JPH06246521A

JPH06246521A - 立方晶窒化ほう素膜を被覆した加工工具

Info

Publication number: JPH06246521A
Application number: JP6142393A
Authority: JP
Inventors: Masao Murakawa; 正夫村川; Shuichi Watabe; 修一渡部; Shojiro Miyake; 正二郎三宅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1994-09-06

Abstract

(57)【要約】【目的】刃先部にも十分な厚さの立方晶窒化ほう素膜が
被覆され、切削性能などの加工特性及び耐摩耗性が良好
な加工工具を提供することにある。【構成】工具表面に立方晶窒化ほう素膜を形成させた工
具において、その立方晶窒化ほう素膜が、工具にバイア
スを印加したときに発生する工具周囲の電界強度を均一
化しつつイオンプレーテング法により成膜することで形
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工具とりわけ立方晶窒化
ほう素膜を被覆した加工工具に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその技術的課題】加工用工具たとえば
切削工具においては、良好な切削性能と耐摩耗性が要求
される。この対策のひとつとして、鋼に対する非反応性
を含む化学的安定性などのすぐれた特性を持つ立方晶窒
化ほう素膜（ｃ−ＢＮ膜)を工具表面に被覆することが
知られている。このような加工工具に対する立方晶窒化
ほう素膜の被覆法として、イオン蒸着法(IVD法)が提案
されている。このイオン蒸着法は、ほう素の蒸着と窒素
イオンの照射を併用する手法すなわち、電子ビームなど
によりほう素を加熱して蒸発させ、その蒸発膜を基板上
に堆積させると同時に、窒素イオンを基板に所定角度か
ら照射するものである。しかし、この方法では膜を構成
する元素を化学量論組成分だけ基板上に供給しなければ
ならないため、大量の窒素イオン(B:N=1:1)を必要とす
る。そのためには単位面積あたりのイオンビーム電流値
をｍＡオーダー以上と大きくする必要があるが、一方、
この電流値を出すためのイオンガン直径はあまり大きく
することはできず、せいぜい１５０ｍｍφ程度である。
そのため成膜面積もその径に対応するものとなってしま
い、チップなどの小さな成膜面積はともかくとしても、
切削加工工具、塑性加工工具など面積の大きな加工工具
に立方晶窒化ほう素膜を形成することは実生産上困難で
あるという問題があった。

【０００３】立方晶窒化ほう素膜の被覆法として、特開
昭６４−２１０５６号公報、特公平３−１３７７号公報
などにイオンプレーティング法が提案されている。この
イオンプレーティング法は、ほう素をイオン化し基板に
バイアス電圧を印加して成膜する方法すなわち、雰囲気
ガス中で気体放電を生じさせ、蒸発粒子を活性にして行
うコーティング法である。したがって、前記イオン蒸着
法のような膜構成元素の大量供給という条件は不要とな
り、成膜面積を大きくとることができる利点がある。し
かし上記先行技術は、立方晶窒化ほう素膜を成膜できる
としても、単純に基板にバイアス電圧をかけて成膜する
ため、エッジ部(刃部)に立方晶窒化ほう素膜が堆積しな
い問題がある。このため、先行技術では実用に耐えうる
被覆工具を得ることができなかった。

【０００４】本発明は前記のような問題点を解消するた
めに創案されたもので、その第１の目的は、エッジ部な
どの鋭利な部分に十分な厚さの立方晶窒化ほう素膜が被
覆され、切削性能などの加工特性及び耐摩耗性が良好な
加工工具を提供することにある。本発明の第２の目的
は、第１の目的に加え、立方晶窒化ほう素膜の工具に対
する付着性がよく、加工特性及び耐摩耗性がすぐれた加
工工具を提供することにある。本発明の第３の目的は、
立方晶窒化ほう素膜の膜厚が厚く、さらに一段とすぐれ
た耐摩耗性を発揮できる加工工具を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成す
るため本発明は、工具表面に立方晶窒化ほう素膜を形成
させた工具において、その立方晶窒化ほう素膜が工具に
バイアスを印加したときに発生する工具周囲の電界強度
を均一化しつつイオンプレーテングにより成膜したもの
からなっている構成としたものである。また第２の目的
を達成するため本発明は、立方晶窒化ほう素膜が、第１
ステップとして工具にバイアスを印加したときに発生す
る工具周囲の電界強度を均一化しつつイオンプレーテン
グにより成膜し、第２ステップとしてイオン注入処理ま
たはこれとアニーリングを施すことで得た構成としたも
のである。さらに本発明は、前記立方晶窒化ほう素膜
が、前記第１ステップ又は第１ステップと第２ステップ
を複数回繰返した多層膜からなっているものを含む。さ
らに、前記した「工具表面」の中には、他の硬質膜が形成
されている場合も含む。本発明において、「加工工具」と
は、ドリル、バイト、フライス、リーマ、超硬チップな
どで代表される切削工具、せん断工具、打抜き工具など
の鋭利な加工部を有するものや、加工部半径が比較的小
さい(たとえば2.0mmR以下)曲げ加工工具などの塑性加工
工具をすべて含む。

【０００６】以下本発明を添付図面に基いて詳細に説明
する。図１と図２は本発明を適用して得られた立方晶窒
化ほう素膜被覆ドリルを示しており、溝ａ，すくい面
ｂ，主逃げ面ｃなどの各面は勿論、主切れ刃ｄや主切れ
刃部最外端(マージン肩部)ｅのようなエッジ部分にも立
方晶窒化ほう素膜ｆが一様に被覆されている。図３は本
発明を適用して得られた立方晶窒化ほう素膜被覆スロー
アウェイチップ(インサート)を示しており、上面ｉ、切
れ刃ｄ、コーナーｈにも立方晶窒化ほう素膜ｆが一様に
被覆されている。図４は(a)は本発明による立方晶窒化
ほう素膜ｆの断面組織の一例を模式的に示しており、こ
の例では工具母地ｇの上に厚さ０．０５〜０．３μmの
Ｔｉなどの硬質膜からなる中間層ｊを有し、この中間層
ｊの上に厚さ０．１〜０．３μm程度のほう素と窒素の
傾斜組成層ｆ₁を介して厚さ０．２〜１．５μmの立方晶
窒化ほう素層ｆ₂が形成されている。図４(b)は本発明に
よる立方晶窒化ほう素膜ｆの断面組織の他例(後述する
第２ステップを実施した場合)を模式的に示しており、
前記中間層ｊと工具母地ｇ、さらには中間層ｊと傾斜組
成層ｆ₁間に、ステップ２による効果としてのミキシン
グ層ｋが拡散形成されている。また、立方晶窒化ほう素
層ｆ₂の下層領域も傾斜組成層ｆ₁に拡散し、内部応力の
低減された改質立方晶窒化ほう素層ｆ₂’となってい
る。したがって、本発明による立方晶窒化ほう素膜ｆ
は、厳密には、立方晶窒化ほう素膜を含む硬質膜である
が、判り易く説明するため本発明では立方晶窒化ほう素
膜と称すことにしている。

【０００７】前記立方晶窒化ほう素膜被覆工具は、基本
的には、イオンプレーティング法により立方晶窒化ほう
素膜を工具表面に成膜させ、しかも、この時に、基板周
囲の電界強度を均一化させる条件で実施することで得ら
れたものである。詳しく説明すると、まずイオンプレー
ティング法は特に限定はなく、各種手法をとることがで
きる。例えば、蒸発源の上方にガスを導入する一方、蒸
発源の近傍にイオン化電極を配して正電圧を与えること
でアーク放電を行わせ、蒸発源からの蒸発粒子をイオン
化する方法、アーク放電型イオンプレーティング法すな
わち、蒸発源の近傍にイオン電極を配し、さらにそれら
蒸発源とイオン化電極とのあいだに熱電子放射フィラメ
ントを配置して熱電子を放射させる方法、活性化ノズル
を用いた反応性イオンプレーティング法すなわち、蒸発
源の近傍に熱電子放射フィラメントを配置して熱電子を
放射すると共に、これと反対位置に正電圧を印加した活
性化ノズルを配置してイオン化ガスを導入する方法、ア
ークライクプラズマイオンプレーティング法すなわち、
蒸発源の近傍上方に熱電子放射フィラメントとイオン化
電極を対向状に配置し、これと別位置からガスを導入す
る方法などである。しかし、好ましい方法のひとつは、
本発明者らの提案した磁界励起型イオンプレーティング
法である。この方法は、排気系や蒸発源に特別な配慮を
要さず、高真空中で容易に高密度プラズマを形成するこ
とができ、立方晶窒化ほう素膜を容易に比較的高速で得
ることができる利点がある。

【０００８】図５はその概要を示しており、１は真空
槽、２は真空槽１の内部下方に設けられた蒸発源であ
り、ほう素Ｂを収容するるつぼと、これを加熱して蒸発
させる手段たとえば電子銃や抵抗加熱ヒータ２１を備え
ている。前記蒸発源は多元蒸発機構としてもよい。３は
被覆すべき工具Ｔを着脱可能に取付けるホルダーであ
り、真空槽１内の前記蒸発源２と対面する位置に配置さ
れている。ホルダー３と前記蒸発源２との間隔は、ほう
素を安定に０．２〜１．５ｎｍ/secの成膜速度で蒸発さ
せるために、一般に２５０〜６００ｍｍである。ホルダ
ー３は外部のバイアス電源３０に接続され、負の直流電
圧または高周波電圧が印加され、また加熱用ヒータ３５
により加熱される。４はガスノズルであり、真空槽１外
に伸びる導入管に設けた流量調整弁４１によりアルゴ
ン、窒素ガス、水素ガス、酸素あるいはそれら２種以上
の混合ガスを真空槽１内に導入する。６は熱電子放射用
のカソード６、７はこれに対向するアノード７、８ａ，
８ｂはこれらカソード６とアノード７と同一水平面内の
位置にしかもカソード６とアノード７が形成する電界の
方向と同じ向きに平行磁界が形成されるように配置され
た一対の磁石、９はアノード側に配された補助アノード
であり、それらによってプラズマ発生機構が構成され、
プラズマ発生機構の全体は、真空槽１内に、蒸発源２と
ホルダー３間の中間たとえば少なくとも蒸発源２から１
５０mm以上離間した位置に設けられる。カソード６とア
ノード７の間隔はプラズマ空間を広くするため広げるこ
とが好ましく、その例としては２００mm〜５００mmであ
る。カソード６はＷ、Ｔa、Ｗ/Thなどの熱陰極材料で作
られたフィラメントからなり、電源６０により通電加熱
されることで熱電子を放出する。アノード７はカソード
６と対向する側の磁石８ｂに結線して磁石そのものを電
極としてもよいし、磁石８ｂの前面側に電極を別に設置
することで構成してもよく、いずれの場合も、アノード
７には接地電位に対して正の直流又は交流の電圧たとえ
ば４０〜７０Ｖの直流電圧が電源７１によって印加され
る。磁石８ａ，８ｂは正対しており、その磁界の強さ
は、高密度のプラズマを形成させるため、両磁石の中間
地点で２０〜４０ Oeとすることが好ましい。

【０００９】このイオンプレーティング法においては、
ホルダー３にワークとしての工具Ｔを取付け、自公転工
具により工具Ｔを自公転させながら加熱ヒータ３５によ
り工具Ｔワークを所要温度に加熱し、同時に真空槽１内
を真空排気する。その後、加熱ヒータ３５を止め、真空
槽１内にガスノズル４からアルゴン等のガスを導入し、
イオンボンバードを所要時間行った後、成膜を行う。こ
の成膜工程は、ガスノズル４により真空槽１内に所定成
分のガスを導入し、補助アノード９に高い正電圧を印加
し、カソード６を通電すると共に、アノード７に正電圧
を印加する。これにより磁石８ａ，８ｂの平行磁界とあ
いまってプラズマが形成される。この状態で蒸発源２の
加熱手段２１を作動して蒸発材料としてのほう素Ｂを蒸
発させる。この蒸発粒子は上昇し、プラズマを通過して
工具Ｔに付着させられる一方、ホルダ３を介して工具Ｔ
に印加した負の電圧又は高周波により生ずるセルフバイ
アス電圧によりプラズマ内で生成したガスイオンが引付
けられ、ワーク上に衝突される。これにより工具Ｔに反
応生成膜としての立方晶窒化ほう素膜が堆積される。

【００１０】カソード６とアノード７は平行磁界に設置
されているため、その磁界と電界により、カソード６か
ら放出された熱電子は磁界の方向とは別方向の速度成分
によりサイクロトロン運動をしながら電界の方向すなわ
ちアノード７に向かって加速される。真空槽１内には予
めガスが導入されており、そのガスの分子が上記のよう
に加速された電子と衝突することにより電離が起り、ガ
ス分子がイオン化されプラズマが形成される。このプラ
ズマは平行磁界により高密度化され、これにより熱電子
放出によるカソード付近の負の空間電荷を打消し、ほぼ
熱陰極(フィラメント)の飽和電流値の電流がカソードか
らアノードに流れる。放熱電流はカソードの温度に比例
するため、容易に２０Ａ程度流すことができ、この時の
電子の流れは熱電子の初速度が磁界及び電界に比べ充分
に小さいため、ほぼシートビーム状となり、従って、磁
石８ａ，８ｂ間に高密度のプラズマ空間を安定的に形成
することができるのである。成膜条件は、一般に次の条
件から適宜選択すればよい。すなわち、圧力：２〜８×
１／１０⁴Torr，工具温度：２５０℃以上，アノード電
圧：４０〜７０Ｖ，アノード電流：２〜２０Ａ，カソー
ド加熱電流：３０〜５０Ａ，バイアス電源パワー：５０
０Ｗ以下，電子銃電力：１.７〜２.３ＫＷである。

【００１１】前記ホルダー３は図６と図７にも示されて
おり、工具全面に成膜されるように自公転治具を有して
いる。この自公転治具は任意であるが、この例ではホル
ダー３を中心に嵌着固定し得るギヤ３２と、これを駆動
するアクチュエータ３３と、ギヤと噛み合うギヤ付き環
状レール３４を備えている。そして、前記ホルダー３
は、工具Ｔを囲繞するバイアスコントロール治具５を有
している。このバイアスコントロール治具５は、工具Ｔ
に前記バイアス電源３０からバイアスを印加したときに
発生する工具周囲の電界強度を均一化し、工具Ｔのエッ
ジ部にも適切な成膜が行われるようにする手段である。
すなわち、イオンプレーティング法においては、前記の
ように工具Ｔにマイナスの電位をかけて成膜することが
必須である。このため、工具Ｔのエッジ部分に電荷が集
中する。これは成膜時にガスイオンが優先的にエッジ部
分に集中し、工具Ｔの面の部分とのイオン密度が不均一
となることを意味する。なお、一方の膜構成要素である
ほう素はイオン化されていないため集中することはな
い。このため、エッジ部分のスパッタ作用(エッチング
作用)が優勢となり、エッジ部分に立方晶窒化ほう素が
堆積しなくなるのである。そこで本発明は、バイアスを
かけたときに発生する工具Ｔの周囲の電界強度を均一化
するように制御することによって、面部分とエッジ部分
のイオン密度を均一化するものである。

【００１２】バイアスコントロール治具５は、このこと
から、導電性材料であること、多孔性であること、対象
工具Ｔの形状に対応した形状を有し一部がホルダー３に
接触していることが必要である。その具体例としては、
ステンレスや銅などで構成された筒状ないしこれに類す
る形状の金網ないしこれに類するものが挙げられる。こ
の場合、孔径が小さすぎるとガスイオンやほう素の進入
が阻害され、成膜に必要な絶対量が不足して成膜速度が
低下し、逆に孔径が大きすぎると同電位化効果が乏しく
なり、イオンが加速されてしまうため、好適条件として
は、孔径(目の開き）が１〜５ｍｍ、孔間隔(網の線径）
が０．２〜１．０ｍｍである。また、バイアスコントロ
ール治具５と工具表面は、その距離ｌがあまり大きすぎ
ると同電位化効果が喪失し、孔を通過したイオンが再び
加速してしまい、逆にあまり距離が小さいとイオンとほ
う素の工具への回り付きが悪くなり、網目模様状の膜と
なってしまう。したがって、前記距離ｌは通常１．０〜
６．０ｍｍ好適には３〜４ｍｍである。上記のような適
切なバイアストンロール治具５を用いるならば、図８の
ようにガスイオンはバイアスコントロール治具５に衝突
して加速が解かれ、慣性力で孔５０から内部空間に進入
するためイオン密度が均一化され、エッジ部に対するイ
オンのスパッタ作用が生じない。このため、エッジ部に
も立方晶窒化ほう素膜が適切に堆積されるものである。

【００１３】さらに、本発明は、前記のように基板周囲
の電界強度を均一化させた条件でイオンプレーティング
法により立方晶窒化ほう素膜を工具表面に成膜させるこ
とを第１ステップとし、さらに、第２ステップとして、
第１ステップ１で得られた立方晶窒化ほう素膜にイオン
注入処理を行い、要すればさらにイオン注入後アニーリ
ングを施すことで立方晶窒化ほう素膜被覆工具を得るこ
とを含む。これは膜の耐剥離性を増強する点で効果的で
ある。詳しく説明すると、上記詳述した第１ステップが
完了したならば、立方晶窒化ほう素膜被覆工具Ｔ’を真
空槽１から取出し、第２ステップとして、イオン注入処
理を行う。このイオン注入は例えば図９に示すような装
置を用いて行う。装置はイオン源１００とフィラメント
１０１とイオン源マグネット１０２とアノード１０３と
イオン引出し電極１０４を備えたイオン発生部１０と、
イオン質量分離部１１と、イオン加速部１２及び試料チ
ャンバー１３とからなっている。立方晶窒化ほう素膜被
覆工具Ｔ’は試料チャンバー１３内のターゲットホルダ
１３０に装着され、試料チャンバー１３を含む各部を真
空度１×１／１０⁶Torr以上に真空排気後、注入処理さ
れる。注入時にはターゲットホルダは１００℃以下に水
冷され、注入時の温度上昇が抑えられる。注入種として
は、窒素イオン、アルゴンイオンのいずれでもよい。処
理手順は、まずイオン発生部１０で目的イオンを発生さ
れ、この生成したイオンを電気的に質量分離部に引き出
して目的とするイオンだけを質量分離し、これを加速し
て加速部１２にあるイオンスキャナー１２０で均一なイ
オンビームとして立方晶窒化ほう素膜被覆工具Ｔ’に照
射する。イオン注入条件としては、膜と工具界面間にミ
キシング層を形成して膜の物理的付着力を高めるため、
１２５〜２００keVの比較的高いエネルギーで注入し、
さらに、膜の経時変化を防ぐため膜上部の立方晶窒化ほ
う素膜を改質べく１５〜５０keVのエネルギーで注入す
る複合注入が効果的である。この複合注入の際のドーズ
量は、高エネルギイオン照射時では5×10¹⁵〜5×10¹⁶io
ns/cm²であり、低エネルギイオン照射時では1×10¹⁵〜1
×10¹⁶ions/cm²である。

【００１４】上記イオン注入処理だけでも第１ステップ
による立方晶窒化ほう素膜の付着性を少なくとも２倍以
上と大幅に向上させることができる。だが、イオン注入
処理するだけでは注入されたイオンが不安定な状態にな
っている場合があり、この場合にはイオン注入による前
記目的が十分発揮されないことがある。そこで、この場
合には、イオン注入後にアニーリング処理を行う。この
アニーリング処理は、真空炉またはガス置換炉を使用
し、これにイオン注入した立方晶窒化ほう素膜被覆工具
Ｔ’を装入し、真空度１×1/10⁴Torr以上ないしはアル
ゴンガス雰囲気中で、温度６５０〜950℃、0.5〜24hr、
昇温速度ならびに冷却速度を共に100〜300℃/hrとして
実施すればよい。以上の第１、第２ステップを取ったと
きには、エッジ部にも均一に立方晶窒化ほう素膜が被覆
され、しかも付着力が高く耐剥離性にすぐれた立方晶窒
化ほう素膜被覆工具が得られる。

【００１５】立方晶窒化ほう素膜被覆工具は、その立方
晶窒化ほう素膜が適当に厚い場合に、より被覆効果が顕
著になる。そこで本発明は、上記第１ステップを２度以
上繰返すか、あるたは第１ステップと第２ステップを２
度以上繰返し、被覆層を多層膜とすることも含めるもの
である。多層膜とする場合の第２層あるいは第３層は、
第１層と同じ組成例えばＴｉなどの中間層と傾斜組成層
および立方晶窒化ほう素層からなる層に限らず、傾斜組
成層と立方晶窒化ほう素層からなる層、あるいは立方晶
窒化ほう素層だけからなる層としてもよい。なお、本発
明は前記のように硬質膜を有しない生の工具表面、Ｔｉ
などの中間層の上に施されるほか、工具表面にＴｉＮ
膜、ＴｉＣＮ膜、ＴｉＡｌＮ膜などの硬質膜が施されて
いる場合にも適用される。これらは硬質膜被覆工具とし
て市販されているもの、またイオンプレーティングによ
って第１ステップの前に硬質膜を形成されたもののいず
れをも含む。

【００１６】

【実施例】次に本発明の実施例を示す。実施例１（１）本発明を適用してドリルに立方晶窒化ほう素膜を
被覆した。対象ドリルは、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金製の全
長７２ｍｍ、溝長４２ｍｍ、直径６．０ｍｍφである。
このドリルに対し、図５の磁界励起型イオンプレーティ
ング装置で立方晶窒化ほう素膜を成膜した。前記装置は
磁石間隔：２２０ｍｍ、磁石間中間地点での磁界：４０
０ｅとした。ドリルは、自公転治具を有するホルダに
取り付け、バイアスコントロール治具としてドリルの周
りを直径がほぼ１０ｍｍφのステンレスメッシュ筒で囲
繞した。網目の開きは２ｍｍ、線径０．５ｍｍであり、
ステンレスメッシュ筒はドリル先端から２０ｍｍ先に達
する長さとした。（２）成膜条件は、ボンバード後、まずＴｉを蒸発源と
して、圧力：１×１／１０⁴Torr、Ａｒガス量:５０scc
s、N₂ガス量:０sccs、ＲＦ出力：４５Ｗ、アノード電圧
・電流：６０Ｖ・１０Ａ，電子銃：−８．５ＫＶ、１９
０ｍＡ、カソード加熱電流：４０Ａでイオンプレーティ
ングし、約０．１μm厚のＴｉ層を形成した。次いで、
蒸発材料：純度９９．９％のほう素、アノード電圧・電
流：６０Ｖ・１４Ａ，電子銃：−８．５ＫＶ、２７０ｍ
Ａ、カソード加熱電流：４４Ａ、ボロン蒸着速度：０．
６６ｎｍ／ｓｅｃ，圧力：３×1/10⁴Torr〜５×1/10⁴To
rr、RF出力：２００〜３５０Ｗ、Ａｒ／Ｎ₂ガス流量
比：１〜９の条件でイオンプレーティングを行った。４
分間は圧力３×1/10⁴Torr、Ａｒガスのみ、ＲＦ出力２
００Ｗとし、それ以後は圧力５×1/10⁴Torr、Ａｒ／Ｎ₂
ガス流量比：９とし、４分から８分３０秒まではＲＦ出
力を３５０Ｗとし、８分３０秒以降はＲＦ出力を３００
Ｗとして、ＢとＮの傾斜組成層を介してｃ−ＢＮ層を形
成した。得られた膜厚は全体で約０．５μmであり、主
切れ刃、コーナ、マージンにも一様に膜が堆積されてい
た。これはバイアスコントロール治具の効果によりエッ
ジ部のスパッタ作用が抑えられたことによることは明ら
かである。（３）さらに、第２ステップとして、図９に示すイオン
注入装置によりイオン注入を行った後、アニーリングを
行ってみた。イオン注入条件は、注入イオン：窒素イオ
ン、注入エネルギー：１５０KeV＋３５KeV、ドーズ量：
１×１０¹⁶ions/cm²（１５０KeV）、６×１０¹⁶ions/cm
²（３５KeV）の複合注入とした。アニーリングは、真空
度１〜５×1/10⁵Torr、７６０℃×３ｈｒの条件で行っ
た。（４）得られた膜が立方晶窒化ほう素相を含有するかを
同定するため、被覆ドリルの刃先近傍部を赤外分光光度
計によって測定した結果を図１０に示す。この図１０か
ら形成された膜は立方晶相を含む膜であることが確認さ
れた。また、膜断面組織を加速電圧200KVの電子顕微鏡
を使用して観察した。その結果、図４（b）のようにイ
オン注入によってミキシング層が形成され、立方晶窒化
ほう素層も内部応力が低減された改質状態となってい
た。得られたドリルにおける立方晶窒化ほう素膜の実付
着力は、測定技術上困難である。そこでその値を定量的
に把握するため、工具材と同材質の超硬板(片面を鏡面
研摩したもの)を用意し、上記と同じ成膜方法・後処理法
によって膜を被覆し、研摩面上の膜の付着力を微小スク
ラッチ試験機を用いて評価した。その結果を図１１に示
す。比較として同様な超硬板に成膜させたままの膜の結
果（ｂ）を合わせて示す。試験は、先端半径１５．０μ
mのダイヤモンド触針を使用し、ステージ角度を４度、
ステージ速度を１０．０μm/secとした。(b)から矢印位
置の負荷荷重約60mN以上でスクラッチ抵抗の変動があ
り、この荷重以上で膜の破壊も観察されたことから、こ
の値が膜の付着力に相当する臨界荷重と判断される。こ
れに対し、本発明の(a)では、スクラッチ抵抗の大きな
変動は認められず、臨界荷重は本試験最大荷重(160mN)
以上であった。このことから、イオン注入とアニーリン
グを実施することにより十分高い付着性が得られること
がわかる。膜の表面硬度はHk(10)で2370〜3670であり、
これは超硬板の硬度が1570〜1860であるのに対し高いこ
とが確認された。（５）次いで、得られた被覆ドリルの特性試験を行っ
た。被削材はＳＣＭ４４０を使用し、ドリリング試験は
マシニングセンタを利用して行った。切削条件は、ドリ
ル回転数:３０００ｒｐｍ、切削速度:57m/min、送り:0.
2mm/rev、穴深さ:10mm、切削剤:乾式とした。切削時の
トルクとスラストの測定結果を図１２に示す。あわせて
バイアスコントロール治具を使用しないほか同条件で成
膜し、イオン注入・アニーリングを行った被覆工具によ
る試験結果を示す。この図から明らかに本発明はトルク
もスラストも低い値を示している。これは、刃先部まで
立方晶窒化ほう素が被覆されかつその付着性がよいこと
によることは明らかである。図１３は比較例のマージン
肩部を拡大し模式的に示している。切削後の刃先の観察
結果も、比較品は刃先の摩耗と大きなチッピングが生じ
ていたが、本発明品はそのような状態は見られず、主切
れ刃逃げ部の摩耗も少なかった。

【００１７】実施例２ (１)本発明を適用して、超硬(K10)製のスローアゥェイ
チップ１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍの全面に立方晶窒化
ほう素被膜を被覆した。第１ステップの条件及び第２ス
テップの条件は実施例１と同じにした。ステップ１にお
けるバイアスコントロール治具は、図７のようにインサ
ート形状に対応するように偏平膨出状とし、先端開口径
を１５ｍｍφとするほか、実施例１と同じにした。その
結果、図３に模式的に示すように、エッジにも一様に膜
が形成され、その膜の付着力は、実施例１と同じであっ
た。 (２)次いでスローアゥエイチップの切削性能を普通旋盤
を使用した旋削によって評価した。被削材はSCM415を使
用し、切削条件は、切削速度:１１１〜１３７m/min、送
り:0.19mm/rev、切込み:0.4mm、工具逃げ角:7度、工具
刃先角:90度、切削剤:乾式とした。切削距離２１００ｍ
の切削後では膜の剥離はまったく見られず、最大逃げ面
摩耗幅は約６７μmであり、わずか０．５μm厚の薄いコ
ーティングであるにも関わらず、十分な被覆効果が認め
られた。比較のためバイアスコントロール治具を使用し
ないで成膜するほか他を同じ条件とした被覆スローアゥ
エイチップを作っ他。その結果図１４のようにエッジ部
において膜がスパッタされて堆積しなかった。この比較
品を上記と同じ条件で切削試験したが、その結果は最大
逃げ面摩耗幅が約155μmとなり、本発明に比べて格段に
摩耗が生じた。

【００１８】実施例３実施例２のスローアウェイチップを作成後、第２層とし
てｃ−ＢＮ層のみからなる層を作った。バイアスコント
ロール治具の仕様は実施例２と同様であり、ｃ−ＢＮ層
は、ボロン蒸着速度：０．６６ｎｍ／ｓｅｃ，圧力：５
×1/10⁴Torr、RF出力：３００Ｗ、Ａｒ／Ｎ₂ガス流量
比：９の条件でイオンプレーティングを行い、厚さ約
０．５μmのｃ−ＢＮ層を得た。第２層形成後、イオン
注入・アニーリング併用処理を行った。イオン注入は、
まず加速エネルギ90kev、ドーズ量：１×１０¹⁵ions/cm
²の処理、続いて加速エネルギ35KeV、トーズ量１×１０
¹⁵ions/cm²とした。アニーリングは真空度1×1/10⁵Torr
で、760℃、3hrの条件で行い、全膜厚１．０μmの本発
明品を得た。これによる切削試験結果を実施例２と同じ
条件で行った。その結果、逃げ面摩耗幅は約４５μmで
あり、多層膜とした効果が確認された。

【００１９】実施例４本発明を適用して複合被覆スローアウェイチップを得
た。使用したスローアウェイチップは、市販のTiN被覆
（TiN膜厚：３μm）であり、これを基板として実施例２
と同じ手法でｃ−ＢＮ膜を被覆して本発明品を得た。そ
の複合被覆スローアゥエチップの切削性能を試験した。
被削材としてＦＣ２５を使用し、切削条件は、切削速
度:３００m/min、送り:0.19mm/rev、切込み:0.4mm、工
具逃げ角:7度、工具刃先角:90度、切削剤:乾式とした。
工具摩耗についてｃ−ＢＮ膜のないTiN被覆と比較した
ところ、切削距離2500m後の最大工具逃げ面摩耗におい
て、本発明品は約300μmであったのに対し、比較品は約
510μmであり、複合被覆膜により摩耗幅が少なくなって
いることがわかった。

【００２０】

【発明の効果】以上説明した本発明の請求項１によれ
ば、刃先など鋭利な部分まで一様に成膜された立方晶窒
化ほう素膜被覆加工工具を提供することができるという
すぐれた効果が得られる。請求項２によれば、刃先など
鋭利な部分まで一様に成膜され、しかもその膜の付着性
がよく耐剥離性の良好な立方晶窒化ほう素膜被覆加工工
具を提供することができるというすぐれた効果が得られ
る。請求項３によれば、上記特性の立方晶窒化ほう素膜
膜の厚さが増加するため、耐摩耗性をさらに向上し長寿
命化を図ることができるとうすぐれた効果が得られる。
請求項４によれば、イオンプレーティング時の工具の面
部分とエッジ部分のイオン密度を簡単に均一化すること
ができるというすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したドリルの一例を示す側面図で
ある。

【図２】図１の拡大断面図である。

【図３】本発明を適用したスローアウェイチップの斜視
図とその部分的拡大断面図である。

【図４】(ａ)は本発明の第１ステップでの膜の断面組織
を模式的に示す説明図、（ｂ）は第２ステップを実施し
た後の膜の断面組織を模式的に示す説明図である。

【図５】本発明に用いられるイオンプレーティング装置
の一例を示す説明図である。

【図６】イオンプレーティング時に使用されるバイアス
コントロール治具を使用状態で示す側面図である。

【図７】イオンプレーティング時に使用されるバイアス
コントロール治具を使用状態で示す側面図である。

【図８】バイアスコントロール治具の作用を示す説明図
である。

【図９】本発明の第２ステップで使用されるイオン注入
装置の断面図である。

【図１０】本発明で得られた工具の被覆膜のＩＲスペク
トル図である。

【図１１】本発明で得られた工具の被覆膜の微小スクラ
ッチ試験結果を示すグラフである。

【図１２】本発明で得られた工具の切削時のトルク、ス
ラストの変化を示すグラフである。

【図１３】バイアスコントロール治具を使用しなかった
場合の被覆ドリルの拡大断面図である。

【図１４】バイアスコントロール治具を使用しなかった
場合の被覆スローアゥエイチップの拡大断面図である。

【符号の説明】

ｆ立方晶窒化ほう素膜Ｔ被覆すべき工具５バイアスコントロール治具５０孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工具表面に立方晶窒化ほう素膜を形成させ
た工具において、その立方晶窒化ほう素膜が、工具にバ
イアスを印加したときに発生する工具周囲の電界強度を
均一化しつつイオンプレーテング法により成膜されたも
のであることを特徴とする立方晶窒化ほう素膜を被覆し
た加工工具。
【請求項２】工具表面に立方晶窒化ほう素膜を形成させ
た工具において、その立方晶窒化ほう素膜が、第１ステ
ップとして工具にバイアスを印加したときに発生する工
具周囲の電界強度を均一化しつつイオンプレーテング法
により成膜され、第２ステップとして第１ステップの膜
にイオン注入処理またはこれとアニーリングを施すこと
で形成したものであることを特徴とする立方晶窒化ほう
素膜を被覆した加工工具。
【請求項３】立方晶窒化ほう素膜が、前記第１ステップ
又は第１ステップと第２ステップを複数回繰返した多層
膜からなっているものを含む請求項１又は請求項２に記
載の立方晶窒化ほう素膜を被覆した加工工具。
【請求項４】工具が表面に他の硬質膜が形成されている
ものを含む請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の
立方晶窒化ほう素膜を被覆した加工工具。
【請求項５】工具にバイアスを印加したときに発生する
工具周囲の電界強度を均一化する方法が、イオンプレー
ティング時に導電性多孔バイアスコントロール治具で工
具の所要範囲を囲繞する方法である請求項１ないし請求
項４のいずれかに記載の立方晶窒化ほう素膜を被覆した
加工工具。
【請求項６】イオンプレーティング法が磁界励起型イオ
ンプレーティング法である請求項１ないし請求項５のい
ずれかに記載の立方晶窒化ほう素膜を被覆した加工工
具。