(57)【要約】【課題】  超硬合金等の工具母材に対してＴｉＷＣＮ膜などのＷを含む硬質被膜が一層優れた密着性でコーティングされるようにする。【解決手段】  超硬合金から成る工具母材１２の表面には、ＴｉＷ合金をターゲットとするアーク放電イオンプレーティング法により、そのＴｉＷ合金の炭化物（ＴｉＷＣ）、窒化物（ＴｉＷＮ）、或いは炭窒化物（ＴｉＷＣＮ）から成る単一の組成の硬質被膜１４が設けられているため、ＴｉおよびＷを別々のターゲットとして用いてコーティングする場合のようにＴｉ化合物およびＷ化合物が混在している場合に比較して、ＴｉＷ合金とＷＣとの親和性により、ＷＣを主成分とする超硬合金の工具母材１２に対する密着性が一層向上する。これにより、優れた耐摩耗性が得られるようになり、クロム鋼等にドライ加工で切削加工を行う場合でも、実用上満足できる工具寿命が得られるようになる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の母材の表面にコーティングされる硬質被膜であって、
ＴｉＷ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかにて構成されていることを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
ＴｉＷ系合金のターゲットを用いて、アーク放電イオンプレーティング法により前記母材の表面にコーティングされる
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
【請求項３】
前記母材はＷＣを含有している超硬合金である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜。
【請求項４】
（Ｔｉa Ｗb )(Ｃx Ｎy ）〔但し、ａ＋ｂ＝１で０＜ａ＜１，ｘ＋ｙ＝１で０≦ｘ≦１〕の組成を有する
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項５】
ＷＣを含有している超硬合金の工具母材の表面に請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質被膜がコーティングされていることを特徴とする硬質被膜被覆工具。
【請求項６】
所定の母材の表面に硬質被膜をコーティングする方法であって、
ＴｉＷ系合金のターゲットを用いて、炭化物、窒化物、または炭窒化物とするための所定のガス雰囲気中で、アーク放電イオンプレーティング法による成膜処理を行い、前記母材の表面に該ＴｉＷ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかから成る硬質被膜をコーティングする
ことを特徴とする硬質被膜のコーティング方法。
【請求項７】
前記母材はＷＣを含有している超硬合金である
ことを特徴とする請求項６に記載の硬質被膜のコーティング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は硬質被膜に係り、特に、ＷＣを含有している超硬合金等の母材に対して優れた密着性が得られる硬質被膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削工具等の超硬合金の母材の表面にコーティングする耐摩耗性の硬質被膜としてＴｉＷＣＮ膜を用いることが、例えば特許文献１に記載されている。超硬合金は、ＷＣ（タングステンカーバイト）を主成分として構成されているため、Ｗ（タングステン）を含むＴｉＷＣＮ膜とは親和性が高く、優れた密着性が得られることが期待される。
【特許文献１】特許第３２４９２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１では、アーク放電イオンプレーティング法によりＴｉのターゲットおよびＷのターゲットをそれぞれ所定の出力電圧でアーク放電させて蒸発させ、窒素ガス（Ｎ2 ）およびアセチレンガス（Ｃ2 Ｈ2 ）と反応させて、超硬合金の母材上にＴｉＷＣＮ膜をコーティングしているため、微視的にはＴｉＣＮとＷＣＮとが混在した組成となり、ＴｉＣＮの存在により必ずしも期待通りの密着性が得られないという問題があった。すなわち、アーク放電イオンプレーティング装置は、一般に被コーティング部材（工具母材）を回転させながらコーティングする一方、２つのターゲットは被コーティング部材を挟んで反対側に配置されるため、ＴｉＣＮとＷＣＮとが交互に積層されて混在した状態となり、ＴｉＷＣＮという単一の組成の硬質被膜が設けられるわけではないのである。
【０００４】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、超硬合金等の母材に対してＴｉＷＣＮ膜などのＷを含む硬質被膜が一層優れた密着性でコーティングされるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の母材の表面にコーティングされる硬質被膜であって、ＴｉＷ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかにて構成されていることを特徴とする。
【０００６】
第２発明は、第１発明の硬質被膜において、ＴｉＷ系合金のターゲットを用いて、アーク放電イオンプレーティング法により前記母材の表面にコーティングされることを特徴とする。
【０００７】
第３発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、前記母材はＷＣを含有している超硬合金であることを特徴とする。
【０００８】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜において、（Ｔｉa Ｗb )(Ｃx Ｎy ）〔但し、ａ＋ｂ＝１で０＜ａ＜１，ｘ＋ｙ＝１で０≦ｘ≦１〕の組成を有することを特徴とする。
【０００９】
第５発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、ＷＣを含有している超硬合金の工具母材の表面に第１発明〜第４発明の何れかの硬質被膜がコーティングされていることを特徴とする。
【００１０】
第６発明は、所定の母材の表面に硬質被膜をコーティングする方法であって、ＴｉＷ系合金のターゲットを用いて、炭化物、窒化物、または炭窒化物とするための所定のガス雰囲気中で、アーク放電イオンプレーティング法による成膜処理を行い、前記母材の表面にそのＴｉＷ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかから成る硬質被膜をコーティングすることを特徴とする。
【００１１】
第７発明は、第６発明の硬質被膜のコーティング方法において、前記母材はＷＣを含有している超硬合金であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
このような硬質被膜においては、ＴｉＷ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかにて構成されているため、ＴｉおよびＷを別々のターゲットとして用いてコーティングする場合のようにＴｉ化合物およびＷ化合物が混在している場合に比較して、ＴｉＷ系合金とＷＣとの親和性により、ＷＣを主成分とする超硬合金等に対する密着性が一層向上する。硬質被膜被覆工具やコーティング方法に関する第５発明〜第７発明についても同様の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、エンドミルやフライス、ドリル、バイト等の切削工具にコーティングされる硬質被膜に好適に適用されるが、転造加工用の工具など切削加工以外の加工工具にも適用され得る。それ等の工具に着脱可能に取り付けられて使用されるスローアウェイチップにも適用され得ることは勿論で、電子部品など工具以外の部材に硬質被膜をコーティングする場合にも適用され得る。
【００１４】
本発明の硬質被膜は、ＷＣを含有している超硬合金等にコーティングすることが望ましいが、ＷＣを含んでいない材料や超硬合金以外の金属材料等にコーティングすることも可能である。本発明の硬質被膜を中間層として用いて、その上に更にダイヤモンド被膜等の他の硬質被膜を積層して設けたり、本発明の硬質被膜を多層で積層したり、他の硬質被膜と交互に積層したりするなど、少なくとも母材に接するように本発明の硬質被膜がコーティングされる種々の態様が可能である。
【００１５】
本発明の硬質被膜の平均膜厚は、そのまま耐摩耗性の硬質被膜として使用するか中間層（下地）として用いるかなど、その使用態様によって適宜定められるが、超硬合金の切削加工用の工具母材に本発明の硬質被膜のみを単層でコーティングする場合には、例えば１μｍ〜５μｍ程度の範囲内（特に、２μｍ〜４μｍ程度）が適当である。中間層として用いる場合には、これより薄くても良く、例えば０．０１μｍ程度とすることもできる。
【００１６】
ＴｉＷ系合金は、ＴｉおよびＷを主成分として残りが不可避的不純物から成るＴｉＷ合金が好適に用いられるが、例えばＳｉ等の他の合金元素を含めることもできる。ＴｉＷ合金におけるＴｉとＷの原子比、すなわち第４発明におけるａ、ｂは、例えばａ＝０．７５でｂ＝０．２５、ａ＝ｂ＝０．５、ａ＝０．２５でｂ＝０．７５など適宜定められる。
【００１７】
ＴｉＷ合金の炭化物、窒化物、炭窒化物は、ＴｉＷ合金に炭素や窒素が結合したもので、具体的にはＴｉＷＣ、ＴｉＷＮ、ＴｉＷＣＮである。ＴｉＷＣＮにおけるＣおよびＮの原子比、すなわち第４発明におけるｘ、ｙは、例えばアーク放電イオンプレーティング法においてチャンバ（反応炉）内に導入するアセチレンガス（Ｃ2 Ｈ2 ）や窒素ガス（Ｎ2 ）等の反応ガスの流量を変更することによって調整できる。
【００１８】
本発明の硬質被膜の形成手段としては、アーク放電イオンプレーティング法が好適に用いられるが、その他のＰＶＤ法等の成膜技術を採用することもできる。アーク放電イオンプレーティング法において、硬質被膜をコーティングすべき母材に印加するバイアス電圧は、硬質被膜の組成や成膜条件等に応じて適宜定められるが、ＴｉＷＮ膜をコーティングする場合、例えば−３０Ｖ〜−３００Ｖ程度の範囲内（特に−１００Ｖ〜−２００Ｖ程度）が適当である。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具としてのスローアウェイチップ１０を説明する図で、(a) は斜視図、(b) は表層部の断面図である。このスローアウェイチップ１０は、ホルダ等を介して旋盤の刃物台などに取り付けられて旋削加工等に使用されるもので、平面視において略菱形形状を成しており、平行な一対の辺が切れ刃２０として用いられるとともに、平面視の中央部には取付ボルトが挿通させられる取付穴２２が設けられている。また、上下反転して使用できるように、反対側の面（図１(a) における裏側の面）についても、平行な一対の辺が切れ刃２０として用いられるようになっている。
【００２０】
上記スローアウェイチップ１０は、ＷＣを主成分とする超硬合金製の工具母材１２を主体として構成されており、その工具母材１２の表面には、ＴｉＷ合金をターゲットとしてアーク放電イオンプレーティング法によりコーティングされた（Ｔｉa Ｗb )(Ｃx Ｎy ）〔但し、ａ＋ｂ＝１で０＜ａ＜１，ｘ＋ｙ＝１で０≦ｘ≦１〕の硬質被膜１４が設けられている。すなわち、この硬質被膜１４は、ＴｉＷ合金に炭素Ｃが結合したＴｉＷＣ、ＴｉＷ合金に窒素Ｎが結合したＴｉＷＮ、或いはＴｉＷ合金に炭素Ｃおよび窒素Ｎが結合したＴｉＷＣＮから成る略均一な組成にて構成されているのである。また、硬質被膜１４は単層で、その平均膜厚は１μｍ〜５μｍの範囲内である。
【００２１】
図２は、上記アーク放電イオンプレーティング法によって硬質被膜１４を形成するアーク放電イオンプレーティング装置５０の一例を説明する概略構成図（模式図）で、多数のワークすなわち工具母材１２を保持しているワーク保持具５２、そのワーク保持具５２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置５４、工具母材１２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源５６、工具母材１２などを内部に収容している処理炉としてのチャンバ５８、チャンバ５８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置６０、チャンバ５８内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置６２、アーク電源６４等を備えている。反応ガス供給装置６０は、本実施例では炭化物、窒化物、或いは炭窒化物を形成するためにアセチレンガス（Ｃ2 Ｈ2 ）や窒素ガス（Ｎ2 ）を供給するようになっている。また、アーク電源６４は、ＴｉおよびＷを主成分として残りが不可避的不純物から成るＴｉＷ合金のターゲット６８をカソードとして、アノード７０との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、そのターゲット６８からＴｉＷ合金を蒸発させるものである。ターゲット６８を構成しているＴｉＷ合金のＴｉとＷの原子比は、本実施例では０．７５：０．２５である。なお、ワーク保持具５２を挟んで反対側（図２の右側）など、ワーク保持具５２の回りにターゲット６８を複数配設し、それぞれアーク放電によりＴｉＷ合金を蒸発させるようにしても良い。
【００２２】
そして、予め排気装置６２で排気しながらチャンバ５８内が所定の圧力に保持されるように反応ガス供給装置６０からアセチレンガスおよび窒素ガスの何れか一方或いは両方を供給しつつ、バイアス電源５６により工具母材１２に所定のバイアス電圧を印加し、回転装置５４によりワーク保持具５２を所定の回転速度で回転させながら、アーク電源６４によりターゲット６８からＴｉＷ合金を蒸発させると、蒸発したＴｉＷ合金は正（＋）のイオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材１２の表面に付着するとともに、上記アセチレンガスや窒素ガスの炭素Ｃや窒素Ｎと化合してＴｉＷＣ、ＴｉＷＮ、或いはＴｉＷＣＮとなり、前記硬質被膜１４が形成される。すなわち、反応ガスとしてアセチレンガスのみを供給すればＴｉＷＣの硬質被膜１４が形成され、窒素ガスのみを供給すればＴｉＷＮの硬質被膜１４が形成され、アセチレンガスおよび窒素ガスの両方を供給すればＴｉＷＣＮの硬質被膜１４が形成されるのである。ＴｉＷＣＮにおけるＣおよびＮの原子比は、アセチレンガスおよび窒素ガスの流量を変更することによって調整できる。
【００２３】
このように、本実施例のスローアウェイチップ１０は、超硬合金から成る工具母材１２の表面に、ＴｉＷ合金をターゲット６８とするアーク放電イオンプレーティング法により、そのＴｉＷ合金の炭化物（ＴｉＷＣ）、窒化物（ＴｉＷＮ）、或いは炭窒化物（ＴｉＷＣＮ）から成る単一の組成の硬質被膜１４が設けられているため、ＴｉおよびＷを別々のターゲットとして用いてコーティングする場合のようにＴｉ化合物およびＷ化合物が混在している硬質被膜に比較して、ＴｉＷ合金とＷＣとの親和性により、ＷＣを主成分とする超硬合金の工具母材１２に対する密着性が一層向上する。これにより、優れた耐摩耗性が得られるようになり、耐摩耗性や耐酸化性に優れたクロム鋼等にドライ加工で切削加工を行う場合でも、実用上満足できる工具寿命が得られるようになる。
【００２４】
図３は、９種類の試料No１〜No９を用意してスクラッチ試験を行った結果である。図の「膜組成」は、工具母材の表面にコーティングされる硬質被膜の組成で、「膜厚」は、その硬質被膜の平均膜厚であり、工具母材は何れもＷＣを主成分とする超硬合金（Ｋ１０種）である。そして、「膜組成」がＴｉＷＮ、ＴｉＷＣＮ、ＴｉＷＣの試料No５〜No９は前記実施例と同じ本発明品で、試料No１〜No４は比較品である。また、本発明品のうち「膜組成」がＴｉＷＮの試料No５〜No７は、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜（ＴｉＷＮ）をコーティングする際に工具母材に印加するバイアス電圧が相違し、試料No５は−３０Ｖで、試料No６は−１５０Ｖで、試料No７は−３００Ｖである。
【００２５】
スクラッチ試験は、硬質被膜の密着性（付着強度）を調べるためのもので、ダイヤモンドコーンに連続的に変化する荷重（Ｎ）を加えながら試験品に押し付けて引っ掻くとともに、硬質被膜が破壊したり剥離したりする際に発生するアコースティックエミッション（ＡＥ）を検出し、その検出信号が急激に立ち上がった時の荷重を臨界荷重として測定する。したがって、その臨界荷重が大きい程付着強度が高いことを意味し、本発明品（試料No５〜No９）は何れも比較品（試料No１〜No４）よりも付着強度が高い。特に、「膜組成」がＴｉＷＮの試料No５〜No７は、比較品に比べて付着強度が４０％以上高くなる。
【００２６】
また、図４〜図６は、上記試料No１〜No９のスローアウェイチップと、被膜無し（超硬合金Ｋ１０種の母材のみ）のスローアウェイチップとを用いて、以下の加工条件で切削加工を行い、切削長さと最大逃げ面摩耗幅（ＶＢmax ）との関係を調べた結果である。
（加工条件）
被削材：ＳＣｒ４２０Ｈ（クロム鋼）
切削速度：Ｖ＝５．０ｍ／ｓ
送り速度：Ｓ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量：ａ＝０．１ｍｍ
潤滑方法：ドライ
切削方式：ＮＣ旋盤を用いた外周旋削加工
【００２７】
図４は、「膜組成」がＴｉＷＣＮの本発明品（試料No８）と比較品（被膜無しを含む）とを比べたもので、最大逃げ面摩耗幅（ＶＢmax ）が０．１５ｍｍ程度までは、「膜組成」がＴｉＶＮやＴｉＡｌＮの比較品（試料No４、No２）とそれ程大差ないが、本発明品はＶＢmax が０．１５ｍｍを越えても摩耗がそれ程進行せず、一般に工具寿命とされるＶＢmax ＝０．２ｍｍ程度で比較すると、本発明品の切削長さは比較品（試料No４、No２）の１．５倍程度になり、優れた工具寿命（耐久性）が得られることが分かる。
【００２８】
図５は、本発明品（試料No６、No８、No９）同士を比較したもので、加工開始当初からＴｉＷＮ（試料No６）の摩耗が少ない。これは、炭素Ｃによって硬質被膜が脆くなるためと考えられる。また、図６は、「膜組成」がＴｉＷＮの本発明品（試料No５〜No７）同士を比較したもので、バイアス電圧が−１５０Ｖの場合（試料No６）に最も優れた耐久性が得られる。
【００２９】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の硬質被膜を有するスローアウェイチップを説明する図で、(a) は斜視図、(b) は表層部の断面図である。
【図２】図１のスローアウェイチップの硬質被膜をコーティングする際に好適に用いられるアーク放電イオンプレーティング装置の一例を説明する概略構成図である。
【図３】本発明の効果を明らかにするために用意した試料と、膜組成、膜厚、およびスクラッチ試験の臨界荷重を示す図である。
【図４】図３の試料を用いて切削加工を行った場合の切削長さと最大逃げ面摩耗幅との関係について、本発明品と比較品とを比較して示す図である。
【図５】図３の試料のうち本発明品の切削長さと最大逃げ面摩耗幅との関係を比較して示す図である。
【図６】図３の試料の本発明品のうち「膜組成」がＴｉＷＮの３種類について切削長さと最大逃げ面摩耗幅との関係を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０：スローアウェイチップ（硬質被膜被覆工具）    １２：工具母材    １４：硬質被膜    ５０：アーク放電イオンプレーティング装置    ６８：ターゲット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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