ジルコニウム化合物膜被覆工具およびその製造方法
【課題】 従来に比べて切削時の耐摩耗性、耐衝撃性などの耐久特性を顕著に改善したジルコニクム化合物膜被覆工具およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 基体表面にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜、並びに少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆してなるジルコニウム化合物膜被覆工具であって、刃先部の最外層が酸化アルミニウム膜で構成され、刃先部以外の最外層がジルコニウム化合物膜で構成されていることを特徴とするジルコニウム化合物膜被覆工具。
【解決手段】 基体表面にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜、並びに少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆してなるジルコニウム化合物膜被覆工具であって、刃先部の最外層が酸化アルミニウム膜で構成され、刃先部以外の最外層がジルコニウム化合物膜で構成されていることを特徴とするジルコニウム化合物膜被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ジルコニウム化合物膜被覆工具およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、硬質膜被覆工具は超硬合金、高速度鋼または特殊鋼よりなる基体表面に硬質皮膜を化学蒸着法または物理蒸着法等により被覆して作製され、皮膜の耐摩耗性と基体の強靱性とを兼ね備えていることから多用されている。例えば、高硬度材を高速で切削する場合には切削工具の刃先温度が１０００℃前後にまで上がるので被削材との接触による摩耗や断続切削等の機械的衝撃に耐える必要があり、耐摩耗性と耐衝撃性とを兼ね備えた被覆工具が重宝されている。
【０００３】硬質膜被覆工具の表面の皮膜は耐摩耗性を左右するため種々の改善がなされてきている。例えば、基体表面に高硬度の炭化チタン膜を被覆して耐摩耗性を改善したもの、あるいはこの炭化チタン膜の表面にさらに酸化アルミニウム膜からなる外層を被覆し耐摩耗性および耐酸化性を改善したもの等がある。また、被覆層（外層）に窒化チタン膜または炭窒化チタン膜が採用されている。窒化チタン膜や炭窒化チタン膜は靭性に優れ、かつ摩擦係数が小さいことから、切屑との摩擦抵抗が低減されて切削温度を低くできるという長所を有する。
【０００４】しかしながら、例えば、化学蒸着法により酸化アルミニウム膜を形成すると、酸化アルミニウム膜の結晶粒径が大きいために酸化アルミニウム膜表面の凹凸が大きくなる傾向にある。この酸化アルミニウム膜の表面に窒化チタン膜や炭窒化チタン膜を形成すると、酸化アルミニウム膜の顕著な凹凸が反映されて、窒化チタン膜や炭窒化チタン膜の表面粗さ（Ｒａ）が大きくなり、工具刃先部における切削時の耐衝撃性が低下し、刃先の欠損を生じる等の問題があった。この問題を解決するために、特許第２８２５６９３号では、工具の刃先部の最外層をＡｌ２Ｏ３で構成し、刃先部以外の最外層を窒化チタン膜または炭窒化チタン膜で構成したコーティング工具を提案している。しかし、窒化チタン膜または炭窒化チタン膜は高温での膜硬度が大きく低下するので耐摩耗性の急激な劣化を招き、かつ摺動性および耐久特性が悪いという欠点を有していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようする課題は、従来に比べて切削時の耐摩耗性、耐衝撃性などの耐久特性を顕著に改善したジルコニクム化合物膜被覆工具およびその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意研究の結果、切削加工において最も衝撃の加わる刃先部の最外層を酸化アルミニウム膜で構成し、刃先部以外の最外層を高温での膜硬度が高くかつ摺動性に優れるジルコニウム化合物膜で構成したジルコニウム化合物膜被覆工具としたことにより、上記課題を解決できることを知見し本発明に想到した。
【０００７】本発明は、基体表面にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜、並びに少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆してなり、刃先部の最外層が酸化アルミニウム膜で構成され、刃先部以外の最外層がジルコニウム化合物膜で構成されているジルコニウム化合物膜被覆工具である。この構成により、高温での膜硬度が高くなり、摺動性が向上して切屑により受ける衝撃を減じることができ、もって耐摩耗性および耐衝撃性を向上することができる。本発明において、ジルコニウム化合物膜が炭化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭窒化ジルコニウムのいずれかからなる場合が実用性に富んでいる。また本発明において、刃先部の表面粗さ（Ｒａ）が０．６μｍ以下であることが耐摩耗性と耐衝撃性とを向上するために好ましい。表面粗さ（Ｒａ）が０．６μｍ超では被削材との摩擦抵抗が大きくなり被覆膜の剥離や亀裂の発生を招く。刃先部の表面粗さ（Ｒａ）は０．３μｍ以下がより好ましく、０．０５〜０．３μｍが特に好ましい。工業生産上、表面粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍ未満にすることは困難である。また本発明において、周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも一種とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一種とからなる超硬合金の基体を用いることが実用的であり、本発明の被覆工具全体の靱性、硬度および耐熱性がバランス良く高まり、良好な切削耐久特性を実現することができる。
【０００８】また本発明は、基体表面に少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆後、さらにその上にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜あるいは二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜を被覆し、その後工具刃先部に相当する部分を研磨して酸化アルミニウム膜を表面に露呈せしめるとともにその研磨部分の表面粗さ（Ｒａ）を０．６μｍ以下にしたジルコニウム化合物膜被覆工具の製造方法を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は本発明のジルコニウム化合物膜被覆工具の一例を示す要部断面図である。図１において、１は工具基体、２は硬質皮膜、３は刃先部、４は酸化アルミニウム膜、５は刃先部以外の表面、６はジルコニウム化合物膜、６ａはジルコニウム化合物膜における研磨部分、７は内層である。基体１は周期律表第IVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも一種とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一種とからなる超硬合金製である。硬質皮膜２は内層７と酸化アルミニウム膜４とジルコニウム化合物膜６とからなる。内層７の材質は限定されないが、例えば、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンのいずれか一種の単層膜または二種以上の多層皮膜からなることが好ましく、さらに必要に応じてジルコニウムまたはボロンを数質量％以下添加したものでもよい。硬質皮膜２は工具基体１の表面に５〜１５μｍの厚みで形成される。刃先部３を構成する酸化アルミニウム膜４の表面は研磨されており、その研磨は刃先部３を構成する酸化アルミニウム膜４の最小厚みが０．５μｍ未満にならないように制御して行う。酸化アルミニウム膜４の最小厚みが０．５μｍ未満では耐酸化性、耐溶着性が顕著に劣化するからである。また、研磨された刃先部３の表面粗さ（Ｒａ）を、好ましくは０．６μｍ以下にする。このように、刃先部３が耐酸化性の良好な酸化アルミニウム膜４で形成されているので耐溶着性を向上することができる。また、刃先部３以外の表面が高温での膜硬度が高くかつ摺動性の良好なジルコニウム化合物膜４で形成されているので切屑により受ける衝撃を減じることができる。なお、刃先部３を構成する酸化アルミニウム膜４と隣接するジルコニウム化合物膜６の６ａ部分も研磨されており、６ａ部分が刃先部３と同等の表面粗さ（Ｒａ）を有することが本発明の被覆工具の耐久特性をさらに向上するために好ましいものである。
【００１０】本発明はジルコニウム化合物膜が最外層ではない場合を包含する。例えば、装飾等のため、刃先部以外の最外層が少なくとも一層のチタン化合物の膜（例えば、窒化チタン膜または炭窒化チタン膜、あるいはこれらを組み合わせた多層膜等）からなり、刃先部以外の部分を構成する少なくとも一層のチタン化合物の膜の下に少なくとも一層のジルコニウム化合物膜が被覆されているジルコニウム化合物膜被覆工具を含む。
【００１１】また、本発明に用いる酸化アルミニウム膜として、κ型酸化アルミニウム単層膜またはα型酸化アルミニウム単層膜を用いることができる。また、κ型酸化アルミニウムとα型酸化アルミニウムとの混合膜でもよい。また、κ型酸化アルミニウムおよび／またはα型酸化アルミニウムと、γ型酸化アルミニウム、θ型酸化アルミニウム、σ型酸化アルミニウム、χ型酸化アルミニウムの少なくとも一種とからなる混合膜でもよい。また、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウム等に代表される他の酸化物との混合膜でもよい。
【００１２】また、上記膜には本発明を構成できる範囲内で不可避の不純物を例えば数質量％まで含むことが許容される。
【００１３】本発明の被覆工具は、例えば、化学蒸着法（熱ＣＶＤ）またはプラズマを付加した化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）等の通常の成膜方法を用いて作製することができる。用途は切削工具に限るものではなく、ジルコニウム化合物膜および酸化アルミニウム膜を被覆した耐摩耗材、金型または溶湯部品等でもよい。
【００１４】次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。
【００１５】（実施例1）ＷＣ７２質量％、ＴｉＣ８質量％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ１１質量％、Ｃｏ９質量％の主成分組成よりなるＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８の規定形状の切削工具用超硬合金基体をＣＶＤ反応炉内に設置し、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガスと窒素ガスとを原料ガスに用いて０．５μｍ厚さの窒化チタン膜を９００℃で形成後、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、窒素ガス、アセトニトリルガスを原料ガスに用いて６μｍ厚さの炭窒化チタン膜を７５０〜９８０℃で形成した。その後、９５０〜１０２０℃で水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、メタンガスとを原料ガスに用いて炭化チタン膜を６０分間成膜した後、そのまま連続して本構成ガスに二酸化炭素ガスと一酸化炭素ガスとを追加し、炭酸化チタン膜を５〜３０分間成膜した。その後、水素キャリヤーガスと三塩化アルミニウムガス、二酸化炭素ガスとを原料ガスに用いて２〜７μｍ厚さのα型酸化アルミニウム膜を１０１０〜１０２０℃で形成した。その後、水素キャリヤーガスと四塩化ジルコニウムガスと窒素ガスとを原料ガスに用いて１μｍ厚さの窒化ジルコニウム膜を１０００℃で形成し、その後室温まで冷却した。次に、ラバー砥石を用いて刃先部に相当する部分を研磨し、内層の酸化アルミニウム膜を露出させて、図1に示す本発明のジルコニウム化合物膜被覆工具を得た。この実施例品の刃先部を構成する酸化アルミニウム膜の最大表面粗さ（Ｒａ）は０．２６μｍだった。
【００１６】（従来例1）実施例1と同様の成膜条件でα型酸化アルミニウム膜まで形成した。次に、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガスと窒素ガスとを原料ガスに用いて１μｍ厚さの窒化チタン膜を１０００℃で形成後、室温まで冷却して従来品を得た。この従来品の刃先部の窒化チタン膜の最大表面粗さは０．６６μｍだった。
【００１７】実施例１の被覆工具と従来例１の被覆工具の各５個のコーナーを用いて、図２に示す形状の被削材１０：ＳＣＭ４４０（４溝入り、切削長Ｌ）を切削速度１５０ｍ／分、送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み２ｍｍ、乾式切削の条件で２５０回転（１回転すると溝２０によりコーナーに４回衝撃が加わるので合計１０００回分の衝撃力がこの切削中にコーナーに加わる）させる切削加工後に刃先部の欠け状況を観察し、耐欠損性を評価した。その結果、従来品では５コーナーのうち２コーナーに刃先の欠損が発生したが、本発明品ではいずれも刃先の欠損が全く発生しなかった。このように、本発明品は切削工具として耐欠損性が優れていることがわかった。
【００１８】（実施例２）ＷＣ７２質量％、ＴｉＣ８質量％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ１１質量％、Ｃｏ９質量％の主成分組成よりなるＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８規格形状の切削工具用超硬合金基体をＣＶＤ反応炉内に設置し、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガスと窒素ガスとを原料ガスに用いて０．５μｍ厚さの窒化チタン膜を９００℃で形成した。次に、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、窒素ガス、アセトニトリルガスを原料ガスに用いて６μｍ厚さの炭窒化チタン膜を７５０〜９８０℃で形成し、続いて９５０〜１０２０℃で水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、メタンガスとを原料ガスに用いて炭化チタン膜を６０分間成膜した。続いて、水素キャリヤーガスと三塩化アルミニウムガス、二酸化炭素ガスとを原料ガスに用いて２〜５μｍ厚さのκ型酸化アルミニウム膜を９９０〜１０００℃で形成後、水素キャリヤーガスと四塩化ジルコニウムガス、メタンガス、窒素ガスとを原料ガスに用いて３μｍ厚さの炭窒化ジルコニウム膜を１０００℃で形成し、室温まで冷却した。その後、ラバー砥石を用いて刃先部に相当する部分を研磨し、図１に相当する本発明の被覆工具を作製した。この工具の刃先部の炭窒化ジルコニウム膜の最大表面粗さは０．２８μｍだった。
【００１９】（従来例２）実施例２と同様の成膜条件でκ型酸化アルミニウム膜まで形成した。続いて、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、メタンガス、窒素ガスとを原料ガスに用いて３μｍ厚さの炭窒化チタン膜を１０００℃で形成後、室温まで冷却して従来品を得た。この従来工具の刃先部の刃先部の最大表面粗さは０．６５μｍだった。
【００２０】実施例２および従来例２の被覆工具の各５個のコーナーを用いた以外は、上記と同様の乾式切削加工を行い、耐欠損性を評価した。その結果、従来品は５コーナーのうち３コーナーに刃先の欠損が発生したが、実施例２のコーナーは欠損が全く発生しなかった。このように、本発明品は耐欠損性が非常によいことがわかる。
【００２１】
【発明の効果】上述の通り、本発明によれば、切削加工時の耐衝撃性と切屑の耐溶着性とが顕著に向上した長寿命のジルコニウム化合物膜被覆工具およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の被覆工具の一例を示す要部断面図である。
【図２】耐欠損性の評価に用いる被削材の形状を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１ 工具基体、３ 刃先部、５ 刃先部以外の表面。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ジルコニウム化合物膜被覆工具およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、硬質膜被覆工具は超硬合金、高速度鋼または特殊鋼よりなる基体表面に硬質皮膜を化学蒸着法または物理蒸着法等により被覆して作製され、皮膜の耐摩耗性と基体の強靱性とを兼ね備えていることから多用されている。例えば、高硬度材を高速で切削する場合には切削工具の刃先温度が１０００℃前後にまで上がるので被削材との接触による摩耗や断続切削等の機械的衝撃に耐える必要があり、耐摩耗性と耐衝撃性とを兼ね備えた被覆工具が重宝されている。
【０００３】硬質膜被覆工具の表面の皮膜は耐摩耗性を左右するため種々の改善がなされてきている。例えば、基体表面に高硬度の炭化チタン膜を被覆して耐摩耗性を改善したもの、あるいはこの炭化チタン膜の表面にさらに酸化アルミニウム膜からなる外層を被覆し耐摩耗性および耐酸化性を改善したもの等がある。また、被覆層（外層）に窒化チタン膜または炭窒化チタン膜が採用されている。窒化チタン膜や炭窒化チタン膜は靭性に優れ、かつ摩擦係数が小さいことから、切屑との摩擦抵抗が低減されて切削温度を低くできるという長所を有する。
【０００４】しかしながら、例えば、化学蒸着法により酸化アルミニウム膜を形成すると、酸化アルミニウム膜の結晶粒径が大きいために酸化アルミニウム膜表面の凹凸が大きくなる傾向にある。この酸化アルミニウム膜の表面に窒化チタン膜や炭窒化チタン膜を形成すると、酸化アルミニウム膜の顕著な凹凸が反映されて、窒化チタン膜や炭窒化チタン膜の表面粗さ（Ｒａ）が大きくなり、工具刃先部における切削時の耐衝撃性が低下し、刃先の欠損を生じる等の問題があった。この問題を解決するために、特許第２８２５６９３号では、工具の刃先部の最外層をＡｌ２Ｏ３で構成し、刃先部以外の最外層を窒化チタン膜または炭窒化チタン膜で構成したコーティング工具を提案している。しかし、窒化チタン膜または炭窒化チタン膜は高温での膜硬度が大きく低下するので耐摩耗性の急激な劣化を招き、かつ摺動性および耐久特性が悪いという欠点を有していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようする課題は、従来に比べて切削時の耐摩耗性、耐衝撃性などの耐久特性を顕著に改善したジルコニクム化合物膜被覆工具およびその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意研究の結果、切削加工において最も衝撃の加わる刃先部の最外層を酸化アルミニウム膜で構成し、刃先部以外の最外層を高温での膜硬度が高くかつ摺動性に優れるジルコニウム化合物膜で構成したジルコニウム化合物膜被覆工具としたことにより、上記課題を解決できることを知見し本発明に想到した。
【０００７】本発明は、基体表面にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜、並びに少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆してなり、刃先部の最外層が酸化アルミニウム膜で構成され、刃先部以外の最外層がジルコニウム化合物膜で構成されているジルコニウム化合物膜被覆工具である。この構成により、高温での膜硬度が高くなり、摺動性が向上して切屑により受ける衝撃を減じることができ、もって耐摩耗性および耐衝撃性を向上することができる。本発明において、ジルコニウム化合物膜が炭化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭窒化ジルコニウムのいずれかからなる場合が実用性に富んでいる。また本発明において、刃先部の表面粗さ（Ｒａ）が０．６μｍ以下であることが耐摩耗性と耐衝撃性とを向上するために好ましい。表面粗さ（Ｒａ）が０．６μｍ超では被削材との摩擦抵抗が大きくなり被覆膜の剥離や亀裂の発生を招く。刃先部の表面粗さ（Ｒａ）は０．３μｍ以下がより好ましく、０．０５〜０．３μｍが特に好ましい。工業生産上、表面粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍ未満にすることは困難である。また本発明において、周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも一種とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一種とからなる超硬合金の基体を用いることが実用的であり、本発明の被覆工具全体の靱性、硬度および耐熱性がバランス良く高まり、良好な切削耐久特性を実現することができる。
【０００８】また本発明は、基体表面に少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆後、さらにその上にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜あるいは二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜を被覆し、その後工具刃先部に相当する部分を研磨して酸化アルミニウム膜を表面に露呈せしめるとともにその研磨部分の表面粗さ（Ｒａ）を０．６μｍ以下にしたジルコニウム化合物膜被覆工具の製造方法を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は本発明のジルコニウム化合物膜被覆工具の一例を示す要部断面図である。図１において、１は工具基体、２は硬質皮膜、３は刃先部、４は酸化アルミニウム膜、５は刃先部以外の表面、６はジルコニウム化合物膜、６ａはジルコニウム化合物膜における研磨部分、７は内層である。基体１は周期律表第IVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも一種とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一種とからなる超硬合金製である。硬質皮膜２は内層７と酸化アルミニウム膜４とジルコニウム化合物膜６とからなる。内層７の材質は限定されないが、例えば、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンのいずれか一種の単層膜または二種以上の多層皮膜からなることが好ましく、さらに必要に応じてジルコニウムまたはボロンを数質量％以下添加したものでもよい。硬質皮膜２は工具基体１の表面に５〜１５μｍの厚みで形成される。刃先部３を構成する酸化アルミニウム膜４の表面は研磨されており、その研磨は刃先部３を構成する酸化アルミニウム膜４の最小厚みが０．５μｍ未満にならないように制御して行う。酸化アルミニウム膜４の最小厚みが０．５μｍ未満では耐酸化性、耐溶着性が顕著に劣化するからである。また、研磨された刃先部３の表面粗さ（Ｒａ）を、好ましくは０．６μｍ以下にする。このように、刃先部３が耐酸化性の良好な酸化アルミニウム膜４で形成されているので耐溶着性を向上することができる。また、刃先部３以外の表面が高温での膜硬度が高くかつ摺動性の良好なジルコニウム化合物膜４で形成されているので切屑により受ける衝撃を減じることができる。なお、刃先部３を構成する酸化アルミニウム膜４と隣接するジルコニウム化合物膜６の６ａ部分も研磨されており、６ａ部分が刃先部３と同等の表面粗さ（Ｒａ）を有することが本発明の被覆工具の耐久特性をさらに向上するために好ましいものである。
【００１０】本発明はジルコニウム化合物膜が最外層ではない場合を包含する。例えば、装飾等のため、刃先部以外の最外層が少なくとも一層のチタン化合物の膜（例えば、窒化チタン膜または炭窒化チタン膜、あるいはこれらを組み合わせた多層膜等）からなり、刃先部以外の部分を構成する少なくとも一層のチタン化合物の膜の下に少なくとも一層のジルコニウム化合物膜が被覆されているジルコニウム化合物膜被覆工具を含む。
【００１１】また、本発明に用いる酸化アルミニウム膜として、κ型酸化アルミニウム単層膜またはα型酸化アルミニウム単層膜を用いることができる。また、κ型酸化アルミニウムとα型酸化アルミニウムとの混合膜でもよい。また、κ型酸化アルミニウムおよび／またはα型酸化アルミニウムと、γ型酸化アルミニウム、θ型酸化アルミニウム、σ型酸化アルミニウム、χ型酸化アルミニウムの少なくとも一種とからなる混合膜でもよい。また、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウム等に代表される他の酸化物との混合膜でもよい。
【００１２】また、上記膜には本発明を構成できる範囲内で不可避の不純物を例えば数質量％まで含むことが許容される。
【００１３】本発明の被覆工具は、例えば、化学蒸着法（熱ＣＶＤ）またはプラズマを付加した化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）等の通常の成膜方法を用いて作製することができる。用途は切削工具に限るものではなく、ジルコニウム化合物膜および酸化アルミニウム膜を被覆した耐摩耗材、金型または溶湯部品等でもよい。
【００１４】次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。
【００１５】（実施例1）ＷＣ７２質量％、ＴｉＣ８質量％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ１１質量％、Ｃｏ９質量％の主成分組成よりなるＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８の規定形状の切削工具用超硬合金基体をＣＶＤ反応炉内に設置し、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガスと窒素ガスとを原料ガスに用いて０．５μｍ厚さの窒化チタン膜を９００℃で形成後、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、窒素ガス、アセトニトリルガスを原料ガスに用いて６μｍ厚さの炭窒化チタン膜を７５０〜９８０℃で形成した。その後、９５０〜１０２０℃で水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、メタンガスとを原料ガスに用いて炭化チタン膜を６０分間成膜した後、そのまま連続して本構成ガスに二酸化炭素ガスと一酸化炭素ガスとを追加し、炭酸化チタン膜を５〜３０分間成膜した。その後、水素キャリヤーガスと三塩化アルミニウムガス、二酸化炭素ガスとを原料ガスに用いて２〜７μｍ厚さのα型酸化アルミニウム膜を１０１０〜１０２０℃で形成した。その後、水素キャリヤーガスと四塩化ジルコニウムガスと窒素ガスとを原料ガスに用いて１μｍ厚さの窒化ジルコニウム膜を１０００℃で形成し、その後室温まで冷却した。次に、ラバー砥石を用いて刃先部に相当する部分を研磨し、内層の酸化アルミニウム膜を露出させて、図1に示す本発明のジルコニウム化合物膜被覆工具を得た。この実施例品の刃先部を構成する酸化アルミニウム膜の最大表面粗さ（Ｒａ）は０．２６μｍだった。
【００１６】（従来例1）実施例1と同様の成膜条件でα型酸化アルミニウム膜まで形成した。次に、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガスと窒素ガスとを原料ガスに用いて１μｍ厚さの窒化チタン膜を１０００℃で形成後、室温まで冷却して従来品を得た。この従来品の刃先部の窒化チタン膜の最大表面粗さは０．６６μｍだった。
【００１７】実施例１の被覆工具と従来例１の被覆工具の各５個のコーナーを用いて、図２に示す形状の被削材１０：ＳＣＭ４４０（４溝入り、切削長Ｌ）を切削速度１５０ｍ／分、送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み２ｍｍ、乾式切削の条件で２５０回転（１回転すると溝２０によりコーナーに４回衝撃が加わるので合計１０００回分の衝撃力がこの切削中にコーナーに加わる）させる切削加工後に刃先部の欠け状況を観察し、耐欠損性を評価した。その結果、従来品では５コーナーのうち２コーナーに刃先の欠損が発生したが、本発明品ではいずれも刃先の欠損が全く発生しなかった。このように、本発明品は切削工具として耐欠損性が優れていることがわかった。
【００１８】（実施例２）ＷＣ７２質量％、ＴｉＣ８質量％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ１１質量％、Ｃｏ９質量％の主成分組成よりなるＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８規格形状の切削工具用超硬合金基体をＣＶＤ反応炉内に設置し、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガスと窒素ガスとを原料ガスに用いて０．５μｍ厚さの窒化チタン膜を９００℃で形成した。次に、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、窒素ガス、アセトニトリルガスを原料ガスに用いて６μｍ厚さの炭窒化チタン膜を７５０〜９８０℃で形成し、続いて９５０〜１０２０℃で水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、メタンガスとを原料ガスに用いて炭化チタン膜を６０分間成膜した。続いて、水素キャリヤーガスと三塩化アルミニウムガス、二酸化炭素ガスとを原料ガスに用いて２〜５μｍ厚さのκ型酸化アルミニウム膜を９９０〜１０００℃で形成後、水素キャリヤーガスと四塩化ジルコニウムガス、メタンガス、窒素ガスとを原料ガスに用いて３μｍ厚さの炭窒化ジルコニウム膜を１０００℃で形成し、室温まで冷却した。その後、ラバー砥石を用いて刃先部に相当する部分を研磨し、図１に相当する本発明の被覆工具を作製した。この工具の刃先部の炭窒化ジルコニウム膜の最大表面粗さは０．２８μｍだった。
【００１９】（従来例２）実施例２と同様の成膜条件でκ型酸化アルミニウム膜まで形成した。続いて、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、メタンガス、窒素ガスとを原料ガスに用いて３μｍ厚さの炭窒化チタン膜を１０００℃で形成後、室温まで冷却して従来品を得た。この従来工具の刃先部の刃先部の最大表面粗さは０．６５μｍだった。
【００２０】実施例２および従来例２の被覆工具の各５個のコーナーを用いた以外は、上記と同様の乾式切削加工を行い、耐欠損性を評価した。その結果、従来品は５コーナーのうち３コーナーに刃先の欠損が発生したが、実施例２のコーナーは欠損が全く発生しなかった。このように、本発明品は耐欠損性が非常によいことがわかる。
【００２１】
【発明の効果】上述の通り、本発明によれば、切削加工時の耐衝撃性と切屑の耐溶着性とが顕著に向上した長寿命のジルコニウム化合物膜被覆工具およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の被覆工具の一例を示す要部断面図である。
【図２】耐欠損性の評価に用いる被削材の形状を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１ 工具基体、３ 刃先部、５ 刃先部以外の表面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 基体表面にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜、並びに少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆してなるジルコニウム化合物膜被覆工具であって、刃先部の最外層が酸化アルミニウム膜で構成され、刃先部以外の最外層がジルコニウム化合物膜で構成されていることを特徴とするジルコニウム化合物膜被覆工具。
【請求項２】 ジルコニウム化合物膜が炭化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭窒化ジルコニウムのいずれかからなる請求項１に記載のジルコニウム化合物膜被覆工具。
【請求項３】 刃先部の表面粗さ（Ｒａ）が０．６μｍ以下である請求項１または２に記載のジルコニウム化合物膜被覆工具。
【請求項４】 基体表面に少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆後、さらにその上にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜を被覆し、その後工具刃先部に相当する部分を研磨して酸化アルミニウム膜を表面に露呈せしめるとともにその研磨部分の表面粗さ（Ｒａ）を０．６μｍ以下にしたことを特徴とするジルコニウム化合物膜被覆工具の製造方法。
【請求項１】 基体表面にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜、並びに少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆してなるジルコニウム化合物膜被覆工具であって、刃先部の最外層が酸化アルミニウム膜で構成され、刃先部以外の最外層がジルコニウム化合物膜で構成されていることを特徴とするジルコニウム化合物膜被覆工具。
【請求項２】 ジルコニウム化合物膜が炭化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭窒化ジルコニウムのいずれかからなる請求項１に記載のジルコニウム化合物膜被覆工具。
【請求項３】 刃先部の表面粗さ（Ｒａ）が０．６μｍ以下である請求項１または２に記載のジルコニウム化合物膜被覆工具。
【請求項４】 基体表面に少なくとも一層の酸化アルミニウム膜を被覆後、さらにその上にジルコニウムを必ず含む周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族金属の一種または二種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜からなるジルコニウム化合物膜を被覆し、その後工具刃先部に相当する部分を研磨して酸化アルミニウム膜を表面に露呈せしめるとともにその研磨部分の表面粗さ（Ｒａ）を０．６μｍ以下にしたことを特徴とするジルコニウム化合物膜被覆工具の製造方法。
【図２】
【図１】
【図１】
【公開番号】特開２００１−４７３０５（Ｐ２００１−４７３０５Ａ）
【公開日】平成１３年２月２０日（２００１．２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−２２４２７６
【出願日】平成１１年８月６日（１９９９．８．６）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１３年２月２０日（２００１．２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年８月６日（１９９９．８．６）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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