JP4975193B2 - 切削工具 - Google Patents

Description

本発明は基体の表面に被覆層が成膜されている切削工具に関する。

現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材では、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化硼素）の高硬度焼結体、アルミナや窒化珪素等のセラミックスからなる基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性、耐欠損性、を向上させる手法が使われている。

また、被覆層としては物理蒸着法の一種であるアークイオンプレーティング法やスパッタリング法を用いてＴｉやＡｌを主成分とする窒化物層が盛んに研究されており、工具寿命を延命させるための改良が続けられている。これら被覆層が設けられた表面被覆工具は、切削速度の高速化を初めとする切削環境の変化、被削材の多様化に対応するため、被覆材料元素以外にも様々な工夫が施されてきている。

例えば、特許文献１では、基体の表面にＴｉＡｌＮ等の被膜を被覆した表面被覆工具において、Ｔｉの比率をすくい面よりも逃げ面において高くして、すくい面における溶着や摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における境界損傷を抑制させることが記載されている。

また、特許文献２では、基材の表面に、厚みが１〜５μｍのＴｉＡｌＮ系の硬質被膜を形成し、硬質被膜に存在する膜厚以上の大きさを持った粗大粒子が５面積％以下で、その表面粗さＲａが０．１μｍ以下、または表面粗さＲｚが１μｍ以下とすることにより、硬質被膜の耐溶着性や耐摩耗性が向上することが記載されている。

さらに、特許文献３では、基材表面に（ＴｉＮｂＡｌ）Ｎ等の組成からなる皮膜を形成して、耐摩耗性を向上させることが開示され、特許文献４では、（ＴｉＡｌＮｂＳｉ）Ｎ等の組成を持ち、成膜方式を変えることによって、ＳｉおよびＮｂ含有量の異なる層を多層に積層した硬質皮膜が記載されている。

また、特許文献５では、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｗ，Ｓｉ，Ｍ（ＭはＮｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｙから選ばれる少なくとも１種））Ｎ被覆層が開示され、耐酸化性および耐欠損性に優れることが記載されている。

特開２００８−２６４９７５号公報 特開２００２−３４６８１２号公報 特開平１１−３０２８３１号公報 特開２００５−１９９４２０号公報 特開２００９−０５０９９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたすくい面よりも逃げ面においてＴｉの比率を高くした構成でも、すくい面における被覆層の耐熱性と耐酸化性が不十分であり、かつ逃げ面においては耐欠損性が不十分であった。

また、特許文献２に記載されている粗大粒子を極力減らした構成では、表面粗さが小さいことで切り屑が硬質膜に対してベタ当たりした状態となってしまい、硬質膜の温度が上昇してクレータ摩耗の進行の原因となり、耐摩耗性が低下するという問題があった。

さらに、特許文献３や特許文献４のように、ＴｉＡｌＮに第３の金属としてＮｂを含有させた組成においても、耐摩耗性は向上するものの更なる改善が必要であり、特に、被削材の溶着等によってチッピングや欠損または温度上昇による摩耗が急速に進行する場合があり、更なる耐摩耗性の向上が望まれていた。また、特許文献５に記載された切削工具では、粗大粒子の影響で切屑の溶着が激しくなったり、加工面が荒れたりする場合もあった。

本発明は前記課題を解決するためのものであり、その目的は、局所的に最適な切削性能を発揮できる被覆層を備えた切削工具を提供することにある。

本発明の切削工具は、すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有して、基体の表面にＴｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．８、０≦ｂ≦０．６、０．０１≦ｄ≦０．２５、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）からなる被覆層を被覆し、該被覆層の表面にはドロップレットが存在するとともに、前記すくい面に存在する前記ドロップレットの平均組成が前記逃げ面に存在する前記ドロップレットの平均組成に比べてＮｂの含有比率が高いものである。

ここで、上記構成において、前記すくい面に存在するドロップレットの数が前記逃げ面に存在するドロップレットの数よりも多くてもよい。

また、上記構成において、前記すくい面における前記被覆層中のＮｂの含有比率が前記逃げ面における前記被覆層中のＮｂの含有比率よりも高くてもよい。

さらに、前記被覆層が、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＷ_ｆＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３５≦ａ≦０．５５、０．３≦ｂ≦０．６、０．０１≦ｄ≦０．２、０≦ｅ≦０．２５、０＜ｆ≦０．２、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｘ≦１）からなり、前記すくい面に存在するドロップレットの組成は前記逃げ面に存在するドロップレットの組成に比べてＷの含有比率が低くてもよい。

また、前記すくい面に存在するドロップレットのＡｌの含有比率Ａｌ_ＤＲと前記被覆層の前記すくい面におけるＡｌの含有比率Ａｌ_ｂＲとの比が１．０３≦Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ｂＲ≦１．２５であり、前記逃げ面に存在するドロップレットのＴｉの平均含有比率Ｔｉ_ＤＦと前記被覆層の前記逃げ面におけるＴｉの含有比率Ｔｉ_ａＦとの比が１．０３≦Ｔｉ_ＤＦ／Ｔｉ_ａＦ≦１．２であってもよい。

さらに、前記被覆層のすくい面における算術平均粗さをＲａ_Ｒとし、前記被覆層の逃げ面における算術平均粗さをＲａ_Ｆとしたとき、０．０７μｍ≦Ｒａ_Ｒ≦０．３μｍおよび０．０５μｍ≦Ｒａ_Ｆ≦０．１５μｍであるとともに、前記被覆層のすくい面における最大高さをＲｚ_Ｒとし、前記被覆層の逃げ面における最大高さをＲｚ_Ｆとしたとき、０．３μｍ≦Ｒｚ_Ｒ≦０．９μｍおよび０．１５μｍ≦Ｒｚ_Ｆ≦０．６μｍであってもよい。

また、前記すくい面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＮｂおよびＷの比率をそれぞれＮｂ_Ｒ、Ｗ_Ｒ、前記逃げ面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＮｂおよびＷの比率をそれぞれＮｂ_Ｆ、Ｗ_Ｆとしたとき、（Ｎｂ_Ｒ＋Ｗ_Ｒ）／（Ｎｂ_Ｆ＋Ｗ_Ｆ）が０．９〜１．１であってもよい。

また、前記被覆層が、Ｔｉ_ａ１Ａｌ_ｂ１Ｎｂ_ｄ１Ｍ_ｅ１（Ｃ_１−ｘ１Ｎ_ｘ１）（ただし０≦ａ１≦１、０≦ｂ１≦０．８、０＜ｄ１≦０．２、０≦ｅ１≦０．２、０≦ｘ１≦１）で表される第１被覆層と、Ｔｉ_ａ２Ａｌ_ｂ２Ｎｂ_ｄ２Ｍ_ｅ２（Ｃ_１−ｘ２Ｎ_ｘ２）（ただし０≦ａ２≦１、０≦ｂ２≦０．８、０≦ｄ２≦０．２、０≦ｅ２≦０．２、０≦ｘ２≦１、ａ１＝ａ２かつｂ１＝ｂ２かつｄ１＝ｄ２かつｅ１＝ｅ２は除く。）で表される第２被覆層とが１０層以上繰り返し交互に積層された構成であってもよい。

本発明の切削工具によれば、基体を被覆する被覆層の表面にドロップレットが存在するが、切削時にすくい面上を切屑が通過してもドロップレットの存在によって切屑がすくい面にベタ当たりすることなく、被覆層の表面がさほど高温になることがない。しかも、すくい面のほうが逃げ面に比べてＮｂの含有比率が高いので、すくい面上に存在するドロップレットの耐酸化性が高くて、すくい面上のドロップレットが直ちに劣化して消滅することなく切削液を被覆層の表面に保液する効果も発揮するとともに、逃げ面においてはドロップレットの耐酸化性が低くて早期に消滅してしまい、加工時の仕上げ面状態が改善される。

本発明の切削工具の一例を示し、（ａ）概略斜視図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。

本発明の切削工具についての好適な実施態様例である図１（（ａ）概略斜視図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面図）を用いて説明する。

図１によれば、切削工具１は、主面にすくい面３を、側面に逃げ面４を、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、基体２の表面に被覆層６を成膜した構成となっている。

そして、基体２の表面に、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．８、０≦ｂ≦０．６、０．０１≦ｄ≦０．２５、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）からなる被覆層６を被覆し、図１（ｂ）に示すように、被覆層６の表面にはドロップレット７と呼ばれる粒状物質が存在する。そして、すくい面３に存在するドロプレット７の平均組成は逃げ面４に存在するドロップレット７の平均組成に比べてＮｂの含有比率が高い構成となっている。

この構成によれば、切削時にすくい面３上を切屑が通過してもドロップレット７の存在によって切屑がすくい面にベタ当たりすることなく、被覆層６の表面がさほど高温になることがない。しかも、すくい面３のほうが逃げ面４に比べてドロップレット７中のＮｂの含有比率が高いので、すくい面３上に存在するドロップレット７の耐酸化性が高くて、すくい面３上のドロップレット７が直ちに劣化して消滅することなく切削液を被覆層６の表面に保液する効果も発揮するとともに、逃げ面４においてはドロップレット７の耐酸化性が低くて早期に消滅してしまい、加工時の仕上げ面状態が改善される。

また、存在するドロップレット７の数は、すくい面３における１０μｍ×１０μｍ四方で０．３μｍ以上のドロップレット７が１５〜５０個、望ましくは１８〜３０個であることが切屑の通過による発熱の緩和の点で望ましい。また、すくい面３におけるドロップレット７の数が逃げ面４に存在するドロップレット７の数よりも多いことが、すくい面３が切屑の通過によって高温になることを緩和するとともに、逃げ面４の表面を滑らかにして仕上げ面品位を向上する点で望ましい。ここで、本発明のドロップレットの平均組成とは、１０μｍ×１０μｍ四方で０．３μｍ以上のドロップレット７の組成をそれぞれ測定して平均した値を指す。

さらに、すくい面３における被覆層６中のＮｂの含有比率が逃げ面４における被覆層６中のＮｂの含有比率よりも高いことが、耐酸化性の向上により、クレータ摩耗の抑制、および切屑排出性の点で望ましい。

ここで、被覆層６は、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＷ_ｆＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３５≦ａ≦０．５５、０．３≦ｂ≦０．６、０．０１≦ｄ≦０．２、０≦ｅ≦０．２５、０＜ｆ≦０．２、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｘ≦１）からなり、前記すくい面に存在するドロ
ップレットの組成は前記逃げ面に存在するドロップレットの組成に比べてＷの含有比率が低いことが望ましい。すなわち、ドロップレット７の組成は、すくい面３の表面上に形成されるドロップレット７ａの組成が逃げ面４の表面上に存在するドロップレット７ｂの組成に比べてＮｂの含有比率が高く、かつＷの含有比率が低いことが望ましい。これによって、すくい面３上に存在するドロップレット７ａはＮｂの含有比率が高いので硬度および耐酸化性が高くて、切屑がドロップレット７ａに接触してもドロップレット７ａがすぐに摩滅することなく長期間にわたって存在する結果、切屑とすくい面３の被覆層６とがベタ当たりせず、また、切削油が被覆層６と切屑との隙間に入り込むので切屑の潤滑性がよくなることから、すくい面における被覆層６の温度上昇が抑制され、クレータ摩耗が小さくなる。また、逃げ面４上に存在するドロップレット７ｂはＷの含有比率が高いので破壊靭性値が高く、逃げ面４にかかる衝撃をドロップレット７ｂが吸収して被覆層６にかかる衝撃を和らげることができる結果、逃げ面４における被覆層６の耐欠損性を向上させることができる。

なお、すくい面３の表面上に形成されるドロップレット７ａのＮｂの含有比率をＮｂ_ＤＲ、Ｗの含有比率をＷ_ＤＲ、逃げ面４の表面上に形成されるドロップレット７ｂのＮｂの含有比率をＮｂ_ＤＦ、Ｗの含有比率をＷ_ＤＦとしたとき、比率Ｎｂ_ＤＲ／Ｎｂ_ＤＦが１．０７〜１．２５、比率Ｗ_ＤＲ／Ｗ_ＤＦが０．７５〜０．９であることが、すくい面３における耐摩耗性および逃げ面４における耐欠損性のバランスの点で望ましい。

さらに、被覆層６自体の耐摩耗性および耐欠損性を高める上では、すくい面３における被覆層６のＴｉとＡｌとの総量に対するＮｂおよびＷの比率をそれぞれＮｂ_ｒ、Ｗ_ｒ、逃げ面４における被覆層６のＴｉとＡｌとの総量に対するＮｂおよびＷの比率をそれぞれＮｂ_Ｆ、Ｗ_Ｆとしたとき、（Ｎｂ_Ｒ＋Ｗ_Ｒ）／（Ｎｂ_Ｆ＋Ｗ_Ｆ）が０．９〜１．１であることが望ましい。

また、このとき、すくい面３表面上形成されるドロップレット７ａのＡｌの含有量Ａｌ_ＤＲはすくい面３の被覆層６におけるＡｌの含有比率Ａｌ_ｂＲに対して１．０３≦Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ｂＲ≦１．２５であることが、ドロップレット７ａの耐熱性、耐酸化性が改善されるとともにドロップレット７ａの結晶構造が立方晶で高硬度であるために耐摩耗性が高い点で望ましい。特に、１．０５≦Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ｂＲ≦１．１５であることが、耐酸化性と耐摩耗性の点で望ましい。さらに、逃げ面４上に形成されるドロップレット７ｂのＴｉの含有比率Ｔｉ_ＤＦは逃げ面４の被覆層６におけるＴｉの含有比率Ｔｉ_ａＦに対して１．０３≦Ｔｉ_ＤＦ／Ｔｉ_ａＦ≦１．２であることが、ドロップレット７ｂの破壊靭性値が向上するとともに、硬度、耐熱性が低下することなく、長期間にわたって逃げ面４の耐欠損性を向上できる点で望ましい。特に、１．０５≦Ｔｉ_ＤＦ／Ｔｉ_ａＦ≦１．１２であることが、耐欠損性の向上の点で望ましい。

さらに、被覆層６のすくい面３の表面に形成されるドロップレット７のＡｌの含有比率Ａｌ_ＤＲは逃げ面４の表面に形成されるドロップレット７のＡｌの含有比率Ａｌ_ＤFに対して０．９４≦Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ＤＦ≦０．９９であることが、すくい面３および逃げ面４における耐摩耗性をともに最適化できる点で望ましい。比率Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ＤＦの特に望ましい範囲は０．９５≦Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ＤＦ≦０．９９である。さらに、被覆層６のすくい面３の表面に形成されるドロップレット７のＴｉの含有比率Ｔｉ_ＤＲは逃げ面４の表面に形成されるドロップレット７のＴｉの含有比率Ｔｉ_ＤFに対して１．０３≦Ｔｉ_ＤＲ／Ｔｉ_ＤＦ≦１．１２であることが、すくい面３および逃げ面４における耐チッピング性をともに最適化できる点で望ましい。比率Ｔｉ_ＤＲ／Ｔｉ_ＤＦの特に望ましい範囲は１．０５≦Ｔｉ_ＤＲ／Ｔｉ_ＤＦ≦１．１０である。

また、被覆層６のすくい面３の算出平均粗さをＲａ_ｒとしたとき、０．０７μｍ≦Ｒａ_Ｒ≦０．３μｍの範囲内であれば、すくい面３における被覆層６の温度上昇を抑制して耐摩耗性を高める効果が高く、かつ耐溶着性を向上させることができる。また、被覆層６の逃げ面４の算術平均粗さをＲａ_Ｆとしたとき、０．０５μｍ≦Ｒａ_Ｆ≦０．１５μｍの範囲内であれば、加工時後の被削材の面をきれいに仕上げることができる。なお、ドロップレットの存在による上記効果を高めるためには、被覆層６のすくい面３における最大高さをＲｚ_Ｒとし、被覆層６の逃げ面４における最大高さをＲｚ_Ｆとしたとき、０．３μｍ≦Ｒｚ_Ｒ≦０．９μｍおよび０．１５μｍ≦Ｒｚ_Ｆ≦０．６μｍであることが望ましい。

なお、被覆層６は、すくい面における組成が、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．８、０≦ｂ≦０．６、０．０１≦ｄ≦０．２５、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）にて構成されている。被覆層６がこの組成範囲になることによって、被覆層６は酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くかつ内在する内部応力を低減することができて耐欠損性が高い。しかも、被覆層６は硬度および基体２との密着性も高いものであるので、被覆層６は難削材の加工や乾式切削、高速切削等のきつい切削条件における耐摩耗性および耐欠損性に優れたものとなる。

すなわち、被覆層６において、ａ（Ｔｉ組成比率）が０．３より小さいと、被覆層６の結晶構造が立法晶から六法晶へ変化し硬度が低下するため、耐摩耗性が低下する。ａ（Ｔｉ組成比率）が０．８より大きいと、被覆層６の耐酸化性および耐熱性が低下する。ａの特に望ましい範囲は０．３５≦ａ≦０．５５、特に０．４５≦ａ≦０．５である。また、ｂ（Ａｌ組成比）が０．６よりも大きいと被覆層６の結晶構造が立方晶から六方晶に変化する傾向があり硬度が低下する。ｂの特に望ましい範囲は０．３≦ｂ≦０．６、特に０．４８≦ｂ≦０．５２である。また、ｄ（金属Ｎｂ組成比率)が０．０１よりも小さいと被覆層６の耐酸化性が低下して耐摩耗性が低下する。ｄ（金属Ｎｂ組成比率)が０．２５よりも大きいと被覆層６の耐酸化性又は硬度が低下による耐摩耗性が低下する。ｄの特に望ましい範囲は０．０１≦ｄ≦０．１５、特に０．０４≦ｄ≦０．１である。さらに、ｅ（金属Ｍ組成比率)が０．２５よりも大きいと被覆層６の耐酸化性又は硬度が低下による耐摩耗性が低下する。ｅの特に望ましい範囲は０．０３≦ｄ≦０．２２である。
なお、金属ＭはＷ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｙから選ばれる１種以上が好適に使用できる。中でも、金属としてＷを添加することが望ましいが、金属Ｗの組成比率は０．２以下であると被覆層６の耐摩耗性が高い。金属Ｗの組成比率（ｆ）の特に望ましい範囲は０．０１≦ｆ≦０．１である。

また、被覆層が、Ｔｉ_ａ１Ａｌ_ｂ１Ｎｂ_ｄ１Ｍ_ｅ１（Ｃ_１−ｘ１Ｎ_ｘ１）（ただし０≦ａ１≦１、０≦ｂ１≦０．８、０＜ｄ１≦０．２、０≦ｅ１≦０．２、０≦ｘ１≦１）で表される第１被覆層と、Ｔｉ_ａ２Ａｌ_ｂ２Ｎｂ_ｄ２Ｍ_ｅ２（Ｃ_１−ｘ２Ｎ_ｘ２）（ただし０≦ａ２≦１、０≦ｂ２≦０．８、０≦ｄ２≦０．２、０≦ｅ２≦０．２、０≦ｘ２≦１、ａ１＝ａ２かつｂ１＝ｂ２かつｄ１＝ｄ２かつｅ１＝ｅ２は除く。）で表される第２被覆層とが１０層以上繰り返し交互に積層された構成であることが望ましく、これによって、被覆層の硬度が向上しかつ被覆層の内部応力を低くできて厚い被覆層をつけても被覆層がチッピングや剥離しなくなる。

なお、被覆層６の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、ｘ（Ｎ組成比率）の特に望ましい範囲は０．９≦ｘ≦１である。ここで、本発明によれば、上記被覆層６の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。なお、逃げ面４における組成は基本的にはすくい面３における組成と同じであるが、原子比で±２０％以内の範囲で変わるものであってもよい。

また、被覆層６の成膜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の物理蒸着（ＰＶＤ）法が適応可能であり、このようなドロップレット７を被覆層６表面上に形成する方法としてはアークイオンプレーティング法が好適に用いられる。

ここで、すくい面３における被覆層６中のＮｂの含有比率が逃げ面４における被覆層６中のＮｂの含有比率よりも多いことが、切削工具１の耐摩耗性と耐欠損性のバランスを良くする上で望ましい。

なお、基体２としては、炭化タングステンや炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの硬質合金、窒化ケイ素や酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相とセラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。

（製造方法）
次に、本発明の切削工具の製造方法について説明する。
まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。次に、基体の表面に、被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被覆層をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属ニオブ（Ｎｂ）、および所定の金属Ｍ（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、複合化した合金ターゲットまたは焼結体ターゲットを用い、チャンバの側壁面位置にセットする。

このとき、本発明によれば、メインターゲットをチャンバの側面にセットし、かつ他の金属に比べてＮｂの含有比率が多いターゲットをチャンバの上面に、他の金属の含有比率が高いターゲットをチャンバの側面にセットし、各々のターゲットにアーク電流を流して成膜する。その結果、成膜された被覆層の組成およびドロップレットの組成を本発明の構成とすることができる。なお、ターゲットの作製方法としては、金属粉末を混合して焼き固めた焼結ターゲットを用いると、金属成分を溶融させて再度固化させた合金ターゲットを用いるより、被覆層の表面に析出するドロップレットの量が多くなる傾向にある。

成膜条件としては、これらのターゲットを用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させるイオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被覆層およびドロップレットを成膜する。このとき、基体のセット位置は逃げ面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットする。この時、メインターゲットには１００〜２００Ａ、上面のＮｂ成分を多く含有するサブターゲットには８０〜２００Ａ、所望により、側面に配置するサブターゲットには１２０〜２５０Ａのアーク電流を流す。

そして、発生したアークプラズマに対してターゲットの向きと平行な向きに磁石を配置する等の方法にて、発生したアークプラズマに磁場を与えることによって、プラズマ内に存在する蒸発した各金属成分の存在状態を変化させることにより、ドロップレットの組成を所定の範囲に制御することができる。なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で上記被覆層を成膜する際には、被覆層の結晶構造を考慮して高硬度な被覆層を作製できるとともに基体との密着性を高めるために３５〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。

なお、ＮｂターゲットおよびＷターゲットには、Ｔｉ等の別の金属成分を添加してもよく、また、ターゲットの作製方法としては、金属粉末を混合して焼き固めた焼結ターゲットよりも、金属成分を溶融させて再度固化させた合金ターゲットを用いるほうが、被覆層の表面に析出するドロップレットの組成はすくい面が逃げ面よりタングステンの含有比率が高いものとなる傾向にある。

なお、被覆層６の成膜時において成膜される被覆層の均一化を図るためには、試料を回転させながら成膜することが望ましい。また、具体的な成膜条件は、バイアス電圧３０〜２００Ｖ、成膜温度４００〜６００℃で、アークイオンプレーティングカソードにアーク放電やグロー放電などを照射して金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスを２〜５Ｐａのガス圧で流して反応させることにより、被覆層６を形成することができる。

また、上記積層構造の被覆層を成膜するには、第１被覆層の組成に近い組成の第１ターゲットと第２被覆層の組成に近い組成の第２ターゲットとの２つの組成のターゲットを成膜装置の側面に装着するとともに、Ｗターゲットはチャンバの上壁面の第１ターゲットまたは第２ターゲットの位置から近い位置に装着した状態で、試料を装置内で回転させながら成膜することによって形成できる。

平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．１質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．３質量％の割合で添加し混合して、プレス成形によりＤＣＧＴ１１Ｔ３０２ＭＦＣＱ形状のスローアウェイチップ形状に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４５０℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。また、各試料のすくい面表面をブラスト加工、ブラシ加工等によって研磨加工した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニング）を施した。

このようにして作製した基体に対して、表１に示すバイアス電圧を印加し、メインターゲット、側面のサブターゲット、上面のサブターゲットに対して所定のアーク電流をそれぞれ流し、かつアーク電流を発生させたターゲット材に対して、チャンバの上下面にリング状の永久磁石をはめ込んでターゲット方向から磁場を与えながら、成膜温度５４０℃として表１に示す組成の被覆層を成膜した。

得られた試料に対して、被覆層の表面のすくい面及び逃げ面の各面の任意３箇所およびすくい面および逃げ面表面上に形成されたる直径０．３μｍ以上のドロップレットを観察し、１視野における１０μｍ×１０μｍの任意領域における直径０．３μｍ以上のドロップレットの個数を測定し、測定箇所５箇所における平均個数を算出した。また、ドロップレット各１０個の組成をエネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）（アメテック社製ＥＤＡＸ）によって測定し、これらの平均値を被覆層のすくい面、逃げ面および各面表面上のドロップレットの組成として算出した。表中、すくい面に形成されたドロップレットについてＮｂ，Ａｌ，Ｔｉの平均含有量（原子％）をそれぞれＮｂ_ＤＲ、Ａｌ_ＤＲ、Ｔｉ_ＤＲ、逃げ面に形成されたドロップレットについてＮｂ，Ａｌ，Ｔｉの平均含有量（原子％）をそれぞれＮｂ_ＤＦ、Ａｌ_ＤＦ、Ｔｉ_ＤＦと表記した。

次に、得られた外径切削工具ＤＣＧＴ１１Ｔ３０２ＭＦＣＱ形状のスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に示した。
切削方法：外径旋削加工
被削材 ：炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）
切削速度：１３０ｍ／分
送り ：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．２ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：５００個加工後の被削材の加工面を接触式表面粗さ計（東京精密社製ＳＵＲＦＣＯＭ）にて測定し、算術平均粗さＲａを加工面粗度として表記した。また、工具寿命まで加工できた加工数を確認し、そのときの摩耗形態を確認した。

表１〜３に示す結果より、逃げ面に存在するドロップレットのＮｂの含有比率がすくい面に存在するドロップレットのＮｂの含有比率よりも高い試料Ｎｏ．Ｉ−８では、被削材の加工面粗度が悪くて早期に工具寿命となり、試料Ｎｏ．Ｉ−９では、すくい面における溶着も多く早期に摩耗が進行した。

これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．Ｉ−１〜７では、いずれも耐摩耗性に優れるとともに平滑な加工面に加工できて良好な切削性能を発揮した。

実施例１の基体に対して、バイアス電圧を５０Ｖ印加し、メインターゲット、側面のサブターゲット、上面のサブターゲットに対して表４に示すアーク電流をそれぞれ流し、かつアーク電流を発生させたターゲット材に対して、チャンバの上下面にリング状の永久磁石をはめ込んでターゲット方向から磁場を与えながら、成膜温度５４０℃として表４に示す組成の被覆層を成膜した。なお、Ｎｂ源である側面ターゲットについては成膜の最終段階のみアーク電流を流して成膜した。

得られた試料に対して、実施例１と同様にすくい面および逃げ面の被覆層およびドロップレットの組成と、すくい面および逃げ面の表面粗さＲａ_Ｒ、Ｒｚ_Ｒ、Ｒａ_Ｆ、Ｒｚ_Ｆを算出した。結果は表５、６に示した。

次に、得られた実施例１と同じ形状のスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表７に示した。
切削方法：外径旋削加工
被削材 ：炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）
切削速度：１００ｍ／分
送り ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．０ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：２００分切削後のすくい面クレータ摩耗の有無、逃げ面におけるチッピングの有無を光学顕微鏡にて測定した。また、被削材の面粗度は接触式表面粗さ計（東京精密社製ＳＵＲＦＣＯＭ）にてＲａを測定し評価した。表中の加工数は工具寿命に至るまでに加工できた被削材の個数を示す。

表４〜７に示す結果より、すくい面に存在するドロップレットの組成が逃げ面に存在するドロップレットの組成に比べてＮｂの含有比率が低く、かつＷの含有比率が高い試料Ｎｏ．II−８では、すくい面でのクレータ摩耗が激しくかつ逃げ面ではチッピングも発生した。また、すくい面に存在するドロップレットの組成と逃げ面に存在するドロップレットの組成についてＮｂとＷの含有比率が同じである試料Ｎｏ．II−９では、クレータ摩耗が進行し、いずれの試料も工具寿命の短いものであった。

これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．II−１〜７では、いずれも被覆層が耐欠損性および耐酸化性に優れて良好な切削性能を発揮した。

実施例１の切削インサート基体を用いて、表８に示す４種類のターゲットを側面に３種類と上面に１種類装着し、実施例１と同様に表９に示す被覆層を成膜した。なお、メインターゲット２種類は焼結ターゲットを用い、チャンバの側壁面に１個ずつセットした。また、サブターゲットは表８に記載の各金属の合金ターゲットまたは焼結ターゲットを用い、チャンバの表８に示すセット位置の壁面に１個セットした。

得られたインサートについて、実施例１と同様にすくい面および逃げ面の被覆層結果は表９に示した。また、実施例１と同様にドロップレットのＮｂ含有比率の平均値と、被覆層の表面全体に対するドロップレットの個数と平均粒径を測定した。結果は表１０に記載した。なお、被覆層を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察したところ、厚み１０ｎｍ以下の間隔で表９の組成（詳細）に示す第１層（上段）と第２層（下段）が積層された構成となっていた。

さらに、得られたインサートを用いて実施例１と同じ切削条件にて切削試験を行った。結果は表１１に記載した。

表８〜１１より、すくい面に存在するドロップレットのＮｂの含有比率が逃げ面に存在するドロップレットのＮｂの含有比率よりも多い試料Ｎｏ．III−１〜３では、いずれも耐摩耗性に優れるとともに平滑な加工面に加工できて良好な切削性能を発揮した。

１ 切削工具
２ 基体
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切刃
６ 被覆層
７ ドロップレット

Claims (8)

1. すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有して、基体の表面にＴｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．８、０≦ｂ≦０．６、０．０１≦ｄ≦０．２５、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）からなる被覆層を被覆し、該被覆層の表面にはドロップレットが存在するとともに、前記すくい面に存在する前記ドロップレットの平均組成が前記逃げ面に存在する前記ドロップレットの平均組成に比べてＮｂの含有比率が高い切削工具。
2. 前記すくい面に存在するドロップレットの数が前記逃げ面に存在するドロップレットの数よりも多い請求項１記載の切削工具。
3. 前記すくい面における前記被覆層中のＮｂの含有比率が前記逃げ面における前記被覆層中のＮｂの含有比率よりも多い請求項１または２記載の切削工具。
4. 前記被覆層が、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＷ_ｆＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３５≦ａ≦０．５５、０．３≦ｂ≦０．６、０．０１≦ｄ≦０．２、０≦ｅ≦０．２５、０＜ｆ≦０．２、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｘ≦１）からなり、前記すくい面に存在するドロップレットの組成は前記逃げ面に存在するドロップレットの組成に比べてＷの含有比率が低い請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。
5. 前記すくい面に存在するドロップレットのＡｌの含有比率Ａｌ_ＤＲと前記被覆層の前記すくい面におけるＡｌの含有比率Ａｌ_ｂＲとの比が１．０３≦Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ｂＲ≦１．２５であり、前記逃げ面に存在するドロップレットのＴｉの平均含有比率Ｔｉ_ＤＦと前記被覆層の前記逃げ面におけるＴｉの含有比率Ｔｉ_ａＦとの比が１．０３≦Ｔｉ_ＤＦ／Ｔｉ_ａＦ≦１．２である請求項４記載の切削工具。
6. 前記被覆層のすくい面における算術平均粗さをＲａ_Ｒとし、前記被覆層の逃げ面における算術平均粗さをＲａ_Ｆとしたとき、０．０７μｍ≦Ｒａ_Ｒ≦０．３μｍおよび０．０５μｍ≦Ｒａ_Ｆ≦０．１５μｍであるとともに、前記被覆層のすくい面における最大高さをＲｚ_Ｒ とし、前記被覆層の逃げ面における最大高さをＲｚ_Ｆとしたとき、０．３μｍ≦Ｒｚ_Ｒ≦０．９μｍおよび０．１５μｍ≦Ｒｚ_Ｆ≦０．６μｍである請求項１乃至５のいずれか記載の切削工具。
7. 前記すくい面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＮｂおよびＷの比率をそれぞれＮｂ_Ｒ、Ｗ_Ｒ、前記逃げ面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＮｂおよびＷの比率をそれぞれＮｂ_Ｆ、Ｗ_Ｆとしたとき、（Ｎｂ_Ｒ＋Ｗ_Ｒ）／（Ｎｂ_Ｆ＋Ｗ_Ｆ）が０．９〜１．１である請求項４乃至６のいずれか記載の切削工具。
8. 前記被覆層が、Ｔｉ_ａ１Ａｌ_ｂ１Ｎｂ_ｄ１Ｍ_ｅ１（Ｃ_１−ｘ１Ｎ_ｘ１）（ただし０≦ａ１≦１、０≦ｂ１≦０．８、０＜ｄ１≦０．２、０≦ｅ１≦０．２、０≦ｘ１≦１）で表される第１被覆層と、Ｔｉ_ａ２Ａｌ_ｂ２Ｎｂ_ｄ２Ｍ_ｅ２（Ｃ_１−ｘ２Ｎ_ｘ２）（ただし０≦ａ２≦１、０≦ｂ２≦０．８、０≦ｄ２≦０．２、０≦ｅ２≦０．２、０≦ｘ２≦１、ａ１＝ａ２かつｂ１＝ｂ２かつｄ１＝ｄ２かつｅ１＝ｅ２は除く。）で表される第２被覆層とが１０層以上繰り返し交互に積層された構成からなる請求項１乃至７のいずれか記載の切削工具。

Images