JP5817932B2 - 被覆工具 - Google Patents

Description

本発明は、被覆工具に関するものである。

近年、切削加工の高能率化の需要の高まりに伴い、従来よりも工具寿命の長い切削工具が求められている。このため、工具材料の要求特性として、切削工具の寿命に関係する耐摩耗性の向上および耐欠損性の向上が一段と重要になっている。そこで、これらの特性を向上させるため、被膜を交互に積層した交互積層膜を基材上に形成した被覆工具が用いられている。

そこで、このような交互積層膜の特性を改善するための様々な技術が提案されている。たとえば特許文献１には、特定の金属元素あるいはその化合物と、特定の合金化合物とを積層周期０．４ｎｍ〜５０ｎｍで母材表面に積層した、耐摩耗性に優れた切削工具が提案されている。

また、特許文献２には、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ（原子比で、Ｘ：０．３０〜０．７０）の組成式で示される複合窒化物の第１薄層と、酸化アルミニウム相の割合が窒化チタン相との合量に占める割合で３５〜６５質量％である第２薄層とを、個々の平均層厚０．２〜１μｍにて、基体の表面に４層以上交互積層して全体平均層厚２〜１０μｍとした、重切削条件においても優れた耐摩耗性を示す切削工具が提案されている。

さらに、特許文献３には、１〜５０ｎｍの厚さを有する層が順次周期的に繰り返し積層されてなる部分層を含む、１００〜５０００ｎｍの厚さを有する層と、１００〜５０００ｎｍの厚さを有する単一層とが、硬質母材上に交互に１０層以上積層されてなる、耐摩耗性および耐溶着性に優れた切削工具が提案されている。

特開平７−２０５３６１号公報 特開２００３−２００３０６号公報 特開平１１−１２７１８号公報

近年の切削加工では高速化や高送り化および深切り込み化がより顕著となり、加工中に刃先にかかる負荷により工具表面から発生したクラックが基材へと進展したり、刃先温度の急激な増減により基材から発生したクラックが被覆層中に進展したりすることに起因した工具の欠損が多々見られるようになってきた。

この様な背景により上記特許文献１の発明の積層周期が０．４〜５０ｎｍと薄膜の積層からなる切削工具では高い耐摩耗性は示すものの、工具の欠損が生じやすいという問題がある。また、特許文献２の発明の個々の平均層厚が厚い交互積層からなる切削工具では、被膜の硬度が不十分なため、耐摩耗性が劣るという問題がある。さらに、特許文献３の発明の薄い膜の積層と単一層膜との積層構造を有する切削工具では耐欠損性が不十分なため、上記要求の性能を満たせなくなってきている。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、耐摩耗性を低下させずに耐欠損性を向上させた工具寿命の長い被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者らは被覆工具の工具寿命の延長について研究を重ねたところ、被覆層の層構成と組成を改良することによって、耐摩耗性を低下させずに、耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、被覆工具の工具寿命を延長することができた。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）基材と、基材の表面に形成された被覆層とを含み、該被覆層は第１積層構造と第２積層構造とを含み、前記第１積層構造は組成が異なる２層以上の層を、各層の平均層厚を６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層した構造であり、前記第２積層構造は組成が異なる２層以上の層を、各層の平均層厚を２ｎｍ以上６０ｎｍ未満の厚みとして周期的に積層した構造であり、前記第１積層構造を構成する層および第２積層構造を構成する層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｙ、ＳｎおよびＢｉから選択される金属元素の少なくとも１種からなる金属；並びに、これら金属元素の少なくとも１種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも１種とからなる化合物からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む、被覆工具。

（２）前記第１積層構造は、組成が異なる２層を交互に各２層以上積層した交互積層構造である（１）の被覆工具。

（３）前記第２積層構造は、組成が異なる２層を交互に各２層以上積層した交互積層構造である（１）または（２）の被覆工具。

（４）前記被覆層は、前記第１積層構造と第２積層構造とを交互に２つ以上連続して積層した構造を含む（１）〜（３）のいずれかの被覆工具。

（５）前記第１積層構造の積層周期の平均値Ｔ_１と、前記第２積層構造の積層周期の平均値Ｔ_２との差（Ｔ_１−Ｔ_２）が２０ｎｍ〜９９６ｎｍである、（１）〜（４）のいずれかの被覆工具。

（６）前記第１積層構造を構成する各層および前記第２積層構造を構成する各層は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹから選択される金属元素の少なくとも２種からなる金属；並びに、これら金属元素の少なくとも２種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも１種とからなる化合物からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む、（１）〜（５）のいずれかの被覆工具。

（７）前記第１積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第１積層構造を構成する各層の間で同一であり、前記第１積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、当該層に隣接した前記第１積層構造を構成する層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が５原子％以上である金属元素が１種以上含まれる、（１）〜（６）のいずれかの被覆工具。

（８）前記第２積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第２積層構造を構成する各層の間で同一であり、前記第２積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、当該層に隣接した前記第２積層構造を構成する層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が５原子％以上である金属元素が１種以上含まれる、（１）〜（７）のいずれかの被覆工具。

（９）前記第１積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、当該層に隣接する前記第１積層構造を構成する層に含まれる金属元素が１種以上異なる、（１）〜（６）のいずれかの被覆工具。

（１０）前記第２積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、当該層に隣接する前記第２積層構造を構成する層に含まれる金属元素が１種以上異なる（１）〜（６）及び（９）のいずれかの被覆工具。

（１１）前記被覆層全体の総層厚は平均層厚で０．２２〜１２μｍである（１）〜（１０）のいずれかの被覆工具。

（１２）前記第１積層構造の平均厚さは０．２〜６μｍである（１）〜（１１）のいずれかの被覆工具。

（１３）前記第２積層構造の平均厚さは０．０２〜６μｍである（１）〜（１２）のいずれかの被覆工具。

本発明の被覆工具は、耐摩耗性および耐欠損性に優れるので、従来よりも工具寿命が長いという効果を奏する。

本発明の被覆工具の断面組織の模式図の一例である。

本発明の被覆工具は、基材と基材の表面に形成された被覆層とを含む。本発明における基材は被覆工具の基材として用いられるものであれば特に限定はされないが、その例として、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、高速度鋼などを挙げることができる。その中でも、基材が超硬合金であると、耐摩耗性および耐欠損性に優れるので、さらに好ましい。

本発明の被覆工具における被覆層全体の総層厚は、平均層厚で０．２２μｍ未満であると耐摩耗性が低下する傾向がみられ、被覆層全体の総層厚が平均層厚で１２μｍを超えて厚くなると耐欠損性が低下する傾向がみられるので、被覆層全体の総層厚は平均層厚で０．２２〜１２μｍであることが好ましい。その中でも、被覆層全体の総層厚は平均層厚で１．０〜８．０μｍであるとさらに好ましい。

次に、上述の通り本発明の被覆工具における被覆層は、特定の第１積層構造及び第２積層構造を含む。その第１積層構造を構成する各層は、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｙ、ＳｎおよびＢｉから選択される金属元素の少なくとも１種からなる金属；並びに、
これら金属元素の少なくとも１種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも１種とからなる化合物
からなる群より選ばれた少なくとも１種を含み、耐摩耗性に優れる。

その中でも、第１積層構造を構成する層は、
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹから選択される金属元素の少なくとも２種からなる金属；並びに、
これら金属元素の少なくとも２種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも１種とからなる化合物
からなる群より選ばれた少なくとも１種を含むと、硬質であるので、さらに好ましい。そのような第１積層構造の構成層を構成する金属または化合物として具体的には、（Ａｌ_{０ ．５０}Ｔｉ_０．５０）Ｎ、（Ａｌ_０．６０Ｔｉ_０．４０）Ｎ、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_{０．３ ３}）Ｎ、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）ＣＮ、（Ａｌ_０．４５Ｔｉ_０．４５Ｓｉ_０．１０）Ｎ、（Ａｌ_０．４５Ｔｉ_０．４５Ｙ_０．１０）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ti_０．３０Ｃｒ_{０． ２０}）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．４５Ｎｂ_０．０５）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．４５Ｔａ_０．０５）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．４５Ｗ_０．０５）Ｎ、（Ｔｉ_０．９０Ｓｉ_{０ ．１０}）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｃｒ_０．５０）Ｎなどを挙げることができる。

本発明の被覆工具の被覆層における第１積層構造は、これらの金属または化合物からなる２層以上を、各層の平均層厚を６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層した構造を持つ。この一定の周期性をもって積層される構造には、組成が異なる２層以上の層が含まれている。これらの組成が異なる層は、交互に各２層以上積層することが、クラックが進展するのを抑制し、耐欠損性が向上する観点から好ましい。

本発明において層の積層が繰り返される最小単位の厚さを「積層周期」という。図１は本発明の被覆工具の断面組織の模式図の一例であるが、以下、これを利用して積層周期について説明する。例えば、組成が異なるＡ１層（５）、Ｂ１層（６）、Ｃ１層、Ｄ１層を、基材１から被覆層２の表面に向かって、Ａ１層→Ｂ１層→Ｃ１層→Ｄ１層→Ａ１層→Ｂ１層→Ｃ１層→Ｄ１層→…と繰り返し積層した場合、Ａ１層からＤ１層までの層厚の合計を「積層周期」とする。また、組成が異なるＡ１層（５）とＢ１層（６）を、基材１から被覆層２の表面に向かって、Ａ１層→Ｂ１層→Ａ１層→Ｂ１層→Ａ１層→Ｂ１層→…と繰り返し積層した場合、Ａ１層の層厚とＢ１層の層厚の合計を「積層周期」とする。

組成が異なる平均層厚６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の各層を、このような周期性を持たせて積層することで、被覆工具の使用により被覆層の表面から進展したクラックが第１積層構造に到達すると、そこで組成の異なる層と層との界面に平行な方向にクラックが進展するようになり、クラックが基材まで進展することを防止する作用が得られる。このような効果は、組成が異なる２層が交互に各２層以上積層した交互積層構造であるとさらに高くなるので、好ましい。具体的には、組成が異なるＡ１層とＢ１層を、基材から被覆層の表面に向かって、Ａ１層→Ｂ１層→Ａ１層→Ｂ１層→…と交互に２層以上積層を繰り返す交互積層構造が、第１積層構造として好ましい。

本発明の被覆工具の被覆層における第１積層構造を構成する各層について、その平均層厚が６０ｎｍ未満であるとクラックが基材まで進展することを防止する作用が低下し、一方５００ｎｍを超えて厚くなると耐欠損性が低下するので、前記第１積層構造を構成する各層の平均層厚を６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とした。その中でも、前記第１積層構造を構成する各層の平均層厚が６０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であるとさらに好ましい。

また、前記第１積層構造の平均厚さは、０．２μｍ未満であると組成の異なる層の周期的な積層の繰り返し数が少なくなり、基材までクラックが進展することを抑制する作用が低下する傾向を示し、逆に６μｍを超えて厚くなると被覆層全体の残留圧縮応力が高くなり、被覆層の剥離や欠損を生じやすく耐欠損性が低下する傾向を示すので、本発明において第１積層構造の平均厚さは、０．２〜６μｍであるとさらに好ましい。

次に、本発明の被覆工具における被覆層は、上述の通り第２積層構造を含む。この第２積層構造を構成する層は、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｙ、ＳｎおよびＢｉから選択される金属元素の少なくとも１種からなる金属；並びに、
これら金属元素の少なくとも１種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも１種とからなる化合物
からなる群より選ばれた少なくとも１種を含み、耐摩耗性に優れる。

その中でも、第２積層構造を構成する層は、
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹから選択される金属元素の少なくとも２種からなる金属；並びに、
これら金属元素の少なくとも２種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも１種とからなる化合物
からなる群より選ばれた少なくとも１種を含むと、硬質であるので、さらに好ましい。そのような第２積層構造の構成層を構成する金属または化合物として具体的には、（Ａｌ_{０ ．５０}Ｔｉ_０．５０）Ｎ、（Ａｌ_０．６０Ｔｉ_０．４０）Ｎ、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_{０．３ ３}）Ｎ、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）ＣＮ、（Ａｌ_０．４５Ｔｉ_０．４５Ｓｉ_０．１０）Ｎ、（Ａｌ_０．４５Ｔｉ_０．４５Ｙ_０．１０）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ti_０．３０Ｃｒ_{０． ２０}）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．４５Ｎｂ_０．０５）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．４５Ｔａ_０．０５）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．４５Ｗ_０．０５）Ｎ、（Ｔｉ_０．９０Ｓｉ_{０ ．１０}）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｃｒ_０．５０）Ｎなどを挙げることができる。

本発明における第２積層構造は、これらの金属または化合物からなる２層以上を、各層の平均層厚を２ｎｍ以上６０ｎｍ未満の厚みとして周期的に積層した構造を持つ。この一定の周期性をもって積層された構造には、組成が異なる２層以上の層が含まれている。前記第２積層構造は、この組成が異なる層を交互に各２層以上積層させた交互積層構造であることが、硬度が高くなり耐摩耗性が向上する観点から好ましい。

第２積層構造についても、層の積層が繰り返される最小単位の厚さを「積層周期」という。例えば、図１において、組成が異なるＡ２層（７）、Ｂ２層（８）、Ｃ２層、Ｄ２層を、基材１から被覆層２の表面に向かって、Ａ２層→Ｂ２層→Ｃ２層→Ｄ２層→Ａ２層→Ｂ２層→Ｃ２層→Ｄ２層→…と繰り返し積層した場合、Ａ２層からＤ２層までの層厚の合計を「積層周期」とする。また、組成が異なるＡ２層（７）とＢ２層（８）を、基材１から被覆層２の表面に向かって、Ａ２層→Ｂ２層→Ａ２層→Ｂ２層→Ａ２層→Ｂ２層→…と繰り返し積層した場合、Ａ２層の層厚とＢ２層の層厚の合計を「積層周期」とする。

組成が異なる平均層厚２ｎｍ以上６０ｎｍ未満の各層を、このような周期性を持たせて積層することで、本発明の被覆工具における第２積層構造の硬度が高くなり、耐摩耗性を向上させる効果が得られる。このような効果は、組成が異なる２層が交互に各２層以上積層した交互積層構造であるとさらに高くなるので、好ましい。具体的には、組成が異なるＡ２層とＢ２層を、基材から被覆層の表面に向かって、Ａ２層→Ｂ２層→Ａ２層→Ｂ２層→…と交互に２層以上積層を繰り返す交互積層構造が、第２積層構造としてさらに好ましい。

前記第２積層構造を構成する各層について、その平均層厚が２ｎｍ未満であると均一な厚さの層を形成することが困難であり、第２積層構造を構成する層の平均層厚が６０ｎｍ以上になると、硬度が低下して耐摩耗性が低下する。さらに第２積層構造と第１積層構造との層厚差が少なくなり、第１積層構造と第２積層構造の界面に平行な方向にクラックが進展することで基材までクラックが進展することを抑制する効果が十分に得られない。そのため、本発明において第２積層構造を構成する各層の平均層厚を２ｎｍ以上６０ｎｍ未満とした。このような観点から、前記第２積層構造を構成する各層の平均層厚が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であるとさらに好ましい。

また、前記第２積層構造の平均厚さが０．０２μｍ未満であると、周期的な層の繰り返し数が少なくなり、硬度が向上する作用が得られず、一方第２積層構造の平均厚さが６μｍを超えて厚くなると、第２積層構造の残留圧縮応力が高くなって、被覆層の剥離や欠損が生じやすくなり、耐欠損性が低下する傾向を示すことから、第２積層構造の平均厚さは０．０２〜６μｍであることが好ましい。

次に、本発明の被覆工具における第１積層構造の積層周期の平均値Ｔ_１と、第２積層構造の積層周期の平均値Ｔ_２との差（Ｔ_１−Ｔ_２）が２０ｎｍ未満であると、第１積層構造と第２積層構造の界面と平行な方向にクラックが進展してクラックが基材まで進展することを抑制する作用が低下する傾向が見られ、一方Ｔ_１とＴ_２との差（Ｔ_１−Ｔ_２）が９９６ｎｍを超えて大きくなると、第１積層構造の平均厚さが厚くなり耐欠損性が低下する傾向が見られるので、Ｔ_１とＴ_２との差（Ｔ_１−Ｔ_２）は２０〜９９６ｎｍであることが好ましい。その中でもＴ_１とＴ_２との差（Ｔ_１−Ｔ_２）が２０〜５００ｎｍであるとより好ましく、２０〜２５０ｎｍであるとさらに好ましい。

なお、積層周期の平均値とは、例えば、Ａ２層→Ｂ２層→Ａ２層→Ｂ２層→Ａ２層→Ｂ２層→…とＡ２層→Ｂ２層を１００回繰り返し積層した場合、１００個の繰り返し単位の各積層周期の合計を求め、その積層周期の合計を繰り返した回数である１００で割った値のことをいう。

本発明の被覆工具における第１積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第１積層構造を構成する各層の間で同一であり、さらに第１積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、その層に隣接した第１積層構造を構成する別の層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が５原子％以上であるような金属元素が１種以上存在することが好ましい。

このような構成であると、第１積層構造を構成するある層とその隣接層の密着性を低下させずに、層と層の界面において結晶格子の不整合性が得られる。そのため、第１積層構造を構成する層と層の界面と平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が高くなるので、さらに好ましい。

上記の「差の絶対値が５原子％以上であるような金属元素が１種以上存在する」ということについて、例えば、第１積層構造が（Ａｌ_０．５５Ｔｉ_０．４５）Ｎ層と、（Ａｌ_{０ ．６７}Ｔｉ_０．３３）Ｎ層とからなる場合、２つの層の金属元素は、Ａｌ元素とＴｉ元素で同一であるが、（Ａｌ_０．５５Ｔｉ_０．４５）Ｎ層に含まれるＡｌ元素量は金属元素全体に対して５５原子％であり、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）Ｎ層に含まれるＡｌ元素量は金属元素全体に対して６７原子％であり、これら二つの層におけるＡｌ元素量の差は１２原子％であるので、この要件を満たす。また、（Ａｌ_０．４９Ｔｉ_０．３９Ｃｒ_{０．１ ２}）Ｎ層と（Ａｌ_０．５６Ｔｉ_０．３６Ｃｒ_０．０８）Ｎ層のように、２つの層の金属元素はＡｌ元素とＴｉ元素とＣｒ元素で同一であり、２つの層のＴｉ元素量の差は３原子％、２つの層のＣｒ元素量の差は４原子％と、それぞれ５原子％未満であっても、２つの層のＡｌ元素量の差は７原子％であるので、この要件を満たす。

なお、本発明において窒化物を（Ｍ_ａＬ_ｂ）Ｎと表記する場合は、金属元素全体に対するＭ元素の原子比がａ、Ｌ元素の原子比がｂであることを意味する。例えば、（Ａｌ_{０． ５５}Ｔｉ_０．４５）Ｎは、金属元素全体に対するＡｌ元素の原子比が０．５５、金属元素全体に対するＴｉ元素の原子比が０．４５、すなわち、金属元素全体に対するＡｌ元素量が５５原子％、金属元素全体に対するＴｉ元素量が４５原子％であることを意味する。

また、本発明の被覆工具における第２積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、第２積層構造を構成する各層の間で同一であり、さらに第２積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、その層に隣接した第２積層構造を構成する別の層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が５原子％以上であるような金属元素が１種以上存在することが好ましい。

このような構成であると、第２積層構造を構成する層とその隣接層の密着性を低下させずに、層と層の界面において結晶格子の不整合性が得られる。そのため、第２積層構造を構成する層と層の界面と平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が高くなるので、さらに好ましい。前記の「差の絶対値が５原子％以上であるような金属元素が１種以上存在する」の意味は、上記の第１積層構造について説明したのと同様である。

また、別の態様として、本発明の被覆工具における第１積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、その層に隣接した第１積層構造を構成する別の層に含まれる金属元素が１種以上異なると、層と層の界面で結晶格子が不整合となり、層と層の界面に平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が高くなるので、さらに好ましい。例えば、第１積層構造が（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．５０）Ｎ層と（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．３０Ｃｒ_０．２０）Ｎ層とからなる場合、２つの層に含まれる金属元素を比較すると、２つの層はＡｌ元素とＴｉ元素を含むが、Ｃｒ元素については一方の層のみに含まれるので、この要件を満たす。また、第１積層構造が（Ａｌ_０．５０Ｃｒ_０．５０）Ｎ層と、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）Ｎ層とからなる場合も、２つの層に含まれる金属元素を比較すると、２つの層はＡｌ元素を含むが、Ｃｒ元素については一方の層のみに含まれ、Ｔｉ元素については一方の層のみに含まれるので、この要件を満たす。

同様に、本発明の被覆工具において、第２積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、その層に隣接した第２積層構造を構成する別の層に含まれる金属元素が１種以上異なると、層と層の界面で結晶格子が不整合となり、層と層の界面に平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が高くなるので、さらに好ましい。

本発明の被覆工具における被覆層は耐欠損性に優れる第１積層構造と耐摩耗性に優れる第２積層構造とを含むことで、耐欠損性および耐摩耗性に優れる。前記被覆層は、第１積層構造および第２積層構造よりも被覆層の基材と反対側の表面側に上部層を含んでもよい。また、前記被覆層は、第１積層構造および第２積層構造よりも基材側に下部層を含んでもよい。さらに前記被覆層は、第１積層構造と第２積層構造の間に中間層を含んでもよい。

これら上部層、中間層及び下部層の構成は、被覆工具の被覆層として用いられるものであれば特に限定はされないが、その中でも、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｙ、ＳｎおよびＢｉから選択される金属元素の少なくとも１種からなる金属；並びに、これら金属元素の少なくとも１種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも１種とからなる化合物からなる群より選ばれた少なくとも１種からなる層の単層または周期を有さない多層構成であると、耐摩耗性が向上するので、好ましい。

また、第１積層構造と第２積層構造とを交互に２つ以上連続して積層すると、クラックが第１積層構造と第２積層構造との界面と平行な方向に進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が得られ、耐欠損性が向上するため、さらに好ましい。第１積層構造と第２積層構造の位置関係については、基材に最も近いのが第１積層構造、被覆層の基材と反対側の表面に最も近いのが第２積層構造であっても、基材に最も近いのが第２積層構造、被覆層の基材と反対側の表面に最も近いのが第１積層構造であっても、いずれでもよい。さらに、基材に最も近いもの及び被覆層の基材と反対側の表面に最も近いものの双方を第１積層構造又は第２積層構造としてもよい。その中でも、第２積層構造の残留圧縮応力よりも第１積層構造の残留圧縮応力の方が低く、第１積層構造を基材に最も近くして第２積層構造を前記表面に最も近くすると、被覆層の耐剥離性が向上する傾向が見られるので、さらに好ましい。

本発明の被覆工具における被覆層の製造方法は特に限定されるものではないが、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、イオンミキシング法などの物理蒸着法を使用して、基材上に上記で説明した第１積層構造や第２積層構造等の各層を形成していく方法を挙げることができる。その中でもアークイオンプレーティング法は被覆層と基材の密着性に優れるので、さらに好ましい。

本発明の被覆工具は、基材の表面に従来の被覆方法で各層を形成することで得られるが、例えば、以下の製造方法を挙げることができる。

工具形状に加工した基材を物理蒸着装置の反応容器内に入れ、反応容器内を圧力１×１０^−２Ｐａ以下の真空になるまで真空引きする。真空引きした後、反応容器内のヒーターで基材の温度が２００〜８００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にＡｒガスを導入して圧力を０．５〜５．０Ｐａとする。圧力０．５〜５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−２００〜−１０００Ｖのバイアス電圧を印加し、反応容器内のタングステンフィラメントに５〜２０Ａの電流を流して、基材の表面をＡｒガスによるイオンボンバードメント処理をする。基材の表面をイオンボンバードメント処理した後、圧力１×１０^{− ２}Ｐａ以下の真空になるまで真空引きする。

次いで、窒素ガスなどの反応ガスを反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を０．５〜５．０Ｐａにして、基材に−１０〜−１５０Ｖのバイアス電圧を印加し、各層の金属成分に応じた金属蒸発源をアーク放電により蒸発させて基材の表面に各層を形成することができる。なお、離れた位置に置かれた２種類以上の金属蒸発源を同時にアーク放電により蒸発させ、基材を固定した回転テーブルを回転して第１積層構造もしくは第２積層構造を構成する層を形成する場合は、反応容器内の基材を固定した回転テーブルの回転数を調整することによって、第１積層構造もしくは第２積層構造を構成する各層の層厚を制御することができ、２種類以上の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させて第１積層構造もしくは第２積層構造を構成する層を形成する場合は、それぞれの金属蒸発源のアーク放電時間を調整することによって第１積層構造もしくは第２積層構造を構成する各層の層厚を制御することができる。

本発明の被覆工具における被覆層を構成する各層の層厚は、被覆工具の断面組織から光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを用いて測定することができる。なお、本発明の被覆工具における各層の平均層厚は、金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所以上の断面から各層の層厚を測定して、その平均値を計算することで求めることができる。

また、本発明の被覆工具の各層の組成は、本発明の被覆工具の断面組織からエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。

本発明の被覆工具の種類として具体的には、切削インサート、ドリル、エンドミルなどを挙げることができる。

［実施例１］
基材としてＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３インサート形状のＰ１０相当の超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に表１〜３に示す各層の組成になる金属蒸発源を配置した。用意した基材を反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。

その後、反応容器内の圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。真空引き後、反応容器内のヒーターで基材の温度が５００℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内の圧力が５．０ＰａになるようにＡｒガスを導入した。

圧力５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに１０Ａの電流を流して、基材の表面にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間行った。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内の圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。

真空引き後、窒素ガスを反応容器内に導入し、圧力２．７Ｐａの窒素ガス雰囲気にした。基材には−５０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流２００Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて各層を形成した。

なお、発明品１〜１１のＡ１層とＢ１層を形成するときは、Ａ１層の金属蒸発源とＢ１層の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させてＡ１層とＢ１層を形成した。このときＡ１層の層厚とＢ１層の層厚はそれぞれのアーク放電時間を調整して制御した。層厚が厚い比較品１も同様にＸ層の金属蒸発源とＹ層の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させてＸ層とＹ層を形成した。このときＸ層の層厚とＹ層の層厚はそれぞれのアーク放電時間を調整して制御した。

また、発明品１〜１１のＡ２層とＢ２層を形成するときは、Ａ２層の金属蒸発源とＢ２層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させてＡ２層とＢ２層を形成した。このときＡ２層の層厚とＢ２層の層厚は回転テーブルの回転数を０．２〜１０ｍｉｎ^−１の範囲で調整することで制御した。層厚が薄い比較品２の層厚も同様にＸ層の金属蒸発源とＹ層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させてＸ層とＹ層を形成した。このときＸ層の層厚とＹ層の層厚は回転テーブルの回転数を０．２〜１０ｍｉｎ^−１の範囲で調整することで制御した。

基材の表面に所定の層厚まで各層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。

得られた試料の各層の平均層厚は、被覆工具の金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所の断面をＴＥＭ観察し、各層の層厚を測定し、その平均値を計算することで求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆工具の金属蒸発源に対向する面の刃先から中心部に向かって５０μｍまでの位置の断面でＥＤＳを用いて測定した。それらの結果も、表１〜３にあわせて示す。なお、表１〜３の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。

得られた試料を用いて、以下の試験条件で正面フライス加工を行って耐欠損性を評価した。その評価結果を表４に示す。

［試験条件］
被削材：ＳＣＭ４４０、
被削材形状：１０５ｍｍ×２００ｍｍ×６０ｍｍの直方体（但し、正面フライス加工を行う直方体の１０５ｍｍ×２００ｍｍの面に直径φ３０ｍｍの穴が６箇所明けられている。）
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．４ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切り込み：２．０ｍｍ、
切削幅：１０５ｍｍ、
クーラント：無し、
カッター有効径:φ１２５ｍｍ、
評価項目：試料が欠損する（試料の切れ刃部に欠けが生じる）までの加工長を測定する。

表４の結果より、発明品は、均一な各種の層厚の層を交互に積層させた交互積層構造を備える比較品よりも加工長が長く、工具寿命が長いことが分かる。

［実施例２］
基材としてＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３インサート形状のＰ１０相当の超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に表５に示す各層の組成となる金属蒸発源を配置して、実施例１と同様な製造方法で表５及び６に示す層構成の試料を作製した。

得られた試料の各層の平均層厚及び各層の組成を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を表５及び６に示す。また得られた試料を用いて、実施例１と同じ試験条件で正面フライス加工を行って耐欠損性を評価した。その評価結果を表７に示す。

表７より、発明品は、均一な各種の層厚の層を交互に積層した交互積層構造を持つ比較品よりも加工長が長く、工具寿命が長いことが分かる。

［実施例３］
基材としてＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３インサート形状のＰ１０相当の超硬合金を用意した。発明品２３、２５〜３５および比較品３、５〜１５は、アークイオンプレーティング装置の反応容器内に表８及び表１０に示す各層の組成となる金属蒸発源を配置して、実施例１と同様な製造方法で表９及び１０に示す層構成の試料を形成した。

また、発明品２４と比較品４は、アークイオンプレーティング装置の反応容器内に表８及び表１０に示す各層の組成になる金属蒸発源を配置して、各層を形成するときの反応容器内の雰囲気をＮ_２ガスとＣＨ_４ガスの分圧比がＮ_２：ＣＨ_４＝１：１となるように混合した混合ガスとし、反応容器内の圧力２．７Ｐａにすること以外は、実施例１と同様に表９及び１０に示す層構成の試料を作製した。

得られた試料の各層の層厚及び各層の組成を実施例１と同様にして測定した。それらの結果を、表８〜１０に併せて示す。なお、表８及び１０の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。得られた試料を用いて、実施例１と同じ試験条件で正面フライス加工を行って耐欠損性を評価した。その評価結果を表１１及び表１２に示す。

表１１及び表１２より、発明品は、均一な各種の層厚の層を交互に積層させた交互積層構造を備える比較品よりも加工長が長く、工具寿命が長いことが分かる。

１ 基材
２ 被覆層
３ 第１積層構造
４ 第２積層構造
５ Ａ１層
６ Ｂ１層
７ Ａ２層
８ Ｂ２層

Claims (13)

1. 基材と、基材の表面に形成された被覆層とを含み、該被覆層は第１積層構造と第２積層構造とを含み、
   前記第１積層構造は組成が異なる２層以上の層を、各層の平均層厚を６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層した構造であり、
   前記第２積層構造は組成が異なる２層以上の層を、各層の平均層厚を２ｎｍ以上６０ｎｍ未満の厚みとして周期的に積層した構造であり、
   前記第１積層構造を構成する層および第２積層構造を構成する層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉから選択される金属元素の少なくとも２種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも１種とを含む化合物を含む、被覆工具。
2. 前記第１積層構造は、組成が異なる２層を交互に各２層以上積層した交互積層構造である請求項１に記載の被覆工具。
3. 前記第２積層構造は、組成が異なる２層を交互に各２層以上積層した交互積層構造である請求項１または２に記載の被覆工具。
4. 前記被覆層は、前記第１積層構造と第２積層構造とを交互に２つ以上連続して積層した構造を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆工具。
5. 前記第１積層構造の積層周期の平均値Ｔ_１と、前記第２積層構造の積層周期の平均値Ｔ_２との差（Ｔ_１−Ｔ_２）が２０ｎｍ〜９９６ｎｍである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆工具。
6. 前記第１積層構造を構成する各層および前記第２積層構造を構成する各層は、Ｔｉ、Ｃｒ、ＡｌおよびＳｉから選択される金属元素の少なくとも２種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも１種とを含む化合物を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆工具。
7. 前記第１積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第１積層構造を構成する各層の間で同一であり、
   前記第１積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、当該層に隣接した前記第１積層構造を構成する層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が５原子％以上である金属元素が１種以上含まれる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆工具。
8. 前記第２積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第２積層構造を構成する各層の間で同一であり、
   前記第２積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、当該層に隣接した前記第２積層構造を構成する層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が５原子％以上である金属元素が１種以上含まれる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆工具。
9. 前記第１積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、当該層に隣接する前記第１積層構造を構成する層に含まれる金属元素が１種以上異なる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆工具。
10. 前記第２積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、当該層に隣接する前記第２積層構造を構成する層に含まれる金属元素が１種以上異なる請求項１〜６及び９のいずれか１項に記載の被覆工具。
11. 前記被覆層全体の総層厚は平均層厚で０．２２〜１２μｍである請求項１〜１０のいずれか１項に記載の被覆工具。
12. 前記第１積層構造の平均厚さは０．２〜６μｍである請求項１〜１１のいずれか１項に記載の被覆工具。
13. 前記第２積層構造の平均厚さは０．０２〜６μｍである請求項１〜１２のいずれか１項に記載の被覆工具。