切削工具用硬質皮膜
【課題】従来のＡｌＣｒＮ膜よりも耐摩耗性を向上させることが可能な切削工具用硬質皮膜の提供。
【解決手段】基材上に形成される硬質皮膜であって、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第一多層皮膜層を含み、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、Ａｌ(１００−ｘ−ｙ−ｚ)Ｃｒ(ｘ)Ｖ(ｙ)Ｂ(ｚ)（ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，５≦ｚ≦１５）で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、Ａｌ(１００−ｕ−ｖ−ｗ)Ｃｒ(ｕ)Ｖ(ｖ)Ｂ(ｗ)（ただし、２０≦ｕ≦４０，０≦ｖ≦５，０≦ｗ≦５）で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、ｙとｖとがｙ≧ｖの関係を満たし、更に、ｚとｗとがｚ−５≧ｗの関係を満たす硬質皮膜。
【解決手段】基材上に形成される硬質皮膜であって、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第一多層皮膜層を含み、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、Ａｌ(１００−ｘ−ｙ−ｚ)Ｃｒ(ｘ)Ｖ(ｙ)Ｂ(ｚ)（ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，５≦ｚ≦１５）で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、Ａｌ(１００−ｕ−ｖ−ｗ)Ｃｒ(ｕ)Ｖ(ｖ)Ｂ(ｗ)（ただし、２０≦ｕ≦４０，０≦ｖ≦５，０≦ｗ≦５）で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、ｙとｖとがｙ≧ｖの関係を満たし、更に、ｚとｗとがｚ−５≧ｗの関係を満たす硬質皮膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンドミル，ドリル等の切削工具に被覆して耐摩耗性を向上させるための切削工具用硬質皮膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属切削工具に被覆する硬質皮膜としては、ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮが使用されてきた。特に、特許文献１，２に代表されるＴｉＡｌＮ系皮膜はＴｉＮにＡｌを添加することで硬度と耐熱性を改良させたもので、耐摩耗性の良さから、焼入れ鋼を含む鉄鋼材料を加工するための切削工具用硬質皮膜として広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、近年では鉄鋼材料に対する耐摩耗性をさらに向上させることが工具に求められてきており、ＴｉＮの代わりにＣｒＮをベースとすることでＴｉＡｌＮ皮膜よりも耐熱性をより向上させたＡｌＣｒＮ皮膜が特許文献３等で提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−５６５６５号公報
【特許文献２】特開平２−１９４１５９号公報
【特許文献３】特許第３０３９３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＡｌＣｒＮ皮膜はＴｉＡｌＮ皮膜に比べて耐熱性は良いものの硬度がやや小さく、そのため、鉄鋼材料に対する耐摩耗性が十分とは言えない。
【０００６】
本発明は、上述のような現状に鑑み、本発明者等が皮膜組成と皮膜層構成について研究した結果、硬質皮膜の硬度及び潤滑性を向上させることにより上記課題を解決できるとの知見を得て完成したもので、硬質皮膜を所定の組成及び積層構造とすることにより、硬質皮膜の硬度及び潤滑性を改善することができ、従来のＡｌＣｒＮ膜よりも飛躍的に耐摩耗性を向上させることが可能な極めて実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨を説明する。
【０００８】
切削工具用基材上に形成される切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第一多層皮膜層を含み、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｘ−ｙ−ｚ)Ｃｒ(ｘ)Ｖ(ｙ)Ｂ(ｚ)
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，５≦ｚ≦１５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｕ−ｖ−ｗ)Ｃｒ(ｕ)Ｖ(ｖ)Ｂ(ｗ)
ただし、２０≦ｕ≦４０，０≦ｖ≦５，０≦ｗ≦５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第一皮膜層のＶの含有割合ｙと前記第二皮膜層のＶの含有割合ｖとがｙ≧ｖの関係を満たし、更に、前記第一皮膜層のＢの含有割合ｚと前記第二皮膜層のＢの含有割合ｗとがｚ−５≧ｗの関係を満たすことを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【０００９】
また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層と前記基材との間には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層の金属元素及び半金属元素は前記第二皮膜層の金属元素及び半金属元素と同一であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１０】
また、請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第四皮膜層が設けられ、この第四皮膜層はＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物であり、この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１１】
また、請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第四皮膜層が設けられ、この第四皮膜層はＣｒを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物であり、この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１２】
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層の表層側には、第五皮膜層と第六皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第二多層皮膜層が設けられ、前記第五皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素は前記第一皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素と同一であり、前記第六皮膜層は金属元素及び半金属元素が原子％で、
Ｓｉ(１００−ｔ)Ｍ(ｔ)
ただし、０≦ｔ≦３０，Ｍは周期律表の４ａ，５ａ，６ａ，３ｂ族のうちのいずれか１
種以上の元素
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第五皮膜層の膜厚は４０ｎｍ以下に設定され、前記第六皮膜層の膜厚は０．２ｎｍ〜４ｎｍに設定され、更に、前記第五皮膜層が前記第六皮膜層の４倍以上の厚さとなるように前記第五皮膜層及び前記第六皮膜層の膜厚が設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１３】
また、請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層はＮａＣｌ型結晶構造を有するものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１４】
また、請求項１〜６いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材は、ＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材とから成る超硬合金製であって、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は上述のように構成したから、硬質皮膜の硬度及び潤滑性を改善することができ、従来のＡｌＣｒＮ膜よりも飛躍的に耐摩耗性を向上させることが可能な極めて実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。
【００１７】
Ｖが添加されることで潤滑性が向上することになり、また、Ｂが添加されることで硬度が向上することになる。よって、従来のＡｌＣｒＮ系皮膜より潤滑性及び硬度を向上させることが可能となる。
【００１８】
ここで、Ｂを含有させると皮膜の硬度が増大する一方、靱性がやや低下してしまうが、本発明においては、第一皮膜層に比べてＢ含有量を５ａｔ％（原子％）以上少なくして靭性の低下を抑えた第二皮膜層を第一皮膜層と交互に積層することで、硬度と靭性を両立させている。即ち、Ｂ含有量が多い第一皮膜層が主に硬度の向上作用を担い、この第一皮膜層間のＢ含有量の少ない第二皮膜層が主に靱性の向上作用を担うことで、硬く且つ粘り強い皮膜となり、それだけチッピングの生じ難い耐摩耗性に秀れたものとなる。
【００１９】
また、第二皮膜層のＶ含有量は第一皮膜層と同じでも良いが、Ｂ含有量が少なくやや硬度が低くなっているため、硬度が低くなり過ぎないようにＶ含有量を第一皮膜層より少なくすることが望ましい。
【実施例】
【００２０】
本発明の具体的な実施例について説明する。
【００２１】
本実施例は、切削工具用基材上に形成される切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第一多層皮膜層を含み、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｘ−ｙ−ｚ)Ｃｒ(ｘ)Ｖ(ｙ)Ｂ(ｚ)
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，５≦ｚ≦１５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｕ−ｖ−ｗ)Ｃｒ(ｕ)Ｖ(ｖ)Ｂ(ｗ)
ただし、２０≦ｕ≦４０，０≦ｖ≦５，０≦ｗ≦５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第一皮膜層のＶの含有割合ｙと前記第二皮膜層のＶの含有割合ｖとがｙ≧ｖの関係を満たし、更に、前記第一皮膜層のＢの含有割合ｚと前記第二皮膜層のＢの含有割合ｗとがｚ−５≧ｗの関係を満たすものである。
【００２２】
各部を具体的に説明する。
【００２３】
基材は、ＷＣ（タングステンカーバイド）を主成分とする硬質粒子とＣｏ（コバルト）を主成分とする結合材とから成る超硬合金製のものが採用されている。具体的には、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものが採用されている。
【００２４】
この基材の直上には、Ｔｉ（チタン）を主成分とする窒化物若しくは炭窒化物から成る第四皮膜層が設けられている。この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されている。尚、第四皮膜層として、Ｃｒ（クロム）を主成分とする窒化物若しくは炭窒化物を採用しても良い。この場合も膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定すると良い。
【００２５】
この第四皮膜層の上には、第三皮膜層が設けられている。この第三皮膜層の金属元素及び半金属元素は前記第二皮膜層の金属元素及び半金属元素と同一に設定されている。
【００２６】
本実施例においては、この第三皮膜層の上に前記第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に積層して成る第一多層皮膜層が設けられている。尚、第一多層皮膜層はＮａＣｌ型結晶構造を有する構成としている。
【００２７】
この第一多層皮膜層の表層側には、第五皮膜層と第六皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第二多層皮膜層が設けられ、前記第五皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素は前記第一皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素と同一であり、前記第六皮膜層は金属元素及び半金属元素が原子％で、
Ｓｉ(１００−ｔ)Ｍ(ｔ)
ただし、０≦ｔ≦３０，Ｍは周期律表の４ａ，５ａ，６ａ，３ｂ族のうちのいずれか１
種以上の元素
で表され、非金属元素としてＮ（窒素）を含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第五皮膜層の膜厚は０．８ｎｍ〜４０ｎｍに設定され、前記第六皮膜層の膜厚は０．２ｎｍ〜４ｎｍに設定され、更に、前記第五皮膜層が前記第六皮膜層の４倍以上の厚さとなるように前記第五皮膜層及び前記第六皮膜層の膜厚が設定されている。
【００２８】
上記構成を採用した理由及び上記構成による作用効果を以下に説明する。
【００２９】
第一多層皮膜層について、その皮膜構成を上述のように設定した理由を述べる。先ず、第一皮膜層の組成について述べる。本発明者等は、ＡｌＣｒＮに種々の第３元素を入れた皮膜について研究し、Ｖ（バナジウム）及びＢ（ボロン）を所定量含有させることで鉄鋼材料に対する耐摩耗性を向上できることを発見した。これは、皮膜の硬度と潤滑性が改善されたためと考えられる。
【００３０】
具体的には、金属及び半金属のみの原子％でＢ量が５％に満たない場合その効果は小さいが、５％以上で硬度の向上効果が現れ、そして、Ｂ含有量が１５％を超えると硬度の値はあまり変化しなくなることを確認した。また、ＢはＡｌ（アルミニウム）やＣｒに比べて高価な元素であるので、皮膜硬度と経済性を考慮して、第一皮膜層の組成範囲として、金属及び半金属のみの原子％でＢ量が５％以上１５％以下とした。
【００３１】
また、Ｖは、その含有量を多くすると皮膜の潤滑性が向上する。具体的には、金属及び半金属のみの原子％でＶ量が２％に満たない場合その効果は小さいが、２％以上で潤滑性の向上効果が現れ、その皮膜を被覆した工具の鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上することを確認した。一方、Ｖ含有量を多くしすぎると皮膜の硬度が低下し、鉄鋼材料に対する耐摩耗性が低下してくることも確認した。また、ＶはＡｌやＣｒに比べて極めて高価な元素であるので、皮膜の潤滑性および硬度と経済性とを考慮して、第一皮膜層の組成範囲として、金属及び半金属のみの原子％でＶ量が２％以上１５％以下とした。
【００３２】
第一皮膜層を基材直上に形成して切削工具を作成し、鉄鋼材料に対して切削テストを行ったところ、送り速度や切り込み深さの小さい仕上げ加工条件下ではＡｌＣｒＮ皮膜の場合に比べて摩耗の少ない良好な切削性能が得られるものの、送り速度や切り込み深さの大きい荒加工条件下では切れ刃に微小チッピングが生じる場合があることが判明した。これはＢを含有させた効果により、皮膜の硬度は増大したものの皮膜の靭性がやや低下したためと考えられる。
【００３３】
そこで、第一皮膜層に比べてＢ含有量を５ａｔ％以上少なくして靭性の低下を抑えた第二皮膜層を設け、第一皮膜層と第二皮膜層を交互に各２層以上積層する（第一多層皮膜層）ことによって硬度と靭性を両立させることを考案した。第二皮膜層のＶ含有量は第一皮膜層と同じでも良いが、Ｂ含有量が少なくやや硬度が低くなっているため、硬度が低くなり過ぎないようＶ含有量を第一皮膜層より少なくすることが望ましい。
【００３４】
次に、第一多層皮膜層の結晶構造について述べる。種々の成膜条件で成膜して結晶構造と硬度を調べた結果、第一皮膜層及び第二皮膜層ともに、成膜条件によりＮａＣｌ型結晶構造を取る場合とウルツ鉱型結晶構造を取る場合があることがわかった。硬度を比較すると、後者の硬度が前者に比べて極端に低くなった。そのため、第一多層皮膜層の結晶構造をＮａＣｌ型結晶構造にすることが望ましい。
【００３５】
第一皮膜層を基材直上に形成して作成した切削工具では、切削中に皮膜の微小剥離が生じる場合があることも判明した。そこで、基材直上に第二皮膜層と同一の元素成分で構成される第三皮膜層を形成し、その上に第一多層皮膜層を形成して切削工具を作成し、切削テストを行ったところ、切削中の皮膜の微小剥離が低減し、より安定した切削が可能になった。第一多層皮膜層と基材の間に第三皮膜層を形成することで膜剥離が低減した理由は、次のように説明できると考えられる。即ち、皮膜の厚さ方向では基材直上近傍の膜応力が最も大きくなりやすいことが知られているが、その部分の皮膜の靭性が低いと皮膜の微小破壊が生じやすくなり、それが膜剥離につながったものと考えられる。従って、基材直上に靭性のより高い第三皮膜層を形成することで、皮膜の微小破壊が生じにくくなり、膜剥離の低減につながったものと思われる。
【００３６】
膜剥離や皮膜の微小破壊を低減するための別の方策として、基材との密着性に優れたＴｉ系あるいはＣｒ系の窒化物もしくは炭窒化物（第四皮膜層）を基材直上に形成させても良い。基材の直上に第四皮膜層を形成しその上に第一多層皮膜層を形成しても、膜剥離や皮膜の微小破壊が大幅に低減する。より好ましい皮膜構成は、基材の直上に第四皮膜層を形成し、その上に第三皮膜層を形成し、さらにその上に第一多層皮膜層を形成するのが良い。第四皮膜層の膜厚は、その上に第三皮膜層を形成する場合には比較的膜厚が薄くても基材との密着性向上の効果が現れるが、その場合でも０．０１μｍ以上の厚さがあることが望ましい。また、第四皮膜層の目的は基材との密着性向上効果にあるので、膜厚を厚くしすぎる必要もなく、膜厚を０．５μｍ以下にすることが望ましい。
【００３７】
次に第二多層皮膜層について述べる。本発明者等は、ＡｌＣｒＶＢＮの組織について研究し、Ｓｉ（シリコン）系窒化物の極薄い皮膜（第六皮膜層）をＡｌＣｒＶＢＮの皮膜（第五皮膜層）と積層することで、ＡｌＣｒＶＢＮ皮膜の組織が柱状組織から５０ｎｍ以下の微細結晶（ＮａＣｌ型結晶構造）と非晶質部が混在した、所謂、ナノコンポジット組織に変化することを突き止めた。柱状組織からナノコンポジット組織に変化する理由については今後の研究が待たれるところであるが、Ｓｉ系窒化物皮膜が非晶質化し易い物質であることから、薄いＡｌＣｒＶＢＮ膜（第五皮膜層）を極薄い非晶質皮膜（第六皮膜層）で挟むように積層することによって、ＡｌＣｒＶＢＮ膜内のＢＮが非晶質化して、ナノコンポジット組織になったものと思われる。第六皮膜層はＳｉＮ膜でも良いが、ＤＣタイプのアークイオンプレーティング法やスパッタリング法でＳｉＮ膜を成膜する場合Ｓｉターゲットを蒸発源として用いることになるが、Ｓｉターゲットの導電性が低いため安定的に成膜を続けることが比較的難しい。そこで、ターゲット材の導電率を上げて成膜の安定化を容易にするために、金属元素Ｍを少量添加しても良い。第六皮膜層の中で非晶質化し易いのはＳｉＮなので、非晶質領域を多く確保するため、第六皮膜層の金属元素及び半金属元素に占めるＭの割合は原子％で３０％以下にすることが望ましい。元素Ｍの種類は周期律表の４ａ，５ａ，６ａ，３ｂ族のうちの１種以上で、特に限定するものではないが、第五皮膜層に含まれるＡｌ，Ｃｒ，Ｖ，Ｂの中の１種類若しくは２種類以上を元素Ｍとして採用しても良い。
【００３８】
また、皮膜結晶の大きさが微細化すると硬度が高くなることが知られている。同一成分の皮膜でも、柱状組織の皮膜よりもナノコンポジット組織の皮膜の方が高い硬度になる。第五皮膜層は厚すぎるとナノコンポジット組織に変化しづらくなるため、厚さを４０ｎｍ以下にすることが望ましい。また、第六皮膜層は、薄すぎると第五皮膜層がナノコンポジット組織に変化しづらくなり、厚すぎると第二多層皮膜層が脆くなるため、厚さを４ｎｍ以下０．２ｎｍ以上にすることが望ましい。更に、第二多層皮膜層を積層構成にした目的がＡｌＣｒＶＢＮ皮膜をナノコンポジット組織にすることであるので、第二多層皮膜層内に占める第五皮膜層の体積割合が８０％以上となるように、第五皮膜層は第六皮膜層より４倍以上の厚さとすることが望ましい。
【００３９】
本実施例の硬質皮膜は鉄鋼材料用切削工具向けに発明されたものであるが、その基材としては、ＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなる超硬合金が、鉄鋼材料用切削工具として硬度と靭性のバランスが取れた材料であることから望ましい。ＷＣ粒子の平均粒径を小さくしすぎると、結合材中にＷＣ粒子を均一に分散させることが難しくなり、超硬合金の抗折力低下を引き起こしやすい。一方、ＷＣ粒子を大きくしすぎると超硬合金の硬度が低下する。また、Ｃｏ含有量を少なくしすぎると超硬合金の抗折力が低下し、逆にＣｏ含有量を多くしすぎると超硬合金の硬度が低下する。そのため、ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍであり、Ｃｏ含有量が重量％で５〜１５％の超硬合金を基材とすることが望ましい。
【００４０】
本実施例は上述のように構成したから、Ｖが添加されることで潤滑性が向上することになり、また、Ｂが添加されることで硬度が向上することになる。よって、従来のＡｌＣｒＮ系皮膜より潤滑性及び硬度を向上させることが可能となる。
【００４１】
ここで、Ｂを含有させると皮膜の硬度が増大する一方、靱性がやや低下してしまうが、本発明においては、第一皮膜層に比べてＢ含有量を５ａｔ％（原子％）以上少なくして靭性の低下を抑えた第二皮膜層を第一皮膜層と交互に積層することで、硬度と靭性を両立させている。即ち、Ｂ含有量が多い第一皮膜層が主に硬度の向上作用を担い、この第一皮膜層間のＢ含有量の少ない第二皮膜層が主に靱性の向上作用を担うことで、硬く且つ粘り強い皮膜となり、それだけチッピングの生じ難い耐摩耗性に秀れたものとなる。
【００４２】
また、第二皮膜層のＶ含有量は第一皮膜層と同じでも良いが、Ｂ含有量が少なくやや硬度が低くなっているため、硬度が低くなり過ぎないようにＶ含有量を第一皮膜層より少なくすることが望ましい。
【００４３】
特に、本実施例は、基材上に、第四皮膜層、第三皮膜層、第一多層皮膜層、第二多層皮膜層を順次積層し、第一多層皮膜層の基材側及び表層側に夫々更に所定の特性を有する皮膜層を設けている。即ち、膜応力が大きくなる皮膜の基材側に靱性に秀れた皮膜層を配すると共に、被切削物と接触する表層側に硬度に秀れた皮膜層を配することで、皮膜が基材から剥離し難く且つ表層が摩耗し難くなり、極めてチッピングが生じ難いものとなる。
【００４４】
従って、本実施例は、ＡｌＣｒＮ皮膜に対してＶとＢを添加することで皮膜の硬度と潤滑性を向上させるとともに、積層の仕方を工夫して高い硬度と潤滑性を維持しながら高い靭性を確保でき、鉄鋼材料に対する耐摩耗性を向上させた秀れた性能を発揮する切削工具用硬質皮膜となる。
【００４５】
以下、本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。
【００４６】
実験では、成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源をそれぞれ２つずつ持つ複合型成膜装置を用いた。アーク放電式イオンプレーティング蒸発源（蒸発源Ａ）、スパッタリング蒸発源（蒸発源Ｂ）、アーク放電式イオンプレーティング蒸発源（蒸発源Ｃ）、スパッタリング蒸発源（蒸発源Ｄ）の順に４つの蒸発源が９０度の間隔を置いて装置内のサイドに配置されている。装置内の中央部に回転ステージがあり、そこに成膜基材をセットしバイアス電圧を加えながら回転させる。金属及び半金属成分の蒸発源として各種組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、また、反応ガスとしてＮ２ガス，ＣＨ４ガス，Ａｒガスのうち少なくとも１種類を成膜装置内に導入して、成膜基材としての超硬合金製２枚刃ボールエンドミル（外径２ｍｍ）に所定の皮膜を成膜した。第四皮膜層の成膜には蒸発源Ｄ（スパッタリング蒸発源）を用い、第三皮膜層と第一多層皮膜層の成膜には蒸発源Ａと蒸発源Ｃ（アーク放電式イオンプレーティング蒸発源）を用い、第二多層皮膜層の成膜には蒸発源Ａ（アーク放電式イオンプレーティング蒸発源）と蒸発源Ｂ（スパッタリング蒸発源）を用いた。第四皮膜層と第二多層皮膜層の成膜時にはＡｒガスをガス流量全体の１／２の割合で成膜装置内に導入し、第三皮膜層と第一多層皮膜層の成膜時にはＡｒガスを導入しなかった。また、アーク放電電流を１００Ａ、スパッタリング電力を１．５ｋＷとして成膜を行った。基材の超硬合金はＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなり、ＷＣ粒子の平均粒径が１μｍ、Ｃｏ含有量が８重量％のものを使用した。成膜に当たっては、全皮膜の膜厚が２．０〜２．８μｍになるようにして、第四皮膜層，第三皮膜層，第一多層皮膜層，第二多層皮膜層の順番で基材エンドミルに成膜した。所定の皮膜を被覆したエンドミルを用いて次の切削条件で切削試験を行い、エンドミル逃げ面の摩耗幅を測定した。
【００４７】
切削試験では、被削材をＳＫＤ６１焼入れ材（５２ＨＲＣ）とし、湿式条件下で切削を行った。外径２ｍｍのエンドミルを２４６００ｍｉｎ−１の速度で回転させ、送り速度１４８０ｍｍ/ｍｉｎ，切り込み量Ａｄ＝０．１６ｍｍ，Ｐｆ＝０．７ｍｍとし、水溶性切削油をクーラントとして試験を行った。切削試験の結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
尚、Ｎｏ．１の第四皮膜層（ＴｉＣＮ）及びＮｏ．２０の第三皮膜層（ＴｉＣＮ）は、基材直上部のＣ量を０、即ちＴｉＮとし、表層部に向けて徐々にＣ量を増やしながら成膜した。また、Ｎｏ．１１の第四皮膜層（ＣｒＣＮ）は、基材直上部のＣ量を０、即ちＣｒＮとし、表層部に向けて徐々にＣ量を増やしながら成膜した。
【００５０】
表１では本実施例とともに、従来の硬質皮膜や本発明の範囲外の硬質皮膜を実施例と同様な手段で被覆したエンドミルで切削試験を行った結果を比較例として記載している。
【００５１】
表１から、本実施例は比較例に比べてエンドミル逃げ面摩耗幅の低減、即ち、耐摩耗性の向上が認められる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンドミル，ドリル等の切削工具に被覆して耐摩耗性を向上させるための切削工具用硬質皮膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属切削工具に被覆する硬質皮膜としては、ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮが使用されてきた。特に、特許文献１，２に代表されるＴｉＡｌＮ系皮膜はＴｉＮにＡｌを添加することで硬度と耐熱性を改良させたもので、耐摩耗性の良さから、焼入れ鋼を含む鉄鋼材料を加工するための切削工具用硬質皮膜として広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、近年では鉄鋼材料に対する耐摩耗性をさらに向上させることが工具に求められてきており、ＴｉＮの代わりにＣｒＮをベースとすることでＴｉＡｌＮ皮膜よりも耐熱性をより向上させたＡｌＣｒＮ皮膜が特許文献３等で提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−５６５６５号公報
【特許文献２】特開平２−１９４１５９号公報
【特許文献３】特許第３０３９３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＡｌＣｒＮ皮膜はＴｉＡｌＮ皮膜に比べて耐熱性は良いものの硬度がやや小さく、そのため、鉄鋼材料に対する耐摩耗性が十分とは言えない。
【０００６】
本発明は、上述のような現状に鑑み、本発明者等が皮膜組成と皮膜層構成について研究した結果、硬質皮膜の硬度及び潤滑性を向上させることにより上記課題を解決できるとの知見を得て完成したもので、硬質皮膜を所定の組成及び積層構造とすることにより、硬質皮膜の硬度及び潤滑性を改善することができ、従来のＡｌＣｒＮ膜よりも飛躍的に耐摩耗性を向上させることが可能な極めて実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨を説明する。
【０００８】
切削工具用基材上に形成される切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第一多層皮膜層を含み、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｘ−ｙ−ｚ)Ｃｒ(ｘ)Ｖ(ｙ)Ｂ(ｚ)
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，５≦ｚ≦１５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｕ−ｖ−ｗ)Ｃｒ(ｕ)Ｖ(ｖ)Ｂ(ｗ)
ただし、２０≦ｕ≦４０，０≦ｖ≦５，０≦ｗ≦５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第一皮膜層のＶの含有割合ｙと前記第二皮膜層のＶの含有割合ｖとがｙ≧ｖの関係を満たし、更に、前記第一皮膜層のＢの含有割合ｚと前記第二皮膜層のＢの含有割合ｗとがｚ−５≧ｗの関係を満たすことを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【０００９】
また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層と前記基材との間には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層の金属元素及び半金属元素は前記第二皮膜層の金属元素及び半金属元素と同一であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１０】
また、請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第四皮膜層が設けられ、この第四皮膜層はＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物であり、この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１１】
また、請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第四皮膜層が設けられ、この第四皮膜層はＣｒを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物であり、この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１２】
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層の表層側には、第五皮膜層と第六皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第二多層皮膜層が設けられ、前記第五皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素は前記第一皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素と同一であり、前記第六皮膜層は金属元素及び半金属元素が原子％で、
Ｓｉ(１００−ｔ)Ｍ(ｔ)
ただし、０≦ｔ≦３０，Ｍは周期律表の４ａ，５ａ，６ａ，３ｂ族のうちのいずれか１
種以上の元素
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第五皮膜層の膜厚は４０ｎｍ以下に設定され、前記第六皮膜層の膜厚は０．２ｎｍ〜４ｎｍに設定され、更に、前記第五皮膜層が前記第六皮膜層の４倍以上の厚さとなるように前記第五皮膜層及び前記第六皮膜層の膜厚が設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１３】
また、請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層はＮａＣｌ型結晶構造を有するものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１４】
また、請求項１〜６いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材は、ＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材とから成る超硬合金製であって、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は上述のように構成したから、硬質皮膜の硬度及び潤滑性を改善することができ、従来のＡｌＣｒＮ膜よりも飛躍的に耐摩耗性を向上させることが可能な極めて実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。
【００１７】
Ｖが添加されることで潤滑性が向上することになり、また、Ｂが添加されることで硬度が向上することになる。よって、従来のＡｌＣｒＮ系皮膜より潤滑性及び硬度を向上させることが可能となる。
【００１８】
ここで、Ｂを含有させると皮膜の硬度が増大する一方、靱性がやや低下してしまうが、本発明においては、第一皮膜層に比べてＢ含有量を５ａｔ％（原子％）以上少なくして靭性の低下を抑えた第二皮膜層を第一皮膜層と交互に積層することで、硬度と靭性を両立させている。即ち、Ｂ含有量が多い第一皮膜層が主に硬度の向上作用を担い、この第一皮膜層間のＢ含有量の少ない第二皮膜層が主に靱性の向上作用を担うことで、硬く且つ粘り強い皮膜となり、それだけチッピングの生じ難い耐摩耗性に秀れたものとなる。
【００１９】
また、第二皮膜層のＶ含有量は第一皮膜層と同じでも良いが、Ｂ含有量が少なくやや硬度が低くなっているため、硬度が低くなり過ぎないようにＶ含有量を第一皮膜層より少なくすることが望ましい。
【実施例】
【００２０】
本発明の具体的な実施例について説明する。
【００２１】
本実施例は、切削工具用基材上に形成される切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第一多層皮膜層を含み、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｘ−ｙ−ｚ)Ｃｒ(ｘ)Ｖ(ｙ)Ｂ(ｚ)
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，５≦ｚ≦１５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｕ−ｖ−ｗ)Ｃｒ(ｕ)Ｖ(ｖ)Ｂ(ｗ)
ただし、２０≦ｕ≦４０，０≦ｖ≦５，０≦ｗ≦５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第一皮膜層のＶの含有割合ｙと前記第二皮膜層のＶの含有割合ｖとがｙ≧ｖの関係を満たし、更に、前記第一皮膜層のＢの含有割合ｚと前記第二皮膜層のＢの含有割合ｗとがｚ−５≧ｗの関係を満たすものである。
【００２２】
各部を具体的に説明する。
【００２３】
基材は、ＷＣ（タングステンカーバイド）を主成分とする硬質粒子とＣｏ（コバルト）を主成分とする結合材とから成る超硬合金製のものが採用されている。具体的には、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものが採用されている。
【００２４】
この基材の直上には、Ｔｉ（チタン）を主成分とする窒化物若しくは炭窒化物から成る第四皮膜層が設けられている。この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されている。尚、第四皮膜層として、Ｃｒ（クロム）を主成分とする窒化物若しくは炭窒化物を採用しても良い。この場合も膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定すると良い。
【００２５】
この第四皮膜層の上には、第三皮膜層が設けられている。この第三皮膜層の金属元素及び半金属元素は前記第二皮膜層の金属元素及び半金属元素と同一に設定されている。
【００２６】
本実施例においては、この第三皮膜層の上に前記第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に積層して成る第一多層皮膜層が設けられている。尚、第一多層皮膜層はＮａＣｌ型結晶構造を有する構成としている。
【００２７】
この第一多層皮膜層の表層側には、第五皮膜層と第六皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第二多層皮膜層が設けられ、前記第五皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素は前記第一皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素と同一であり、前記第六皮膜層は金属元素及び半金属元素が原子％で、
Ｓｉ(１００−ｔ)Ｍ(ｔ)
ただし、０≦ｔ≦３０，Ｍは周期律表の４ａ，５ａ，６ａ，３ｂ族のうちのいずれか１
種以上の元素
で表され、非金属元素としてＮ（窒素）を含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第五皮膜層の膜厚は０．８ｎｍ〜４０ｎｍに設定され、前記第六皮膜層の膜厚は０．２ｎｍ〜４ｎｍに設定され、更に、前記第五皮膜層が前記第六皮膜層の４倍以上の厚さとなるように前記第五皮膜層及び前記第六皮膜層の膜厚が設定されている。
【００２８】
上記構成を採用した理由及び上記構成による作用効果を以下に説明する。
【００２９】
第一多層皮膜層について、その皮膜構成を上述のように設定した理由を述べる。先ず、第一皮膜層の組成について述べる。本発明者等は、ＡｌＣｒＮに種々の第３元素を入れた皮膜について研究し、Ｖ（バナジウム）及びＢ（ボロン）を所定量含有させることで鉄鋼材料に対する耐摩耗性を向上できることを発見した。これは、皮膜の硬度と潤滑性が改善されたためと考えられる。
【００３０】
具体的には、金属及び半金属のみの原子％でＢ量が５％に満たない場合その効果は小さいが、５％以上で硬度の向上効果が現れ、そして、Ｂ含有量が１５％を超えると硬度の値はあまり変化しなくなることを確認した。また、ＢはＡｌ（アルミニウム）やＣｒに比べて高価な元素であるので、皮膜硬度と経済性を考慮して、第一皮膜層の組成範囲として、金属及び半金属のみの原子％でＢ量が５％以上１５％以下とした。
【００３１】
また、Ｖは、その含有量を多くすると皮膜の潤滑性が向上する。具体的には、金属及び半金属のみの原子％でＶ量が２％に満たない場合その効果は小さいが、２％以上で潤滑性の向上効果が現れ、その皮膜を被覆した工具の鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上することを確認した。一方、Ｖ含有量を多くしすぎると皮膜の硬度が低下し、鉄鋼材料に対する耐摩耗性が低下してくることも確認した。また、ＶはＡｌやＣｒに比べて極めて高価な元素であるので、皮膜の潤滑性および硬度と経済性とを考慮して、第一皮膜層の組成範囲として、金属及び半金属のみの原子％でＶ量が２％以上１５％以下とした。
【００３２】
第一皮膜層を基材直上に形成して切削工具を作成し、鉄鋼材料に対して切削テストを行ったところ、送り速度や切り込み深さの小さい仕上げ加工条件下ではＡｌＣｒＮ皮膜の場合に比べて摩耗の少ない良好な切削性能が得られるものの、送り速度や切り込み深さの大きい荒加工条件下では切れ刃に微小チッピングが生じる場合があることが判明した。これはＢを含有させた効果により、皮膜の硬度は増大したものの皮膜の靭性がやや低下したためと考えられる。
【００３３】
そこで、第一皮膜層に比べてＢ含有量を５ａｔ％以上少なくして靭性の低下を抑えた第二皮膜層を設け、第一皮膜層と第二皮膜層を交互に各２層以上積層する（第一多層皮膜層）ことによって硬度と靭性を両立させることを考案した。第二皮膜層のＶ含有量は第一皮膜層と同じでも良いが、Ｂ含有量が少なくやや硬度が低くなっているため、硬度が低くなり過ぎないようＶ含有量を第一皮膜層より少なくすることが望ましい。
【００３４】
次に、第一多層皮膜層の結晶構造について述べる。種々の成膜条件で成膜して結晶構造と硬度を調べた結果、第一皮膜層及び第二皮膜層ともに、成膜条件によりＮａＣｌ型結晶構造を取る場合とウルツ鉱型結晶構造を取る場合があることがわかった。硬度を比較すると、後者の硬度が前者に比べて極端に低くなった。そのため、第一多層皮膜層の結晶構造をＮａＣｌ型結晶構造にすることが望ましい。
【００３５】
第一皮膜層を基材直上に形成して作成した切削工具では、切削中に皮膜の微小剥離が生じる場合があることも判明した。そこで、基材直上に第二皮膜層と同一の元素成分で構成される第三皮膜層を形成し、その上に第一多層皮膜層を形成して切削工具を作成し、切削テストを行ったところ、切削中の皮膜の微小剥離が低減し、より安定した切削が可能になった。第一多層皮膜層と基材の間に第三皮膜層を形成することで膜剥離が低減した理由は、次のように説明できると考えられる。即ち、皮膜の厚さ方向では基材直上近傍の膜応力が最も大きくなりやすいことが知られているが、その部分の皮膜の靭性が低いと皮膜の微小破壊が生じやすくなり、それが膜剥離につながったものと考えられる。従って、基材直上に靭性のより高い第三皮膜層を形成することで、皮膜の微小破壊が生じにくくなり、膜剥離の低減につながったものと思われる。
【００３６】
膜剥離や皮膜の微小破壊を低減するための別の方策として、基材との密着性に優れたＴｉ系あるいはＣｒ系の窒化物もしくは炭窒化物（第四皮膜層）を基材直上に形成させても良い。基材の直上に第四皮膜層を形成しその上に第一多層皮膜層を形成しても、膜剥離や皮膜の微小破壊が大幅に低減する。より好ましい皮膜構成は、基材の直上に第四皮膜層を形成し、その上に第三皮膜層を形成し、さらにその上に第一多層皮膜層を形成するのが良い。第四皮膜層の膜厚は、その上に第三皮膜層を形成する場合には比較的膜厚が薄くても基材との密着性向上の効果が現れるが、その場合でも０．０１μｍ以上の厚さがあることが望ましい。また、第四皮膜層の目的は基材との密着性向上効果にあるので、膜厚を厚くしすぎる必要もなく、膜厚を０．５μｍ以下にすることが望ましい。
【００３７】
次に第二多層皮膜層について述べる。本発明者等は、ＡｌＣｒＶＢＮの組織について研究し、Ｓｉ（シリコン）系窒化物の極薄い皮膜（第六皮膜層）をＡｌＣｒＶＢＮの皮膜（第五皮膜層）と積層することで、ＡｌＣｒＶＢＮ皮膜の組織が柱状組織から５０ｎｍ以下の微細結晶（ＮａＣｌ型結晶構造）と非晶質部が混在した、所謂、ナノコンポジット組織に変化することを突き止めた。柱状組織からナノコンポジット組織に変化する理由については今後の研究が待たれるところであるが、Ｓｉ系窒化物皮膜が非晶質化し易い物質であることから、薄いＡｌＣｒＶＢＮ膜（第五皮膜層）を極薄い非晶質皮膜（第六皮膜層）で挟むように積層することによって、ＡｌＣｒＶＢＮ膜内のＢＮが非晶質化して、ナノコンポジット組織になったものと思われる。第六皮膜層はＳｉＮ膜でも良いが、ＤＣタイプのアークイオンプレーティング法やスパッタリング法でＳｉＮ膜を成膜する場合Ｓｉターゲットを蒸発源として用いることになるが、Ｓｉターゲットの導電性が低いため安定的に成膜を続けることが比較的難しい。そこで、ターゲット材の導電率を上げて成膜の安定化を容易にするために、金属元素Ｍを少量添加しても良い。第六皮膜層の中で非晶質化し易いのはＳｉＮなので、非晶質領域を多く確保するため、第六皮膜層の金属元素及び半金属元素に占めるＭの割合は原子％で３０％以下にすることが望ましい。元素Ｍの種類は周期律表の４ａ，５ａ，６ａ，３ｂ族のうちの１種以上で、特に限定するものではないが、第五皮膜層に含まれるＡｌ，Ｃｒ，Ｖ，Ｂの中の１種類若しくは２種類以上を元素Ｍとして採用しても良い。
【００３８】
また、皮膜結晶の大きさが微細化すると硬度が高くなることが知られている。同一成分の皮膜でも、柱状組織の皮膜よりもナノコンポジット組織の皮膜の方が高い硬度になる。第五皮膜層は厚すぎるとナノコンポジット組織に変化しづらくなるため、厚さを４０ｎｍ以下にすることが望ましい。また、第六皮膜層は、薄すぎると第五皮膜層がナノコンポジット組織に変化しづらくなり、厚すぎると第二多層皮膜層が脆くなるため、厚さを４ｎｍ以下０．２ｎｍ以上にすることが望ましい。更に、第二多層皮膜層を積層構成にした目的がＡｌＣｒＶＢＮ皮膜をナノコンポジット組織にすることであるので、第二多層皮膜層内に占める第五皮膜層の体積割合が８０％以上となるように、第五皮膜層は第六皮膜層より４倍以上の厚さとすることが望ましい。
【００３９】
本実施例の硬質皮膜は鉄鋼材料用切削工具向けに発明されたものであるが、その基材としては、ＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなる超硬合金が、鉄鋼材料用切削工具として硬度と靭性のバランスが取れた材料であることから望ましい。ＷＣ粒子の平均粒径を小さくしすぎると、結合材中にＷＣ粒子を均一に分散させることが難しくなり、超硬合金の抗折力低下を引き起こしやすい。一方、ＷＣ粒子を大きくしすぎると超硬合金の硬度が低下する。また、Ｃｏ含有量を少なくしすぎると超硬合金の抗折力が低下し、逆にＣｏ含有量を多くしすぎると超硬合金の硬度が低下する。そのため、ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍであり、Ｃｏ含有量が重量％で５〜１５％の超硬合金を基材とすることが望ましい。
【００４０】
本実施例は上述のように構成したから、Ｖが添加されることで潤滑性が向上することになり、また、Ｂが添加されることで硬度が向上することになる。よって、従来のＡｌＣｒＮ系皮膜より潤滑性及び硬度を向上させることが可能となる。
【００４１】
ここで、Ｂを含有させると皮膜の硬度が増大する一方、靱性がやや低下してしまうが、本発明においては、第一皮膜層に比べてＢ含有量を５ａｔ％（原子％）以上少なくして靭性の低下を抑えた第二皮膜層を第一皮膜層と交互に積層することで、硬度と靭性を両立させている。即ち、Ｂ含有量が多い第一皮膜層が主に硬度の向上作用を担い、この第一皮膜層間のＢ含有量の少ない第二皮膜層が主に靱性の向上作用を担うことで、硬く且つ粘り強い皮膜となり、それだけチッピングの生じ難い耐摩耗性に秀れたものとなる。
【００４２】
また、第二皮膜層のＶ含有量は第一皮膜層と同じでも良いが、Ｂ含有量が少なくやや硬度が低くなっているため、硬度が低くなり過ぎないようにＶ含有量を第一皮膜層より少なくすることが望ましい。
【００４３】
特に、本実施例は、基材上に、第四皮膜層、第三皮膜層、第一多層皮膜層、第二多層皮膜層を順次積層し、第一多層皮膜層の基材側及び表層側に夫々更に所定の特性を有する皮膜層を設けている。即ち、膜応力が大きくなる皮膜の基材側に靱性に秀れた皮膜層を配すると共に、被切削物と接触する表層側に硬度に秀れた皮膜層を配することで、皮膜が基材から剥離し難く且つ表層が摩耗し難くなり、極めてチッピングが生じ難いものとなる。
【００４４】
従って、本実施例は、ＡｌＣｒＮ皮膜に対してＶとＢを添加することで皮膜の硬度と潤滑性を向上させるとともに、積層の仕方を工夫して高い硬度と潤滑性を維持しながら高い靭性を確保でき、鉄鋼材料に対する耐摩耗性を向上させた秀れた性能を発揮する切削工具用硬質皮膜となる。
【００４５】
以下、本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。
【００４６】
実験では、成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源をそれぞれ２つずつ持つ複合型成膜装置を用いた。アーク放電式イオンプレーティング蒸発源（蒸発源Ａ）、スパッタリング蒸発源（蒸発源Ｂ）、アーク放電式イオンプレーティング蒸発源（蒸発源Ｃ）、スパッタリング蒸発源（蒸発源Ｄ）の順に４つの蒸発源が９０度の間隔を置いて装置内のサイドに配置されている。装置内の中央部に回転ステージがあり、そこに成膜基材をセットしバイアス電圧を加えながら回転させる。金属及び半金属成分の蒸発源として各種組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、また、反応ガスとしてＮ２ガス，ＣＨ４ガス，Ａｒガスのうち少なくとも１種類を成膜装置内に導入して、成膜基材としての超硬合金製２枚刃ボールエンドミル（外径２ｍｍ）に所定の皮膜を成膜した。第四皮膜層の成膜には蒸発源Ｄ（スパッタリング蒸発源）を用い、第三皮膜層と第一多層皮膜層の成膜には蒸発源Ａと蒸発源Ｃ（アーク放電式イオンプレーティング蒸発源）を用い、第二多層皮膜層の成膜には蒸発源Ａ（アーク放電式イオンプレーティング蒸発源）と蒸発源Ｂ（スパッタリング蒸発源）を用いた。第四皮膜層と第二多層皮膜層の成膜時にはＡｒガスをガス流量全体の１／２の割合で成膜装置内に導入し、第三皮膜層と第一多層皮膜層の成膜時にはＡｒガスを導入しなかった。また、アーク放電電流を１００Ａ、スパッタリング電力を１．５ｋＷとして成膜を行った。基材の超硬合金はＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなり、ＷＣ粒子の平均粒径が１μｍ、Ｃｏ含有量が８重量％のものを使用した。成膜に当たっては、全皮膜の膜厚が２．０〜２．８μｍになるようにして、第四皮膜層，第三皮膜層，第一多層皮膜層，第二多層皮膜層の順番で基材エンドミルに成膜した。所定の皮膜を被覆したエンドミルを用いて次の切削条件で切削試験を行い、エンドミル逃げ面の摩耗幅を測定した。
【００４７】
切削試験では、被削材をＳＫＤ６１焼入れ材（５２ＨＲＣ）とし、湿式条件下で切削を行った。外径２ｍｍのエンドミルを２４６００ｍｉｎ−１の速度で回転させ、送り速度１４８０ｍｍ/ｍｉｎ，切り込み量Ａｄ＝０．１６ｍｍ，Ｐｆ＝０．７ｍｍとし、水溶性切削油をクーラントとして試験を行った。切削試験の結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
尚、Ｎｏ．１の第四皮膜層（ＴｉＣＮ）及びＮｏ．２０の第三皮膜層（ＴｉＣＮ）は、基材直上部のＣ量を０、即ちＴｉＮとし、表層部に向けて徐々にＣ量を増やしながら成膜した。また、Ｎｏ．１１の第四皮膜層（ＣｒＣＮ）は、基材直上部のＣ量を０、即ちＣｒＮとし、表層部に向けて徐々にＣ量を増やしながら成膜した。
【００５０】
表１では本実施例とともに、従来の硬質皮膜や本発明の範囲外の硬質皮膜を実施例と同様な手段で被覆したエンドミルで切削試験を行った結果を比較例として記載している。
【００５１】
表１から、本実施例は比較例に比べてエンドミル逃げ面摩耗幅の低減、即ち、耐摩耗性の向上が認められる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具用基材上に形成される切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第一多層皮膜層を含み、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｘ−ｙ−ｚ)Ｃｒ(ｘ)Ｖ(ｙ)Ｂ(ｚ)
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，５≦ｚ≦１５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｕ−ｖ−ｗ)Ｃｒ(ｕ)Ｖ(ｖ)Ｂ(ｗ)
ただし、２０≦ｕ≦４０，０≦ｖ≦５，０≦ｗ≦５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第一皮膜層のＶの含有割合ｙと前記第二皮膜層のＶの含有割合ｖとがｙ≧ｖの関係を満たし、更に、前記第一皮膜層のＢの含有割合ｚと前記第二皮膜層のＢの含有割合ｗとがｚ−５≧ｗの関係を満たすことを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項２】
請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層と前記基材との間には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層の金属元素及び半金属元素は前記第二皮膜層の金属元素及び半金属元素と同一であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項３】
請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第四皮膜層が設けられ、この第四皮膜層はＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物であり、この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項４】
請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第四皮膜層が設けられ、この第四皮膜層はＣｒを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物であり、この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層の表層側には、第五皮膜層と第六皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第二多層皮膜層が設けられ、前記第五皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素は前記第一皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素と同一であり、前記第六皮膜層は金属元素及び半金属元素が原子％で、
Ｓｉ(１００−ｔ)Ｍ(ｔ)
ただし、０≦ｔ≦３０，Ｍは周期律表の４ａ，５ａ，６ａ，３ｂ族のうちのいずれか１
種以上の元素
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第五皮膜層の膜厚は４０ｎｍ以下に設定され、前記第六皮膜層の膜厚は０．２ｎｍ〜４ｎｍに設定され、更に、前記第五皮膜層が前記第六皮膜層の４倍以上の厚さとなるように前記第五皮膜層及び前記第六皮膜層の膜厚が設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層はＮａＣｌ型結晶構造を有するものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材は、ＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材とから成る超硬合金製であって、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項１】
切削工具用基材上に形成される切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第一多層皮膜層を含み、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｘ−ｙ−ｚ)Ｃｒ(ｘ)Ｖ(ｙ)Ｂ(ｚ)
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，５≦ｚ≦１５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ(１００−ｕ−ｖ−ｗ)Ｃｒ(ｕ)Ｖ(ｖ)Ｂ(ｗ)
ただし、２０≦ｕ≦４０，０≦ｖ≦５，０≦ｗ≦５
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第一皮膜層のＶの含有割合ｙと前記第二皮膜層のＶの含有割合ｖとがｙ≧ｖの関係を満たし、更に、前記第一皮膜層のＢの含有割合ｚと前記第二皮膜層のＢの含有割合ｗとがｚ−５≧ｗの関係を満たすことを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項２】
請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層と前記基材との間には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層の金属元素及び半金属元素は前記第二皮膜層の金属元素及び半金属元素と同一であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項３】
請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第四皮膜層が設けられ、この第四皮膜層はＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物であり、この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項４】
請求項１，２いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第四皮膜層が設けられ、この第四皮膜層はＣｒを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物であり、この第四皮膜層の膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層の表層側には、第五皮膜層と第六皮膜層とを交互に各２層以上積層して成る第二多層皮膜層が設けられ、前記第五皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素は前記第一皮膜層の金属元素，半金属元素及び非金属元素と同一であり、前記第六皮膜層は金属元素及び半金属元素が原子％で、
Ｓｉ(１００−ｔ)Ｍ(ｔ)
ただし、０≦ｔ≦３０，Ｍは周期律表の４ａ，５ａ，６ａ，３ｂ族のうちのいずれか１
種以上の元素
で表され、非金属元素としてＮを含むと共に、不可避不純物を含むものであり、前記第五皮膜層の膜厚は４０ｎｍ以下に設定され、前記第六皮膜層の膜厚は０．２ｎｍ〜４ｎｍに設定され、更に、前記第五皮膜層が前記第六皮膜層の４倍以上の厚さとなるように前記第五皮膜層及び前記第六皮膜層の膜厚が設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記第一多層皮膜層はＮａＣｌ型結晶構造を有するものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材は、ＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材とから成る超硬合金製であって、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【公開番号】特開２００９−５６５４９（Ｐ２００９−５６５４９Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２５９８７（Ｐ２００７−２２５９８７）
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【出願人】（０００１１５１２０）ユニオンツール株式会社 (44)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【出願人】（０００１１５１２０）ユニオンツール株式会社 (44)
【Ｆターム（参考）】
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