JP2006192544A - 表面被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温時の耐酸化性に優れるとともに、靭性にも優れかつ被膜の層間剥離を生じることがない被膜を有する表面被覆切削工具およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 基材と、基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、被膜は、化学蒸着法により形成される第１被膜と物理蒸着法により形成される第２被膜とを含み、第１被膜は、基材と第２被膜との間に位置するものであって、α型酸化アルミニウムを含むものであり、かつセラミック粒子を用いて機械的衝撃を与える処理によって付与された圧縮残留応力を有し、第２被膜は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物のよりなる少なくとも一層によって構成されるものであり、かつ圧縮残留応力を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基材上に被膜を形成してなる表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。

従来より、切削工具の靭性や耐摩耗性を向上させるために基材の表面に各種の被膜を形成した表面被覆切削工具が用いられてきた。昨今、切削加工技術は高速切削に対する要求が高く、これに伴い切削工具における刃先温度もより高温に曝されるケースが増加している。このため、切削工具の基材上に形成される被膜に対しても、高温時における耐酸化性の向上が要求されている。

このような要求を満たす被膜としては、たとえばＡｌやＣｒとともにＳｉを含んだ窒化物や炭窒化物からなる被膜（特許文献１、特許文献２）や酸化アルミニウムからなる被膜が提案されている。中でも、酸化アルミニウムからなる被膜は高い耐酸化性が示されるため最も注目されている被膜の１つである。

たとえば、特定元素の化合物からなる第１被膜上に酸化アルミニウムからなる第２被膜を物理蒸着法（ＰＶＤ法）により形成した構成のものが提案されている（特許文献３）。この提案は、従来、最外層としての酸化アルミニウム被膜が化学蒸着法（ＣＶＤ法）により形成されていたことに起因する問題、すなわち酸化アルミニウム被膜に引張応力が残留するために靭性が劣るという問題を解決するためになされたものである。しかし、第１被膜上にα型のような結晶性の高い酸化アルミニウム被膜を形成させるためには、たとえこの提案のようにＰＶＤ法を採用するにしてもかなりの高温が適用されることになり、第１被膜が有する圧縮応力はアニールされて解放されてしまうことから、結果的に高い靭性を得ることはできなかった。

これに対して、ＣＶＤ法により形成した酸化アルミニウムからなる被膜上に、ＴｉＡｌＮからなる被膜をＰＶＤ法により形成した構成のものが提案されている（特許文献４、特許文献５）。しかし、この提案においては、酸化アルミニウム被膜が引張応力を有したものとなることから結果的に高い靭性を得ることができなかった。しかも、ＣＶＤ法による酸化アルミニウムからなる被膜上にＴｉＡｌＮからなる被膜を形成する場合、両被膜間で密着性に劣る場合があり、ＴｉＡｌＮからなる被膜が剥離することがあった。このような剥離の問題を防止する提案は未だなされておらず、上記特許文献１および２においても、そのような剥離を防止するためにＳｉを含んだ被膜と酸化アルミニウムからなる被膜とを併用することについては全く言及されていない。

また、下記特許文献６には、ＣＶＤで作製した硬質層被覆切削工具にショットブラストを行い、さらにＰＶＤ法で硬質層を被覆したことを特徴とする被覆切削工具が開示されている。ここで、特許文献６の切削工具において、ショットブラスト処理の目的は、引っ張り応力の解放とあり、ショットブラスト処理により、膜中へ亀裂を導入し、膜と基材との熱膨張係数差を解消することにより、結果として引っ張り応力を解放することを目的とするものと考えられる。

しかし、当該発明において、ショットブラストしたＣＶＤ工具の耐欠損性が不十分である旨の示唆があり、また、圧縮応力の付与については全く目的とするところではない。さらに、特許文献６においては、鋼球を用いたショットブラストを行っているが、鋼球を用いた場合、ＣＶＤ被膜に鉄粉が付着し、当該ＣＶＤ被膜にＰＶＤによる被覆を行っても、ＣＶＤ層とＰＶＤ層との界面において膜の剥離が生じやすいという問題があった。
特許第２７９３７７３号公報 特開２００４−１０６１８３号公報 特許第３１５９５７２号公報 特開２００２−２６３９１０号公報 特開２００２−２６３９１１号公報 特開平６−５７４０９号公報

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高温時の耐酸化性に優れるとともに、靭性にも優れかつ被膜の層間剥離を生じることがない被膜を有する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。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成させるに至ったものである。

本発明の１つの局面によれば、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、被膜は、化学蒸着法により形成される第１被膜と物理蒸着法により形成される第２被膜とを含み、第１被膜は、基材と第２被膜との間に位置するものであって、α型酸化アルミニウムを少なくとも一層含むものであり、かつセラミック粒子を用いて機械的衝撃を与える処理によって付与された圧縮残留応力を有し、第２被膜は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物よりなる少なくとも一層によって構成されるものであり、かつ圧縮残留応力を有す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、第２被膜のうち少なくとも一層は、Ｓｉを含む。

好ましくは、第２被膜は第１被膜の直上に形成されている。

好ましくは、第１被膜を構成するα型酸化アルミニウムは、Ｚｒおよび／またはＨｆの酸化物との複合酸化物である。

好ましくは、第１被膜中の平均圧縮残留応力σ１と第２被覆膜中の少なくとも１層の平均圧縮残留応力σ２とは、σ１＜σ２の関係を有する。

好ましくは、第１被膜の平均圧縮残留応力は、０．１〜６ＧＰａの範囲内であり、第２被膜の平均圧縮残留応力は、１〜１０ＧＰａの範囲内である。

好ましくは、被膜は、第１被膜の直上に第３被膜を含み、第３被膜は、周期律表のＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族の元素、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、ならびにＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される。

好ましくは、被膜は、さらに第４被膜を含み、第４被膜は、第２被膜上または第３被膜上に形成され、かつＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ａｌ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される。

好ましくは、基材は、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、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成される。

本発明の別の局面によれば、上記のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、第１被膜を化学蒸着法により形成する第１ステップと、第２被膜を物理蒸着法により形成する第２ステップと、を含み、第１ステップにより形成された第１被膜に、第２ステップの前に、セラミック粒子を用いて機械的衝撃を与える処理を行うことを特徴と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、機械的衝撃を与える処理は、湿式で行われる。

本発明の表面被覆切削工具は、上述の通りの構成を有することにより、高温時の耐酸化性に優れるとともに、靭性にも優れかつ被膜の層間剥離を生じることがない被膜を有するものである。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明において図面を用いて説明する場合は、当該図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示す。また、各図面はあくまでも説明用の模式的なものであって、各部位を示すサイズの比率は実際の比率と異なる場合を含んでいる。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備えるものである。このような基本的構成を有する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、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップとして極めて有用である。

＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムおよびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。

なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。

ここで、本発明の表面被覆切削工具は、図１に示すように、基材１の上に、被覆膜が形成されるものであり、工具表面において、すくい面２、逃げ面３、および刃先稜線部４を含むものである。

＜被膜＞
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、少なくとも後述の第１被膜と第２被膜とを含むものである。該第１被膜は、上記基材と後述の第２被膜との間に位置するようにして形成される。

また、このような被膜は、これらの第１被膜と第２被膜以外に、第３被膜や第４被膜を含むことができ、さらに他の被膜を含むことができる。第３被膜は、上記基材と第１被膜との間、および／または上記第１被膜の直上に形成され、第４被膜は、上記第２被膜上または上記第３被膜上に形成される。

なお、このような被膜の合計厚みは、１μｍ以上３０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が２５μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以下、その下限が２μｍ以上、さらに好ましくは３μｍ以上である。その厚みが１μｍ未満の場合、耐摩耗性や耐酸化性等の特性が十分に示されない場合があり、３０μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない。以下、これらの被膜についてさらに詳細に説明する。

＜第１被膜＞
本発明の第１被膜は、化学蒸着法（ＣＶＤ法）により単層または多層として形成され、基材と第２被膜との間に位置するものであって、α型酸化アルミニウム（α−Ａｌ₂Ｏ₃）を少なくとも一層含むものであり、かつ後述するセラミックを用いた機械的衝撃を与える衝撃によって付与された圧縮残留応力を有するものである。本明細書において、α型酸化アルミニウムをα型アルミナという場合もある。

このような第１被膜は、高温時の耐酸化性に優れるとともに、高硬度を有する上、αアルミナをＣＶＤで成膜する際には８００℃以上の高温が必要であり、基材との間で強い密着力を有するため極めて優れた耐摩耗性を有するものである。しかも、κ型アルミナよりも粒界強度に優れるα型アルミナをＣＶＤ法により成膜しているので、α型アルミナの優れた粒界強度を活かしてα型アルミナ中への亀裂の導入を抑制し、さらにα型アルミナ中に後述の機械的衝撃処理により大きな圧縮応力が導入されているため優れた靭性を有し、特に、α型アルミナが残留圧縮応力を有するので耐欠損性が飛躍的に向上される。また、圧縮応力を導入する際、後述のとおりセラミック粒子を用いた機械的衝撃を施しているので、被膜表面を平滑にすることができるものであり、ＣＶＤ法により成膜した表面が金属等によって汚染され、第２被膜との密着力に悪影響を与えることを防止している。

なお、α型アルミナへの亀裂の導入が少ないことは、機械的衝撃処理がかかりにくい部位（穴付きチップの場合は穴の中）でのα型アルミナ膜中およびその下層のＣＶＤ膜中に存在する亀裂本数と、機械的衝撃処理が施された部位においてα型アルミナ膜中およびその下層のＣＶＤ膜中に存在する亀裂本数を比較することによって確認できる。

本発明は、このように最外層ではなく中間層となる第１被膜として、α型酸化アルミニウムからなる被膜を化学蒸着法により形成し、かつセラミックを用いた機械的衝撃を与える処理を行うことを特徴の１つとしている。これにより、該被膜が単にＣＶＤ法により形成される場合と比べて、α型アルミナ中に引っ張り応力の解放ではなく、圧縮応力を導入することができ、かつ、第２被膜との密着性を向上させることができる。さらに、靭性の向上に資する被膜の上にこのα型酸化アルミニウム被膜を形成するといった従来例のような構成ではないため、靭性の向上に資する被膜の圧縮応力がアニールされて靭性が低下するという問題を解消することができる。

なお、このような圧縮残留応力を有するα型酸化アルミニウム層は工具の全面である必要はなく、切刃として作用するにげ面、すくい面および刃先稜線部の少なくとも一部に存在すれば効果が期待できる。

このような第１被膜を形成する化学蒸着法としては、従来公知の化学蒸着法であればいずれのものも採用することができ、たとえば、ＨＴ−ＣＶＤ法、ＭＴ−ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法等を挙げることができる。これらの中でも、特にＨＴ−ＣＶＤ法、ＭＴ−ＣＶＤ法を採用することが好ましい。

また、上記圧縮残留応力とは「−」（マイナス）の数値（単位：本発明では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。なお、数値を使わずに圧縮残留応力の大小を表現する場合は、上記数値の絶対値が大きくなる程、圧縮残留応力が大きいと表現し、また上記数値の絶対値が小さくなる程、圧縮残留応力が小さいと表現するものとする。一般に、圧縮残留応力が大きくなる程高い靭性を示す。また、引張残留応力とは、「＋」（プラス）の数値（単位：本発明では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。

なお、このような残留応力は、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定することができ、工具のすくい面または逃げ面の平坦部に位置する任意の点３点（これらの各点は当該部位の応力を代表できるように互いに０．５ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい）以上の応力を該ｓｉｎ²ψ法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる。

このようなＸ線を用いたｓｉｎ²ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられているものであり、たとえば「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頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。

このような第１被膜の残留応力、特にα型アルミナの残留応力は、上記の通り、−６ＧＰａ以上−０．１ＧＰａ以下、さらに好ましくはその上限が−０．２ＧＰａ以下、さらに好ましくは−０．３ＧＰａ以下、その下限が−５ＧＰａ以上、さらに好ましくは−４ＧＰａ以上の範囲の応力とすることが好適である。−０．１ＧＰａを超える残留応力を有する場合には、靭性が劣る（耐欠損性が劣る）ことになる。一方、残留応力が−６ＧＰａ未満になると大きな圧縮応力を有することから被膜の自己破壊を生じる場合がある。

また、このような第１被膜は、α型酸化アルミニウムによって構成されるものであるが、このα型酸化アルミニウムと、ＺｒまたはＨｆの少なくともいずれかの酸化物との複合酸化物によって構成されるものとすることもできる。ＺｒまたはＨｆを含有することにより、酸化アルミニウムの微細化による高硬度化や断熱性の向上という特性を付与することができる。

なお、本発明のα型酸化アルミニウム層には、ＺｒおよびＨｆ以外の金属（たとえば、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、Ｙｂなど）を２０原子％以下含有する場合も含む。

ここで、α型酸化アルミニウムと、ＺｒまたはＨｆの少なくともいずれかの酸化物との複合酸化物とは、ＺｒまたはＨｆの少なくともいずれか一方または両方が上記α型酸化アルミニウムの結晶格子の正規の位置に置換型として入る場合、該結晶格子間に侵入型として入る場合、金属間化合物を形成する場合、非晶質として存在する場合等、いずれの場合の酸化物も含むものである。

このような第１被膜は、０．５μｍ以上２５μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が２０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以下、その下限が１μｍ以上、さらに好ましくは２μｍ以上である。その厚みが０．５μｍ未満の場合、十分な圧縮応力が付与できなくなるとともに十分な耐摩耗性を示さなくなる場合があり、２５μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない。

＜第２被膜＞
本発明の第２被膜は、物理蒸着法（ＰＶＤ法）により単層または多層として形成され、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物（ただしα型酸化アルミニウムは除く）の少なくとも一層によって構成されるものであり、かつ圧縮残留応力を有するものである。このような第２被膜は、高硬度で耐摩耗性に優れるとともに、極めて優れた靭性を示すものである。なお、このように物理蒸着法により形成された第２被膜は、圧縮残留応力を有し、膜厚方向に導入された亀裂を有さない被膜となる。

このような第２被膜を物理蒸着法により形成するのは、第一に被膜に圧縮残留応力を付与するためである。このような物理蒸着法は、従来公知の物理蒸着法であればいずれのものも採用することができ、たとえばイオンプレーティング法、スパッタリング法等を挙げることができる。これらの中でも、特にカソードアークイオンプレーティング法、バランスドまたはアンバランスドマグネトロンスパッタリング法、または、これらを組み合わせた方法を採用することが好ましい。また、このような第２被膜は、上記の第１被膜上に形成されるものであって、特に第１被膜の直上に形成されていることが好ましい。

また、本発明において、第２被膜は、セラミック粒子を用いた機械的衝撃処理を施された第１被膜の上に形成されるので、第１被膜との密着性に優れている。当該処理では、従来の鋼球などを用いたブラスト処理に伴う鉄粉の付着等が発生しないため、被膜表面が汚染されることがないためである。

そして、この第２被膜は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される。このような化合物としては、たとえば、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＴａＶ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ_２ＴｉＧｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ等を挙げることができる。また、この第２被膜はこれらの化合物を５ｎｍ以上５μｍの厚みで積層する場合を含む。

また、この第２被膜のうち少なくとも一層は、より好ましくはＳｉを含むことが好適である。このような化合物としては、たとえば、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＳｉＢＮ、ＡｌＣｒＳｉＣＮ等を挙げることができる。

このように該化合物の構成元素としてＳｉを含むことにより、第１被膜に対する密着性がさらに向上したとともに、高温時の耐酸化性も飛躍的に向上したものとなる。このように高温時の耐酸化性の向上は、高速切削時に必要とされ、特に本発明のようにα型酸化アルミニウムからなる第１被膜の上に形成される場合において有用となる。なぜなら、このような第１被膜は、低熱伝導性の被膜であることから、第２被膜に発生した熱は基材側に放熱され難く、以って第２被膜の温度上昇が顕著となり高温時の耐酸化性が特に要求されるからである。

さらに本発明の第２被膜は、圧縮残留応力を有することから、高い靭性を示すものとなる。ここで、残留応力とは、上記の第１被膜について既に説明した通りの内部応力であって、好ましくは−１０ＧＰａ以上−１ＧＰａ以下、さらに好ましくはその上限が−１．５ＧＰａ以下、さらに好ましくは−２ＧＰａ以下、その下限が−８ＧＰａ以上、さらに好ましくは−７ＧＰａ以上の範囲の応力とすることが好適である。−１ＧＰａを超える残留応力を有する場合には、靭性が劣る（耐欠損性が劣る）ことになり、一方、残留応力が−１０ＧＰａ未満になると圧縮応力が大きくなり過ぎて被膜の自己破壊による剥離を生じる場合がある。なお、このような圧縮残留応力は、第１被膜で説明したｓｉｎ²ψ法を用いた同様の方法により測定することができる。また、第２被膜が多層で形成される場合には、最大の圧縮応力（その絶対値が最大となる圧縮応力）を有する層の応力を第２被膜の圧縮残留応力とするものとする。

そして、このような第２被膜の圧縮残留応力は、上記第１被膜の圧縮残留応力をσ１、この第２被膜の圧縮残留応力をσ２とする場合、σ１＜σ２の関係を有するように規定することが特に好ましく、このσ１＜σ２という関係の下、第１被膜において−６ＧＰａ以上−０．１ＧＰａ以下の残留応力を有し、第２被膜において−１０ＧＰａ以上−１ＧＰａ以下の残留応力を有するものとすることが特に好適である。このように規定することにより、特に第１被膜と第２被膜との密着性に優れたものとなる。

このような第２被膜は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が７μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、その下限が０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。その厚みが０．３μｍ未満の場合、十分な耐摩耗性が示されなくなるとともに十分な靭性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない。

＜第３被膜＞
本発明の第３被膜は、所望により、上記第１被膜と第２被膜との間、または第２被膜上（第２被膜と後述の第４被膜との間）のいずれか１以上の位置に形成されるものであって、第１被膜と第２被膜の両者および／または第２被膜と第４被膜の両者に対して優れた密着力を有することにより、被膜の層間剥離を防止する作用を示すものである。

このような第３被膜は、周期律表のＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族元素、Ａｌ、ならびにＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって単層または多層として構成される。

このような第３被膜として好適な化合物としては、たとえばＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＯＮ、ＣｒＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｔｉ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＴｉＡｌＯＮなどを挙げることができる。

なお、この第３被膜が基材と第１被膜との間に形成される場合には、この第３被膜の化合物は第２被膜を形成するのと同じターゲットを用いて形成される場合を含む。

このような第３被膜は、０．０１μｍ以上１μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が０．８μｍ以下、さらに好ましくは０．６μｍ以下、その下限が０．０３μｍ以上、さらに好ましくは０．０５μｍ以上である。その厚みが０．０１μｍ未満の場合、上記密着性を向上させる効果が十分に示されない場合があり、１μｍを超えても効果に大差なく経済的に不利となる。

このような第３被膜は、第２被膜と同様に物理蒸着法により形成することが好ましい。各層間の密着力が向上するからである。

＜第４被膜＞
本発明の第４被膜は、所望により、上記第２被膜上もしくは第３被膜上に形成されるものであって、仕上げ面粗さの向上、耐溶着性の向上、耐剥離性の向上、外観品質の向上、使用済コーナーの識別性の容易化、第２被膜に対する保護性の向上（たとえば、耐酸化性の向上等）などの作用を示すものである。

このような第４被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ａｌ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって単層または多層として構成される。

このような第４被膜として好適な化合物としては、たとえばＡｌＮ、ＺｒＮ、ＣｒＮ、ＡｌＺｒＮ、ＡｌＯＮ、ＡｌＨｆＮ、ＡｌＣＮ、ＺｒＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３（γ型もしくはアモルファス）などを挙げることができる。

このような第４被膜は、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が２μｍ以下、さらに好ましくは１．５μｍ以下、その下限が０．２μｍ以上、さらに好ましくは０．３μｍ以上である。その厚みが０．１μｍ未満の場合、仕上げ面粗さの向上、耐溶着性の向上、耐剥離性の向上、外観品質の向上、使用済コーナーの識別性の容易化、第２被膜に対する保護性の向上（たとえば、耐酸化性の向上等）などの作用効果が十分に示されない場合があり、３μｍを超えても効果に大差なく経済的に不利となる。

このような第４被膜は、第２被膜および第３被膜と同様に物理蒸着法により形成することが好ましい。製造効率が向上する上、層間の密着力も向上するからである。

＜製造方法＞
本発明の表面被覆切削工具の製造方法は、上記第１被膜を化学蒸着法（ＣＶＤ）により形成する第１ステップと、上記第２被膜を物理蒸着法により形成する第２ステップと、を含むことができる。ここで、第１ステップの後、第２ステップの前に、セラミックを用いた機械的衝撃処理により形成するステップを行うことを特徴とする。なお、化学蒸着法および物理蒸着法としては、上記で説明した方法が採用される。

なお、機械的衝撃処理とは、ノズルからの噴出や羽根車による投射などで運動エネルギーを与えられた粒子を対象物に打ち付ける処理やセラミックなどの硬質粒子を保持したブラシなどで対象物を叩く処理をいう。たとえば、ブラスト処理やピーニング処理、ブラシホーニング処理などを利用することができ、特に、ウェットブラストが好ましい。通常ＣＶＤで形成した被膜は引っ張り応力を有するものとなるが、当該処理により残留圧縮応力を導入することができる。特に、本発明においては、当該処理の際、メディアとしてセラミックを用いることに特徴を有する。セラミックを用いることにより、当該処理の際に被膜表面を汚染することがなく、当該被膜に接触する層との密着性に悪影響を及ぼすことがないためである。セラミック材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２、ＴｉＣ、ＳｉＯ_２、ガラスなどの材料を用いることができる。特に、球形のセラミック粒子が好ましい。ブラスト処理によるＣＶＤ膜の破壊を抑制しやすいためである。また、当該処理の条件としては、投射圧０．０１〜０．５ＭＰａの範囲内、投射距離０．５〜２００ｍｍの範囲内、微粉濃度５〜４０ｖｏｌ％の範囲内、粒径１０〜２５０μｍの範囲内に設定することが好ましい。

中でも、湿式ブラストとすることで、ブラスト時にＣＶＤ膜表面に発生する高熱を冷却することが可能となり、ＣＶＤ膜に導入された圧縮残留応力が熱でアニールされることなく、大きな圧縮残留応力を導入することが可能となる。

また、本発明の表面被覆切削工具の製造方法は、上記のように第１被膜および第２被膜以外に第３被膜および第４被膜が形成される場合には、これらの第３被膜、第４被膜は物理蒸着法により形成することが好ましい。

このように本発明の表面被覆切削工具の被膜においては、第１被膜については化学蒸着法（ＣＶＤ）とセラミックを用いた機械的衝撃処理とを、そして、第２〜第４被膜については物理蒸着法により形成することが好ましい。これにより、各層間の優れた密着力と高い製造効率を得ることができるからである。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の各被膜の化学組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）によって確認し、圧縮残留応力は上記に説明したｓｉｎ²ψ法により平均値を求めることによって算出した。また、以下では被膜を物理蒸着法であるカソードアークイオンプレーティング法により形成しているが、例えばバランスドまたはアンバランスドマグネトロンスパッタリング法や公知の他の物理蒸着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＞
まず、基材として、グレードがＪＩＳ規格Ｋ２０のＷＣ基超硬合金であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８であるものを使用し、これに公知のＣＶＤ製法を用いて約９００℃でＴｉＮ、ＴｉＣＮおよび約１０００℃でα型酸化アルミナ材料よりなる第１被膜を形成した。

次いで、ＣＶＤにより形成した第１被膜に、投射圧０．０５〜０．３ＭＰａ、投射距離５〜１００ｍｍ、セラミック濃度１０〜３０ｖｏｌ％の条件下、粒径１５０μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃などのセラミック砥粒による機械的衝撃処理を施すことにより、残留圧縮応力を導入した。

第１被膜形成後の基板を、カソードアークイオンプレーティング装置に装着した。続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を１×１０^−３Ｐａ以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を５００℃に加熱し、１時間保持した。

次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−５００Ｖとし、被膜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。

次いで、上記第１被膜表面に形成される被膜として、化学組成および積層構成が以下の表１に示したものとなるように金属蒸発源であるターゲットをセットするとともに、反応ガスとして窒素、メタン（炭素源として）、酸素または一酸化炭素（酸素源として）のいずれか１以上のガスを導入させながら、基材（基板）温度６５０℃、反応ガス圧２．０Ｐａ、基板バイアス電圧を−２００Ｖに維持したまま、カソード電極に１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させることにより、上記基材表面に各構成の被膜を形成した。

このようにして、表１に示したＮｏ．１〜１９の表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．１〜１５が本発明の実施例であり、Ｎｏ．１６〜１９は比較例である（ただし、各比較例の下記被膜については以下の成膜方法を採用した）。

Ｎｏ．１６の比較例は、第１被膜、第２被膜とともにＣＶＤ法（被膜温度９００〜１０００℃）により形成されており、０．４ＧＰａの引張残留応力を有している。Ｎｏ．１７および１９の比較例は第１被膜がＣＶＤ法（１０００℃）により形成された後、鋼球を用いて乾式でショットブラストを行った結果、それぞれの被膜には０．１、−１．５ＧＰａの残留応力が導入されており、またそれぞれの第２被膜はＰＶＤ法で形成され、各々−２．７ＧＰａ、−２．９ＧＰａの残留応力を有している。Ｎｏ．１８の比較例は第１被膜がＣＶＤ法（被膜温度１０００℃）で形成され、続いて第２被膜がＰＶＤ法で形成されており、−２．６ＧＰａの残留応力を有している。

上記表１において、被膜の積層構成は、左のものから順に基材上に積層させたことを示している。また、上記表１において、「※」の記号を付したものが比較例である。

そして、これらの表面被覆切削工具について、下記の条件により、耐摩耗性試験と断続切削試験を行なった。その結果を表１にあわせて示す。耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量が０．２ｍｍとなる時間を測定し、その時間が長いもの程耐摩耗性に優れていることを示している。また、断続切削試験では、工具が欠損するまでの時間を測定し、その時間が多いもの程靭性に優れていることを示している。

＜耐摩耗性試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５丸棒
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切込みｄ：１．５ｍｍ
送りｆ：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：湿式
＜断続切削試験＞
被削材：ＳＣＭ４４０（４本溝入り丸棒）
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
切込み：１．５ｍｍ
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
上記表１において、「※」の記号を付したものが比較例である。また、「第１被膜残留応力」および「第２被膜残留応力」の欄は、上記のｓｉｎ²ψ法によりすくい面の平坦部の残留応力を測定した結果を示している。

なお、第２被膜が複数層からなるものについては、Ｎｏ．１、４、５、６、８、１７、１８、１９については「ＴｉＡｌＮ」、Ｎｏ．２については「ＴｉＳｉＮ」、Ｎｏ．１０については「ＴｉＡｌＳｉＮ」、Ｎｏ．１２および１４については、「ＡｌＣｒＳｉＮ」、Ｎｏ．１６については「ＴｉＣＮ」の残留応力を示している。

以上、上記の表１から明らかなように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５の本発明の実施例の表面被覆切削工具は、いずれも優れた耐摩耗性と靭性とを有するとともに、被膜の層間剥離を生じなかった。また、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５の本発明の実施例の表面被覆切削工具は、上記の耐摩耗性試験の条件を考慮すると高温時の耐酸化性や被膜の耐摩耗性に優れていることが明らかであり、特に第２被膜中にＳｉを有するものにおいてその傾向が顕著である。これに対して、Ｎｏ．１６およびＮｏ．１８の比較例の表面被覆切削工具は、第１被膜に引張残留応力を有するため、耐欠損性に劣る。Ｎｏ．１７、１９の比較例の表面被覆切削工具は、第１被膜に引張残留応力は有さないものの鋼球を用いたブラスト処理のため、第２被膜の密着力が低く、耐摩耗性に劣る。

なお、本実施例では、基材として超硬合金製のものを用いたが、サーメット等他の素材のものを用いても同様の効果を得ることができる。また、基材としてチップブレーカを有するものを用いたが、チップブレーカを有していないものや、切削工具の上下面全面が研磨されたような工具（チップ）でも本実施例と同様の効果を得ることができる。

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。

本発明の表面被覆切削工具における基材の概略断面図である。

符号の説明

１ 基材、２ すくい面、３ 逃げ面、４ 刃先稜線部。

Claims (11)

1. 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被膜は、化学蒸着法により形成される第１被膜と物理蒸着法により形成される第２被膜とを含み、
   前記第１被膜は、前記基材と前記第２被膜との間に位置するものであって、α型酸化アルミニウムを少なくとも一層含むものであり、かつセラミック粒子を用いて機械的衝撃を与える処理によって付与された圧縮残留応力を有し、
   前記第２被膜は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物よりなる少なくとも一層によって構成されるものであり、かつ圧縮残留応力を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記第２被膜のうち少なくとも一層は、Ｓｉを含む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. 前記第２被膜は前記第１被膜の直上に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記第１被膜を構成するα型酸化アルミニウムは、Ｚｒおよび／またはＨｆの酸化物との複合酸化物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. 前記第１被膜中の平均圧縮残留応力σ１と前記第２被覆膜中の少なくとも１層の平均圧縮残留応力σ２とは、σ１＜σ２の関係を有す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. 前記第１被膜の平均圧縮残留応力は、０．１〜６ＧＰａの範囲内であり、前記第２被膜の平均圧縮残留応力は、１〜１０ＧＰａの範囲内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。
7. 前記被膜は、前記第１被膜の直上に第３被膜を含み、
   前記第３被膜は、周期律表のＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族の元素、Ａｌ、ならびにＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって主に構成され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. 前記被膜は、さらに第４被膜を含み、
   前記第４被膜は、前記第２被膜上または前記第３被膜上に形成され、かつＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ａｌ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
9. 前記基材は、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、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
    前記第１被膜を化学蒸着法により形成する第１ステップと、
    前記第２被膜を物理蒸着法により形成する第２ステップと、
    を含み、
    前記第１ステップにより形成された前記第１被膜に、前記第２ステップの前に、セラミック粒子を用いて機械的衝撃を与える処理を行うことを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
11. 前記機械的衝撃を与える処理は、湿式で行われることを特徴とする、請求項１０に記載の表面被覆切削工具の製造方法。

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