(57)【要約】【課題】硬質皮膜被覆小径部材の実作用部の耐熱性、耐摩耗性と耐チッピング性及び摺動性を高めた部材を提供することである。特に、プリント基板等の高速回転、高送り穴開け加工に適し、優れた加工面粗さと加工精度を有し、工具寿命の長い硬質皮膜被覆小径工具を提供することである。【解決手段】硬質皮膜被覆小径部材の基体は、ＷＣの平均結晶粒径が０．９μｍ以下、Ｃｏ含有量が２〜１３質量％、該Ｃｏ中にＣｒがＣｏの１．５〜１２質量％含有されているＷＣ基超硬合金であり、前記部材の少なくとも実作用部の表面に硬質皮膜が被覆され、該実作用部における該硬質皮膜の平均膜厚をＴａｖｅ、基体表面から突起表面までの最大高さをＴｍａｘとした時、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１〜１．３であることを特徴とする硬質皮膜被覆小径部材である。【選択図】図２
2006068844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質皮膜被覆小径部材の基体は、ＷＣの平均結晶粒径が０．９μｍ以下、Ｃｏ含有量が２〜１３質量％、該Ｃｏ中にＣｒがＣｏの１．５〜１２質量％含有されているＷＣ基超硬合金であり、前記部材の少なくとも実作用部の表面に硬質皮膜が被覆され、該実作用部における該硬質皮膜の平均膜厚をＴａｖｅ、基体表面から突起表面までの最大高さをＴｍａｘとした時、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１〜１．３であることを特徴とする硬質皮膜被覆小径部材。
【請求項２】
請求項１記載の硬質皮膜被覆小径部材において、前記基体中にＣｒとラーベス相ＡＣｒ２を作る元素Ａを少なくとも１種類以上含有し、Ｃｏ中に含有される元素Ａの総和が、Ｃｏ中に含有されるＣｒ量の３〜２５原子％であることを特徴とする硬質皮膜被覆小径部材。
【請求項３】
請求項１又は２記載の硬質皮膜被覆小径部材において、該硬質皮膜の表面近傍での結晶粒幅の平均値をＷａｖｅとし、基体表面から突起表面までの最大高さを有する突起を構成する結晶粒の幅をＷｍａｘとした時、Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅが１〜３であることを特徴とする硬質皮膜被覆小径部材。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の硬質皮膜被覆小径部材において、該Ｔａｖｅと該Ｗａｖｅとの比、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが１．５〜２３であることを特徴とする硬質皮膜被覆小径部材。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の硬質皮膜被覆小径部材において、該硬質皮膜がＡｌを５０原子％以上含有していることを特徴とする硬質皮膜被覆小径部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保持部等を除く実作用部の最大外径が１ｍｍ以下の硬質膜被覆小径部材に関する。特に、実作用部である切刃部の径が１ｍｍ以下であり、切刃部に硬質皮膜が被覆されているドリルやルーター、カッター等の硬質膜被覆小径部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
直径が１ｍｍ以下の小径部材は、例えば高密度電子回路基板等に穴開け加工やスリット加工、座グリ加工等を高精細に行う工具用途に用いられている。特に、小径化が進むにつれて、ＷＣの微結晶粒化と微粒超硬合金材の更なる高強度化が進められている。更に、各種の硬質皮膜を被覆する技術が検討されている。これらの具体的な例として、特許文献１〜３が開示されている。
特許文献１は、結合相形成成分としてＣｏ：４〜１３％、Ｃｒ：０．１〜０．７％を含有する超硬合金の表面に、ＴｉとＡｌからなる硬質被覆層を被覆した小径ドリルが開示されている。
特許文献２は、ＷＣ基超硬合金からなりかつ超微粒組織を有するスパッタ蒸着皮膜で構成された表面被覆超硬合金製小径ドリルが開示されている。
特許文献３は、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの被膜を備えたドリルが記載され、被膜の矩形表面領域に高さ０．５μｍ以上の突起の個数の合計値が１５以下とする技術が開示されている。これは、耐酸化性を持たせながら耐摩耗性被膜を非常に平滑な状態で密着性よく基材表面に被覆することを目的としている。しかし、これらの特許文献１から３には、基体であるＷＣ基超硬合金を構成するＷＣの粒径やＣｏ量、およびＣｏ中に含有させるＣｒ量に関する記載は無い。
また、本出願と同一出願人による特願２００４−３４５１７号に開示している技術は、微粒超硬合金材を構成する結合相中に、Ｃｒ、及びＣｒとラーベス相ＡＣｒ２を作る元素Ａを所定量だけ含有させることにより、基体の硬度と耐熱性とを飛躍的に高め、この基体を用いることによって、高速切削において優れた耐摩耗性と耐欠損性とを有する小径ドリルが実現できることを記載しているが、基体の表面に被覆する硬質皮膜に関する記載は無い。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−８０４１２号公報
【特許文献２】特開２００１−１６２４１９号公報
【特許文献３】特開２０００−３１７７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、硬質皮膜被覆小径部材の実作用部の耐熱性、耐摩耗性と耐チッピング性及び摺動性を高めた部材を提供することである。特に、プリント基板等の高速回転、高送り穴開け加工に適し、優れた加工面粗さと加工精度を有し、工具寿命の長い硬質皮膜被覆小径工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の硬質皮膜被覆小径部材の基体は、ＷＣの平均結晶粒径が０．９μｍ以下、Ｃｏ含有量が２〜１３質量％、該Ｃｏ中にＣｒがＣｏの１．５〜１２質量％含有されているＷＣ基超硬合金であり、前記部材の少なくとも実作用部の表面に硬質皮膜が被覆され、該実作用部における該硬質皮膜の平均膜厚をＴａｖｅ、基体表面から突起表面までの最大高さをＴｍａｘとした時、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１〜１．３であることを特徴とする硬質皮膜被覆小径部材である。上記構成を採用することによって、小径部材の実作用部の耐熱性、耐摩耗性と耐チッピング性及び摺動性を高めることができる。例えば、小径工具の切刃部に適用した場合、長寿命となり好都合である。
【０００６】
本発明の硬質皮膜被覆小径部材は、基体中にＣｒとラーベス相ＡＣｒ２を作る元素Ａを少なくとも１種類以上含有し、Ｃｏ中に含有される元素Ａの総和が、Ｃｏ中に含有されるＣｒ量の３〜２５原子％であることが好ましい。次に、本発明の硬質皮膜被覆小径部材は、該硬質皮膜の表面近傍での結晶粒幅の平均値をＷａｖｅとし、基体表面から突起表面までの最大高さを有する突起（以下、最高突起と呼ぶ）を構成する結晶粒の幅をＷｍａｘとした時、Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅが１〜３であること、更に、該Ｔａｖｅと該Ｗａｖｅとの比、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが１．５〜２３であることが好ましい。該硬質皮膜がＡｌを５０原子％以上含有していることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の硬質皮膜被覆小径部材は、実作用部の耐熱性、耐摩耗性と耐チッピング性及び摺動性を高めた部材を提供することができる。特に本発明の効果は、プリント基板等の高速回転、高送り穴開け加工に適することから、優れた加工面粗さと加工精度を有し、工具寿命の長い硬質皮膜被覆小径工具を実現することできた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の硬質皮膜被覆小径部材の基体は、ＷＣの平均結晶粒径が０．９μｍ以下、Ｃｏ含有量が２〜１３質量％、該Ｃｏ中にＣｒがＣｏの１．５〜１２質量％含有されているＷＣ基超硬合金からなっていることにより、ＷＣ基硬質相の高硬度化と結合相の高強度、高耐熱性化が達成され、耐摩耗性、高強度、耐熱性に優れた硬質皮膜被覆小径部材用基体が実現できる。ＷＣの平均結晶粒径が０．９μｍを越えて大きいと基体の硬度が不十分になり、耐摩耗性が急激に低下する。例えば、小径ドリル等に用いた時に刃先の摩耗が進み易くなる欠点が現れるため不都合である。従って、０．９μｍ以下とする。Ｃｏ含有量が全組成の２質量％未満だと、焼結体に十分な靭性が得られない。一方、１３質量％を超えると耐摩耗性が著しく低下する欠点が現れる。そこで、Ｃｏ含有量を全組成の２〜１３質量％とする。主にＣｏからなる結合相中に含有されるＣｒ量がＣｏの１．５質量％未満だと、Ｃｏ中にＣｒを含有することによるＣｏの高強度、高耐熱性化の効果が小さくなるとともに、ＷＣ硬質分散相の成長が進むことによりＷＣの平均粒径が０．９μｍを超え、耐摩耗性と強度、耐熱性が低下する欠点が現れる。一方、１２質量％を超えると結合相中にＣｒが偏析することから、焼結体の靭性が著しく低下する。そこで、結合相中のＣｒ含有量をＣｏの１．５〜１２質量％とする。
次に、少なくとも実作用部の表面に硬質皮膜が被覆され、該実作用部における該硬質皮膜の平均膜厚をＴａｖｅ、最高突起高さをＴｍａｘとした時、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１〜１．３であることにより、皮膜表面が平滑になり、切削抵抗が小さくなり摺動性が高まる。この結果、特に、突起部に局所的に作用する衝撃や力が大幅に低減されるとともに、突起部を構成する結晶粒の脱落が大幅に少なくなり、耐チッピング性が大幅に改善する。そこで本発明を切削工具に適用した場合、基体の高耐摩耗、高強度、高耐熱性と皮膜の高摺動、高耐チッピング性の相乗効果により、極めて優れた工具寿命が実現できる。特に、本発明の小径工具等では、刃先に掛かる切削抵抗を小さくすることができるようになるとともに、皮膜を構成する結晶粒の脱落が大幅に少なくなり、切刃部の直径が１ｍｍ以下と小さいにもかかわらず、高速回転、高送り穴開け加工時に優れた穴位置精度と内壁平滑性が得られ、長寿命を有する硬質皮膜被覆小径部材が実現できる。Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅ比が１．３を越えて大きくなると、刃先に掛かる切削抵抗が急激に大きくなるとともに、皮膜を構成する結晶粒の脱落が大幅に多くなり、工具部材としての寿命が急激に低下する。更に、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１〜１．１である硬質皮膜が被覆されていることが好ましい。Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅ比が１〜１．１であることにより、皮膜表面が平滑になり、切削抵抗が小さくなると共に、皮膜を構成する結晶粒の脱落が大幅に少なくなり、長寿命が実現できる。
【０００９】
更に、本発明の硬質皮膜被覆小径部材は、基体中にＣｒとラーベス相ＡＣｒ２を作る元素Ａを少なくとも１種類以上含有し、Ｃｏを主とする結合相中に含有される元素Ａの総和が、結合相中に含有されるＣｒ量の３〜２５原子％であることにより、結合相自体の硬度と耐熱性とを大幅に改善できるようになり、高温においても優れた硬度と靭性とを有する硬質皮膜被覆小径部材用基体が実現できる。Ｃｒ及びラーベス相ＡＣｒ２を作る元素Ａを所定量だけ含有させることにより、基体の硬度と耐熱性とを飛躍的に高める効果がある。結合相中に含まれるＣｒとラーベス相ＡＣｒ２を作る元素Ａ含有量の総和が、結合相中のＣｒ含有量に対して３原子％未満では、結合相中に発生する歪み量が小さくなり、元素Ａを含有させる効果が小さくなる。一方、２５原子％を超えると結合相の靭性が低下する欠点が現れる。そこで、結合相中に含有量される元素Ａの総和は、結合相中のＣｒ含有量に対して３〜２５原子％とする。
本発明の硬質皮膜被覆小径部材は、硬質皮膜破断面の皮膜表面の位置で測定した平均結晶粒幅Ｗａｖｅと、最高突起を構成する結晶粒の幅をＷｍａｘの比、Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅが１〜３であることにより皮膜表面が平滑でありかつ結晶粒が脱落し難い硬質皮膜を被覆することが出来、優れた摺動性と加工面の平滑性及び耐摩耗性と耐チッピング性がさらに優れた硬質皮膜被覆小径部材が実現出来る。Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅが３を超えると、例えば、本発明の部材を高速回転、高送り穴開け加工用工具に適用した時に、巨大な結晶粒が脱落し易くなり、刃先部にチッピングが発生し、内壁の平滑性を悪化させやすくなる欠点が現れる。また、平均膜厚Ｔａｖｅと平均結晶粒幅の比Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが１．５〜２３であることにより、膜厚に比べて皮膜表面の結晶粒径が小さく平滑性が優れ、且つ、皮膜自身の耐クラック性に優れ、さらに長寿命を有する硬質皮膜被覆小径部材が実現できる。Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが１．５未満になると部材寿命をのばすために硬度の高い硬質皮膜を厚くするにつれて皮膜表面の結晶粒径が大きくなり、実作用部の平滑性と耐チッピング性が悪化するとともに、皮膜中の膜応力が高くなり皮膜が基体から剥離しやすくなり部材寿命が短くなる欠点が現れる。また、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが２３を越えて大きくなると、皮膜の緻密性と硬度とが低下するとともに、皮膜を形成する結晶粒間の強度が低下し、皮膜中にクラックが発生し実作用部に欠損が生じやすくなる易く欠点が現れる。
【００１０】
基体の組成は蛍光Ｘ線装置により定量分析し、全組成に対するＣｏ量を求める。結晶粒径は、焼結素材の断面を鏡面研磨し、村上試薬で０．５分、王水で０．５分間エッチングすることにより結晶粒界を明確にした後、走査型電子顕微鏡（（株）日立製作所製Ｓ−４２００型。以下、ＳＥＭと記す。）により倍率１０ｋ倍で撮影した画像を拡大コピーし、これを画像解析装置により解析することにより算出した。結合相中に含有されているＣｒや元素Ａの量は、各超硬合金材を微細に粉砕し、５％クエン酸アンモニウムと０．５％塩化ナトリウムの混合液からなる電解液で電解した後、この電解液をＩＣＰ分析することにより求めた。
皮膜の組成はエネルギー分散型Ｘ線分析装置（以下、ＥＤＸと記す。）を用いて、幅１μｍの電子線を基体と平行に１５μｍ長さ走査することにより分析した。また、多層膜を被覆した時は、多層膜の断面を研磨し、上記の条件で各層別に断面の組成を分析した。
皮膜の組織は、硬質皮膜を被覆した小径部材の実作用部を、軸と略垂直方向に破断させた後、その破断面をＳＥＭにより倍率１０ｋ〜１５ｋ倍で観察することにより求めた。
本発明は主要な突起が存在する皮膜の表面に、微小結晶粒やアモルファス状の皮膜を形成しても良い。こうすることにより、皮膜表面の平滑性と摺動性が若干向上するが、この場合も基本的な平滑性と摺動性とは主要な突起が存在する皮膜の表面の特性により決定されるため、主要突起が存在する皮膜のＴｍａｘ、Ｔａｖｅ、Ｗｍａｘ、Ｗａｖｅを求めるものとする。ここで、主要な突起が存在する皮膜とは、該突起の下部が含まれている皮膜のことを云う。該突起の下部が該皮膜中に含まれているか否か不明確な時は、破断面を基体と垂直に研磨し、該突起の断面と該皮膜の断面を同時に観察することにより識別できる。また、この時、Ｔｍａｘ、Ｔａｖｅ、Ｗｍａｘ、Ｗａｖｅは主要な突起が存在する該皮膜とその上層部との界面を該皮膜の表面として計測する。
【００１１】
本発明は、カソードアーク方式のイオンプレーティング法により成膜すると、超硬合金材との密着性が優れ、しかも、Ａｌ含有量が高く耐酸化性の高い硬質皮膜を被覆でき、膜密着性と耐酸化、耐摩耗性の優れた硬質膜被覆小径部材が実現できる。アークイオンプレーティング法の欠点は、皮膜中に巨大粒子、所謂ドロップレットが形成されやすいことだが、成膜時の真空装置内雰囲気の圧力を高める、基体の周囲に金属製のメッシュを置く等の対策により皮膜表面の平滑性を高めることが出来る。グロー放電を用いしかも基体近傍のプラズマ密度が高くなるアンバランスドマグネットロンスパッタ法により硬質皮膜を成膜すると、皮膜表面が平滑でしかも超硬合金材との密着性が比較的優れる硬質皮膜を被覆できるとともに、Ａｌ含有量が高く耐酸化性の高い硬質皮膜を被覆でき、摺動性と耐酸化、耐摩耗性の優れた硬質膜被覆小径部材が実現できる。本発明は、試料に高周波パルスを加えながらアンバランスドマグネトロンスパッタ法で成膜すると、試料表面の帯電を抑えるとともに、皮膜の付き廻りを良くすることができＡｌ等の成膜し難い元素をより安定して均一に成膜することが出来る。
本発明は、刃径が１ｍｍ以下の小径工具、特に小径ドリルやルーター等に特に有効である。刃径が１ｍｍを越えて大きいときは超硬合金製基体の剛性が高くなるものの、微小加工精度、例えば、加工可能な穴密度が大きく低下するため、高価な皮膜を被覆する工業的理由が小さくなる。また、耐熱性と摺動性が必要な、径の小さい耐摩耗工具、押しピン、金型等にも本発明は有効である。
本発明に用いる皮膜の組成は、（ＴｉＡｌ）、（ＣｒＡｌ）、（ＣｒＡｌＳｉ）のようにＡｌを含有する炭化物や窒化物、炭窒化物及びこれらの複合膜、これらに（ＴｉＳｉ）、（ＴｉＢ）、（ＴｉＺｒ）の炭化物や窒化物、炭窒化物及びこれらの複合膜を組み合わせた皮膜でもよい。これらの皮膜を被覆することにより高速、高効率穴開け加工に適し、更に耐摩耗、耐熱性の優れる硬質膜被覆小径部材が実現できる。また、これら皮膜にはＢ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｖ等を微少量添加しても良く、Ｗ、Ｃｏ等の不可避不純物が含まれていても良い。本発明の硬質皮膜は、また、少なくとも一層がＡｌを５０原子％以上含有していることが好ましい。これにより、皮膜の耐酸化性を飛躍的に高めることが出来る。特に高速回転、高送り穴開け加工に適した硬質皮膜被覆小径工具が実現できる。
【実施例】
【００１２】
（実施例１）
原料粉末として、平均粒径が０．６μｍのＷＣ粉末、平均粒径が１．５μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．２μｍの（ＴａＷ）Ｃ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、同１．５μｍのＭｏ２Ｃ粉末、同１．５μｍのＹｂ２Ｏ３粉末、同１．５μｍのＹ２Ｏ３粉末、同１．５μｍのＬａ２Ｏ３粉末、同１．５μｍのＧｄ２Ｏ３粉末、同１．２μｍのＳｉＣ粉末及び同１．５μｍのＣｏ粉末を用意した。これらの原料粉末を所定の組成に配合、アトライターで１２時間混合、減圧乾燥、更にワックスと溶剤とを加えて１時間混合することによりスラリーを作製した。このスラリーを用いて、押出し成形機により直径２．５ｍｍの長尺状成形体を作製した。これらの長尺状成形体を脱ワックスした後、焼結炉中にセットして１．３〜１３．２Ｐａの真空雰囲気中に１３３０〜１４８０度の範囲内の所定温度に０．５〜２時間保持した後、雰囲気の圧力を４．９〜１４．７ＭＰａの加圧雰囲気に変え、この加圧雰囲気中に１５〜６０分間保持した。１０００度までを５０〜１００度／分の冷却速度で急冷することにより、微粒超硬合金からなる直径２ｍｍの長尺状焼結素材を製造した。この長尺状焼結素材の全組成に対するＣｏ量、平均結晶粒径、結合相中に含有されているＴａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｙｂ、Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ等の含有量の評価結果を表１にまとめて示す。
【００１３】
【表１】
2006068844.tif 000003
【００１４】
比較例として、原料として本発明例と同じＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、（ＴａＷ）Ｃ粉末を用意し、組成が本発明例と異なる超硬合金製基体を作成した。焼結条件は発明例と同じく６．６Ｐａの真空雰囲気中に１３５０〜１４８０度内の所定の温度に１．５時間保持したが、冷却工程の冷却速度条件を本発明例と異なる約１０度／分で自然冷却した。この長尺状焼結素材の全組成に対するＣｏ量、平均結晶粒径、結合相中に含有されているＴａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｙｂ、Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ等の含有量の評価結果も表１に併記した。
本発明例と比較例の基体両者の丸棒素材を研削加工し、シャンク径が２ｍｍ、溝長が５ｍｍ、刃先径が０．１５ｍｍで、刃先がストレート形状の小径ドリルを作製した。そして、これらの小径ドリルをアークイオンプレーティング装置内にセットし、ＴｉＮ皮膜を０．２μｍの膜厚で被覆した後、皮膜金属成分の組成がＡｌ：５５原子％、Ｔｉ：４５原子％の（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ皮膜を３μｍ厚さ被覆することにより本発明例１〜３９と、比較例４０〜４３とを作製した。この時、小径ドリルの周辺に、編目間隔が約１０ｍｍのＳＵＳ製金網を配置するとともに、成膜圧力を５Ｐａとアークイオンプレーティング法としては比較的低真空側に保ち、基板温度３５０度、バイアス電圧−４０Ｖで成膜した。
【００１５】
本発明例３４の皮膜破断面の写真を図１、その模式図を図２に示す。図２には皮膜のＴａｖｅ、Ｔｍａｘ、Ｗｍａｘを示した。Ｔａｖｅは基体表面の平均位置から皮膜表面の平均位置までの距離をとり、Ｔｍａｘは基体表面の平均位置から同写真内に存在する最も高い突起の表面部までの距離をとった。またＷａｖｅは図２に示す様に、皮膜表面に結晶粒界が現れている最小膜厚部を基準にして基体表面に平行に直線を引き、図２中の○部で示す該直線と皮膜の結晶粒界との交点の数ｉを求め、写真の横幅を写真倍率で除した観察距離Ｗ（μｍ）をｉで割ることにより求めた。
Ｗａｖｅ＝Ｗ／ｉ（μｍ）
ここで、結晶粒界は対応する突起が皮膜表面に観察されるもののみを実際の結晶粒界としてカウントした。皮膜表面に対応する突起が観察されない場合は単なる凹凸とし、結晶粒界としてカウントしなかった。このような意味で、粒界数ｉは皮膜の破断面に現れている突起数でもある。従って、破断面の奥に撮影されている突起、例えば、図２中のｊ粒子等は結晶粒幅の計算には含めない。本発明例３４の場合、Ｗは７．１μｍ、ｉは２０、Ｗａｖｅは０．３５μｍであり、Ｔａｖｅは３．２μｍ、Ｔｍａｘは３．４μｍ、Ｗｍａｘは０．５９μｍであり、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅ＝１．０６、Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅ＝１．７、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅ＝９である。なお、皮膜を多層化して積層した場合は、巨大粒子が皮膜中に存在するのか、皮膜表面上に存在するのかが不明確になることがある。その時は、破断面を基体と垂直に研磨することにより巨大粒子の存在形態を確認することができる。図３は後述の、巨大粒子の回避策を採用せずに成膜した比較例７６の皮膜破断面を示したもので、皮膜中に巨大粒子ｌ、ｍ、ｎが存在する場合を示している。図３中の巨大粒子ｍは粒子下部が皮膜中に観察されることにより、主要な突起として測定対象になる。
【００１６】
作製した本発明例及び比較例の工具特性を次の条件で評価した。評価方法は、穴位置ズレ量が５０μｍに達するまでのヒット数を４０ヒット単位で測定し、工具寿命を求めた。測定結果を表１に併せて示す。
（切削条件）
加工方法：穴開け加工
被加工材：高ガラス転移温度材、０．４ｍｍ厚さ両面Ｃｕ付きガラスエポキシ板を３枚重ねにしたもの。
工具回転数：３０００００回転／分
送り量：７．５μｍ／ｒｅｖ
表１より、本発明例１〜３９は何れもＷＣ基超硬合金の硬質分散相の平均粒径が０．９μｍ以下で、Ｃｏ含有量が２〜１３質量％、該Ｃｏ中にＣｒがＣｏの１．５〜１２質量％であるのに対して、比較例４０、４１はＣｏ量が１．６、１４．３質量％であり、比較例４２、４３は結合相中に含有されるＣｒ量がＣｏの１．３、１３．１質量％になっている。従って、本発明例１〜３９と比較例４０〜４３とを比較すると、本発明例を用いて作製した小径ドリルは比較例に比べて２倍以上工具寿命が長く優れている。
Ｃｏ含有量が異なる本発明例１〜８と比較例４０、４１とを比較すると、本発明例１〜８は比較例４０、４１に比べて工具寿命が３．６倍以上優れている。この理由は、Ｃｏ量が本発明の規定値範囲内であることにより、靭性と耐摩耗性とがバランス良く確保されているためである。比較例４０はＣｏ含有量が少なく、基体の靭性が大きく低下し、比較例４１はＣｏ含有量が多過ぎるために基体の耐摩耗性が大きく低下したため、ともに工具寿命が大幅に悪化したのである。
結合相中のＣｒ含有量が、本発明規定値の範囲内である本発明例９〜１１と、規定値外である比較例４２、４３とを比較すると、本発明例の工具寿命の方が３．４倍以上優れている。この理由は、結合相中に含有されるＣｒ量が本発明規定値範囲内であることにより、Ｃｏを高強度、高耐熱性化するとともにＷＣ硬質分散相の粒成長を抑制する効果が得られ、しかもＣｒが焼結体中に偏析していないために、靭性と耐摩耗性とがバランス良く確保されているためである。比較例４２はＣｒ含有量が少なく、Ｃｏを高強度、高耐熱性化する効果とＷＣ硬質分散相の成長を抑制する効果とが不十分であり、比較例４３はＣｒ含有量が多過ぎるために結合相中にＣｒが偏析して靭性が大きく低下したため、伴に工具寿命が大幅に悪化したのである。
【００１７】
本発明例１〜３６は基体中にＣｒとラーベス相ＡＣｒ２を作る元素ＡとしてＴａ及び／又はＮｂが含有されており、結合相中におけるＴａ及び／又はＮｂの含有量総和が、結合相中のＣｒ含有量に対して３〜２５原子％であり、本発明の好ましい値の範囲内なっている。これに対して、本発明例３７、３８はＴａ及びＮｂの総量が夫々２、２６原子％であり、本発明の好ましい値の範囲外である。本発明例３９は元素Ａが全く含まれておらず、Ｃｏに対して原子半径の小さいＳｉが３原子％含まれているだけである。従って、本発明例１〜３６と本発明例３７〜３９とを比較すると、本発明例３７〜３９に対して本発明例１〜３６の工具寿命が１．５倍以上長く優れている。この理由は、元素Ａが結合相中に本発明の好ましい値の範囲内になっていることにより、結合相自体の硬度と耐熱性とが大幅に向上し、基体全体の高温での硬度と靭性とが大幅に向上したためである。特に、Ｃｏ含有量及びＣｏ中のＣｒ含有量が夫々同じである本発明例１２〜２３と本発明例３７〜３９とを比較すると、本発明例１２〜２３の寿命の方が１．７倍以上優れている。この理由は、本発明例１２〜２３の場合、元素ＡであるＴａ及び／又はＮｂの含有量が本発明の好ましい値の範囲内であることにより、元素Ａの添加効果が得られているためである。比較例３７と３９とは元素Ａの添加量が少ないまたは添加されていないために、結合相中に発生する歪み量が小さく、耐摩耗性と耐欠損性の改善効果が見られず、比較例３８は添加量が多いために、結合相の靭性が低下したためである。
元素Ａを２原子％のみ含有している本発明例３７と全く含有していない本発明例３９とを比較すると、本発明例３７の寿命の方が約１．１倍優れている。この理由は、本発明の好ましい値の範囲外とはいえどもＴａが添加されている効果が得られたためである。
【００１８】
本発明例１２〜１９は、何れも、Ｃｏ含有量が７．９質量％、結合相中のＣｒ含有量がＣｏの１０質量％と同じであるが、結合相中に含有されているＴａ量が、結合相中のＣｒ含有量に対して５〜２０原子％である本発明例１４〜１７は、Ｔａ量が、結合相中のＣｒ含有量に対して３原子％、４原子％である本発明例１２、１３、及び２１原子％、２５原子％である本発明例１８、１９に比べて１．３倍以上工具寿命が長い。また、本発明例１３、１５、１７、１８のＴａの１部又は全部をＮｂに置換している本発明例２０、２１、２２、２３とを夫々比較すると、Ｔａの１部又は全部をＮｂに置換してもほぼ同等の工具寿命が得られ、しかも、結合相中のＴａ及び／又はＮｂの含有量総和が、結合相中のＣｒ含有量に対して５〜２０原子％である本発明例２１、２２は、Ｃｒ含有量が４原子％、２１原子％の本発明例２０と２３に比べて１．３倍以上工具寿命が長い。この理由は、結合相中に含まれるＴａ及び／又はＮｂの含有量総和が、結合相中のＣｒ含有量に対して５〜２０原子％含有されていることにより、高硬度と耐熱性とを有する結合相が得られ、優れた耐摩耗性と耐欠損性とを有する超硬合金製基体が実現したためである。従って、結合相中に含まれる元素Ａの総和が、結合相中のＣｒ含有量の５〜２０原子％含有されていることが更に好ましい。
本発明例２４〜２６と本発明例１５、２７とを比較する。何れもＣｏ量が７．９質量％であり、結合相中のＣｒ含有量がＣｏの１０質量％、Ｔａ含有量が１０質量％と同じであるが、結合相中のＣｒに対するＭｏ含有量が１〜１０原子％の範囲である本発明例２４〜２６は、結合相中にＭｏを含有していない本発明例１５や、Ｍｏ含有量が１２原子％である本発明例２７に比べて、工具寿命が１．４倍以上長く優れている。この理由は、元素Ａに加えて、Ｍｏを添加することによってより優れた耐摩耗性と耐欠損性とを有するためである。従って、結合相中に含有されるＭｏ量がＣｒの１〜１０原子％であることが好ましい。
本発明例２８、２９と、本発明例１５、３０とを比較する。何れもＣｏ量が７．９質量％、結合相中のＣｒ含有量がＣｏの１０質量％、Ｔａ含有量が１０原子％と同じであるにもかかわらず、結合相中に含有されるＬａの量がＣｒの０．０５〜０．２原子％の範囲である本発明例２８、２９は、結合相中にＬａを含有していない本発明例１５やＬａ含有量が０．２５原子％と多い本発明例３０に比べて、工具寿命が１．３倍以上長く優れている。本発明例３１、３２と、本発明例２５、３３とを比較すると、何れもＣｏ量が７．９質量％であり、結合相中に含有されるＣｒ量がＣｏの１０質量％、Ｔａ含有量がＣｒの１０原子％、Ｍｏ含有量がＣｒの５原子％と同じであるものの、結合相中に含有されるＬａ量がＣｒの０．０５〜０．２原子％である本発明例３１、３２は、結合相中にＬａを含有していない本発明例２５やＬａ含有量が０．２５原子％と多い本発明例３３に比べて、工具寿命が更に１．３倍長くなり優れている。本発明例３４〜３６では、Ｌａの替わりにＹ、Ｙｂ、Ｇｄ等の希土類元素をＣｏ中に含有させることにより、Ｌａと同様に工具寿命が改善する結果を得た。これらの理由は、結合相中に含有される希土類元素の量を、Ｃｒに対して０．０５〜０．２原子％とすることにより、硬質相と結合相間の濡れ性が改善され、優れた耐摩耗性と耐欠損性が得られるためである。従って、結合相中のＣｒに対するＹ及び／又は希土類元素の含有量が０．０５〜０．２原子％含有されていることが好ましい。
【００１９】
（実施例２）
実施例１の発明例３４と同じ組成と製造条件で、Ｃｏ量７．９質量％、結合相中のＣｒ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｙの各量がＣｏの１０質量％、１０原子％、５原子％、０．２原子％である微粒超硬合金からなり、シャンク径が２ｍｍ、溝長が５ｍｍ、刃先径が０．１５ｍｍで、刃先がストレート形状の小径ドリルを作製した。その後、これらの小径ドリルにＴｉＮ皮膜を０．２μｍ厚さ被覆した後、所定のＡｌ量とＴｉ量とを含有した（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜を３μｍ厚さだけコーティングし、本発明品４４〜７３を作製した。このうち、本発明例４４〜６７は実施例１と同様に基体の廻りにＳＵＳ製金網を配置しアークイオンプレーティング法により成膜た。本発明例６８〜７３はアンバランスドマグネトロンスパッタ法により成膜した。作製した皮膜中に含有されているＡｌ量、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅ、Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅ、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅの評価結果を表２にまとめて示す。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅは、アークイオンプレーティング法被覆時に成膜圧力を変更することにより調整した。成膜圧力を０．５〜３Ｐａの範囲内で成膜圧力を下げると、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが大きくなる。Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅは、基体の廻りに配置するＳＵＳ製金網のメッシュを変更するとともに、成膜圧力とバイアス電圧とを変更することにより調整した。金網のメッシュを３〜２０ｍｍ間隔の範囲で大きくし、成膜圧力を下げ、バイアス電圧を高めるにつれてＷｍａｘ／Ｗａｖｅが大きくなる。Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅはバイアス電圧を変更することにより調整した。バイアス電圧を２０〜２００Ｖの範囲で高めるにつれて、膜厚に比して結晶粒の横幅が大きくなり、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが小さくなる。皮膜の膜組成は、アークイオンプレーティング法に用いるＴｉＡｌ合金製ターゲット材のＴｉ、Ａｌ比率を変更することにより調整した。本発明例６８〜７３は該金網を用いることなく出力周波数１３．５６ＭＨｚのアンバランスドマグネトロンスパッタ法により、Ａｒガスと窒素ガスを用い、成膜圧力０．７Ｐａ、基体温度３５０度で（ＴｉＡｌ）Ｎを成膜した。各試料別に、Ａｌ量の異なるＴｉＡｌターゲットを用いた。本発明例６８は基体に高周波パルスを加えることなく成膜した。本発明例６９〜７３は出力電圧５ｋＶ、パルス幅１０μＳ、繰り返し周波数２０００ｐｐｓの高周波パルスを加えながら成膜した。これは、ターゲットのＡｌ量が５０原子％を越えた場合には、高周波パルスを加えないと膜厚３μｍの（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを安定して成膜出来なかったためである。比較例として、本発明例４４〜７３と同じ微粒超硬合金を用い、同じ工具形状を有している比較例７４〜７８を製作した。比較例７４〜７５の皮膜は、アークイオンプレーティング法を用い、基体の廻りにＳＵＳ製金網を置くことなく、夫々バイアス電圧が−２５０、−２８０、−３００Ｖ、成膜圧力が０．５、０．８、０．５Ｐａ、成膜温度３５０度で、組成がＡｌ：５５原子％、Ｔｉ：４５原子％の（ＴｉＡｌ）Ｎを成膜した。比較例７７と７８とは高周波パルスを加えながらアンバランスドマグネトロンスパッタ法により成膜した。スパッタリングガスにＡｒガスを用い、反応ガスとして窒素を加えて、成膜圧力０．２Ｐａで、プラズマと基体間に高周波パルスを加えることなく、基体の温度を３３０度に保って、組成がＡｌ：４５原子％、Ｔｉ：５５原子％の（ＴｉＡｌ）Ｎを成膜した。作製した本発明例及び比較例の工具特性を実施例１と同じ条件で評価した。本発明例及び比較例について、平均工具寿命の測定結果を表２に併せて示す。
【００２２】
表２より、ＳＥＭで硬質皮膜の破断面を観察したとき、本発明例４４〜７３はいずれも、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１〜１．３の範囲内になっているのに対して、比較例品７４〜７８は皮膜中に粗大結晶粒が存在しＴｍａｘ／Ｔａｖｅが１．３５以上となった。従って、本発明例４４〜７３と比較例７４〜７８間を比較すると、本発明例を用いて作製した小径ドリルは比較例に比べて２倍以上穴あけ寿命が長く、工具特性が格段に優れていた。この理由は、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが本発明の規定値範囲内であることにより、皮膜表面が平滑であり、切刃の平滑性が高まると同時に刃先の摺動性が高まり、皮膜を形成する結晶粒の脱落が起こり難くなったためである。これに対して、比較例７４〜７８は、本発明例４４〜７３と同じ基体を用いているにも拘らず、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１．３５以上と本発明の規定値よりも大きいため、切刃の平滑性が悪く、刃先に掛かる切削抵抗が大きくなるとともに、皮膜を形成する結晶粒が切削の初期に脱落したため、工具寿命が大幅に低下したのである。
本発明例４４〜７３の中においても、Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅが１．７で、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが１．５又は９であるものの、夫々のＴｍａｘ／Ｔａｖｅが１〜１．３の範囲内で異なり、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが１．５の本発明例４４〜４８と、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが９の本発明例４９〜５３とを比較すると、本発明例４７、４８及び本発明例５２、５３とはＴｍａｘ／Ｔａｖｅが１．１を超えて大きく本発明の好ましい値の範囲外にある。本発明例４４〜４６と本発明例４９〜５１とはＴｍａｘ／Ｔａｖｅが１〜１．１と本発明の好ましい値の範囲内にある。従って、本発明例４７、４８に対して本発明例４４〜４６は工具寿命が１．３倍以上長く、また、本発明例５２、５３に対して本発明例４９〜５１は工具寿命が１．３倍以上長く優れている。この理由は、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１〜１．１と好ましい範囲内であることにより、皮膜表面がより平滑になり、切刃の平滑性が高まると同時に刃先の摺動性が高まり、皮膜を形成する結晶粒の脱落が発生し難くなったためである。Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１．１を超えて大きくなると、皮膜表面の平滑性が相対的に低下し、刃先の摺動性が相対的に下がり、皮膜を形成する結晶粒の脱落が相対的に起こり易くなって相対的に工具寿命が低下する。本発明例４４〜７３の中においても、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜のＴｍａｘ／Ｔａｖｅが同じ１．０６、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが同じ９であるものの、Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅが異なっている本発明例５０及び５４〜５８間を比較すると、本発明例５８はＷｍａｘ／Ｗａｖｅが３．３と本発明の好ましい値の範囲外にあり、本発明例５０、及び５４〜５７はＷｍａｘ／Ｗａｖｅが１〜３と本発明の好ましい値の範囲内にある。従って、本発明例５８に対して、本発明例５０と５４〜５７は工具寿命が１．３倍以上長く優れている。この理由は、Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅが１〜３であることにより皮膜表面が更に平滑であり且つ、結晶粒が脱落し難いためである。Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅが３を超えて大きくなると、この巨大粒子の廻りの粒界強度が相対的に低下し、しかも、切削加工の時に巨大粒子にかかる負荷が増大して巨大粒子の周辺が相対的に脱粒し易くなるためである。
【００２３】
Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが１〜２５と変化している本発明例４５、５０、５９〜６７を比較すると、本発明例５９と６７とはＴａｖｅ／Ｗａｖｅが１又は２５と本発明の好ましい値の範囲外にあり、本発明例４５、５０、６０〜６６はＴａｖｅ／Ｗａｖｅが１．５〜２３と本発明の好ましい値の範囲内にある。従って、本発明例５９と６７に対して、本発明例４５、５０、６０〜６６は工具寿命が１．３倍以上長く優れている。この理由は、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが１．５〜２３であることにより、膜厚に比べて皮膜表面の結晶粒径が小さくなり平滑性が優れ、しかも皮膜の密度と結晶粒間の強度が高い硬質皮膜が得られるためである。Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが１．５未満になると膜厚に比べて皮膜表面の結晶粒径が大きくなり、皮膜表面の平滑性が低下するとともに、皮膜内部の応力も高くなり皮膜の密着性が相対的に低下する。また、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが２３を超えて大きくなると皮膜を形成する結晶粒間の強度が低下し、著しい場合は、結晶粒間に空隙が形成されて皮膜中にクラックが入り易くなり、相対的に工具寿命が低下する。
本発明例４４〜７３の中においても、Ｔｍａｘ／Ｔａｖｅが１．０６、Ｗｍａｘ／Ｗａｖｅが１．７、Ｔａｖｅ／Ｗａｖｅが９と夫々が同じであり、皮膜のＡｌ組成のみが異なっている本発明例５０及び６８〜７３間を比較すると、本発明例６８はＡｌ量が４５原子％と本発明の好ましい値の範囲外にあり、本発明例５０と６９〜７３はＡｌ量が５０原子％以上と本発明の好ましい値の範囲内にある。従って、本発明例６８に対して、本発明例５０と６９〜７３は工具寿命が１．３倍以上長く優れている。この理由は、硬質皮膜がＡｌを５０ａｔ％以上含有していることにより、皮膜の耐酸化性が飛躍的に高まり、高速回転、高送り穴開け加工により皮膜表面が高温になっても、皮膜内部と基体表面の酸化が抑えられることにより、工具の摩耗が抑えられるためである。本結果は同時に、アンバランスドマグネトロンスパッタ法に高周波パルスを加えて成膜した本発明例６９〜７３が、アンバランスドマグネトロンスパッタ法により成膜した本発明例６８よりも穴開け寿命が１．３倍長くことも示しており、本発明はアンバランスドマグネトロンスパッタ法に高周波パルスを加えて成膜することが好ましいことがわかる。この理由は、高周波パルスを加えて成膜することにより試料表面の帯電を抑えるとともに、皮膜の付き廻りを良くすることができＡｌ等の成膜し難い元素をより安定して均一に成膜することが出来るためである。更に、上記で述べた本発明例は、被覆後の後加工を行う事無く、被覆した状態のままで使用する事が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明例３４の硬質皮膜の破断面写真を示す。
【図２】図２は、図１の模式図を示す。
【図３】図３は、比較例７６の硬質皮膜の破断面写真を示す。
【図２】
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【図１】
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【図３】
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