(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム，クロム，ケイ素の窒化物からなるＡ層と、アルミニウム，クロム，イットリウムの窒化物からなるＢ層とが交互に１層以上積層してなる上部層を表面に有し、
前記上部層が、前記Ａ層および前記Ｂ層とは別の下部層をなす金属窒化物の表面に設けられ、
前記Ｂ層がさらにケイ素の窒化物を含み、
前記Ａ層および前記Ｂ層の厚さは、それぞれ１５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項２】
請求項１に記載された表面被覆材料であって、
前記Ａ層は、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．６０、０．０１≦ｂ≦０．１を満足し、
前記Ｂ層は、組成式：（Ａｌ1-c-d-eＣｒcＳｉdＹe）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．０１≦ｄ≦０．１、０．００５≦ｅ≦０．１を満足している
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された表面被覆材料であって、
前記上部層の厚さが２μｍ以上８μｍ以下である
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載された表面被覆材料であって、
前記下部層の前記金属窒化物が、チタン，アルミニウム，クロム，ジルコニウムのうちの少なくとも一種の窒化物からなる
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載された表面被覆材料であって、
前記下部層の前記金属窒化物が、基材の表面に設けられている
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項６】
請求項５に記載された表面被覆材料であって、
前記基材が、高速度工具鋼または超硬合金からなる
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載された表面被覆材料からなる
ことを特徴とする切削工具。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載された表面被覆材料からなる切削工具を備えている
ことを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械で切削加工を行う切削工具として、イオンプレーティングに代表される物理蒸着法を用いて基材の表面に高硬度皮膜を形成するものが開発されている。その中でも、ＴｉＮ系やＴｉＡｌＮ系などの金属窒化物の層を基材の表面に形成するものが最も実用化が進んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２５５６６号公報
【特許文献２】特開２００５−３３０５３９号公報
【特許文献３】特開２００９−２８５７５８号公報
【特許文献４】特許第３９６３３５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した切削工具は、８００℃を超えるようなさらなる高温領域で使用すると、上記金属窒化物の酸化が始まるため、長時間使用できないという問題があった。このため、さらなる高温領域での使用を可能にする切削工具として、ＡｌＣｒＮ皮膜や（ＡｌＣｒＭ）Ｎ皮膜（ＭはＣｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｂ，Ｓｉ，Ｙのうちから選ばれた少なくとも１種又は２種以上の元素）などの表面被覆材料を基材の表面に設けることが考えられている（例えば、上記の特許文献１〜４参照）。【０００５】
しかしながら、上述した表面被覆材料を基材の表面に設けた切削工具においては、表面被覆材料の密着性の点で問題があり、高い発熱に伴い切れ刃部に局部的に高負荷がかかるような高速高送りの切削条件では、表面被覆材料の剥離やチッピング（微少欠け）が早期に発生し、比較的短時間で寿命に至りこの表面被覆材料が本来持つ高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分発揮できないという課題がある。【０００６】
このような問題は、上述したような工作機械に使用される切削工具に限らず、高温領域での耐摩耗性に優れた特性を要求される表面被覆材料が適用される部品や金型であれば、上述の場合と同様に生じ得ることである。【０００７】
このようなことから、本発明は、前述した課題を解決するために為されたものであって、高耐剥離性及び高耐チッピング性を発現することができる表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決する第１の発明に係る表面被覆材料は、
アルミニウム，クロム，ケイ素の窒化物からなるＡ層と、アルミニウム，クロム，イットリウムの窒化物からなるＢ層とが交互に１層以上積層してなる上部層を表面に有し、
前記上部層が、前記Ａ層および前記Ｂ層とは別の下部層をなす金属窒化物の表面に設けられ、
前記Ｂ層がさらにケイ素の窒化物を含み、
前記Ａ層および前記Ｂ層の厚さは、それぞれ１５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする。
【００１２】
上述した課題を解決する第２の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１の発明に係る表面被覆材料であって、
前記Ａ層は、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．６０、０．０１≦ｂ≦０．１を満足し、
前記Ｂ層は、組成式：（Ａｌ1-c-d-eＣｒcＳｉdＹe）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．０１≦ｄ≦０．１、０．００５≦ｅ≦０．１を満足している
ことを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決する第３の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１または第２の発明に係る表面被覆材料であって、
前記上部層の厚さが２μｍ以上８μｍ以下である
ことを特徴とする。
【００１５】
上述した課題を解決する第４の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１乃至第３の発明の何れか一つに係る表面被覆材料であって、
前記下部層の前記金属窒化物が、チタン，アルミニウム，クロム，ジルコニウムのうちの少なくとも一種の窒化物からなる
ことを特徴とする。
【００１６】
上述した課題を解決する第５の発明に係る表面被覆材料は、前述した第１乃至第４の発明の何れか一つに係る表面被覆材料であって、
前記下部層の前記金属窒化物が、基材の表面に設けられている
ことを特徴とする。
【００１７】
上述した課題を解決する第６の発明に係る表面被覆材料は、前述した第５の発明に係る表面被覆材料であって、
前記基材が、高速度工具鋼または超硬合金からなる
ことを特徴とする。
【００１８】
上述した課題を解決する第７の発明に係る切削工具は、前述した第１乃至第６の発明の何れか一つに係る表面被覆材料からなることを特徴とする。
【００１９】
上述した課題を解決する第８の発明に係る工作機械は、前述した第１乃至第６の発明の何れか一つに係る表面被覆材料からなる切削工具を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る表面被覆材料によれば、高耐剥離性及び高耐チッピング性を発現することができることから、上部層が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る表面被覆材料の一実施形態の構造説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械を好適に実施するための形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００２３】
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械の一実施形態を図１に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係る表面被覆材料１０は、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１と、基材１１の表面に設けられてチタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ジルコニウム（Ｚｒ）のうちの少なくとも一種の窒化物（Ｎ）からなる下部層１２と、下部層１２の表面に設けられて、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）とケイ素（Ｓｉ）との窒化物（Ｎ）からなるＡ層１４と、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）とイットリウム（Ｙ）との窒化物（Ｎ）からなるＢ層１５とが交互に１層以上（図示例では７層）積層してなる上部層１３とを備えてなるものである。
【００２５】
また、前記Ｂ層１５は、ケイ素（Ｓｉ）の窒化物（Ｎ）を含むことが好ましい。
【００２６】
このような表面被覆材料１０は、スパッタ蒸着法やイオンプレーティング法等のような物理蒸着法（ＰＶＤ）等により、前記基材１１に対して、上述した組成物からなる前記下部層１２を設けた後に、前記Ａ層１４と前記Ｂ層１５とを交互に１層以上積層してなる前記上部層１３を設けて、容易に製造することができる。
【００２７】
このような前記表面被覆材料１０においては、（ＡｌＣｒＳｉ）ＮからなるＡ層１４と（ＡｌＣｒＹ）Ｎまたは（ＡｌＣｒＳｉＹ）ＮからなるＢ層１５との交互積層構造（多層構造）にすることにより、上部層１３の耐剥離性及び耐チッピング性を向上させ、Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｙを必須成分とする複合窒化物である硬質皮膜が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。
【００２８】
さらに、下部層１２が、チタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ジルコニウム（Ｚｒ）のうちの少なくとも一種の窒化物（例えば、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、ＴｉＡｌＮなど）からなることにより、基材１１（切削工具表面）との密着性を向上させることができる。
【００２９】
したがって、本実施形態に係る表面被覆材料１０を利用した切削工具及び工作機械においては、局部的に高負荷がかかるような条件で使用しても、前記上部層１３の剥離やチッピングの発生を長期に亘って防止することができることから、前記上部層１３が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。
【００３０】
なお、前記Ｂ層１５は、組成式：（Ａｌ1-c-dＣｒcＹd）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６、０．００５≦ｄ≦０．１を満足することが好ましい。なぜなら、前記ｃの組成比率が０．１５よりも小さいと、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が高くなる程、特に、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が０．７５を超えると、Ｂ層１５自体の硬度が低下しやすくなるため、あまり好ましくなく、前記ｃの組成比率が０．６よりも大きくなると、クロム（Ｃｒ）元素比率が高くなる程、Ｂ層１５自体の硬度が低下しやすくなるため、あまり好ましくなく、前記ｄの組成比率が０．００５よりも小さいと、イットリウム（Ｙ）添加による耐熱性向上の効果を得にくくなるため、あまり好ましくなく、前記ｄの組成比率が０．１よりも大きくなると、Ｂ層１５自体を製造しにくくなるため、あまり好ましくないからである。
【００３１】
前記Ｂ層１５を、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６、０．００５≦ｄ≦０．１を満足する組成式：（Ａｌ1-c-dＣｒcＹd）Ｎで表すことができるとき、前記Ａ層１４は、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．５９、０．０１≦ｂ≦０．１を満足することが好ましい。なぜなら、前記ａの組成比率が０．１５よりも小さいと、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が高くなる程、特に、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が０．７５を超えると、Ａ層１４自体の硬度が低下しやすくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ａの組成比率が０．５９よりも大きくなると、クロム（Ｃｒ）元素比率が高くなる程、Ａ層１４自体の硬度が低下しやすくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ｂの組成比率が０．０１よりも小さいと、ケイ素（Ｓｉ）添加による耐熱性向上の効果を得にくくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ｂの組成比率が０．１よりも大きくなると、Ａ層１４自体を製造しにくくなりやすいため、あまり好ましくないからである。
【００３２】
なお、前記Ｂ層１５は、組成式：（Ａｌ1-c-d-eＣｒcＳｉdＹe）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．０１≦ｄ≦０．１、０．００５≦ｅ≦０．１を満足することが好ましい。なぜなら、前記ｃの組成比率が０．１５よりも小さいと、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が高くなる程、特に、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が０．７５を超えると、Ｂ層１５自体の硬度が低下しやすくなるため、あまり好ましくなく、前記ｃの組成比率が０．６０よりも大きくなると、クロム（Ｃｒ）元素比率が高くなる程、Ｂ層１５自体の硬度が低下しやすくなるため、あまり好ましくなく、前記ｄの組成比率が０．０１よりも小さいと、ケイ素（Ｓｉ）添加による耐熱性向上の効果を得にくくなるため、あまり好ましくなく、前記ｄの組成比率が０．１よりも大きくなると、成膜時のターゲット放電が不安定になりＢ層１５自体を製造しにくくなるため、あまり好ましくなく、前記ｅの組成比率が０．００５よりも小さいと、イットリウム（Ｙ）添加による耐摩耗性向上の効果を得にくくなるため、あまり好ましくなく、前記ｅの組成比率が０．１よりも大きくなると、成膜時のターゲット放電が不安定になりＢ層１５自体を製造しにくくなるため、あまり好ましくないからである。
【００３３】
前記Ｂ層１５を、原子比で、０．１５≦ｃ≦０．６０、０．０１≦ｄ≦０．１、０．００５≦ｅ≦０．１を満足する組成式：（Ａｌ1-c-d-eＣｒcＳｉdＹe）Ｎで表すことができるとき、前記Ａ層１４は、組成式：（Ａｌ1-a-bＣｒaＳｉb）Ｎで表した場合、原子比で、０．１５≦ａ≦０．６０、０．０１≦ｂ≦０．１を満足することが好ましい。なぜなら、前記ａの組成比率が０．１５よりも小さいと、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が高くなる程、特に、アルミニウム（Ａｌ）元素比率が０．７５を超えると、Ａ層１４自体の硬度が低下しやすくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ａの組成比率が０．６０よりも大きくなると、クロム（Ｃｒ）元素比率が高くなる程、Ａ層１４自体の硬度が低下しやすくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ｂの組成比率が０．０１よりも小さいと、ケイ素（Ｓｉ）添加による耐熱性向上の効果を得にくくなりやすいため、あまり好ましくなく、前記ｂの組成比率が０．１よりも大きくなると、Ａ層１４自体を製造しにくくなりやすいため、あまり好ましくないからである。
【００３４】
また、前記Ａ層１４が（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎからなり、前記Ｂ層が（ＡｌＣｒＹ）Ｎからなる場合、前記Ａ層１４及び前記Ｂ層１５は、厚さがそれぞれ２４０ｎｍ以下（特に、２００ｎｍ以下）であると好ましい。なぜなら、Ａ層１４及びＢ層１５の厚さが２４０ｎｍよりも厚くなると、前記Ａ層１４及び前記Ｂ層１５（単層）での塑性変形性が低下し、交互積層構造より得られる耐剥離性及び耐チッピング性が低くなりやすいため、あまり好ましくないからである。
【００３５】
前記Ａ層１４が（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎからなり、前記Ｂ層１５が（ＡｌＣｒＳｉＹ）Ｎからなる場合、前記Ａ層１４及び前記Ｂ層１５は、厚さがそれぞれ１５０ｎｍ以下（特に、１００ｎｍ以下）であると好ましい。なぜなら、Ａ層１４及びＢ層１５の厚さが１５０ｎｍよりも厚くなると、前記Ａ層１４及び前記Ｂ層１５（単層）での塑性変形性が低下し、交互積層構造より得られる耐剥離性及び耐チッピング性が低くなりやすいため、あまり好ましくないからである。
【００３６】
前記Ａ層１４と前記Ｂ層１５は、厚さが同じであると好ましい。なぜなら、前記Ａ層１４と前記Ｂ層１５の厚さが異なると、前記Ａ層１４と前記Ｂ層１５との間での剥離性が高まりやすいため、あまり好ましくないからである。
【００３７】
前記上部層１３は、厚さが２μｍ〜８μｍ（特に、３μｍ〜６μｍ）であると好ましい。なぜなら、上部層１３の厚さが８μｍを超えると、高速高送りの切削条件において、特に断続切削加工において、切れ刃部に剥離やチッピングが発生し易くなり、寿命が短くなりやすいため、あまり好ましくなく、上部層１３の厚さが２μｍを下回ると、上部層１３の耐摩耗性を十分に発現することができず、切削性能を長期に亘って確保しにくくなるため、あまり好ましくないからである。
【００３８】
前記基材１１は、高速度工具鋼または超硬合金からなることが好ましい。なぜなら、前記基材１１が高速度工具鋼または超硬合金からなることにより、高速高送りの切削条件のときに、特に断続切削加工において、下部層１２の剥離やチッピングなどを発生させることなく、優れた耐摩耗性を発揮し、長期に亘って安定した切削性能を示すことができるからである。
【００３９】
また、上記切削工具としては、切削加工を施す工具であれば、特に限定されるものではないが、ホブやピニオンカッタ等のような歯切り工具や、ブローチであると、非常に好適であり、上記工作機械としては、切削加工を施すものであれば、特に限定されるものではないが、ホブ盤や歯車形削り盤等のような歯切り盤や、ブローチ盤であると、非常に好適である。
【００４０】
［他の実施形態］
なお、前述した実施形態においては、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１を適用した表面被覆材料１０の場合について説明したが、他の金属材料（例えば、各種の特殊鋼や合金鋼等）からなる基材を適用することも可能である。
【００４１】
前述した実施形態においては、Ａ層１４とＢ層１５とを交互に１層以上積層してなる上部層１３を備え、Ａ層１４の表面にＢ層１５を設けた表面被覆材料１０の場合について説明したが、Ａ層１４とＢ層１５とを交互に１層以上積層してなる上部層１３を備え、Ｂ層１５の表面にＡ層１４を設けた表面被覆材料とすることも可能である。
【実施例】
【００４２】
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械の作用効果を確認するために行った実施例を以下に説明するが、本発明は、各種データに基づいて説明する以下の実施例のみに限定されるものではない。【００４３】
［確認試験１］
本試験において、アークイオンプレーティング装置を用いて高速度工具鋼ＳＫＨ５５を基材とした舞ツール工具（切削工具）の表面に以下の表１に示す表面被覆材料を設けた試験体及び比較体及び参考体を作製した。これら試験体及び比較体及び参考体に対し、下記の切削条件で加工試験を行い、工具の逃げ面摩耗幅を測定した。【００４４】
＜切削条件＞
被削材種  ：ＳＣＭ４１５
切削方法  ：断続切削
切削速度  ：２００ｍ／分
送り      ：１．２ｍｍ／刃
切込み深さ：１ｍｍ
切削油材  ：エアーブロー
切削長    ：１ｍ【００４５】
【表１】
0005973001.tif 000002
【００４６】
【表２】
0005973001.tif 000003
【００４７】
【表３】
0005973001.tif 000004
【００４８】
上述した表２及び表３に示すように、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ）の窒化物（Ｎ）からなるＡ層と、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），イットリウム（Ｙ）の窒化物（Ｎ）からなるＢ層とが交互に１層以上積層してなる上部層を表面に有し、前記上部層を金属窒化物の表面に設けた表面被覆材料とすることにより、基材１１あるいは上部層１３での耐剥離性及び耐チッピング性を改善することができることが確認された。これにより、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ），イットリウム（Ｙ）を主成分とする複合窒化物である上部層１３が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。【００４９】
［確認試験２］
本試験において、アークイオンプレーティング装置を用いて高速度工具鋼ＳＫＨ５５を基材とした舞ツール工具（切削工具）の表面に以下の表４に示す表面被覆材料を設けた試験体及び比較体及び参考体を作製した。これら試験体及び比較体及び参考体に対し、上記確認試験１と同じ切削条件で加工試験を行い、工具の逃げ面摩耗幅を測定した。【００５０】
【表４】
0005973001.tif 000005
【００５１】
【表５】
0005973001.tif 000006
【００５２】
【表６】
0005973001.tif 000007
【００５３】
上述した表５及び表６に示すように、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ）の窒化物（Ｎ）からなるＡ層と、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ），イットリウム（Ｙ）の窒化物（Ｎ）からなるＢ層とが交互に１層以上積層してなる上部層を表面に有し、前記上部層を金属窒化物の表面に設けた表面被覆材料とすることにより、基材１１あるいは上部層１３での耐剥離性及び耐チッピング性を改善することができることが確認された。これにより、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），ケイ素（Ｓｉ），イットリウム（Ｙ）を主成分とする複合窒化物である上部層１３が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具及び工作機械は、高耐剥離性及び高耐チッピング性を発現することができ、上部層が本来持っている高温領域での耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮させることができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０            表面被覆材料
１１            基材
１２            下部層
１３            上部層
１４            Ａ層
１５            Ｂ層
【図１】
0005973001.tif 000008