JP5382580B2 - 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、高速加工およびドライ加工でさらなる長寿命化を達成することができる表面被覆切削工具に関する。

最近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が求められていること、被削材が多様化していること、および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の理由から、表面被覆切削工具の刃先温度はますます高温になる傾向にある。その結果、表面被覆切削工具の寿命が短くなるため、表面被覆切削工具を構成する材料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長寿命化のために表面被覆切削工具を構成する材料に要求される特性としては、基材上に形成される被覆膜の安定性（被覆膜の耐酸化特性や密着性）は勿論のこと、被覆膜の耐摩耗性や潤滑性も重要となってくる。

表面被覆切削工具の耐摩耗性の改善のため、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼などの基材上に、ＴｉＡｌＮを単層または複数層積層して、被覆膜を形成することはよく知られている。しかしながら、最近の高速加工およびドライ加工においては、ＴｉＡｌＮのみからなる被覆膜では長寿命の表面被覆切削工具を得ることができないのが現状である。

このような問題を解決するため、特許文献１および特許文献２では、Ｔｉを主成分としてＳｉを適量含有した窒化物、炭窒化物、窒酸化物、または炭窒酸化物からなるＡ層と、ＴｉおよびＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物、または炭窒酸化物からなるＢ層とを交互に積層させた被覆膜を有する表面被覆切削工具が提案されている。特許文献１および特許文献２に記載されている表面被覆切削工具は、Ａ層に含まれるＳｉに起因して、最表面にＳｉを含有する緻密な酸化保護膜を形成し、当該酸化保護膜により被覆膜の酸化を防止することができ、耐熱性を有するＢ層の作用と相俟って、優れた耐摩耗性を有する被覆膜を形成することができる。

しかしながら、上記のＡ層の組成は、酸化防止の作用を奏する反面、被覆膜自体の圧縮残留応力を高くする組成でもあるため、被覆膜自体が自己破壊しやすく、基材または下層と被覆膜との密着性を十分に確保することができないという問題があった。

そこで、このような組成の異なる２層を交互に積層する方法以外の高速加工に対応する被覆膜の構成として、特許文献３には、ＡｌＴｉＳｉＣｒ（ＣＮ）を多層積層された構造の被覆膜が提案されている。しかしながら、このような元素の組成としても結晶制御の点で十分なものではなく、長寿命の表面被覆切削工具を得られていないのが現状である。

特開２０００−３３４６０６号公報 特開２０００−３３４６０７号公報 特開２００８−１６２００９号公報

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、高速加工およびドライ加工でさらなる長寿命化を達成す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、該基材上に形成された被覆膜とを備え、被覆膜は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮ（ただし、０．３≦ｂ≦０．６５、０．０２≦ｃ≦０．１５、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）からなるＡ層と、Ａｌ_dＣｒ_eＮ（ただし、０．２≦ｅ≦０．５、ｄ＋ｅ＝１）からなるＢ層とがそれぞれ交互に積層されて構成されており、Ａ層の厚みをλａとし、Ｂ層の厚みをλｂとすると、互いに接しているＡ層およびＢ層の厚みの比であるλａ／λｂの値は、基材に最も近い位置においては１．０≦λａ／λｂ≦１．７であり、基材側から被覆膜の表面側に向かって連続的および／または段階的に減少し、被覆膜の表面に最も近い位置においては０．６≦λａ／λｂ≦１．０となる表面被覆切削工具である。

また、本発明の表面被覆切削工具において、被覆膜は、Ｘ線回析における回析強度が、被覆膜の基材側では（２００）面で最大ピークを示し、被覆膜の表面側では（１１１）面で最大ピークを示すことが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具において、Ａ層の厚みλａおよびＢ層の厚みλｂはそれぞれ、０．５ｎｍ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、Ａ層の組成は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮ（ただし、０．３５≦ｂ≦０．５、０．０４≦ｃ≦０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）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、Ｂ層の組成は、Ａｌ_dＣｒ_eＮ（ただし、０．２５≦ｅ≦０．４、ｄ＋ｅ＝１）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、被覆膜上には、表面保護膜が形成されており、当該表面保護膜の組成は、Ａｌ_xＴｉ_yＳｉ_zＣＮ（ただし、０．３５≦ｙ≦０．６５、０．０２≦ｚ≦０．１５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）から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、被覆膜は、物理蒸着法により形成されることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具において、基材は、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、またはダイヤモンド焼結体からなる基材のいずれかであることが好ましい。

本発明によれば、高速加工およびドライ加工でさらなる長寿命化を達成す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。 本発明において被覆膜を構成するＡ層とＢ層の厚みの比（λａ／λｂ）の値が、基材から被覆膜の表面に向かって連続的に減少する場合の一例を示すグラフである。 本発明において被覆膜を構成するＡ層とＢ層の厚みの比（λａ／λｂ）の値が、基材から被覆膜の表面に向かって段階的に減少する場合の一例を示すグラフである。 本発明に用いられるカソードアークイオンプレーティング装置の概略を示す図である。 本発明の表面被覆切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。 本発明の表面被覆切削工具の図４と図５とは異なる態様の模式的な拡大断面図である。 本発明の表面被覆切削工具の図４〜図６とは異なる態様の模式的な拡大断面図である。

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。

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、本発明の表面被覆切削工具は、基材１と基材１上に形成された被覆膜２とを備え、被覆膜２は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮ（ただし、０．３≦ｂ≦０．６５、０．０２≦ｃ≦０．１５、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）からなるＡ層３と、Ａｌ_dＣｒ_eＮ（ただし、０．２≦ｅ≦０．５、ｄ＋ｅ＝１）からなるＢ層４とがそれぞれ交互に積層されて構成されている。Ａ層３の厚みをλａとし、Ｂ層４の厚みをλｂとすると、互いに接しているＡ層３とＢ層４との厚みの比であるλａ／λｂの値が、基材１に最も近い位置においては１．０≦λａ／λｂ≦１．７であり、基材１側から被覆膜２の表面側に向かって連続的および／または段階的に減少し、被覆膜２の表面に最も近い位置においては０．６≦λａ／λｂ≦１．０となっている。なお、Ａ層３およびＢ層４はそれぞれ１層以上形成される。

Ａ層３は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮ（ただし、０．３≦ｂ≦０．６５、０．０２≦ｃ≦０．１５、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）からなることを特徴とする。ここで、ＡｌＴｉに対してＳｉを添加することにより、被覆膜の硬度および耐熱性を大幅に向上させることができる。そして特に、Ａ層３を構成するＡｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮのＳｉの組成比を示すｃを０．０２≦ｃ≦０．１５とすることにより、被覆膜の圧縮応力の増加を抑制することができ、もって基材と被覆膜との密着性を向上させることができる。

ここで、本発明の表面被覆切削工具の被覆膜２を構成するＡ層３の厚み（Ａ層３の１層当たりの厚み）λａおよびＢ層４の厚み（Ｂ層４の１層当たりの厚み）λｂはそれぞれ０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内の厚みとすることが好ましい。Ａ層３およびＢ層４の厚みをこの範囲内とすることにより、被覆膜２の結晶粒が粗大化することなく、被覆膜を構成する結晶粒を微粒にし、高硬度なものとすることができる。Ａ層３の１層当たりの厚みλａおよびＢ層４の１層当たりの厚みλｂがそれぞれ０．５ｎｍ未満である場合には、Ａ層３およびＢ層４の形成がそれぞれ困難となる傾向にある。また、Ａ層３の１層当たりの厚みλａおよびＢ層４の１層当たりの厚みλｂがそれぞれ５０ｎｍを超える場合には、Ａ層３およびＢ層４のそれぞれの層の１層当たりの厚みが大きくなりすぎてＡ層３およびＢ層４を構成する結晶粒が粗大化し、高硬度な被覆膜２を得ることができない。

このようなＡ層３の組成は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮ（ただし、０．３５≦ｂ≦０．５、０．０４≦ｃ≦０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）からなることがより好ましい。このような組成にすることにより、基材１と被覆膜２との密着がより強固なものとなり、高速加工およびドライ加工でさらなる長寿命化を達成することが可能な表面被覆切削工具を得ることができる。

なお、Ａ層３を構成するＡｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮのＡｌの組成比ａは、Ａ層３におけるＡｌ（アルミニウム）とＴｉ（チタン）とＳｉ（ケイ素）との総原子数（以下、単に「総原子数」とも称する）に対するＡｌの原子数の比を意味し、Ｔｉの組成比ｂは、総原子数に対するＴｉの原子数の比を意味し、Ｓｉの組成比ｃは、総原子数に対するＳｉの原子数の比を意味する。

また、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮにおいて、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉの総原子数（すなわちａ＋ｂ＋ｃの和）とＮの原子数との比は１：１の場合を含むとともにこれのみに限られるものではなく、化学量論比から外れた比率のものであってもよいし、酸素等の不純物元素をさらに含むものであってもよく、従来公知の原子比を全て含むものであり、両者の原子比は特に限定されない。

また、Ｂ層４は、Ａｌ_dＣｒ_eＮ（ただし、０．２≦ｅ≦０．５、ｄ＋ｅ＝１）からなることを特徴とする。ここで、Ｂ層４を構成するＡｌ_dＣｒ_eＮのＡｌおよびＣｒはいずれも、耐熱性を向上させる元素であることから、従来のＴｉＡｌからなる被覆膜と対比して大幅に耐熱性を向上させることができ、これにより高速加工およびドライ加工でさらなる長寿命化を達成することが可能な表面被覆切削工具を得ることができる。

しかも、Ａｌの原子半径とＣｒの原子半径とは互いに近い値を有するため、上述のＡｌの組成比ｄの範囲内で可能な限りＡｌの含有量を増やしても、被覆膜中に立方晶のＡｌＮを形成することができるため、被覆膜の硬度が低下しにくい。

また、Ｂ層４を構成するＡｌ_dＣｒ_eＮのＣｒの組成比ｅを、０．２５≦ｅ≦０．４の範囲内の値とした場合には、Ｂ層４の耐熱性を顕著に向上させることができ、本発明の表面被覆切削工具の高速加工およびドライ加工における長寿命化を大幅に向上させることができる傾向が大きくなる点で好ましい。

なお、Ｂ層４を構成するＡｌ_dＣｒ_eＮのＡｌの組成比ｄは、Ｂ層４におけるＡｌ（アルミニウム）とＣｒ（クロム）の総原子数に対するＡｌの原子数の比を意味し、Ｃｒの組成比ｅは、Ｂ層４におけるＡｌ（アルミニウム）とＣｒ（クロム）の総原子数に対するＣｒの原子数の比を意味する。また、Ａｌ_dＣｒ_eＮにおいて、Ａｌ、およびＣｒの総原子数（すなわちｄ＋ｅの和）とＮの原子数との比は１：１の場合を含むとともにこれのみに限られるものではなく、化学量論比から外れた比率のものであってもよいし、酸素等の不純物元素をさらに含むものであってもよく、従来公知の原子比を全て含むものであり、両者の原子比は特に限定されない。

上述したように、Ｂ層４はＡｌ_dＣｒ_eＮから構成されるため、硬度、耐熱性および強度に優れるが、基材１上に形成される被覆膜２を硬度、耐熱性および強度に優れるＢ層４のみから形成した場合には、本発明の表面被覆切削工具の高速加工およびドライ加工における長寿命化に限界があった。

本発明者は、硬度、耐熱性、および応力バランスに優れるＡｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮ（ただし、０．３≦ｂ≦０．６５、０．０２≦ｃ≦０．１５、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）からなるＡ層３と、硬度、耐熱性、および強度に優れるＡｌ_dＣｒ_eＮ（ただし、０．２≦ｅ≦０．５、ｄ＋ｅ＝１）からなるＢ層４とをそれぞれ交互に積層してこれらの膜の特性を組み合わせることによって、耐摩耗性、強度、硬度および応力バランスのすべてを兼ね備えた被覆膜２の形成を試みたが、単純に積層しただけでは十分な耐摩耗性が得られず、本発明の表面被覆切削工具の高速加工およびドライ加工における長寿命化を図ることができなかった。

そこで、本発明者が鋭意検討した結果、被覆膜２を構成するＡ層３とＢ層４の厚みをそれぞれ被覆膜の厚み方向に沿って変化させることによって、耐摩耗性、強度、硬度および応力バランスのすべてを兼ね備えた被覆膜２を得ることができることが明らかとなった。

すなわち、被覆膜２を構成するＡ層３の厚みλａおよびＢ層４の厚みλｂにおいて、互いに接しているＡ層３とＢ層４との厚みの比であるλａ／λｂの値を基材１に最も近い位置においては１．０≦λａ／λｂ≦１．７の範囲内の値とし、基材側から被覆膜２の表面側に向かって連続的および／または段階的に減少させ、被覆膜２の表面に最も近い位置においては０．６≦λａ／λｂ≦１．０の範囲内の値とすることによって、耐摩耗性、強度、硬度および応力バランスのすべてを兼ね備えた被覆膜２を得ることができる。このような構成の被覆膜２を基材１上に備えることによって、高速加工およびドライ加工でさらなる長寿命化を達成した表面被覆切削工具を得ることができる。

このように本発明の表面被覆切削工具の被覆膜２の基材側においては、基材１との密着性に優れたＡ層３の厚みをＢ層４の厚みよりも厚くされることが好ましい。これは、被覆膜２の基材側では基材１との密着性に優れたＡ層３の厚みを厚くすることによって、耐欠損性の向上などの高速加工時およびドライ加工時における長寿命化に関する効果を向上させるためである。より具体的には、互いに接しているＡ層３の厚みλａとＢ層４の厚みλｂとの厚みの比であるλａ／λｂの値は、基材１に最も近い位置においては１．０≦λａ／λｂ≦１．７の範囲内の値とすることを要し、本発明の表面被覆切削工具の長寿命化を図る観点からは、１．２≦λａ／λｂ≦１．５の範囲内の値とされることがより好ましい。なお、基材１と被覆膜２との密着性を良好に保つという観点から、基材１の直上にまずＡ層３を形成してからＢ層４、Ａ層３というように順次被覆膜２を形成することが好ましい。

一方、本発明の表面被覆切削工具の被覆膜２の表面側においては、耐熱性に優れたＢ層４の厚みがＡ層３の厚みよりも厚くされることが好ましい。これは、被覆膜２の表面側では酸化防止に優れたＢ層４の厚みを厚くすることによって、Ｂ層４の酸化防止に起因する被覆膜２の表面からの酸化摩耗の低減などの高速加工時およびドライ加工時における長寿命化に関する効果を向上させるためである。さらに、被覆膜２の表面側においてＢ層４の厚みを厚くすることによって、被削材の加工品位を向上させることも可能である。ここで、被覆膜２の表面側におけるＡ層３の厚みおよびＢ層４の厚みについて、より具体的に説明すると、互いに接しているＡ層３の厚みλａとＢ層４の厚みλｂとの厚みの比であるλａ／λｂの値は、被覆膜２の表面側においては０．６≦λａ／λｂ≦１．０の範囲内の値とすることを要し、本発明の表面被覆切削工具の長寿命化を図る観点からは、０．７≦λａ／λｂ≦０．９の範囲内の値とされることがより好ましい。なお、被覆膜２の表面の酸化摩耗を防止するという観点から、被覆膜２の最表面はＢ層４であることが好ましい。

ここで、本発明において、「基材に最も近い位置」とは、基材と被覆膜との界面の直上のＡ層およびＢ層（Ａ層およびＢ層の積層順序は限定されない）の２層が占める部分のことを意味し、「被覆膜の表面に最も近い位置」とは、基材と被覆膜とが接する面とは反対側の被覆膜の表面に位置するＡ層およびＢ層（Ａ層およびＢ層の積層順序は限定されない）の２層が占める部分を意味することは言うまでもない。

なお、本発明において、「連続的に減少」とは、たとえば図２に示すように、基材から被覆膜の表面に向かってλａ／λｂの値が比例的に減少する場合が挙げられるが、比例的に減少する場合のみに限定されず、指数関数的に減少する場合や反比例的に減少する場合も含まれる。また、かかる「連続的に減少」とは、基材から被覆膜の表面に向かってλａ／λｂの値が常に減少する場合だけではなく、基材から被覆膜の表面に向かって全体として減少する傾向を示す限り、部分的に一定または増加する箇所を有していても、本発明の範囲を逸脱するものではない。

また、本発明において、「段階的に減少」とは、たとえば図３に示すように、基材から被覆膜の表面に向かってλａ／λｂの値が階段状に減少する場合が挙げられるが、図３に示す態様には限定されず、その段差（すなわち層厚比λａ／λｂの差）は図３に示したように一定でなくても良いし、部分的に増加する箇所を有していても本発明の範囲を逸脱するものではない。以上要するに、基材から被覆膜の表面に向かって全体として減少し、基材側と表面側の層厚比λａ／λｂが上述のように異なっていることが重要である。また、本発明においては、基材から被覆膜の表面に向かって、λａ／λｂの値が連続的に減少する箇所と段階的に減少する箇所とが入り混じっていてもよいし、Ａ層の組成とＢ層の組成とが入り混じっている変調層が形成されていてもよい。

本発明において、被覆膜２の全体の厚みは０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。被覆膜２の全体の厚みが０．５μｍ未満である場合には被覆膜２の耐摩耗性が低下するおそれがある。また、被覆膜２の全体の厚みが２０μｍを超える場合には、被覆膜２中に残存する圧縮応力に耐え切れずに、被覆膜２が自己破壊するおそれがある。なお、被覆膜２の耐摩耗性の低下および自己破壊を有効に防止する観点からは、被覆膜２の全体の厚みは２μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。

基材１の表面に設けられる被覆膜２の結晶配向性としては、Ｘ線回折における回折強度が被覆膜２の基材側では（２００）面で最大ピークを示し、被覆膜２の表面側では（１１１）面で最大ピークを示すことが好ましい。被覆膜２の基材側で（２００）面が最大ピークを示す場合、被覆膜２の基材側は圧縮応力が低くなり、基材１と被覆膜２との密着性を向上させることができる。一方、被覆膜２の表面側で（１１１）面が最大ピークを示す場合、被覆膜２の表面側は圧縮応力が高くなり、被覆膜２の表面の靭性を向上させるのに効果的である。

また、被覆膜２上には、Ａｌ_xＴｉ_yＳｉ_zＣＮ（ただし、０．３５≦ｙ≦０．６５、０．０２≦ｚ≦０．１５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる表面保護膜（図示せず）を設けることが好ましい。このように被覆膜２上にＡｌＴｉＳｉの炭窒化物からなる表面保護膜を設けることにより、被覆膜中に炭素が分散することとなり、Ａｌ_xＴｉ_yＳｉ_zの窒化物からなる表面保護膜に比べて被覆膜２の摩擦係数を低くすることができる。

なお、本発明において、Ａ層３、Ｂ層４、被覆膜２、表面保護膜（図示せず）などの厚みはそれぞれ、透過型電子顕微鏡観察により測定することが可能である。

本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、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、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。

本発明の表面被覆切削工具は、たとえば、ドリル、エンドミル、フライス加工用スローアウェイチップ、旋削加工用スローアウェイチップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップなどとして好適に用いることができる。

本発明の表面被覆切削工具を作製する方法としては、結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスを用いて基材１上に被覆膜２を形成することが好ましい。そこで、種々の成膜プロセスを検討した結果、物理蒸着法を用いて被覆膜２を形成することが好ましいことが判明した。物理蒸着法としては、たとえば、スパッタリング法またはイオンプレーティング法などが挙げられるが、特に、原料となる元素のイオン化率が高いカソードアークイオンプレーティング法が最も好ましい。基材１の表面上に直接被覆膜２を形成するための成膜プロセスとして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、被覆膜２の形成前に基材１の表面に対して金属イオンおよび／またはガスイオンによるイオンボンバードメント処理が可能となるため、基材１と被覆膜２との密着性が格段に向上する傾向にある。

ここで、アークイオンプレーティング法を用いて被覆膜２を成膜する場合、成膜中に基材１のバイアス電圧を連続的または段階的に変化させることにより、被覆膜２の結晶配向性および応力を制御することができる。基材付近の結晶配向性の測定は、被覆膜の表面から機械的研磨により部分的に被覆膜を除去することにより、所望の部位で測定することができる。また、被覆膜の断面を電子後方散乱回折像法（ＥＢＳＤ：Electron Back Scatter Diffraction Patterns）により結晶方位を測定し、基材近傍と表面近傍の結晶配向を同定する方法を用いることもできる。

以下に、本発明において、基材１上に被覆膜２を形成する方法の一例について説明する。この例は、カソードアークイオンプレーティング法により被覆膜２を形成する方法の一例である。

まず、図４にその概略を示したカソードアークイオンプレーティング装置１０を用意する。

ここで、カソードアークイオンプレーティング装置１０は、第１アーク蒸発源１３、第２アーク蒸発源１４および第３アーク蒸発源１５という３つのアーク蒸発源とともに、回転テーブル１１、ヒータ１２およびガス導入口１６を有している。

まず、回転テーブル１１に基材１をセットするとともに、第１アーク蒸発源１３としてＡｌＴｉＳｉターゲットを、第２アーク蒸発源１４としてＡｌＣｒターゲットをセットする。

次に、カソードアークイオンプレーティング装置１０内を真空引きした後にアルゴンをガス導入口１６から導入し、アルゴン中でグロー放電を発生させることによってアルゴンイオンを生成する。そして、当該アルゴンイオンによって、基材１の表面をスパッタクリーンニング（ボンバード）する。

その後、カソードアークイオンプレーティング装置１０からアルゴンを排気した後に回転テーブル１１を回転させ、第１アーク蒸発源１３としてのＡｌＴｉＳｉターゲットおよび第２アーク蒸発源１４としてのＡｌＣｒターゲットをそれぞれイオン化させる。それと同時に、反応ガスとなる窒素をガス導入口１６からカソードアークイオンプレーティング装置１０内に導入し、基材１上にＡ層３およびＢ層４を交互に積層して被覆膜２を形成する。

ここで、基材１が第１アーク蒸発源１３の前を通るときにはＡ層３が積層され、第２アーク蒸発源１４の前を通るときにはＢ層４が積層されるため、基材１上にＡ層３とＢ層４とを交互に積層することができる。

また、基材１上への被覆膜２の形成開始直後においては、第１アーク蒸発源１３のアーク電流を第２アーク蒸発源１４のアーク電流よりも大きくすることによって、第１アーク蒸発源のＡｌＴｉＳｉターゲットがＡｌＣｒターゲットよりも高濃度にイオン化することとなり、Ａ層３の厚みλａをＢ層４の厚みλｂよりも厚く形成することができる。すなわちたとえば、第１アーク蒸発源１３のアーク電流をたとえば２００Ａとし、第２アーク蒸発源１４のアーク電流をたとえば１２０Ａとして、基材１上にＡ層３およびＢ層４を交互に積層することにより、基材１に最も近い位置において互いに接しているＡ層３の厚みλａがＢ層４の厚みλｂよりも厚くなり、Ａ層３の厚みλａとＢ層４の厚みλｂとの厚みの比であるλａ／λｂの値を１．０≦λａ／λｂ≦１．７の範囲内の値とすることができる。

その後は、第１アーク蒸発源１３のアーク電流を連続的または段階的に小さくしながらＡ層３を形成することにより、基材側から被覆膜の表面側に向かって連続的または段階的にＡ層３の厚みλａを薄くすることができる。他方、第２アーク蒸発源１４のアーク電流を連続的または段階的に大きくしながらＢ層４を形成することにより、基材側から被覆膜の表面側に向かって連続的または段階的にＢ層の厚みλｂを厚くすることができる。

このように第１アーク蒸発源１３および第２アーク蒸発源１４のアーク電流を調整しながらＡ層３およびＢ層４を交互に積層することにより、Ａ層およびＢ層の厚みの比であるλａ／λｂの値を基材側から被覆膜の表面側に向かって連続的および／または段階的に減少させることができる。

そして、被覆膜２の表面に最も近い位置においては、第１アーク蒸発源１３のアーク電流を第２アーク蒸発源１４のアーク電流よりも小さくすることによって、被覆膜２の表面に最も近い位置において互いに接しているＡ層３の厚みλａがＢ層４の厚みλｂよりも薄くなり、被覆膜２の表面に最も近い位置で互いに接しているＡ層３の厚みλａとＢ層４の厚みλｂとの厚みの比であるλａ／λｂの値を０．６≦λａ／λｂ≦１．０の範囲内の値とすることができる。

ここで、上記で例示した基材１上に被覆膜２を形成する方法の一例において、Ａ層３およびＢ層４のそれぞれの１層当たりの厚みは、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内の厚みであるため、回転テーブル１１の回転数、第１アーク蒸発源１３のアーク電流および第２アーク蒸発源１４のアーク電流などを制御することにより、Ａ層３の１層当たりの厚みλａおよびＢ層４の１層当たりの厚みλｂのそれぞれの厚みを制御することが可能である。

また、被覆膜２の成膜開始直後の基材のバイアス電圧を−５０Ｖ以下とすることにより、被覆膜２の基材側のＸ線回析における回析強度が（２００）面で最大ピークを示すような結晶配向となり、圧縮応力が低く、密着性に優れた被覆膜２を形成することができる。なお、本発明においてバイアス電圧の大小は、その絶対値の大小を意味するものとする。したがって、たとえば「−５０Ｖ以下」という表現は、−４０Ｖや−３０Ｖのような数値を意味する。

そして、被覆膜２の成膜中は連続的または段階的にバイアス電圧を増加させて、最終的に被覆膜を成膜するときのバイアス電圧を−１００Ｖ以上にすることにより、被覆膜２の表面側のＸ線回析における回析強度が（１１１）面で最大ピークを示すような結晶配向とすることができ、これにより圧縮応力が高く、かつ高強度な被覆膜２を形成することができる。

このように被覆膜の基材側のＸ線回析における回析強度が（２００）面で最大ピークを示し、かつ被覆膜の表面側のＸ線回析における回析強度が（１１１）面で最大ピークを示すように被覆膜の結晶配向性を制御することにより、基材１と被覆膜２との密着性を良好に保ちつつ、被覆膜２の表面を高強度にすることができ、もって高速加工およびドライ加工で長寿命化な表面被覆切削工具を得ることができる。

なお、上記の図１に示す構成の表面被覆切削工具においては、基材１上にまずＡ層３を形成した後にＢ層４を形成し、その後、Ａ層３とＢ層４とを交互に積層していき、最後にＢ層４を形成することによって被覆膜２を形成しているが、この構成に限定されないことは言うまでもない。ただし、このように基材１の直上にＡ層３を形成することにより、基材１と被覆膜２との密着性を良好に保つことができる。

ここで、本発明の表面被覆切削工具は、図１の模式的拡大断面図に示す構成に限られるものではなく、たとえば図５の模式的拡大断面図に示す構成の表面被覆切削工具のように、基材１上にまずＢ層４を形成した後にＡ層３を形成し、その後、Ｂ層４とＡ層３とを交互に積層していき、最後にＡ層３を形成することによって被覆膜２を形成してもよい。

また、たとえば、図６の模式的拡大断面図に示す構成の表面被覆切削工具のように、基材１上にまずＢ層４を形成した後にＡ層３を形成し、その後、Ｂ層４とＡ層３とを交互に積層していき、最後にＢ層４を形成することによって被覆膜２を形成してもよい。

また、たとえば、図７の模式的拡大断面図に示す構成の表面被覆切削工具のように、基材１上にまずＡ層３を形成した後にＢ層４を形成し、その後、Ａ層３とＢ層４とを交互に積層していき、最後にＡ層３を形成することによって被覆膜２を形成してもよい。

上記のように被覆膜を形成した後に、当該被覆膜上に表面保護膜を形成することが好ましく、当該表面保護膜は、Ａｌ_xＴｉ_yＳｉ_zＣＮ（ただし、０．３５≦ｙ≦０．６５、０．０２≦ｚ≦０．１５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなることが好ましい。このように被覆膜の表面に表面保護膜を設け、当該表面保護膜が潤滑機能を持つことにより、工具の刃先温度を低下させ被覆膜の酸化を防ぐことができるとともに、被削材が切れ刃に溶着することを防ぐことができ、加工品位の向上がさらに促進される傾向にある。なお、表面保護膜を構成するＡｌ_xＴｉ_yＳｉ_zＣＮにおけるＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）およびＳｉ（ケイ素）と、Ｃ（炭素）およびＮ（窒素）との組成比は１：１の場合を含むとともにこれのみに限られるものではなく、化学量論比から外れた比率のものであってもよい。

このような表面保護膜を形成するためには、通常のアークイオンプレーティング法の成膜条件（バイアス電圧−３０Ｖ〜−１００Ｖ程度）では、反応ガスであるメタンやアセチレンガスが十分に分解されないため、緻密なＡｌＴｉＳｉの炭窒化物を得ることができない。これにより表面保護膜の構造は、部分的に炭素が析出した構造になり、所望の耐熱性および強度を有する表面被覆切削工具を得ることができない。

そこで、表面保護膜の成膜条件に関して種々の検討をした結果、耐熱性、潤滑性を備えた緻密な表面保護膜を成膜するためには、成膜時の基材のバイアス電圧を−２００Ｖ以上といった非常に高い値にすることが好ましいことが明らかとなった。このように成膜時の基材のバイアス電圧を非常に高い値にすることにより、反応ガスであるメタンやアセチレンガスが十分に分解されることとなり、緻密なＡｌＴｉＳｉの炭窒化物からなる表面保護膜を形成することができる。

以下のようにして、実施例１〜実施例１５および比較例１〜比較例１３のそれぞれの表面被覆切削工具を作製し、それぞれの表面被覆切削工具の寿命について評価した。

また、各実施例および各比較例の表面被覆切削工具の被覆膜の構成を表１に示す。また、それぞれの表面被覆切削工具の寿命についての評価結果を表２に示す。

なお、表１の「組成」の欄は、表面被覆切削工具の被覆膜を構成するＡ層とＢ層の材料組成を示している。また、比較例１２〜１３の表面被覆切削工具の被覆膜は、単一組成の被覆膜を形成している。

また、表１の「基材に最も近い位置」の欄は、表面被覆切削工具の被覆膜を構成するＡ層およびＢ層のうち、基材に最も近い位置において互いに接しているＡ層の厚みλａ、Ｂ層の厚みλｂおよびその比λａ／λｂを示している。なお、「ＸＲＤピーク」の欄には、被覆膜の基材側のＸ線回析における回析強度が最大ピークを示す面を示している。

また、表１の「表面に最も近い位置」の欄は、表面被覆切削工具の被覆膜を構成するＡ層およびＢ層のうち、被覆膜の表面に最も近い位置において互いに接しているＡ層の厚みλａ、Ｂ層の厚みλｂおよびその比λａ／λｂを示している。

また、表１の「λａ／λｂの減少」の欄は、表面被覆切削工具の被覆膜を構成して互いに接しているＡ層の厚みλａとＢ層の厚みλｂとの比λａ／λｂの値が基材側から表面側に向かって、連続的または段階的に減少していることを示している。なお、表１の「連続的」とは、たとえば図２に示すように基材側から被覆膜の表面側に向かってλａ／λｂの値が減少する態様のことを示し、「段階的」とは、たとえば図３に示すように基材から表面に向かってλａ／λｂの値が減少する態様のことを示している。

また、表１の「ＸＲＤピーク」の欄は、表面被覆切削工具の被覆膜の基材側または被覆膜の表面側を、Ｘ線回析における回析強度を測定したときの最大ピーク強度を示した面を示している。

（実施例１）
図４に示すカソードアークイオンプレーティング装置１０の回転テーブル１１に、基材１をセットするとともに、第１アーク蒸発源１３としてＡｌ_0.55Ｔｉ_0.4Ｓｉ_0.05ターゲットをセットし、第２アーク蒸発源１４としてＡｌ_0.7Ｃｒ_0.3ターゲットをセットした。

基材としては、超硬合金製エンドミル（φ１０、６枚刃）、超硬合金製ドリル（φ８）、Ｐ２０相当超硬合金製フライス加工用スローアウェイチップ（形状：ＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ−Ｇ）の３種類を準備し、それぞれに表１の実施例１の欄に示した被覆膜を成膜した。以下に、実施例１の被覆膜を形成する過程を説明する。

まず、カソードアークイオンプレーティング装置１０内を真空引きした後にアルゴンをガス導入口１６から導入し、その真空度を３Ｐａに維持しながら基材１を４５０℃まで加熱した。

次に、基材１にバイアス電圧を徐々に印加しながらバイアス電圧を−１０００Ｖまで上げてアルゴン中でグロー放電を発生させることにより、アルゴンイオンによる基材１の表面のクリーニング処理を１５分間行なった。そして、上記クリーニング処理後にカソードアークイオンプレーティング装置１０からアルゴンを排気した。これにより、基材１の表面がスパッタクリーニングされた。

次に、窒素をガス導入口１６からカソードアークイオンプレーティング装置１０内に導入した後、基材１に−５０Ｖのバイアス電圧を印加した状態で、回転テーブル１１を３ｒｐｍの回転速度で回転させ、第１アーク蒸発源１３および第２アーク蒸発源１４にそれぞれアーク電流を流してアーク放電によりイオン化させ、基材１の表面上にＡｌ_0.55Ｔｉ_0.4Ｓｉ_0.05ＮからなるＡ層とＡｌ_0.7Ｃｒ_0.3ＮからなるＢ層とを交互に積層した。

ここで、基材１が第１アーク蒸発源１３の前を通るときにはＡ層が積層され、第２アーク蒸発源１４の前を通るときにはＢ層が積層された。被覆膜の形成開始直後は、第１アーク蒸発源１３に流れるアーク電流を２００Ａ、第２アーク蒸発源１４に流れるアーク電流を１５０Ａとして、基材１に最も近い位置において互いに接するＡ層およびＢ層の厚みの比がλａ／λｂ＝１．３３を満たすようにＡ層およびＢ層を形成した。そして、Ａ層およびＢ層の形成の進行に伴って、第１アーク蒸発源１３に流れるアーク電流については連続的に減少させるとともに、第２アーク蒸発源１４に流れるアーク電流については連続的に増加させることによって、λａ／λｂの値を連続的に減少させながら、Ａ層およびＢ層をそれぞれ１層ずつ交互に順次積層していった。そして、被覆膜の表面に最も近い位置において互いに接するＡ層およびＢ層の形成時においては、第１アーク蒸発源１３に流れるアーク電流を１５０Ａ、第２アーク蒸発源１４に流れるアーク電流を２００Ａとして、λａ／λｂ＝０．７５を満たすＡ層およびＢ層を形成した。

なお、Ａ層およびＢ層の形成は、基材１の表面上にまずＡ層を形成し、その後Ｂ層を形成することにより、Ａ層およびＢ層を順次交互に形成した後、最後にＢ層が設置されるように行なった。そして、Ａ層およびＢ層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置１０内のガスおよび窒素を排気した。

次に、カソードアークイオンプレーティング装置１０内に窒素とメタンの混合ガスを導入し、基材１に−２００Ｖのバイアス電圧を印加した状態で、第１アーク蒸発源１３にアーク電流を流してアーク放電によりイオン化させ、被覆膜２上にＡｌ_0.55Ｔｉ_0.4Ｓｉ_0.05ＣＮからなる表面保護膜を形成することにより表面被覆切削工具を作製した。このようにして作製された表面被覆切削工具の被覆膜の厚みは４．５μｍであり、表面保護膜の厚みは、０．３μｍであった。

また、上記の方法により作製された表面被覆切削工具において、被覆膜の基材側（基材１と被覆膜２との界面からＡ層およびＢ層がそれぞれ２０層積層される部分）および表面側（被覆膜２の表面からＡ層およびＢ層がそれぞれ２０層積層される部分）に対し、Ｘ線回析における回析強度を測定したところ、被覆膜の基材側は（２００）面で最大ピーク強度を示し、被覆膜の表面側は（１１１）面で最大ピーク強度を示した。なお、被覆膜の基材側に対する回析強度の測定は、被覆膜表面から被覆膜を部分的に機械的研磨により除去し、被覆膜の基材側の部分（基材１と被覆膜２との界面からＡ層およびＢ層がそれぞれ２０層積層される部分）を露出させた上で、その露出部位を測定することにより行なった。

そして、上記のようにして作製したエンドミル、ドリルおよびフライス加工用スローアウェイチップのそれぞれについて、以下の切削試験を行ない、表面被覆切削工具の寿命の評価を行なった。その評価結果を表２に示す。

（ｉ）エンドミル切削試験
被削材としてＳＫＤ１１（ＨＲＣ６１）を用い、被削材の側面切削をダウンカットで、切削速度が２００ｍ／ｍｉｎ、送り量が０．０２５ｍｍ／刃、切り込み量ａ_p＝１０ｍｍ、切り込み量ａ_e＝０．６ｍｍの条件で、エアブローをしながら切削を行なった。そして、切削長５０ｍ時点での切れ刃外周の摩耗幅（ｍｍ）を表面被覆切削工具の寿命として評価した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れていることを示している。

（ｉｉ）ドリル切削試験
被削材としてＳ５０Ｃを用い、被削材の穴加工を、切削速度が８０ｍ／ｍｉｎ、送り量が０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、切削油なしの条件で、穴深さが３０ｍｍの貫通穴を形成することにより行なった。そして、切削長３０ｍ時点での先端マージン部の摩耗幅（ｍｍ）を表面被覆切削工具の寿命として評価した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れていることを示している。

（ｉｉｉ）フライス加工用スローアウェイチップ切削試験
被削材としてＳＣＭ４３５（Ｌ３００ｍｍ×Ｗ２００ｍｍのブロック材）を用い、切削速度が３００ｍ／ｍｉｎ、送り量が０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み量が１．５ｍｍ、切削油なしの条件で行なった。そして、切削時間１５分時点での表面被覆切削工具の逃げ面の摩耗幅（ｍｍ）を表面被覆切削工具の寿命として評価した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れていることを示している。

（実施例２〜１５、比較例１〜１１）
実施例２〜１５および比較例１〜１１の表面被覆切削工具は、実施例１の被覆膜に対して、Ａ層３の組成、Ｂ層４の組成、Ａ層３の１層当たりの厚みλａ、Ｂ層４の１層当たりの厚みλｂ、被覆膜の基材側に最も近い位置におけるＸＲＤピークの結晶配向性、被覆膜の表面側に最も近い位置におけるＸＲＤピークの結晶配向性、表面保護膜の形成の有無等が表１に示すように異なることを除き、実施例１と同様の方法により作製した。

たとえば、実施例２では、第１アーク蒸発源１３としてＡｌ_0.57Ｔｉ_0.38Ｓｉ_0.05ターゲットをセットするとともに、第２アーク蒸発源１４としてＡｌ_0.63Ｃｒ_0.37ターゲットをセットし、実施例１と同様の方法により基材１の表面のクリーニング処理を行なった。次に、窒素をガス導入口１６からカソードアークイオンプレーティング装置１０内に導入した後、基材１に−５０Ｖのバイアス電圧を印加した状態で、回転テーブル１１を３ｒｐｍの回転速度で回転させ、基材１の表面上にＡｌ_0.57Ｔｉ_0.38Ｓｉ_0.05ＮからなるＡ層とＡｌ_0.63Ｃｒ_0.37ＮからなるＢ層とを交互に積層した。

ここで、実施例２における被覆膜の成膜条件としては、被覆膜の形成開始直後は、第１アーク蒸発源１３に流れるアーク電流を１８０Ａ、第２アーク蒸発源１４に流れるアーク電流を１２０Ａとし、基材１に最も近い位置において互いに接するＡ層およびＢ層の厚みの比がλａ／λｂ＝１．５０を満たすようにＡ層およびＢ層を形成した。そして、Ａ層およびＢ層の形成の進行に伴って、第１アーク蒸発源１３に流れるアーク電流については段階的に減少させるとともに、第２アーク蒸発源１４に流れるアーク電流については段階的に増加させることによって、λａ／λｂの値を段階的に減少させながら、Ａ層およびＢ層をそれぞれ１層ずつ交互に順次積層していった。そして、被覆膜の表面に最も近い位置において互いに接するＡ層およびＢ層の形成時においては、第１アーク蒸発源１３に流れるアーク電流を１２０Ａ、第２アーク蒸発源１４に流れるアーク電流を１８０Ａとして、λａ／λｂ＝０．６７を満たすＡ層およびＢ層を形成した。

（比較例１２）
図４に示す回転テーブル１１に基材１をセットするとともに、第１アーク蒸発源１３としてＡｌ_0.55Ｔｉ_0.4Ｓｉ_0.05ターゲットをセットし、第２アーク蒸発源１４および第３アーク蒸発源１５としてはそれぞれ何もセットしなかった。

その後は、実施例１と同様の方法により基材上に４．０μｍの厚みのＡｌ_0.55Ｔｉ_0.4Ｓｉ_0.05Ｎの単層からなる被覆膜を形成し、表面被覆切削工具として、エンドミル、ドリルおよびフライス加工用スローアウェイチップをそれぞれ作製した。

（比較例１３）
比較例１３の表面被覆切削工具は、比較例１２の被覆膜の組成をＡｌ_0.7Ｃｒ_0.3Ｎにしたことを除き、比較例１２と同様の方法により作製した。

実施例２〜１５および比較例１〜１３の表面被覆切削工具について、実施例１と同様にして、切削試験を行ない、表面被覆切削工具の寿命の評価を行なった。その評価結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例１〜実施例１５の表面被覆切削工具は、比較例１〜比較例１３の表面被覆切削工具と比べて、高速加工および／またはドライ加工である上記の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の切削試験においていずれも長寿命であって、高速加工およびドライ加工のいずれにも十分に対応することができることが確認された。

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、上述の各実施の形態および実施例の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。

１ 基材、２ 被覆膜、３ Ａ層、４ Ｂ層、１０ カソードアークイオンプレーティング装置、１１ 回転テーブル、１２ ヒータ、１３ 第１アーク蒸発源、１４ 第２アーク蒸発源、１５ 第３アーク蒸発源、１６ ガス導入口。

Claims (7)

1. 基材と、
   前記基材上に形成された被覆膜とを備え、
   前記被覆膜は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮ（ただし、０．３≦ｂ≦０．６５、０．０２≦ｃ≦
   ０．１５、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）からなるＡ層と、Ａｌ_dＣｒ_eＮ（ただし、０．２≦ｅ≦０．５、ｄ＋ｅ＝１）からなるＢ層とがそれぞれ交互に積層されて構成されており、
   前記Ａ層の厚みをλａとし、前記Ｂ層の厚みをλｂとすると、
   互いに接している前記Ａ層および前記Ｂ層の厚みの比であるλａ／λｂの値は、前記基材に最も近い位置においては１．０＜λａ／λｂ≦１．７であり、前記基材側から前記被覆膜の表面側に向かって連続的および／または段階的に減少し、前記被覆膜の表面に最も近い位置においては０．６≦λａ／λｂ≦１．０であり、
   前記被覆膜は、Ｘ線回析における回析強度が、被覆膜の基材側では（２００）面で最大ピークを示し、被覆膜の表面側では（１１１）面で最大ピークを示すことを特徴とする、表面被覆切削工具。
2. 前記Ａ層の厚みλａおよび前記Ｂ層の厚みλｂはそれぞれ、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ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層の組成は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＮ（ただし、０．３５≦ｂ≦０．５、０．０４≦
   ｃ≦０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）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Ｂ層の組成は、Ａｌ_dＣｒ_eＮ（ただし、０．２５≦ｅ≦０．４、ｄ＋ｅ＝１）であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 前記被覆膜上には、表面保護膜が形成されており、
   前記表面保護膜の組成は、Ａｌ_xＴｉ_yＳｉ_zＣＮ（ただし、０．３５≦ｙ≦０．６５、
   ０．０２≦ｚ≦０．１５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）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. 前記被覆膜は、物理蒸着法により形成され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. 前記基材は、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、またはダイヤモンド焼結体からなる基材のいずれか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。

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