被覆小径工具及びその被覆方法
【課題】小径の回転工具の基体表面に適切な硬質皮膜を被覆することによって、小径工具の切削加工において最も重要となる折損寿命の向上と、硬質皮膜の酸化を抑制し耐摩耗性を改善させることである。更に、小径工具の、特に折損等生じやすい、首部からクランプするためのシャンク部との段差部の強度を向上させ、折損を防止する事である。
【解決手段】硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該小径工具の刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００、該硬質皮膜はスパッタリング法により被覆され、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、であることを特徴とする被覆小径工具であり、更に、段差付き円筒形状の場合には、該刃部・首部の少なくとも１部に該硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする被覆小径工具である。
【解決手段】硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該小径工具の刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００、該硬質皮膜はスパッタリング法により被覆され、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、であることを特徴とする被覆小径工具であり、更に、段差付き円筒形状の場合には、該刃部・首部の少なくとも１部に該硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする被覆小径工具である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料、プラスチック材料、各種セラミックス等の加工に使用される被覆小径工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
モノ作りの低コスト化に伴い、加工時間の短縮、被加工物の高硬度化、高精度加工等が要望されている。特に近年ではこれらの要求に加えて、被加工物の小型化による微細加工が特に重要視されており、切削工具の小径化が著しく進んでいる。これらの要求に伴い、切削工具にはより過酷な切削環境が強いられている。例えば、被加工物の高硬度化や高速加工による工具の摩耗増大、また工具摩耗による加工精度低下等があげられる。特に工具径１ｍｍ未満の小径工具においては、これらの現象が顕著であり、現状では安定した加工が行われているとは言い難い。これらの課題に対して、以下の特許文献１から５が開示されている。
特許文献１は、（ＴｉＡｌ）（ＣＮ）系の硬質皮膜を被覆した被覆工具が開示され、該硬質皮膜の残留圧縮応力を８ＧＰａ以下とすることが記載されている。
特許文献２は、プリント基板における多層積層板の穴あけ加工において、先端切刃の摩耗を抑制するために、工具の表面に物理蒸着法により（ＴｉＡｌ）Ｎ系多層膜を被覆する表面被覆超硬合金製ミニチュアドリルが開示されている。
特許文献３は、耐摩耗性や耐折損性を改善するために、基体である超硬合金表面に硬質炭素膜を被覆した、刃径が０．３０〜０．５０ｍｍであるプリント基板穿孔用ドリルが開示されている。
特許文献４は、プリント回路基板加工用工具に（ＴｉＳｉ）（ＣＮ）層を被覆することにより、耐欠損性及び耐久性を高めた表面被覆切削工具が開示されている。
特許文献５は、超硬合金と実質的に同じ組成を有する超微粒組織を有するスパッタ蒸着皮膜で構成された表面被覆層を１〜１０μｍの平均厚さで形成してなる、超微粒組織の表面被覆層がすぐれた密着性を有する表面被覆超硬合金製ミニチュアドリルとすることにより、表面被覆材の密着性を高いものとし、耐摩耗性の一段の向上をもたらす提案が開示されている。
しかし、上記の何れの特許文献にも、被覆小径工具における皮膜の残留圧縮応力と耐折損性との関係に言及したものは無い。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０５６０１号公報
【特許文献２】特開２００３−１３６３１６号公報
【特許文献３】特開平１０−１３８０２７号公報
【特許文献４】特開２００４−９０１５０号公報
【特許文献５】特開２００１−１６２４１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、小径の回転工具の基体表面に適切な硬質皮膜を被覆することによって以下の課題を解決することを目的とした。その第１の課題は、刃部直径Ｄμｍが、５≦Ｄ≦８００の場合と、従来の１ｍｍ以上の場合とではその形状に適した被覆技術が必要となるからである。小径工具用の硬質皮膜とし性能改善に寄与しする皮膜を提供することである。即ち、小径工具の切削加工において最も重要となる折損寿命の向上と、硬質皮膜の酸化を抑制し耐摩耗性を改善させることである。第２の課題は、小径工具の、特に折損等生じやすい、首部からクランプするためのシャンク部との段差部の強度を向上させ、折損を防止する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本出願の第１の発明は、硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該小径工具の刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００、該硬質皮膜はスパッタリング法により被覆され、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、であることを特徴とする被覆小径工具である。
第２の発明は、硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該被覆小径工具は、該刃部と、該刃部に連なりこれよりも外径が大きい首部と、該首部に連なりこれよりも外径が大きく工具をクランプするためのシャンク部とからなる段差付き円筒形状を有し、該刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００であり、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、該刃部・首部の少なくとも１部に該硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする被覆小径工具である。ここで、該刃部１は刃溝が形成された部位を指し、首部２は該刃部１とは直径が異なり、実質的に切削加工に関与はしない部位を指し、シャンク部３は工具をクランプする部位を指す。上記の構成を採用することにより、優れた耐折損性を有し、耐摩耗性にも優れる硬質皮膜被覆小径工具を提供することが可能となる。
【０００６】
該硬質皮膜は、金属元素のみの原子比率でＳｉ含有量が１０原子％未満の結晶粒子と、Ｓｉ含有量が１０原子％以上の非晶質相が存在するように構成することが好ましい。該硬質皮膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含有すること、硬質皮膜の最表面から膜厚方向に５００ｎｍ以内の領域には、Ｃ、Ｏ、Ｂ、Ｃｌ、Ｓ、Ｐ、Ｓの何れか１種以上の元素が皮膜全体の３原子％以上含有することも好ましい。該硬質皮膜は、少なくともＳｉを含有し、Ｘ線光電子分光分析により、少なくともＳｉ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ及び金属Ｓｉの結合エネルギーを有し、Ｓｉ−Ｎに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｎ）、Ｓｉ−Ｏに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｏ）及び金属Ｓｉに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ）とした時、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ）、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）を満足し、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）の比率が５２％以上、８５％以下であること、
本発明の被覆小径工具は回転工具であり、エンドミル、ドリル、リーマ、ルーターのいずれかに適用されることが好適であり、優れた切削性能を得ることができる。加えて、本発明の硬質皮膜はスパッタリング法とアーク放電式イオンプレーティング法とを組み合わせて被覆する方法を採用することが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の硬質皮膜被覆小径工具は、耐折損性が重要視される小径工具に最適な硬質皮膜を被覆し、またそれに適した工具形状等を検討することにより、優れた耐折損性を有しながら耐摩耗性に優れる被覆小径工具を提供することができた。これにより、切削加工における生産性向上並びにコスト低減に極めて有効な工具を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１の発明のＤ値μｍは、５≦Ｄ≦８００であり、硬質皮膜はスパッタリング法により被覆され、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、であることを特徴とする被覆小径工具である。Ｄ値は、スパッタリング法による被覆手段を採用した場合、硬質皮膜を被覆する前工程であるイオンクリーニング工程において、Ｄが５μｍ未満になると、基体がイオンボンバードにより消滅する可能性があるからである。一方、８００μｍを超えて大きいと、本発明の耐折損性の効果が顕著に認められなかったことによる。
残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、に限定する。Ｔ値が２≦Ｔ≦８の範囲として得られる硬質皮膜は、特に硬質皮膜表面の平滑性に優れ、高硬度を有するため耐摩耗性に優れる。更に、Ｔ値を限定した理由は、上記範囲を有する場合、工具そのものの強度が向上し、小径工具では特に重要となる切削過程における曲げやたわみに対する強度や抵抗を高め、耐折損性を著しく向上させることができるからである。更に好ましいＴ値の範囲は、２．５ＧＰａ以上、４．５ＧＰａである。工具に被覆した場合、残留圧縮応力の確認方法は、硬質皮膜組成、結晶構造、組織構造、皮膜硬度、刃先先端の硬質皮膜状態、微小部薄膜Ｘ線回折における（２００）の半価幅測定等から総合的に判断することができる。例えば、微小部薄膜Ｘ線回折による（２００）面の半価幅が２θで１度以上であり、且つ組成が断定できれば残留圧縮応力が推定される。しかし、最終的にその単１層を被覆し、被覆前後の薄板の曲率から算出することが好ましい。硬質皮膜の残留圧縮応力は、硬質皮膜内の少なくとも１層の残留圧縮応力である。上記により第１の課題である、小径工具用の硬質皮膜とし性能改善に寄与しする皮膜を提供することができる。
【０００９】
本発明の第２の発明は、段差付き円筒形状を有し、その段差部の少なくとも１部に該硬質皮膜が被覆するように構成することである。図１に本発明に係る被覆小径工具の１例である概略図を示す。１が刃部であり、３が工具をクランプするシャンク部であり、２が実質的に切削加工に関与しない直径が異なる少なくとも１つ以上の首部を有する該首部であり、本発明の好ましい硬質皮膜の被覆部位としては、首部２の領域の少なくとも１部に該硬質皮膜を被覆することを意味する。実質的に切削加工に関与しない直径が異なる少なくとも１つ以上の首部２を複数設けることにより、刃部の耐折損性が向上する。首部２の領域も刃部１と同様に、残留圧縮応力を有した該硬質皮膜を被覆することにより、強度が向上し、耐折損性を大幅に向上させることができ好ましい。更に、図１中には示していないが、直径が異なる少なくとも１つ以上の首部の繋ぎ部に、微小な曲率を形成させると、更に耐折損性を改善することができ好ましい。
【００１０】
刃部直径Ｄμｍが５≦Ｄ≦８００となる小径工具形状には、被覆技術としてスパッタリング法を採用して、硬質皮膜表面における凹凸の発生を低減させることが必要である。これにより、摩擦抵抗を低減し工具精度の長期維持を計ることができる。例えばＴｉＮ、（ＴｉＡｌ）Ｎ及び（ＴｉＳｉ）Ｎ系硬質皮膜の成膜においては、スパッタリング法を採用することにより、硬質皮膜構成元素を蒸発イオン化させ、工具基体表面に被覆することができる。しかも、成膜中のプラズマ密度の適正化によって小径工具の刃部近傍での硬質皮膜表面の凹凸を低減させ、摩擦抵抗の低減や工具精度の向上に寄与し、性能改善に有効である。スパッタリング法では、蒸着源の構造、成膜中の電力、ガス圧力等の選択によりプラズマ密度の適正化し、イオン化されない皮膜元素が金属粒子として基体表面に付着するのを回避するのに有利である。
【００１１】
本発明の該硬質皮膜は少なくともＳｉを含有し、Ｘ線光電子分光分析により、少なくともＳｉ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ及び金属Ｓｉの結合エネルギーが確認され、そのＳｉ２ｐスペクトルのうち、Ｓｉ−Ｎに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｎ）、Ｓｉ−Ｏに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｏ）及び金属Ｓｉに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ）とした時、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ）、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）を満足し、更にＩ（Ｓｉ−Ｎ）の比率が５２％以上、８５％以下に制御することが好ましい。これは該硬質皮膜内にＳｉが含有し、更に上記関係を満足させることによって、極めて平滑で高硬度な硬質皮膜が得られ、耐摩耗性と耐折損性のバランスが最適であるからである。更に、該硬質皮膜をスパッタリング法により被覆すると、アーク放電式イオンプレーティング法（以下、ＡＩＰ法と言う。）に比べ、硬質皮膜の結晶粒子が更に微細化され、表面平滑性が改善する。また、これらにより硬質皮膜の強度が向上し、耐折損性と皮膜硬度との向上による耐摩耗性の改善に有効に作用する。上記により折損寿命の向上に寄与しする皮膜を提供することができる。
【００１２】
本発明におけるＸ線光電子分光分析による、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）、Ｉ（Ｓｉ）、Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）の算出方法並びに被覆条件との関係について述べる。被覆基体は鏡面加工したＣｏ含有量１３．５重量％の微粒超硬合金を用いた。Ｘ線光電子分光分析は、ＰＨＩ社製１６００Ｓ型Ｘ線光電子分光分析装置を用い、Ｘ線源はＭｇＫαを用い４００Ｗとし、分析領域を直径０．４ｍｍの円内部を分析した。分析前に、十分にアセトンにより脱脂洗浄を行い、更に分析部の硬質皮膜表面に付着した汚染物質等を除去するために５分間Ａｒイオンガンを用いてエッチングした後、全体のスペクトルを測定し、更に３０秒間エッチングした後、Ｓｉ２ｐに相当するスペクトルを測定した。ＡｒイオンガンによるエッチングレートはＳｉＯ２換算で１．９ｎｍ／分であった。全体に占めるＩ（Ｓｉ−Ｎ）の強度比は被覆条件並びに硬質皮膜組成によって決定される。被覆条件に関して検討した結果、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）の比率が５２％以上、８５％以下になる好ましい被覆条件としては、反応圧が０．２〜２．０Ｐａ、バイアス電圧は−５０〜−５００Ｖ、被覆温度が３５０〜５００度であった。
【００１３】
本発明における好ましい被覆小径工具を得るために、該硬質皮膜内に、金属元素のみの原子比率でＳｉ含有量が１０原子％未満の結晶粒子とＳｉ含有量が１０原子％以上の非晶質相を存在させることが好ましい。その理由としては、上記組織構造を有する硬質皮膜内の結晶粒径がナノオーダーまで微細化され、極めて平滑な硬質皮膜表面を形成するからである。またＳｉ含有量が異なる結晶粒子または非晶質相を分散させることによって、容易に残留圧縮応力を向上させることができ、その制御に有効である。ここで、上記組織構造の確認は、透過型電子顕微鏡により、試料厚さが粒子サイズ程度の領域で観察を行い、夫々の領域に対応した数ナノメートルオーダーをエネルギー分散型分析による定量分析、電子線回折像撮影により結晶構造を確認した。電子線回折像の撮影にはカメラ長を５０ｃｍ、ビーム径を２〜５ｎｍにて分析を行った。
本発明の硬質皮膜は、Ｓｉに加えて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂの少なくとも１種以上を含有し、スパッタリング法により被覆される場合、該硬質皮膜の残留圧縮応力の制御並びに硬質皮膜表面の平滑性に有効であり好ましい。
本発明の硬質皮膜の最表面から５００ｎｍ以内のＣ、Ｏ、Ｂ、Ｃｌ、Ｓ、Ｐ、Ｓの何れか１種以上が硬質皮膜全体の３原子％以上含有する場合、耐摩耗性に優れ、切削抵抗が減少し、耐折損性を向上させることができる。この場合の各種元素の添加方法は、反応ガスとしての添加、スパッタリングターゲットである固体蒸発材料から添加する手法、もしくは硬質皮膜の被覆終了後、イオン注入装置により硬質皮膜表面に添加することも可能である。
本発明の該被覆小径工具としては、回転工具のなかでも、特にエンドミル、ドリル、リーマ、ルーターのいずれかで使用した場合、切削性能改善が顕著であり好適である。
本発明の硬質皮膜の被覆方法には、物理蒸着法のスパッタリング法による被覆手段を採用することが重要であるが、基体との密着強度が十分ではない場合、ＡＩＰ法と併用することにより、スパッタリング法による硬質皮膜の密着強度を補強することができる。この場合は、基体表面からの膜厚を２００ｎｍ以内、より好ましくは１００ｎｍ以内に制限することが必要である。ＡＩＰ法による硬質皮膜の膜厚が増加するに従い、本発明の効果が低減する傾向にあるためである。また異特性の元素を添加する手段として、スパッタリング法とＡＩＰ法を同時に用いることも可能であり、本発明皮膜を被覆することができる。この場合ＡＩＰ法による被覆時間が増加するに従い、耐折損性が低下する傾向にあるので注意を要する。ＡＩＰ法とスパッタリング法を併用する場合、同時に行う方法と逐次的に行う被覆方法が可能である。上記の様に、小径工具に適した硬質皮膜被覆技術を提供することができる。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１４】
基体材料としてＣｏ含有量が７重量パーセント、ＷＣ平均粒径が０．２μｍ〜０．６μｍ、丸棒形状の超硬合金を使用し、図１に示す形状に刃部１、首部２、シャンク部３を加工した。シャンク部の直径は４ｍｍとした。図２は、刃部１のＡ−Ａ断面形状を示し、逃げ面４とすくい面５との交わる切れ刃稜線からなり、刃部直径は４０μｍ、ねじれ角３０度からなる２枚刃スクエアエンドミルに加工した。刃部から首部への繋ぎ部、首部における径違いの段差となる夫々の繋ぎ部、更に首部からシャンク部への繋ぎ部は、応力集中による折損を抑制するために、微小なアール形状を形成した。
次に、上記で作製した２枚刃スクエアエンドミルの基体を脱脂洗浄して、スパッタリング法による真空容器内に配置した。被覆基体は温度５００度となるように加熱・排気を行い、Ａｒガスを真空容器内に導入した。真空容器内のプラズマによりＡｒイオンを形成し、基体に印加した負バイアス電圧により、被覆基体のクリーニング処理を行った。この時のクリーニング源として、金属イオンを用いることも可能である。Ａｒと反応ガスである窒素とを真空容器内に導入しながら、ターゲット材をイオン化し、負に印加したバイアス電圧により、基体表面に硬質皮膜を１μｍ被覆した。特に指定がない限り上記に示す製法で被覆小径工具を作成し、各種硬質皮膜を被覆した。硬質皮膜の被覆領域等も含めて被覆条件を表１に記載する。
【００１５】
【表１】
【００１６】
【表２】
【００１７】
表１に示す様に各種作製した本発明例、比較例、従来例により、切削試験を実施した。折損寿命の評価は同一試料を３本切削加工し、切削長さの平均値として表１の折損寿命に併記した。また、折損寿命に関しては小数点以下を切り捨てて記載した。切削条件を以下に示す。
（切削条件）
工具：２枚刃エンドミル
切削方法：側面仕上げ切削加工
被削材：マルテンサイト系ステンレス鋼、硬さ：ＨＲＣ５３
切り込み：軸方向：４μｍ、径方向：１μｍ
切削速度：５ｍ／ｍｉｎ
送り：１μｍ／刃
切削油：なし
【００１８】
表１内の表現方法において、被覆手段の欄のＳＰはスパッタリング法、ＡＩＰはアーク放電式イオンプレーティング法を示す。ＡＩＰ→ＳＰは、ＡＩＰによる硬質皮膜を２００ｎｍ以下で被覆し、その後ＳＰによって硬質皮膜を被覆したことを示す。ここで、ＡＩＰによる硬質皮膜を２００ｎｍ以下とした理由は、２００ｎｍを超えて厚く被覆した場合には、硬質皮膜内もしくは表面に金属粒子が付着し、摩擦抵抗が大きくなり、折損寿命を低下させたためである。ＡＩＰ＋ＳＰは、硬質皮膜の１部をＡＩＰとＳＰを同時に稼動させ被覆したことを示す。
Ｘ線光電子分光分析により算出したＳｉ含有皮膜のＩ（Ｓｉ−Ｎ）の強度比も併記した。Ｓｉ含有皮膜の組織構造は、Ｓｉ含有量が結晶質層で１０原子％未満、非晶質相で１０原子％以上含有した層を含む場合、ナノ組織と記載した。図３に本測定により得られた本発明例１のＳｉ２ｐに相当するスペクトル測定結果を示す。図３のピーク分離については、Ｓｉ−Ｎ成分のピーク位置を１０１．２±０．２ｅＶ、Ｓｉ−Ｏ成分のピーク位置を１０３．３±０．２ｅＶ、Ｓｉの金属成分のピーク位置を９９．３±０．２ｅＶとして、ピークフィッティング法によって行った。図３から夫々の面積強度は、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＝１０９８、Ｉ（Ｓｉ）＝１８４、Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）＝２６５であり、全体に占めるＩ（Ｓｉ−Ｎ）の強度比率は７１％となった。
【００１９】
表１に示す本発明例１から２３は、比較例２４から２７、従来例２８から３２と比較して安定した折損寿命が得られた。以下本発明例の詳細について述べる。本発明例１から５は、本発明皮膜を被覆し、刃部直径Ｄが異なる場合を示す。Ｄ値が小さい程折損寿命が低下する傾向を示したが、それでも本発明例はＤ値が小さくても、折損寿命が長く優れた切削性能を示した。同じＤ値で比較すると、本発明例は比較例、従来例に比べて折損寿命が格段に優れていた。比較例２５はＤ値が１０００μｍの場合であるが、従来例３０に比べ、大幅に折損寿命が向上しているとはいえなかった。Ｄ値が８００μｍの本発明例５と比較すると、本発明は小径側で折損寿命の改善効果が大きかった。本発明例６は、硬質皮膜の被覆部位が刃部１に加えて、首部２の全体に被覆した場合を示す。本発明例２に比べ格段に折損寿命に優れた。この理由は、首部に圧縮応力を付与することにより工具強度が向上し、耐折損性を向上させたためである。本発明例７、８は、本発明で好ましいとされるＳｉ含有皮膜のＩ（Ｓｉ−Ｎ）の比率である、５２％以上、８５％以下の範囲を外ずれるものを示す。折損寿命が他の本発明例と比べて劣る結果となったことから、５２％以上、８５％以下が最適であることを示す。本発明例９は、Ｓｉ含有皮膜の組織構造において非晶質相が認められない場合を示す。この場合も折損寿命が他の本発明例と比べて劣る結果となったことから、１０原子％以下のＳｉ含有量の結晶粒子と、１０原子％以上のＳｉ含有非晶質相が存在することが好ましいことを示す。本発明例１２、１３、１４は、Ｓｉ含有皮膜の組織構造において、非晶質相は認められたものの、非晶質相のＳｉ含有量が１０原子％に満たない場合であるが、折損寿命に優れていた。本発明例１５は、各層の厚みが数ナノメートルからなり総層数が約３０００層の場合を示す。本発明例１と比較すると、折損寿命が長く、好ましい被覆形態である。本発明例１６、１７、１８、１９は、３種類の硬質皮膜を積層させた場合を示し、折損寿命に優れていた。本発明例１８の最外層は、二硫化モリブデンと（ＴｉＳｉ）Ｎを同時に被覆した場合である。本発明例１９は、硬質皮膜を被覆後、イオン注入装置に設置し、Ｃｌを注入させた場合である。本発明例２０は、（ＴｉＳｉ）Ｎ層の残留圧縮応力が６．２ＧＰａの場合を示す。本発明例２に比較して、折損寿命が若干悪くなった。これより、好ましい残留圧縮応力値は６ＧＰａ以下である。一方、比較例２７、２８は、残留圧縮応力が本発明の規定範囲外の場合を示す。残留圧縮応力が２ＧＰａよりも低い場合、耐折損性改善効果は認められず、残留圧縮応力が８ＧＰａよりも高い場合、残留圧縮応力により硬質皮膜の剥離が認められ、耐折損性を改善するには至らなかった。本発明例２１は、ＳｉとＨｆを含有する層の場合を示すが、ＳｉとＴｉを含有する本発明例１に比べ、折損寿命が劣っている。本発明２２は、ＡＩＰにより５０ｎｍの（ＴｉＡｌ）Ｎを被覆した後、ＳＰにより（ＴｉＳｉ）Ｎを被覆した場合であるが、ＡＩＰによる欠陥の影響がほとんど確認されず折損寿命に優れていた。本発明例２３は、硬質皮膜の１部をＡＩＰとＳＰによる被覆を同時に行った場合を示す。この時のＡＩＰによる硬質皮膜の厚さは、１０ｎｍから１００ｎｍとした。ＡＩＰによる欠陥の影響がほとんど確認されず折損寿命に優れている。本発明例２４は、刃部の１部が立方晶窒化硼素からなる場合を示す。耐折損性が改善されているため、立方晶窒化硼素本来の耐摩耗効果を発揮することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に係る被覆小径工具の１例である概略図を示す。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ断面図を示す。
【図３】図３は、本発明例１のＸ線光電子分光分析によるスペクトルのピーク分離を示す。
【符号の説明】
【００２１】
１：刃部
２：首部
３：シャンク部
４：逃げ面
５：すくい面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料、プラスチック材料、各種セラミックス等の加工に使用される被覆小径工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
モノ作りの低コスト化に伴い、加工時間の短縮、被加工物の高硬度化、高精度加工等が要望されている。特に近年ではこれらの要求に加えて、被加工物の小型化による微細加工が特に重要視されており、切削工具の小径化が著しく進んでいる。これらの要求に伴い、切削工具にはより過酷な切削環境が強いられている。例えば、被加工物の高硬度化や高速加工による工具の摩耗増大、また工具摩耗による加工精度低下等があげられる。特に工具径１ｍｍ未満の小径工具においては、これらの現象が顕著であり、現状では安定した加工が行われているとは言い難い。これらの課題に対して、以下の特許文献１から５が開示されている。
特許文献１は、（ＴｉＡｌ）（ＣＮ）系の硬質皮膜を被覆した被覆工具が開示され、該硬質皮膜の残留圧縮応力を８ＧＰａ以下とすることが記載されている。
特許文献２は、プリント基板における多層積層板の穴あけ加工において、先端切刃の摩耗を抑制するために、工具の表面に物理蒸着法により（ＴｉＡｌ）Ｎ系多層膜を被覆する表面被覆超硬合金製ミニチュアドリルが開示されている。
特許文献３は、耐摩耗性や耐折損性を改善するために、基体である超硬合金表面に硬質炭素膜を被覆した、刃径が０．３０〜０．５０ｍｍであるプリント基板穿孔用ドリルが開示されている。
特許文献４は、プリント回路基板加工用工具に（ＴｉＳｉ）（ＣＮ）層を被覆することにより、耐欠損性及び耐久性を高めた表面被覆切削工具が開示されている。
特許文献５は、超硬合金と実質的に同じ組成を有する超微粒組織を有するスパッタ蒸着皮膜で構成された表面被覆層を１〜１０μｍの平均厚さで形成してなる、超微粒組織の表面被覆層がすぐれた密着性を有する表面被覆超硬合金製ミニチュアドリルとすることにより、表面被覆材の密着性を高いものとし、耐摩耗性の一段の向上をもたらす提案が開示されている。
しかし、上記の何れの特許文献にも、被覆小径工具における皮膜の残留圧縮応力と耐折損性との関係に言及したものは無い。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０５６０１号公報
【特許文献２】特開２００３−１３６３１６号公報
【特許文献３】特開平１０−１３８０２７号公報
【特許文献４】特開２００４−９０１５０号公報
【特許文献５】特開２００１−１６２４１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、小径の回転工具の基体表面に適切な硬質皮膜を被覆することによって以下の課題を解決することを目的とした。その第１の課題は、刃部直径Ｄμｍが、５≦Ｄ≦８００の場合と、従来の１ｍｍ以上の場合とではその形状に適した被覆技術が必要となるからである。小径工具用の硬質皮膜とし性能改善に寄与しする皮膜を提供することである。即ち、小径工具の切削加工において最も重要となる折損寿命の向上と、硬質皮膜の酸化を抑制し耐摩耗性を改善させることである。第２の課題は、小径工具の、特に折損等生じやすい、首部からクランプするためのシャンク部との段差部の強度を向上させ、折損を防止する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本出願の第１の発明は、硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該小径工具の刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００、該硬質皮膜はスパッタリング法により被覆され、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、であることを特徴とする被覆小径工具である。
第２の発明は、硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該被覆小径工具は、該刃部と、該刃部に連なりこれよりも外径が大きい首部と、該首部に連なりこれよりも外径が大きく工具をクランプするためのシャンク部とからなる段差付き円筒形状を有し、該刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００であり、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、該刃部・首部の少なくとも１部に該硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする被覆小径工具である。ここで、該刃部１は刃溝が形成された部位を指し、首部２は該刃部１とは直径が異なり、実質的に切削加工に関与はしない部位を指し、シャンク部３は工具をクランプする部位を指す。上記の構成を採用することにより、優れた耐折損性を有し、耐摩耗性にも優れる硬質皮膜被覆小径工具を提供することが可能となる。
【０００６】
該硬質皮膜は、金属元素のみの原子比率でＳｉ含有量が１０原子％未満の結晶粒子と、Ｓｉ含有量が１０原子％以上の非晶質相が存在するように構成することが好ましい。該硬質皮膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含有すること、硬質皮膜の最表面から膜厚方向に５００ｎｍ以内の領域には、Ｃ、Ｏ、Ｂ、Ｃｌ、Ｓ、Ｐ、Ｓの何れか１種以上の元素が皮膜全体の３原子％以上含有することも好ましい。該硬質皮膜は、少なくともＳｉを含有し、Ｘ線光電子分光分析により、少なくともＳｉ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ及び金属Ｓｉの結合エネルギーを有し、Ｓｉ−Ｎに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｎ）、Ｓｉ−Ｏに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｏ）及び金属Ｓｉに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ）とした時、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ）、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）を満足し、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）の比率が５２％以上、８５％以下であること、
本発明の被覆小径工具は回転工具であり、エンドミル、ドリル、リーマ、ルーターのいずれかに適用されることが好適であり、優れた切削性能を得ることができる。加えて、本発明の硬質皮膜はスパッタリング法とアーク放電式イオンプレーティング法とを組み合わせて被覆する方法を採用することが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の硬質皮膜被覆小径工具は、耐折損性が重要視される小径工具に最適な硬質皮膜を被覆し、またそれに適した工具形状等を検討することにより、優れた耐折損性を有しながら耐摩耗性に優れる被覆小径工具を提供することができた。これにより、切削加工における生産性向上並びにコスト低減に極めて有効な工具を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１の発明のＤ値μｍは、５≦Ｄ≦８００であり、硬質皮膜はスパッタリング法により被覆され、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、であることを特徴とする被覆小径工具である。Ｄ値は、スパッタリング法による被覆手段を採用した場合、硬質皮膜を被覆する前工程であるイオンクリーニング工程において、Ｄが５μｍ未満になると、基体がイオンボンバードにより消滅する可能性があるからである。一方、８００μｍを超えて大きいと、本発明の耐折損性の効果が顕著に認められなかったことによる。
残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、に限定する。Ｔ値が２≦Ｔ≦８の範囲として得られる硬質皮膜は、特に硬質皮膜表面の平滑性に優れ、高硬度を有するため耐摩耗性に優れる。更に、Ｔ値を限定した理由は、上記範囲を有する場合、工具そのものの強度が向上し、小径工具では特に重要となる切削過程における曲げやたわみに対する強度や抵抗を高め、耐折損性を著しく向上させることができるからである。更に好ましいＴ値の範囲は、２．５ＧＰａ以上、４．５ＧＰａである。工具に被覆した場合、残留圧縮応力の確認方法は、硬質皮膜組成、結晶構造、組織構造、皮膜硬度、刃先先端の硬質皮膜状態、微小部薄膜Ｘ線回折における（２００）の半価幅測定等から総合的に判断することができる。例えば、微小部薄膜Ｘ線回折による（２００）面の半価幅が２θで１度以上であり、且つ組成が断定できれば残留圧縮応力が推定される。しかし、最終的にその単１層を被覆し、被覆前後の薄板の曲率から算出することが好ましい。硬質皮膜の残留圧縮応力は、硬質皮膜内の少なくとも１層の残留圧縮応力である。上記により第１の課題である、小径工具用の硬質皮膜とし性能改善に寄与しする皮膜を提供することができる。
【０００９】
本発明の第２の発明は、段差付き円筒形状を有し、その段差部の少なくとも１部に該硬質皮膜が被覆するように構成することである。図１に本発明に係る被覆小径工具の１例である概略図を示す。１が刃部であり、３が工具をクランプするシャンク部であり、２が実質的に切削加工に関与しない直径が異なる少なくとも１つ以上の首部を有する該首部であり、本発明の好ましい硬質皮膜の被覆部位としては、首部２の領域の少なくとも１部に該硬質皮膜を被覆することを意味する。実質的に切削加工に関与しない直径が異なる少なくとも１つ以上の首部２を複数設けることにより、刃部の耐折損性が向上する。首部２の領域も刃部１と同様に、残留圧縮応力を有した該硬質皮膜を被覆することにより、強度が向上し、耐折損性を大幅に向上させることができ好ましい。更に、図１中には示していないが、直径が異なる少なくとも１つ以上の首部の繋ぎ部に、微小な曲率を形成させると、更に耐折損性を改善することができ好ましい。
【００１０】
刃部直径Ｄμｍが５≦Ｄ≦８００となる小径工具形状には、被覆技術としてスパッタリング法を採用して、硬質皮膜表面における凹凸の発生を低減させることが必要である。これにより、摩擦抵抗を低減し工具精度の長期維持を計ることができる。例えばＴｉＮ、（ＴｉＡｌ）Ｎ及び（ＴｉＳｉ）Ｎ系硬質皮膜の成膜においては、スパッタリング法を採用することにより、硬質皮膜構成元素を蒸発イオン化させ、工具基体表面に被覆することができる。しかも、成膜中のプラズマ密度の適正化によって小径工具の刃部近傍での硬質皮膜表面の凹凸を低減させ、摩擦抵抗の低減や工具精度の向上に寄与し、性能改善に有効である。スパッタリング法では、蒸着源の構造、成膜中の電力、ガス圧力等の選択によりプラズマ密度の適正化し、イオン化されない皮膜元素が金属粒子として基体表面に付着するのを回避するのに有利である。
【００１１】
本発明の該硬質皮膜は少なくともＳｉを含有し、Ｘ線光電子分光分析により、少なくともＳｉ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ及び金属Ｓｉの結合エネルギーが確認され、そのＳｉ２ｐスペクトルのうち、Ｓｉ−Ｎに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｎ）、Ｓｉ−Ｏに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｏ）及び金属Ｓｉに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ）とした時、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ）、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）を満足し、更にＩ（Ｓｉ−Ｎ）の比率が５２％以上、８５％以下に制御することが好ましい。これは該硬質皮膜内にＳｉが含有し、更に上記関係を満足させることによって、極めて平滑で高硬度な硬質皮膜が得られ、耐摩耗性と耐折損性のバランスが最適であるからである。更に、該硬質皮膜をスパッタリング法により被覆すると、アーク放電式イオンプレーティング法（以下、ＡＩＰ法と言う。）に比べ、硬質皮膜の結晶粒子が更に微細化され、表面平滑性が改善する。また、これらにより硬質皮膜の強度が向上し、耐折損性と皮膜硬度との向上による耐摩耗性の改善に有効に作用する。上記により折損寿命の向上に寄与しする皮膜を提供することができる。
【００１２】
本発明におけるＸ線光電子分光分析による、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）、Ｉ（Ｓｉ）、Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）の算出方法並びに被覆条件との関係について述べる。被覆基体は鏡面加工したＣｏ含有量１３．５重量％の微粒超硬合金を用いた。Ｘ線光電子分光分析は、ＰＨＩ社製１６００Ｓ型Ｘ線光電子分光分析装置を用い、Ｘ線源はＭｇＫαを用い４００Ｗとし、分析領域を直径０．４ｍｍの円内部を分析した。分析前に、十分にアセトンにより脱脂洗浄を行い、更に分析部の硬質皮膜表面に付着した汚染物質等を除去するために５分間Ａｒイオンガンを用いてエッチングした後、全体のスペクトルを測定し、更に３０秒間エッチングした後、Ｓｉ２ｐに相当するスペクトルを測定した。ＡｒイオンガンによるエッチングレートはＳｉＯ２換算で１．９ｎｍ／分であった。全体に占めるＩ（Ｓｉ−Ｎ）の強度比は被覆条件並びに硬質皮膜組成によって決定される。被覆条件に関して検討した結果、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）の比率が５２％以上、８５％以下になる好ましい被覆条件としては、反応圧が０．２〜２．０Ｐａ、バイアス電圧は−５０〜−５００Ｖ、被覆温度が３５０〜５００度であった。
【００１３】
本発明における好ましい被覆小径工具を得るために、該硬質皮膜内に、金属元素のみの原子比率でＳｉ含有量が１０原子％未満の結晶粒子とＳｉ含有量が１０原子％以上の非晶質相を存在させることが好ましい。その理由としては、上記組織構造を有する硬質皮膜内の結晶粒径がナノオーダーまで微細化され、極めて平滑な硬質皮膜表面を形成するからである。またＳｉ含有量が異なる結晶粒子または非晶質相を分散させることによって、容易に残留圧縮応力を向上させることができ、その制御に有効である。ここで、上記組織構造の確認は、透過型電子顕微鏡により、試料厚さが粒子サイズ程度の領域で観察を行い、夫々の領域に対応した数ナノメートルオーダーをエネルギー分散型分析による定量分析、電子線回折像撮影により結晶構造を確認した。電子線回折像の撮影にはカメラ長を５０ｃｍ、ビーム径を２〜５ｎｍにて分析を行った。
本発明の硬質皮膜は、Ｓｉに加えて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂの少なくとも１種以上を含有し、スパッタリング法により被覆される場合、該硬質皮膜の残留圧縮応力の制御並びに硬質皮膜表面の平滑性に有効であり好ましい。
本発明の硬質皮膜の最表面から５００ｎｍ以内のＣ、Ｏ、Ｂ、Ｃｌ、Ｓ、Ｐ、Ｓの何れか１種以上が硬質皮膜全体の３原子％以上含有する場合、耐摩耗性に優れ、切削抵抗が減少し、耐折損性を向上させることができる。この場合の各種元素の添加方法は、反応ガスとしての添加、スパッタリングターゲットである固体蒸発材料から添加する手法、もしくは硬質皮膜の被覆終了後、イオン注入装置により硬質皮膜表面に添加することも可能である。
本発明の該被覆小径工具としては、回転工具のなかでも、特にエンドミル、ドリル、リーマ、ルーターのいずれかで使用した場合、切削性能改善が顕著であり好適である。
本発明の硬質皮膜の被覆方法には、物理蒸着法のスパッタリング法による被覆手段を採用することが重要であるが、基体との密着強度が十分ではない場合、ＡＩＰ法と併用することにより、スパッタリング法による硬質皮膜の密着強度を補強することができる。この場合は、基体表面からの膜厚を２００ｎｍ以内、より好ましくは１００ｎｍ以内に制限することが必要である。ＡＩＰ法による硬質皮膜の膜厚が増加するに従い、本発明の効果が低減する傾向にあるためである。また異特性の元素を添加する手段として、スパッタリング法とＡＩＰ法を同時に用いることも可能であり、本発明皮膜を被覆することができる。この場合ＡＩＰ法による被覆時間が増加するに従い、耐折損性が低下する傾向にあるので注意を要する。ＡＩＰ法とスパッタリング法を併用する場合、同時に行う方法と逐次的に行う被覆方法が可能である。上記の様に、小径工具に適した硬質皮膜被覆技術を提供することができる。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１４】
基体材料としてＣｏ含有量が７重量パーセント、ＷＣ平均粒径が０．２μｍ〜０．６μｍ、丸棒形状の超硬合金を使用し、図１に示す形状に刃部１、首部２、シャンク部３を加工した。シャンク部の直径は４ｍｍとした。図２は、刃部１のＡ−Ａ断面形状を示し、逃げ面４とすくい面５との交わる切れ刃稜線からなり、刃部直径は４０μｍ、ねじれ角３０度からなる２枚刃スクエアエンドミルに加工した。刃部から首部への繋ぎ部、首部における径違いの段差となる夫々の繋ぎ部、更に首部からシャンク部への繋ぎ部は、応力集中による折損を抑制するために、微小なアール形状を形成した。
次に、上記で作製した２枚刃スクエアエンドミルの基体を脱脂洗浄して、スパッタリング法による真空容器内に配置した。被覆基体は温度５００度となるように加熱・排気を行い、Ａｒガスを真空容器内に導入した。真空容器内のプラズマによりＡｒイオンを形成し、基体に印加した負バイアス電圧により、被覆基体のクリーニング処理を行った。この時のクリーニング源として、金属イオンを用いることも可能である。Ａｒと反応ガスである窒素とを真空容器内に導入しながら、ターゲット材をイオン化し、負に印加したバイアス電圧により、基体表面に硬質皮膜を１μｍ被覆した。特に指定がない限り上記に示す製法で被覆小径工具を作成し、各種硬質皮膜を被覆した。硬質皮膜の被覆領域等も含めて被覆条件を表１に記載する。
【００１５】
【表１】
【００１６】
【表２】
【００１７】
表１に示す様に各種作製した本発明例、比較例、従来例により、切削試験を実施した。折損寿命の評価は同一試料を３本切削加工し、切削長さの平均値として表１の折損寿命に併記した。また、折損寿命に関しては小数点以下を切り捨てて記載した。切削条件を以下に示す。
（切削条件）
工具：２枚刃エンドミル
切削方法：側面仕上げ切削加工
被削材：マルテンサイト系ステンレス鋼、硬さ：ＨＲＣ５３
切り込み：軸方向：４μｍ、径方向：１μｍ
切削速度：５ｍ／ｍｉｎ
送り：１μｍ／刃
切削油：なし
【００１８】
表１内の表現方法において、被覆手段の欄のＳＰはスパッタリング法、ＡＩＰはアーク放電式イオンプレーティング法を示す。ＡＩＰ→ＳＰは、ＡＩＰによる硬質皮膜を２００ｎｍ以下で被覆し、その後ＳＰによって硬質皮膜を被覆したことを示す。ここで、ＡＩＰによる硬質皮膜を２００ｎｍ以下とした理由は、２００ｎｍを超えて厚く被覆した場合には、硬質皮膜内もしくは表面に金属粒子が付着し、摩擦抵抗が大きくなり、折損寿命を低下させたためである。ＡＩＰ＋ＳＰは、硬質皮膜の１部をＡＩＰとＳＰを同時に稼動させ被覆したことを示す。
Ｘ線光電子分光分析により算出したＳｉ含有皮膜のＩ（Ｓｉ−Ｎ）の強度比も併記した。Ｓｉ含有皮膜の組織構造は、Ｓｉ含有量が結晶質層で１０原子％未満、非晶質相で１０原子％以上含有した層を含む場合、ナノ組織と記載した。図３に本測定により得られた本発明例１のＳｉ２ｐに相当するスペクトル測定結果を示す。図３のピーク分離については、Ｓｉ−Ｎ成分のピーク位置を１０１．２±０．２ｅＶ、Ｓｉ−Ｏ成分のピーク位置を１０３．３±０．２ｅＶ、Ｓｉの金属成分のピーク位置を９９．３±０．２ｅＶとして、ピークフィッティング法によって行った。図３から夫々の面積強度は、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＝１０９８、Ｉ（Ｓｉ）＝１８４、Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）＝２６５であり、全体に占めるＩ（Ｓｉ−Ｎ）の強度比率は７１％となった。
【００１９】
表１に示す本発明例１から２３は、比較例２４から２７、従来例２８から３２と比較して安定した折損寿命が得られた。以下本発明例の詳細について述べる。本発明例１から５は、本発明皮膜を被覆し、刃部直径Ｄが異なる場合を示す。Ｄ値が小さい程折損寿命が低下する傾向を示したが、それでも本発明例はＤ値が小さくても、折損寿命が長く優れた切削性能を示した。同じＤ値で比較すると、本発明例は比較例、従来例に比べて折損寿命が格段に優れていた。比較例２５はＤ値が１０００μｍの場合であるが、従来例３０に比べ、大幅に折損寿命が向上しているとはいえなかった。Ｄ値が８００μｍの本発明例５と比較すると、本発明は小径側で折損寿命の改善効果が大きかった。本発明例６は、硬質皮膜の被覆部位が刃部１に加えて、首部２の全体に被覆した場合を示す。本発明例２に比べ格段に折損寿命に優れた。この理由は、首部に圧縮応力を付与することにより工具強度が向上し、耐折損性を向上させたためである。本発明例７、８は、本発明で好ましいとされるＳｉ含有皮膜のＩ（Ｓｉ−Ｎ）の比率である、５２％以上、８５％以下の範囲を外ずれるものを示す。折損寿命が他の本発明例と比べて劣る結果となったことから、５２％以上、８５％以下が最適であることを示す。本発明例９は、Ｓｉ含有皮膜の組織構造において非晶質相が認められない場合を示す。この場合も折損寿命が他の本発明例と比べて劣る結果となったことから、１０原子％以下のＳｉ含有量の結晶粒子と、１０原子％以上のＳｉ含有非晶質相が存在することが好ましいことを示す。本発明例１２、１３、１４は、Ｓｉ含有皮膜の組織構造において、非晶質相は認められたものの、非晶質相のＳｉ含有量が１０原子％に満たない場合であるが、折損寿命に優れていた。本発明例１５は、各層の厚みが数ナノメートルからなり総層数が約３０００層の場合を示す。本発明例１と比較すると、折損寿命が長く、好ましい被覆形態である。本発明例１６、１７、１８、１９は、３種類の硬質皮膜を積層させた場合を示し、折損寿命に優れていた。本発明例１８の最外層は、二硫化モリブデンと（ＴｉＳｉ）Ｎを同時に被覆した場合である。本発明例１９は、硬質皮膜を被覆後、イオン注入装置に設置し、Ｃｌを注入させた場合である。本発明例２０は、（ＴｉＳｉ）Ｎ層の残留圧縮応力が６．２ＧＰａの場合を示す。本発明例２に比較して、折損寿命が若干悪くなった。これより、好ましい残留圧縮応力値は６ＧＰａ以下である。一方、比較例２７、２８は、残留圧縮応力が本発明の規定範囲外の場合を示す。残留圧縮応力が２ＧＰａよりも低い場合、耐折損性改善効果は認められず、残留圧縮応力が８ＧＰａよりも高い場合、残留圧縮応力により硬質皮膜の剥離が認められ、耐折損性を改善するには至らなかった。本発明例２１は、ＳｉとＨｆを含有する層の場合を示すが、ＳｉとＴｉを含有する本発明例１に比べ、折損寿命が劣っている。本発明２２は、ＡＩＰにより５０ｎｍの（ＴｉＡｌ）Ｎを被覆した後、ＳＰにより（ＴｉＳｉ）Ｎを被覆した場合であるが、ＡＩＰによる欠陥の影響がほとんど確認されず折損寿命に優れていた。本発明例２３は、硬質皮膜の１部をＡＩＰとＳＰによる被覆を同時に行った場合を示す。この時のＡＩＰによる硬質皮膜の厚さは、１０ｎｍから１００ｎｍとした。ＡＩＰによる欠陥の影響がほとんど確認されず折損寿命に優れている。本発明例２４は、刃部の１部が立方晶窒化硼素からなる場合を示す。耐折損性が改善されているため、立方晶窒化硼素本来の耐摩耗効果を発揮することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に係る被覆小径工具の１例である概略図を示す。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ断面図を示す。
【図３】図３は、本発明例１のＸ線光電子分光分析によるスペクトルのピーク分離を示す。
【符号の説明】
【００２１】
１：刃部
２：首部
３：シャンク部
４：逃げ面
５：すくい面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該小径工具の刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００、該硬質皮膜はスパッタリング法により被覆され、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、であることを特徴とする被覆小径工具。
【請求項２】
硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該被覆小径工具は、該刃部と、該刃部に連なりこれよりも外径が大きい首部と、該首部に連なりこれよりも外径が大きく工具をクランプするためのシャンク部とからなる段差付き円筒形状を有し、該刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００であり、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、該刃部・首部の少なくとも１部に該硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする被覆小径工具。
【請求項３】
請求項１又は２記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜は少なくともＳｉを含有し、Ｘ線光電子分光分析により、少なくともＳｉ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ及び金属Ｓｉの結合エネルギーを有し、Ｓｉ−Ｎに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｎ）、Ｓｉ−Ｏに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｏ）及び金属Ｓｉに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ）とした時、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ）、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）を満足し、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）の比率が５２％以上、８５％以下であることを特徴とする被覆小径工具。
【請求項４】
請求項３記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜は、金属元素のみの原子比率でＳｉ含有量が１０原子％未満の結晶粒子と、Ｓｉ含有量が１０原子％以上の非晶質相が存在することを特徴とする被覆小径工具。
【請求項５】
請求項３又は４記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含有することを特徴とする被覆小径工具。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５いずれかに記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜の最表面から膜厚方向に５００ｎｍ以内の領域には、Ｃ、Ｏ、Ｂ、Ｃｌ、Ｓ、Ｐ、Ｓの何れか１種以上の元素が皮膜全体の３原子％以上含有することを特徴とする被覆小径工具。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６いずれかに記載の被覆小径工具は、回転工具であり、エンドミル、ドリル、リーマ、ルーターのいずれかであることを特徴とする被覆小径工具。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７いずれかに記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜は該スパッタリング法とアーク放電式イオンプレーティング法とを組み合わせて被覆することを特徴とする被覆小径工具の被覆方法。
【請求項１】
硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該小径工具の刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００、該硬質皮膜はスパッタリング法により被覆され、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、であることを特徴とする被覆小径工具。
【請求項２】
硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該被覆小径工具は、該刃部と、該刃部に連なりこれよりも外径が大きい首部と、該首部に連なりこれよりも外径が大きく工具をクランプするためのシャンク部とからなる段差付き円筒形状を有し、該刃部の直径Ｄμｍは、５≦Ｄ≦８００であり、該硬質皮膜の少なくとも１層の残留圧縮応力ＴはＧＰａで、２≦Ｔ≦８、該刃部・首部の少なくとも１部に該硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする被覆小径工具。
【請求項３】
請求項１又は２記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜は少なくともＳｉを含有し、Ｘ線光電子分光分析により、少なくともＳｉ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ及び金属Ｓｉの結合エネルギーを有し、Ｓｉ−Ｎに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｎ）、Ｓｉ−Ｏに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ−Ｏ）及び金属Ｓｉに相当する結合エネルギーの強度をＩ（Ｓｉ）とした時、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ）、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）＞Ｉ（Ｓｉ−Ｏ）を満足し、Ｉ（Ｓｉ−Ｎ）の比率が５２％以上、８５％以下であることを特徴とする被覆小径工具。
【請求項４】
請求項３記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜は、金属元素のみの原子比率でＳｉ含有量が１０原子％未満の結晶粒子と、Ｓｉ含有量が１０原子％以上の非晶質相が存在することを特徴とする被覆小径工具。
【請求項５】
請求項３又は４記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含有することを特徴とする被覆小径工具。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５いずれかに記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜の最表面から膜厚方向に５００ｎｍ以内の領域には、Ｃ、Ｏ、Ｂ、Ｃｌ、Ｓ、Ｐ、Ｓの何れか１種以上の元素が皮膜全体の３原子％以上含有することを特徴とする被覆小径工具。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６いずれかに記載の被覆小径工具は、回転工具であり、エンドミル、ドリル、リーマ、ルーターのいずれかであることを特徴とする被覆小径工具。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７いずれかに記載の硬質皮膜を被覆した被覆小径工具において、該硬質皮膜は該スパッタリング法とアーク放電式イオンプレーティング法とを組み合わせて被覆することを特徴とする被覆小径工具の被覆方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−８８２２９（Ｐ２００６−８８２２９Ａ）
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７２８２９（Ｐ２００４−２７２８２９）
【出願日】平成１６年９月２１日（２００４．９．２１）
【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１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２１日（２００４．９．２１）
【出願人】（０００２３３０６６）日立ツール株式会社 (299)
【Ｆターム（参考）】
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