旋削加工用硬質皮膜被覆工具
【課題】本願発明は、高硬度化による耐摩耗性と、高靭性化による耐欠損性に優れた旋削加工用の硬質膜被覆工具を提供すること。
【解決手段】旋削加工用の硬質皮膜被覆工具において、硬質皮膜は基体表面から第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が被覆され、第１硬質皮膜は、（ＡｌａＭｅ１−ａ）ｅＮｆで示され、但し、３５≦ａ≦６５、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５、第２硬質皮膜は、（Ｔｉ１−ｈＢｈ）ｍＮｐで示され、但し、１≦ｈ≦３０、０．８５≦ｍ／ｐ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、該第２硬質皮膜は柱状組織構造を有し、該柱状組織構造の結晶粒はＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していることを特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具。
【解決手段】旋削加工用の硬質皮膜被覆工具において、硬質皮膜は基体表面から第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が被覆され、第１硬質皮膜は、（ＡｌａＭｅ１−ａ）ｅＮｆで示され、但し、３５≦ａ≦６５、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５、第２硬質皮膜は、（Ｔｉ１−ｈＢｈ）ｍＮｐで示され、但し、１≦ｈ≦３０、０．８５≦ｍ／ｐ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、該第２硬質皮膜は柱状組織構造を有し、該柱状組織構造の結晶粒はＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していることを特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、金属部品加工等に用いられる旋削加工用工具に関するものである。特に、耐摩耗性や耐欠損性向上が要求される工具表面に、物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法と記す。）を用いて硬質皮膜を被覆した旋削加工用硬質皮膜被覆工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、２は、ＰＶＤ法により被覆した硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の配向性と回折ピークの半価幅について開示されている。特許文献３は、（２２０）面、（１１１）面のピーク強度制御の技術が開示されている。特許文献４は、硬質皮膜を構成する金属元素とガス成分元素の構成比率を調整する技術がされている。特許文献５は、エピタキシャル成長により皮膜界面の密着性改善に関する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３６３０２号公報
【特許文献２】特開２００３−１４５３１３号公報
【特許文献３】特開２００３−７１６１１号公報
【特許文献４】特開平７−１８８９０１号公報
【特許文献５】特開２００１−１８１８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明の解決課題は、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、高硬度化による耐摩耗性と、高靭性化による耐欠損性に優れた旋削加工用の硬質膜被覆工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、超硬合金を基体に圧縮応力を有する硬質皮膜を５〜３０μｍの膜厚で被覆した旋削加工用の硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は、該基体表面から第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が被覆され、最外皮膜は該第２硬質皮膜が被覆され、該第１硬質皮膜は、（ＡｌａＭｅ１−ａ）ｅＮｆで示され、但し、ａは原子％、ｅ、ｆは原子比を表し、３５≦ａ≦６５、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５、であり、Ｍｅは４ａ、５ａ、６ａ族、Ｓｉ、Ｂから選択される１種以上を有し、該第２硬質皮膜は、（Ｔｉ１−ｈＢｈ）ｍＮｐで示され、但し、ｈは原子％、ｍ、ｐは原子比を表し、１≦ｈ≦３０、０．８５≦ｍ／ｐ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜、該第２硬質皮膜の結晶構造は面心立方構造であり、該第１硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｒ、（２００）面のピーク強度をＩｓ、（２２０）面のピーク強度をＩｔとしたときに、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５．０、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、であり、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、該第２硬質皮膜は柱状組織構造を有し、該柱状組織構造の結晶粒はＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していること、を特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具である。上記の構成を採用することによって、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、高硬度化による耐摩耗性と、高靭性化による耐欠損性に優れた旋削加工用の硬質膜被覆工具を提供することができる。
【０００６】
本願発明の旋削加工用の硬質膜被覆工具は、該第１硬質皮膜における非金属成分のＮ元素について、その１部をＣ元素、Ｏ元素で置換し、該非金属成分全体を１とし、原子％でＣ元素の含有量をｘ、Ｏ元素の含有量をｙとしたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０、０＜ｘ＋ｙ≦１０、Ｎ元素の含有量は１−ｘ−ｙ、であることが好ましい。また、該第２硬質皮膜における金属成分のＴｉ元素について、その１部をＳｉ元素で置換し、該金属成分全体を１としたとき、原子％でＳｉ元素の含有量をｋ、としたとき、０＜ｋ≦２０、Ｔｉ元素の含有量は１−ｈ−ｋ、であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明によって、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、高硬度化による耐摩耗性と、高靭性化による耐欠損性に優れた旋削加工用の硬質膜被覆工具を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願発明の硬質膜被覆工具における第１硬質皮膜の金属成分は、Ａｌ含有量を表すａ値が３５≦ａ≦６５の範囲のとき、耐熱性、耐摩耗性が優れる。一方、ａ値が６５％を超えて大きいと、皮膜の断面組織が微細化して残留圧縮応力が増大し密着性が劣化する不都合が生じる。Ｍｅ成分として、例えばＴｉを選択することにより、皮膜の高硬度化に有効である。また、例えばＳｉ、Ｂでは、固溶体を維持する含有量の範囲が１％から２０％であることから、優れた耐熱性や潤滑特性を得られる。また、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒを含有することにより、皮膜の耐熱性、高硬度化の改善に有効である。イオン半径が０．０４１〜０．１ｎｍの４ａ、５ａ、６ａ族の元素や、イオン半径が０．００２〜０．０４ｎｍのＳｉ、Ｂ等を含有した窒化物を被覆することが好ましい。
第１硬質皮膜の金属成分と非金属成分との比ｅ／ｆ値を０．８５〜１．２５、とすることにより、硬質皮膜の圧縮応力を最適な範囲にすることができ、高い密着性を得ることができる。また、硬質皮膜組織は高靭性を有する柱状結晶構造とすることができ、優れた欠損性と耐摩耗性を得ることができる。ｅ／ｆ値が０．８５以上のとき、硬質皮膜の結晶格子歪を低減できるが、０．８５未満になると、結晶格子歪が大きくなり、結晶格子縞の連続性が失われる現象や、硬質皮膜の断面組織が微細化し粒界欠陥が増大する。その結果、残留圧縮応力を増大して密着性が劣化する。例えば、切削工具用の硬質皮膜においては、この粒界欠陥が皮膜の密度低下や、被加工物を構成する元素の硬質皮膜内部への内向拡散を招き、硬質皮膜の硬度低下や耐欠損性を劣化させる。ｅ／ｆ値が１．２５を超えると硬質皮膜は柱状結晶構造を有するが、結晶の粒界部に不純物を取り込みすくなる。この不純物は被覆処理を行う装置内部に残留する成分である。その結果、結晶粒間の接合強度が劣化し、硬質皮膜は外部からの衝撃によって容易に破壊される。本願発明の硬質皮膜は、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５の範囲に制御されることにより、皮膜の残留圧縮応力は１．５〜５．０ＧＰａの範囲になる。産業的には、ｅ／ｆ値を求めて硬質皮膜の残留圧縮応力を管理することが可能である。
【０００９】
第２硬質皮膜が、Ｔｉ、Ｂを含有する面心立方構造の窒化物であることにより、優れた耐溶着性を実現できる。第２硬質皮膜におけるＢ含有量を示すｈ値は１≦ｈ≦３０、である。これは、第２硬質皮膜を柱状組織構造とするために重要である。またＢ元素を含有させると、工具のすくい面の耐摩耗特性が向上する。切削初期において、Ｂは工具刃先がまだ低温である状態から酸化され、Ｂ含有酸化物を形成する。このＢ含有酸化物が、被加工物成分の硬質皮膜内部への拡散を抑制させる効果を発揮する。しかし、ｈ値が３０％を超えると、皮膜の組織が微細化する。また、ＢＮの結晶が出現し硬度が低下し、皮膜の圧縮応力が増大して密着性が低下する欠点が現れる。ｈ値は、１％程度でも効果が現れるが、１％未満では、汎用的な分析設備での検出が困難となるため、品質管理を行うことが難しくなる。そのため、分析装置にて検出可能な１％以上とした。
また、第２硬質皮膜の金属成分と非金属成分の比ｍ／ｐ値を０．８５〜１．２５に制御することにより、皮膜の圧縮応力を最適な範囲にすることができ、高い密着性を得ることができる。また、硬質皮膜組織は高靭性を有する柱状結晶構造とすることができ、優れた欠損性と耐摩耗性を得ることができる。第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が面心立方構造であることにより、高硬度を有する硬質皮膜が得られる。また皮膜組織を柱状結晶に制御することによって、優れた欠損性と耐摩耗性を得ることができる。
【００１０】
第１硬質皮膜を、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５の範囲に制御するためには、成膜時の反応圧力を制御することが重要である。窒化物を得ために、窒素の反応圧力を３Ｐａ〜８Ｐａとする。より好ましくは３．５Ｐａ〜７Ｐａの範囲に制御する。反応圧力が３Ｐａ未満では、基体に入射するイオンの運動エネルギーが抑制できず、それが結晶格子歪となって現れ、残留圧縮応力が抑制できなくなり、ｅ／ｆ値は０．８５未満となる。８Ｐａを超えた条件で成膜を行うと、プラズマ密度が低下し、入射するイオンの運動エネルギーが低下し、ｅ／ｆ値は１．２５を超える。
第１硬質皮膜を成膜する際の条件として、パルス化されたバイアス電圧印加を負と正に振幅させて制御を行い、更に（２００）面に強く配向させることで、硬質皮膜の圧縮応力を制御することが実現できる。そのためには、バイアス２０〜１００Ｖを負に、正の電圧を５〜１０Ｖに制御すると実現できる。
第１硬質皮膜のＩｓ／Ｉｒ値を１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５、とするためには、バイアス電圧の制御が必要であり、バイアス電圧をパルス化させて印加させることが好ましい。バイアス電圧が２０Ｖ未満では、Ｉｓ／Ｉｒ値は大きくなる傾向にあり、圧縮応力は低減されるものの、硬質皮膜の硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する。また、バイアス電圧をパルス化させて印加させることにより、成膜時にプラズマ中でイオン化された硬質皮膜構成元素の被処理物に到達する際の運動エネルギーを調整することが可能となる。バイアス電圧をパルス化させた場合特に重要なのは、パルス周波数の制御である。バイアス電圧をパルス化させて印加させると、（１１１）面、（２００）面や（２２０）面のピーク強度を変化させることが可能となり、特に（１１１）面への結晶成長を抑制することによって、圧縮応力を抑制し密着性を高めることができる。
パルス周波数が５〜３５ｋＨｚのときに、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５となり、このときの硬質皮膜の圧縮応力が２．０〜６．０ＧＰａの最適な範囲に制御できる。パルス周波数が５ｋＨｚより低くなると、Ｉｔ／Ｉｒ値は１．５を超える。また、３５ｋＨｚを超えると、イオンが被処理物に到達する際の運動エネルギーが低減できないため、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６未満になる。
【００１１】
第２硬質皮膜の成膜時に印加させるバイアス電圧は、第１硬質皮膜を成膜する際の条件と同様にパルス化させて行うと、基体に到達するＢイオンの運動エネルギーが低く抑えられるため、ＴｉＮの結晶格子に取り込まれ、硬質皮膜はＢを含む単一の結晶化された組織を有する。
一方、第２硬質皮膜を直流のバイアス電圧を印加させて成膜した場合、Ｂは、ＴｉＮの面心立方構造の格子に置換されるほかに、ｃ−ＢＮ、ｈ−ＢＮ、非晶質ＢＮなどを含む。プラズマ中でＢのイオンは、Ｔｉなどに比べ軽元素であるため、高い運動エネルギーを有した状態で基体に到達し、様々な不安定な結合が生じるものと考えられる。硬質皮膜にｈ−ＢＮのみを含む場合は、潤滑特性が向上し、すくい面摩耗抑制を実現できると期待されるが、ｈ−ＢＮを単独で含有させることは困難となる。ｃ−ＢＮ等、他の結晶構造を有する物質と共存するようになるため、圧縮応力が増大する。特にｃ−ＢＮを多く含む場合は、硬質皮膜の高硬度化が実現できるものの、圧縮応力が増大するため好ましくない。
【００１２】
本願発明においては、面心立方構造を有する硬質皮膜において、（２００）面に最も強く配向させることが必要である。その理由は、切削におけるせん断方向からの切削力に対する耐久性が優れるためである。一方、（１１１）面への配向が強くなると、圧縮応力が高くなり、硬質皮膜の密着性が低下し、その結果、耐欠損性や耐摩耗性が低下して不都合が生じる。そこで、第１硬質皮膜のＩｓ／Ｉｒ値を、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５、Ｉｔ／Ｉｒ値を０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５に規定する。第１硬質皮膜を、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５、に制御すれば優れた耐摩耗性を実現でき、また、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、に制御すれば適正な残留圧縮応力の範囲に制御することができる。従って、厚膜化された皮膜が高い密着性を有しつつ、高硬度な皮膜を得ることができる。しかし、Ｉｓ／Ｉｒ値が１．５未満、Ｉｔ／Ｉｒ値が０．６未満のときは、硬質皮膜の断面組織が微細化し、残留応力が増大する。そのため、耐摩耗性は優れるが、容易に皮膜剥離が発生する。特にＩｔ／Ｉｒ値が０．６未満では、硬質皮膜の内部欠陥が増加する。また、Ｉｔ／Ｉｒ値が０．６未満のときは、たとえＩｓ／Ｉｒ値が１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５．０、であっても、（１１１）面のピーク強度が大きく出現する。このときの第１硬質皮膜の残留圧縮応力は５．０ＧＰａ程度となり基体と硬質皮膜の密着性は確保できても、柱状結晶粒界間の密着強度が劣化し、耐摩耗性が低下する。そこで、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５に規定する。Ｉｓ／Ｉｒ値が１５を超えて大きく、Ｉｔ／Ｉｒ値が１．５を超えて大きいときは、残留応力は低減されるが、硬質皮膜の断面組織における粒界の接合強度が低下して密着性と耐摩耗性が劣化する。また、Ｉｔ／Ｉｒ値が１．５を超えると、皮膜は柱状結晶構造を有し低残留圧縮応力を得ることが可能であるが、柱状結晶の粒界における密着強度が低下し、皮膜表面から基体方向へほぼ垂直方向の亀裂破壊が発生しやすくなる。その結果、耐欠損性、耐摩耗性が改善されない。また、粒界に被加工物元素が拡散しやすくなる傾向にあり、機械的特性が劣化する。
【００１３】
本願発明の硬質皮膜について、ｄ２／ｄ１値を、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５とすることにより、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜との密着性が改善され、耐摩耗性が優れる。皮膜間の密着性を高めるには皮膜間の結晶格子歪を低減させる必要がある。この歪を低減させるためには、皮膜間の（２００）面の面間隔の差を小さくしてミスフィットを低減させることにより、高い密着性が得られる。そこで、ｄ２／ｄ１値を、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５範囲に規定することで基体との密着性が損なわれることなく耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜が得られる。ｄ２／ｄ１値が１．０１未満では、硬質皮膜全体の残留圧縮応力が増大するため、基体との密着性が劣化する。１．０５を超えると、皮膜界面の内部欠陥が多くなり、皮膜間の密着性が損なわれるだけでなく、硬質皮膜全体の残留圧縮応力が増大し、基体との密着性が低下する。
【００１４】
本願発明の硬質皮膜について、第２硬質皮膜は柱状組織構造を有し、結晶粒成長方向に対して界面を形成することなく境界領域で結晶粒が連続的に成長した硬質皮膜である。ここで、柱状組織構造とは、膜厚方向に伸びた縦長成長結晶組織である。該硬質皮膜は多結晶材料であるが、結晶粒１つ１つの単位で捉えれば、単結晶材料の成長に類似した形態となっている。柱状組織構造の結晶粒は結晶粒成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していることである。このとき、この組成変調構造における組成変調境界部では結晶格子縞が連続していることが好ましい。第２硬質皮膜がＢ成分の組成変調構造を有し、残留圧縮応力を制御することによって、皮膜の機械的強度が高まる。例えば、Ｂ含有量の富化層では、比較的軟質な層が形成される。この軟質層が、他の比較的硬質な層との層間に存在すると緩衝効果を示し、硬質皮膜全体として残留圧縮応力を緩和するようになる。更に、Ｂ成分の潤滑特性によって、潤滑性を有する硬質皮膜を得ることができる。しかし、この時の好ましいＢ成分の組成差は、最大でも１０％である。より好ましくは、０．１％以上、７％以下の範囲に制御することである。Ｂ成分の組成変調構造とするには、Ｂ含有量の異なるターゲットを用いて、パルスバイアスを印加しながら成膜を行うことで実現できる。Ｂ含有量が組成差を有する部分は組成変調構造のようになり、層間は結晶格子縞が連続して成長する。これは例えば、日本電子製ＪＥＭ−２０１０Ｆ型の電界放出型透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記す。）を用いて、加速電圧２０ｋＶの条件で柱状結晶粒を観察することによって確認できる。
硬質皮膜全体の膜厚を５μｍ以上とすることにより、優れた耐摩耗性が得られる。一方、３０μｍ以上では、硬質皮膜は圧縮応力が高くなり、基体との密着性が劣化するため、３０μｍ以下であるのが好ましい。また第１硬質皮膜の膜厚は第２硬質皮膜よりも厚く、より好ましくは第２硬質皮膜の膜厚は硬質皮膜全体の膜厚に対し、５０％以下であることが好適である。
【００１５】
第１硬質皮膜における非金属成分のＮ元素について、その１部をＣ元素、Ｏ元素で置換し、原子％でＣ元素の含有量をｘ値、Ｏ元素の含有量をｙ値としたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０、０＜ｘ＋ｙ≦１０の範囲にすることが好ましい。これにより、高硬度、優れた耐酸化特性、密着性及び潤滑特性を有する硬質皮膜が得られる。Ｃ元素、Ｏ元素を含有させるときは、皮膜の機械的強度劣化を回避するために、ｘ値とｙ値との和を１０％以下にすることで、優れた耐溶着性と摺動性を有する硬質皮膜が得られる。より好ましくは、Ｃ元素、Ｏ元素が単独で含有する場合は、２％〜１０％とすることである。しかし、ｘ値、ｙ値が１０％を超えると皮膜の結晶組織が微細化し、結晶粒界にける欠陥が増大する。その結果、たとえ硬質皮膜の潤滑特性が改善されても、残留圧縮応力が増大するため密着性や耐欠損性が低下する欠点が現れる。第１硬質皮膜にＣ元素、Ｏ元素を含有させる場合には、炭化水素系ガスや酸素含有ガスを使用することが好ましい。ガスを導入して成膜を行う場合、Ｎ２ガスと併せた全圧が、３〜８Ｐａの範囲にすることが好ましい。或いは、ターゲット蒸発源にＣ元素、Ｏ元素を含有させることも可能である。
【００１６】
第２硬質皮膜における金属成分のＴｉ元素について、その１部をＳｉ元素で置換し、該金属成分全体を１としたとき、原子％でＳｉ元素の含有量をｋとしたとき、０＜ｋ≦２０、とすることにより、耐摩耗性が向上する。第２硬質皮膜の皮膜組織を柱状組織構造とするため、ｋ値は２０％以下に制御することが好ましい。Ｓｉを含有させる場合は、ＴｉＮの単一な結晶質組織が固溶体となるように制御することで、例えば、切削工具のすくい面における耐摩耗性に優れた硬質皮膜を得られる。一方、ｋ値が２０％を超えると皮膜組織が微細化し、残留圧縮応力が増大し、密着性を低下させる欠点が現れる。また、皮膜組織は、ＴｉＮの結晶質組織、ＳｉＮ組成系の結晶質組織や非晶質組織といった形で、様々な組織が混在する。その結果、結晶粒界が増大し、結晶格子歪が発生して残留圧縮応力が増大する。
【００１７】
本願発明の硬質皮膜の組成は、例えば、日本電子製のＪＸＡ８５００Ｆ形ＥＰＭＡ分析装置を用いて測定できる。硬質皮膜の垂直断面もしくは膜断面を１７度斜めに傾けて研磨した傾斜断面において、硬質皮膜部を基体の影響を受けない位置から行い、加速電圧１０ｋＶ、照射電流１．０μＡ、プローブ径を１０μｍ程度に設定するとにより可能である。硬質皮膜表面から測定する場合は、プローブ径を５０μｍ程度に設定することが好ましい。また、Ｃ元素やＯ元素を含有させたときは、２％未満になると分析での検出が困難となる。硬質皮膜の膜厚は、例えば、日立製作所製Ｓ−４２００型電解放射走査型電子顕微鏡を用いて、垂直方向の破断から測定できる。
硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）、（２００）、（２２０）面のピーク強度比の測定は、例えば、理学電気製ＲＵ−２００ＢＨ型Ｘ線回折装置を用いて２θ−θ走査法により測定できる。２θ（度）の範囲は、１０〜１４５度、Ｘ線源はλ値が０．１５４０５ｎｍのＣｕＫα１線を用い、バックグランドノイズは装置に内蔵されたソフトにより除去した。測定結果は、検出された２θのピーク位置が、結晶構造が面心立方構造であるＴｉＮのＸ線回折パターン（ＪＣＰＤＳファイル番号３８−１４２０）に略一致したので、その（１１１）、（２００）、（２２０）ピークの強度を測定した。ピーク強度は、各指数面のピークトップの最大値をピーク強度し、それを用いてピーク強度比を求めた。更に、面間隔は、上記（２００）面を示すピーク位置の数値を適用した。また、ＣｒＮがベースとなるような硬質皮膜の場合も同様にして、ピーク強度を測定した。
本願発明の硬質皮膜における残留圧縮応力は以下に示す曲率測定法で算出した。即ち、ヤング率とポアッソン比が既知となっている基体を所定の形状に加工した試験片を用い、その表面に被覆を行うと、硬質皮膜中に発生する残留圧縮応力により、被覆された試験片がたわみ変形する。そのたわみ変形量を求め、化１を用いて、硬質皮膜全体の残留圧縮応力σ値を算出した。
【００１８】
【化１】
【００１９】
ここで、Ｅｓ値（ＧＰａ）は、試験片に使用した基体のヤング率、Ｄ値（ｍｍ）は試験片の厚み、δ値（μｍ）は被覆前後で生じる試験片のたわみ量、ｌ値（ｍｍ）は被覆によってたわみが生じた試験片の長さ方向端面から、最大たわみ部までの長さ、νｓ値は試験片に使用した基体のポアッソン比、ｄ（μｍ）は試験片表面に被覆した硬質皮膜の膜厚である。また、試験片材料は、超硬合金材料が、測定数値のばらつきが少なく適している。試験片形状は、短冊型の形状が望ましく、例えば８ｍｍ幅、２５ｍｍ長さ、０．５〜１．５ｍｍ厚さの形状を使用すると、測定数値のばらつきが少ない。試験片の面積の大きい上下面について、平行度±０．１ｍｍになるよう、鏡面研磨を施した後、６００〜１０００℃の真空中で熱処理を行い、試験片に用いる材料の、特に表面部分の歪を除去させる。この歪をある程度除去しなければ、得られる残留圧縮応力の値にばらつきが発生する。試験片面積の大きい、鏡面加工された一面のたわみ変形量を被覆前に測定した後、その面に被覆を行い、再度、得られた被覆試験片のたわみ量を測定する。被覆前後のたわみ量と、被覆によってたわみが生じた試験片の長さ方向端面から、最大たわみ部までの長さ、および被覆した硬質皮膜の膜厚を測定し、その数値を化１に代入すれば、硬質皮膜の組成や、成膜条件が変化しても、また、組成変調構造を有していても、本測定方法により圧縮応力の値を算出することが可能である。
【００２０】
硬質皮膜被覆工具は、基体に炭化タングステン基超硬合金、高速度工具鋼基体、サーメット等を用いると、より耐摩耗性と靱性のバランスが最適化される。ただし、高速度工具鋼を基体として用いる場合は、その熱処理特性を考慮し５００〜５５０℃の範囲で被覆することが好ましい。このような比較的低温で成膜する場合は、印加させるバイアス電圧や成膜時の反応圧力を適宜最適化させる。成膜方法としては、パルス化されたバイアス電圧が印加可能で、圧縮応力が付与される成膜方式が好ましい。アークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）法、スパッタリング法等のイオンプレーティング方式等が好ましい。適切な製造条件を適用すれば、各々の方式が一つの設備に設置された複合装置を用いてもよい。本願発明を以下の実施例により更に詳細に説明する。
【実施例】
【００２１】
残留圧縮応力測定が行える試験片、旋削用のインサート形状の超硬合金製基体表面に、本願発明の硬質皮膜を被覆して、本発明例１を作成した。本発明例１は、ＡＩＰ装置を用いて、金属成分のみの組成が原子％で、Ｔｉ：５０％、Ａｌ：５０％の（ＴｉＡｌ）Ｎ膜を６μｍ膜厚、その後、金属成分のみの組成が、Ｔｉ：９０％、Ｂ：１０％の（ＴｉＢ）Ｎ膜を６μｍの膜厚で成膜し、総膜厚が１２μｍとなるようにした。成膜温度は５５０℃、反応圧力は３．５Ｐａとし、初期の（ＴｉＡｌ）Ｎ膜は直流５０Ｖのバイアス電圧で１μｍ成膜した後、パルス化させたバイアス電圧を印加した。パルス周波数は１０ｋＨｚ、正のバイアス電圧を５Ｖに設定した。（ＴｉＡｌ）Ｎ膜を成膜後、（ＴｉＢ）Ｎ膜も（ＴｉＡｌ）Ｎと同条件にて成膜した。蒸発源は、各種合金製ターゲットを選択して用い、窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物とするために窒素、酸素、アセチレンなどの炭化水素系のガスを単独、もしくは、混合させて成膜時に導入させて作成した。本発明例１の製膜条件を標準として、硬質皮膜の膜厚、組成、Ｘ線回折ピーク強度、ならびに残留応力を変化させた本発明例２〜３５と比較例３６〜５２を作製した。
作製した試料の詳細と、硬質皮膜組成、硬質皮膜の製造条件、残留圧縮応力の測定値や被覆したインサートの切削試験の評価結果を表１、２、３に示す。また、ＴＥＭによる皮膜断面観察の結果、本発明例における第２硬質皮膜は全て柱状組織構造を有し、柱状組織の結晶粒は結晶粒成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していることを確認した。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【表２】
【００２４】
【表３】
【００２５】
作製した旋削用インサートを刃先交換式バイトに取り付け、以下の条件で旋削加工試験を行い、残留圧縮応力を有する硬質皮膜における耐摩耗性、耐欠損性、密着性の優劣を確認した。切削評価に使用したインサートは、汎用的なＣＮＭＧ１２０４０８形状を用い、超硬合金を基体として、ＪＩＳ規格におけるＭ２０種相当でＨＲＡ９１を使用した。旋削加工を行うに当たり、チップブレーカ付き、すくい角が１度の特殊形状のインサートを使用した。評価方法は、切削距離５ｍ時に発生する硬質皮膜被覆インサートの逃げ面、すくい面に発生する摩耗を、光学顕微鏡で５０倍に拡大して観察した。更に切削を継続し、１０μｍ以上の微小チッピングを含む欠損が発生した時点、欠損がない場合は、逃げ面摩耗幅のＶＢｍａｘ値が０．３ｍｍに到達した時点を工具寿命とし、この時の切削距離（ｍ）によって性能を評価した。切削途中の刃先の損傷状態は、適宜観察を行った。
（試験条件）
切削方法：長手方向連続切削
被削材形状：直径１６０ｍｍ、長さ６００ｍｍの丸棒材
被削材：Ｓ５３Ｃ、ＨＢ２６０、調質材
軸方向切込み量：２．０ｍｍ
切削速度：２２０ｍ／分
１回転あたりの送り量：０．４ｍｍ／回転
切削油：なし
【００２６】
本発明例１〜５、比較例３６、３７は、硬質皮膜の膜厚の影響を見るために作成した。膜厚は被覆時間により調節した。第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の比は１：１として全体の膜厚のみを変化させた。硬質皮膜の膜厚が厚くなに従って残留圧縮応力は増大した。本発明例１〜５に示す総膜厚が５μｍ以上の有するものは、耐摩耗性に優れた。いずれの試料についても、被加工物成分の刃先への溶着の発生はなく、第２硬質皮膜の（ＴｉＢ）Ｎは、クレータ摩耗、耐溶着性に対し、大きな効果を持つものと考えられた。本発明例１の総膜厚は１２μｍ、残留圧縮応力値は１．６ＧＰａであり、工具寿命は２４ｍと満足のいく結果を得た。切削時間５分経過時の刃先の摩耗状態を確認した結果、逃げ面摩耗量は０．０８８ｍｍと少なく耐摩耗性に優れていた。切削途中の刃先の損傷状態を確認した所、切刃近傍における硬質皮膜の脱落、剥離、チッピング等は観察されず、正常摩耗を呈していた。パルス化されたバイアス電圧印加して成膜を行った本発明例は、工具寿命が長く優れた結果であった。一方、比較例３６の総膜厚は４０μｍであり、残留圧縮応力は６．８ＧＰａであり、本発明例１〜５に対して、工具寿命が劣った。比較例３６は、切削前に刃先エッジ部で微細な皮膜破壊が観察された。切削途中の刃先エッジ部の損傷状態を確認したところ、皮膜破壊が８μｍ以上の幅に拡大しており、この破壊部分から欠損に至った。厚膜化により残留圧縮応力が増大したためである。比較例３７の総膜厚は４μｍであり、１．６ＧＰａと低い残留圧縮応力を有していた。しかし、アブレッシブ摩耗が劣ったため工具寿命は短かった。
本発明例６、７は、第１硬質皮膜、第２硬質皮膜の膜厚比の影響を見るために作成した。本発明例６に示す様に、第１硬質皮膜が厚くすることによって、本発明例１に比して工具寿命が優れた。しかし、本発明例６、７は、（ＴｉＢ）Ｎの第２硬質皮膜が夫々１μｍ、３μｍと薄く、切削途中でクレータ摩耗が発生した。クレータ摩耗の進行によって刃先強度が失われ、欠損に至った。再現性確認のために、総膜厚を１２μｍとし、第２硬質皮膜を０．３μｍに被覆したものについても切削評価を行ったが、同様にクレータ摩耗が主体に進行した。
本発明例８〜１７、比較例３８、３９は、第１硬質皮膜の組成の影響を見るために作成した。被覆用ターゲット材組成を変化させて作成した。工具寿命の最も優れた本発明例８は、Ｗを１０％含有し、本発明例１に比して、約１．３倍優れた。切削距離５ｍ時の刃先状態を確認した所、刃先エッジ部においてチッピングは確認されず、逃げ面摩耗が０．０３４ｍｍであった。切削部位における被加工物の溶着もほとんど発生しておらず、正常摩耗の進行のみで寿命に至った。溶着が発生しなかった理由は、最外皮膜の第２硬質皮膜にＢを含有し、潤滑特性が優れたためである。本発明例９はＮｂを１０％含有し、本発明例１０、１１はＣｒ、Ｓｉを含有したため、本発明例１に比して優れた。本発明例１２に示すように、第１硬質皮膜にＢを含有させても工具寿命は優れるが、第２硬質皮膜が摩耗した後に露出する第１硬質皮膜の部分で溶着が若干発生した。第１硬質皮膜中にＢを含有することで、溶着やクレータ摩耗に対し、格段な効果を期待したが、本発明例１の工具寿命に届かなかった。本発明例８〜１７は、第１硬質皮膜がＡｌと４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ｂから選択された元素の窒化物の硬質皮膜であるため、皮膜の耐熱性、硬度が格段に高められた。一方、比較例３８は、Ａｌ含有量が７５％の皮膜であり、切削初期から溶着現象や、工具逃げ面のアブレッシブ摩耗が進行した。皮膜断面の組織観察では、微細化していた。このため、残留圧縮応力が増大し密着性の劣化が考えられる。また、皮膜硬度は２０ＧＰａとなり、硬度低下が摩耗の早期進行をもたらしたものと考えられた。比較例３９も皮膜断面の組織観察を行い、同様の微細化を確認した。
【００２７】
本発明例１８〜２１、比較例４０、４１は、第２硬質皮膜の組成の影響を見るために作成した。被覆用ターゲット材の組成を変化させて作成した。本発明例１８、１９は、第２硬質皮膜のＢ含有量を夫々１％、２５％とした。本発明例２０のＳｉ含有量は２０％、本発明例２１は、ＢとＳｉを含有させた。これらの皮膜断面の組織観察をした所、何れも柱状組織であることが確認された。一方、第２硬質皮膜のＢ含有量が４０％の比較例４０、Ｓｉ含有量が３０％の比較例４１について、第２硬質皮膜の断面組織を観察して、何れも微細化組織を確認した。Ｂ、Ｓｉ含有量が多くなると、切削初期から硬質皮膜の剥離とクレータ摩耗が発生した。組織形態の差が切削性能の優劣をもたらすものと考えた。
本発明例２２、２３、比較例４２、４３は、第１硬質皮膜に含有されるＯ、Ｃの影響を見るために作成した。酸素、炭化系水素を反応ガスの１部として用いた。本発明例２２、２３の工具寿命は、Ｏ、Ｃを含有しない本発明例１に比して１０％程度優れた。また、切削距離１５ｍ時の刃先の損傷状態は、本発明例１に比して溶着が少ない傾向にあった。特にすくい面のクレータ摩耗の発生も低減していた。クレータ摩耗は、切削温度上昇に伴う化学反応によって発生することより、Ｏ、Ｃを含有させることによって潤滑特性が高まり摩擦係数が低減され、その結果、すくい面を切屑が擦過する際の切削温度が抑制され、摩耗が低減した。更に、皮膜断面の組織観察をした結果、柱状組織を確認した。このため、機械的強度に優れ、工具寿命が優れた。一方、比較例４２、４３は、ｘ値、ｙ値が１０％以上であったため、切削初期からの硬質皮膜剥離とクレータ摩耗発生が確認され、同様に皮膜断面の組織観察をした結果、微細化していた。更に、Ｃを含有しない本発明例１、Ｃ含有量が７％の本発明例２２、１５％の比較例４２について、ボールオンディスク方式の摩擦係数測定を行った。この摩擦係数測定では、コーティングした超硬合金製ディスクにＳＵＳ３０４のφ６ｍｍボールを摺動させ、大気中、無潤滑で測定した。測定の結果、測定温度６５０℃において、本発明例１の摩擦係数は０．８、本発明例２２は０．４、比較例４２は０．７となった。皮膜にＣが多く含有しても、皮膜断面組織を柱状化されていなければ、逃げ面摩耗、クレータ摩耗などの損傷が切削初期に発生することが確認された。
【００２８】
本発明例２４〜２６、比較例４４、４５は、成膜時における反応圧力の組成への影響を見るために作成した。特にｅ／ｆ値、残留圧縮応力への影響を調査した。この時反応圧力を変化させ、１．６Ｐａ〜１３．５Ｐａの範囲に設定した。反応圧力が２．２〜８．１Ｐａで成膜を行った本発明例１、２４〜２６は、何れも工具寿命が２０ｍ以上となり工具寿命が優れた。特にｅ／ｆ値が１．１６の本発明例２４が最も優れ、皮膜のチッピングなど、不安定要素は発生しなかった。反応圧力が最も低い１．６Ｐａで成膜を行った比較例４４は、残留圧縮応力が６．５ＧＰａであり、ｅ／ｆ値は０．８２、工具寿命は１４ｍとなった。これは本発明例１に比して約６０％の寿命であった。窒素圧力が低い程、残留圧縮応力が増大し、ｅ／ｆ値は、低い値を示す傾向にあった。この理由は、皮膜の残留圧縮応力が高いためと考えられる。残留圧縮応力が６．０ＧＰａを超える様になると、切削途中のインサート刃先損傷状態観察において、刃先エッジ部の皮膜破壊が確認された。再現性を確認するため、比較例４４のインサートの新しいコーナーを用いて、数度の切削評価を行った結果、工具寿命は、９ｍ、１１ｍとばらつき、安定しなかった。比較例４５は、残留圧縮応力が０．５ＧＰａと比較的低い数値を示したが、工具寿命は８ｍであった。切削時間５ｍ時の刃先の損傷状態を観察した結果、刃先エッジ部における基体と硬質皮膜界面からの膜剥離と逃げ面の大きな摩耗、クレータ摩耗が発生していた。皮膜硬度も低下し、耐摩耗性が劣った。ｅ／ｆ値は１．３２を示し、皮膜断面組織において柱状組織を有するものの、硬質皮膜中に欠陥が多く発生し、密着性や耐摩耗性が劣った。この理由は、反応圧力を１３．５Ｐａで行ったことにより、イオンが基体に入射する際の運動エネルギーが低くなったためである。
【００２９】
本発明例２７〜３０、比較例４６、４７は、Ｉｓ／Ｉｒ値の影響を見るために作成した。この時パルス化バイアスのパルス周波数を１０ｋＨｚに一定とし、バイアス電圧値を変化させ、３０〜２００Ｖの範囲に設定した。本発明例１、本発明例２７〜３０は、Ｉｓ／Ｉｒ値が本願発明の規定範囲内であり、残留圧縮応力も３．５ＧＰａ以下と低くなり、工具寿命が優れた。また、バイアス電圧を変化させた場合、Ｉｓ／Ｉｒ値が変化し、それに伴い残留圧縮応力も変化した。比較例４６、４７は、残留圧縮応力が７ＧＰａを超え、切削初期から硬質皮膜の膜剥離が観察された。残留応力が大きくなると、工具寿命が劣る結果となった。
本発明例３１〜３３、比較例４８〜５０は、Ｉｔ／Ｉｒ値の残留圧縮応力への影響を見るために作成した。この時パルス化バイアス電圧の正バイアス値を５〜４０Ｖまで変化させた。正のバイアス電圧が大きくなると、相対的に（１１１）面への配向強度が強くなる傾向を示し、本発明例１、３１〜３３、比較例４８〜５０のＩｔ／Ｉｒ値は、０．３〜１．１まで変化した。本発明例１、本発明例３１〜３３は、Ｉｔ／Ｉｒ値が本願発明の規定範囲内であり、残留圧縮応力も比較的低くなり、満足のいく工具寿命が得られた。一方、比較例４８〜５０は正のバイアス電圧が２０Ｖを超え、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６を下回り、切削距離５ｍ時の刃先損傷状態観察において、硬質皮膜の剥離が多く観察された。残留圧縮応力が高くなり、硬質皮膜の剥離や破壊が主体的に進行して工具寿命が低下した。第１硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）面の配向強度制御のほかに、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の界面の密着性を高めるためには、パルス化されたバイアス電圧の正のバイアス電圧値制御が重要である。負の領域のみのバイアス電圧印加では、成膜時のマイクロアーキングなどにより発生する欠陥の抑制に不十分となるからである。
【００３０】
本発明例３４、３５、比較例５１、５２は、第１硬質皮膜、第２硬質皮膜の面間隔の影響を見るために作成した。面間隔はパルス化バイアス電圧のパルス周波数を１〜４０ｋＨｚの範囲で変化させることにより調節した。本発明例３４、３５は、パルス周波数が夫々３０ｋＨｚ、２ｋＨｚの場合であるが、ｄ２／ｄ１値は１．０２を示し、硬質皮膜全体の残留圧縮応力が低く制御されて第１硬質皮膜、第２硬質皮膜の密着性に優れ、満足のいく工具寿命が得られた。一方、パルス周波数を１ｋＨｚで成膜を行った比較例５１は、ｄ２／ｄ１値が１．０６となり、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の面間隔のズレにより密着性が劣化した。比較例５２は、皮膜の剥離が発生して、短い工具寿命であった。この場合、切削途中の刃先の損傷は、基体と第１硬質皮膜の界面で膜剥離が観察された。この理由は、４０ｋＨｚで成膜を行ったためｄ２／ｄ１値が１．０１となり、皮膜全体の残留圧縮応力が６．６ＧＰａと増大して基体との密着性が劣化したためである。また、パルス周波数の変化によってＩｔ／Ｉｒ値も変化することが確認された。パルス周波数と残留圧縮応力の関係には相関性があると考えられ、パルス周波数が大きくなると、残留圧縮応力は大きくなる傾向にあった。パルス周波数が大きくなると、直流バイアス電圧が印加される状態に近づくためである。
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、金属部品加工等に用いられる旋削加工用工具に関するものである。特に、耐摩耗性や耐欠損性向上が要求される工具表面に、物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法と記す。）を用いて硬質皮膜を被覆した旋削加工用硬質皮膜被覆工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、２は、ＰＶＤ法により被覆した硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の配向性と回折ピークの半価幅について開示されている。特許文献３は、（２２０）面、（１１１）面のピーク強度制御の技術が開示されている。特許文献４は、硬質皮膜を構成する金属元素とガス成分元素の構成比率を調整する技術がされている。特許文献５は、エピタキシャル成長により皮膜界面の密着性改善に関する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３６３０２号公報
【特許文献２】特開２００３−１４５３１３号公報
【特許文献３】特開２００３−７１６１１号公報
【特許文献４】特開平７−１８８９０１号公報
【特許文献５】特開２００１−１８１８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明の解決課題は、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、高硬度化による耐摩耗性と、高靭性化による耐欠損性に優れた旋削加工用の硬質膜被覆工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、超硬合金を基体に圧縮応力を有する硬質皮膜を５〜３０μｍの膜厚で被覆した旋削加工用の硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は、該基体表面から第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が被覆され、最外皮膜は該第２硬質皮膜が被覆され、該第１硬質皮膜は、（ＡｌａＭｅ１−ａ）ｅＮｆで示され、但し、ａは原子％、ｅ、ｆは原子比を表し、３５≦ａ≦６５、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５、であり、Ｍｅは４ａ、５ａ、６ａ族、Ｓｉ、Ｂから選択される１種以上を有し、該第２硬質皮膜は、（Ｔｉ１−ｈＢｈ）ｍＮｐで示され、但し、ｈは原子％、ｍ、ｐは原子比を表し、１≦ｈ≦３０、０．８５≦ｍ／ｐ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜、該第２硬質皮膜の結晶構造は面心立方構造であり、該第１硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｒ、（２００）面のピーク強度をＩｓ、（２２０）面のピーク強度をＩｔとしたときに、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５．０、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、であり、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、該第２硬質皮膜は柱状組織構造を有し、該柱状組織構造の結晶粒はＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していること、を特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具である。上記の構成を採用することによって、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、高硬度化による耐摩耗性と、高靭性化による耐欠損性に優れた旋削加工用の硬質膜被覆工具を提供することができる。
【０００６】
本願発明の旋削加工用の硬質膜被覆工具は、該第１硬質皮膜における非金属成分のＮ元素について、その１部をＣ元素、Ｏ元素で置換し、該非金属成分全体を１とし、原子％でＣ元素の含有量をｘ、Ｏ元素の含有量をｙとしたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０、０＜ｘ＋ｙ≦１０、Ｎ元素の含有量は１−ｘ−ｙ、であることが好ましい。また、該第２硬質皮膜における金属成分のＴｉ元素について、その１部をＳｉ元素で置換し、該金属成分全体を１としたとき、原子％でＳｉ元素の含有量をｋ、としたとき、０＜ｋ≦２０、Ｔｉ元素の含有量は１−ｈ−ｋ、であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明によって、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、高硬度化による耐摩耗性と、高靭性化による耐欠損性に優れた旋削加工用の硬質膜被覆工具を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願発明の硬質膜被覆工具における第１硬質皮膜の金属成分は、Ａｌ含有量を表すａ値が３５≦ａ≦６５の範囲のとき、耐熱性、耐摩耗性が優れる。一方、ａ値が６５％を超えて大きいと、皮膜の断面組織が微細化して残留圧縮応力が増大し密着性が劣化する不都合が生じる。Ｍｅ成分として、例えばＴｉを選択することにより、皮膜の高硬度化に有効である。また、例えばＳｉ、Ｂでは、固溶体を維持する含有量の範囲が１％から２０％であることから、優れた耐熱性や潤滑特性を得られる。また、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒを含有することにより、皮膜の耐熱性、高硬度化の改善に有効である。イオン半径が０．０４１〜０．１ｎｍの４ａ、５ａ、６ａ族の元素や、イオン半径が０．００２〜０．０４ｎｍのＳｉ、Ｂ等を含有した窒化物を被覆することが好ましい。
第１硬質皮膜の金属成分と非金属成分との比ｅ／ｆ値を０．８５〜１．２５、とすることにより、硬質皮膜の圧縮応力を最適な範囲にすることができ、高い密着性を得ることができる。また、硬質皮膜組織は高靭性を有する柱状結晶構造とすることができ、優れた欠損性と耐摩耗性を得ることができる。ｅ／ｆ値が０．８５以上のとき、硬質皮膜の結晶格子歪を低減できるが、０．８５未満になると、結晶格子歪が大きくなり、結晶格子縞の連続性が失われる現象や、硬質皮膜の断面組織が微細化し粒界欠陥が増大する。その結果、残留圧縮応力を増大して密着性が劣化する。例えば、切削工具用の硬質皮膜においては、この粒界欠陥が皮膜の密度低下や、被加工物を構成する元素の硬質皮膜内部への内向拡散を招き、硬質皮膜の硬度低下や耐欠損性を劣化させる。ｅ／ｆ値が１．２５を超えると硬質皮膜は柱状結晶構造を有するが、結晶の粒界部に不純物を取り込みすくなる。この不純物は被覆処理を行う装置内部に残留する成分である。その結果、結晶粒間の接合強度が劣化し、硬質皮膜は外部からの衝撃によって容易に破壊される。本願発明の硬質皮膜は、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５の範囲に制御されることにより、皮膜の残留圧縮応力は１．５〜５．０ＧＰａの範囲になる。産業的には、ｅ／ｆ値を求めて硬質皮膜の残留圧縮応力を管理することが可能である。
【０００９】
第２硬質皮膜が、Ｔｉ、Ｂを含有する面心立方構造の窒化物であることにより、優れた耐溶着性を実現できる。第２硬質皮膜におけるＢ含有量を示すｈ値は１≦ｈ≦３０、である。これは、第２硬質皮膜を柱状組織構造とするために重要である。またＢ元素を含有させると、工具のすくい面の耐摩耗特性が向上する。切削初期において、Ｂは工具刃先がまだ低温である状態から酸化され、Ｂ含有酸化物を形成する。このＢ含有酸化物が、被加工物成分の硬質皮膜内部への拡散を抑制させる効果を発揮する。しかし、ｈ値が３０％を超えると、皮膜の組織が微細化する。また、ＢＮの結晶が出現し硬度が低下し、皮膜の圧縮応力が増大して密着性が低下する欠点が現れる。ｈ値は、１％程度でも効果が現れるが、１％未満では、汎用的な分析設備での検出が困難となるため、品質管理を行うことが難しくなる。そのため、分析装置にて検出可能な１％以上とした。
また、第２硬質皮膜の金属成分と非金属成分の比ｍ／ｐ値を０．８５〜１．２５に制御することにより、皮膜の圧縮応力を最適な範囲にすることができ、高い密着性を得ることができる。また、硬質皮膜組織は高靭性を有する柱状結晶構造とすることができ、優れた欠損性と耐摩耗性を得ることができる。第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が面心立方構造であることにより、高硬度を有する硬質皮膜が得られる。また皮膜組織を柱状結晶に制御することによって、優れた欠損性と耐摩耗性を得ることができる。
【００１０】
第１硬質皮膜を、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５の範囲に制御するためには、成膜時の反応圧力を制御することが重要である。窒化物を得ために、窒素の反応圧力を３Ｐａ〜８Ｐａとする。より好ましくは３．５Ｐａ〜７Ｐａの範囲に制御する。反応圧力が３Ｐａ未満では、基体に入射するイオンの運動エネルギーが抑制できず、それが結晶格子歪となって現れ、残留圧縮応力が抑制できなくなり、ｅ／ｆ値は０．８５未満となる。８Ｐａを超えた条件で成膜を行うと、プラズマ密度が低下し、入射するイオンの運動エネルギーが低下し、ｅ／ｆ値は１．２５を超える。
第１硬質皮膜を成膜する際の条件として、パルス化されたバイアス電圧印加を負と正に振幅させて制御を行い、更に（２００）面に強く配向させることで、硬質皮膜の圧縮応力を制御することが実現できる。そのためには、バイアス２０〜１００Ｖを負に、正の電圧を５〜１０Ｖに制御すると実現できる。
第１硬質皮膜のＩｓ／Ｉｒ値を１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５、とするためには、バイアス電圧の制御が必要であり、バイアス電圧をパルス化させて印加させることが好ましい。バイアス電圧が２０Ｖ未満では、Ｉｓ／Ｉｒ値は大きくなる傾向にあり、圧縮応力は低減されるものの、硬質皮膜の硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する。また、バイアス電圧をパルス化させて印加させることにより、成膜時にプラズマ中でイオン化された硬質皮膜構成元素の被処理物に到達する際の運動エネルギーを調整することが可能となる。バイアス電圧をパルス化させた場合特に重要なのは、パルス周波数の制御である。バイアス電圧をパルス化させて印加させると、（１１１）面、（２００）面や（２２０）面のピーク強度を変化させることが可能となり、特に（１１１）面への結晶成長を抑制することによって、圧縮応力を抑制し密着性を高めることができる。
パルス周波数が５〜３５ｋＨｚのときに、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５となり、このときの硬質皮膜の圧縮応力が２．０〜６．０ＧＰａの最適な範囲に制御できる。パルス周波数が５ｋＨｚより低くなると、Ｉｔ／Ｉｒ値は１．５を超える。また、３５ｋＨｚを超えると、イオンが被処理物に到達する際の運動エネルギーが低減できないため、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６未満になる。
【００１１】
第２硬質皮膜の成膜時に印加させるバイアス電圧は、第１硬質皮膜を成膜する際の条件と同様にパルス化させて行うと、基体に到達するＢイオンの運動エネルギーが低く抑えられるため、ＴｉＮの結晶格子に取り込まれ、硬質皮膜はＢを含む単一の結晶化された組織を有する。
一方、第２硬質皮膜を直流のバイアス電圧を印加させて成膜した場合、Ｂは、ＴｉＮの面心立方構造の格子に置換されるほかに、ｃ−ＢＮ、ｈ−ＢＮ、非晶質ＢＮなどを含む。プラズマ中でＢのイオンは、Ｔｉなどに比べ軽元素であるため、高い運動エネルギーを有した状態で基体に到達し、様々な不安定な結合が生じるものと考えられる。硬質皮膜にｈ−ＢＮのみを含む場合は、潤滑特性が向上し、すくい面摩耗抑制を実現できると期待されるが、ｈ−ＢＮを単独で含有させることは困難となる。ｃ−ＢＮ等、他の結晶構造を有する物質と共存するようになるため、圧縮応力が増大する。特にｃ−ＢＮを多く含む場合は、硬質皮膜の高硬度化が実現できるものの、圧縮応力が増大するため好ましくない。
【００１２】
本願発明においては、面心立方構造を有する硬質皮膜において、（２００）面に最も強く配向させることが必要である。その理由は、切削におけるせん断方向からの切削力に対する耐久性が優れるためである。一方、（１１１）面への配向が強くなると、圧縮応力が高くなり、硬質皮膜の密着性が低下し、その結果、耐欠損性や耐摩耗性が低下して不都合が生じる。そこで、第１硬質皮膜のＩｓ／Ｉｒ値を、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５、Ｉｔ／Ｉｒ値を０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５に規定する。第１硬質皮膜を、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５、に制御すれば優れた耐摩耗性を実現でき、また、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、に制御すれば適正な残留圧縮応力の範囲に制御することができる。従って、厚膜化された皮膜が高い密着性を有しつつ、高硬度な皮膜を得ることができる。しかし、Ｉｓ／Ｉｒ値が１．５未満、Ｉｔ／Ｉｒ値が０．６未満のときは、硬質皮膜の断面組織が微細化し、残留応力が増大する。そのため、耐摩耗性は優れるが、容易に皮膜剥離が発生する。特にＩｔ／Ｉｒ値が０．６未満では、硬質皮膜の内部欠陥が増加する。また、Ｉｔ／Ｉｒ値が０．６未満のときは、たとえＩｓ／Ｉｒ値が１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５．０、であっても、（１１１）面のピーク強度が大きく出現する。このときの第１硬質皮膜の残留圧縮応力は５．０ＧＰａ程度となり基体と硬質皮膜の密着性は確保できても、柱状結晶粒界間の密着強度が劣化し、耐摩耗性が低下する。そこで、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５に規定する。Ｉｓ／Ｉｒ値が１５を超えて大きく、Ｉｔ／Ｉｒ値が１．５を超えて大きいときは、残留応力は低減されるが、硬質皮膜の断面組織における粒界の接合強度が低下して密着性と耐摩耗性が劣化する。また、Ｉｔ／Ｉｒ値が１．５を超えると、皮膜は柱状結晶構造を有し低残留圧縮応力を得ることが可能であるが、柱状結晶の粒界における密着強度が低下し、皮膜表面から基体方向へほぼ垂直方向の亀裂破壊が発生しやすくなる。その結果、耐欠損性、耐摩耗性が改善されない。また、粒界に被加工物元素が拡散しやすくなる傾向にあり、機械的特性が劣化する。
【００１３】
本願発明の硬質皮膜について、ｄ２／ｄ１値を、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５とすることにより、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜との密着性が改善され、耐摩耗性が優れる。皮膜間の密着性を高めるには皮膜間の結晶格子歪を低減させる必要がある。この歪を低減させるためには、皮膜間の（２００）面の面間隔の差を小さくしてミスフィットを低減させることにより、高い密着性が得られる。そこで、ｄ２／ｄ１値を、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５範囲に規定することで基体との密着性が損なわれることなく耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜が得られる。ｄ２／ｄ１値が１．０１未満では、硬質皮膜全体の残留圧縮応力が増大するため、基体との密着性が劣化する。１．０５を超えると、皮膜界面の内部欠陥が多くなり、皮膜間の密着性が損なわれるだけでなく、硬質皮膜全体の残留圧縮応力が増大し、基体との密着性が低下する。
【００１４】
本願発明の硬質皮膜について、第２硬質皮膜は柱状組織構造を有し、結晶粒成長方向に対して界面を形成することなく境界領域で結晶粒が連続的に成長した硬質皮膜である。ここで、柱状組織構造とは、膜厚方向に伸びた縦長成長結晶組織である。該硬質皮膜は多結晶材料であるが、結晶粒１つ１つの単位で捉えれば、単結晶材料の成長に類似した形態となっている。柱状組織構造の結晶粒は結晶粒成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していることである。このとき、この組成変調構造における組成変調境界部では結晶格子縞が連続していることが好ましい。第２硬質皮膜がＢ成分の組成変調構造を有し、残留圧縮応力を制御することによって、皮膜の機械的強度が高まる。例えば、Ｂ含有量の富化層では、比較的軟質な層が形成される。この軟質層が、他の比較的硬質な層との層間に存在すると緩衝効果を示し、硬質皮膜全体として残留圧縮応力を緩和するようになる。更に、Ｂ成分の潤滑特性によって、潤滑性を有する硬質皮膜を得ることができる。しかし、この時の好ましいＢ成分の組成差は、最大でも１０％である。より好ましくは、０．１％以上、７％以下の範囲に制御することである。Ｂ成分の組成変調構造とするには、Ｂ含有量の異なるターゲットを用いて、パルスバイアスを印加しながら成膜を行うことで実現できる。Ｂ含有量が組成差を有する部分は組成変調構造のようになり、層間は結晶格子縞が連続して成長する。これは例えば、日本電子製ＪＥＭ−２０１０Ｆ型の電界放出型透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記す。）を用いて、加速電圧２０ｋＶの条件で柱状結晶粒を観察することによって確認できる。
硬質皮膜全体の膜厚を５μｍ以上とすることにより、優れた耐摩耗性が得られる。一方、３０μｍ以上では、硬質皮膜は圧縮応力が高くなり、基体との密着性が劣化するため、３０μｍ以下であるのが好ましい。また第１硬質皮膜の膜厚は第２硬質皮膜よりも厚く、より好ましくは第２硬質皮膜の膜厚は硬質皮膜全体の膜厚に対し、５０％以下であることが好適である。
【００１５】
第１硬質皮膜における非金属成分のＮ元素について、その１部をＣ元素、Ｏ元素で置換し、原子％でＣ元素の含有量をｘ値、Ｏ元素の含有量をｙ値としたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０、０＜ｘ＋ｙ≦１０の範囲にすることが好ましい。これにより、高硬度、優れた耐酸化特性、密着性及び潤滑特性を有する硬質皮膜が得られる。Ｃ元素、Ｏ元素を含有させるときは、皮膜の機械的強度劣化を回避するために、ｘ値とｙ値との和を１０％以下にすることで、優れた耐溶着性と摺動性を有する硬質皮膜が得られる。より好ましくは、Ｃ元素、Ｏ元素が単独で含有する場合は、２％〜１０％とすることである。しかし、ｘ値、ｙ値が１０％を超えると皮膜の結晶組織が微細化し、結晶粒界にける欠陥が増大する。その結果、たとえ硬質皮膜の潤滑特性が改善されても、残留圧縮応力が増大するため密着性や耐欠損性が低下する欠点が現れる。第１硬質皮膜にＣ元素、Ｏ元素を含有させる場合には、炭化水素系ガスや酸素含有ガスを使用することが好ましい。ガスを導入して成膜を行う場合、Ｎ２ガスと併せた全圧が、３〜８Ｐａの範囲にすることが好ましい。或いは、ターゲット蒸発源にＣ元素、Ｏ元素を含有させることも可能である。
【００１６】
第２硬質皮膜における金属成分のＴｉ元素について、その１部をＳｉ元素で置換し、該金属成分全体を１としたとき、原子％でＳｉ元素の含有量をｋとしたとき、０＜ｋ≦２０、とすることにより、耐摩耗性が向上する。第２硬質皮膜の皮膜組織を柱状組織構造とするため、ｋ値は２０％以下に制御することが好ましい。Ｓｉを含有させる場合は、ＴｉＮの単一な結晶質組織が固溶体となるように制御することで、例えば、切削工具のすくい面における耐摩耗性に優れた硬質皮膜を得られる。一方、ｋ値が２０％を超えると皮膜組織が微細化し、残留圧縮応力が増大し、密着性を低下させる欠点が現れる。また、皮膜組織は、ＴｉＮの結晶質組織、ＳｉＮ組成系の結晶質組織や非晶質組織といった形で、様々な組織が混在する。その結果、結晶粒界が増大し、結晶格子歪が発生して残留圧縮応力が増大する。
【００１７】
本願発明の硬質皮膜の組成は、例えば、日本電子製のＪＸＡ８５００Ｆ形ＥＰＭＡ分析装置を用いて測定できる。硬質皮膜の垂直断面もしくは膜断面を１７度斜めに傾けて研磨した傾斜断面において、硬質皮膜部を基体の影響を受けない位置から行い、加速電圧１０ｋＶ、照射電流１．０μＡ、プローブ径を１０μｍ程度に設定するとにより可能である。硬質皮膜表面から測定する場合は、プローブ径を５０μｍ程度に設定することが好ましい。また、Ｃ元素やＯ元素を含有させたときは、２％未満になると分析での検出が困難となる。硬質皮膜の膜厚は、例えば、日立製作所製Ｓ−４２００型電解放射走査型電子顕微鏡を用いて、垂直方向の破断から測定できる。
硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）、（２００）、（２２０）面のピーク強度比の測定は、例えば、理学電気製ＲＵ−２００ＢＨ型Ｘ線回折装置を用いて２θ−θ走査法により測定できる。２θ（度）の範囲は、１０〜１４５度、Ｘ線源はλ値が０．１５４０５ｎｍのＣｕＫα１線を用い、バックグランドノイズは装置に内蔵されたソフトにより除去した。測定結果は、検出された２θのピーク位置が、結晶構造が面心立方構造であるＴｉＮのＸ線回折パターン（ＪＣＰＤＳファイル番号３８−１４２０）に略一致したので、その（１１１）、（２００）、（２２０）ピークの強度を測定した。ピーク強度は、各指数面のピークトップの最大値をピーク強度し、それを用いてピーク強度比を求めた。更に、面間隔は、上記（２００）面を示すピーク位置の数値を適用した。また、ＣｒＮがベースとなるような硬質皮膜の場合も同様にして、ピーク強度を測定した。
本願発明の硬質皮膜における残留圧縮応力は以下に示す曲率測定法で算出した。即ち、ヤング率とポアッソン比が既知となっている基体を所定の形状に加工した試験片を用い、その表面に被覆を行うと、硬質皮膜中に発生する残留圧縮応力により、被覆された試験片がたわみ変形する。そのたわみ変形量を求め、化１を用いて、硬質皮膜全体の残留圧縮応力σ値を算出した。
【００１８】
【化１】
【００１９】
ここで、Ｅｓ値（ＧＰａ）は、試験片に使用した基体のヤング率、Ｄ値（ｍｍ）は試験片の厚み、δ値（μｍ）は被覆前後で生じる試験片のたわみ量、ｌ値（ｍｍ）は被覆によってたわみが生じた試験片の長さ方向端面から、最大たわみ部までの長さ、νｓ値は試験片に使用した基体のポアッソン比、ｄ（μｍ）は試験片表面に被覆した硬質皮膜の膜厚である。また、試験片材料は、超硬合金材料が、測定数値のばらつきが少なく適している。試験片形状は、短冊型の形状が望ましく、例えば８ｍｍ幅、２５ｍｍ長さ、０．５〜１．５ｍｍ厚さの形状を使用すると、測定数値のばらつきが少ない。試験片の面積の大きい上下面について、平行度±０．１ｍｍになるよう、鏡面研磨を施した後、６００〜１０００℃の真空中で熱処理を行い、試験片に用いる材料の、特に表面部分の歪を除去させる。この歪をある程度除去しなければ、得られる残留圧縮応力の値にばらつきが発生する。試験片面積の大きい、鏡面加工された一面のたわみ変形量を被覆前に測定した後、その面に被覆を行い、再度、得られた被覆試験片のたわみ量を測定する。被覆前後のたわみ量と、被覆によってたわみが生じた試験片の長さ方向端面から、最大たわみ部までの長さ、および被覆した硬質皮膜の膜厚を測定し、その数値を化１に代入すれば、硬質皮膜の組成や、成膜条件が変化しても、また、組成変調構造を有していても、本測定方法により圧縮応力の値を算出することが可能である。
【００２０】
硬質皮膜被覆工具は、基体に炭化タングステン基超硬合金、高速度工具鋼基体、サーメット等を用いると、より耐摩耗性と靱性のバランスが最適化される。ただし、高速度工具鋼を基体として用いる場合は、その熱処理特性を考慮し５００〜５５０℃の範囲で被覆することが好ましい。このような比較的低温で成膜する場合は、印加させるバイアス電圧や成膜時の反応圧力を適宜最適化させる。成膜方法としては、パルス化されたバイアス電圧が印加可能で、圧縮応力が付与される成膜方式が好ましい。アークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）法、スパッタリング法等のイオンプレーティング方式等が好ましい。適切な製造条件を適用すれば、各々の方式が一つの設備に設置された複合装置を用いてもよい。本願発明を以下の実施例により更に詳細に説明する。
【実施例】
【００２１】
残留圧縮応力測定が行える試験片、旋削用のインサート形状の超硬合金製基体表面に、本願発明の硬質皮膜を被覆して、本発明例１を作成した。本発明例１は、ＡＩＰ装置を用いて、金属成分のみの組成が原子％で、Ｔｉ：５０％、Ａｌ：５０％の（ＴｉＡｌ）Ｎ膜を６μｍ膜厚、その後、金属成分のみの組成が、Ｔｉ：９０％、Ｂ：１０％の（ＴｉＢ）Ｎ膜を６μｍの膜厚で成膜し、総膜厚が１２μｍとなるようにした。成膜温度は５５０℃、反応圧力は３．５Ｐａとし、初期の（ＴｉＡｌ）Ｎ膜は直流５０Ｖのバイアス電圧で１μｍ成膜した後、パルス化させたバイアス電圧を印加した。パルス周波数は１０ｋＨｚ、正のバイアス電圧を５Ｖに設定した。（ＴｉＡｌ）Ｎ膜を成膜後、（ＴｉＢ）Ｎ膜も（ＴｉＡｌ）Ｎと同条件にて成膜した。蒸発源は、各種合金製ターゲットを選択して用い、窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物とするために窒素、酸素、アセチレンなどの炭化水素系のガスを単独、もしくは、混合させて成膜時に導入させて作成した。本発明例１の製膜条件を標準として、硬質皮膜の膜厚、組成、Ｘ線回折ピーク強度、ならびに残留応力を変化させた本発明例２〜３５と比較例３６〜５２を作製した。
作製した試料の詳細と、硬質皮膜組成、硬質皮膜の製造条件、残留圧縮応力の測定値や被覆したインサートの切削試験の評価結果を表１、２、３に示す。また、ＴＥＭによる皮膜断面観察の結果、本発明例における第２硬質皮膜は全て柱状組織構造を有し、柱状組織の結晶粒は結晶粒成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していることを確認した。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【表２】
【００２４】
【表３】
【００２５】
作製した旋削用インサートを刃先交換式バイトに取り付け、以下の条件で旋削加工試験を行い、残留圧縮応力を有する硬質皮膜における耐摩耗性、耐欠損性、密着性の優劣を確認した。切削評価に使用したインサートは、汎用的なＣＮＭＧ１２０４０８形状を用い、超硬合金を基体として、ＪＩＳ規格におけるＭ２０種相当でＨＲＡ９１を使用した。旋削加工を行うに当たり、チップブレーカ付き、すくい角が１度の特殊形状のインサートを使用した。評価方法は、切削距離５ｍ時に発生する硬質皮膜被覆インサートの逃げ面、すくい面に発生する摩耗を、光学顕微鏡で５０倍に拡大して観察した。更に切削を継続し、１０μｍ以上の微小チッピングを含む欠損が発生した時点、欠損がない場合は、逃げ面摩耗幅のＶＢｍａｘ値が０．３ｍｍに到達した時点を工具寿命とし、この時の切削距離（ｍ）によって性能を評価した。切削途中の刃先の損傷状態は、適宜観察を行った。
（試験条件）
切削方法：長手方向連続切削
被削材形状：直径１６０ｍｍ、長さ６００ｍｍの丸棒材
被削材：Ｓ５３Ｃ、ＨＢ２６０、調質材
軸方向切込み量：２．０ｍｍ
切削速度：２２０ｍ／分
１回転あたりの送り量：０．４ｍｍ／回転
切削油：なし
【００２６】
本発明例１〜５、比較例３６、３７は、硬質皮膜の膜厚の影響を見るために作成した。膜厚は被覆時間により調節した。第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の比は１：１として全体の膜厚のみを変化させた。硬質皮膜の膜厚が厚くなに従って残留圧縮応力は増大した。本発明例１〜５に示す総膜厚が５μｍ以上の有するものは、耐摩耗性に優れた。いずれの試料についても、被加工物成分の刃先への溶着の発生はなく、第２硬質皮膜の（ＴｉＢ）Ｎは、クレータ摩耗、耐溶着性に対し、大きな効果を持つものと考えられた。本発明例１の総膜厚は１２μｍ、残留圧縮応力値は１．６ＧＰａであり、工具寿命は２４ｍと満足のいく結果を得た。切削時間５分経過時の刃先の摩耗状態を確認した結果、逃げ面摩耗量は０．０８８ｍｍと少なく耐摩耗性に優れていた。切削途中の刃先の損傷状態を確認した所、切刃近傍における硬質皮膜の脱落、剥離、チッピング等は観察されず、正常摩耗を呈していた。パルス化されたバイアス電圧印加して成膜を行った本発明例は、工具寿命が長く優れた結果であった。一方、比較例３６の総膜厚は４０μｍであり、残留圧縮応力は６．８ＧＰａであり、本発明例１〜５に対して、工具寿命が劣った。比較例３６は、切削前に刃先エッジ部で微細な皮膜破壊が観察された。切削途中の刃先エッジ部の損傷状態を確認したところ、皮膜破壊が８μｍ以上の幅に拡大しており、この破壊部分から欠損に至った。厚膜化により残留圧縮応力が増大したためである。比較例３７の総膜厚は４μｍであり、１．６ＧＰａと低い残留圧縮応力を有していた。しかし、アブレッシブ摩耗が劣ったため工具寿命は短かった。
本発明例６、７は、第１硬質皮膜、第２硬質皮膜の膜厚比の影響を見るために作成した。本発明例６に示す様に、第１硬質皮膜が厚くすることによって、本発明例１に比して工具寿命が優れた。しかし、本発明例６、７は、（ＴｉＢ）Ｎの第２硬質皮膜が夫々１μｍ、３μｍと薄く、切削途中でクレータ摩耗が発生した。クレータ摩耗の進行によって刃先強度が失われ、欠損に至った。再現性確認のために、総膜厚を１２μｍとし、第２硬質皮膜を０．３μｍに被覆したものについても切削評価を行ったが、同様にクレータ摩耗が主体に進行した。
本発明例８〜１７、比較例３８、３９は、第１硬質皮膜の組成の影響を見るために作成した。被覆用ターゲット材組成を変化させて作成した。工具寿命の最も優れた本発明例８は、Ｗを１０％含有し、本発明例１に比して、約１．３倍優れた。切削距離５ｍ時の刃先状態を確認した所、刃先エッジ部においてチッピングは確認されず、逃げ面摩耗が０．０３４ｍｍであった。切削部位における被加工物の溶着もほとんど発生しておらず、正常摩耗の進行のみで寿命に至った。溶着が発生しなかった理由は、最外皮膜の第２硬質皮膜にＢを含有し、潤滑特性が優れたためである。本発明例９はＮｂを１０％含有し、本発明例１０、１１はＣｒ、Ｓｉを含有したため、本発明例１に比して優れた。本発明例１２に示すように、第１硬質皮膜にＢを含有させても工具寿命は優れるが、第２硬質皮膜が摩耗した後に露出する第１硬質皮膜の部分で溶着が若干発生した。第１硬質皮膜中にＢを含有することで、溶着やクレータ摩耗に対し、格段な効果を期待したが、本発明例１の工具寿命に届かなかった。本発明例８〜１７は、第１硬質皮膜がＡｌと４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ｂから選択された元素の窒化物の硬質皮膜であるため、皮膜の耐熱性、硬度が格段に高められた。一方、比較例３８は、Ａｌ含有量が７５％の皮膜であり、切削初期から溶着現象や、工具逃げ面のアブレッシブ摩耗が進行した。皮膜断面の組織観察では、微細化していた。このため、残留圧縮応力が増大し密着性の劣化が考えられる。また、皮膜硬度は２０ＧＰａとなり、硬度低下が摩耗の早期進行をもたらしたものと考えられた。比較例３９も皮膜断面の組織観察を行い、同様の微細化を確認した。
【００２７】
本発明例１８〜２１、比較例４０、４１は、第２硬質皮膜の組成の影響を見るために作成した。被覆用ターゲット材の組成を変化させて作成した。本発明例１８、１９は、第２硬質皮膜のＢ含有量を夫々１％、２５％とした。本発明例２０のＳｉ含有量は２０％、本発明例２１は、ＢとＳｉを含有させた。これらの皮膜断面の組織観察をした所、何れも柱状組織であることが確認された。一方、第２硬質皮膜のＢ含有量が４０％の比較例４０、Ｓｉ含有量が３０％の比較例４１について、第２硬質皮膜の断面組織を観察して、何れも微細化組織を確認した。Ｂ、Ｓｉ含有量が多くなると、切削初期から硬質皮膜の剥離とクレータ摩耗が発生した。組織形態の差が切削性能の優劣をもたらすものと考えた。
本発明例２２、２３、比較例４２、４３は、第１硬質皮膜に含有されるＯ、Ｃの影響を見るために作成した。酸素、炭化系水素を反応ガスの１部として用いた。本発明例２２、２３の工具寿命は、Ｏ、Ｃを含有しない本発明例１に比して１０％程度優れた。また、切削距離１５ｍ時の刃先の損傷状態は、本発明例１に比して溶着が少ない傾向にあった。特にすくい面のクレータ摩耗の発生も低減していた。クレータ摩耗は、切削温度上昇に伴う化学反応によって発生することより、Ｏ、Ｃを含有させることによって潤滑特性が高まり摩擦係数が低減され、その結果、すくい面を切屑が擦過する際の切削温度が抑制され、摩耗が低減した。更に、皮膜断面の組織観察をした結果、柱状組織を確認した。このため、機械的強度に優れ、工具寿命が優れた。一方、比較例４２、４３は、ｘ値、ｙ値が１０％以上であったため、切削初期からの硬質皮膜剥離とクレータ摩耗発生が確認され、同様に皮膜断面の組織観察をした結果、微細化していた。更に、Ｃを含有しない本発明例１、Ｃ含有量が７％の本発明例２２、１５％の比較例４２について、ボールオンディスク方式の摩擦係数測定を行った。この摩擦係数測定では、コーティングした超硬合金製ディスクにＳＵＳ３０４のφ６ｍｍボールを摺動させ、大気中、無潤滑で測定した。測定の結果、測定温度６５０℃において、本発明例１の摩擦係数は０．８、本発明例２２は０．４、比較例４２は０．７となった。皮膜にＣが多く含有しても、皮膜断面組織を柱状化されていなければ、逃げ面摩耗、クレータ摩耗などの損傷が切削初期に発生することが確認された。
【００２８】
本発明例２４〜２６、比較例４４、４５は、成膜時における反応圧力の組成への影響を見るために作成した。特にｅ／ｆ値、残留圧縮応力への影響を調査した。この時反応圧力を変化させ、１．６Ｐａ〜１３．５Ｐａの範囲に設定した。反応圧力が２．２〜８．１Ｐａで成膜を行った本発明例１、２４〜２６は、何れも工具寿命が２０ｍ以上となり工具寿命が優れた。特にｅ／ｆ値が１．１６の本発明例２４が最も優れ、皮膜のチッピングなど、不安定要素は発生しなかった。反応圧力が最も低い１．６Ｐａで成膜を行った比較例４４は、残留圧縮応力が６．５ＧＰａであり、ｅ／ｆ値は０．８２、工具寿命は１４ｍとなった。これは本発明例１に比して約６０％の寿命であった。窒素圧力が低い程、残留圧縮応力が増大し、ｅ／ｆ値は、低い値を示す傾向にあった。この理由は、皮膜の残留圧縮応力が高いためと考えられる。残留圧縮応力が６．０ＧＰａを超える様になると、切削途中のインサート刃先損傷状態観察において、刃先エッジ部の皮膜破壊が確認された。再現性を確認するため、比較例４４のインサートの新しいコーナーを用いて、数度の切削評価を行った結果、工具寿命は、９ｍ、１１ｍとばらつき、安定しなかった。比較例４５は、残留圧縮応力が０．５ＧＰａと比較的低い数値を示したが、工具寿命は８ｍであった。切削時間５ｍ時の刃先の損傷状態を観察した結果、刃先エッジ部における基体と硬質皮膜界面からの膜剥離と逃げ面の大きな摩耗、クレータ摩耗が発生していた。皮膜硬度も低下し、耐摩耗性が劣った。ｅ／ｆ値は１．３２を示し、皮膜断面組織において柱状組織を有するものの、硬質皮膜中に欠陥が多く発生し、密着性や耐摩耗性が劣った。この理由は、反応圧力を１３．５Ｐａで行ったことにより、イオンが基体に入射する際の運動エネルギーが低くなったためである。
【００２９】
本発明例２７〜３０、比較例４６、４７は、Ｉｓ／Ｉｒ値の影響を見るために作成した。この時パルス化バイアスのパルス周波数を１０ｋＨｚに一定とし、バイアス電圧値を変化させ、３０〜２００Ｖの範囲に設定した。本発明例１、本発明例２７〜３０は、Ｉｓ／Ｉｒ値が本願発明の規定範囲内であり、残留圧縮応力も３．５ＧＰａ以下と低くなり、工具寿命が優れた。また、バイアス電圧を変化させた場合、Ｉｓ／Ｉｒ値が変化し、それに伴い残留圧縮応力も変化した。比較例４６、４７は、残留圧縮応力が７ＧＰａを超え、切削初期から硬質皮膜の膜剥離が観察された。残留応力が大きくなると、工具寿命が劣る結果となった。
本発明例３１〜３３、比較例４８〜５０は、Ｉｔ／Ｉｒ値の残留圧縮応力への影響を見るために作成した。この時パルス化バイアス電圧の正バイアス値を５〜４０Ｖまで変化させた。正のバイアス電圧が大きくなると、相対的に（１１１）面への配向強度が強くなる傾向を示し、本発明例１、３１〜３３、比較例４８〜５０のＩｔ／Ｉｒ値は、０．３〜１．１まで変化した。本発明例１、本発明例３１〜３３は、Ｉｔ／Ｉｒ値が本願発明の規定範囲内であり、残留圧縮応力も比較的低くなり、満足のいく工具寿命が得られた。一方、比較例４８〜５０は正のバイアス電圧が２０Ｖを超え、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６を下回り、切削距離５ｍ時の刃先損傷状態観察において、硬質皮膜の剥離が多く観察された。残留圧縮応力が高くなり、硬質皮膜の剥離や破壊が主体的に進行して工具寿命が低下した。第１硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）面の配向強度制御のほかに、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の界面の密着性を高めるためには、パルス化されたバイアス電圧の正のバイアス電圧値制御が重要である。負の領域のみのバイアス電圧印加では、成膜時のマイクロアーキングなどにより発生する欠陥の抑制に不十分となるからである。
【００３０】
本発明例３４、３５、比較例５１、５２は、第１硬質皮膜、第２硬質皮膜の面間隔の影響を見るために作成した。面間隔はパルス化バイアス電圧のパルス周波数を１〜４０ｋＨｚの範囲で変化させることにより調節した。本発明例３４、３５は、パルス周波数が夫々３０ｋＨｚ、２ｋＨｚの場合であるが、ｄ２／ｄ１値は１．０２を示し、硬質皮膜全体の残留圧縮応力が低く制御されて第１硬質皮膜、第２硬質皮膜の密着性に優れ、満足のいく工具寿命が得られた。一方、パルス周波数を１ｋＨｚで成膜を行った比較例５１は、ｄ２／ｄ１値が１．０６となり、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の面間隔のズレにより密着性が劣化した。比較例５２は、皮膜の剥離が発生して、短い工具寿命であった。この場合、切削途中の刃先の損傷は、基体と第１硬質皮膜の界面で膜剥離が観察された。この理由は、４０ｋＨｚで成膜を行ったためｄ２／ｄ１値が１．０１となり、皮膜全体の残留圧縮応力が６．６ＧＰａと増大して基体との密着性が劣化したためである。また、パルス周波数の変化によってＩｔ／Ｉｒ値も変化することが確認された。パルス周波数と残留圧縮応力の関係には相関性があると考えられ、パルス周波数が大きくなると、残留圧縮応力は大きくなる傾向にあった。パルス周波数が大きくなると、直流バイアス電圧が印加される状態に近づくためである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金を基体に圧縮応力を有する硬質皮膜を５〜３０μｍの膜厚で被覆した旋削加工用の硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は、該基体表面から第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が被覆され、最外皮膜は該第２硬質皮膜が被覆され、該第１硬質皮膜は、（ＡｌａＭｅ１−ａ）ｅＮｆで示され、但し、ａは原子％、ｅ、ｆは原子比を表し、３５≦ａ≦６５、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５、であり、Ｍｅは４ａ、５ａ、６ａ族、Ｓｉ、Ｂから選択される１種以上を有し、該第２硬質皮膜は、（Ｔｉ１−ｈＢｈ）ｍＮｐで示され、但し、ｈは原子％、ｍ、ｐは原子比を表し、１≦ｈ≦３０、０．８５≦ｍ／ｐ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜、該第２硬質皮膜の結晶構造は面心立方構造であり、該第１硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｒ、（２００）面のピーク強度をＩｓ、（２２０）面のピーク強度をＩｔとしたときに、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５．０、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、であり、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、該第２硬質皮膜は柱状組織構造を有し、該柱状組織構造の結晶粒はＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していること、を特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】
請求項１記載の該硬質皮膜被覆工具において、該第１硬質皮膜におけるＮ元素について、その１部をＣ元素、Ｏ元素で置換し、非金属成分全体を１とし、原子％でＣ元素の含有量をｘ、Ｏ元素の含有量をｙとしたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０、０＜ｘ＋ｙ≦１０、Ｎ元素の含有量は１−ｘ−ｙ、であることを特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】
請求項１、請求項２の何れかに記載の該硬質皮膜被覆工具において、該第２硬質皮膜におけるＴｉ元素について、その１部をＳｉ元素で置換し、金属成分全体を１としたとき、原子％でＳｉ元素の含有量をｋ、としたとき、０＜ｋ≦２０、Ｔｉ元素の含有量は１−ｈ−ｋ、であることを特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具。
【請求項１】
超硬合金を基体に圧縮応力を有する硬質皮膜を５〜３０μｍの膜厚で被覆した旋削加工用の硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は、該基体表面から第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が被覆され、最外皮膜は該第２硬質皮膜が被覆され、該第１硬質皮膜は、（ＡｌａＭｅ１−ａ）ｅＮｆで示され、但し、ａは原子％、ｅ、ｆは原子比を表し、３５≦ａ≦６５、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５、であり、Ｍｅは４ａ、５ａ、６ａ族、Ｓｉ、Ｂから選択される１種以上を有し、該第２硬質皮膜は、（Ｔｉ１−ｈＢｈ）ｍＮｐで示され、但し、ｈは原子％、ｍ、ｐは原子比を表し、１≦ｈ≦３０、０．８５≦ｍ／ｐ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜、該第２硬質皮膜の結晶構造は面心立方構造であり、該第１硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｒ、（２００）面のピーク強度をＩｓ、（２２０）面のピーク強度をＩｔとしたときに、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５．０、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、であり、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、該第２硬質皮膜は柱状組織構造を有し、該柱状組織構造の結晶粒はＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していること、を特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】
請求項１記載の該硬質皮膜被覆工具において、該第１硬質皮膜におけるＮ元素について、その１部をＣ元素、Ｏ元素で置換し、非金属成分全体を１とし、原子％でＣ元素の含有量をｘ、Ｏ元素の含有量をｙとしたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０、０＜ｘ＋ｙ≦１０、Ｎ元素の含有量は１−ｘ−ｙ、であることを特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】
請求項１、請求項２の何れかに記載の該硬質皮膜被覆工具において、該第２硬質皮膜におけるＴｉ元素について、その１部をＳｉ元素で置換し、金属成分全体を１としたとき、原子％でＳｉ元素の含有量をｋ、としたとき、０＜ｋ≦２０、Ｔｉ元素の含有量は１−ｈ−ｋ、であることを特徴とする旋削加工用硬質皮膜被覆工具。
【公開番号】特開２０１０−１２０１００（Ｐ２０１０−１２０１００Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９３９９５（Ｐ２００８−２９３９９５）
【出願日】平成２０年１１月１８日（２００８．１１．１８）
【出願人】（０００２３３０６６）日立ツール株式会社 (299)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１８日（２００８．１１．１８）
【出願人】（０００２３３０６６）日立ツール株式会社 (299)
【Ｆターム（参考）】
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