JP7410383B2 - 被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、エンドミル等の被覆切削工具に関する。

ＡｌＣｒＳｉの窒化物又は炭窒化物は、耐熱性と耐摩耗性に優れる膜種であり、被覆切削工具に適用されている。本願出願人は、特許文献１～３において、Ｓｉの含有比率を高めて皮膜組織を微細化したＡｌＣｒＳｉの窒化物又は炭窒化物を提案している。特許文献１～３に開示されている被覆切削工具の中でも、上層にＴｉＳｉの窒化物又は炭窒化物を設けた被覆切削工具は、耐摩耗性が非常に優れており、高硬度鋼の切削加工において優れた耐久性を有する。

国際公開第２０１５／１４１７４３号 国際公開第２０１４／１５６６９９号 特開２０１６－０７８１３１号公報

本発明者は、Ｓｉ含有比率が高く皮膜組織を微細化したＡｌＣｒＳｉの窒化物又は炭窒化物の上にＴｉＳｉの窒化物又は炭窒化物を設けた被覆切削工具は、高硬度鋼の切削加工においてＣＢＮ工具と比べても同等以上の耐摩耗性を示す傾向にあることを確認した。但し、工具径が１ｍｍ未満、更には工具径が０．５ｍｍ未満の小径工具に適用した場合、耐久性に改善の余地があることを本発明者は確認した。

本発明の１つの態様による被覆切削工具は、基材の表面に、金属（半金属を含む）元素の総量でＡｌの含有比率が５０原子％以上、Ｃｒの含有比率が２０原子％以上、ＡｌとＣｒの合計の含有比率が８５原子％以上、Ｓｉの含有比率が４原子％以上１５原子％以下の窒化物又は炭窒化物である面心立方格子構造のＡ層と、前記Ａ層の上に設けられる金属（半金属を含む）元素の総量でＴｉの含有比率が７０原子％以上９０原子％以下、Ｓｉの含有比率が５原子％以上２０原子％以下である窒化物又は炭窒化物であり面心立方格子構造であるＢ層とを有する。前記基材は、ＷＣ基超硬合金であり、前記Ａ層は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、ｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度をＩｈ、ｆｃｃ構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピーク強度と、ｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度との合計をＩｓとした場合、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たし、結合相としてＣｏを３質量％以上６質量％以下で含有し、質量比率でＶ／Ｃｏが０．８～３％、Ｃｒ／Ｃｏが５～２０％の関係を満たし、ビッカース硬さが２０００以上である。

本発明の１つの態様によれば、耐久性に優れる被覆切削工具が提供される。

上記態様では、被覆切削工具の耐久性を改善することが可能となる。よって、例えば高硬度なプリハードン鋼の加工においても、金型製作のリードタイム短縮、金型の高精度化が期待され、産業上極めて有効である。

実施例１の切削加工後の表面観察写真である。 比較例１０の切削加工後の表面観察写真である。

本発明者は、皮膜組織を微細化したＡｌＣｒＳｉの窒化物又は炭窒化物の上層にＴｉＳｉの窒化物又は炭窒化物を設けた被覆切削工具について、基材であるＷＣ基超硬合金のＣｏとＶの含有比率を低くすることで、高硬度鋼のミーリング加工において、耐久性が一層向上することを見出し、発明に到達した。以下、本発明の実施形態の詳細について説明する。

本発明の実施形態に係る被覆切削工具は、基材と、基材の表面に配置されたＡ層と、Ａ層の上に設けられるＢ層とを有する。本実施形態の被覆切削工具には、必要に応じて、基材と硬質皮膜との間に配置される中間皮膜、Ａ層とＢ層の間に配置される中間皮膜、Ｂ層の上層に配置される保護皮膜等の他の膜が付与されていてもよい。

まず、硬質皮膜について説明する。
Ａ層は、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物である。ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物は優れた耐摩耗性と耐熱性を有する膜種であり、被覆切削工具に適用することで耐久性を高めることができる。Ａ層の構成材料は、より好ましくは耐熱性に優れる窒化物である。
Ａｌは耐熱性を付与する元素である。硬質皮膜に対して、より優れた耐熱性を付与するために、Ａ層は、金属（半金属を含む、以下同様。）元素の含有比率（原子％、以下同様。）でＡｌを５０％以上にする。更には、Ａ層のＡｌの含有比率を５５％以上とすることが好ましい。一方、Ａ層のＡｌの含有比率が大きくなり過ぎると、六方最密充填構造（ｈｃｐ構造、以下同様。）が主体となり、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、Ａ層のＡｌの含有比率を７０％以下とすることが好ましい。

ＣｒはＡ層の結晶構造を面心立方格子構造（ｆｃｃ構造、以下同様。）とし、被覆切削工具としての耐摩耗性と耐熱性を向上させる元素である。Ａ層のＣｒの含有比率が少なくなり過ぎると、耐摩耗性と耐熱性が低下するとともに、ｈｃｐ構造が主体となり、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、Ａ層のＣｒの含有比率は２０％以上にする。更には、Ａ層のＣｒの含有比率は３０％以上であることが好ましい。一方、Ａ層のＣｒの含有比率が大きくなり過ぎると、耐熱性が低下する傾向になる。そのため、Ａ層のＣｒの含有比率を４５％以下とすることが好ましい。
Ａ層は、耐熱性および耐摩耗性を高いレベルで両立させるため、ＡｌとＣｒの合計の含有比率を８５％以上とする。更には、Ａ層のＡｌとＣｒの合計の含有比率を９０％以上とすることが好ましい。Ａ層のＡｌとＣｒの合計の含有比率は、９６％以下であることが好ましく、９５％以下であることがより好ましい。

Ｓｉは、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物の組織を微細化するために重要な元素である。Ｓｉを含有していないＡｌＣｒＮおよびＳｉ含有比率が小さいＡｌＣｒＳｉＮは柱状粒子が粗大となる。このような組織形態の硬質皮膜は皮膜破壊の起点となる結晶粒界が多くなるため、被覆切削工具の逃げ面摩耗が増大する傾向にある。一方、一定量のＳｉを含有したＡｌＣｒＳｉＮは組織が微細化し、例えば、電子顕微鏡による断面観察（２０，０００倍）において明確な柱状粒子が観察され難くなる。このような組織形態の硬質皮膜は、破壊の起点となる柱状粒界が少なくなり、被覆切削工具の逃げ面摩耗を抑制することができる。但し、Ａ層のＳｉの含有比率が大きくなると非晶質およびｈｃｐ構造が主体となり易くなり、被覆切削工具の耐久性が低下する。被覆切削工具の耐久性を低下させずに皮膜組織を十分に微細化するには、Ａ層は、Ｓｉの含有比率を４％以上１５％以下とすることが重要である。Ａ層のＳｉの含有比率は５％以上であることが好ましい。Ａ層のＳｉの含有比率は１０％以下であることが好ましい。

Ａ層は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ以外の他の金属元素を含有してもよい。例えば、Ａ層は、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＢ、Ｃｕ、Ｙ、Ｙｂから選択される１種又は２種以上の元素を含有することができる。これらの元素は、硬質皮膜の特性を改善するために、ＡｌＴｉＮ系やＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜に添加されている元素であり、含有比率が過多にならなければ被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。
但し、Ａ層がＡｌとＣｒとＳｉ以外の金属元素を多く含有すると、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物の基礎特性が損なわれ被覆切削工具の耐久性が低下する恐れがある。そのため、Ａ層はＡｌとＣｒとＳｉ以外の金属元素を含有する場合でも、それらの合計の含有比率を１０％以下とすることが好ましい。更には、Ａ層はＡｌとＣｒとＳｉ以外の金属元素を含有する場合でも、それらの合計の含有比率を５％以下とすることが好ましい。

本実施形態の被覆切削工具は、基材とＡ層との間に、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物等の中間皮膜を設けてもよい。中間皮膜を設けることで、基材と硬質皮膜との間の密着性がより改善される場合がある。また、基材の表面をメタルボンバード処理してナノレベルの改質相を形成してもよい。中間皮膜は単層でもよいし、多層であってもよい。メタルボンバード処理した後に中間皮膜を設けてもよい。

Ａ層は、ｆｃｃ構造であることが重要である。本発明の実施形態において、ｆｃｃ構造であるとは、Ｘ線回折パターン又は透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、ｆｃｃ構造に起因するピーク強度が最大強度を示すものである。ｈｃｐ構造に起因する回折強度が最大強度を示す硬質皮膜は脆弱であるため、被覆切削工具として耐久性が乏しくなる。特に、湿式加工においては、耐久性が低下する傾向にある。Ａ層は、Ｘ線回折パターンにおいて、ｈｃｐ構造に起因する回折強度を有しないことが好ましい。Ａ層は、ｆｃｃ構造の中でも（２００）面又は（１１１）面のピーク強度が最大になる皮膜組織を有することで優れた耐久性を示す傾向にあり好ましい。

Ａ層の内部には、Ｓｉの含有比率が高く、ｈｃｐ構造のＡｌＮがミクロ組織に存在し得る。硬質皮膜のミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮ量の定量化には、硬質皮膜の加工断面を観察した際、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルを用いることができる。具体的には、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、Ｉｈ×１００／Ｉｓの関係を評価する。

Ｉｈ＝ｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度
Ｉｓ＝ｆｃｃ構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２
００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面
に起因するピーク強度と、ｈｃｐ構造の、ＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面
、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度と、の合計

上記の関係を評価することで、Ｘ線回折によりｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強
度が確認されない硬質皮膜において、ミクロレベルで含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮを定量
的に評価することができる。
Ａ層は、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮをより少なくして、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たしていることが好ましい。Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たすことで、被覆切削工具の耐久性がより優れたものとなる。更には、Ａ層は、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２０の関係を満たしていることが好ましい。

続いてＢ層について説明する。
Ｂ層はＡ層の上に配置される硬質皮膜である。Ｂ層は、耐摩耗性と耐熱性に優れる膜種であるＴｉＳｉの窒化物又は炭窒化物をベースとする。Ｂ層のＴｉの含有比率が少なすぎたり多すぎたりすると耐摩耗性と耐熱性が低下する。そのため、Ｂ層は金属（半金属を含む）元素の総量でＴｉ（チタン）の含有比率が６０％以上９０％以下とする。
Ｂ層のＳｉの含有比率が少なすぎると、皮膜組織の微細化が不十分となり硬質皮膜の耐摩耗性が低下する。また、Ｂ層のＳｉの含有比率が多すぎると、皮膜組織が微細になり過ぎて非晶質に近くなるために、硬質皮膜の耐摩耗性が低下する。そのため、Ｂ層は金属（半金属を含む）元素の総量でＳｉ（シリコン）の含有比率が５％以上３０％以下とする。

Ｂ層はＴｉとＳｉ以外の元素を含有してもよい。例えば、Ｂ層は、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＢから選択される１種又は２種以上の元素を含有することができる。中でも、Ｂ層がＮｂやＣｒを含有することで耐摩耗性を更に高めることができるので好ましい。但し、Ｂ層がＴｉとＳｉ以外の金属元素を多く含有すると、ＴｉＳｉを主体とする窒化物又は炭窒化物の基礎特性が損なわれ被覆切削工具の耐久性が低下する恐れがある。そのため、Ｂ層はＴｉとＳｉ以外の金属元素を含有する場合でも、それらの合計の含有比率を１０％以下とすることが好ましい。

Ｂ層は、ｆｃｃ構造であることが重要である。本発明の実施形態において、ｆｃｃ構造であるとは、Ｘ線回折パターン又は透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、ｆｃｃ構造に起因するピーク強度が最大強度を示すものである。ｈｃｐ構造に起因する回折強度が最大強度を示す硬質皮膜は脆弱であるため、被覆切削工具として耐久性が乏しくなる。特に、湿式加工においては、耐久性が低下する傾向にある。Ｂ層は、Ｘ線回折パターンにおいて、ｈｃｐ構造に起因する回折強度を有しないことが好ましい。Ｂ層は、ｆｃｃ構造の中でも（２００）面のピーク強度が最大になる皮膜組織を有することで優れた耐久性を示す傾向にあり好ましい。

Ｂ層は、Ｂ層を構成する硬質皮膜の平均結晶粒径が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。硬質皮膜のミクロ組織が微細になり過ぎると、硬質皮膜の組織が非晶質に近くなるため、硬質皮膜の靭性及び硬度が低下する。硬質皮膜の結晶性を高めて脆弱な非晶質相を低減するには、硬質皮膜の平均結晶粒径を５ｎｍ以上とする。また、硬質皮膜のミクロ組織が粗大になり過ぎると、硬質皮膜の硬度が低下して被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。硬質皮膜に高い硬度を付与して被覆切削工具の耐久性を高めるためには、硬質皮膜の平均結晶粒径を５０ｎｍ以下とする。更には、硬質皮膜の平均結晶粒径は３０ｎｍ以下であることが好ましい。
硬質皮膜の平均結晶粒径は、Ｘ線回折の半価幅から測定することができる。

Ｂ層はＡ層の直上に設けても良い。密着性をより高めるために、Ａ層とＢ層の間には、Ａ層とＢ層の組成を含有する積層皮膜を設けても良い。また、Ａ層とＢ層の組成以外の硬質皮膜をＡ層とＢ層の間に設けても良い。Ｂ層の上には他の硬質皮膜を設けても良い。

本発明の実施形態に係る被覆切削工具では、Ａ層がＢ層よりも厚い膜であることが好ましい。基材側に設けられるＡ層をＢ層よりも厚い膜とすることで被覆切削工具の耐久性が高まる。また、Ａ層の膜厚は１．０μｍよりも大きく、Ｂ層の膜厚は０．５μｍよりも大きいことが好ましい。
Ａ層およびＢ層のいずれについても、膜厚を大きくしすぎると剥離が生じやすくなり、被覆切削工具の耐久性が低下する。Ａ層およびＢ層の膜厚の上限は、中間層および表面層を含む硬質皮膜の構成によって異なる。一例を挙げるならば、Ａ層の膜厚の上限は４μｍ未満、Ｂ層の膜厚の上限は３．５μｍ未満、Ａ層とＢ層の合計膜厚の上限は５μｍ以下とすることが好ましい。

続いて基材について説明する。
本発明の実施形態に係る基材は粒成長抑制材としてＶとＣｒを含有するＷＣ基超硬合金であり、Ｃｏの含有比率を小さくした上でＶの含有比率も小さく設定している。以下、詳細について説明する。

Ｃｏは、硬質相であるＷＣ粒子を繋ぎとめる結合相であり、ＷＣ基超硬合金に高い靭性を付与する元素である。Ｃｏの含有比率が小さくなり過ぎるとＷＣ基超硬合金の靭性と強度が低下するため、高硬度鋼のミーリング加工において早期にチッピングが発生する。また、ＷＣ基超硬合金の焼結性が悪化するため、空隙やＣｏプールが発生し易くなり、靭性と強度を高いレベルで維持することが困難になる。また、Ｃｏの含有量が小さくなれば脱炭相や遊離炭素が析出しない健全組織の範囲が狭くなるため、量産でのカーボンコントロールが難しくなる。一方、Ｃｏの含有比率が大きくなり過ぎると、硬度が低下するとともに、上述した微細組織からなるＡ層との密着性が低下する。また、Ｖの濃化相はＷＣの表面に析出し易いことから、Ｃｏの含有比率を大きくすると組織中のＷＣの表面積が小さくなるため、Ｖの濃化相が粗大に析出し易くなる。
以上のことから、本発明の実施形態に係る基材は、結合相としてＣｏを３質量％以上６質量％以下で含有する。Ｃｏの含有比率がこの範囲にあることで、ＷＣ基超硬合金の靭性と強度が高いレベルで両立されるとともに、Ｖの濃化相が粗大化し難く、上述した微細組織からなるＡ層との密着性が高まる傾向にある。本実施形態の基材ではＣｏの含有比率を３．５質量％以上とすることが好ましい。本実施形態の基材ではＣｏの含有比率を５質量％以下とすることが好ましい。本実施形態の基材ではＣｏの含有比率を４．５質量％以下とすることが好ましい。

Ｖは、ＷＣの粒成長抑制効果が最も強い元素であり、ＷＣ基超硬合金の組織を微細化するには必要不可欠な元素である。Ｖ／Ｃｏが小さくなり過ぎるとＷＣ基超硬合金のＷＣ平均粒径が粗大となるため、硬度が低くなり耐摩耗性が低下する。一方、Ｖ／Ｃｏが大きくなり過ぎると、Ｖ濃化相が粗大に析出する。また、ＷＣ基超硬合金の焼結性が悪化するため、空隙やＣｏプールが発生し易くなる。高硬度鋼のミーリング加工においては、脆弱なＶの濃化相が粗大に析出すると工具損傷が大きくなる傾向になる。そのため、本発明の実施形態に係る基材では、Ｖの濃化相の増加をより抑制するために、Ｃｏに対するＶの含有比率を小さく設定する。
以上のことから、本発明の実施形態に係る基材では、質量比率でＶ／Ｃｏを０．８～３％とする。Ｖ／Ｃｏがこの範囲にあることで、ＷＣ基超硬合金の組織が微細となって硬度が高まるとともに、Ｖの濃化相が粗大に析出し難く、高硬度鋼のミーリング加工において工具損傷を抑制され易くなる。本実施形態の基材は、Ｖ／Ｃｏが質量比率で１．０％以上であることが好ましい。本実施形態の基材は、Ｖ／Ｃｏが質量比率で２．５％以下であることが好ましい。

本発明の実施形態に係る基材は、質量比率でＣｒ／Ｃｏが５～２０％の関係を満たす。
Ｃｒは、粒成長抑制材であり、Ｖとともに添加することで、ＷＣ基超硬合金の組織を微細化する。Ｃｒの含有比率が小さくなるとＷＣ基超硬合金の組織が粗大となり耐摩耗性が低下する。一方、Ｃｒの含有比率が大きくなり過ぎると、Ｃｒの濃化相が粗大に析出する。また、ＷＣ基超硬合金の焼結性が悪化するため、空隙やＣｏプールが発生し易くなる。そのため、本発明の実施形態に係る基材では、質量比率でＣｒ／Ｃｏを５～２０％とする。Ｃｒ／Ｃｏがこの範囲にあることで、組織が微細となって硬度が高まるとともに、Ｃｒの濃化相が粗大に析出し難く、高硬度鋼のミーリング加工において工具損傷を抑制され易くなる。本実施形態の基材はＣｒ／Ｃｏが質量比率で１０％以上であることが好ましい。本実施形態の基材はＣｒ／Ｃｏが質量比率で１８％以下であることが好ましい。

本発明の実施形態に係る基材は、ビッカース硬度が２０００以上である。
高硬度鋼をミーリング加工するには、基材であるＷＣ基超硬合金の硬度も高い方がよい。そのため、本発明の実施形態に係る基材は、ビッカース硬度を２０００以上とする。更には基材の硬度を２１００以上とすることが好ましい。ＷＣ基超硬合金の硬度と靭性はトレードオフの関係にあり、硬度が増加すると靭性が低下する傾向にあり、硬度が低下すると靭性が増加する傾向にある。硬度が高すぎると靭性が低下するため、本実施形態の基材の硬度は２５００以下にすることが好ましい。

ＷＣ基超硬合金の硬度はＣｏ含有比率とＷＣ平均結晶粒径に依存する。上述したＣｏの含有比率でビッカース硬度２０００以上を達成するには、ＷＣ粒子の円相当の平均結晶粒径は０．６μｍ以下であることが好ましい。更には、ＷＣ粒子の円相当の平均結晶粒径は０．４μｍ以下であることが好ましい。

本発明の実施形態に係る基材は、粒成長抑制剤としてＶとＣｒ以外の元素を含有してもよい。例えばＷＣの粒成長抑制材として一般的に利用されているＴａを含有してもよい。ただし、Ｔａの含有比率が大きくなりすぎるとＴａの濃化相が大きくなる。そのため、ＶとＣｒ以外にＴａのような粒成長抑制材を添加する場合でも、粒成長抑制剤としての添加元素の合計の含有比率は０．１質量％未満であることが好ましい。

本発明の実施形態に係る被覆切削工具は、特に、工具径が２ｍｍ以下である小径エンドミルに適用されることで、耐久性の向上効果がより一層効果的に発揮される点で好ましい。更には、工具径が１ｍｍ以下の小径エンドミルに本実施形態の被覆切削工具の構成を適用することが好ましい。

（実施例）
＜基材＞
物性評価および切削試験用の基材として、表１に示す基材１～６、２０、２１のＷＣ基超硬合金を作製した。
ＷＣ原料粉末は、平均粒径が０．４μｍの粉末を用いた。Ｃｏ原料粉末は、平均粒径が１．５μｍの粉末を用いた。ＶＣ原料粉末は、平均粒径が１μｍの粉末を用いた。Ｃｒ_３Ｃ_２原料粉末は、平均粒径が１μｍの粉末を用いた。ＴａＣ原料粉末は、平均粒径が１μｍの粉末を用いた。
これらの原料粉末を所定の組成になるように秤量して、アトライターで湿式混合した。混合の際には、焼結過程で消費される炭素を補うためのＣ粉末と成型用バインダー粉末を微量添加した。混合後、スプレードライヤーで乾燥し各組成の造粒粉を作製して、丸棒を形成した。その後、１４３０℃の焼結温度で１時間保持後、圧力５ＭＰａで焼結して、脱炭相と遊離炭素が析出していない中炭素合金のＷＣ基超硬合金製の丸棒を形成した。その後、切削評価用として丸棒をボールエンドミル形状に加工した。また、物性評価用の丸棒を加工して硬度測定と組織観察を行った。表１に組成と硬度の測定結果を示す。
組織観察では、鏡面研磨した焼結体の断面をフィールドエミッション電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ、日本電子製ＪＸＡ－８５３０Ｆ型）を用いて１５００倍でＶの面分析を行った。面分析において、Ｖが２質量％以上／ピクセルで測定された場合、粗大なＶ濃化相ありと判断した。その結果、ＣｏとＶが多い基材２０のみ粗大なＶ濃化相が確認された。

ビッカース硬度は、基材を鏡面研磨して、ビッカース硬さ試験機（明石製作所製ＡＶＫ型）を用いて試験力ＨＶ３０（２９４．２Ｎ）、保持時間１５秒の条件で２点測定し、その平均値から求めた。

＜成膜装置＞
硬質皮膜の成膜には、アークイオンプレーティング方式の成膜装置を用いた。本装置は、複数のカソード（アーク蒸発源）、真空容器および基材回転機構を含む。
本装置は、３基のカソードＣ１、Ｃ２、Ｃ３を備える。Ｃ１は、ターゲット外周にコイル磁石を配備したカソードである。Ｃ２およびＣ３は、ターゲット背面および外周に永久磁石を配備したカソードである。Ｃ２およびＣ３は、ターゲットの垂直方向の磁束密度がターゲット中央付近で１４ｍＴ以上である。Ｃ２とＣ３に装着されるターゲットは、試料によって組成を変化させた。
真空容器内は、内部を真空ポンプにより排気される。成膜ガスは供給ポートより真空容器内に導入される。真空容器内に設置した各基材にはバイアス電源が接続される。バイアス電源は、各基材に負圧のＤＣバイアス電圧を印加する。
基材回転機構は、プラネタリーとプラネタリー上のプレート状治具、プレート状治具上のパイプ状治具を有する。プラネタリーは毎分３回転の速さで回転する。プレート状治具、パイプ状治具は夫々自公転する。

＜加熱および真空排気工程＞
各基材をそれぞれ真空容器内のパイプ状冶具に固定し、成膜前プロセスを以下のように実施した。まず、真空容器内を８×１０^－３Ｐａ以下に真空排気した。その後、真空容器内に設置したヒーターにより、基材温度が５００℃になるまで加熱し、真空排気を行った。これにより、基材温度を５００℃、真空容器内の圧力を８×１０^－３Ｐａ以下とした。

＜Ａｒボンバード工程＞
その後、真空容器内にＡｒガスを導入し、容器内圧を０．６７Ｐａとした。その後、フィラメント電極に３５Ａの電流を供給し、基材に－２００Ｖの負圧のバイアス電圧を印加し、Ａｒボンバードを４分間実施した。

＜Ｔｉボンバード工程＞
その後、真空容器内の圧力が８×１０^－３Ｐａ以下になるように真空排気した。続いて、基材にバイアス電圧を印加して、Ｔｉターゲットが装着されたＣ１に１５０Ａのアーク電流を供給してＴｉボンバード処理を実施した。Ｔｉボンバード処理により、基材の表面に、ＷとＴｉを含有する炭化物を１ｎｍ以上１０ｎｍ以下で形成した。Ｔｉボンバード処理により形成される炭化物の組成は、金属元素の含有比率でＷが６０原子％以上９０原子％以下、Ｔｉが１０原子％以上４０原子％以下であった。

＜成膜工程＞
Ｔｉボンバード後、直ちにＣ１への電力供給を中断した。そして、真空容器内のガスを窒素に置き換え、真空容器内の圧力を５Ｐａ、基材設定温度を５２０℃とした。ＡｌＣｒＳｉターゲットが装着されたＣ２に１５０Ａの電力を供給し、基材に印加する負圧のバイアス電圧を１２０Ｖ、カソード電圧を３０Ｖとして面心立方格子構造のＡ層を約２μｍで被覆した。
Ａ層の被覆後、Ｂ層を被覆した。Ｂ層の被覆では、Ｃ３のターゲットとして、ＴｉＳｉターゲットを用いた。上記ターゲットが装着されたＣ３に１５０Ａの電力を供給し、基材に印加する負圧のバイアス電圧を５０Ｖ、カソード電圧を２５Ｖとして面心立方格子構造のＢ層を約１μｍで被覆した。その後、略２５０℃以下に基材を冷却して真空容器から取り出した。そして、被覆後の各試料はブラスト処理による刃先の研磨処理を行った。

作製した各試料の被覆切削工具を用いて切削加工を行い、切削加工後の基材露出面積から被覆切削工具の耐摩耗性を評価した。切削条件を以下に示す。
（条件１）
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＤＢＥＨ２００６－１．５－ＴＨ ボール半径０．３ｍｍ
・切削方法：ポケット加工（２５ｍｍ×２５ｍｍ×深さ０．０８ｍｍ）
・被削材：ＡＳＰ２３（６４ＨＲＣ）
・切り込み：軸方向、０．０４ｍｍ、径方向、０．１２ｍｍ
・切削速度：７５ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０１５ｍｍ／刃
・切削油：ミストブロー（油性）
・加工個数：４ポケット
・評価方法：基材露出面積率は、切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率３００倍で観察し、基材の超硬合金が露出した部分が全体に占める割合を算出した。基材露出面積率の算出には市販の画像解析ソフトを用いた。評価結果を表２に纏める。

実施例１～３、比較例１０は硬質皮膜は同じで、基材が異なるものである。図１と図２を比較すれば明らかなように、比較例１０の工具損傷は実施例１～３に比べて大きくなった。基材を最適化することで、工具損傷が小さくなることが確認された。また、比較例１１は、Ａ層のＳｉ量が少なく、皮膜組織が粗大なものであるが、基材を最適化しても硬質皮膜が適切でなければ、工具損傷が大きくなることが確認された。

作製した各試料の被覆切削工具を用いて切削加工を行い、切削加工後の基材露出面積から被覆切削工具の耐摩耗性を評価した。切削条件を以下に示す。
（条件２）
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＤＢＥＨ２００３－０．５－ＴＨ ボール半径０．１５ｍｍ
・切削方法：ポケット加工（１ｍｍ×３ｍｍ×深さ０．４ｍｍ）
・被削材：ＡＳＰ２３（６４ＨＲＣ）
・切り込み：軸方向、０．０１３ｍｍ、径方向、０．０１３ｍｍ
・切削速度：３７．７ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．００４５ｍｍ／刃
・切削油：ミストブロー（油性）
・加工個数：２０ポケット
・評価方法：基材露出面積率は、切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率６００倍で観察し、基材の超硬合金が露出した部分が全体に占める割合を算出した。基材露出面積率の算出には市販の画像解析ソフトを用いた。評価結果を表３に纏める。

実施例２０、２１、比較例２０、２１は硬質皮膜は同じで、基材が異なるものである。比較例２０、２１の工具損傷は実施例２０、２１に比べて大きくなった。基材を最適化することで、工具損傷が小さくなることが確認された。また、比較例２２は、Ａ層のＳｉ量が少なく、皮膜組織が粗大なものであるが、基材を最適化しても硬質皮膜が適切でなければ、工具損傷が大きくなることが確認された。

Claims (1)

1. 基材の表面に、金属（半金属を含む）元素の総量でＡｌの含有比率が５０原子％以上、Ｃｒの含有比率が２０原子％以上、ＡｌとＣｒの合計の含有比率が８５原子％以上、Ｓｉの含有比率が４原子％以上１５原子％以下の窒化物又は炭窒化物である面心立方格子構造のＡ層と、前記Ａ層の上に設けられる金属（半金属を含む）元素の総量でＴｉの含有比率が７０原子％以上９０原子％以下、Ｓｉの含有比率が５原子％以上２０原子％以下である窒化物又は炭窒化物であり面心立方格子構造であるＢ層とを有する被覆切削工具において、
   前記Ａ層は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、ｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度をＩｈ、ｆｃｃ構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピーク強度と、ｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度との合計をＩｓとした場合、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たし、
   前記基材は、ＷＣ基超硬合金であり、結合相としてＣｏを３質量％以上６質量％以下で含有し、質量比率でＶ／Ｃｏが０．８～３％、Ｃｒ／Ｃｏが５～２０％の関係を満たし、ビッカース硬さが２０００以上であることを特徴とする被覆切削工具。