WO2014123053A1 - 表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械 - Google Patents

表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械 Download PDF

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雅信 三▲崎▼
泰路 菊池
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Definitions

  • the present invention relates to a surface coating material, a cutting tool and a machine tool using the same.
  • a tool that forms a high-hardness film on the surface of a substrate using a physical vapor deposition method typified by ion plating has been developed.
  • the one that forms a metal nitride layer such as TiN-based or TiAlN-based on the surface of the substrate is most practically used.
  • an AlCrN film or an (AlCrM) N film (M is an element of the periodic table 4a, 5a, 6a group excluding Cr, B, Si, Y) It is considered that a surface coating material such as at least one or two or more elements selected from the above is provided on the surface of the substrate (for example, see Patent Documents 1 to 4 above).
  • Such problems are not limited to cutting tools used in machine tools as described above, but can be applied to parts and molds to which surface coating materials that require excellent wear resistance in high-temperature regions are applied. For example, it can occur in the same manner as described above.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and a surface coating material capable of exhibiting high peeling resistance and high chipping resistance, and cutting using the same. It aims to provide tools and machine tools.
  • the surface coating material according to the first invention for solving the above-described problem is An upper layer formed by alternately laminating one or more layers of an A layer made of nitride of aluminum, chromium and silicon and a B layer made of nitride of aluminum, chromium and yttrium is provided on the surface.
  • the upper layer is provided on the surface of the metal nitride.
  • the surface coating material according to the second invention for solving the above-described problem is the surface coating material according to the first invention described above,
  • the layer A is represented by the composition formula: (Al 1-ab Cr a Si b ) N
  • the atomic ratio satisfies 0.15 ⁇ a ⁇ 0.59 and 0.01 ⁇ b ⁇ 0.1.
  • the layer B is represented by the composition formula: (Al 1 -cd Cr c Y d ) N
  • the atomic ratio satisfies 0.15 ⁇ c ⁇ 0.60 and 0.005 ⁇ d ⁇ 0.1. It is characterized by.
  • the surface coating material according to the third invention for solving the above-described problem is the surface coating material according to the first or second invention described above,
  • the thicknesses of the A layer and the B layer are 240 nm or less, respectively.
  • the surface coating material according to the fourth invention for solving the above-described problem is the surface coating material according to the first invention described above,
  • the B layer further includes a nitride of silicon.
  • the surface coating material according to the fifth invention for solving the above-described problem is the surface coating material according to the fourth invention described above,
  • the layer A is represented by the composition formula: (Al 1-ab Cr a Si b ) N
  • the atomic ratio satisfies 0.15 ⁇ a ⁇ 0.60 and 0.01 ⁇ b ⁇ 0.1.
  • the B layer is a composition formula: (Al 1-cde Cr c Si d Y e) when expressed in N, in terms of atomic ratio, 0.15 ⁇ c ⁇ 0.60,0.01 ⁇ d ⁇ 0.1, 0.005 ⁇ e ⁇ 0.1 is satisfied.
  • the surface coating material according to the sixth invention for solving the above-described problem is the surface coating material according to the fourth or fifth invention described above,
  • the thicknesses of the A layer and the B layer are each 150 nm or less.
  • a surface coating material according to a seventh invention for solving the above-described problem is a surface coating material according to any one of the first to sixth inventions described above,
  • the upper layer has a thickness of 2 ⁇ m or more and 8 ⁇ m or less.
  • a surface coating material according to an eighth invention for solving the above-described problem is the surface coating material according to any one of the first to seventh inventions described above,
  • the metal nitride is made of at least one nitride selected from titanium, aluminum, chromium, and zirconium.
  • a surface coating material according to a ninth invention for solving the above-described problem is a surface coating material according to any one of the first to eighth inventions described above, The metal nitride is provided on the surface of the base material.
  • the surface coating material according to the tenth invention for solving the above-described problem is the surface coating material according to the ninth invention described above,
  • the substrate is made of high-speed tool steel or cemented carbide.
  • a cutting tool according to an eleventh invention for solving the above-mentioned problems is characterized by comprising the surface coating material according to any one of the first to tenth inventions described above.
  • a machine tool according to a twelfth invention for solving the above-described problem is characterized by including a cutting tool made of the surface coating material according to any one of the first to tenth inventions described above.
  • the surface coating material according to the present invention high peeling resistance and high chipping resistance can be exhibited, so that the upper layer has excellent wear resistance in a high temperature region inherently possessed sufficiently. Can be made.
  • a surface coating material 10 includes a base material 11 made of high-speed tool steel or cemented carbide, and titanium (Ti), aluminum (Al ), Chromium (Cr), zirconium (Zr) at least one kind of nitride (N), and provided on the surface of the lower layer 12, aluminum (Al), chromium (Cr) and silicon.
  • the B layer 15 preferably contains a nitride (N) of silicon (Si).
  • Such a surface coating material 10 is provided with the lower layer 12 made of the above-described composition on the substrate 11 by a physical vapor deposition method (PVD) such as a sputtering vapor deposition method or an ion plating method. Thereafter, the upper layer 13 formed by alternately laminating one or more of the A layers 14 and the B layers 15 can be provided for easy manufacture.
  • PVD physical vapor deposition method
  • an upper layer is formed by forming an alternating layer structure (multilayer structure) of A layers 14 made of (AlCrSi) N and B layers 15 made of (AlCrY) N or (AlCrSiY) N.
  • a layers 14 made of (AlCrSi) N and B layers 15 made of (AlCrY) N or (AlCrSiY) N are alternating layer structure (multilayer structure) of A layers 14 made of (AlCrSi) N and B layers 15 made of (AlCrY) N or (AlCrSiY) N.
  • the lower layer 12 is made of at least one nitride of titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr), zirconium (Zr) (for example, TiN, CrN, ZrN, TiAlN, etc.). Adhesiveness with substrate 11 (cutting tool surface) can be improved.
  • the upper layer 13 is not peeled or chipped for a long time even when used under conditions where a high load is locally applied. Therefore, the upper layer 13 can sufficiently exhibit the characteristics excellent in wear resistance in the high temperature region inherently possessed by the upper layer 13.
  • the B layer 15 has an atomic ratio of 0.15 ⁇ c ⁇ 0.6 and 0.005 ⁇ d ⁇ 0.1 in the compositional formula: (Al 1 -cd Cr c Y d ) N. Is preferably satisfied. This is because if the composition ratio of c is smaller than 0.15, the higher the aluminum (Al) element ratio, and in particular, when the aluminum (Al) element ratio exceeds 0.75, the hardness of the B layer 15 itself increases. Since it tends to decrease, it is not so preferable. When the composition ratio of c is larger than 0.6, the higher the chromium (Cr) element ratio, the more easily the hardness of the B layer 15 itself is decreased.
  • composition ratio of d is smaller than 0.005, it is difficult to obtain the effect of improving heat resistance by adding yttrium (Y), so that the composition ratio of d is larger than 0.1. This is because it is difficult to manufacture the B layer 15 itself, which is not preferable.
  • the B layer 15 may be expressed by a composition formula (Al 1 -cd Cr c Y d ) N satisfying 0.15 ⁇ c ⁇ 0.6 and 0.005 ⁇ d ⁇ 0.1 in atomic ratio.
  • the A layer 14 has an atomic ratio of 0.15 ⁇ a ⁇ 0.59, 0.01 ⁇ b ⁇ 0,...
  • a composition formula: (Al 1-ab Cr a Si b ) N. 1 is preferably satisfied. This is because if the composition ratio of a is smaller than 0.15, the higher the aluminum (Al) element ratio, and in particular, when the aluminum (Al) element ratio exceeds 0.75, the hardness of the A layer 14 itself increases.
  • composition ratio of a is larger than 0.59, the higher the chromium (Cr) element ratio, the more easily the hardness of the A layer 14 itself tends to decrease.
  • composition ratio of b is less than 0.01, it is difficult to obtain the effect of improving the heat resistance by adding silicon (Si), and thus the composition ratio of b is less than 0.1. This is because it is difficult to manufacture the A layer 14 itself because it is too large.
  • the B layer 15 has an atomic ratio of 0.15 ⁇ c ⁇ 0.60 and 0.01 ⁇ d ⁇ 0 when expressed by the composition formula: (Al 1 -cde Cr c Si d Y e ) N. 0.1, 0.005 ⁇ e ⁇ 0.1 is preferably satisfied. This is because if the composition ratio of c is smaller than 0.15, the higher the aluminum (Al) element ratio, and in particular, when the aluminum (Al) element ratio exceeds 0.75, the hardness of the B layer 15 itself increases. Since it tends to decrease, it is not so preferable. When the composition ratio of c is larger than 0.60, the higher the chromium (Cr) element ratio, the more easily the hardness of the B layer 15 itself is decreased.
  • composition ratio of d is less than 0.01, it is difficult to obtain the effect of improving the heat resistance by adding silicon (Si), so that the composition ratio of d is larger than 0.1. Since the target discharge at the time of film formation becomes unstable and it becomes difficult to manufacture the B layer 15 itself, it is not so preferable. If the composition ratio of e is smaller than 0.005, it is not good. Since the effect of improving the wear resistance due to the addition of (Y) is difficult, it is not so preferable. This is because it is difficult to manufacture itself, which is not preferable.
  • the B layer 15 has an atomic ratio of 0.15 ⁇ c ⁇ 0.60, 0.01 ⁇ d ⁇ 0.1, and 0.005 ⁇ e ⁇ 0.1: (Al 1-cde Cr c Si d Y e ) N, the A layer 14 can be expressed by the composition formula: (Al 1-ab Cr a Si b ) N, and the atomic ratio is 0.15 ⁇ a ⁇ It is preferable that 0.60 and 0.01 ⁇ b ⁇ 0.1 are satisfied. This is because if the composition ratio of a is smaller than 0.15, the higher the aluminum (Al) element ratio, and in particular, when the aluminum (Al) element ratio exceeds 0.75, the hardness of the A layer 14 itself increases.
  • composition ratio of a is larger than 0.60, the hardness of the A layer 14 itself tends to decrease as the chromium (Cr) element ratio increases.
  • composition ratio of b is less than 0.01, it is difficult to obtain the effect of improving the heat resistance by adding silicon (Si), and thus the composition ratio of b is less than 0.1. This is because it is difficult to manufacture the A layer 14 itself because it is too large.
  • the A layer 14 and the B layer 15 each have a thickness of 240 nm or less (particularly, 200 nm or less). It is preferable. This is because when the thicknesses of the A layer 14 and the B layer 15 are larger than 240 nm, the plastic deformability in the A layer 14 and the B layer 15 (single layer) is lowered, and the peel resistance obtained from the alternately laminated structure. This is because the chipping resistance tends to be low, which is not preferable.
  • the A layer 14 and the B layer 15 each have a thickness of 150 nm or less (particularly, 100 nm or less). And preferred. This is because when the thicknesses of the A layer 14 and the B layer 15 are greater than 150 nm, the plastic deformability in the A layer 14 and the B layer 15 (single layer) is lowered, and the peel resistance obtained from the alternately laminated structure. This is because the chipping resistance tends to be low, which is not preferable.
  • the A layer 14 and the B layer 15 have the same thickness. This is because if the thicknesses of the A layer 14 and the B layer 15 are different, the peelability between the A layer 14 and the B layer 15 tends to increase, which is not preferable.
  • the upper layer 13 preferably has a thickness of 2 ⁇ m to 8 ⁇ m (particularly 3 ⁇ m to 6 ⁇ m). This is because if the thickness of the upper layer 13 exceeds 8 ⁇ m, the cutting edge part is liable to be peeled off or chipped under high-speed and high-feed cutting conditions, particularly in intermittent cutting, and the life is likely to be shortened. If the thickness of the upper layer 13 is less than 2 ⁇ m, the wear resistance of the upper layer 13 cannot be sufficiently exhibited, and it becomes difficult to ensure the cutting performance over a long period of time. .
  • the base material 11 is preferably made of high-speed tool steel or cemented carbide. Because, when the base material 11 is made of high-speed tool steel or cemented carbide, it does not cause peeling or chipping of the lower layer 12 in the high-speed and high-feed cutting conditions, particularly in intermittent cutting, This is because it exhibits excellent wear resistance and can exhibit stable cutting performance over a long period of time.
  • the cutting tool is not particularly limited as long as it is a tool for cutting, but it is very suitable if it is a gear cutting tool such as a hob or pinion cutter, or a broach
  • the machine tool is not particularly limited as long as it is capable of cutting, but a gear cutter such as a hobbing machine or a gear shaper or a broaching machine is very suitable. is there.
  • the surface coating material 10 is provided with the upper layer 13 in which one or more of the A layers 14 and the B layers 15 are alternately laminated, and the B layer 15 is provided on the surface of the A layer 14.
  • the surface coating material 10 includes the upper layer 13 formed by alternately laminating one or more A layers 14 and B layers 15, and the A layer 14 is provided on the surface of the B layer 15. .
  • the upper layer 13 that is a composite nitride mainly composed of aluminum (Al), chromium (Cr), silicon (Si), and yttrium (Y) has excellent wear resistance in a high temperature region inherent to the upper layer 13. The characteristics can be fully exhibited.
  • the upper layer 13 that is a composite nitride mainly composed of aluminum (Al), chromium (Cr), silicon (Si), and yttrium (Y) has excellent wear resistance in a high temperature region inherent to the upper layer 13. The characteristics can be fully exhibited.
  • the surface coating material and the cutting tool and machine tool using the surface coating material according to the present invention can exhibit high peeling resistance and high chipping resistance, and have high wear resistance in the high temperature range inherent in the upper layer. Since the excellent characteristics can be sufficiently exhibited, it can be used extremely beneficially industrially.

Abstract

　高耐剥離性及び高耐チッピング性を発現することができる表面被覆材料を提供することにある。高速度工具や超硬合金からなる基材（１１）と、基材（１１）の表面に設けられてチタン，アルミニウム，クロム，ジルコニウムのうちの少なくとも一種の窒化物からなる下部層（１２）と、下部層（１２）の表面に設けられて、アルミニウムとクロムとケイ素との窒化物からなるＡ層（１４）と、アルミニウムとクロムとイットリウムとの窒化物からなるＢ層（１５）とが交互に１層以上積層してなる上部層（１３）とを備えてなる表面被覆材料（１０）とした。

Description

表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械
　本発明は、表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械に関する。
　工作機械で切削加工を行う切削工具として、イオンプレーティングに代表される物理蒸着法を用いて基材の表面に高硬度皮膜を形成するものが開発されている。その中でも、ＴｉＮ系やＴｉＡｌＮ系などの金属窒化物の層を基材の表面に形成するものが最も実用化が進んでいる。
特開平１０－２５５６６号公報 特開２００５－３３０５３９号公報 特開２００９－２８５７５８号公報 特許第３９６３３５４号明細書
　ところで、上述した切削工具は、８００℃を超えるようなさらなる高温領域で使用すると、上記金属窒化物の酸化が始まるため、長時間使用できないという問題があった。このため、さらなる高温領域での使用を可能にする切削工具として、ＡｌＣｒＮ皮膜や（ＡｌＣｒＭ）Ｎ皮膜（ＭはＣｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｂ，Ｓｉ，Ｙのうちから選ばれた少なくとも１種又は２種以上の元素）などの表面被覆材料を基材の表面に設けることが考えられている（例えば、上記の特許文献１～４参照）。
　しかしながら、上述した表面被覆材料を基材の表面に設けた切削工具においては、表面被覆材料の密着性の点で問題があり、高い発熱に伴い切れ刃部に局部的に高負荷がかかるような高速高送りの切削条件では、表面被覆材料の剥離やチッピング（微少欠け）が早期に発生し、比較的短時間で寿命に至りこの表面被覆材料が本来持つ高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分発揮できないという課題がある。
　このような問題は、上述したような工作機械に使用される切削工具に限らず、高温領域での耐摩耗性に優れた特性を要求される表面被覆材料が適用される部品や金型であれば、上述の場合と同様に生じ得ることである。
　このようなことから、本発明は、前述した課題を解決するために為されたものであって、高耐剥離性及び高耐チッピング性を発現することができる表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械を提供することを目的としている。
　上述した課題を解決する第１の発明に係る表面被覆材料は、
　アルミニウム，クロム，ケイ素の窒化物からなるＡ層と、アルミニウム，クロム，イットリウムの窒化物からなるＢ層とが交互に１層以上積層してなる上部層を表面に有し、
　前記上部層が、金属窒化物の表面に設けられている
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第２の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１の発明に係る表面被覆材料であって、
　前記Ａ層が、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．５９、０．０１≦ｂ≦０．１を満足し、
　前記Ｂ層が、組成式：（Ａｌ1-c-dＣｒcＹd）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．００５≦ｄ≦０．１を満足している
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第３の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１または第２の発明に係る表面被覆材料であって、
　前記Ａ層および前記Ｂ層の厚さが、それぞれ２４０ｎｍ以下である
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第４の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１の発明に係る表面被覆材料であって、
　前記Ｂ層がさらにケイ素の窒化物を含む
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第５の発明に係る表面被覆材料は、前述した第４の発明に係る表面被覆材料であって、
　前記Ａ層は、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．６０、０．０１≦ｂ≦０．１を満足し、
　前記Ｂ層は、組成式：（Ａｌ1-c-d-eＣｒcＳｉdＹe）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．０１≦ｄ≦０．１、０．００５≦ｅ≦０．１を満足している
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第６の発明に係る表面被覆材料は、前述した第４または第５の発明に係る表面被覆材料であって、
　前記Ａ層および前記Ｂ層の厚さが、それぞれ１５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第７の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１乃至第６の発明の何れか一つに係る表面被覆材料であって、
　前記上部層の厚さが２μｍ以上８μｍ以下である
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第８の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１乃至第７の発明の何れか一つに係る表面被覆材料であって、
　前記金属窒化物が、チタン，アルミニウム，クロム，ジルコニウムのうちの少なくとも一種の窒化物からなる
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第９の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１乃至第８の発明の何れか一つに係る表面被覆材料であって、
　前記金属窒化物が、基材の表面に設けられている
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第１０の発明に係る表面被覆材料は、前述した第９の発明に係る表面被覆材料であって、
　前記基材が、高速度工具鋼または超硬合金からなる
ことを特徴とする。
　上述した課題を解決する第１１の発明に係る切削工具は、前述した第１乃至第１０の発明の何れか一つに係る表面被覆材料からなることを特徴とする。
　上述した課題を解決する第１２の発明に係る工作機械は、前述した第１乃至第１０の発明の何れか一つに係る表面被覆材料からなる切削工具を備えていることを特徴とする。
　本発明に係る表面被覆材料によれば、高耐剥離性及び高耐チッピング性を発現することができることから、上部層が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。
本発明に係る表面被覆材料の一実施形態の構造説明図である。
　本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械を好適に実施するための形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
　本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械の一実施形態を図１に基づいて説明する。
　図１に示すように、本実施形態に係る表面被覆材料１０は、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１と、基材１１の表面に設けられてチタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ジルコニウム（Ｚｒ）のうちの少なくとも一種の窒化物（Ｎ）からなる下部層１２と、下部層１２の表面に設けられて、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）とケイ素（Ｓｉ）との窒化物（Ｎ）からなるＡ層１４と、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）とイットリウム（Ｙ）との窒化物（Ｎ）からなるＢ層１５とが交互に１層以上（図示例では７層）積層してなる上部層１３とを備えてなるものである。
　また、前記Ｂ層１５は、ケイ素（Ｓｉ）の窒化物（Ｎ）を含むことが好ましい。
　このような表面被覆材料１０は、スパッタ蒸着法やイオンプレーティング法等のような物理蒸着法（ＰＶＤ）等により、前記基材１１に対して、上述した組成物からなる前記下部層１２を設けた後に、前記Ａ層１４と前記Ｂ層１５とを交互に１層以上積層してなる前記上部層１３を設けて、容易に製造することができる。
　このような前記表面被覆材料１０においては、（ＡｌＣｒＳｉ）ＮからなるＡ層１４と（ＡｌＣｒＹ）Ｎまたは（ＡｌＣｒＳｉＹ）ＮからなるＢ層１５との交互積層構造（多層構造）にすることにより、上部層１３の耐剥離性及び耐チッピング性を向上させ、Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｙを必須成分とする複合窒化物である硬質皮膜が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。
　さらに、下部層１２が、チタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ジルコニウム（Ｚｒ）のうちの少なくとも一種の窒化物（例えば、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、ＴｉＡｌＮなど）からなることにより、基材１１（切削工具表面）との密着性を向上させることができる。
　したがって、本実施形態に係る表面被覆材料１０を利用した切削工具及び工作機械においては、局部的に高負荷がかかるような条件で使用しても、前記上部層１３の剥離やチッピングの発生を長期に亘って防止することができることから、前記上部層１３が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。
　なお、前記Ｂ層１５は、組成式：（Ａｌ1-c-dＣｒcＹd）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６、０．００５≦ｄ≦０．１を満足することが好ましい。なぜなら、前記ｃの組成比率が０．１５よりも小さいと、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が高くなる程、特に、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が０．７５を超えると、Ｂ層１５自体の硬度が低下しやすくなるため、あまり好ましくなく、前記ｃの組成比率が０．６よりも大きくなると、クロム（Ｃｒ）元素比率が高くなる程、Ｂ層１５自体の硬度が低下しやすくなるため、あまり好ましくなく、前記ｄの組成比率が０．００５よりも小さいと、イットリウム（Ｙ）添加による耐熱性向上の効果を得にくくなるため、あまり好ましくなく、前記ｄの組成比率が０．１よりも大きくなると、Ｂ層１５自体を製造しにくくなるため、あまり好ましくないからである。
　前記Ｂ層１５を、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６、０．００５≦ｄ≦０．１を満足する組成式：（Ａｌ1-c-dＣｒcＹd）Ｎで表すことができるとき、前記Ａ層１４は、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．５９、０．０１≦ｂ≦０．１を満足することが好ましい。なぜなら、前記ａの組成比率が０．１５よりも小さいと、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が高くなる程、特に、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が０．７５を超えると、Ａ層１４自体の硬度が低下しやすくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ａの組成比率が０．５９よりも大きくなると、クロム（Ｃｒ）元素比率が高くなる程、Ａ層１４自体の硬度が低下しやすくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ｂの組成比率が０．０１よりも小さいと、ケイ素（Ｓｉ）添加による耐熱性向上の効果を得にくくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ｂの組成比率が０．１よりも大きくなると、Ａ層１４自体を製造しにくくなりやすいため、あまり好ましくないからである。
　なお、前記Ｂ層１５は、組成式：（Ａｌ1-c-d-eＣｒcＳｉdＹe）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．０１≦ｄ≦０．１、０．００５≦ｅ≦０．１を満足することが好ましい。なぜなら、前記ｃの組成比率が０．１５よりも小さいと、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が高くなる程、特に、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が０．７５を超えると、Ｂ層１５自体の硬度が低下しやすくなるため、あまり好ましくなく、前記ｃの組成比率が０．６０よりも大きくなると、クロム（Ｃｒ）元素比率が高くなる程、Ｂ層１５自体の硬度が低下しやすくなるため、あまり好ましくなく、前記ｄの組成比率が０．０１よりも小さいと、ケイ素（Ｓｉ）添加による耐熱性向上の効果を得にくくなるため、あまり好ましくなく、前記ｄの組成比率が０．１よりも大きくなると、成膜時のターゲット放電が不安定になりＢ層１５自体を製造しにくくなるため、あまり好ましくなく、前記ｅの組成比率が０．００５よりも小さいと、イットリウム（Ｙ）添加による耐摩耗性向上の効果を得にくくなるため、あまり好ましくなく、前記ｅの組成比率が０．１よりも大きくなると、成膜時のターゲット放電が不安定になりＢ層１５自体を製造しにくくなるため、あまり好ましくないからである。
　前記Ｂ層１５を、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．０１≦ｄ≦０．１、０．００５≦ｅ≦０．１を満足する組成式：（Ａｌ1-c-d-eＣｒcＳｉdＹe）Ｎで表すことができるとき、前記Ａ層１４は、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．６０、０．０１≦ｂ≦０．１を満足することが好ましい。なぜなら、前記ａの組成比率が０．１５よりも小さいと、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が高くなる程、特に、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が０．７５を超えると、Ａ層１４自体の硬度が低下しやすくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ａの組成比率が０．６０よりも大きくなると、クロム（Ｃｒ）元素比率が高くなる程、Ａ層１４自体の硬度が低下しやすくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ｂの組成比率が０．０１よりも小さいと、ケイ素（Ｓｉ）添加による耐熱性向上の効果を得にくくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ｂの組成比率が０．１よりも大きくなると、Ａ層１４自体を製造しにくくなりやすいため、あまり好ましくないからである。
　また、前記Ａ層１４が（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎからなり、前記Ｂ層が（ＡｌＣｒＹ）Ｎからなる場合、前記Ａ層１４及び前記Ｂ層１５は、厚さがそれぞれ２４０ｎｍ以下（特に、２００ｎｍ以下）であると好ましい。なぜなら、Ａ層１４及びＢ層１５の厚さが２４０ｎｍよりも厚くなると、前記Ａ層１４及び前記Ｂ層１５（単層）での塑性変形性が低下し、交互積層構造より得られる耐剥離性及び耐チッピング性が低くなりやすいため、あまり好ましくないからである。
　前記Ａ層１４が（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎからなり、前記Ｂ層１５が（ＡｌＣｒＳｉＹ）Ｎからなる場合、前記Ａ層１４及び前記Ｂ層１５は、厚さがそれぞれ１５０ｎｍ以下（特に、１００ｎｍ以下）であると好ましい。なぜなら、Ａ層１４及びＢ層１５の厚さが１５０ｎｍよりも厚くなると、前記Ａ層１４及び前記Ｂ層１５（単層）での塑性変形性が低下し、交互積層構造より得られる耐剥離性及び耐チッピング性が低くなりやすいため、あまり好ましくないからである。
　前記Ａ層１４と前記Ｂ層１５は、厚さが同じであると好ましい。なぜなら、前記Ａ層１４と前記Ｂ層１５の厚さが異なると、前記Ａ層１４と前記Ｂ層１５との間での剥離性が高まりやすいため、あまり好ましくないからである。
　前記上部層１３は、厚さが２μｍ～８μｍ（特に、３μｍ～６μｍ）であると好ましい。なぜなら、上部層１３の厚さが８μｍを超えると、高速高送りの切削条件において、特に断続切削加工において、切れ刃部に剥離やチッピングが発生し易くなり、寿命が短くなりやすいため、あまり好ましくなく、上部層１３の厚さが２μｍを下回ると、上部層１３の耐摩耗性を十分に発現することができず、切削性能を長期に亘って確保しにくくなるため、あまり好ましくないからである。
　前記基材１１は、高速度工具鋼または超硬合金からなることが好ましい。なぜなら、前記基材１１が高速度工具鋼または超硬合金からなることにより、高速高送りの切削条件のときに、特に断続切削加工において、下部層１２の剥離やチッピングなどを発生させることなく、優れた耐摩耗性を発揮し、長期に亘って安定した切削性能を示すことができるからである。
　また、上記切削工具としては、切削加工を施す工具であれば、特に限定されるものではないが、ホブやピニオンカッタ等のような歯切り工具や、ブローチであると、非常に好適であり、上記工作機械としては、切削加工を施すものであれば、特に限定されるものではないが、ホブ盤や歯車形削り盤等のような歯切り盤や、ブローチ盤であると、非常に好適である。
［他の実施形態］
　なお、前述した実施形態においては、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１を適用した表面被覆材料１０の場合について説明したが、他の金属材料（例えば、各種の特殊鋼や合金鋼等）からなる基材を適用することも可能である。
　前述した実施形態においては、Ａ層１４とＢ層１５とを交互に１層以上積層してなる上部層１３を備え、Ａ層１４の表面にＢ層１５を設けた表面被覆材料１０の場合について説明したが、Ａ層１４とＢ層１５とを交互に１層以上積層してなる上部層１３を備え、Ｂ層１５の表面にＡ層１４を設けた表面被覆材料とすることも可能である。
　本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械の作用効果を確認するために行った実施例を以下に説明するが、本発明は、各種データに基づいて説明する以下の実施例のみに限定されるものではない。
　［確認試験１］
　本試験において、アークイオンプレーティング装置を用いて高速度工具鋼ＳＫＨ５５を基材とした舞ツール工具（切削工具）の表面に以下の表１に示す表面被覆材料を設けた試験体及び比較体及び参考体を作製した。これら試験体及び比較体及び参考体に対し、下記の切削条件で加工試験を行い、工具の逃げ面摩耗幅を測定した。
　＜切削条件＞
　　被削材種　：ＳＣＭ４１５
　　切削方法　：断続切削
　　切削速度　：２００ｍ／分
　　送り　　　：１．２ｍｍ／刃
　　切込み深さ：１ｍｍ
　　切削油材　：エアーブロー
　　切削長　　：１ｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　上述した表２及び表３に示すように、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ）の窒化物（Ｎ）からなるＡ層と、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），イットリウム（Ｙ）の窒化物（Ｎ）からなるＢ層とが交互に１層以上積層してなる上部層を表面に有し、前記上部層を金属窒化物の表面に設けた表面被覆材料とすることにより、基材１１あるいは上部層１３での耐剥離性及び耐チッピング性を改善することができることが確認された。これにより、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ），イットリウム（Ｙ）を主成分とする複合窒化物である上部層１３が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。
　［確認試験２］
　本試験において、アークイオンプレーティング装置を用いて高速度工具鋼ＳＫＨ５５を基材とした舞ツール工具（切削工具）の表面に以下の表４に示す表面被覆材料を設けた試験体及び比較体及び参考体を作製した。これら試験体及び比較体及び参考体に対し、上記確認試験１と同じ切削条件で加工試験を行い、工具の逃げ面摩耗幅を測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　上述した表５及び表６に示すように、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ）の窒化物（Ｎ）からなるＡ層と、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ），イットリウム（Ｙ）の窒化物（Ｎ）からなるＢ層とが交互に１層以上積層してなる上部層を表面に有し、前記上部層を金属窒化物の表面に設けた表面被覆材料とすることにより、基材１１あるいは上部層１３での耐剥離性及び耐チッピング性を改善することができることが確認された。これにより、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ），イットリウム（Ｙ）を主成分とする複合窒化物である上部層１３が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。
　本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械は、高耐剥離性及び高耐チッピング性を発現することができ、上部層が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
１０　　　　　　表面被覆材料
１１　　　　　　基材
１２　　　　　　下部層
１３　　　　　　上部層
１４　　　　　　Ａ層
１５　　　　　　Ｂ層

Claims (12)

  1. 　アルミニウム，クロム，ケイ素の窒化物からなるＡ層と、アルミニウム，クロム，イットリウムの窒化物からなるＢ層とが交互に１層以上積層してなる上部層を表面に有し、
    　前記上部層が、金属窒化物の表面に設けられている
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  2. 　請求項１に記載された表面被覆材料であって、
    　前記Ａ層は、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．５９、０．０１≦ｂ≦０．１を満足し、
    　前記Ｂ層は、組成式：（Ａｌ1-c-dＣｒcＹd）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．００５≦ｄ≦０．１を満足している
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  3. 　請求項１または請求項２に記載された表面被覆材料であって、
    　前記Ａ層および前記Ｂ層の厚さは、それぞれ２４０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  4. 　請求項１に記載された表面被覆材料であって、
    　前記Ｂ層がさらにケイ素の窒化物を含む
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  5. 　請求項４に記載された表面被覆材料であって、
    　前記Ａ層は、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．６０、０．０１≦ｂ≦０．１を満足し、
    　前記Ｂ層は、組成式：（Ａｌ1-c-d-eＣｒcＳｉdＹe）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．０１≦ｄ≦０．１、０．００５≦ｅ≦０．１を満足している
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  6. 　請求項４または請求項５に記載された表面被覆材料であって、
    　前記Ａ層および前記Ｂ層の厚さは、それぞれ１５０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  7. 　請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載された表面被覆材料であって、
    　前記上部層の厚さが２μｍ以上８μｍ以下である
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  8. 　請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載された表面被覆材料であって、
    　前記金属窒化物が、チタン，アルミニウム，クロム，ジルコニウムのうちの少なくとも一種の窒化物からなる
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  9. 　請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載された表面被覆材料であって、
    　前記金属窒化物が、基材の表面に設けられている
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  10. 　請求項９に記載された表面被覆材料であって、
    　前記基材が、高速度工具鋼または超硬合金からなる
    ことを特徴とする表面被覆材料。
  11. 　請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載された表面被覆材料からなる
    ことを特徴とする切削工具。
  12. 　請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載された表面被覆材料からなる切削工具を備えている
    ことを特徴とする工作機械。
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