JP2004345059A

JP2004345059A - 表面被覆切削工具

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Publication number: JP2004345059A
Application number: JP2003147041A
Authority: JP
Inventors: Haruyo Fukui; 治世福井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: JP4185402B2

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れると共に、潤滑性にも優れる被覆膜を具える表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】基材表面に被覆膜を具える表面被覆切削工具であって、前記被覆膜には、（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｍ）_ｚの窒化物、炭窒化物、窒酸化物及び炭窒酸化物から選択される化合物層を具える。前記Ｍは、Ｍは、ＣａＳ、ＭｎＳ、ＣａＦ_２、及びＢａＦ_２より選択される少なくとも１種とする。また、０≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．４、０．０１≦ｚ≦０．２、１−ｘ−ｙ−ｚ≠０とする。ＡｌＴｉＳｉ系やＴｉＳｉ系などの被覆膜中にＣａＳ、ＭｎＳ、ＣａＦ_２やＢａＦ_２を含有することで、工具表面での潤滑性能が向上し、切削性能が向上する。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材表面に被覆膜を具える切削工具に関する。特に、耐摩耗性に優れると共に、潤滑性を向上することができる表面被覆切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、切削工具や耐摩耗工具などでは、耐摩耗性や表面保護機能の改善のために、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、その他の硬質材料などからなる基材表面に、ＡｌＴｉの窒化物や炭窒化物からなる被覆膜を１層以上形成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、以下に示す最近の動向から、切削の際、工具の刃先温度はますます高温になる傾向にあり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。例えば、
▲１▼地球環境保全の観点から潤滑油剤（切削油剤）を用いない乾式（ドライ）加工が求められている、
▲２▼被加工材（被削材）が多様化している、
▲３▼加工能率を一層向上させるために切削速度が高速になってきている、などが挙げられる。
【０００４】
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（耐酸化特性や基材に対する密着性）はもちろんのこと、工具寿命に関係する耐摩耗性、即ち、高温における被覆膜の硬度の向上が一段と重要となっている。
【０００５】
そこで、特許文献２では、ＡｌＴｉＳｉ系の被覆膜を提案しており、Ｓｉの含有により、高温時に起こるＴｉの酸化を抑制したり、Ａｌの酸化物からなる保護膜を緻密化して、耐摩耗性を向上することが開示されている。また、特許文献３では、ＴｉＳｉ系の被覆膜を具えることで、高速連続切削において耐摩耗性に優れることが開示されている。その他、特許文献４では、基材上にＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮを被覆し、更にその上にダイヤモンドライクカーボンを被覆することで、安定した耐久性が得られることが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特公平５−６７７０５号公報
【特許文献２】
特許第２７９３７７３号公報
【特許文献３】
特開平８−１１８１０６号公報
【特許文献４】
特許第３３７２４９３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術では、耐摩耗性の向上を主に考慮しており、潤滑性について十分な検討がされていない。切削過程において完全に潤滑油剤を使わない乾式加工を行うには、上記高温での被覆膜の安定性や高温における被覆膜の硬度の向上だけでは不十分である。特に、特許文献４に開示されるダイヤモンドライクカーボンは、耐酸化特性が悪く、４００℃を越える切削加工では、優れた耐酸化特性の効果が得られにくい。
【０００８】
従って、潤滑油剤に替わり被覆膜の表面の潤滑性能を向上させることが一段と必要となってきている。被覆膜の潤滑性能が向上すれば、工具と被加工材との界面の温度が低下すると共に、擦過距離も小さくなるため切り屑の排出性をも向上させることができるので、乾式加工が可能となる。
【０００９】
そこで、本発明は、耐摩耗性に優れると共に、潤滑性にも優れる被覆膜を具える表面被覆切削工具を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基材に特定の被覆膜、具体的には、ＳやＦの化合物を含む膜を設けることで上記目的を達成する。
【００１１】
即ち、本発明は、基材表面に被覆膜を具える表面被覆切削工具であって、前記被覆膜には、（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｍ）_ｚの窒化物、炭窒化物、窒酸化物及び炭窒酸化物から選択される化合物層を具える。前記Ｍは、ＣａＳ、ＭｎＳ、ＣａＦ_２及びＢａＦ_２より選択される少なくとも１種とし、０≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．４、０．０１≦ｚ≦０．２、１−ｘ−ｙ−ｚ≠０とする。
【００１２】
発明者が種々検討した結果、ＡｌＴｉＳｉ系やＴｉＳｉ系などの被覆膜中にＣａＳやＭｎＳといった硫化物、ＣａＦ_２やＢａＦ_２といったフッ化物が存在すると、工具表面での潤滑性能が向上し、結果として切削性能が向上するという知見を得た。即ち、優れた耐摩耗性を実現すると共に、潤滑性を向上させるためには、上記硫化物やフッ化物が必要であるとの知見に基づき、本発明を規定するものである。以下、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
本発明において基材上に形成する（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｍ）_ｚの窒化物、炭窒化物、窒酸化物及び炭窒酸化物から選択される化合物層（以下、単に化合物層と呼ぶ）が、ＳやＦの化合物を含まない従来のＡｌＴｉＳｉ系、ＴｉＳｉ系の被覆膜よりも優れた耐摩耗性を示す理由は十分に解明されている訳ではない。しかし、（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）膜中にＣａＳ、ＭｎＳ、ＣａＦ_２、及びＢａＦ_２の少なくとも１種を含有すると、切削時、切削加工に伴って被覆膜表面に種々の酸化物が生成されることが影響していると考えられる。本発明の場合、上記酸化物としては、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｎＯなどが挙げられる。そして、これらの酸化物は、切削加工中に工具表面にベラーグと呼ばれる付着層を形成し、この付着層が工具表面を保護すると共に、工具表面の潤滑性を向上させると考えられる。また、ＣａＦ_２やＢａＦ_２は、それ自身でも、５００〜９５０℃の範囲において摩擦係数が低いことから、これらが（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）膜中に分散していると、被覆膜表面の摩擦係数を低下させることができると考えられる。
そのため、本発明は、切削の際に生成される上記酸化物の表面保護により、優れた耐摩耗性を発揮すると共に、同酸化物により潤滑性が向上されることで、潤滑油剤を用いない乾式加工であっても、工具寿命を著しく向上できる。
【００１４】
上記化合物層中において、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉの少なくとも１種は、膜構成元素として不可欠である。本発明では、少なくともＴｉを含有するものとし、Ｔｉの含有量（原子比）を後述するＡｌ、Ｓｉ、及び化合物Ｍの原子比ｘ、ｙ、ｚにより規定する。具体的には、１−ｘ−ｙ−ｚ＝０となる場合を除く。Ａｌを含有すると、耐酸化特性が向上するため好ましいが、多過ぎると、膜の硬度が低下するため、逆に摩耗が促進される恐れがある。そこで、本発明では、Ａｌの含有量（原子比）ｘを０≦ｘ≦０．６と規定する。
より好ましくは、０．４５≦ｘ≦０．５５である。Ｓｉを含有すると、膜の硬度が向上するため好ましいが、多過ぎると、膜が脆くなり、逆に摩耗が促進される恐れがある。また、膜を形成する原料となる合金ターゲットを熱間静水圧加圧処理で作製する場合、ｙを０．４超としてＳｉを含有させると、合金ターゲットが作製中に割れることがあり、膜の成形（コーティング）に使用可能な材料強度が得られない恐れがある。そこで、本発明では、Ｓｉの含有量（原子比）ｙを０≦ｙ≦０．４と規定する。より好ましくは、０．０５≦ｙ≦０．１５である。
【００１５】
上記化合物層中において化合物Ｍは、膜構成元素として不可欠である。化合物Ｍは、ＣａＳ、ＭｎＳ、ＣａＦ_２、及びＢａＦ_２より選択される少なくとも１種とする。（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）膜中に化合物Ｍを含有すると、切削加工中に工具表面にベラーグが形成されて工具表面の保護、及び工具表面の潤滑性を向上できるため好ましいが、多過ぎると、膜の硬度が低下して、逆に摩耗が促進される恐れがある。そこで、本発明では、化合物Ｍの含有量（原子比）ｚを０．０１≦ｚ≦０．２に規定する。より好ましくは、０．０５≦ｚ≦０．１５である。化合物Ｍは、単一種でもよいし、複数種でもよい。従って、硫化物ＣａＳ、ＭｎＳから少なくとも１種としてもよいし、フッ化物ＣａＦ_２、ＢａＦ_２から少なくとも１種としてもよいし、硫化物とフッ化物の双方を含む、即ち、硫化物ＣａＳ、ＭｎＳから少なくとも１種及びフッ化物ＣａＦ_２、ＢａＦ_２から少なくとも１種としてもよい。複数種選択する場合、各化合物の原子比を合算したものをｚとする。
【００１６】
上記化合物層において、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉや化合物Ｍの含有量（原子比）ｘ、ｙ、ｚは、膜を形成する原料、例えば、合金ターゲットの原子比を変化させることで変化させることができる。
【００１７】
上記化合物層の厚みは、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。厚みが０．５μｍ未満では、上記化合物層を設ける効果が少なく、耐摩耗性や潤滑性の向上が十分に得られない。逆に１０μｍを越えると、膜中の残留応力が大きくなり基材との密着強度が低下して剥離し易くなる恐れがある。また、上記化合物層は、被覆膜中に少なくとも１層具えていればよく、複数層具えていてもよい。化合物層を複数具える場合、化合物層の総厚みは、０．５μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。なお、膜厚は、成膜時間を変化させることで変化させることができる。
【００１８】
上記化合物層は、結晶性が高い化合物を形成できる成膜プロセスにて作製されることが適する。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との知見を得た。また、物理的蒸着法には、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、原料元素のイオン化率が高いアーク式イオンプレーティング法（カソードアークイオンプレーティング）が最適である。カソードアークイオンプレーティングを用いた場合、化合物層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であるため、化合物層の密着性を格段に向上させることができ、密着性の観点からも好ましいプロセスである。
【００１９】
本発明において基材表面に設ける被覆膜は、上記化合物層のみで構成してもよいが、その他の膜を具えていてもよい。例えば、基材表面と上記化合物層との間に中間層を具えることが挙げられる。中間層としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物及びＣｒの窒化物より選択される１種からなる膜が好ましい。これらＴｉやＣｒなどの膜は、基材と上記化合物層との双方に対して密着性がよい。従って、このような中間層を具えると、基材と上記化合物層との密着性を一層向上させることができ、化合物層が基材から剥がれることを抑制し、工具寿命を更に延長させることができる。この中間層の厚みは、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。０．０５μｍ未満では、密着強度の向上が得られにくく、逆に１．０μｍを越えても密着強度の更なる向上が見られない。
【００２０】
本発明において基材は、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（ｃＢＮ）焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化ケイ素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む焼結体から選択される１種から形成されることが好ましい。
【００２１】
ＷＣ基超硬合金は、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする硬質相と、コバルト（Ｃｏ）などの鉄族金属を主成分とする結合相とからなるもので、通常よく用いられているものを用いるとよい。更に、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の遷移金属元素から選ばれる少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素及び硼素から選ばれる少なくとも１種とからなる固溶体が含まれているものでもよい。固溶体としては、例えば、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ、ＶＣ、Ｃｒ_２Ｃ_２、ＮｂＣなどが挙げられる。
【００２２】
サーメットとしては、例えば、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の遷移金属元素から選ばれる少なくとも１種と炭素、窒素、酸素及び硼素から選ばれる少なくとも１種とからなる固溶体相と、１種以上の鉄系金属からなる結合相と、不可避的不純物とからなるもので、通常よく用いられるものを用いるとよい。
【００２３】
高速度鋼としては、例えば、ＪＩＳ記号ＳＫＨ２、ＳＫＨ５、ＳＫＨ１０などのＷ系高速度鋼、ＳＫＨ９、ＳＫＨ５２、ＳＫＨ５６などのＭｏ系高速度鋼などが挙げられる。
【００２４】
セラミックスは、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどが挙げられる。
【００２５】
ｃＢＮ焼結体としては、ｃＢＮを３０体積％以上含むものが挙げられる。より具体的には、以下の焼結体が挙げられる。
【００２６】
（１）ｃＢＮを３０体積％以上８０体積％以下含み、残部が結合材と鉄族金属と不可避的不純物とからなる焼結体。結合材は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物並びにこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも１種と、アルミニウム化合物とを含むものである。
【００２７】
上記ｃＢＮ焼結体においてｃＢＮ粒子は、被加工材としてよく用いられる鉄との親和性が低い上記結合材を介して主に結合され、この結合が強固であることから、基材の耐摩耗性と強度とを向上させる。
【００２８】
ｃＢＮ含有量を３０体積％以上とするのは、３０体積％未満となると、ｃＢＮ焼結体の硬度が低下し易くなり、例えば、焼入鋼のような高い硬度の被加工材を切削するには、硬度が不足するからである。ｃＢＮ含有量を８０体積％以下とするのは、８０体積％を超える場合、結合材を介してｃＢＮ粒子同士の結合が困難になり、ｃＢＮ焼結体の強度が低下する恐れがあるからである。
【００２９】
（２）ｃＢＮを８０体積％以上９０体積％以下含み、ｃＢＮ粒子同士が結合しており、残部が結合材と不可避的不純物とからなる焼結体。結合材は、Ａｌ化合物又はＣｏ化合物を主成分とするものである。
【００３０】
このｃＢＮ焼結体は、触媒作用を有するＡｌ又はＣｏを含有する金属、或いは金属間化合物を出発原料として液相焼結を行うことで、ｃＢＮ粒子同士を結合させ、かつｃＢＮ粒子の含有率を高めることができる。ｃＢＮ粒子の含有率が高いことから、耐摩耗性が低下し易いものの、ｃＢＮ粒子同士が強固な骨格構造を形成しているため、耐欠損性に優れ、過酷な条件での切削が可能となる。
【００３１】
ｃＢＮ含有量を８０体積％以上とするのは、８０体積％未満となると、ｃＢＮ粒子同士の結合による骨格構造を形成することが難しくなるからである。ｃＢＮ含有量を９０体積％以下とするのは、９０体積％を超えると、触媒作用を有する上記結合材が不足して、未焼結部分を生ずるため、ｃＢＮ焼結体の強度が低下するからである。
【００３２】
ダイヤモンド焼結体としては、ダイヤモンドを４０体積％以上含むものが挙げられる。より具体的には、以下の焼結体が挙げられる。
（１）ダイヤモンドを５０〜９８体積％含み、残部が鉄族金属、ＷＣ及び不可避的不純物からなる焼結体。鉄族金属は、特に、Ｃｏが好ましい。
（２）ダイヤモンドを８５〜９９体積％含み、残部が空孔、ＷＣ及び不可避的不純物からなる焼結体。
（３）ダイヤモンドを６０〜９５体積％含み、残部が結合材及び不可避的不純物からなる焼結体。結合材は、鉄族金属と、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物及び炭窒化物からなる群から選択される１種以上と、ＷＣとを含むものである。より好ましい結合材は、ＣｏとＴｉＣとＷＣとを含むものである。
（４）ダイヤモンドを６０〜９８体積％含み、残部がケイ素及び炭化ケイ素の少なくとも１種、ＷＣ及び不可避的不純物からなる焼結体。
【００３３】
窒化ケイ素焼結体としては、窒化ケイ素を９０体積％以上含むものが挙げられる。特に、ＨＩＰ法（熱間静水圧焼結法）を用いて結合した窒化ケイ素を９０体積％以上含む焼結体が好ましい。この焼結体において残部は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、希土類、ＴｉＮ及びＴｉＣから選ばれる少なくとも１種からなる結合材と不可避的不純物とからなることが好ましい。
【００３４】
酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む焼結体としては、体積％で酸化アルミニウムを２０％以上８０％以下、炭化チタンを１５％以上７５％以下含み、残部がＭｇ、Ｙ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴｉＮの酸化物から選ばれる少なくとも１種の結合材と不可避的不純物とからなる焼結体が挙げられる。特に、酸化アルミニウムは、６５体積％以上７０体積％以下、炭化チタンは、２５体積％以上３０体積％以下で、結合材は、Ｍｇ、Ｙ、Ｃａの酸化物から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。
【００３５】
本発明工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ及びタップから選択された１種に使用されるとよい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
以下に示す表面被覆切削工具を作製し、耐摩耗性を調べてみた。
（１）サンプルの作製
（ｉ）サンプルＮｏ．１〜２４の作製
まず、本例で用いた成膜装置について説明する。図１は、本例で用いた成膜装置の模式図である。成膜装置は、基材５が搭載される基材ホルダー４と、チャンバー１の側壁に配置されるアーク式蒸発源（ターゲット）６、７と、各蒸発源６、７に接続される可変電源としての直流電源８、９と、基材ホルダー４に接続される基材バイアス用の直流電源１０と、ガスを供給するガス導入口２と、ガスを排気するガス排気口３とを具える。
【００３７】
チャンバー１は、真空ポンプ（図示せず）と連結されており、ガス排気口３を通して、チャンバー１内の圧力を変化させることが可能である。基材ホルダー４は、直流電源１０の負極と電気的に接続され、直流電源１０の正極は、アースされている。
基板ホルダー４は、回転可能である。アーク式蒸発源６、７は、それぞれ直流電源８、９の負極と電気的に接続され、直流電源８、９の正極は、アースされると共にチャンバー１と電気的に接続されている。
【００３８】
そして、アーク式蒸発源６、７とチャンバー１との間のアーク放電によって、蒸発源６、７を部分的に容解させてカソード物質を基材５に対して前方方向に蒸発させ、基材５表面に被覆膜を形成する。このとき、チャンバー１には、ガス導入口２からマスフローコントローラー（図示せず）を介して様々なガスを導入する。ガスは、例えば、アルゴンや窒素ガスなどの不活性ガス、メタン、アセチレン、ベンゼンなどの炭化水素ガスなどが挙げられる。また、放電の際、アーク式蒸発源６、７とチャンバー１との間には、数十から数百Ｖ程度の電圧が印加される。
【００３９】
以下、被覆膜の成膜方法を説明する。基材には、グレードがＪＩＳ規格Ｐ３０の超硬合金、チップ形状がＪＩＳ規格のＳＰＧＮ１２０３０８のものを用意した。そして、図１で示す成膜装置を用いて、基材ホルダー４を回転させながらヒーター（図示せず）にてチップ形状の基材５を温度４５０℃に加熱すると共に、真空ポンプにて真空引きを行って、チャンバー１内の圧力が１．０×１０^−３Ｐａとなるまで減圧する。次に、ガス導入口２からアルゴンガスを導入してチャンバー１内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス用の直流電源１０の電圧を徐々に上げていって−１０００Ｖとし、基材５表面のクリーニングを１５分間行う。その後、ガス排気口３からアルゴンガスを排気する。
【００４０】
次に、基板バイアス用の直流電源１０の電圧を−１０００Ｖに維持したまま、チャンバー１内にガス導入口２を通して１００ＳＣＣＭのアルゴンと、窒素との混合ガスを導入する。そして、直流電源８から１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源６から金属イオンを２分間発生させる。アーク式蒸発源６には、ＴｉやＣｒといった金属、又はＴｉやＣｒの化合物を用いた。この工程により、アーク式蒸発源６からの金属イオンが基材５の表面をスパッタクリーニングし、基材５表面に存在する強固な汚れや酸化膜などを除去する。アルゴンと共に窒素も同時に導入しているのは、アルゴンのみの場合に比べて被覆膜の面粗度が格段に良好になるからである。これは、窒素を導入することで、アーク式蒸発源の表面が窒化され、金属のみの状態に比べて融点が高くなるので、発生する溶融粒子が減少するためであると考えられる。
【００４１】
その後、チャンバー１内の圧力が２．７Ｐａになるようにガス導入口２から窒素ガスを導入し、基板バイアス用の直流電源１０の電圧を−７５Ｖにする。すると、基材５表面において、金属窒化膜の形成が始まる。金属窒化膜（本例ではＴｉＮ、ＣｒＮ）が所定の厚みに達するまでこの状態を維持する。この工程により、中間層としてＴｉＮ膜、ＣｒＮ膜を形成した。また、この工程において、窒素ガスを導入しなければ、中間層として金属膜（本例ではＴｉ膜、Ｃｒ膜）が得られる。
【００４２】
上記中間層の形成が終了した後、このままの状態（チャンバー内の圧力：２．７Ｐａ、直流電源１０の電圧：−７５Ｖ）で直流電源８の供給を止めて、炭素ガス、窒素ガス、及び酸素ガスの少なくとも一種のガス雰囲気中で、続けて直流電源９に１００Ａの電流を供給する。すると、アーク式蒸発源７から金属イオンが基材５に向かって前方方向に蒸発して、基材５表面に所定の厚みの化合物層を形成する。アーク式蒸発源７には、金属化合物（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）Ｍ_ｚ（０≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．４、０．０１≦ｚ≦０．２、ＭはＣａＳ、ＭｎＳ、ＣａＳとＭｎＳ、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＦ_２とＢａＦ_２、ＣａＳとＢａＦ_２、ＣａＳとＣａＦ_２、ＭｎＳとＣａＦ_２、ＭｎＳとＢａＦ_２、のいずれか）を用いた。
【００４３】
中間層を具えていないサンプルは、基材表面のクリーニングの後、アルゴンガスを排気し、窒素ガスを導入して、圧力：２．７Ｐａ、基板バイアス用の直流電源１０の電圧：−７５Ｖとして、上記と同様に化合物層を形成した。また、更に最表層を具えるサンプルは、化合物層を形成した後、続けてアーク式蒸発源６にＴｉやＡｌの化合物を用いてＴｉやＡｌの化合物層を形成した。各膜は、成膜時間を変化させることで、膜厚を変化させた。
【００４４】
上記工程により、特定の化合物層を具えるサンプルＮｏ．１〜２４を作製した。表１に各サンプルの被覆膜の膜種、膜厚を示す。表１において、サンプルＮｏ．１〜２４に示す化合物の組成は、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）にて行った。後述の表５においても同様である。組成の確認は、透過電子顕微鏡に併設の微小領域ＥＤＸ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析や、ＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によってもできる。なお、本例では、化合物層を含めて被覆膜の形成をカソードアークイオンプレーティング法で行っているが、別の手法、例えばスパッタリング法によっても可能である。
【００４５】
【表１】

【００４６】
（ｉｉ）従来品（サンプルＮｏ．２５〜２８）の作製
サンプルＮｏ．２５〜２８は、以下のように作製した。まず、上記サンプルＮｏ．１〜２４と同じ基材を準備した。この基材を図１に示す成膜装置の基材ホルダー４にセットする。アーク式蒸発源６にはＴｉを用いた。成膜装置の構成については、上記サンプルＮｏ．１〜２４の作製の際と同様にした。
【００４７】
上記成膜装置を用いて、上記と同様の手法で、基材５表面をアルゴンでスパッタクリーニングした後、チタンイオンでスパッタクリーニングした。そして、上記と同様にして、基材５表面に中間層として、厚さ０．３μｍのＴｉＮ膜を形成した。
【００４８】
ＴｉＮ膜の形成が終了した後、直流電源９からアーク式蒸発源７に１００Ａの電流を供給して、蒸発源７から金属イオンを発生させると共に、ガス導入口２から窒素ガスを導入する。発生した金属イオンと窒素ガスが基材５上で反応して、中間層のＴｉＮ膜上に膜厚３μｍの膜を形成して、サンプルＮｏ．２５〜２８を得た。
【００４９】
サンプルＮｏ．２５では、アーク式蒸発源７に、ＴｉとＡｌの化合物（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）を用い、チタンイオン、アルミニウムイオンを発生させて、（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）Ｎ膜を形成した。以上から、従来製法によるＴｉＡｌＮ膜を具えるサンプルを得た。なお、（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）とは、ＴｉとＡｌの原子比（原子％）が０．５：０．５（５０：５０）の化合物をいい、（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）Ｎとは、ＴｉとＡｌとＮとの原子比が０．５：０．５：１の化合物をいう。
【００５０】
サンプルＮｏ．２６では、アーク式蒸発源７にＴｉとＳｉの化合物（Ｔｉ_０．７Ｓｉ_０．３）を用い、チタンイオン、シリコンイオンを発生させて、（Ｔｉ_０．７Ｓｉ_０．３）Ｎ膜を形成した。以上から、従来製法によるＴｉＳｉＮ膜を具えるサンプルを得た。なお、（Ｔｉ_０．７Ｓｉ_０．３）とは、ＴｉとＳｉの原子比が０．７：０．３の化合物をいい、（Ｔｉ_０．７Ｓｉ_０．３）Ｎとは、ＴｉとＳｉとＮとの原子比が０．７：０．３：１の化合物をいう。
【００５１】
サンプルＮｏ．２７では、アーク式蒸発源７に、Ｔｉを用い、窒素ガスと共にメタンガスを導入し、チタンイオンを発生させて、ＴｉＣ_０．５Ｎ_０．５膜を形成した。以上から、従来製法によるＴｉＣＮ膜を具えるサンプルを得た。なお、ＴｉＣ_０．５Ｎ_０．５とは、ＴｉとＣとＮとの原子比が１：０．５：０．５の化合物をいう。
【００５２】
サンプルＮｏ．２８では、アーク式蒸発源７にＴｉとＡｌの化合物（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）を用い、窒素ガスと共にメタンガスを導入し、チタンイオン、アルミニウムイオンを発生させて、（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）Ｃ_０．５Ｎ_０．５膜を形成した。以上から、従来製法によるＴｉＡｌＣＮ膜を具えるサンプルを得た。なお、（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）Ｃ_０．５Ｎ_０．５とは、ＴｉとＳｉとＣとＮとの原子比が０．５：０．５：０．５：０．５の化合物をいう。
【００５３】
【表２】

【００５４】
（２）工具寿命の評価
得られたサンプルＮｏ．１〜２８のそれぞれについて、表３に示す条件で乾式の連続切削試験及び断続切削試験を行い、刃先の逃げ面摩耗幅を測定した。その結果を表４に示す。また、各サンプルにおいて、被覆膜のヌープ硬度（ＧＰａ）、及び被覆膜の残留応力（ＧＰａ）の測定を行った。ヌープ硬度は、荷重を１０ｇとした。残留応力の測定は、「ＰＶＤ・ＣＶＤ被膜の基礎と応用」、編者：（社）表面技術協会、槇書店、１９９４年９月２５日初版発行、ｐ１５６に記載の方法により、Ｘ線回折を用いて行った。その結果を表４に示す。
【００５５】
【表３】

【００５６】
【表４】

【００５７】
表４から明らかなように、（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）膜中にＣａＳ、ＭｎＳ、ＣａＦ_２、及びＢａＦ_２の少なくとも１種を含むサンプルＮｏ．１〜２４は、潤滑油剤を用いないドライ加工であっても、サンプルＮｏ．２５〜２８と比較して摩耗量が非常に少ないことがわかる。特に、条件の厳しい断続切削においても、摩耗量が少ないことがわかる。従って、本発明工具は、工具寿命を大きく向上できることが確認された。
【００５８】
また、サンプルＮｏ．８及び１８において、原子比が異なるターゲットを用い、化合物層の原子比を変化させたサンプル（サンプルＮｏ．８−１〜８−３、１８−１〜１８−３）を作製した。サンプルＮｏ．４及び１４において、成膜時間を変化させて化合物層の厚みを変化させたサンプル（サンプルＮｏ．４−１’、４−２’、１４−１、１４−２）を作製した。そして、サンプルＮｏ．４、８及び１４、１８と同様の切削条件（表３参照）で、連続切削試験及び断続切削試験を行い、刃先の逃げ面摩耗幅を測定した。また、同様にヌープ硬度、残留応力も測定した。その結果を表５に示す。
【００５９】
【表５】

【００６０】
表５に示すように、（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）膜中にＣａＳ、ＭｎＳ、ＣａＦ_２、及びＢａＦ_２の少なくとも１種を含んでいても、原子比が特定の範囲外、即ち、ｘ＞０．６、ｙ＞０．４、ｚ＞０．２であると、摩耗量が多いことがわかる。また、原子比が特定の範囲内にある化合物層を具えていても、膜厚が薄過ぎると、耐摩耗性の向上が十分に得られず、厚過ぎると、残留応力が大きく、膜が剥がれる恐れがあることがわかる。
【００６１】
（実施例２）
実施例１と同様の製造方法により、リーマ（ＪＩＳＫ１０超硬合金）の基材上にそれぞれにコーティングを行い、サンプルＮｏ．２−１〜２−１０を得た。サンプルＮｏ．２−１は、上記サンプルＮｏ．１と同様の被覆膜（中間層、化合物層）を具える。サンプルＮｏ．２−２は、従来の製法で基材表面にＴｉＳｉＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．２−３は、従来の製法で基材表面にＴｉＡｌＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．２−４は、上記サンプルＮｏ．１１と同様の被覆膜（中間層、化合物層）を具える。サンプルＮｏ．２−５は、従来の製法で基材表面にＴｉＳｉＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．２−６は、従来の製法で基材表面にＴｉＡｌＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．２−７〜２−１０は、それぞれ基材上に上記サンプルＮｏ．２５〜２８と同様の被覆膜（中間層、化合物層）を具える。
【００６２】
これらサンプルＮｏ．２−１〜２−１０のそれぞれについて、ねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０）の穴開け加工を行い、その寿命評価を行った。切削条件は、リーマ径２０ｍｍ、切削速度５ｍ／ｍｉｎ、送り０．４ｍｍ／刃、切り込み０．１５ｍｍ、ウエット（湿式）条件とした。寿命評価は、被加工材（鋳鉄）に開けた穴の寸法精度が規定の範囲を外れた時点を寿命とし、寿命となるまでの穴の個数を評価した。結果を表６に示す。
【００６３】
【表６】

【００６４】
表６に示すように、サンプルＮｏ．２−１〜２−６は、サンプルＮｏ．２−７〜２−１０と比較して、寿命を大きく向上していることが確認された。このように寿命を向上することができたのは、耐摩耗性に優れると共に、潤滑性を向上したためであると考えられる。
【００６５】
（実施例３）
実施例１と同様の製造方法により、エンドミル（ＪＩＳＫ１０超硬合金）の基材上にそれぞれにコーティングを行い、サンプルＮｏ．３−１〜３−１０を得た。サンプルＮｏ．３−１は、上記サンプルＮｏ．１と同様の被覆膜（中間層、化合物層）を具える。サンプルＮｏ．３−２は、従来の製法で基材表面にＴｉＳｉＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．３−３は、従来の製法で基材表面にＴｉＡｌＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．３−４は、上記サンプルＮｏ．１１と同様の被覆膜（中間層、化合物層）を具える。サンプルＮｏ．３−５は、従来の製法で基材表面にＴｉＳｉＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１１と同様の被覆膜を具える。
サンプルＮｏ．３−６は、従来の製法で基材表面にＴｉＡｌＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．３−７〜３−１０は、それぞれ基材上に上記サンプルＮｏ．２５〜２８と同様の被覆膜（中間層、化合物層）を具える。
【００６６】
これらサンプルＮｏ．３−１〜３−１０のそれぞれについて、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ４５０）のエンドミル側面削り（切削幅１５ｍｍ）加工を行い、その寿命評価を行った。切削条件は、切削速度７５ｍ／ｍｉｎ、送り０．０３ｍｍ／刃、切り込み２ｍｍ、ウエット（湿式）条件とした。寿命評価は、被加工材（鋳鉄）に行った側面削りの寸法精度が規定の範囲を外れた時点を寿命とし、寿命となるまでの切削長さを評価した。その結果を表７に示す。
【００６７】
【表７】

【００６８】
表７に示すように、サンプルＮｏ．３−１〜３−６は、サンプルＮｏ．３−７〜３−１０と比較して、寿命を大きく向上していることが確認された。このように寿命を向上することができたのは、耐摩耗性に優れると共に、潤滑性を向上したためであると考えられる。
【００６９】
（実施例４）
実施例１と同様の製造方法により、旋削用刃先交換型チップ（ＪＩＳＰ１０超硬合金、刃先形状はスクイ角８°、逃げ角６°）の基材上にそれぞれにコーティングを行い、サンプルＮｏ．４−１〜４−１０を得た。サンプルＮｏ．４−１は、上記サンプルＮｏ．１と同様の被覆膜（中間層、化合物層）を具える。サンプルＮｏ．４−２は、従来の製法で基材表面にＴｉＳｉＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．４−３は、従来の製法で基材表面にＴｉＡｌＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．４−４は、上記サンプルＮｏ．１１と同様の被覆膜（中間層、化合物層）を具える。サンプルＮｏ．４−５は、従来の製法で基材表面にＴｉＳｉＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．４−６は、従来の製法で基材表面にＴｉＡｌＮ膜を１μｍコーティングし、この膜の上に上記サンプルＮｏ．１１と同様の被覆膜を具える。サンプルＮｏ．４−７〜４−１０は、それぞれ基材上に上記サンプルＮｏ．２５〜２８と同様の被覆膜（中間層、化合物層）を具える。
【００７０】
これらサンプルＮｏ．４−１〜４−１０のそれぞれについて、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）の中仕上げ旋削加工を行い、その寿命評価を行った。切削条件は、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、送り０．０８ｍｍ／刃、ドライ（乾式）条件とした。寿命評価は、被加工材（鋼）の中仕上げの寸法精度が規定の範囲を外れた時点を寿命とし、寿命となるまでの時間を評価とした。その結果を表８に示す。
【００７１】
【表８】

【００７２】
表８に示すように、サンプルＮｏ．４−１〜４−６は、サンプルＮｏ．４−７〜４−１０と比較して、寿命を大きく向上していることが確認された。また、サンプルＮｏ．４−１〜４−６は、ドライ条件においても、耐摩耗性に優れ、潤滑性を向上していることが分かる。
【００７３】
（実施例５）
基材にｃＢＮ焼結体を用いた切削用チップを作製し、摩耗量を調べてみた。ｃＢＮ焼結体は、超硬合金製ポット及びボールを用いて、ＴｉＮ：４０重量％、Ａｌ：１０重量％からなる結合材粉末と平均粒径２．５μｍのｃＢＮ粉末：５０重量％とを混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で６０分焼結することで得た。このｃＢＮ焼結体を加工して、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削用チップを得た。このチップの基材上に、実施例１と同様にして上記サンプルＮｏ．１、１１と同様の中間層、被覆膜を形成したサンプルを得た（サンプルＮｏ．５−１、５−２）。また、比較例として、このチップの基材上に、実施例１と同様にして上記サンプルＮｏ．２５と同様の中間層、被覆膜を形成したサンプルＮｏ．５−３を用意した。
【００７４】
これらサンプルＮｏ．５−１〜５−３のそれぞれについて、焼入鋼の１種であるＳＵＪ２の丸棒（ＨＲＣ６２）の外周切削を行い、逃げ面摩耗量を調べた。切削条件は、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．２ｍｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、ドライ（乾式）条件とし、３０分間の切削を行った。
【００７５】
その結果、サンプルＮｏ．５−１の逃げ面摩耗量は、０．０８５ｍｍ、サンプルＮｏ．５−２の逃げ面摩耗量は、０．０７６ｍｍであったのに対し、サンプルＮｏ．５−３の逃げ面摩耗量は０．２６５ｍｍであった。このようにサンプルＮｏ．５−１、５−２は、ドライ条件においても逃げ面摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れることが分かる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明表面被覆切削工具によれば、被覆膜に特定の化合物層を具えることで、高硬度で耐摩耗性に優れると共に、潤滑性を向上することができるという効果を奏し得る。そのため、本発明工具は、特に、切削油剤を用いないドライ加工であっても、工具寿命を向上することができる。従って、本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなど工具において耐摩耗性の向上が図れ、工具寿命を向上することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】成膜装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１チャンバー２ガス導入口３ガス排気口４基材ホルダー５基材
６、７アーク式蒸発源８、９、１０直流電源

Claims

基材表面に被覆膜を具える表面被覆切削工具であって、
前記被覆膜には、（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｍ）_ｚの窒化物、炭窒化物、窒酸化物及び炭窒酸化物から選択される化合物層を具え、
前記Ｍは、ＣａＳ、ＭｎＳ、ＣａＦ_２、及びＢａＦ_２より選択される少なくとも１種であることを特徴とする表面被覆切削工具。
ただし、０≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．４、０．０１≦ｚ≦０．２、１−ｘ−ｙ−ｚ≠０とする。
化合物層の厚みが０．５μｍ以上１０μｍ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。
基材表面と化合物層との間には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物、及びＣｒの窒化物より選択される１種からなる中間層を具えることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面被覆切削工具。
中間層の厚みが０．００５μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の表面被覆切削工具。
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、窒化ケイ素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む焼結体より選択される１種からな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。
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、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップから選択される１種であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
化合物層は、物理的蒸着法により被覆されたことを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
物理的蒸着法がアーク式イオンプレーティング法であることを特徴とする請求項７に記載の表面被覆切削工具。