JP5257750B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、表面被覆切削工具に関し、特に、表面被覆切削工具の寿命を長期化させることができる表面被覆切削工具に関する。

従来から、基材の表面を保護するとともに、耐摩耗性および靭性等の諸特性の更なる向上を目的として、基材の表面上に表面被覆層を形成した表面被覆切削工具が用いられている。

また、近年の表面被覆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およびその使用量を極力抑えたセミドライ加工が求められていること、新素材の開発により被削材が多様化していること、ならびに加工効率を一層向上させるために切削速度や送り速度がより高速になっていることが挙げられる。これらの動向により、被削材の切削加工時における表面被覆切削工具の刃先温度はますます高温に曝される傾向にあるため、表面被覆切削工具の表面被覆層に要求される特性は厳しくなる一方である。

表面被覆切削工具の表面被覆層に要求される特性としては、高温での安定性（耐酸化性および密着性）だけでなく、表面被覆切削工具の寿命に関係する耐摩耗性についても必要とされるようになってきている。すなわち、高温における表面被覆層の硬度の向上や潤滑油剤に代わる表面被覆層の潤滑特性が重要視されるようになってきている。

たとえば、特許第３７８１３７４号公報（特許文献１）においては、表面被覆切削工具の硬質の表面被覆層として用いられてきたＴｉＡｌＮに代えて、ＡｌとＣｒとを含む窒化物の使用が提案されている。ＡｌとＣｒとを含む窒化物はＴｉＡｌＮと比べて高温での安定性は優れているものの、大きな残留応力を有する傾向にある。そのため、ＡｌとＣｒとを含む窒化物層を表面被覆層に用いた場合には、基材および他の表面被覆層との密着性が不十分になるという問題があった。

そこで、たとえば国際公開第２００６／０７０７３０号パンフレット（特許文献２）には、このような問題を解決するべく、ＡｌとＣｒとを含む窒化物層と、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉを含む窒化物層とを交互に積層した構成の表面被覆層が提案されている。
特許第３７８１３７４号公報 国際公開第２００６／０７０７３０号パンフレット

国際公開第２００６／０７０７３０号パンフレット（特許文献２）のような表面被覆層の構成とすることによって、基材および他の表面被覆層との密着性が不十分になるという問題はほぼ解決されたが、次のような新たな問題が発生した。

すなわち、この構成の表面被覆層にはＡｌが必ず含まれることになり、合金製のターゲットを原材料として用いて形成される。しかしながら、Ａｌの融点は約６６０℃であるため、たとえばＴｉの融点である約１６８８℃やＣｒの融点である約１８７５℃と比べると、Ａｌの融点は非常に低い。したがって、Ａｌを含む合金製のターゲットを用いて基材の表面上に表面被覆層を形成する際に、溶融粒子（ドロップレットやマクロパーティクルと呼ばれることもある）が発生しやすいという問題があった。

この溶融粒子が表面被覆層の形成中に発生した場合には、表面被覆層の表面にその溶融粒子からなる突起部分が形成されて、表面被覆層の面粗度が悪化する。この突起部分を有する表面被覆層が基材の表面上に形成された表面被覆切削工具を用いて被削材の切削加工を行なった場合には、被削材がこの突起部分に溶着しやすいという問題があった。

表面被覆層の表面の突起部分に被削材が溶着した場合には、溶着した被削材が脱落する際に表面被覆層の一部が破壊または脱落し、さらには表面被覆層の全部が基材から剥離することもあった。この場合には、表面被覆切削工具の刃先のチッピングにより、結果的に表面被覆切削工具の寿命を低下させることになるため問題となっていた。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、表面被覆切削工具の寿命を長期化させることができる表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明は、基材と、基材の表面上に第１被覆層と第２被覆層とが交互に積層されてなる表面被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、第１被覆層は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層されてなる第１交互層を含み、Ａ層はＡｌとＣｒとからなる窒化物からなり、Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比は０．１よりも大きく０．４以下であり、Ｂ層はＡｌとＴｉとからなる窒化物からなり、Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＴｉの原子数の比は０．２以上０．６以下であって、第２被覆層は、Ｃ層とＤ層とが交互にそれぞれ１層以上積層されてなる第２交互層を含み、Ｃ層はＴｉとＳｉとからなる窒化物からなり、Ｃ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０．０５よりも大きく０．３以下であり、Ｄ層はＴｉとＣｒとからなる窒化物からなり、Ｄ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比は０．０５以上０．３以下である表面被覆切削工具である。

ここで、本発明の表面被覆切削工具においては、第１被覆層および第２被覆層のそれぞれの厚みが０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層およびＤ層のそれぞれの厚みが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、第１被覆層におけるＡ層とＢ層との間に第１中間遷移層が形成されており、第１中間遷移層の組成は、第１中間遷移層の厚さ方向において、第１中間遷移層の下方に接する層の組成から第１中間遷移層の上方に接する層の組成に近づくように連続的に変化していることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、第２被覆層におけるＣ層とＤ層との間に第２中間遷移層が形成されており、第２中間遷移層の組成は、第２中間遷移層の厚さ方向において、第２中間遷移層の下方に接する層の組成から第２中間遷移層の上方に接する層の組成に近づくように連続的に変化していることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具において、表面被覆層は、−８ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の平均残留応力を有していることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具において、表面被覆層の残留応力は、表面被覆層の厚さ方向において、基材から遠ざかるにしたがって残留応力の絶対値が大きくなることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具において、表面被覆層の結晶構造は立方晶であることが好ましい。

本発明によれば、表面被覆切削工具の寿命を長期化させることができる表面被覆切削工具を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

＜表面被覆切削工具の構成＞
図１に、本発明の表面被覆切削工具の一例の模式的な拡大断面図を示す。ここで、表面被覆切削工具１は、基材２と、基材２の表面上に基材２の表面を被覆する層である表面被覆層３とを含む構成を有している。

図２に、図１のＸ−Ｘに沿った模式的な断面の一例を示す。図２に示すように、基材２の表面上には表面被覆層３が形成されており、表面被覆層３は、第１被覆層４と第２被覆層５とが交互に積層された構成を有している。

＜基材＞
基材２としては、たとえば表面被覆切削工具の基材として従来から知られているものを特に限定なく用いることができる。基材２としては、たとえば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの炭窒化物などを添加したものを含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮなどを主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムおよびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体またはダイヤモンド焼結体などを用いることができる。

また、たとえば、基材２に超硬合金を用いる場合には、超硬合金の組織中に遊離炭素またはη相と呼ばれる異常相を含んでいてもよい。

また、基材２としては、基材２の表面が改質されたものを用いてもよい。たとえば、基材２に超硬合金を用いる場合には、基材２の表面に脱β層が形成されていてもよい。また、基材２にサーメットを用いる場合には、基材２の表面に表面硬化層が形成されていてもよい。

＜表面被覆層＞
表面被覆層３は、たとえば図２に示すように、第１被覆層４と第２被覆層５とがそれぞれ１層以上交互に積層された積層体を含む限り、他の層を含んでいてもよい。このような他の層としては、たとえば、表面被覆層３を構成する層のうち基材２の表面に接する最下層および／または表面被覆層３を構成する層のうち最上層を挙げることができるが、これらの層に限定されるものではない。

また、表面被覆層３は、基材２の表面の全面を被覆する場合に限られず、基材２の表面に部分的に表面被覆層３が形成されていない箇所があってもよい。また、基材２の表面上のある部分の表面被覆層３と他の部分の表面被覆層３とで、表面被覆層３の構成が異なっていてもよい。

本発明において、表面被覆層３における第１被覆層４の積層数および第２被覆層５の積層数は、表面被覆層３を構成している第１被覆層４および第２被覆層５のそれぞれの積層数のことを意味するものとする。たとえば、表面被覆層３が、基材２側から順に第１被覆層４、第２被覆層５、第１被覆層４、第２被覆層５および第１被覆層４の順で積層された構成を有している場合には、その表面被覆層３における第１被覆層４の積層数は３層となり、第２被覆層の積層数は２層となる。

また、表面被覆層３においては、第１被覆層４と第２被覆層５の積層は、第１被覆層４から開始されてもよく、第２被覆層５から開始されてもよい（すなわち、表面被覆層３において、基材２側に最も近く位置する層は第１被覆層４であってもよいし、第２被覆層５であってもよい。）。また、表面被覆層３における積層は、第１被覆層４で終了してもよいし、第２被覆層５で終了してもよい（すなわち、表面被覆層３において、基材２の側から最も遠く離れて位置する層は第１被覆層４であってもよく、第２被覆層５であってもよい。）。

このような表面被覆層３の全体の厚みは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。表面被覆層３の全体の厚みが０．５μｍ未満である場合には、表面被覆層３の厚みが薄過ぎて本発明の表面被覆切削工具１の寿命が短くなる傾向にあり、表面被覆層３の全体の厚みが２０μｍを超える場合には本発明の表面被覆切削工具１の切削時に表面被覆層３がチッピングしやすくなって本発明の表面被覆切削工具１の寿命が短くなる傾向にある。

また、本発明の表面被覆切削工具１の寿命を長期化させる観点からは、表面被覆層３の全体の厚みは１５μｍ以下であることがより好ましく、１０μｍ以下であることがさらに好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具１の寿命を長期化させる観点からは、表面被覆層３の全体の厚みは１μｍ以上であることがより好ましく、１．５μｍ以上であることがさらに好ましい。

なお、本発明においては、表面被覆層３の全体の厚みおよび後述する各層の厚みならびに積層数はいずれも、本発明の表面被覆切削工具１を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）またはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観察することにより求めることができる。また、表面被覆層３を構成する後述のような各層の組成は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）を用いて測定することができる。

また、本発明の表面被覆切削工具１の寿命を長期化させる観点からは、表面被覆層３を構成する第１被覆層４の厚みｈ₁および第２被覆層５の厚みｈ₂はそれぞれ０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

図３に、本発明に用いられる表面被覆層３の一例の模式的な拡大断面図を示す。ここで、表面被覆層３を構成する第１被覆層４は、Ａ層６とＢ層７とが交互にそれぞれ１層以上積層されてなる第１交互層を含んでおり、第２被覆層５は、Ｃ層８とＤ層９とが交互にそれぞれ１層以上積層されてなる第２交互層とを含んでいる。

ここで、Ａ層６は、Ａｌ（アルミニウム）とＣｒ（クロム）とを含む窒化物からなり、Ａ層６を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比は０．１よりも大きく０．４以下となっている。

また、Ｂ層７は、Ａｌ（アルミニウム）とＴｉ（チタン）とを含む窒化物からなり、Ｂ層７を構成する金属原子の総数を１としたときのＴｉの原子数の比は０．２以上０．６以下となっている。

また、Ｃ層８は、Ｔｉ（チタン）とＳｉ（シリコン）とを含む窒化物からなり、Ｃ層８を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０．０５よりも大きく０．３以下となっている。

また、Ｄ層９はＴｉ（チタン）とＣｒ（クロム）とを含む窒化物からなり、Ｄ層９を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比は０．０５以上０．３以下である。

このように、本発明の表面被覆切削工具１においては、表面粗度改善作用を有する第２被覆層５に隣接して第１被覆層４を形成することにより、構成元素として低融点で溶融粒子の発生しやすいＡｌを含む第１被覆層４が有する固有のデメリットを抑制しつつ、従来のＴｉＡｌＮに比べて、高温での切削時における安定性、耐摩耗性および耐チッピング性に優れるという第１被覆層４の優れた作用効果を十分に発揮させることが可能になっている。これにより、表面被覆切削工具１の高温での安定性が飛躍的に向上し、表面被覆切削工具１の寿命の長期化を図ることに成功している。

また、表面粗度改善作用を有する第２被覆層５がＡｌを含んでいないため、このような第２被覆層５を第１被覆層４に隣接して形成することにより（特に、２つの第２被覆層５の間に第１被覆層４を挟む構成とすることにより）、Ａｌを含む第１被覆層４における結晶成長の粗大化を効果的に防止することができ、第１被覆層４の結晶構造をより微細化することが可能になったと考えられる。

さらに、第２被覆層５も、第２被覆層５とは異なる組成の第１被覆層４に隣接して形成されるため、結果として、第２被覆層５自体の結晶成長の粗大化も同時に抑制することができる。

そのため、高温で高い負荷が適用されるような切削条件下においても、表面被覆層３の表面に発生するクラックが基材２の方向に進展するのを十分に抑制することができ、これにより表面被覆切削工具１の刃先のチッピングを極めて有効に防止することができる。特に、この点は、従来の特許文献２が有していた問題点（すなわち、表面被覆層にＡｌが必ず含まれているために表面被覆層の結晶構造の微細化を十分に達成することができないという問題点）を解消することができるものであり、極めて大きな産業上の利用可能性を有するものである。

本発明の表面被覆切削工具１の表面被覆層３の構成とすることによって、表面被覆層３におけるクラックの進展が抑制されるのは、恐らく次のような理由であると考えられる。すなわち、第１被覆層４の結晶構造の微細化によって、表面被覆層３に発生したクラックが基材２との間で大規模な層剥離に発展することなく第１被覆層４と第２被覆層５との界面、第１被覆層４中のＡ層６とＢ層７との界面および第２被覆層５中のＣ層８とＤ層９との界面のそれぞれでクラックの進展が効果的に遮断されるためと推測される。

このように、本発明の表面被覆切削工具１は、高温での切削安定性に優れるとともに刃先のチッピングを抑制することができ、さらには高温でしかも高い負荷がかかるような切削条件下においても耐摩耗性と耐チッピング性とを高度に両立させることができるため、寿命を大幅に長期化させることができると考えられる。

＜Ａ層＞
Ａ層６は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物からなるものであるが、Ａｌを含んでいるために高い耐酸化性を有している。また、Ａ層６は、ＡｌだけでなくＣｒも含むために耐酸化性がさらに高くなっている。また、Ａ層６においては、Ａｌの含有量がたとえ高くなったとしてもＣｒを含有するためにＡ層６の結晶構造が立方晶となって高硬度化する傾向にある。そして、Ａ層６のこれらの特性は高温においても発揮され、十分な高温安定性を示すものとなる。なお、Ａ層６は、ＡｌとＣｒとを含む限り、窒素以外の他の元素を含んでいてもよい。

また、Ａ層６を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比は０．１よりも大きく０．４以下である。ここで、Ａ層６に含まれるＣｒの原子数の比が０．１以下である場合には結晶構造が六方晶になって低硬度となる傾向にあり、０．４よりも大きい場合にはＡ層６の硬度が低下してしまう。また、Ａ層６の硬度を高くする観点からは、Ａ層６の上記Ｃｒの原子数の比は０．２以上０．３５以下であることが好ましい。

なお、本発明において「金属原子」とは、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン、酸素、硫黄、セレン、テルル、窒素、リン、砒素、アンチモンおよび炭素以外の元素の原子のことをいう。

また、Ａ層６において、ＡｌとＣｒとを含む金属原子の総数を１としたとき窒素の原子数の比は０．８以上１．５以下とすることが好ましい。この窒素の原子数の比が０．８未満である場合にはＡ層６の硬度が低下する傾向にあり、１．５を超える場合にもＡ層６の硬度が低下する傾向にある。

＜Ｂ層＞
Ｂ層７は、ＡｌとＴｉとを含む窒化物からなり、ＡｌとをＴｉとを含む限り窒素以外の他の元素を含んでいてもよい。このようにＢ層７は、ＡｌとともにＴｉを含んでいることから残留応力が小さく、応力緩和層としての作用を有している。また、Ｂ層７の結晶構造は立方晶となるため、十分な高温安定性を示す。

また、Ｂ層７を構成する金属原子の総数を１としたときのＴｉの原子数の比は０．２以上０．６以下である。Ｂ層７のＴｉの原子数の比が０．６を超える場合にはＢ層７の硬度が低下して摩耗が促進してしまい、０．２未満である場合には残留応力を十分に小さくすることができなくなる。また、Ｂ層７の硬度を高くする観点からは、Ｂ層７の上記Ｔｉの原子数の比は０．３以上０．５以下であることが好ましい。

また、Ｂ層７において、ＡｌとＴｉとを含む金属原子の総数を１としたとき窒素の原子数の比は０．８以上１．５以下とすることが好ましい。この窒素の原子数の比が０．８未満である場合にはＢ層７の硬度が低下する傾向にあり、１．５を超える場合にもＢ層７の硬度が低下する傾向にある。

＜Ｃ層＞
Ｃ層８は、ＴｉとＳｉを含む窒化物からなるものであるが、Ｓｉを含んでいるために高い耐酸化性を有している。また、Ｃ層８においては、Ｓｉが含有されているためにＳｉ系の非晶質マトリックス内にＴｉリッチの超微細ナノ結晶粒が分散された微細構造を構成することから、非常に高硬度化する傾向にある。そして、Ｃ層８のこれらの特性は１０００℃以上の高温においても発揮され、十分な高温安定性を示す。なお、Ｃ層８は、ＴｉとＳｉとを含む限り窒素以外の他の元素を含んでいてもよい。

Ｃ層８を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は、０．０５よりも大きく０．３以下である。ここで、Ｃ層８のＳｉの原子数の比が０．０５以下である場合には超微細ナノ結晶構造とはならずに低硬度となる傾向にあり、０．３よりも大きい場合にはＣ層８の靭性が低下して、表面被覆切削工具１がチッピングしやすくなる。また、Ｃ層８の硬度を高くする観点からは、Ｃ層８の上記Ｓｉの原子数の比は０．１以上０．２以下であることが好ましい。

また、Ｃ層８において、ＴｉとＳｉとを含む金属原子の総数を１としたとき、窒素の原子数の比は０．８以上１．５以下とすることが好ましい。この窒素の原子数の比が０．８未満である場合にはＣ層８の硬度が低下する傾向にあり、１．５を超える場合にもＣ層８の硬度が低下する傾向にある。

＜Ｄ層＞
Ｄ層９は、ＴｉとＣｒとを含む窒化物からなり、ＴｉとＣｒとを含む限り窒素以外の他の元素を含んでいてもよい。このようにＤ層９は、Ｃｒを含んでいることから、耐酸化性に優れる特性を有するとともに、相対的にＴｉを多く含むことから、残留応力が小さく、応力緩和層としての作用を有している。また、Ｄ層９の結晶構造は立方晶となっており、十分な高温安定性を示す。

また、Ｄ層９を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比は０．０５以上０．３以下である。Ｄ層９のＣｒの原子数の比が０．３を超える場合にはＤ層９の硬度が低下して摩耗が促進する傾向にあり、０．０５未満である場合には十分な耐酸化性を有しないおそれがある。なお、Ｄ層９の硬度を高くする観点からは、Ｄ層９の上記Ｃｒの原子数の比は０．１以上０．２以下であることが好ましい。

また、Ｄ層９において、ＴｉとＣｒとを含む金属原子の総数を１としたとき窒素の原子数の比は０．８以上１．５以下とすることが好ましい。この窒素の原子数の比が０．８未満である場合にはＤ層９の硬度が低下する傾向にあり、１．５を超える場合にもＤ層９の硬度が低下する傾向にある。

＜Ａ層、Ｂ層、Ｃ層、Ｄ層に含まれ得る他の元素＞
本発明においては、Ａ層６、Ｂ層７、Ｃ層８およびＤ層９の少なくとも１層にバナジウムが原子％で３０原子％未満の含有量で含まれていてもよい。この場合には、本発明の表面被覆切削工具１の切削時における高温環境においてＡ層６、Ｂ層７、Ｃ層８および／またはＤ層９の表面が酸化したとしても、バナジウムの酸化物の融点は低いため、バナジウムの酸化物が切削時の潤滑剤として作用することになり、結果として本発明の表面被覆切削工具１に対する被削材の融着を抑制することができる傾向にある。

また、本発明においては、上記のバナジウムの含有量は１５原子％未満であることが好ましい。この場合には、本発明の表面被覆切削工具１への被削材の融着を抑制することができる。また、Ａ層６および／またはＢ層７にバナジウムが含まれている場合には、バナジウムを含むＡ層６および／またはＢ層７の硬度も高くすることができる。なお、本発明において、「原子％」は、層を構成する金属原子の総原子数に対する原子数の割合（％）のことを意味する。

また、本発明においては、Ａ層６、Ｂ層７、Ｃ層８およびＤ層９の少なくとも１層にホウ素が原子％で１０原子％未満含まれていてもよい。この場合には、メカニズムはわかっていないが、ホウ素を含む層の硬度をさらに高くすることができる傾向にある。また、切削時の表面酸化によって形成されるホウ素の酸化物が特にＡ層６におけるＡｌの窒化物がＡｌの酸化物に変態する際にその粒界に析出して結晶を緻密化する傾向にあることからも好ましい。さらに、ホウ素の酸化物の融点は低いため、切削時の潤滑剤として作用し、被削材の溶着を抑えることができる傾向にある。

また、本発明においては、Ａ層６、Ｂ層７およびＤ層９の少なくとも１層にＳｉを原子％で１０原子％未満含有させることもできる。この場合には、Ｓｉを含むＡ層６、Ｂ層７および／またはＤ層９の硬度が高くなる傾向にあり、Ｓｉを含むＡ層６、Ｂ層７および／またはＤ層９の結晶構造も微細化する傾向にある。

＜Ａ層、Ｂ層、Ｃ層、Ｄ層の厚み＞
第１被覆層４を構成するＡ層６の厚みｈ_aおよびＢ層７の厚みｈ_b、ならびに第２被覆層５を構成するＣ層８の厚みｈ_cおよびＤ層９の厚みｈ_dはそれぞれ１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。Ａ層６、Ｂ層７、Ｃ層８およびＤ層９の厚みがそれぞれ１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内の厚さとすることによって、表面被覆層３の表面で発生したクラックの進展（基材２方向への進展）を最も効果的に抑制することができる傾向にある。

また、Ａ層６の厚みｈ_a、Ｂ層７の厚みｈ_b、Ｃ層８の厚みｈ_cおよびＤ層９の厚みｈ_dがそれぞれ１ｎｍ未満である場合には、Ａ層６とＢ層７、Ｃ層８とＤ層９とがそれぞれ混ざり合って、Ａ層６とＢ層７を交互に積層したことによる効果およびＣ層８とＤ層９とを交互に積層したことによる効果を得ることができない傾向にある。また、Ａ層６の厚みｈ_a、Ｂ層７の厚みｈ_b、Ｃ層８の厚みｈ_cおよびＤ層９の厚みｈ_dがそれぞれ５０ｎｍを超える場合には表面被覆層３におけるクラックの進展の抑制効果が得られにくい傾向にある。

なお、本発明においては、表面被覆層３中におけるＡ層６、Ｂ層７、Ｃ層８およびＤ層９の厚みは、第１被覆層４または第２被覆層５に含まれるそれぞれの層において実質的に同じ厚みであってもよく、異なる厚みであってもよい。

＜中間遷移層＞
図４に、本発明における表面被覆層３の他の一例の模式的な拡大断面図を示す。ここで、Ａ層６とＢ層７との間には第１中間遷移層１０が積層されており、Ｃ層８とＤ層９との間には第２中間遷移層１１が積層されている。

第１中間遷移層１０および第２中間遷移層１１は、第１中間遷移層１０の厚さ方向において、第１中間遷移層１０の下方に接する層の組成から第１中間遷移層１０の上方に接する層の組成に近づくように連続的にその組成が変化している。

また、第２中間遷移層１１の組成は、第２中間遷移層１１の厚さ方向において、第２中間遷移層１１の下方に接する層の組成から第２中間遷移層１１の上方に接する層の組成に近づくようにその組成が連続的に変化している。

たとえば、図４に示すように、Ａ層６から積層が開始される場合を例にとると、まずそのＡ層６上に第１中間遷移層１０が形成され、その第１中間遷移層１０上にＢ層７が形成される。引き続いて、そのＢ層７上に第１中間遷移層１０が形成され、次いでその第１中間遷移層１０上にＡ層６が形成される。以降もこのような積層構成が繰り返されることによって第１被覆層４が形成される。

また、第２被覆層５において、Ｃ層８から積層が開始される場合を例にとると、まずそのＣ層８上に第２中間遷移層１１が形成され、その第２中間遷移層１１上にＤ層９が形成される。引き続いて、そのＤ層９上に第２中間遷移層１１が形成され、次いでその第２中間遷移層１１上にＣ層８が形成される。以降もこのような積層構成が繰り返されることによって第２被覆層５が形成される。

なお、本発明においては、このように第１中間遷移層１０等が形成される場合であっても第１交互層においてＡ層６とＢ層７とは交互に積層されるということができるものとし、第２中間遷移層１１等が形成される場合であっても第２交互層においてＣ層８とＤ層９とは交互に積層されるという表現を用いることができるものとする。

また、上記の例において、積層が開始されるＡ層６上に形成される第１中間遷移層１０の場合には、その第１中間遷移層１０に接する下層とは積層が開始されたＡ層６のことを意味し、その第１中間遷移層１０に接する上層とはＢ層７のことを意味する。したがって、第１中間遷移層１０における組成は、第１中間遷移層１０の厚み方向にかけて（すなわち、基材２側から基材２から遠ざかる側にかけて）、Ａ層６の組成からＢ層７の組成へと連続的に変化するものとなる。

また、第１中間遷移層１０および第２中間遷移層１１は、Ａ層６、Ｂ層７、Ｃ層８、Ｄ層９と独立して形成する必要はなく、これらの層の形成の途中段階で不可避的に形成されるものであってもよい。たとえば、第１中間遷移層１０は、Ａ層６を形成した後にＢ層７を形成するとき、またはＢ層７を形成した後にＡ層６を形成するとき、またはこれらの層の形成の途中段階で不可避的に形成されるものであってもよい。また、第１中間遷移層１０および第２中間遷移層１１は、その観察条件により観察されたり観察されなかったりする程度のものであってもよく、通常のＴＥＭなどによる観察倍率を２００万倍以上にする場合において観察されるものであってもよい。

なお、Ａ層６とＢ層７との境界部に第１中間遷移層１０が形成されるためにＡ層６とＢ層７との境界部を明確に定めることができない場合には、第１中間遷移層１０における厚み方向の中間点をＡ層６とＢ層７との境界部とみなし、各層の厚みなどを測定するものとする。

また、Ｃ層８およびＤ層９との境界部に第２中間遷移層１１が形成されるためにＣ層８とＤ層９との境界部を明確に定めることができない場合には、第２中間遷移層１１における厚み方向の中間点をＣ層８およびＤ層９との境界部とみなし、各層の厚みなどを測定するものとする。

＜表面被覆層の残留応力＞
本発明においては、表面被覆層３は−８ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の平均残留応力を有していることが好ましい。すなわち、表面被覆層３の残留応力を平均すると上記の範囲の圧縮残留応力となることが好ましく、便宜的に応力が開放されて残留応力を有さない場合をも含むことが好ましい。このように表面被覆層３が、上記範囲の平均圧縮残留応力を有することにより、表面被覆切削工具１の表面被覆層３におけるチッピングの発生を抑制することができ、表面被覆切削工具１の刃先の信頼性が向上し、これにより本発明の表面被覆切削工具１の寿命を長期化することができる。

なお、表面被覆層３の平均残留応力が０ＧＰａを超えて「正」の数値を有するようになると、表面被覆層３には引張残留応力が残るため、表面被覆層３の表面で発生したクラックの基材２方向への進展を抑制することができない傾向にある。

一方、表面被覆層３の平均残留応力が−８ＧＰａ未満となる場合には、圧縮残留応力が大きくなり過ぎて（すなわち、残留応力の絶対値が大きくなり過ぎる場合）、本発明の表面被覆切削工具１の切削開始前に表面被覆切削工具１のエッジ部から表面被覆層３が剥離して、本発明の表面被覆切削工具１の寿命が短くなるおそれがある。

なお、本発明において、表面被覆層３の平均残留応力とは、表面被覆層３全体の残留応力の平均値のことである。また、圧縮残留応力という記載と数値とを併記する場合は、数値に敢えてマイナスの符号を付さないで表記するものとする。

また、表面被覆層３の残留応力は、その厚み方向において変化し、基材２側から遠ざかるに従ってその残留応力の絶対値が大きくなること（特に、圧縮残留応力が大きくなること）が好ましい。表面被覆層３の表面に発生するクラックの基材２側への進展をより効果的に抑制することができるからである。

なお、本発明において、表面被覆層３の残留応力は、Ｘ線応力測定装置を用いたＳｉｎ²ψ法により測定することができる。

＜表面被覆層の結晶構造＞
本発明において表面被覆層３の結晶構造は立方晶であることが好ましい。表面被覆層３の結晶構造が立方晶である場合には、表面被覆層３の硬度が向上する傾向にある。たとえば、ＡｌＮは六方晶であるが、準安定層である立方晶となった場合の格子定数は０．４１２ｎｍであるのに対して、常温常圧で立方晶が安定層であるＣｒＮの格子定数は０．４１４ｎｍであり、立方晶の結晶構造をとるＡｌＮと格子定数が非常に近くなるため、その引き込み効果によってＡｌＮは立方晶化して高硬度化する。そのため、Ａ層６は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物とすることにより立方晶とすることが可能である。

このように、表面被覆層３を構成する各層のそれぞれの結晶構造を立方晶とすることにより、表面被覆層３の硬度が向上し、耐摩耗性に優れたものとなるため好ましい。なお、表面被覆層３を構成する各層の結晶構造はそれぞれ、当該分野で公知のＸ線回折装置により解析することができる。

＜表面被覆切削工具の製造方法＞
本発明の表面被覆切削工具１は、たとえば、基材２の表面上にＡ層６とＢ層７とを交互にそれぞれ１層以上積層して第１被覆層４を形成する工程と、Ｃ層８とＤ層９とを交互にそれぞれ１層以上積層して第２被覆層５を形成する工程とを含む方法によって表面被覆層３を形成することにより製造することができる。

ここで、Ａ層６、Ｂ層７、Ｃ層８およびＤ層９はそれぞれたとえば物理的蒸着法などによって形成することができる。ここで、物理的蒸着法としては、たとえば、カソードアークイオンプレーティング法、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からなる群から選択された少なくとも１種を用いることができる。

なお、表面被覆層３中に、第１被覆層４および第２被覆層５以外の層を形成する場合にも、たとえば上記のような物理的蒸着法により形成することができる。

本発明において、耐摩耗性を有する表面被覆層３を基材２の表面上に形成するためには、結晶性の高い化合物層を形成することが好ましいことがわかった。そこで、表面被覆層３の形成方法として種々の方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが好ましいことがわかった。

また、物理的蒸着法としては、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法またはアンバランスドマグネトロンスパッタリング法などを用いることができるが、特に、原料元素がイオン化率の高いカソードアークイオンプレーティング法が適していると考えられる。このようなカソードアークイオンプレーティング法を用いた場合には、表面被覆層３を形成する前に、基材２の表面に対して金属のイオンボンバーメント処理が可能となるため、基材２と表面被覆層３との密着性が格段に向上する観点からも好ましい。

ここで、カソードアークイオンプレーティング法は、たとえば、装置内に基材２を設置するとともにカソードとしてターゲットを設置した後に、ターゲットに高電流を印加してアーク放電させることによって、ターゲットを構成する原子を蒸発させ、イオン化させて、基材２の表面上に物質を堆積させることにより行なうことができる。

また、バランスドマグネトロンスパッタリング法は、たとえば、装置内に基材２を設置するとともに、平行な磁場を形成する磁石を備えたマグネトロン電極上にターゲットを設置し、マグネトロン電極と基材２との間に高周波電力を印加してガスプラズマを発生させ、このガスプラズマの発生により生じたガスのイオンをターゲットに衝突させてターゲットから放出された原子をイオン化させて基材２の表面上に堆積させることにより行なうことができる。

また、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法は、たとえば、上記のバランスドマグネトロンスパッタリング法におけるマグネトロン電極により発生する磁場を非平行にして行なうことができる。

＜表面被覆切削工具の用途＞
本発明の表面被覆切削工具１は、たとえば、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、刃切り工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等などに極めて有用に用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定するものでないことはいうまでもない。

＜表面被覆切削工具の作製＞
（１） 基材の洗浄
図５に、本実施例で用いたカソードアークイオンプレーティング装置の概略上面図を示し、図６に、図５に示すカソードアークイオンプレーティング装置の概略断面図を示す。

このカソードアークイオンプレーティング装置のチャンバ１０１内に、基材２としてグレードがＪＩＳ規格Ｐ３０の超合金であって形状がＪＩＳ規格のＳＰＧＮ１２０３０８であるチップを装着した。ここで、基材２は、チャンバ１０１内の中央に備え付けられた基材ホルダ１０４の外表面に取り付けられた。

また、チャンバ１０１には、表面被覆層３の金属原料となる合金製ターゲットであるＡ層形成用のカソード１０６、Ｂ層形成用のカソード１０７、Ｃ層形成用のカソード１２０およびＤ層形成用のカソード１２１が取り付けられている。

ここで、図６に示すように、Ａ層形成用のカソード１０６にはアーク電源１０８が取り付けられており、Ｂ層形成用のカソード１０７にはアーク電源１０９が取り付けられている。また、Ｃ層形成用のカソード１２０およびＤ層形成用のカソード１２１にもそれぞれアーク電源（図示せず）が取り付けられている。

また、基材ホルダ１０４には、バイアス電源１１０が取り付けられている。また、チャンバ１０１内には、ガス１０５を導入するためのガス導入口１０２が設けられているとともに、チャンバ１０１からガス１０５を排出するためのガス排出口１０３が設けられている。このガス排出口１０３から真空ポンプによってチャンバ１０１内のガス１０５を吸引できる構造となっている。

図５および図６に示す装置において、まず、真空ポンプによりチャンバ１０１内を減圧するとともに、基材ホルダ１０４の回転により基材２を回転させながら装置内に設置されたヒータ（図示せず）により基材２の表面温度を５００℃に加熱し、チャンバ１０１内の圧力が１．０×１０^-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。

次に、ガス導入口１０２からガス１０５（アルゴンガス）を導入して、チャンバ１０１内の圧力を３．０Ｐａに保持し、バイアス電源１１０の電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとし、基材２の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、チャンバ１０１内からアルゴンガスを排気した。

（２） 表面被覆層の形成
上記の基材２の洗浄に引き続き、表１に示す組成および膜厚の最下層を形成した。なお、実施例７〜９においては、最下層を形成しなかった。

次に、基材２を中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素を導入しながら、基材２の温度５００℃、反応ガス圧を３．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を−５０Ｖ〜−２００Ｖの範囲にある一定値に維持または徐々に変化しながらカソード１０６およびカソード１０７にそれぞれ１００Ａのアーク電流を供給した。これにより、カソード１０６およびカソード１０７からそれぞれ金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、基材２の表面上に表２に示す組成の第１被覆層４を形成した。ここで、第１被覆層４は、表２に示す組成および１層厚み（１層当たりの厚み）を有するＡ層およびＢ層をそれぞれ１層ずつ交互に表２に示す積層数だけ積層することによって作製した。なお、比較例１については表２に示すＡ層が１層のみ作製された。また、表２の右から２番目の膜厚（μｍ）の欄には第１被覆層４の１層当たりの厚さが記載されており、表２の右端の積層数（層）の欄には後述する第２被覆層５と交互に１層ずつ積層される第１被覆層４の積層数が記載されている。

次に、基材２の温度、反応ガス圧およびバイアス電圧を上記で維持したまま、カソード１２０およびカソード１２１にそれぞれ１００Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１２０およびカソード１２１からそれぞれ金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、第１被覆層４上に表３に示す組成の第２被覆層５を形成した。ここで、第２被覆層５は、表３に示す組成および１層厚み（１層当たりの厚み）を有するＣ層およびＤ層をそれぞれ１層ずつ交互に表３に示す積層数だけ積層することによって作製した。なお、比較例１〜２については第２被覆層５は形成されなかった。また、表３の右から２番目の膜厚（μｍ）の欄には第２被覆層５の１層当たりの厚さが記載されており、表３の右端の積層数（層）の欄には上述した第１被覆層４と交互に１層ずつ積層される第２被覆層５の積層数が記載されている。

そして、上記の第１被覆層４の形成作業と第２被覆層５の形成作業とを繰り返すことによって、第１被覆層４と第２被覆層５とを交互に積層した。その後、表４に示す組成および膜厚の最上層を形成して、上記の最下層、第１被覆層４、第２被覆層５および最上層を含む表５に示す表面被覆層３を形成した。なお、実施例９および比較例１〜２においては、最上層を形成しなかった。また、表面被覆層３中におけるＡ層６、Ｂ層７、Ｃ層８およびＤ層９のそれぞれの厚みについては基材２の回転速度で調整した。また、表５には、表面被覆層３全体の膜厚、硬度、圧縮残留応力および結晶構造がそれぞれ示されている。表５の圧縮残留応力の欄に示すように、実施例１〜１１および比較例１〜２のすべての表面被覆層３には圧縮残留応力が存在している。また、表５の結晶構造の欄に示すように、実施例１〜１１および比較例１〜２のすべての表面被覆層３の結晶構造は六方晶となっている。

＜表面被覆切削工具の寿命評価＞
上記で作製した実施例１〜１１および比較例１〜２の表面被覆切削工具（刃先交換型チップ）について、実際に表６に示す条件で乾式の連続切削試験および断続切削試験を行なうことによって刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その結果を表７に示す。なお、表７において、刃先の逃げ面摩耗量の値が小さい方が寿命がより長いことを示している。また、表７の断続切削の欄におけるチッピングの評価は断続切削試験中に表面被覆切削工具がチッピングしたことを示している。

表７に示すように、実施例１〜１１の表面被覆切削工具は、比較例１〜２の表面被覆切削工具と比べて、連続切削試験および断続切削試験のいずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減しており、表面被覆切削工具の寿命が大幅に長期化されることが確認された。

実施例１〜１１の表面被覆切削工具は、本発明の構成の表面被覆層３が基材２の表面上に形成されており、高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制することができたために、表面被覆切削工具の寿命が大幅に長期化したものと考えられる。

なお、表１〜表４に示される各層の組成はそれぞれＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）を用いて測定したものであり、表５に示される表面被覆層３全体の硬度はナノインデンター（ＭＴＳ社製のNano Indenter XP）により確認した値である。

また、表１〜表４に示される表面被覆層３を構成する各層の厚みおよび表５に示される表面被覆層３全体の厚みはＳＥＭまたはＴＥＭを用いて測定した値であり、表５に示される表面被覆層３全体の圧縮残留応力はＸ線残留応力測定装置を用いてＳｉｎ²ψ法（「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年 株式会社養賢堂発行）の第５４頁〜第６７頁参照）によって測定された値である。

以上のように、本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および実施例に記載された構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

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。

本発明によれば、表面被覆切削工具の寿命を長期化させることができる表面被覆切削工具を提供することができる。

本発明の表面被覆切削工具の一例の模式的な拡大断面図である。 図１のＸ−Ｘに沿った模式的な断面の一例である。 本発明に用いられる表面被覆層の一例の模式的な拡大断面図である。 本発明における表面被覆層の他の一例の模式的な拡大断面図である。 本実施例で用いたカソードアークイオンプレーティング装置の概略上面図である。 図５に示すカソードアークイオンプレーティング装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 表面被覆切削工具、２ 基材、３ 表面被覆層、４ 第１被覆層、５ 第２被覆層、６ Ａ層、７ Ｂ層、８ Ｃ層、９ Ｄ層、１０ 第１中間遷移層、１１ 第２中間遷移層、１０１ チャンバ、１０２ ガス導入口、１０３ ガス排出口、１０４ 基材ホルダ、１０５ ガス、１０６，１０７，１２０，１２１ カソード、１０８，１０９ アーク電極、１１０ バイアス電極。

Claims (8)

1. 基材と、前記基材の表面上に第１被覆層と第２被覆層とが交互に積層されてなる表面被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
   前記第１被覆層は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層されてなる第１交互層を含み、
   前記Ａ層はＡｌとＣｒとからなる窒化物からなり、前記Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｃｒの原子数の比は０．１よりも大きく０．４以下であり、
   前記Ｂ層はＡｌとＴｉとからなる窒化物からなり、前記Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｔｉの原子数の比は０．２以上０．６以下であって、
   前記第２被覆層は、Ｃ層とＤ層とが交互にそれぞれ１層以上積層されてなる第２交互層を含み、
   前記Ｃ層はＴｉとＳｉとからなる窒化物からなり、前記Ｃ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｓｉの原子数の比は０．０５よりも大きく０．３以下であり、
   前記Ｄ層はＴｉとＣｒとからなる窒化物からなり、前記Ｄ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｃｒの原子数の比は０．０５以上０．３以下であることを特徴とする、表面被覆切削工具。
2. 前記第１被覆層および前記第２被覆層のそれぞれの厚みが０．１μｍ以上１μｍ以下であ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Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層および前記Ｄ層のそれぞれの厚みが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記第１被覆層における前記Ａ層と前記Ｂ層との間に第１中間遷移層が形成されており、
   前記第１中間遷移層の組成は、前記第１中間遷移層の厚さ方向において、前記第１中間遷移層の下方に接する層の組成から前記第１中間遷移層の上方に接する層の組成に近づくように連続的に変化していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
5. 前記第２被覆層における前記Ｃ層と前記Ｄ層との間に第２中間遷移層が形成されており、
   前記第２中間遷移層の組成は、前記第２中間遷移層の厚さ方向において、前記第２中間遷移層の下方に接する層の組成から前記第２中間遷移層の上方に接する層の組成に近づくように連続的に変化していることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
6. 前記表面被覆層は、−８ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の平均残留応力を有していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
7. 前記表面被覆層の残留応力は、前記表面被覆層の厚さ方向において、前記基材から遠ざかるにしたがって前記残留応力の絶対値が大きくなることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
8. 前記表面被覆層の結晶構造は立方晶であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。

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