JP3633837B2 - 被覆工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基材の上に被膜を形成した被覆工具に関し、特に、その表面に耐摩耗性被膜を形成したドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具、その表面に耐摩耗性被膜を形成した金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、ドリルにおいて穴開け加工をする場合には、切削中に被削材とドリルとの界面に切削油剤を供給することが一般に行なわれている。この切削油剤は切削加工中における工具と被削材の界面の潤滑性向上、工具の冷却、切屑の排出促進に大きな効果を持っており、近年における切削能力の向上に大きく寄与してきた。
【０００３】
しかし、潤滑性を向上させる目的で切削油剤中に添加されている硫黄やリンや塩素などの極圧添加剤が、切削加工現場における作業環境の悪化、工場周辺の環境汚染、使用済み切削油剤の廃棄処理に伴う有害物質の飛散、廃棄処理費用問題などをもたらしてきた。
【０００４】
ある調査では、切削加工においては、切削油剤関連費用が工具費を大幅に上回り、生産加工費全体のうちの１５〜３０％を上回るとも言われている。
【０００５】
このような背景の下、切削油剤を減らしても寿命や切削能率が低下しない切削工具の開発が強く求められている。
【０００６】
なお、種々の切削加工の中でも、旋削加工、フライス加工の分野では切削油剤の削減に伴う技術的問題が比較的少なく乾式化が進んでいるといえる。しかしながら、穴開け加工においては、乾式化はずいぶんと遅れているのが現状である。
【０００７】
ドリルを用いた加工においては、切削油剤は、ドリルの逃げ面およびすくい面と被削材との間に薄い膜を形成するため潤滑効果を発揮する。また、切削の摩擦熱を吸収して、ドリルの刃先を冷却するという効果を有する。これら２つの効果により、ドリルの刃先、特に、逃げ面の摩耗を防ぐことができる。
【０００８】
また、切削油剤はドリルの刃先と被削材との間の潤滑効果を有するので、加工穴の表面が加工硬化を起こすことが少ない。さらに、ドリルを用いた加工においては、ドリルの刃先が被削材内に深く入り込むため、ドリルの溝を通して切屑を排出する必要がある。ここで、潤滑油剤は、この溝の表面に膜を作り切屑がスムーズに排出される効果も果たす。
【０００９】
そのため、切削油剤を使用しないと、上述の効果が達成できなくなり、逃げ面の摩耗の増大による工具寿命の低下、加工穴の加工硬化による穴質の低下、切屑の流出抵抗の増大によるドリルの折損等の問題が発生することが考えられる。
【００１０】
エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具では、工具の損傷を防止する技術についての開発が進められている。
【００１１】
この損傷は、主として摩耗と欠損に大別できる。摩耗は大きく分けると（１）機械的な摩擦摩耗によるものと、（２）高温での酸化や被削材との拡散などによって生じる熱的摩耗に分類される。いずれの摩耗も、切削速度や送り速度が大きくなって工具の刃先温度が高くなると著しくなる。
【００１２】
欠損は刃先にかかる大きな切削抵抗や機械的、熱的な衝撃によって起こり、高送り切削や断続切削で顕著に現われる。
【００１３】
従来から、これらの損傷を低減させるために、ＷＣ基超硬合金、サーメット、セラミックス、高速度鋼などの切削工具の硬質基材の表面には、硬質被覆層として、ＰＶＤ法（物理的気相蒸着法）やＣＶＤ法（化学的気相蒸着法）によりチタンの炭化物、窒化物、炭窒化物またはアルミニウムの酸化物を単層または複層形成することがよく知られている。
【００１４】
しかし、上記の切削工具においても、（１）加工能率を一層向上させるために切削速度がより高速になりつつあること、（２）切削油剤削減のためのドライ加工化が進みつつあることから、工具刃先温度はますます高温になる傾向がある。そのため、工具材料に要求される特性は一層厳しくなっている。
【００１５】
そこで、たとえば特公平５−６７７０５号公報に開示されているように、組成が（ＴｉｘＡｌ１−ｘ）（ＮｙＣ１−ｙ）（ただし、０．５６≦ｘ≦０．７５、０．６≦ｙ≦１）で表わされるＴｉＡｌ系の被膜が提案されている。通常のＴｉＮ膜では酸化開始温度が６００℃程度であるが、このＴｉＡｌ系被膜を用いると、酸化開始温度が８５０℃まで向上する。これにより、高温での酸化を抑制できることになる。
【００１６】
しかしながら、この技術では、被膜の表面粗さや基材と被膜との密着性に関しては何ら改善されていない。被膜の表面粗さが大きく、被膜の表面に突起が多く存在すれば、被膜の表面粗さが大きくなり滑り性や焼付き性が悪化する。また、被膜の表面に硬度が高い突起が存在すれば、加工後の被削材の表面仕上げ状態も損なわれる。
【００１７】
また、被膜と基材との密着性が悪ければ、たとえば耐酸化性に優れる被膜であったとしても切削工具寿命が短くなるという問題がある。
【００１８】
金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型技術も年々急速に進歩している。その発展は金型製作技術によるところが大きく、今後も金型の高精度、高強度、高寿命および低価格化の傾向が一段と増していくものと考えられる。そこで、適切な金型基材の選定や金型表面被覆処理技術などは上記要求を満たす上で非常に重要となってきている。
【００１９】
従来、金型の寿命を向上させるためには、耐摩耗性や耐焼付き性などに優れる拡散浸透法やＣＶＤ法（化学的気相蒸着法）が広く用いられてきた。しかし、これらの処理方法では非常に高温で処理するため、寸法精度や歪みなどに問題があり、近年、高精度の金型を製造する場合には、これらの方法は必ずしも好ましいものではなかった。
【００２０】
しかし、温度２００℃以下の比較的低温で処理することが可能なＰＶＤ法（物理的気相蒸着法）の技術が急速に発展した。その中でも、特にＴｉＮ被膜は切削工具関連の技術から発展してきた。この被膜は密着性が高いため、金型用途への応用が極めて活発になってきている。このＰＶＤ法を金型の製作に用いると有利な点は、基材の変態による体積変化が起こらず、高精度の金型が得られることおよび各種焼戻し温度の鋼基材やアルミニウム基材などにコーティングすることが可能である点である。
【００２１】
しかし、最近切削工具関連の技術において指摘されているように、ＴｉＮ膜は酸化開始温度が６００℃と低く、過酷な使用条件下では耐熱性に問題があった。
【００２２】
そこで、上記公報に記載されたＴｉＡｌ系被膜を金型に用いることにより酸化開始温度を８５０℃まで向上させることができる。
【００２３】
しかしながら、このような被膜でも、被膜表面の表面粗さや基材との密着性は向上していない。被膜の表面に突起が多く存在する場合には表面粗さが大きくなって滑り性や焼付き性が低下するとともに突起および突起が脱落して凹部となった部分が腐食の起点となるため耐食性も損なわれる。また、被膜の密着性が低ければ金型寿命も短くなる。
【００２４】
そこで、この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、この発明の１つの局面に従った目的は、寿命が長い被覆工具を提供することである。
【００２５】
また、この発明の別の局面に従った目的は、切削油剤を削減しても寿命が長く、加工孔の品質が低下せず、折損を防ぐことができるドリルを提供することである。
【００２６】
また、この発明のさらに別の局面に従った目的は、耐摩耗性、滑り性、焼付き性、被削材の加工精度（表面仕上げ状態）などが高いエンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具を提供することである。
【００２７】
この発明のさらに別の局面に従った目的は、耐摩耗性、耐食性、滑り性、焼付き性などが高い金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型を提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述のドリル、エンドミル、チップなどの切削工具、金属プレス用、金属鍛造用の金型などにおいて、種々の問題を解決するためにさまざまな研究を行なった。その結果、低温でも被覆可能なＰＶＤ法によって、耐酸化性を持たせながら耐摩耗性被膜を非常に平滑な状態で密着性よく基材表面に被覆することが必要であるとの知見を得た。
【００２９】
また、ドリルの刃先、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具の刃先の摩耗や金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型表面の摩耗を防止するためには、特に硬い材料からなる膜を形成する必要がある。さらに、これらの表面での潤滑性を発揮させるためには、この被膜と被削材との間に何らかの潤滑剤を介在させる必要がある。
【００３０】
また、ドリルにおいては、切屑を効率よく排出させるためには、ドリルの溝に切削油剤が存在しなくても、切屑が溝の表面に引っ掛からない程度の高い平坦性が溝の表面に要求される。
【００３１】
上述の知見に基づいてなされた、この発明に従った被覆工具は、基材と、その基材の上に形成された（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む耐摩耗性被膜とを備える。耐摩耗性被膜の表面において横寸法が２４μｍで縦寸法が１８μｍの矩形の表面領域を任意に３ヶ所選び、その３ヶ所で高さ０．５μｍ以上の突起の個数の合計値が１５以下である。高さ０．５μｍ以上の突起は耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生したものである。
【００３２】
このような被覆工具においては、耐摩耗性被膜は（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む。この（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎは極めて硬いため、被覆工具の耐摩耗性が向上する。そのため、たとえばドリルやフライスなどの切削工具では、逃げ面も摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、金型では、被削材と接触する面の摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの表面は切削加工中または金型加工中に酸化されて、この表面にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が生成する。このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させる。
【００３３】
これにより、たとえば被覆工具をドリルとして用いた場合には、加工孔の表面での表面硬化が起こることが少ない。そのため、加工孔の品質が向上する。また、被覆工具を切削工具として用いた場合には、このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が良くなる。さらに、被覆工具を金型として用いた場合には、アルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が向上する。
【００３４】
また、この発明の別の局面に従った被覆工具は、基材と、その基材の上に形成された（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む耐摩耗性被膜とを備える。耐摩耗性被膜の表面において横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの矩形の表面領域で高さ０．５μｍ以上の突起の個数値が２８以下である。高さ０．５μｍ以上の突起は耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生したものである。
【００３５】
このような被覆工具においては、耐摩耗性被膜は（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む。この（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎは極めて硬いため、被覆工具の耐摩耗性が向上する。そのため、たとえばドリルやフライスなどの切削工具では、逃げ面も摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、金型では、被削材と接触する面の摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの表面は切削加工中または金型加工中に酸化されて、この表面にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が生成する。このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させる。
【００３６】
これにより、たとえば被覆工具をドリルとして用いた場合には、加工孔の表面での表面硬化が起こることが少ない。そのため、加工孔の品質が向上する。また、被覆工具を切削工具として用いた場合には、このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が良くなる。さらに、被覆工具を金型として用いた場合には、アルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が向上する。
【００３７】
この発明のさらに別の局面に従った被覆工具は、基材と、その基材の上に形成された（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む耐摩耗性被膜とを備える。耐摩耗性被膜の表面において横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの矩形の表面領域で高さ１．０μｍ以上の突起の個数が７以下である。高さ１．０μｍ以上の突起は耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生したものである。
【００３８】
このような被覆工具においては、耐摩耗性被膜は（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む。この（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎは極めて硬いため、被覆工具の耐摩耗性が向上する。そのため、たとえばドリルやフライスなどの切削工具では、逃げ面も摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、金型では、被削材と接触する面の摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの表面は切削加工中または金型加工中に酸化されて、この表面にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が生成する。このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させる。
【００３９】
これにより、たとえば被覆工具をドリルとして用いた場合には、加工孔の表面での表面硬化が起こることが少ない。そのため、加工孔の品質が向上する。また、被覆工具を切削工具として用いた場合には、このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が良くなる。さらに、被覆工具を金型として用いた場合には、アルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が向上する。
【００４０】
また、耐摩耗性被膜は、複数層形成されていることが好ましい。
さらに、耐摩耗性被膜の厚みは０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００４１】
また、被覆工具は、基材と耐摩耗性被膜との間に形成された、チタンナイトライドを含む中間層をさらに備えることが好ましい。
【００４２】
この場合、チタンナイトライドは、基材表面と耐摩耗性被膜との両方に密着性が良いので、基材と耐摩耗性被膜の密着性を一層向上させることができる。そのため、耐摩耗性被膜が基材から剥がれることなく工具の寿命をさらに向上させることができる。
【００４３】
さらに、中間層の厚みは０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
また、突起の高さは走査型電子顕微鏡を用いて得られた３次元的データをもとに算出されることが好ましい。
【００４５】
さらに、基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、立方晶窒化ホウ素含有焼結体、セラミックス、アルミニウム系合金および鉄系合金からなる群より選ばれた少なくとも１種を含むことが好ましい。ここで、セラミックスの例として、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ホウ素およびダイヤモンドを挙げることができる。さらに、鉄系合金として、高速度鋼、ダイス鋼、ステンレス鋼を挙げることができる。
【００４６】
また、当該被覆工具は切削工具であり、耐摩耗性被膜は、陰極付近にガスを導入するガス導入口からガスを供給して成膜されることが好ましい。
さらに、切削工具は、切屑を排出するための溝がその表面に形成されたドリルであり、その溝に耐摩耗性被膜が形成されていることが好ましい。この場合、溝の表面において、高さが０．５μｍ以上の突起または高さが１．０μｍ以上の突起の個数が従来のドリルに比べて少ないため、溝の表面は平滑である。そのため、耐摩耗性被膜の表面の摩擦抵抗が低減されるため、この溝を通じて切屑がスムーズに排出されるので、ドリルの折損を防止することができる。
【００４７】
また、ドリルは、切削油が存在しない乾式条件下で使用されることが好ましい。
【００４８】
さらに、ドリルは、切削油を霧状に吹きつけるミスト潤滑条件下で使用されることが好ましい。
【００４９】
また、ドリルは、植物油を切削油として使用したセミドライ条件下で使用されることが好ましい。
【００５０】
また、ドリルにおいて、被削材に近い先端部分の溝の幅は、被削材から遠い根元部分の溝の幅よりも小さいことが好ましい。
【００５１】
この場合、ドリルの先端部での溝の幅を狭めることによって、小さくカールした切屑が次々と生成され、この小さな切屑が根元部の広い溝を通ってスムーズに排出される。そのため、ドリルの折損をさらに防止することができる。
【００５２】
また、ドリルにおいて、被削材に近い先端部分の溝の幅と、被削材から遠い根元部分の溝の幅とが等しいことが好ましい。この場合、溝の幅が一定であるため、ドリルを製造しやすくなり、低コストでドリルを提供することができる。
【００５３】
また、切削工具は、エンドミル、フライス加工用または旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、タップおよびリーマから群より選ばれた１種であることが好ましい。この場合、被覆工具の表面において、耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生した高さ０．５μｍ以上の突起または高さ１．０μｍ以上の突起の個数が従来の切削工具に比べて少ないため、切削工具の表面は平滑である。そのため、耐摩耗性被膜の表面の摩擦抵抗が低減し、被加工材の焼付きを防止することができる。さらに、従来、突起部が原因で損なわれていた被削材の表面粗さを小さくすることができる。
【００５４】
また、当該被覆工具は金型であることが好ましい。
さらに、金型は金属プレス加工用金型、金属鍛造用金型、金属ダイカスト用金型およびプラスチック成形用金型からなる群より選ばれた１種であることが好ましい。この場合、金型表面において、耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生した、高さが０．５μｍ以上の突起または高さが１．０μｍ以上の突起の個数が従来の金型に比べて少ないため、金型の表面が平滑である。そのため、耐摩耗性被膜の表面の摩擦抵抗が低減し、被加工材の焼付きを防止することができる。さらに、従来、突起部および突起が脱落した凹部が腐食の進行起点となっていたが、突起が少なくなることで耐食性も向上する。
【００５６】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。
【００５７】
実施例１：切削工具（ドリル）
（１） サンプルの作製
（ｉ） 本発明品の作製
図１は、この発明の実施例で用いたドリルの基材を示す図である。図１を参照して、ドリルの基材１は超硬合金からなる。基材１の表面には２条のねじれ溝２が設けられている。
【００５８】
図２は図１中のＸ−Ｘ線に沿って見た断面を示す図であり、図３は、図１中のＹ−Ｙ線に沿って見た断面を示す図である。図２を参照して、ドリルの先端部１ａでは、ねじれ溝２の角度Ｙ１ とねじれ溝２のない部分の角度Ｘ１ との比Ｙ１ ：Ｘ１ は０．６：１となっており、ねじれ溝２が狭くなっている。図３で示すドリルの根元部分１ｂにおいては、ねじれ溝２の角度Ｙ２ とねじれ溝２が存在しない部分の角度Ｘ２ との比Ｙ２ ：Ｘ２ は１：１であり、ねじれ溝２が存在する部分と存在しない部分との角度が等しくなっている。つまり、ドリル１の基材においては、ねじれ溝２は、先端部分１ａで狭く、根元部分１ｂで広いといえる。また、図１中の、点Ａから先端部分１ａまででは、図２で示すような断面形状であり、点Ｂから根元部分１ｂまでは図３で示すような断面形状であり、点Ａと点Ｂの間では、溝の幅が徐々にあるいは段階的に変化している。
【００５９】
図４は、この発明で用いた成膜装置の模式図である。本装置は特開平１０−６８０７１号公報に記載された装置であり、平滑な表面状態の（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを得るためのものである。図４を参照して、成膜装置１０は、チャンバ１２と、主テーブル１１と、支持棒１３と、アーク式蒸発源１４ａおよび１４ｂと、陰極１６ａおよび１６ｂと、可変電源としての直流電源２０ａ、２０ｂおよび２２と、陰極１６ａおよび１６ｂ付近にガスを供給するためのガス導入口２４ａおよび２４ｂとを備える。
【００６０】
チャンバ１２は真空ポンプと連結されており、チャンバ１２内の圧力を変化させることが可能である。チャンバ１２内に主テーブル１１と支持棒１３とガス導入口２４ａおよび２４ｂと陰極１６ａおよび１６ｂが設けられている。
【００６１】
チャンバ１２内に設けられた支持棒１３は主テーブル１１を支持する。支持棒１３内には回転軸が設けられており、この回転軸が主テーブル１１を回転させる。主テーブル１１上にドリルの基材１を保持するための治具１００が設けられている。支持棒１３、主テーブル１１および治具１００は直流電源２２の負極と電気的に接続されている。直流電源２２の正極はアースされている。
【００６２】
チャンバ１２の側壁には、アーク式蒸発源１４ａと、そのアーク式蒸発源１４ａに接続された陰極１６ａが取付けられている。アーク式蒸発源１４ａおよび陰極１６ａと向かい合うように、チャンバ１２の側壁にアーク式蒸発源１４ｂと陰極１６ｂが取付けられている。
【００６３】
アーク式蒸発源１４ａおよび陰極１６ａは、直流電源２０ａの負極と電気的に接続されている。直流電源２０ａの正極はアースされ、かつチャンバ１２と電気的に接続されている。アーク式蒸発源１４ｂおよび陰極１６ｂは直流電源２０ｂの負極と電気的に接続されている。直流電源２０ｂの正極はアースされ、かつチャンバ１２に電気的に接続されている。
【００６４】
アーク式蒸発源１４ａおよび１４ｂは陰極１６ａおよび１６ｂとチャンバ１２との間のアーク放電によって陰極１６ａおよび１６ｂを部分的に溶解させて陰極物質を矢印１８ａおよび１８ｂに示す方向に蒸発させるものである。陰極１６ａおよび１６ｂとチャンバ１２との間には数十Ｖから数百Ｖ程度の電圧が印加される。陰極１６ａは、（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）により構成される。陰極１６ｂはＴｉにより構成される。なお、（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）とは、ＴｉとＡｌの原子数比が０．５：０．５の化合物をいう。
【００６５】
陰極１６ａおよび１６ｂ付近にガスを供給するガス導入口２４ａおよび２４ｂには、矢印２６ａおよび２６ｂで示す方向からさまざまなガスが導入される。このガスの例として、アルゴン、窒素ガスまたは、たとえばメタン、アセチレン、ベンゼンなどの炭化水素系ガスなどがある。
【００６６】
図５は、図４中の治具１００を詳細に示す図である。図６は、治具１００の上面図である。図５および図６を参照して、治具１００は、主テーブル１１０と、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４４と、回転軸１５１および１５２とを備える。
【００６７】
主テーブル１１０は、主テーブル１１と接続されており矢印１１０ａで示す方向に回転する。主テーブル１１０上には垂直方向に延びる回転軸１５１および１５２が設けられている。また、図５および図６では示さないが、主テーブル１１０上には他の４本の回転軸も設けられている。
【００６８】
回転軸１５１には副テーブル１２１〜１２３が固定されている。それぞれの副テーブル１２１〜１２３には、図１〜３で示すドリルの基材１が取付けられている。同様に、副テーブル１２４〜１２６も回転軸１５２に固定されており、それぞれの副テーブル１２４〜１２６上には基材１が取付けられている。また、副テーブル１３１、１３４、１４１および１４４上にもドリルの基材１が取付けられている。
【００６９】
すべての副テーブルは回転軸と固定されており、回転軸１５１および１５２は支持棒１３中の回転軸とギアで接続されているため、矢印１２０ａで示す方向に回転する。そのため、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４４も矢印１２０ａで示す方向に回転する。
【００７０】
これらの副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４４上の基材１は、矢印１１０ａで示す方向に大きく公転すると同時に、矢印１２０ａで示す方向に小さく公転（自転）する。また、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４４の回転数は、主テーブル１１０の回転数よりも多いことが好ましい。さらに、基材１を個々に回転させる機構を付与してもよい。
【００７１】
まず、図４〜図６で示すような装置を用いて、主テーブル１１０を矢印１１０ａで示す方向に回転させ、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１、および１４６を矢印１２０ａで示す方向に回転させながら、真空ポンプによりチャンバ１内の圧力を１．３×１０−３Ｐａとした。次に、ガス導入口２４からアルゴンガスを導入してチャンバ１２内の圧力を２．７Ｐａに保持し、ヒータ（図示せず）により基材１を温度２００℃に加熱した後、直流電源２２の電圧を−１０００Ｖとし、基材１の表面のクリーニングを行なった。その後、アルゴンガスを排気した。
【００７２】
次に、直流電源２２の電圧を−１０００Ｖに維持したままチャンバ１２内の圧力が６．６×１０−１Ｐａとなるようにアルゴンガスの流量を調整した。直流電源２０ｂから１００Ａのアーク電流を供給し、陰極１６ｂからチタンイオンを発生させた。これにより、チタンイオンが基材１の表面をスパッタクリーニングし、基材２の表面の強固な汚れや酸化膜が除去された。
【００７３】
その後、チャンバ１２内の圧力が４Ｐａとなるようにガス導入口２４ａおよび２４ｂから窒素ガスを導入し、直流電源２２の電圧を−２００Ｖとした。すると、基材１の表面においてＴｉＮ膜の形成が始まった。ＴｉＮ膜が所定の厚み（０．３μｍ）に達するまでこの状態を維持した。これにより、中間層としてのＴｉＮ膜を形成した。中間層の厚みとしては０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【００７４】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、この状態のままアーク式蒸発源１４ａに１００Ａのアーク電流を供給した。これにより、陰極１６ａを構成する（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）が矢印１８ａに示す方向に蒸発し、基材１の表面に厚さが約６μｍの耐摩耗性被膜としての（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜を形成して本発明に従ったドリル（本発明品）を作製した。なお、耐摩耗性被膜としての（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜の厚みとしては、０．５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。耐摩耗性被膜の厚さが０．５μｍ未満であれば被膜自体の強度が低下し、被膜の耐摩耗性が低下する。また、被膜の厚さが１５μｍを超えると膜の剥離や欠けが発生しやすくなる。また、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜の組成式を（ＴｉＸ 、Ａｌ１−Ｘ ）Ｎとした場合、０．３≦Ｘ≦０．８であることが好ましい。そのため、上述の陰極１６ａの組成式を（ＴｉＸ 、Ａｌ１−Ｘ ）とすると、０．３≦Ｘ≦０．８であることが好ましい。
【００７５】
（ｉｉ） 従来品１の作製
従来品１の作製に当たっては、まず、図１〜３で示すような基材１を準備した。この基材１を図４で示す治具１００にセットした。また、装置１０においてガス導入口２４ａおよび２４ｂをチャンバ１２の上部１２ａに一つにまとめて配置した。陰極１６ａをチタンとアルミニウムの化合物（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）で構成した。その他の成膜装置１０の構成については、本発明品の製造と同様にした。
【００７６】
このような装置１０を用いて、まず、主テーブル１１０を矢印１１０ａで示す方向に回転させ、かつ、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４６をそれぞれ、矢印１２０ａで示す方向に回転させた。次に、基材１の表面を本発明品を製造したのと同様の手法でアルゴンでスパッタクリーニングし、その後、チタンでスパッタクリーニングした。さらに、本発明品を製造した工程と同様に基材１の表面に厚さが０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【００７７】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、直流電源２０ａから陰極１６ａへ−２００Ｖ、１００Ａの電力を供給して、陰極１６ａを構成する（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）を蒸発させた。また、チャンバ１２の上部１２ａに設けられたガス導入口から窒素ガスを導入した。これらが基材１の表面で反応して基材１上のＴｉＮ膜上に膜厚が６μｍの（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）Ｎ膜が得られた。これにより、本発明品とほぼ同一の組成で窒素ガスの導入方法が異なる耐摩耗性被膜を有する従来品１を得た。
【００７８】
（ｉｉｉ） 従来品２の作製
従来品２の作製に当たっては、陰極１６ａおよび陰極１６ｂをチタンで構成した。その他の成膜装置１０の構成については従来品１の場合と同様とした。このような成膜装置１０において、まず、治具１００に基材１を取付け、本発明品を製造したのと同様にこれらを回転させた。次に、本発明品を製造したのと同様の工程で基材１の表面をアルゴンでスパッタクリーニングし、その後、チタンでスパッタクリーニングし、さらに、厚さが０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【００７９】
次に、ＴｉＮ膜の形成が終了すると、直流電源２０ａから陰極１６ａへ−２００Ｖ、１００Ａの電力を供給して、陰極１６ａからチタンイオンを発生させた。また、ガス導入口からメタンガス（ＣＨ４ ）と窒素ガスとを導入した。これらが反応して、基材１の表面のＴｉＮ膜上に膜厚が６μｍのＴｉ（Ｃ０．５ 、Ｎ０．５ ）膜を形成した。Ｔｉ（Ｃ０．５ 、Ｎ０．５ ）とは、ＴｉとＣとＮの原子数比が１：０．５：０．５の化合物をいう。
【００８０】
これにより、陰極として（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）を用いた製造した（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）Ｎ膜を有する本発明品、陰極として（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）を用いて製造された（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）Ｎ膜を有する従来品１および陰極としてＴｉを用いて製造されたＴｉ（Ｃ０．５ 、Ｎ０．５ ）膜を有する従来品２を得た。
【００８１】
（２） サンプルの表面粗さの評価
図７は、サンプルの表面粗さを評価するのに用いた３Ｄ−ＳＥＭ（ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の模式図である。図７を参照して、ＳＥＭ２００（エリオニクス社製ＥＲＡ−８００）は、電子銃２１０と、電子レンズ２２１〜２２４と、検出器２３１〜２３４とを有する。
【００８２】
電子銃２１０は、電子線２１１を発射する。電子銃２１０から発射された電子線２１１は電子レンズ２２１〜２２４によりさまざまにその進路を変えられて支持台２５０上に置かれた試料２６０に照射される。試料２６０に照射された電子線は、試料２６０から２次電子を発生させる。この２次電子を検出器２３１〜２３４が検出することにより、試料２６０の表面状態を観察することができる。
【００８３】
図８は、図７で示す装置において、試料の表面形状を測定する原理を示す模式図である。図８を参照して、試料２６０の表面２６１ａのうち、角度θ１ を有する点２６１ｂおよび角度θ２ を有する点２６１ｄに電子線２１１が照射されると、この点２６１ｂおよび２６１ｄから２次電子が発生する。
【００８４】
発生した２次電子のうち、検出器２３２に検出される２次電子の出力信号をＡとし、検出器２３３に検出される２次電子の出力信号をＢとする。すなわち、検出器２３２に面した点２６１ｂでの信号強度は、検出器２３２で大きく、その値に比べて検出器２３３で小さくなる。一方、検出器２３３に面した点２６１ｄでの信号強度は検出器２３３で大きく、頂点２６１ｅの影響を受ける検出器２３２で極端に小さくなる。
【００８５】
点２６１ｂから発生する２次電子の信号強度のうち、検出器２３２で検出される信号の強度を矢印２１２の長さで示し、検出器２３３で検出される信号の強度を矢印２１３の長さで示す。また、点２６１ｄで発生する２次電子の信号強度のうち、検出器２３２で検出される信号の強度を矢印２４１の長さで示し、検出器２３３で検出される信号の強度を矢印２１５の長さで示すと、矢印２１５の長さが最も長く、次いで、矢印２１２が長く、その次に、矢印２１３が長く、矢印２１４は一番短い。
【００８６】
また、初期条件設定走査によりなるべく平面（水平面）に等しい部分から発生して検出器２３２に検出される２次電子の出力信号２１１ａをＡｎとし、検出器２３３に検出される２次電子の出力信号２１１ｂをＢｎとする。そして、図８中の左から右へ向かう方向をＸとして、上述のＡ、Ｂ、Ａｎ、Ｂｎを求めれば、以下の式に従い、Ｘ−Ｙ平面内における角度θを求めることができる。
【００８７】
【数１】
【００８８】
また、このようにして求めた試料の傾斜を積分していくことにより、Ｘ軸方向の表面形状を測定することができる。
【００８９】
このようなＳＥＭ２００を用いて各サンプルのねじれ溝２の表面に形成された耐摩耗性被膜の評価を行なった。具体的には、本発明品、従来品１および従来品２のねじれ溝２の表面から横寸法が８０μｍで縦寸法が５０μｍの試料２６０を取出した。
【００９０】
本発明品、従来品１および２について、これらの試料２６０を支持台２５０上に置き、ＳＥＭ２００でその測定倍率を２０００倍として試料２６０上の横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの矩形の領域での表面形状を観察した。なお、このとき、電子線の走査は基材２の研磨キズの影響を避けるため、研磨キズに平行に行なった。
【００９１】
次に、得られた表面形状についてのデータをもとに、このデータを１８０個のデータに分割した。すなわち、図９で示すように、ＳＥＭで観察した横寸法が６０μｍで縦寸法４５μｍの領域上にライン１からライン１８０で示す１８０本の線分を設定し、それぞれのライン１〜ライン１８０においてのＸ軸方向での表面の高さを求めた。
【００９２】
図１０は、ライン１におけるサンプルの表面高さのプロファイル曲線３００を示している。このプロファイル曲線３００では、極大点３０１〜３０８と、極小点３１１〜３１７が存在する。極大点３０１〜３０８のうち、このプロファイル曲線３００上をＸ軸方向に沿って進んだ場合に極小点からスレッシュホールド高さ（しきい値高さ）を通過して極大点に達し、さらにスレッシュホールド高さを通過して極小点に達した場合には、その極大点をピークとした。
【００９３】
具体的には、極小点３１７から極小点３１６に達する場合には、プロファイル曲線３００はスレッシュホールド高さＴＨ５ およびＴＨ４ を通過して極大点３０７に達し、さらに、スレッシュホールド高さＴＨ４ およびＴＨ５ を通過して極小点３１６に達するので、極大点３０７はピークとして数えた。
【００９４】
一方、極小点３１４から極小点３１３へ至る場合には、極小点３１４から極大点３０７へ至る途中ではプロファイル曲線３００はスレッシュホールド高さＴＨ５ 〜ＴＨ３ を通過するが、極大点３０４から極小点３１３へ至るまではプロファイル曲線３００はスレッシュホールド高さを通過しないので極大点３０４はピークとしては数えなかった。
【００９５】
このようにして、ライン１〜１８０について所定のスレッシュホールド高さのピークがいくつあるかを算出した。
【００９６】
図１１は、図１０で示すプロファイル曲線３００において所定のスレッシュホールド高さのピークがいくつあるかを示すグラフである。図１１を参照して、図１０で示すプロファイル曲線３００では、スレッシュホールド高さがＴＨ５ のピークが３個、スレッシュホールド高さＴＨ４ 〜ＴＨ１ のピークがそれぞれ１個ずつあったことを示す。
【００９７】
これらの手法により、本発明品、従来品１および従来品２について、横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの領域でのピーク高さ（スレッシュホールド高さ）の個数を調べた。
【００９８】
なお、このとき、高さが０の基準点としては、各ラインの測定で得られたプロファイル曲線（ライン１についてのプロファイル曲線）において、測定曲線の中心線を基準高さ（高さ０μｍ）とし、その部分からのスレッシュホールド高さを求めた。それらの結果を表１に示す。
【００９９】
【表１】
【０１００】
表１より、本発明品では、低いスレッシュホールド高さ（０．１７５５μｍ）の個数が多くなっていることがわかる。一方、従来品１および２では、比較的高いスレッシュホールド高さ（０．５２６４μｍ）の個数が比較的多くなっていることがわかる。また、本発明品では、高さが１μｍ以上の突起の個数が７個であったのに対し、従来品１では１８個、従来品２では１７個存在した。
【０１０１】
これにより、本発明品のねじれ溝２の表面は従来品１および従来品２のねじれ溝の表面より平滑であることがわかる。
【０１０２】
また、本発明品、従来品１および２について、ＳＥＭの観察の倍率を５０００倍とし、横寸法が２４μｍで縦寸法が１８μｍの矩形の表面領域を任意に３ヶ所（視野１〜視野３）選び、それぞれの視野において図８で示す原理に従って表面の高さについてのデータを得た。
【０１０３】
その後、図１２で示すように、それぞれの視野を横方向に１８０分割し、それぞれのライン１〜ライン１８０について図１０で示すようなプロファイル曲線を求め、この曲線からスレッシュホールド高さの個数を求めた。それらの結果を表２〜表４に示す。
【０１０４】
【表２】
【０１０５】
【表３】
【０１０６】
【表４】
【０１０７】
表２〜表４より、本発明品では、高さの高い（１μｍ）のピークが合計で３個しか存在しないのに対し、従来品１および従来品２では、高さが高い（１μｍ）のピークが多く存在することがわかる。これより、本発明品のねじれ溝２の表面は従来品１および２のねじれ溝２の表面より平滑であることがわかる。
【０１０８】
（３） サンプルの切削試験評価
▲１▼ 乾式切削における切削動力の変化
上述の工程で製造したサンプルである本発明品、従来品１および従来品２について、以下の条件で切削試験を行ない、穴開け回数と、切削動力の関係について調べた。
【０１０９】
被削材：ＳＣＭ（ＪＩＳ呼称）４４０
切削速度：Ｖ＝７０ｍ／ｍｉｎ
送り：ｆ＝０．７ｍｍ／回転
穴の深さ：ｄ＝３２ｍｍ（止まり穴）
切削油剤：なし（完全乾式）
ドリル：φ８ｍｍ超硬
この試験の結果を図１３に示す。
【０１１０】
図１３より、本発明品では、穴開けを６００回行なっても縦軸で示す切削動力はほぼ変化せず、一定の切削動力で試験を続けることができた。また、本発明品では、目標切削長である２０ｍをクリアし、優れた特性が得られた。
【０１１１】
一方、従来品１および従来品２では、いずれも２穴目で切削動力が急上昇したため、これ以上試験を続けることができなくなった。
【０１１２】
このデータから明らかなように、本発明品では、切削油剤が存在しない完全乾式状態でも安定に切削を続けることができるということがわかる。
【０１１３】
▲２▼ 乾式深穴加工における被削材の加工硬化について
乾式加工で懸念される加工穴の加工硬化についても評価を行なった。試験の対象は、本発明品を乾式で使用したもの、本発明品を湿式（切削油剤あり）で使用したものおよび比較品とした。なお、比較品として、本発明品と同様の基材に本発明と同様のＴｉＮの中間層を形成し、さらに、その上に、本発明品と同様の厚さでＶＮからなる耐摩耗性被膜を形成したものを用いた。なお、比較品は、特開平１０−２３７６２８号公報に記載された耐摩耗性被膜を有するドリルである。
【０１１４】
試験の条件は以下のとおりとした。
被削材：ＳＣＭ（ＪＩＳ呼称）４４０
切削速度：Ｖ＝７０ｍ／ｍｉｎ
送り：ｆ＝０．３ｍｍ／回転
深さ：ｄ＝４０ｍｍ（止まり穴）
ドリル：φ８ｍｍ超硬
この条件で穴を６００個製造し、６００穴目についての穴表面からの距離と被削材の硬度との関係を調べた。その結果を図１４に示す。
【０１１５】
図１４より、本発明品を乾式で使用した場合、本発明品を湿式で使用した場合とも穴表面に近い部分で硬度は大幅に上昇していないことがわかる。一方、比較品を乾式で使用した場合に穴表面からの距離が近い部分ではその硬度が４００Ｈｖを超えており加工硬化が生じていることがわかる。また、本発明品では、乾式で使用した場合と湿式で使用した場合は、ほぼ同様の硬度分布曲線が得られることがわかる。
【０１１６】
これにより、本発明品は、比較品に比べて被削材が加工硬化を起こしにくい優れたものであることがわかる。
【０１１７】
また、上述の条件で試験を行ない、１つ目の穴と６００個目の穴について、被削材の穴表面からの距離と硬度との関係を調べた。その結果を図１５に示す。
【０１１８】
図１５より、本発明品を用いれば、１穴目と６００穴目についてほとんど硬度分布が変化していないことがわかる。
【０１１９】
なお、加工穴の内面が加工硬化を生じる原因としては、工具の切れ味が低下することによって発熱したり被削材が強い応力を受けることがあると考えられる。比較品の場合に加工硬化層の発生が顕著であった原因として、比較品に形成されたＶＮ膜の耐摩耗性が本発明品に比べてやや劣るため、切れ刃の摩耗が進行し、被削材に強い応力が加わったためであると思われる。
【０１２０】
これに対して、本発明品の場合は、６００回の穴開けの加工テスト中にほとんど工具表面が摩耗しなかったため、最後まで切れ味が落ちることなく結果的に加工硬化層の発生が１穴目と６００穴目で変化しなかったものと思われる。
【０１２１】
▲３▼ 再研磨・再コーティング時の切削性能について
超硬合金製ドリルにおいては、使い捨てにされるケースはほとんどなく、摩耗したドリル先端を再研磨して切れ刃を再生し、さらにコーティングを再度施した上で再使用されるケースが多い。本発明品においても、一度切削試験に供した後にドリル先端部を再研磨・再コーティングしたものを切削長２０ｍまで再度切削試験を行なった。その結果、新品時と同様に切削長２０ｍまで耐摩耗性に問題はなく、新品同様に使用できることが確認された。
【０１２２】
▲４▼ ミスト潤滑セミドライ潤滑での評価
潤滑油が全く存在しない乾式状態だけではなく、潤滑油剤を霧状に吹き付けるミスト潤滑状態や植物油を潤滑油剤として使用したセミドライ条件での切削試験を行なった。その場合でも、乾式条件と同様の結果が得られることがわかった。
【０１２３】
実施例２：切削工具（チップ）
（１） サンプルの作製
（ｉ） 本発明品の作製
基材として、グレードがＪＩＳ呼称Ｐ３０の超硬合金からなるチップであり、形状がＪＩＳ規格のＳＤＫＮ４２のものを用意した。
【０１２４】
この基材を図４で示す装置内に入れて所定の治具により保持した。次に、図４〜６で示す装置において、主テーブル１１０を矢印１１０ａで示す方向に回転させ、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４６を矢印１２０ａで示す方向に回転させながら、真空ポンプによりチャンバ１２内を減圧させた。ヒータ（図示せず）により基材１を温度５００℃に加熱し、チャンバ１２内の圧力が１．３×１０−３Ｐａとなるまで真空引きを行なった。次に、ガス導入口２４ａおよび２４ｂからアルゴンガスを導入してチャンバ１２内の圧力を２．７Ｐａに保持し、直流電源２２の電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖ（支持棒１３の電位が−１０００Ｖ）とし、基材１の表面のクリーニングを１０分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。
【０１２５】
次に、直流電源２２の電圧を−１０００Ｖに維持したまま、チャンバ１２内にガス導入口２４ａおよび２４ｂを通して流量が１００ｓｃｃｍ（ｃｍ３／分）の窒素ガスを導入した。直流電源２０ｂから８０Ａのアーク電流を供給し、陰極１６ｂからチタンイオンを発生させた。これにより、チタンイオンが基材１の表面をスパッタクリーニングし、基材１の表面の強固な汚れや酸化膜が除去された。
【０１２６】
その後、チャンバ１２内の圧力が４Ｐａとなるようにガス導入口２４ａおよび２４ｂから窒素ガスを導入し、直流電源２２の電圧を−２００Ｖ（支持棒１３の電位が−２００Ｖ）とした。すると、基材１の表面においてＴｉＮ膜の形成が始まった。ＴｉＮ膜の厚みが所定の厚み（０．３μｍ）に達するまでこの状態を維持した。これにより、中間層としてのＴｉＮ膜を形成した。なお、この中間層の厚みとしては、０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【０１２７】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、この状態のまま、アーク式蒸発源１４ａに９５Ａの電流を供給した。これにより、陰極１６ａを構成する（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）が矢印１８ａで示す方向に蒸発し、基材１の表面に厚さが約６μｍの耐摩耗性被膜としての（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜を形成して本発明に従った切削工具（チップ）（本発明品）を作製した。なお、耐摩耗性被膜としての（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜の厚みは０．５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。耐摩耗性被膜の厚さが０．５μｍ未満であれば、耐摩耗性被膜の強度が低下し、被膜の耐摩耗性が低下する。また、耐摩耗性被膜の厚さが１５μｍを超えると残留内部応力が増大し、被膜が剥離する。
【０１２８】
さらに、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの組成式を（Ｔｉｘ、Ａｌ１−ｘ）Ｎとした場合、ｘは、０．３≦ｘ≦０．８で示す関係を満たすことが好ましい。そのため、陰極１６ａの組成式を（Ｔｉｘ、Ａｌ１−ｘ）とすると、ｘは０．３≦ｘ≦０．８で示す関係を満たすことが好ましい。
【０１２９】
（ｉｉ） 従来品１の作製
従来品１の作製にあたっては、まず、本発明品と同じ基材を準備した。この基材を図４で示す治具１００にセットした。また、装置１０において、ガス導入口２４ａおよび２４ｂをチャンバ１２の上部１２ａに一つにまとめて配置した。陰極１６ａにチタンとアルミニウムの化合物（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）で構成した。
【０１３０】
このような装置１０を用いて、まず、主テーブル１１０を矢印１１０ａで示す方向に回転させ、かつ副テーブル１２１〜１２６、１３４、１４１および１４６をそれぞれ矢印１２０ａで示す方向に回転させた。次に、基材１の表面を、本発明品を製造したのと同様の手法でアルゴンガスでスパッタクリーニングし、その後、チタンでスパッタクリーニングした。さらに、本発明品を製造した工程と同様に基材１の表面に厚さが０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【０１３１】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、直流電源２０ａから陰極１６ａへ−２００Ｖ、９５Ａの電力を供給して陰極１６ａを構成する（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）を蒸発させた。また、チャンバ１２の上部１２ａに設けられたガス導入口から窒素ガスを導入した。これらが基材１の表面で反応して基材１の上のＴｉＮ膜上に厚さが６μｍの（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎ膜が得られた。これにより、本発明品とほぼ同一の組成で窒素ガスの導入方法が異なる耐摩耗性被膜を有する従来品１を得た。
【０１３２】
（ｉｉｉ） 従来品２の作製
従来品２の作製にあたっては、陰極１６ａおよび１６ｂをチタンで構成した。その他の装置１０の構成については、従来品１の製造と同様とした。このような装置１０において、まず、治具１００に基材１を取付け、本発明品を製造したのと同様にこれらを回転させた。次に、本発明品を製造したのと同様の工程で基材１の表面をアルゴンでスパッタクリーニングし、その後チタンでスパッタクリーニングし、さらに厚さが０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【０１３３】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、直流電源２０ａから陰極１６ａへ−２００Ｖ、９５Ａの電力を供給して陰極１６ａからチタンイオンを発生させた。また、チャンバ１２の容器１２ａに設けられたガス導入口からメタンガス（ＣＨ４）と窒素ガスを導入した。これらが反応して基材１の表面のＴｉＮ膜上に厚さが６μｍのＴｉ（Ｃ０．５、Ｎ０．５）膜を形成した。
【０１３４】
以上により、陰極として（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）を用いて製造した（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎ膜を有する本発明品、陰極として（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）を用いて製造された（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎ膜を有する従来品１および陰極としてＴｉを用いて製造されたＴｉ（Ｃ０．５、Ｎ０．５）膜を有する従来品２を得た。
【０１３５】
（２） サンプル表面粗さの評価
実施例１の「（２）サンプルの表面粗さの評価」の欄で記載したのと同様の手法で、上述の工程で製造した本発明品、従来品１および従来品２の表面粗さを測定した。その結果、表１〜表４で示すデータと同様のデータが得られた。
【０１３６】
（３） 切削工具寿命評価
上述の工程で製造したサンプルである本発明品、従来品１および従来品２のそれぞれについて、実際に被削材を熱間ダイス鋼（ＪＩＳ呼称ＳＫＤ６１）として、正面フライス加工を実施し、切削工具寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度が５０ｍ／ｍｉｎ、送りが０．３ｍｍ／刃、切込みが２ｍｍでドライ条件とした。なお、寿命の判定は、切削長１５ｍでの逃げ面摩耗幅により行なった。その寿命評価結果を表５に示す。
【０１３７】
【表５】
【０１３８】
表５から明らかなように、本発明品では、切削工具寿命が大幅に向上したことが確認された。
【０１３９】
図１６は、本発明品であるチップを有するフライスの平面図、図１７は、図１６で示すフライスで用いられるチップの平面図、図１８は、図１７中のＡ−Ａ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１４０】
図１６を参照して、フライス４０１は、フライス本体４０２と、チップ４０３とを有する。フライス本体４０２の外周部に複数のチップ４０３が取付けられている。
【０１４１】
図１７および図１８を参照して、チップ４０３は、基材４０４と、耐摩耗性被膜４０５とを有する。耐摩耗性被膜４０５は、（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎからなる。チップ４０３の基材４０４が耐摩耗性被膜４０５に覆われていた。
【０１４２】
実施例３：切削工具（リーマ）
実施例２と全く同じ方法により、リーマ（ＪＩＳ呼称Ｋ１０超硬合金）にそれぞれコーティングを行ない、本発明品、従来品１および従来品２を得た。なお、本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は、実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１４３】
次に、これらのサンプルを用いて、実際に鋳鉄の穴あけ加工を行ない、その寿命評価を行なった。切削条件は、リーマ径が１５ｍｍ、切削速度が１０ｍ／ｍｉｎ、送りが０．４ｍｍ／刃、切込みが０．１５ｍｍとし、ウェット条件とした。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れるまでの加工個数とした。その結果を表６に示す。
【０１４４】
【表６】
【０１４５】
表６より、本発明のリーマの寿命が大きく向上していることが確認された。
図１９は、この発明に従って得られたリーマの平面図であり、図２０は、図１９中のＢ−Ｂ線に沿って見た断面を示す図である。図１９および図２０を参照して、リーマ４１１は、基材４１２と、耐摩耗性被膜４１３とを有する。耐摩耗性被膜４１３の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。基材４１２を覆うように耐摩耗性被膜４１３が形成されている。
【０１４６】
実施例４：切削工具（エンドミル）
実施例２と全く同じ方法により、エンドミルの基材（ＪＩＳ呼称Ｋ１０超硬合金）にコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は、実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１４７】
次に、これらのサンプルを用いて実際に鋳鉄のエンドミル側面削り（切削幅１５ｍｍ）加工を行ない、その寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度が７５ｍ／ｍｉｎ、送りが０．０２ｍｍ／刃、切込みが２ｍｍでウェット条件とした。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点とした。その評価結果を表７に示す。
【０１４８】
【表７】
【０１４９】
表７より、本発明のエンドミルの寿命が大きく向上していることが確認された。
【０１５０】
図２１は、上述の工程で得られた本発明品のエンドミルの平面図であり、図２２は、図２１中のＣ−Ｃ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１５１】
図２１および図２２を参照して、エンドミル４２１は、基材４２２と、耐摩耗性被膜４２３により構成されている。耐摩耗性被膜４２３の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。基材４２２を覆うように耐摩耗性被膜４２３が形成されている。
【０１５２】
実施例５：切削工具（旋削用刃先交換型チップ）
実施例２と全く同じ方法により、旋削用刃先交換型チップ（ＪＩＳ呼称Ｐ１０超硬合金、刃先形状は、すくい角８°、逃げ角６°）に耐摩耗性被膜のコーティングを行ない、本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２で示す本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は、実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品３は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１５３】
次に、これらのサンプルを用いて、実際に鋼の中仕上げ旋削加工を行ない、その寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度が１８０ｍ／ｍｉｎ、送りが０．８ｍｍ／刃とした。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点とした。その寿命評価結果を表８に示す。
【０１５４】
【表８】
【０１５５】
表８より、本発明のチップの寿命が大きく向上していることが確認された。
図２３は、上述の工程で得られた刃先交換型チップの斜視図、図２４は、図２３で示すチップの平面図、図２５は、図２４中のＤ−Ｄ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１５６】
図２３を参照して、刃先交換型のチップ（スローアウェイチップ）４３１は、シャンク４３２に取付けられる。チップ４３１の中央部には孔が形成されており、この孔にボルト４３５を嵌め込み、ボルト４３５の先端をシャンク４３２に差し込んでねじで固定する。また、チップ４３１は、ねじ４３３とクランプ４３４とによりシャンク４３２に固定される。
【０１５７】
図２４および図２５を参照して、チップ４３１は基材４３７と耐摩耗性被膜４３８とを有する。耐摩耗性被膜の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。耐摩耗性被膜を形成する際に基材４３７の底面を治具と接触させるため、基材４３７の底面には耐摩耗性被膜４３８の形成されない部分が存在する。
【０１５８】
実施例６：金型（温間鍛造用の金型パンチ）
基材として、温間鍛造用の金型パンチと表面粗さ測定用平板（ＪＩＳ呼称ＳＫＨ５１からなる鋼、ロックウェルＣスケール硬度５３）を用意した。実施例２と同じ方法により、この金型パンチにコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例１の耐摩耗性被膜と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１５９】
これらのサンプルについて、実際に、温間鍛造時の金型寿命評価を行なった。鍛造時には、金型の表面は温度７００℃まで加熱されていた。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲から外れた時点を金型の寿命とした。寿命評価結果を表９に示す。
【０１６０】
【表９】
【０１６１】
表９より、本発明品では、従来品と比較して金型寿命が大きく向上していることがわかる。
【０１６２】
図２６は、上述の工程で得られたパンチの平面図であり、図２７は、図２６中のＥ−Ｅ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１６３】
図２６および図２７を参照して、金型パンチ４４１は、基材４４２と耐摩耗性被膜４４３とを有する。耐摩耗性被膜４４３は、基材４４２を覆うように形成されており、耐摩耗性被膜４４３の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。
【０１６４】
実施例７：金型（アルミニウム合金鋳造用鋳抜きピン）
まず、アルミニウム合金鋳造用鋳抜きピンの基材（ＪＩＳ呼称ＳＫＤ６１の鋼、ロックウェルＣスケール硬度５１）を用意した。この基材にコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１６５】
次に、これらのサンプルを用いて、実際にアルミニウム合金の鍛造時に鋳抜きピンの寿命評価を行なった。鋳造方法は重力鋳造とし、鋳抜きピンの表面の温度は６７０℃まで加熱されていた。なお、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点を寿命とした。寿命評価結果を、表１０に示す。
【０１６６】
【表１０】
【０１６７】
表１０より、従来品と比較して、本発明の鋳抜きピンの寿命が大きく向上していることが確認された。
【０１６８】
図２８は、上述の工程で得られた鋳抜きピンの平面図であり、図２９は、図２８中のＦ−Ｆ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１６９】
図２８および図２９を参照して、鋳抜きピン４５１は、基材４５２と耐摩耗性被膜４５３とにより構成される。耐摩耗性被膜４５３の材質は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。基材４５２の表面を覆うように耐摩耗性被膜４５３が形成されている。
【０１７０】
実施例８
実施例２と全く同じ方法により、ＪＩＳ呼称ＳＫＤ１１の鋼（ロックウェルＣスケール硬度５８）の平板のそれぞれにコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１７１】
次に、これらのサンプルを用いて実際に塩水噴霧試験を行なった。試験条件はＪＩＳ呼称Ｚ２３７１に準じて行なうもので、５重量％のＮａＣｌ水溶液を温度３５℃の条件で１０００時間サンプルに吹き付ける方法とした。その結果を表１１に示す。
【０１７２】
【表１１】
【０１７３】
表１１より、本発明品では表面に変化が見られないものの、従来品１および従来品２では膜が部分的に剥離し、基材の腐食が生じていることがわかった。
【０１７４】
実施例９：金型（プラスチック射出成形機用スクリュー）
ＪＩＳ呼称ＳＫＤ１１（ロックウェルＣスケール硬度５８）の鋼からなるプラスチック射出成形機用スクリューの基材を用意した。この基材表面に、実施例２と同じ方法でコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は、実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１７５】
次に、これらのサンプルを用いて、プラスチック射出成形を行ない、スクリューの寿命を評価した。その結果を表１２に示す。
【０１７６】
【表１２】
【０１７７】
表１２より、本発明品では樹脂の離型性が良く、樹脂焼けも減少するので、従来品１および２の寿命に比べて約５倍の寿命の延長が確かめられた。
【０１７８】
図３０は、上述の工程で得られたプラスチック射出成形機用のスクリューの平面図であり、図３１は、図３０中のＧ−Ｇ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１７９】
図３０および図３１を参照して、スクリュー４６１は、基材４６２と、耐摩耗性被膜４６３とを備える。耐摩耗性被膜４６３の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。基材４６２の表面を覆うように耐摩耗性被膜４６３が形成されている。
【０１８０】
実施例１０：切削工具（ドリル）
実施例１０では、実施例１で製造したドリルにおいて、ねじれ溝の角度とねじれ溝のない部分の角度との比がドリルの全長にわたって一定の基材を準備した。この基材の表面に、実施例１と同様の方法で耐摩耗性被膜のコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例１の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は実施例１の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は、実施例１の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１８１】
次に、これらのサンプルを用いて、実施例１と同様のさまざまな試験を行なった。その結果、実施例１とほぼ同様の結果が得られた。
【０１８２】
図３２は、上述の工程でえられたドリルを示す図であり、図３３は図３２中のＨ−Ｈ線に沿って見た断面を示す図でる。図３２および３３を参照して、ドリルの基材４７４は超硬合金からなる。基材４７４の表面には２条のねじれ溝４７２が設けられている。ドリルの先端部４７１ａでは、ねじれ溝４７２の角度Ｙ３ とねじれ溝４７２のない部分の角度Ｘ３ との比Ｙ３ ：Ｘ３ は０．８：１となっている。ドリルの根元部分４７１ｂにおいては、ねじれ溝４７２の角度Ｙ３ とねじれ溝４７２が存在しない部分の角度Ｘ３ との比Ｙ３ ：Ｘ３ は０．８：１である。つまり、ドリル１の基材においては、ねじれ溝４７２の幅は一定である。
【０１８３】
以上、この発明について説明したが、この発明は、上記の工具だけでなく、他の形状のエンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に適用することができる。また、他の形状の金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型にも適用することができる。
【０１８４】
今回開示された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。たとえば、耐摩耗性被膜を複数層設けてもよく、被膜中のＴｉとＡｌの割合をさまざまに設定してもよい。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。
【０１８５】
【発明の効果】
この発明に従えば、乾式条件、ミスト潤滑条件およびセミドライ条件など切削油剤が少ない条件においても工具寿命が長く、被削材の加工硬化が生じにくくかつ折損の可能性の少ないドリルを提供することができる。
【０１８６】
また、この発明に従えば、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具における耐摩耗性、高滑り性、高焼付き性、被削材の加工精度（表面仕上げ状態）などの向上を図れるため、寿命の長い切削工具を提供することができる。
【０１８７】
さらに、この発明に従えば、金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型における耐摩耗性、高耐食性、高滑り性、高焼付き性などの向上が図れるため、長寿命の金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いたドリルの基材を示す図である。
【図２】図１中のＸ−Ｘ線に沿って見た断面を示す図である。
【図３】図１中のＹ−Ｙ線に沿って見た断面を示す図である。
【図４】本発明で用いた成膜装置の模式図である。
【図５】図４中の治具を詳細に示す図である。
【図６】図５で示す治具の上面図である。
【図７】３Ｄ−ＳＥＭの模式図である。
【図８】試料の表面形状を測定する原理を示す模式図である。
【図９】１８０分割された視野を示す模式図である。
【図１０】プロファイル曲線を示すグラフである。
【図１１】スレッシュホールド高さと、その個数との関係を示すグラフである。
【図１２】１８０分割された視野を示す模式図である。
【図１３】穴開け回数と切削動力との関係を示すグラフである。
【図１４】６００穴目における穴表面からの距離と被削材の硬度との関係を示すグラフである。
【図１５】１穴目と６００穴目における穴表面からの距離と被削材の硬度との関係を示すグラフである。
【図１６】この本発明品であるチップを有するフライスの平面図である。
【図１７】図１６で示すフライスで用いられるチップの平面図である。
【図１８】図１７中のＡ−Ａ線に沿って見た断面を示す図である。
【図１９】この発明に従ったリーマの平面図である。
【図２０】図１９中のＢ−Ｂ線に沿って見た断面を示す図である。
【図２１】この発明に従ったエンドミルの平面図である。
【図２２】図２１中のＣ−Ｃ線に沿って見た断面を示す図である。
【図２３】この発明に従ったチップの斜視図である。
【図２４】図２３で示すチップの平面図である。
【図２５】図２４中のＤ−Ｄ線に沿って見た断面を示す図である。
【図２６】この発明に従ったパンチの平面図である。
【図２７】図２６中のＥ−Ｅ線に沿って見た断面を示す図である。
【図２８】この発明に従った鋳抜きピンの平面図である。
【図２９】図２８中のＦ−Ｆ線に沿って見た断面を示す図である。
【図３０】この発明に従ったプラスチック射出成形機用のスクリューの平面図である。
【図３１】図３０中のＧ−Ｇ線に沿って見た断面を示す図である。
【図３２】この発明に従ったドリルの平面図である。
【図３３】図３２中のＨ−Ｈ線に沿って見た断面を示す図である。
【符号の説明】
１，４０４，４２２，４３７，４４２，４５２，４６２，４７１ 基材、１ａ先端部、１ｂ 根元部、２，４７２ ねじれ溝、４０５，４１３，４２３，４３８，４４３，４５３，４６３ 耐摩耗性被膜。
【発明の属する技術分野】
この発明は、基材の上に被膜を形成した被覆工具に関し、特に、その表面に耐摩耗性被膜を形成したドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具、その表面に耐摩耗性被膜を形成した金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、ドリルにおいて穴開け加工をする場合には、切削中に被削材とドリルとの界面に切削油剤を供給することが一般に行なわれている。この切削油剤は切削加工中における工具と被削材の界面の潤滑性向上、工具の冷却、切屑の排出促進に大きな効果を持っており、近年における切削能力の向上に大きく寄与してきた。
【０００３】
しかし、潤滑性を向上させる目的で切削油剤中に添加されている硫黄やリンや塩素などの極圧添加剤が、切削加工現場における作業環境の悪化、工場周辺の環境汚染、使用済み切削油剤の廃棄処理に伴う有害物質の飛散、廃棄処理費用問題などをもたらしてきた。
【０００４】
ある調査では、切削加工においては、切削油剤関連費用が工具費を大幅に上回り、生産加工費全体のうちの１５〜３０％を上回るとも言われている。
【０００５】
このような背景の下、切削油剤を減らしても寿命や切削能率が低下しない切削工具の開発が強く求められている。
【０００６】
なお、種々の切削加工の中でも、旋削加工、フライス加工の分野では切削油剤の削減に伴う技術的問題が比較的少なく乾式化が進んでいるといえる。しかしながら、穴開け加工においては、乾式化はずいぶんと遅れているのが現状である。
【０００７】
ドリルを用いた加工においては、切削油剤は、ドリルの逃げ面およびすくい面と被削材との間に薄い膜を形成するため潤滑効果を発揮する。また、切削の摩擦熱を吸収して、ドリルの刃先を冷却するという効果を有する。これら２つの効果により、ドリルの刃先、特に、逃げ面の摩耗を防ぐことができる。
【０００８】
また、切削油剤はドリルの刃先と被削材との間の潤滑効果を有するので、加工穴の表面が加工硬化を起こすことが少ない。さらに、ドリルを用いた加工においては、ドリルの刃先が被削材内に深く入り込むため、ドリルの溝を通して切屑を排出する必要がある。ここで、潤滑油剤は、この溝の表面に膜を作り切屑がスムーズに排出される効果も果たす。
【０００９】
そのため、切削油剤を使用しないと、上述の効果が達成できなくなり、逃げ面の摩耗の増大による工具寿命の低下、加工穴の加工硬化による穴質の低下、切屑の流出抵抗の増大によるドリルの折損等の問題が発生することが考えられる。
【００１０】
エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具では、工具の損傷を防止する技術についての開発が進められている。
【００１１】
この損傷は、主として摩耗と欠損に大別できる。摩耗は大きく分けると（１）機械的な摩擦摩耗によるものと、（２）高温での酸化や被削材との拡散などによって生じる熱的摩耗に分類される。いずれの摩耗も、切削速度や送り速度が大きくなって工具の刃先温度が高くなると著しくなる。
【００１２】
欠損は刃先にかかる大きな切削抵抗や機械的、熱的な衝撃によって起こり、高送り切削や断続切削で顕著に現われる。
【００１３】
従来から、これらの損傷を低減させるために、ＷＣ基超硬合金、サーメット、セラミックス、高速度鋼などの切削工具の硬質基材の表面には、硬質被覆層として、ＰＶＤ法（物理的気相蒸着法）やＣＶＤ法（化学的気相蒸着法）によりチタンの炭化物、窒化物、炭窒化物またはアルミニウムの酸化物を単層または複層形成することがよく知られている。
【００１４】
しかし、上記の切削工具においても、（１）加工能率を一層向上させるために切削速度がより高速になりつつあること、（２）切削油剤削減のためのドライ加工化が進みつつあることから、工具刃先温度はますます高温になる傾向がある。そのため、工具材料に要求される特性は一層厳しくなっている。
【００１５】
そこで、たとえば特公平５−６７７０５号公報に開示されているように、組成が（ＴｉｘＡｌ１−ｘ）（ＮｙＣ１−ｙ）（ただし、０．５６≦ｘ≦０．７５、０．６≦ｙ≦１）で表わされるＴｉＡｌ系の被膜が提案されている。通常のＴｉＮ膜では酸化開始温度が６００℃程度であるが、このＴｉＡｌ系被膜を用いると、酸化開始温度が８５０℃まで向上する。これにより、高温での酸化を抑制できることになる。
【００１６】
しかしながら、この技術では、被膜の表面粗さや基材と被膜との密着性に関しては何ら改善されていない。被膜の表面粗さが大きく、被膜の表面に突起が多く存在すれば、被膜の表面粗さが大きくなり滑り性や焼付き性が悪化する。また、被膜の表面に硬度が高い突起が存在すれば、加工後の被削材の表面仕上げ状態も損なわれる。
【００１７】
また、被膜と基材との密着性が悪ければ、たとえば耐酸化性に優れる被膜であったとしても切削工具寿命が短くなるという問題がある。
【００１８】
金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型技術も年々急速に進歩している。その発展は金型製作技術によるところが大きく、今後も金型の高精度、高強度、高寿命および低価格化の傾向が一段と増していくものと考えられる。そこで、適切な金型基材の選定や金型表面被覆処理技術などは上記要求を満たす上で非常に重要となってきている。
【００１９】
従来、金型の寿命を向上させるためには、耐摩耗性や耐焼付き性などに優れる拡散浸透法やＣＶＤ法（化学的気相蒸着法）が広く用いられてきた。しかし、これらの処理方法では非常に高温で処理するため、寸法精度や歪みなどに問題があり、近年、高精度の金型を製造する場合には、これらの方法は必ずしも好ましいものではなかった。
【００２０】
しかし、温度２００℃以下の比較的低温で処理することが可能なＰＶＤ法（物理的気相蒸着法）の技術が急速に発展した。その中でも、特にＴｉＮ被膜は切削工具関連の技術から発展してきた。この被膜は密着性が高いため、金型用途への応用が極めて活発になってきている。このＰＶＤ法を金型の製作に用いると有利な点は、基材の変態による体積変化が起こらず、高精度の金型が得られることおよび各種焼戻し温度の鋼基材やアルミニウム基材などにコーティングすることが可能である点である。
【００２１】
しかし、最近切削工具関連の技術において指摘されているように、ＴｉＮ膜は酸化開始温度が６００℃と低く、過酷な使用条件下では耐熱性に問題があった。
【００２２】
そこで、上記公報に記載されたＴｉＡｌ系被膜を金型に用いることにより酸化開始温度を８５０℃まで向上させることができる。
【００２３】
しかしながら、このような被膜でも、被膜表面の表面粗さや基材との密着性は向上していない。被膜の表面に突起が多く存在する場合には表面粗さが大きくなって滑り性や焼付き性が低下するとともに突起および突起が脱落して凹部となった部分が腐食の起点となるため耐食性も損なわれる。また、被膜の密着性が低ければ金型寿命も短くなる。
【００２４】
そこで、この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、この発明の１つの局面に従った目的は、寿命が長い被覆工具を提供することである。
【００２５】
また、この発明の別の局面に従った目的は、切削油剤を削減しても寿命が長く、加工孔の品質が低下せず、折損を防ぐことができるドリルを提供することである。
【００２６】
また、この発明のさらに別の局面に従った目的は、耐摩耗性、滑り性、焼付き性、被削材の加工精度（表面仕上げ状態）などが高いエンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具を提供することである。
【００２７】
この発明のさらに別の局面に従った目的は、耐摩耗性、耐食性、滑り性、焼付き性などが高い金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型を提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述のドリル、エンドミル、チップなどの切削工具、金属プレス用、金属鍛造用の金型などにおいて、種々の問題を解決するためにさまざまな研究を行なった。その結果、低温でも被覆可能なＰＶＤ法によって、耐酸化性を持たせながら耐摩耗性被膜を非常に平滑な状態で密着性よく基材表面に被覆することが必要であるとの知見を得た。
【００２９】
また、ドリルの刃先、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具の刃先の摩耗や金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型表面の摩耗を防止するためには、特に硬い材料からなる膜を形成する必要がある。さらに、これらの表面での潤滑性を発揮させるためには、この被膜と被削材との間に何らかの潤滑剤を介在させる必要がある。
【００３０】
また、ドリルにおいては、切屑を効率よく排出させるためには、ドリルの溝に切削油剤が存在しなくても、切屑が溝の表面に引っ掛からない程度の高い平坦性が溝の表面に要求される。
【００３１】
上述の知見に基づいてなされた、この発明に従った被覆工具は、基材と、その基材の上に形成された（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む耐摩耗性被膜とを備える。耐摩耗性被膜の表面において横寸法が２４μｍで縦寸法が１８μｍの矩形の表面領域を任意に３ヶ所選び、その３ヶ所で高さ０．５μｍ以上の突起の個数の合計値が１５以下である。高さ０．５μｍ以上の突起は耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生したものである。
【００３２】
このような被覆工具においては、耐摩耗性被膜は（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む。この（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎは極めて硬いため、被覆工具の耐摩耗性が向上する。そのため、たとえばドリルやフライスなどの切削工具では、逃げ面も摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、金型では、被削材と接触する面の摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの表面は切削加工中または金型加工中に酸化されて、この表面にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が生成する。このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させる。
【００３３】
これにより、たとえば被覆工具をドリルとして用いた場合には、加工孔の表面での表面硬化が起こることが少ない。そのため、加工孔の品質が向上する。また、被覆工具を切削工具として用いた場合には、このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が良くなる。さらに、被覆工具を金型として用いた場合には、アルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が向上する。
【００３４】
また、この発明の別の局面に従った被覆工具は、基材と、その基材の上に形成された（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む耐摩耗性被膜とを備える。耐摩耗性被膜の表面において横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの矩形の表面領域で高さ０．５μｍ以上の突起の個数値が２８以下である。高さ０．５μｍ以上の突起は耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生したものである。
【００３５】
このような被覆工具においては、耐摩耗性被膜は（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む。この（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎは極めて硬いため、被覆工具の耐摩耗性が向上する。そのため、たとえばドリルやフライスなどの切削工具では、逃げ面も摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、金型では、被削材と接触する面の摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの表面は切削加工中または金型加工中に酸化されて、この表面にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が生成する。このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させる。
【００３６】
これにより、たとえば被覆工具をドリルとして用いた場合には、加工孔の表面での表面硬化が起こることが少ない。そのため、加工孔の品質が向上する。また、被覆工具を切削工具として用いた場合には、このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が良くなる。さらに、被覆工具を金型として用いた場合には、アルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が向上する。
【００３７】
この発明のさらに別の局面に従った被覆工具は、基材と、その基材の上に形成された（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む耐摩耗性被膜とを備える。耐摩耗性被膜の表面において横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの矩形の表面領域で高さ１．０μｍ以上の突起の個数が７以下である。高さ１．０μｍ以上の突起は耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生したものである。
【００３８】
このような被覆工具においては、耐摩耗性被膜は（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む。この（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎは極めて硬いため、被覆工具の耐摩耗性が向上する。そのため、たとえばドリルやフライスなどの切削工具では、逃げ面も摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、金型では、被削材と接触する面の摩耗を防ぎ、工具寿命を長くすることができる。また、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの表面は切削加工中または金型加工中に酸化されて、この表面にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が生成する。このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させる。
【００３９】
これにより、たとえば被覆工具をドリルとして用いた場合には、加工孔の表面での表面硬化が起こることが少ない。そのため、加工孔の品質が向上する。また、被覆工具を切削工具として用いた場合には、このアルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が良くなる。さらに、被覆工具を金型として用いた場合には、アルミナが被加工材と耐摩耗性被膜との間の潤滑性を向上させるため、滑り性が向上する。
【００４０】
また、耐摩耗性被膜は、複数層形成されていることが好ましい。
さらに、耐摩耗性被膜の厚みは０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００４１】
また、被覆工具は、基材と耐摩耗性被膜との間に形成された、チタンナイトライドを含む中間層をさらに備えることが好ましい。
【００４２】
この場合、チタンナイトライドは、基材表面と耐摩耗性被膜との両方に密着性が良いので、基材と耐摩耗性被膜の密着性を一層向上させることができる。そのため、耐摩耗性被膜が基材から剥がれることなく工具の寿命をさらに向上させることができる。
【００４３】
さらに、中間層の厚みは０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
また、突起の高さは走査型電子顕微鏡を用いて得られた３次元的データをもとに算出されることが好ましい。
【００４５】
さらに、基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、立方晶窒化ホウ素含有焼結体、セラミックス、アルミニウム系合金および鉄系合金からなる群より選ばれた少なくとも１種を含むことが好ましい。ここで、セラミックスの例として、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ホウ素、炭化ホウ素およびダイヤモンドを挙げることができる。さらに、鉄系合金として、高速度鋼、ダイス鋼、ステンレス鋼を挙げることができる。
【００４６】
また、当該被覆工具は切削工具であり、耐摩耗性被膜は、陰極付近にガスを導入するガス導入口からガスを供給して成膜されることが好ましい。
さらに、切削工具は、切屑を排出するための溝がその表面に形成されたドリルであり、その溝に耐摩耗性被膜が形成されていることが好ましい。この場合、溝の表面において、高さが０．５μｍ以上の突起または高さが１．０μｍ以上の突起の個数が従来のドリルに比べて少ないため、溝の表面は平滑である。そのため、耐摩耗性被膜の表面の摩擦抵抗が低減されるため、この溝を通じて切屑がスムーズに排出されるので、ドリルの折損を防止することができる。
【００４７】
また、ドリルは、切削油が存在しない乾式条件下で使用されることが好ましい。
【００４８】
さらに、ドリルは、切削油を霧状に吹きつけるミスト潤滑条件下で使用されることが好ましい。
【００４９】
また、ドリルは、植物油を切削油として使用したセミドライ条件下で使用されることが好ましい。
【００５０】
また、ドリルにおいて、被削材に近い先端部分の溝の幅は、被削材から遠い根元部分の溝の幅よりも小さいことが好ましい。
【００５１】
この場合、ドリルの先端部での溝の幅を狭めることによって、小さくカールした切屑が次々と生成され、この小さな切屑が根元部の広い溝を通ってスムーズに排出される。そのため、ドリルの折損をさらに防止することができる。
【００５２】
また、ドリルにおいて、被削材に近い先端部分の溝の幅と、被削材から遠い根元部分の溝の幅とが等しいことが好ましい。この場合、溝の幅が一定であるため、ドリルを製造しやすくなり、低コストでドリルを提供することができる。
【００５３】
また、切削工具は、エンドミル、フライス加工用または旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、タップおよびリーマから群より選ばれた１種であることが好ましい。この場合、被覆工具の表面において、耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生した高さ０．５μｍ以上の突起または高さ１．０μｍ以上の突起の個数が従来の切削工具に比べて少ないため、切削工具の表面は平滑である。そのため、耐摩耗性被膜の表面の摩擦抵抗が低減し、被加工材の焼付きを防止することができる。さらに、従来、突起部が原因で損なわれていた被削材の表面粗さを小さくすることができる。
【００５４】
また、当該被覆工具は金型であることが好ましい。
さらに、金型は金属プレス加工用金型、金属鍛造用金型、金属ダイカスト用金型およびプラスチック成形用金型からなる群より選ばれた１種であることが好ましい。この場合、金型表面において、耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生した、高さが０．５μｍ以上の突起または高さが１．０μｍ以上の突起の個数が従来の金型に比べて少ないため、金型の表面が平滑である。そのため、耐摩耗性被膜の表面の摩擦抵抗が低減し、被加工材の焼付きを防止することができる。さらに、従来、突起部および突起が脱落した凹部が腐食の進行起点となっていたが、突起が少なくなることで耐食性も向上する。
【００５６】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。
【００５７】
実施例１：切削工具（ドリル）
（１） サンプルの作製
（ｉ） 本発明品の作製
図１は、この発明の実施例で用いたドリルの基材を示す図である。図１を参照して、ドリルの基材１は超硬合金からなる。基材１の表面には２条のねじれ溝２が設けられている。
【００５８】
図２は図１中のＸ−Ｘ線に沿って見た断面を示す図であり、図３は、図１中のＹ−Ｙ線に沿って見た断面を示す図である。図２を参照して、ドリルの先端部１ａでは、ねじれ溝２の角度Ｙ１ とねじれ溝２のない部分の角度Ｘ１ との比Ｙ１ ：Ｘ１ は０．６：１となっており、ねじれ溝２が狭くなっている。図３で示すドリルの根元部分１ｂにおいては、ねじれ溝２の角度Ｙ２ とねじれ溝２が存在しない部分の角度Ｘ２ との比Ｙ２ ：Ｘ２ は１：１であり、ねじれ溝２が存在する部分と存在しない部分との角度が等しくなっている。つまり、ドリル１の基材においては、ねじれ溝２は、先端部分１ａで狭く、根元部分１ｂで広いといえる。また、図１中の、点Ａから先端部分１ａまででは、図２で示すような断面形状であり、点Ｂから根元部分１ｂまでは図３で示すような断面形状であり、点Ａと点Ｂの間では、溝の幅が徐々にあるいは段階的に変化している。
【００５９】
図４は、この発明で用いた成膜装置の模式図である。本装置は特開平１０−６８０７１号公報に記載された装置であり、平滑な表面状態の（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを得るためのものである。図４を参照して、成膜装置１０は、チャンバ１２と、主テーブル１１と、支持棒１３と、アーク式蒸発源１４ａおよび１４ｂと、陰極１６ａおよび１６ｂと、可変電源としての直流電源２０ａ、２０ｂおよび２２と、陰極１６ａおよび１６ｂ付近にガスを供給するためのガス導入口２４ａおよび２４ｂとを備える。
【００６０】
チャンバ１２は真空ポンプと連結されており、チャンバ１２内の圧力を変化させることが可能である。チャンバ１２内に主テーブル１１と支持棒１３とガス導入口２４ａおよび２４ｂと陰極１６ａおよび１６ｂが設けられている。
【００６１】
チャンバ１２内に設けられた支持棒１３は主テーブル１１を支持する。支持棒１３内には回転軸が設けられており、この回転軸が主テーブル１１を回転させる。主テーブル１１上にドリルの基材１を保持するための治具１００が設けられている。支持棒１３、主テーブル１１および治具１００は直流電源２２の負極と電気的に接続されている。直流電源２２の正極はアースされている。
【００６２】
チャンバ１２の側壁には、アーク式蒸発源１４ａと、そのアーク式蒸発源１４ａに接続された陰極１６ａが取付けられている。アーク式蒸発源１４ａおよび陰極１６ａと向かい合うように、チャンバ１２の側壁にアーク式蒸発源１４ｂと陰極１６ｂが取付けられている。
【００６３】
アーク式蒸発源１４ａおよび陰極１６ａは、直流電源２０ａの負極と電気的に接続されている。直流電源２０ａの正極はアースされ、かつチャンバ１２と電気的に接続されている。アーク式蒸発源１４ｂおよび陰極１６ｂは直流電源２０ｂの負極と電気的に接続されている。直流電源２０ｂの正極はアースされ、かつチャンバ１２に電気的に接続されている。
【００６４】
アーク式蒸発源１４ａおよび１４ｂは陰極１６ａおよび１６ｂとチャンバ１２との間のアーク放電によって陰極１６ａおよび１６ｂを部分的に溶解させて陰極物質を矢印１８ａおよび１８ｂに示す方向に蒸発させるものである。陰極１６ａおよび１６ｂとチャンバ１２との間には数十Ｖから数百Ｖ程度の電圧が印加される。陰極１６ａは、（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）により構成される。陰極１６ｂはＴｉにより構成される。なお、（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）とは、ＴｉとＡｌの原子数比が０．５：０．５の化合物をいう。
【００６５】
陰極１６ａおよび１６ｂ付近にガスを供給するガス導入口２４ａおよび２４ｂには、矢印２６ａおよび２６ｂで示す方向からさまざまなガスが導入される。このガスの例として、アルゴン、窒素ガスまたは、たとえばメタン、アセチレン、ベンゼンなどの炭化水素系ガスなどがある。
【００６６】
図５は、図４中の治具１００を詳細に示す図である。図６は、治具１００の上面図である。図５および図６を参照して、治具１００は、主テーブル１１０と、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４４と、回転軸１５１および１５２とを備える。
【００６７】
主テーブル１１０は、主テーブル１１と接続されており矢印１１０ａで示す方向に回転する。主テーブル１１０上には垂直方向に延びる回転軸１５１および１５２が設けられている。また、図５および図６では示さないが、主テーブル１１０上には他の４本の回転軸も設けられている。
【００６８】
回転軸１５１には副テーブル１２１〜１２３が固定されている。それぞれの副テーブル１２１〜１２３には、図１〜３で示すドリルの基材１が取付けられている。同様に、副テーブル１２４〜１２６も回転軸１５２に固定されており、それぞれの副テーブル１２４〜１２６上には基材１が取付けられている。また、副テーブル１３１、１３４、１４１および１４４上にもドリルの基材１が取付けられている。
【００６９】
すべての副テーブルは回転軸と固定されており、回転軸１５１および１５２は支持棒１３中の回転軸とギアで接続されているため、矢印１２０ａで示す方向に回転する。そのため、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４４も矢印１２０ａで示す方向に回転する。
【００７０】
これらの副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４４上の基材１は、矢印１１０ａで示す方向に大きく公転すると同時に、矢印１２０ａで示す方向に小さく公転（自転）する。また、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４４の回転数は、主テーブル１１０の回転数よりも多いことが好ましい。さらに、基材１を個々に回転させる機構を付与してもよい。
【００７１】
まず、図４〜図６で示すような装置を用いて、主テーブル１１０を矢印１１０ａで示す方向に回転させ、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１、および１４６を矢印１２０ａで示す方向に回転させながら、真空ポンプによりチャンバ１内の圧力を１．３×１０−３Ｐａとした。次に、ガス導入口２４からアルゴンガスを導入してチャンバ１２内の圧力を２．７Ｐａに保持し、ヒータ（図示せず）により基材１を温度２００℃に加熱した後、直流電源２２の電圧を−１０００Ｖとし、基材１の表面のクリーニングを行なった。その後、アルゴンガスを排気した。
【００７２】
次に、直流電源２２の電圧を−１０００Ｖに維持したままチャンバ１２内の圧力が６．６×１０−１Ｐａとなるようにアルゴンガスの流量を調整した。直流電源２０ｂから１００Ａのアーク電流を供給し、陰極１６ｂからチタンイオンを発生させた。これにより、チタンイオンが基材１の表面をスパッタクリーニングし、基材２の表面の強固な汚れや酸化膜が除去された。
【００７３】
その後、チャンバ１２内の圧力が４Ｐａとなるようにガス導入口２４ａおよび２４ｂから窒素ガスを導入し、直流電源２２の電圧を−２００Ｖとした。すると、基材１の表面においてＴｉＮ膜の形成が始まった。ＴｉＮ膜が所定の厚み（０．３μｍ）に達するまでこの状態を維持した。これにより、中間層としてのＴｉＮ膜を形成した。中間層の厚みとしては０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【００７４】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、この状態のままアーク式蒸発源１４ａに１００Ａのアーク電流を供給した。これにより、陰極１６ａを構成する（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）が矢印１８ａに示す方向に蒸発し、基材１の表面に厚さが約６μｍの耐摩耗性被膜としての（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜を形成して本発明に従ったドリル（本発明品）を作製した。なお、耐摩耗性被膜としての（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜の厚みとしては、０．５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。耐摩耗性被膜の厚さが０．５μｍ未満であれば被膜自体の強度が低下し、被膜の耐摩耗性が低下する。また、被膜の厚さが１５μｍを超えると膜の剥離や欠けが発生しやすくなる。また、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜の組成式を（ＴｉＸ 、Ａｌ１−Ｘ ）Ｎとした場合、０．３≦Ｘ≦０．８であることが好ましい。そのため、上述の陰極１６ａの組成式を（ＴｉＸ 、Ａｌ１−Ｘ ）とすると、０．３≦Ｘ≦０．８であることが好ましい。
【００７５】
（ｉｉ） 従来品１の作製
従来品１の作製に当たっては、まず、図１〜３で示すような基材１を準備した。この基材１を図４で示す治具１００にセットした。また、装置１０においてガス導入口２４ａおよび２４ｂをチャンバ１２の上部１２ａに一つにまとめて配置した。陰極１６ａをチタンとアルミニウムの化合物（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）で構成した。その他の成膜装置１０の構成については、本発明品の製造と同様にした。
【００７６】
このような装置１０を用いて、まず、主テーブル１１０を矢印１１０ａで示す方向に回転させ、かつ、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４６をそれぞれ、矢印１２０ａで示す方向に回転させた。次に、基材１の表面を本発明品を製造したのと同様の手法でアルゴンでスパッタクリーニングし、その後、チタンでスパッタクリーニングした。さらに、本発明品を製造した工程と同様に基材１の表面に厚さが０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【００７７】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、直流電源２０ａから陰極１６ａへ−２００Ｖ、１００Ａの電力を供給して、陰極１６ａを構成する（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）を蒸発させた。また、チャンバ１２の上部１２ａに設けられたガス導入口から窒素ガスを導入した。これらが基材１の表面で反応して基材１上のＴｉＮ膜上に膜厚が６μｍの（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）Ｎ膜が得られた。これにより、本発明品とほぼ同一の組成で窒素ガスの導入方法が異なる耐摩耗性被膜を有する従来品１を得た。
【００７８】
（ｉｉｉ） 従来品２の作製
従来品２の作製に当たっては、陰極１６ａおよび陰極１６ｂをチタンで構成した。その他の成膜装置１０の構成については従来品１の場合と同様とした。このような成膜装置１０において、まず、治具１００に基材１を取付け、本発明品を製造したのと同様にこれらを回転させた。次に、本発明品を製造したのと同様の工程で基材１の表面をアルゴンでスパッタクリーニングし、その後、チタンでスパッタクリーニングし、さらに、厚さが０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【００７９】
次に、ＴｉＮ膜の形成が終了すると、直流電源２０ａから陰極１６ａへ−２００Ｖ、１００Ａの電力を供給して、陰極１６ａからチタンイオンを発生させた。また、ガス導入口からメタンガス（ＣＨ４ ）と窒素ガスとを導入した。これらが反応して、基材１の表面のＴｉＮ膜上に膜厚が６μｍのＴｉ（Ｃ０．５ 、Ｎ０．５ ）膜を形成した。Ｔｉ（Ｃ０．５ 、Ｎ０．５ ）とは、ＴｉとＣとＮの原子数比が１：０．５：０．５の化合物をいう。
【００８０】
これにより、陰極として（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）を用いた製造した（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）Ｎ膜を有する本発明品、陰極として（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）を用いて製造された（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）Ｎ膜を有する従来品１および陰極としてＴｉを用いて製造されたＴｉ（Ｃ０．５ 、Ｎ０．５ ）膜を有する従来品２を得た。
【００８１】
（２） サンプルの表面粗さの評価
図７は、サンプルの表面粗さを評価するのに用いた３Ｄ−ＳＥＭ（ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の模式図である。図７を参照して、ＳＥＭ２００（エリオニクス社製ＥＲＡ−８００）は、電子銃２１０と、電子レンズ２２１〜２２４と、検出器２３１〜２３４とを有する。
【００８２】
電子銃２１０は、電子線２１１を発射する。電子銃２１０から発射された電子線２１１は電子レンズ２２１〜２２４によりさまざまにその進路を変えられて支持台２５０上に置かれた試料２６０に照射される。試料２６０に照射された電子線は、試料２６０から２次電子を発生させる。この２次電子を検出器２３１〜２３４が検出することにより、試料２６０の表面状態を観察することができる。
【００８３】
図８は、図７で示す装置において、試料の表面形状を測定する原理を示す模式図である。図８を参照して、試料２６０の表面２６１ａのうち、角度θ１ を有する点２６１ｂおよび角度θ２ を有する点２６１ｄに電子線２１１が照射されると、この点２６１ｂおよび２６１ｄから２次電子が発生する。
【００８４】
発生した２次電子のうち、検出器２３２に検出される２次電子の出力信号をＡとし、検出器２３３に検出される２次電子の出力信号をＢとする。すなわち、検出器２３２に面した点２６１ｂでの信号強度は、検出器２３２で大きく、その値に比べて検出器２３３で小さくなる。一方、検出器２３３に面した点２６１ｄでの信号強度は検出器２３３で大きく、頂点２６１ｅの影響を受ける検出器２３２で極端に小さくなる。
【００８５】
点２６１ｂから発生する２次電子の信号強度のうち、検出器２３２で検出される信号の強度を矢印２１２の長さで示し、検出器２３３で検出される信号の強度を矢印２１３の長さで示す。また、点２６１ｄで発生する２次電子の信号強度のうち、検出器２３２で検出される信号の強度を矢印２４１の長さで示し、検出器２３３で検出される信号の強度を矢印２１５の長さで示すと、矢印２１５の長さが最も長く、次いで、矢印２１２が長く、その次に、矢印２１３が長く、矢印２１４は一番短い。
【００８６】
また、初期条件設定走査によりなるべく平面（水平面）に等しい部分から発生して検出器２３２に検出される２次電子の出力信号２１１ａをＡｎとし、検出器２３３に検出される２次電子の出力信号２１１ｂをＢｎとする。そして、図８中の左から右へ向かう方向をＸとして、上述のＡ、Ｂ、Ａｎ、Ｂｎを求めれば、以下の式に従い、Ｘ−Ｙ平面内における角度θを求めることができる。
【００８７】
【数１】
また、このようにして求めた試料の傾斜を積分していくことにより、Ｘ軸方向の表面形状を測定することができる。
【００８９】
このようなＳＥＭ２００を用いて各サンプルのねじれ溝２の表面に形成された耐摩耗性被膜の評価を行なった。具体的には、本発明品、従来品１および従来品２のねじれ溝２の表面から横寸法が８０μｍで縦寸法が５０μｍの試料２６０を取出した。
【００９０】
本発明品、従来品１および２について、これらの試料２６０を支持台２５０上に置き、ＳＥＭ２００でその測定倍率を２０００倍として試料２６０上の横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの矩形の領域での表面形状を観察した。なお、このとき、電子線の走査は基材２の研磨キズの影響を避けるため、研磨キズに平行に行なった。
【００９１】
次に、得られた表面形状についてのデータをもとに、このデータを１８０個のデータに分割した。すなわち、図９で示すように、ＳＥＭで観察した横寸法が６０μｍで縦寸法４５μｍの領域上にライン１からライン１８０で示す１８０本の線分を設定し、それぞれのライン１〜ライン１８０においてのＸ軸方向での表面の高さを求めた。
【００９２】
図１０は、ライン１におけるサンプルの表面高さのプロファイル曲線３００を示している。このプロファイル曲線３００では、極大点３０１〜３０８と、極小点３１１〜３１７が存在する。極大点３０１〜３０８のうち、このプロファイル曲線３００上をＸ軸方向に沿って進んだ場合に極小点からスレッシュホールド高さ（しきい値高さ）を通過して極大点に達し、さらにスレッシュホールド高さを通過して極小点に達した場合には、その極大点をピークとした。
【００９３】
具体的には、極小点３１７から極小点３１６に達する場合には、プロファイル曲線３００はスレッシュホールド高さＴＨ５ およびＴＨ４ を通過して極大点３０７に達し、さらに、スレッシュホールド高さＴＨ４ およびＴＨ５ を通過して極小点３１６に達するので、極大点３０７はピークとして数えた。
【００９４】
一方、極小点３１４から極小点３１３へ至る場合には、極小点３１４から極大点３０７へ至る途中ではプロファイル曲線３００はスレッシュホールド高さＴＨ５ 〜ＴＨ３ を通過するが、極大点３０４から極小点３１３へ至るまではプロファイル曲線３００はスレッシュホールド高さを通過しないので極大点３０４はピークとしては数えなかった。
【００９５】
このようにして、ライン１〜１８０について所定のスレッシュホールド高さのピークがいくつあるかを算出した。
【００９６】
図１１は、図１０で示すプロファイル曲線３００において所定のスレッシュホールド高さのピークがいくつあるかを示すグラフである。図１１を参照して、図１０で示すプロファイル曲線３００では、スレッシュホールド高さがＴＨ５ のピークが３個、スレッシュホールド高さＴＨ４ 〜ＴＨ１ のピークがそれぞれ１個ずつあったことを示す。
【００９７】
これらの手法により、本発明品、従来品１および従来品２について、横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの領域でのピーク高さ（スレッシュホールド高さ）の個数を調べた。
【００９８】
なお、このとき、高さが０の基準点としては、各ラインの測定で得られたプロファイル曲線（ライン１についてのプロファイル曲線）において、測定曲線の中心線を基準高さ（高さ０μｍ）とし、その部分からのスレッシュホールド高さを求めた。それらの結果を表１に示す。
【００９９】
【表１】
表１より、本発明品では、低いスレッシュホールド高さ（０．１７５５μｍ）の個数が多くなっていることがわかる。一方、従来品１および２では、比較的高いスレッシュホールド高さ（０．５２６４μｍ）の個数が比較的多くなっていることがわかる。また、本発明品では、高さが１μｍ以上の突起の個数が７個であったのに対し、従来品１では１８個、従来品２では１７個存在した。
【０１０１】
これにより、本発明品のねじれ溝２の表面は従来品１および従来品２のねじれ溝の表面より平滑であることがわかる。
【０１０２】
また、本発明品、従来品１および２について、ＳＥＭの観察の倍率を５０００倍とし、横寸法が２４μｍで縦寸法が１８μｍの矩形の表面領域を任意に３ヶ所（視野１〜視野３）選び、それぞれの視野において図８で示す原理に従って表面の高さについてのデータを得た。
【０１０３】
その後、図１２で示すように、それぞれの視野を横方向に１８０分割し、それぞれのライン１〜ライン１８０について図１０で示すようなプロファイル曲線を求め、この曲線からスレッシュホールド高さの個数を求めた。それらの結果を表２〜表４に示す。
【０１０４】
【表２】
【表３】
【表４】
表２〜表４より、本発明品では、高さの高い（１μｍ）のピークが合計で３個しか存在しないのに対し、従来品１および従来品２では、高さが高い（１μｍ）のピークが多く存在することがわかる。これより、本発明品のねじれ溝２の表面は従来品１および２のねじれ溝２の表面より平滑であることがわかる。
【０１０８】
（３） サンプルの切削試験評価
▲１▼ 乾式切削における切削動力の変化
上述の工程で製造したサンプルである本発明品、従来品１および従来品２について、以下の条件で切削試験を行ない、穴開け回数と、切削動力の関係について調べた。
【０１０９】
被削材：ＳＣＭ（ＪＩＳ呼称）４４０
切削速度：Ｖ＝７０ｍ／ｍｉｎ
送り：ｆ＝０．７ｍｍ／回転
穴の深さ：ｄ＝３２ｍｍ（止まり穴）
切削油剤：なし（完全乾式）
ドリル：φ８ｍｍ超硬
この試験の結果を図１３に示す。
【０１１０】
図１３より、本発明品では、穴開けを６００回行なっても縦軸で示す切削動力はほぼ変化せず、一定の切削動力で試験を続けることができた。また、本発明品では、目標切削長である２０ｍをクリアし、優れた特性が得られた。
【０１１１】
一方、従来品１および従来品２では、いずれも２穴目で切削動力が急上昇したため、これ以上試験を続けることができなくなった。
【０１１２】
このデータから明らかなように、本発明品では、切削油剤が存在しない完全乾式状態でも安定に切削を続けることができるということがわかる。
【０１１３】
▲２▼ 乾式深穴加工における被削材の加工硬化について
乾式加工で懸念される加工穴の加工硬化についても評価を行なった。試験の対象は、本発明品を乾式で使用したもの、本発明品を湿式（切削油剤あり）で使用したものおよび比較品とした。なお、比較品として、本発明品と同様の基材に本発明と同様のＴｉＮの中間層を形成し、さらに、その上に、本発明品と同様の厚さでＶＮからなる耐摩耗性被膜を形成したものを用いた。なお、比較品は、特開平１０−２３７６２８号公報に記載された耐摩耗性被膜を有するドリルである。
【０１１４】
試験の条件は以下のとおりとした。
被削材：ＳＣＭ（ＪＩＳ呼称）４４０
切削速度：Ｖ＝７０ｍ／ｍｉｎ
送り：ｆ＝０．３ｍｍ／回転
深さ：ｄ＝４０ｍｍ（止まり穴）
ドリル：φ８ｍｍ超硬
この条件で穴を６００個製造し、６００穴目についての穴表面からの距離と被削材の硬度との関係を調べた。その結果を図１４に示す。
【０１１５】
図１４より、本発明品を乾式で使用した場合、本発明品を湿式で使用した場合とも穴表面に近い部分で硬度は大幅に上昇していないことがわかる。一方、比較品を乾式で使用した場合に穴表面からの距離が近い部分ではその硬度が４００Ｈｖを超えており加工硬化が生じていることがわかる。また、本発明品では、乾式で使用した場合と湿式で使用した場合は、ほぼ同様の硬度分布曲線が得られることがわかる。
【０１１６】
これにより、本発明品は、比較品に比べて被削材が加工硬化を起こしにくい優れたものであることがわかる。
【０１１７】
また、上述の条件で試験を行ない、１つ目の穴と６００個目の穴について、被削材の穴表面からの距離と硬度との関係を調べた。その結果を図１５に示す。
【０１１８】
図１５より、本発明品を用いれば、１穴目と６００穴目についてほとんど硬度分布が変化していないことがわかる。
【０１１９】
なお、加工穴の内面が加工硬化を生じる原因としては、工具の切れ味が低下することによって発熱したり被削材が強い応力を受けることがあると考えられる。比較品の場合に加工硬化層の発生が顕著であった原因として、比較品に形成されたＶＮ膜の耐摩耗性が本発明品に比べてやや劣るため、切れ刃の摩耗が進行し、被削材に強い応力が加わったためであると思われる。
【０１２０】
これに対して、本発明品の場合は、６００回の穴開けの加工テスト中にほとんど工具表面が摩耗しなかったため、最後まで切れ味が落ちることなく結果的に加工硬化層の発生が１穴目と６００穴目で変化しなかったものと思われる。
【０１２１】
▲３▼ 再研磨・再コーティング時の切削性能について
超硬合金製ドリルにおいては、使い捨てにされるケースはほとんどなく、摩耗したドリル先端を再研磨して切れ刃を再生し、さらにコーティングを再度施した上で再使用されるケースが多い。本発明品においても、一度切削試験に供した後にドリル先端部を再研磨・再コーティングしたものを切削長２０ｍまで再度切削試験を行なった。その結果、新品時と同様に切削長２０ｍまで耐摩耗性に問題はなく、新品同様に使用できることが確認された。
【０１２２】
▲４▼ ミスト潤滑セミドライ潤滑での評価
潤滑油が全く存在しない乾式状態だけではなく、潤滑油剤を霧状に吹き付けるミスト潤滑状態や植物油を潤滑油剤として使用したセミドライ条件での切削試験を行なった。その場合でも、乾式条件と同様の結果が得られることがわかった。
【０１２３】
実施例２：切削工具（チップ）
（１） サンプルの作製
（ｉ） 本発明品の作製
基材として、グレードがＪＩＳ呼称Ｐ３０の超硬合金からなるチップであり、形状がＪＩＳ規格のＳＤＫＮ４２のものを用意した。
【０１２４】
この基材を図４で示す装置内に入れて所定の治具により保持した。次に、図４〜６で示す装置において、主テーブル１１０を矢印１１０ａで示す方向に回転させ、副テーブル１２１〜１２６、１３１、１３４、１４１および１４６を矢印１２０ａで示す方向に回転させながら、真空ポンプによりチャンバ１２内を減圧させた。ヒータ（図示せず）により基材１を温度５００℃に加熱し、チャンバ１２内の圧力が１．３×１０−３Ｐａとなるまで真空引きを行なった。次に、ガス導入口２４ａおよび２４ｂからアルゴンガスを導入してチャンバ１２内の圧力を２．７Ｐａに保持し、直流電源２２の電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖ（支持棒１３の電位が−１０００Ｖ）とし、基材１の表面のクリーニングを１０分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。
【０１２５】
次に、直流電源２２の電圧を−１０００Ｖに維持したまま、チャンバ１２内にガス導入口２４ａおよび２４ｂを通して流量が１００ｓｃｃｍ（ｃｍ３／分）の窒素ガスを導入した。直流電源２０ｂから８０Ａのアーク電流を供給し、陰極１６ｂからチタンイオンを発生させた。これにより、チタンイオンが基材１の表面をスパッタクリーニングし、基材１の表面の強固な汚れや酸化膜が除去された。
【０１２６】
その後、チャンバ１２内の圧力が４Ｐａとなるようにガス導入口２４ａおよび２４ｂから窒素ガスを導入し、直流電源２２の電圧を−２００Ｖ（支持棒１３の電位が−２００Ｖ）とした。すると、基材１の表面においてＴｉＮ膜の形成が始まった。ＴｉＮ膜の厚みが所定の厚み（０．３μｍ）に達するまでこの状態を維持した。これにより、中間層としてのＴｉＮ膜を形成した。なお、この中間層の厚みとしては、０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【０１２７】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、この状態のまま、アーク式蒸発源１４ａに９５Ａの電流を供給した。これにより、陰極１６ａを構成する（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）が矢印１８ａで示す方向に蒸発し、基材１の表面に厚さが約６μｍの耐摩耗性被膜としての（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜を形成して本発明に従った切削工具（チップ）（本発明品）を作製した。なお、耐摩耗性被膜としての（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜の厚みは０．５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。耐摩耗性被膜の厚さが０．５μｍ未満であれば、耐摩耗性被膜の強度が低下し、被膜の耐摩耗性が低下する。また、耐摩耗性被膜の厚さが１５μｍを超えると残留内部応力が増大し、被膜が剥離する。
【０１２８】
さらに、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの組成式を（Ｔｉｘ、Ａｌ１−ｘ）Ｎとした場合、ｘは、０．３≦ｘ≦０．８で示す関係を満たすことが好ましい。そのため、陰極１６ａの組成式を（Ｔｉｘ、Ａｌ１−ｘ）とすると、ｘは０．３≦ｘ≦０．８で示す関係を満たすことが好ましい。
【０１２９】
（ｉｉ） 従来品１の作製
従来品１の作製にあたっては、まず、本発明品と同じ基材を準備した。この基材を図４で示す治具１００にセットした。また、装置１０において、ガス導入口２４ａおよび２４ｂをチャンバ１２の上部１２ａに一つにまとめて配置した。陰極１６ａにチタンとアルミニウムの化合物（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）で構成した。
【０１３０】
このような装置１０を用いて、まず、主テーブル１１０を矢印１１０ａで示す方向に回転させ、かつ副テーブル１２１〜１２６、１３４、１４１および１４６をそれぞれ矢印１２０ａで示す方向に回転させた。次に、基材１の表面を、本発明品を製造したのと同様の手法でアルゴンガスでスパッタクリーニングし、その後、チタンでスパッタクリーニングした。さらに、本発明品を製造した工程と同様に基材１の表面に厚さが０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【０１３１】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、直流電源２０ａから陰極１６ａへ−２００Ｖ、９５Ａの電力を供給して陰極１６ａを構成する（Ｔｉ０．５ 、Ａｌ０．５ ）を蒸発させた。また、チャンバ１２の上部１２ａに設けられたガス導入口から窒素ガスを導入した。これらが基材１の表面で反応して基材１の上のＴｉＮ膜上に厚さが６μｍの（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎ膜が得られた。これにより、本発明品とほぼ同一の組成で窒素ガスの導入方法が異なる耐摩耗性被膜を有する従来品１を得た。
【０１３２】
（ｉｉｉ） 従来品２の作製
従来品２の作製にあたっては、陰極１６ａおよび１６ｂをチタンで構成した。その他の装置１０の構成については、従来品１の製造と同様とした。このような装置１０において、まず、治具１００に基材１を取付け、本発明品を製造したのと同様にこれらを回転させた。次に、本発明品を製造したのと同様の工程で基材１の表面をアルゴンでスパッタクリーニングし、その後チタンでスパッタクリーニングし、さらに厚さが０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【０１３３】
ＴｉＮ膜の形成が終了すると、直流電源２０ａから陰極１６ａへ−２００Ｖ、９５Ａの電力を供給して陰極１６ａからチタンイオンを発生させた。また、チャンバ１２の容器１２ａに設けられたガス導入口からメタンガス（ＣＨ４）と窒素ガスを導入した。これらが反応して基材１の表面のＴｉＮ膜上に厚さが６μｍのＴｉ（Ｃ０．５、Ｎ０．５）膜を形成した。
【０１３４】
以上により、陰極として（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）を用いて製造した（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎ膜を有する本発明品、陰極として（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）を用いて製造された（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎ膜を有する従来品１および陰極としてＴｉを用いて製造されたＴｉ（Ｃ０．５、Ｎ０．５）膜を有する従来品２を得た。
【０１３５】
（２） サンプル表面粗さの評価
実施例１の「（２）サンプルの表面粗さの評価」の欄で記載したのと同様の手法で、上述の工程で製造した本発明品、従来品１および従来品２の表面粗さを測定した。その結果、表１〜表４で示すデータと同様のデータが得られた。
【０１３６】
（３） 切削工具寿命評価
上述の工程で製造したサンプルである本発明品、従来品１および従来品２のそれぞれについて、実際に被削材を熱間ダイス鋼（ＪＩＳ呼称ＳＫＤ６１）として、正面フライス加工を実施し、切削工具寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度が５０ｍ／ｍｉｎ、送りが０．３ｍｍ／刃、切込みが２ｍｍでドライ条件とした。なお、寿命の判定は、切削長１５ｍでの逃げ面摩耗幅により行なった。その寿命評価結果を表５に示す。
【０１３７】
【表５】
表５から明らかなように、本発明品では、切削工具寿命が大幅に向上したことが確認された。
【０１３９】
図１６は、本発明品であるチップを有するフライスの平面図、図１７は、図１６で示すフライスで用いられるチップの平面図、図１８は、図１７中のＡ−Ａ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１４０】
図１６を参照して、フライス４０１は、フライス本体４０２と、チップ４０３とを有する。フライス本体４０２の外周部に複数のチップ４０３が取付けられている。
【０１４１】
図１７および図１８を参照して、チップ４０３は、基材４０４と、耐摩耗性被膜４０５とを有する。耐摩耗性被膜４０５は、（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎからなる。チップ４０３の基材４０４が耐摩耗性被膜４０５に覆われていた。
【０１４２】
実施例３：切削工具（リーマ）
実施例２と全く同じ方法により、リーマ（ＪＩＳ呼称Ｋ１０超硬合金）にそれぞれコーティングを行ない、本発明品、従来品１および従来品２を得た。なお、本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は、実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１４３】
次に、これらのサンプルを用いて、実際に鋳鉄の穴あけ加工を行ない、その寿命評価を行なった。切削条件は、リーマ径が１５ｍｍ、切削速度が１０ｍ／ｍｉｎ、送りが０．４ｍｍ／刃、切込みが０．１５ｍｍとし、ウェット条件とした。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れるまでの加工個数とした。その結果を表６に示す。
【０１４４】
【表６】
表６より、本発明のリーマの寿命が大きく向上していることが確認された。
図１９は、この発明に従って得られたリーマの平面図であり、図２０は、図１９中のＢ−Ｂ線に沿って見た断面を示す図である。図１９および図２０を参照して、リーマ４１１は、基材４１２と、耐摩耗性被膜４１３とを有する。耐摩耗性被膜４１３の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。基材４１２を覆うように耐摩耗性被膜４１３が形成されている。
【０１４６】
実施例４：切削工具（エンドミル）
実施例２と全く同じ方法により、エンドミルの基材（ＪＩＳ呼称Ｋ１０超硬合金）にコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は、実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１４７】
次に、これらのサンプルを用いて実際に鋳鉄のエンドミル側面削り（切削幅１５ｍｍ）加工を行ない、その寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度が７５ｍ／ｍｉｎ、送りが０．０２ｍｍ／刃、切込みが２ｍｍでウェット条件とした。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点とした。その評価結果を表７に示す。
【０１４８】
【表７】
表７より、本発明のエンドミルの寿命が大きく向上していることが確認された。
【０１５０】
図２１は、上述の工程で得られた本発明品のエンドミルの平面図であり、図２２は、図２１中のＣ−Ｃ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１５１】
図２１および図２２を参照して、エンドミル４２１は、基材４２２と、耐摩耗性被膜４２３により構成されている。耐摩耗性被膜４２３の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。基材４２２を覆うように耐摩耗性被膜４２３が形成されている。
【０１５２】
実施例５：切削工具（旋削用刃先交換型チップ）
実施例２と全く同じ方法により、旋削用刃先交換型チップ（ＪＩＳ呼称Ｐ１０超硬合金、刃先形状は、すくい角８°、逃げ角６°）に耐摩耗性被膜のコーティングを行ない、本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２で示す本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は、実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品３は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１５３】
次に、これらのサンプルを用いて、実際に鋼の中仕上げ旋削加工を行ない、その寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度が１８０ｍ／ｍｉｎ、送りが０．８ｍｍ／刃とした。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点とした。その寿命評価結果を表８に示す。
【０１５４】
【表８】
表８より、本発明のチップの寿命が大きく向上していることが確認された。
図２３は、上述の工程で得られた刃先交換型チップの斜視図、図２４は、図２３で示すチップの平面図、図２５は、図２４中のＤ−Ｄ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１５６】
図２３を参照して、刃先交換型のチップ（スローアウェイチップ）４３１は、シャンク４３２に取付けられる。チップ４３１の中央部には孔が形成されており、この孔にボルト４３５を嵌め込み、ボルト４３５の先端をシャンク４３２に差し込んでねじで固定する。また、チップ４３１は、ねじ４３３とクランプ４３４とによりシャンク４３２に固定される。
【０１５７】
図２４および図２５を参照して、チップ４３１は基材４３７と耐摩耗性被膜４３８とを有する。耐摩耗性被膜の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。耐摩耗性被膜を形成する際に基材４３７の底面を治具と接触させるため、基材４３７の底面には耐摩耗性被膜４３８の形成されない部分が存在する。
【０１５８】
実施例６：金型（温間鍛造用の金型パンチ）
基材として、温間鍛造用の金型パンチと表面粗さ測定用平板（ＪＩＳ呼称ＳＫＨ５１からなる鋼、ロックウェルＣスケール硬度５３）を用意した。実施例２と同じ方法により、この金型パンチにコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例１の耐摩耗性被膜と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１５９】
これらのサンプルについて、実際に、温間鍛造時の金型寿命評価を行なった。鍛造時には、金型の表面は温度７００℃まで加熱されていた。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲から外れた時点を金型の寿命とした。寿命評価結果を表９に示す。
【０１６０】
【表９】
表９より、本発明品では、従来品と比較して金型寿命が大きく向上していることがわかる。
【０１６２】
図２６は、上述の工程で得られたパンチの平面図であり、図２７は、図２６中のＥ−Ｅ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１６３】
図２６および図２７を参照して、金型パンチ４４１は、基材４４２と耐摩耗性被膜４４３とを有する。耐摩耗性被膜４４３は、基材４４２を覆うように形成されており、耐摩耗性被膜４４３の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。
【０１６４】
実施例７：金型（アルミニウム合金鋳造用鋳抜きピン）
まず、アルミニウム合金鋳造用鋳抜きピンの基材（ＪＩＳ呼称ＳＫＤ６１の鋼、ロックウェルＣスケール硬度５１）を用意した。この基材にコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１６５】
次に、これらのサンプルを用いて、実際にアルミニウム合金の鍛造時に鋳抜きピンの寿命評価を行なった。鋳造方法は重力鋳造とし、鋳抜きピンの表面の温度は６７０℃まで加熱されていた。なお、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点を寿命とした。寿命評価結果を、表１０に示す。
【０１６６】
【表１０】
表１０より、従来品と比較して、本発明の鋳抜きピンの寿命が大きく向上していることが確認された。
【０１６８】
図２８は、上述の工程で得られた鋳抜きピンの平面図であり、図２９は、図２８中のＦ−Ｆ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１６９】
図２８および図２９を参照して、鋳抜きピン４５１は、基材４５２と耐摩耗性被膜４５３とにより構成される。耐摩耗性被膜４５３の材質は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。基材４５２の表面を覆うように耐摩耗性被膜４５３が形成されている。
【０１７０】
実施例８
実施例２と全く同じ方法により、ＪＩＳ呼称ＳＫＤ１１の鋼（ロックウェルＣスケール硬度５８）の平板のそれぞれにコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１７１】
次に、これらのサンプルを用いて実際に塩水噴霧試験を行なった。試験条件はＪＩＳ呼称Ｚ２３７１に準じて行なうもので、５重量％のＮａＣｌ水溶液を温度３５℃の条件で１０００時間サンプルに吹き付ける方法とした。その結果を表１１に示す。
【０１７２】
【表１１】
表１１より、本発明品では表面に変化が見られないものの、従来品１および従来品２では膜が部分的に剥離し、基材の腐食が生じていることがわかった。
【０１７４】
実施例９：金型（プラスチック射出成形機用スクリュー）
ＪＩＳ呼称ＳＫＤ１１（ロックウェルＣスケール硬度５８）の鋼からなるプラスチック射出成形機用スクリューの基材を用意した。この基材表面に、実施例２と同じ方法でコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は実施例２の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は、実施例２の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は実施例２の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１７５】
次に、これらのサンプルを用いて、プラスチック射出成形を行ない、スクリューの寿命を評価した。その結果を表１２に示す。
【０１７６】
【表１２】
表１２より、本発明品では樹脂の離型性が良く、樹脂焼けも減少するので、従来品１および２の寿命に比べて約５倍の寿命の延長が確かめられた。
【０１７８】
図３０は、上述の工程で得られたプラスチック射出成形機用のスクリューの平面図であり、図３１は、図３０中のＧ−Ｇ線に沿って見た断面を示す図である。
【０１７９】
図３０および図３１を参照して、スクリュー４６１は、基材４６２と、耐摩耗性被膜４６３とを備える。耐摩耗性被膜４６３の組成は（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）Ｎである。基材４６２の表面を覆うように耐摩耗性被膜４６３が形成されている。
【０１８０】
実施例１０：切削工具（ドリル）
実施例１０では、実施例１で製造したドリルにおいて、ねじれ溝の角度とねじれ溝のない部分の角度との比がドリルの全長にわたって一定の基材を準備した。この基材の表面に、実施例１と同様の方法で耐摩耗性被膜のコーティングを行ない、サンプルである本発明品、従来品１および従来品２を得た。本発明品は、実施例１の本発明品と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品１は実施例１の従来品１と同じ耐摩耗性被膜を有し、従来品２は、実施例１の従来品２と同じ耐摩耗性被膜を有する。
【０１８１】
次に、これらのサンプルを用いて、実施例１と同様のさまざまな試験を行なった。その結果、実施例１とほぼ同様の結果が得られた。
【０１８２】
図３２は、上述の工程でえられたドリルを示す図であり、図３３は図３２中のＨ−Ｈ線に沿って見た断面を示す図でる。図３２および３３を参照して、ドリルの基材４７４は超硬合金からなる。基材４７４の表面には２条のねじれ溝４７２が設けられている。ドリルの先端部４７１ａでは、ねじれ溝４７２の角度Ｙ３ とねじれ溝４７２のない部分の角度Ｘ３ との比Ｙ３ ：Ｘ３ は０．８：１となっている。ドリルの根元部分４７１ｂにおいては、ねじれ溝４７２の角度Ｙ３ とねじれ溝４７２が存在しない部分の角度Ｘ３ との比Ｙ３ ：Ｘ３ は０．８：１である。つまり、ドリル１の基材においては、ねじれ溝４７２の幅は一定である。
【０１８３】
以上、この発明について説明したが、この発明は、上記の工具だけでなく、他の形状のエンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に適用することができる。また、他の形状の金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型にも適用することができる。
【０１８４】
今回開示された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。たとえば、耐摩耗性被膜を複数層設けてもよく、被膜中のＴｉとＡｌの割合をさまざまに設定してもよい。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。
【０１８５】
【発明の効果】
この発明に従えば、乾式条件、ミスト潤滑条件およびセミドライ条件など切削油剤が少ない条件においても工具寿命が長く、被削材の加工硬化が生じにくくかつ折損の可能性の少ないドリルを提供することができる。
【０１８６】
また、この発明に従えば、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具における耐摩耗性、高滑り性、高焼付き性、被削材の加工精度（表面仕上げ状態）などの向上を図れるため、寿命の長い切削工具を提供することができる。
【０１８７】
さらに、この発明に従えば、金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用などの金型における耐摩耗性、高耐食性、高滑り性、高焼付き性などの向上が図れるため、長寿命の金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いたドリルの基材を示す図である。
【図２】図１中のＸ−Ｘ線に沿って見た断面を示す図である。
【図３】図１中のＹ−Ｙ線に沿って見た断面を示す図である。
【図４】本発明で用いた成膜装置の模式図である。
【図５】図４中の治具を詳細に示す図である。
【図６】図５で示す治具の上面図である。
【図７】３Ｄ−ＳＥＭの模式図である。
【図８】試料の表面形状を測定する原理を示す模式図である。
【図９】１８０分割された視野を示す模式図である。
【図１０】プロファイル曲線を示すグラフである。
【図１１】スレッシュホールド高さと、その個数との関係を示すグラフである。
【図１２】１８０分割された視野を示す模式図である。
【図１３】穴開け回数と切削動力との関係を示すグラフである。
【図１４】６００穴目における穴表面からの距離と被削材の硬度との関係を示すグラフである。
【図１５】１穴目と６００穴目における穴表面からの距離と被削材の硬度との関係を示すグラフである。
【図１６】この本発明品であるチップを有するフライスの平面図である。
【図１７】図１６で示すフライスで用いられるチップの平面図である。
【図１８】図１７中のＡ−Ａ線に沿って見た断面を示す図である。
【図１９】この発明に従ったリーマの平面図である。
【図２０】図１９中のＢ−Ｂ線に沿って見た断面を示す図である。
【図２１】この発明に従ったエンドミルの平面図である。
【図２２】図２１中のＣ−Ｃ線に沿って見た断面を示す図である。
【図２３】この発明に従ったチップの斜視図である。
【図２４】図２３で示すチップの平面図である。
【図２５】図２４中のＤ−Ｄ線に沿って見た断面を示す図である。
【図２６】この発明に従ったパンチの平面図である。
【図２７】図２６中のＥ−Ｅ線に沿って見た断面を示す図である。
【図２８】この発明に従った鋳抜きピンの平面図である。
【図２９】図２８中のＦ−Ｆ線に沿って見た断面を示す図である。
【図３０】この発明に従ったプラスチック射出成形機用のスクリューの平面図である。
【図３１】図３０中のＧ−Ｇ線に沿って見た断面を示す図である。
【図３２】この発明に従ったドリルの平面図である。
【図３３】図３２中のＨ−Ｈ線に沿って見た断面を示す図である。
【符号の説明】
１，４０４，４２２，４３７，４４２，４５２，４６２，４７１ 基材、１ａ先端部、１ｂ 根元部、２，４７２ ねじれ溝、４０５，４１３，４２３，４３８，４４３，４５３，４６３ 耐摩耗性被膜。
Claims (19)
- 基材と、
その基材の上に形成された（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む耐摩耗性被膜とを備えた被覆工具であって、
前記耐摩耗性被膜の表面において横寸法が２４μｍで縦寸法が１８μｍの矩形の表面領域を任意に３ヶ所選び、その３ヶ所で高さ０．５μｍ以上の突起の個数の合計値が１５以下であり、前記高さ０．５μｍ以上の突起は前記耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生したものであることを特徴とする、被覆工具。 - 基材と、
その基材の上に形成された（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む耐摩耗性被膜とを備えた被覆工具であって、
前記耐摩耗性被膜の表面において横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの矩形の表面領域で高さ０．５μｍ以上の突起の個数が２８以下であり、前記高さ０．５μｍ以上の突起は前記耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生したものであることを特徴とする、被覆工具。 - 基材と、
その基材の上に形成された（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを含む耐摩耗性被膜とを備えた被覆工具であって、
前記耐摩耗性被膜の表面において横寸法が６０μｍで縦寸法が４５μｍの矩形の表面領域で高さ１．０μｍ以上の突起の個数が７以下であり、前記高さ１．０μｍ以上の突起は前記耐摩耗性被膜形成時に不可避的に発生したものであることを特徴とする、被覆工具。 - 前記耐摩耗性被膜は、複数層形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の被覆工具。
- 前記耐摩耗性被膜の厚みは０．５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の被覆工具。
- 前記基材と前記耐摩耗性被膜との間に形成された、チタンナイトライドを含む中間層をさらに備えた、請求項１から５のいずれか１項に記載の被覆工具。
- 前記中間層の厚みは０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする、請求項６に記載の被覆工具。
- 前記突起の高さは走査型電子顕微鏡を用いて得られた３次元的データをもとに算出されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の被覆工具。
- 前記基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、立方晶窒化ホウ素含有焼結体、セラミックス、アルミニウム系合金および鉄系合金からなる群より選ばれた少なくとも一種を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の被覆工具。
- 当該被覆工具は切削工具であり、前記耐摩耗性被膜は、陰極付近にガスを導入するガス導入口からガスを供給して成膜されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の被覆工具。
- 前記切削工具は、切屑を排出するための溝がその表面に形成されたドリルであり、前記溝に前記耐摩耗性被膜が形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の被覆工具。
- 前記ドリルは、切削油が存在しない乾式条件下で使用されることを特徴とする、請求項１１に記載の被覆工具。
- 前記ドリルは、切削油を霧状に吹きつけるミスト潤滑条件下で使用されることを特徴とする、請求項１１に記載の被覆工具。
- 前記ドリルは、植物油を切削油として使用したセミドライ条件下で使用されることを特徴とする、請求項１１に記載の被覆工具。
- 前記ドリルにおいて、被削材に近い先端部分の前記溝の幅は、被削材から遠い根元部分の前記溝の幅よりも小さいことを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の被覆工具。
- 前記ドリルにおいて、被削材に近い先端部分の前記溝の幅と、被削材から遠い根元部分の前記溝の幅とが等しいことを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の被覆工具。
- 前記切削工具は、エンドミル、フライス加工用または旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、タップおよびリーマからなる群より選ばれた１種であることを特徴とする、請求項１０に記載の被覆工具。
- 当該被覆工具は金型であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の被覆工具。
- 前記金型は、金属プレス加工用金型、金属鍛造用金型、金属ダイカスト用金型およびプラスチック成形用金型からなる群より選ばれた１種であることを特徴とする、請求項１８に記載の被覆工具。
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