表面被覆切削工具およびその製造方法
【課題】潤滑性に優れ、高い耐摩耗性を有する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】基体２表面に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層７と、組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９の表面層８とを形成する。
【解決手段】基体２表面に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層７と、組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９の表面層８とを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基体の表面に硬質被覆層を成膜してなる表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった摺動性や耐摩耗性、耐欠損性を必要とする部材では、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット等の硬質材料の表面に様々な硬質被覆層を成膜して摺動性、耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、硬質材料からなる基体の表面にＴｉＮ層−ＴｉＢＣＮ層−Ａｌ２Ｏ３層の順に成膜した硬質被覆層の構成とすることによって耐塑性変形性を改善できることが記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、基体の表面に、（Ｔｉ１−ＭＢＭ）Ｎ層（０．００１≦Ｍ≦０．４）と、（ＴｉＡｌ）Ｎ層を交互に積層させた硬質被覆層を成膜して、耐溶着性と耐酸化性に優れた硬質被覆層となることが記載されている。
【０００５】
さらに、特許文献３では、ＴｉＮ層−ＴｉＢＮ層の構成からなる硬質被覆層の構成とすることによって、ＴｉＢＮ層の密着性を工具として適応可能な程度に高めることができることが記載されている。
【特許文献１】特開２００１−２６９８０１号公報
【特許文献２】特開２００４−１０６１０２号公報
【特許文献３】特開平８−１１００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のようにＴｉＢＣＮ層を下層として用い、その最表面にはＡｌ２Ｏ３層やＴｉＮ層にて構成した場合、最表層の潤滑性が十分ではなく、硬質被覆層の摩擦係数が高くなるため切削抵抗が高くなり、擦れ摩耗や切削の熱による化学的な摩耗が促進してしまったり、被削材が切刃に溶着してしまい、耐摩耗性の低下や溶着物の脱落時の膜剥離等が発生したりしていた。
【０００７】
また、特許文献２、３の表面にＴｉＢＮ層を成膜した工具では、Ｂの含有量が高くなるとＴｉＢＣＮ層の内部応力が上昇し硬質被覆層の表面からクラックが発生してチッピングや欠損または摩耗が大幅に進行し、逆にＢの含有量が低くなるとＴｉＢＮ層の硬度が低下して切削し始めてすぐに摩滅してしまうという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の表面被覆切削工具は、上記問題を解決するためのものであり、その目的は、潤滑性に優れ、かつ高い耐欠損性と耐摩耗性を有する表面被覆切削工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明においては、切削工具の表面に所定の組成からなる下層と、ＴｉとＢとＮとを含有し特殊な構成からなる表面層とを成膜することによって、被削材に対する表面潤滑性、耐欠損性および耐摩耗性の高い硬質被覆層となるものである。
【００１０】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層と、組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０.１〜０．９の表面層と、からなる硬質被覆層を被着形成するものである。
【００１１】
ここで、前記表面層において、Ｂ（ホウ素）の含有濃度が最大となる最表面からの深さが０．２μｍ〜３．０μｍであるとともに、Ｂ（ホウ素）の最大含有率が全元素に対して１０〜６０原子％であることが、耐欠損性、摺動性および耐摩耗性を高める点で望ましい。
【００１２】
また、前記表面層が、ＴｉＢ２（ホウ化チタン）、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）またはアモルファスＢＮ（アモルファス窒化ホウ素）のうち２種以上と、ＴｉＮ（窒化チタン）およびＴｉＣＮ（炭窒化チタン）のうちの１種以上の混合物にて構成されることが、表面層の硬度を高めることができるとともに表面層の潤滑性を向上できる点で望ましい。
【００１３】
さらに、前記下層が（Ｔｉ１−ｄＭｄ）（ＣｅＮ１−ｅ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素、０．１≦ｄ≦０．９、０≦ｅ＜１）であることが、前記表面被覆切削工具の耐摩耗性、耐欠損性を向上させることができるため望ましい。
【００１４】
また、前記下層の組成式におけるＭが、Ａｌからなるか、またはＡｌとＣｒからなることによって、耐酸化性および耐摩耗性を向上することができ、より長寿命の表面被覆切削工具とすることができるため望ましい。
【００１５】
さらに、前記表面層の膜厚が０．２〜５．０μｍであることが、前記表面層の膜剥離を防止するとともに、十分な潤滑性と耐摩耗性を有することができるため望ましい。
【００１６】
また、前記硬質被覆層の総膜厚が０．５〜８．０μｍであることが、前記硬質被覆層の膜剥離やチッピングを防止するとともに、十分な耐摩耗性を保持することができるため望ましい。
【００１７】
また、本発明の表面被覆切削工具の製造方法の第一の実施態様は、基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜し、次に（Ｔｉ１−ｆＭｆ）（ＣｇＮ１−ｇ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ｆ＜１、０≦ｇ＜１）からなる仮表面層を成膜した後、該仮表面層の表面からホウ素イオンを注入して、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２〜３μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０.１〜０．９からなる表面層を作製することを特徴とするものである。
【００１８】
ここで、前記イオン注入する工程において、前記基体の向きを動かしながらイオン注入を行うことが、硬質被覆層の切刃におけるＢの分布状態を所定の範囲内に制御することができて良好な切削が可能となる点で望ましい。
【００１９】
本発明の表面被覆切削工具の製造方法の第二の実施態様は、基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜した後、多層硬質層を順次成膜して、組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９となる表面層を作製することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の表面被覆切削工具は、表面に所定の組成からなる下層と、（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）の組成で特殊な構成からなる表面層を順次形成することによって、被削材に対する表面潤滑性、耐欠損性および耐摩耗性の高い硬質被覆層となり、より長寿命な表面被覆切削工具を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の表面被覆切削工具の一例について本発明の表面被覆切削工具の概略斜視図である図１および本発明の表面被覆切削工具の概略断面拡大図である図２を用いて説明する。
【００２２】
図１によれば、本発明の表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）１は、主面にすくい面３、側面に逃げ面４、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、基体２の表面に硬質被覆層６を成膜した構成となっている。
【００２３】
ここで、本発明によれば、硬質被覆層６の構成として、周期率表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる層を１層以上からなる下層７と、その表面に、チタン、ホウ素および窒素を含有する化合物からなる表面層８を設けている。
【００２４】
そして、表面層８の構成は、最表面における組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、表面層の最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９であることを特徴とするものである。
【００２５】
これによって、表面層８が非常に優れた潤滑性を有するため、摩擦係数を低減することができる。また、硬質被覆層６の表面において内部応力が高すぎてチッピングが発生することを防止できる。さらに、表面層８の深さ方向に硬度の高い領域が存在するために、耐摩耗性にも優れる。すなわち、硬質被覆層６が被削材に対する表面潤滑性、耐欠損性および耐摩耗性の高いものとなる。
【００２６】
つまり、表面層８の組成が均一である場合、Ｂの含有量が高いと表面層８の内部応力が高くなり表面からクラックが発生してチッピングや欠損が発生しやすくなる、逆にＢの含有量が低いとＴｉＢＮ層の硬度が低下して切削し始めてすぐに摩滅してしまうために、いずれの場合にも切削性能を高めることができない。
【００２７】
また、表面層８において、前記濃度比（ｍ１／ｍ２）が０．１よりも小さいと、表面層８の最表面における耐摩耗性が低下してすぐに摩耗してしまうという不具合がある。逆に、前記濃度比（ｍ１／ｍ２）が０．９よりも大きいと、表面層８の最表面における内部応力が高くなりすぎて、チッピングや欠損が発生しやすくなるという不具合がある。
【００２８】
ここで、前記Ｂ（ホウ素）の濃度比（ｍ１／ｍ２）の望ましい範囲は、表面潤滑性と耐摩耗性を両立できる点で、０．３〜０．６であること、さらに耐欠損性をより高めるためには０．４〜０．６であることが望ましい。
【００２９】
また、表面層８において、Ｂ（ホウ素）の含有濃度が最大となる表面層８の最表面からの深さが０．２〜３．０μｍであることが、耐溶着性および耐摩耗性をともに高める点で望ましい。
【００３０】
なお、上記Ｂ（ホウ素）の含有濃度が最大となる深さにおけるＢ（ホウ素）の最大含有率が全元素に対して１０〜６０原子％であることが、耐摩耗性を高める点で望ましい。前記Ｂ（ホウ素）の最大含有率が１０原子％よりも小さいと、表面層８の潤滑性が低下して十分な耐溶着性が得られず摩耗が進行してしまう不具合がある。逆に全元素に対する最大含有率が６０原子％を超えると、表面層８における内部応力が高くなりすぎて、チッピングが発生しやすくなることになる。表面潤滑性および耐磨耗性をともに高めるためには、２０〜４０原子％であることが望ましい。
【００３１】
なお、本発明において後述するイオン注入法を用いると、Ｂ（ホウ素）の含有濃度を４０〜６０原子％まで高めることにしても、硬質被覆層６の内部応力を低く抑えることができるため、特にＢ（ホウ素）の最大含有率が３０〜６０原子％であることが、表面潤滑性をさらに高める点で望ましい。
【００３２】
さらに、表面層８が、ＴｉＢ２（ホウ化チタン）、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）またはアモルファスＢＮ（アモルファス窒化ホウ素）のうち２種以上と、ＴｉＮ（窒化チタン）およびＴｉＣＮ（炭窒化チタン）のうちの１種以上の混合物にて構成されることが、表面層の硬度を高めることができるとともに表面層の潤滑性を向上できる点で望ましい。
【００３３】
ここで、下層７が（ＴｉｄＭ１−ｄ）（ＣｅＮ１−ｅ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素、０．１≦ｄ≦０．９、０≦ｅ＜１）であることが、工具１の耐摩耗性、耐欠損性を向上させることができるため望ましい。
【００３４】
また、下層７の組成式におけるＭがＡｌからなるか、またはＡｌとＣｒからなることによって、硬質被覆層６の耐酸化性および耐摩耗性を向上することができ、より長寿命の工具１とすることができるため望ましい。
【００３５】
さらに、表面層８の膜厚が０．２〜５．０μｍであることが、表面層８の膜剥離を防止するとともに、十分な潤滑性と耐摩耗性を有することができるため望ましい。また、硬質被覆層６の総膜厚が０．５〜８．０μｍであることが、硬質被覆層６の膜剥離やチッピングを防止し、十分な耐摩耗性を維持することができるため望ましい。
【００３６】
ここで、下層７の膜厚は０．５〜６μｍであることが、下層７の膜剥離を防止するとともに、十分な耐摩耗性を維持することができるため望ましい。
【００３７】
なお、基体２としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金、サーメット、窒化ケイ素や、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相と、セラミックや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。
【００３８】
（製造方法）
次に、本発明の表面被覆切削工具の製造方法について説明する。
【００３９】
まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。
【００４０】
次に、前記基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜する。
【００４１】
なお、成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の数例についての詳細について説明すると、まず、下層にチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）を含む複合硬質層をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタン、金属アルミの２種類の金属ターゲット源を独立として用いるか、またはチタンアルミ（ＴｉＡｌ）合金をターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させて成膜する。下層の緻密度や基体との密着力を高めるために、３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加しながら成膜することが望ましい。
【００４２】
次に、上記下層の表面に表面層を形成する方法について、その第一の実施態様について説明する。まず、（Ｔｉ１−ｆＭｆ）（ＣｇＮ１−ｇ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ｆ＜１、０≦ｇ＜１）硬質層（以下、仮表面層と称す。）を成膜する。イオンプレーティング法で作製する場合、チタンおよび所望により上記Ｍ成分を坩堝に入れ電子ビーム照射でチタンおよび所望によりＭ成分を蒸発させ、グロー放電により上記のチタンおよび所望によりＭ成分をイオン化させ窒素イオンおよび所望により炭素イオンと反応させることより、仮表面層を被覆する。
【００４３】
また、成膜方法としてスパッタリング法を用いて仮表面層を成膜してもよい。この場合、チタンターゲットを用いてアルゴンイオンのグロー放電によるターゲットスパッタでチタンイオンを発生させ、窒素イオンおよび所望により炭素イオンと反応させることで仮表面層を被覆する。
【００４４】
なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で仮表面層を成膜する際には下層との密着性などを高めるために、３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。
【００４５】
その後、前記仮表面層にホウ素イオンを注入して、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９からなる表面層を作製する。
【００４６】
イオン注入法は、高エネルギーホウ素イオンビームを用いて仮表面層の表面からホウ素イオンを照射し仮表面層中に注入する方法である。なお、ホウ素イオンビームの出力エネルギーと照射時間を制御することより、表面層中のホウ素含有量と表面からの分布深さをコントロールすることができる。
【００４７】
なお、前記硬質被覆層にイオン注入する際、基体の向きを動かしながらイオン注入を行うことが、硬質被覆層の切刃におけるＢ（ホウ素）の分布状態を所定の範囲内に制御することができて良好な切削が可能となる点で望ましい。
【００４８】
ここで、上記製造方法においては、仮表面層の表面からＢ（ホウ素）イオンをイオン注入して表面層を作製する方法について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、成膜条件を変えた多層を順次成膜して表面層を作製することも可能である。
【００４９】
そこで、本発明の表面被覆切削工具の製造方法における第二の実施態様について説明する。
【００５０】
まず、上記下層の表面に第一表面層を成膜する。イオンプレーティング法で作製する場合、チタンとＭ成分とホウ素を別々の坩堝に入れ電子ビーム照射でチタンとＭ成分とホウ素を蒸発させ、グロー放電により上記のチタンとＭ成分とホウ素をイオン化させ窒素イオンおよび所望により炭素イオンと反応させることより、第一表面層を被覆する。
【００５１】
また、成膜方法としてスパッタリング法を用いて第一表面層を成膜してもよい。この場合、ＴｉＢ２化合物およびチタンをターゲットとして用いることが好ましい。アルゴンイオンのグロー放電によるターゲットスパッタでチタンとホウ素イオンを発生させ、窒素イオンおよび所望により炭素イオンとを反応させることにより第一表面層を被覆する。
【００５２】
なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で第一表面層を成膜する際には下層との密着性などを高めるために、３０〜１５０Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。
【００５３】
その後、前記第一表面層の表面に、成膜条件を変えて、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９からなり組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）を満たす第二表面層を作製する。
【００５４】
上記組成を調整する方法としては、チタンイオンとホウ素イオンを蒸発させるパワーをコントロールする方法や、ターゲットを変更する方法等が挙げられる。さらに、上記実施態様においては第一表面層と第二表面層の２層で表面層を構成したものであったが、３層以上の多層としてもよい。
【００５５】
なお、上記製造方法については、表面層中のホウ素（Ｂ）の分布が界面を持たず連続的に変化するように制御しやすく、かつＢ（ホウ素）の含有比率を高めることが容易であるイオン注入法を用いた方法がより好適である。
【実施例１】
【００５６】
平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．５質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末と炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を合計で５質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニングＲ）を施した。
【００５７】
また、別途上記超硬合金から２０×２０×３ｍｍ基材を作製し、鏡面研磨を施して摩擦摩耗試験片として用いた。
【００５８】
上記方法で作製した基体に対してイオンプレーティング法により下層を成膜した。上記基体をイオンプレーティング装置にセットし５００℃に加熱した後、下層構成元素のうちＣおよびＮ以外の元素成分をアーク放電によりカソードから蒸発させると同時に窒素ガスと所望によってメタンガスを導入して窒素イオンおよび炭素イオンを発生させて反応させることにより下層を被覆した。なお、成膜条件はアーク電流１００Ａ、圧力２．５Ｐａ、加熱温度５００℃として表１に示す種々の組成にて成膜した。
【００５９】
次に、上記下層を成膜した後、試料Ｎｏ．１、２において、上記イオンプレーティング装置内の電子ビーム銃を起動させ、電子ビーム照射により坩堝に入れたＴｉターゲットを蒸発させグロー放電でＴｉイオンを発生させると同時に窒素ガスと所望によりメタンガスを導入して窒素イオンおよび炭素イオンを反応させることにより、ＴｉＮまたはＴｉＣＮからなる仮表面層を成膜した。成膜条件は、温度５５０℃、圧力２．０Ｐａ、バイアス電圧５０Ｖで行った。
【００６０】
そして、試料Ｎｏ．１、２については、上記仮表面層を成膜した後、イオン注入法により加速エネルギー５０ｋｅＶでホウ素イオンを表面層に注入して表１に示した構成からなる表面層を形成した。
【００６１】
また、試料Ｎｏ．３〜９については、上記イオンプレーティング装置を用い膜厚１μｍの第一表面層を成膜した後、続いて電子ビームのパワーを変化させて膜厚０．１μｍの第二表面層を成膜して表１に示す構成の表面層を形成した。
【００６２】
得られた試料に対して、ホウ素（Ｂ）の分布状態をＸ線光電子分光法により確認し、表面層の最表面および０．２μｍ深さ位置におけるホウ素（Ｂ）の含有比率、最大含有量とその深さ位置を確認した。結果は表１に示した。
【００６３】
そして、上記各試料の摩擦摩耗試験片を用いてボールオンディスク試験法により硬質被覆層の摩擦係数を測定した。ボールにはφ５ｍｍのＡｌ２Ｏ３ボールを用いて、荷重０．２ｋｇ、ディスク回転速度１５０ｒｐｍで摩擦試験を行った。結果は表１に示した。
【００６４】
次に、得られたスローアウェイチップ（切削工具）を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表１に合わせて併記した。
【００６５】
切削方法：旋削
被削材 ：ＳＣＭ４５０
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：２０分間切削後のチッピングの有無、フランク摩耗幅、先端摩耗幅
【表１】
【００６６】
表１より、表面層の最表面にＢを含有していない試料Ｎｏ．１０、および表面層におけるＢの濃度比ｍ１／ｍ２が０．１より小さい試料Ｎｏ．７は、摩擦係数が高く、摩耗の進行も早くなっていた。また、表面層におけるＢの濃度比ｍ１／ｍ２が０．９より大きい試料Ｎｏ．８では、チッピングが発生した。
【００６７】
さらには、下層を成膜せずＴｉＢ（ＣＮ）層のみの構成とした試料Ｎｏ．９はチッピングが発生しやすいものであった。
【００６８】
これに対して、本発明の範囲内で作製した試料Ｎｏ．１〜６では、摩擦係数も非常に低くなりフランク摩耗幅と先端摩耗幅が共に大きく減少し、優れた耐摩耗性を発揮した。特に、イオン注入法にて作製した試料Ｎｏ．１および２の耐摩耗性および潤滑性が優れていた。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の概略斜視図である。
【図２】本発明の表面被覆切削工具の概略断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 表面被覆切削工具
２ 基体
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切刃
６ 硬質被覆層
７ 下層
８ 表面層
【技術分野】
【０００１】
本発明は基体の表面に硬質被覆層を成膜してなる表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった摺動性や耐摩耗性、耐欠損性を必要とする部材では、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット等の硬質材料の表面に様々な硬質被覆層を成膜して摺動性、耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、硬質材料からなる基体の表面にＴｉＮ層−ＴｉＢＣＮ層−Ａｌ２Ｏ３層の順に成膜した硬質被覆層の構成とすることによって耐塑性変形性を改善できることが記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、基体の表面に、（Ｔｉ１−ＭＢＭ）Ｎ層（０．００１≦Ｍ≦０．４）と、（ＴｉＡｌ）Ｎ層を交互に積層させた硬質被覆層を成膜して、耐溶着性と耐酸化性に優れた硬質被覆層となることが記載されている。
【０００５】
さらに、特許文献３では、ＴｉＮ層−ＴｉＢＮ層の構成からなる硬質被覆層の構成とすることによって、ＴｉＢＮ層の密着性を工具として適応可能な程度に高めることができることが記載されている。
【特許文献１】特開２００１−２６９８０１号公報
【特許文献２】特開２００４−１０６１０２号公報
【特許文献３】特開平８−１１００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のようにＴｉＢＣＮ層を下層として用い、その最表面にはＡｌ２Ｏ３層やＴｉＮ層にて構成した場合、最表層の潤滑性が十分ではなく、硬質被覆層の摩擦係数が高くなるため切削抵抗が高くなり、擦れ摩耗や切削の熱による化学的な摩耗が促進してしまったり、被削材が切刃に溶着してしまい、耐摩耗性の低下や溶着物の脱落時の膜剥離等が発生したりしていた。
【０００７】
また、特許文献２、３の表面にＴｉＢＮ層を成膜した工具では、Ｂの含有量が高くなるとＴｉＢＣＮ層の内部応力が上昇し硬質被覆層の表面からクラックが発生してチッピングや欠損または摩耗が大幅に進行し、逆にＢの含有量が低くなるとＴｉＢＮ層の硬度が低下して切削し始めてすぐに摩滅してしまうという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の表面被覆切削工具は、上記問題を解決するためのものであり、その目的は、潤滑性に優れ、かつ高い耐欠損性と耐摩耗性を有する表面被覆切削工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明においては、切削工具の表面に所定の組成からなる下層と、ＴｉとＢとＮとを含有し特殊な構成からなる表面層とを成膜することによって、被削材に対する表面潤滑性、耐欠損性および耐摩耗性の高い硬質被覆層となるものである。
【００１０】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層と、組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０.１〜０．９の表面層と、からなる硬質被覆層を被着形成するものである。
【００１１】
ここで、前記表面層において、Ｂ（ホウ素）の含有濃度が最大となる最表面からの深さが０．２μｍ〜３．０μｍであるとともに、Ｂ（ホウ素）の最大含有率が全元素に対して１０〜６０原子％であることが、耐欠損性、摺動性および耐摩耗性を高める点で望ましい。
【００１２】
また、前記表面層が、ＴｉＢ２（ホウ化チタン）、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）またはアモルファスＢＮ（アモルファス窒化ホウ素）のうち２種以上と、ＴｉＮ（窒化チタン）およびＴｉＣＮ（炭窒化チタン）のうちの１種以上の混合物にて構成されることが、表面層の硬度を高めることができるとともに表面層の潤滑性を向上できる点で望ましい。
【００１３】
さらに、前記下層が（Ｔｉ１−ｄＭｄ）（ＣｅＮ１−ｅ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素、０．１≦ｄ≦０．９、０≦ｅ＜１）であることが、前記表面被覆切削工具の耐摩耗性、耐欠損性を向上させることができるため望ましい。
【００１４】
また、前記下層の組成式におけるＭが、Ａｌからなるか、またはＡｌとＣｒからなることによって、耐酸化性および耐摩耗性を向上することができ、より長寿命の表面被覆切削工具とすることができるため望ましい。
【００１５】
さらに、前記表面層の膜厚が０．２〜５．０μｍであることが、前記表面層の膜剥離を防止するとともに、十分な潤滑性と耐摩耗性を有することができるため望ましい。
【００１６】
また、前記硬質被覆層の総膜厚が０．５〜８．０μｍであることが、前記硬質被覆層の膜剥離やチッピングを防止するとともに、十分な耐摩耗性を保持することができるため望ましい。
【００１７】
また、本発明の表面被覆切削工具の製造方法の第一の実施態様は、基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜し、次に（Ｔｉ１−ｆＭｆ）（ＣｇＮ１−ｇ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ｆ＜１、０≦ｇ＜１）からなる仮表面層を成膜した後、該仮表面層の表面からホウ素イオンを注入して、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２〜３μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０.１〜０．９からなる表面層を作製することを特徴とするものである。
【００１８】
ここで、前記イオン注入する工程において、前記基体の向きを動かしながらイオン注入を行うことが、硬質被覆層の切刃におけるＢの分布状態を所定の範囲内に制御することができて良好な切削が可能となる点で望ましい。
【００１９】
本発明の表面被覆切削工具の製造方法の第二の実施態様は、基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜した後、多層硬質層を順次成膜して、組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９となる表面層を作製することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の表面被覆切削工具は、表面に所定の組成からなる下層と、（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）の組成で特殊な構成からなる表面層を順次形成することによって、被削材に対する表面潤滑性、耐欠損性および耐摩耗性の高い硬質被覆層となり、より長寿命な表面被覆切削工具を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の表面被覆切削工具の一例について本発明の表面被覆切削工具の概略斜視図である図１および本発明の表面被覆切削工具の概略断面拡大図である図２を用いて説明する。
【００２２】
図１によれば、本発明の表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）１は、主面にすくい面３、側面に逃げ面４、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、基体２の表面に硬質被覆層６を成膜した構成となっている。
【００２３】
ここで、本発明によれば、硬質被覆層６の構成として、周期率表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる層を１層以上からなる下層７と、その表面に、チタン、ホウ素および窒素を含有する化合物からなる表面層８を設けている。
【００２４】
そして、表面層８の構成は、最表面における組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、表面層の最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９であることを特徴とするものである。
【００２５】
これによって、表面層８が非常に優れた潤滑性を有するため、摩擦係数を低減することができる。また、硬質被覆層６の表面において内部応力が高すぎてチッピングが発生することを防止できる。さらに、表面層８の深さ方向に硬度の高い領域が存在するために、耐摩耗性にも優れる。すなわち、硬質被覆層６が被削材に対する表面潤滑性、耐欠損性および耐摩耗性の高いものとなる。
【００２６】
つまり、表面層８の組成が均一である場合、Ｂの含有量が高いと表面層８の内部応力が高くなり表面からクラックが発生してチッピングや欠損が発生しやすくなる、逆にＢの含有量が低いとＴｉＢＮ層の硬度が低下して切削し始めてすぐに摩滅してしまうために、いずれの場合にも切削性能を高めることができない。
【００２７】
また、表面層８において、前記濃度比（ｍ１／ｍ２）が０．１よりも小さいと、表面層８の最表面における耐摩耗性が低下してすぐに摩耗してしまうという不具合がある。逆に、前記濃度比（ｍ１／ｍ２）が０．９よりも大きいと、表面層８の最表面における内部応力が高くなりすぎて、チッピングや欠損が発生しやすくなるという不具合がある。
【００２８】
ここで、前記Ｂ（ホウ素）の濃度比（ｍ１／ｍ２）の望ましい範囲は、表面潤滑性と耐摩耗性を両立できる点で、０．３〜０．６であること、さらに耐欠損性をより高めるためには０．４〜０．６であることが望ましい。
【００２９】
また、表面層８において、Ｂ（ホウ素）の含有濃度が最大となる表面層８の最表面からの深さが０．２〜３．０μｍであることが、耐溶着性および耐摩耗性をともに高める点で望ましい。
【００３０】
なお、上記Ｂ（ホウ素）の含有濃度が最大となる深さにおけるＢ（ホウ素）の最大含有率が全元素に対して１０〜６０原子％であることが、耐摩耗性を高める点で望ましい。前記Ｂ（ホウ素）の最大含有率が１０原子％よりも小さいと、表面層８の潤滑性が低下して十分な耐溶着性が得られず摩耗が進行してしまう不具合がある。逆に全元素に対する最大含有率が６０原子％を超えると、表面層８における内部応力が高くなりすぎて、チッピングが発生しやすくなることになる。表面潤滑性および耐磨耗性をともに高めるためには、２０〜４０原子％であることが望ましい。
【００３１】
なお、本発明において後述するイオン注入法を用いると、Ｂ（ホウ素）の含有濃度を４０〜６０原子％まで高めることにしても、硬質被覆層６の内部応力を低く抑えることができるため、特にＢ（ホウ素）の最大含有率が３０〜６０原子％であることが、表面潤滑性をさらに高める点で望ましい。
【００３２】
さらに、表面層８が、ＴｉＢ２（ホウ化チタン）、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）またはアモルファスＢＮ（アモルファス窒化ホウ素）のうち２種以上と、ＴｉＮ（窒化チタン）およびＴｉＣＮ（炭窒化チタン）のうちの１種以上の混合物にて構成されることが、表面層の硬度を高めることができるとともに表面層の潤滑性を向上できる点で望ましい。
【００３３】
ここで、下層７が（ＴｉｄＭ１−ｄ）（ＣｅＮ１−ｅ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素、０．１≦ｄ≦０．９、０≦ｅ＜１）であることが、工具１の耐摩耗性、耐欠損性を向上させることができるため望ましい。
【００３４】
また、下層７の組成式におけるＭがＡｌからなるか、またはＡｌとＣｒからなることによって、硬質被覆層６の耐酸化性および耐摩耗性を向上することができ、より長寿命の工具１とすることができるため望ましい。
【００３５】
さらに、表面層８の膜厚が０．２〜５．０μｍであることが、表面層８の膜剥離を防止するとともに、十分な潤滑性と耐摩耗性を有することができるため望ましい。また、硬質被覆層６の総膜厚が０．５〜８．０μｍであることが、硬質被覆層６の膜剥離やチッピングを防止し、十分な耐摩耗性を維持することができるため望ましい。
【００３６】
ここで、下層７の膜厚は０．５〜６μｍであることが、下層７の膜剥離を防止するとともに、十分な耐摩耗性を維持することができるため望ましい。
【００３７】
なお、基体２としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金、サーメット、窒化ケイ素や、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相と、セラミックや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。
【００３８】
（製造方法）
次に、本発明の表面被覆切削工具の製造方法について説明する。
【００３９】
まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。
【００４０】
次に、前記基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜する。
【００４１】
なお、成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の数例についての詳細について説明すると、まず、下層にチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）を含む複合硬質層をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタン、金属アルミの２種類の金属ターゲット源を独立として用いるか、またはチタンアルミ（ＴｉＡｌ）合金をターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させて成膜する。下層の緻密度や基体との密着力を高めるために、３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加しながら成膜することが望ましい。
【００４２】
次に、上記下層の表面に表面層を形成する方法について、その第一の実施態様について説明する。まず、（Ｔｉ１−ｆＭｆ）（ＣｇＮ１−ｇ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ｆ＜１、０≦ｇ＜１）硬質層（以下、仮表面層と称す。）を成膜する。イオンプレーティング法で作製する場合、チタンおよび所望により上記Ｍ成分を坩堝に入れ電子ビーム照射でチタンおよび所望によりＭ成分を蒸発させ、グロー放電により上記のチタンおよび所望によりＭ成分をイオン化させ窒素イオンおよび所望により炭素イオンと反応させることより、仮表面層を被覆する。
【００４３】
また、成膜方法としてスパッタリング法を用いて仮表面層を成膜してもよい。この場合、チタンターゲットを用いてアルゴンイオンのグロー放電によるターゲットスパッタでチタンイオンを発生させ、窒素イオンおよび所望により炭素イオンと反応させることで仮表面層を被覆する。
【００４４】
なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で仮表面層を成膜する際には下層との密着性などを高めるために、３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。
【００４５】
その後、前記仮表面層にホウ素イオンを注入して、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９からなる表面層を作製する。
【００４６】
イオン注入法は、高エネルギーホウ素イオンビームを用いて仮表面層の表面からホウ素イオンを照射し仮表面層中に注入する方法である。なお、ホウ素イオンビームの出力エネルギーと照射時間を制御することより、表面層中のホウ素含有量と表面からの分布深さをコントロールすることができる。
【００４７】
なお、前記硬質被覆層にイオン注入する際、基体の向きを動かしながらイオン注入を行うことが、硬質被覆層の切刃におけるＢ（ホウ素）の分布状態を所定の範囲内に制御することができて良好な切削が可能となる点で望ましい。
【００４８】
ここで、上記製造方法においては、仮表面層の表面からＢ（ホウ素）イオンをイオン注入して表面層を作製する方法について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、成膜条件を変えた多層を順次成膜して表面層を作製することも可能である。
【００４９】
そこで、本発明の表面被覆切削工具の製造方法における第二の実施態様について説明する。
【００５０】
まず、上記下層の表面に第一表面層を成膜する。イオンプレーティング法で作製する場合、チタンとＭ成分とホウ素を別々の坩堝に入れ電子ビーム照射でチタンとＭ成分とホウ素を蒸発させ、グロー放電により上記のチタンとＭ成分とホウ素をイオン化させ窒素イオンおよび所望により炭素イオンと反応させることより、第一表面層を被覆する。
【００５１】
また、成膜方法としてスパッタリング法を用いて第一表面層を成膜してもよい。この場合、ＴｉＢ２化合物およびチタンをターゲットとして用いることが好ましい。アルゴンイオンのグロー放電によるターゲットスパッタでチタンとホウ素イオンを発生させ、窒素イオンおよび所望により炭素イオンとを反応させることにより第一表面層を被覆する。
【００５２】
なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で第一表面層を成膜する際には下層との密着性などを高めるために、３０〜１５０Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。
【００５３】
その後、前記第一表面層の表面に、成膜条件を変えて、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９からなり組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）を満たす第二表面層を作製する。
【００５４】
上記組成を調整する方法としては、チタンイオンとホウ素イオンを蒸発させるパワーをコントロールする方法や、ターゲットを変更する方法等が挙げられる。さらに、上記実施態様においては第一表面層と第二表面層の２層で表面層を構成したものであったが、３層以上の多層としてもよい。
【００５５】
なお、上記製造方法については、表面層中のホウ素（Ｂ）の分布が界面を持たず連続的に変化するように制御しやすく、かつＢ（ホウ素）の含有比率を高めることが容易であるイオン注入法を用いた方法がより好適である。
【実施例１】
【００５６】
平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．５質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末と炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を合計で５質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニングＲ）を施した。
【００５７】
また、別途上記超硬合金から２０×２０×３ｍｍ基材を作製し、鏡面研磨を施して摩擦摩耗試験片として用いた。
【００５８】
上記方法で作製した基体に対してイオンプレーティング法により下層を成膜した。上記基体をイオンプレーティング装置にセットし５００℃に加熱した後、下層構成元素のうちＣおよびＮ以外の元素成分をアーク放電によりカソードから蒸発させると同時に窒素ガスと所望によってメタンガスを導入して窒素イオンおよび炭素イオンを発生させて反応させることにより下層を被覆した。なお、成膜条件はアーク電流１００Ａ、圧力２．５Ｐａ、加熱温度５００℃として表１に示す種々の組成にて成膜した。
【００５９】
次に、上記下層を成膜した後、試料Ｎｏ．１、２において、上記イオンプレーティング装置内の電子ビーム銃を起動させ、電子ビーム照射により坩堝に入れたＴｉターゲットを蒸発させグロー放電でＴｉイオンを発生させると同時に窒素ガスと所望によりメタンガスを導入して窒素イオンおよび炭素イオンを反応させることにより、ＴｉＮまたはＴｉＣＮからなる仮表面層を成膜した。成膜条件は、温度５５０℃、圧力２．０Ｐａ、バイアス電圧５０Ｖで行った。
【００６０】
そして、試料Ｎｏ．１、２については、上記仮表面層を成膜した後、イオン注入法により加速エネルギー５０ｋｅＶでホウ素イオンを表面層に注入して表１に示した構成からなる表面層を形成した。
【００６１】
また、試料Ｎｏ．３〜９については、上記イオンプレーティング装置を用い膜厚１μｍの第一表面層を成膜した後、続いて電子ビームのパワーを変化させて膜厚０．１μｍの第二表面層を成膜して表１に示す構成の表面層を形成した。
【００６２】
得られた試料に対して、ホウ素（Ｂ）の分布状態をＸ線光電子分光法により確認し、表面層の最表面および０．２μｍ深さ位置におけるホウ素（Ｂ）の含有比率、最大含有量とその深さ位置を確認した。結果は表１に示した。
【００６３】
そして、上記各試料の摩擦摩耗試験片を用いてボールオンディスク試験法により硬質被覆層の摩擦係数を測定した。ボールにはφ５ｍｍのＡｌ２Ｏ３ボールを用いて、荷重０．２ｋｇ、ディスク回転速度１５０ｒｐｍで摩擦試験を行った。結果は表１に示した。
【００６４】
次に、得られたスローアウェイチップ（切削工具）を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表１に合わせて併記した。
【００６５】
切削方法：旋削
被削材 ：ＳＣＭ４５０
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：２０分間切削後のチッピングの有無、フランク摩耗幅、先端摩耗幅
【表１】
【００６６】
表１より、表面層の最表面にＢを含有していない試料Ｎｏ．１０、および表面層におけるＢの濃度比ｍ１／ｍ２が０．１より小さい試料Ｎｏ．７は、摩擦係数が高く、摩耗の進行も早くなっていた。また、表面層におけるＢの濃度比ｍ１／ｍ２が０．９より大きい試料Ｎｏ．８では、チッピングが発生した。
【００６７】
さらには、下層を成膜せずＴｉＢ（ＣＮ）層のみの構成とした試料Ｎｏ．９はチッピングが発生しやすいものであった。
【００６８】
これに対して、本発明の範囲内で作製した試料Ｎｏ．１〜６では、摩擦係数も非常に低くなりフランク摩耗幅と先端摩耗幅が共に大きく減少し、優れた耐摩耗性を発揮した。特に、イオン注入法にて作製した試料Ｎｏ．１および２の耐摩耗性および潤滑性が優れていた。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の概略斜視図である。
【図２】本発明の表面被覆切削工具の概略断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 表面被覆切削工具
２ 基体
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切刃
６ 硬質被覆層
７ 下層
８ 表面層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体表面に、
周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層と、
組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９の表面層と、
からなる硬質被覆層を被着形成する表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記表面層において、Ｂ（ホウ素）の含有濃度が最大となる最表面からの深さが０．２μｍ〜３．０μｍであるとともに、Ｂ（ホウ素）の最大含有率が全元素に対して１０〜６０原子％である請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記表面層が、ＴｉＢ２（ホウ化チタン）、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）またはアモルファスＢＮ（アモルファス窒化ホウ素）のうち２種以上と、ＴｉＮ（窒化チタン）およびＴｉＣＮ（炭窒化チタン）のうちの１種以上の混合物にて構成される請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記下層が（Ｔｉ１−ｄＭｄ）（ＣｅＮ１−ｅ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素、０．１≦ｄ≦０．９、０≦ｅ＜１）である請求項１乃至３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記下層の組成式におけるＭが、Ａｌからなるか、またはＡｌとＣｒからなる請求項４に記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記表面層の膜厚が０．２〜５．０μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記硬質被覆層の総膜厚が０．５〜８．０μｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜し、次に（Ｔｉ１−ｆＭｆ）（ＣｇＮ１−ｇ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ｆ＜１、０≦ｇ＜１）からなる仮表面層を成膜した後、該仮表面層の表面からホウ素イオンを注入して、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２〜3μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９からなる表面層を作製する表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項９】
前記イオン注入する工程において、前記基体の向きを動かしながらイオン注入を行うことを特徴とする請求項８記載の表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項１０】
基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜した後、多層硬質層を順次成膜して、組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２〜３μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９となる表面層を作製することを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項１】
基体表面に、
周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層と、
組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９の表面層と、
からなる硬質被覆層を被着形成する表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記表面層において、Ｂ（ホウ素）の含有濃度が最大となる最表面からの深さが０．２μｍ〜３．０μｍであるとともに、Ｂ（ホウ素）の最大含有率が全元素に対して１０〜６０原子％である請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記表面層が、ＴｉＢ２（ホウ化チタン）、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）またはアモルファスＢＮ（アモルファス窒化ホウ素）のうち２種以上と、ＴｉＮ（窒化チタン）およびＴｉＣＮ（炭窒化チタン）のうちの１種以上の混合物にて構成される請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記下層が（Ｔｉ１−ｄＭｄ）（ＣｅＮ１−ｅ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素、０．１≦ｄ≦０．９、０≦ｅ＜１）である請求項１乃至３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記下層の組成式におけるＭが、Ａｌからなるか、またはＡｌとＣｒからなる請求項４に記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記表面層の膜厚が０．２〜５．０μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記硬質被覆層の総膜厚が０．５〜８．０μｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜し、次に（Ｔｉ１−ｆＭｆ）（ＣｇＮ１−ｇ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ｆ＜１、０≦ｇ＜１）からなる仮表面層を成膜した後、該仮表面層の表面からホウ素イオンを注入して、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２〜3μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９からなる表面層を作製する表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項９】
前記イオン注入する工程において、前記基体の向きを動かしながらイオン注入を行うことを特徴とする請求項８記載の表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項１０】
基体表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる下層を成膜した後、多層硬質層を順次成膜して、組成が（Ｔｉ１−ａＭａ）Ｂｂ（ＣｃＮ１−ｃ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜３、０≦ｃ＜１）からなるとともに、最表面におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ１と前記最表面から０．２〜３μｍの深さ位置におけるＢ（ホウ素）の含有濃度ｍ２との比（ｍ１／ｍ２）が０．１〜０．９となる表面層を作製することを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−２０５２９７（Ｐ２００６−２０５２９７Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０２４８（Ｐ２００５−２０２４８）
【出願日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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