(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具の表面に被覆して設けられる切削工具用硬質被膜であって、
ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る単層膜であり、
原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、
且つ、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内である
ことを特徴とする切削工具用硬質被膜。
【請求項２】
請求項１に記載の切削工具用硬質被膜が表面に被覆して設けられたことを特徴とする硬質被膜被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具の表面に被覆して設けられる切削工具用硬質被膜及びその硬質被膜が設けられた硬質被膜被覆切削工具に関し、特に、耐摩耗性及び耐溶着性を共に向上させるための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドリルやタップ等の切削工具には、耐摩耗性を向上させるために硬質被膜が被覆して設けられる。この切削工具用硬質被膜としては、ＴｉＮ系、ＴｉＡｌＮ系、及びＡｌＣｒ系のコーティングが広く用いられており、その性能を更に向上させるために改良が図られている。例えば、特許文献１に記載された硬質積層被膜がそれである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３３６０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前述したような従来の技術により硬質被膜が形成された切削工具では、その切削加工に際して被削材の種類や切削条件によっては耐溶着性が不十分となるおそれがあった。すなわち、被削材等の溶着により工具の寿命が短くなる場合があり、改良の余地があった。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具の開発が求められていた。
【０００５】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜及び硬質被膜被覆切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
斯かる目的を達成するために、本第１発明の要旨とするところは、切削工具の表面に被覆して設けられる切削工具用硬質被膜であって、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る単層膜であり、原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、且つ、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることを特徴とするものである。
【０００７】
また、前記目的を達成するために、本第２発明の要旨とするところは、上記第１発明の切削工具用硬質被膜が表面に被覆して設けられたことを特徴とする硬質被膜被覆切削工具である。
【発明の効果】
【０００８】
このように、前記第１発明によれば、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る単層膜であり、原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、且つ、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることから、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成され、耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた切削工具用硬質被膜を提供することができる。
【０００９】
また、前記第２発明によれば、前記第１発明の切削工具用硬質被膜が表面に被覆して設けられたものであるため、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成され、耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた硬質被膜被覆切削工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の硬質被膜被覆切削工具の一実施例であるエンドミルを軸心に垂直な方向から見た正面図である。
【図２】本発明の切削工具用硬質被膜がコーティングされた図１のエンドミルの表面部分の断面図である。
【図３】本発明の切削工具用硬質被膜を形成する際に好適に用いられるスパッタリング装置を説明する概略構成図である。
【図４】本発明の効果を検証するために本発明者等が行った試験に関して、その試験に用いられた試験品の被膜構造及び膜厚と、各試験品の試験結果を併せて示す図である。
【図５】本発明の切削工具用硬質被膜の摩擦特性を検証するため、本発明者等が行った試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の切削工具用硬質被膜は、エンドミル、ドリル、正面フライス、総型フライス、リーマ、タップ等の回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具等、種々の切削工具の表面コーティングに好適に適用される。また、工具母材すなわち硬質被膜が設けられる部材の材質としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、他の材料でもよく、本発明の切削工具用硬質被膜は種々の材料から構成された切削工具に広く適用される。
【００１２】
本発明の切削工具用硬質被膜は、切削工具の一部乃至全部の表面に被覆して設けられるものであり、好適には、その切削工具において切削加工に関与する刃部に設けられる。更に好適には、少なくともその刃部における切れ刃乃至すくい面を被覆するように設けられる。
【００１３】
本発明の切削工具用硬質被膜の形成方法としては、スパッタリング法が好適に用いられるが、アークイオンプレーティング法等の他の物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法等の化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いることもできる。
【００１４】
本発明の切削工具用硬質被膜は、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る単層膜であり、原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上とされたものであるが、斯かる数値範囲を外れる場合には十分な耐摩耗性及び耐溶着性が得られず、工具寿命が短くなることが考えられる。原子比ａを０．２以上０．７以下の範囲内、ｂを０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃを０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃを０．１以上とすることで、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた硬質被膜を構成することができる。
【００１５】
本発明の切削工具用硬質被膜の総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内とされたものであるが、硬質被膜の総膜厚が０．２μｍ未満である場合には十分な耐摩耗性及び耐溶着性が得られなくなるおそれがある一方、１０．０μｍを超える場合には靱性が低下して欠けや剥離等が発生し易くなるおそれがあり、何れの場合においても工具寿命が短くなることが考えられる。総膜厚を０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内とすることで、耐摩耗性及び耐溶着性を保証するのに必要十分な厚さを有し、欠けや剥離等が発生し難い硬質被膜を構成することができる。
【実施例】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の硬質被膜被覆切削工具の一実施例であるエンドミル１０を軸心に垂直な方向から見た正面図である。この図１に示すように、本実施例のエンドミル１０は、例えば超硬合金にて構成される工具母材１２にシャンク及び刃部１４が一体に設けられた回転切削工具である。この刃部１４には、切れ刃として外周刃１６及び底刃１８が設けられており、図示しない切削装置に取り付けられてその切削装置により軸心まわりに回転駆動させられることにより、上記外周刃１６及び底刃１８によって被削材に対する切削加工が行われる。
【００１７】
図２は、本発明の切削工具用硬質被膜がコーティングされた上記エンドミル１０の表面部分の断面図である。この図２に示すように、上記エンドミル１０の表面には、その表面を被覆して本発明の切削工具用硬質被膜の一実施例である硬質被膜２０がコーティングされている。図１の斜線部は、上記エンドミル１０においてこの硬質被膜２０が設けられた部分を示しており、この図に示すように、上記硬質被膜２０は、好適には、上記エンドミル１０における刃部１４に対応する工具母材１２の表面に被覆して設けられる。
【００１８】
図２から明らかなように、本実施例の硬質被膜２０は単層膜であり、その総膜厚ｄは０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内とされたものである。また、上記硬質被膜２０は、以下に示す化学組成を満足する材料から構成される。すなわち、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物であって、原子比（混晶比）ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上である。上記原子比ａ〜ｃは、上記数値範囲内において適宜定められる。すなわち、本実施例の硬質被膜２０としては、例えばＴｉ0.5Ｃｒ0.1Ａｌ0.1Ｍｏ0.3Ｎ等が好適に適用される。
【００１９】
図３は、本実施例の硬質被膜２０を形成する際に好適に用いられるスパッタリング装置３０を説明する概略構成図（模式図）である。このスパッタリング装置３０によるスパッタリング工程では、前記硬質被膜２０を構成しているＴｉＡｌ、Ｔｉ等のターゲット３８に電源４０により負の一定のバイアス電圧（例えば−５０〜−６０Ｖ程度）を印加するとともに、バイアス電源３４により前記工具母材１２に負の一定のバイアス電圧（例えば−１００Ｖ程度）を印加することにより、アルゴンイオンＡｒ+を上記ターゲット３８に衝突させてＴｉＡｌ、Ｔｉ等の構成物質を叩き出す。上記電源４０及びバイアス電源３４により印加される電圧はコントローラ３６により制御される。チャンバ３２内には、アルゴンガスの他に窒素ガス（Ｎ2）や炭化水素ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2）等の反応ガスが所定の流量で導入され、その窒素原子Ｎや炭素原子Ｃがターゲット３８から叩き出されたＴｉＡｌやＴｉ等と結合してＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ等となり、前記工具母材１２の表面に硬質被膜として付着させられる。
【００２０】
続いて、本発明の効果を検証するために本発明者等が行った試験について説明する。図４は、この試験に用いられた試験品１〜４５の被膜構造及び膜厚（総膜厚）と、各試験品の試験結果（切削距離及び判定）を併せて示す図である。本発明者等は、工具径６（ｍｍφ）の超硬ドリルに図４に示す各被膜構造及び膜厚の硬質被膜をコーティングして試験品１〜４５を作成し、各試験品について以下の切削条件で切削試験を行った。なお、この図４に示す試験品１〜４５のうち、試験品１〜３７が本実施例の硬質被膜２０が適用された本発明品に相当し、試験品３８〜４５が本発明の要件を満たさない硬質被膜が適用された非発明品に相当する。また、これら試験品３８〜４５のうち、試験品３８、３９がＴｉＡｌＮから成る硬質被膜が適用された従来品（従来技術による硬質被膜被覆切削工具）に相当し、試験品４０〜４５がＴｉＣｒＡｌＭｏＮから成る硬質被膜が適用されたものであるが、その原子比が本発明の数値範囲を逸脱する比較試料に相当する。
【００２１】
［切削条件］
・試験品：超硬ドリル  工具径６（ｍｍφ）
・被削材：Ｓ２５Ｃ（ＪＩＳ規格）
・切削方法：穴加工
・切削速度：１００（ｍ／ｍｉｎ）
・送り速度：１０６１（ｍｍ／ｍｉｎ）
・加工深さ：１６（ｍｍ）
・切削油：水溶性
【００２２】
図４に※１で示す切削距離（ｍ）は、逃げ面摩耗幅が０．２（ｍｍ）以内である場合の切削距離である。また、※２で示す判定結果は、逃げ面摩耗幅が０．２（ｍｍ）以内の工具寿命が切削距離１０（ｍ）以上継続することを合格判定基準とし、その合格判定基準を満たす合格品を○で、合格基準を満たさない不合格品を×でそれぞれ示している。前述のように、図４に示す試験品１〜３７は、何れもＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物（ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cＮ）から成る単層膜であり、原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、且つ、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内である本実施例の硬質被膜２０が適用されたものである。本試験の結果、これら試験品１〜３７については、何れも上記合格判定基準を満たし、良好な切削が行われていることがわかる。
【００２３】
一方、図４に示す試験品３８は、Ｔｉ0.48Ａｌ0.52Ｎから成る膜厚１０．０（μｍ）の硬質被膜が形成されたもの、試験品３９はＴｉ0.50Ａｌ0.50Ｎから成る膜厚５．０（μｍ）の硬質被膜が形成されたものであり、何れも従来技術の硬質被膜が適用された非発明品に相当する。本試験の結果、これらの試験品３８、３９については、何れも上記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。
【００２４】
また、図４に示す試験品４０は、Ｔｉ0.48Ｃｒ0.22Ａｌ0.009Ｍｏ0.29Ｎから成る膜厚０．１８（μｍ）の硬質被膜が形成されたものであり、Ｃｒの原子比ｂが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱すると共に、Ａｌの原子比ｃが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱する。更に、膜厚が本発明に係る０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内から逸脱する。本試験の結果、この試験品４０については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、Ｃｒの原子比ｂは０．２以下、Ａｌの原子比ｃは０．０１以上、膜厚は０．２μｍ以上とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。
【００２５】
また、図４に示す試験品４１は、Ｔｉ0.71Ｃｒ0.01Ａｌ0.21Ｍｏ0.07Ｎから成る膜厚１０．０（μｍ）の硬質被膜が形成されたものであり、Ｔｉの原子比ａが本発明に係る０．２以上０．７以下の範囲内から逸脱すると共に、Ａｌの原子比ｃが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱する。更に、Ｍｏの原子比１−ａ−ｂ−ｃが０．１未満となっている。本試験の結果、この試験品４１については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、Ｔｉの原子比ａは０．７以下、Ａｌの原子比ｃは０．２以下、Ｍｏの原子比１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。
【００２６】
また、図４に示す試験品４２は、Ｔｉ0.70Ｃｒ0.04Ａｌ0.21Ｍｏ0.05Ｎから成る膜厚５．５（μｍ）の硬質被膜が形成されたものであり、Ａｌの原子比ｃが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱すると共に、Ｍｏの原子比１−ａ−ｂ−ｃが０．１未満となっている。本試験の結果、この試験品４２については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、Ａｌの原子比ｃは０．２以下、Ｍｏの原子比１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。
【００２７】
また、図４に示す試験品４３は、Ｔｉ0.65Ｃｒ0.05Ａｌ0.15Ｍｏ0.15Ｎから成る膜厚１０．２（μｍ）の硬質被膜が形成されたものであり、膜厚が本発明に係る０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内から逸脱する。本試験の結果、この試験品４３については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、膜厚は１０．０μｍ以下とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。
【００２８】
また、図４に示す試験品４４は、Ｔｉ0.19Ｃｒ0.14Ａｌ0.05Ｍｏ0.62Ｎから成る膜厚９．９（μｍ）の硬質被膜が形成されたものであり、Ｔｉの原子比ａが本発明に係る０．２以上０．７以下の範囲内から逸脱する。本試験の結果、この試験品４４については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、Ｔｉの原子比ａは０．２以上とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。
【００２９】
また、図４に示す試験品４５は、Ｔｉ0.31Ｃｒ0.33Ａｌ0.21Ｍｏ0.15Ｎから成る膜厚５．５（μｍ）の硬質被膜が形成されたものであり、Ｃｒの原子比ｂが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱すると共に、Ａｌの原子比ｃが本発明に係る０．０１以上０．２以下の範囲内から逸脱する。本試験の結果、この試験品４５については前記合格判定基準を満たさず、良好な切削が行われなかったことがわかる。この結果から特に、Ｃｒの原子比ｂは０．２以下、Ａｌの原子比ｃは０．２以下とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。
【００３０】
以上の説明から明らかなように、図４に示す本試験の結果から、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る単層膜であって、原子比ａが０．２以上０．７以下の範囲内、ｂが０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃが０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃが０．１以上であり、且つ、総膜厚が０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内である本実施例の硬質被膜２０が適用された切削工具において良好な切削性能が得られる一方、各数値範囲を逸脱する構成の硬質被膜が適用された切削工具においては良好な切削性能が得られないことがわかった。すなわち、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられ、その総ての数値範囲を満たすことによってはじめて、従来の技術に比べて優れた切削性能を示す硬質被膜乃至硬質被膜被覆切削工具を実現できることが検証された。
【００３１】
図５は、本実施例の硬質被膜２０の摩擦耐久特性を検証するため、本発明者等が行った試験の結果を示すグラフである。本発明者等は、よく知られた超硬圧子に本実施例の硬質被膜２０をコーティングした実施例試料及び従来の硬質被膜をコーティングした比較例試料を作成し、それらの摩擦耐久特性を比較する試験を行った。すなわち、本実施例の硬質被膜２０としてＴｉ0.5Ｃｒ0.1Ａｌ0.1Ｍｏ0.3Ｎから成る厚さ３.０μｍの単層膜を施した実施例試料と、従来の硬質被膜としてＴｉ0.5Ａｌ0.5Ｎから成る厚さ３.０μｍの単層膜を施した比較例試料とを作成し、以下の条件で摩擦耐久試験を行った。
【００３２】
［試験条件］
・試験品：超硬圧子  ＪＩＳ  Ｒ１６１３「ファインセラミックスのボールオンディスク法による摩擦磨耗試験方法」に規定された圧子であり、φ５ｍｍ（先端Ｒ形状）
・被摩擦材：Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳ規格）
・加重：２００（ｇ）
・摩擦速度：２５０（ｍｍ／ｓ）
・摩擦時間：６００（ｓ）
・温度：２１（℃）
・湿度：５２（％）
【００３３】
図５では、上記摩擦耐久試験の結果として、Ｔｉ0.5Ｃｒ0.1Ａｌ0.1Ｍｏ0.3Ｎから成る厚さ３.０μｍの単層膜を施した実施例試料の結果を実線で、Ｔｉ0.5Ａｌ0.5Ｎから成る厚さ３.０μｍの単層膜を施した比較例試料の結果を破線でそれぞれ示している。この図５に示すように、本実施例の硬質被膜２０を施した試料では、従来の硬質被膜を施した試料に比べて、６００（ｓ）に渡る試験時間を通して摩擦係数が概ね４０〜５０％程度低い値を示し、優れた摩擦特性（潤滑性）を示すという結果が得られた。また、従来品には大きな剥離が見られた。この結果は、本実施例の硬質被膜２０を施した試料では、従来の硬質被膜を施した試料に比べて摩耗し難いという性質を示しており、また、被削材（被摩擦材）の溶着が発生し難いという性質を裏付けている。このように、本実施例の硬質被膜２０を施した試料が従来の硬質被膜を施した試料に比べて優れた耐摩耗性及び耐溶着性を示すのは、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成されているためと考えられる。以上の結果から、本実施例の硬質被膜２０が適用された切削工具においては、従来の技術に比べて優れた耐摩耗性及び耐溶着性を実現できることが検証された。
【００３４】
このように、本実施例によれば、前記エンドミル１０をはじめとする切削工具の表面に被覆して設けられる硬質被膜２０であって、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る単層膜であり、原子比ａは０．２以上０．７以下の範囲内、ｂは０．０１以上０．２以下の範囲内、ｃは０．０１以上０．２以下の範囲内、１−ａ−ｂ−ｃは０．１以上であり、且つ、総膜厚は０．２μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることから、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成され、耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えた硬質被膜２０を提供することができる。
【００３５】
また、本実施例によれば、前記硬質被膜２０が表面に被覆して設けられた切削工具としてのエンドミル１０であるため、被膜中にＭｏを含有することで被膜表面にＭｏ酸化物が形成され、耐溶着性に優れると共に高硬度の被膜が得られる。すなわち、優れた耐摩耗性及び耐溶着性を兼ね備えたエンドミル１０を提供することができる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【００３７】
１０：エンドミル（硬質被膜被覆切削工具）
２０：切削工具用硬質被膜
ｄ：総膜厚
【図１】
0005610218.tif 000002
【図２】
0005610218.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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