(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度工具鋼を母材とする工具において次の（ａ）から（ｃ）の条件を満足させたことを特徴とする複合多層被覆工具；
（ａ）イオンプレ−ティング法による被覆膜の成分がＴｉ、Ｃ、Ｎよりなる複合膜であり、
（ｂ）膜の多層構成が１０層以上の構造からなり、被覆膜の全体の膜厚が２．０μｍ〜６．０μｍであり、その被覆膜の構成が原子比炭素比率＝Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）＝ｔとして膜厚が０．２μｍ〜０．９μｍのＴｉＮ又はＴｉＣＮ（０≦ｔ≦０．２）の均一組織を前記母材に接する最下層として第１層に成膜し、さらにその上にいずれも膜厚が０．１μｍ〜０．５μｍの第２層としてＴｉＣＮ（０．３≦ｔ≦０．７）及びその上に第３層としてＴｉＮ又はＴｉＣＮ（０≦ｔ≦０．２）を積層し、以後いずれも膜厚が０．１μｍ〜０．５μｍの前記第２層及び前記第３層の成分の膜を順次少なくとも３回以上繰り返して積層し、そして最上層に膜厚が０．２μｍ〜１．０μｍのＴｉＣＮ（０．３≦ｔ≦０．７）を積層して、全体の層数が１０層〜２０層であることを特徴とし、
（ｃ）その被覆工具の特性が、
（１）母材は６０ＨＲＣ以上の硬度を有し、５０ｇ重の荷重を付加するマイクロビッカ−ス硬度計で１９００以上、４０００ＨＶ以下、Ｒｙ５μｍ以下の面粗さであり、
（２）前記被覆膜に通常のＣスケ−ルロックウェル硬度計を押圧した場合に生じる圧痕を１００倍の倍率で観察した結果、圧痕の外側周囲１ｍｍ以上の範囲で膜の剥離が認められない。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具の寿命向上を目的として高速度工具鋼を母材とする工具本体に複合多層被覆を施した複合多層被覆工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の物理蒸着法による被覆工具はＴｉＮを中心に各種の切削工具に応用されている。物理蒸着法ではイオンプレ−ティングやスパッタリングが用いられ、低温（〜６００℃）での被覆が可能なため高速度工具鋼やダイス鋼を母材にした工具に適用されている。ＴｉＮは比較的靭性に富む被覆膜であるがＴｉ系ではこの他にＴｉＣ、ＴｉＣＮ膜が良く知られている。
【０００３】
ＴｉＣＮは非常に硬度が高く、耐摩耗性に優れているが炭素成分と窒素成分の比率により特性が変化して、代表的な５０％窒素５０％炭素近傍のＴｉＣＮを被覆した工具、特にフライス工具などは刃先に欠損を生じるため使用されない場合があった。これは硬度が上昇することにより耐摩耗性が向上する反面、強度が低く衝撃に弱いため切削工具として適用するには高硬度としての特性が欠点となるからである。この欠点を補うべく例えば特公昭６２−４２９９５号公報では、最初に膜厚が０．５μｍ〜１．０μｍのＴｉＮ膜を被覆した後に少なくとも膜厚が１．０μｍ以上のＴｉＣ膜又はＴｉＣＮ膜を被覆して２層構造としているが、このような膜厚が１．０μｍ以上のＴｉＣ膜又はＴｉＣＮ膜を積層する方法では被膜強度が十分に確保できず層間剥離を生ずる場合があった。また特開平６−１０１０１８号公報では、最初に膜厚が０．１μｍ〜３．０μｍのＴｉＮ膜を被覆した後にＴｉＮ膜とＴｉＣＮ膜を３層積層する方法により被膜強度の改善を図っているが、膜厚が１．０μｍ以上のＴｉＣ膜では被膜強度が十分に確保できず層間剥離を生ずる場合があり、このような４層構造では多層効果が発揮されず十分な靭性を得ることができなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高速度工具鋼を母材とする工具の表面にＴｉＣＮ系高硬度硬質複合被膜の多層膜を形成することにより母材との密着性を高め、膜応力を緩和して工具切削中の欠損を引き起こさないような高い靭性を有し、かつ耐摩耗性に優れる被膜を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、高速度工具鋼を母材とする工具において次の（ａ）から（ｃ）の条件を満足させた；
（ａ）イオンプレ−ティング法による被覆膜の成分がＴｉ、Ｃ、Ｎよりなる複合膜であり、
（ｂ）膜の多層構成が１０層以上の構造からなり、被覆膜の全体の膜厚が２．０μｍ〜６．０μｍであり、その被覆膜の構成が原子比炭素比率＝Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）＝ｔとして膜厚が０．２μｍ〜０．９μｍのＴｉＮ又はＴｉＣＮ（０≦ｔ≦０．２）の均一組織を前記母材に接する最下層として第１層に成膜し、さらにその上にいずれも膜厚が０．１〜０．５μｍの第２層としてＴｉＣＮ（０．３≦ｔ≦０．７）及びその上に第３層としてＴｉＮ又はＴｉＣＮ（０≦ｔ≦０．２）を積層し、以後いずれも膜厚が０．１〜０．５μｍの前記第２層及び前記第３層の成分の膜を順次少なくとも３回以上繰り返して積層し、そして最上層に膜厚が０．２μｍ〜１．０μｍのＴｉＣＮ（０．３≦ｔ≦０．７）を積層して、全体の層数が１０層〜２０層であることを特徴とし、
（ｃ）その被覆工具の特性が、
（１）母材は６０ＨＲＣ以上の硬度を有し、５０ｇ重の荷重を付加するマイクロビッカ−ス硬度計で１９００以上、４０００ＨＶ以下、Ｒｙ５μｍ以下の面粗さであり、
（２）前記被覆膜に通常のＣスケ−ルロックウェル硬度計を押圧した場合に生じる圧痕を１００倍の倍率で観察した結果、圧痕の外側周囲１ｍｍ以上の範囲で膜の剥離が認められない、ことを特徴とする複合多層被覆工具を提供することで従来技術の課題を解決した。
【０００６】
ＴｉＮ又はＴｉＣＮの原子比炭素比率＝ｔを第１層で０≦ｔ≦０．２としたのは母材との密着性を高め、膜応力の上昇を極力押えるためには高速度工具鋼に対して密着力の高いＴｉＮ（ｔ＝０）または炭素濃度の低いＴｉＣＮ（０＜ｔ≦０．２）のが望ましいからであり、第２層でＴｉＣＮ（０．３≦ｔ≦０．７）としたのは図２に示すＴｉＣＮ被覆膜の炭素濃度と硬さの関係から、耐摩耗性を確保するためにはＴｉＣＮ被覆膜は最も被膜が硬くかつ被膜組織が緻密であることが必要であり、ｔ＜０．３では被膜の硬さが十分ではなく、ｔ＞０．７では被膜の硬さは高いが組織が緻密でなくなる欠点を持っていることにより上記範囲に限定した。また積層を図１に示すように１０層以上にしたのは、１０層以下では耐欠損性に対する多層効果が顕著でなくなるからであり、２０層以上では１層あたりの膜自身のもつ強度が不足するためである。そして最上層を第２層のＴｉＣＮ（０．３≦ｔ≦０．７）としたのは、工具最表面を高硬度被膜にすることで切削の切削抵抗を低減させることができるからである。また、この発明の複合多層膜工具の各層の膜厚を０．１μｍ〜０．９μｍとしたのは、膜厚が０．１μｍ未満では優れた耐溶着性を確保することができず、一方で膜厚が０．９μｍを越えると被膜強度が十分に確保できず層間剥離を生ずる場合があるからである。さらに全体の膜厚を２．０μｍ〜６．０μｍとしたのは、膜厚が２．０μｍ未満では優れた耐摩耗性を確保することができず、一方で膜厚が６．０μｍを越えると刃先が欠損しやすくなることによる。
【０００７】
本発明は高硬度のＴｉＣＮ膜の特性を切削工具に最大限利用しようとするために被膜の複合多層構成を考案したものであり、上述した特公昭６２−４２９９５号公報及び特開平６−１０１０１８号公報とは多層膜の構成主旨から全く異るものである。すなわちＴｉＣＮはイオンプレ−ティング等で成膜される場合には組織は微細となり、膜応力が大きいことが知見として得られている。（日本機械学会発行『日本機械学会第７０回通常総会講演会講演論文集』〔1993.3.31〜4.2八王子〕331頁、332頁）。またＴｉＣＮ膜の硬さも炭素濃度の増加に伴って高硬度化することも図２に示した。したがってＴｉＣＮ膜を工具へ適用する場合は高硬度のＴｉＣＮ層を厚くすると膜応力が大きくなり母材との応力状態のギャップから膜自体が破壊することが推定される。そこで、本発明では母材の表面に膜厚が０．２μｍ〜０．９μｍのＴｉＮまたは炭素成分の低いＴｉＣＮ層を配置することによって密着性を高め、かつ膜厚が０．１μｍ〜０．５μｍの炭素を多く含んだ高硬度のＴｉＣＮ層との交互の積層により断続的に炭素成分を分配することで膜応力の増加を極力押え、靭性を損なうことなくＴｉＣＮ膜を工具に被覆できた。
【０００８】
日本工業出版が1993年10月に発行した『新素材』Vol.4  NO.10  37頁〜41頁に
記載するように経験的であるが工具に被覆する膜については請求項１（ｃ）に示すロックウェルの圧痕法による剥離判定がひとつの目安となる。図３は高速度工具鋼エンドミルについてそれぞれ膜構成で示す、本発明、単層及び２層の場合の各膜の比較を示す。膜厚が３．０μｍのＴｉＣＮ単層及び膜厚が３．０μｍのＴｉＮ＋ＴｉＣＮ積層膜の場合はロックウェル圧子の進入により膜破壊が生じているが、膜厚が３．０μｍの１２層の本発明品は剥離は生じておらず微小亀裂のみ発生するに留まっている。
【０００９】
本発明の作用は、図２の炭素を多く含んだ高硬度のＴｉＣＮ膜を、靭性の高いＴｉＮ又は炭素濃度の低い複合膜ＴｉＣＮとの組み合せで膜厚が０．１μｍ〜０．５μｍの多層膜にすることによつて高硬度でかつ靭性の高い複合多層被膜を実現することにより、これを切削工具に適用することによって、これまで困難とされていた高硬度材料や高速条件での切削を可能にした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の実施例として、高速度工具鋼を母材とするエンドミルをイオンプレ−ティングにより表１に示す膜構成に成膜した。イオンプレ−ティング装置を１０-2Ｐａまで排気し、処理物を電子照射加熱により４００〜５００℃まで加熱した。その後アルゴンイオンボンバ−ドにより処理物表面のクリ−ニングを行ってからコ−ティング処理をした。コ−ティングはＴｉの蒸発源に対し窒素およびアセチレンを導入して行い、その際窒素を導入してＴｉＮ層を形成し、その後窒素を減少させながらアセチレンを増加させＴｉＣＮ層を形成し、以後所望の層数だけこれを繰り返し行い、これら２種類の反応ガスの混合比率の切り替および２種類の反応ガスの開閉の切り替の組み合せることにより各層を成膜した。このようにこのようにして、本発明品のＴｉＣＮの複合多層膜と、比較のための各種類似した膜構成のもの１１種類を、高速度工具鋼エンドミルと同母材種のテストピ−スに成膜した。同時処理した同母材種のテストピ−スを圧痕剥離法で調べたところ、No.10 はＴｉＮ層とＴｉＣＮ層で剥離が確認されたが、それ以外は圧痕の外周１ｍｍ以上の範囲で膜の剥離は認められなかった。切削試験の結果から本発明品は他の比較品と較べて逃げ面摩耗とコ−ナ摩耗に著しい摩耗の減少が確認された。
【００１１】
【表１】
0003705632.tif 000002
【００１２】
（実施例２）
高速度工具鋼を母材とするドリルの切削試験の結果を表２に示す。ドリルはいずれもイオンプレ−ティングで実施例１と同様な方法で６種類を成膜した。その結果本発明の１０層以上のＴｉＣＮ多層膜被覆ドリルの穴明け数は比較品より著しく向上していることが確認できた。
【００１３】
【表２】
0003705632.tif 000003
【００１４】
（実施例３）
高速度工具鋼を母材とする歯切り工具ホブの実施例を示す。
イオンプレ−ティングを用いて、本発明品のＴｉＣＮ複合多層膜と従来品であるＴｉＮ被覆とＴｉＮ＋ＴｉＣＮ被覆を、それぞれ施したホブを作成して切削試験した結果を図４に示す。それぞれ膜厚が３．０μｍの単層のＴｉＮと１．５μｍのＴｉＮ＋１．５μｍのＴｉＣＮ（ただし(C/C+N)=0.3 ）２層のを被覆したホブはいずれも早期に摩耗が増加するのに対して、０．２μｍのＴｉＮと各膜厚が０．２μｍの（ＴｉＮ＋ＴｉＣＮ（ただし(C/C+N)=0.3 ））８層＋０．２μｍのＴｉＣＮ（ただし(C/C+N)=0.3 ）を被覆した本発明品は１．５〜２．０倍の耐摩耗性の改善が見られた。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように、高速度工具鋼を母材とする切削工具に対して、炭素を多く含んだ高硬度ではあるが反面靭性の低いＴｉＣＮ膜の特性を効果的に利用するため、比較的靭性の高いＴｉＮまたは炭素濃度の低いＴｉＣＮとの組み合せで膜厚が０．１μｍ〜０．５μｍの複合多層の構成方法を提供することにより、母材との密着性を確保するとともに皮膜の内部応力を押えてることが可能となり、工具切削中の欠落および欠損現象を引き起こさないで耐摩耗性を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明品の複合多層被覆工具の構成を示す説明図。
【図２】ＴｉＣＮ皮膜の炭素濃度と、５０ｇ重の荷重を付加するマイクロビッカ−ス硬度計で測定した、５０ｇ重マイクロビッカ−ス硬さと、の関係を示すグラフ。
【図３】工具に被覆する膜についてのロックウェルの圧痕法による剥離判定結果を示す説明図で、高速度工具鋼エンドミルについてそれぞれ膜構成で示す、本発明、単層及び２層の場合の各膜の比較を示す。
【図４】本発明品のＴｉＣＮ複合多層膜と従来品であるＴｉＮ被覆とＴｉＮ＋ＴｉＣＮ被覆を、それぞれ施したホブを作成した切削試験結果を示すグラフ。
【図１】
0003705632.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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