(57)【要約】【課題】従来のTiAlN 膜よりも高速・高能率切削が可能な、耐熱性および耐摩耗性に優れた切削工具用硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具を提供。【解決手段】超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、(Al a ,Cr b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、M は1 種または2 種以上の金属および半金属元素であり、Al、Cr、M それぞれの原子比a 、b 、c が、0.７5 ≦a ≦0 .95 、0.05≦b ≦0.25、a+b+c=1 を満たすようにし、かつN の原子比d が0.5 ≦d ≦1 となるようにする、組成の硬質皮膜を、を少なくとも１層以上被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、
(Al a ,Cr b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、
0.75≦a ≦0.95、0.05≦b ≦0.25、a+b+c=1 、0.5 ≦d ≦1 （M は1 種または2 種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれAl、Cr、M の原子比を示し、d はN の原子比を示す。以下同じ）の組成の硬質皮膜を、少なくとも１層以上被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】
超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、
(Al a ,Cr b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、
基材側の成分比が0.75≦a ≦0.95、0.05≦b ≦0.25、a+b+c=1 、0.5 ≦d ≦1 （M は１種または２種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれAl、Cr、M の原子比を示し、d は Nの原子比を示す。以下同じ）を満たし、かつ、基材側から表面側にかけて組成比a/b が連続的に減少する硬質皮膜を少なくとも１層以上被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】
前記d の値が１である請求項1 又は2 記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項４】
前記元素M がSi、Ti又はNiである請求項１乃至３のいずれか１に記載の硬質皮膜被覆工４。
【請求項５】
前記AlCrMN皮膜の膜厚が 0.5μｍ以上５μｍ以下である請求項１乃至４いずれか１に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項６】
前記１層もしくは２層以上の前記硬質皮膜の片面側または両面側に、岩塩構造型を主体とする結晶構造を有し、且つ前記硬質皮膜とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層および金属炭窒化物層あるいはこれらの積層、組成傾斜層からなる少なくとも１層又は4A族、5A族、6A族、AlおよびSiよりなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属層又は合金層が１層以上積層されたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１に記載の硬質皮膜の基材と逆側に、金属元素としてAlを80％以上含む耐熱皮膜を形成したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項８】
前記硬質皮膜の前記基材と逆側に、NiO 、DLC 、MoS 2 又はBNの潤滑機能皮膜を形成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項９】
電解または磁界により収束されたプラズマを用いて原料を単一の坩堝またはハースから溶融・蒸発させる溶融蒸発型イオンプレーティング装置に使用される蒸発原料としてのターゲットであって、
(Al x 、Cry 、M Z ) からなり、
0.4 ≦x ≦0.8 、0.2 ≦y ≦0.6 、z ≦0.1 、x+y+z=1 （ x、y 、z はそれぞれAl、Cr、M の原子比を示す。以下同じ）の組成であり、且つ相対密度即ち製品完全固体に対する原料体積比が50％以上70％以下であることを特徴とする硬質皮膜形成用ターゲット。
【請求項１０】
超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、請求項８記載の硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発原料とし、電解または磁界により収束されたプラズマを用いて原料を単一の坩堝またはハースから溶融・蒸発させる溶融蒸発型イオンプレーティング装置を使用し、
前記硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発させる際に原料を溶解するために用いる電力供給を、前記硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発させるに必要な最初の電力供給を行い、その後で所定時間を置いて前記最初の電力より順次増大した電力を加えた電力の供給を、必要な最大の電力供給にいたるまで繰り返して増大させて供給し、未溶融部位を順次溶融させるようにし、及び／又は、前記硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発させる際に、プラズマを収束させるために用いる電解又は磁界を制御するプラズマ制御を、前記硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発させるに必要な最初のプラズマ領域にプラズマを収束させるようにプラズマ制御を行い、その後で前記最初のプラズマ領域よりプラズマを順次移動又は拡大せしめて最大のプラズマ領域にいたるまで連続的に順次移動・拡大させるプラズマ制御を行うようにし、未溶融部位を順次溶解させることを特徴とするAlCrM(CN) 硬質皮膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とするチップ、ドリル、タップ、エンドミル、ホブ、ブローチ等の切削工具の耐摩耗性を向上させた硬質皮膜被覆工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の耐摩耗性を向上させることを目的に、TiN やTiCN、TiAlN 等の硬質皮膜をコーティングすることが行われている。特に、TiとAlの複合窒化皮膜（以下、TiAlN と記す）が、優れた耐摩耗性を示すことから、前記チタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜に代わって高速切削や焼き入れ鋼等の高硬度材切削用の切削工具に適用されてきた。前記TiAlN 皮膜は、Alを添加することによって膜の硬度が上昇し、耐摩耗性が向上することが知られている。
特許文献２には、CrAlN 皮膜にSiを添加することにより、室温硬度が上昇し、高硬度材の乾式高速切削の寿命が向上することが開示されている。
特許文献３には二硫化モリブデンなどの固体潤滑材を硬質皮膜の表面に被覆し、硬質皮膜に潤滑膜を形成する方法が開示されている。
【特許文献１】特許第2644710 号  請求項１、〔0004〕、図３
【特許文献２】特開2004-130514 号公報  請求項１、〔0009〕
【特許文献３】特表平11-502775 報  第５項第10〜23行目
【０００３】
さらに、出願人が出願中で未公開の特願2003−325406号には、少なくとも２種類以上の金属もしくは金属間化合物を含む合金を蒸発原料とし、電解又は磁界により収束されたプラズマを用いて原料を単一のルツボ又はハースから溶解・蒸発させる多元系皮膜の製造方法において、前記蒸発原料を蒸発させる際に原料を溶解するために用いる電力供給を、前記蒸発原料を蒸発させるに必要な最初の電力と、所定時間を置いて前記最初の電力より順次増大した電力を加えた電力の供給を、必要な最大の電力供給にいたるまで繰り返して増大させて供給して、未溶融部位を順次溶融させる、又は、代わりに、前記蒸発原料を蒸発させる際に、プラズマを収束させるために用いる電解又は磁界を制御するプラズマ制御を、前記蒸発原料を蒸発させるに必要な最初のプラズマ領域にプラズマを収束させるために用いるプラズマ制御と、前記最初のプラズマ領域よりプラズマを順次移動又は拡大せしめて最大のプラズマ領域にいたるまで連続的に順次移動又は拡大させるプラズマ制御を行い、未溶融部位を順次溶解させて多元系皮膜を製造する方法が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、TiAlN を（Al x, Ti1-x ）N と表現した場合のAlの組成比ｘが大きいほど耐酸化性は向上するが、ｘが 0.7を超えるとZnS 型の軟質AlN が析出して皮膜硬度が低下することが示されている。
また、特許文献２には、CrAlN 皮膜にSiを添加することにより、室温硬度が上昇し、高硬度材の乾式高速切削の寿命が向上することが開示されているが、これらの皮膜はもっぱらアーク放電方式イオンプレーティング物理蒸着法（以下アーク法という）によって作製されており、アーク法では不可避な未反応金属ドロップレットにより表面平滑度が低下することが一般に知られている。さらに、ドロップレットから酸化が促進するため耐酸化性も不十分であると考えられる。また、特許文献２ではAl組成比は0.65にとどまっている。しかしながら、近年では、切削工具の使用条件としてより高速化・高能率化が要求されており、この様な切削工具を実現するため、更に優れた耐熱性と耐摩耗性を発揮する切削工具用硬質皮膜が求められている。
【０００５】
本発明の課題は、従来のTiAlN よりも高速・高能率切削が可能な、耐熱性および耐摩耗性に優れた切削工具用硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆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】
このため本発明の第１発明は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、
(Al a ,Cr b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、
0.75≦a ≦0.95、0.05≦b ≦0.25、a+b+c=1 、0.5 ≦d ≦1(M は1 種または2 種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれAl、Cr、M の原子比を示し、d はN の原子比を示す。以下同じ) の組成の硬質皮膜を、少なくとも１層以上被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具を提供することにより上記課題を解決した。
【０００７】
本発明の第２発明は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、
(Al a ,Cr b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、
基材側の成分比が0.75≦a ≦0.95、0.05≦b ≦0.25、a+b+c=1 、0.5 ≦d ≦1(M は１種または２種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれAl、Cr、M の原子比を示し、d はN の原子比を示す。以下同じ) を満たし、かつ、基材側から表面側にかけて組成比a/b が連続的に減少する硬質皮膜を少なくとも１層以上被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具を提供することにより、即ち溶融蒸発型イオンプレーティング装置による硬質皮膜製造方法によりAlCrM(CN) 皮膜を形成する際、蒸発初期にはAl、蒸発後期にはCr蒸発量が比較的多くなるため、蒸発時間が長い場合は基材側から表面側にかけてAl/Cr 組成比が減少する組成傾斜膜となるが、この場合でも上記課題を解決した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明ではAlの組成比を0.75≦a ≦0.95まで高め、従来のTiAlN よりも高速・高能率切削が可能な、耐熱性および耐摩耗性に優れた切削工具用硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具を提供するものとなった。
【０００９】
好ましくは、上記 dの値が１の場合を好ましい形態とする。
さらに好ましくは、前記元素M が Si 、Ti、Niであることが望ましい。
また、好ましくは、前記AlCrMN皮膜の膜厚が 0.5μｍ以上 5.0μｍ以下であることが望ましい。
さらに好ましくは、前記１層もしくは２層以上の前記硬質皮膜の片面側または両面側に、岩塩構造型を主体とする結晶構造を有し、且つ前記硬質皮膜とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層および金属炭窒化物層よりなる群から選択される少なくとも1 層や、4A族、5A族、6A族、AlおよびSiよりなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属層または合金層を１以上積層することにより、又は、前記1 層もしくは2 層以上の前記硬質皮膜の基材と逆側に、金属元素としてAlを80％  以上含む耐熱皮膜を形成することにより、より工具寿命を高めることが可能となった。
より好ましくは、前記硬質皮膜の前記基材と逆側に、NiO 、DLC 、MoS 2 又はBNの潤滑機能皮膜を形成することにより、切削時の摩擦を減少させ、好ましい切削性能を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の第１発明を実施するための最良の形態は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、
(Al a ,Cr b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、
0.75≦a ≦0.95、0.05≦b ≦0.25、a+b+c=1 、0.5 ≦d ≦1(M は1 種または2 種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれAl、Cr、M の原子比を示し、d はN の原子比を示す。以下同じ) の組成の硬質皮膜を、少なくとも１層以上被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具である。
【００１１】
本発明の第２発明を実施するための最良の形態は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、
(Al a ,Cr b ,Mc )(C 1-d N d ) からなる硬質皮膜であって、
基材側の成分比が0.75≦a ≦0.95、0.05≦b ≦0.25、a+b+c=1 、0.5 ≦d ≦1(M は１種または２種以上の金属および半金属元素であり、a 、b 、c はそれぞれAl、Cr、M の原子比を示し、d はN の原子比を示す。以下同じ) を満たし、かつ、基材側から表面側にかけて組成比a/b が連続的に減少する硬質皮膜を少なくとも１層以上被覆したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具を提供することにより、即ち溶融蒸発型イオンプレーティング装置による硬質皮膜製造方法によりAlCrM(CN) 皮膜を形成する際、蒸発初期にはAl、蒸発後期にはCr蒸発量が比較的多くなるため、蒸発時間が長い場合は基材側から表面側にかけてAl/Cr 組成比が減少する組成傾斜膜となるが、この場合でも上記課題を解決した。
【００１２】
本発明の硬質皮膜被覆工具は、ホローカソード放電による電子ビームを用いてターゲットを構成する金属を蒸発およびイオン化して被処理体上に本発明で規定する皮膜を形成する溶融蒸発型イオンプレーティング法（以下溶解法と略記する）において未溶融部位を順次溶解させるようにし、成膜することを好ましい形態とする。尚、この場合に前記被処理体に印加するバイアス電位は、アース電位に対して-50V〜-300V とすることが好ましい。また、成膜時の被処理体温度（以下、基板温度ということがある）は 300℃以上で 800℃以下の範囲内とすることが望ましく、成膜時の反応ガスの分圧または全圧を 0.1Pa以上 2Pa以下とすることが望ましい。尚、本発明における上記反応ガスとは、窒素ガス、メタンガス、エチレン、アセチレン、アンモニア、水素、またはこれら２種以上を混合させた皮膜の成分組成に必要な元素を含むガスをいい、これら以外に用いられるＡｒなどの様な希ガス等をアシストガスといい、これらをあわせて成膜ガスということとする。
本発明者らは、より優れた耐熱性を発揮する切削工具用硬質皮膜の実現を目指して鋭意研究を進めた。そして、その手段として溶解法に着目して研究を進めた結果、電解または磁界により収束されたプラズマを用いて原料を単一の坩堝またはハースから溶融・蒸発させる溶融蒸発型イオンプレーティング装置に使用される蒸発原料としてのターゲットであって、(Al x 、Cry 、M Z ) からなり
0.4 ≦x ≦0.8 、0.2 ≦y ≦0.6 、z ≦0.1 、x+y+z=1 
（ x、y 、z はそれぞれAl、Cr、M の原子比を示す。以下同じ）の組成であり、且つ相対密度即ち製品完全固体に対する原料体積比が50％以上70％以下であることを特徴とする硬質皮膜形成用ターゲットを用い、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の基材上に、前記硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発原料とし、硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発させる際に原料を溶解するために用いる電力供給を、前記硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発させるに必要な最初の電力供給を行い、その後で所定時間を置いて前記最初の電力より順次増大した電力を加えた電力の供給を、必要な最大の電力供給にいたるまで繰り返して増大させて供給し、未溶融部位を順次溶融させるようにし、及び／又は、前記硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発させる際に、プラズマを収束させるために用いる電解又は磁界を制御するプラズマ制御を、前記硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発させるに必要な最初のプラズマ領域にプラズマを収束させるようにプラズマ制御を行い、その後で前記最初のプラズマ領域よりプラズマを順次移動又は拡大せしめて最大のプラズマ領域にいたるまで連続的に順次移動・拡大させるプラズマ制御を行うようにし、未溶融部位を順次溶解させることを特徴とするAlCrM(CN) 硬質皮膜の製造方法によって得たAl比率0.75〜0.95の皮膜は硬度および耐酸化性が向上し、結果として耐摩耗性が飛躍的に向上することを突き止めた。
【００１３】
かかる構成により、溶融原料を溶解するために使用する電力を所定時間を置いてステップさせて溶解中に増大させることで未溶融部位が新たに溶融しはじめ、未溶融部位に含まれる低融点金属を補充することができ、及び／又は、プラズマを収束させている電界または磁界を制御して未溶融部位を溶解するために使用するプラズマ領域を最初のプラズマ領域よりプラズマを順次移動・拡大せしめて最大のプラズマ領域に至るまで連続的に順次移動・拡大させるプラズマ制御を行い、同様の効果を得ることができた。上記した構成により、被覆処理中に未溶融部位を拡大させることにより、融点の低い金属を補充することが可能となり、出発原料の組成と未溶融部位の溶解速度を制御することで所望の膜組成分布を持った皮膜を得ることが可能となった。これにより、AlCrM(CN) の融点の大きく異なる金属成分を持つ多元系皮膜を、目的の膜組成に厳密に一致させる必要はなく目的の膜組成にほぼ近い、金属成分を持つ原材料合金を使用して、ほぼその全体を有効に使用できるので原料利用効率が高く、異なる金属の各成分が全膜厚にわたり所望の皮膜分布が得られるなど膜質の良い硬質皮膜被覆工具とすることができる。
【００１４】
硬質皮膜の基材と逆側に、NiO 、DLC 、MoS 2 又はBNの潤滑機能皮膜を形成することにより、切削時の摩擦を減少させ、好ましい切削性能を得ることができる。
【実施例１】
【００１５】
本発明品１：Al60Cr40at％の混合粉末40g をφ40の円筒形金型を用いて2GPaにて成型し、相対密度即ち製品完全固体に対する原料体積比を70％とした。この圧粉成型体をるつぼに入れ、加熱およびクリーニングを行った後に約1Pa のアルゴン窒素混合雰囲気中で、硬質皮膜形成用ターゲットを蒸発させるに必要な最初のプラズマ領域である圧粉成型体上面のプラズマビーム径が10mm程度となるよう収束させたHCD ガンを用いてプラズマ制御を行い、その後で最初のプラズマ領域よりプラズマビーム径を、ほぼ直径40mmのAlCr圧粉成型体を全部を覆うまでに至るように、20分にわたり連続的に順次移動・拡大させるプラズマ制御を行い、未溶融部位を順次溶解させて溶融蒸発させ、予め下地としてTiCNコーティングを施してある超硬エンドミルにAl80Cr19C1N at％皮膜を成膜した(TiCN+AlCrN)。この時同時にプラズマ出力は 3000Wから 8000Wまで毎分500Wずつ上昇させた。TiCNコーティングは岩塩構造型を主体とする結晶構造を有し、且つAl80Cr19C1N at％皮膜とは異なる成分組成の皮膜である。
本発明品２：同じくAl60Cr40at％の相対密度を60％とした圧粉成型体を用いてAl80Cr20at％膜を超硬エンドミル基材上に成膜し、さらにTi65Al35at％の混合粉末 30gを直径40mmの円筒形金型を用いて2GPaにて成型し、この圧粉成型体をるつぼに入れ、加熱およびクリーニングを行った後に約1Pa のアルゴン窒素混合雰囲気中で、圧粉成形体上面のプラズマビーム直径が10mm程度となるよう収束させたHCD ガンを用いて溶融蒸発させ、Ti15Al85at％皮膜を成膜した。この時のプラズマ出力は 3000Wから 8000Wまで毎分500Wずつ上昇させ、未溶融部位を順次溶解させTi15Al85at％の膜を成膜した。
【００１６】
本発明品３：同じくAl60Cr40at％の相対密度を60％とした圧粉成型体を用いて超硬エンドミル基材上に成膜し、その上に同様にAl50Cr50at％の相対密度を60％とした圧粉成型体を用いてAl50Cr50at％の膜を成膜した。このときのそれぞれのプラズマ出力は3000W から8000W まで毎分500Wずつ上昇させた後、8000W で30分間成膜を継続した。その結果、基材側から表面側にかけて AL/Crat％組成比が減少する ALCrNの組成傾斜膜となった。
本発明品４：同様な方法により、Al43Cr40Si7 at％の圧粉成型体を用いて、超硬エンドミル基材上に AlCrSiNの組成傾斜膜を成膜した。
【００１７】
本発明品５：同じくAl50Cr40Ti10at％の圧粉成型体を用いて、超硬エンドミル基材上に AlCrTiNの組成傾斜膜を成膜した。
本発明品６：同様な方法により、Al55Cr40Ni5at ％の圧粉成型体を用いて、超硬エンドミル基材上に AlCrNiNの組成傾斜膜を成膜した。
本発明品７：同様な方法により、Al60Cr40at％の圧粉成型体を用いて、超硬エンドミル基材上にAlCrCNの組成傾斜膜を成膜した。反応ガスとして窒素とアセチレンの混合ガスを使用した。
比較例：アーク放電方式イオンプレーティング物理蒸着法（アーク法）により、超硬エンドミル基材上に TiN＋TiAlN の膜を成膜した。
得られたエンドミルよる切削試験結果を表１に示す。
超硬エンドミルは切削長50m 時での逃げ面摩耗幅を測定した。切削諸元を次に示す。
超硬エンドミルではアーク法により成膜した比較例ＴｉＡｌＮ膜と比較して同等以上の耐摩耗性を示した。
( 超硬エンドミル切削条件) 
工具：φ10超硬2 枚刃スクェアエンドミル
切削方法：側面切削ダウンカット
被削材：SKD61(硬さ53HRC)
切り込み：軸方向10mm、径方向0.2mm 
切削速度：300m/min、送り：0.07mm/ 刃
切削長：50m 、潤滑剤：無し（エアーブロー）
【表１】
2006175569.tif 000002