(57)【要約】【課題】従来不十分であったＳＫＤ１１等に代表される高硬度焼入鋼に対する耐磨耗性を向上させた切削工具用硬質皮膜を提供するものである。【解決手段】切削工具に設けられる皮膜であって、金属元素としてのＴｉ及び非金属元素としてのＮ，Ｃのうち１種若しくは２種を含む第一皮膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子％で、Ｔｉ(100-X-Y)Ｃｒ(X)Ｓｉ(Y)ただし、Ｘ：１０≦Ｃｒ≦３０，Ｙ：１０≦Ｓｉ≦４０で表される化学組成の窒化物，炭窒化物，酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二皮膜が最上層に設けられているものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具に設けられる被膜であって、金属元素としてのＴｉ及び非金属元素としてのＮ，Ｃのうち１種若しくは２種を含む第一被膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子％で、
Ｔｉ（１００−Ｘ−Ｙ）Ｃｒ（Ｘ）Ｓｉ（Ｙ）
ただし、Ｘ：１０≦Ｃｒ≦３０，Ｙ：１０≦Ｓｉ≦４０
で表される化学組成の窒化物，炭窒化物，酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二被膜が最上層に設けられていることを特徴とする切削工具用硬質被膜。
【請求項２】
請求項１記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜上に第二被膜が設けられていることを特徴とする切削工具用硬質被膜。
【請求項３】
請求項１記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜と第二被膜との間に、第二被膜と同構成の中間第二被膜と、第一被膜と同構成の中間第一被膜を交互に２層以上積層して設けたことを特徴とする切削工具用硬質被膜。
【請求項４】
請求項３記載の切削工具用硬質被膜において、膜厚が０．２μｍ以下の中間第二被膜と、膜厚が０．２μｍ以下の中間第一皮膜を交互に２層以上積層して設けたことを特徴とする切削工具用硬質被膜。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜の非金属元素の含有割合を第一被膜内で連続的若しくは不連続的に変化させたことを特徴とする切削工具用硬質被膜。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜のＴｉの一部を、原子％で１０％以下の範囲で、Ｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち１種若しくは２種以上の元素で置換したことを特徴とする切削工具用硬質被膜。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削工具用硬質被膜において、第二被膜のＴｉの一部を、原子％で１０％以下の範囲で、Ｂ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち１種若しくは２種以上の元素で置換したことを特徴とする切削工具用硬質被膜。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜及び第二被膜は物理蒸着方式で形成されるものであり、また、第一被膜を除く被膜は、被膜形成時のイオンエネルギーを各被膜内で一定にして形成されるものであることを特徴とする切削工具用硬質被膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高硬度鋼の切削加工等に使用する切削工具の被膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、金属切削用工具に被覆する硬質耐磨耗被膜（以下、硬質被膜という。）として、ＴｉＮ，ＴｉＣＮが使用されてきたが、最近、より耐酸化性に優れた硬質被膜として特開昭６２−５６５６５号，特開平２−１９４１５９号に代表されるＴｉＡｌＮ系被膜が開発され、焼入鋼等の高硬度被切削材の切削が可能となってきた。
【０００３】
ところで、近年では更に高硬度な材料（例えば、高硬度焼入鋼等）の切削を実現するための工具が求められてきており、ＴｉＡｌＮ系被膜とＴｉＳｉＮ系被膜とを積層させた特許３２４８８９７号公報若しくは特許３２４８８９８号公報及び前記ＴｉＡｌＮ系被膜とＴｉＳｉＮ系被膜に更にＴｉＮ系被膜を組み合せた特許３３４３７２７号公報若しくは特許３３４７６８７号公報等で開示される硬質被膜が提案されている。
【０００４】
しかしながら、ＳＫＤ１１等に代表される高硬度焼入鋼の切削では、上記硬質被膜でも耐磨耗性が充分とは言えず、更に耐磨耗性を向上させた切削工具用硬質被膜の開発が求められている。
【０００５】
本発明者等は、被膜組成と被膜の構成について研究し、硬質被膜の耐酸化性及び潤滑性を向上させることにより上記課題を解決できることの知見を得、この知見に基づき、従来に比し耐磨耗性を向上させ、従来不十分であったＳＫＤ１１等に代表される高硬度焼入鋼に対する耐摩耗性を向上させた切削工具用硬質被膜を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨を説明する。
【０００７】
切削工具に設けられる被膜であって、金属元素としてのＴｉ及び非金属元素としてのＮ，Ｃのうち１種若しくは２種を含む第一被膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子％で、
Ｔｉ（１００−Ｘ−Ｙ）Ｃｒ（Ｘ）Ｓｉ（Ｙ）
ただし、Ｘ：１０≦Ｃｒ≦３０，Ｙ：１０≦Ｓｉ≦４０
で表される化学組成の窒化物，炭窒化物，酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二被膜が最上層に設けられていることを特徴とする切削工具用硬質被膜に係るものである。
【０００８】
また、請求項１記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜上に第二被膜が設けられていることを特徴とする切削工具用硬質被膜に係るものである。
【０００９】
また、請求項１記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜と第二被膜との間に、第二被膜と同構成の中間第二被膜と、第一被膜と同構成の中間第一被膜を交互に２層以上積層して設けたことを特徴とする切削工具用硬質被膜に係るものである。
【００１０】
また、請求項３記載の切削工具用硬質被膜において、膜厚が０．２μｍ以下の中間第二被膜と、膜厚が０．２μｍ以下の中間第一皮膜を交互に２層以上積層して設けたことを特徴とする切削工具用硬質被膜に係るものである。
【００１１】
また、請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜の非金属元素の含有割合を第一被膜内で連続的若しくは不連続的に変化させたことを特徴とする切削工具用硬質被膜に係るものである。
【００１２】
また、請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜のＴｉの一部を、原子％で１０％以下の範囲で、Ｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち１種若しくは２種以上の元素で置換したことを特徴とする切削工具用硬質被膜に係るものである。
【００１３】
また、請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削工具用硬質被膜において、第二被膜のＴｉの一部を、原子％で１０％以下の範囲で、Ｂ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち１種若しくは２種以上の元素で置換したことを特徴とする切削工具用硬質被膜に係るものである。
【００１４】
また、請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削工具用硬質被膜において、第一被膜及び第二被膜は物理蒸着方式で形成されるものであり、また、第一被膜を除く被膜は、被膜形成時のイオンエネルギーを各被膜内で一定にして形成されるものであることを特徴とする切削工具用硬質被膜に係るものである。
【００１５】
【発明の作用及び効果】
本発明は、基材表面直上に該基材との密着性が良好な第一被膜が設けられ、最上層に高硬度で耐酸化性及び潤滑性に秀れる第二被膜が設けられている。この構成の被膜を設けた切削工具は良好な切削加工が行えるのは勿論、高硬度焼入鋼等の高硬度被切削材に切削加工を行っても、切削工具の摩耗が可及的に阻止され、切削工具の長寿命化を図ることができる。
【００１６】
従って、本発明は、極めて良好な耐久性を有する実用性に秀れた切削工具用硬質被膜となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本実施例は、切削工具に設けられる被膜であって、金属元素としてのＴｉ及び非金属元素としてのＮ，Ｃのうち１種若しくは２種を含む第一被膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子％で、
Ｔｉ（１００−Ｘ−Ｙ）Ｃｒ（Ｘ）Ｓｉ（Ｙ）
ただし、Ｘ：１０≦Ｃｒ≦３０，Ｙ：１０≦Ｓｉ≦４０
で表される化学組成の窒化物，炭窒化物，酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二被膜が最上層に設けられているものである。
【００１８】
第二被膜の組成を上述の範囲に設定した理由は次の通りである。
【００１９】
本発明者等は、ＴｉＳｉＮ系の硬質膜へ、様々な種類の第３元素の添加を試み、Ｃｒを所定量含有させることで耐酸化性と潤滑性を向上できることを確認した。
【００２０】
即ち、金属及び半金属のみの原子％でＣｒ量が１０％に満たない場合、その効果は小さいが、１０％以上で耐酸化性と潤滑性の向上効果が現れ、その被膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が向上することが確認された。
【００２１】
また、Ｃｒ含有量を多くし過ぎると被膜の硬度が低下し、その被膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が低下してくることも確認された。
【００２２】
一方、Ｓｉの含有については、その含有量を多くすると耐酸化性と硬度が向上する。
【００２３】
即ち、金属及び半金属のみの原子％でＳｉ量が１０％に満たない場合、その効果は小さいが、１０％以上で耐酸化性と硬度の向上効果が現れ、その被膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が向上することが確認された。
【００２４】
また、Ｓｉ含有量を多くしすぎると被膜の内部応力が大きくなり、被膜に亀裂が発生して、その被膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が低下してくることも確認された。
【００２５】
以上を踏まえ、本実施例においては、第二被膜の組成範囲を、切削工具用硬質被膜の耐酸化性及び潤滑性と硬度とを両立させるために、金属及び半金属のみの原子％でＣｒ量を１０％以上，３０％以下に設定すると共に、切削工具用硬質被膜の耐酸化性及び硬度と内部応力を両立させるために、金属及び半金属のみの原子％でＳｉ量を１０％以上，４０％以下に設定している。
【００２６】
更に、Ｂ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの元素を微量添加させると、被膜の硬度及び耐酸化性を更に向上させる効果がある。そのため、これら元素のうち１種若しくは２種以上を微少量、例えば原子％で２〜５％含有させることが望ましい。
【００２７】
第一被膜の組成をＴｉＣＮ系被膜とした理由は以下の通りである。
【００２８】
水溶性切削油若しくは不水溶性切削油を使用した高硬度被切削材の切削加工では、工具に激しい熱サイクル（ヒートショック）が作用するが、超硬合金基材から成る切削工具の表面にＴｉＡｌＮ系被膜層を設けた場合、前記超硬合金基材とＴｉＡｌＮ系被膜層との間に生じる熱応力により前記ＴｉＡｌＮ系被膜層が剥離してしまい切削工具の耐磨耗性が劣化する（即ち、密着性が悪い）という問題がある。
【００２９】
また、特許３３４３７２７号公報及び特許３３４７６８７号公報に記載されているように、密着性に秀れたＴｉＮ系被膜を、前記ＴｉＡｌＮ系被膜と超硬合金基材との間に設けた場合には、前述したような切削油を使用した高硬度材の切削加工における耐磨耗性劣化を抑えることができるが、アーク放電式イオンプレーティングやスパッタリング等の物理蒸着法で当該多層被膜を形成するためには、Ｔｉ系ターゲット，ＴｉＡｌ系ターゲット，ＴｉＳｉ系ターゲットの３種類のターゲットを別々に使う必要があり、コスト高になるのは避けられない。
【００３０】
そこで本発明者等は、超硬合金基材表面に設ける被膜として切削油条件下における耐磨耗性で従来から実績があり、基材との密着性が良好で２種類のターゲットで第一被膜及び第二被膜を形成できるＴｉＣＮ系被膜を採用している。
【００３１】
ＴｉＣＮ系被膜は、ビッカース硬度で３０００〜３５００Ｈｖと充分な硬さを有しているが、耐酸化性が低いという欠点を持つ。しかしながら、本発明者等はＴｉＣＮ系被膜の上に耐酸化性に優れる被膜を積層することによりＴｉＣＮ系被膜の耐酸化性の低さが隠れ、被膜全体の耐酸化性が最上層の被膜に従うことを確認した。
【００３２】
また、被膜と基材との密着性を一層高めるため、基材表面から被膜内に向かって徐々に（連続的に）Ｃ量を増やしていくことが望ましい。尚、被膜中で徐々にＣ量を変化させるのではなく、被膜中に（不連続的に）Ｃ量の多い部分と少ない部分とを形成することによっても、被膜と基材との密着性を高めることができる。
【００３３】
また、第一被膜としてＴｉＣＮ系被膜を採用せず、より基材との密着性に秀れたＴｉＮ系被膜若しくはよりコスト安に形成できるＴｉＣ系被膜を採用しても良い。
【００３４】
更に、Ｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの元素を微量添加させると、被膜の硬度及び耐酸化性を向上させる効果があるため、これら元素のうち１種若しくは２種以上を微少量、例えば原子％で２〜５％含有させることが望ましい。
【００３５】
上述のように第二被膜においてはＳｉ量を多くすると内部応力が大きくなるが、その内部応力を緩和させるために、第一被膜と第二被膜との間に２つの被膜組成を混在させて形成した中間皮膜を設けることが望ましい。
【００３６】
例えば、アーク放電式イオンプレーティングやスパッタリングなどの物理蒸着法においては、次のような方法で中間皮膜を形成することができる。
【００３７】
即ち、第一被膜の被膜組成を形成するＴｉ系ターゲットと第二被膜の被膜組成を形成するＴｉＣｒＳｉ系ターゲットを成膜装置内の左右に配置し、その間の位置に被膜を被覆しようとする切削工具をセットする。
【００３８】
次に２種類のターゲットを同時に稼動させイオンを放出させると共に、２種類のターゲットを結ぶ直線に直交する軸を回転中心として切削工具を回転させる。
【００３９】
このようにすることで、極薄い第一中間被膜と極薄い第二中間被膜とが交互に積層され、その結果前記第一被膜と同構成の第一中間皮膜と第二被膜と同構成の第二中間皮膜が交互に積層されて中間皮膜が形成される。
【００４０】
また、第一中間被膜及び第二中間被膜の膜厚は０．２μｍ以下とするのが望ましい。膜厚が０．２μｍより厚いと中間皮膜内の内部応力が膜厚方向で不均質となり、被膜に亀裂が発生しやすくなるからである。
【００４１】
更に、内部応力や硬度等の被膜特性を再現性良く安定的に形成するため、第一被膜を除く被膜（第二皮膜，中間第一皮膜，中間第二皮膜）は、被膜形成時のイオンエネルギーを各被膜内で一定にして形成するのが望ましい。
【００４２】
以下、本実施例を具体的に説明する。
【００４３】
成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング装置を用い、金属及び半金属成分の蒸発源として各種組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、また、反応ガスとしてＮ２ガス，ＣＨ４ガス，Ｎ２／Ｏ２混合ガスのうち、１種類若しくは２種類のガスを成膜装置内に導入して成膜基材としての超硬合金製２枚刃ボールエンドミル（外径３ｍｍ）に所定の被膜を成膜した。
【００４４】
成膜に当たっては、基材温度４５０℃，ガス圧３．０Ｐａ，バイアス電圧−１００Ｖの条件とし（即ち、皮膜形成時のイオンエネルギーを一定とし）、全被膜の膜厚が２．３〜２．８μｍになるように前記エンドミルに成膜した。
【００４５】
所定の被膜を被覆した前記エンドミルを用いて、次の２つの切削条件で切削試験を行い、エンドミル逃げ面の磨耗幅を測定した。
【００４６】
第１の切削試験では、被削材をＳＫＤ１１焼入材（ＨＲＣ６０）とし、乾式条件下で切削を行った。
【００４７】
外径３ｍｍのエンドミルを１９０００ｍｍ−１の回転速度で回転させ、送り速度１４４０ｍｍ／ｍｉｎ，切り込み量Ａｄ＝０．１５ｍｍ，Ｐｆ＝０．４５ｍｍとし、エアーブローをクーラントとして試験を行った。
【００４８】
切削試験の結果を表１に示す。表１では本実施例と共に、従来の硬質被膜や本発明の範囲外の硬質被膜を実施例と同様な手段で被覆したエンドミルで切削試験を行った結果を比較例として記載している。
【００４９】
【表１】
2004351586.tif 000002
【００５０】
表１から、本実施例は比較例に比べてエンドミル逃げ面磨耗幅の低減、即ち、耐磨耗性の向上が認められる。尚、Ｎｏ．１８の被膜は表１の切削試験結果、即ち、乾式条件下における切削では本実施例と大きな差異は認められなかった。
【００５１】
第２の切削試験として、被削材をＳＫＤ６１焼入材（ＨＲＣ５０）とし、湿式条件下で切削を行った。
【００５２】
外径３ｍｍのエンドミルを２００００ｍｍ−１の回転速度で回転させ、送り速度１６８０ｍｍ／ｍｉｎ，切り込み量Ａｄ＝０．２４ｍｍ，Ｐｆ＝０．７２ｍｍとし、水溶性切削油をクーラントとして試験を行った。切削試験の結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
2004351586.tif 000003
【００５４】
表２から本実施例は比較例に比べて大幅なエンドミル逃げ面の低減、即ち、湿式条件下においても大幅な耐磨耗性の向上が認められることが認められる。
【００５５】
従って、本実施例は、上述のように乾式条件下において良好な耐摩耗性を発揮するのは勿論、従来良好な耐摩耗性を得られなかった湿式条件下においても良好な耐摩耗性を発揮できる。
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月9日(2004.6.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】切削工具に設けられる皮膜であって、金属元素としてのＴｉ及び非金属元素としてのＮ，Ｃのうち１種若しくは２種を含む第一皮膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子％で、
Ｔｉ(100-X-Y)Ｃｒ(X)Ｓｉ(Y)
ただし、Ｘ：１０≦Ｃｒ≦３０，Ｙ：１０≦Ｓｉ≦４０
で表される化学組成の窒化物，炭窒化物，酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二皮膜が最上層に設けられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項２】請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜上に第二皮膜が設けられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項３】請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜と第二皮膜との間に、第二皮膜と同構成の中間第二皮膜と、第一皮膜と同構成の中間第一皮膜を交互に２層以上積層して設けたことを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項４】請求項３記載の切削工具用硬質皮膜において、膜厚が０．２μｍ以下の中間第二皮膜と、膜厚が０．２μｍ以下の中間第一皮膜を交互に２層以上積層して設けたことを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜の非金属元素の含有割合を第一皮膜内で連続的若しくは不連続的に変化させたことを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜のＴｉの一部を、原子％で１０％以下の範囲で、Ｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち１種若しくは２種以上の元素で置換したことを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、第二皮膜のＴｉの一部を、原子％で１０％以下の範囲で、Ｂ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち１種若しくは２種以上の元素で置換したことを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜及び第二皮膜は物理蒸着方式で形成されるものであり、また、第一皮膜を除く皮膜は、皮膜形成時のイオンエネルギーを各皮膜内で一定にして形成されるものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高硬度鋼の切削加工等に使用する切削工具の皮膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、金属切削用工具に被覆する硬質耐磨耗皮膜（以下、硬質皮膜という。）として、ＴｉＮ，ＴｉＣＮが使用されてきたが、最近、より耐酸化性に優れた硬質皮膜として特開昭６２−５６５６５号，特開平２−１９４１５９号に代表されるＴｉＡｌＮ系皮膜が開発され、焼入鋼等の高硬度被切削材の切削が可能となってきた。
【０００３】
ところで、近年では更に高硬度な材料（例えば、高硬度焼入鋼等）の切削を実現するための工具が求められてきており、ＴｉＡｌＮ系皮膜とＴｉＳｉＮ系皮膜とを積層させた特許３２４８８９７号公報若しくは特許３２４８８９８号公報及び前記ＴｉＡｌＮ系皮膜とＴｉＳｉＮ系皮膜に更にＴｉＮ系皮膜を組み合せた特許３３４３７２７号公報若しくは特許３３４７６８７号公報等で開示される硬質皮膜が提案されている。
【０００４】
しかしながら、ＳＫＤ１１等に代表される高硬度焼入鋼の切削では、上記硬質皮膜でも耐磨耗性が充分とは言えず、更に耐磨耗性を向上させた切削工具用硬質皮膜の開発が求められている。
【０００５】
本発明者等は、皮膜組成と皮膜の構成について研究し、硬質皮膜の耐酸化性及び潤滑性を向上させることにより上記課題を解決できることの知見を得、この知見に基づき、従来に比し耐磨耗性を向上させ、従来不十分であったＳＫＤ１１等に代表される高硬度焼入鋼に対する耐磨耗性を向上させた切削工具用硬質皮膜を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨を説明する。
【０００７】
切削工具に設けられる皮膜であって、金属元素としてのＴｉ及び非金属元素としてのＮ，Ｃのうち１種若しくは２種を含む第一皮膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子％で、
Ｔｉ(100-X-Y)Ｃｒ(X)Ｓｉ(Y)
ただし、Ｘ：１０≦Ｃｒ≦３０，Ｙ：１０≦Ｓｉ≦４０
で表される化学組成の窒化物，炭窒化物，酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二皮膜が最上層に設けられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【０００８】
また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜上に第二皮膜が設けられていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【０００９】
また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜と第二皮膜との間に、第二皮膜と同構成の中間第二皮膜と、第一皮膜と同構成の中間第一皮膜を交互に２層以上積層して設けたことを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１０】
また、請求項３記載の切削工具用硬質皮膜において、膜厚が０．２μｍ以下の中間第二皮膜と、膜厚が０．２μｍ以下の中間第一皮膜を交互に２層以上積層して設けたことを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１１】
また、請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜の非金属元素の含有割合を第一皮膜内で連続的若しくは不連続的に変化させたことを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１２】
また、請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜のＴｉの一部を、原子％で１０％以下の範囲で、Ｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち１種若しくは２種以上の元素で置換したことを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１３】
また、請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、第二皮膜のＴｉの一部を、原子％で１０％以下の範囲で、Ｂ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち１種若しくは２種以上の元素で置換したことを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１４】
また、請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、第一皮膜及び第二皮膜は物理蒸着方式で形成されるものであり、また、第一皮膜を除く皮膜は、皮膜形成時のイオンエネルギーを各皮膜内で一定にして形成されるものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１５】
【発明の作用及び効果】
本発明は、基材表面直上に該基材との密着性が良好な第一皮膜が設けられ、最上層に高硬度で耐酸化性及び潤滑性に秀れる第二皮膜が設けられている。この構成の皮膜を設けた切削工具は良好な切削加工が行えるのは勿論、高硬度焼入鋼等の高硬度被切削材に切削加工を行っても、切削工具の磨耗が可及的に阻止され、切削工具の長寿命化を図ることができる。
【００１６】
従って、本発明は、極めて良好な耐久性を有する実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本実施例は、切削工具に設けられる皮膜であって、金属元素としてのＴｉ及び非金属元素としてのＮ，Ｃのうち１種若しくは２種を含む第一皮膜が基材表面直上に設けられ、更に、金属及び半金属成分が原子％で、
Ｔｉ(100-X-Y)Ｃｒ(X)Ｓｉ(Y)
ただし、Ｘ：１０≦Ｃｒ≦３０，Ｙ：１０≦Ｓｉ≦４０
で表される化学組成の窒化物，炭窒化物，酸窒化物若しくは酸炭窒化物である第二皮膜が最上層に設けられているものである。
【００１８】
第二皮膜の組成を上述の範囲に設定した理由は次の通りである。
【００１９】
本発明者等は、ＴｉＳｉＮ系の硬質膜へ、様々な種類の第３元素の添加を試み、Ｃｒを所定量含有させることで耐酸化性と潤滑性を向上できることを確認した。
【００２０】
即ち、金属及び半金属のみの原子％でＣｒ量が１０％に満たない場合、その効果は小さいが、１０％以上で耐酸化性と潤滑性の向上効果が現れ、その皮膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が向上することが確認された。
【００２１】
また、Ｃｒ含有量を多くし過ぎると皮膜の硬度が低下し、その皮膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が低下してくることも確認された。
【００２２】
一方、Ｓｉの含有については、その含有量を多くすると耐酸化性と硬度が向上する。
【００２３】
即ち、金属及び半金属のみの原子％でＳｉ量が１０％に満たない場合、その効果は小さいが、１０％以上で耐酸化性と硬度の向上効果が現れ、その皮膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が向上することが確認された。
【００２４】
また、Ｓｉ含有量を多くしすぎると皮膜の内部応力が大きくなり、皮膜に亀裂が発生して、その皮膜を被覆した切削工具の高硬度被切削材に対する耐磨耗性が低下してくることも確認された。
【００２５】
以上を踏まえ、本実施例においては、第二皮膜の組成範囲を、切削工具用硬質皮膜の耐酸化性及び潤滑性と硬度とを両立させるために、金属及び半金属のみの原子％でＣｒ量を１０％以上，３０％以下に設定すると共に、切削工具用硬質皮膜の耐酸化性及び硬度と内部応力を両立させるために、金属及び半金属のみの原子％でＳｉ量を１０％以上，４０％以下に設定している。
【００２６】
更に、Ｂ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの元素を微量添加させると、皮膜の硬度及び耐酸化性を更に向上させる効果がある。そのため、これら元素のうち１種若しくは２種以上を微少量、例えば原子％で２〜５％含有させることが望ましい。
【００２７】
第一皮膜の組成をＴｉＣＮ系皮膜とした理由は以下の通りである。
【００２８】
水溶性切削油若しくは不水溶性切削油を使用した高硬度被切削材の切削加工では、工具に激しい熱サイクル（ヒートショック）が作用するが、超硬合金基材から成る切削工具の表面にＴｉＡｌＮ系皮膜層を設けた場合、前記超硬合金基材とＴｉＡｌＮ系皮膜層との間に生じる熱応力により前記ＴｉＡｌＮ系皮膜層が剥離してしまい切削工具の耐磨耗性が劣化する（即ち、密着性が悪い）という問題がある。
【００２９】
また、特許３３４３７２７号公報及び特許３３４７６８７号公報に記載されているように、密着性に秀れたＴｉＮ系皮膜を、前記ＴｉＡｌＮ系皮膜と超硬合金基材との間に設けた場合には、前述したような切削油を使用した高硬度材の切削加工における耐磨耗性劣化を抑えることができるが、アーク放電式イオンプレーティングやスパッタリング等の物理蒸着法で当該多層皮膜を形成するためには、Ｔｉ系ターゲット，ＴｉＡｌ系ターゲット，ＴｉＳｉ系ターゲットの３種類のターゲットを別々に使う必要があり、コスト高になるのは避けられない。
【００３０】
そこで本発明者等は、超硬合金基材表面に設ける皮膜として切削油条件下における耐磨耗性で従来から実績があり、基材との密着性が良好で２種類のターゲットで第一皮膜及び第二皮膜を形成できるＴｉＣＮ系皮膜を採用している。
【００３１】
ＴｉＣＮ系皮膜は、ビッカース硬度で３０００〜３５００ＨＶと充分な硬さを有しているが、耐酸化性が低いという欠点を持つ。しかしながら、本発明者等はＴｉＣＮ系皮膜の上に耐酸化性に優れる皮膜を積層することによりＴｉＣＮ系皮膜の耐酸化性の低さが隠れ、皮膜全体の耐酸化性が最上層の皮膜に従うことを確認した。
【００３２】
また、皮膜と基材との密着性を一層高めるため、基材表面から皮膜内に向かって徐々に（連続的に）Ｃ量を増やしていくことが望ましい。尚、皮膜中で徐々にＣ量を変化させるのではなく、皮膜中に（不連続的に）Ｃ量の多い部分と少ない部分とを形成することによっても、皮膜と基材との密着性を高めることができる。
【００３３】
また、第一皮膜としてＴｉＣＮ系皮膜を採用せず、より基材との密着性に秀れたＴｉＮ系皮膜若しくはよりコスト安に形成できるＴｉＣ系皮膜を採用しても良い。
【００３４】
更に、Ｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの元素を微量添加させると、皮膜の硬度及び耐酸化性を向上させる効果があるため、これら元素のうち１種若しくは２種以上を微少量、例えば原子％で２〜５％含有させることが望ましい。
【００３５】
上述のように第二皮膜においてはＳｉ量を多くすると内部応力が大きくなるが、その内部応力を緩和させるために、第一皮膜と第二皮膜との間に２つの皮膜組成を混在させて形成した中間皮膜を設けることが望ましい。
【００３６】
例えば、アーク放電式イオンプレーティングやスパッタリングなどの物理蒸着法においては、次のような方法で中間皮膜を形成することができる。
【００３７】
即ち、第一皮膜の皮膜組成を形成するＴｉ系ターゲットと第二皮膜の皮膜組成を形成するＴｉＣｒＳｉ系ターゲットを成膜装置内の左右に配置し、その間の位置に皮膜を被覆しようとする切削工具をセットする。
【００３８】
次に２種類のターゲットを同時に稼動させイオンを放出させると共に、２種類のターゲットを結ぶ直線に直交する軸を回転中心として切削工具を回転させる。
【００３９】
このようにすることで、極薄い第一中間皮膜と極薄い第二中間皮膜とが交互に積層され、その結果前記第一皮膜と同構成の第一中間皮膜と第二皮膜と同構成の第二中間皮膜が交互に積層されて中間皮膜が形成される。
【００４０】
また、第一中間皮膜及び第二中間皮膜の膜厚は０．２μｍ以下とするのが望ましい。膜厚が０．２μｍより厚いと中間皮膜内の内部応力が膜厚方向で不均質となり、皮膜に亀裂が発生しやすくなるからである。
【００４１】
更に、内部応力や硬度等の皮膜特性を再現性良く安定的に形成するため、第一皮膜を除く皮膜（第二皮膜，中間第一皮膜，中間第二皮膜）は、皮膜形成時のイオンエネルギーを各皮膜内で一定にして形成するのが望ましい。
【００４２】
以下、本実施例を具体的に説明する。
【００４３】
成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング装置を用い、金属及び半金属成分の蒸発源として各種組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、また、反応ガスとしてＮ2ガス，ＣＨ4ガス，Ｎ2／Ｏ2混合ガスのうち、１種類若しくは２種類のガスを成膜装置内に導入して成膜基材としての超硬合金製２枚刃ボールエンドミル（外径３ｍｍ）に所定の皮膜を成膜した。
【００４４】
成膜に当たっては、基材温度４５０℃，ガス圧３．０Ｐａ，バイアス電圧−１００Ｖの条件とし（即ち、皮膜形成時のイオンエネルギーを一定とし）、全皮膜の膜厚が２．３〜２．８μｍになるように前記エンドミルに成膜した。
【００４５】
所定の皮膜を被覆した前記エンドミルを用いて、次の２つの切削条件で切削試験を行い、エンドミル逃げ面の磨耗幅を測定した。
【００４６】
第１の切削試験では、被削材をＳＫＤ１１焼入材（６０ＨＲＣ）とし、乾式条件下で切削を行った。
【００４７】
外径３ｍｍのエンドミルを１９０００ｍｉｎ-1の回転速度で回転させ、送り速度１４４０ｍｍ／ｍｉｎ，切り込み量Ａｄ＝０．１５ｍｍ，Ｐｆ＝０．４５ｍｍとし、エアーブローをクーラントとして試験を行った。
【００４８】
切削試験の結果を表１に示す。表１では本実施例と共に、従来の硬質皮膜や本発明の範囲外の硬質皮膜を実施例と同様な手段で被覆したエンドミルで切削試験を行った結果を比較例として記載している。
【００４９】
【表１】
2004351586.tif 000004
【００５０】
表１から、本実施例は比較例に比べてエンドミル逃げ面磨耗幅の低減、即ち、耐磨耗性の向上が認められる。尚、Ｎｏ．１８の皮膜は表１の切削試験条件、即ち、乾式条件下における切削では本実施例と大きな差異は認められなかった。
【００５１】
第２の切削試験として、被削材をＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）とし、湿式条件下で切削を行った。
【００５２】
外径３ｍｍのエンドミルを２００００ｍｉｎ-1の回転速度で回転させ、送り速度１６８０ｍｍ／ｍｉｎ，切り込み量Ａｄ＝０．２４ｍｍ，Ｐｆ＝０．７２ｍｍとし、水溶性切削油をクーラントとして試験を行った。切削試験の結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
2004351586.tif 000005
【００５４】
表２から本実施例は比較例に比べて大幅なエンドミル逃げ面磨耗幅の低減、即ち、湿式条件下においても大幅な耐磨耗性の向上が認められる。
【００５５】
従って、本実施例は、上述のように乾式条件下において良好な耐磨耗性を発揮するのは勿論、従来良好な耐磨耗性を得られなかった湿式条件下においても良好な耐磨耗性を発揮できる。