(57)【要約】      （修正有）【課題】耐摩耗性と耐欠損性との両者に優れた表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】表面被覆切削工具は、基材と、該基材表面に形成された被覆層とを含み、該被覆層は、１層または２層以上の層からなり、その層のうち少なくとも１層は酸化アルミニウム層であり、該酸化アルミニウム層は、ナノインデンテーション法により測定した硬度が４０００〜７０００ｍｇｆ／μｍ2であり、かつ同法により測定した弾性回復率が０．３〜０．５である。【選択図】図１
2011005575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材表面に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、１層または２層以上の層からなり、その層のうち少なくとも１層は酸化アルミニウム層であり、
前記酸化アルミニウム層は、ナノインデンテーション法により測定した硬度が４０００〜７０００ｍｇｆ／μｍ2であり、かつ同法により測定した弾性回復率が０．３〜０．５である、表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記酸化アルミニウム層は、１〜１０μｍの厚みを有し、かつ物性値の異なる複数の層が積層された構造を有する、請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記基材は、硬質化合物よりなる複数の硬質相と、該硬質相同士を結合する結合相とを含み、
前記硬質化合物は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、およびＶＩａ族元素のいずれかに属する少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物と、炭化タングステンと、からなる、請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記基材は、硬質化合物よりなる複数の硬質相と、該硬質相同士を結合する結合相とを含み、
前記硬質化合物は、炭化タングステンである、請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記結合相は、鉄、コバルト、およびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素により構成される、請求項３または４に記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記酸化アルミニウム層は、α型の結晶構造を有する酸化アルミニウムで構成される、請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記被覆層は、前記酸化アルミニウム層以外の層を含み、該層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、アルミニウム、およびシリコンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素とからなる化合物により構成される、請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記被覆層は、３〜２０μｍの厚みを有する、請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記被覆層は、化学的蒸着法により製造され、
前記酸化アルミニウム層は、チャンバ内の圧力を周期的に変化させることにより製造される、表面被覆切削工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材と該基材表面に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般の鋼や鋳物の切削加工には、ＷＣ−Ｃｏ合金もしくはＷＣ−Ｃｏ合金にＴｉおよび／またはＴａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した合金からなる超硬合金製の切削工具が用いられてきた。しかし、その切削加工の際に、切削工具の刃先は８００℃以上の高温となるので、これらの超硬合金よりなる切削工具は、その切削加工時の熱により塑性変形しやすかった。そして、その結果、逃げ面摩耗の進行が増大しやすくなっていた。
【０００３】
そこで、高温での切削工具の切削特性を改善するために、上記超硬合金を母材（基材）とし、その表面に、周期律表のＩＶａ族金属の炭化物、窒化物、または炭窒化物（ＴｉＣ、ＴｉＮ、またはＴｉＣＮなど）、あるいはＡｌ2Ｏ3等といった硬質セラミックスの単一層、またはこれらの硬質セラミックスの複合層からなる被覆層を形成した表面被覆切削工具が使用されている。これらの被覆層の形成には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの化学的蒸着法、またはイオンプレーティング法やイオンスパッタリング法などの物理的蒸着法が用いられる。
【０００４】
これらの方法で形成された被覆層のうち、特に化学的蒸着法により形成した被覆層は、超硬合金の母材との密着強度が非常に高く、耐摩耗性が非常に優れている。近年、切削の高速化および高能率化の要望から被覆層はますます厚くなる傾向にあるため、超硬合金母材と被覆層との密着強度は重要である。
【０００５】
しかし一方で、化学的蒸着法で被覆層を形成する際には、被覆層の温度が約１０００℃近くの高温となるため、被覆層形成後に室温まで冷却すると、超硬合金母材と被覆層との熱膨張係数の差により被覆層に引張応力が残留する。その結果、切削加工時に被覆層の表面を起点として亀裂が発生すると、引張応力によりその亀裂が伝播し、被覆層の脱落やチッピングが発生する。具体的には、超硬合金母材の熱膨張係数は約５．１×１０-6Ｋ-1程度であるのに対し、被覆層の熱膨張係数は、たとえばＴｉＮの場合約９．２×１０-6Ｋ-1であり、ＴｉＣの場合約７．６×１０-6Ｋ-1であり、Ａｌ2Ｏ3の場合約８．５×１０-6Ｋ-1である。
【０００６】
現在一般に使用されている表面被覆切削工具の被覆層の厚みが約数μｍから約十数μｍの範囲であるのは、被覆層の厚みを厚くするほど耐摩耗性が向上するものの、上記の理由から厚い被覆層ほど工具が異常損傷を引き起こす可能性が高まり、耐欠損性が低下することに起因する。
【０００７】
そこで、このような被覆層の特性を改善するための様々な技術が提案されている。たとえば特開平０７−２１６５４９号公報（特許文献１）には、アルミナ層成膜後の冷却時に発生するクラックを無くすことで、切削工具の切削寿命を向上させる技術が記載されている。
【０００８】
また、特開２００８−１００３４６号公報（特許文献２）には、湿式吹付け加工操作に被覆層をさらすことによって靭性特性を改善させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０７−２１６５４９号公報
【特許文献２】特開２００８−１００３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示された工具であっても、被覆層中には依然として引張応力が残留しているため、高速加工および高能率加工で断続的に切削を行なう場合には、依然として耐欠損性に劣るという問題があった。また、切削工具の刃先における酸化アルミニウム層の強度が不十分であるため、切削加工時において酸化アルミニウム層中に亀裂が発生するという問題があった。
【００１１】
また、特許文献２に開示された被覆層は、表面の平滑性に主眼を置いており、酸化アルミニウム層自体の強度が不十分であるため、切削加工時において酸化アルミニウム層中に亀裂が発生するという問題があった。
【００１２】
これらの従来技術においては、上記のような問題に起因して、被覆層の脱落やチッピングによって摩耗が不均一に進行し、耐摩耗性が低下するという問題があった。これらの問題は、表面被覆切削工具全般にわたる問題であるが、とりわけフライス加工や溝付き材の旋削加工などの切削加工に用いられる表面被覆切削工具において特に顕著となる問題であった。上記の用途に用いられる表面被覆切削工具では、断続的な荷重が負荷されることによって刃先の欠損が極めて起こりやすかった。したがって、本発明は、耐摩耗性と耐欠損性との両者に優れた表面被覆切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の表面被覆切削工具は、上記の課題を解決するために、とりわけ従来より耐摩耗性に優れることが知られている酸化アルミニウム層をさらに改良したものである。すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材表面に形成された被覆層とを含み、該被覆層は、１層または２層以上の層からなり、その層のうち少なくとも１層は酸化アルミニウム層であり、該酸化アルミニウム層は、ナノインデンテーション法により測定した硬度が４０００〜７０００ｍｇｆ／μｍ2であり、かつ同法により測定した弾性回復率が０．３〜０．５であることを特徴とする。
【００１４】
ここで、上記酸化アルミニウム層は、１〜１０μｍの厚みを有し、かつ物性値の異なる複数の層が積層された構造を有することが好ましい。また、上記基材は、硬質化合物よりなる複数の硬質相と、該硬質相同士を結合する結合相とを含み、該硬質化合物は、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、およびＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）のいずれかに属する少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物と、炭化タングステンと、からなることが好ましい。またあるいは、上記硬質化合物は、炭化タングステンであることが好ましい。
【００１５】
一方、上記結合相は、鉄、コバルト、およびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素により構成されることが好ましい。また、上記酸化アルミニウム層は、α型の結晶構造を有する酸化アルミニウムで構成されることが好ましい。
【００１６】
また、上記被覆層は、上記酸化アルミニウム層以外の層を含み、該層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、アルミニウム、およびシリコンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素（Ｂ）からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素とからなる化合物により構成されることが好ましく、上記被覆層は、３〜２０μｍの厚みを有することが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、上記のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、上記被覆層は、化学的蒸着法により製造され、上記酸化アルミニウム層は、チャンバ内の圧力を周期的に変化させることにより製造される、表面被覆切削工具の製造方法にも係る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の表面被覆切削工具は、上記の通りの構成を有することにより、優れた耐摩耗性と優れた耐欠損性とを有している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ナノインデンテーション法による押し込む荷重と押し込み深さとの関係を概念的に表わしたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材表面に形成された被覆層とを含む。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として有用に用いることができるが、これらの用途および形状に限定されるものではない。本発明の表面被覆切削工具は、フライス加工や溝付き材の旋削加工など、断続的な荷重が負荷される切削加工用途において特に適している。
【００２１】
＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。
【００２２】
そして本発明においては、上記のような基材の中でも、特に硬質化合物よりなる複数の硬質相（通常マトリックスとなる）と、該硬質相同士を結合する結合相とを含む構造を有したものが好ましく、特に硬質化合物である金属炭化物の粉末等を焼結して製造される超硬合金が好ましい。ここで、このような硬質化合物としては、たとえば周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、およびＶＩａ族元素のいずれかに属する少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物と、炭化タングステンと、からなることが好ましい。またあるいは、上記硬質化合物は、炭化タングステンのみであることが好ましい。なお、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、およびＶＩａ族元素のいずれかに属する少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物の具体例としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣＮ、Ｃｒ3Ｃ2、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＴｉＣＮ等を挙げることができる。またなお、上記硬質相は上記の硬質化合物の代わりに、サーメット等により構成されるものであってもよい。
【００２３】
上記のような硬質化合物で構成される硬質相は、硬質であり、耐摩耗性に優れている。また、高温時の硬度低下も小さい。このため、本発明の表面被覆切削工具の基材の素材として適している。
【００２４】
一方、上記結合相は、上記硬質相同士を結合する作用を有するものであり、たとえば鉄系金属、すなわち鉄、コバルト、およびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素により構成されることが好ましい。このような元素による結合相は、上記の硬質相、特に金属炭化物よりなる硬質相同士の結合を強化する性質を有しているので好適である。なお、硬質相がサーメットよりなっている場合、結合相はコバルト、ニッケル、またはコバルトとニッケルとの合金であることが特に好ましい。
【００２５】
本発明において、基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。なお、本発明で用いる基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
【００２６】
＜被覆層＞
本発明の被覆層は、１層または２層以上の層からなり、その層のうち少なくとも１層は酸化アルミニウム層である。このような本発明の被覆層は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、基材上に部分的に被覆層が形成されていない態様をも含み、さらにまた表面被覆切削工具の特定の部分において被覆層の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。また、このような本発明の被覆層は、その全体の厚みが３〜２０μｍ（３μｍ以上２０μｍ以下）であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以上１８μｍ以下である。被覆層の厚みを３μｍ以上とすることにより、被覆層の耐摩耗性向上の効果を得ることができ、被覆層の厚みが厚くなるほど耐摩耗性は向上する。一方、被覆層の厚みを２０μｍ以下とすることにより、被覆層の耐欠損性を確保することができる。
【００２７】
＜酸化アルミニウム層＞
本発明の酸化アルミニウム層は、ナノインデンテーション法により測定した硬度が４０００〜７０００ｍｇｆ／μｍ2であり、かつ同法により測定した弾性回復率が０．３〜０．５であることを特徴とする。
【００２８】
ここで、まず、ナノインデンテーション法について説明する。ナノインデンテーション法は、文献「トライボロジスト、２００２年、第４７巻、第３号、ｐ．１７７−１８３」に詳しく説明されているように、硬さ（硬度）の試験方法の一種である。すなわち、ナノインデンテーション法は、従来のヌープ硬度測定法（マイクロヌープ法）またはビッカース硬度測定法（マイクロビッカース法）といった押し込み後の圧痕形状から硬度を求める手法と異なり、圧子の押し込み時の荷重と深さの関係から、硬度またはヤング率を求める方法である。
【００２９】
従来のヌープ硬度測定法またはビッカース硬度測定法では、押し込み荷重Ｆが５０ｍＮ〜１０Ｎと大きかったことから、押し込み深さｈが１００ｎｍ以上となるため、被覆層のみの物性評価ではなく、下地基材の影響を受けていた。この点、上記文献でも指摘されているように、被覆層だけの硬度評価を行なうためには、被覆層の膜厚の約１／１０以下の押し込み深さでの測定が必要となる。たとえば、１μｍの被覆層を対象とした場合、押し込み深さは１００ｎｍ以下とすることを要する。また、従来法では、圧痕の大きさを光学顕微鏡での観察により測定するため、圧痕形状を判別するときの測定精度に難点がある。これに対して、ナノインデンテーション法では、機械的に深さを求めるので、正確な測定が可能である。したがって、本発明では、圧痕形状の判別を必要とせず、かつ最小の押し込み深さで硬度を測定することができるナノインデンテーション法を採用した。
【００３０】
なお、本発明における押し込み深さｈとは、荷重をかけて圧子を押し込んだ場合の圧子の先端部分から被覆層の表面（圧子により荷重がかけられていない表面部分）までの距離をいう。また、本発明におけるナノインデンテーション法において、このような圧子は、被覆層の表面側から押し込んでもよいし、被覆層表面に対する法線を含む平面で被覆層を切断した場合の断面に対して垂直方向となる方向から押し込んでもよい。酸化アルミニウム層が被覆層の最表面層ではない場合には、上記後者の態様で（すなわち該断面に対して垂直方向となる方向から）圧子を押し込むことによって測定することが好ましい。この場合、押し込み深さｈとは、荷重をかけて圧子を押し込んだ場合の圧子の先端部分から荷重がかけられていない該切断断面の表面部分までの距離をいう。
【００３１】
このようなナノインデンテーション法における、圧子を被覆層（またはその断面）表面に押し込んだ時の荷重Ｐと押し込み深さｈとの関係を概念的に図１に示す。すなわち、圧子駆動部に変位計を設置し、圧子の押し込み深さｈを連続的に測定しながら、荷重を最大荷重Ｐｍａｘまで除々に増加させ、最大押し込み荷重Ｐｍａｘとなったときの押し込み深さｈを、最大押し込み深さｈｍａｘとして測定する。その後、荷重ゼロまで除荷させた時の押し込み深さを、荷重除荷後の押し込み深さｈｆとして測定する。
【００３２】
従来法であるマイクロヌープ法またはマイクロビッカース法では、図１のｈｆ、すなわち荷重除荷後の圧痕形状を測定していた。しかし、かかる方法では上記のとおり測定精度に難点がある。これに対して、ナノインデンテーション法では、最大押し込み深さｈｍａｘと荷重除荷後の押し込み深さｈｆとを測定することにより、（ｈｍａｘ−ｈｆ）から被覆層の弾性回復量を測定することができる。弾性回復量が大きいければ、弾性変形しやすく、小さければ弾性変形しにくい。
【００３３】
本発明では、この弾性回復量を表す指標として弾性回復率、すなわち（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘに注目した。実際の切削加工において、工具寿命の延長を図るには刃先、特に被覆層のチッピング性および欠損性を向上させることが重要である。この点、上記の弾性回復量（ｈｍａｘ−ｈｆ）を適切な範囲に制御することにより、切削加工時に刃先にかかる負荷に対して、被覆層材料の変形が追随するようにし、これにより特に切削初期に発生するチッピングおよび欠損を抑制することが可能となる。
【００３４】
本発明では、被覆層を構成する酸化アルミニウム層において、その硬度ＨをＨ＝Ｐｍａｘ／Ａ（Ａは圧子の接触投影面積）とし、そのＨが４０００〜７０００ｍｇｆ／μｍ2となるものを選択し、かつその場合の上記弾性回復率（（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘ）が０．３〜０．５であるものを選択した。これにより、本発明の表面被覆切削工具は、刃先に衝撃が作用した場合でも酸化アルミニウム層中に発生する亀裂を抑えることができ、以って優れた耐摩耗性と優れた耐欠損性の両立に成功したものである。上記硬度は、より好ましくは４５００〜６０００ｍｇｆ／μｍ2であり、上記弾性回復率は、より好ましくは、０．３５〜０．４５である。
【００３５】
上記硬度が４０００ｍｇｆ／μｍ2未満の場合には、酸化アルミニウム層自体の耐摩耗性を維持できず、工具の耐摩耗性が低下するおそれがある。また、７０００ｍｇｆ／μｍ2を超える場合には、酸化アルミニウム層に接する層と酸化アルミニウム層との硬度差が大きくなり過ぎる結果、均一でない摩耗を引き起こすおそれがあり、異常摩耗による耐摩耗性の低下をもたらす。
【００３６】
一方、上記弾性回復率が０．３未満の場合には、切削加工時において酸化アルミニウム層中に亀裂が発生する結果、被覆層の脱落やチッピングを引き起こすおそれがある。また、上記弾性回復率が０．５を超える場合には、酸化アルミニウム層に接する層が酸化アルミニウムの弾性変形に追従できず、被覆層の剥離を引き起こすおそれがある。
【００３７】
なお、本発明のナノインデンテーション法において、Ｐｍａｘは試験荷重として任意に設定することができ、圧子としてはバーコヴィッチ圧子と呼ばれる三角錐ダイヤモンド圧子を用いる。また、圧子の接触投影面積とは、圧子に対して荷重が負荷される方向から当該圧子が接触する面（酸化アルミニウム層）に対して投影した場合の当該圧子の外郭が占める面積をいう。
【００３８】
上記のような特性を有する酸化アルミニウム層は、その厚みが１〜１０μｍとすることが好適であり、かつ物性値の異なる複数の層が積層された構造とすることにより達成することができる。たとえば、そのような構造としては、高い強度を有する酸化アルミニウム層と高い硬度を有する酸化アルミニウム層とを交互に積層させた構造とすることが好ましい。これにより、切削加工時に酸化アルミニウム層中に発生する亀裂を防ぐことができ、その結果、耐摩耗性を向上させつつ、被覆層の脱落やチッピングを防ぐことができ、優れた耐摩耗性と優れた耐欠損性とを両立させることが可能となる。
【００３９】
なお、このような酸化アルミニウム層の厚みは、より好ましくは、３〜８μｍである。その厚みが１μｍ未満では、酸化アルミニウム層による耐摩耗性が十分に発揮されず、１０μｍを超えると被覆層の脱落やチッピングを誘発する可能性がある。
【００４０】
なお、本発明の酸化アルミニウム層は、強度および硬度が非常に高い層であり、酸化アルミニウムで構成される層（酸化アルミニウムを主成分とする層）であるが、このような酸化アルミニウムとしては、α型の結晶構造を有する酸化アルミニウムで構成されることが好ましい。α型は、κ型等の他の結晶構造と比べて単一層であっても硬度および強度が優れているためである。
【００４１】
なお、このような本発明の酸化アルミニウム層は、後述のような製造方法により製造することができる。
【００４２】
＜酸化アルミニウム層以外の層＞
本発明の被覆層は、上記酸化アルミニウム層以外の層（便宜的に「付加被膜層」とも記す）を含むことができる。このような付加被膜層は、基材と酸化アルミニウム層との間に形成されていてもよいし、酸化アルミニウム層上に形成されていてもよいし、酸化アルミニウム層の上下両側に形成されていてもよい。また、その積層数も、１層とすることもできるし、２層以上とすることもできる。
【００４３】
そして、このような付加被膜層は、セラミックスで構成されることが好ましく、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、アルミニウム、およびシリコンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素とからなる化合物により構成されることが好ましい。これにより、耐摩耗性を向上させることができる。
【００４４】
このような化合物としては、より具体的には、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、アルミニウム、およびシリコンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、炭酸窒化物、硼窒化物、および硼炭窒化物よりなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物が挙げられ、さらに具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＨｆＮ、ＴｉＮｂＮ、ＴｉＴａＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＳｉＢＮ、ＴｉＢＣＮ、ＴｉＡｌＢＣＮ、ＴｉＳｉＢＣＮ、ＣｒＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＯ2、ＶＮ、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2等を挙げることができる。
【００４５】
＜製造方法＞
本発明に係る表面被覆切削工具の製造方法において、上記被覆層は、化学的蒸着法により製造され、上記酸化アルミニウム層は、チャンバ内の圧力を周期的に変化させることにより製造される。本発明の製造方法は、被覆層を形成する工程として、被覆層および酸化アルミニウム層が上記のようにして製造される限り、他の任意の工程を含むことができる。たとえば、そのような任意の工程としては、基材を準備する工程、基材の刃先稜線部に対してホーニング処理を施す工程、被覆層に対してホーニング処理を施す工程等を含むことができる。
【００４６】
より具体的には、まず基材を準備する。続いて、基材の表面に被覆層を形成する。被覆層は、たとえばチャンバ内に基材を配置し、化学的蒸着法（ＣＶＤ法、気相合成法）を用いて、８００℃以上１１００℃以下の温度で基材上に成膜される。特に化学的蒸着法により形成した被覆層は、基材との密着強度が非常に高い。その結果、被覆層を厚く形成することができ、耐摩耗性を向上させることができる。なお、被覆層は、化学的蒸着法の代わりに、イオンプレーティング法やイオンスパッタリング法などの物理的蒸着法を用いて形成することもできる。
【００４７】
そして、被覆層を化学的蒸着法により製造する場合は、酸化アルミニウム層の形成条件として以下の条件を採用することが好ましい。すなわち、チャンバ内の圧力を周期的に変化させるという条件を採用することが好適である。具体的には、０．８〜１．２分の周期で、チャンバの圧力を１０〜１５ｈＰａの低圧と９０〜１１０ｈＰａの高圧とを交互に繰り返すようにして変化させる。これにより、チャンバ内の圧力が低圧時には高硬度の酸化アルミニウム層が積層され、高圧時には高強度の酸化アルミニウム層が積層されることになり、このように物性値の異なる複数の層が積層されることにより、優れた耐摩耗性と優れた耐欠損性とを両立した酸化アルミニウム層を形成することができる。その結果、被覆層全体の耐摩耗性が向上し、かつ被覆層の脱落やチッピングを防止することもできるため、全体として耐摩耗性と耐欠損性との両者に優れた表面被覆切削工具を得ることができる。
【００４８】
なお、酸化アルミニウム層全体の厚みにもよるが、通常酸化アルミニウム層の成膜時間を２００〜５００分程度に設定することにより、上記のように物性値の異なる酸化アルミニウム層を２００〜５００層積層させたものとすることができる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５０】
＜実施例１＞
ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）に規定されるＪＩＳ  Ｂ  ４１２０（１９９８）  ＣＮＭＧ１２０４０８の切削工具形状を有する超硬合金母材を基材として準備した。なお、このような基材は、後述の各試料（Ａ１〜Ａ３）毎に３個ずつ計９個準備した。また、この基材の組成は、８７．０ｗｔ％のＷＣと、７．０ｗｔ％のＣｏと、３．０ｗｔ％のＴｉＣと、３．０ｗｔ％のＮｂＣとにより構成されている。
【００５１】
そして、この基材の刃先稜線部に対してブラシを用いてホーニング処理を施した。次いで、このようにホーニングされた基材の表面上に被覆層を形成した。この被覆層は、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）により形成し、まず基材表面と接するように０．５μｍの厚みを有するＴｉＮを形成し、その上に順次、７．０μｍの厚みを有するＭＴ（moderate temperature）−ＴｉＣＮ、１．０μｍの厚みを有するＴｉＮ、７．０μｍの厚みを有するＡｌ2Ｏ3、および１．５μｍの厚みを有するＴｉＮをこの順に成膜することにより表面被覆切削工具を得た。７．０μｍの厚みを有するＡｌ2Ｏ3が酸化アルミニウム層であり、それ以外の層が付加被膜層である。
【００５２】
そして、上記における酸化アルミニウム層の形成条件として、チャンバ内の圧力を１分周期で１０ｈＰａと１００ｈＰａ間で交互に変化させた試料を試料Ａ１（酸化アルミニウム層が物性値の異なる複数の層が積層された構造となったもの）とした。これに対し、チャンバ内の圧力を１０ｈＰａで一定としたものを試料Ａ２とし、１００ｈＰａで一定としたものを試料Ａ３とした。なお、酸化アルミニウム層の成膜時間は延べ４００分である。
【００５３】
このようにして得られた各試料（表面被覆切削工具）のうち、各試料毎に１個ずつ、被覆層表面に対する法線を含む平面に沿って試料を切断し、その断面を機械研磨した。そして、この断面に対する垂直方向から酸化アルミニウム層に対して圧子を押し込むことにより、ナノインデンテーション法（測定装置として株式会社エリオニクス社製の「ＥＮＴ−１１００ａ」を用いた）により酸化アルミニウム層の硬度と弾性回復率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５４】
一方、上記で切断しなかった試料のうち、各試料毎に１個ずつを用いて以下の条件により耐摩耗性を評価した。さらに、また残りの試料について、各試料毎に１個ずつを用いて以下の条件により耐欠損性（耐チッピング性）を評価した。これらの結果を同じく以下の表１に示す。表１中、「衝撃時間」とは、チッピングまたは欠損するまでの時間を示す。
【００５５】
＜耐摩耗性の評価＞
被削材  ：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）
切削速度：２７０ｍ／ｍｉｎ．
送    り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み  ：１．５ｍｍ
切削油  ：湿式
切削時間：２０ｍｉｎ．
評    価：逃げ面摩耗量を測定（該数値が小さい方が耐摩耗性に優れる）
＜耐欠損性の評価＞
被削材  ：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）溝入材
切削速度：３３０ｍ／ｍｉｎ．
送    り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み  ：１．５ｍｍ
切削油  ：湿式
評    価：チッピングまたは欠損するまでの時間（長い方が耐欠損性に優れる）
【００５６】
【表１】
2011005575.tif 000003
【００５７】
表１中、試料Ａ１が実施例であり、試料Ａ２およびＡ３が比較例である。表１より明らかなように、本発明の実施例である試料Ａ１は、試料Ａ２およびＡ３に比し、耐摩耗性および耐欠損性の両者において優れていた。したがって、以上の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性との両者において優れていることが確認できた。
【００５８】
＜実施例２＞
実施例１で用いたのと同じ基材を準備した。なお、このような基材は、後述の各試料（Ｂ１〜Ｂ６）毎に３個ずつ計１８個準備した。
【００５９】
そして、この基材の刃先稜線部に対してブラシを用いてホーニング処理を施した。次いで、このようにホーニングされた基材の表面上に被覆層を形成した。この被覆層は、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）により形成し、まず基材表面と接するように０．５μｍの厚みを有するＴｉＮを形成し、その上に順次、１０．０μｍの厚みを有するＭＴ（moderate temperature）−ＴｉＣＮ、１．０μｍの厚みを有するＴｉＢＮ、６．０μｍの厚みを有するＡｌ2Ｏ3、および１．５μｍの厚みを有するＴｉＮをこの順に成膜することにより表面被覆切削工具を得た。６．０μｍの厚みを有するＡｌ2Ｏ3が酸化アルミニウム層であり、それ以外の層が付加被膜層である。
【００６０】
そして、上記における酸化アルミニウム層の形成条件として、チャンバ内の圧力を０．５分周期で１０ｈＰａと１００ｈＰａ間で交互に変化させた試料を試料Ｂ１とした。同じく、チャンバ内の圧力を０．８分周期で１０ｈＰａと１００ｈＰａ間で交互に変化させた試料を試料Ｂ２とした。また、チャンバ内の圧力を１分周期で１０ｈＰａと１００ｈＰａ間で交互に変化させた試料を試料Ｂ３とした。また、チャンバ内の圧力を１分周期で１５ｈＰａと１００ｈＰａ間で交互に変化させた試料を試料Ｂ４とした。また、チャンバ内の圧力を１分周期で５０ｈＰａと１００ｈＰａ間で交互に変化させた試料を試料Ｂ５とした。また、チャンバ内の圧力を１０分周期で１０ｈＰａと１００ｈＰａ間で交互に変化させた試料を試料Ｂ６とした。なお、酸化アルミニウム層の成膜時間は延べ３００分である。
【００６１】
このようにして得られた各試料（表面被覆切削工具）のうち、各試料毎に１個ずつ、被覆層表面に対する法線を含む平面に沿って試料を切断し、その断面を機械研磨した。そして、この断面に対する垂直方向から酸化アルミニウム層に対して圧子を押し込むことにより、実施例１と同様にしてナノインデンテーション法により酸化アルミニウム層の硬度と弾性回復率を測定した。その結果を表２に示す。
【００６２】
一方、上記で切断しなかった試料のうち、各試料毎に１個ずつを用いて実施例１と同じ条件で耐摩耗性を評価した。さらに、また残りの試料について、各試料毎に１個ずつを用いて実施例１と同じ条件で耐欠損性（耐チッピング性）を評価した。これらの結果を同じく以下の表２に示す。表２中、「衝撃時間」とは、チッピングまたは欠損するまでの時間を示す。
【００６３】
【表２】
2011005575.tif 000004
【００６４】
表２中、試料Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４が実施例であり、試料Ｂ１、Ｂ５、Ｂ６が比較例である。表２より明らかなように、本発明の実施例である試料Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、比較例である試料Ｂ１と同等の逃げ面摩耗量の結果が得られる一方で、衝撃時間は試料Ｂ１に比し飛躍的に向上していた。一方、比較例である試料Ｂ５およびＢ６は、実施例である試料Ｂ２〜Ｂ４と同等の衝撃時間を示したが、逃げ面摩耗量は明らかに劣っていた。したがって、以上の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性との両者において優れていることが確認できた。
【００６５】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００６６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図１】
2011005575.tif 000005