JP4072155B2 - 表面被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用または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の切削工具に関し、特にその表面に耐摩耗性を有する被覆膜を形成した切削工具およびその製造方法に関するものである。

最近の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、加工能率を一層向上させるため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、工具刃先温度はますます高温になる傾向である。その結果工具寿命は短くなるので、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。

特に、工具材料の要求特性として、高温での被覆膜の安定性（耐酸化特性や被覆膜の密着性）はもちろんのこと、切削工具寿命に関係する耐摩耗性、すなわち被覆膜の高温における硬度の向上や潤滑油剤に変わる被覆膜の潤滑特性が一段と重要になっている。

ここで、一般的な切削工具の刃先の構造について説明する。図１に切削工具の典型的刃先の断面模式図を示す。図１において、工具１は基材２と基材２の表面上に形成された被覆膜３とを含む。また、刃先は工具のすくい面４と工具の逃げ面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。このような工具刃先に被覆膜を形成すると、被覆膜の膜厚は図に示されるように、すくい面膜厚６、逃げ面膜厚７に比べ、刃先稜線部の膜厚８が最も厚くなる。

さらに、工具刃先での理想的な摩耗進行を図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。工具としての理想的な摩耗は、まず、図２（ａ）のように被覆膜が膜厚８で示した鋭角または直角の部分から除々に摩耗し、やがて図２（ｂ）の様に基材に達したのち、ついには図２（ｃ）の様に被覆膜と基材とが共に露出して摩耗することである。

しかし、発明者らが詳細に工具摩耗部を調査した結果、刃先先端の摩耗は上述の図２のようには進行せず、切削初期に図３のように刃先稜線部分が既に、線Ｘで示すチッピングにより基材まで無くなっており、基材の部分１０が完全に露出、その形態から欠損していることがわかった。また、その欠陥部分の基材１１はすでに酸化しており、いくら膜の耐酸化性や耐摩耗性が良くとも、切削初期に基材が露出してしまっては工具寿命を著しく向上させることは難しいと考えられる。

従って、高速加工やドライ加工といった過酷な条件での切削工具においては、被覆膜の耐酸化性を向上させることはもちろんであるが、切削初期に起こる刃先の欠損やチッピング、すなわち基材の露出をいかに抑制させるかが非常に重要である。

一方、下記非特許文献１には、耐摩耗性および表面保護機能改善のため、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の切削工具や耐摩耗性工具等の硬質基材の表面には、硬質被覆層としてＴｉＡｌの窒化物を単層または複数層形成することが開示されている。

しかし、最近の高速加工およびドライ加工では、工具の刃先温度が９００℃以上に達するため、ＴｉＡｌＮ被膜では十分な工具寿命が得られないのが現状である。

また、下記特許文献１および下記特許文献２には、耐熱性向上のため、Ｓｉを適量含有したＴｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物と、ＴｉおよびＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒化物の積層被膜とが、切削工具に適用されることが開示されている。ＴｉＳｉ系被膜は最表面にＳｉを含有する緻密な酸化保護膜が形成され、ＴｉＡｌ系被膜より耐熱性が優れる。

しかしながら、ＴｉＳｉ系被膜自身は脆性が高いため、切削時の衝撃で被膜全体が破壊または剥離することが問題であった。当該特許文献に記載の発明においては、基材と被膜の密着性を向上させるため、基材直上にはＴｉＮやＴｉＡｌを主成分とする被膜を形成しているが、切削が進行するにつれ被膜が摩耗し、ＴｉＮやＴｉＡｌを主成分とする被膜が表面に露出すると、酸化の進行が速くなり、基材内部まで酸化して工具寿命に至り、問題であった。

さらに、下記特許文献３には、ＴｉＳｉの窒化物を基材直上に配しているが、当該文献３に開示される成膜条件では膜中の圧縮応力が非常に高く、基材との圧力差による被膜の密着強度が極端に低下することが問題であった。
特許第３３４７６８７号公報 特許第３２４８８９７号公報 特許第３４８００８６号公報 神戸製鋼技報Ｖｏ．４１ Ｎｏ．３（１９９１）第１０頁

本発明は上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、基材直上に従来より密着性の高いＴｉＳｉ系被膜を形成するとともに、被膜の積層を特定の構造とすることにより被覆膜に潤滑性機能を付与し、これにより、高速、ドライ加工時の工具刃先温度を低下させることができ、あわせて更なる長寿命が達成可能な表面被覆切削工具およびその製造方法を提供することにある。

本発明の１つの局面によれば、基材と、基材の表面上に積層形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具であって、被覆膜は、基材直上に形成されるＴｉ_ａＳｉ_ｂ（ただし、０．１＜ｂ＜０．３，ａ＋ｂ＝１）の窒化物からなるＡ層と、Ａｌ_ｃＴｉ_ｄＭ_ｅ（ただし、０．４＜ｃ＜０．７５、０＜ｅ＜０．３、ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）（ＭはＳｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎからなる群より選択される元素の一種以上）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒化物からなるＢ層と、Ｔｉ_ｆＳｉ_ｇ（ただし、０＜ｇ＜０．３、ｆ＋ｇ＝１）の炭窒化物からなるＣ層とからなり、Ｂ層およびＣ層はＡ層上で交互に積層され、かつ、Ｂ層およびＣ層のうちいずれか一方は少なくとも１層以上積層され、他方は少なくとも２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が提供される。

好ましくは、被覆膜は、その全体の膜厚が０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲内である。

好ましくは、被覆膜は、Ａ層の膜厚が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下の範囲内である。

好ましくは、被覆膜は、Ｂ層およびＣ層の膜厚がそれぞれ独立して０．０５μｍ以上６μｍ以下の範囲内である。

好ましくは、被覆膜は、その最上層がＢ層である。

好ましくは、被覆膜は、その最上層がＣ層である。

好ましくは、基材が、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、酸化アルミニウムおよび炭化チタンからなる群より選択されるいずれかの材料を１つ以上用いてなる基材である。

本発明の別の局面によれば、基材と、基材の表面上に積層形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具の製造方法であって、基材直上に、Ｔｉ_ａＳｉ_ｂ（ただし、０．１＜ｂ＜０．３，ａ＋ｂ＝１）の窒化物からなるＡ層を形成する工程と、Ａｌ_ｃＴｉ_ｄＭ_ｅ（ただし、０．４＜ｃ＜０．７５、０＜ｅ＜０．３、ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）（ＭはＳｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎからなる群より選択される元素の一種以上）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒化物からなるＢ層と、Ｔｉ_ｆＳｉ_ｇ（ただし、０＜ｇ＜０．３、ｆ＋ｇ＝１）の炭窒化物からなるＣ層とを、交互に積層する工程と、を包含する表面被覆切削工具の製造方法が提供される。

好ましくは、交互に積層する工程は、Ａ層上にＢ層を積層形成する工程を含む。

好ましくは、交互に積層する工程は、Ａ層上にＣ層を積層形成する工程を含む。

好ましくは、交互に積層する工程は、Ｂ層およびＣ層のそれぞれの層を１層以上形成する。

好ましくは、交互に積層する工程は、被覆膜の最上層がＢ層となるように積層形成する工程を含む。

好ましくは、交互に積層する工程は、被覆膜の最上層がＣ層を積層形成する工程を含む。

好ましくは、Ａ層を積層形成する工程は、物理的蒸着法を用いて行われ、その際、バイアス電圧が１５〜２５Ｖの範囲内であり、窒素ガスの圧力が３〜６Ｐａの範囲内であり、基材温度が４５０℃以上に設定される。

好ましくは、交互に積層形成する工程は、Ｃ層を積層形成する際に物理的蒸着法を用い、その際、バイアス電圧を２００Ｖ以上に設定する。

本発明の表面被覆切削工具によれば、被覆膜に特定の構造を付与することにより、耐摩耗性、耐酸化性、耐熱性を向上することができ、もって切削工具の寿命を向上させることができる。

本発明について図４を用いて説明する。図４に示すように、本発明の表面被覆切削工具１は、基材２と、基材の表面上に積層形成された被覆膜とを備える。被覆膜は、基材直上に形成されるＴｉ_ａＳｉ_ｂ（ただし、０＜ｂ＜０．３，ａ＋ｂ＝１）の窒化物からなるＡ層１２と、Ａｌ_ｃＴｉ_ｄＭ_ｅ（ただし、０．４＜ｃ＜０．７５、０＜ｅ＜０．３、ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）（ＭはＳｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎからなる群より選択される元素の一種以上）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒化物からなるＢ層と、Ｔｉ_ｆＳｉ_ｇ（ただし、０＜ｇ＜０．３、ｆ＋ｇ＝１）の炭窒化物からなるＣ層とからなり、Ｂ層およびＣ層はＡ層上で交互に積層された交互の層１３であり、かつ、Ｂ層およびＣ層のうちいずれか一方は少なくとも１層以上積層され、他方は少なくとも２層以上積層されていることを特徴とする。

図５は、図４の線Ｖ−Ｖで切断したときの概略断面図である。図５からわかるように、本発明の表面被覆切削工具１は、交互の層１３において、Ｂ層とＣ層とが交互に積層されている。ここで、図５に示す交互の層１３における積層数は一例であって、これに限定されることを意図しない。

このように、本発明の表面被覆切削工具１は、基材２とＴｉ_ａＳｉ_ｂ（ただし、０＜ｂ＜０．３，ａ＋ｂ＝１）の窒化物からなるＡ層１２との密着性を従来よりも強固にし、さらに、当該Ａ層上に、Ａｌ_ｃＴｉ_ｄＭ_ｅ（ただし、０．４＜ｃ＜０．７５、０＜ｅ＜０．３、ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）（ＭはＳｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎからなる群より選択される元素の一種以上）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒化物からなるＢ層と、Ｔｉ_ｆＳｉ_ｇ（ただし、０＜ｇ＜０．３、ｆ＋ｇ＝１）の炭窒化物であるＣ層とを交互に積層して交互の層１３とすることで当該交互のＢ層およびＣ層の交互の層全体に優れた潤滑性を付与することができる。その結果、このような被覆膜の構成にすることにより、被覆膜全体として優れた耐摩耗性、耐酸化性、耐熱性を達成でき、したがって、切削工具としての寿命を向上させることができるものである。

（被覆膜）
本発明の表面被覆切削工具において、被覆膜中、Ｔｉ_ａＳｉ_ｂ（ただし、０＜ｂ＜０．３，ａ＋ｂ＝１）の窒化物からなるＡ層が基材直上に形成される。当該Ａ層は、耐酸化性に優れており、被覆膜の摩耗が進行しても、基材の酸化を保護することができる。

本発明において、当該Ａ層は従来の同一組成の膜に比べて基材との密着性を大幅に向上させていることに特徴を有する。すなわち、従来より、当該膜は一般にアークイオンプレーティング法などの物理的蒸着法により成膜しているが、ＴｉＳｉＮは圧縮残留応力が高く、基材との応力差が大きいため剥離しやすい。

本発明者らは、物理的蒸着法において、基材に印加するバイアス電圧を０〜３０Ｖの範囲内に設定し、窒素ガスの圧力を３〜６Ｐａの範囲内に設定し、基材温度を４５０℃以上に設定することにより、ＴｉＳｉＮの応力が低減され、よって基材との密着性が大幅に改善されることを見いだした。

上記の条件は当該分野において従来では想到し難い値であり、すなわち、本発明において、上記条件は従来に比して、バイアス電圧が非常に低く、窒素ガス圧力が非常に高く、基材温度も比較的高く設定されている。

すなわち、従来の技術常識では、成膜の際、本発明に規定するように、バイアス電圧を低く設定すると、被覆膜中の圧縮応力が低すぎ、被覆膜の強度が極端に低下するという問題のおそれがあり、窒素ガス圧を高くすると、真空ポンプの排気能力が不十分で炉内圧力が不安定になるという問題のおそれがあり、基材温度を高くすると、被覆膜中の圧縮応力が開放されて膜強度が低下するという問題のおそれがあった。この点で、本発明において、このような条件に設定したことは、当業者が容易に想定できる技術的設計事項の範囲からかけはなれたものといえる。

より好ましくは、基材に印加するバイアス電圧は、１５〜２５Ｖの範囲内であり、窒素ガスの圧力は、４〜５Ｐａの範囲内であり、基材温度は、５００℃以上である。

本発明において、Ａ層は、Ｔｉ_ａＳｉ_ｂ（ただし、０＜ｂ＜０．３，ａ＋ｂ＝１）の窒化物の組成を有する。Ａ層中にＴｉＳｉの組成とすることで、高硬度かつ高耐熱性に優れる。また、これを窒化物とすることで、基材との密着性に優れた膜とすることができる。

本発明において、上記Ａ層の組成：Ｔｉ_ａＳｉ_ｂ（ただし、０＜ｂ＜０．３，ａ＋ｂ＝１）において、０＜ｂ＜０．３としている。Ｓｉが３０原子％以上であると、Ａ層の靭性が低下するため好ましくない。より好ましくは、０．１＜ｂ＜０．２５である。なお、ａ，ｂは、Ｔｉ元素とＳｉ元素との原子組成比を示す。

本発明において、Ａ層の膜厚は、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。０．０５μｍ未満であると、耐熱性の効果が低減され、また、１．０μｍを超えると被膜自身の脆性が高いため切削時の衝撃で破壊してしまうおそれがある。より好ましくは、０．１μｍ以上０．３μｍ以下である。

本発明において、上記Ａ層上には、Ｂ層とＣ層とが交互に積層された膜が形成される。この交互の層のうちＢ層について説明する。

本発明において、Ｂ層は、Ａｌ_ｃＴｉ_ｄＭ_ｅ（ただし、０．４＜ｃ＜０．７５、０＜ｅ＜０．３、ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）（ＭはＳｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎからなる群より選択される元素の一種以上）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒化物からなる。ＡｌＴｉの組成を有することにより、耐摩耗性と靭性とをバランスよく達成することができる。また、当該Ｂ層には、金属元素Ｍとして、Ｓｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎからなる群より選択される元素の一種以上を含むことにより、さらに硬度が向上する。

本発明におけるＢ層中のＭは、Ｓｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎの元素を用いることができるが、これらの元素は、ＡｌＴｉの窒化物、炭窒化物において固溶元素として働き、結晶をゆがませるという共通の特徴を有するので、いずれの元素を用いても、硬度を向上する効果を発揮することができる。特に、ＳｉまたはＣｒは、耐熱性向上の観点から好ましい元素である。

本発明におけるＢ層において、Ａｌ_ｃＴｉ_ｄＭ_ｅは、０．４＜ｃ＜０．７５、０＜ｅ＜０．３、ｃ＋ｄ＋ｅ＝１の組成比を有する。Ａｌが４０原子％以下であると、耐熱性が低下するという問題が生じるおそれがあり、７５原子％を超えると、被覆膜の強度が低下するという問題が生じるおそれがある。より好ましくは、０．４５＜ｃ＜０．６５である。なお、ｃ，ｄ，ｅは、Ａｌ、ＴｉおよびＭの原子の組成比を示す。

また、本発明にけるＢ層において、上記に規定したＭは、組成比が３０原子％を超えると、Ｂ層の靭性が低下するため好ましくない。より好ましくは、０．０３＜ｅ＜０．１である。

また、当該Ｂ層の膜厚は、０．０５μｍ〜６μｍの範囲内であることが好ましい。０．０５μｍ未満であると、成膜時のガス種の切り替え、バイアス電圧の制御などの安定した成膜が難しいため、成膜が困難であり、また、６μｍを超えると、Ｂ層とＣ層とを交互に積層する後述のメリットが失われてしまう可能性があるため好ましくない。より好ましくは、２μｍ〜４μｍの範囲内である。

次に、上記Ｂ層とＣ層との交互の層のうち、Ｃ層について説明する。本発明におけるＣ層は、Ｔｉ_ｆＳｉ_ｇ（ただし、０＜ｇ＜０．３、ｆ＋ｇ＝１）の炭窒化物である。このような組成を有するＣ層は、ＴｉＳｉの組成により優れた耐熱性および潤滑性を発揮し、また、炭窒化物とすることにより、当該被膜中に炭素が分散する構造となるため、窒化物に比べて摩擦係数が低く、潤滑性をさらに向上することができる。

本発明におけるＣ層において、Ｓｉが３０原子％以上であると、被覆膜の強度が低下するという問題を生じるおそれがあり問題である。より好ましくは、０．１＜ｇ＜０．２５である。

本発明におけるＣ層は、物理的蒸着法、具体的にはアークイオンプレーティング法を用いて成膜することができるが、従来ではバイアス電源を３０〜１００Ｖ程度としていたため、反応ガスであるメタンやアセチレンガスが十分分解されず、緻密なＴｉＳｉの炭窒化物が得られていないのが現状であった。このような膜は部分的に炭素が析出した構造となり、耐熱性および強度が低下してしまう。

本発明においては、当該Ｃ層の成膜条件として、バイアス電圧を２００Ｖ以上という従来に比して非常に高い値に設定することで、耐熱性および潤滑性の両者において優れ、かつ緻密なＴｉＳｉの炭窒化物を成膜することが可能となった。このような高いバイアス電圧に設定することは、バイアス電圧を高くすると、成膜速度が著しく低下するという問題が発生するおそれがあるという従来の技術常識から考えて、極めて画期的であるといえる。

上述のようにして、本発明による当該Ｃ層に優れた潤滑性および耐熱性を付与することにより、工具の刃先温度を低下させて、被覆膜全体としての酸化を防止することができ、あわせて、被削材が切れ刃に溶着することを抑制し、加工面の粗さも向上する。

また、当該Ｃ層の膜厚は、０．０５μｍ〜６μｍの範囲内であることが好ましい。０．０５μｍ未満であると、成膜時のガス種の切り替え、バイアス電圧の制御などの安定した成膜が難しいため、成膜が困難であり、また、６μｍを超えると、Ｂ層とＣ層とを交互に積層するメリットが失われてしまう可能性があるため好ましくない。より好ましくは、１．０μｍ〜３．０μｍの範囲内である。

本発明において、上記に説明したＢ層およびＣ層は交互に積層される。ここで、交互に積層とは、基材表面に直交する方向において、Ｂ層とＣ層とが順次入れ替わり積層されている態様をいう。すなわち、上記直交する方向において、Ｂ層、Ｃ層、Ｂ層、Ｃ層・・・の順番や、Ｃ層、Ｂ層、Ｃ層、Ｂ層・・・の順番で積層されていることをいう。ここで、Ａ層の直上に形成される層は、Ｂ層およびＣ層のいずれであってもよいが、Ａ層の直上に形成される層は少なくとも２層以上形成され、他方の層は少なくとも１層以上形成される。Ｂ層とＣ層とを交互に積層するメリットを得るためである。

たとえば、Ａ層の直上にＢ層が積層される場合には、Ｂ層は２層以上積層され、Ｃ層は一層以上積層され、これらＢ層およびＣ層が交互に積層されていることになる。ここで、Ｂ層とＣ層との積層数は、Ｂ層がＣ層よりも１層多いかまたは同一である。ここではＢ層をＡ層直上の層として形成した場合について説明したが、Ｃ層をＡ層直上の層とした場合にも全く同様のことがいえる。

本発明において、上記のようにＢ層とＣ層とを交互に積層することにより、高速加工やドライ加工において工具の性能を向上させることができる。具体的には、単層構造の場合は、切削時に発生する衝撃によって被覆膜全体が破壊したり、剥離したりすることがあり、極端に工具寿命が低下する問題があるが、上記のように交互に積層する構造とすることにより、切削時の衝撃による被覆膜の破壊が、それぞれの層間、すなわち、Ｂ層とＣ層との間またはＣ層とＢ層との間で抑えられるので、被覆膜の破壊単位が小さくなるというメリットがある。また、当該交互に積層する構造とすることにより、Ｂ層とＣ層との格子定数の違いから、それぞれの結晶に歪みが発生し、硬度が上昇する効果も得ることができる。

本発明において、被覆膜の全体の膜厚は、０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。０．５μｍ未満であると、耐摩耗性が低減するおそれがあり、１０μｍを超えると被覆膜の靭性が低下するおそれがある。より好ましくは、２．５μｍ以上６．０μｍ以下である。

本発明において、上述した各層の膜厚および被覆膜全体の膜厚の測定法としては、工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察して求めることができる。

本発明において、被覆膜の最上層は、Ｂ層またはＣ層のいずれかとすることができる。Ｂ層を最上層とした場合には、黒色を呈し、Ｃ層を最上層とした場合には、紫色を呈するので、工具としての外観に意匠性を付与することができ、商業上有用である。

本発明において、被覆膜を基材の表面に被覆するためには、結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスにより作製されることが不可欠である。そこで、種々の成膜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。当該物理的蒸着法には、バランストおよびアンバランストマグネトロンスパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、特に、原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティングが一番適している。このカソードアークイオンプレーティングを用いると、被覆膜を形成する前に、基材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、基材と被覆膜との密着性が格段によくなるので、密着性という意味からも好ましいプロセスである。

（基材）
本発明における基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、酸化アルミニウムおよび炭化チタンからなる群より選択されるいずれかの材料を１つ以上用いてなる基材である。

特に、表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用または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が好ましい。

本実施例により本発明の表面被覆切削工具についてより詳細に説明し、さらに、当該工具の耐摩耗性等の特性がいかに改善されるかを具体的に説明する。実施例において、被覆膜中の組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）を用いて測定し、被覆膜の硬度はナノインデンター（ＭＴＳ社製Ｎａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ ＸＰ）により確認した。また、被覆膜における膜厚は、上述のとおり、ＳＥＭを用いて測定した。

なお、本実施例においては、工具の被覆膜の形成は、カソードアークイオンプレーティング法を用いて行なっているが、これ以外、例えばバランストまたはアンバランストスパッタリング法によっても成膜することは可能である。

＜表面被覆切削工具の作製＞
（１）基材の洗浄
基材として、グレードがＪＩＳ規格Ｋ１０の超硬合金製エンドミル（φ１０、６枚刃）、グレードがＪＩＳ規格Ｋ３０の超硬合金製ドリル（φ８）、グレードがＪＩＳ規格Ｐ３０の超硬合金フライス用スローアウェイチップ（形状：ＳＤＫＮ４２）を用意し、これを図６に示すようなカソードアークイオンプレーティング装置に装着した。

図６および図７の装置において、チャンバ１０１内に、被覆膜を構成するＡ層用、Ｂ層用およびＣ層用のアーク式蒸発源１０６，１０７，１１１、および基材を設置するための回転式基材ホルダ１０４が取り付けられている。カソード１０６，１０７は、それぞれアーク電源１０８，１０９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、反応ガス１０５が投入される口が設けられ、また、チャンバ１０１内の圧力を調節するための口１０３から真空ポンプによりガスを吸引できる構造となっている。

図６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、基材を回転させながら装置内に設置されたヒーターにより温度を５００℃に加熱し、チャンバ内の圧力が１．０×１０^−４Ｐａとなるまで真空引きを行なった。次に、アルゴンガスを導入してチャンバ１０１内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス電源１１０の電圧を徐々に上げながら、−１０００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。

（２）被覆膜の成膜
次いで、金属蒸発源であるターゲットとして、Ｔｉ_ａＳｉ_ｂ、Ａｌ_ｃＴｉ_ｄＭ_ｅ（該ＭはＳｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎからなる群より選択される元素の一種以上）、およびＴｉ_ｆＳｉ_ｇを設置した。なお、当該Ｍは目的とする組成に応じて上記の中から適宜選択したものを用いた。また、組成比を示すａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇの値は、下記の表１および表２中に示している。

基材１０２を中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素ガスを導入させながら、基板温度５００℃、反応ガス圧５Ｐａ、基板バイアス電圧を−２０Ｖに維持したまま、アーク式蒸発源である１０６，１０７，１１１のいずれかにセットされたＴｉＳｉターゲットから金属イオンを発生させＡ層を形成した。

次に、Ｂ層およびＣ層の交互の層を成膜した。まずＢ層を積層形成するために、チャンバ内の圧力が２．６ＰａになるようにＮ_２ガスを導入し、基板温度５００℃、基材バイアス電圧を−７０Ｖに設定した。そして、ＡｌＴｉＭターゲットをアーク式蒸発源である１０６，１０７，１１１のいずれかにおいてアーク放電によりイオン化し、Ｎ_２ガスと反応させて（ＡｌＴｉＭ）Ｎを積層した。

次いで、Ｃ層を積層形成するために、チャンバ内の圧力を２．６ＰａになるようにＮ_２ガスおよびＣＨ_４ガスを導入し、基板温度５００℃、基材バイアス電圧を−２００Ｖとした。アーク式蒸発源である１０６，１０７，１１１のいずれかにセットされたＴｉＳｉターゲットをアーク放電によりイオン化し、Ｎ_２ガスおよびＣＨ_４ガスと反応させてＴｉＳｉＣＮ膜を成膜した。

このようにして、Ｂ層およびＣ層を交互に１層以上積層した。なお、Ａ層の直上の層はＢ層であってもＣ層であってもどちらでもよい。すなわち、Ａ層の直上にＢ層を先に積層形成するかまたはＣ層を先に積層形成するかは任意である。また、成膜時間を制御することにより、Ａ，Ｂ，Ｃ各層の膜厚を制御することができる。

このようにして形成した本発明に従う被覆膜について表１に示し、あわせて従来の切削工具については表２に示す。

下記表１および表２に示す表面被覆切削工具のそれぞれについて、次に示す試験を行い評価した。

＜エンドミル切削試験＞
エンドミル切削試験は、基材として６枚刃、外径１０ｍｍの超硬合金製エンドミルを用い、被削材はＳＫＤ６１（ＨＲＣ５３）、側面切削をダウンカットで切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．０２５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、切り込み量：Ａｄ＝１０ｍｍ、Ｒｄ＝０．６ｍｍ、エアーブローで行った。工具の寿命は切れ刃外周の摩耗幅が０．１ｍｍを超えた時点での切削距離とした。当該試験においては、距離が長いほうが寿命が長いことを示す。

＜ドリル切削試験＞
ドリル切削試験は、基材として外径８ｍｍの超硬合金製ドリルを用い、被削材をＳ５０Ｃとしてこれに穴加工を行い、切削速度：７０ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、穴深さ：３０ｍｍの貫通穴、切削油なしの条件で行った。工具寿命は先端マージン部の摩耗幅が０．２ｍｍを超えた時点での加工穴数とした。当該試験においては、穴数が多いほうが工具の寿命が長いことを示す。

＜フライス切削試験＞
フライス切削条件は、基材としてＰ３０相当超硬合金製スローアウェイチップ（形状：ＳＤＫＮ４２）のものを用い、直系１６０ｍｍの正面フライスを行った。被削材をＳＣＭ４３５とし、切削速度：２５０ｍｍ／ｍｉｎ、送り量：０．３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、切り込み量：２ｍｍ、切削油なしの条件で行った。工具寿命は、逃げ面の摩耗幅が０．２ｍｍを超えた時点での切削距離とした。当該試験において、距離が長いほうが工具の寿命が長いことを示す。

表１および表２の結果より、本発明に従う表面被覆切削工具は、従来の切削工具と比べて、工具寿命が著しく向上しており、高速加工およびドライ加工等の厳しい切削条件においても十分な性能を発揮することができる。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

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特許請求の範囲によって示され、特許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。

従来の切削工具の刃先稜線部分の模式図である。 切削工具の摩耗の理想的な進行について示す模式図である。 従来の切削工具において生じるチッピングの例を示す模式図である。 本発明の表面被覆切削工具の刃先部分の模式図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿って切断した断面図である。 アークイオンプレーティング法に用いる装置の例を示す概略断面図である。 図６の装置の概略上面図である。

符号の説明

１ 工具、２ 基材、３ 被覆膜、４ 工具すくい面、５ 工具にげ面、６ すくい面の膜厚、７ 逃げ面の膜厚、８ 稜線部の膜厚、１０ 基材の露出部分、１１ 基材の酸化部分、１２ Ａ層、１３ Ｂ層とＣ層との交互の層、１０１ チャンバ、１０２ 基材、１０３ 口、１０４ 回転式基材ホルダ、１０５ 反応ガス、１０６，１０７，１１１ アーク式蒸発源、１０８，１０９ アーク電源、１１０ バイアス電源。

Claims (15)

1. 基材と、該基材の表面上に積層形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被覆膜は、基材直上に形成されるＴｉ_ａＳｉ_ｂ（ただし、０．１＜ｂ＜０．３，ａ＋ｂ＝１）の窒化物からなるＡ層と、Ａｌ_ｃＴｉ_ｄＭ_ｅ（ただし、０．４＜ｃ＜０．７５、０＜ｅ＜０．３、ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）（該ＭはＳｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎからなる群より選択される元素の一種以上）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒化物からなるＢ層と、Ｔｉ_ｆＳｉ_ｇ（ただし、０＜ｇ＜０．３、ｆ＋ｇ＝１）の炭窒化物からなるＣ層とからなり、
   前記Ｂ層および前記Ｃ層は前記Ａ層上で交互に積層され、かつ、該Ｂ層および該Ｃ層のうちいずれか一方は少なくとも１層以上積層され、他方は少なくとも２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。
2. 前記被覆膜は、その全体の膜厚が０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲内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。
3. 前記被覆膜は、前記Ａ層の膜厚が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする、請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記被覆膜は、前記Ｂ層および前記Ｃ層の膜厚がそれぞれ独立して０．０５μｍ以上６μｍ以下の範囲内であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 前記被覆膜は、その最上層がＢ層であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
6. 前記被覆膜は、その最上層がＣ層であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
7. 前記基材が、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、酸化アルミニウムおよび炭化チタンからなる群より選択されるいずれかの材料を１つ以上用いてなる基材であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
8. 基材と、該基材の表面上に積層形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具の製造方法であって、
   基材直上に、Ｔｉ_ａＳｉ_ｂ（ただし、０．１＜ｂ＜０．３，ａ＋ｂ＝１）の窒化物からなるＡ層を形成する工程と、
   Ａｌ_ｃＴｉ_ｄＭ_ｅ（ただし、０．４＜ｃ＜０．７５、０＜ｅ＜０．３、ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）（該ＭはＳｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｂ，Ｚｎ，ＭｏおよびＭｎからなる群より選択される元素の一種以上）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒化物からなるＢ層と、Ｔｉ_ｆＳｉ_ｇ（ただし、０＜ｇ＜０．３、ｆ＋ｇ＝１）の炭窒化物からなるＣ層とを、交互に積層する工程と、
   を包含する、表面被覆切削工具の製造方法。
9. 前記交互に積層する工程は、前記Ａ層上にＢ層を積層形成する工程を含むことを特徴とする、請求項８に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
10. 前記交互に積層する工程は、前記Ａ層上にＣ層を積層形成する工程を含むことを特徴とする、請求項８に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
11. 前記交互に積層する工程は、前記Ｂ層および前記Ｃ層のそれぞれの層を１層以上形成することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。
12. 前記交互に積層する工程は、前記被覆膜の最上層がＢ層となるように積層形成する工程を含むことを特徴とする、請求項８〜１１のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
13. 前記交互に積層する工程は、前記被覆膜の最上層がＣ層を積層形成する工程を含むことを特徴とする、請求項８〜１１のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
14. 前記Ａ層を積層形成する工程は、物理的蒸着法を用いて行われ、その際、バイアス電圧が１５〜２５Ｖの範囲内であり、窒素ガスの圧力が３〜６Ｐａの範囲内であり、基材温度が４５０℃以上に設定されることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。
15. 前記交互に積層形成する工程は、前記Ｃ層を積層形成する際に物理的蒸着法を用い、その際、バイアス電圧を２００Ｖ以上に設定することを特徴とする、請求項８〜１４のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。

Images