(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質母材とその母材の表面上に形成された硬質被覆層とを含む被覆硬質工具であって、
前記被覆層は種類Ａと種類Ｂとの複数の一次部分的層を含み、前記母材表面上には種類Ａと種類Ｂのいずれか一方の種類から開始して交互の種類で合計４以上の前記一次部分的層が積層されており、
前記種類Ａの一次部分的層は１００〜５０００ｎｍの範囲内の厚さを有し、かつ順次周期的に繰返し積層された複数種類の二次部分的層を含み、各種類の二次部分的層は、４Ａ族元素，５Ａ族元素，ＡｌおよびＢから選択された少なくとも１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１種以上の化合物を含みかつ１〜５０ｎｍの範囲内の厚さを有し、
前記種類Ｂの一次部分的層は４Ａ族元素，５Ａ族元素，ＡｌおよびＢから選択された少なくとも１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１種以上の化合物を含む単一層からなり、かつ１００〜５０００ｎｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする被覆硬質工具。
【請求項２】
前記被覆層は全体として０．５〜１０μｍの厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の被覆硬質工具。
【請求項３】
前記母材表面と前記一次部分的層との間の界面に付加的に挿入された中間層をさらに含み、この中間層は４Ａ族元素の窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１種を含みかつ１〜１０μｍの厚さを有し、前記被覆層と前記中間層は合計で１〜１４μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の被覆硬質工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性が要求される切削工具やその他の耐摩工具として利用される被覆硬質工具に関し、特に、その耐摩耗性や耐溶着性の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、切削用工具として、超硬合金が用いられてきた。このような超硬合金としては、たとえば、Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ等の炭化物，窒化物，炭窒化物等が添加されたＷＣ−Ｃｏ合金が用いられ得る。
【０００３】
近年では、切削速度の高速化に伴い、超硬合金，サーメット，アルミナ系セラミック，窒化珪素系セラミック等の母材の表面に厚さ約３〜２０μｍの硬質被膜がＰＶＤ（物理的気相堆積）法によって形成された被覆硬質工具がしばしば使用されている。このような硬質被膜としては、元素周期律表における４Ａ族元素，５Ａ族元素，６Ａ族元素，Ａｌ等の炭化物，窒化物，炭窒化物，ホウ窒化物，または酸化物を含む膜が用いられ得る。特に、ＰＶＤ法によって堆積される硬質被膜は母材の強度の劣化を招くこともなくその耐摩耗性を高めることができるので、ドリル，エンドミル，フライス用スローアウェイチップ（交換可能な使い捨ての刃先）などの強度が要求される切削工具に多く利用されている。
【０００４】
さらに、最近では、多層構造を有する硬質被膜を含む被覆硬質工具が特開平８−１２７８６２に開示されている。
【０００５】
図３は、このような多層構造を有する硬質被膜を含む被覆硬質工具の一部の模式的な断面図を示している。図３の被覆硬質工具は、硬質の母材１上に堆積された硬質被膜２を含んでいる。硬質被膜２においては、２種以上の複数の層が周期的に繰返し積層されており、各層は約１〜１００ｎｍの範囲内の厚さを有している。硬質被膜２に含まれる各層は、４Ａ族元素，５Ａ族元素，Ａｌ，Ｂ等から選択された少なくとも１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物，および酸化物から選択された１種以上の化合物を含み得る。
【０００６】
硬質被膜２において、隣接する異なる種類の層は互いに少し異なる結晶格子定数を有し、互いの界面において部分的に連続する結晶格子構造を含んでいる。このように層間界面において部分的に連続した結晶格子構造を含む多層膜では、各層間の弾性的相補作用によって大きな内部歪みを生じ、その結果として、各層単独の固有の硬度よりさらに高い硬度が得られる。
【０００７】
図４は、多層構造を有する硬質被膜を含む被覆硬質工具のもう１つの例を模式的な断面図で示している。図４の被覆硬質工具は図３のものに類似しているが、図４においては硬質母材１と多層被膜２との間に中間層３が挿入されている。この中間層３は、硬質母材１と多層被膜２との間の付着強度を向上させるために設けられている。このような中間層３として、４Ａ族元素の窒化物，炭化物，炭窒化物等を用いることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、図３や図４に示されているような多層被膜２では層間相互作用によって非常に高い硬度が得られるが、層間の歪み整合が適当に安定化されていなければ、あまりに高い内部応力に起因して被膜２の脆化現象が現れることがある。特に、内部歪みは多層被膜２の厚さが大きくなるに従って増大するので、その厚さが大きいときには、切削時の衝撃で被膜２が脆性破壊することがある。
【０００９】
このような先行技術の課題に鑑み、本発明は、硬質多層被膜の特性を改善して、優れた耐摩耗性や耐溶着性を有する被覆硬質工具を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による被覆硬質工具は、硬質母材とその母材の表面上に形成された硬質被覆層とを含み、被覆層は種類Ａと種類Ｂとの複数の一次部分的層を含み、母材表面上には種類Ａと種類Ｂのいずれか一方の種類から開始して交互の種類で合計４以上の一次部分的層が積層されており、種類Ａの一次部分的層は１００〜５０００ｎｍの範囲内の厚さを有し、かつ順次周期的に繰返し積層された複数種類の二次部分的層を含み、各種類の二次部分的層は、４Ａ族元素，５Ａ族元素，ＡｌおよびＢから選択された少なくとも１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１種以上の化合物を含みかつ１〜５０ｎｍの範囲内の厚さを有し、種類Ｂの一次部分的層は４Ａ族元素，５Ａ族元素，ＡｌおよびＢから選択された少なくとも１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１種以上の化合物を含む単一層からなりかつ１００〜５０００ｎｍの範囲内の厚さを有することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明による被覆硬質工具は、その被覆層が全体として０．５〜１０μｍの厚さを有することが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明による被覆硬質工具は、母材表面と一次部分的層との間の界面に付加的に挿入された中間層をさらに含み、この中間層は４Ａ族元素の窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１種を含みかつ０．５〜１０μｍの厚さを有し、被覆層と中間層は合計で１〜１４μｍの厚さを有することがさらに好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明の１つの実施の形態による被覆硬質工具の一部の断面が模式的に示されている。この被覆硬質工具は、硬質母材１上に堆積された硬質被覆層４を含んでいる。被覆層４は、種類Ａの複数の一次部分的層４Ａと種類Ｂの複数の一次部分的層４Ｂとを含んでいる。これらの種類Ａと種類Ｂの一次部分的層４Ａと４Ｂは、母材１の表面上に交互の種類で合計４層以上が積層されている。この交互の繰返し積層は、図１においては種類Ａの一次部分的層４Ａから開始されて示されているが、種類Ｂの一次部分的層４Ｂから開始されてもよい。
【００１４】
種類Ａの一次部分的層４Ａは１００〜５０００ｎｍの範囲内の厚さを有し、かつ２種以上の複数の二次部分的層が順次周期的に繰返し積層されている。これらの二次部分的層の各々は、４Ａ族元素，５Ａ族元素，ＡｌおよびＢから選択された少なくとも１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１種以上の化合物を含んで形成され得て、約１〜５０ｎｍの範囲内の厚さを有することが好ましい。
【００１５】
他方、種類Ｂの一次部分的層４Ｂは、単一層で形成されている。一次部分的層４Ｂも、４Ａ族元素，５Ａ族元素，ＡｌおよびＢから選択された少なくとも１種の元素を含む窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１種以上の化合物を含んで形成され得て、その厚さは約１００〜５０００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。
【００１６】
硬質被覆層４の全体の厚さは、約０．５〜１０μｍの範囲内にあることが好ましい。これは、被覆層４の厚さが０．５μｍ未満では十分な耐摩耗性の改善が得られず、逆に厚さが１０μｍを超えれば被覆層４が剥離しやすくなるからである。
【００１７】
本発明者らは、図１に示されているような被覆硬質工具が安定かつ優れた耐摩耗性や耐溶着性を有していることを見い出した。すなわち、先行技術に関して説明されたように、種類Ａの一次部分的層４Ａはそれに含まれる極めて薄い複数の二次部分的層の層間相互作用によって非常に高い硬度を示す。しかし、一次部分的層４Ａの各々の厚さは５０００ｎｍ以下に限定されているので、一次部分的層４Ａの各々における内部歪みが過剰に大きくなることがなく、また、複数の一次部分的層４Ａのそれぞれの間に挿入されている厚さの大きな単一層である二次部分的層４Ｂが一次部分的層４Ａの内部歪みを緩和するように作用する。その結果、図１に示されているような被覆硬質工具に含まれる被覆層４は、脆化を生じることなく高い硬度を有することができ、安定かつ優れた耐摩耗性や耐溶着性を可能にする。
【００１８】
図２においては、本発明のもう１つの実施の形態による被覆硬質工具の一部の断面が模式的に示されている。図２の被覆硬質工具は図１のものに類似しているが、図２においては、種類Ａおよび種類Ｂの一次部分的層４Ａおよび４Ｂを含む硬質被覆層４と硬質母材１との間に単一層からなる中間層３が挿入されている。中間層３は、４Ａ族元素の窒化物，炭化物，炭窒化物および酸化物から選択された１つを含んで形成され得て、種類Ａと種類Ｂの一次部分的層４Ａと４Ｂのいずれよりも大きな厚さを有し、かつ好ましくは約０．５〜２μｍの範囲内の厚さを有している。
【００１９】
このような厚い中間層３は、被覆層４と母材１との間の付着強度を改善するのみならず、被覆層４全体の内部歪みを緩和するようにも作用し得る。したがって、中間層３を含む場合、被覆層４の厚さを少し増大させることができ、中間層３と被覆層４との合計厚さは約１〜１４μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００２０】
なお、上述のような硬質被覆層４に含まれる各部分的層や中間層３は通常のＰＶＤ法で堆積することも可能であるが、アーク放電式イオンプレーティングやスパッタリング法で堆積することがより好ましい。
【００２１】
【実施例】
表１において、図１の実施の形態に対応する実施例試料No. Ａ１〜Ａ７と図３の先行技術に対応する比較例試料No. Ｂ１〜Ｂ７が示されている。これらの実施例試料と比較例試料による被覆硬質工具のいずれにおいても、型番ＳＤＫＮ４２ＭＴの形状を有するＩＳＯ−Ｐ３０の超硬合金が母材１として用いられ、その上にアーク放電式イオンプレーティングによって種々の硬質被覆層が堆積された。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１中において、たとえば実施例試料No. Ａ１では、母材１上に４μｍの全体厚さを有する被覆層４が堆積されている。被覆層４に含まれる一次部分的層４Ａは全体として５００ｎｍの厚さを有しており、その中では厚さ１ｎｍのＴｉＮの二次部分的層と厚さ１ｎｍのＡｌＮの二次部分的層とが交互に繰返して積層されている。被覆層４に含まれる他方の一次部分的層４Ｂは、ＴｉＮの単一層で形成されており、５００ｎｍの厚さを有している。
【００２４】
実施例試料No. Ａ１と比較されるべき比較例試料No. Ｂ１においては、その被覆層２が実施例試料No. Ａ１の被覆層４と同様に４μｍの厚さを有しているが、一次部分的層４Ｂに対応する部分的層を含んでいない。すなわち、比較例試料No. Ｂ１の被覆層２においては厚さ１ｎｍのＴｉＮの部分的層と厚さ１ｎｍのＡｌの部分的層とが交互に多数回繰返して積層されているだけであり、これは実施例試料No. Ａ１中の単一の一次部分的層４Ａの厚さを増大させたものに対応している。
【００２５】
実施例試料No. Ａ２〜Ａ７およびそれらと比較されるべき比較例試料No. Ｂ２〜Ｂ７においても、実施例試料No. Ａ１および比較例試料No. Ｂ１と同様に、表１に示されているような各層の厚さと組成を有している。
【００２６】
表１に示されているような実施例試料と比較例試料を切削刃として用いて、下記の条件で合金鋼のブロックの切削試験を行ない、各試料の逃げ面摩耗量を測定した。
【００２７】
（切削試験条件）
被削材：ＳＣＭ４３５（硬さ：ＨＢ２５０）
切削方法：フライス切削
切削形態：乾式
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
切込深さ：１．５ｍｍ
フライス送り：０．２５ｍｍ／刃
切削長：２ｍ
以上のような切削試験結果として、各試料について測定された逃げ面摩耗量も表１に示されている。表１において実施例試料No. Ａ１〜Ａ７と比較例試料No. Ｂ１〜Ｂ７とをそれぞれ対応させて逃げ面摩耗量を比較すれば明らかなように、本発明による実施例試料のいずれにおいても、比較例試料に比べて耐摩耗性が安定化され、摩耗量が著しく低減されていることがわかる。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２においては、図２の実施の形態に対応する実施例試料No. Ｃ１〜Ｃ７と図４の先行技術に対応する比較例試料No. Ｄ１〜Ｄ７が示されている。表２中の実施例試料No. Ｃ１は、表１中の実施例試料No. Ａ１に類似しているが、ＴｉＮからなる厚さ１μｍの中間層３を付加的に含んでいる。同様に、表２中の実施例試料No. Ｃ２〜Ｃ７も、表１中の実施例試料No. Ａ２〜Ａ７にそれぞれ類似しているが、表２に示されているような中間層を付加的に含んでいる。また、表２中の比較例試料No. Ｄ１〜Ｄ７も、表１中の比較例試料No. Ｂ１〜Ｂ７に類似しているが、表２に示されているような中間層を付加的に含んでいる。
【００３０】
表２に示されているような実施例試料と比較例試料についても、表１における試料と同様の切削試験が行なわれ、その結果として測定された逃げ面摩耗量も表２に示されている。表２においても、実施例試料No. Ｃ１〜Ｃ７と比較例試料No. Ｄ１〜Ｄ７とをそれぞれ対応させて逃げ面摩耗量を比較すれば明らかなように、本発明による実施例試料のいずれにおいても、比較例試料に比べて耐摩耗性が安定化され、摩耗量が著しく低減されていることがわかる。なお、中間層を含まない表１における実施例試料No. Ａ１〜Ａ７と中間層を含む表２の実施例試料No. Ｃ１〜Ｃ７を比較すれば明らかなように、中間層を含む実施例試料では中間層を含まない実施例試料に比べて耐摩耗性がさらに安定化されて摩耗量がさらに低減されていることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明による被覆硬質工具においては、表面層の耐摩耗性が安定化されて摩耗量が著しく低減され、それによって工具寿命が延長されるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態による被覆硬質工具の一部の模式的な断面図である。
【図２】本発明のもう１つの実施の形態による被覆硬質工具の一部の模式的な断面図である。
【図３】先行技術の一例による硬質工具の一部の模式的な断面図である。
【図４】先行技術のもう１つの例による被覆硬質工具の一部の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１  硬質母材
２  先行技術による硬質被膜
３  硬質母材と硬質被覆層との間に挿入された中間層
４  本発明による硬質被覆層
４Ａ  硬質被覆層に含まれる種類Ａの一次部分的層
４Ｂ  硬質被覆層に含まれる種類Ｂの一次部分的層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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