(57)【要約】【課題】被覆層によって被覆された切削工具の長寿命化を図る。【解決手段】切削工具の被覆層を、母材表面から、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＡ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物との積層膜で成るＢ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＣ層、ＡｌＣｒ系窒化物で成るＤ層の順で積層された構成とする。各層の厚みの比であるＡ層の厚み：Ｂ層の厚み：Ｃ層の厚み：Ｄ層の厚みを、１：１：１：０．５とする。これにより、各層間の密着性を十分に確保することができ、切削加工時の応力を十分に分散させることができる。その結果、積層間の剥離を防止できて、切削工具の長寿命化を図ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材表面が被覆層によって被覆された切削工具において、
前記被覆層は、前記母材表面から、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＡ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物との積層膜で成るＢ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＣ層、ＡｌＣｒ系窒化物で成るＤ層の順で積層されて成り、各層の厚みの比であるＡ層の厚み：Ｂ層の厚み：Ｃ層の厚み：Ｄ層の厚みが、１：１：１：０．５とされていることを特徴とする切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は切削工具に係る。特に、本発明は、母材表面が被覆層によって被覆された切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、母材表面が硬質の被覆層によって被覆された切削工具が知られている。特許文献１には、耐摩耗性の改善を目的として、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、単層にて構成された単層領域との交互積層構造からなる硬質被覆層を蒸着形成した切削工具が開示されている。また、この特許文献１において、前記薄層ＡはＡｌＣｒ（アルミニウム・クロム）系窒化物の層、前記薄層ＢはＴｉＳｉ（チタン・ケイ素）系窒化物の層でそれぞれ構成され、前記単層は、前記薄層Ａと同一種の層で構成されている。また、最表層にはＡｌＣｒ系窒化物の単層が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３５３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている被覆層にあっては、切削加工時に、この被覆層に作用する応力を十分に分散させることができず、また、ＡｌＣｒ系窒化物の層とＴｉＳｉ系窒化物の層との積層間の密着力を十分に確保することが難しい。このため、積層間に剥離が生じる可能性があり、切削工具の長寿命化を図るには限界があった。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被覆層によって被覆された切削工具の長寿命化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、母材表面が被覆層によって被覆された切削工具を前提とする。そして、この切削工具は、前記被覆層が、前記母材表面から、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＡ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物との積層膜で成るＢ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＣ層、ＡｌＣｒ系窒化物で成るＤ層の順で積層されて成り、各層の厚みの比であるＡ層の厚み：Ｂ層の厚み：Ｃ層の厚み：Ｄ層の厚みが、１：１：１：０．５とされていることを特徴とする。
【０００７】
この特定事項により、前記ナノ積層膜が密着層となることで、母材表面とＢ層、Ｂ層とＤ層の密着性が十分に確保されることになる。また、切削加工時に、この被覆層に作用する応力を十分に分散させることができる。このため、積層間の剥離を防止できて、切削工具の長寿命化を図ることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、切削工具の被覆層を、母材表面から、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＡ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物との積層膜で成るＢ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＣ層、ＡｌＣｒ系窒化物で成るＤ層の順で積層して構成し、Ａ層の厚み：Ｂ層の厚み：Ｃ層の厚み：Ｄ層の厚みを、１：１：１：０．５としている。これにより、各層間の密着性を十分に確保することができ、切削加工時の応力を十分に分散させることができる。その結果、積層間の剥離を防止できて、切削工具の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】アークイオンプレーティング装置の概略構成を示す図である。
【図２】アークイオンプレーティング法の原理を説明するための図である。
【図３】被覆層の断面の模式図である。
【図４】実施形態に係る被覆層および比較例に係る被覆層それぞれにおける、密着力および膜脱落率それぞれの試験結果を示す図である。
【図５】実施形態に係る被覆層および比較例に係る被覆層それぞれにおける、すくい面摩耗、ランド摩耗、ＶＢ摩耗それぞれの試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
−アークイオンプレーティング装置−
先ず、切削工具の母材表面に被覆層を形成するためのアークイオンプレーティング装置および被覆層の形成動作の概略について説明する。
【００１２】
図１は、アークイオンプレーティング装置１の概略構成を示す図である。この図１に示すように、アークイオンプレーティング装置１は、真空チャンバ２、カソード３、ロータリテーブル４、アーク電源５、バイアス電源６、ヒータ７、フィラメント８等を備えている。
【００１３】
真空チャンバ２は、密閉性のある筐体により構成され、ガス供給口２１および真空排気口２２がそれぞれ形成されている。ガス供給口２１は、被覆層形成時等に不活性ガスを真空チャンバ２内に供給するために設けられており、不活性ガスを供給するための配管設備（不図示）が接続されている。真空排気口２２は、真空チャンバ２内の残存気体を排気して真空度を高めるために設けられており、配管設備（不図示）によって真空ポンプ等の真空排気設備（不図示）と接続されている。
【００１４】
カソード３は、ターゲット（皮膜形成材料）となる材質によって形成される陰極部であり、アーク電源５に接続されている。
【００１５】
ロータリテーブル４は、被覆層の形成対象物であるワーク（本発明にあっては切削工具）Ｗ，Ｗを支持する部位であり、回転可能な構成とされ、真空アーク放電によってカソード３から放出される金属イオンをワークＷ，Ｗの表面にムラなく堆積させるようになっている。また、ロータリテーブル４は前記バイアス電源６に接続されており、ロータリテーブル４を介してワークＷ，Ｗに対しバイアス電圧を印加できるようになっている。
【００１６】
ヒータ７は真空チャンバ２内の温度を上昇させるものである。真空チャンバ２内の温度を上昇させることによって、カソード３の表面等の各部に吸着している余分なガス（吸着ガス）を放出させることができる。
【００１７】
フィラメント８は真空チャンバ２内に熱電子を放出するものである。
【００１８】
次に、アークイオンプレーティング法による被覆層の形成動作について説明する。図２は、アークイオンプレーティング法の原理を説明するための図である。
【００１９】
先ず、真空チャンバ２内を真空排気し、残存気体を減少させて真空度を高める。
【００２０】
次に、ヒータ７によって予熱を行い、真空チャンバ２内の温度を上昇させる。真空チャンバ２内の温度が上昇すると、カソード３の表面等に吸着しているガスが放出される。このとき、放出されたガス等に起因して真空チャンバ２内の圧力が一旦は上昇に転じるが、真空排気を継続して行うことにより、放出されたガスは真空排気口２２から排出される。これにより、真空チャンバ２内の真空度を再び高める。
【００２１】
次に、ヒータ７による予熱を停止して、さらに継続して真空排気を行い、真空チャンバ２内の圧力を、所望する真空度まで高める。
【００２２】
次に、この真空チャンバ２内の真空状態を保持したまま、ロータリテーブル４を回転させ、真空チャンバ２内の圧力を調整しながら、ガス供給口２１から不活性ガス（例えば窒素等）を供給し、真空チャンバ２内を不活性ガス雰囲気にする。そして、アーク電源５からカソード３に電力を供給し、図示しないストライカロッドによりカソード３上にアークスポットを形成する。これにより、カソード３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。この際に放出される金属イオンと電子とからプラズマが構成される。また、バイアス電源６によって、ワークＷ，Ｗに負のバイアス電圧を印加する。このとき、正の金属イオンは、負の電位が付与されたワークＷ，Ｗによって引き寄せられるとともに、金属イオンを不活性ガスと反応させて硬質皮膜化させることにより、ワークＷ，Ｗの母材（例えば高速度工具鋼等）の表面に硬質皮膜が形成される。
【００２３】
このような被覆層の形成動作が連続して行われ、ワークＷ，Ｗの母材表面に硬質皮膜を形成する皮膜形成材料を切り替えていくことにより、後述する被覆層によって被覆された切削工具が得られることになる。
【００２４】
−被覆層−
次に、本実施形態において特徴とする切削工具の母材表面を被覆している被覆層について説明する。図３は、この被覆層の断面の模式図である。
【００２５】
この図３に示すように、被覆層は、母材表面から、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層、Ｄ層の順で積層されて成っている。
【００２６】
Ａ層は、ＴｉＳｉ系窒化物（ＴｉＳｉＮ）とＡｌＣｒ系窒化物（ＡｌＣｒＮ）とのナノ積層膜で成る。このＡ層は、母材との密着層として機能する。
【００２７】
Ｂ層は、ＴｉＳｉ系窒化物（ＴｉＳｉＮ）とＡｌＣｒ系窒化物（ＡｌＣｒＮ）との積層膜で成る。このＢ層は、切削加工時に被覆層に作用する応力を緩和する機能および割れを防止する機能を備えている。
【００２８】
Ｃ層は、前記Ａ層と同様に、ＴｉＳｉ系窒化物（ＴｉＳｉＮ）とＡｌＣｒ系窒化物（ＡｌＣｒＮ）とのナノ積層膜で成る。このＣ層は、Ｂ層とＤ層との密着層として機能する。
【００２９】
Ｄ層（最表層）は、ＡｌＣｒ系窒化物（ＡｌＣｒＮ）の単層で成る。このＤ層は、酸素バリア膜として機能する。
【００３０】
このように被覆層が構成されていることで、前述した如く、前記Ｂ層は、単層ではなく、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物との積層膜で成っており、切削加工時に被覆層に作用する応力を緩和することで（応力を分散させ）、最表層のＤ層の密着力を高めている。
【００３１】
また、各層に使用されているＡｌＣｒ系窒化物の成分は、Ａｌが６０％以上のアルミリッチとなっており、ＴｉＳｉ系窒化物の成分は、５％以上のＳｉを添加したものとなっている。これら成分の上限値は実験等に基づいて適宜設定される。
【００３２】
積層膜であるＢ層は、ＴｉＳｉ系窒化物およびＡｌＣｒ系窒化物それぞれの膜厚さが約０．１μｍに設定されている。
【００３３】
ナノ積層膜であるＡ層およびＣ層は、ＴｉＳｉ系窒化物およびＡｌＣｒ系窒化物それぞれの膜厚さが約０．０４μｍ以下に設定されている。これら膜厚さの下限値は実験等に基づいて適宜設定される。
【００３４】
総膜厚は３μとなっており、Ａ層の膜厚が８００〜９００ｎｍ、Ｂ層の膜厚が８００〜９００ｎｍ、Ｃ層の膜厚が８００〜９００ｎｍ、Ｄ層の膜厚が３５０〜５００ｎｍとなっている。このため、各層の厚みの比であるＡ層の厚み：Ｂ層の厚み：Ｃ層の厚み：Ｄ層の厚みが、１：１：１：０．５程度とされている。これにより、クラックや割れが抑制でき、また、安定した密着強度が得られている。
【００３５】
つまり、中間層に単層を使用する従来技術の場合には、切削加工時に被覆層に作用する応力を緩和することが難しくなるため、応力の増大によってクラックや割れが発生しやすく、積層間に剥離が生じる可能性があった。
【００３６】
これに対し、本実施形態では、ＴｉＳｉ系窒化物、ＡｌＣｒ系窒化物といった高硬度皮膜をナノ積層（最下層）で応力を分散させ、最表層のＡｌＣｒ系窒化物の層に向けて積層膜を間に入れることで、より密着強度を高めている。
【００３７】
このように、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とを積層し、耐酸化性および耐熱性を向上させ、高硬度化している。このため、例えばエンジン用のクランクシャフトの油孔の加工に使用するＭＱＬ（Minimum Quantity Lubrication）ドリル等の高速ミスト加工において効果を発揮することができる。
【００３８】
−試験例−
次に、本実施形態に係る被覆層による効果を確認するために行った試験例およびその結果について説明する。
【００３９】
図４は、実施形態に係る被覆層および比較例に係る被覆層それぞれにおける、密着力および膜脱落率それぞれの試験結果を示す図である。
【００４０】
比較例１は、ＴｉＡｌＮ（ＴｉＡｌ系窒化物）層を被覆層としたものである。比較例２は、Ｃｒ系の被覆層を積層したものである。比較例３は、ＴｉＳｉＮ層とＴｉＡｌＣｒＮ層を被覆層としたものである。比較例４は、ＴｉＳｉＮ層を積層したものである。これら比較例１〜４の各層の膜厚比および全体の膜厚は図４に示すとおりである。これら比較例において、図４に示す膜厚比は、最表層から最下層に亘る各層の膜厚比を表している。
【００４１】
また、比較例５は、前記実施形態のものと同様のＡ層〜Ｄ層を積層したものであるが、各層の厚みの比を、０．５：１：２：０．２５としたものである。また、比較例６は、前記実施形態のものと同様のＡ層〜Ｄ層を積層したものであるが、各層の厚みの比を、１：１：０．５：２としたものである。また、比較例７は、前記実施形態のものと同様のＡ層〜Ｄ層のうちの３層を積層したものであり、各層の厚みの比を、１：１：３としたものである。これら比較例においても、図４に示す膜厚比は、最表層から最下層に亘る各層の膜厚比を表している。また、図４に示す実施形態の膜厚比も、最表層から最下層に亘る各層の膜厚比（Ｄ層：Ｃ層：Ｂ層：Ａ層）を表している。
【００４２】
これら比較例にあっては、何れも、十分な密着力の確保と、低い膜脱落率とを両立することはできていない。具体的には、密着力として４０Ｎ以上を確保しながら、膜脱落率を０％とするものとはなっていない。
【００４３】
特に、比較例１、比較例３および比較例７のものでは刃先部分での膜脱落率が高く、比較例２および比較例４のものでは早期にチッピングが発生してしまい、比較例５のものではエッジ部分での膜割りが発生し、比較例６のものでは靭性が低くなるといった結果が得られた。
【００４４】
これに対し、実施形態のものでは、密着力は４２．５Ｎであり、膜脱落率は０％となっている。つまり、十分な密着力（４０Ｎ以上の密着力）の確保と、低い膜脱落率（膜脱落率０％）とを両立することができていることが確認された。
【００４５】
図５は、実施形態に係る被覆層および従来例（例えば前記比較例１のもの）に係る被覆層それぞれにおける、すくい面摩耗、ランド摩耗、ＶＢ摩耗それぞれの試験結果を示す図である。
【００４６】
本実施形態のものにあっては、加工数が所定の加工定数に達した場合であっても、従来例のものに比べて、すくい面摩耗、ランド摩耗、ＶＢ摩耗の何れも摩耗量は半分程度となっており、耐摩耗性が十分に確保されていることが確認された。つまり、従来例の場合には、加工定数に達した時点で摩耗量が限界に達しているのに対し、本実施形態のものでは、この加工定数に達した後にあっても良好な加工性能が維持されていることが確認された。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態では、切削工具の母材表面から、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＡ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物との積層膜で成るＢ層、ＴｉＳｉ系窒化物とＡｌＣｒ系窒化物とのナノ積層膜で成るＣ層、ＡｌＣｒ系窒化物で成るＤ層の順で積層し、各層の厚みの比であるＡ層の厚み：Ｂ層の厚み：Ｃ層の厚み：Ｄ層の厚みを、１：１：１：０．５としている。これにより、各層間の密着性を十分に確保することができて切削加工時の応力を十分に分散させることができ、積層間の剥離を防止できて、切削工具の長寿命化を図ることができる。
【００４８】
−他の実施形態−
以上説明した実施形態における各層（Ａ層〜Ｄ層）それぞれの膜厚は一例であって、前述した各層の厚みの比が確保されておれば、各層（Ａ層〜Ｄ層）それぞれの膜厚は前述した値に限定されることなく、適宜設定可能である。
【００４９】
また、本発明では、各層（Ａ層〜Ｄ層）の厚みの比としては、前述の発明の効果を奏するものであればよく、１：１：１：０．５程度のものも発明の範疇である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、母材表面が被覆層によって被覆された切削工具に適用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１      アークイオンプレーティング装置
Ｗ      ワーク（切削工具）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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