(57)【要約】  【課題】均一な膜質を有する硬質膜を被着形成した表面被覆切削工具を提供する。  【解決手段】基体表面に、チタンの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物のいずれかからなる単層または多層のチタン系膜を被着形成し、窒化アルミニウム膜を介してα型酸化アルミニウム膜が被着形成された被覆切削工具である。  【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体表面に、チタンの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物のいずれかからなる単層または多層のチタン系膜を被着形成し、窒化アルミニウム膜を介してα型酸化アルミニウム膜が被着形成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】
前記窒化アルミニウム膜の膜厚みが０．０１〜１μｍ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】
前記チタン系膜のうち前記窒化アルミニウム膜と接触する部分が膜厚５〜１５μｍの筋状のＴｉＣＮ膜で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン系膜と酸化アルミニウム膜とを被着形成した表面被覆切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の自動車部品加工業界やその他加工業界では、低切込み、高送り、高速切削化等の加工条件の改善や、コスト削減のため、生産効率を上げることが望まれており、そのためには、より安定した高い切削性能を発揮する特性バラツキの少ない表面被覆切削工具が望まれている。
【０００３】
硬質皮膜には、耐摩耗性と靭性に優れたチタンの炭化物、窒化物、炭窒化物等チタン系膜や耐酸化性に優れた酸化膜が単層あるいは多層膜として用いられ、このチタン系膜の表面に酸化防止および耐摩耗性の点でα型酸化アルミニウム膜やκ型酸化アルミニウム膜が利用されている。
【０００４】
ところで、酸化アルミニウム膜として、κ型酸化アルミニウム膜は前記チタン系膜との密着性は比較的良好でありしかも９００〜１０５０℃と比較的低温で成膜できる長所はあるものの、準安定状態の酸化アルミニウムであるため高温での使用時にα型酸化アルミニウムに変態するため体積が変化し、膜中にクラックが入り膜が剥がれるという欠点がある。これに対して、前記酸化膜としてα型酸化アルミニウムを用いた場合、このα型酸化アルミニウムは高温でも安定な酸化アルミニウム膜であり高温特性に優れる長所があるものの、チタン系膜の上に成膜する場合成膜温度やチタン系膜の表面状態に非常に敏感であり、条件がずれるとκ型酸化アルミニウムに変化するという不安定なものであった。また、より高温での成膜が必要であることから、基体温度上昇によって基体やチタン系膜にダメージを与えたり、α型酸化アルミニウム自体の結晶粒径が大きくなり機械特性が低下したり、さらには基体やチタン系膜との間に大きな残留応力が残存して膜剥離が発生しやすいという欠点がある。
【０００５】
このため従来より、前記チタン系膜の表面を酸化させ酸化膜生成の基点を形成した後に酸化アルミニウムを形成することにより１０００〜１０５０℃と比較的低温でα型酸化アルミニウムを得る手法が知られている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−１２０１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のようにチタン系膜表面に酸化膜を形成してα型酸化アルミニウムを成膜する方法では、成膜温度やチタン系膜の表面状態等によって膜質が大きく変化してしまうことから、大量生産をする製造装置の中で温度を均熱に保つ努力をしてもどうしても装置内の前後左右上下による温度のバラツキが生じてしまい、また、異なる形状の基体や冶具を用いることにより、炉内でのガスの流速等にも場所による変化が出てくることにより、安定してα型酸化アルミニウム膜を成膜することは難しかった。そのために、酸化アルミニウム膜中には高温になったときに膜剥がれが起こりやすいκ型酸化アルミニウムが析出してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、均一な膜質を有する硬質膜を被着形成した表面被覆切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記知見に基づき鋭意検討した結果、チタン系膜と酸化アルミニウム膜との間に窒化アルミニウム膜を介在させることによって、成膜条件の制御できない変化によっても変化しにくい安定したα型酸化アルミニウム膜を被着形成できることを知見した。
【０００９】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基体表面に、チタンの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物のいずれかからなる単層または多層のチタン系膜を被着形成し、窒化アルミニウム膜を介してα型酸化アルミニウム膜が被着形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記窒化アルミニウム膜の膜厚みが０．０１〜１μｍであることが、α型酸化アルミニウム膜と窒化アルミニウム膜、チタン系膜と窒化アルミニウム膜との付着力、耐摩耗性、耐欠損性の点で望ましい。
【００１１】
さらには、前記チタン系膜のうち前記窒化アルミニウム膜と接触する部分が膜厚２〜１５μｍの筋状のＴｉＣＮ膜で構成されていることが、耐欠損性、膜の付着力およびα型酸化アルミニウム膜の形成のしやすさの点で望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
上記本発明の表面被覆切削工具は、チタン系膜と酸化アルミニウム膜との間に窒化アルミニウム膜を介在させることによって、成膜条件の制御できない変化によっても変化しにくい安定したα型酸化アルミニウム膜を被着形成できることから、容易に耐摩耗性に優れた表面被覆切削工具を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の表面被覆切削工具の一例について説明する。
【００１４】
表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す。）は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）の鉄属金属からなる結合相にて結合させた超硬合金、または炭化チタン（ＴｉＣ）や炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を主体として周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相を上記鉄属金属からなる結合相にて結合させたサーメット等の硬質合金からなる基体の表面に硬質被覆膜を被着形成したものである。
【００１５】
基体については、上記硬質合金以外の工具、例えば、セラミック、ｃBN、ダイヤモンド、ハイス等でもかまわない。
【００１６】
本発明によれば、工具に成膜される硬質被覆膜の構成として、少なくとも基体の表面に
Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物を主体とするいずれか一種の単層皮膜または二種以上からなる多層皮膜の上に、窒化アルミニウムが被覆し、その上にα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜を被覆することで、成膜装置内の前後左右上下等で生成するα型酸化アルミニウムの生成割合のバラツキがない、Ｘ線回折パターンの確認にて全てα結晶となった酸化アルミニウム膜が成膜することができる。ここで、上記Ｘ線回折パターンによるピークの同定には、α型酸化アルミニウムはＪＣＰＤＳ番号１０−１７３、κ型酸化アルミニウムについてはＪＣＰＤＳ番号４−０８７８に記載されるピークを用いて行う。
【００１７】
また、上記構成によれば、酸化アルミニウム膜の成膜条件についてα型アルミナが生成する領域が増すために９００〜１０００℃の比較的低温でα型酸化アルミニウム膜を安定して成膜することができることができ、均一な膜質の工具を作製することができる。なお、窒化アルミニウム膜の膜厚は、熱膨張率の点、耐摩耗性および耐欠損性の点で、０．０１〜１μｍ、特に０．１〜０．５μｍであることが望ましい。
【００１８】
一方、α型酸化アルミニウム膜の膜厚みは、高速切削加工に関する耐摩耗性および耐欠損性を高める点で、０．５〜１５μｍ、好ましくは２〜１０μｍであることが望ましい。
【００１９】
他方、前記チタン系膜のうち前記窒化アルミニウム膜と接触する部分が膜厚２〜１５μｍの筋状のＴｉＣＮ膜で構成されていることが、耐欠損性、膜の付着力およびα型酸化アルミニウム膜の形成のしやすさの点で望ましい。
【００２０】
（製造方法）
また、上述した表面被覆切削工具を製造するには、まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形した後、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金からなる基体を作製する。
【００２１】
次に、上記基体の表面に例えば化学気相蒸着法によって硬質被覆膜を成膜する。炭窒化チタン層の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積％でＴｉＣｌ４ガスを０．１〜１０体積％、Ｎ２ガスを０〜６０体積％、ＣＨ４ガスを０〜０．１体積％、ＣＨ３ＣＮガスを０．１〜３体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａにて成膜する。
【００２２】
炭化チタン層の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積％でＴｉＣｌ４ガスを０．１〜１０体積％、ＣＨ４ガスを０〜１０体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａにて成膜する。
【００２３】
窒化チタン層の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積％でＴｉＣｌ４ガスを０．１〜１０体積％、Ｎ２ガスを０．１〜６０体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａにて成膜する。
【００２４】
炭窒酸化チタン、炭酸化チタン、窒酸化チタン層の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積％でＴｉＣｌ４ガスを０．１〜１０体積％、Ｎ２ガスを０〜６０体積％、ＣＨ４ガスを０〜１０体積％、ＣＨ３ＣＮガスを０〜３体積％、ＣＯ２ガスを０．０１〜５．０体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａにて成膜する。
【００２５】
また、本発明によれば、窒化アルミニウム層の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、ＡｌＣｌ３ガスを３〜２０体積％、ＨＣｌガスを０．５〜８．０体積％、Ｎ２ガスを０．１〜６０体積％、Ｈ２Ｓガスを０〜１．０体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａとすることが望ましい。
【００２６】
または、アークイオンプレーティング法等の公知の物理蒸着法により、例えばターゲットにアルミニウムを使用し、成膜温度３００〜８００℃、母材バイアス−５〜−１００Ｖ、アーク電流値１５０Ａ、窒素雰囲気圧力３〜１２Ｐａの条件で成膜してもよい。
【００２７】
また、本発明によれば、引き続き、酸化アルミニウム層を成膜する。酸化アルミニウム層の成膜方法としては、ＡｌＣｌ３ガスを３〜２０体積％、ＨＣｌガスを０．５〜８．０体積％、ＣＯ２ガスを０．０１〜５．０体積％、Ｈ２Ｓガスを０〜１．０体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａとすることが望ましい。
【００２８】
また、工具に表面層としてＴｉＮ層を成膜するには、反応ガス組成としてＴｉＣｌ４ガスを０．１〜１０体積％、Ｎ２ガスを０．１〜６０体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａとすればよい。
【実施例１】
【００２９】
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径２．０μｍの周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の無機化合物粉末を添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、さらに、１０００℃以上を３℃／分の速度で昇温して、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。
【００３０】
そして、上記超硬合金に対して、ＣＶＤ法により各種の硬質被覆膜を形成して表１に示す膜構成からなる試料Ｎｏ.１〜１０の表面被覆切削工具を作製した。ここで、ＡｌＮ膜が作製されているか確認するために透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて試料Ｎｏ．１〜１０について観察したところ、試料Ｎｏ．６〜１０でＡｌＮの存在を確認できた。また、表２にκ型酸化アルミニウムの有無、窒化アルミニウム膜の膜厚み、酸化アルミニウム膜の膜厚み、ＴｉＣＮ膜の膜厚みについて示す。さらに、κ型酸化アルミニウムの有無については、成膜装置内の上下左右４箇所の工具についてＸ線回折分析を行い確認した。ここで、表１の膜構成にあるＡｌＯＮとは、ＡｌＣｌ３ガスを３〜２０体積％、ＨＣｌガスを０．５〜８．０体積％、ＣＯ２ガスを０．０１〜５．０体積％、Ｎ２ガスを０．０１〜７．０体積％、Ｈ２Ｓガスを０〜１．０体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａの成膜条件で作成した膜のことである。
【表１】
2005153095.tif 000002
【００３１】
【表２】
2005153095.tif 000003
【００３２】
表１、２に示すように、従来工具試料Ｎｏ．１〜５ではα型酸化アルミニウム膜の中に一部κ型酸化アルミニウム膜が混在したり、部分的にκ型酸化アルミニウム膜になっている工具が存在した。これに対して、本発明工具である試料Ｎｏ．６〜１０のように窒化アルミニウムの上に酸化アルミニウム膜を成膜した工具は、炉内でのばらつきも無く、全てα型の酸化アルミニウム膜となっていた。
【００３３】
そして、これらの切削工具を用いて下記の条件によりクロムモリブデン鋼の切削を行い、切削工具の切刃の観察を行うとともにフランク摩耗量を測定した。これらの耐摩耗試験は合計４回行い、摩耗幅が０．２ｍｍとなったときの切削時間を表３に示す。数字が大きいほど耐摩耗性が良い工具である。
【００３４】
（耐摩耗試験）
被削材  ：クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２５０ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他  ：水溶性切削液使用
【表３】
2005153095.tif 000004
【００３５】
表３に示すように、本発明に従っている試料Ｎｏ．６〜１０は、いずれも耐摩耗性のバラツキが少ない優れた切削性能を有するものであった。これに対して、α型酸化アルミニウム膜の中に一部κ型酸化アルミニウム膜が混在したり、部分的にκ型酸化アルミニウム膜になっている試料Ｎｏ．１〜５では、耐摩耗性にバラツキがあり極端に耐摩耗性が低下するコーナーが存在していた。