硬質皮膜被覆工具
【目的】（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜等耐酸化性の優れる硬質皮膜の耐摩耗性並びに密着性を犠牲にすること無く、更に高温状態での耐溶着性並びに硬質皮膜中への被加工物元素の拡散を改善し、切削加工の乾式化、高速化、高送り化に対応する硬質皮膜被覆工具を提供することが目的である。
【構成】金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるａ層と、金属成分がＡｌとＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるｂ層とが、それぞれ一層以上交互に被覆され、該ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが、０．４２００≦Ａ≦０．４２７０ｎｍの範囲にあり、かつ該ａ層のラマン分光分析においてｃ−ＢＮ並びにｈ−ＢＮのピークが検出され、該ｃ−ＢＮのピーク強度をＱ１、ｈ−ＢＮのピーク強度をＱ２としたとき、ピーク強度比Ｑ１／Ｑ２＜１．０であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【構成】金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるａ層と、金属成分がＡｌとＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるｂ層とが、それぞれ一層以上交互に被覆され、該ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが、０．４２００≦Ａ≦０．４２７０ｎｍの範囲にあり、かつ該ａ層のラマン分光分析においてｃ−ＢＮ並びにｈ−ＢＮのピークが検出され、該ｃ−ＢＮのピーク強度をＱ１、ｈ−ＢＮのピーク強度をＱ２としたとき、ピーク強度比Ｑ１／Ｑ２＜１．０であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属材料等の切削加工に使用される硬質皮膜被覆工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来はＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ）等を被覆した切削工具が汎用的かつ一般的であった。ＴｉＮは比較的耐酸化性に優れるため、切削時の発熱によって生じる工具のすくい面摩耗に対して、優れた耐摩耗性を示すだけでなく、基体との密着性も良好であることが特長である。また、Ｔｉ（ＣＮ）は、ＴｉＮに比べ高硬度かつ被加工物から排出される切り粉との接触抵抗が低いため工具表面の発熱が抑制される。このことから、被削材との機械的な擦り摩耗によって工具逃げ面に生じるフランク摩耗を抑制することができる。しかしながら、金属加工の高能率化を目的とした切削速度の高速化傾向に対し、上記硬質皮膜では、十分な耐酸化性、耐摩耗性を示さなくなった。この様な背景から、皮膜の耐酸化性、耐摩耗性をより向上させる研究がなされ、その結果、特許第３２４８８９７号公報には（ＴｉＳｉ）Ｎ皮膜をａ層とし、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜をｂ層として、ａ層とｂ層とを１層以上交互に被覆することによって得られた皮膜が耐酸化性、耐摩耗性を有するという技術が開示されている。一方、特開２００１−２９３６０１号公報では、耐摩耗性皮膜中に、ＢＮ、ＴｉＢ２、ＴｉＢ等の超微粒化合物を含む皮膜についての開示があり、この超微粒化合物が非晶質構造を有し、皮膜の硬度を向上させる働きがあると記載されている。これにより耐摩耗性、高滑り性、高焼き付き性、被削材の加工精度向上が図れるとのことであるが、超微粒化合物の特性や存在状態についての詳細な記述はなされていない。
【０００３】
（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜は、その皮膜中に含有するＴｉとＡｌの成分比率又はＳｉやＣの皮膜中の含有量により異なるが、概略２３００〜２８００のビッカース硬さを有する。また、耐酸化性が前記ＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ）に比べ著しく優れるため、刃先が高温に達する切削条件下においては、切削工具の性能をめざましく向上させる。また、（ＴｉＡｌＳｉ）（ＣＮ）皮膜は、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜よりも耐酸化性を向上させようとＳｉを含有させたものである。更に、同じ効果を目論み、（ＴｉＡｌ）系に第３元素としてＺｒやＨｆ、Ｂの含有が試みられている。近年では、こうした硬質皮膜被覆切削工具が使用される環境は益々過酷になり、例えば、切削速度の高速化傾向、また従来使用されていた湿式での切削加工が環境問題上重要視されるなかで、乾式での切削加工が注目されている。また、金型用鋼材の多種含有元素の影響による鋼材の難削化、高能率加工を重視した高送り加工の傾向にあり、硬質皮膜被覆切削工具の使用環境は益々過酷なものとなってきている。
【０００４】
本発明者の研究によれば、大気中における（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜の酸化開始温度は、ＴｉＮの４５０℃に対し、Ａｌの含有量に依存して７５０〜９００℃に向上する。しかしながら、前述の乾式高速切削加工においては、使用する工具の刃先温度が９００℃以上の高温に達する。このような過酷の条件下で行われている切削加工では、硬質皮膜の耐酸化性が重要であることは言うまでもないが、それよりも先に硬質皮膜被覆切削工具の刃先部と被加工物が化学反応を起こすことで発生する、溶着現象を防ぐことが不可欠である。近年の金型用鋼材には金型の性能を著しく向上させるために様々な元素の含有が行われるようになり、切削工具への溶着現象は益々発生しやすくり、硬質皮膜の酸化による摩耗よりも先に硬質皮膜中への被加工物元素の拡散が発生しやすい状況になってきている。このため、従来のＴｉとＡｌの窒化物などは、大気中における酸化抵抗は著しく優れるものの、高温状態での切削においては、前記化学反応の１種である溶着や被加工物の拡散を防ぐことが困難であり、十分な工具寿命が得られないのが現状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした事情に鑑みなされたものであって、従来の耐酸化性の優れる（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜など、耐酸化性の優れる硬質皮膜の耐摩耗性並びに密着性を犠牲にすること無く、更に高温状態での耐溶着性並びに硬質皮膜中への被加工物元素の拡散を改善し、切削加工の乾式化、高速化、高送り化に対応する硬質皮膜被覆工具を提供することが目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、硬質皮膜の耐溶着性、耐摩耗性、母材との密着性に及ぼす、様々な元素との影響および皮膜の最適な層構造について鋭意研究を重ねた結果、金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるａ層と、金属成分がＡｌとＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるｂ層とが、それぞれ一層以上交互に被覆され、該ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが、０．４２００≦Ａ≦０．４２７０ｎｍの範囲にあり、かつ該ａ層のラマン分光分析においてｃ−ＢＮ並びにｈ−ＢＮのピークが検出され、該ｃ−ＢＮのピーク強度をＱ１、ｈ−ＢＮのピーク強度をＱ２としたとき、ピーク強度比Ｑ１／Ｑ２＜１．０であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具とすることで、乾式の高速切削加工、高送り加工において、切削工具の性能が極めて良好となることをつきとめ本発明に到達した。ここでの高送り加工とは、切削条件中の１刃当たりの送り量が０．３ｍｍ／刃を越えるような切削と定義する。また、本発明は、該ａ層がＴｉとＢの合金ターゲットを用いて被覆され、皮膜の組成が、該ａ層に含まれるＢの含有量Ｍを金属成分のみの原子％で示すと、０．１≦Ｍ≦４０であり、該ａ層の膜厚Ｄが、Ｄ≧０．１μｍであることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ａ層の構成について詳細を述べる。一般に（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜は、大気中で酸化テストを行うと、皮膜表面近傍のＡｌが最表面に向かって外向拡散し、Ａｌ２Ｏ３層を形成する。この現象により、その後の皮膜内への酸素の進入が抑制される。本発明者の研究によれば、このことが耐酸化性向上の理由と考えられるが、この時、最表層に形成されるＡｌ２Ｏ３層直下には、Ａｌを含有しない非常にポーラスなＴｉ酸化物が形成する。静的な酸化テストにおいては、酸化の進行である酸素の内向拡散に対し、最表面に形成されたＡｌ２Ｏ３層が、酸化保護膜として機能するものの、動的な切削においては、最表面のＡｌ２Ｏ３層は、その直下のポーラスなＴｉ酸化物層より容易に剥離してしまい、酸化の進行に対し十分な効果を発揮しない。また、この最表面に形成されたＡｌ２Ｏ３層が動的な切削に対し、剥離しなければ、Ａｌ２Ｏ３の化学的安定性から被加工物との溶着現象を防ぐことができるのだが、現状この化学的に安定なＡｌ２Ｏ３の剥離を防ぐことは困難である。つまり、高温下で発生する溶着現象は最表層に形成されるＡｌ２Ｏ３が剥離してしまうために発生することが明らかとなった。また、（ＴｉＡｌＳｉ）（ＣＮ）膜や（ＴｉＡｌＺｒＢ）Ｎ、（ＴｉＡｌＢ）Ｎ、（ＴｉＡｌＳｉＢ）Ｎについても、従来の（ＴｉＡｌ）Ｎ膜にＳｉ、Ｚｒ、Ｂなどを含有させることで硬質皮膜そのものの高硬度化や耐酸化性を若干良好にさせるが、前述同様、酸化物に対する生成自由エネルギーの差から表面の酸化保護膜のＡｌ２Ｏ３層が直ちに形成され、更にその直下にポーラスなＴｉの酸化物を形成してしまい、その結果切削中の皮膜剥離をもたらす。よって、動的な切削における溶着現象を防ぐには至らないのである。
【０００８】
しかしながら、溶着現象の原因となるＡｌを除く、ＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物等は、皮膜自体の耐酸化性は、従来のＴｉとＡｌの窒化物と同程度であり、高温下における溶着現象に対しては、ＴｉとＡｌの窒化物などよりも優れている。本発明者は、各種元素の溶着発生現象への抵抗性、つまり鋼に含まれる元素と、硬質皮膜中に含まれる元素との濡れ性という観点から鋭意研究を重ねた結果、本発明硬質皮膜は高温下における被加工物の溶着を防ぐのに効果があることをつきとめた。本発明者は、硬質皮膜中に含有させるＢについて、切削工具に適用した際に生じる現象を詳細に調査した結果、Ｂの有効性は、硬質皮膜の高硬度化や耐酸化性向上ではなく、切削時におけるＦｅとの親和性が低いことや被加工物の膜中への拡散現象がほとんど発生しないことである。図１に本発明のａ層を用いた硬質皮膜被覆切削工具の切削加工後の切刃近傍を、基体方向に元素分析を行った結果を示す。また、図２に従来の（ＴｉＡｌ）Ｎを同様に分析した結果を示す。図１、２の比較により、図１には皮膜内部に被加工物であるＦｅ元素は見られないが、図２の従来膜である（ＴｉＡｌ）Ｎでは膜の最表層にＡｌの酸化物が形成されており、被加工物であるＦｅが膜中に拡散していることがわかる。図２に示した傾向は従来の（ＴｉＡｌＳｉ）（ＣＮ）や（ＴｉＡｌＺｒＢ）Ｎ、（ＴｉＡｌＢ）Ｎなどにも見られることを確認した。つまり、本発明のａ層を使用することで、被加工物との高温下における化学反応が発生しにくい特性を持っているのである。また、同時に、耐酸化性も従来のＴｉとＡｌの窒化物とほぼ同程度であることを見出したのである。本発明者等は更に、鋭意研究を重ね、（ＴｉＡｌＢ）Ｎといった耐酸化性の優れる従来の（ＴｉＡｌ）ＮにＢを含有させる実験を試み、その硬質皮膜の耐溶着性に着目し、評価を行った結果、前述Ａｌを含有させている従来の皮膜は、そのなかに含まれるＡｌはＴｉやＢよりも高温下におけるＦｅとの親和性が高いため、最表層に酸素の内部拡散を防ぐＡｌ２Ｏ３層を形成させる前に、被加工物中の含有物と化学反応が発生していることを得た。切削工具にこのようなＡｌを含有させている硬質皮膜を適用した場合、この溶着現象により、工具すくい面に異常なクレーター摩耗の進行促進、更に境界部には溶着物が多量に貯め込まれ、チッピングをもたらすのである。このような実験結果からも硬質皮膜被覆工具の最表面には耐酸化性を十分にもった皮膜を被覆するよりも、従来使用してきたＴｉとＡｌの窒化物などの特異的な酸化機構を発生させるまでに硬質皮膜被覆工具表面に溶着を防ぐための、いわば自己潤滑皮膜が必要になるのである。つまり、本発明の硬質皮膜を切削工具最表層に被覆させることで、被加工物との溶着を防ぎ、その結果異常摩耗を防ぐことで、従来使用してきたＴｉとＡｌの窒化物などを被覆した硬質皮膜被覆工具の寿命よりも著しく伸びることを確認した。
【０００９】
ａ層は、静的及び動的条件下において優れた耐溶着性を有すものの、皮膜自身がもつ残留圧縮応力が大きいため基体との密着性においては十分でない。そのため、基体表面直上には、密着性、耐摩耗性、耐酸化性等をバランス良く適度に付与するため、ＡｌとＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物等のｂ層を被覆することが好ましい。また、基体表面直上には、上記記載の硬質皮膜の他に元素周期表に記載される４ａ、５ａ、６ａ族の金属を１種以上含んだ合金膜をもちいてもよい。（ＴｉＡｌ）系窒化物等の皮膜であるｂ層におけるＡｌの役割は、皮膜の耐摩耗性及び耐酸化性を向上させることである。そのため、密着性、耐摩耗性、耐酸化性をバランス良く得るためには、好ましくはｂ層のＡｌ含有量Ｆを、皮膜の金属成分のみの原子％で、３０≦Ｆ≦７５に調整することが好ましい。ｂ層における好ましいＡｌの含有量Ｆを設定した理由については、Ｆが３０原子％以上のときに耐酸化性が著しく向上し始めるためである。また、７５原子％以下に調整する理由は、耐酸化性が向上しても、皮膜硬度が著しく低下し耐摩耗性が劣化してしまうためである。
【００１０】
以上のように本発明においては、基体との密着性、皮膜自体の耐摩耗性および耐酸化性をバランス良く有するｂ層を基体表面直上に被覆し、その上に著しく耐溶着性や被加工物元素拡散性に優れるａ層を被覆することが極めて重要であり、その結果、乾式の高速切削並びに高送り切削に対応する切削工具を得ることが可能となる。また、ａ層の結晶格子の大きさを限定した理由について述べる。本発明の硬質皮膜を硬質皮膜被覆切削工具として成り立たせるためには硬質皮膜物性中の結晶格子の大きさ、つまり格子定数は重要である。高い密着性を保つためには、第１として、物理蒸着法特有に発生する残留圧縮応力を低減させなければならない。本発明に至るまでの鋭意研究の結果、本発明の硬質皮膜の格子定数と残留圧縮応力の相関性を導き出すに至った。第２として、硬質皮膜同士の密着性を確保するために本発明に使用される異種硬質皮膜をヘテロエピタキシャルの関係に保たなければならない。この両者の条件を満足させるために、本発明者は、ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが０．４２００≦Ａ≦０．４２７０の範囲になるよう制御することで成し得たのである。つまり硬質皮膜の特長を最大限に導き出すためには、Ａの数値が０．４２７０を越えてしまうと硬質皮膜の残留圧縮応力が顕著に増大し、切削加工中の剥離が発生し満足な切削性能が得られないのである。また、基体表面直上にｂ層を被覆した後、ａ層並びにｂ層をそれぞれ交互に積層した多層皮膜によっても同様の効果が得られた。ａ層はラマン分光分析において、ｃ−ＢＮとｈ−ＢＮのピークを検出することができ、そのときのｃ−ＢＮのピーク強度をＱ１、ｈ−ＢＮのピーク強度をＱ２としたときに、ピーク強度比がＱ１／Ｑ２＜１．０の関係でなければならない。これは、硬質膜の潤滑性を向上されるためである。一般的に立方晶のｃ−ＢＮよりも六方晶のｈ−ＢＮの方が結晶のすべり面の観点から潤滑性がある。ａ層内部には、図３に示すようにｃ−ＢＮとｈ−ＢＮのピークが検出される。しかし、図３のようにｃ−ＢＮのピークの方が大きくなると、硬質膜の硬度は高くなるが、内部応力が大きくなり容易に剥離が発生してしまう。つまり、耐摩耗性は向上できるものの硬質皮膜の優れた特性を導き出すことができない。従って、硬質膜中にｈ−ＢＮが多く含まれるようにコーティング条件を制御することによって硬質皮膜被覆工具表面は、潤滑性の著しく優れたものに改質され、耐溶着性を向上させることができるのである。また、各層は必要に応じて窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかに調整でき、それらを被覆した工具についても同様の切削性能が得られる。
【００１１】
金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物ある硬質皮膜のＢの含有量Ｍについて限定した理由を述べる。Ｔｉに対してＢの含有量が０．１原子％未満の場合、本発明の目的とする溶着や元素拡散を防ぐ効果が得られない。従って、目標とする近年の過酷な切削加工に対応できないため、著しく効果の出はじめる０．１原子％以上としたのである。また、ＴｉとＢで構成される本発明の硬質皮膜は、ＴｉＮなどで良く見られるような柱状晶を呈するが、Ｂの含有量が４０原子％を越えると柱状晶から微細粒状結晶構造に変化することが認められた。このようにＢの含有量が多い硬質皮膜は、内部の欠陥が多く、密度も低くなることが認められた。また、皮膜密着性を阻害する内部応力が非常に大きくなり容易に剥離現象が発生することを確認した。更には、硬質皮膜の結晶が微細であるために切削加工中に発生する粒界破壊の頻度が高く、それに起因する異常摩耗が認められた。本発明者等は、以上の様な知見を得るに至り、本発明の硬質皮膜中のＢ含有量Ｍを、原子％で、０．１≦Ｍ≦４０に限定したのである。本発明の硬質皮膜を作成するにあたっては、物理蒸着法が好ましい。従って成膜のもととなるターゲットが必要になる。そのターゲットはＴｉとＢからなる２種を用いても良いが、組成のばらつきや、放電の安定性を考慮するとＴｉとＢの合金ターゲットがより好ましい。
【００１２】
硬質皮膜中に含有させるＢ含有量によって、ＴｉとＢで構成される硬質皮膜中の金属元素の存在形態に特徴があることを確認した。従来の硬質皮膜であるＴｉとＡｌの窒化物などは、その組成によって異なるが、実用化されている皮膜を取り上げると、一般にＴｉＮと同じ結晶格子形態であるＮａＣｌ型Ｂ１構造をとることがわかっており、ＴｉＮ格子中のＴｉがＡｌに置き換わっている形態をとり、いわば、Ａｌが固溶された状態にある。しかしながら、本発明のＴｉとＢで構成される硬質皮膜は、Ｂの含有量に左右されるものの、その含有量が０．１原子％以上になると、前記ＴｉとＡｌの窒化物などとは異なった形態を示す。Ｂの含有量が０．１原子％以上になるとＢはＴｉＮ格子中のＴｉに置き換わる形態の他に、Ｂの化合物が単独で存在するような形態になる。つまり、Ｂの含有量が０．１原子％以上になると、例えば、本発明の硬質皮膜であるＴｉとＢの窒化物の場合、硬質皮膜中にはＴｉＮの結晶とＢＮの結晶が混在する形態をとるのである。Ｂの含有量が０．１原子％未満ではＢがＴｉＮ結晶格子の中に完全に取り込まれ、固溶体の形態を呈する。この結晶形態の変化が切削性能に多大な影響を及ぼす。本発明の組成範囲にある窒化物の場合、ＴｉＮ類似の結晶のほかにＢＮの結晶が存在する。このＢＮは自己潤滑が優れるという事やＦｅとの濡れ性が低いという事が知られており、このＢＮ結晶の存在が、主として化学反応が起因のクレーター摩耗を著しく抑制させる効果があるものと考えられる。また、ＢＮは酸化に対する自由生成エネルギーの面からも酸化に対する抵抗力があるため、高温下における硬質皮膜の特性が劣化しない。これらの驚くべき事実は、本発明者が鋭意研究を重ねることで得られた結果である。しかしながら、Ｂの含有量が４０原子％を越えると、上記ＢＮの結晶は存在するが、内部応力が非常に大きくなるために、良好な密着性を維持することが困難となる。つまり、切削加工の様に硬質皮膜に外部からの衝撃を与えると硬質皮膜が自身の内部応力に耐えられず、容易に剥離が発生してしまい、硬質皮膜被覆工具としての役割を果たさなくなることが認められた。従って、本発明者等の目標である切削工具を提供するためには、硬質皮膜中に含有されるＢの量は４０原子％を越えてはいけないことになり、かつ、硬質皮膜中にＢＮの結晶を存在させるような、新しい技術を創生しなければならないのである。
【００１３】
本発明の硬質皮膜について、その膜厚Ｄを規定した理由について述べる。本硬質皮膜の特性が近年の過酷な切削加工に対応するためには、Ｄ≧０．１μｍを被覆しなければならない。つまり、それよりも薄い場合は、硬質皮膜の特性が発揮されないのである。また、本発明に記載の硬質皮膜を工具すくい面に厚く被覆し、すくい面摩耗が著しく発生するような切削加工に適用した場合、従来の硬質皮膜である（ＴｉＡｌ）Ｎや（ＴｉＡｌＳｉ）（ＣＮ）、（ＴｉＡｌＺｒＢ）Ｎ、（ＴｉＡｌＢ）Ｎでは、すでに説明したようにクレーター摩耗が容易に発生し、高能率加工を満足させるにいたらない。本発明者は、適用する金属成分がＴｉとＢで構成される硬質皮膜の効果を十分に発揮させるための最適膜厚を詳細に調査した結果、その膜厚ＤがＤ≧０．１μｍであることを明らかにした。この調査に基づき、被覆される工具すくい面の膜厚ＤがＤ≧０．１μｍであることがより好ましい。
【００１４】
本発明の硬質皮膜被覆工具は、その被覆方法については、特に限定されるものではないが、被覆基体への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した皮膜に圧縮応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング、もしくはスパッタリング等の被覆基体側にバイアス電圧を印加する物理蒸着法であることが望ましい。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００１５】
【実施例】
小型アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、並びに反応ガスであるＮ２ガス、ＣＨ４ガス、ＡｒとＯ２混合ガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、被覆基体温度４００℃にて、被覆基体である超硬合金製インサートに−４０Ｖから−１５０Ｖの範囲の電位を印加させて被覆を行った。
【００１６】
得られた硬質皮膜被覆インサートを用い、次に示す乾式の高能率切削条件にて、刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能となるまで加工を行い、その時の切削長を工具寿命とした。表１に本発明例、比較例及び従来例に関する硬質皮膜の詳細及びその切削結果を示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
インサート切削条件は、切削工具は正面フライス（インサート形状：ＳＤＥ５３ＴＮ特殊形）を使用し、切削方法はセンターカット方式、被削材形状は巾１００ｍｍ、長さ２５０ｍｍ、被削材はＳ５０Ｃ（ＨＲＣ３０）、切り込みは２．０ｍｍ、切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ、１刃送り量は１．８０ｍｍ／刃、切削油は無しである。
【００１９】
表１より、本発明の硬質皮膜は、その格子定数の大きさとラマン分光分析におけるｈ−ＢＮとｃ−ＢＮのピーク強度比が切削性能に大きく影響を及ぼすことは明らかである。つまり、本発明例１〜２０に示す様に、ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが、０．４２００≦Ａ≦０．４２７０ｎｍの範囲を満たし、更にラマン分光分析によるｃ−ＢＮ、ｈ−ＢＮが検出され、そのときのｃ−ＢＮのピーク強度Ｑ１並びにｈ−ＢＮのピーク強度Ｑ２の比、Ｑ１／Ｑ２＜１．０の時は、材料の特性を如何なく発揮し、大幅な切削寿命の向上をもたらし、十分満足できる結果が得られている。しかし、比較例２５、２６は、ｃ−ＢＮのピーク強度の方がｈ−ＢＮのピークよりも大きくなった。そのため硬質皮膜の内部応力は最大で−７．７ＧＰａに到達し、切削加工時の衝撃で容易に皮膜剥離が発生してしまい短寿命となった。更に、比較例２２、２３、２４、２７は切削を行うことはできるが、従来例に対しての歴然とした効果は認められず、また、本発明の硬質膜被覆工具に対し大きく劣っていることは明らかである。つまり、本発明の硬質皮膜ａ層における格子定数Ａが０．４２００ｎｍ≦Ａ≦０．４２７０ｎｍを満たしたときに、ラマン分光分析によるｃ−ＢＮ、ｈ−ＢＮが検出され、そのときのｃ−ＢＮの強度Ｑ１ならびにｈ−ＢＮの強度Ｑ２の比Ｑ１／Ｑ２が１．０未満のときのみ、材料の特性を如何なく発揮し、大幅な切削寿命の向上をもたらすのである。本発明の硬質膜は、ＢＮの結晶の存在により、耐溶着性はもとより、耐熱性も優れるため、著しい工具性能向上をもたらすことは明らかである。例えば、比較例２１、２４は硬質皮膜中に添加されるＢ量が微量のため、ＴｉＮ結晶格子の中に取り込まれ、固溶体の形態をとっており、その結果、膜としてはＴｉとＢで構成される硬質皮膜であるが、本発明の目的である工具性能の改善には遠く至らないのである。また、比較例２２、２３、２５、２６、２７では、ＴｉとＢで構成される硬質皮膜中にＢＮの結晶が存在することが認められても、添加されるＢ添加量がＴｉに対して５０原子％を越えてしまっている。このような場合、切削加工においては、硬質皮膜が自身の内部応力に負けて、容易に剥離が発生する。特に、比較例２６は、硬質皮膜全体の内部応力が最も高くなり、約−６ＧＰａにも到達してしまうことが認められ、切削試験では、インサートの切削初期に工具逃げ面、すくい面に大きな剥離が発生し、切削続行が不可能となった。従って、本発明の硬質皮膜は、膜中のＢＮ結晶を存在させることも非常に重要な技術であるが、単に存在させるのではなく、添加するＢの量も含め、硬質皮膜被覆工具の設計を行わない限り、著しく優れた性能を発揮する工具の提供は不可能であることは明らかである。一方、従来例２８の（ＴｉＳｉ）Ｎ皮膜と（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜との２層膜とした試料、また従来例２９から３４の（ＴｉＡｌ）系の窒化物層に第３元素としてＺｒ、Ｂ、Ｓｉを添加した試料に対し、本発明例は、いずれの場合も工具寿命で優っていることが確認された。本発明皮膜の成膜実施にあたっては、使用する導入ガスの検討も同時に行った。その結果、著しく優れた耐溶着性を保つためには、金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物いずれかで、Ｂの含有量Ｍが金属成分のみの原子％で、０．１≦Ｍ≦４０．０であることが望ましいが、工具の発熱並びに被加工物との摩擦を考慮した場合、成膜時に上記記載の皮膜を製膜する上で必要となる窒素、酸素を含むガスの他に、炭素を含むガスを導入し、炭窒化物、酸炭窒化物を被覆することにより更に優れた工具性能を発揮する。本発明硬質皮膜の適用は、実施例で示したインサートだけでなく、旋削用途など他の高能率切削加工にも十分対応できうるものである。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の硬質皮膜被覆工具は、ＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかである層にラマン分光分析においてｃ−ＢＮとｈ−ＢＮのピークが検出される皮膜が被覆され、この皮膜が優れた耐溶着、耐拡散性、耐酸化性、耐摩耗性を達成することにより、乾式高能率切削加工において著しく長い工具寿命が得られ、切削加工における生産性の向上に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例の皮膜を被覆した工具の切削後の刃先近傍における元素分析結果を示す。
【図２】図２は、従来例の皮膜を被覆した工具の切削後の刃先近傍における元素分析結果を示す。
【図３】図３は、比較例の皮膜のラマン分光解析結果で、ｃ―ＢＮとｈ―ＢＮとの回折ピークを示す。
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属材料等の切削加工に使用される硬質皮膜被覆工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来はＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ）等を被覆した切削工具が汎用的かつ一般的であった。ＴｉＮは比較的耐酸化性に優れるため、切削時の発熱によって生じる工具のすくい面摩耗に対して、優れた耐摩耗性を示すだけでなく、基体との密着性も良好であることが特長である。また、Ｔｉ（ＣＮ）は、ＴｉＮに比べ高硬度かつ被加工物から排出される切り粉との接触抵抗が低いため工具表面の発熱が抑制される。このことから、被削材との機械的な擦り摩耗によって工具逃げ面に生じるフランク摩耗を抑制することができる。しかしながら、金属加工の高能率化を目的とした切削速度の高速化傾向に対し、上記硬質皮膜では、十分な耐酸化性、耐摩耗性を示さなくなった。この様な背景から、皮膜の耐酸化性、耐摩耗性をより向上させる研究がなされ、その結果、特許第３２４８８９７号公報には（ＴｉＳｉ）Ｎ皮膜をａ層とし、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜をｂ層として、ａ層とｂ層とを１層以上交互に被覆することによって得られた皮膜が耐酸化性、耐摩耗性を有するという技術が開示されている。一方、特開２００１−２９３６０１号公報では、耐摩耗性皮膜中に、ＢＮ、ＴｉＢ２、ＴｉＢ等の超微粒化合物を含む皮膜についての開示があり、この超微粒化合物が非晶質構造を有し、皮膜の硬度を向上させる働きがあると記載されている。これにより耐摩耗性、高滑り性、高焼き付き性、被削材の加工精度向上が図れるとのことであるが、超微粒化合物の特性や存在状態についての詳細な記述はなされていない。
【０００３】
（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜は、その皮膜中に含有するＴｉとＡｌの成分比率又はＳｉやＣの皮膜中の含有量により異なるが、概略２３００〜２８００のビッカース硬さを有する。また、耐酸化性が前記ＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ）に比べ著しく優れるため、刃先が高温に達する切削条件下においては、切削工具の性能をめざましく向上させる。また、（ＴｉＡｌＳｉ）（ＣＮ）皮膜は、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜よりも耐酸化性を向上させようとＳｉを含有させたものである。更に、同じ効果を目論み、（ＴｉＡｌ）系に第３元素としてＺｒやＨｆ、Ｂの含有が試みられている。近年では、こうした硬質皮膜被覆切削工具が使用される環境は益々過酷になり、例えば、切削速度の高速化傾向、また従来使用されていた湿式での切削加工が環境問題上重要視されるなかで、乾式での切削加工が注目されている。また、金型用鋼材の多種含有元素の影響による鋼材の難削化、高能率加工を重視した高送り加工の傾向にあり、硬質皮膜被覆切削工具の使用環境は益々過酷なものとなってきている。
【０００４】
本発明者の研究によれば、大気中における（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜の酸化開始温度は、ＴｉＮの４５０℃に対し、Ａｌの含有量に依存して７５０〜９００℃に向上する。しかしながら、前述の乾式高速切削加工においては、使用する工具の刃先温度が９００℃以上の高温に達する。このような過酷の条件下で行われている切削加工では、硬質皮膜の耐酸化性が重要であることは言うまでもないが、それよりも先に硬質皮膜被覆切削工具の刃先部と被加工物が化学反応を起こすことで発生する、溶着現象を防ぐことが不可欠である。近年の金型用鋼材には金型の性能を著しく向上させるために様々な元素の含有が行われるようになり、切削工具への溶着現象は益々発生しやすくり、硬質皮膜の酸化による摩耗よりも先に硬質皮膜中への被加工物元素の拡散が発生しやすい状況になってきている。このため、従来のＴｉとＡｌの窒化物などは、大気中における酸化抵抗は著しく優れるものの、高温状態での切削においては、前記化学反応の１種である溶着や被加工物の拡散を防ぐことが困難であり、十分な工具寿命が得られないのが現状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした事情に鑑みなされたものであって、従来の耐酸化性の優れる（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜など、耐酸化性の優れる硬質皮膜の耐摩耗性並びに密着性を犠牲にすること無く、更に高温状態での耐溶着性並びに硬質皮膜中への被加工物元素の拡散を改善し、切削加工の乾式化、高速化、高送り化に対応する硬質皮膜被覆工具を提供することが目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、硬質皮膜の耐溶着性、耐摩耗性、母材との密着性に及ぼす、様々な元素との影響および皮膜の最適な層構造について鋭意研究を重ねた結果、金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるａ層と、金属成分がＡｌとＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるｂ層とが、それぞれ一層以上交互に被覆され、該ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが、０．４２００≦Ａ≦０．４２７０ｎｍの範囲にあり、かつ該ａ層のラマン分光分析においてｃ−ＢＮ並びにｈ−ＢＮのピークが検出され、該ｃ−ＢＮのピーク強度をＱ１、ｈ−ＢＮのピーク強度をＱ２としたとき、ピーク強度比Ｑ１／Ｑ２＜１．０であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具とすることで、乾式の高速切削加工、高送り加工において、切削工具の性能が極めて良好となることをつきとめ本発明に到達した。ここでの高送り加工とは、切削条件中の１刃当たりの送り量が０．３ｍｍ／刃を越えるような切削と定義する。また、本発明は、該ａ層がＴｉとＢの合金ターゲットを用いて被覆され、皮膜の組成が、該ａ層に含まれるＢの含有量Ｍを金属成分のみの原子％で示すと、０．１≦Ｍ≦４０であり、該ａ層の膜厚Ｄが、Ｄ≧０．１μｍであることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ａ層の構成について詳細を述べる。一般に（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜は、大気中で酸化テストを行うと、皮膜表面近傍のＡｌが最表面に向かって外向拡散し、Ａｌ２Ｏ３層を形成する。この現象により、その後の皮膜内への酸素の進入が抑制される。本発明者の研究によれば、このことが耐酸化性向上の理由と考えられるが、この時、最表層に形成されるＡｌ２Ｏ３層直下には、Ａｌを含有しない非常にポーラスなＴｉ酸化物が形成する。静的な酸化テストにおいては、酸化の進行である酸素の内向拡散に対し、最表面に形成されたＡｌ２Ｏ３層が、酸化保護膜として機能するものの、動的な切削においては、最表面のＡｌ２Ｏ３層は、その直下のポーラスなＴｉ酸化物層より容易に剥離してしまい、酸化の進行に対し十分な効果を発揮しない。また、この最表面に形成されたＡｌ２Ｏ３層が動的な切削に対し、剥離しなければ、Ａｌ２Ｏ３の化学的安定性から被加工物との溶着現象を防ぐことができるのだが、現状この化学的に安定なＡｌ２Ｏ３の剥離を防ぐことは困難である。つまり、高温下で発生する溶着現象は最表層に形成されるＡｌ２Ｏ３が剥離してしまうために発生することが明らかとなった。また、（ＴｉＡｌＳｉ）（ＣＮ）膜や（ＴｉＡｌＺｒＢ）Ｎ、（ＴｉＡｌＢ）Ｎ、（ＴｉＡｌＳｉＢ）Ｎについても、従来の（ＴｉＡｌ）Ｎ膜にＳｉ、Ｚｒ、Ｂなどを含有させることで硬質皮膜そのものの高硬度化や耐酸化性を若干良好にさせるが、前述同様、酸化物に対する生成自由エネルギーの差から表面の酸化保護膜のＡｌ２Ｏ３層が直ちに形成され、更にその直下にポーラスなＴｉの酸化物を形成してしまい、その結果切削中の皮膜剥離をもたらす。よって、動的な切削における溶着現象を防ぐには至らないのである。
【０００８】
しかしながら、溶着現象の原因となるＡｌを除く、ＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物等は、皮膜自体の耐酸化性は、従来のＴｉとＡｌの窒化物と同程度であり、高温下における溶着現象に対しては、ＴｉとＡｌの窒化物などよりも優れている。本発明者は、各種元素の溶着発生現象への抵抗性、つまり鋼に含まれる元素と、硬質皮膜中に含まれる元素との濡れ性という観点から鋭意研究を重ねた結果、本発明硬質皮膜は高温下における被加工物の溶着を防ぐのに効果があることをつきとめた。本発明者は、硬質皮膜中に含有させるＢについて、切削工具に適用した際に生じる現象を詳細に調査した結果、Ｂの有効性は、硬質皮膜の高硬度化や耐酸化性向上ではなく、切削時におけるＦｅとの親和性が低いことや被加工物の膜中への拡散現象がほとんど発生しないことである。図１に本発明のａ層を用いた硬質皮膜被覆切削工具の切削加工後の切刃近傍を、基体方向に元素分析を行った結果を示す。また、図２に従来の（ＴｉＡｌ）Ｎを同様に分析した結果を示す。図１、２の比較により、図１には皮膜内部に被加工物であるＦｅ元素は見られないが、図２の従来膜である（ＴｉＡｌ）Ｎでは膜の最表層にＡｌの酸化物が形成されており、被加工物であるＦｅが膜中に拡散していることがわかる。図２に示した傾向は従来の（ＴｉＡｌＳｉ）（ＣＮ）や（ＴｉＡｌＺｒＢ）Ｎ、（ＴｉＡｌＢ）Ｎなどにも見られることを確認した。つまり、本発明のａ層を使用することで、被加工物との高温下における化学反応が発生しにくい特性を持っているのである。また、同時に、耐酸化性も従来のＴｉとＡｌの窒化物とほぼ同程度であることを見出したのである。本発明者等は更に、鋭意研究を重ね、（ＴｉＡｌＢ）Ｎといった耐酸化性の優れる従来の（ＴｉＡｌ）ＮにＢを含有させる実験を試み、その硬質皮膜の耐溶着性に着目し、評価を行った結果、前述Ａｌを含有させている従来の皮膜は、そのなかに含まれるＡｌはＴｉやＢよりも高温下におけるＦｅとの親和性が高いため、最表層に酸素の内部拡散を防ぐＡｌ２Ｏ３層を形成させる前に、被加工物中の含有物と化学反応が発生していることを得た。切削工具にこのようなＡｌを含有させている硬質皮膜を適用した場合、この溶着現象により、工具すくい面に異常なクレーター摩耗の進行促進、更に境界部には溶着物が多量に貯め込まれ、チッピングをもたらすのである。このような実験結果からも硬質皮膜被覆工具の最表面には耐酸化性を十分にもった皮膜を被覆するよりも、従来使用してきたＴｉとＡｌの窒化物などの特異的な酸化機構を発生させるまでに硬質皮膜被覆工具表面に溶着を防ぐための、いわば自己潤滑皮膜が必要になるのである。つまり、本発明の硬質皮膜を切削工具最表層に被覆させることで、被加工物との溶着を防ぎ、その結果異常摩耗を防ぐことで、従来使用してきたＴｉとＡｌの窒化物などを被覆した硬質皮膜被覆工具の寿命よりも著しく伸びることを確認した。
【０００９】
ａ層は、静的及び動的条件下において優れた耐溶着性を有すものの、皮膜自身がもつ残留圧縮応力が大きいため基体との密着性においては十分でない。そのため、基体表面直上には、密着性、耐摩耗性、耐酸化性等をバランス良く適度に付与するため、ＡｌとＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物等のｂ層を被覆することが好ましい。また、基体表面直上には、上記記載の硬質皮膜の他に元素周期表に記載される４ａ、５ａ、６ａ族の金属を１種以上含んだ合金膜をもちいてもよい。（ＴｉＡｌ）系窒化物等の皮膜であるｂ層におけるＡｌの役割は、皮膜の耐摩耗性及び耐酸化性を向上させることである。そのため、密着性、耐摩耗性、耐酸化性をバランス良く得るためには、好ましくはｂ層のＡｌ含有量Ｆを、皮膜の金属成分のみの原子％で、３０≦Ｆ≦７５に調整することが好ましい。ｂ層における好ましいＡｌの含有量Ｆを設定した理由については、Ｆが３０原子％以上のときに耐酸化性が著しく向上し始めるためである。また、７５原子％以下に調整する理由は、耐酸化性が向上しても、皮膜硬度が著しく低下し耐摩耗性が劣化してしまうためである。
【００１０】
以上のように本発明においては、基体との密着性、皮膜自体の耐摩耗性および耐酸化性をバランス良く有するｂ層を基体表面直上に被覆し、その上に著しく耐溶着性や被加工物元素拡散性に優れるａ層を被覆することが極めて重要であり、その結果、乾式の高速切削並びに高送り切削に対応する切削工具を得ることが可能となる。また、ａ層の結晶格子の大きさを限定した理由について述べる。本発明の硬質皮膜を硬質皮膜被覆切削工具として成り立たせるためには硬質皮膜物性中の結晶格子の大きさ、つまり格子定数は重要である。高い密着性を保つためには、第１として、物理蒸着法特有に発生する残留圧縮応力を低減させなければならない。本発明に至るまでの鋭意研究の結果、本発明の硬質皮膜の格子定数と残留圧縮応力の相関性を導き出すに至った。第２として、硬質皮膜同士の密着性を確保するために本発明に使用される異種硬質皮膜をヘテロエピタキシャルの関係に保たなければならない。この両者の条件を満足させるために、本発明者は、ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが０．４２００≦Ａ≦０．４２７０の範囲になるよう制御することで成し得たのである。つまり硬質皮膜の特長を最大限に導き出すためには、Ａの数値が０．４２７０を越えてしまうと硬質皮膜の残留圧縮応力が顕著に増大し、切削加工中の剥離が発生し満足な切削性能が得られないのである。また、基体表面直上にｂ層を被覆した後、ａ層並びにｂ層をそれぞれ交互に積層した多層皮膜によっても同様の効果が得られた。ａ層はラマン分光分析において、ｃ−ＢＮとｈ−ＢＮのピークを検出することができ、そのときのｃ−ＢＮのピーク強度をＱ１、ｈ−ＢＮのピーク強度をＱ２としたときに、ピーク強度比がＱ１／Ｑ２＜１．０の関係でなければならない。これは、硬質膜の潤滑性を向上されるためである。一般的に立方晶のｃ−ＢＮよりも六方晶のｈ−ＢＮの方が結晶のすべり面の観点から潤滑性がある。ａ層内部には、図３に示すようにｃ−ＢＮとｈ−ＢＮのピークが検出される。しかし、図３のようにｃ−ＢＮのピークの方が大きくなると、硬質膜の硬度は高くなるが、内部応力が大きくなり容易に剥離が発生してしまう。つまり、耐摩耗性は向上できるものの硬質皮膜の優れた特性を導き出すことができない。従って、硬質膜中にｈ−ＢＮが多く含まれるようにコーティング条件を制御することによって硬質皮膜被覆工具表面は、潤滑性の著しく優れたものに改質され、耐溶着性を向上させることができるのである。また、各層は必要に応じて窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかに調整でき、それらを被覆した工具についても同様の切削性能が得られる。
【００１１】
金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物ある硬質皮膜のＢの含有量Ｍについて限定した理由を述べる。Ｔｉに対してＢの含有量が０．１原子％未満の場合、本発明の目的とする溶着や元素拡散を防ぐ効果が得られない。従って、目標とする近年の過酷な切削加工に対応できないため、著しく効果の出はじめる０．１原子％以上としたのである。また、ＴｉとＢで構成される本発明の硬質皮膜は、ＴｉＮなどで良く見られるような柱状晶を呈するが、Ｂの含有量が４０原子％を越えると柱状晶から微細粒状結晶構造に変化することが認められた。このようにＢの含有量が多い硬質皮膜は、内部の欠陥が多く、密度も低くなることが認められた。また、皮膜密着性を阻害する内部応力が非常に大きくなり容易に剥離現象が発生することを確認した。更には、硬質皮膜の結晶が微細であるために切削加工中に発生する粒界破壊の頻度が高く、それに起因する異常摩耗が認められた。本発明者等は、以上の様な知見を得るに至り、本発明の硬質皮膜中のＢ含有量Ｍを、原子％で、０．１≦Ｍ≦４０に限定したのである。本発明の硬質皮膜を作成するにあたっては、物理蒸着法が好ましい。従って成膜のもととなるターゲットが必要になる。そのターゲットはＴｉとＢからなる２種を用いても良いが、組成のばらつきや、放電の安定性を考慮するとＴｉとＢの合金ターゲットがより好ましい。
【００１２】
硬質皮膜中に含有させるＢ含有量によって、ＴｉとＢで構成される硬質皮膜中の金属元素の存在形態に特徴があることを確認した。従来の硬質皮膜であるＴｉとＡｌの窒化物などは、その組成によって異なるが、実用化されている皮膜を取り上げると、一般にＴｉＮと同じ結晶格子形態であるＮａＣｌ型Ｂ１構造をとることがわかっており、ＴｉＮ格子中のＴｉがＡｌに置き換わっている形態をとり、いわば、Ａｌが固溶された状態にある。しかしながら、本発明のＴｉとＢで構成される硬質皮膜は、Ｂの含有量に左右されるものの、その含有量が０．１原子％以上になると、前記ＴｉとＡｌの窒化物などとは異なった形態を示す。Ｂの含有量が０．１原子％以上になるとＢはＴｉＮ格子中のＴｉに置き換わる形態の他に、Ｂの化合物が単独で存在するような形態になる。つまり、Ｂの含有量が０．１原子％以上になると、例えば、本発明の硬質皮膜であるＴｉとＢの窒化物の場合、硬質皮膜中にはＴｉＮの結晶とＢＮの結晶が混在する形態をとるのである。Ｂの含有量が０．１原子％未満ではＢがＴｉＮ結晶格子の中に完全に取り込まれ、固溶体の形態を呈する。この結晶形態の変化が切削性能に多大な影響を及ぼす。本発明の組成範囲にある窒化物の場合、ＴｉＮ類似の結晶のほかにＢＮの結晶が存在する。このＢＮは自己潤滑が優れるという事やＦｅとの濡れ性が低いという事が知られており、このＢＮ結晶の存在が、主として化学反応が起因のクレーター摩耗を著しく抑制させる効果があるものと考えられる。また、ＢＮは酸化に対する自由生成エネルギーの面からも酸化に対する抵抗力があるため、高温下における硬質皮膜の特性が劣化しない。これらの驚くべき事実は、本発明者が鋭意研究を重ねることで得られた結果である。しかしながら、Ｂの含有量が４０原子％を越えると、上記ＢＮの結晶は存在するが、内部応力が非常に大きくなるために、良好な密着性を維持することが困難となる。つまり、切削加工の様に硬質皮膜に外部からの衝撃を与えると硬質皮膜が自身の内部応力に耐えられず、容易に剥離が発生してしまい、硬質皮膜被覆工具としての役割を果たさなくなることが認められた。従って、本発明者等の目標である切削工具を提供するためには、硬質皮膜中に含有されるＢの量は４０原子％を越えてはいけないことになり、かつ、硬質皮膜中にＢＮの結晶を存在させるような、新しい技術を創生しなければならないのである。
【００１３】
本発明の硬質皮膜について、その膜厚Ｄを規定した理由について述べる。本硬質皮膜の特性が近年の過酷な切削加工に対応するためには、Ｄ≧０．１μｍを被覆しなければならない。つまり、それよりも薄い場合は、硬質皮膜の特性が発揮されないのである。また、本発明に記載の硬質皮膜を工具すくい面に厚く被覆し、すくい面摩耗が著しく発生するような切削加工に適用した場合、従来の硬質皮膜である（ＴｉＡｌ）Ｎや（ＴｉＡｌＳｉ）（ＣＮ）、（ＴｉＡｌＺｒＢ）Ｎ、（ＴｉＡｌＢ）Ｎでは、すでに説明したようにクレーター摩耗が容易に発生し、高能率加工を満足させるにいたらない。本発明者は、適用する金属成分がＴｉとＢで構成される硬質皮膜の効果を十分に発揮させるための最適膜厚を詳細に調査した結果、その膜厚ＤがＤ≧０．１μｍであることを明らかにした。この調査に基づき、被覆される工具すくい面の膜厚ＤがＤ≧０．１μｍであることがより好ましい。
【００１４】
本発明の硬質皮膜被覆工具は、その被覆方法については、特に限定されるものではないが、被覆基体への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した皮膜に圧縮応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング、もしくはスパッタリング等の被覆基体側にバイアス電圧を印加する物理蒸着法であることが望ましい。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００１５】
【実施例】
小型アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、並びに反応ガスであるＮ２ガス、ＣＨ４ガス、ＡｒとＯ２混合ガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、被覆基体温度４００℃にて、被覆基体である超硬合金製インサートに−４０Ｖから−１５０Ｖの範囲の電位を印加させて被覆を行った。
【００１６】
得られた硬質皮膜被覆インサートを用い、次に示す乾式の高能率切削条件にて、刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能となるまで加工を行い、その時の切削長を工具寿命とした。表１に本発明例、比較例及び従来例に関する硬質皮膜の詳細及びその切削結果を示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
インサート切削条件は、切削工具は正面フライス（インサート形状：ＳＤＥ５３ＴＮ特殊形）を使用し、切削方法はセンターカット方式、被削材形状は巾１００ｍｍ、長さ２５０ｍｍ、被削材はＳ５０Ｃ（ＨＲＣ３０）、切り込みは２．０ｍｍ、切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ、１刃送り量は１．８０ｍｍ／刃、切削油は無しである。
【００１９】
表１より、本発明の硬質皮膜は、その格子定数の大きさとラマン分光分析におけるｈ−ＢＮとｃ−ＢＮのピーク強度比が切削性能に大きく影響を及ぼすことは明らかである。つまり、本発明例１〜２０に示す様に、ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが、０．４２００≦Ａ≦０．４２７０ｎｍの範囲を満たし、更にラマン分光分析によるｃ−ＢＮ、ｈ−ＢＮが検出され、そのときのｃ−ＢＮのピーク強度Ｑ１並びにｈ−ＢＮのピーク強度Ｑ２の比、Ｑ１／Ｑ２＜１．０の時は、材料の特性を如何なく発揮し、大幅な切削寿命の向上をもたらし、十分満足できる結果が得られている。しかし、比較例２５、２６は、ｃ−ＢＮのピーク強度の方がｈ−ＢＮのピークよりも大きくなった。そのため硬質皮膜の内部応力は最大で−７．７ＧＰａに到達し、切削加工時の衝撃で容易に皮膜剥離が発生してしまい短寿命となった。更に、比較例２２、２３、２４、２７は切削を行うことはできるが、従来例に対しての歴然とした効果は認められず、また、本発明の硬質膜被覆工具に対し大きく劣っていることは明らかである。つまり、本発明の硬質皮膜ａ層における格子定数Ａが０．４２００ｎｍ≦Ａ≦０．４２７０ｎｍを満たしたときに、ラマン分光分析によるｃ−ＢＮ、ｈ−ＢＮが検出され、そのときのｃ−ＢＮの強度Ｑ１ならびにｈ−ＢＮの強度Ｑ２の比Ｑ１／Ｑ２が１．０未満のときのみ、材料の特性を如何なく発揮し、大幅な切削寿命の向上をもたらすのである。本発明の硬質膜は、ＢＮの結晶の存在により、耐溶着性はもとより、耐熱性も優れるため、著しい工具性能向上をもたらすことは明らかである。例えば、比較例２１、２４は硬質皮膜中に添加されるＢ量が微量のため、ＴｉＮ結晶格子の中に取り込まれ、固溶体の形態をとっており、その結果、膜としてはＴｉとＢで構成される硬質皮膜であるが、本発明の目的である工具性能の改善には遠く至らないのである。また、比較例２２、２３、２５、２６、２７では、ＴｉとＢで構成される硬質皮膜中にＢＮの結晶が存在することが認められても、添加されるＢ添加量がＴｉに対して５０原子％を越えてしまっている。このような場合、切削加工においては、硬質皮膜が自身の内部応力に負けて、容易に剥離が発生する。特に、比較例２６は、硬質皮膜全体の内部応力が最も高くなり、約−６ＧＰａにも到達してしまうことが認められ、切削試験では、インサートの切削初期に工具逃げ面、すくい面に大きな剥離が発生し、切削続行が不可能となった。従って、本発明の硬質皮膜は、膜中のＢＮ結晶を存在させることも非常に重要な技術であるが、単に存在させるのではなく、添加するＢの量も含め、硬質皮膜被覆工具の設計を行わない限り、著しく優れた性能を発揮する工具の提供は不可能であることは明らかである。一方、従来例２８の（ＴｉＳｉ）Ｎ皮膜と（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜との２層膜とした試料、また従来例２９から３４の（ＴｉＡｌ）系の窒化物層に第３元素としてＺｒ、Ｂ、Ｓｉを添加した試料に対し、本発明例は、いずれの場合も工具寿命で優っていることが確認された。本発明皮膜の成膜実施にあたっては、使用する導入ガスの検討も同時に行った。その結果、著しく優れた耐溶着性を保つためには、金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物いずれかで、Ｂの含有量Ｍが金属成分のみの原子％で、０．１≦Ｍ≦４０．０であることが望ましいが、工具の発熱並びに被加工物との摩擦を考慮した場合、成膜時に上記記載の皮膜を製膜する上で必要となる窒素、酸素を含むガスの他に、炭素を含むガスを導入し、炭窒化物、酸炭窒化物を被覆することにより更に優れた工具性能を発揮する。本発明硬質皮膜の適用は、実施例で示したインサートだけでなく、旋削用途など他の高能率切削加工にも十分対応できうるものである。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の硬質皮膜被覆工具は、ＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかである層にラマン分光分析においてｃ−ＢＮとｈ−ＢＮのピークが検出される皮膜が被覆され、この皮膜が優れた耐溶着、耐拡散性、耐酸化性、耐摩耗性を達成することにより、乾式高能率切削加工において著しく長い工具寿命が得られ、切削加工における生産性の向上に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例の皮膜を被覆した工具の切削後の刃先近傍における元素分析結果を示す。
【図２】図２は、従来例の皮膜を被覆した工具の切削後の刃先近傍における元素分析結果を示す。
【図３】図３は、比較例の皮膜のラマン分光解析結果で、ｃ―ＢＮとｈ―ＢＮとの回折ピークを示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるａ層と、金属成分がＡｌとＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるｂ層とが、それぞれ一層以上交互に被覆され、該ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが、０．４２００≦Ａ≦０．４２７０ｎｍの範囲にあり、かつ該ａ層のラマン分光分析においてｃ−ＢＮ並びにｈ−ＢＮのピークが検出され、該ｃ−ＢＮのピーク強度をＱ１、ｈ−ＢＮのピーク強度をＱ２としたとき、ピーク強度比Ｑ１／Ｑ２＜１．０であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】
請求項１記載の硬質皮膜被覆工具において、該ａ層はＴｉとＢの合金ターゲットを用いて被覆され、該ａ層の組成は、Ｂの含有量Ｍを金属成分のみの原子％で示すと、０．１≦Ｍ≦４０であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の硬質皮膜被覆工具において、該ａ層の膜厚Ｄが、Ｄ≧０．１μｍであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項１】
金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるａ層と、金属成分がＡｌとＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるｂ層とが、それぞれ一層以上交互に被覆され、該ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが、０．４２００≦Ａ≦０．４２７０ｎｍの範囲にあり、かつ該ａ層のラマン分光分析においてｃ−ＢＮ並びにｈ−ＢＮのピークが検出され、該ｃ−ＢＮのピーク強度をＱ１、ｈ−ＢＮのピーク強度をＱ２としたとき、ピーク強度比Ｑ１／Ｑ２＜１．０であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】
請求項１記載の硬質皮膜被覆工具において、該ａ層はＴｉとＢの合金ターゲットを用いて被覆され、該ａ層の組成は、Ｂの含有量Ｍを金属成分のみの原子％で示すと、０．１≦Ｍ≦４０であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の硬質皮膜被覆工具において、該ａ層の膜厚Ｄが、Ｄ≧０．１μｍであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００４−１３６３８０（Ｐ２００４−１３６３８０Ａ）
【公開日】平成１６年５月１３日（２００４．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００２−３０１３６１（Ｐ２００２−３０１３６１）
【出願日】平成１４年１０月１６日（２００２．１０．１６）
【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１６年５月１３日（２００４．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１４年１０月１６日（２００２．１０．１６）
【出願人】（０００２３３０６６）日立ツール株式会社 (299)
【Ｆターム（参考）】
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