(57)【要約】【課題】  本発明は、耐摩耗性に優れることにより、難削材の中でもとりわけ重要な位置を占めるチタン合金の切削加工用に特に適した表面被覆切削工具を提供することにある。【解決手段】  本発明は、基材表面に直接接するように被膜が形成されているチタン合金加工用表面被覆切削工具において、上記被膜が、Ａｌと、ＣｒまたはＶのいずれか一方または両方の元素と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とするチタン合金加工用表面被覆切削工具に係るものである。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面に直接接するように被膜が形成されているチタン合金加工用表面被覆切削工具において、
前記被膜は、Ａｌと、ＣｒまたはＶのいずれか一方または両方の元素と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とするチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記被膜は、（Ａｌ1-a-bＣｒaＶb）（ただし、０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．４、０≠ａ＋ｂ≦０．４）と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とする請求項１に記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記被膜は、（Ａｌ1-a-bＣｒaＶb）（ただし、０≦ａ≦０．４、０＜ｂ≦０．４、０≠ａ＋ｂ≦０．４）と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とする請求項１に記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記被膜は、さらにＳｉが原子％で２０％以下含まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記被膜は、さらにＢが原子％で１０％未満含まれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記被膜は、その被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘ、荷重除荷後の押し込み深さをｈｆとした場合、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２以上０．７以下の数値を示すことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記被膜は、その被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、２０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下の硬さを示すことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記被膜の膜厚は、０．５μｍ以上１５μｍ以下であるであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項９】
前記被膜の圧縮残留応力は、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項１０】
前記被膜の結晶構造は、立方晶であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項１１】
前記基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項１２】
前記被膜は、前記基材上に物理的蒸着法により形成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【請求項１３】
前記被膜は、前記基材上にアーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のチタン合金加工用表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドリル、エンドミル、切削チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関し、特にその表面に耐摩耗性被膜を形成したチタン合金加工用に特に適する表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今の切削加工では、高速、高精度、高能率加工への追求に加え、環境対策としてのゼロエミッション加工としてドライ加工も志向されている。加えて、工業技術の進歩にともない、航空機、宇宙開発、原子力発電などに使用される難削材や新素材を多く使用する産業の活動がますます活発化し、質的な多様化と量的な拡大が一層進むと見られ、これらの切削加工についても当然その対応が求められている。
【０００３】
従来よりこのような課題に対して、種々の表面被覆切削工具が数多く提案され、また実用化されてきた。たとえば、耐摩耗性および表面保護機能改善のため、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の切削工具や耐摩耗工具等の硬質基材の表面に、硬質被覆層として、（ＡｌxＴｉ1-x-yＳｉy）（ＮzＣ1-z）、ただし、０．０５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、０．６≦ｚ≦１のようなＡｌＴｉＳｉ系の膜が被覆されたものが知られている（特許文献１）。
【０００４】
また、Ｓｉを適量含有したＴｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物と、ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物とを、前者の微細組織構造が、Ｔｉを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物中に、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立相として存在するようにそれぞれ一層以上交互に被覆すると、乾式の高速切削加工において切削工具の性能が極めて良好になることが提案されている（特許文献２）。
【０００５】
この提案によれば、従来のＴｉＡｌＮ膜では切削加工において起こる表面酸化で形成されるアルミナ層は酸素の内向拡散に対し酸化保護膜として機能するものの、動的な切削加工においては、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなＴｉ酸化物層より容易に剥離してしまい酸化の進行に対して十分でないとされ、これに対して該提案のＴｉＳｉ系被膜は膜自体の耐酸化性が極めて高いだけではなく、最表面にＳｉを含む非常に緻密なＴｉとＳｉの複合酸化物が形成されるので、従来問題となっていたポーラスなＴｉ酸化物層が形成されず、以って性能が向上するとされている。
【０００６】
一方、従来のＴｉＡｌＮ膜よりも高硬度であって耐摩耗性に優れた切削工具用硬質皮膜としてＡｌ、Ｃｒ、Ｖを主要な構成元素とする切削工具用硬質皮膜が提案されている（特許文献３）。
【０００７】
しかし、難削材と言われる材料のなかでも特に重要な位置を占めるチタン合金の切削加工は、上記に開示されたような被膜を用いて行なわれる鋼加工と比べて、以下の（１）〜（３）に示す通り非常に困難であり、このような従来の鋼加工とは全く異質のものと考えられる。
【０００８】
（１）チタン合金の熱伝導率は小さいため、切削熱が発熱部の切れ刃のエッジ部およびすくい面に集中して、局部的に切削温度が上昇する。
【０００９】
（２）チタン合金は化学的に活性で、このため切削工具材料（特に結合相のＣｏ）と反応して、化学的な拡散摩耗を促進させる。
【００１０】
（３）チタン合金の切りくずは鋸刃状になり、切削抵抗が経時的に変化するので、切れ刃のチッピングや欠損が生じやすい。
【特許文献１】特許第２７９３７７３号公報
【特許文献２】特許第３３４７６８７号公報
【特許文献３】特開２００３−３４８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、表面被膜が耐摩耗性に優れることにより、難削材の中でもとりわけ重要な位置を占めるチタン合金の切削加工用に特化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】
【００１２】
本発明者らは、上記課題に対して基材上に形成される表面被膜について種々の検討を行なったところ、該被膜中にＴｉを含有させないことが、チタン合金の切削加工に重要であるとの知見を得、この知見に基づきさらに鋭意研究を行なった結果、ついに本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は、基材表面に直接接するように被膜が形成されているチタン合金加工用表面被覆切削工具において、上記被膜が、Ａｌと、ＣｒまたはＶのいずれか一方または両方の元素と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とするチタン合金加工用表面被覆切削工具に係るものである。
【００１４】
また、上記被膜は、（Ａｌ1-a-bＣｒaＶb）（ただし、０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．４、０≠ａ＋ｂ≦０．４）と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなるものとすることができる。
【００１５】
また、上記被膜は、（Ａｌ1-a-bＣｒaＶb）（ただし、０≦ａ≦０．４、０＜ｂ≦０．４、０≠ａ＋ｂ≦０．４）と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなるものとすることができる。
【００１６】
また、上記被膜は、さらにＳｉを原子％で２０％以下含むことができ、またさらにＢを原子％で１０％未満含むことができる。
【００１７】
また、上記被膜は、その被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘ、荷重除荷後の押し込み深さをｈｆとした場合、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２以上０．７以下の数値を示すものとすることができる。
【００１８】
また、上記被膜は、その被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、２０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下の硬さを示すものとすることができる。
【００１９】
また、上記被膜の膜厚は、０．５μｍ以上１５μｍ以下とすることができ、その圧縮残留応力は、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下とすることができ、その結晶構造は、立方晶とすることができる。
【００２０】
また、上記基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかとすることができる。
【００２１】
また、上記被膜は、上記基材上に物理的蒸着法により形成することができ、さらにアーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の上記構成を有する表面被覆切削工具によれば、ドリル、エンドミル、切削チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具における耐摩耗性の向上が図れるため、寿命の長い表面被覆切削工具を提供することができ、特にチタン合金の切削加工用に優れた表面被覆切削工具となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
＜チタン合金加工用表面被覆切削工具＞
本発明のチタン合金加工用表面被覆切削工具は、基材表面に直接接するように被膜が形成されているものである。
【００２４】
このような本発明のチタン合金加工用表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、切削チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具として好適に用いることができ、チタン合金の切削加工用に特化したものである。
【００２５】
なお、本発明でいうチタン合金とは、難削材の一種であって、チタンを含有する従来公知の合金をいい、特に硬度１１０〜４５０ＨＢ（ブリネル硬さ）のものを対象とするものである。
【００２６】
このようなチタン合金としては、たとえば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＢ＝３１０）、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−３Ａｌ−８Ｖ−６Ｃｒ−４Ｍｏ−４Ｚｒ、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌ等を挙げることができる。
【００２７】
以下、各構成に分けて説明する。
【００２８】
＜基材＞
本発明のチタン合金加工用表面被覆切削工具に用いられる基材は、この種の用途の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。たとえば、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス（炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることが好ましい。
【００２９】
＜被膜＞
本発明の被膜は、上記の基材の表面に直接接するように形成されるものである。このように形成されている限り、必ずしも上記基材を全面に亘って被覆している必要はなく、上記基材の表面に該被膜が形成されていない部分が含まれていても差し支えない。
【００３０】
このような被膜は、Ａｌと、ＣｒまたはＶのいずれか一方または両方の元素と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴としている。
【００３１】
さらに好ましくは、上記被膜は、（Ａｌ1-a-bＣｒaＶb）（ただし、０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．４、０≠ａ＋ｂ≦０．４）と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなるものとすることができる。
【００３２】
このように上記被膜となる化合物は、金属成分としてＴｉ（チタン）を含まず、Ａｌ（アルミニウム）を主成分とすることに特徴を有する。ＴｉではなくＡｌを主成分として含有することで耐酸化特性が向上するとともに、熱伝導率が高くなり、切削加工時の発熱を工具表面から逃がすことができるので好ましい。また、表面での潤滑性能に起因するものと考えられるが、被削材であるチタン合金の耐溶着性能が向上するので切削抵抗も減少し、切りくず排出性も向上できる。よって、これらの特性が総合的に作用することで、表面被覆切削工具の耐摩耗性が飛躍的に向上することになり、特にチタン合金の加工用に適したものとなる。
【００３３】
ここで、Ａｌを除く、ＣｒとＶの量を（Ａｌ1-a-bＣｒaＶb）（ただし、０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．４、０≠ａ＋ｂ≦０．４）と規定した。このようにＣｒとＶの含有比率を表すａおよびｂを、それぞれ０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．４（ただし０≠ａ＋ｂ≦０．４）と規定しているのは、ａおよびｂが０．４を超えると、本被膜の硬度が低下し、耐摩耗性に問題が生じるためである。
【００３４】
さらに好ましくは、上記ａおよびｂは、０≦ａ≦０．４、０＜ｂ≦０．４、より好ましくは、０≦ａ≦０．３５、０＜ｂ≦０．３５（ただし０≠ａ＋ｂ≦０．４）である。被膜（化合物）中にＶが存在すると、切削時の高温環境で被膜表面が酸化される場合において、Ｖの酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し被削材の凝着を抑える効果が期待できることから、Ｖを含有していることが好ましい。この点、Ｃｒは、安定で緻密な酸化物を生成するので耐酸化性に優れるという作用を示すために含有されるものであるが、上記Ｖと異なりこれを含有せずに化合物を構成することもできる。
【００３５】
一方、該化合物においてＣｒとＶを添加することにより、常温常圧で準安定相である立方晶のＡｌ化合物（すなわち被膜）が形成できる点も、好適な特徴点となる。たとえば、窒化物であるＡｌＮを例にとると、通常は六方晶であるが準安定相である立方晶となった場合の推定格子定数は４．１２Åであるのに対して、常温常圧で立方晶が安定相であるＣｒＮおよびＶＮの格子定数は４．１４Åであり、非常に立方晶のＡｌＮと近いため、その引き込み効果によりＡｌＮは立方晶化して高硬度化する。従って、被膜の結晶構造（結晶系）は立方晶であることが好ましく、このため該化合物としてＣｒとＶを含有することが好ましい。
【００３６】
また、該被膜（上記化合物）は、Ｓｉを原子％で２０％以下含むことで被膜硬度をさらに向上させることができる。被膜中にＳｉが存在すると、被膜の組織が柱状から針状へ微細化し、被膜の硬度が向上するので好ましい。
【００３７】
しかし、Ｓｉが２０％を超えて含有されると被膜が脆くなり逆に摩耗は促進されることになる。また、被膜の形成に用いる合金ターゲットを熱間静水圧加圧処理で作製する場合、Ｓｉ量を２０％を超えて含有させると、ターゲットが焼成中に割れてしまいコーティングに使用可能な材料強度が得られないこととなる。
【００３８】
したがって、被膜中（上記化合物中）のＳｉの含有量は、原子％で２０％以下とすることが好ましく、さらに好ましくは、５％以上１５％以下であることが好ましい。
【００３９】
また、該被膜（上記化合物）は、Ｂを原子％で１０％未満含むものとすることができる。詳細なメカニズムは不明ながら、Ｂが被膜中に含まれるとさらに高硬度な被膜が得られるため好ましい。また、切削中の表面酸化によって形成されるＢの酸化物が特にＡｌの酸化物を緻密化することからも好ましい。さらに、Ｂの酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、被削材であるチタン合金に対して凝着を抑える効果を示すことができる。
【００４０】
しかし、Ｂが１０％を超えて含有されるとターゲット焼成中に割れてしまうため好ましくない。したがって、被膜中（上記化合物中）のＢの含有量は、原子％で１０％未満とすることが好ましく、さらに好ましくは、０．１％以上５％以下であることが好ましい。
【００４１】
＜ナノインデンテーション法を利用した数値限定＞
上記被膜は、その被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘ、荷重除荷後の押し込み深さ（圧痕深さ）をｈｆとした場合、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２以上０．７以下の数値を示すものとすることが好ましい。
【００４２】
ここで、ナノインデンテーション法とは、たとえば文献「トライボロジスト、第４７巻、第３号、（２００２）ｐ１７７〜１８３」に詳しく説明されているように、硬さ試験の一種であるが、従来のヌープ硬度測定（マイクロヌープ法）やビッカース硬度測定（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は異なり、圧子の押し込み時の荷重と深さの関係から硬さやヤング率を求める方法である。これらの従来の試験方法とナノインデンテーション法との比較を以下の表１に示す。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
表１より明らかな通り、従来の硬度試験方法であるマイクロヌープ法やマイクロビッカース法では、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以上となるため被膜のみの物性評価とはならず下地基材の影響を受けるものであった。なお、本願でいう押し込み深さ（ｈ）とは、表１に示されているように、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膜の表面（圧子により荷重がかけられていない表面部分）までの高さ（距離）をいう。
【００４５】
上記の文献でも指摘されているように、被膜のみの硬度評価を行なうためには、被膜の膜厚の約１／１０以下の押し込み深さ（ｈ）での測定が必要となるので、たとえば、１μｍの被膜を対象とした場合、押し込み深さは１００ｎｍ以下としなければならない。したがって、本発明の硬さ試験においては、上記被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法を採用している。
【００４６】
これに対して、従来法のように圧痕の大きさを光学顕微鏡で測定者が観察する方法では圧痕形状を判別する測定精度の点でも困難を伴うものであった。この点、ナノインデンテーション法では機械的に深さを求めるものであるため有利である。
【００４７】
また、上記条件下で実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験における、圧子を被膜表面に押し込んだ場合の荷重と押し込み深さとの関係を概念的に図１に示す。この試験では、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、荷重を最大押し込み荷重（Ｐｍａｘ）まで除々に増加させ、最大押し込み荷重（Ｐｍａｘ）となった場合の押し込み深さ（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（荷重をかけない状態）まで除荷させた場合の押し込み深さ（ｈ）を荷重除荷後の押し込み深さｈｆとして測定する。
【００４８】
従来法であるマイクロヌープ法やマイクロビッカース法では、図１のｈｆ、つまり荷重除荷後の圧痕形状を測定していた。しかし、この方法では上記の通り測定精度に問題がある。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とを測定すると、（ｈｍａｘ−ｈｆ）から被膜の弾性回復量がわかる。この値が大きいければ、弾性変形しやすく、小さければ弾性変形しにくい。
【００４９】
本発明では、この弾性回復量を表す指標としての弾性回復率、すなわち（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘに注目した。チタン合金の切削において工具寿命延長を図るには刃先、特に膜のチッピング性や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）の大きい材料を見いだすことができれば、切削時に刃先にかかる負荷に対して被膜材料の変形が追随するため、特に切削初期に発生するチッピングや欠損を抑制することが可能となる。
【００５０】
具体的な測定方法としては、膜厚の１／１０以下の押し込み深さ（ｈ）になるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘ、荷重除荷後の押し込み深さ（圧痕深さ）をｈｆとした場合、これらを測定することにより（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘを求める。
【００５１】
そして、本発明の被膜としては、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２以上０．７以下の数値を示すものが好ましい。これは、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２未満であると、切削時の衝撃で刃先のチッピングが発生し易くなる傾向を示し、また（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．７を超える場合には膜の硬度が低下するためである。
【００５２】
一方、上記被膜は、その被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、２０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下の硬さを示すものであることが好ましい。これは、２０ＧＰａ未満では硬度が低く耐摩耗性に問題があり、この点からすれば硬度は高い方が好ましいが、５０ＧＰａを超えると被膜に蓄積する残留圧縮応力が高くなり、切削前において刃先稜線部で被膜の剥離が発生することがあるからである。
【００５３】
＜被膜の膜厚＞
上記被膜の膜厚は、０．５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。膜厚が０．５μｍ未満では耐摩耗性の向上が見られず、逆に１５μｍを越えると被膜中の残留応力が大きくなり基材との密着強度が低下するので好ましくない。膜厚の測定法としては、表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察して求めることができる。
【００５４】
＜被膜の圧縮残留応力＞
上記被膜の圧縮残留応力は、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることが好ましい。０ＧＰａを超えると、被膜には引っ張り応力が残留することとなり、膜に亀裂が入りやすくなるとともにチッピング性や欠損性が低下することになる。また、−６ＧＰａ未満となると、被膜中の残留応力が大きくなり基材との密着強度が低下するので好ましくない。
【００５５】
＜被膜の形成方法＞
本発明の上記被膜を基材表面に被覆するためには、結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスで作製されることが好ましい。そこで、種々の成膜方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが好ましい。
【００５６】
物理的蒸着法としては、種々のものが知られているが中でもアーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法を採用することが特に好ましい。
【００５７】
マグネトロンスパッタリング法には、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法等がある。また、アーク式イオンプレーティング法にも種々のものがあるが、特に、原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法を採用することが特に好ましい。
【００５８】
このカソードアークイオンプレーティング法を用いると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜の密着性が飛躍的に向上する。このため、密着性という意味からもカソードアークイオンプレーティング法は好ましいプロセスである。
【００５９】
＜その他＞
本発明のチタン合金加工用表面被覆切削工具は、上記被膜上に最表面層として低硬度ではあるが結晶構造が六方晶系であるＡｌを主成分とし、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とによる化合物が被覆されていてもよい。高硬度被膜の上に低硬度被膜があることで、よりチッピング性や欠損性が向上するためである。
【実施例】
【００６０】
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。なお、実施例中の被膜の化合物組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）によって確認し、硬度および弾性回復率（（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘ）はナノインデンター（ＭＴＳ社製Ｎａｎｏ  Ｉｎｄｅｎｔｅｒ  ＸＰ）により確認した。また、以下では被膜をカソードアークイオンプレーティング法により形成しているが、例えばバランスドまたはアンバランスドスパッタリング法によっても成膜することは可能である。
【００６１】
＜チタン合金加工用表面被覆切削工具の作製＞
まず、チタン合金加工用表面被覆切削工具の基材として、グレードがＪＩＳ規格Ｓ２０のＷＣ基超硬合金であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８であるものを使用し、これをカソードアークイオンプレーティング装置に装着した。
【００６２】
続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を６５０℃に加熱し、チャンバー内の圧力が１．０×１０-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。
【００６３】
次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。
【００６４】
次いで、上記基材表面に直接接するように形成される被膜の化合物組成として、以下の表２に記載した化合物組成となるように金属蒸発源である合金製ターゲットをセットするとともに、反応ガスとして窒素、メタン（炭素源として）、酸素または一酸化炭素のいずれか１以上のガスを導入させながら、基材（基板）温度６５０℃、反応ガス圧２．０Ｐａ、基板バイアス電圧を−２００Ｖに維持したまま、カソード電極に１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させることにより、上記基材表面に直接接するように被膜を形成した。
【００６５】
【表２】
2005262389.tif 000003
【００６６】
そして、表２に記載した所定の膜厚となったところで蒸発源に供給する電流をストップさせた。通常はこのまま徐冷するが、本実施例ではコーティング終了と同時にＨｅガスを導入しチャンバー内に充満させることにより基材の急冷を行なった。このようにして、表２に示すように実施例１〜１５の本発明に係るチタン合金加工用表面被覆切削工具を得た。
【００６７】
なお、詳細なメカニズムは解明されていないものの、上記のような急冷処理により被膜中の結晶粒が微細化され、弾性回復量が大きくなるものと推定される。また、表２に記載した従来品に該当する比較例１〜２の表面被覆切削工具を、上記において急冷しないことを除き、その他は全て同様にして作製した。
【００６８】
これらの表面被覆切削工具に関する被膜の結晶構造（結晶系）および圧縮残留応力も表２に併せて記載するとともに、硬度および弾性回復率（（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘ）を以下の表３に記載する。
【００６９】
【表３】
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【００７０】
＜表面被覆切削工具の寿命評価＞
上記で作製した実施例１〜１５および比較例１〜２の表面被覆切削工具のそれぞれについて、以下に示す条件による湿式（水溶性エマルジョン）の連続切削試験および断続切削試験を行なった。そして、刃先の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍを超える時間を切削時間として測定した。
【００７１】
切削条件は、被削材としてチタン合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＢ＝３１０）を用い、切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り量０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み１ｍｍとした。
【００７２】
表面被覆切削工具の寿命評価結果として上記で測定した切削時間を上記表３に示す。表３から明らかなように、連続切削試験においても断続切削試験においても実施例１〜１５の本発明に係るチタン合金加工用表面被覆切削工具は、比較例１〜２の表面被覆切削工具に比し、切削時間が極めて長く、表面被覆切削工具の寿命が大きく向上し、チタン合金加工用の表面被覆切削工具として適していることを確認した。
【００７３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】ナノインデンテーション法による硬さ試験における、圧子を被膜表面に押し込んだ場合の荷重と押し込み深さとの関係を概念的に示した図である。
【図１】
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