WO2006070730A1

WO2006070730A1 - 表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法

Info

Publication number: WO2006070730A1
Application number: PCT/JP2005/023761
Authority: WO
Inventors: Haruyo Fukui; Naoya Omori; Shinya Imamura; Hideki Moriguchi; Makoto Setoyama; Akihiko Shibata
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp.
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2006-07-06
Also published as: EP1842610A4; EP1842610B1; EP1842610A1

Abstract

　基材（２）と、基材（２）の表面上に形成された被覆層（３）とを含む表面被覆切削工具（１）であって、被覆層（３）はＡ層（１２）とＢ層（１５）とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層（１３）を含み、Ａ層（１２）はＡｌとＣｒとを含む窒化物からなり、Ａ層（１２）を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であって、Ｂ層（１５）はＴｉとＡｌとを含む窒化物からなり、Ｂ層（１５）を構成する金属原子の総数を１としたときのＡｌの原子数の比が０よりも大きく０．７以下である表面被覆切削工具（１）とその表面被覆切削工具（１）を製造する方法である。

Description

明細書

表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法

技術分野

[0001] 本発明は表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法に関し、特に、寿命が長い表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法に関する。背景技術

[0002] 下記の特開平 7— 310174号公報（特許文献 1)においては、表面被覆切削工具ゃ耐磨耗工具などの耐磨耗性および表面保護機能などの改善のため、 WC基超硬合金、サーメットまたは高速度鋼等からなる基材の表面上に形成される被覆層として (Al Ti Si ) (N C )の組成（ただし、 0. 05≤x≤0. 75、 0. 01≤y≤0. 1、 0. 6

≤z≤l)からなる被覆層が開示されている。

[0003] しかし、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、および加工能率を向上させるために切削速度がより高速になってきていることなどの事情があり、切削工程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ことから、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つている。

[0004] そこで、たとえば、特開 2004— 169076号公報（特許文献 2)においては、耐磨耗性、密着性および耐磨耗性を向上することを目的として (Al Cr ) (N B C O

)の組成（ただし、 0. 45く Xく 0. 75、 0≤ひく 0. 12、 0≤ β く 0. 20、 0. 01≤ y

≤0. 25)からなる被覆層が開示されている。また、特開 2003— 34859号公報（特許文献 3)においては、（Al , [Cr V ] ) (C N )の組成（ただし、 0. 5≤b≤0. 8、 0

. 2≤c≤0. 5、 b + c = l、 0. 05≤ひ≤0. 95、 0. 5≤d≤l)また ίま（M， Al , [Cr

V ] ) (C N )の組成（ただし、 Mは Ti、 Nb、 W、 Taおよび Moよりなる群力選択された少なくとも 1種であり、 0. 02≤a≤0. 3、 0. 5≤b≤0. 8、 0. 05≤c, a + b + c = 1 , 0. 5≤d≤l , 0≤ a≤1)力もなる被覆層が開示されている。

特許文献 1 :特開平 7— 310174号公報特許文献 2：特開 2004— 169076号公報

特許文献 3：特開 2003— 34859号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] ドライ加工を高加工能率で行なうといった過酷な切削条件などにおいては、硬度などの被覆層の特性を向上するだけでは不十分であって、切削初期における刃先のチッビングによる基材の露出をいかに抑制するかということが表面被覆切削工具の寿命を長くするためには非常に重要であると考えられる。

[0006] 図 1に、表面被覆切削工具の典型的な刃先の模式的な拡大断面図を示す。図 1において、表面被覆切削工具は、基材 2と基材 2の表面上に形成された被覆層 3とを含む。そして、表面被覆切削工具の刃先はすくい面 4と逃げ面 5とによって構成され、多くの場合、すくい面 4と逃げ面 5とがつくる角度は鋭角または直角である。このような表面被覆切削工具の刃先の被覆層 3の厚みは、すくい面 4における厚み 6および逃げ面 5における厚み 7に比べて、刃先稜線部における厚み 8が最も厚くなる。

[0007] 次に、表面被覆切削工具の刃先の理想的な摩耗進行を図 2 (a)〜（c)を用いて説明する。表面被覆切削工具の刃先の理想的な摩耗は、まず図 2 (a)に示すように被覆層 3が刃先稜線部から徐々に摩耗していき、図 2 (b)に示すようにその摩耗が基材 2に到達した後、ついには図 2 (c)に示すように基材 2と被覆層 3とが共にその表面が露出する。

[0008] しかし、発明者らが詳細に表面被覆切削工具の摩耗部を調査した結果、刃先先端の摩耗は上述の図 2 (a)〜（c)のようには進行せず、図 3に示すように、切削初期に既に一点鎖線 Xで示す刃先稜線部のチッビングにより基材 2の一部が無くなって基材 2の部分 10が露出した形態から表面被覆切削工具の刃先の摩耗が進行しており、上記のチッビングにより露出した基材 2の一部からは酸化が進行して酸化部 11が形成されることがわかった。したがって、切削初期に基材 2が露出した場合には、切削工程において基材 2の露出部が激しく摩耗したり、酸化部 11からの被覆層 3が剥離したりすることによって、表面被覆切削工具の寿命を長くすることが困難となる。

[0009] 上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、寿命が長い表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0010] 本発明は、基材と、基材の表面上に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、被覆層は A層と B層とが交互にそれぞれ 1層以上積層された交互層を含み、 A層は A1 (アルミニウム）と Cr (クロム）とを含む窒化物からなり、 A層を構成する金属原子の総数を 1としたときの Crの原子数の比が 0よりも大きく 0. 4以下であって、 B 層は Tiと A1とを含む窒化物からなり、 B層を構成する金属原子の総数を 1としたときの A1の原子数の比が 0よりも大きく 0. 7以下である表面被覆切削工具である。

[0011] ここで、本発明の表面被覆切削工具においては、 B層中に Si (ケィ素）元素を含み、 B層を構成する金属原子の総数を 1としたときの Siの原子数の比を 0よりも大きく 0. 2以下とすることができる。

[0012] また、本発明の表面被覆切削工具においては、 A層および B層の少なくとも一方に V (バナジウム）元素が原子％で 30原子％未満含まれてレ、てもよレ、。

[0013] また、本発明の表面被覆切削工具においては、 A層および B層の少なくとも一方に B (ホウ素）元素が原子％で 10原子％未満含まれてレ、てもよレ、。

[0014] また、本発明の表面被覆切削工具においては、 A層および B層のそれぞれの厚みは 0. 005 x m以上 2 x m以下であることが好ましい。

[0015] また、本発明の表面被覆切削工具においては、交互層における Α層の厚みを aとし、 B層の厚みを λ bとしたとき、 A層と B層との厚みの比である λ a/ λ bが 1≤ λ a/ λ b< 5であることが好ましい。

[0016] また、本発明の表面被覆切削工具においては、交互層における A層の厚みを aとし、 B層の厚みを λ bとしたとき、 A層と B層との厚みの比である λ a/ λ bが基材に最も近レ、側では λ a/ λ b = 1であり、基材から遠ざかるにしたがって λ aZ λ bの値は連続的に大きくなつていき、基材から最も遠い側では 1 < aZ bく 5であることが好ましい。

[0017] また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の最下層を A層とすることができる。

[0018] また、本発明の表面被覆切削工具においては、最下層の A層中に Si元素が原子 %で 10原子％未満含まれてレ、てもよレ、。

[0019] また、本発明の表面被覆切削工具においては、最下層の A層の厚みは 0. Ι μ ΐη以上 2 μ m以下であることが好ましレ、。

[0020] また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の最下層を B層とすることができる。

[0021] また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の最上層を C層とし、 C層は

Tiと A1とを含む炭窒化物からなり、 C層を構成する金属原子の総数を 1としたときの A

1の原子数の比を 0よりも大きく 0. 7以下とすることができる。

[0022] また、本発明の表面被覆切削工具においては、 C層中に Si元素を含み、 C層を構成する金属原子の総数を 1としたときの Siの原子数の比を 0よりも大きく 0. 2以下とすること力 Sできる。

[0023] また、本発明の表面被覆切削工具においては、 C層に B元素が原子％で 10原子

%未満含まれてレ、てもよレ、。

[0024] また、本発明の表面被覆切削工具においては、 C層の厚みが 0. 1 /i m以上 2 /i m 以下であることが好ましい。

[0025] また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の全体の厚みを 0. 8 /i m 以上 15 /i m以下とすることが好ましい。

[0026] また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の圧縮残留応力を OGPa以上 6GPa以下とすることが好ましレ、。

[0027] また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の結晶構造を立方晶とすることが好ましい。

[0028] また、本発明の表面被覆切削工具においては、基材が、 WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化ケィ素焼結体、酸化アルミニウムおよび炭化チタンからなる群から選択された少なくとも 1種力、らなっていてもよい。

[0029] また、本発明の表面被覆切削工具は、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、歯切工具、リーマまたはタップであってもよい。 [0030] さらに、本発明は、上記の表面被覆切削工具を製造する方法であって、基材を準備する工程と、物理的蒸着法を用いて A層と B層とを交互にそれぞれ 1層以上積層することによって交互層を形成する工程と、を含む、表面被覆切削工具の製造方法である。

[0031] ここで、本発明の表面被覆切削工具の製造方法において、物理的蒸着法は、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およびァ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種を用レ、ることができる。

[0032] また、本発明は、基材と、基材の表面上に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、被覆層は、 (Al Cr )の窒化物（ただし、 0< a≤0. 4)よりなる A層

1-a a

と、（Ti Al Si )の窒化物（ただし、 0く χ≤0· 7, 0≤y≤0. 2、 x + y≠0)よりなる B l

層とを含み、 A層と B層とは、交互に 1層以上積層されている表面被覆切削工具である。

[0033] また、本発明の表面被覆切削工具において、被覆層の最下層を A層とすることができる。

[0034] また、本発明の表面被覆切削工具において、被覆層の最上層を (Ti Al Si )の

Ι

炭窒化物（ただし、 0<χ≤0· 7, 0≤y≤0. 2、x + y≠0)よりなる C層（14)とすることができる。

発明の効果

[0035] 本発明によれば、寿命が長い表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0036] [図 1]表面被覆切削工具の刃先の一例の模式的な拡大断面図である。

[図 2]表面被覆切削工具の刃先の理想的な摩耗を図解する模式的な拡大断面図である。

[図 3]従来の表面被覆切削工具のチッビングの一例を示す模式的な拡大断面図である。

[図 4]本発明の表面被覆切削工具の一例の刃先の模式的な拡大断面図である。 [図 5]図 4に示す V— Vに沿った模式的な拡大断面図である。

[図 6]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。

[図 7]実施例で用いられた力ソードアークイオンプレーティング装置の模式的な断面図である。

[図 8]図 7に示す力ソードアークイオンプレーティング装置の模式的な上面図である。

[図 9]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 10]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。

符号の説明

[0037] 1 表面被覆切削工具、 2 基材、 3 被覆層、 4 すくい面、 5 逃げ面、 6 すくい面における厚み、 7 逃げ面における厚み、 8 刃先稜線部における厚み、 10 部分、 11 酸化部、 12 A層、 13 交互層、 14 C層、 101 チャンノく、 103 ガス排出口、 104 基材ホブレダ、、 105 ガス、 106, 107, 120 力ソード、 108, 109 アーク電 C 、 110 バイアス電源。

発明を実施するための最良の形態

[0038] 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。

[0039] 本発明の表面被覆切削工具は、基材と、基材の表面上に形成された被覆層とを含み、被覆層は A層と B層とが交互にそれぞれ 1層以上積層された交互層を含み、 A層は A1と Crとを含む窒化物からなり、 A層を構成する金属原子の総数を 1としたときの C rの原子数の比が 0よりも大きく 0. 4以下であって、 B層は Tiと A1とを含む窒化物からなり、 B層を構成する金属原子の総数を 1としたときの A1の原子数の比が 0よりも大きく 0. 7以下であることを特徴としている。

[0040] ここで、上記の被覆層における A層は A1を含んでいるために高い耐酸化性を有している。また、 A層は A1だけでなく Crも含むために耐酸化性がさらに高くなつている。また、 A層においては、 A1と Crとが組み合わされているために A層の結晶構造が立方晶となって高硬度化する傾向にある。

[0041] また、 A層を構成する金属原子の総数を 1としたときの Crの原子数の比が 0よりも大きく 0. 4以下である。ここで、上記の Crの原子数の比が 0. 4よりも大きい場合には A 層の硬度が低下してしまう。また、 A層の硬度がより高くなる観点からは、上記の Crの原子数の比は 0. 2以上 0. 35以下であることがより好ましい。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、ヒ素、アンチモンおよび炭素以外の元素の原子のことをレ、う。

[0042] また、上記の B層を構成する金属原子の総数を 1としたときの A1の原子数の比は 0 よりも大きく 0. 7以下である。上記の B層の A1の原子数の比が 0. 7を超える場合には B層の硬度が低下して摩耗が促進してしまう。また、 B層の硬度がより高くなる観点からは、上記の B層の A1の原子数の比は 0. 3以上 0. 65以下であることがより好ましい

[0043] また、上記の B層中にはケィ素を含めることができる。 B層中にケィ素を含めた場合には B層の硬度が高くなるとともに耐酸化性が向上する傾向にある。 B層中にケィ素を含めた場合には、 B層を構成する金属原子の総数を 1としたときのケィ素の原子数の比は 0よりも大きく 0. 2以下であることが好ましい。上記のケィ素の原子数の比が 0 . 2よりも大きい場合には B層が脆くなつて逆に摩耗が促進する傾向にある。また、 B 層の金属原料となる合金製ターゲットを熱間静水圧処理で作製する場合、上記の上記のケィ素の原子数の比が 0. 2を超えていると、合金製ターゲットが焼成中に割れてしまい、 B層の形成に使用可能な材料強度を得ることが難しくなる傾向にある。なお、 B層の硬度が高くなり、上記の合金製ターゲットの強度を向上する観点からは、 B層を構成する金属原子の総数を 1としたときのケィ素の原子数の比を 0. 05以上 0. 15以下とすることがより好ましい。

[0044] 本発明者らは、基材の表面上に形成された被覆層の耐チッビング性を向上させることを目的として各種被膜および被覆層の積層構成を検討した結果、圧縮残留応力や硬度などの特性が異なる上記の A層および B層を交互にそれぞれ 1層以上積層した交互層を被覆層に含めることによって、被覆層全体としての耐摩耗性や靭性を向上できることを見い出し、本発明を完成させた。

[0045] 上記の本発明の表面被覆切削工具において、たとえば、 A層または B層のいずれか一方のみを単独で基材上に形成した場合には A層または B層が有する特性のみを得ること力 Sできる。

[0046] し力ながら、 A層および B層を交互にそれぞれ 1層以上積層した交互層を設けることによって交互層において A層が有する特性と B層が有する特性とが相互補完し、 A層または B層を単独で積層した場合と比べて被覆層の特性を優れたものにすることができると考えられる。

[0047] すなわち、仮に、 A層が応力が大きく硬度が低い特性を有し、 B層が応力が小さく硬度が高い特性を有するとした場合に、 B層の硬度が高い特性が A層の硬度が低いという特性により補完され、 B層の応力が小さい特性が A層の応力が大きい特性により補完される。これにより、 A層および B層のそれぞれの互いに弱い特性が補われるとともに A層と B層とを単に組み合わせただけの場合よりも著しく優れた被覆層の特性が発現するため、本発明の表面被覆切削工具の寿命がより長レ、ものになると考えられる。

[0048] また、被覆層が A層および B層を交互にそれぞれ 1層以上積層した交互層を含むことによって、切削工程中に発生するチッビングなどが原因で被覆層の最上層からクラックが発生した場合、組成および結晶格子が不連続となる交互層の各層の界面でクラックの進展を抑制することができるため、本発明の表面被覆切削工具の寿命がより長いものになると考えられる。

[0049] なお、本発明において、上記の交互層における A層の積層数および B層の積層数は交互層を構成している A層および B層のそれぞれの積層数のことを意味している。たとえば、上記の交互層が、 A層、 B層、 A層、 B層および A層の順序で積層された構成を有している場合には、交互層における A層の積層数は 3層となり、 B層の積層数は 2層となる。

[0050] また、本発明においては、 A層および B層の少なくとも一方にバナジウムが原子％で 30原子％未満含まれていてもよい。この場合には、切削時における高温環境において A層および/または B層の表面が酸化したとしても、バナジウムの酸化物は低融点を有するのでバナジウムの酸化物が切削時の潤滑剤として作用するようになり、結果として被削材の融着を抑制できる傾向にある。バナジウムが 30原子％以上含有される場合には A層および/または B層の硬度が低下する傾向にある。また、バナジゥムが 15原子％未満含有される場合には上記の被削材の融着を抑制できるとともに A 層および/または B層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 %」とは、層を構成する原子の総原子数に対する原子数の割合（％)のことをいう。

[0051] また、本発明においては、 A層および B層の少なくとも一方にホウ素が原子％で 10 原子％未満含まれていてもよレ、。この場合には、メカニズムはわかっていないが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、切削中の表面酸化によって形成されるホウ素の酸化物が特に層中の A1の酸化物を緻密化する傾向にあることからも好ましレ、。さらに、ホウ素の酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑える傾向もある。

[0052] また、 A層および B層のそれぞれの厚みが 0. 005 μ m以上 2 μ m以下であることが好ましレ、。この場合には、被覆層の表面で発生したクラックの進展を抑制することができる傾向にある。また、 A層および B層のそれぞれの厚みが 0. 005 m未満である場合には各層が混ざり合って A層および B層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り、 2 μ mを超える場合にはクラックの進展のさらなる抑制効果が得られにくい傾向にある。

[0053] また、図 9の模式的断面図に示すように、交互層 13における A層 12の厚みをえ aとし、 B層 15の厚みを λ bとしたとき、 A層 12と B層 15との厚みの比である λ a /え bが 1 ≤ a /え bく 5であることが好ましぐ 1≤ λ a/ bく 3であることがより好ましレ、。上述したように、 A層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率も低ぐ切削時に発生した熱を基材に伝えにくい性質を持つ。したがって、被覆層中の A層の割合は相対的に増えると、表面被覆切削工具全体としての耐熱性が向上するので、特に、連続切削時の表面被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。また、被覆層中の Tiの量が相対的に減少するので、たとえば Ti合金の切削時において、表面被覆切削工具の損傷部への Ti合金の融着が抑制され、結果として、表面被覆切削工具の寿命の延長を図ることができる傾向にある。なお、 a/ b< lの場合には被覆層の耐酸化性が低下する傾向にあり、 aZ i b > 5の場合には A層と B層とを積層したことによ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。

[0054] また、図 10の模式的断面図に示すように、交互層 13における A層 12の厚みを a とし、 B層 15の厚みをえ bとしたとき、 A層 12と B層 15との厚みの匕である λ a /え b が基材 2に最も近レ、側では λ a/え b = 1であり、基材 2から遠ざかるにしたがってえ a / bの値は連続的に大きくなつていき、基材 2から最も遠い側では 1くえ a/ bく 5であることが好ましぐ 1く； l a/ b< 3であることが好ましい。上述したように、 A層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率も低ぐ切削時に発生した熱を基材に伝えにくい性質を持つ。したがって、被覆層中の A層の割合は相対的に増えると、表面被覆切削工具全体としての耐熱性が向上するので、特に、連続切削時の表面被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。しかし、被覆層の密着性の観点からは、応力の低い B層を交互に積層することは効果的である。そこで、基材に最も近い側では B層の割合を高くし、基材力遠ざかるにしたがって A層の割合を連続的に高めてレ、くことによって、刃先に負荷の力かる断続切削においても性能が向上する傾向にある。また、被覆層中の Ti量が基材カ遠ざかるにしたがって相対的に減少していくので、たとえば Ti合金の切削時において、表面被覆切削工具の損傷部への Ti合金の融着が抑制され、結果として、表面被覆切削工具の寿命の延長を図ることができる傾向にある。なお、基材から最も遠い側において、ぇ&/ぇ )< 1の場合には被覆層の耐酸化性が低下する傾向にあり、 λ a/ A b > 5の場合には Α層と B層とを積層したことによ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。

[0055] 本発明においては、被覆層の最下層を上記の A層とすることができる。ここで、最下層とは、基材と直接に接触する被覆層中の層のことである。被覆層の最下層を A層とした場合には、切削初期に基材が露出したとしても、基材と被覆層との間の界面からの酸化を抑制することができる傾向にある。なお、最下層である A層上に上記の交互層を形成する場合には、最下層である A層上には A層が積層されてもよぐ B層が積層されてもよい。

[0056] また、被覆層の最下層としての A層に Siを原子％で 10原子％未満含有させることもできる。この場合には最下層である A層の硬度が高くなる傾向にあり、最下層である A層の構造も微細化する傾向にある。

[0057] また、被覆層の最下層としての A層の厚みは 0. 1 μ m以上 2 μ m以下であることが好ましい。最下層である A層の厚みが 0. l z m未満の場合には被覆層の最下層を A 層とした効果を得ることができない傾向にあり、 2 / mを超えた場合には最下層を A層とした効果のさらなる向上が認められない傾向にある。

[0058] また、本発明においては、被覆層の最下層を B層とすることもできる。被覆層の最下層を B層とした場合には、 B層は応力が小さい傾向にあることから、特に、負荷が刃先に繰り返し力、かるようなフライス加工やエンドミルカ卩ェなどの断続力卩ェの場合に被覆層の耐剥離性が格段に向上する傾向にある。なお、最下層としての B層中における A1の原子数比は、 B層を構成する金属原子の総数を 1としたときに 0. 3よりも大きく 0 . 55以下であることが耐剥離性を向上させる観点からより好ましい。また、最下層である B層上に上記の交互層を形成する場合には、最下層である B層上には A層が積層されてもよぐ B層が積層されてもよい。

[0059] また、本発明においては、被覆層の最上層を C層とすることができる。ここで、 C層は Tiと A1とを含む炭窒化物 (炭素と窒素を含む化合物)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 A1の原子数の比が 0よりも大きく 0. 7以下である。また、 C層はケィ素を含んでいてもよぐ C層がケィ素を含む場合には C層を構成する金属原子の総数を 1としたときのケィ素の原子数の比が 0よりも大きく 0. 2以下である。被覆層の最上層として C層を形成した場合には、被削材に対する被覆層の摩擦係数が低下して、本発明の表面被覆切削工具の長寿命化に寄与する傾向にある。一般的に、炭窒化物は窒化物よりも被削材に対する摩擦係数が低い傾向にあり、このような摩擦係数の低下は炭素原子の寄与によるものと考えられる。また、 C層の表面は切削時において他の層の表面と比べて最も高温となるため、本発明においては、耐酸化性を付与する目的で C層の組成を上記のものとしている。なお、耐酸化性を向上する観点からは、 C層における上記の A1の原子数の比は 0. 3以上 0. 65以下であることがより好ましぐ上記のケィ素の原子数の比は 0. 05以上 0. 15以下とすることがより好ましい。

[0060] また、 C層にはホウ素が原子％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、切削中の表面酸化によって形成されるホウ素の酸化物が特に層中の A1の酸化物を緻密化する傾向にあることからも好ましい。さらに、ホウ素の酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑える傾向もある。

[0061] また、 C層の厚みが 0. 1 /i m以上 2 /i m以下であることが好ましい。 C層の厚みが 0 . 1 / m未満である場合には被覆層の最表面の潤滑性の付与による効果が得られにくい傾向にあり、 2 x mを超える場合にはその効果をさらに向上することができない傾向にある。

[0062] また、上記の C層において、窒素と炭素の組成比を調整することにより、所定の色を付与することが可能である。これにより、本発明の表面被覆切削工具の外観に意匠性を付与でき、商業上有用となる。

[0063] また、本発明においては、被覆層の全体の厚みが 0. 8 111以上15 111以下でぁることが好ましい。被覆層の全体の厚みが 0. 8 x m未満である場合には被覆層の厚みが薄すぎて本発明の表面被覆切削工具の寿命が短くなる傾向にあり、 15 z mよりも厚い場合には切削初期において被覆層がチッビングしやすくなつて本発明の表面被覆切削工具の寿命が短くなる傾向にある。

[0064] なお、本発明においては、上述した各層の厚みおよび被覆層の全体の厚みはそれぞれ、本発明の表面被覆切削工具を切断し、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。

[0065] また、本発明においては、被覆層の圧縮残留応力が OGPa以上 6GPa以下であることが好ましい。被覆層の圧縮残留応力が OGPa未満の場合には引っ張り応力となるため被覆層の最表面から発生したクラックの進展を抑制できない傾向にあり、 6GPa を超える場合には応力が大きすぎて、切削開始前に、特に表面被覆切削工具のエツジ部から被覆層が剥離して本発明の表面被覆切削工具の寿命が短くなるおそれがある。なお、本発明において被覆層の圧縮残留応力は、被覆層全体の圧縮残留応力のことである。

[0066] また、本発明において、被覆層の結晶構造は立方晶であることが好ましい。被覆層が立方晶である場合、被覆層の硬度が向上する傾向にある。たとえば、窒化物である A1Nを例にとると、 A1Nは通常六方晶であるが、準安定相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相である C rNおよび VNの格子定数は 0. 414nmであり立方晶の A1Nと非常に格子定数が近いため、その引き込み効果により A1Nは立方晶化して高硬度化する。また、被覆層中の各層のそれぞれの結晶構造が立方晶であることが好ましい。なお、被覆層および被覆層中の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力 Sできる。

[0067] また、本発明において基材としては、 WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミッタス、立方晶型窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化ケィ素焼結体、酸化アルミニウムおよび炭化チタンからなる群から選択された少なくとも 1種からなる基材を用いることができる。

[0068] また、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、歯切工具、リーマまたはタップとしての利用が可能である。

[0069] 図 4に、本発明の表面被覆切削工具の一例の刃先の模式的な拡大断面図を示す。本発明の表面被覆切削工具 1は、基材 2と、基材 2上に積層された最下層である A 層 12と、最下層である A層 12上に A層と B層とが交互に積層された交互層 13と、交互層 13上に積層された最上層である C層 14とから構成されている。なお、被覆層 3 は、最下層である A層 12と、交互層 13と、最上層である C層 14とから構成されている

[0070] ここで、最上層である C層 14は被削材に対する摩擦係数が低いことから、切削時において刃先が被削材に対して滑りやすぐチッビングすることなく被覆層 3が摩耗する傾向にある。また、基材 2と接する最下層である A層 12が積層されている場合には基材 2側からの酸化を抑制することができ、摩耗が進行した後も基材 2と被覆層 3との密着性を維持することができる。また、最下層である A層 12と最上層である C層 14との間に耐摩耗性および靭性に優れた交互層 13が形成されていることで本発明の表面被覆切削工具 1の寿命を長くすることができる。

[0071] 図 5に、図 4に示す V_Vに沿った模式的な拡大断面図を示す。ここで、交互層 13 は、最下層である A層 12上に A層 12と B層 15とが交互に積層されている。交互層 13 においては、 A層 12が 4層積層されており、 B層 15が 3層積層されている。

[0072] ここで、 A層 12としては、たとえば (Al Cr ) (ただし、 0< a≤0. 4)の窒化物を用い

1 ること力 Sできる。また、 B層 15としては、たとえば (Ti Al Si ) (ただし、 0<χ≤0· 7、

1 - y y

0≤y≤0. 2、 x+y≠0)の窒化物を用いることができる。また、 C層 14としては、たとえば (Ti Al Si ) (ただし、 0<x≤0. 7, 0≤y≤0. 2、 x + y≠0)の炭窒ィ匕物を用

1 - y y

レ、ることができる。

[0073] 図 6に、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を示す。ここでは、被覆層 3の最下層として B層 15が用いられていることに特徴がある。このように、最下層として B層 15を用いた場合には、上述したように、 B層 15は応力が小さい特性を有することから、基材 2と被覆層 3との耐剥離性を向上することができる。

[0074] ここで、図 6に示す最下層である B層 15としては、たとえば 0. 3 111以上0. 5 z m 以下の厚みを有する（Ti Al Si ) (ただし、 0. 3<x< 0. 5, 0≤y≤0. 2、 x + y≠ l-x-y x y

0)の窒化物を用いることができる。また、図 6に示す交互層 13としては、たとえば (A1

1

Cr ) (ただし、 0. 2く aく 0. 4)の窒化物からなる A層 12と、たとえば (Ti Al Si )

_a a Ι -y x y

(ただし、 0. 3<x< 0. 5, 0≤y≤0. 2、 x + y≠0)の窒ィ匕物力らなる B層 15とを交互に積層した層を用いることができる。ここで、交互層 13を構成する A層 12および B層 15の総数はたとえば 640層以上 1000層以下とすることができ、交互層 13の全体の厚みはたとえば 2 μ ΐη以上 6 μ ΐη以下とすることができる。また、図 6に示す最上層である C層 14としては、たとえば 0. 1 /i m以上 0. 5 /i m以下の厚みを有する（Ti Al

1 - x - y

Si ) (ただし、 0<χ≤0· 7, 0≤y≤0. 2、 x + y≠0)の炭查ィ匕物を用レヽること力 Sできる y

[0075] なお、本発明の表面被覆切削工具は、たとえば、基材を準備する工程と、物理的蒸着法を用いて A層と B層とを交互にそれぞれ 1層以上積層して交互層を形成する工程と、を含む方法により製造することができる。ここで、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およびァ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種を用レ、ることができる。

[0076] 本発明において、耐摩耗性を有する被覆層を基材の表面上に形成するためには、結晶性の高い化合物からなる層を形成することが好ましい。そこで、被覆層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力つた。また、物理的蒸着法には、力ソードアークイオンプレーティング法、ノく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があるが、特に、原料元素のイオン化率の高い力ソードアークイオンプレーティング法が適している。この力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、被覆層を形成する前に、基材の表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、基材と被覆層との密着性が格段に向上する観点から好ましい。

[0077] ここで、力ソードアークイオンプレーティング法は、たとえば、装置内に基材を設置するとともに力ソードとしてターゲットを設置した後に、ターゲットに高電圧を印加してアーク放電を生じさせることによってターゲットを構成する原子をイオン化して蒸発させて、基材上に物質を堆積させることにより行なうことができる。

[0078] 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、装置内に基材を設置するとともに平衡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力放出された原子を基材上に堆積させることにより行なうことができる。

[0079] また、アンバランスト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衡にして行なうことができる。

実施例

[0080] (実施例:!〜 18)

<表面被覆切削工具の作製 >

(1)基材の洗浄

図 7に示すような力ソードアークイオンプレーティング装置に、基材 2としてグレード力規格 P30の超硬合金であって、形状力規格の SPGN120308であるチップを装着した。なお、図 8は図 7の装置の概略上面図である。

[0081] 図 7および 8の装置において、チャンバ 101内に、被覆層の金属原料となる合金製ターゲットである A層用の力ソード 106、 B層用の力ソード 107および C層用のカソード 120と、基材 2を設置するための回転式の基材ホルダ 104とが取り付けられている。力ソード 106にはアーク電源 108が取り付けられ、力ソード 107にはアーク電源 109 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が導入されるガス導入口が設けられるとともにチャンバ 101内の圧力を調節するためにガス排出口 103が設けられており、ガス排出口 103から真空ポンプによりチャンバ 101内のガスを吸引できる構造となっている。

[0082] 図 7の装置において、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 2を回転させながら装置内に設置されたヒータにより温度を 500°Cに加熱し、チヤンバ 101内の圧力が 1. 0 X 10— ⁴Paとなるまで真空引きを行なった。次に、ガス導入ロカアルゴンガスを導入してチャンバ 101内の圧力を 3. OPaに保持し、ノィァス電源 110の電圧を徐々に上げながら一 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。

[0083] (2)被覆層の形成

次に、基材 2を中央で回転させた状態で、表 1に示す組成の最下層および交互層が得られるように、反応ガスとして窒素を導入しながら、基材 2の温度を 500°C、反応ガス圧を 2. 0Pa、バイアス電源 110の電圧を 50V 200Vの範囲のある一定値に維持したまま、力ソード 106 107にそれぞれ 100Aのアーク電流を供給することによって、力ソード 106 107から金属イオンを発生させて、表 1に示す実施例:!〜 18のそれぞれの最下層および交互層を形成した。ここで、交互層は、最下層上に A層と B 層とを交互に 1層ずつ表 1に示す積層数だけそれぞれ積層することにより形成された。また、最下層の厚み、交互層中における A層および B層のそれぞれの厚みならびに交互層の積層数については基材の回転速度で調整した。そして、最下層および交互層の厚みがそれぞれ表 1に示す厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。

[0084] 引き続き、表 2に示す組成の実施例 1〜： 18のそれぞれの最上層である C層を形成した。ここでは、チャンバ 101内に反応ガスとして窒素とメタンガスを導入しながら、基材 2の温度を 400°C、反応ガス圧を 2. 0Pa、バイアス電源 110の電圧を _ 350Vに維持したまま、力ソード 120に 100Aのアーク電流を供給することによって、力ソード 1 20から金属イオンを発生させて、表 2に示す実施例:!〜 18の最上層を形成した。そして、最上層の厚みが表 2に示す厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。なお、表 2に示す最上層の組成の窒素と炭素の比率は、窒素の導入量とメタンガスの導入量との比によって調整した。これにより、実施例:!〜 18のそれぞれの刃先交換型チップが作製された。

[0085] また、比較として、実施例 1〜： 18のそれぞれと同一の基材上に表 1に示す組成の層が形成された比較例 1〜3のそれぞれの刃先交換型チップについても作製した。

[0086] <表面被覆切削工具の寿命評価 >

上記の工程で作製した実施例:!〜 18の刃先交換型チップのそれぞれについて、実際に表 3に示す条件で乾式の連続旋削試験および断続旋削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表 2に示す。なお、表 2において、逃げ面摩耗量の値が小さレ、方が寿命がより長レ、ことを示してレ、る。

[0087] [表 1]

交互層

最下層

A層 B層

厚み 1層厚み積層数厚み 1層 J み積層数厚み組成組成組成

(^ ) (um) (層） C ifn) (um) (層） ( Wtn) 実施例 1 AI₀.₇Cr₀.₃N 0.5 AI₀₇Gr₀₃N 1 1 1 0- 5A I。■ 1 1 1 実施例 2 Al₀₇Cr₀₃ 0.5 Al_{0 7}Cr₀₃N 1 1 1 1 1 1 実施例 3 Al₀₇Gr₀₃N 0.5 Alo.7Cro.3N 1 1 1 Tifl ₇Α1₀₃Ν 1 1 1 実施例 4 AI。₈Gr_{0 2}N 0.5 Al_{o g}Cr₀₂N 1 1 1 Tio ₃₅ΑΙ₀ Ν 1 1 1 実施例 5 AI₀₄Cr₀₆N 0.5 Α1ο. _{α 6}Ν 1 1 1 03δΑ 10. 1 1 1 実施例 6 Al₀ ?C ₀₃N 0.5 Ato.7CrQ.3N 0.1 10 1 Ti₀₆ΑΙ₀₆Ν 0.1 10 1 実施例 7 Al_{0 7}Gr₀₃N 0.5 Al₀.₇Cro.₃N 0.02 50 1 Ti_{0 s}At(, ₅Ν 0.02 50 1 実施例 8 AI₀₇Cr₀₃N 0.5 Alo ^Cro 3 0.007 150 1 Τϊο ₅ΑΙ₀₅Ν 0.007 150 1 実施例 9 AI₀.₇Cr₀₃ 0.5 A 107Cr_{0 3}N 0.5 4 2 ΐί₀₅ΑΙ₀₅Ν 0.5 4 2 実施例 10 Al ₇Cr₀.₃N 0.5 Alfl₇Cr₀₃N 0.5 12 6 0.5 12 6 実施例 11 Al₀₇Cr₀₃N 0.2 AI₀_₇Cr₀— ₃N 0.02 4 0.08 Ti₀.₅Af₀.₅N 0.02 4 0.08 実施例 12 Aid ₇Cr₀ 0.5 ΑΙο.; ₀·₃Ν 0.02 50 1 Tio 4A!₀₆St₀,N 0.02 50 1 実施例 13 Al₀₇Gr₀₃N 0.5 Alo ₇Cr₀₃N 0.02 50 1 Τ i 0 sA 105Β005Ν 0.02 50 1 実施例 14 Aio.7Gr₀. Si₀.₀₅N 0.5 AI ^Cr0.25^S ' 0. os^N 0.5 4 2 Tt₀₆Aio₅N 0.5 4 2 実施例 15 Ai₀₇Cr₀₂V₀」N 0.5 Alo oz o .N 0.5 4 2 Tt₀₆AI₀₅N 0.5 4 2 実施例 16 Ti₀ eAlo ₄N 0.5 Alo ^Cro 3N 0.005 320 1.6 Ti₀₆A!₀₄N 0.005 320 1.6 実施例 17 T'o 55AI0 «N 0.5 Alfl.₇Cro3 0.004 320 1.3 0.004 320 1.3 実施例 18 Ti₀—₆AI_{0 +}N 0.5 A I 0. Ν 0.006 250 1.5 T i a eA 104.N 0.006 250 1.5 比較例 1 TiN 0.5 TiosAlos 2.7 1 2.7 一 ― ― ― 比較例 2 TiN 0.5 AI₀₇Gr₀₃N 2.7 1 2.7 ― ― ― ― 比較例 3 TiN 0.5 T 0.5A 10.5G0.4N0. 2.7 1 2.7 ― ― ― ―

^00882 霧) (β was8H oisοοεο = ε o

「 ί ¾ 02

[0090] 表 2から明らかなように、最下層として A層を用いて最下層上に A層および B層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層に C層を用いた実施例 1〜実施例 15の刃先交換型チップおよび最下層として B層を用いて最下層上に A層および B層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層に C層を用いた実施例 16〜実施例 18の刃先交換型チップは、最下層に A層および B層のいずれも形成されず、さらに最下層上に A層および B層の交互層を有しない比較例:!〜 3の刃先交換型チップと比べて、連続旋削試験および断続旋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、刃先交換型チップの寿命が大幅に長くなることが確認された。

[0091] なお、表 1における「1層厚み」とは交互層を構成する A層および B層のそれぞれの 1層当たりの厚みのことを意味し、表 1および表 2における「厚み」とは最下層、交互層、最上層および被覆層のそれぞれの全体の厚みのことを意味する。

[0092] また、表 1における「積層数」とは、 A層および B層が 1層ずつ交互に積層されている交互層中における A層および B層のそれぞれの層数のことを意味する。

[0093] また、表 1および表 2における最下層、交互層および最上層の組成はそれぞれ XP S (X線光電子分光分析装置)を用いて測定されたものであり、被覆層全体の硬度はナノインデンター（MTS社製 Nano Indenter XP)により確認された値である。

[0094] また、表 1および表 2における 1層厚みおよび厚みは SEMまたは TEMを用いて測定した値であり、表 2における被覆層全体の圧縮残留応力は X線残留応力測定装置を用いて sin² φ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 54〜66頁参照）によって測定された値である。

[0095] また、表 2における被覆層全体の結晶性は X線回折装置により解析されたものである。

また、表 2において「欠損」は、切削初期にチッビングが発生して基材の一部が無くなり基材が露出してしまったことを意味している。

[0096] <穴あけ加工試験 >

基材としての外径 8mmのドリル (JISK10超硬合金）上に、表 1および表 2に示す実施例 1、実施例 7、実施例 12、比較例 1および比較例 2のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例 1、実施例 7、実施例 12、比較例 1 および比較例 2のそれぞれのドリルを得た。そして、実施例 1、実施例 7、実施例 12、比較例 1および比較例 2のそれぞれのドリルを用いて実際に被力卩ェ材である SCM4 40 (HRC30)の穴あけ加工試験を行なレ、その寿命評価を行なった。

[0097] ここで、穴あけ加工試験は、切削速度が 90m/minで、送り量が 0. 2mm/revであって、切削油を用いずにエアーブローを用いた条件で、深さ 24mmの止まり穴加ェをすることにより行なわれた。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点までの穴数とした。その寿命評価結果を表 4に示す。表 4において、加工数が大きレ、方が寿命がより長レ、ことを示してレ、る。

[0098] [表 4] o

加内容寿命定基実施例実施例実施例判準較較 71工例比例 12比 12 j o

CO

穴あ加験加数 (穴け試）工工 o

o

O

o

00

o

[0099] 表 4から明らかなように、最下層として A層を用いて最下層上に A層および B層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層に C層を用いた実施例 1、実施例 7および実施例 12のドリルはそれぞれ、最下層に A層および B層のいずれも形成されず、さらに最下層上に A層および B層の交互層を有しない比較例 1および比較例 2のドリルと比べて、穴あけ加工数が非常に多ぐ寿命が大幅に長くなることが確認された。

[0100] <エンドミル側面削り試験 > 基材としての外径 8mmの 6枚刃エンドミル ilSKlO超硬合金）上に、表 1および表 2に示す実施例 2、実施例 6、実施例 13および比較例 3のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例 2、実施例 6、実施例 13および比較例 3のそれぞれのエンドミルを得た。そして、実施例 2、実施例 6、実施例 13および比較例 3のそれぞれのエンドミルを用いて実際に被力卩ェ材である SKDl 1 (HRC6 0)の側面削り試験を行なレ、その寿命評価を行なった。

[0101] ここで、側面削り試験は、切削速度が 200mZminで、送り量が 0. 03mm/刃、切り込み量が Ad (軸方向の切り込み量） = 12mm、 Rd (半径方向の切り込み量） =0. 2mmであって、切削油を用いずにエアーブローを用いた条件により行なわれた。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点の削り長さにより行なわれた。その寿命評価結果を表 5に示す。表 5において、寸法精度がはずれる長さが大きレ、方が寿命がより長レ、ことを示してレ、る。

[0102] [表 5]

CO

加内容寿命判定基準実施実施例実施例較例例 62工3比 31

ド精が側寸法度ずはンミ面ルェ

削れり試験る長さ（)m

o

Lf)

o

CSJ

O

00

[0103] 表 5から明らかなように、最下層として A層を用いて最下層上に A層および B層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層に C層を用いた実施例 2、実施例 6および実施例 13のエンドミルはそれぞれ、最下層に A層および B層のいずれも形成されず、さらに最下層上に A層および B層の交互層を有しない比較例 3のエンドミルと比べて、寸法精度がはずれる時点の長さが非常に長ぐ寿命が大幅に長くなることが確認された。

[0104] <外周旋削加工試験 >

超硬合金製ポットおよびボールを用いて、質量で 40%の TiNと 10%の A1からなる結合材粉末と 50%の平均粒径 2. 5 u mの立方晶窒化ホウ素（cBN)粉末とを混ぜ合わせ、超硬製容器に充填し、圧力 5Gpa、温度 1400°Cで 60分焼結した。この cBN 焼結体を加工し、 ISO規格 SNGA120408の形状のチップを得た。

[0105] そして、基材としてのこのチップ上に、表 1および表 2に示す実施例 3、実施例 8、実施例 14および比較例 1のそれぞれの最下層、交互層および最上層をそれぞれ上記と同様にして形成して実施例 3、実施例 8、実施例 14および比較例 1のそれぞれの刃先交換型チップを得た。そして、実施例 3、実施例 8、実施例 14および比較例 1のそれぞれの刃先交換型チップを用いて実際に焼入鋼の 1種である SUJ2の丸棒 (HR C62)の外周切削加工試験を行ないその寿命評価を行なった。

[0106] ここで、外周旋削加工試験は、切削速度が 120mZmin、切り込みが 0. 2mm、送りが 0. lmm/revであって、乾式で 40分間の切削条件により行なわれた。なお、寿命の判定は、刃先交換型チップの表面の切削前の表面粗さ（Rz)である表 6に示すそれぞれの初期面粗度 ( μ m)力 Rz = 3. 2 μ mとなるまでの時間（min)を測定することにより行なわれた。その寿命評価結果を表 6に示す。表 6において、 Rz = 3. 2 _β mとなる時間が長い方が寿命がより長いことを示している。

[0107] [表 6]

[0108] 表 6から明らかなように、最下層として A層を用いて最下層上に A層および B層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層に C層を用いた実施例 3、実施例 8および実施例 14の刃先交換型チップはそれぞれ、最下層に A層および B層のいずれも形成されず、さらに最下層上に A層および B層の交互層を有しない比較例 1の刃先交換型チップと比べて、 R_Z = 3. 2 z mとなるまでの時間が非常に長ぐ寿命が大幅に長くなることが確認された。

[0109] <連続旋削加工試験 > グレード力 SJIS規格 S20の超硬合金でその形状力 SJIS規格の CNMG120408である基材としてのチップ上に、表 1および表 2に示す実施例 4、実施例 9、実施例 15、比較例 2および比較例 3のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例 4、実施例 9、実施例 15、比較例 2および比較例 3のそれぞれの刃先交換型チップを得た。そして、実施例 4、実施例 9、実施例 15、比較例 2および比較例 3のそれぞれの刃先交換型チップを用いて以下に示す条件による湿式 (水溶性ェマルジヨン）の連続旋削加工試験を行なレ、、刃先の逃げ面摩耗量が 0. 2mmを超える時間を測定することにより、その寿命評価を行なった。

[0110] ここで、連続旋削加工試験は、被削材として Ti合金である Ti_ 6Al_4V (HB = 31 0)を用い、切削速度が 80m/min、送り量が 0. 2mm/rev、切り込みを lmmとした条件により行なわれた。なお、寿命の判定は、逃げ面摩耗量が 0. 2mmを超える時間が長いほど寿命が長いものとして判断することにより行なわれた。その寿命評価結果を表 7に示す。

[0111] [表 7]

表 7から明らかなように、最下層として A層を用いて最下層上に A層および B層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層に C層を用いた実施例 4、実施例 9および実施例 15の刃先交換型チップはそれぞれ、最下層に A層および B層のいずれも形成されず、さらに最下層上に A層および B層の交互層を有しない比較例 2および比較例 3の刃先交換型チップと比べて、逃げ面摩耗量が 0. 2mmを超える時間が非常に長くなり、寿命が大幅に長くなることが確認された。 [0113] (実施例 19〜21)

A層用の力ソード 106のアーク電流量を B層用の力ソード 107よりも大きくした状態で交互層を形成したこと以外は実施例 1〜： 18と同様にして、表 8および表 9に示す構成の被覆層を有する実施例 19〜21の刃先交換型チップをそれぞれ作製した。なお、表 8の λ a/ λ bの欄の値は、交互層を構成する A層の 1層厚み λ aと Β層の 1層厚み bとの比（l a/ b)を示している。なお、実施例 19〜21の交互層における A層のそれぞれの厚みは 1層厚みの値で同一であり、 B層のそれぞれの厚みも 1層厚みの値で同一である。

[0114] そして、実施例 19〜21の刃先交換型チップのそれぞれについて、実際に表 3に示す条件で乾式の連続旋削試験および断続旋削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表 9に示す。

[0115] 表 9から明らかなように、最下層として B層を用いて最下層上に A層および B層の交互層を形成し、交互層上の最上層に C層を用いるとともに、交互層における A層の 1 層厚みえ aと、 B層の 1層厚み bとの比である a /え bが 1≤ λ & /え b< 5である実施例 19〜実施例 21の刃先交換型チップは、比較例:!〜 3の刃先交換型チップと比べて、連続旋削試験および断続旋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、さらに、実施例：!〜 18の刃先交換型チップと比べても連続旋削試験における刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減することが確認された。

[0116] [表 8]

〕靈交互層

下層

Bl

厚み 1層厚み積層数厚み 1層厚み積暦数厚み Aa/Ab 組成組成組成

(um) ( π (層） (um) (層） ( ) 実施例 19 Ti₀₆Af₀₄N 0.5 Alo.₇Cr₀.₃N 0.010 190 1.9 Ti₀_₆AI₀— ₄N 0.007 190 1.3 1.4 実施例 20 Τί_{0 6}ΑΙο 4^Ν 0.5 AI_Q.7Cr₀3N 0.015 150 2.3 Ti_{0 S}AI₀₄ 0.007 150 1.1 2.1 実施例 21 Ti₀₆AI₀ N 0.5 At_{0 7}Cr₀.₃N 0.025 100 2.5 Ti₀-₆Al _<N 0.007 100 0.7 3.6

また、実施例 20の刃先交換型チップについて、上記と同一の方法および同一の条件で上記の連続旋削加工試験を行なった。そして、上記と同一の基準で連続旋削加ェ試験の評価を行なった。その結果、実施例 20の刃先交換型チップの刃先の逃げ面摩耗量が 0. 2mmを超える時間は 65分となり、実施例 20の刃先交換型チップは、実施例 4、実施例 9および実施例 15の刃先交換型チップと比べて、耐摩耗性が向上することが確認された。

[0119] (実施例 22〜実施例 24)

交互層の形成開始時においては A層用の力ソード 106のアーク電流量を B層用の力ソード 107と同一にし、その後、 A層用の力ソード 106のアーク電流量を B層用の力ソード 107よりも連続的に大きくしてレ、くことによって、基材に最も近い側から基材から最も遠レ、側にかけて A層の 1層厚み λ aと Β層の 1層厚み λ bとの比（ λ a/ λ b)が連続的に大きくなつている交互層を形成したこと以外は実施例 1〜： 18と同様にして、表 10および表 11に示す構成の被覆層を有する実施例 22〜24の刃先交換型チップをそれぞれ作製した。なお、表 10の基材側の欄の値は、交互層において基材に最も近い側に積層されている A層の 1層厚み λ aと Β層の 1層厚み λ bとの比（ λ aZ λ b) を示している。また、表 10の最表面側の値は、交互層において基材から最も遠い側に積層されている A層の 1層厚み λ aと Β層の 1層厚み λ bとの比（ λ a/ λ b)を示している。

[0120] そして、実施例 22〜24の刃先交換型チップのそれぞれについて、実際に表 3に示す条件で乾式の連続旋削試験および断続旋削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表 10に示す。

[0121] 表 10から明らかなように、最下層として A層を用いて最下層上に A層および B層の交互層を形成し、交互層上の最上層に C層を用いるとともに、交互層における A層の 1層厚みえ _aと、 B層の 1層厚み λ bとの比である λ a /え bが基材に最も近い側では 1 であって、基材カ遠ざかるにしたがって連続的に大きくなつており、基材から最も遠い側では 1く a /え bく 5である実施例 22〜実施例 24の刃先交換型チップは、比較例:!〜 3の刃先交換型チップと比べて、連続旋削試験および断続旋削試験のレヽずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減し、さらに、実施例:!〜 18の刃先交換型チップと比べても連続旋削試験および断続旋削試験における刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減することが確認された。特に、交互層における A層の 1層厚み; I aと B層の 1層厚み λ bとの比である λ aZ λ bが基材から最も遠い側で 1く λ aZ λ bく 3 である実施例 22〜実施例 23の刃先交換型チップは、連続旋削試験および断続旋削試験における刃先の逃げ面摩耗量がさらに大きく低減することが確認された。交互層

最下層

A層 B層 Aa/

厚み

組成組成組成基材側最表面側

(〃m)

実施例 22 0.5 Alo.7^cr_02SSi_00SN Τ«0. ΑΙο 5^S'0 |N 1.0 1.5 実施例 23 Al₀7^Cro 25^Slo osN 0.5 Alfl ?Cr₀- ¾S i 005N Ti₀₄AI。 _sSi₀ |N 1.0 2.0 実施例 24 Af₀₇Cr_{0 !5}Si₀05N 0.5 Ti₀ Af_{0 S}Si₀ ,N 1.0 3.0

被全覆層体逃耗げ量（摩面)mm

残応圧縮留力

結晶性連続切削続断切削 (GP)a

実施例22CN 0

025 0 |o 60.

実施例32 0 0042021力日日..

実施例42 0047 0038..

c n"

00 0

i¾ s ォ ¾卜

O ο ο

t

：

1—

また、実施例 24の刃先交換型チップについて、上記と同一の方法および同一の条件で上記の連続旋削加工試験を行なった。そして、上記と同一の基準で連続旋削加ェ試験の評価を行なった。その結果、実施例 24の刃先交換型チップの刃先の逃げ面摩耗量が 0. 2mmを超える時間は 75分となり、実施例 24の刃先交換型チップは、実施例 ₄、実施例 9、実施例 15および実施例 20の刃先交換型チップと比べて、耐摩耗性が向上することが確認された。

[0125] なお、上記の実施例:!〜 24の被覆層の形成は、力ソードアークイオンプレーティング法を用いて行なったが、たとえば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のいずれの方法を用いて行なうことも可能である。

[0126] 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請求の範囲によって示され、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。

産業上の利用可能性

[0127] 本発明の表面被覆切削工具は、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、歯切工具、リーマまたはタップなどとして利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 基材 (2)と、前記基材 (2)の表面上に形成された被覆層（3)とを含む表面被覆切削工具（1)であって、

前記被覆層（3)は A層 (12)と B層（15)とが交互にそれぞれ 1層以上積層された交互層（13)を含み、

前記 A層（12)は A1と Crとを含む窒化物からなり、前記 A層（12)を構成する金属原子の総数を 1としたときの前記 Crの原子数の比が 0よりも大きく 0. 4以下であって、前記 B層（15)は Tiと A1とを含む窒化物からなり、前記 B層（15)を構成する金属原子の総数を 1としたときの前記 A1の原子数の比が 0よりも大きく 0. 7以下であることを特徴とする、表面被覆切削工具（1)。

[2] 前記 B層（15)中に Si元素が含まれており、前記 B層（15)を構成する金属原子の総数を 1としたときの前記 Siの原子数の比が 0よりも大きく 0. 2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（1)。

[3] 前記 A層（12)および前記 B層（15)の少なくとも一方に V元素が原子％で 30原子 %未満含まれてレ、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（1)。

[4] 前記 A層（12)および前記 B層（15)の少なくとも一方に B元素が原子％で 10原子 %未満含まれてレ、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（1)。

[5] 前記 A層（12)および前記 B層（15)のそれぞれの厚みが 0. 005 μ m以上 2 μ m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（1)。

[6] 前記交互層（13)における前記 A層 (12)の厚みを λ aとし、前記 B層（15)の厚みを λ bとしたとき、前記 A層 (12)と前記 B層（15)との厚みの比である λ aZ λ bが 1≤ λ aZ λ b< 5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（1)。

[7] 前記交互層（13)における前記 A層 (12)の厚みを λ aとし、前記 B層（15)の厚みを λ bとしたとき、前記 A層 (12)と前記 B層（15)との厚みの比である λ aZ bが前記基材（2)に最も近い側ではえ a/ b = lであり、前記基材（2)から遠ざかるにしたがつて前記え a /え bの値は連続的に大きくなつていき、前記基材（2)から最も遠い側では 1 < A a/ b< 5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 (1)。

[8] 前記被覆層（3)の最下層が前記 A層（12)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（1)。

[9] 前記最下層の前記 A層（12)中に Si元素が原子％で 10原子％未満含まれていることを特徴とする、請求項 8に記載の表面被覆切削工具（1)。

[10] 前記最下層の前記 A層（12)の厚みが 0. 1 111以上2 111以下でぁることを特徴とする、請求項 8に記載の表面被覆切削工具（1)。

[11] 前記被覆層（3)の最下層が前記 B層（15)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（1)。

[12] 前記被覆層（3)の最上層が C層（14)であり、前記 C層（14)は Tiと A1とを含む炭窒化物からなり、前記 C層（14)を構成する金属原子の総数を 1としたときの前記 A1の原子数の比が 0よりも大きく 0. 7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（1)。

[13] 前記 C層（14)中に Si元素が含まれており、前記 C層（14)を構成する金属原子の総数を 1としたときの前記 Siの原子数の比が 0よりも大きく 0. 2以下であることを特徴とする、請求項 12に記載の表面被覆切削工具（1)。

[14] 前記 C層（14)に B元素が原子％で 10原子％未満含まれていることを特徴とする、請求項 12に記載の表面被覆切削工具（1)。

[15] 前記 C層（14)の厚みが 0· 1 μ m以上 2 μ m以下であることを特徴とする、請求項 1

2に記載の表面被覆切削工具（1)。

[16] 前記被覆層（3)の全体の厚みが 0· 8 μ m以上 15 μ m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（1)。

[17] 前記被覆層（3)の圧縮残留応力が OGPa以上 6GPa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（1)。

[18] 前記被覆層（3)の結晶構造が立方晶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（1)。

[19] 前記基材（2)は、 WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化ケィ素焼結体、酸化アルミニウムおよび炭化チタン力もなる群から選択された少なくとも 1種からな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（1)。

[20] 前記表面被覆切削工具（1)は、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、歯切工具、リーマまたはタップ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（1)。

[21] 請求項 1に記載の表面被覆切削工具（1)を製造する方法であって、

前記基材 (2)を準備する工程と、

物理的蒸着法を用いて前記 A層 (12)と前記 B層（15)とを交互にそれぞれ 1層以上積層することによって交互層（13)を形成する工程と、を含む、表面被覆切削工具 (1)の製造方法。

[22] 前記物理的蒸着法は、力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種であることを特徴とする、請求項 21に記載の表面被覆切削ェ具 (1)の製造方法。

[23] 基材 (2)と、基材 (2)の表面上に形成された被覆層（3)とを含む表面被覆切削ェ具（1)であって、

前記被覆層（3)は、（Al Cr )の窒化物（ただし、 0< a≤0. 4)よりなる A層（12)と

1-a a

、 (Ti )の窒ィ匕物（ただし、 0<x≤0. 7, 0≤y≤0. 2、 x+y≠0)よりなる B 層（15)とを含み、

前記 A層（12)と前記 B層（15)とは、交互に 1層以上積層されていることを特徴とする、表面被覆切削工具（1)。

[24] 前記被覆層（3)の最下層が前記 A層（12)であることを特徴とする、請求項 23に記載の表面被覆切削工具（1)。

[25] 前記被覆層（3)の最上層が (Ti Al Si )の炭窒化物（ただし、 0<x≤0. 7、 0≤y 丄ー x y X y

≤0. 2、 x + y≠0)よりなる C層（14)であることを特徴とする、請求項 23に記載の表面被覆切削工具（1)。