WO2013150603A1 - 切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具 - Google Patents

切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具 Download PDF

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hard coating
hard
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coating film
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正俊 櫻井
孝臣 戸井原
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オーエスジー株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a hard coating for a cutting tool provided on the surface of a cutting tool and a hard coating coated cutting tool provided with the hard coating, and in particular, an improvement for improving both wear resistance and welding resistance. About.
  • Cutting tools such as drills and taps are provided with a hard coating to improve wear resistance.
  • a hard coating for cutting tools TiN-based, TiCN-based, TiAlN-based, and AlCrN-based coatings are widely used, and improvements are made to further improve the performance.
  • the wear-resistant member described in Patent Document 1 is this.
  • the welding resistance may be insufficient depending on the type of the work material and the cutting conditions. That is, the tool life may be shortened by welding of the work material or the like, and there is room for improvement. For this reason, the development of a hard coating for a cutting tool and a hard coating coated cutting tool having both excellent wear resistance and welding resistance has been demanded.
  • the present invention has been made in the background of the above circumstances, and its object is to provide a hard coating for a cutting tool and a hard coating-coated cutting tool having excellent wear resistance and welding resistance. There is.
  • the subject matter of the first invention is a hard coating for a cutting tool provided on the surface of a cutting tool, which comprises a group IVa element, a group Va element, a group VIa element. , Al, and Si, a hard phase that is a nitride phase, oxide phase, carbide phase, carbonitride phase, or boride phase containing at least one element, and at least one of Au, Ag, and Cu And a composite phase in which the hard phase and the binder phase are three-dimensionally arranged.
  • a hard phase that is a physical phase or a boride phase and a binder phase that is a phase containing at least one element of Au, Ag, and Cu, and the hard phase and the binder phase are three-dimensional Therefore, the hard phase can be reduced by the friction coefficient and cutting resistance by adopting a structure in which the hard phase is bonded by Au, Ag, or Cu.
  • a film having excellent properties and high hardness can be obtained. That is, it is possible to provide a hard coating for a cutting tool that has both excellent wear resistance and welding resistance.
  • the gist of the second invention subordinate to the first invention is that the average particle size of the particles constituting the hard phase is in the range of 1 nm to 100 nm.
  • the friction coefficient and cutting resistance can be further reduced by adopting a so-called nanocomposite structure in which the nano-level hard phase is bonded with Au, Ag, or Cu. And a high-hardness film can be obtained.
  • the gist of the third invention subordinate to the first invention to the second invention is that the hard coating-coated cutting tool provided with the hard coating for a cutting tool of the first invention to the second invention coated on the surface. It is.
  • the friction coefficient and cutting resistance can be reduced by adopting a structure in which the hard phase is bonded by Au, Ag, or Cu, and it is excellent in lubricity and welding resistance and has a high hardness. Is obtained. That is, it is possible to provide a hard coating coated cutting tool having both excellent wear resistance and welding resistance.
  • the hard coating for a cutting tool of the present invention is a surface coating of various cutting tools such as a rotating cutting tool such as an end mill, a drill, a face mill, a total mill, a reamer, a tap, and a non-rotating cutting tool such as a bite. It is preferably applied to.
  • Cemented carbide or high-speed tool steel is preferably used as the material of the tool base, that is, the member on which the hard coating is provided, but other materials may be used, such as cermet, ceramics, polycrystalline diamond, single crystal diamond,
  • the hard coating for cutting tools of the present invention is widely applied to cutting tools composed of various materials such as crystal CBN and single crystal CBN.
  • the hard coating for a cutting tool of the present invention is provided so as to cover a part or all of the surface of the cutting tool, and is preferably provided on a blade part involved in cutting in the cutting tool. More preferably, it is provided so as to cover at least the cutting edge or rake face of the blade portion.
  • the hard phase is a nitride, oxide, carbide, carbonitride, or boride containing at least one element selected from group IVa elements, group Va elements, group VIa elements, Al, and Si, or a mutual combination thereof. Consists of a solid solution. Specifically, it is a phase composed of TiN, TiAlN, TiAlCrVSiB, ZrVO, HfCrCN, NbN, CrN, MoSiC, AlN, SiN and the like.
  • the hard coating for a cutting tool according to the present invention is a PVD method such as an arc ion plating method, an ion beam evaporation method, a sputtering method, a PLD (Pulse Laser Deposition) method, or an IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) method.
  • PVD arc ion plating method
  • ion beam evaporation method ion beam evaporation method
  • a sputtering method a PLD (Pulse Laser Deposition) method
  • IBAD Ion Beam Assisted Deposition
  • other film forming methods such as a plating method, a liquid quenching method, and a gas agglomeration method can also be employed.
  • FIG. 1 is a view showing a drill 10 which is an embodiment of a hard film-coated cutting tool of the present invention, and is a front view seen from a direction perpendicular to an axis O.
  • FIG. FIG. 2 is an enlarged bottom view of the drill 10 shown in FIG. 1 as viewed from the tip side where the cutting edge 12 is provided (that is, in the direction indicated by the arrow II).
  • the drill 10 of this embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is a two-blade twist drill, and is integrally provided with a shank 14 and a body 16 in the direction of the axis O. In the body 16, a pair of grooves 18 twisted clockwise around the axis O are formed.
  • a pair of cutting edges 12 are provided at the tip of the body 16 corresponding to the pair of grooves 18, and the drill 10 is driven to rotate clockwise around the axis O as viewed from the shank 14 side. Accordingly, a hole is cut in the work material by the cutting edge 12, and chips generated when the hole is cut are discharged through the groove 18 to the shank 14 side. .
  • FIG. 3 is an enlarged sectional view of the vicinity of the surface of the body 16 of the drill 10 and illustrates the configuration of the hard coating 22 which is an embodiment of the hard coating for a cutting tool of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the structure of the hard coating 22 taken by a TEM (Transmission Electron Microscope).
  • the drill 10 is configured by coating the hard coating 22 on the surface of a tool base material (tool base material) 20 made of, for example, high-speed tool steel (high speed).
  • the thickness of the hard coating 22 is preferably about 2.5 to 6.0 ⁇ m.
  • FIG. 1 Tool base material
  • the hard coating 22 has a structure in which a plurality of particles (granular elements) constituting the hard phase 24 are bonded to each other by a bonding phase 26 provided in the gap.
  • a planar micrograph is illustrated, but the hard coating 22 has a planar direction (a direction parallel to the surface) and a thickness direction (a direction perpendicular to the surface).
  • the hard phase 24 and the binder phase 26 are combined with each other. That is, the hard coating 22 has a composite structure in which the hard phase 24 and the binder phase 26 are arranged three-dimensionally (three-dimensionally).
  • the binder phase 26 is a phase made of Au, Ag, or Cu containing inevitable impurities, or a mutual solid solution thereof.
  • the hard phase 24 is a nitride, oxide, carbide, carbonitride, or boride containing at least one element selected from the group consisting of group IVa elements, group Va elements, group VIa elements, Al, and Si, or these. They are mutual solid solutions and contain inevitable impurities. That is, the hard phase 24 is specifically a phase (dispersed phase) made of TiN, TiAlN, TiAlCrVSiB, ZrVO, HfCrCN, NbN, CrN, MoSiC, AlN, SiN, or the like.
  • the average particle diameter of the particles constituting the hard phase 24 is in the range of 1 nm to 100 nm.
  • the average particle diameter of the particles constituting the hard phase 24 is, for example, in the case of a plurality of particles (granular elements) constituting the hard phase 24 extracted at random in a photomicrograph as shown in FIG. It is calculated based on the major axis, the minor axis, or the average value of the major axis and the minor axis corresponding to the diameter. For example, the average value of the diameter dimensions of the extracted particles is calculated as the average particle diameter.
  • the hard coating 22 is a nanocomposite in which the hard phase 24 that has been granulated to a size in the range of 1 nm to 100 nm is dispersed (diffused) in the binder phase 26 as a matrix.
  • (Nanocomposite) structure That is, it consists of a nanostructured metal composed of multiphase nanocrystals.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an example of the coating method of the hard film 22.
  • the hard film 22 is coated on the drill 10 and the like by using a sputtering apparatus 30 as shown in FIG.
  • a negative bias voltage is applied to the tool base material 20 disposed in the chamber 32 of the sputtering apparatus 30 by a bias power source 34.
  • positive argon ions Ar + collide with the tool base 20 and the surface of the tool base 20 is roughened.
  • the hard phase 24 in the hard coating 22 is formed.
  • a negative constant bias voltage for example, about ⁇ 50 to ⁇ 60 V
  • a constant bias voltage for example, about ⁇ 100 V
  • the argon ions Ar + are caused to collide with the target 38, and a constituent material such as Si is knocked out.
  • a reactive gas such as nitrogen gas (N 2 ) or hydrocarbon gas (CH 4 , C 2 H 2 ) is introduced into the chamber 32 at a predetermined flow rate, and the nitrogen atom N or carbon atom C is introduced.
  • N 2 nitrogen gas
  • CH 4 , C 2 H 2 hydrocarbon gas
  • the surface of the tool base 20 has a structure as shown in FIG.
  • a hard coating 22 is formed.
  • the hard coating 22 is formed on the surface of the tool base 20 by forming a target corresponding to each of the hard phase 24 and the bonding layer 26 and performing sputtering synchronously using the plurality of targets. It may be formed.
  • a molten alloy obtained by melting the metal constituting the hard coating 22 is crystallized.
  • Liquid quenching method in which an amorphous alloy is obtained by cooling it more rapidly than the rate at which nucleation occurs, and nanoparticles aggregated by evaporating the metal constituting the hard coating 22 in He gas are cooled by liquid nitrogen or the like
  • a gas agglomeration method or the like that solidifies and forms the nano fine powder deposited on the substrate and scraped off from the substrate is preferably used.
  • FIG. 6 is a diagram showing the film structure of the product of the present invention and the test product used in this test and the respective test results (number of processed holes and determination).
  • the inventors of the present invention coated the hard drill with a coating diameter and film thickness shown in FIG. 6 on a carbide drill with a tool diameter of 8.3 mm ⁇ to produce the inventive products 1 to 10 and test samples 1 to 9 as samples. Then, a cutting test was performed on each test product under the following cutting conditions. Among the samples shown in FIG.
  • products 1 to 10 of the present invention correspond to products of the present invention to which the hard coating 22 of the present example is applied, and test products 1 to 9 do not satisfy the requirements of the present invention (claims) Corresponds to a non-invention product to which a hard coating is applied.
  • the hard phase particle diameter in FIG. 6 is an average value of diameter dimensions of a plurality of hard phase constituent particles randomly extracted in a micrograph or the like of a film in each sample.
  • the number of machining holes shown in FIG. 6 is the number of holes when the flank wear width is 0.2 mm, and the acceptance criterion is that the number of machining holes when the flank wear width is 0.2 mm is 20 or more. .
  • each of the products 1 to 10 of the present invention has a nitride phase or an oxide phase containing at least one element selected from the group consisting of IVa group elements, Va group elements, VIa group elements, Al, and Si.
  • a hard phase 24 that is a carbide phase, a carbonitride phase, or a boride phase, and a binder phase 26 that is a phase containing at least one element of Au, Ag, and Cu.
  • the binder phase 26 has a composite structure arranged three-dimensionally. Furthermore, the average particle diameter of the particles constituting the hard phase 24 is in the range of 1 nm to 100 nm.
  • the products 1 to 10 of the present invention are those to which the hard coating 22 that satisfies the requirements of claims 1 and 2 of the present invention is applied.
  • the flank wear width is 0.2 mm in any sample.
  • the number of processed holes is 20 holes or more, which satisfies the acceptance criteria.
  • the hard phase 24 composed of SiN and the binder phase 26 composed of Ag, the hard phase 24 having an average particle diameter of 22.7 nm and a film thickness of 4.1 ⁇ m, the number of processed holes of 41,
  • the present invention 9 is provided with a hard phase 24 made of MoSiC and a binder phase 26 made of Ag and Au, wherein the hard phase 24 has an average particle size of 94.6 nm and a film thickness of 5.1 ⁇ m.
  • the product 1 of the present invention comprising a hard phase 24 made of CrN and a binder phase 26 made of Au, the hard phase 24 having an average particle diameter of 1.0 nm and a film thickness of 2.6 ⁇ m.
  • the present invention product 7 has an average particle size of 66.9 nm and a film thickness of 3.5 ⁇ m, and the number of processed holes is 31 and both have a flank wear width of 0.2 mm. It can be seen that the number of processed holes is 30 or more, and particularly shows good cutting performance.
  • the test products 1 to 7 are all nitride phases, oxide phases, carbide phases, carbonitride phases containing at least one element selected from the group consisting of IVa group elements, Va group elements, VIa group elements, Al and Si. Or a hard phase 24 that is a boride phase and a binder phase 26 that is a phase containing at least one element of Au, Ag, and Cu.
  • the average particle diameter deviates from the range of 1 nm to 100 nm, and none of them satisfies the requirements of claim 2 of the present invention.
  • the average particle size of the particles constituting the hard phase 24 is as small as less than 1 nm, and in the test products 2, 3, and 5, the particles constituting the hard phase 24 The average particle size of is greater than 100 nm.
  • the hard phase 24 is dispersed (diffused) in the binder phase 26.
  • a suitable nanocomposite structure cannot be taken.
  • the hard phase 24 and the binder phase 26 do not have a three-dimensionally arranged composite structure. That is, none of the test products 1 to 7 satisfies the requirement of claim 1 of the present invention.
  • the test products 8 and 9 do not have the binder phase 26 that is a phase containing at least one element of Au, Ag, and Cu, and do not satisfy the requirement of claim 1 of the present invention. .
  • the number of holes processed was less than 20 when the flank wear width was 0.2 mm. It turns out that it is inferior to cutting performance compared with. This is considered to be because a hard coating that does not satisfy the requirements of claims 1 and 2 of the present invention has insufficient welding resistance and reaches an early life due to welding or peeling.
  • a hard phase 24 that is a phase or boride phase, and a binder phase 26 that is a phase containing at least one element of Au, Ag, and Cu, and the hard phase 24 and the binder phase 26 include Since it has a composite structure arranged three-dimensionally, the friction coefficient and cutting resistance can be reduced by adopting a structure in which the hard phase 24 is bonded by Au, Ag, or Cu, and lubrication. And a high hardness film can be obtained. That is, it is possible to provide a hard coating 22 for a cutting tool that has both excellent wear resistance and welding resistance.
  • the nano-level hard phase 24 Since the average particle size of the particles constituting the hard phase 24 is in the range of 1 nm to 100 nm, the nano-level hard phase 24 has a so-called nanocomposite structure in which it is bonded with Au, Ag, or Cu. The coefficient and cutting resistance can be further reduced, and a hard coating 22 having excellent lubricity and welding resistance and high hardness can be obtained.
  • the hard coating 22 is a drill 10 as a hard coating coated cutting tool provided on the surface
  • the hard phase 24 is bonded by Au, Ag, or Cu.
  • the friction coefficient and cutting resistance can be reduced, and a coating with high hardness and excellent lubricity and welding resistance can be obtained. That is, it is possible to provide the drill 10 having both excellent wear resistance and welding resistance.
  • Drill hard coating coated cutting tool
  • 12 Cutting edge
  • 14 Shank
  • 16 Body
  • 18 Groove
  • 20 Tool substrate
  • 22 Hard coating (hard coating for cutting tool)
  • 24 Hard phase
  • 26 bonded phase
  • 30 sputtering apparatus
  • 32 chamber
  • 34 bias power supply
  • 36 controller
  • 38 target
  • 40 power supply

Abstract

優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具を提供する。ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物相、酸化物相、炭化物相、炭窒化物相、又は硼化物相である硬質相（２４）と、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのうち少なくとも１種類の元素を含む相である結合相（２６）とを、備え、硬質相（２４）と結合相（２６）とが三次元的に配置された複合構造を有するものであることから、硬質相（２４）がＡｕ、Ａｇ、又はＣｕによる結合相（２６）により結合される構造をとることで摩擦係数及び切削抵抗を軽減させることができ、潤滑性及び耐溶着性に優れると共に高硬度の硬質被膜（２２）が得られる。

Description

切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具
　本発明は、切削工具の表面に被覆して設けられる切削工具用硬質被膜及びその硬質被膜が設けられた硬質被膜被覆切削工具に関し、特に、耐摩耗性及び耐溶着性を共に向上させるための改良に関する。
　ドリルやタップ等の切削工具には、耐摩耗性を向上させるために硬質被膜が被覆して設けられる。この切削工具用硬質被膜としては、ＴｉＮ系、ＴｉＣＮ系、ＴｉＡｌＮ系、及びＡｌＣｒＮ系のコーティングが広く用いられており、その性能を更に向上させるために改良が図られている。例えば、特許文献１に記載された耐摩耗性部材がそれである。
特開２００５－１３８２０９号公報
　しかし、前述したような従来の技術により硬質被膜が形成された切削工具では、その切削加工に際して被削材の種類や切削条件によっては耐溶着性が不十分となるおそれがあった。すなわち、被削材等の溶着により工具の寿命が短くなる場合があり、改良の余地があった。このため、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具の開発が求められていた。
　本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具を提供することにある。
　斯かる目的を達成するために、本第１発明の要旨とするところは、切削工具の表面に被覆して設けられる切削工具用硬質被膜であって、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物相、酸化物相、炭化物相、炭窒化物相、又は硼化物相である硬質相と、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのうち少なくとも１種類の元素を含む相である結合相とを、備え、前記硬質相と前記結合相とが三次元的に配置された複合構造を有することを特徴とするものである。
　このように、前記第１発明によれば、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物相、酸化物相、炭化物相、炭窒化物相、又は硼化物相である硬質相と、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのうち少なくとも１種類の元素を含む相である結合相とを、備え、前記硬質相と前記結合相とが三次元的に配置された複合構造を有するものであることから、前記硬質相がＡｕ、Ａｇ、又はＣｕにより結合される構造をとることで摩擦係数及び切削抵抗を軽減させることができ、潤滑性及び耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜を提供することができる。
　前記第１発明に従属する本第２発明の要旨とするところは、前記硬質相を構成する粒子の平均粒径が１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内である。このようにすれば、ナノレベルの前記硬質相がＡｕ、Ａｇ、又はＣｕにより結合された所謂ナノコンポジット構造をとることで摩擦係数及び切削抵抗を更に軽減させることができ、潤滑性及び耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られる。
　前記第１発明乃至第２発明に従属する本第３発明の要旨とするところは、前記第１発明乃至第２発明の切削工具用硬質被膜が表面に被覆して設けられた硬質被膜被覆切削工具である。このようにすれば、前記硬質相がＡｕ、Ａｇ、又はＣｕにより結合される構造をとることで摩擦係数及び切削抵抗を軽減させることができ、潤滑性及び耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた硬質被膜被覆切削工具を提供することができる。
本発明の硬質被膜被覆切削工具の一実施例であるドリルを軸心に垂直な方向から見た正面図である。 図１に示すドリルを切れ刃が設けられた先端側から見た拡大底面図である。 図１のドリルのボデーにおける表面付近の拡大断面図であり、本発明の切削工具用硬質被膜の一実施例である硬質被膜の構成を例示するものである。 図３の硬質被膜の構造を模式的に示す図である。 図３の硬質被膜のコーティング方法の一例を説明する図である。 本発明の効果を検証するために本発明者等が行った穴空け試験に用いられた各試料の被膜構造及びそれぞれの試験結果を併せて示す図である。
　本発明の切削工具用硬質被膜は、エンドミル、ドリル、正面フライス、総型フライス、リーマ、タップ等の回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具等、種々の切削工具の表面コーティングに好適に適用される。工具基材すなわち硬質被膜が設けられる部材の材質としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、他の材料でもよく、例えばサーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、多結晶ＣＢＮ、単結晶ＣＢＮ等、種々の材料から構成された切削工具に本発明の切削工具用硬質被膜は広く適用される。
　本発明の切削工具用硬質被膜は、切削工具の一部乃至全部の表面に被覆して設けられるものであり、好適には、その切削工具において切削加工に関与する刃部に設けられる。更に好適には、少なくともその刃部における切れ刃乃至すくい面を被覆するように設けられる。
　前記硬質相は、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物、又は硼化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成される。具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＶＳｉＢ、ＺｒＶＯ、ＨｆＣｒＣＮ、ＮｂＮ、ＣｒＮ、ＭｏＳｉＣ、ＡｌＮ、ＳｉＮ等から成る相である。
　本発明の切削工具用硬質被膜は、例えばアークイオンプレーティング法やイオンビーム蒸着法、スパッタリング法、ＰＬＤ（Pulse Laser Deposition) 法、ＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition；イオンビーム支援蒸着）法等のＰＶＤ法によって好適に設けられるが、鍍金法、液体急冷法、ガス凝集法等、他の成膜法を採用することもできる。
　以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明に用いる図面に関して、各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。
　図１は、本発明の硬質被膜被覆切削工具の一実施例であるドリル１０を示す図であり、軸心Ｏに垂直な方向から見た正面図である。図２は、図１に示すドリル１０を、切れ刃１２が設けられた先端側から（すなわち矢印IIで示す方向に）見た拡大底面図である。これら図１及び図２に示す本実施例のドリル１０は、２枚刃のツイストドリルであり、シャンク１４及びボデー１６を軸心Ｏ方向に一体に備えている。斯かるボデー１６には、軸心Ｏの右まわりにねじれた一対の溝１８が形成されている。前記ボデー１６の先端には、前記一対の溝１８に対応して一対の切れ刃１２が設けられており、前記ドリル１０が前記シャンク１４側から見て軸心Ｏの右まわりに回転駆動されることにより、前記切れ刃１２によって被削材に穴が切削加工されると共に、その穴を切削加工する際に生じる切屑が前記溝１８を通ってシャンク１４側へ排出されるように構成されている。
　図３は、前記ドリル１０のボデー１６における表面付近の拡大断面図であり、本発明の切削工具用硬質被膜の一実施例である硬質被膜２２の構成を例示するものである。図４は、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope；透過型電子顕微鏡）により撮影された前記硬質被膜２２の構造を模式的に示す図である。前記ドリル１０は、図３に示すように、例えば高速度工具鋼（ハイス）製の工具基材（工具母材）２０の表面に前記硬質被膜２２がコーティングされて構成されたものである。この硬質被膜２２の膜厚は、好適には、２．５～６．０μｍ程度である。図４に示すように、前記硬質被膜２２は、硬質相２４を構成する複数の粒子（粒状要素）が、その間隙に設けられた結合相２６により相互に結合された構造を有する。この図４においては、平面的な顕微鏡写真を例示しているが、前記硬質被膜２２は、その平面方向（表面に平行を成す方向）及び厚み方向（表面に垂直を成す方向）の何れにおいても図４に示すように前記硬質相２４と前記結合相２６とが相互に結合された構造をとるものである。すなわち、前記硬質被膜２２は、前記硬質相２４と前記結合相２６とが三次元的（立体的）に配置された複合構造を有する。
　前記結合相２６は、不可避的不純物を含むＡｕ、Ａｇ、又はＣｕ、或いはこれらの相互固溶体から成る相である。前記硬質相２４は、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物、又は硼化物、或いはこれらの相互固溶体であり、不可避的不純物を含むものである。すなわち、前記硬質相２４は、具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＶＳｉＢ、ＺｒＶＯ、ＨｆＣｒＣＮ、ＮｂＮ、ＣｒＮ、ＭｏＳｉＣ、ＡｌＮ、ＳｉＮ等から成る相（分散相）である。好適には、前記硬質相２４を構成する粒子の平均粒径は、１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内である。この硬質相２４を構成する粒子の平均粒径は、例えば、図４に示すような顕微鏡写真等において、無作為抽出される前記硬質相２４を構成する複数の粒子（粒状要素）に関して、各粒子の径寸法に相当する長径、短径、或いは長径及び短径の平均値に基づいて算出される。例えば、抽出されたそれら複数の粒子における径寸法の平均値が、前記平均粒径として算出される。換言すれば、前記硬質被膜２２は、１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内の大きさに粒子化された前記硬質相２４が、マトリックスとしての前記結合相２６内に分散（拡散）して配置されたナノコンポジット（nanocomposite）構造を有するものである。すなわち、複相のナノ結晶から構成されるナノ組織金属から成るものである。
　図５は、前記硬質被膜２２のコーティング方法の一例を説明する図である。前記ドリル１０等に対する前記硬質被膜２２のコーティングは、例えば図５に示すようなスパッタリング装置３０を用いてコントローラ３６の制御により行われる。好適には、先ず、前処理としてのエッチング工程において、前記スパッタリング装置３０のチャンバ３２内に配置された前記工具基材２０に、バイアス電源３４により負のバイアス電圧が印加される。これにより、正のアルゴンイオンＡｒ+が前記工具基材２０に衝突させられ、その工具基材２０の表面が粗面化させられる。
　次に、スパッタリング工程において、例えば前記硬質被膜２２における硬質相２４の形成が行われる。例えば、前記硬質相２４を構成するＳｉ等のターゲット３８に電源４０により負の一定のバイアス電圧（例えば－５０～－６０Ｖ程度）が印加されるとともに、前記バイアス電源３４により工具基材２０に負の一定のバイアス電圧（例えば－１００Ｖ程度）が印加されることにより、アルゴンイオンＡｒ+が前記ターゲット３８に衝突させられ、これによりＳｉ等の構成物質が叩き出される。前記チャンバ３２内には、アルゴンガスの他に窒素ガス（Ｎ2）や炭化水素ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2）の反応ガスが所定の流量で導入され、その窒素原子Ｎや炭素原子Ｃが前記ターゲット３８から叩き出されたＳｉ等と結合してＳｉＮ等となり、前記工具基材２０の表面に前記硬質被膜２２における硬質相２４等として付着させられる。斯かる処理と、前記結合相２６を構成するＡｇ等をターゲット３８とする前記スパッタリング工程の処理とを交互に行うことで、前記工具基材２０の表面に図４に示すような組織を有する前記硬質被膜２２が形成される。或いは、前記硬質相２４及び前記結合層２６それぞれに対応してターゲットを構成し、それら複数のターゲットを用いて同期的にスパッタリングを行うことで、前記工具基材２０の表面に前記硬質被膜２２を形成するものであってもよい。
　その他、前記工具基材２０の表面に対する前記硬質被膜２２の形成方法としては、例えば、よく知られた鍍金法（鍍金技術）、前記硬質被膜２２を構成する金属を溶融させた溶融合金を、結晶の核生成が起こる速度よりも急速に冷却させることでアモルファス合金を得る液体急冷法、Ｈｅガス中において前記硬質被膜２２を構成する金属を蒸発させて凝集させたナノ粒子を、液体窒素等により冷却した基板上に堆積させ、その基板上から掻き取ったナノ微粉末を固化形成するガス凝集法等が好適に用いられる。
　続いて、本発明の効果を検証するために本発明者等が行った穴空け試験について説明する。図６は、この試験に用いられた本発明品及び試験品の被膜構造と、それぞれの試験結果（加工穴数及び判定）とを、併せて示す図である。本発明者等は、工具径８．３ｍｍφの超硬ドリルに図６に示す各被膜構造及び膜厚の硬質被膜をコーティングして試料である本発明品１～１０及び試験品１～９を作成し、各試験品について以下の切削条件で切削試験を行った。この図６に示す試料のうち、本発明品１～１０が本実施例の硬質被膜２２が適用された本発明品に相当し、試験品１～９が本発明の要件を満たさない（請求項１乃至２の要件から外れている）硬質被膜が適用された非発明品に相当する。図６における硬質相粒径は、各試料における被膜の顕微鏡写真等において、無作為抽出される複数の硬質相構成粒子における径寸法の平均値である。図６に示す加工穴数は、逃げ面摩耗幅０．２ｍｍであるときの穴数であり、合格判定基準は、逃げ面摩耗幅０．２ｍｍであるときの加工穴数が２０穴以上である。
［加工条件］
・工具形状：φ８．３超硬ドリル
・被削材：インコネル（登録商標）７１８
・切削機械：立型Ｍ／Ｃ
・切削速度：１０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
・加工深さ：３３ｍｍ（止まり）
・ステップ量：ノンステップ
・切削油：油性
　図６に示すように、前記本発明品１～１０は、何れもＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物相、酸化物相、炭化物相、炭窒化物相、又は硼化物相である硬質相２４と、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのうち少なくとも１種類の元素を含む相である結合相２６とを、備え、前記硬質相２４と前記結合相２６とが三次元的に配置された複合構造を有する。更に、前記硬質相２４を構成する粒子の平均粒径が１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内である。すなわち、前記本発明品１～１０は、何れも本発明の請求項１及び２の要件を満たす硬質被膜２２が適用されたものである。図６に示す試験結果から明らかなように、斯かる本実施例の硬質被膜２２が適用された本発明品１～１０においては、何れの試料においても逃げ面摩耗幅０．２ｍｍであるときの加工穴数が２０穴以上となり、合格基準を満たしている。
　特に、ＳｉＮから成る硬質相２４と、Ａｇから成る結合相２６とを備え、硬質相２４の平均粒径が２２．７ｎｍ、膜厚が４．１μｍである本発明品２で加工穴数４１、ＭｏＳｉＣから成る硬質相２４と、Ａｇ及びＡｕから成る結合相２６とを備え、硬質相２４の平均粒径が９４．６ｎｍ、膜厚が５．１μｍである本発明品９で加工穴数３８、ＣｒＮから成る硬質相２４と、Ａｕから成る結合相２６とを備え、硬質相２４の平均粒径が１．０ｎｍ、膜厚が２．６μｍである本発明品１で加工穴数３６、ＴｉＮから成る硬質相２４と、Ａｕ及びＣｕから成る結合相２６とを備え、硬質相２４の平均粒径が１００．０ｎｍ、膜厚が５．８μｍである本発明品４で加工穴数３３、ＴｉＡｌＣｒＶＳｉＢから成る硬質相２４と、Ａｇ、Ｃｕ、及びＡｕから成る結合相２６とを備え、硬質相２４の平均粒径が６６．９ｎｍ、膜厚が３．５μｍである本発明品７で加工穴数３１と、何れも逃げ面摩耗幅０．２ｍｍであるときの加工穴数が３０穴以上となり、とりわけ良好な切削性能を示していることがわかる。
　前記試験品１～７は、何れもＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物相、酸化物相、炭化物相、炭窒化物相、又は硼化物相である硬質相２４と、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのうち少なくとも１種類の元素を含む相である結合相２６とを、備えているものの、前記硬質相２４を構成する粒子の平均粒径が１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲を逸脱するものであり、何れも本発明の請求項２の要件を満たさない。すなわち、前記試験品１、４、６、７では、前記硬質相２４を構成する粒子の平均粒径が１ｎｍ未満と小さく、前記試験品２、３、５では、前記硬質相２４を構成する粒子の平均粒径が１００ｎｍよりも大きい。このように、前記硬質相２４を構成する粒子の平均粒径が１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲を逸脱する硬質被膜においては、前記硬質相２４が前記結合相２６内に分散（拡散）して配置された好適なナノコンポジット構造をとることができず、換言すれば、前記硬質相２４と前記結合相２６とが三次元的に配置された複合構造を有しない。すなわち、前記試験品１～７は、何れも本発明の請求項１の要件を満たさない。前記試験品８、９は、何れもＡｕ、Ａｇ、及びＣｕのうち少なくとも１種類の元素を含む相である前記結合相２６を有しておらず、本発明の請求項１の要件を満たさない。図６に示す試験結果から明らかなように、これら試験品１～９においては、何れも逃げ面摩耗幅０．２ｍｍであるときの加工穴数が２０未満となり、前記本発明品１～１０と比べて切削性能に劣るものであることがわかる。これは、本発明の請求項１乃至２の要件を満たさない硬質被膜では、耐溶着性が十分ではなく、溶着や剥離等により早期寿命に至るためであると考えられる。
　このように、本実施例によれば、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物相、酸化物相、炭化物相、炭窒化物相、又は硼化物相である硬質相２４と、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのうち少なくとも１種類の元素を含む相である結合相２６とを、備え、前記硬質相２４と前記結合相２６とが三次元的に配置された複合構造を有するものであることから、前記硬質相２４がＡｕ、Ａｇ、又はＣｕにより結合される構造をとることで摩擦係数及び切削抵抗を軽減させることができ、潤滑性及び耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜２２を提供することができる。
　前記硬質相２４を構成する粒子の平均粒径が１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内であるため、ナノレベルの前記硬質相２４がＡｕ、Ａｇ、又はＣｕにより結合された所謂ナノコンポジット構造をとることで摩擦係数及び切削抵抗を更に軽減させることができ、潤滑性及び耐溶着性に優れると共に高硬度の硬質被膜２２が得られる。
　本実施例によれば、前記硬質被膜２２が表面に被覆して設けられた硬質被膜被覆切削工具としてのドリル１０であることから、前記硬質相２４がＡｕ、Ａｇ、又はＣｕにより結合される構造をとることで摩擦係数及び切削抵抗を軽減させることができ、潤滑性及び耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えたドリル１０を提供することができる。
　以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。
　１０：ドリル（硬質被膜被覆切削工具）、１２：切れ刃、１４：シャンク、１６：ボデー、１８：溝、２０：工具基材、２２：硬質被膜（切削工具用硬質被膜）、２４：硬質相、２６：結合相、３０：スパッタリング装置、３２：チャンバ、３４：バイアス電源、３６：コントローラ、３８：ターゲット、４０：電源

Claims (3)

  1. 　切削工具の表面に被覆して設けられる切削工具用硬質被膜であって、
    　ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物相、酸化物相、炭化物相、炭窒化物相、又は硼化物相である硬質相と、
    　Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのうち少なくとも１種類の元素を含む相である結合相と
    　を、備え、
    　前記硬質相と前記結合相とが三次元的に配置された複合構造を有する
    　ことを特徴とする切削工具用硬質被膜。
  2. 　前記硬質相を構成する粒子の平均粒径が１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内である請求項１に記載の切削工具用硬質被膜。
  3. 　請求項１又は２に記載の切削工具用硬質被膜が表面に被覆して設けられた硬質被膜被覆切削工具。
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