JPH1112718A - 被覆硬質工具 - Google Patents

被覆硬質工具

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JPH1112718A JP9162151A JP16215197A JPH1112718A JP H1112718 A JPH1112718 A JP H1112718A JP 9162151 A JP9162151 A JP 9162151A JP 16215197 A JP16215197 A JP 16215197A JP H1112718 A JPH1112718 A JP H1112718A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐摩耗性や耐溶着性が改善された被覆硬質工
具を提供する。 【解決手段】 硬質母材（１）上に硬質被覆層（４）が
形成されており、その被覆層（４）においては、種類Ａ
と種類Ｂの一次部分的層（４Ａ，４Ｂ）が交互に１０層
以上積層され、種類Ａの一次部分的層（４Ａ）において
は１〜５０ｎｍの厚さを有する複数種類の二次部分的層
が周期的に繰返し積層されており、種類Ｂの一次部分的
層（４Ｂ）は単一層で形成され、それらの一次部分的層
（４Ａ，４Ｂ）はいずれも１００〜５０００ｎｍの厚さ
を有し、各部分的層は、４Ａ族元素，５Ａ族元素，Ａｌ
およびＢから選択された少なくとも１種の元素を含む窒
化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１
種以上の化合物を含んで形成され得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性が要求さ
れる切削工具やその他の耐摩工具として利用される被覆
硬質工具に関し、特に、その耐摩耗性や耐溶着性の改善
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、切削用工具として、超硬合金が用
いられてきた。このような超硬合金としては、たとえ
ば、Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ等の炭化物，窒化物，炭窒化物等
が添加されたＷＣ−Ｃｏ合金が用いられ得る。
【０００３】近年では、切削速度の高速化に伴い、超硬
合金，サーメット，アルミナ系セラミック，窒化珪素系
セラミック等の母材の表面に厚さ約３〜２０μｍの硬質
被膜がＰＶＤ（物理的気相堆積）法によって形成された
被覆硬質工具がしばしば使用されている。このような硬
質被膜としては、元素周期律表における４Ａ族元素，５
Ａ族元素，６Ａ族元素，Ａｌ等の炭化物，窒化物，炭窒
化物，ホウ窒化物，または酸化物を含む膜が用いられ得
る。特に、ＰＶＤ法によって堆積される硬質被膜は母材
の強度の劣化を招くこともなくその耐摩耗性を高めるこ
とができるので、ドリル，エンドミル，フライス用スロ
ーアウェイチップ（交換可能な使い捨ての刃先）などの
強度が要求される切削工具に多く利用されている。
【０００４】さらに、最近では、多層構造を有する硬質
被膜を含む被覆硬質工具が特開平８−１２７８６２に開
示されている。
【０００５】図３は、このような多層構造を有する硬質
被膜を含む被覆硬質工具の一部の模式的な断面図を示し
ている。図３の被覆硬質工具は、硬質の母材１上に堆積
された硬質被膜２を含んでいる。硬質被膜２において
は、２種以上の複数の層が周期的に繰返し積層されてお
り、各層は約１〜１００ｎｍの範囲内の厚さを有してい
る。硬質被膜２に含まれる各層は、４Ａ族元素，５Ａ族
元素，Ａｌ，Ｂ等から選択された少なくとも１種の元素
を含む窒化物，炭化物，炭窒化物，および酸化物から選
択された１種以上の化合物を含み得る。
【０００６】硬質被膜２において、隣接する異なる種類
の層は互いに少し異なる結晶格子定数を有し、互いの界
面において部分的に連続する結晶格子構造を含んでい
る。このように層間界面において部分的に連続した結晶
格子構造を含む多層膜では、各層間の弾性的相補作用に
よって大きな内部歪みを生じ、その結果として、各層単
独の固有の硬度よりさらに高い硬度が得られる。
【０００７】図４は、多層構造を有する硬質被膜を含む
被覆硬質工具のもう１つの例を模式的な断面図で示して
いる。図４の被覆硬質工具は図３のものに類似している
が、図４においては硬質母材１と多層被膜２との間に中
間層３が挿入されている。この中間層３は、硬質母材１
と多層被膜２との間の付着強度を向上させるために設け
られている。このような中間層３として、４Ａ族元素の
窒化物，炭化物，炭窒化物等を用いることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、図３や
図４に示されているような多層被膜２では層間相互作用
によって非常に高い硬度が得られるが、層間の歪み整合
が適当に安定化されていなければ、あまりに高い内部応
力に起因して被膜２の脆化現象が現れることがある。特
に、内部歪みは多層被膜２の厚さが大きくなるに従って
増大するので、その厚さが大きいときには、切削時の衝
撃で被膜２が脆性破壊することがある。
【０００９】このような先行技術の課題に鑑み、本発明
は、硬質多層被膜の特性を改善して、優れた耐摩耗性や
耐溶着性を有する被覆硬質工具を提供することを目的と
している。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明による被覆硬質工
具は、硬質母材とその母材の表面上に形成された硬質被
覆層とを含み、被覆層は種類Ａと種類Ｂとの複数の一次
部分的層を含み、母材表面上には種類Ａと種類Ｂのいず
れか一方の種類から開始して交互の種類で合計１０以上
の一次部分的層が積層されており、種類Ａの一次部分的
層は１００〜５０００ｎｍの範囲内の厚さを有し、かつ
順次周期的に繰返し積層された複数種類の二次部分的層
を含み、各種類の二次部分的層は、４Ａ族元素，５Ａ族
元素，ＡｌおよびＢから選択された少なくとも１種の元
素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選
択された１種以上の化合物を含みかつ１〜５０ｎｍの範
囲内の厚さを有し、種類Ｂの一次部分的層は４Ａ族元
素，５Ａ族元素，ＡｌおよびＢから選択された少なくと
も１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸
化物から選択された１種以上の化合物を含む単一層から
なりかつ１００〜５０００ｎｍの範囲内の厚さを有する
ことを特徴としている。
【００１１】また、本発明による被覆硬質工具は、その
被覆層が全体として０．５〜１０μｍの厚さを有するこ
とが好ましい。
【００１２】さらに、本発明による被覆硬質工具は、母
材表面と一次部分的層との間の界面に付加的に挿入され
た中間層をさらに含み、この中間層は４Ａ族元素の窒化
物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１種
を含みかつ０．５〜１０μｍの厚さを有し、被覆層と中
間層は合計で１〜１４μｍの厚さを有することがさらに
好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１において、本発明の１つの実
施の形態による被覆硬質工具の一部の断面が模式的に示
されている。この被覆硬質工具は、硬質母材１上に堆積
された硬質被覆層４を含んでいる。被覆層４は、種類Ａ
の複数の一次部分的層４Ａと種類Ｂの複数の一次部分的
層４Ｂとを含んでいる。これらの種類Ａと種類Ｂの一次
部分的層４Ａと４Ｂは、母材１の表面上に交互の種類で
合計１０層以上が積層されている。この交互の繰返し積
層は、図１においては種類Ａの一次部分的層４Ａから開
始されて示されているが、種類Ｂの一次部分的層４Ｂか
ら開始されてもよい。
【００１４】種類Ａの一次部分的層４Ａは１００〜５０
００ｎｍの範囲内の厚さを有し、かつ２種以上の複数の
二次部分的層が順次周期的に繰返し積層されている。こ
れらの二次部分的層の各々は、４Ａ族元素，５Ａ族元
素，ＡｌおよびＢから選択された少なくとも１種の元素
を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択
された１種以上の化合物を含んで形成され得て、約１〜
５０ｎｍの範囲内の厚さを有することが好ましい。
【００１５】他方、種類Ｂの一次部分的層４Ｂは、単一
層で形成されている。一次部分的層４Ｂも、４Ａ族元
素，５Ａ族元素，ＡｌおよびＢから選択された少なくと
も１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸
化物から選択された１種以上の化合物を含んで形成され
得て、その厚さは約１００〜５０００ｎｍの範囲内にあ
ることが好ましい。
【００１６】硬質被覆層４の全体の厚さは、約０．５〜
１０μｍの範囲内にあることが好ましい。これは、被覆
層４の厚さが０．５μｍ未満では十分な耐摩耗性の改善
が得られず、逆に厚さが１０μｍを超えれば被覆層４が
剥離しやすくなるからである。
【００１７】本発明者らは、図１に示されているような
被覆硬質工具が安定かつ優れた耐摩耗性や耐溶着性を有
していることを見い出した。すなわち、先行技術に関し
て説明されたように、種類Ａの一次部分的層４Ａはそれ
に含まれる極めて薄い複数の二次部分的層の層間相互作
用によって非常に高い硬度を示す。しかし、一次部分的
層４Ａの各々の厚さは５０００ｎｍ以下に限定されてい
るので、一次部分的層４Ａの各々における内部歪みが過
剰に大きくなることがなく、また、複数の一次部分的層
４Ａのそれぞれの間に挿入されている厚さの大きな単一
層である二次部分的層４Ｂが一次部分的層４Ａの内部歪
みを緩和するように作用する。その結果、図１に示され
ているような被覆硬質工具に含まれる被覆層４は、脆化
を生じることなく高い硬度を有することができ、安定か
つ優れた耐摩耗性や耐溶着性を可能にする。
【００１８】図２においては、本発明のもう１つの実施
の形態による被覆硬質工具の一部の断面が模式的に示さ
れている。図２の被覆硬質工具は図１のものに類似して
いるが、図２においては、種類Ａおよび種類Ｂの一次部
分的層４Ａおよび４Ｂを含む硬質被覆層４と硬質母材１
との間に単一層からなる中間層３が挿入されている。中
間層３は、４Ａ族元素の窒化物，炭化物，炭窒化物およ
び酸化物から選択された１つを含んで形成され得て、種
類Ａと種類Ｂの一次部分的層４Ａと４Ｂのいずれよりも
大きな厚さを有し、かつ好ましくは約０．５〜２μｍの
範囲内の厚さを有している。
【００１９】このような厚い中間層３は、被覆層４と母
材１との間の付着強度を改善するのみならず、被覆層４
全体の内部歪みを緩和するようにも作用し得る。したが
って、中間層３を含む場合、被覆層４の厚さを少し増大
させることができ、中間層３と被覆層４との合計厚さは
約１〜１４μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００２０】なお、上述のような硬質被覆層４に含まれ
る各部分的層や中間層３は通常のＰＶＤ法で堆積するこ
とも可能であるが、アーク放電式イオンプレーティング
やスパッタリング法で堆積することがより好ましい。
【００２１】
【実施例】表１において、図１の実施の形態に対応する
実施例試料No. Ａ１〜Ａ７と図３の先行技術に対応する
比較例試料No. Ｂ１〜Ｂ７が示されている。これらの実
施例試料と比較例試料による被覆硬質工具のいずれにお
いても、型番ＳＤＫＮ４２ＭＴの形状を有するＩＳＯ−
Ｐ３０の超硬合金が母材１として用いられ、その上にア
ーク放電式イオンプレーティングによって種々の硬質被
覆層が堆積された。
【００２２】
【表１】
【００２３】表１中において、たとえば実施例試料No.
Ａ１では、母材１上に４μｍの全体厚さを有する被覆層
４が堆積されている。被覆層４に含まれる一次部分的層
４Ａは全体として５００ｎｍの厚さを有しており、その
中では厚さ１ｎｍのＴｉＮの二次部分的層と厚さ１ｎｍ
のＡｌＮの二次部分的層とが交互に繰返して積層されて
いる。被覆層４に含まれる他方の一次部分的層４Ｂは、
ＴｉＮの単一層で形成されており、５００ｎｍの厚さを
有している。
【００２４】実施例試料No. Ａ１と比較されるべき比較
例試料No. Ｂ１においては、その被覆層２が実施例試料
No. Ａ１の被覆層４と同様に４μｍの厚さを有している
が、一次部分的層４Ｂに対応する部分的層を含んでいな
い。すなわち、比較例試料No. Ｂ１の被覆層２において
は厚さ１ｎｍのＴｉＮの部分的層と厚さ１ｎｍのＡｌの
部分的層とが交互に多数回繰返して積層されているだけ
であり、これは実施例試料No. Ａ１中の単一の一次部分
的層４Ａの厚さを増大させたものに対応している。
【００２５】実施例試料No. Ａ２〜Ａ７およびそれらと
比較されるべき比較例試料No. Ｂ２〜Ｂ７においても、
実施例試料No. Ａ１および比較例試料No. Ｂ１と同様
に、表１に示されているような各層の厚さと組成を有し
ている。
【００２６】表１に示されているような実施例試料と比
較例試料を切削刃として用いて、下記の条件で合金鋼の
ブロックの切削試験を行ない、各試料の逃げ面摩耗量を
測定した。
【００２７】（切削試験条件） 被削材：ＳＣＭ４３５（硬さ：ＨＢ２５０） 切削方法：フライス切削 切削形態：乾式 切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ 切込深さ：１．５ｍｍ フライス送り：０．２５ｍｍ／刃 切削長：２ｍ 以上のような切削試験結果として、各試料について測定
された逃げ面摩耗量も表１に示されている。表１におい
て実施例試料No. Ａ１〜Ａ７と比較例試料No.Ｂ１〜Ｂ
７とをそれぞれ対応させて逃げ面摩耗量を比較すれば明
らかなように、本発明による実施例試料のいずれにおい
ても、比較例試料に比べて耐摩耗性が安定化され、摩耗
量が著しく低減されていることがわかる。
【００２８】
【表２】
【００２９】表２においては、図２の実施の形態に対応
する実施例試料No. Ｃ１〜Ｃ７と図４の先行技術に対応
する比較例試料No. Ｄ１〜Ｄ７が示されている。表２中
の実施例試料No. Ｃ１は、表１中の実施例試料No. Ａ１
に類似しているが、ＴｉＮからなる厚さ１μｍの中間層
３を付加的に含んでいる。同様に、表２中の実施例試料
No. Ｃ２〜Ｃ７も、表１中の実施例試料No. Ａ２〜Ａ７
にそれぞれ類似しているが、表２に示されているような
中間層を付加的に含んでいる。また、表２中の比較例試
料No. Ｄ１〜Ｄ７も、表１中の比較例試料No. Ｂ１〜Ｂ
７に類似しているが、表２に示されているような中間層
を付加的に含んでいる。
【００３０】表２に示されているような実施例試料と比
較例試料についても、表１における試料と同様の切削試
験が行なわれ、その結果として測定された逃げ面摩耗量
も表２に示されている。表２においても、実施例試料N
o. Ｃ１〜Ｃ７と比較例試料No. Ｄ１〜Ｄ７とをそれぞ
れ対応させて逃げ面摩耗量を比較すれば明らかなよう
に、本発明による実施例試料のいずれにおいても、比較
例試料に比べて耐摩耗性が安定化され、摩耗量が著しく
低減されていることがわかる。なお、中間層を含まない
表１における実施例試料No. Ａ１〜Ａ７と中間層を含む
表２の実施例試料No. Ｃ１〜Ｃ７を比較すれば明らかな
ように、中間層を含む実施例試料では中間層を含まない
実施例試料に比べて耐摩耗性がさらに安定化されて摩耗
量がさらに低減されていることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】以上のように、本発明による被覆硬質工
具においては、表面層の耐摩耗性が安定化されて摩耗量
が著しく低減され、それによって工具寿命が延長される
という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態による被覆硬質工具
の一部の模式的な断面図である。
【図２】本発明のもう１つの実施の形態による被覆硬質
工具の一部の模式的な断面図である。
【図３】先行技術の一例による硬質工具の一部の模式的
な断面図である。
【図４】先行技術のもう１つの例による被覆硬質工具の
一部の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１ 硬質母材 ２ 先行技術による硬質被膜 ３ 硬質母材と硬質被覆層との間に挿入された中間層 ４ 本発明による硬質被覆層 ４Ａ 硬質被覆層に含まれる種類Ａの一次部分的層 ４Ｂ 硬質被覆層に含まれる種類Ｂの一次部分的層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 硬質母材とその母材の表面上に形成され
    た硬質被覆層とを含む被覆硬質工具であって、 前記被覆層は種類Ａと種類Ｂとの複数の一次部分的層を
    含み、前記母材表面上には種類Ａと種類Ｂのいずれか一
    方の種類から開始して交互の種類で合計１０以上の前記
    一次部分的層が積層されており、 前記種類Ａの一次部分的層は１００〜５０００ｎｍの範
    囲内の厚さを有し、かつ順次周期的に繰返し積層された
    複数種類の二次部分的層を含み、各種類の二次部分的層
    は、４Ａ族元素，５Ａ族元素，ＡｌおよびＢから選択さ
    れた少なくとも１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒
    化物および酸化物から選択された１種以上の化合物を含
    みかつ１〜５０ｎｍの範囲内の厚さを有し、 前記種類Ｂの一次部分的層は４Ａ族元素，５Ａ族元素，
    ＡｌおよびＢから選択された少なくとも１種の元素を含
    む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択され
    た１種以上の化合物を含む単一層からなり、かつ１００
    〜５０００ｎｍの範囲内の厚さを有することを特徴とす
    る被覆硬質工具。
  2. 【請求項２】 前記被覆層は全体として０．５〜１０μ
    ｍの厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載
    の被覆硬質工具。
  3. 【請求項３】 前記母材表面と前記一次部分的層との間
    の界面に付加的に挿入された中間層をさらに含み、この
    中間層は４Ａ族元素の窒化物，炭化物，炭窒化物および
    酸化物から選択された１種を含みかつ１〜１０μｍの厚
    さを有し、前記被覆層と前記中間層は合計で１〜１４μ
    ｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の被
    覆硬質工具。
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