JPH04310302A - 切削工具およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、母材表面に高硬度の薄
膜を形成した形態の切削工具およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の切削工具として、金属やセラミ
ックス等の母材の表面に、結晶性の酸化アルミニウム薄
膜を形成したものが知られている。この場合、結晶性酸
化アルミニウム薄膜を母材の表面に直接的に形成するこ
ともあるが、それらの間に中間層として他の薄膜（たと
えばチタン薄膜、窒化チタン薄膜、炭化チタン薄膜等）
を形成することもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、結晶性酸化
アルミニウム薄膜は、結晶粒子径が比較的大きなもので
あるのでその表面が粗く（中心線平均粗さＲａが０．３
μｍ程度である）、そのため、そのような結晶性酸化ア
ルミニウム薄膜が表面に形成されてなる切削工具は必ず
しも十分に満足し得る切削性能や耐久性が得られるもの
ではなかった。

【０００４】また、結晶性酸化アルミニウム薄膜は、結
晶粒子が粗大であることから粒子の欠落が生じたり、結
晶粒子間に粒界が発生してその粒界を起点とした破壊や
内部欠陥が起こりやすい、といった不具合があった。

【０００５】さらに、結晶性酸化アルミニウム薄膜は一
般に熱ＣＶＤ法により形成するのであるが、結晶性酸化
アルミニウム薄膜は膜成長速度が遅い（２〜３オングス
トローム／秒程度）ために膜厚を厚くする場合には成膜
処理に長時間を要してしまうものである。また、熱ＣＶ
Ｄ法による場合は成膜温度が１０００℃以上もの高温と
なるので、母材はそのような高温に耐え得る耐熱材料に
限定されることは勿論のこと、成膜後に再熱処理が必要
となったり、母材が熱変形してしまったり、さらには、
成膜処理の際に母材と結晶性酸化アルミニウム薄膜との
境界（中間層を設ける場合においては中間層と結晶性酸
化アルミニウム薄膜との境界）で相互拡散が生じ、その
結果、それらの境界において脆化現象が生じて薄膜の剥
離が生じやすいという問題もあった。

【０００６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、優れた切削性能と耐久性が得られる切削工具および
その製造方法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の切削工
具は、金属やセラミックスからなる母材の表面に結晶性
酸化アルミニウム薄膜を形成するとともに、その結晶性
酸化アルミニウム薄膜の表面にアモルファス酸化アルミ
ニウム薄膜を形成してなることを特徴とするものである
。

【０００８】また、請求項２の発明の製造方法は、請求
項１に記載の切削工具を製造するに際して、母材を所定
の成膜温度に加熱してイオンプレーティング法によりそ
の表面にまず結晶性酸化アルミニウム薄膜を形成し、次
いで、母材温度を低下させて同じくイオンプレーティン
グ法により前記結晶性酸化アルミニウム薄膜の表面にア
モルファス酸化アルミニウム薄膜を重ねて形成すること
を特徴とするものである。

【０００９】

【作用】非結晶性のアモルファス酸化アルミニウム薄膜
は、硬度自体は結晶性酸化アルミニウム薄膜に比して低
いが、その表面は結晶性酸化アルミニウム薄膜に比して
極めて滑らかであり、また、非結晶性であるために顕著
な粒界が発生しないので膜内部の欠陥が生じ難いもので
あり、したがって、そのようなアモルファス酸化アルミ
ニウム薄膜が最外層に形成されている切削工具は優れた
耐久性を有するものとなる。また、アモルファス酸化ア
ルミニウム薄膜の下層側により高硬度の結晶性酸化アル
ミニウム薄膜が形成されているので、アモルファス酸化
アルミニウム薄膜が摩滅した後においてもその結晶性酸
化アルミニウム薄膜により切削性能と耐久性が維持され
る。さらに、結晶性酸化アルミニウム薄膜およびアモル
ファス酸化アルミニウム薄膜の双方をイオンプレーティ
ング法により形成することにより、熱ＣＶＤ法による場
合に比して成膜温度が低下し、かつ、成膜速度が向上す
る。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の一実施例である切削工具の構造を
示すものであって、符号１は金属やセラミックスからな
る母材、２は母材１の表面に形成された結晶性酸化アル
ミニウム薄膜、３はその結晶性酸化アルミニウム薄膜２
の表面に形成されたアモルファス（非結晶性）酸化アル
ミニウム薄膜である。それら結晶性酸化アルミニウム薄
膜２とアモルファス酸化アルミニウム薄膜３の厚みは適
宜設定すれば良いが、一例をあげれば、前者を０．１〜
２０μｍ好ましくは１〜１０μｍの範囲で設定し、後者
を０．１〜２０μｍ好ましくは０．２〜１０μｍの範囲
で設定すると良い。

【００１１】なお、図１に示すものは、母材１の表面に
まず結晶性酸化アルミニウム薄膜２が形成された後、そ
の表面にあらためてアモルファス酸化アルミニウム薄膜
３が形成されることにより、それら薄膜２、３の間に明
確な境界が形成されたものとなっているが、それら薄膜
２、３を連続的に形成することによって、図２に示すよ
うに結晶性酸化アルミニウム薄膜２がアモルファス酸化
アルミニウム薄膜３に連続的に変化していくようにして
も良い。

【００１２】また、図１および図２に示すものはいずれ
も結晶性酸化アルミニウム薄膜２を母材１の表面に直接
的に形成した場合の例であるが、図３および図４に示す
ように、母材１と結晶性酸化アルミニウム薄膜２との間
に中間層として他の薄膜４を適宜形成しても良い。

【００１３】上記の各切削工具は、たとえば図５に示す
ような高周波励起式イオンプレーティング装置や、図６
に示すようなアーク放電式イオンプレーティング装置を
用いて、母材１の表面に結晶性酸化アルミニウム薄膜２
とアモルファス酸化アルミニウム薄膜３とを順次形成す
ることにより、効率的に製造し得る。

【００１４】図５に示す高周波励起式イオンプレーティ
ング装置は、真空チャンバー５内にガス導入管６から反
応ガスＧたとえばアルゴンガスおよび酸素ガスを導入し
て真空チャンバー５内を所定圧力たとえば１〜９×１０
−４Ｔｏｒｒ程度に保持し、ルツボ７内の蒸発材料Ｍ（
アルミニウムもしくは酸化アルミニウム）を電子銃９に
より溶解させて蒸発させるとともに、蒸発させた蒸発材
料Ｍと反応ガスＧとを高周波電源１０によりたとえば１
３．５６ＭＨｚの高周波が印加される高周波コイル１１
によって正にイオン化し、それらの正イオンを、直流電
源１２により負電圧が印加されているとともにヒータ１
３により加熱されている母材１に吸着させるように構成
したものである。

【００１５】また、図６に示すアーク放電式イオンプレ
ーティング装置は、上記の高周波励起式イオンプレーテ
ィング装置における高周波コイル１１に代えて、直流電
源１５により直流電圧が印加される直流放電プローブ１
６により蒸発材料Ｍと反応ガスＧとを正イオン化するよ
うにしたものであり、その他の構成は高周波励起式イオ
ンプレーティング装置と同様である。

【００１６】そして、高周波励起式イオンプレーティン
グ装置による場合も、アーク放電式イオンプレーティン
グ装置による場合も、結晶性酸化アルミニウム薄膜２を
形成する際の成膜温度は４５０℃以上たとえば５５０℃
程度とし、アモルファス酸化アルミニウム薄膜３を形成
する際の成膜温度はそれより低くして２００〜４５０℃
程度の範囲に設定する。アモルファス酸化アルミニウム
薄膜３を形成する際の成膜温度が４５０℃以上の高温で
あると、形成される薄膜が結晶化して結晶性酸化アルミ
ニウム薄膜となってしまう場合があるからである。

【００１７】なお、成膜温度のみならず、必要に応じて
蒸発させた蒸発材料Ｍや反応ガスＧのイオン化も同時に
制御するようにしても良い。すなわち、結晶性酸化アル
ミニウム薄膜２を形成する際にはイオン化が相対的に促
進され、アモルファス酸化アルミニウム薄膜３を形成す
る際にはイオン化が相対的に抑制されるように高周波コ
イル１１や直流放電プローブ１６の作動もしくは電子銃
９の作動や反応ガスＧの導入量を制御すれば良い。

【００１８】また、図２および図４に示したように、結
晶性酸化アルミニウム薄膜２からアモルファス酸化アル
ミニウム薄膜３に連続的に変化させる場合には、成膜温
度が徐々に低下するように連続的に変化させれば良く、
その場合、必要に応じて蒸発させた蒸発材料Ｍや反応ガ
スＧのイオン化も徐々に小さくなるように連続的に変化
させれば良い。

【００１９】さらに、図３および図４に示したように、
母材１と結晶性酸化アルミニウム薄膜２の間に中間層と
して他の薄膜４を形成する場合においては、母材１表面
に予めその薄膜４を形成しておき、その薄膜４の表面に
対して上記のようにして結晶性酸化アルミニウム薄膜２
を形成し、さらに、その表面にアモルファス酸化アルミ
ニウム薄膜３を形成すれば良い。

【００２０】上記のような切削工具における最外層のア
モルファス酸化アルミニウム薄膜３は、硬度自体は結晶
性酸化アルミニウム薄膜２に比して低いが、このアモル
ファス酸化アルミニウム薄膜３は非結晶性であるため結
晶性酸化アルミニウム薄膜２に比してその表面が極めて
滑らかなものである。すなわち、上述したように、従来
の結晶性酸化アルミニウム薄膜は結晶粒子が粗大でその
中心線平均粗さＲａが０．３μｍ程度であるのに対し、
上記のアモルファス酸化アルミニウム薄膜３は中心線平
均粗さＲａが０．０２〜０．０４μｍ程度と十分に滑ら
かなものとなる。しかも、アモルファス酸化アルミニウ
ム薄膜３は、非結晶性であるために顕著な粒界が発生し
ないから膜内部での欠陥が生じ難いものであり、したが
って、このようなアモルファス酸化アルミニウム薄膜３
が最外層に形成されている切削工具は、切削の際に被削
材との間で生じる摩擦抵抗が十分に低減することになる
。

【００２１】また、アモルファス酸化アルミニウム薄膜
３の下層側に形成されている結晶性酸化アルミニウム薄
膜２は、イオンプレーティング法により比較的低温で形
成されることから、従来の熱ＣＶＤ法により形成される
場合に比して結晶粒子が小さなものとなっていて緻密か
つ内部欠陥が生じ難いものとなっている。そして、上記
のアモルファス酸化アルミニウム薄膜３が摩耗した際に
は、この結晶性酸化アルミニウム薄膜２により切削性能
と耐久性が維持されるから、この切削工具は、後述する
耐摩耗性試験の結果に示されるように従来のものに比し
て耐摩耗性が向上して優れた切削性能と耐久性が得られ
るものである。

【００２２】また、上記の切削工具は、結晶性酸化アル
ミニウム薄膜２とアモルファス酸化アルミニウム薄膜３
の双方をイオンプレーティング法により順次成膜するこ
とで効率的に製造されるが、その際の成膜温度は、従来
の結晶性酸化アルミニウム薄膜を熱ＣＶＤ法によって成
膜する場合に比して十分に低いものとなり、したがって
、母材１に要求される耐熱性能が軽減されて母材１の適
用範囲が広がるとともに、成膜後の熱処理等が不要にな
り、かつ、母材１の熱変形が抑制されるし、さらに、成
膜の際に母材１（もしくは中間層である他の薄膜４）と
結晶性酸化アルミニウム薄膜２との間で相互拡散が生じ
難くなり、したがって、それらの界面で脆化が生じるよ
うなことがなくなり、その結果、各薄膜の剥離が生じ難
いものとなっている。

【００２３】さらに、イオンプレーティング法により結
晶性酸化アルミニウム薄膜２およびアモルファス酸化ア
ルミニウム薄膜３を成膜する際には、３０〜５０オング
ストローム／秒程度の成膜速度が得られるものであって
、熱ＣＶＤ法による場合に比して格段に高速成膜が可能
であり、その結果、生産性が大きく向上して製品のコス
トダウンを図ることができる。

【００２４】以下に、本発明の切削工具の耐摩耗性を実
証するために行なった試験とその結果について述べる。

【００２５】（試験例）以下の５種のサンプルＡ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｅを用意し、以下の切削条件で切削を行った後
、それぞれのフランク摩耗量を計測した。その計測結果
を図７に示す。 サンプルＡ（本発明品）；母材表面にイオンプレーティ
ング法により結晶性酸化アルミニウム薄膜を形成し、そ
の表面に同じくイオンプレーティング法によりアモルフ
ァス酸化アルミニウム薄膜を形成したスローアウエイチ
ップ。 サンプルＢ（比較対象品）；母材表面にイオンプレーテ
ィング法により結晶性酸化アルミニウム薄膜のみを形成
したスローアウエイチップ。 サンプルＣ（比較対象品）；母材表面にイオンプレーテ
ィング法によりアモルファス酸化アルミニウム薄膜のみ
を形成したスローアウエイチップ。 サンプルＤ（従来品）；母材表面に熱ＣＶＤ法により結
晶性酸化アルミニウム薄膜のみを形成したスローアウエ
イチップ。 サンプルＥ（従来品）；母材表面に熱ＣＶＤ法により窒
化チタン薄膜のみを形成したスローアウエイチップ。 切削条件；被削材Ｓ４５Ｃ、切削速度２５０ｍ／分、送
り０．４６ｍｍ／ｒｅｖ．、切り込み１．５ｍｍ、切削
時間９分（３分ごとに３回の計測を行なう）。図７に示
される試験結果から、本発明品であるサンプルＡは、従
来品であるサンプルＤ、Ｅや、比較対象品であるサンプ
ルＢ、Ｃに比してフランク摩耗量が小さくなっており、
耐久性に優れていることが確認された。

【００２６】なお、この試験結果を詳細に検討してみる
と、切削当初においてはサンプルＣの方がサンプルＢよ
り摩耗量が小さいが、切削時間が長くなると逆にサンプ
ルＢの方がサンプルＣより摩耗量が小さくなっている。 つまり、切削時間が短いうちはアモルファス酸化アルミ
ニウム薄膜を形成したサンプルＣの方が耐久性に優れる
が、切削が長時間に及ぶ場合には結晶性酸化アルミニウ
ム薄膜を形成したサンプルＢの方が耐久性に優れること
になる。そして、本発明品であるサンプルＡは、その両
者の長所を合わせ持ち、切削時間が短いうちは最外層に
形成されているアモルファス酸化アルミニウム薄膜３に
より耐久性が確保され、切削時間が長くなってアモルフ
ァス酸化アルミニウム薄膜３が摩耗した後は、より高硬
度の結晶性酸化アルミニウム薄膜２によりさらに耐久性
が確保され、以上により切削時間の長短に拘わらず優れ
た耐久性が得られるものである。

【００２７】

【発明の効果】以上で詳細に説明したように、請求項１
の発明の切削工具は、金属やセラミックスからなる母材
の表面に、結晶性酸化アルミニウム薄膜を直接的にもし
くは中間層としての他の薄膜を介して間接的に形成する
とともに、その結晶性酸化アルミニウム薄膜の表面にア
モルファス酸化アルミニウム薄膜を形成してなるもので
あるので、非結晶性であることから表面が極めて滑らか
であるとともに膜内部での欠陥が生じ難いアモルファス
酸化アルミニウム薄膜によって特に切削当初における耐
久性が確保されるとともに、切削が長時間に及んでアモ
ルファス酸化アルミニウム薄膜が摩耗した後は、より高
硬度の結晶性酸化アルミニウム薄膜により耐久性がさら
に確保され、したがって、優れた切削性能と耐久性を得
ることができる、という効果を奏する。

【００２８】また、請求項２の発明の製造方法は、母材
を所定の成膜温度に加熱してイオンプレーティング法に
よりその表面にまず結晶性酸化アルミニウム薄膜を形成
し、次いで、母材温度を低下させて同じくイオンプレー
ティング法により前記結晶性酸化アルミニウム薄膜の表
面にアモルファス酸化アルミニウム薄膜を重ねて形成す
るようにしたので、結晶性酸化アルミニウム薄膜とアモ
ルファス酸化アルミニウム薄膜の双方を連続的にしかも
高速で成膜することが可能であって生産性に優れるとと
もに、従来一般に採用されている熱ＣＶＤ法による場合
に比して成膜温度が十分に低いので、母材の耐熱性能が
軽減されて適用範囲が広がるばかりでなく、成膜の際に
母材と薄膜との間で相互拡散が生じ難くなって境界面に
おける脆化や薄膜の剥離が生じ難くなる、等の優れた効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である切削工具の構造を示す
部分断面図である。

【図２】本発明の他の実施例である切削工具の構造を示
す部分断面図である。

【図３】本発明のさらに他の実施例である切削工具の構
造を示す部分断面図である。

【図４】本発明のさらに他の実施例である切削工具の構
造を示す部分断面図である。

【図５】本発明の切削工具を製造するためのイオンプレ
ーティング装置の一例を示す図である。

【図６】本発明の切削工具を製造するためのイオンプレ
ーティング装置の他の例を示す図である。

【図７】本発明品および比較対象品ならびに従来品の耐
摩耗性試験の結果を示す図である。

【符号の説明】

１　　母材 ２　　結晶性酸化アルミニウム薄膜 ３　　アモルファス酸化アルミニウム薄膜４　　薄膜（
中間層）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　金属やセラミックスからなる母材の表
   面に気相から結晶性酸化アルミニウム薄膜を形成すると
   ともに、その結晶性酸化アルミニウム薄膜の表面に気相
   からアモルファス酸化アルミニウム薄膜を形成してなる
   ことを特徴とする切削工具。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の切削工具の製造方法
   であって、母材を所定の成膜温度に加熱してイオンプレ
   ーティング法によりその表面にまず結晶性酸化アルミニ
   ウム薄膜を形成し、次いで、母材温度を低下させて同じ
   くイオンプレーティング法により前記結晶性酸化アルミ
   ニウム薄膜の表面にアモルファス酸化アルミニウム薄膜
   を重ねて形成することを特徴とする切削工具の製造方法
   。