JP5532320B2 - 表面被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面被覆切削工具に関し、特に表面が凹凸加工された基材上に被膜を被覆した表面被覆切削工具に関する。

表面被覆切削工具の耐摩耗性および表面保護性を向上するために、ＷＣ超硬合金、サーメット等からなる基材の表面に、Ｔｉ、ＴｉＡｌ等の窒化物を単層または複数層積層した被膜を被覆することはよく知られている。

近年、ステンレス、インコネル、チタン合金等のように、被削材の難削化が進んでおり、工具材料に要求される性能は厳しさを増す一方である。難削材の加工には、被膜の耐熱性を向上させることはもちろん、被膜が被削材に溶着して剥離することを防ぐために、基材と被膜とを強固に密着させる必要がある。

たとえば特許文献１では、基材表面に、０．５μｍ以上３０μｍ以下の面粗度Ｒ_maxの凹凸を形成し、該凹凸が形成された基材上に被膜を形成する技術が開示されている。このような表面に被膜を形成することにより、基材と被膜との間にアンカー効果を作用させて、基材と被膜との密着性の向上を図っている。

また、特許文献２には、基材表面に平均高さが０．０５μｍ以上０．５μｍ以下の略三角形状の凸状結合相を形成し、かかる凸状結合相上に被膜を形成する技術が開示されている。このようにして被膜を形成することにより、凸状結合相と被膜とを密着させることをもって、基材と被膜との密着性の向上を図っている。

特許文献３には、被膜を構成する結晶粒として、微粒の結晶粒と粗粒の結晶粒とを含むことにより、切削時に生じやすい大規模な溶着剥離を抑制する技術が開示されている。また、特許文献４には、被膜にＳｉを混入することにより、耐熱性および耐摩耗性を向上せしめた表面被覆切削工具が開示されている。

特開平０４−２８０９７２号公報 特開２００７−０３１７７９号公報 特開２００８−２８４６３６号公報 特開平０８−１１８１０６号公報

特許文献２に示されるように、基材としてＷＣ超硬合金を用いる場合、基材に含まれる結合相は基材表面において、表面全体の１０％程度を占めるのみに留まる。このため、基材表面に位置する結合相の全てを理想的に被膜に接合させたとしても、基材と被膜とを強固に密着させることはできなかった。

また、特許文献３では、被膜を構成する結晶粒を微粒化したことに伴い、基材を構成する硬質粒子も微粒にする必要がある。このため、基材を構成する材料が大幅に制限されることになる。また、特許文献４に開示される被膜は、Ｓｉを含有するため、圧縮残留応力が非常に高くなり、被膜が基材から剥離しやすいことが課題であった。

以上、要するに、基材と被膜との密着性を向上させる試みは、従来から検討されているものの、ドライ切削、高送り条件等のような過酷な切削条件に耐え得るほど、基材と被膜とを密着させることはできていなかった。

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、基材と被膜との密着性を良好に保ち、過酷な切削条件に耐え得る表面被覆切削工具を提供することである。

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表面被覆切削工具であって、基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、基材は、被膜に接する側の表面に位置する長さ５０μｍの基準線における面粗度Ｒ_maxが１μｍ以上１０μｍ以下であり、基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａの長さＬは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、線分Ａに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂと、線分Ａとの距離Ｄは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、該硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳとし、接触線には１または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さＬの和をＴとすると、比Ｔ／Ｓは、０．１以上であることを特徴とする。

被膜は、柱状晶の結晶組織からなり、所定形状の凹部に接する被膜の柱状晶の結晶の幅Ｗは、所定形状の凹部の長さＬよりも小さいことが好ましい。長さＬが、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、かつ距離Ｄが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、かつ比Ｔ／Ｓは０．１以上であることが好ましい。

被膜は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、およびＣｒからなる群より選ばれる１種以上の第１元素の炭化物、窒化物、または炭窒化物を含み、該第１元素に占めるＳｉの原子比は、２０原子％以下であることが好ましい。第１元素に占めるＳｉの原子比は、３原子％以上１０原子％以下であることが好ましい。

表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で該表面被覆切削工具を切断した場合の断面における基材の表面の長さ５０μｍの基準線において、１μｍ以上１０μｍ以下の面粗度Ｒ_maxを形成する第１ステップと、被膜に接する側の基材の表面に位置する硬質粒子の表面に、凹凸を形成する第２ステップと、基材に対し、物理的蒸着法により基材上に被膜を形成する第３ステップとを含み、基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａの長さＬは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、線分Ａに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂと、線分Ａとの距離Ｄは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、該硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳとし、接触線には１または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さＬの和をＴとすると、比Ｔ／Ｓは、０．１以上であることを特徴とする。

第１ステップおよび第２ステップはいずれも、イオンボンバード処理によって行なうことが好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、基材と被膜との密着性を良好に保ち、過酷な切削条件に耐え得るという優れた効果を有する。

基材の被膜に接する側の表面近傍の断面を示す模式図である。 基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面を示す模式図である。 本発明の表面被覆切削工具を作製するための成膜装置の模式図である。 基材の被膜に接する側の表面近傍の断面をＳＥＭで観察したときの画像である。 基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面をＳＥＭで観察したときの画像である。

以下、本発明について、詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の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している。なおまた、本発明において、膜厚は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により測定し、被膜の組成はエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ：Energy Dispersive x-ray Spectroscopy）により測定するものとする。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被膜とを備えたものである。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、たとえばドリル、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切削チップ、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等として極めて有用に用いることができる。

＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含むものであれば、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等の炭窒化物等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）、立方晶型窒化硼素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。上記の中でも、被膜との密着性を良好に保つという観点から、ＷＣ基超硬合金、サーメット等を用いることが好ましい。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よく、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。

本発明において、基材を構成する硬質粒子は、基材の主成分として含まれるものであり、基材の硬度を高めるために含まれるものである。一方、結合相は、上記硬質粒子同士を結合させるために設けられるものである。超硬合金からなる基材を用いる場合、硬質粒子としてはたとえばＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ等が用いられ、結合相としてはたとえばＣｏ、Ｎｉ等が用いられる。一方、サーメットからなる基材を用いる場合、硬質粒子としてはたとえばＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＷＣ等が用いられ、結合相としてはたとえばＣｏ、Ｎｉ等が用いられる。

本発明に用いられる基材は、その表面にマクロな凹凸が形成されているが、該凹凸とは別に、基材の表面に位置する硬質粒子の被膜側の表面にミクロな凹凸が形成されることを特徴とする。本発明において、前者のマクロな凹凸（基材表面の凹凸）を面粗度というパラメータによって規定し、後者のミクロな凹凸（硬質粒子表面の凹凸）を凹部を挟む凸部の先端を結ぶ線分の長さと該線分から凹部の最深部までの深さというパラメータによって規定する。

そして、前者のマクロな凹凸が基材と被膜との密着性の向上に寄与し、後者のミクロな凹凸が被膜を構成する結晶の幅Ｗを緻密にすることに寄与する。本発明の基材は、前者のマクロな凹凸と後者のミクロな凹凸とが組み合わせられた表面性状を備えることにより、従来技術では予測し得ないほど基材と被膜との密着性を向上させることができ、もって過酷な切削条件に耐え得る表面被覆切削工具を提供することができる。以下においては、図１を用いて、前者のマクロな凹凸（基材表面の面粗度）を説明し、図２を用いて、後者のミクロな凹凸（硬質粒子表面の凹凸）を説明する。

＜基材の表面の面粗度＞
図１は、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面であって、基材の被膜に接する側の表面近傍を示す模式図である。本発明の基材は、図１に示される表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、被膜に接する側の表面に位置する長さ５０μｍの基準線における面粗度Ｒ_maxが１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。ここで、面粗度Ｒ_maxは、基準線内の基材の凸部の最大値（最高高さ）と凹部の最小値（最低高さ）との差であり、その値が大きいほど凹凸の段差が粗いことを示す。

このような面粗度を表面に有する基材は、その上に形成される被膜との接触面積が大きくなるため、被膜との密着性を向上させることができる。基準線における面粗度Ｒ_maxが１μｍ未満であると、基材と被膜との接触面積を確保することができず、十分な密着性を確保することができなくなる。１０μｍを超えると、基材の表面の凹凸が、その上に形成される被膜にまで影響を与え、被削材が被膜に溶着しやすくなり溶着剥離を起こしやすくなる。

基材の表面の面粗度Ｒ_maxは、次のようにして算出する。まず、被膜の表面に対する法線を含む平面に沿って被膜および基材を切断し、その断面を機械研磨する。そして、その断面に対する垂直方向からＳＥＭを用いて２５００倍〜５０００倍で観察する（図１は観察画像の模式図である）。この観察画像において、基準線内の基材の凸部の最大値と凹部の最小値との差が面粗度Ｒ_maxとなる。

＜硬質粒子表面の凹凸＞
図２は、基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面を示す模式図である。図２に示されるように、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、上述の基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａの長さＬは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、線分Ａに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂと、線分Ａとの距離Ｄは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする。このような形状の凹部を形成することにより、その上に形成される被膜を構成する結晶の幅を１００ｎｍ以下の微細な構造にすることができ、もって溶着剥離や被膜の破壊が著しく生じにくくなる。上記の長さＬおよび距離Ｄはいずれも、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。

上記の長さＬが１０ｎｍ未満または１００ｎｍを超えると、被膜の結晶の幅を微細化しにくく、被削材を切削加工するときに溶着剥離や被膜を構成する結晶粒の脱落が生じやすくなる。

本発明における硬質粒子の表面に形成される凹凸の形状を示す長さＬおよび距離Ｄは、次のようにして算出する。上述の基材表面の面粗度Ｒ_maxを算出するときに得た断面に対し、ＳＥＭを用いて２５０００倍〜５００００倍で観察した画像を得る。かかる画像にて観察できる任意の凹部を拡大し、その凹部を挟む凸部の先端を結んで線分Ａを描き、その線分Ａの長さＬを測定する。そして、該線分Ａに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂと線分Ａとの距離Ｄを測定する。

本発明においては、硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳとし、該接触線には１または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さＬの和をＴとすると、比Ｔ／Ｓは、０．１以上であることを特徴とする。ここで、「接触線」とは、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、硬質粒子と被膜とが接触する線状の部分をいう。比Ｔ／Ｓが大きいほど、硬質粒子と被膜とが接触する部分の硬質粒子の表面に凹凸が形成されていることを示す。

このような接触線の長さＳは、表面被覆切削工具の断面の画像に基づいて直接的に算出する。比Ｔ／Ｓの算出方法としては、まず、表面被覆切削工具の断面において、硬質粒子と被膜との接触線の長さＳが１μｍとなる範囲に対し、その長さＳの範囲を占める部分の所定形状の凹部の個数を求め、それぞれの所定形状の凹部の長さＬを加算してＴを算出する。このようにして接触線の長さＳに対する所定形状の凹部の長さの和Ｔの比Ｔ／Ｓを算出する。上記の比Ｔ／Ｓは、０．２以上であることがより好ましい。一方、比Ｔ／Ｓが０．１未満であると、微細な結晶の割合が低くなり、溶着剥離や被膜破壊を抑制する効果が得られにくくなるため好ましくない。

＜被膜＞
本発明における被膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被膜が形成されていない態様をも含み、さらにまた部分的に被膜の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。また、本発明の被膜は、その全体の膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。１μｍ未満であると耐摩耗性に劣る場合があり、１０μｍを超えると基材との密着性および耐欠損性が低下する場合がある。このような被膜の特に好ましい膜厚は２μｍ以上５μｍ以下である。また、本発明の被膜は、１層のみに限られるものではなく、２層以上積層させたものであってもよい。

本発明の被膜は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、およびＣｒからなる群より選ばれる１種以上の第１元素の炭化物、窒化物、または炭窒化物を含み、該第１元素を占めるＳｉの原子比は、２０原子％以下であることが好ましい。より好ましいＳｉの原子比は３原子％以上１０原子％以下である。Ｓｉの原子比が２０原子％を超えると、被膜の圧縮残留応力が大きくなりすぎて、被膜自体が自己破壊するため好ましくない。このような組成からなる被膜は、柱状晶の結晶組織からなるものとなる。

従来のようにＳｉを含まないＴｉＮやＴｉＡｌＮからなる被膜は、通常１００ｎｍ以上の幅の結晶粒になりやすいが、上記のように被膜の構成成分としてＳｉを含むことにより、被膜を構成する結晶の幅Ｗを微細化することができ、もって耐熱性および耐摩耗性を向上させることができる。

上記の被膜において、結晶の幅Ｗは、凹部の長さＬよりも小さいことが好ましい。被膜を構成する結晶の幅Ｗが、上記の硬質粒子の表面の凹部の長さＬよりも小さくなると、基材に対する被膜の密着性を向上させることができ、もって被削材の溶着剥離や被膜を構成する粒子の脱落等を著しく発生しにくくすることができる。これによりＳｉを含有したために、被膜の圧縮残留応力が高くなっても、基材と被膜との密着性が低下しにくくなる。なお、上記の結晶の幅Ｗは、被膜の断面をＳＥＭで観察したときに、被膜を構成する結晶粒の長手方向に対し、垂直方向に最短となる線分の長さをいうものとする。

＜製造方法＞
本発明の表面被覆切削工具を作製する方法としては、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で該表面被覆切削工具を切断した場合の断面における基材の表面の長さ５０μｍの基準線において、１μｍ以上１０μｍ以下の面粗度Ｒ_maxを形成する第１ステップと、被膜に接する側の基材の表面に位置する硬質粒子の表面に、凹凸を形成する第２ステップと、該基材に対し、物理的蒸着法により基材上に被膜を形成する第３ステップとを含むことを特徴とする。

ここで、上記の第１ステップおよび第２ステップにおいて、基材および硬質粒子の表面に凹凸を形成する方法としては、イオンボンバード処理、化学的エッチング処理、ショットブラスト処理、およびこれらを組み合わせた処理等を挙げることができる。中でもイオンボンバード処理は、その後の被膜を形成するステップを同一の装置内で行ない得るため、基材の表面処理から被膜の成膜に至るまでの各ステップを一貫して行なうことができ、生産性の観点から最も好ましい。

本発明の被膜は、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により形成されることが好ましい。これは、本発明の被膜を基材表面に成膜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であることが不可欠であり、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最適であることが見出されたからである。物理的蒸着法には、たとえばスパッタリング法、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法を用いると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属またはガスイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜と基材との密着性が格段に向上するというメリットがある。したがって、本発明の被膜は、物理的蒸着法の一種であるカソードアークイオンプレーティング法を採用して形成することが好ましい。以下においては、アークイオンプレーティング装置を用いて本発明の表面被覆切削工具を作製する各ステップを図３を参照しつつ説明する。

図３は、本発明の表面被覆切削工具を作製するための成膜装置の模式図である。図３に示される装置は、チャンバー１と、該チャンバー１に原料ガスを導入するためのガス導入口２と、原料ガスを外部に排気するためのガス排出口３とを有する。チャンバー１は、真空ポンプ（図示せず）に接続されており、ガス排出口３を通じてチャンバー１の内部の圧力を変化させることができる。

また、チャンバー１内には基材５を保持するための基材ホルダー４が設けられており、この基材ホルダー４は、基材バイアス直流電源１０の負極に電気的に接続されている。他方、基材バイアス直流電源１０の正極はアースされ、かつチャンバー１と電気的に接続されている。チャンバー１の側壁には、アーク式蒸発源６、７が取り付けられており、アーク式蒸発源６、７はそれぞれ、可変電源である直流電源８、９の負極に接続されており、直流電源８、９の正極はアースされている。

＜第１ステップ＞
まず、基材ホルダー４に基材５をセットし、Ａｒガスによるスパッタクリーニング（ボンバード）を兼ねた第１ステップのイオンボンバードを行なう。

第１ステップにおいて、基材表面の長さ５０μｍの基準線において、１μｍ以上１０μｍ以下の面粗度Ｒ_maxを形成する。かかる第１ステップは、基材５に対し、チャンバー１内の圧力を０．５Ｐａ以上１．５Ｐａ以下の比較的低圧で、−１２００Ｖ以上−８００Ｖ以下の比較的高いバイアス電圧を基材に維持してイオンボンバード処理することにより行なわれることが好ましい。

＜第２ステップ＞
続く、第２ステップにおいては、基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の表面に凹凸を形成する。かかる第２ステップは、基材５に対し、チャンバー１内の圧力を１．５Ｐａ以上２．５Ｐａ以下の比較的高圧で、−８００Ｖ以上−４００Ｖ以下の比較的低いバイアス電圧を基材に維持してイオンボンバード処理することにより行なわれることが好ましい。

＜第３ステップ＞
上記のようにして基材表面をイオンボンバード処理を行なった後に、該基材に対し、物理的蒸着法により基材上に被膜を形成する。まず、アーク式蒸発源７に被膜を構成するターゲットをセットする。ターゲットとしては、ＴｉやＣｒの種々の金属単体もしくは金属化合物を用いることができる。

被膜を構成する金属元素が２種以上である場合、アーク式蒸発源７に加えて、アーク式蒸発源６にターゲットをセットすることが好ましい。なお、図３においては、２個のアーク式蒸発源６、７を備える場合を示しているが、３個以上のアーク式蒸発源を用いてもよいことは言うまでもない。

上記のようにターゲットをセットした後に、アーク式蒸発源６、７に直流電流を印加するとともに、アーク式蒸発源６、７とチャンバー１との間に数十から数百Ｖ程度の電圧を印加することにより、アーク式蒸発源６、７とチャンバー１との間をアーク放電させる。そして、アーク式蒸発源６、７にセットされたターゲットを部分的に溶解し、アーク式蒸発源６、７から基材５に向けてターゲットを蒸発させる。この蒸発したターゲットが窒素ガス等の原料ガスと反応させて、基材上に被膜を形成する。

被膜を被覆するときにチャンバー１内に導入する原料ガスとしては、アルゴンガス、窒素ガス、または酸素ガスの他、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、これらを１種以上混合して用いてもよい。

以上の製造方法により作製される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表面被覆切削工具であって、基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、基材は、被膜に接する側の表面に位置する長さ５０μｍの基準線における面粗度Ｒ_maxが１μｍ以上１０μｍ以下であり、基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａの長さＬは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、線分Ａに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂと、線分Ａとの距離Ｄは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、該硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳとし、接触線には１または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さＬの和をＴとすると、比Ｔ／Ｓは、０．１以上である。

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。

＜実施例１＞
本実施例の表面被覆切削工具の基材として、その材質がＩＳＯ Ｐ３０グレードの超硬合金であって、形状がＳＦＫＮ１２Ｔ３ＡＺＴＮのものを用いた。基材を構成する超硬合金は、硬質粒子としてＷＣを含み、該硬質粒子をＣｏからなる結合相によって結合してなるものである。図３は、本実施例の表面被覆切削工具の作製に用いた成膜装置の模式図である。

上記基材を図３の成膜装置の基材ホルダー４にセットするとともに、アーク式蒸発源７のターゲット材料にＴｉをセットした。そして、真空ポンプによりチャンバー１の内部の圧力を１．０×１０^-3Ｐａとなるまで真空引きを行なった。これと同時に、チャンバー内のヒーター（図示せず）により、チャンバー内の温度を４５０℃まで昇温した。

そして、第１ステップとして、Ａｒガスを導入してチャンバー１の内部の圧力を１．０Ｐａに保持し、直流電源９からＤＣバイアス電圧を徐々に上げながら−１２００Ｖに維持し、イオンボンバード処理を６０分間行なった。このようにして基材表面を９．４μｍの面粗度Ｒ_maxにした。

次に、第２ステップとして、チャンバー内の圧力が２．０Ｐａとなるようにガス導入口２からアルゴンガスを導入したとともに、ＤＣバイアス電圧を−６００Ｖに維持し、イオンボンバード処理を３０分間行なった。このようにして基材表面に位置する硬質粒子の表面に凹凸を形成した。

その後、チャンバー内の圧力が３．０Ｐａになるようにガス導入口２から窒素ガスを導入するとともに、直流電源９からアーク式蒸発源７に１００Ａの電流を供給し、アーク式蒸発源７から前方向にＴｉイオンを蒸発させた。そして、アーク式蒸発源７に電流を供給するとともに、ガス導入口２から窒素ガスを導入し、基材バイアス直流電源１０の電圧を６０Ｖにセットし、その電圧を一定に保った。基材５の表面でＴｉイオンと窒素ガスとが反応することにより、基材上に３μｍの厚みのＴｉＮからなる被膜を形成した。以上のようにして、本実施例の表面被覆切削工具を作製した。

＜実施例２〜７および比較例１〜６＞
実施例２〜７および比較例１〜６の表面被覆切削工具は、実施例１の表面被覆切削工具に対し、第１ステップおよび第２ステップのイオンボンバード処理の条件、ならびに被膜を形成するターゲット材料が、表１の「第１ステップ」、「第２ステップ」、および「被膜」の「組成」の欄に示されるように異なる他は、実施例１と同様の方法により作製した。なお、比較例１、２、および６においては、第２ステップを行なわなかった。なおまた、実施例６のように、被膜を構成する金属元素が多い場合は、図３中のアーク式蒸発源６、７の両方にターゲット材料をセットした。

なお、目的の組成からなる被膜を得るために、チャンバー１に原料ガスを供給するためのガス導入口２からは、図示していないマスフローコントローラーを介して様々な原料ガスを導入した。

＜基材の表面分析＞
上記のようにして作製した実施例１の表面被覆切削工具において、被膜の表面に対する法線を含む平面に沿って被膜および基材を切断し、その断面を機械研磨した。そして、その断面に対する垂直方向からＳＥＭを用いて２５０００倍で観察した。実施例１の表面被覆切削工具の断面をＳＥＭで観察した画像を図４に示す。

図４は、基材の被膜に接する側の表面近傍の断面をＳＥＭで観察したときの画像である。図４に示される断面において、長さ５０μｍの基準線における最大値と最小値との差を面粗度Ｒ_maxとした。異なる５つの基準線で同様の方法により面粗度Ｒ_maxを測定し、その５回の面粗度Ｒ_maxの測定値の平均を表１の面粗度Ｒ_maxの欄に示した。

次に、同断面をＳＥＭを用いて２５０００倍で観察した。図５は、基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面をＳＥＭで観察したときの画像である。なお、図５においては、凹部のうちの１つを示したものである。基材の表面に位置する硬質粒子の表面の凹凸を構成する凹部のうちの任意の５つの凹部において、該凹部を挟む凸部の先端を結ぶ線分Ａの長さＬを求め、その５点の平均値を算出し、表１の「長さＬ」の欄に示した。また、線分Ａに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂを描き、線分Ａと線分Ｂとの距離Ｄを求め、その５点の平均値を算出し、表１の「距離Ｄ」の欄に示した。

被膜を構成する結晶粒の幅Ｗとしては、同断面をＳＥＭを用いて２５０００倍で観察した画像において、断面の観察で区別し得る結晶粒の長手方向に対し、垂直で最短となる線分の長さを算出し、その５回測定の平均値を表１の「結晶の幅Ｗ」の欄に示した。

上記の各実施例の表面被覆切削工具の断面において、硬質粒子と前記被膜との接触線の長さＳが１μｍを占める範囲の所定形状の凹部の個数を算出し、そのそれぞれの所定形状の凹部の長さＬを加算することによりＴ／Ｓを算出した。同様の方法で５回測定し、その平均値を表１の「比Ｔ／Ｓ」の欄に示した。

以上の分析の結果から、各実施例で作製された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表面被覆切削工具であって、基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、基材は、被膜に接する側の表面に位置する長さ５０μｍの基準線における面粗度Ｒ_maxが１μｍ以上１０μｍ以下であり、基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａの長さＬは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、線分Ａに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂと、線分Ａとの距離Ｄは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、該硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳとし、接触線には１または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さＬの和をＴとすると、比Ｔ／Ｓは、０．１以上であることが確認された。

＜工具寿命の評価＞
上記で作製した各実施例および各比較例の表面被覆切削工具のそれぞれについて、乾式の断続切削試験を行なうことにより工具寿命の評価を行なった。断続切削加工の条件は、ＳＵＳ３０４を被削材として用い、切削速度１２０ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．２ｍｍ／刃、切り込み２．０ｍｍの条件で、基材の表面が露出するまでフライス切削加工を行なった。そして、基材露出までに切削した切削長さを下記の表２に示した。なお、切削長さが長いほど、工具寿命が長いことを示している。

表２から明らかなように、各実施例の本発明に係る表面被覆切削工具は、各比較例の表面被覆切削工具に比し、工具寿命を向上させていることが明らかである。これは、基材と被膜との密着性が向上したことによるものと考えられる。以上により、本発明によれば表面被覆切削工具の工具寿命を向上できることを確認した。

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。

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 直流電源、１０ 基板バイアス電源。

Claims (6)

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の製造方法であって、
   前記表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で該表面被覆切削工具を切断した場合の断面における前記基材の表面の長さ５０μｍの基準線において、１μｍ以上１０μｍ以下の面粗度Ｒ_maxを形成する第１ステップと、
   前記被膜に接する側の前記基材の表面に位置する硬質粒子の表面に、凹凸を形成する第２ステップと、
   前記基材に対し、物理的蒸着法により前記基材上に前記被膜を形成する第３ステップとを含み、
   前記基準線における前記硬質粒子の前記凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａの長さＬは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記線分Ａに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂと、前記線分Ａとの距離Ｄは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
   前記硬質粒子と前記被膜との接触線の長さをＳとし、前記接触線には１または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の前記長さＬの和をＴとすると、比Ｔ／Ｓは、０．１以上であり、
   前記第１ステップおよび前記第２ステップはいずれも、イオンボンバード処理によって行なう、表面被覆切削工具の製造方法。
2. 請求項１に記載の表面被覆切削工具の製造方法により製造された表面被覆切削工具であって、
   基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、
   前記基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、
   前記被膜に接する前記硬質粒子は、前記被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、
   前記表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、前記基材は、前記被膜に接する側の表面に位置する長さ５０μｍの基準線における面粗度Ｒ_maxが１μｍ以上１０μｍ以下であり、
   前記基準線における前記硬質粒子の前記凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａの長さＬは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記線分Ａに平行でかつ前記凹部の最深部に接する線分Ｂと、前記線分Ａとの距離Ｄは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
   前記硬質粒子と前記被膜との接触線の長さをＳとし、前記接触線には１または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の前記長さＬの和をＴとすると、比Ｔ／Ｓは、０．１以上である、表面被覆切削工具。
3. 前記被膜は、柱状晶の結晶組織からなり、
   前記所定形状の凹部に接する前記被膜の柱状晶の結晶の幅Ｗは、前記所定形状の凹部の長さＬよりも小さい、請求項２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記長さＬが、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、かつ前記距離Ｄが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、かつ前記比Ｔ／Ｓは０．１以上である、請求項２または３に記載の表面被覆切削工具。
5. 前記被膜は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、およびＣｒからなる群より選ばれる１種以上の第１元素の炭化物、窒化物、または炭窒化物を含み、
   前記第１元素に占めるＳｉの原子比は、２０原子％以下である、請求項２〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
6. 前記第１元素に占めるＳｉの原子比は、３原子％以上１０原子％以下である、請求項５に記載の表面被覆切削工具。