被覆工具
【課題】本願発明の課題は、高硬度と優れた耐酸化性を兼ね備え、工具に被覆することにより突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れた被覆工具を提供することである。
【解決手段】工具基体に物理蒸着により皮膜を被覆し、該皮膜はＡ層とＢ層とを有し、該Ａ層はＣｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該Ｂ層はＡｌ、Ｃｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該皮膜は該Ａ層と該Ｂ層との交互積層構造を有し、該Ａ層の層厚（ｎｍ）をＴＡ、該Ｂ層の層厚（ｎｍ）をＴＢとしたとき、該ＴＡ値、該ＴＢ値が夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０、膜厚比をＴＡ／ＴＢとしたとき、１≦ＴＡ／ＴＢ≦５、であることを特徴とする被覆工具である。
【解決手段】工具基体に物理蒸着により皮膜を被覆し、該皮膜はＡ層とＢ層とを有し、該Ａ層はＣｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該Ｂ層はＡｌ、Ｃｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該皮膜は該Ａ層と該Ｂ層との交互積層構造を有し、該Ａ層の層厚（ｎｍ）をＴＡ、該Ｂ層の層厚（ｎｍ）をＴＢとしたとき、該ＴＡ値、該ＴＢ値が夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０、膜厚比をＴＡ／ＴＢとしたとき、１≦ＴＡ／ＴＢ≦５、であることを特徴とする被覆工具である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、工具基体に物理蒸着法により酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とする皮膜を被覆し、耐摩耗性と耐酸化性を兼ね備えた被覆工具に関する。特に、切削工具、金型等の耐摩耗工具等の被覆工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理蒸着法により酸化物皮膜を被覆した被覆工具に関する技術が、特許文献１から３に開示されている。また、２種類の化合物薄膜を積層した被覆工具に関する技術が、特許文献４に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−５３９４６号公報
【特許文献２】特開２００６−２８６００号公報
【特許文献３】特開平５−２０８３２６号公報
【特許文献４】特許第３４６０２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明の皮膜は、高硬度と優れた耐酸化性を兼ね備え、工具に被覆することにより突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れた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、工具基体に物理蒸着により皮膜を被覆し、該皮膜はＡ層とＢ層とを有し、該Ａ層は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、硼素の酸化物、窒化物、硼化物から選択される１種以上、該Ｂ層は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、硼素の酸化物、窒化物、硼化物から選択される２種以上を有し、該Ａ層と該Ｂ層とを被覆した被覆工具において、該Ａ層はＣｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該Ｂ層はＡｌ、Ｃｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該皮膜は該Ａ層と該Ｂ層との交互積層構造を有し、該Ａ層の層厚（ｎｍ）をＴＡ、該Ｂ層の層厚（ｎｍ）をＴＢとしたとき、該ＴＡ値、該ＴＢ値が夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０、膜厚比をＴＡ／ＴＢとしたとき、１≦ＴＡ／ＴＢ≦５、であることを特徴とする被覆工具である。上記の構成を採用することによって、本願発明の皮膜は高硬度と優れた耐酸化性を兼ね備え、工具に被覆することにより突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れた被覆工具が得られる。
【０００６】
本願発明の被覆工具は、ＴＡ値、ＴＢ値が夫々ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０、であることが好ましい。Ａ層は、Ｃｒの１部をＳｉ、Ｗ、硼素から選択される１種以上で置換、Ｂ層は、Ａｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換することが好ましい。また、工具基体と皮膜との間には窒化物を含有する中間層、最表面は窒化物を含有する最表層を被覆し、更に、Ｂ層は工具基体側、Ａ層は表面側に被覆することが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明の皮膜は、高硬度と優れた耐酸化性を兼ね備え、工具に被覆することにより突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れた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】
本願発明の皮膜は、高硬度と優れた耐酸化性と熱安定性や平滑性とを兼ね備え、工具の突発的なチッピングや異常摩耗の発生を抑制し、耐摩耗性を改善した。工具基体にＰＶＤ法により被覆した被覆工具において、本願発明の皮膜は、Ａ層とＢ層を夫々交互に５０ｎｍ以下の層厚とした積層構造を有する被覆工具である。Ｂ層の結晶構造はコランダム構造を有する。
本願発明の皮膜は、Ａ層とＢ層との交互積層構造を有し、かつ、酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、例えば、酸化アルミニウム膜よりも高硬度である。Ａ層とＢ層を交互積層することにより、Ｂ層がコランダム構造を維持したまま成長し、同時にＡ層とＢ層が略同一結晶構造で個々に面間隔の異なる結晶が積層されることとなり、両層間で格子歪が発生するためである。この格子歪は、両層間の界面近傍で夫々略同一の面間隔を保ち、成長に従いＡ層とＢ層の個々の面間隔となる。両層間の界面が高い密着強度を維持し、格子歪により１ＧＰａ以上の高い残留圧縮応力を有するため、皮膜の高硬度化が達成される。この格子歪は粒成長を抑制する効果もあり、Ａ層とＢ層の結晶粒子が微細化され、その結果、皮膜表面の平滑性が向上する作用をも有する。
本願発明の皮膜は交互積層構造を有し、ＴＡ値、ＴＢ値が夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０、であることが、高硬度化には重要であり、工具の耐摩耗性の改善により効果的である。ＴＡ＞５０の場合、皮膜全体の硬度が低下するため、耐摩耗性を改善することができない。また、ＴＢ＞５０の場合、Ｂ層がコランダム構造を維持できないことから、皮膜全体の硬度が低下し、また皮膜の結晶粒径が粗大化するため、耐摩耗性を改善することができない。また、本願発明の皮膜が、１≦ＴＡ／ＴＢ≦５、であることが特に皮膜の高硬度化の観点から重要であり、工具の耐摩耗性の改善により効果的である。ＴＡ／ＴＢ＜１、となる場合、皮膜の結晶性が低下し、皮膜硬度も低下する傾向にある。一方、ＴＡ／ＴＢ＞５、の場合も同様に皮膜硬度が低下する傾向にある。ＴＡ／ＴＢ＞５、の場合の硬度低下の理由は、皮膜全体に占めるＡ層の比率が多過ぎるからである。ＴＡ値、ＴＢ値の制御は、Ａ層、Ｂ層の成膜用の金属ターゲットにおける蒸発量調整の他に、基体の回転速度の調整により行う。
【０００９】
本願発明の皮膜は交互積層構造を有し、ＴＡ値、ＴＢ値が夫々ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０、であるとき、皮膜の結晶性向上による高硬度化、結晶粒子の微細化、平滑化とＡ層とＢ層の結晶成長の連続性による密着強度改善効果が得られ、工具の耐摩耗性の改善により効果的であり、好ましい。
【００１０】
本願発明の皮膜を構成するＡ層は、Ｃｒの１部をＳｉ、Ｗ、硼素から選択される１種以上で置換すること、またＢ層は、Ａｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換することが好ましい。ここで、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上の元素をＭ元素とする。また、Ａｌ含有量をｘ、Ｃｒ含有量をｙ、Ｍ元素の含有量をｚ、但し、数値は原子比率でｘ＋ｙ＋ｚ＝１００としたとき、Ｍ元素の効果と本願発明を達成する上で最適な含有量を示す。Ｂ層におけるＡｌ又はＣｒの１部をＳｉで置換することにより皮膜の結晶粒子が微細化し、高硬度化することによって工具の耐摩耗性が向上する。この場合の最適な組成は、５０≦ｘ≦９０、１０≦ｙ≦５０、０．１≦ｚ≦１０、但し、ｚはＳｉ量である。更に、（ｘ＋ｚ）値が７０を超えると皮膜が非晶質化し、硬度が急激に低下し耐摩耗性が低下するため、５０≦（ｘ＋ｚ）≦７０が最適である。Ｂ層のＣｒの１部をＮｂ、Ｗ、Ｙ、硼素で置換することにより、コランダム構造の結晶性が向上することから、Ａｌ含有量を高めることができる。その結果、耐酸化性、耐熱性を高めて、耐摩耗性が向上する。この場合の最適な組成は、５０≦ｘ≦９０、１０≦ｙ≦５０、０．１≦ｚ≦１０、但し、ｚ値はＭ元素の含有量である。またＡｌＣｒターゲットにＷを添加することにより、ドロップレットが低減して皮膜の平滑性が向上する。更に、Ｃｒ、Ａｌの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される２種又は３種で置換することも同様な効果が得られ、好ましい。
【００１１】
本願発明の皮膜と工具基体との間に窒化物を含有する中間層を被覆し、最表面に窒化物を含有する最表層を被覆することが好ましい。ここで中間層や最表層の窒化物を含有する皮膜は、９０％以上が窒化物であり、残部が炭化物、酸化物、硼化物、硫化物を含んでも良い。この中間層は工具基体との密着性向上の役割と機械的な摩耗に対する耐摩耗効果を発揮する。中間層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物を含有した層を１層以上被覆することが好ましく、中間層の層厚は１〜１２μｍの範囲が最適である。最表層を被覆する効果は、本願発明の皮膜が干渉色を呈する場合のあることから、外観色の安定化、成膜装置内の冶具や蒸発源周辺の導電性を確保することによる生産性向上である。また、工具表面の導電性を確保させ、電気的に工具寸法の測定を行うセンサー等を使用することができる。最表層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物を含有とした層を１層以上被覆することがより好ましく、最表層の層厚は０．０１〜３μｍの範囲が最適である。中間層、最表層と本願発明の皮膜界面は夫々の層の密着強度を向上させるために、組成混合層の形成、組成傾斜層形成も好ましい。
【００１２】
本願発明の皮膜の積層構造におけるＢ層は工具基体側、Ａ層は表面側に被覆することが好ましい。Ｂ層が工具基体側であることによって、密着強化層としての作用効果を得ることができ、また、Ａ層が表面側であることによって、耐酸化性、耐熱性を高める作用効果を得ることができるため、好ましい。
【００１３】
本願発明の皮膜のＸ線回折における２θのピークずれは格子定数のずれにより、例えばＡ、Ｂ層の（１１６）面において、｛２θ（Ｂ）／２θ（Ａ）｝の値が１を超え、１．０４７５以下の範囲では、Ａ、Ｂ層の格子が連続して成長し高い密着強度を有した状態で格子歪を有し、１ＧＰａ以上の高い残留圧縮応力が付与され、皮膜の高硬度化と平滑化が同時に達成される。この高硬度化は工具の耐摩耗性の改善に効果的である。結晶格子の連続は透過型電子顕微鏡による断面の格子像を観察により確認できる。本願発明の残留圧縮応力は１〜６ＧＰａの範囲が最適である。１ＧＰａ未満の場合、切削加工時に熱クラックからの欠損が発生し易くなる。一方、６ＧＰａを超えて高いと、工具エッジ部の皮膜が自己破壊を起こし、エッジ部に凝着物が堆積し易くなり、耐欠損性が低下する傾向にある。皮膜の残留圧縮応力の制御は、成膜パラメータのうち、基体に印可するバイアス電圧、ＴＡ、ＴＢ値、反応圧力等により制御することができる。本願発明の被覆工具は、最表面の凸部を機械的処理による平滑化により、切屑排出性、切れ刃のチッピング抑制に効果的であり、切削寿命を改善できる。本願発明の被覆工具は、特に高硬度鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、鋳鋼、炭素鋼の切削加工用に用いる切削工具が特に好ましく、例えばボールエンドミル、多刃エンドミル、インサート、ドリル、カッター、ブローチ、リーマ、ホブ、ルーター、等が挙げられる。また、金型、パンチ等においても優れた耐摩耗性を発揮し、工具の長寿命化がはかれる。工具基体は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、立方晶窒化硼素焼結体、ダイス鋼等が好ましい。超硬合金は、Ｃｏ含有量３〜１２重量％未満であり、３％未満では、突発的なチッピングや切れ刃の欠損が生じてしまい、一方、１２％を超えると被覆効果が薄れ好ましくない。
【実施例】
【００１４】
（実施例１）
本願発明の皮膜の被覆方法は、ＰＶＤ法の中でも特にアークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）法を用いた。ＡＩＰ法を用いた理由は、比較的低温で結晶粒径の粗大化を抑制し、皮膜の結晶粒子が微細化して高い残留圧縮応力を導入できるからである。本願発明では、成膜中にＡｒを用いず、窒素と酸素の混合ガス雰囲気下で、３〜１５Ｐａの比較的高いガス圧を採用し、ＴＡ、ＴＢ値が夫々５０ｎｍ以下の交互積層構造をもつ皮膜を成膜することが特徴である。使用した小型ＡＩＰ成膜装置の真空容器内は、ターゲット表面に垂直方向の磁束密度が最大で５ｍＴ以上の磁場を有したアーク蒸発源を２基搭載している。夫々アーク蒸発源をＣ１、Ｃ２と称す。Ｃ１にＣｒターゲット、Ｃ２にＡｌＣｒ合金ターゲットを装填した。ＡｌＣｒ合金ターゲットは、原子比でＡｌ：５０〜９０％、Ｃｒ：１０〜５０％の範囲として安定した放電を継続させた。ＡｌＣｒＳｉの合金ターゲットを使用する場合は、Ａｌ：５０〜８０％、Ｃｒ：２０〜５０％、Ｓｉ：１〜１０％の範囲であれば安定放電を継続することができる。
本願発明では以下に示す成膜条件を採用することによって、窒素ガスが反応して窒化物を形成することは殆どなく、９０％以上を酸化物として存在させることができ、酸化物を主体、窒化物を副体とした。また窒素ガスの導入により、成膜時のガス圧力を高めて皮膜に混入するドロップレット量を低減した。酸素と窒素の好ましい流量比率として、酸素：窒素は、１：１００から２０：１００の範囲とした。成膜温度は４００〜７００℃の範囲とした。またバイアス電源は基体に接続され、独立して基体に負のＤＣバイアス電圧を印加した。工具基体に印可する負バイアス電圧は４０〜２５０Ｖの範囲、アーク電流は８０〜１８０Ａの範囲とした。また、工具基体の回転数はアーク電流にもよるが、毎分２〜９回転の範囲として、ＴＡ値、ＴＢ値を夫々５０ｎｍ以下に制御した。本願発明の皮膜の硬度、表面粗さ、結晶構造、積層構造を評価する基体として、表面粗さをＲａ＜１０ｎｍ、Ｒｙ＜１００ｎｍとなるように鏡面加工を施したＣｏ含有量１０重量％の超微粒子超硬合金製ＳＮＭＮ１２０４０８形状の試験片を用いた。皮膜の耐久性を評価には、Ｃｏ：８重量％の超微粒子超硬合金製刃先交換型ボールエンドミルを用いた。切削工具は夫々脱脂洗浄を十分に実施して真空容器に設置した。成膜前処理は、Ａｒイオンによる基体のクリーニング処理を行った。基体を所定温度で保持し、容器内圧力が５×１０−３Ｐａに達した後、Ａｒガスを導入し、−２００Ｖのバイアス電圧を印加して基体クリーニングを３０分間実施した。中間層の被覆には、クリーニング後、窒素を１０００ｓｃｃｍ導入し、圧力５〜７ＰａとしてＣ２に１５０Ａの電力を供給して、窒化物皮膜を略３μｍ被覆した。引き続き、窒素ガス流量を保持したまま、Ｃ１に１５０Ａの電力を供給し、Ｃ１の窒化物層とＣ２の窒化物層の混合層を０．１μｍ被覆した。最表層の被覆も略同様な条件とした。中間層の次に、流量制御した反応ガスを導入した状態でバイアス電圧を−１００Ｖとして本願発明の皮膜を略２μｍ被覆した。容器内の温度を２００℃以下まで冷却した後、試料を取り出した。成膜パラメータは、皮膜形成時の酸素、Ａｒ、窒素の各流量、成膜温度、基体回転数、アーク蒸発源への電力供給及びそのパターンである。成膜パラメータを表１に示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】
ＴＡ、ＴＢ値、皮膜組成、格子連続性、結晶構造などの積層構造を解析するために、電界放射型透過型電子顕微鏡（以下、ＦＥ−ＴＥＭと記す。）による断面観察を行った。加速電圧２００ｋＶで観察し、皮膜の組成分析はエネルギー分散型分析（ＥＤＳ）による直径１ｎｍの面積を分析した。皮膜の結晶構造の解析は直径１２５０ｎｍの制限視野回折像の撮影をカメラ長５０ｃｍで行った。ＴＡ、ＴＢ値はＦＥ−ＴＥＭの断面写真から実測した。積層数が１０層未満のときは全ての層の平均値とし、１０層以上のときは測定対象の層数の平均値とした。値は１０ｎｍ以下を四捨五入した。皮膜の平滑性を評価は、接触式面粗さ測定器でＲａ値、Ｒｚ値を測定した。皮膜の破断面観察は、電界放射型走査型電子顕微鏡（以下、ＦＥ−ＳＥＭと記す。）で行った。ノッチ加工を行った後に強制的に破断して、倍率１０ｋ倍で観察した。皮膜の硬度測定は、ナノインデンテーション装置を用いた。試験片を５度傾け鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが膜厚の略１／１０未満となる所を選定した。このとき略１／５でも基体の影響はなかった。押込み荷重４９ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、荷重負荷後の除去速度０．４９ｍＮ／秒の測定条件で１０点測定し、平均値を求めた。本測定方法の皮膜硬さは、圧子の微細形状、測定時の温度、湿度、試料の表面状態に左右され易く、測定値は必ずしもビッカース硬さと一致しない。そこで、単結晶Ｓｉとの相対比較を行った。単結晶Ｓｉの皮膜硬さは１２ＧＰａであった。皮膜の結晶構造の解析は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）装置を用いた。管電圧１２０ｋＶ、管電流４０μｍ、Ｘ線源Ｃｕｋα、Ｘ線入射角５度、Ｘ線入射スリット０．４ｍｍ、２θを２０〜７０度とした。測定結果を表２に示した。
【００１７】
【表２】
【００１８】
図１に本発明例６、図２に従来例３８の皮膜膜断面のＦＥ−ＳＥＭ像を示す。両者の膜断面組織とを比較すると、本発明例６の膜断面組織は結晶粒子が微細化し、膜表面の平滑性も従来例３８に対して優れていた。従来例３８は粒子が粗大であり、粒子間に隙間が存在し低硬度であった。また、表面粗さを比較すると、本発明例６のＲａ値は１２ｎｍ、従来例３８は３４ｎｍと凹凸が存在した。従来例３９も表面が粗く低硬度であった。図３に本発明例１のＸＲＤ回折結果を示す。Ａ層に対応したピークとＢ層に対応したピークを認めた。２種の格子定数の異なるコランダム型の結晶構造を有した皮膜を層厚方向に交互積層することにより、層界面で格子歪が発生し高硬度化が達成された。図４、５に本発明例６の断面構造解析結果を示す。図４は皮膜断面のＦＥ−ＴＥＭ像、図５は１２５０ｎｍφの制限視野回折像を示す。図４から交互の積層構造の存在が確認できた。図５の制限視野回折像の回折パターンから、コランダム構造を確認できた。図６は、図４の符号１に示す粒子の高倍率ＴＥＭ像、図７は、図４の符号１に示す粒子の１４０ｎｍφの制限視野回折像を示す。図７から、積層構造を有する粒子は同一の結晶構造を有して成長していた。図８は図６に示す粒子の高倍率ＴＥＭ像であり、図８に分析スポット１、２を示す。図９は分析スポット１の、図１０は分析スポット２の１ｎｍφの極微電子線回折写真を示す。ＥＤＳ分析結果から分析スポット１はＢ層、分析スポット２はＡ層であった。図８、９、１０から、Ｂ層とＡ層は略同一の結晶構造、方位関係を保ちエピタキシャルに成長し、界面の格子連続性を有し、良い密着状態を確認した。図１１に図８の粒子の暗視野ＳＴＥＭ像を示し、図１１の分析スポット１〜４のＥＤＳ分析による皮膜組成を表３に示す。
【００１９】
【表３】
【００２０】
表３に分析した面積が１μｍ×１μｍと、１ｎｍφのときの値を示す。図１１と図８の分析スポット１、２は対応している。図１１、表３から、分析スポット１、３はＢ層、分析スポット２、４はＡ層、であった。ＦＥ−ＴＥＭ解析結果から、Ａ層、Ｂ層の存在とＴＡ、ＴＡ値、結晶構造、格子連続性が明確に示され、本願発明の皮膜が高硬度と優れた耐酸化性を兼ね備え、優れた耐摩耗性を示すことを確認した。
【００２１】
（実施例２）
本願発明の皮膜の耐久性評価は、刃先交換式ボールエンドミルによる耐摩耗性を下記の試験条件で実施した。使用した工具は、日立ツール製の超硬合金製インサート、直径３２ｍｍである。耐摩耗性の評価は、２３００ｍ加工後の逃げ面摩耗幅で評価した。逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍ未満のものは効果有りと判断した。評価結果を表２に併記した。
（試験条件）
切削方法：１０度傾斜面の等高線切削
被削材 ：ＦＣＤ５４０
切り込み：軸方向、０．３ｍｍ、径方向、０．３ｍｍ
主軸回転数：毎分１２０００回転
テーブル送り：１０８００ｍｍ／ｍｉｎ
１刃送り量：０．４５ｍｍ／刃
切削油 ：なし、エアブロー
【００２２】
本発明例１、２と比較例２４、２５は、Ｃ１、Ｃ２を同時稼動し、基体回転数を変化させることによりＴＡ、ＴＢ値と積層構造が耐酸化性、耐摩耗性に及ぼす影響を比較した。ＴＡ、ＴＢ値が５０ｎｍ以下の本発明例１、２はコランダム構造の酸化物が得られ、２７ＧＰａ以上の高硬度を示した。比較例２４、２５は２２ＧＰａ以下であった。本発明例３、比較例２６〜３３は、ＴＡ、ＴＢ値の特性に及ぼす影響を比較のため、Ｃ１とＣ２ターゲットを交互稼動し、周期を変化させて積層構造を変化させた。本発明例３は、Ｂ層を工具基体側、Ａ層を表面側に被覆した。ＴＡ、ＴＢ値が５０ｎｍ以下の本発明例３はコランダム構造を示した。ＴＡ、ＴＢ値の少なくとも一方が５０ｎｍを超える比較例２６〜３３はγ型の結晶構造であり、皮膜は低硬度で耐摩耗性の改善には至らなかった。本発明例４〜８は、Ｃ１とＣ２を同時に稼動し、アーク電流を変化させ積層構造を変化させて成膜して積層構造の影響を比較した。本発明例４〜８はＴＡ、ＴＢ値が５０ｎｍ以下、コランダム構造が得られた。本発明例６のＲａ値は１２ｎｍ、従来例３８は３４ｎｍと凹凸が存在した。これより被削材が凝着して耐摩耗性は改善しなかった。従来例３９も表面が粗く低硬度であり、突起状の粒子に被削材が凝着し、皮膜の脱落、剥離が起こり摩耗進行を早める欠点を有していた。本発明例は高硬度で平滑化され、切削工具の摩耗幅は従来例に比べ半分以下であった。Ｃ１はアーク電流を１００Ａ以上、Ｃ２は１００Ａ以下とすることにより、ＴＡ／ＴＢ値が１以上となり、皮膜硬度が向上して切削工具の摩耗幅が減少して耐摩耗性の改善効果が顕著だった。本発明例４〜８と積層構造を持たない比較例３４、３５、３６を比較した。比較例３４、３５はγ型結晶構造、比較例３６は非晶質構造であり切削工具の耐摩耗性改善はできなかった。比較例３７は、Ｂ層にＣｒを含まず非晶質構造で、本発明例１に比べ耐摩耗性が劣った。また、ＡＩＰ法でＣｒＮを被覆し酸化処理の後に、スパッタ法により２．８ｋＷでＡｌ酸化物を被覆した従来例３８と、同様にＡｌＣｒ酸化物を被覆した従来例３９は、ＴＡ、ＴＢ値が大きく表面が粗く低硬度のため、突起状の酸化物粒子に被削材が凝着して皮膜が脱落剥離し、摩耗進行が早かった。更に、夫々（ＴｉＡｌ）Ｎと（ＡｌＣｒ）Ｎとを被覆した従来例４０と４１は、耐摩耗性の改善は得られなかった。
ＴＡ、ＴＢ値が３０ｎｍ以下の本発明例６、７と、３０ｎｍを超え５０ｎｍ以下の本発明例１から５、８を比較した。本発明例６、７は逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍ以下、摩耗状態も均一であり、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され耐酸化性、耐摩耗性に優れた。ＴＡ、ＴＢ値を３０ｎｍ以下とすることにより、皮膜の結晶性が向上し、Ａ層、Ｂ層はエピタキシャルに成長しながら、界面が増加する。その結果、高硬度化した。ＴＡ／ＴＢ値が１の本発明例１〜３、５と、１より大きい本発明例４、６〜８とを比較した。本発明例４、６〜８は逃げ面摩耗幅が０．１１ｍｍ以下、摩耗状態も均一で突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐酸化性、耐摩耗性に優れた。ＴＡ／ＴＢ値が大きいときＴＢ層の結晶性が向上し、耐酸化性、耐熱安定性が向上した。Ａ層、Ｂ層の格子が連続成長した本発明例４、６〜８と、連続成長の無い本発明例１〜３、５を比較した。連続成長が存在することにより、刃先の摩耗状態の均一性が向上し、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐酸化性、耐摩耗性に優れた。連続成長の条件は、ＴＢ値を２０ｎｍ以下とすることにより達成できた。
【００２３】
一方、比較例９〜１３はＣ２のみを稼動し、Ａｒと酸素の流量比率を変化させて成膜した。Ａｒのみのときはγ型の酸化物皮膜であり、皮膜表面は粗く低硬度でドロップレットが多く見られた。比較例１４〜２０もＣ２のみを稼動し、酸素と窒素の流量比率を変化させてガス種と流量比の影響を比較した。Ａｒに比べ皮膜表面のドロップレットが低減し平滑性は優れたが、γ型の酸化物皮膜となり低硬度であった。窒素と酸素の混合ガスを用いて成膜することにより、皮膜の窒素含有量が低く、金属：酸素の比が２：３の酸化物皮膜が得られた。特に窒素：酸素の比が、７〜１１：１〜５の条件では、窒素含有量が３％以下の平滑性に優れた酸化物皮膜が得られた。比較例１７、２１〜２３は、成膜温度の影響を比較した。４００〜７００℃の範囲では何れもγ型酸化物皮膜であった。ＡＩＰ法による皮膜の結晶構造は温度に無関係であり、６００℃以下でもコランダム型の酸化物皮膜が得られた。Ａ層上にＢ層を被覆した比較例２６は、γ型酸化物皮膜であった。摩耗状態が不安定で複数のチッピングが確認され、耐酸化性と耐摩耗性の改善はできなかった。
【００２４】
（実施例３）
本発明例６と同一成膜条件を用い、本発明例４２〜５０、比較例５１、５２を作成した。ここではＡ層が、Ｃｒの１部をＳｉ、Ｗ、硼素から選択される１種以上で置換し、Ｂ層が、Ａｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換する効果を確認した。本発明例４２〜５０のＴＡ、ＴＢ値は本発明例６と略同一とした。本発明例４２〜５０、比較例５１、５２は全てＣ２の組成を有する窒化物を中間層として２μｍ、また最表層も窒化物を０．０５〜０．２μｍの範囲で被覆した。中間層の被覆条件は実施例１と同一とした。表４に使用したターゲット組成を示す。
【００２５】
【表４】
【００２６】
本願発明の皮膜は、切削工具の耐酸化性と耐摩耗性を改善できた。本発明例４２のＡｌＣｒＮｂ系は、Ａｌ含有量を７５％まで高めてもコランダム構造の皮膜が得られた。Ｎｂは皮膜のコランダム化を助長し、高硬度化に貢献した。本発明例４３と比較例５１を比較すると、ＡｌとＳｉの含有量の和を７０％以下とすることが好ましい。特にＳｉは皮膜の結晶粒が微細化し、高硬度化と平滑性が得られ、耐摩耗性が改善した。本発明例４５は、結晶粒子が微細化し平滑性が向上した。Ｗ、Ｙは耐酸化性向上に有効であり、耐摩耗性改善に有効であった。硼素は皮膜のコランダム化の助長に加え、潤滑性の改善にも有効であり、耐摩耗性の改善に有効であった。一方、比較例５１、５２のＴＡ／ＴＢ値は本願発明規定の範囲よりも大きく、Ｂ層がＡｌＣｒＳｉ系の比較例５１は、非晶質構造で低硬度を示し、ＡｌＣｒＴｉ系の比較例５２は、コランダム構造とγ型の２種を確認したが、Ｔｉ添加の場合、皮膜は低硬度を示した。これは粗大なＴｉ酸化物が形成され、結晶粒子径が大きくなったからである。何れも、耐摩耗性の改善効果が得られなかった。
【００２７】
（実施例４）
本願発明の皮膜をソリッドドリルに適用し工具寿命を評価した。ソリッドドリルは日立ツール製、直径６ｍｍ、基体はＣｏ：１０％の超微粒超硬合金製、硬度がＨＲＡ９２．３である。被覆方法は実施例１と同一とした。中間層の（ＴｉＡｌ）Ｎを略３μｍ被覆した後、本発明例６、従来例３８、３９の皮膜を略２μｍ被覆し、これらを夫々本発明例５３、従来例５４、５５とした。また、従来例４０、４１被覆したものを従来例５６、５７とした。これらを下記の試験条件で工具寿命を評価した。評価は、コーナー部の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに達した時点の加工穴数又は加工を継続することが出来ない欠損、チッピング等が生じた加工穴数とした。加工穴数は１００穴未満を切捨て、３本の平均寿命とした。評価結果を表５に示す。
（試験条件）
切削方法：止まり穴加工、穴深さ６ｍｍ
クーラント：ＭＱＬ内部給油
被削材：ＦＣＤ７００
主軸回転数：毎分１２ｋ回転
送り：０．２ｍｍ／回転
【００２８】
【表５】
【００２９】
本発明例５３は従来例に比べ３倍以上の加工穴数という長寿命を示し、本願発明の被覆ドリルが優れた耐酸化性と耐摩耗性を有することを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明例６の皮膜断面のＦＥ−ＳＥＭ像を示す。
【図２】図２は、従来例３８の皮膜断面のＦＥ−ＳＥＭ像を示す。
【図３】図３は、本発明例１のＸＲＤ回折結果を示す。
【図４】図４は、本発明例６の皮膜断面のＴＥＭ像を示す。
【図５】図５は、本発明例６の１２５０ｎｍφの制限視野回折像を示す。
【図６】図６は、図４の符号１に示す粒子の高倍率ＴＥＭ像を示す。
【図７】図７は、図４の符号１に示す粒子の１４０ｎｍφの制限視野回折像を示す。
【図８】図８は、図４の符号１に示す粒子の高倍率ＴＥＭ像を示す。
【図９】図９は、図８中の分析スポット１の極微電子線回折写真を示す。
【図１０】図１０は、図８中の分析スポット２の極微電子線回折写真を示す。
【図１１】図１１は、図８の粒子の暗視野ＳＴＥＭ像を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１：粒子
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、工具基体に物理蒸着法により酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とする皮膜を被覆し、耐摩耗性と耐酸化性を兼ね備えた被覆工具に関する。特に、切削工具、金型等の耐摩耗工具等の被覆工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理蒸着法により酸化物皮膜を被覆した被覆工具に関する技術が、特許文献１から３に開示されている。また、２種類の化合物薄膜を積層した被覆工具に関する技術が、特許文献４に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−５３９４６号公報
【特許文献２】特開２００６−２８６００号公報
【特許文献３】特開平５−２０８３２６号公報
【特許文献４】特許第３４６０２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明の皮膜は、高硬度と優れた耐酸化性を兼ね備え、工具に被覆することにより突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れた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、工具基体に物理蒸着により皮膜を被覆し、該皮膜はＡ層とＢ層とを有し、該Ａ層は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、硼素の酸化物、窒化物、硼化物から選択される１種以上、該Ｂ層は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、硼素の酸化物、窒化物、硼化物から選択される２種以上を有し、該Ａ層と該Ｂ層とを被覆した被覆工具において、該Ａ層はＣｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該Ｂ層はＡｌ、Ｃｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該皮膜は該Ａ層と該Ｂ層との交互積層構造を有し、該Ａ層の層厚（ｎｍ）をＴＡ、該Ｂ層の層厚（ｎｍ）をＴＢとしたとき、該ＴＡ値、該ＴＢ値が夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０、膜厚比をＴＡ／ＴＢとしたとき、１≦ＴＡ／ＴＢ≦５、であることを特徴とする被覆工具である。上記の構成を採用することによって、本願発明の皮膜は高硬度と優れた耐酸化性を兼ね備え、工具に被覆することにより突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れた被覆工具が得られる。
【０００６】
本願発明の被覆工具は、ＴＡ値、ＴＢ値が夫々ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０、であることが好ましい。Ａ層は、Ｃｒの１部をＳｉ、Ｗ、硼素から選択される１種以上で置換、Ｂ層は、Ａｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換することが好ましい。また、工具基体と皮膜との間には窒化物を含有する中間層、最表面は窒化物を含有する最表層を被覆し、更に、Ｂ層は工具基体側、Ａ層は表面側に被覆することが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明の皮膜は、高硬度と優れた耐酸化性を兼ね備え、工具に被覆することにより突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れた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】
本願発明の皮膜は、高硬度と優れた耐酸化性と熱安定性や平滑性とを兼ね備え、工具の突発的なチッピングや異常摩耗の発生を抑制し、耐摩耗性を改善した。工具基体にＰＶＤ法により被覆した被覆工具において、本願発明の皮膜は、Ａ層とＢ層を夫々交互に５０ｎｍ以下の層厚とした積層構造を有する被覆工具である。Ｂ層の結晶構造はコランダム構造を有する。
本願発明の皮膜は、Ａ層とＢ層との交互積層構造を有し、かつ、酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、例えば、酸化アルミニウム膜よりも高硬度である。Ａ層とＢ層を交互積層することにより、Ｂ層がコランダム構造を維持したまま成長し、同時にＡ層とＢ層が略同一結晶構造で個々に面間隔の異なる結晶が積層されることとなり、両層間で格子歪が発生するためである。この格子歪は、両層間の界面近傍で夫々略同一の面間隔を保ち、成長に従いＡ層とＢ層の個々の面間隔となる。両層間の界面が高い密着強度を維持し、格子歪により１ＧＰａ以上の高い残留圧縮応力を有するため、皮膜の高硬度化が達成される。この格子歪は粒成長を抑制する効果もあり、Ａ層とＢ層の結晶粒子が微細化され、その結果、皮膜表面の平滑性が向上する作用をも有する。
本願発明の皮膜は交互積層構造を有し、ＴＡ値、ＴＢ値が夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０、であることが、高硬度化には重要であり、工具の耐摩耗性の改善により効果的である。ＴＡ＞５０の場合、皮膜全体の硬度が低下するため、耐摩耗性を改善することができない。また、ＴＢ＞５０の場合、Ｂ層がコランダム構造を維持できないことから、皮膜全体の硬度が低下し、また皮膜の結晶粒径が粗大化するため、耐摩耗性を改善することができない。また、本願発明の皮膜が、１≦ＴＡ／ＴＢ≦５、であることが特に皮膜の高硬度化の観点から重要であり、工具の耐摩耗性の改善により効果的である。ＴＡ／ＴＢ＜１、となる場合、皮膜の結晶性が低下し、皮膜硬度も低下する傾向にある。一方、ＴＡ／ＴＢ＞５、の場合も同様に皮膜硬度が低下する傾向にある。ＴＡ／ＴＢ＞５、の場合の硬度低下の理由は、皮膜全体に占めるＡ層の比率が多過ぎるからである。ＴＡ値、ＴＢ値の制御は、Ａ層、Ｂ層の成膜用の金属ターゲットにおける蒸発量調整の他に、基体の回転速度の調整により行う。
【０００９】
本願発明の皮膜は交互積層構造を有し、ＴＡ値、ＴＢ値が夫々ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０、であるとき、皮膜の結晶性向上による高硬度化、結晶粒子の微細化、平滑化とＡ層とＢ層の結晶成長の連続性による密着強度改善効果が得られ、工具の耐摩耗性の改善により効果的であり、好ましい。
【００１０】
本願発明の皮膜を構成するＡ層は、Ｃｒの１部をＳｉ、Ｗ、硼素から選択される１種以上で置換すること、またＢ層は、Ａｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換することが好ましい。ここで、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上の元素をＭ元素とする。また、Ａｌ含有量をｘ、Ｃｒ含有量をｙ、Ｍ元素の含有量をｚ、但し、数値は原子比率でｘ＋ｙ＋ｚ＝１００としたとき、Ｍ元素の効果と本願発明を達成する上で最適な含有量を示す。Ｂ層におけるＡｌ又はＣｒの１部をＳｉで置換することにより皮膜の結晶粒子が微細化し、高硬度化することによって工具の耐摩耗性が向上する。この場合の最適な組成は、５０≦ｘ≦９０、１０≦ｙ≦５０、０．１≦ｚ≦１０、但し、ｚはＳｉ量である。更に、（ｘ＋ｚ）値が７０を超えると皮膜が非晶質化し、硬度が急激に低下し耐摩耗性が低下するため、５０≦（ｘ＋ｚ）≦７０が最適である。Ｂ層のＣｒの１部をＮｂ、Ｗ、Ｙ、硼素で置換することにより、コランダム構造の結晶性が向上することから、Ａｌ含有量を高めることができる。その結果、耐酸化性、耐熱性を高めて、耐摩耗性が向上する。この場合の最適な組成は、５０≦ｘ≦９０、１０≦ｙ≦５０、０．１≦ｚ≦１０、但し、ｚ値はＭ元素の含有量である。またＡｌＣｒターゲットにＷを添加することにより、ドロップレットが低減して皮膜の平滑性が向上する。更に、Ｃｒ、Ａｌの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される２種又は３種で置換することも同様な効果が得られ、好ましい。
【００１１】
本願発明の皮膜と工具基体との間に窒化物を含有する中間層を被覆し、最表面に窒化物を含有する最表層を被覆することが好ましい。ここで中間層や最表層の窒化物を含有する皮膜は、９０％以上が窒化物であり、残部が炭化物、酸化物、硼化物、硫化物を含んでも良い。この中間層は工具基体との密着性向上の役割と機械的な摩耗に対する耐摩耗効果を発揮する。中間層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物を含有した層を１層以上被覆することが好ましく、中間層の層厚は１〜１２μｍの範囲が最適である。最表層を被覆する効果は、本願発明の皮膜が干渉色を呈する場合のあることから、外観色の安定化、成膜装置内の冶具や蒸発源周辺の導電性を確保することによる生産性向上である。また、工具表面の導電性を確保させ、電気的に工具寸法の測定を行うセンサー等を使用することができる。最表層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物を含有とした層を１層以上被覆することがより好ましく、最表層の層厚は０．０１〜３μｍの範囲が最適である。中間層、最表層と本願発明の皮膜界面は夫々の層の密着強度を向上させるために、組成混合層の形成、組成傾斜層形成も好ましい。
【００１２】
本願発明の皮膜の積層構造におけるＢ層は工具基体側、Ａ層は表面側に被覆することが好ましい。Ｂ層が工具基体側であることによって、密着強化層としての作用効果を得ることができ、また、Ａ層が表面側であることによって、耐酸化性、耐熱性を高める作用効果を得ることができるため、好ましい。
【００１３】
本願発明の皮膜のＸ線回折における２θのピークずれは格子定数のずれにより、例えばＡ、Ｂ層の（１１６）面において、｛２θ（Ｂ）／２θ（Ａ）｝の値が１を超え、１．０４７５以下の範囲では、Ａ、Ｂ層の格子が連続して成長し高い密着強度を有した状態で格子歪を有し、１ＧＰａ以上の高い残留圧縮応力が付与され、皮膜の高硬度化と平滑化が同時に達成される。この高硬度化は工具の耐摩耗性の改善に効果的である。結晶格子の連続は透過型電子顕微鏡による断面の格子像を観察により確認できる。本願発明の残留圧縮応力は１〜６ＧＰａの範囲が最適である。１ＧＰａ未満の場合、切削加工時に熱クラックからの欠損が発生し易くなる。一方、６ＧＰａを超えて高いと、工具エッジ部の皮膜が自己破壊を起こし、エッジ部に凝着物が堆積し易くなり、耐欠損性が低下する傾向にある。皮膜の残留圧縮応力の制御は、成膜パラメータのうち、基体に印可するバイアス電圧、ＴＡ、ＴＢ値、反応圧力等により制御することができる。本願発明の被覆工具は、最表面の凸部を機械的処理による平滑化により、切屑排出性、切れ刃のチッピング抑制に効果的であり、切削寿命を改善できる。本願発明の被覆工具は、特に高硬度鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、鋳鋼、炭素鋼の切削加工用に用いる切削工具が特に好ましく、例えばボールエンドミル、多刃エンドミル、インサート、ドリル、カッター、ブローチ、リーマ、ホブ、ルーター、等が挙げられる。また、金型、パンチ等においても優れた耐摩耗性を発揮し、工具の長寿命化がはかれる。工具基体は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、立方晶窒化硼素焼結体、ダイス鋼等が好ましい。超硬合金は、Ｃｏ含有量３〜１２重量％未満であり、３％未満では、突発的なチッピングや切れ刃の欠損が生じてしまい、一方、１２％を超えると被覆効果が薄れ好ましくない。
【実施例】
【００１４】
（実施例１）
本願発明の皮膜の被覆方法は、ＰＶＤ法の中でも特にアークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）法を用いた。ＡＩＰ法を用いた理由は、比較的低温で結晶粒径の粗大化を抑制し、皮膜の結晶粒子が微細化して高い残留圧縮応力を導入できるからである。本願発明では、成膜中にＡｒを用いず、窒素と酸素の混合ガス雰囲気下で、３〜１５Ｐａの比較的高いガス圧を採用し、ＴＡ、ＴＢ値が夫々５０ｎｍ以下の交互積層構造をもつ皮膜を成膜することが特徴である。使用した小型ＡＩＰ成膜装置の真空容器内は、ターゲット表面に垂直方向の磁束密度が最大で５ｍＴ以上の磁場を有したアーク蒸発源を２基搭載している。夫々アーク蒸発源をＣ１、Ｃ２と称す。Ｃ１にＣｒターゲット、Ｃ２にＡｌＣｒ合金ターゲットを装填した。ＡｌＣｒ合金ターゲットは、原子比でＡｌ：５０〜９０％、Ｃｒ：１０〜５０％の範囲として安定した放電を継続させた。ＡｌＣｒＳｉの合金ターゲットを使用する場合は、Ａｌ：５０〜８０％、Ｃｒ：２０〜５０％、Ｓｉ：１〜１０％の範囲であれば安定放電を継続することができる。
本願発明では以下に示す成膜条件を採用することによって、窒素ガスが反応して窒化物を形成することは殆どなく、９０％以上を酸化物として存在させることができ、酸化物を主体、窒化物を副体とした。また窒素ガスの導入により、成膜時のガス圧力を高めて皮膜に混入するドロップレット量を低減した。酸素と窒素の好ましい流量比率として、酸素：窒素は、１：１００から２０：１００の範囲とした。成膜温度は４００〜７００℃の範囲とした。またバイアス電源は基体に接続され、独立して基体に負のＤＣバイアス電圧を印加した。工具基体に印可する負バイアス電圧は４０〜２５０Ｖの範囲、アーク電流は８０〜１８０Ａの範囲とした。また、工具基体の回転数はアーク電流にもよるが、毎分２〜９回転の範囲として、ＴＡ値、ＴＢ値を夫々５０ｎｍ以下に制御した。本願発明の皮膜の硬度、表面粗さ、結晶構造、積層構造を評価する基体として、表面粗さをＲａ＜１０ｎｍ、Ｒｙ＜１００ｎｍとなるように鏡面加工を施したＣｏ含有量１０重量％の超微粒子超硬合金製ＳＮＭＮ１２０４０８形状の試験片を用いた。皮膜の耐久性を評価には、Ｃｏ：８重量％の超微粒子超硬合金製刃先交換型ボールエンドミルを用いた。切削工具は夫々脱脂洗浄を十分に実施して真空容器に設置した。成膜前処理は、Ａｒイオンによる基体のクリーニング処理を行った。基体を所定温度で保持し、容器内圧力が５×１０−３Ｐａに達した後、Ａｒガスを導入し、−２００Ｖのバイアス電圧を印加して基体クリーニングを３０分間実施した。中間層の被覆には、クリーニング後、窒素を１０００ｓｃｃｍ導入し、圧力５〜７ＰａとしてＣ２に１５０Ａの電力を供給して、窒化物皮膜を略３μｍ被覆した。引き続き、窒素ガス流量を保持したまま、Ｃ１に１５０Ａの電力を供給し、Ｃ１の窒化物層とＣ２の窒化物層の混合層を０．１μｍ被覆した。最表層の被覆も略同様な条件とした。中間層の次に、流量制御した反応ガスを導入した状態でバイアス電圧を−１００Ｖとして本願発明の皮膜を略２μｍ被覆した。容器内の温度を２００℃以下まで冷却した後、試料を取り出した。成膜パラメータは、皮膜形成時の酸素、Ａｒ、窒素の各流量、成膜温度、基体回転数、アーク蒸発源への電力供給及びそのパターンである。成膜パラメータを表１に示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】
ＴＡ、ＴＢ値、皮膜組成、格子連続性、結晶構造などの積層構造を解析するために、電界放射型透過型電子顕微鏡（以下、ＦＥ−ＴＥＭと記す。）による断面観察を行った。加速電圧２００ｋＶで観察し、皮膜の組成分析はエネルギー分散型分析（ＥＤＳ）による直径１ｎｍの面積を分析した。皮膜の結晶構造の解析は直径１２５０ｎｍの制限視野回折像の撮影をカメラ長５０ｃｍで行った。ＴＡ、ＴＢ値はＦＥ−ＴＥＭの断面写真から実測した。積層数が１０層未満のときは全ての層の平均値とし、１０層以上のときは測定対象の層数の平均値とした。値は１０ｎｍ以下を四捨五入した。皮膜の平滑性を評価は、接触式面粗さ測定器でＲａ値、Ｒｚ値を測定した。皮膜の破断面観察は、電界放射型走査型電子顕微鏡（以下、ＦＥ−ＳＥＭと記す。）で行った。ノッチ加工を行った後に強制的に破断して、倍率１０ｋ倍で観察した。皮膜の硬度測定は、ナノインデンテーション装置を用いた。試験片を５度傾け鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが膜厚の略１／１０未満となる所を選定した。このとき略１／５でも基体の影響はなかった。押込み荷重４９ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、荷重負荷後の除去速度０．４９ｍＮ／秒の測定条件で１０点測定し、平均値を求めた。本測定方法の皮膜硬さは、圧子の微細形状、測定時の温度、湿度、試料の表面状態に左右され易く、測定値は必ずしもビッカース硬さと一致しない。そこで、単結晶Ｓｉとの相対比較を行った。単結晶Ｓｉの皮膜硬さは１２ＧＰａであった。皮膜の結晶構造の解析は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）装置を用いた。管電圧１２０ｋＶ、管電流４０μｍ、Ｘ線源Ｃｕｋα、Ｘ線入射角５度、Ｘ線入射スリット０．４ｍｍ、２θを２０〜７０度とした。測定結果を表２に示した。
【００１７】
【表２】
【００１８】
図１に本発明例６、図２に従来例３８の皮膜膜断面のＦＥ−ＳＥＭ像を示す。両者の膜断面組織とを比較すると、本発明例６の膜断面組織は結晶粒子が微細化し、膜表面の平滑性も従来例３８に対して優れていた。従来例３８は粒子が粗大であり、粒子間に隙間が存在し低硬度であった。また、表面粗さを比較すると、本発明例６のＲａ値は１２ｎｍ、従来例３８は３４ｎｍと凹凸が存在した。従来例３９も表面が粗く低硬度であった。図３に本発明例１のＸＲＤ回折結果を示す。Ａ層に対応したピークとＢ層に対応したピークを認めた。２種の格子定数の異なるコランダム型の結晶構造を有した皮膜を層厚方向に交互積層することにより、層界面で格子歪が発生し高硬度化が達成された。図４、５に本発明例６の断面構造解析結果を示す。図４は皮膜断面のＦＥ−ＴＥＭ像、図５は１２５０ｎｍφの制限視野回折像を示す。図４から交互の積層構造の存在が確認できた。図５の制限視野回折像の回折パターンから、コランダム構造を確認できた。図６は、図４の符号１に示す粒子の高倍率ＴＥＭ像、図７は、図４の符号１に示す粒子の１４０ｎｍφの制限視野回折像を示す。図７から、積層構造を有する粒子は同一の結晶構造を有して成長していた。図８は図６に示す粒子の高倍率ＴＥＭ像であり、図８に分析スポット１、２を示す。図９は分析スポット１の、図１０は分析スポット２の１ｎｍφの極微電子線回折写真を示す。ＥＤＳ分析結果から分析スポット１はＢ層、分析スポット２はＡ層であった。図８、９、１０から、Ｂ層とＡ層は略同一の結晶構造、方位関係を保ちエピタキシャルに成長し、界面の格子連続性を有し、良い密着状態を確認した。図１１に図８の粒子の暗視野ＳＴＥＭ像を示し、図１１の分析スポット１〜４のＥＤＳ分析による皮膜組成を表３に示す。
【００１９】
【表３】
【００２０】
表３に分析した面積が１μｍ×１μｍと、１ｎｍφのときの値を示す。図１１と図８の分析スポット１、２は対応している。図１１、表３から、分析スポット１、３はＢ層、分析スポット２、４はＡ層、であった。ＦＥ−ＴＥＭ解析結果から、Ａ層、Ｂ層の存在とＴＡ、ＴＡ値、結晶構造、格子連続性が明確に示され、本願発明の皮膜が高硬度と優れた耐酸化性を兼ね備え、優れた耐摩耗性を示すことを確認した。
【００２１】
（実施例２）
本願発明の皮膜の耐久性評価は、刃先交換式ボールエンドミルによる耐摩耗性を下記の試験条件で実施した。使用した工具は、日立ツール製の超硬合金製インサート、直径３２ｍｍである。耐摩耗性の評価は、２３００ｍ加工後の逃げ面摩耗幅で評価した。逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍ未満のものは効果有りと判断した。評価結果を表２に併記した。
（試験条件）
切削方法：１０度傾斜面の等高線切削
被削材 ：ＦＣＤ５４０
切り込み：軸方向、０．３ｍｍ、径方向、０．３ｍｍ
主軸回転数：毎分１２０００回転
テーブル送り：１０８００ｍｍ／ｍｉｎ
１刃送り量：０．４５ｍｍ／刃
切削油 ：なし、エアブロー
【００２２】
本発明例１、２と比較例２４、２５は、Ｃ１、Ｃ２を同時稼動し、基体回転数を変化させることによりＴＡ、ＴＢ値と積層構造が耐酸化性、耐摩耗性に及ぼす影響を比較した。ＴＡ、ＴＢ値が５０ｎｍ以下の本発明例１、２はコランダム構造の酸化物が得られ、２７ＧＰａ以上の高硬度を示した。比較例２４、２５は２２ＧＰａ以下であった。本発明例３、比較例２６〜３３は、ＴＡ、ＴＢ値の特性に及ぼす影響を比較のため、Ｃ１とＣ２ターゲットを交互稼動し、周期を変化させて積層構造を変化させた。本発明例３は、Ｂ層を工具基体側、Ａ層を表面側に被覆した。ＴＡ、ＴＢ値が５０ｎｍ以下の本発明例３はコランダム構造を示した。ＴＡ、ＴＢ値の少なくとも一方が５０ｎｍを超える比較例２６〜３３はγ型の結晶構造であり、皮膜は低硬度で耐摩耗性の改善には至らなかった。本発明例４〜８は、Ｃ１とＣ２を同時に稼動し、アーク電流を変化させ積層構造を変化させて成膜して積層構造の影響を比較した。本発明例４〜８はＴＡ、ＴＢ値が５０ｎｍ以下、コランダム構造が得られた。本発明例６のＲａ値は１２ｎｍ、従来例３８は３４ｎｍと凹凸が存在した。これより被削材が凝着して耐摩耗性は改善しなかった。従来例３９も表面が粗く低硬度であり、突起状の粒子に被削材が凝着し、皮膜の脱落、剥離が起こり摩耗進行を早める欠点を有していた。本発明例は高硬度で平滑化され、切削工具の摩耗幅は従来例に比べ半分以下であった。Ｃ１はアーク電流を１００Ａ以上、Ｃ２は１００Ａ以下とすることにより、ＴＡ／ＴＢ値が１以上となり、皮膜硬度が向上して切削工具の摩耗幅が減少して耐摩耗性の改善効果が顕著だった。本発明例４〜８と積層構造を持たない比較例３４、３５、３６を比較した。比較例３４、３５はγ型結晶構造、比較例３６は非晶質構造であり切削工具の耐摩耗性改善はできなかった。比較例３７は、Ｂ層にＣｒを含まず非晶質構造で、本発明例１に比べ耐摩耗性が劣った。また、ＡＩＰ法でＣｒＮを被覆し酸化処理の後に、スパッタ法により２．８ｋＷでＡｌ酸化物を被覆した従来例３８と、同様にＡｌＣｒ酸化物を被覆した従来例３９は、ＴＡ、ＴＢ値が大きく表面が粗く低硬度のため、突起状の酸化物粒子に被削材が凝着して皮膜が脱落剥離し、摩耗進行が早かった。更に、夫々（ＴｉＡｌ）Ｎと（ＡｌＣｒ）Ｎとを被覆した従来例４０と４１は、耐摩耗性の改善は得られなかった。
ＴＡ、ＴＢ値が３０ｎｍ以下の本発明例６、７と、３０ｎｍを超え５０ｎｍ以下の本発明例１から５、８を比較した。本発明例６、７は逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍ以下、摩耗状態も均一であり、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され耐酸化性、耐摩耗性に優れた。ＴＡ、ＴＢ値を３０ｎｍ以下とすることにより、皮膜の結晶性が向上し、Ａ層、Ｂ層はエピタキシャルに成長しながら、界面が増加する。その結果、高硬度化した。ＴＡ／ＴＢ値が１の本発明例１〜３、５と、１より大きい本発明例４、６〜８とを比較した。本発明例４、６〜８は逃げ面摩耗幅が０．１１ｍｍ以下、摩耗状態も均一で突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐酸化性、耐摩耗性に優れた。ＴＡ／ＴＢ値が大きいときＴＢ層の結晶性が向上し、耐酸化性、耐熱安定性が向上した。Ａ層、Ｂ層の格子が連続成長した本発明例４、６〜８と、連続成長の無い本発明例１〜３、５を比較した。連続成長が存在することにより、刃先の摩耗状態の均一性が向上し、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐酸化性、耐摩耗性に優れた。連続成長の条件は、ＴＢ値を２０ｎｍ以下とすることにより達成できた。
【００２３】
一方、比較例９〜１３はＣ２のみを稼動し、Ａｒと酸素の流量比率を変化させて成膜した。Ａｒのみのときはγ型の酸化物皮膜であり、皮膜表面は粗く低硬度でドロップレットが多く見られた。比較例１４〜２０もＣ２のみを稼動し、酸素と窒素の流量比率を変化させてガス種と流量比の影響を比較した。Ａｒに比べ皮膜表面のドロップレットが低減し平滑性は優れたが、γ型の酸化物皮膜となり低硬度であった。窒素と酸素の混合ガスを用いて成膜することにより、皮膜の窒素含有量が低く、金属：酸素の比が２：３の酸化物皮膜が得られた。特に窒素：酸素の比が、７〜１１：１〜５の条件では、窒素含有量が３％以下の平滑性に優れた酸化物皮膜が得られた。比較例１７、２１〜２３は、成膜温度の影響を比較した。４００〜７００℃の範囲では何れもγ型酸化物皮膜であった。ＡＩＰ法による皮膜の結晶構造は温度に無関係であり、６００℃以下でもコランダム型の酸化物皮膜が得られた。Ａ層上にＢ層を被覆した比較例２６は、γ型酸化物皮膜であった。摩耗状態が不安定で複数のチッピングが確認され、耐酸化性と耐摩耗性の改善はできなかった。
【００２４】
（実施例３）
本発明例６と同一成膜条件を用い、本発明例４２〜５０、比較例５１、５２を作成した。ここではＡ層が、Ｃｒの１部をＳｉ、Ｗ、硼素から選択される１種以上で置換し、Ｂ層が、Ａｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換する効果を確認した。本発明例４２〜５０のＴＡ、ＴＢ値は本発明例６と略同一とした。本発明例４２〜５０、比較例５１、５２は全てＣ２の組成を有する窒化物を中間層として２μｍ、また最表層も窒化物を０．０５〜０．２μｍの範囲で被覆した。中間層の被覆条件は実施例１と同一とした。表４に使用したターゲット組成を示す。
【００２５】
【表４】
【００２６】
本願発明の皮膜は、切削工具の耐酸化性と耐摩耗性を改善できた。本発明例４２のＡｌＣｒＮｂ系は、Ａｌ含有量を７５％まで高めてもコランダム構造の皮膜が得られた。Ｎｂは皮膜のコランダム化を助長し、高硬度化に貢献した。本発明例４３と比較例５１を比較すると、ＡｌとＳｉの含有量の和を７０％以下とすることが好ましい。特にＳｉは皮膜の結晶粒が微細化し、高硬度化と平滑性が得られ、耐摩耗性が改善した。本発明例４５は、結晶粒子が微細化し平滑性が向上した。Ｗ、Ｙは耐酸化性向上に有効であり、耐摩耗性改善に有効であった。硼素は皮膜のコランダム化の助長に加え、潤滑性の改善にも有効であり、耐摩耗性の改善に有効であった。一方、比較例５１、５２のＴＡ／ＴＢ値は本願発明規定の範囲よりも大きく、Ｂ層がＡｌＣｒＳｉ系の比較例５１は、非晶質構造で低硬度を示し、ＡｌＣｒＴｉ系の比較例５２は、コランダム構造とγ型の２種を確認したが、Ｔｉ添加の場合、皮膜は低硬度を示した。これは粗大なＴｉ酸化物が形成され、結晶粒子径が大きくなったからである。何れも、耐摩耗性の改善効果が得られなかった。
【００２７】
（実施例４）
本願発明の皮膜をソリッドドリルに適用し工具寿命を評価した。ソリッドドリルは日立ツール製、直径６ｍｍ、基体はＣｏ：１０％の超微粒超硬合金製、硬度がＨＲＡ９２．３である。被覆方法は実施例１と同一とした。中間層の（ＴｉＡｌ）Ｎを略３μｍ被覆した後、本発明例６、従来例３８、３９の皮膜を略２μｍ被覆し、これらを夫々本発明例５３、従来例５４、５５とした。また、従来例４０、４１被覆したものを従来例５６、５７とした。これらを下記の試験条件で工具寿命を評価した。評価は、コーナー部の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに達した時点の加工穴数又は加工を継続することが出来ない欠損、チッピング等が生じた加工穴数とした。加工穴数は１００穴未満を切捨て、３本の平均寿命とした。評価結果を表５に示す。
（試験条件）
切削方法：止まり穴加工、穴深さ６ｍｍ
クーラント：ＭＱＬ内部給油
被削材：ＦＣＤ７００
主軸回転数：毎分１２ｋ回転
送り：０．２ｍｍ／回転
【００２８】
【表５】
【００２９】
本発明例５３は従来例に比べ３倍以上の加工穴数という長寿命を示し、本願発明の被覆ドリルが優れた耐酸化性と耐摩耗性を有することを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明例６の皮膜断面のＦＥ−ＳＥＭ像を示す。
【図２】図２は、従来例３８の皮膜断面のＦＥ−ＳＥＭ像を示す。
【図３】図３は、本発明例１のＸＲＤ回折結果を示す。
【図４】図４は、本発明例６の皮膜断面のＴＥＭ像を示す。
【図５】図５は、本発明例６の１２５０ｎｍφの制限視野回折像を示す。
【図６】図６は、図４の符号１に示す粒子の高倍率ＴＥＭ像を示す。
【図７】図７は、図４の符号１に示す粒子の１４０ｎｍφの制限視野回折像を示す。
【図８】図８は、図４の符号１に示す粒子の高倍率ＴＥＭ像を示す。
【図９】図９は、図８中の分析スポット１の極微電子線回折写真を示す。
【図１０】図１０は、図８中の分析スポット２の極微電子線回折写真を示す。
【図１１】図１１は、図８の粒子の暗視野ＳＴＥＭ像を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１：粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具基体に物理蒸着により皮膜を被覆し、該皮膜はＡ層とＢ層とを有し、該Ａ層は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、硼素の酸化物、窒化物、硼化物から選択される１種以上、該Ｂ層は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、硼素の酸化物、窒化物、硼化物から選択される２種以上を有し、該Ａ層と該Ｂ層とを被覆した被覆工具において、該Ａ層はＣｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該Ｂ層はＡｌ、Ｃｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該皮膜は該Ａ層と該Ｂ層との交互積層構造を有し、該Ａ層の層厚（ｎｍ）をＴＡ、該Ｂ層の層厚（ｎｍ）をＴＢとしたとき、該ＴＡ値、該ＴＢ値が夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０、膜厚比をＴＡ／ＴＢとしたとき、１≦ＴＡ／ＴＢ≦５、であることを特徴とする被覆工具。
【請求項２】
請求項１記載の被覆工具において、該ＴＡ値、該ＴＢ値が夫々ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０、であることを特徴とする被覆工具。
【請求項３】
請求項１又は２記載の被覆工具において、該Ａ層は、Ｃｒの１部をＳｉ、Ｗ、硼素から選択される１種以上で置換、該Ｂ層は、Ａｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換したことを特徴とする被覆工具。
【請求項４】
請求項１から請求項３何れかに記載の被覆工具において、該工具基体と該皮膜との間には窒化物を含有する中間層、最表面は窒化物を含有する最表層を被覆したことを特徴とする被覆工具。
【請求項５】
請求項１から請求項３何れかに記載の被覆工具において、該Ｂ層は該工具基体側、該Ａ層は表面側に被覆したことを特徴とする被覆工具。
【請求項１】
工具基体に物理蒸着により皮膜を被覆し、該皮膜はＡ層とＢ層とを有し、該Ａ層は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、硼素の酸化物、窒化物、硼化物から選択される１種以上、該Ｂ層は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、硼素の酸化物、窒化物、硼化物から選択される２種以上を有し、該Ａ層と該Ｂ層とを被覆した被覆工具において、該Ａ層はＣｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該Ｂ層はＡｌ、Ｃｒの酸化物を主体、窒化物、硼化物を副体とし、該皮膜は該Ａ層と該Ｂ層との交互積層構造を有し、該Ａ層の層厚（ｎｍ）をＴＡ、該Ｂ層の層厚（ｎｍ）をＴＢとしたとき、該ＴＡ値、該ＴＢ値が夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０、膜厚比をＴＡ／ＴＢとしたとき、１≦ＴＡ／ＴＢ≦５、であることを特徴とする被覆工具。
【請求項２】
請求項１記載の被覆工具において、該ＴＡ値、該ＴＢ値が夫々ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０、であることを特徴とする被覆工具。
【請求項３】
請求項１又は２記載の被覆工具において、該Ａ層は、Ｃｒの１部をＳｉ、Ｗ、硼素から選択される１種以上で置換、該Ｂ層は、Ａｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換したことを特徴とする被覆工具。
【請求項４】
請求項１から請求項３何れかに記載の被覆工具において、該工具基体と該皮膜との間には窒化物を含有する中間層、最表面は窒化物を含有する最表層を被覆したことを特徴とする被覆工具。
【請求項５】
請求項１から請求項３何れかに記載の被覆工具において、該Ｂ層は該工具基体側、該Ａ層は表面側に被覆したことを特徴とする被覆工具。
【図３】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−１６０６９２（Ｐ２００９−１６０６９２Ａ）
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８５４（Ｐ２００８−８５４）
【出願日】平成２０年１月８日（２００８．１．８）
【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２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月８日（２００８．１．８）
【出願人】（０００２３３０６６）日立ツール株式会社 (299)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]