(57)【要約】【課題】耐チッピング性に優れた少なくともＴｉとＡｌを含む硬質膜を被覆した表面被覆工具において、硬質膜の耐欠損性や耐摩耗性に優れた長寿命の表面被覆工具を提供する。【解決手段】超硬合金、サーメットおよびセラミックのいずれかからなる基体２の表面に、少なくともＴｉとＡｌを含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物、炭窒酸化物の１種以上で構成される厚みが０．１〜１０μｍの硬質膜３を少なくとも１層被覆した表面被覆切削工具１において、硬質膜３を構成する結晶粒子（最小単位の粒子）４が硬質膜３の厚み方向に向かって伸びる縦長成長をしており、かつ結晶粒子４総数のうち４０％以上の結晶粒子４の端部がＶ字状をなして結晶粒子４同士が互いに噛合されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金、サーメットまたはセラミックスのいずれかからなる基体の表面に、少なくともＴｉとＡｌを含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物、炭窒酸化物の１種以上で構成される厚みが０．１〜１０μｍの硬質膜を少なくとも１層被覆した被覆切削工具において、前記硬質膜を構成する結晶粒子が前記硬質膜の厚み方向に向かって伸びる縦長成長をしており、かつ該結晶粒子総数に対して４０％以上の結晶粒子の端部がＶ字状をなして結晶粒子同士が互いに噛合されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記硬質膜を形成する結晶粒の最大幅（ｗ１）の平均値が０．１〜１．５μｍであることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記結晶粒子の組成を（ＴｉａＡｌｂ）ＣｘＮｙＯｚ（ただし、ａ＋ｂ＝１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）とした場合、少なくとも一方の端部がＶ字状をなす結晶粒子の平均組成が０．３≦ａ≦０．６を満足し、かつどちらの端部もＶ字状をなさない結晶粒子の平均組成が０．６＜ａ≦０．９であることを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記結晶粒子のうち、端部がＶ字状をなす結晶粒子の割合が、前記硬質膜を構成する結晶粒子の総数に対して４０〜８０％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記Ｖ字状に噛合されるＶ字の平均角度が、前記硬質膜の成長方向に対して１０〜８０°であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面を高硬度で高靭性の被覆膜で被覆した表面被覆切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、表面被覆工具の耐摩耗性、耐欠損性を改善するために物理蒸着（ＰＶＤ）法や化学蒸着（ＣＶＤ）法によりＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の硬質膜を被覆した工具が一般的に広く用いられている。
【０００３】
また、最近では加工速度の高速化やステンレス鋼等の難削材への対応が要求され、特に耐熱性、耐酸化性および硬度に優れた（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜が多用されている。
【０００４】
かかる（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜に関して、特許文献１では、前記硬質膜の結晶粒径のアスペクト（縦／横）比を制御して縦長に成長した組織とすることによって、バラつきがなく安定した寿命の硬質膜が得られることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３１５０１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された硬質膜についても、過酷な切削条件によっては切刃部分に微小なマイクロクラックが生じたり、マイクロクラックが要因で早期に大きな欠損が発生したり、摩耗が進行しやすく、更なる膜質の改善が求められていた。
【０００７】
したがって、本発明の課題は、少なくともＴｉとＡｌを含む硬質膜を被覆した表面被覆工具において、硬質膜の耐チッピング性を改善して耐欠損性や耐摩耗性に優れた長寿命の表面被覆工具を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、前記硬質膜を構成する結晶粒子（最小単位の粒子）が前記硬質膜の厚み方向に向かって伸びる縦長成長をしており、かつ該結晶粒子同士が複雑に成長し合い、結合し合った構成とすることによって、硬質膜の耐チッピング性が向上し、切削工具としての耐欠損性および耐摩耗性が向上することを知見した。
【０００９】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、超硬合金、サーメットおよびセラミックのいずれかからなる基体の表面に、少なくともＴｉとＡｌを含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物、炭窒酸化物の１種以上で構成される厚みが０．１〜１０μｍの硬質膜を少なくとも１層被覆したものであって、前記硬質膜を構成する結晶粒子が前記硬質膜の厚み方向に向かって伸びる縦長成長をしており、かつ該結晶粒子総数に対して４０％以上の結晶粒子の端部がＶ字状をなして結晶粒子同士が互いに噛合されていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記硬質膜を形成する結晶粒の最大幅（ｗ１）の平均値が０．１〜１．５μｍであることによって、結晶粒子同士の噛合による粒子間の固定力を高めることができるとともに、硬質膜の耐摩耗性を高めることができる。
【００１１】
また、前記結晶粒子の組成を（ＴｉａＡｌｂ）ＣｘＮｙＯｚ（ただし、ａ＋ｂ＝１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）とした場合、少なくとも一方の端部がＶ字状をなす結晶粒子の平均組成が０．３≦ａ≦０．６を満足し、かつどちらの端部もＶ字状をなさない結晶粒子の平均組成が０．６＜ａ≦０．９であることによって、結晶粒子の耐摩耗性、及び耐酸化性が高く維持され、高温・高荷重の過酷な切削条件下においても、高い耐摩耗性をもつ。
【００１２】
さらに、前記結晶粒子のうち、端部がＶ字状をなす結晶粒子の割合が、前記硬質膜を構成する結晶粒子の総数に対して４０〜８０％であることによって、結晶粒子同士の結合力が強く硬質膜の靭性を高めて工具の対チッピング性を高めることができる。
【００１３】
さらにまた、前記Ｖ字状に噛合されるＶ字の平均角度が、前記硬質膜の成長方向に対して１０〜８０°であること、特に１０〜４５°であることによって、隣接する結晶粒子の側面およびまたはＶ字状成長部との接触面が強固に付着できる結果、硬質膜の耐摩耗性および耐欠損性を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の表面被覆切削工具について、その一例についての模式断面図である図１、硬質膜断面の透過型電子顕微鏡写真である図２および図２の写真における各粒子の形状を特定した図３を基に説明する。
【００１５】
図１によれば、表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す。）１は、超硬合金、サーメットおよびセラミックのいずれかからなる基体２の表面に、少なくともＴｉとＡｌを含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物、炭窒酸化物の１種以上で構成される厚みが０．１〜１０μｍの硬質膜３を少なくとも１層被覆したものである。
【００１６】
本発明によれば、硬質膜３の断面における１００００倍の透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）である図２、および図２の写真における各粒子の形状を特定した図３に示すように、硬質膜３を構成する結晶粒子（最小単位の粒子）４が硬質膜３の厚み方向に向かって伸びる縦長成長をしており、かつ結晶粒子４総数に対して４０％以上の結晶粒子４のどちらかの端部がＶ字状をなして結晶粒子４同士が互いに噛合されていることが大きな特徴であり、これによって、硬質膜３の耐衝撃性が向上してマイクロチッピング等の発生を防止し、その結果、マイクロチッピングに伴う大きな欠損や早期摩耗を防止することができる。
【００１７】
すなわち、結晶粒子（最小単位の粒子）４が硬質膜３の厚み方向に向かって伸びる縦長成長組織ではなく粒状結晶の集合体からなると、硬質膜３の耐チッピング性、耐摩耗性が低下する。また、硬質膜３の結晶粒子４が単純な柱状をなして厚み方向に整列した組織からなる場合、または結晶粒子４のうち、端部がＶ字状をなす粒子の数が結晶粒子総数に対して４０％より少ない場合でも、硬質膜３の耐チッピング性が低下してマイクロチッピングが発生しやすくなる。
【００１８】
なお、本発明において、結晶粒子４の厚み方向とは硬質膜３が成膜されている基体２表面に対して実質的に垂直な方向であり、結晶粒子４の幅方向とは基体２表面に対して実質的な接線の平行方向をいう。また、本発明において、端部がＶ字状をなす粒子とは、上記１００００倍の透過型電子顕微鏡写真で観察される結晶粒子４の中で、厚み方向に端部を有するとともに、この端部から０．２μｍの厚み方向の長さ位置における結晶粒子４の幅が０．３５μｍ以下のシャープな端部をなす形状の結晶粒子４を指す。
【００１９】
ここで、硬質膜３を形成する結晶粒子４の最大幅（ｗ１）の平均値が０．１〜１．５μｍであることが結晶粒子同士の噛合による粒子間の固定力を強くするとともに硬質膜の耐摩耗性を高める点で望ましい。なお、本発明における結晶粒子４の最大幅ｗ１とは、図３に示すように各結晶粒子４の幅が最大となる部分の長さを指す。また、本発明において結晶粒の平均長さ（ｗ２）は硬質膜の膜厚（ｔ）によって異なるが、結晶粒の平均長さ（ｗ２）＝硬質膜の膜厚（ｔ）ではなく、ｗ２＝０．２ｔ〜０．５ｔとなる。すなわち、硬質膜の粒子成長の途中で核形成が生じて別の粒子がＶ字状に割り込んで成長し、先に成長していた粒子は先細りして（逆）Ｖ字状の終端形状となる。さらに、本発明の表面被覆工具においては、硬質膜３の結晶粒径の縦／横（ｗ２／ｗ１）比は平均で１．１〜５、特に２〜３．５の範囲にあることによって、結晶粒子同士を複雑に成長し合い、結合し合った構成とすることになり、結果的に硬質膜の耐チッピング性が向上し、切削工具としての耐欠損性および耐摩耗性が向上する点で望ましい。
【００２０】
また、硬質膜の結晶粒の組成を（ＴｉａＡｌｂ）ＣｘＮｙＯｚ（ただし、ａ＋ｂ＝１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）とした場合、端部がＶ字状に噛合している結晶粒子の平均組成が０．３≦ａ≦０．６を満足し、かつ、どちらの端部もＶ字状に噛合していない粒子の平均組成が０．６≦ａ≦０．９であることが結晶粒子の耐摩耗性、及び耐酸化性が高く維持され、高温・高荷重下の過酷な切削条件下においても、高い耐摩耗性をもつ点で望ましい。なお、この場合、結晶粒の組成は透過型電子顕微鏡、および透過型電子顕微鏡測定装置に付随するＥＤＳ（エネルギー分散型分光分析）装置にて分析することができる。
【００２１】
さらに、硬質膜３の結晶粒のうち、端部がＶ字状をなす結晶粒子の割合が、前記硬質膜を構成する結晶粒子の総数に対して４０〜８０％であることが、、結晶粒子同士の結合力を高めて硬質膜の靭性を向上させ、工具の耐チッピング性を高める点で望ましい。
【００２２】
さらにまた、硬質膜３の耐チッピング性を高めるためには、前記Ｖ字状をなす結晶粒子のＶ字の平均角度θが、前記硬質膜の厚み方向（成長方向）に対して１０〜８０°、特に１０〜４５°、さらに２０〜４０°であることが、隣接する結晶粒子の側面およびまたはＶ字状成長部との接触面が強固に付着できて硬質膜３の耐摩耗性および耐欠損性を高める点で望ましい。
【００２３】
また、本発明によれば、硬質膜３は、ＴｉとＡｌを主とする複合窒化物、複合炭化物、複合炭窒化物のいずれか一種の単層硬質膜または二種以上からなる多層硬質膜で構成されるものであり、具体的には、例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｃ、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ等の単層であっても良いが、基体２と硬質膜３との密着性を高めるために例えば基体２上にＴｉＮやＴｉＣの下地膜（図示せず）をまず成膜し、その上に上記硬質膜３を形成してもよい。また、図１に示すように、硬質膜３の表面にＴｉＮ膜等の表面膜５を積層するものであってもよい。
【００２４】
さらに、本発明によれば、硬質膜３の構成としては、主含有元素であるＴｉとＡｌの他に、他の金属元素Ｍ（例えばＹ，Ｚｒ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｖ，Ｎｂのうちのいずれか一種の元素）を加えた複合窒化物、複合炭化物、複合炭窒化物、複合窒酸化物、複合炭酸化物または複合炭窒酸化物のいずれか（ＴｉａＡｌｂＭｃ）ＣｘＮｙＯｚ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であっても良い。この場合、ｃ≦０．３であることが耐酸化性、耐摩耗性の点で望ましい。
【００２５】
（製造方法）
本発明の表面被覆切削工具を製造するには、まず、超硬合金、サーメットまたはセラミックスのいずれかからなる工具形状の基体を作製する。
【００２６】
本発明における硬質膜３の被覆方法としては、基本的にカソードアーク方式のイオンプレーティング方法を用いる。本発明によれば、硬質膜３の成膜条件として、アーク電流を０〜３００Ａの範囲で断続的に変化させることによって、硬質膜中に新たな核形成をうながして上述した組織に制御することができる。
【００２７】
また、バイアス定常電圧２０〜２００Ｖ、成膜圧力０．５〜３Ｐａ、成膜温度５００〜６００℃に制御することが望ましい。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
ＷＣにＣｏ１０質量％とＴｉＣ２質量％とＮｂＣ１質量％とを添加したＳＤＫＮ１２０３形状の超硬合金製基体を、カソードアーク方式のイオンプレーティング装置に入れて、バイアス電圧２０〜２００Ｖ、成膜圧力０．５〜３Ｐａ、基体（基板）温度５２５℃の成膜条件で、アーク定常電流を１５０Ａとして表１に示す条件で断続的にアーク電流を変化させて表１に示す組成および膜厚の硬質膜を成膜し、さらに試料によっては表１に示す表面膜を成膜してスローアウェイチップを作製した。
【００２９】
得られたチップについて、下記条件で切削テストを行った。結果は表１に示した。
＜切削条件＞
被削材：ＳＫＤ１１材
切削速度：１５０ｍ／分
１刃あたりの送り：０．３ｍｍ
切り込み深さ：２ｍｍ
その他：乾式切削
評価方法：平均逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍになるまでの可能切削距離
また、上記切削テストを行ったチップの硬質膜について透過型電子顕微鏡にて断面観察を行い、倍率１００００倍で硬質膜の任意５箇所について観察し、膜断面の像を２３ｃｍ×１６ｃｍの写真に撮り、写真内にある結晶粒子の形状を模式化して確認しながら、いずれかの端部がＶ字状をなす結晶粒の数を数えるとともに、一視野にて観察されるＶ字状をなす結晶粒子の先端角度（Ｖ字の平均角度）をそれぞれ測定して平均値を算出した。また、結晶粒の長さ（ｗ２）、結晶粒の最大幅（ｗ１）、長さ／幅比（ｗ２／ｗ１）を個別に測定した後、それらの平均値を求めた。さらに、透過型電子顕微鏡および付随するＥＤＳ（エネルギー分散型分光分析）装置を用いて各結晶粒子の組成を測定し、端部がＶ字状をなす粒子、および端部がＶ字状をなさない粒子について、それぞれ平均組成をそれぞれ求めた。結果は表１に示した。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１から明らかなように、本発明に従い、断続的にアーク電流を変化させた試料Ｎｏ．１〜５は、結晶粒の端部がＶ字状をなし、すなわち結晶粒がＶ字状に噛合されており、硬質膜が剥離しにくく良好な切削性能を示すものであるのに対して、一定のアーク電流で成膜し、結晶粒端部がＶ字状をなさず単純な縦長成長をした結晶となった試料Ｎｏ．６、および縦長成長をせず粒状晶となった試料Ｎｏ．７ではマイクロチッピングに起因する硬質膜の剥離が発生して切削性能も低いものであった。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、硬質膜を構成する結晶粒子が硬質膜の厚み方向に向かって伸びる縦長成長をしており、かつ該結晶粒子総数に対して４０％以上の結晶粒子の端部がＶ字状をなして結晶粒子同士が互いに噛合されている構成とすることによって、硬質膜の耐チッピング性が向上し、工具としての耐欠損性および耐摩耗性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の断面構成を説明するための概念図である。
【図２】本発明の表面被覆切削工具の断面の透過型電子顕微鏡写真である。
【図３】図２の透過型電子顕微鏡写真中の各粒子を模式化した模式図である。
【符号の説明】
１      表面被覆切削工具（工具）
２      基体
３      硬質膜
４      結晶粒
５      表面膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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