(57)【要約】【課題】  回転工具の切削加工のように切刃に断続的に衝撃がかかる切削条件においても工具寿命が長い切削工具を提供する。【解決手段】  基体の表面がＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層で被覆された切削工具であって、前記被覆層のＣｕ−Ｋα線のＸ線回折測定についての（１１１）面および（２００）面の回折ピークの回折角度をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とするとき、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎが、前記被覆層を厚み方向に対して斜めに研磨した研磨面にて測定したときの値２θ（１１１）Ｇ、２θ（２００）Ｇに比べてそれぞれ０．１°以上低角度側に検出されることを特徴とする切削工具である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面がＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層で被覆された切削工具であって、前記被覆層のＣｕ−Ｋα線のＸ線回折測定についての（１１１）面および（２００）面の回折ピークの回折角度をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とするとき、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎが、前記被覆層を厚み方向に対して斜めに研磨した研磨面にて測定したときの値２θ（１１１）Ｇ、２θ（２００）Ｇに比べてそれぞれ０．１°以上低角度側に検出されることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
未研磨の前記被覆層の厚みが４〜１５μｍであることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
前記被覆層の未研磨面で測定したときの値２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎと、前記研磨面において前記被覆層が２μｍ厚み残存する位置を中心として測定したときの値２θ（１１１）Ｇ２μｍ、２θ（２００）Ｇ２μｍとを比較した際、２θ（１１１）Ｇ２μｍと２θ（１１１）Ｎとの差が０．２〜０．６°であり、２θ（２００）Ｇ２μｍと２θ（２００）Ｎとの差が０．１〜０．５°であることを特徴とする請求項２記載の切削工具。
【請求項４】
前記被覆層の未研磨面で測定したときのＸ線回折測定についての（１１１）面および（２００）面の回折ピークのピーク強度をそれぞれＰ（１１１）、Ｐ（２００）とするとき、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値Ｐ（１１１）ＮとＰ（２００）Ｎとの比率Ｐ（２００）Ｎ／Ｐ（１１１）Ｎが、前記被覆層を厚み方向に対して斜めに研磨した研磨面にて測定したときの値Ｐ（１１１）ＧとＰ（２００）Ｇとの比率Ｐ（２００）Ｇ／Ｐ（１１１）Ｇに比べて大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。
【請求項５】
前記被覆層が柱状結晶の集合体から構成されており、表面側における前記柱状結晶の平均結晶幅が前記基体側における前記柱状結晶の平均結晶幅よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基体の表面に被覆層を成膜してなる切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具は耐摩耗性や摺動性、耐欠損性が必要とされるため、ＷＣ基超硬合金やＴｉＣＮ基サーメット等の硬質基体の表面に様々な被覆層を成膜して工具の耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。
【０００３】
かかる被覆層として、ＴｉＣＮ層やＴｉＡｌＮ層が一般的に広く採用されているが、より高い耐摩耗性と耐欠損性の向上を目的として種々な被覆層が開発されつつある。
【０００４】
例えば、特許文献１では、ＣＶＤ法においてＴｉＣＮ膜のＣ／（Ｃ＋Ｎ）比を大きくしてＴｉＣＮ膜のＸ線回折測定における回折ピークの回折角２θが低角度側にシフトすることが開示されている。また、特許文献２では、物理蒸着法で得られた非晶質硬質膜ＡｌＭ（ＮＯ）は、蒸着時のＮ２ガス分圧を大きくすることによって、Ｘ線回折ピークが低角度にシフトすることが開示されている。上記特許文献１、２のように、Ｔｉ系被覆層においてＸ線回折における回折強度を制御して被覆層の特性を制御することが知られている。
【特許文献１】特開２００８−８７１５０号公報
【特許文献２】特開２００６−３２５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、フライス切削やドリル加工、エンドミル加工等の断続的な衝撃がかかる回転工具の加工に用いる切削工具では、特許文献１、２のように、被覆層全体のＸ線回折ピークをシフトさせた被覆層では、被覆層の硬度や耐酸化性を高めることはできるものの、切刃において被覆層のチッピングや剥離が生じやすいという問題があった。そのため、このような被覆層の剥離を予防するために、被覆層の厚みを薄くして被覆層のチッピングや剥離を抑制していた。その結果、被覆層の耐摩耗性が充分とは言えなかった。
【０００６】
本発明は、回転工具の切削加工のように切刃に断続的に衝撃がかかる切削条件においても工具寿命が長い切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の切削工具は、基体の表面がＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層で被覆された切削工具であって、前記被覆層のＣｕ−Ｋα線のＸ線回折測定についての（１１１）面および（２００）面の回折ピークの回折角度をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とするとき、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎが、前記被覆層を厚み方向に対して斜めに研磨した研磨面にて測定したときの値２θ（１１１）Ｇ、２θ（２００）Ｇに比べてそれぞれ０．１°以上低角度側に検出されることを特徴とする。
【０００８】
ここで、未研磨の前記被覆層の厚みが４〜１５μｍであることが望ましい。
【０００９】
また、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎと、前記研磨面において前記被覆層が２μｍ厚み残存する位置を中心として測定したときの値２θ（１１１）Ｇ２μｍ、２θ（２００）Ｇ２μｍとを比較した際、２θ（１１１）Ｇ２μｍと２θ（１１１）Ｎとの差が０．２〜０．６°であり、２θ（２００）Ｇ２μｍと２θ（２００）Ｎとの差が０．１〜０．５°であることが望ましい。
【００１０】
さらに、前記被覆層の未研磨面で測定したときのＸ線回折測定についての（１１１）面および（２００）面の回折ピークのピーク強度をそれぞれＰ（１１１）、Ｐ（２００）とするとき、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値Ｐ（１１１）ＮとＰ（２００）Ｎとの比率Ｐ（２００）Ｎ／Ｐ（１１１）Ｎが、前記被覆層を厚み方向に対して斜めに研磨した研磨面にて測定したときの値Ｐ（１１１）ＧとＰ（２００）Ｇとの比率Ｐ（２００）Ｇ／Ｐ（１１１）Ｇに比べて大きいことが望ましい。
【００１１】
また、前記被覆層が柱状結晶の集合体から構成されており、表面側における前記柱状結晶の平均結晶幅が前記基体側における前記柱状結晶の平均結晶幅よりも大きいことが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の切削工具によれば、被覆層のＣｕ−Ｋα線のＸ線回折測定についての（１１１）面および（２００）面の回折ピークの回折角度をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とするとき、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎが、前記被覆層を厚み方向に対して斜めに研磨した研磨面にて測定したときの値２θ（１１１）Ｇ、２θ（２００）Ｇに比べてそれぞれ０．１°以上低角度側に検出されることによって、基体側の被覆層においては基体との密着性が良くて、被覆層の剥離を抑制できる。一方、被覆層の表面側では、一般的に圧縮応力が増大して自己破壊しやすくなるが、本発明の被覆層については表面における応力が緩和されて被覆層の耐欠損性が向上することに寄与する。
【００１３】
ここで、未研磨の前記被覆層の厚みが４〜１５μｍであることが、被覆層の回折ピークの回折角を制御しやすい点で望ましい。
【００１４】
また、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎと、前記研磨面において前記被覆層が２μｍ厚み残存する位置を中心として測定したときの値２θ（１１１）Ｇ２μｍ、２θ（２００）Ｇ２μｍとを比較した際、２θ（１１１）Ｇ２μｍと２θ（１１１）Ｎとの差が０．２〜０．６°であり、２θ（２００）Ｇ２μｍと２θ（２００）Ｎとの差が０．１〜０．５°であることが、前記被覆層の硬度が上昇し、耐摩耗性を向上させるために望ましい。
【００１５】
さらに、前記被覆層の未研磨面で測定したときのＸ線回折測定についての（１１１）面および（２００）面の回折ピークのピーク強度をそれぞれＰ（１１１）、Ｐ（２００）とするとき、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値Ｐ（１１１）ＮとＰ（２００）Ｎとの比率Ｐ（２００）Ｎ／Ｐ（１１１）Ｎが、前記被覆層を厚み方向に対して斜めに研磨した研磨面にて測定したときの値Ｐ（１１１）ＧとＰ（２００）Ｇとの比率Ｐ（２００）Ｇ／Ｐ（１１１）Ｇに比べて大きいことが、前記被覆層の靭性を向上させるために望ましい。
【００１６】
また、前記被覆層が柱状結晶の集合体から構成されており、表面側における前記柱状結晶の平均結晶幅が前記基体側における前記柱状結晶の平均結晶幅よりも大きいことが、被覆層の耐摩耗性を高める点で望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の切削工具は、基体の表面にＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被膜が被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする構成となっている。
【００１８】
そして、本発明によれば、切削工具の前記被覆層のＣｕ−Ｋα線のＸ線回折測定についての（１１１）面および（２００）面の回折ピークの回折角度をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とするとき、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎが、前記被覆層を厚み方向に対して斜めに研磨した研磨面にて測定したときの値２θ（１１１）Ｇ、２θ（２００）Ｇに比べてそれぞれ０．１°以上低角度側に検出されることを特徴とする。これによって、基体側の被覆層においては基体との密着性が良くて、被覆層の剥離を抑制できる。一方、被覆層の表面側では、内部応力が緩和されて被覆層の自己破壊を抑制できる結果、切削工具の耐欠損性が向上することに寄与する。なお、本発明における研磨面でＸ線回折測定をする際は、基体側から被覆層の厚みの１／２以下の厚みの位置、すなわち基体側に近い位置で測定する。
【００１９】
ここで、未研磨の前記被覆層の厚みが４〜１５μｍであることが、被覆層の回折ピークの回折角を制御しやすい点で望ましい。
【００２０】
また、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎと、前記研磨面において前記被覆層が２μｍ厚み残存する位置を中心として測定したときの値２θ（１１１）Ｇ２μｍ、２θ（２００）Ｇ２μｍとを比較した際、２θ（１１１）Ｇ２μｍと２θ（１１１）Ｎとの差が０．２〜０．６°であり、２θ（２００）Ｇ２μｍと２θ（２００）Ｎとの差が０．１〜０．５°であることが、前記被覆層の硬度が上昇し、耐摩耗性を向上させるために望ましい。
【００２１】
さらに、前記被覆層の未研磨面で測定したときのＸ線回折測定についての（１１１）面および（２００）面の回折ピークのピーク強度をそれぞれＰ（１１１）、Ｐ（２００）とするとき、前記被覆層の未研磨面で測定したときの値Ｐ（１１１）ＮとＰ（２００）Ｎとの比率Ｐ（２００）Ｎ／Ｐ（１１１）Ｎが、前記被覆層を厚み方向に対して斜めに研磨した研磨面にて測定したときの値Ｐ（１１１）ＧとＰ（２００）Ｇとの比率Ｐ（２００）Ｇ／Ｐ（１１１）Ｇに比べて大きいことが、前記被覆層の靭性を向上させるために望ましい。
【００２２】
また、前記被覆層が柱状結晶の集合体から構成されており、表面側における前記柱状結晶の平均結晶幅が前記基体側における前記柱状結晶の平均結晶幅よりも大きいことが、被覆層の耐摩耗性を高める点で望ましい。
【００２３】
なお、被膜は、単純なＴｉ１−ａＡｌａＮにて構成されていても良いが、例えば、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦ｘ≦１である。）にて構成されていてもよい。中でも、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなることが耐酸化性、耐摩耗性および耐欠損性を高める点で望ましい。さらには、上記組成の中でも、Ｔｉ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄＡｌａＭｂＷｃＳｉｄ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなることが望ましく、この組成領域では、酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くて切削時の耐摩耗性が向上するとともに切刃先端に発生しやすいチッピングが抑制できて耐欠損性が高いものとなる。また、金属ＭはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であるが、中でもＮｂまたはＭｏを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に最も優れる点で望ましい。
【００２４】
さらに、被膜の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被膜表面に発生するドロップレットの過剰な発生を抑制するために、ｘ（Ｃ含有比率）の特に望ましい範囲は０≦ｘ≦０．５である。なお、被膜の組成はエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。
【００２５】
また、基体としては、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やサーメットの他、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、セラミックス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。
【００２６】
（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。
【００２７】
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。次に、基体の表面に、被膜を成膜する。被膜の成膜方法として、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。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被膜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（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用いる。
【００２８】
本発明によれば、成膜初期に蒸発させる金属の組成と成膜後期に蒸発させる金属の組成とを変えて、成膜初期に蒸発させる金属の組成に比べて成膜後期に蒸発させる金属の組成がイオン半径の大きな金属の含有比率が大きくなるように設定する。また、このとき、本発明によれば、成膜条件としては、このターゲットを用いて、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）ガスと反応させる条件が好適に採用できる。このとき、成膜初期におけるバイアス電圧を１００〜２００Ｖに設定して成膜を開始するとともに、成膜後期におけるバイアス電圧を成膜初期のバイアス電圧に比べて２０〜７５Ｖと低くして成膜する。また、成膜初期における基体の温度を４００〜５００℃に設定して成膜を開始するとともに、成膜後期における基体の温度を成膜初期の基体の温度に比べて５００〜６５０℃と高くして成膜する。これによって、成膜される被覆層の結晶構造を制御して、Ｘ線回折ピークの回折角度を上述した範囲に制御することができる。
【００２９】
なお、成膜に際しては、窒素（Ｎ２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを用いて、イオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被膜を成膜する。
【実施例】
【００３０】
平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．２質量％、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．８質量％の割合で添加、混合し、ミリングインサート（京セラ製スローアウェイチップBDMT11T304-JT）に成型して焼成した。そして、研削工程を経た後、アルカリ、酸、蒸留水の順によって表面を洗浄してインサート基体を作製した。
【００３１】
そして、表１に示すターゲットを装着したアークイオンプレーティング装置内に上記基体をセットし基体を表１に示す温度に加熱して表１に示す被膜を成膜した。なお、メインターゲットはチャンバの側壁面に３個、サブターゲットはチャンバの上壁面に１個セットし、成膜時間の半分までを成膜前期、成膜時間の半分が過ぎた時点から成膜終了までを成膜後期として、成膜前半ではメインターゲットのみを用いて成膜し、成膜後期にはメインターゲットとサブターゲットの両方を用いて成膜した。また、表１に示す以外の成膜条件は窒素ガスを総圧力４Ｐａの雰囲気中、アーク電流１５０Ａで一定とした。
【００３２】
【表１】
2010125539.tif 000002
【００３３】
得られたインサートについて、キーエンス社製走査型電子顕微鏡（VE8800）を用いて倍率５００００倍にて組織観察を行い、被膜を構成する結晶の形状や膜厚（ｔｒ、ｔｆ）を確認した。また、同装置に付随のＥＤＡＸアナライザ（AMETEK EDAX-VE9800）を用いて加速電圧１５ｋＶにてエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法の一種であるＺＡＦ法により被膜の組成の定量分析を行い、すくい面と逃げ面それぞれについてＴｉとＡｌの比率であるＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）を算出した（Ｔｉｒ、Ｔｉｆ）。なお、この方法で測定できなかった元素については、ＰＨＩ社製Ｘ線光電子分光分析装置（Quantum2000）を用い、Ｘ線源はモノクロＡｌＫ（２００μｍ、３５Ｗ、１５ｋＶ）を測定領域約２００μｍに照射して測定を行った。結果は表２に示した。
【００３４】
【表２】
2010125539.tif 000003
【００３５】
また、走査型電子顕微鏡ＳＥＭ写真から被覆層の膜厚を測定した。そして、微小部Ｘ線回折分析を行い、ピーク強度比Ｉ（４００）／Ｉ（３３１）の測定を行った。コリメータ径は０．３ｍｍφとし、それぞれの面の平坦部中央において測定した。なお、線源はＣｕ−Ｋα線であり、出力は４５ｋＶ、１１０ｍＡ、入射角度２．０°、Ｃｕ−Ｋα線、Ｓｔｅｐ・０．０２°、Ｔｉｍｅ・２ｓｅｃとした。Ｘ線回折分析で得られえた回折ピークからｐｒ、ｐｆを算出した。果は表３に記載した。
【００３６】
さらに、得られたインサート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３に記載した。
切削方法：肩削り（ミリング加工）
被削材  ：ＳＫＤ１１
切削速度：１５０ｍ／分
送り    ：０．１２ｍｍ／刃
切り込み：横切り込み１０ｍｍ、深さ切り込み３ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：２０分間切削した時点で、逃げ面摩耗量と切刃におけるチッピング状態を測定。
【００３７】
ただし、加工時間２０分前に欠損した試料については欠損した時点での摩耗量を測定。
【００３８】
【表３】
2010125539.tif 000004
【００３９】
表１〜３より、２θ（２００）Ｎと２θ（２００）Ｇとが同じ回折角に検出された試料Ｎｏ．１１および２θ（２００）Ｎよりも２θ（２００）Ｇが高角度側に検出された試料Ｎｏ．１２では、被覆層にチッピングが発生して早期に欠損した。ピークシフトが小さくて２θ（２００）Ｎよりも２θ（２００）Ｇの差が０．１°より小さかった試料Ｎｏ．１３では摩耗の進行が早かった。基体側から表面まで単一な組織からなる試料Ｎｏ．１４では耐摩耗性も耐欠損性も不十分であった。２θ（１１１）Ｇ、２θ（２００）Ｇともに２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎよりも高角度側に検出された試料Ｎｏ．１５では自己破壊により早期に被覆層中にチッピングが発生して摩耗の進行も早いものであった。
【００４０】
これに対し、２θ（１１１）Ｎ、２θ（２００）Ｎが２θ（１１１）Ｇ、２θ（２００）Ｇに比べてそれぞれ低角度側に検出された試料Ｎｏ．１〜１０では、耐欠損性と耐摩耗性が良くて切削性能に優れたものであった。