ガス濃度が低いために皮膜の成長
速度が遅い場合に見られる。
【００１７】前記のように下地中間層としてＴｉＮ膜を
形成した母材上に、前記３つのタイプのＴｉＣＮ皮膜を
形成させて工具を試作し、切削試験における逃げ面摩耗
性を評価した結果、各タイプの皮膜の摩耗挙動にはそれ
ぞれ以下の様な特徴があることが判明した。 （タイプ１）皮膜の耐摩耗性が低く、皮膜の正常摩耗か
ら母材の露出、溶着、異常摩耗と急速に進展する。 （タイプ２）皮膜は正常摩耗を示すが、皮膜の耐摩耗性
が高いために、非常に長い工具寿命を示す。 （タイプ３）タイプ２と同様に皮膜の耐摩耗性が高く、
工具寿命は慨ね長いが、しばしば皮膜が局部的に欠け等
の異常摩耗を生じ、母材の異常損傷を引き起こす。 タイプ１の皮膜は、ＴｉＣＮ皮膜の結晶性が低く、皮膜
を構成する粒子同志の結合が弱いために、皮膜が崩れな
がら摩耗しているものと推定される。一方タイプ３の皮
膜は耐摩耗性に優れるものの、結晶粒径が大きいために
皮膜が大規模に破壊する傾向があり、工具切れ刃のチッ
ピング等の異常摩耗につながっているものと推定され
る。これに対しタイプ２の皮膜は、耐摩耗性に優れると
共に、安定して正常摩耗を示すために、工具の異常摩耗
を生じることがなく、本発明の目的のために極めて好適
な特性を有している。
形成した母材上に、前記３つのタイプのＴｉＣＮ皮膜を
形成させて工具を試作し、切削試験における逃げ面摩耗
性を評価した結果、各タイプの皮膜の摩耗挙動にはそれ
ぞれ以下の様な特徴があることが判明した。 （タイプ１）皮膜の耐摩耗性が低く、皮膜の正常摩耗か
ら母材の露出、溶着、異常摩耗と急速に進展する。 （タイプ２）皮膜は正常摩耗を示すが、皮膜の耐摩耗性
が高いために、非常に長い工具寿命を示す。 （タイプ３）タイプ２と同様に皮膜の耐摩耗性が高く、
工具寿命は慨ね長いが、しばしば皮膜が局部的に欠け等
の異常摩耗を生じ、母材の異常損傷を引き起こす。 タイプ１の皮膜は、ＴｉＣＮ皮膜の結晶性が低く、皮膜
を構成する粒子同志の結合が弱いために、皮膜が崩れな
がら摩耗しているものと推定される。一方タイプ３の皮
膜は耐摩耗性に優れるものの、結晶粒径が大きいために
皮膜が大規模に破壊する傾向があり、工具切れ刃のチッ
ピング等の異常摩耗につながっているものと推定され
る。これに対しタイプ２の皮膜は、耐摩耗性に優れると
共に、安定して正常摩耗を示すために、工具の異常摩耗
を生じることがなく、本発明の目的のために極めて好適
な特性を有している。
【００１８】これらの各皮膜の特性の具体的な内容は実
施例において詳しく説明するが、いずれにしても、特許
請求の範囲に記載した特性を有するＴｉＣＮ膜は、安定
して優れた切削性能を示す工具を得るために必要なもの
である。また、本明細書においては、母材を炭化タング
ステン基超硬合金についてのみ記したが、炭窒化チタン
基の硬質相を金属結合相で焼結したサーメットにおいて
も、全く同じ効果が得られる。したがって、本発明の工
具における皮膜構造は、超硬合金以外にも炭窒化チタン
基サーメットにも適用可能である。
施例において詳しく説明するが、いずれにしても、特許
請求の範囲に記載した特性を有するＴｉＣＮ膜は、安定
して優れた切削性能を示す工具を得るために必要なもの
である。また、本明細書においては、母材を炭化タング
ステン基超硬合金についてのみ記したが、炭窒化チタン
基の硬質相を金属結合相で焼結したサーメットにおいて
も、全く同じ効果が得られる。したがって、本発明の工
具における皮膜構造は、超硬合金以外にも炭窒化チタン
基サーメットにも適用可能である。
【００１９】
【実施例】以下実施例により本発明をさらに具体的に説
明する。 ＜実施例１＞（内層の構造） ＣＮＭＧ１２０４０８の形状の炭化タングステン基超硬
合金（ＩＳＯ ＰＩ０）の表面に、公知の熱ＣＶＤ法に
より厚み０．６μｍのＴｉＮ膜を形成した後に、ＭＴ−
ＣＶＤ法によＴｉＣＮ皮膜を形成した。ＴｉＣＮ膜の形
成条件は、ＴｉＣｌ4 ：２％、ＣＨ3 ＣＮ：１％、
Ｈ2 ：９０％、Ａｒ：残（いずれも流量モル比）、総流
量２０リットル／分、基板温度９００℃、反応槽圧力７
２Ｔｏｒｒとした。ＴｉＣＮ膜の厚みは、成膜時間を調
整することにより変化させた。更に第２層のＴｉＣＮ膜
の上に、公知の熱ＣＶＤ法によりＴｉＢＮ膜とＡｌ2Ｏ
3 膜とをこの順で積層し、本発明の被覆切削工具を得
た。得られたＴｉＣＮ膜の膜厚と平均結晶粒径、硬度及
び界面腐食層の有無を測定した結果を表１に示す。平均
結晶粒径の測定は、表面のＡｌ2 Ｏ3 膜とＴｉＢＮ膜を
除去することも兼ねて皮膜の成長面を研磨して平滑に
し、弗酸と硝酸と蒸留水の混合液を用いてエッチングし
てＴｉＣＮ膜の結晶粒界を出し、これを走査型電子顕微
鏡を用いて観察し、前記（００１２）の段落に記載した
方法により測定した。ＴｉＣＮ膜の硬度は、皮膜の成長
面を研磨して平滑にし、ヌープ硬度計（荷重：２５ｇ、
荷重時間：２０秒）にて測定した。硬度の単位はｋｇｆ
／ｍｍ2 である。比較の為に、下地ＴｉＮを入れなかっ
た場合（比較例１）と、アルゴン（Ａｒ）を用いないＭ
Ｔ−ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜の場合（比較例２）につ
いても記した。いずれも本発明の被覆切削工具と同様
に、公知の熱ＣＶＤ法により、ＴｉＢＮ膜とＡｌ2 Ｏ3
膜とをこの順で積層した。また、得られたＴｉＣx Ｎ
1-x 膜の組成ｘは、いずれも約０．６であることが、Ｘ
線光電子分光（ＸＰＳ）法及びＸ線回析法によって確か
められた。
明する。 ＜実施例１＞（内層の構造） ＣＮＭＧ１２０４０８の形状の炭化タングステン基超硬
合金（ＩＳＯ ＰＩ０）の表面に、公知の熱ＣＶＤ法に
より厚み０．６μｍのＴｉＮ膜を形成した後に、ＭＴ−
ＣＶＤ法によＴｉＣＮ皮膜を形成した。ＴｉＣＮ膜の形
成条件は、ＴｉＣｌ4 ：２％、ＣＨ3 ＣＮ：１％、
Ｈ2 ：９０％、Ａｒ：残（いずれも流量モル比）、総流
量２０リットル／分、基板温度９００℃、反応槽圧力７
２Ｔｏｒｒとした。ＴｉＣＮ膜の厚みは、成膜時間を調
整することにより変化させた。更に第２層のＴｉＣＮ膜
の上に、公知の熱ＣＶＤ法によりＴｉＢＮ膜とＡｌ2Ｏ
3 膜とをこの順で積層し、本発明の被覆切削工具を得
た。得られたＴｉＣＮ膜の膜厚と平均結晶粒径、硬度及
び界面腐食層の有無を測定した結果を表１に示す。平均
結晶粒径の測定は、表面のＡｌ2 Ｏ3 膜とＴｉＢＮ膜を
除去することも兼ねて皮膜の成長面を研磨して平滑に
し、弗酸と硝酸と蒸留水の混合液を用いてエッチングし
てＴｉＣＮ膜の結晶粒界を出し、これを走査型電子顕微
鏡を用いて観察し、前記（００１２）の段落に記載した
方法により測定した。ＴｉＣＮ膜の硬度は、皮膜の成長
面を研磨して平滑にし、ヌープ硬度計（荷重：２５ｇ、
荷重時間：２０秒）にて測定した。硬度の単位はｋｇｆ
／ｍｍ2 である。比較の為に、下地ＴｉＮを入れなかっ
た場合（比較例１）と、アルゴン（Ａｒ）を用いないＭ
Ｔ−ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ膜の場合（比較例２）につ
いても記した。いずれも本発明の被覆切削工具と同様
に、公知の熱ＣＶＤ法により、ＴｉＢＮ膜とＡｌ2 Ｏ3
膜とをこの順で積層した。また、得られたＴｉＣx Ｎ
1-x 膜の組成ｘは、いずれも約０．６であることが、Ｘ
線光電子分光（ＸＰＳ）法及びＸ線回析法によって確か
められた。
【００２０】
【表１】
【００２１】表１より、下地ＴｉＮ膜がない比較例１に
おいては、母材と皮膜との界面に腐食層が生じることが
わかる。また、アルゴンを添加せずにＭＴ−ＣＶＤ法に
より形成した比較例２のＴｉＣＮ膜は、平均結晶粒径が
大きく、硬度も高いことがわかる。表１の本発明品１〜
５に見られる様に、ＭＴ−ＣＶＤの原料ガス中へのアル
ゴン添加によって柱状結晶の成長挙動が変化し、皮膜の
成長に伴う平均結晶粒径の増大が抑制されたり、ＴｉＣ
Ｎ膜の硬度が低下する原因は明らかではない。また、こ
こでは詳しくは述べないが、同様の現象がアルゴンの代
わりに窒素ガスを添加したＭＴ−ＣＶＤによるＴｉＣＮ
膜形成においても見られることが、本発明者らによって
確認されている。
おいては、母材と皮膜との界面に腐食層が生じることが
わかる。また、アルゴンを添加せずにＭＴ−ＣＶＤ法に
より形成した比較例２のＴｉＣＮ膜は、平均結晶粒径が
大きく、硬度も高いことがわかる。表１の本発明品１〜
５に見られる様に、ＭＴ−ＣＶＤの原料ガス中へのアル
ゴン添加によって柱状結晶の成長挙動が変化し、皮膜の
成長に伴う平均結晶粒径の増大が抑制されたり、ＴｉＣ
Ｎ膜の硬度が低下する原因は明らかではない。また、こ
こでは詳しくは述べないが、同様の現象がアルゴンの代
わりに窒素ガスを添加したＭＴ−ＣＶＤによるＴｉＣＮ
膜形成においても見られることが、本発明者らによって
確認されている。
【００２２】次に表１に示した試料のうち、皮膜厚みの
近似した本発明品３、比較例１、比較例２の試料につい
て、表２に示す条件で切削試験を実施した。結果を表３
に示す。この試験では、ＴｉＣＮ膜の耐摩耗性と、内層
（母材に接するＴｉＮ膜とその上のＴｉＣＮ膜までを指
す）と母材との密着性、皮膜の耐欠損性について評価し
た。
近似した本発明品３、比較例１、比較例２の試料につい
て、表２に示す条件で切削試験を実施した。結果を表３
に示す。この試験では、ＴｉＣＮ膜の耐摩耗性と、内層
（母材に接するＴｉＮ膜とその上のＴｉＣＮ膜までを指
す）と母材との密着性、皮膜の耐欠損性について評価し
た。
【００２３】
【表２】
【００２４】
【表３】
【００２５】表３からわかる様に、本発明品は、耐摩耗
性に優れると同時に耐剥離性、耐欠損性にもすぐれるこ
とがわかる。一方、下地ＴｉＮ膜のない場合（比較例
１）は、皮膜の耐剥離性に劣るが、これは母材界面に腐
食層が見られ、皮膜の耐剥離性に劣るためと考えられ
る。次にＴｉＣＮ膜の平均結晶粒径が大きい場合（比較
例２）は、上で述べたタイプ３のＴｉＣＮ膜になってお
り、慨ね良好な耐摩耗性と耐剥離性を示したが、刃先部
に欠けが見られ、異常摩耗を生じ易く、寿命がばらつく
ことがわかった。
性に優れると同時に耐剥離性、耐欠損性にもすぐれるこ
とがわかる。一方、下地ＴｉＮ膜のない場合（比較例
１）は、皮膜の耐剥離性に劣るが、これは母材界面に腐
食層が見られ、皮膜の耐剥離性に劣るためと考えられ
る。次にＴｉＣＮ膜の平均結晶粒径が大きい場合（比較
例２）は、上で述べたタイプ３のＴｉＣＮ膜になってお
り、慨ね良好な耐摩耗性と耐剥離性を示したが、刃先部
に欠けが見られ、異常摩耗を生じ易く、寿命がばらつく
ことがわかった。
【００２６】＜実施例２＞（被覆層全体の構造） ＩＳＯ Ｐ３０のＣＮＭＧ１２０４０８（チップブレー
カー付き）の形状の超硬合金を母材として用い、この表
面に表４に示す構造の被覆層を形成した。ここで、本発
明品における第１層ＴｉＮ膜及び第２層ＴｉＣＮ膜の形
成は、実施例１に記載の本発明品の皮膜形成条件にて実
施した。比較例３では、実施例１の比較例１と同様に、
下地ＴｉＮを入れずに基材上に直接ＴｉＣＮ膜の形成を
行った。また比較例４におけるＴｉＣＮ膜の形成は、実
施例１の比較例２と同様に、アルゴン添加を行わないＭ
Ｔ−ＣＶＤ法により行った。その他の膜については、従
来の熱ＣＶＤ法により皮膜形成を行い、表４に示す膜厚
及び膜構造の試料を得た。
カー付き）の形状の超硬合金を母材として用い、この表
面に表４に示す構造の被覆層を形成した。ここで、本発
明品における第１層ＴｉＮ膜及び第２層ＴｉＣＮ膜の形
成は、実施例１に記載の本発明品の皮膜形成条件にて実
施した。比較例３では、実施例１の比較例１と同様に、
下地ＴｉＮを入れずに基材上に直接ＴｉＣＮ膜の形成を
行った。また比較例４におけるＴｉＣＮ膜の形成は、実
施例１の比較例２と同様に、アルゴン添加を行わないＭ
Ｔ−ＣＶＤ法により行った。その他の膜については、従
来の熱ＣＶＤ法により皮膜形成を行い、表４に示す膜厚
及び膜構造の試料を得た。
【００２７】
【表４】
【００２８】表４に示した試料について、表５に示す切
削条件にて切削試験を実施した結果を表６に示す。表６
より、本発明品６〜１２は、耐摩耗性、耐剥離性共に優
れており、安定した寿命が得られていることがわかる。
これに対して、下地中間層としてＴｉＮ膜を入れなかっ
た場合（比較例３）は、実施例１においても確認したよ
うに、母材表面に腐食層が形成されており、耐剥離性に
劣るという結果が得られた。次にＴｉＣＮ膜を構成する
柱状結晶の平均粒径及び皮膜の硬度が本発明品に該当し
ない場合（比較例４）は、切削中に皮膜が大規模に破壊
し易く、欠けを生じた。これらの比較例３及び４はいず
れも耐摩耗性と耐剥離性を両方満足させておらず、切削
工具としては性能的に劣ることがわかる。
削条件にて切削試験を実施した結果を表６に示す。表６
より、本発明品６〜１２は、耐摩耗性、耐剥離性共に優
れており、安定した寿命が得られていることがわかる。
これに対して、下地中間層としてＴｉＮ膜を入れなかっ
た場合（比較例３）は、実施例１においても確認したよ
うに、母材表面に腐食層が形成されており、耐剥離性に
劣るという結果が得られた。次にＴｉＣＮ膜を構成する
柱状結晶の平均粒径及び皮膜の硬度が本発明品に該当し
ない場合（比較例４）は、切削中に皮膜が大規模に破壊
し易く、欠けを生じた。これらの比較例３及び４はいず
れも耐摩耗性と耐剥離性を両方満足させておらず、切削
工具としては性能的に劣ることがわかる。
【００２９】
【表５】
【００３０】
【表６】
【００３１】＜実施例３＞ＩＳＯ Ｐ０１のＣＮＭＧ１
２０４０８の形状の炭窒化チタン基サーメットを母材と
して用い、この表面に表７に示す構造の被覆層を形成し
た。ここで、本発明品における第１層ＴｉＮ膜及び第２
層ＴｉＣＮ膜の形成は、実施例１に記載の本発明品の皮
膜形成条件にて実施した。比較例５では、実施例１の比
較例１と同様に、下地ＴｉＮを入れずに基材上に直接Ｔ
ｉＣＮ膜の形成を行った。また比較例６におけるＴｉＣ
Ｎ膜の形成は、実施例１の比較例２と同様に、アルゴン
添加を行わないＭＴ−ＣＶＤ法により行った。その他の
膜については、従来の熱ＣＶＤ法により皮膜形成を行
い、表７に示す膜厚及び膜構造の試料を得た。
２０４０８の形状の炭窒化チタン基サーメットを母材と
して用い、この表面に表７に示す構造の被覆層を形成し
た。ここで、本発明品における第１層ＴｉＮ膜及び第２
層ＴｉＣＮ膜の形成は、実施例１に記載の本発明品の皮
膜形成条件にて実施した。比較例５では、実施例１の比
較例１と同様に、下地ＴｉＮを入れずに基材上に直接Ｔ
ｉＣＮ膜の形成を行った。また比較例６におけるＴｉＣ
Ｎ膜の形成は、実施例１の比較例２と同様に、アルゴン
添加を行わないＭＴ−ＣＶＤ法により行った。その他の
膜については、従来の熱ＣＶＤ法により皮膜形成を行
い、表７に示す膜厚及び膜構造の試料を得た。
【００３２】
【表７】
【００３３】表７に示した試料について、表８に示す切
削条件にて切削試験を実施した結果を表９に示す。表９
より、本発明品１３〜１６は、耐摩耗性、耐剥離性共に
優れており、安定した寿命が得られていることがわか
る。これに対して、下地中間層としてＴｉＮ膜を入れな
かった場合（比較例５）は、実施例１においても確認し
たように、母材表面に腐食層が形成されており、耐剥離
性に劣るという結果が得られた。次にＴｉＣＮ膜を構成
する柱状結晶の平均粒径及び皮膜の硬度が本発明品に該
当しない場合（比較例６）は、切削中に皮膜が大規模に
破壊し易く、欠けを生じた。これらの比較例５及び６は
いずれも耐摩耗性と耐剥離性を両方満足させておらず、
切削工具としては性能的に劣ることがわかる。
削条件にて切削試験を実施した結果を表９に示す。表９
より、本発明品１３〜１６は、耐摩耗性、耐剥離性共に
優れており、安定した寿命が得られていることがわか
る。これに対して、下地中間層としてＴｉＮ膜を入れな
かった場合（比較例５）は、実施例１においても確認し
たように、母材表面に腐食層が形成されており、耐剥離
性に劣るという結果が得られた。次にＴｉＣＮ膜を構成
する柱状結晶の平均粒径及び皮膜の硬度が本発明品に該
当しない場合（比較例６）は、切削中に皮膜が大規模に
破壊し易く、欠けを生じた。これらの比較例５及び６は
いずれも耐摩耗性と耐剥離性を両方満足させておらず、
切削工具としては性能的に劣ることがわかる。
【００３４】
【表８】
【００３５】
【表９】
【００３６】
【発明の効果】以上記した様に、本発明の被覆切削工具
は、従来の被覆切削工具に比較し、被覆層全体の耐摩耗
性が高いだけでなく、被覆膜と母材との密着性が強固で
あり、切削時の耐剥離性にも優れている。また、従来提
案されていた膜構造ではＭＴ−ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ
膜の持つ特徴を引き出すことが困難であったのに対し
て、下地中間層ＴｉＮを特定の厚みで挿入すること、及
びＭＴ−ＣＶＤ法による特定の構造を持ったＴｉＣＮ皮
膜を形成することで、被覆切削工具の性能を安定させる
ことが可能となった。
は、従来の被覆切削工具に比較し、被覆層全体の耐摩耗
性が高いだけでなく、被覆膜と母材との密着性が強固で
あり、切削時の耐剥離性にも優れている。また、従来提
案されていた膜構造ではＭＴ−ＣＶＤ法によるＴｉＣＮ
膜の持つ特徴を引き出すことが困難であったのに対し
て、下地中間層ＴｉＮを特定の厚みで挿入すること、及
びＭＴ−ＣＶＤ法による特定の構造を持ったＴｉＣＮ皮
膜を形成することで、被覆切削工具の性能を安定させる
ことが可能となった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−158324（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−158325（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−104773（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−88509（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−44572（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23B 27/14 C23C 16/32 C23C 16/34 C23C 16/36 C23C 16/40
Claims (3)
- 【請求項１】 主たる成分として元素周期律表における
ＩＶａ、Ｖａ又はＶＩａ族元素の炭化物、窒化物及び炭
窒化物からなる群から選ばれる１種以上の硬質成分とＶ
ＩＩＩ族金属成分からなる合金である母材の表面に化学
蒸着法により硬質被膜を形成してなる被覆切削工具にお
いて、前記母材の表面に内層が、母材と接する第１層が
窒化チタンであり、その上の第２層が硬度が１６００〜
２４００ｋｇ／ｍｍ2 である炭窒化チタンであり、更に
その上にチタンの炭化物、窒化物、炭窒化物及びホウ窒
化物からなる群から選ばれる一種以上を被覆した多重層
で構成され、外層が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニ
ウム、酸化ハフニウム、炭化チタン、炭窒化チタン及び
窒化チタンからなる群から選ばれる一種以上の単層又は
多重層で構成されている被覆層を被覆してなることを特
徴とする被覆切削工具。 - 【請求項２】 主たる成分として元素周期律表における
ＩＶａ、Ｖａ又はＶＩａ族元素の炭化物、窒化物及び炭
窒化物からなる群から選ばれる１種以上の硬質成分とＶ
ＩＩＩ族金属成分からなる合金である母材の表面に化学
蒸着法により硬質被膜を形成してなる被覆切削工具にお
いて、前記母材の表面に母材と接する第１層として厚み
０．１〜２．０μｍの窒化チタンが被覆され、その上に
第２層として硬度が１６００〜２４００ｋｇ／ｍｍ2 で
ある炭窒化チタンが被覆されており、更にその上にチタ
ンの炭化物、窒化物、炭窒化物及びホウ窒化物からなる
群から選ばれる一種以上からなる単層あるいは多重層を
被覆し、これらの内層の上に外層として、酸化アルミニ
ウム、炭化チタン、炭窒化チタン及び窒化チタンからな
る群から選ばれる一種以上の単層又は多重層で構成され
ている被覆層を被覆してなることを特徴とする被覆切削
工具。 - 【請求項３】 第２層の炭窒化チタンが柱状結晶粒から
構成され、該炭窒化チタンの平均結晶粒径が、第２層の
膜厚が４．０μｍ以下のときには０．１〜１μｍの範囲
であり、第２層の膜厚が４．０μｍを越え、２０μｍ以
下のときには０．５〜３．０μｍの範囲にあることを特
徴とする請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08144594A JP3353449B2 (ja) | 1994-04-20 | 1994-04-20 | 被覆切削工具 |
| AT94916435T ATE221142T1 (de) | 1993-05-31 | 1994-05-31 | Beschichtetes schneidwerkzeug und verfahren zu dessen herstellung |
| US08/379,624 US5915162A (en) | 1993-05-31 | 1994-05-31 | Coated cutting tool and a process for the production of the same |
| KR1019950700369A KR0165923B1 (ko) | 1993-05-31 | 1994-05-31 | 피복 절삭공구 및 그 제조방법 |
| EP94916435A EP0653499B1 (en) | 1993-05-31 | 1994-05-31 | Coated cutting tool and method for producing the same |
| PCT/JP1994/000882 WO1994028191A1 (fr) | 1993-05-31 | 1994-05-31 | Outil coupant revetu et son procede de production |
| DE69431032T DE69431032T2 (de) | 1993-05-31 | 1994-05-31 | Beschichtetes schneidwerkzeug und verfahren zu dessen herstellung |
| TW083105374A TW293037B (ja) | 1993-05-31 | 1994-06-11 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08144594A JP3353449B2 (ja) | 1994-04-20 | 1994-04-20 | 被覆切削工具 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07285001A JPH07285001A (ja) | 1995-10-31 |
| JP3353449B2 true JP3353449B2 (ja) | 2002-12-03 |
Family
ID=13746604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08144594A Expired - Lifetime JP3353449B2 (ja) | 1993-05-31 | 1994-04-20 | 被覆切削工具 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3353449B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR20070092945A (ko) * | 2004-12-22 | 2007-09-14 | 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤 | 표면 피복 절삭 공구 |
| JP2006175560A (ja) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp | 表面被覆切削工具 |
| JP4865513B2 (ja) * | 2006-11-27 | 2012-02-01 | 住友電工ハードメタル株式会社 | 表面被覆切削工具 |
| JP5127477B2 (ja) * | 2008-01-29 | 2013-01-23 | 京セラ株式会社 | 切削工具 |
| JP5729777B2 (ja) * | 2010-09-07 | 2015-06-03 | 住友電工ハードメタル株式会社 | 表面被覆切削工具 |
| EP3000913B1 (en) * | 2014-09-26 | 2020-07-29 | Walter Ag | Coated cutting tool insert with MT-CVD TiCN on TiAI(C,N) |
| CN106670516B (zh) * | 2016-12-26 | 2019-07-26 | 深圳正峰印刷有限公司 | 刀具及其镀膜工艺 |
| JP7141601B2 (ja) * | 2019-12-19 | 2022-09-26 | 株式会社タンガロイ | 被覆切削工具 |
-
1994
- 1994-04-20 JP JP08144594A patent/JP3353449B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07285001A (ja) | 1995-10-31 |
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