JP3963354B2

JP3963354B2 - 被覆切削工具

Info

Publication number: JP3963354B2
Application number: JP2002114406A
Authority: JP
Inventors: 剛史石川
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: JP2003089004A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属材料等の切削加工に使用される被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
切削加工の高能率化の要求に伴い高速マシニングセンターが普及し切削加工は高速化傾向にある。切削工具に被覆される皮膜もＴｉＮ、ＴｉＣＮに変わり、皮膜の耐酸化性を改善したＴｉＡｌＮ皮膜を被覆した被覆切削工具が一般的である。しかしながら、更に切削加工の高速化に対応すべくＴｉＡｌＮにＳｉを添加し皮膜の耐酸化性の改善を試みた特許第２７９３７７３号公報、ＴｉにＳｉの添加を試みた特開平８−１１８１０６号公報、特開平９−１１００４号公報、またＳｉを含有する皮膜においてＳｉ_３Ｎ_４及びＳｉ等の独立した相を化合物中に存在させ耐摩耗性の改善を試みた特開２０００−３３４６０４号公報等に代表される皮膜の改善がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来までのＴｉＡｌＮ皮膜をベースにした単純なＳｉ添加においてはＴｉＡｌＮの精々１．２倍未満の耐酸化性改善にしか至らず、汎用的な切削環境下においては多少効果が認められるものの高速切削加工には十分対応できない。更には、ＴｉにＳｉを添加した硬質皮膜においては、Ｓｉ添加により皮膜そのものの耐酸化性及び皮膜の高硬度化による静的な耐摩耗性はＴｉＮよりも改善されるものの皮膜そのものが著しく脆化し、工具として十分な改善は認められない。これは単純にＳｉを添加しただけでは固溶体硬質相を形成し、固溶強化による改善しか認められない事に起因すると考える。
また、Ｓｉの単純添加においては、皮膜が脆くなり、皮膜内部に発生する圧縮応力も非Ｓｉ含有皮膜と比べ著しく高く、この過剰な圧縮応力により成膜直後に剥離が発生し、切削工具に適用するには至っていない。また、Ｓｉ含有皮膜において、異相金属、異相窒化物等を分散させた硬質皮膜は皮膜そのものの耐欠損性が十分ではなく、同時に異相とマトリックスの結晶粒界を介し酸素が拡散する為、耐酸化性が十分であるとは言い難い。この事により、被切削物が高硬度若しくは切削環境が苛酷になるほど膜剥離や酸化進行に起因する異常摩耗及び欠損が生じてしまい実用化には至っていない。このように、依然として高速切削加工において十分な切削特性の改善は得られてはいない。
【０００４】
本願発明はこうした事情に鑑み、Ｓｉ含有皮膜の脆性を大幅に改善し、高靭性で耐チッピング性に優れ、Ｓｉ含有皮膜の高硬度及び耐酸化性を犠牲にすることなく更にその特性を改善し、高速切削加工に最適である被覆切削工具を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
Ｓｉ含有皮膜においては前述の如く、皮膜の高硬度化により静的な耐摩耗性は改善されるが、皮膜が極めて脆くなり、同時に耐酸化性が十分ではなく酸化の進行に伴う摩耗が発生し、耐摩耗性を十分発揮できないばかりではなく、皮膜内部に発生する圧縮応力も非Ｓｉ含有皮膜と比べ著しく高くなり、この過剰な圧縮応力により成膜直後に剥離が発生してしまう。これらの理由から切削工具に適用するには至っていないのが現状である。しかしながら本発明者はこのＳｉ含有皮膜が脆くなり過剰応力による皮膜剥離が発生する原因、また耐酸化性が不十分でる原因等を改善する手段を見出し本発明に到達した。
【０００６】
Ｓｉ含有皮膜が脆くなる要因の一つとして以下に示すことが判明した。即ち、現在一般的に使用されているＴｉＡｌＮ等の多元系窒化物の多くは立方晶ＮａＣｌ型の結晶構造を有する置換型の窒化物を形成する事が知られるが、このＳｉを添加した多元系皮膜においてはＳｉと他の金属元素が置換型の結晶構造をとりにくく、Ｓｉ及びその他の金属元素が夫々窒化物等の結晶構造を形成し易いものと考えられ、その結果として多くの結晶粒界を形成し、このことが皮膜そのもの脆化若しくは過剰応力を誘発させると考える。同時に結晶粒界の増加により、Ｓｉ窒化物とマトリックスとの結晶粒界に沿って酸化進行を促進する事も耐酸化性が十分ではない原因である。
【０００７】
本発明者は、このＳｉ含有皮膜の過剰応力による脆化を抑制する手段及び耐酸化性の更なる改善として、切削工具基体に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素を含み、非金属元素として少なくともＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有皮膜を少なくとも１層以上被覆してなる被覆切削工具において、マトリックス内にアモルファスからなるＳｉ濃化相を分散させるとともに、このアモルファス相と結晶質相との結晶粒界を整合させることに成功した。この結果、単純なＳｉ添加若しくは単独のＳｉ窒化物相の介在等による過剰応力の誘発を抑制し、皮膜内に残留する圧縮応力を著しく低減せしめ、皮膜の過剰応力に起因した脆化は抑制された。また、アモルファス相と結晶質相との結晶粒界の整合化により格子欠陥が著しく減少し、酸素の拡散は更に低減された。これらの改善により、Ｓｉ含有皮膜の耐酸化性を更に改善し、高靭性であるため過剰応力に起因する皮膜剥離または異常摩耗が抑制され、切削工具に対して十分にその特性が発揮されうる皮膜を成膜することを可能にした。
【０００８】
本発明の要旨は、切削工具基体に、Ｓｉと、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含み、非金属元素として少なくともＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有皮膜を少なくとも１層以上被覆してなる被覆切削工具において、該Ｓｉ含有皮膜は、該Ｓｉがアモルファスである高濃度領域相と、該Ｓｉが結晶質である低濃度領域相を有し、該Ｓｉ含有皮膜は、Ｘ線回折における回折強度が（２００）面で最大ピークを示し、その（２００）面の回折線が２θの半価幅で１．０度以上であることを特徴とする被覆切削工具である。さらに好ましくは、該Ｓｉ含有皮膜は、他の金属元素としてＴｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含み、該Ｓｉ含有皮膜のＳｉ含有量は金属元素成分のみの原子％で５０％未満であることを特徴とする被覆切削工具及び、該Ｓｉ含有皮膜とは別の、他の層は、金属元素として少なくともＡｌとＴｉを含み、非金属元素として少なくともＮを含むＡｌＴｉＮ系膜であることを特徴とする被覆切削工具で有る。
【０００９】
この構成を採用することで、高速切削加工及び高硬度材切削加工などの過酷な切削環境下においても、皮膜剥離を生ずることなく皮膜の耐酸化性及び硬さを改善し、切削性能が極めて良好となり、従来技術の課題を解決するに至った。すなわち、該Ｓｉ含有皮膜は、該Ｓｉがアモルファスである高濃度領域相と、該Ｓｉが結晶質である低濃度領域相を有し、該Ｓｉ含有皮膜は、Ｘ線回折における回折強度が（２００）面で最大ピークを示し、その（２００）面の回折線が２θの半価幅で１．０度以上である皮膜が極めて有効である。本発明実施の態様について詳しく述べる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の該Ｓｉがアモルファスである高濃度領域相と、該Ｓｉが結晶質である低濃度領域相を有するＳｉ含有皮膜を解析した結果を以下に述べる。図１にＴｉとＳｉより構成されるＳｉ含有皮膜を例にこの透過型電子顕微鏡による格子像の観察結果を示す。図１の領域１及び領域２に対応した極微電子線回折像撮影による結晶構造の解析結果を図２、図３に示す。極微電子線回折像の撮影にはカメラ長を５０ｃｍ、ビーム径を２〜５ｎｍにて分析を行った。図１、図２、図３より本発明皮膜は、結晶質からなる相とアモルファスからなる相を形成していることが明らかである。
【００１１】
図４、図５に図１の領域１、領域２に対応したエネルギー分散型分析による定量分析結果を示す。各領域の定量分析は１ｎｍ角の領域を分析した。
図４、図５より結晶質からなる領域１のＳｉ含有量は金属元素成分のみの原子比率で８原子％であるのに対し、領域２に示すアモルファス相のＳｉ含有量は金属元素成分のみの原子比率で２６原子％であり、アモルファスからなる相は結晶質相の３倍以上のＳｉ含有量を示し、アモルファス相にＳｉが濃化していることが明確である。
【００１２】
図６にＴｉとＳｉより構成されるＳｉ含有皮膜を例に、従来の成膜方法によりＳｉを含有させた皮膜と本発明であるＳｉ含有皮膜のＸ線回折パターンを示す。本発明皮膜のＸ線回折パターンは従来の成膜方法でＳｉを含有させた皮膜のそれに対して（２００）面に最強ピーク強度を示し、その（２００）面における回折ピークは半価幅で１．０度以上の広がりが認められる。半価幅の測定には、Ｘ線回折における、Ｃｕ−Ｋα線の回折線をθ−２θ法で観測し、（２００）面の回折線のバックグラウンドに対するピーク高さの２分の１における回折線の幅をもって半価幅とした。
【００１３】
図１の領域１に示す電子線回折像及び図６のＸ線回折結果から、結晶質からなる領域１はｆｃｃ構造のＮａＣｌ型の結晶構造を示し、図１に示すが如く、結晶質相とアモルファス相がナノサイズ化されることにより、（２００）面における回折ピークの広がりを有する。しかしながら、Ｓｉ添加による面間隔の大きな変化は認められないことより、結晶質からなる領域１は、少量のＳｉを置換したＴｉ（Ｓｉ）Ｎであると推測される。また、本発明皮膜は（２００）面に強く配向した場合が最も皮膜内の格子欠陥が少なく、耐酸化性に優れることより（２００）面に最大のピーク強度を有ることが好ましい。更にその半価幅が１．０度以上の広がりを有する場合、更に耐酸化性改善に寄与する。
【００１４】
該Ｓｉがアモルファスである高Ｓｉ濃度領域相と、結晶質である低Ｓｉ濃度領域相を有するＳｉ含有皮膜は、Ｓｉと、４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素、より好ましくは金属元素としてＴｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂのうち１種若しくは２種以上より選択された元素からなり、更に非金属元素としてＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択される元素からなるＳｉ含有皮膜において形成させることが可能である。Ｔｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂの金属元素はＳｉとの組み合わせにおいて、特に安定した結晶質相を形成させる為に有効である。
【００１５】
Ｓｉ含有皮膜中のＳｉ添加量は極少量である場合においてもＳｉが濃化したアモルファス相をＳｉ含有皮膜内に分散して形成させることが可能である。またＳｉ含有量が５０原子％を超える場合においては、皮膜の脆化が急激に進行し、このことにより過剰応力に起因した破壊が発生し易い傾向にあり、Ｓｉ含有量としては５０原子％未満が好ましい。
【００１６】
このアモルファスである高Ｓｉ濃度領域相と結晶質である低Ｓｉ濃度領域相を有するＳｉ含有皮膜とすることで切削工具として安定したＳｉ含有皮膜を成膜することが可能となる。静的な酸化機構に関しては、アモルファスからなる高Ｓｉ濃度領域相から優先的にＳｉが濃化した極めて微細なＳｉ酸化物を形成する。この微細酸化物により酸素の内向拡散に対して拡散障壁として作用し、その結果、大幅な耐酸化性の改善に寄与した。
また、同一構成元素で高Ｓｉ濃度を有するアモルファス相と低Ｓｉ濃度からなる結晶質相とすることで、Ｓｉ窒化物等の独立相を形成する場合よりも、極度に格子欠陥が少なく酸素の内部拡散に対してもすぐれた特性を示した。
更に、動的な酸化、即ち切削過程におけるの酸化挙動を解析した結果、切削途中の工具逃げ面における皮膜摩耗部に凝着物であるＦｅ付着層と摩耗した皮膜との間にＳｉが濃化した酸化膜を形成し、表面のＳｉ酸化物により酸化抑制効果と潤滑効果をも有しているものと考えられ、これらの相乗効果により高速切削特性が大幅に改善されたものと考える。
【００１７】
更にＳｉ含有皮膜の欠点であった皮膜の靭性若しくは耐チッピング性に関しても、皮膜中に含有するＳｉを濃化させアモルファス相とすることで、Ｓｉ添加そのものによる結晶構造の歪に起因した高硬度を犠牲にすることなく従来までのＳｉ含有皮膜に対して格段に改善する結果となった。
【００１８】
上記、本発明皮膜は、静的及び動的条件下において耐酸化性、硬さ及び靭性を兼ね備えた優れた特性を有するものの、単一皮膜では十分な切削性能を示さない場合がある。このような使用環境下においては、耐摩耗性及び耐酸化性等の汎用的特性に優れる皮膜と併用することが有効であるが、この皮膜として現時点で最適であると考えられる皮膜は、金属元素として少なくともＡｌとＴｉを含み、非金属元素として少なくともＮを含むＡｌＴｉＮ系膜である。これを採用することで切削特性を補完することが可能である。
【００１９】
より具体的な層構造としては、ＡｌＴｉＮ系膜と本発明皮膜を交互に、それぞれ１層以上積層することにより、高速切削に対応する被覆切削工具を得ることが可能となる。ＡｌＴｉＮ系膜は耐酸化性と耐摩耗性等の汎用的特性を有するばかりでなく、本発明皮膜との密着性が良好であり、その特性をさらに補完する。このとき、本発明皮膜は硬質皮膜の最上層に有ることが望ましいが、必ずしも最上層でなくとのその効果を十分に発揮するものである。また、母材との密着性改善を目的としたＴｉ窒化物等の引用若しくはＴｉの一部を少量の他元素による置換においても特性を補完することは可能である。
【００２０】
本発明の被覆切削工具は，その被覆方法については，特に限定されるものではないが，被覆母材への熱影響、工具の疲労強度，皮膜の密着性等を考慮した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した皮膜に圧縮応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング、若しくはスパッタリング等の被覆母材側にバイアス電圧を印加する物理蒸着法であることが望ましい。
【００２１】
本発明に係る上記、アモルファスである高Ｓｉ濃度領域相と結晶質である低Ｓｉ濃度領域相を有するＳｉ含有皮膜を基体表面に形成する方法としては、イオンプレーティング法やスパッタリング法等に代表される物理蒸着法が挙げられるが、例えばアークイオンプレーティング法による成膜においては以下による方法を用いれば良い。まず炉内を３×１０^−５Ｐａまで真空排気を行うと同じにヒーターにより基体の加熱を行う。その後Ａｒイオンによる基体の清浄化及び活性化を行った後、炉内に複数配置されたアーク放電用蒸発源であるカソードに目的とした皮膜組成が得られる各合金ターゲットを設置し、アーク放電によりイオン化させた各種金属と窒素等の反応ガス雰囲気中でイオンプレーティングすることによって得られる。この時、複数のカソードから個々に各種金属をイオン化させるが、この各カソードからの各種金属の蒸発速度と皮膜形成に関与するイオンが放出するエネルギー（以下、イオンエネルギーと言う。）の調整を、以下のように施した。
【００２２】
被覆時におけるイオンエネルギーの大小は主に基体に印加するバイアス電圧と反応ガスとの組み合わせによって決定する。ここで、基体に印加するバイアス電圧は負バイアス電圧と正バイアス電圧を周期的に変化させながら成膜を行うことが有効である。結果として、皮膜内にイオンエネルギーの周期的な変化を誘発させ、Ｓｉ濃度の異なる皮膜を同一層内に形成させるものである。この周期的なイオンエネルギーの変化が本発明において重要である。更に、蒸発速度分散させる手段は、炉内に複数設置された夫々の合金ターゲットにおいて同時に蒸発速度を分散させながら基体を回転させることが現時点では最も有効である。
【００２３】
また、基体温度によっても皮膜中のＳｉ濃度差が変化する。具体的には、７００℃以上ではアモルファスからなる高Ｓｉ濃度領域相が確認されない場合もあった。よって好ましい基体温度は５４０℃前後の高温が好ましい。バイアス電圧を高くすると基体温度も上昇する傾向があるため、基体材質の要求から温度が制限される場合は基体の冷却手段が必要となる場合がある。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、ならびに反応ガスであるＮ_２ガスを用い、被覆基体温度５４０℃とし、反応ガス圧力を５Ｐａ及び負バイアス電圧を３００Ｖ、正バイアス電圧を２０Ｖとし、その振幅は負を８０％、正を２０％に設定し、その周波数を１５ｋＨｚとした。また、基体を５ｍ^−１で回転させながら複数設置した各蒸発源の電流値の一方を３０Ａ、対向した蒸発源を３００Ａの電流を夫々印加し成膜を行った。被覆基体には外径８ｍｍの超硬合金製６枚刃スケアエンドミル及び超硬合金製ミーリングインサートを用い、全皮膜の厚みが４乃至は６μｍとなるように成膜した。また、必要に応じてＡｌＴｉＮ系皮膜との多層膜とした。
【００２５】
表１に、各試料のアモルファスからなる高Ｓｉ濃度領域相を含むＳｉ含有皮膜をＡ層とし、そのＡ層の組成及びＡ層からのＸ線回折における最強強度を示した面指数を記載した。更に、併用したＡｌＴｉＮ系膜をＢ層とした時のそのＢ層の組成を示す。なお、表１において、組成の表示は金属成分、非金属成分を夫々あわせて１００となるよう、原子比で表記したが、これは金属成分と比金属成分の原子比が１：１であることを意味するものではない。
【００２６】
【表１】

【００２７】
また、得られた被覆エンドミル及び被覆ミーリングインサートを用い切削試験を行った結果についても併記する。スケアエンドミルは切削長２００ｍ時での逃げ面摩耗幅を測定した。インサートにおいては欠損までの切削時間を示した。切削諸元を次に示す。
（超硬６枚刃スケアエンドミル切削条件）
工具：超硬６枚刃スケアエンドミル
切削方法：側面切削加工
被削材：ＳＫＤ１１（硬さＨＲＣ５２）、幅１５０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ
切り込み：軸方向８ｍｍ径方向０．２ｍｍ
切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０７ｍｍ／刃
切削油：エアーブロー
（超硬ミーリングインサート切削条件）
工具：ＥＤＥＷ１５Ｔ４ＴＮ−１５
カッター：φ６３ｍｍ
切削方法：面取り加工
被削材：ＳＫＤ６１（硬さＨＲＣ４３）、幅５０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ
切り込み：２．０ｍｍ
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：エアーブロー
【００２８】
表１より、本発明例１、２、３はＣｒにＳｉを含有させた場合の例であるが従来例に対しても優れた結果となった。また、本発明例１は、Ｘ線回折からの（２００）面の半価幅が１．４度であった。本発明例４、５、６、７、８はＴｉにＳｉを添加した場合の例であるが、いずれの切削工具においても従来例に対して切削特性に優れる。また、本発明例４は、Ｘ線回折からの（２００）面の半価幅が１．５度であった。本発明例９、１０、１１、１２はＡｌにＳｉを添加した場合の例であるが、従来例に対して切削特性に優れた。
本発明例１３、１４、１５、１６、１７、１８は３種の金属成分系の例であるが、従来例に対していずれも切削特性に優れた。本発明例１９、２０、２１、２２はＳｉを含み、更にＮｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏを用いた場合の例であるが、いずれも従来例に対して切削性能に優れた。本発明例２３、２４はＮに加えて、Ｏ若しくはＣを添加した場合の例であるが、同様な効果が得られた。
本発明例２５は（ＣｒＳｉ）ＢＮのｆｃｃ構造と（ＣｒＳｉ）２ＢＮのｈｃｐ構造の多層膜を併用した場合の例であるが、同様に従来例に比較して、優れる結果となった。また、Ｘ線回折からの（２００）面の半価幅が１．２度であった。本発明例２６、２７はＡ層の単一皮膜であるが、従来例よりも優れる結果となった。尚、本発明例の試料番号１から２６のすべての試料において、アモルファスからなる高Ｓｉ濃度領域相と結晶質からなる低Ｓｉ濃度領域相を確認した。
【００２９】
（実施例２）
従来例の被覆条件は同様にアークイオンプレーティング装置を用い、本発明例と同一の成膜前処理を行った後、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、ならびに反応ガスであるＮ_２ガスを用い、被覆基体温度４００℃とし、反応ガス圧力を５Ｐａ及び負バイアス電圧を７０Ｖにし、従来までの成膜方法を用い、表２に示す各組成の皮膜を成膜し、表１と同一切削諸元で切削評価を行った。その結果も表２に示す。
【００３０】
【表２】

【００３１】
表２に示す従来例を、表１の本発明例と対比すると、本発明例は、従来例に比して高速切削環境下においても安定した切削が可能である。特に、従来例４はＴｉＡｌＮ皮膜へＳｉ添加した場合であるが、Ｓｉ添加により耐酸化性及び皮膜硬さはＴｉＡｌＮよりも改善されるものの、圧縮応力が大きく２μｍの膜厚が限界であり、ＴｉＡｌＮの切削特性を大幅するには至らなかった。また、Ｘ線回折からの（２００）面の半価幅が０．４度であった。従来例５、６は、従来の成膜方法により成膜した為、皮膜内にＳｉ量の偏析及びアモルファス相が認められずＳｉの脆い特徴が顕著に表れ、切削初期より皮膜剥離が発生した。また、従来例の５はＸ線回折からの（２００）面の半価幅が０．７度であった。従来例７は、Ｓｉを含有しない多元系皮膜の例であるが、耐酸化性が極めて悪く、高速切削等過酷な切削環境下においては十分な切削特性は得られなかった。また、Ｘ線回折からの（２００）面の半価幅が０．５度であった。従来例８においても本発明例に対し著しく劣る結果となった。
【００３２】
（実施例３）
アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、並びに反応ガスである窒素ガス、酸素ガス、メタンガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、ＴｉＡｌＮ系皮膜においては、被覆基体温度４００℃、反応ガス圧力１．０Ｐａ、基体印加バイアス電圧１５０Ｖの条件下にて、被覆基体であるミーリング用超硬合金インサートに表３に示す各皮膜を被覆した工具を作成した。本発明例におけるＴｉ系硬質層の被覆条件は同一温度において、バイアス電位：３００Ｖ、反応ガス圧力：０．５Ｐａとし、ＢＮ結合を有する相を介在させた。硼素はＴｉターゲットに必要量添加することにより皮膜に含有させた。インサートに使用した超硬合金はＪＩＳ−Ｐ４０グレード相当の超硬合金である。尚、本発明例１２はバイアス電位：１００Ｖ、反応ガス圧力：０．５Ｐａと、イオンエネルギーを落とし、ナノ結晶が確認されない場合の事例である。比較例は、ＴｉＡｌ系以外の皮膜も同一条件で被覆した。
【００３３】
【表３】

【００３４】
図１はＴｉＢターゲットを用い反応ガスとして窒素を５００ＳＣＣＭ、酸素を２０ＳＣＣＭ使用しＴｉＢＯＮ皮膜をアークイオンプレーティング法により被覆した時の皮膜のＥＳＣＡ（Electoron Spectroscopy for Chemical Analysis）解析結果である。硼素含有量は４原子％と２５原子％である。図８、図９ではＴｉと酸素との結合エネルギー回折ピークが確認される。図１０ではＢとＮとの結合エネルギー回折ピークが確認される。図８はＴｉと酸素の結合が、ＴｉＯを形成している例であり、図９はＴｉＯ_２を形成している例である。ＢとＮの結合においては、相を形成する場合、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察結果によれば数ナノから数十ナノの大きさを有するナノ結晶であり、結晶形態は種々のものが存在する。ＴｉＮ層の大幅な硬度上昇はこのナノ結晶が格子歪を発生させることに起因するものであり、耐クレーター摩耗性はＴｉＮに比べ著しく改善される結果となったで。これはＢＮ結合自体が優れた潤滑性を付与していることに起因すると考えられる。また硼素添加においては被覆条件においてイオンエネルギーが小さい場合にはナノＢＮ相の出現は認められなかった。従って、ナノ結晶を介在させ、高硬度化を達成するためには、被覆条件の最適化も重要であるといえる。
【００３５】
得られた硬質皮膜被覆インサートを用い切削試験を行った。工具寿命は本切削条件下ではクレーター摩耗が支配するため、クレーター摩耗により工具が切削不能となった時の切削長とした。切削諸元を次に示す。１刃当たりの送りが１ｍｍを越えるようなフライス加工では切削温度が局部的に上昇し、クレーター摩耗が発生する傾向にある。インサートの切削条件は、工具形状ＲＤＭＷ１６０４ＭＯＴＮである丸コマインサートを用いたミーリング加工で、巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの面取り加工、被削材ＳＫＤ６１（ＨＲＣ４５）、切り込み１．０ｍｍ、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り１．５ｍｍ／刃、乾式切削とした。欠損に至る切削時間を表１に併記する。尚表に記載の膜厚はすくい面の膜厚を示す。
【００３６】
表３より、本発明例１〜１６は著しい寿命改善が認められる。本発明例は、比較例が全てクレーター摩耗により短寿命であったことより、耐クレーター摩耗性の改善によるところが大きい。酸素と硼素を添加された本発明例１〜４はいずれもクレーター摩耗からの寿命が約１００分以上であるのに対し、一般的なＴｉＮ皮膜である比較例１７は１７分で寿命となる。また、本発明例５は炭素を添加した例であるが、更に幾分の改善が認められる。本発明例１２は被覆条件によりナノＢＮ相が介在しない場合の例であるが、ナノ結晶が介在する本発明例２に対し若干は寿命が劣るものの、長寿命であることが確認された。比較例２０は酸素を添加しない場合のＴｉＢＮの例であるが、本切削条件下では酸化により極めて低寿命であった。この理由は、硼素の添加と被覆条件の最適化により、ＴｉＮの耐クレーター摩耗性を著しく改善できた。調査した結果、ＴｉＮ皮膜内部に硼素と窒素の結合エネルギーが確認され、ＢとＮの結合エネルギーを有する相の潤滑効果により切削温度が２〜４割低減される事実を確認した。また、ＴｉＮの鋼に対する摩擦係数が硼素の添加により０．８から０．４に激減していることも確認された。更に、被覆条件によって、ＴｉＮ皮膜の硬度が硼素添加によりビッカース硬度で２２００から２８００に上昇していることも確認された。これは硼素の窒化物が微細に分散されることによるものである。すなわち、セラミック系の硬質皮膜を分散強化せしめると同時に分散相のもつ潤滑性をも硬質皮膜に付与することが可能であるという驚くべき事実を発見した。硼素を添加したといえども、切削条件によっては、切削温度が極めて上昇する場合があり、このような場合、皮膜に酸化による摩滅が発生する結果となる。従って、更に皮膜の耐酸化性を向上する必要があり、酸素を添加することにより、結晶粒界が緻密になり、結晶粒界の欠陥が減少するため、耐酸化性が改善されることが確認された。これは硬質皮膜の酸化は主に皮膜の結晶粒界を酸素が拡散浸透することにより進行するため、結晶粒界が緻密化することにより、酸素の拡散が抑制され、結果、耐酸化性が向上するものと考えられる。
【００３７】
本発明例６〜１１はＴｉＡｌＮ系化合物皮膜との複合例であるが、いずれにおいても皮膜間に剥離はなく、長寿命が確認された。このように、耐酸化性を高めるためには、耐クレーター摩耗性はあまり良くないが耐酸化性には極めて優れるＴｉとＡｌ系硬質皮膜と硼素と酸素が添加されたＴｉの窒化物皮膜とを複層化することにより、相乗効果が発揮される結果となるため、このような複層化をすることも、極めて切削温度が上昇するような切削環境下では、より好ましいといえる。また、本発明例１５、１６はＴｉＡｌＮ系以外の一般的硬質皮膜との積層例であるが、極めて長寿命であることが確認された。更なる高速切削や乾式切削においては、皮膜はクレーター摩耗による摩滅だけではなく、酸化による摩滅や皮膜の高温硬度の劣化に起因する、こすり摩耗が発生し、十分に満足する結果を得ることが困難になる。そのため、Ｔｉの一部をＷ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉに置き換えることにより、これらの元素がＴｉ原子と置換し、皮膜全体を固溶強化し、高温硬度を改善できることを見出した。Ｔｉ以外の金属成分はその置換量が０．１原子％以下では何ら明確な効果が確認されず、４０原子％以上置換するとＴｉＮの有する強靭性を劣化させる。また、硼素に関してはその添加量が０．１原子％以下では潤滑性を改善させるに至らず、３０原子％を超えて含有させるとＴｉＮの有する強靭性を劣化させる。さらに、硼素と酸素を含有するＴｉＮ皮膜に炭素を添加することにより、炭素の有する潤滑性が付与され、より好ましい結果となる。比較例１８、１９はその他潤滑皮膜と硬質皮膜の積層例であるが、皮膜界面に剥離が発生し、何ら効果が確認されなかった。
【００３８】
また、硼素と酸素を含有するＴｉＮ皮膜とＴｉとＡｌ系皮膜と積層する場合、双方の皮膜はともに同じ結晶形態を有するため、層間の密着性は極めて強固である。多層の構造に関しては、皮膜表面側に潤滑性の優れる皮膜を被覆する方がより好ましく、母材側に耐酸化性皮膜、表面側にＴｉＢＮＯを被覆することが望ましいが必ずしも限定されるものではない。また層数そのものも特に限定されるものではない。
【００３９】
（実施例４）
実施例３の方法に基づき、表３記載の本発明例及び比較例の皮膜を旋削用サーメットインサート（チップ形状：ＴＮＧＧ１１０３０２Ｒ）に被覆し、旋削加工を実施した。用いたサーメット合金の組成は重量％で６０ＴｉＣＮ−１０ＷＣ−１０ＴａＣ−５Ｍｏ２Ｃ―５Ｎｉ−１０Ｃｏである。切削条件は、被削材としてＳ５３Ｃを用い、切削速度２２０ｍ／分、切り込み１ｍｍ、送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、水溶性切削油を用いた。いずれもクレーター摩耗の進行から発熱が大きくなり、逃げ面摩耗が増大する傾向にあるので、逃げ面摩耗値が０．１ｍｍになった時点を寿命と判定した。寿命までの切削時間を表４に記載する。
【００４０】
【表４】

【００４１】
表４より、酸素と硼素を添加された本発明例１〜４は、いずれもクレーター摩耗からの長寿命であるのに対し、比較例１７は１２分で寿命となった。また、寿命は皮膜の厚さに強く依存する傾向にあった。本発明例５は炭素を添加した例であるが、更に幾分の改善が認められる。比較例２０は酸素を添加しない場合のＴｉＢＮの例であるが、本切削条件下では酸化により極めて短寿命であった。本発明例６〜１１はＴｉＡｌＮ系皮膜との複合例であるが、いずれにおいても実施例１と同様に旋削加工においても皮膜間に剥離はなく、長寿命が確認された。比較例１８、１９はその他潤滑皮膜と硬質皮膜の積層例であるが、皮膜界面に剥離が発生し、何ら効果が確認されなかった。
【００４２】
（実施例５）
ＴｉＡｌ金属ターゲットのＡｌの一部を他成分で置換したターゲットを用い実施例１と同一条件にて本発明例を作成した。実施例１と同一切削評価を実施し、その結果を表５に併記する。
【００４３】
【表５】

【００４４】
表３の結果から明らかなように、ＴｉＡｌ系硬質皮膜に第３の成分を添加することにより、より一層の寿命向上が可能である。これは第３成分の添加によりＴｉＡｌＮ系皮膜が更に固溶強化されたり、耐酸化性が向上することに起因するものである。
【００４５】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、ＴｉにＳｉを添加し、耐酸化性、高硬度化をはかることができ耐摩耗性を向上させ、更に、その特性を生かした高速切削加工にも優れた性能を発揮させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例のＴｉとＳｉとにより構成されるＳｉ含有皮膜の透過型電子顕微鏡による格子像の観察結果を示す。
【図２】図２は、図１の高Ｓｉ濃度領域相の極微電子線回折像撮影による結晶構造の解析結果を示す。
【図３】図３は、図１の低Ｓｉ濃度領域相の極微電子線回折像撮影による結晶構造の解析結果を示す。
【図４】図４は、図１のアモルファス相のエネルギー分散型分析による定量分析結果を示す。
【図５】図５は、図１の結晶質相のエネルギー分散型分析による定量分析結果を示す。
【図６】図６は、本発明例、従来例により、Ｓｉを含有させた皮膜のＸ線回折パターンを示す。
【図７】図７は、図６に示す本発明例の（２００）面におけるＸ線回折パターンの拡大図及び半価幅の測定事例を示す。
【図８】図８は、本発明例の皮膜のＥＳＣＡ解析結果で、Ｔｉと酸素との結合エネルギー回折ピークを示し、ＴｉＯを形成している例を示す。
【図９】図９は、本発明例の皮膜のＥＳＣＡ解析結果で、Ｔｉと酸素との結合エネルギー回折ピークを示し、ＴｉＯ_２を形成している例を示す。
【図１０】図１０は、本発明例の皮膜のＥＳＣＡ解析結果で、ＢとＮとの結合エネルギー回折ピークを示す。

Claims

切削工具基体に、Ｓｉと、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含み、非金属元素として少なくともＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有皮膜を少なくとも１層以上被覆してなる被覆切削工具において、該Ｓｉ含有皮膜は、該Ｓｉがアモルファスである高濃度領域相と、該Ｓｉが結晶質である低濃度領域相を有し、該Ｓｉ含有皮膜は、Ｘ線回折における回折強度が（２００）面で最大ピークを示し、その（２００）面の回折線が２θの半価幅で１．０度以上であることを特徴とする被覆切削工具。
請求項１記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ含有皮膜のＳｉ含有量は金属元素成分のみの原子％で、５０％未満であることを特徴とする被覆切削工具。
請求項２記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ含有皮膜のＳｉの一部をＹで置換したことを特徴とする被覆切削工具。
請求項２記載の被覆切削工具において、該被覆切削工具は、該Ｓｉ含有皮膜と、他の層として金属元素として少なくともＡｌとＴｉを含み、非金属元素として少なくともＮを含むＡｌＴｉＮ系膜であることを特徴とする被覆切削工具。