JP4405835B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップなどの切削工具に関し、特にその表面に耐摩耗性被膜を形成した切削工具に関する。

表面被覆切削工具としては、たとえば、耐摩耗性および表面保護機能改善のため、ＷＣ基超硬合金、サーメットまたは高速度鋼などの硬質基材の表面に、硬質被覆層として、（Ａｌ_xＴｉ_1-x-yＳｉ_y）（Ｃ_zＮ_1-ｚ）(ただし、０．０５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、０．６≦z≦１）のようなＡｌＴｉＳｉ系の被膜が形成された切削工具が知られている（特許文献１参照）。

しかし、最近の切削工具の動向として、地球環境保全の観点から、切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、被削材が多様化していること、加工能率を一層向上させるため切削速度がより高速になってきていることなどから、工具の刃先温度はますます高温になる傾向があり、その結果、工具寿命が短くなるので、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。

乾式の高速切削加工において良好な性能を示す切削工具としては、たとえば、Ｓｉを適量含有したＴｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物と、ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物を、ＴｉＳｉ系窒化物などの微細組織構造が、Ｔｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物もしくは酸炭窒化物中に、Ｓｉ₃Ｎ₄およびＳｉが独立相として存在するように、それぞれ一層以上交互に被覆し、Ｔｉを主体とする窒化物層を基材表面直上に形成した切削工具が提案されている（特許文献２参照）。 特許文献２によれば、従来のＴｉＡｌＮ膜では、切削加工時の表面酸化で形成されるアルミナ層は、酸素の内向拡散に対し酸化保護膜として機能するものの、動的な切削加工においては、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなＴｉ酸化物層より容易に剥離してしまい酸化の進行に対して十分でないが、ＴｉＳｉ系被膜は膜自体の耐酸化性が極めて高いだけではなく、最表面にＳｉを含む非常に緻密なＴｉとＳｉの複合酸化物が形成される。したがって、従来問題となっていたポーラスなＴｉ酸化物層が形成されないので、性能が向上するとある。さらに、ＴｉＡｌ系被膜の直上にＴｉＳｉ系被膜を形成することが重要であるとしている。

また、ＴｉＡｌＮ膜よりも耐摩耗性に優れた被膜として、(Ａｌ_b，[Ｃｒ_1-αＶ_α]_c)(Ｃ_1-dＮ_d)からなる被膜または、(Ｍ_a，Ａｌ_b，[Ｃｒ_1-αＶ_α]_c)(Ｃ_1-dＮ_d)（ただし、ＭはＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａまたはＭｏ）からなる被膜が知られている（特許文献３参照）。これらは、金属成分のうち、Ａｌを多く含有させ、ＣｒおよびＶを添加することで、常温常圧で準安定相である立方晶のＡｌＮを形成し、硬度と耐酸化特性を向上させている。

しかし、切削過程において、高速加工、高能率加工または完全に潤滑油剤を使用しないドライ加工を行うためには、上述の高温下での被膜の安定性および高硬度特性のみでは不十分である。すなわち、いかに特性の優れる膜を、剥離や欠損を発生させずに、密着性よく長時間にわたって基材表面に維持させるかが重要である。

図１（ａ）に、切削工具の刃先の典型的な構造を模式的に示す。図１（ａ）に示すように、刃先は、すくい面１と逃げ面２によって構成され、多くの場合、刃先のくさび角θは鋭角または直角である。図１（ａ）には、くさび角θが鋭角である例を示す。表面被覆切削工具の場合、刃先の基材３に被膜４を形成すると、図１（ａ）に示されるように、すくい面膜厚ａと逃げ面膜厚ｂに比べ、刃先先端部の膜厚ｃが最も厚くなる。

つぎに、刃先の理想的な摩耗の進行を、図１（ｂ）〜（ｄ）に示す。工具としての理想的な摩耗は、図１（ｂ）に示すように、まず刃先先端部の被膜が除々に摩耗し、やがて図１（ｃ）のように基材３に達する。その後、さらに摩耗が進行し、図１（ｄ）に示すように、ついには被膜４と基材３が共に露出する。

しかし、発明者らが詳細に工具摩耗部を調査した結果、刃先先端の実際の摩耗は、上述のように理想的には進行せず、図１（ｅ）に示すように、切削開始初期に欠損が生じ、刃先先端部分が既に基材まで無くなっており、基材３が完全に露出していることがわかった。また、欠損により露出した部分の基材は既に酸化しており、上記参考文献のようにいくら膜の耐酸化性および耐摩耗性を高めても、切削初期に基材が露出してしまっては、工具寿命を著しく向上させることは難しいと考えられる。
特許第２７９３７７３号公報 特許第３３４７６８７号公報 特開２００３−３４８５９号公報

本発明の課題は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、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の向上した表面被覆切削工具を提供することにある。

高速加工またはドライ加工といった過酷な条件での切削工具においては、被膜の耐酸化性を向上させることはもちろんであるが、切削初期に起こる刃先の欠損やチッピング、すなわち基材の露出をいかに抑制させるかが非常に重要である。

本発明者らは、被膜の耐欠損性（耐チッピング性）を向上させることを目的として、各種被膜および積層体の構成を検討した結果、工具最表面に役割の異なる２層の被膜が形成されていると、切削性能が向上するという知見を得るに至った。すなわち、弾性回復率の高い最表面層を形成した工具では、図１（ｆ）に示すように、切削初期に刃先が欠損することなく、被膜が摩耗し、内層の耐摩耗性被膜５の欠損を抑制することができるので、長寿命化を図ることができた。そこで、本発明者らは、被膜の耐欠損性（耐チッピング性）を向上させることにより、切削性能が向上するという知見に基づき、さらに鋭意研究を重ねた結果、ついに本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材表面の直上に耐摩耗性被膜が被覆され、耐摩耗性被膜の直上に耐酸化性被膜が被覆された工具であって、
耐摩耗性被膜が、Ｔｉと、ＡｌまたはＳｉのいずれか１種類以上の元素と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなり、
耐酸化性被膜が、Ａｌと、ＣｒまたはＶまたはＳｉのいずれか１種類以上の元素と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなることを特徴とする。

耐摩耗性被膜は、（Ｔｉ_1-x-yＡｌ_xＳｉ_y）（ただし、０≦ｘ≦０．７、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≠０）と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなる態様が好ましい。また、耐摩耗性被膜は、Ｔｉと、Ｓｉと、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなる態様がより好ましい。一方、耐酸化性被膜は、（Ａｌ_1-a-b-cＣｒ_aＶ_bＳｉ_c）（ただし、０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．４、０≦ｃ≦０．２、ａ＋ｂ＋ｃ≠０）と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなる工具が好ましく、耐酸化性被膜は、（Ａｌ_1-a-b-cＣｒ_aＶ_bＳｉ_c）（ただし、０≦ａ≦０．４、０＜ｂ≦０．４、０≦ｃ≦０．２、ａ＋ｂ＋ｃ≠０）と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなるものがより好ましい。また、耐摩耗性被膜および耐酸化性被膜のうち少なくとも一方は、Ｂを１０原子％以下含む態様が好ましい。

耐酸化性被膜は、その膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるような押し込み荷重を負荷したときのナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘとし、荷重除荷後の押し込み深さをｈｆとした場合、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが、０．２以上０．７以下であるものが好ましい。このナノインデンテーション法による硬さ試験において、硬さが、２０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下である工具がより好ましい。

耐摩耗性被膜および耐酸化性被膜の膜厚の合計は、０．８μｍ以上１５μｍ以下が好ましく、耐摩耗性被膜の膜厚は、２μｍを超え１０μｍ以下が好ましい。また、耐摩耗性被膜の圧縮残留応力は、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下が好適であり、耐酸化性被膜の結晶構造は、立方晶である態様が好ましい。

本発明の表面被覆切削工具の基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンからなる混合体のいずれかが好適である。また、本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、またはタップとして有用である。

耐摩耗性被膜は、物理的蒸着法により形成されたものが好ましく、物理的蒸着法としては、アーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法が好適である。

本発明によれば、耐摩耗性に優れ、寿命の長い表面被覆切削工具を提供することができる。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材表面の直上に耐摩耗性被膜を形成し、この耐摩耗性被膜の直上に耐酸化性被膜を有することを特徴とする。切削工具の基材表面に、耐摩耗性被膜を形成するとともに、その上に弾性回復率の高い最表面層を形成することにより、切削初期における欠損を抑制し、切削性能の向上と長寿命化を図ることができる。

本発明の表面被覆切削工具は、特に、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップなどの切削工具として好適である。

＜基材＞
表面被覆切削工具に用いられる基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス（炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンからなる混合体のいずれかであることが好ましい。

＜被膜＞
基材の表面に直接形成する耐摩耗性被膜は、Ｔｉと、ＡｌまたはＳｉのいずれか１種類以上の元素と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素とにより構成される化合物からなる。また、耐摩耗性被膜の直上に形成される耐酸化性被膜は、Ａｌと、ＣｒまたはＶまたはＳｉのいずれか１種類以上の元素と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とする。

さらに好ましくは、基材表面に直接被覆される耐摩耗性被膜は、（Ｔｉ_1-x-yＡｌ_xＳｉ_y）（ここで、０≦ｘ≦０．７、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≠０）と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素とにより構成される化合物からなる。種々の検討の結果、Ｔｉを含む膜は、基材との密着力が向上することから、基材に直接被覆する被膜の構成元素としてＴｉは必要である。

Ａｌを含有することで、耐酸化特性が向上することから、Ａｌ量ｘを０≦ｘ≦０．７と規定する。被膜中にＡｌが存在すると、被膜の耐酸化性が向上する点で好ましいが、ｘが０．７を超えると、被膜の硬度が低下するので逆に摩耗は促進される。

Ｓｉを含有することで、被膜硬度が向上するので、Ｓｉ量ｙを０≦ｙ≦０．２と規定する。被膜中にＳｉが存在すると、被膜の硬度が向上するので好ましいが、ｙが０．２を超えると、被膜が脆くなり、逆に摩耗は促進される。また、合金ターゲットを熱間静水圧加圧処理で作製する場合、Ｓｉ量ｙが０．２を超えて含有させると、ターゲットが焼成中に割れてしまい、コーティングに使用可能な材料強度が得られない。さらに好ましくは、被膜中のＳｉ量ｙは０．０５≦ｙ≦０．１５である。また、ＡｌとＳｉのうち、Ａｌを含まず、ＴｉＳｉと、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなる耐摩耗性被膜は、表面が酸化した場合、緻密な酸化物が形成される点および基材との密着性が向上する点で、特に好ましい。

耐摩耗性被膜の上には、Ａｌと、ＣｒまたはＶまたはＳｉのいずれか１種類以上の元素と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなる耐酸化性被膜が被覆される。さらに好ましくは、耐酸化性被膜は、（Ａｌ_1-a-b-cＣｒ_aＶ_bＳｉ_c）（ただし、０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．４、０≦ｃ≦０．２、ａ＋ｂ＋ｃ≠０）と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなる。

金属成分として、Ｔｉを含まず、Ａｌを主成分とすることが特徴である。Ａｌを含有することで、耐酸化特性が向上するとともに、熱伝導率が高くなり、切削加工時の発熱を工具表面から逃がすことができる。また、Ａｌを含有させることにより、表面での潤滑性能に起因すると考えられるが、耐溶着性能が向上するので、切削抵抗も減少し、切りくず排出性も向上する。

Ｓｉを除く、ＣｒとＶの含有量は、（Ａｌ_1-a-bＣｒ_aＶ_b）（ただし、０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．４、０≠ａ＋ｂ≦０．４）と規定する。ａおよびｂを、０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．４（ただし０≠ａ＋ｂ≦０．４）と規定しているのは、ａおよびｂが０．４を超えると、被膜の硬度が低下し、耐摩耗性が低下するためである。さらに好ましくは、０≦ａ≦０．４、０＜ｂ≦０．４、ａ＋ｂ≦０．４であり、特に、０．３＜ａ＋ｂ＜０．４が好ましい。

膜中にＶがあると、切削時の高温環境で被膜表面が酸化される際、Ｖの酸化物は低融点であるので、切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑える効果が期待できる。一方、Ｃｒは、表面に緻密な酸化物層を形成し、酸化保護膜として機能するために含有させるのが好ましいが、Ｖと異なり、表面の潤滑性を維持するためＣｒを含有させずに構成することもできる。

ＣｒとＶを添加することにより、常温常圧で準安定相である立方晶のＡｌ化合物が形成できる。たとえば、窒化物であるＡｌＮを例にとると、通常は六方晶であるが、準安定相である立方晶となった場合の推定格子定数は４．１２Åである。これに対して、常温常圧で立方晶が安定相であるＣｒＮおよびＶＮの格子定数は４．１４Åであり、非常に立方晶のＡｌＮと近い。したがって、その引き込み効果によりＡｌＮは立方晶化して、高硬度化する。このため、耐酸化性被膜の結晶構造は、立方晶である態様が好ましい。

耐酸化性被膜は、Ｓｉを含有することで、被膜硬度が向上するので、Ｓｉ量ｃを０≦ｃ≦０．２と規定する。被膜中にＳｉが存在すると、被膜の組織が２００〜５００ｎｍの柱状から、１００ｎｍ以下の針状へ微細化するととともに、被膜の硬度が向上するので好ましい。しかし、ｃが０．２を超えると、被膜が脆くなり、逆に摩耗は促進される。また、成膜に用いる合金ターゲットを熱間静水圧加圧処理で作製する場合、Ｓｉ量ｃを０．２を超えて含有させると、ターゲットが焼成中に割れてしまい、コーティングに使用可能な材料強度が得られない。さらに好ましくは、被膜中のＳｉ量ｃは、０．０５以上０．１５以下である態様が好ましい。

耐摩耗性被膜および耐酸化性被膜のうち少なくとも一方は、Ｂを１０原子％以下含んでいる態様が好ましい。Ｂが被膜中に含まれると、メカニズムはわかっていないが、さらに高硬度な被膜が得られる。また、切削中の表面酸化によって形成されるＢの酸化物が、特にＡｌの酸化物を緻密化することからも好ましい。さらに、Ｂの酸化物は低融点であるので、切削時の潤滑剤として作用し、Ｔｉ合金の凝着を抑える効果も奏する。しかし、Ｂの含有量が多くなりすぎると、Ｓｉの場合と同様に、ターゲット作製が困難となる。したがって、Ｂの含有量は、１０原子％以下が好ましく、０．１原子％以上、５原子％以下がより好ましい。

＜ナノインデンテーション法を利用した数値限定＞
耐酸化性被膜に対し、その膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷したときのナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さｈｍａｘとし、荷重除荷後の押し込み深さ（圧痕深さ）をｈｆとした場合、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが、０．２以上０．７以下である態様が好ましい。

ここで、まず、ナノインデンテーション法について説明する。ナノインデンテーション法は、文献「トライボロジスト、２００２年、第４７巻、第３号、ｐ．１７７−１８３」に詳しく説明されているように、硬さの試験方法の一種である。ナノインデンテーション法は、従来のヌープ硬度測定法（マイクロヌープ法）またはビッカース硬度測定法（マイクロビッカース法）といった押し込み後の圧痕形状から硬度を求める手法と異なり、圧子の押し込み時の荷重と深さの関係から、硬度またはヤング率を求める方法である。

これらの試験方法の比較を表１に示す。従来のヌープ硬度測定法またはビッカース硬度測定法では、押し込み荷重Ｆが５０ｍＮ〜１０Ｎと大きかったことから、押し込み深さｈが１００ｎｍ以上となるため、被膜のみの物性評価ではなく、下地基材の影響を受けていた。なお、本明細書における押し込み深さｈとは、表１に示すように、荷重をかけて圧子を押し込んだ場合の圧子の先端部分から被膜の表面（圧子により荷重がかけられていない表面部分）までの距離をいう。

上記文献でも指摘されているように、被膜だけの硬度評価を行なうためには、膜厚の約１／１０以下の押し込み深さでの測定が必要である。たとえば、１μｍの被膜を対象とした場合、押し込み深さは１００ｎｍ以下としなければならない。また、従来法では、圧痕の大きさを光学顕微鏡での観察により測定するため、圧痕形状を判別するときの測定精度に難点がある。これに対して、ナノインデンテーション法では、機械的に深さを求めるので、正確な測定が可能である。したがって、本明細書においては、膜圧の１／１０以下の押し込み深さになるような押し込み荷重を負荷したときのナノインデンテーション法による硬さ試験を採用する。

また、上記の条件下でのナノインデンテーション法による硬さ試験において、圧子を被膜表面に押し込んだ時の荷重と押し込み深さとの関係を概念的に図２に示す。この方法では、圧子駆動部に変位計を設置し、圧子の押し込み深さｈを連続的に測定しながら、荷重を最大荷重Ｐｍａｘまで除々に増加させ、最大押し込み荷重Ｐｍａｘとなったときの押し込み深さｈを、最大押し込み深さｈｍａｘとして測定する。その後、荷重ゼロまで除荷させた時の押し込み深さを、荷重除荷後の押し込み深さｈｆとして測定する。

従来法であるマイクロヌープ法またはマイクロビッカース法では、図２のｈｆ、すなわち荷重除荷後の圧痕形状を測定していた。しかし、かかる方法では上記のとおり測定精度に難点がある。これに対して、ナノインデンテーション法では、最大押し込み深さをｈｍａｘと荷重除荷後の押し込み深さｈｆを測定することにより、（ｈｍａｘ−ｈｆ）から被膜の弾性回復量がわかる。弾性回復量が大きいければ、弾性変形しやすく、小さければ弾性変形しにくい。

本発明では、弾性回復量を表す指標として弾性回復率、すなわち（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘに注目した。実際の合金の切削で、工具寿命の延長を図るには刃先、特に被膜のチッピング性や欠損性を向上させることが重要である。この点、上記の弾性回復量（ｈｍａｘ−ｈｆ）の大きい材料を見いだすことができれば、切削時に刃先にかかる負荷に対して、被膜材料の変形が追随するため、特に切削初期に発生するチッピングや欠損を抑制することが可能となる。

図１（ｆ）に示すように、本発明の表面被覆切削工具では、最上層の耐酸化性被膜６の耐チッピング性が優れることから、基材３と密着して被覆される耐摩耗性被膜５のチッピングが抑えられる。したがって、上述の特許文献１および特許文献３におけるような１層に近い被膜と比較して、耐チッピング性は著しく向上する。本発明のかかる効果を得るためには、このような被膜の構成順序が非常に重要である。

具体的な測定としては、膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷したときのナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘとし、荷重除荷後の押し込み深さ（圧痕深さ）をｈｆとし、これらを測定して、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘを求める。

本発明の耐酸化性被膜は、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２以上０．７以下となる態様が好ましい。（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２未満であると、切削時の衝撃で刃先のチッピングが発生しやすくなる。一方、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．７を超えると、被膜の硬度が低下する。

耐酸化性被膜は、膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷したときのナノインデンテーション法による硬さ試験において、硬さが２０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下である態様が好ましい。硬さが２０ＧＰａ未満では、硬度が低く、耐摩耗性が問題となる。一方、硬度は高い方が好ましいが、硬度が５０ＧＰａを超えると、被膜に蓄積する残留圧縮応力が高くなり、切削前に刃先稜線部における膜の剥離が発生しやすくなる。

耐摩耗性被膜および耐酸化性被膜の膜厚の合計は、０．８μｍ以上１５μｍ以下が好ましい。膜厚が０．８μｍ未満では、耐摩耗性の向上が十分ではなく、膜厚が１５μｍを越えると、被膜中の残留応力が大きくなり、基材との密着強度が低下しやすい。さらに、耐摩耗性の観点から、耐摩耗性被膜の膜厚は、２μｍを超える態様が好ましく、３μｍ以上がより好ましい。また、耐摩耗性被膜の膜厚は、耐欠損性の観点から、１０μｍ以下が好ましく、６μｍ以下がより好ましい。本明細書においては、膜厚は、表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察し、測定する。

耐摩耗性被膜の圧縮残留応力は、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下が好ましい。圧縮残留応力が０ＧＰａを超えると、被膜に引張応力が残留し、被膜に亀裂が入りやすくなるとともにチッピング性および欠損性が低下しやすい。また、圧縮残留応力が−６ＧＰａ未満となると、被膜中の残留応力が大きくなり、基材との密着強度が低下しやすい。

耐摩耗性被膜を基材表面に形成する方法は、結晶性の高い化合物からなる膜を形成することができるプロセスとすることが望ましい。種々の成膜方法を検討した結果、本発明の表面被覆切削工具の製造には、物理的蒸着法が好適である。

物理的蒸着法としては、アーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法が特に好ましい。マグネトロンスパッタリング法には、バランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法などが好適である。とりわけ、原料元素のイオン率が高い点で、カソードアークイオンプレーティング法が適している。

カソードアークイオンプレーティング法を用いると、耐摩耗性被膜を形成する前に、基材表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜の密着性が格段に向上する。したがって、被膜の密着性という意味からも、カソードアークイオンプレーティング法が好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、低硬度ではあるが、結晶構造が六方晶系である最表面層をさらに形成すると好ましい。かかる最表面層は、Ａｌと、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素により構成される化合物からなるものが好適である。高硬度被膜の上に低硬度被膜を形成することにより、よりチッピング性や欠損性が向上する。

実施例１〜１９
本発明の表面被覆切削工具について、実施例を挙げて具体的に説明する。実施例中の被覆の化合物組成は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）によって確認し、硬度および弾性回復率は、ナノインデンタ（ＭＴＳ社製 Ｎａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ ＸＰ）により確認した。表面被膜は、カソードアークイオンプレーティング法により形成しているが、バランスドまたはアンバランスドスパッタリング法によっても成膜することは可能である。

＜表面被覆切削工具の作成＞
まず、表面被覆切削工具の基材として、グレードがＪＩＳ規格Ｐ３０の超硬合金であって、切削チップとしての形状が、ＪＩＳ規格のＳＰＧＮ１２０３０８のものを用意し、カソードアークイオンプレーティング装置に装着した。

つぎに、真空ポンプにより装置のチャンバ内を減圧するとともに、装置内に設置されたヒータにより基材を温度６５０℃に加熱し、チャンバ内の圧力が１．０×１０^-4Ｐａとなるまで真空引きを行った。つぎに、アルゴンガスを導入してチャンバ内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行った。その後、アルゴンガスを排気した。

ついで、耐摩耗性被膜の化合物組成として、表２に示す化合物となるように、金属蒸発源である合金製ターゲットをセットした。反応ガスは、窒素、メタン、酸素または一酸化炭素のうちいずれか１種以上のガスを導入しながら、基材温度６５０℃、反応ガス圧２．０Ｐａ、基板バイアス電圧を−６０Ｖに維持したまま、カソード電極に１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させて、被膜を形成した。耐摩耗性被膜が、表２に記載した所定の膜厚となったとき、蒸発源に供給する電流をストップさせた。

引き続き、耐摩耗性被膜の直上に、表２に示す耐酸化性被膜を形成した。被膜成分の金属蒸発源である合金製ターゲットをセットし、反応ガスとして窒素、メタン、酸素または一酸化炭素のうちいずれか１種以上のガスを導入しながら、基板温度６５０℃、反応ガス圧２．０Ｐａ、基板バイアス電圧を−２００Ｖに維持したまま、カソード電極に１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させて、被膜を形成した。耐酸化性被膜が、表２に示す所定の膜厚となったとき、蒸発源に供給する電流をストップさせた。

通常はこのまま除冷するが、本実施例では、耐酸化性被膜の形成終了と同時に、Ｈｅガスを導入し、チャンバ内に充満させて基材の急冷を行なった。このようにして、実施例１〜１９の本発明にかかる表面被覆切削工具を得た。基材表面の被膜形成終了後、急冷することにより、詳細なメカニズムは解明されていないが、被膜中の結晶粒が微細化され、柱状組織から針状組織になり、弾性回復量が大きくなった。

得られた表面被覆切削工具の被膜について、耐摩耗性被膜と耐酸化性被膜との膜厚の合計（全膜厚）、硬度、弾性回復率（（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘ）、残留応力および結晶性について評価した。その結果を表３に示す。

＜表面被覆切削工具の寿命評価＞
実際に、表４に示す条件による乾式の連続旋削試験および断続旋削試験を行ない、刃先の逃げ面における摩耗量（ｍｍ）を測定した。その結果を表３に示す。

比較例１と２
従来品に該当する表面被覆切削工具を、急冷しなかった点および耐酸化性被膜を形成しなかった点を除き、実施例１〜１９と同様に作製し、同様に評価した。作製条件を表２に示す。また、評価の結果を表３に示す。

表３の結果から明らかなとおり、耐摩耗性被膜の上に耐酸化性被膜を形成しなかった比較例１と２の切削工具では、切削試験の結果、刃先に欠損の生じたものが多かった。これに対して、耐酸化性被膜を形成した実施例１〜１９の切削工具では、刃先の欠損が生じたものはなく、逃げ面における摩耗量が格段に小さく、切削工具の寿命が大きく向上したことが確認された。

実施例２０〜２２
外径８ｍｍのドリル（ＪＩＳ Ｋ１０超硬合金）を基材とした以外は、実施例１、１０または１２と同様にして表面被覆切削工具を作成した。得られた実施例２０（実施例１と同様の被膜を形成した例）、実施例２１（実施例１０と同様の被膜を形成した例）および実施例２２（実施例１２と同様の被膜を形成した例）のそれぞれの表面被覆切削工具を用いて、ＳＣＭ４４０（ＨＲＣ３０）のドリル穴開け加工を実際に行ない、寿命評価を行なった。

切削条件は、切削速度９０ｍ／分、送り量０．２ｍｍ／回とし、切削油剤の代わりにエアーブローを使用し、深さ２４ｍｍの止まり穴加工を行なった。また、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点とし、その時点までに加工できた穴の個数をもって評価した。その結果を表５に示す。

比較例３と４
外径８ｍｍのドリル（ＪＩＳ Ｋ１０超硬合金）を基材とした以外は、比較例１または２と同様にして表面被覆切削工具を作成した。得られた比較例３（比較例１と同様の被膜を形成した例）および比較例４（比較例２と同様の被膜を形成した例）のそれぞれの表面被覆切削工具を用いて、実施例２０〜２２と同様に、ドリル穴開け加工を実際に行ない、同様に寿命評価を行なった。その結果を表５に示す。

表５の結果から明らかなとおり、比較例３と４に比べて、実施例２０〜２２における本発明の表面被覆切削工具では、寿命が大きく向上していることが確認された。

実施例２３〜２５
外径８ｍｍの６枚刃エンドミル（ＪＩＳ Ｋ１０超硬合金）を基材とした以外は、実施例１、１０または１２と同様にして表面被覆切削工具を作成した。得られた実施例２３（実施例１と同様の被膜を形成した例）、実施例２４（実施例１０と同様の被膜を形成した例）および実施例２５（実施例１２と同様の被膜を形成した例）のそれぞれの表面被覆切削工具を用いて、ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）のエンドミル側面切削加工を実際に行ない、寿命評価を行なった。

切削条件は、切削速度２００ｍ／分、送り０．０３ｍｍ／刃、切り込み量Ａｄ＝１２ｍｍ、Ｒｄ＝０．２ｍｍとし、切削油剤は用いず、エアーブローを使用した。また、寿命は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれるまでの加工長さで判定した。その結果を表６に示す。

比較例５と６
外径８ｍｍの６枚刃エンドミル（ＪＩＳ Ｋ１０超硬合金）を基材とした以外は、比較例１と２と同様にして表面被覆切削工具を作成した。得られた比較例５（比較例１と同様の被膜を形成した例）および比較例６（比較例２と同様の被膜を形成した例）のそれぞれの表面被覆切削工具を用いて、実施例２３〜２５と同様に切削加工し、同様に寿命を評価した。その結果を表６に示す。

表６の結果から明らかなとおり、比較例５と６に比べて、実施例２３〜２５における本発明のエンドミルでは、寿命が大きく向上していることが確認された。

実施例２６〜２８
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて、４０質量％のＴｉＮと１０質量％のＡｌからなる結合材粉末と、５０質量％のｃＢＮ粉末（平均粒径２．５μｍ）を混ぜ合わせ、超硬製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で６０分間焼結した。得られたｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状を有する切削用チップを得た。

得られたチップを基材とした以外は、実施例１、１０または１２と同様にして表面被覆切削工具を作成した。得られた実施例２６（実施例１と同様の被膜を形成した例）、実施例２７（実施例１０と同様の被膜を形成した例）および実施例２８（実施例１２と同様の被膜を形成した例）のそれぞれの表面被覆切削工具を用いて、焼入鋼の１種であるＳＵＪ２の丸棒（ＨＲＣ６２）の外周旋削加工を行なった。

切削条件は、切削速度１２０ｍ／分、切り込み０．２ｍｍ、送り０．１ｍｍ／回とし、乾式で４０分間切削を行ない、逃げ面における初期面粗度と、寿命としてＲｚ＝３．２μｍとなるまでの時間を調べた。その結果を表７に示す。

比較例７と８
実施例２６〜２８で使用したｃＢＮ焼結体からなる切削チップを基材とした以外は、比較例１または２と同様にして表面被覆切削工具を作成した。得られた比較例７（比較例１と同様の被膜を形成した例）および比較例８（比較例２と同様の被膜を形成した例）のそれぞれの表面被覆切削工具を用いて、実施例２６〜２８と同様に外周旋削加工を行ない、同様に評価した。その結果を表７に示す。

表７の結果から明らかなとおり、比較例７と８に比べて、実施例２６〜２８における本発明の表面被覆切削工具では、寿命が大きく向上していることが確認された。

実施例２９
グレードがＪＩＳ規格Ｓ２０の超硬合金であって、チップ形状がＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８である基材を用いた以外は、実施例１２と同様にして表面被覆切削工具を作成した。得られた表面被覆切削工具を用いて、水溶性エマルジョンによる湿式の連続旋削試験を実際に行なった。切削条件は、被削材としてＴｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）（ＨＢ＝３１０)を用い、切削速度８０ｍ／分、送り量０．２ｍｍ／回、切り込み１ｍｍとし、刃先の逃げ面における摩耗量が０．２ｍｍとなるまでの時間を測定した。

比較例９と１０
実施例２９で使用した超硬合金からなる切削チップを基材とした以外は、比較例１または２と同様にして表面被覆切削工具を作成した。得られた比較例９（比較例１と同様の被膜を形成した例）および比較例１０（比較例２と同様の被膜を形成した例）のそれぞれの表面被覆切削工具を用いて、実施例２９と同様に湿式連続旋削試験を実際にを行ない、同様に評価した。

評価の結果、実施例２９の工具によれば、刃先の逃げ面における摩耗量が０．２ｍｍとなるまでに、２５分間の切削が可能であったのに対して、比較例９では１分間でチッピングし、比較例１０では２分間で刃先がチッピングしたため加工を中断した。このことから、本発明の切削チップでは寿命が大きく向上していることが確認された。

今回開示された実施の形態および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。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。

ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどとして使用する長寿命の切削工具を提供することができる。

切削工具の刃先の摩耗および欠損の状態を示す模式図である。 ナノインデンテーション法による硬さ試験における、圧子を被膜表面に押し込んだ場合の荷重と押し込み深さとの関係を概念的に示した図である。

符号の説明

１ すくい面、２ 逃げ面、３ 基材、４ 被膜、５ 耐摩耗性被膜、６ 耐酸化性被膜。

Claims (13)

1. 基材表面の直上に耐摩耗性被膜が被覆され、該耐摩耗性被膜の直上に耐酸化性被膜が被覆された表面被覆切削工具であって、
   前記耐摩耗性被膜が、Ｔｉと、ＡｌまたはＳｉのいずれか１種類以上の元素と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなり、
   前記耐酸化性被膜が、（Ａｌ _1-a-b-c Ｃｒ _a Ｖ _b Ｓｉ _c ）（ただし、０≦ａ≦０．４、０＜ｂ≦０．４、０．０５≦ｃ≦０．２、ａ＋ｂ＋ｃ≠０）と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなり、
   前記耐酸化性被膜は、該被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるような押し込み荷重を負荷したときのナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘとし、荷重除荷後の押し込み深さをｈｆとした場合、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが、０．２以上０．７以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記耐摩耗性被膜は、（Ｔｉ_1-x-yＡｌ_xＳｉ_y）（ただし、０≦ｘ≦０．７、０≦ｙ≦
   ０．２、ｘ＋ｙ≠０）と、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記耐摩耗性被膜が、Ｔｉと、Ｓｉと、窒素または炭素または酸素のいずれか１種類以上の元素と、により構成される化合物からなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
4. 前記耐摩耗性被膜および前記耐酸化性被膜のうち少なくとも一方は、Ｂを１０原子％以下含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 前記耐酸化性被膜は、該被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるような押し込み荷重を負荷したときのナノインデンテーション法による硬さ試験において、硬さが、２０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
6. 前記耐摩耗性被膜および前記耐酸化性被膜の膜厚の合計は、０．８μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
7. 前記耐摩耗性被膜の膜厚は、２μｍを超え１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
8. 前記耐摩耗性被膜の圧縮残留応力が、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
9. 前記耐酸化性被膜の結晶構造は、立方晶であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
10. 前記基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンからなる混合体のいずれかであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
11. 前記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、またはタップであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
12. 前記耐摩耗性被膜は、物理的蒸着法により形成されたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
13. 前記耐摩耗性被膜は、アーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成されたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の表面被覆切削工具。

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