(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属元素としてＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｌの１種以上より選択された元素と、非金属元素としてＮ、Ｃ、Ｏのうち１種以上より選択された元素とＢ元素を含むＢ含有皮膜を１層以上被覆してなる硬質皮膜被覆切削工具において、該Ｂ含有皮膜内にＢ高濃度粒子が介在し、該Ｂ高濃度粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径が３００ｎｍ未満で、該Ｂ高濃度粒子は、（Ｂ含有量／Ｂ以外の非金属元素含有量）が２．２以上で、該Ｂ高濃度粒子のＢ含有量は、該Ｂ含有皮膜内の任意に選択される１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）のＢ含有量よりも多いことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】
請求項１記載の硬質皮膜被覆切削工具において、該Ｂ含有皮膜のＢ含有量は、１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）において、Ｂを含む非金属元素全体の２０原子％未満であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】
請求項１又は２記載の硬質皮膜を、アーク放電式イオンプレーティング法により形成してなることを特徴とする硬質皮膜被覆工具の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属材料等の切削加工に使用される硬質皮膜被覆工具及その製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の高能率、高精度切削加工においては切削工具表面に被覆する耐摩耗皮膜と被加工物との凝着および溶着現象が切削工具の切削性能に大きな影響を及ぼす。すなわち、ＴｉＡｌＮ皮膜に代表される耐高温特性および耐アブレッシブ摩耗性を追求した高硬度皮膜においては、被加工物との凝着および溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増加により、十分な切削寿命が得られないばかりでなく、切削加工面のむしれ現象により、加工精度を劣化させる等の課題がある。そこで、前記課題を解決する試みとして、摺動特性および被処理物との親和性に優れ、現時点で最適であると考えられているＣｒＮ皮膜を多層化し切削工具に被覆した事例が特開平１１−１５６９９２号公報及び特表平１１−５０５５７３号公報に開示されている。また、硬質皮膜中へ超微粒化合物を介在させる手法により更に潤滑特性を付与する試みが特開２００１−２９３６０２号公報に提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＣｒＮ皮膜は皮膜硬度が低く、皮膜中に残留する圧縮応力も低いことより、耐摩耗性が十分ではないばかりではなく、切削加工時の熱サイクルにより発生する熱クラックにより皮膜剥離が生じ易い等の課題を有する。特に熱サイクルの激しい湿式切削加工においては熱クラックによる皮膜破壊、剥離もしくはこれら皮膜の損傷を起点とした工具切れ刃の欠損が顕著に現れ耐摩耗性が十分ではない。これら耐摩耗性と潤滑特性の両特性を改善する試みとして、鉄系材料との親和性が低いＢを硬質皮膜中へ添加することにより、耐凝着性、耐溶着性を改善する試みがなされてはいるものの、少量のＢ添加ではその効果は充分に期待できない場合が多く、また過剰なＢ添加では、Ｂそのものが非常に高価であるうえに皮膜が脆化し、特殊な装置が必要とされる場合もあり課題が多い。また硬質皮膜内へ独立した相としてＢＮ相等を含有させたものは著しく皮膜が脆化し、切削工具として使用した場合、皮膜剥離やチッピング等に起因した異常摩耗が発生し易く、課題を解決されるには至っていない。本発明はこうした事情に鑑み、少量のＢ添加でも充分にその特性を発揮しうる手段を見出し、被削材との凝着及び溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増加を抑制し、苛酷な切削環境下においても皮膜剥離及び熱クラックによる異常摩耗の生じることのない潤滑性に優れた硬質皮膜被覆工具及び被覆方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、金属元素としてＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｌの１種以上より選択された元素と、非金属元素としてＮ、Ｃ、Ｏのうち１種以上より選択された元素とＢ元素を含むＢ含有皮膜を１層以上被覆してなる硬質皮膜被覆切削工具において、該Ｂ含有皮膜内にＢ高濃度粒子が介在し、該Ｂ高濃度粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径が３００ｎｍ未満で、該Ｂ高濃度粒子は、（Ｂ含有量／Ｂ以外の非金属元素含有量）が２．２以上で、該Ｂ高濃度粒子のＢ含有量は、該Ｂ含有皮膜内の任意に選択される１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）のＢ含有量よりも多いことを特徴とする硬質皮膜被覆工具である。尚、該Ｂ含有皮膜のＢ含有量は、１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）において、Ｂを含む非金属元素全体の２０原子％未満であることが好ましい。また、前記硬質皮膜をアーク放電式イオンプレーティング法により形成することにより更に優れた耐摩耗性と潤滑特性を有した硬質皮膜被覆切削工具を得ることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明者は工具切れ刃に付着する凝着もしくは溶着現象は、硬質皮膜そのものの摩擦抵抗、被加工物との親和性もしくは被加工物が皮膜へ付着した際の付着物の解離性等が複雑に関与しており、これらが切削工具の寿命もしくは被加工物の加工精度を支配していると考えた。従って、これらの改善が凝着若しくは溶着が発生する切削環境下においてきわめて重要となる。そこで、金属元素としてＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｌの１種以上より選択された元素と、非金属元素としてＮ、Ｃ、Ｏのうち１種以上より選択された元素とＢ元素とを含むＢ含有皮膜を１層以上被覆してなる硬質皮膜被覆切削工具において、該Ｂ含有皮膜内の任意に選択される１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）のＢ含有量よりも、Ｂ含有量が多いＢ高濃度粒子が該Ｂ含有皮膜内に介在することを特徴とする硬質皮膜を１層以上被覆することにより、硬質皮膜の摩擦抵抗、被加工物との親和性若しくは被加工物との解離性等高めることに極めて有効に作用することを突き止め、本発明を完成させた。硬質皮膜中への単純なＢ添加においては、少量のＢ添加ではその効果は充分に期待できない場合が多く、また過剰なＢ添加では、Ｂそのものが非常に高価であるうえに皮膜が脆化し、特殊な装置が必要とされる場合もあり課題が多い。そこで少量のＢ添加でも充分にその特性を発揮しうる手段として、該Ｂ含有皮膜内の任意に選択される１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）のＢ含有量よりも、Ｂ含有量が多いＢ高濃度粒子が該Ｂ含有皮膜内に介在することが有効である。
【０００６】
次に、本発明者は熱クラックや異常摩耗の発生の主要因はおもに硬質皮膜の強度不足であると考えた。しかしながら、硬質皮膜の強度すなわち硬度を向上させるとともに硬質皮膜の潤滑特性が損なわれるため、潤滑特性を維持しつつ硬質皮膜の強度を高めることがこれらの課題に対して重要となる。そこで該Ｂ含有皮膜内の任意に選択される１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）のＢ含有量よりも、Ｂ含有量が多いＢ高濃度粒子を該Ｂ含有皮膜内に複数介在させることにより、Ｂ高濃度粒子の形成による潤滑特性と組織強化が同時に達成され、また一部のＢは格子内に固溶し、皮膜そのものの硬度を向上させる作用を有する。これらの作用により潤滑特性を維持しつつ硬質皮膜の強度を高めることに成功し、工具切れ刃の熱クラック発生を抑制し皮膜剥離や異常摩耗に対して優れた特性を示す。更に、本発明に係る該Ｂ高濃度粒子含有皮膜内のＢ含有粒子のうち、原子比率で、（Ｂ含有量／Ｂ以外の非金属元素含有量）が２．２以上であることが好ましい。Ｂ高濃度粒子内のＢ含有粒子のうち、原子比率で、（Ｂ含有量／Ｂ以外の非金属元素含有量）が１．０未満である場合は、Ｂ元素のもつ潤滑特性が充分に得られない場合がある。
【０００７】
また、本発明に係る該Ｂ高濃度粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径が３００ｎｍ未満であることが更に望ましい。該Ｂ高濃度粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径が３００ｎｍ以上の場合、破壊若しくは剥離の起点となりうる場合があるからである。本発明に係る該Ｂ高濃度粒子含有皮膜のＢ含有量は１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）においてＢを含む非金属元素全体の２０原子％未満であることが好ましい。該Ｂ高濃度粒子含有皮膜のＢ含有量は１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）においてＢを含む非金属元素全体の２０原子％以上のＢを含有する場合はＢそのものが高価である上に、皮膜が著しく脆化することも確認されており好ましくない。尚、分析面積を１μｍ２以上２μｍ２未満の領域（面積）の範囲に限定した理由はＢ含有皮膜そのもののＢ含有量を分析するためである。
【０００８】
本発明に係る該Ｂ高濃度粒子含有皮膜は、静的及び動的条件下において優れた密着性、低摩擦を有するものの、単一皮膜で十分な切削性能を示さない場合には、優れた耐摩耗性、耐酸化性を有する膜を併用することが更に有効である。この膜として最適なのは、金属元素としてＡｌとＴｉを含み、非金属元素としてＮを含むＴｉＡｌＮ系膜である。これを採用することで、高速切削若しくは調質材切削等にも対応した硬質被覆切削工具を得ることが可能となる。このときＢ高濃度粒子含有皮膜は硬質皮膜の最上層に有ることが望ましいが、かならずしも最上層でなくともその効果を十分に発揮するものである。また、本発明に係る上記硬質皮膜を形成する方法としては、物理蒸着法が有効であり、特にアーク放電式イオンプレーティング法を用いることにより該Ｂ高濃度粒子を均一かつ微細に分散させるのに有効である。以下、実施例について説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、該Ｂ含有皮膜とは別の金属元素として（ＡｌＴｉ）Ｎ等の層と組み合わせ、適宜変更することは本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【０００９】
【実施例】
（実施例１）
本発明に係る該Ｂ高濃度粒子が介在したＢ含有皮膜を形成する方法としては、イオンプレーティング法やスパッタリング法等に代表される物理蒸着法が挙げられるが、例えばアーク放電式イオンプレーティング法による成膜においては以下による方法を用いれば良い。先ず、真空容器内を３×１０５Ｐａまで真空排気を行った後にアルゴンイオンによる基体の清浄化及び活性化を行う。その後、目的とした皮膜組成に応じて組成を調整したターゲットを用い、アーク放電により蒸発源であるカソードに設置したターゲットから組成元素をイオン化させ、窒素雰囲気中でイオンプレーティングすることによって得られる。以下、その詳細について述べる。
【００１０】
本発明において重要である該Ｂ高濃度粒子の形成は成膜時の被覆条件に依存し易い。図１に該Ｂ高濃度粒子形成における被覆条件を検討した結果について示す。図１より、横軸は成膜時基体に印加するバイアス電圧、縦軸は成膜時の窒素の反応圧力を示す。また、成膜時には窒素の他に少量の酸素を添加したものを用いた。これは、少量の酸素を添加することにより粒子が更に微細化し、粒子内にＢが濃化する傾向が強く認められたためである。図１の領域（ゾーン）ＡにおいてはＢ高濃度粒子が粗大化する傾向が確認された。領域（ゾーン）Ｂにおいては、該Ｂ高濃度粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径が３００ｎｍ未満のＢ高濃度粒子が安定して得られ、好ましい被覆条件である。アーク放電式イオンプレーティング法により、カソードにＢを５原子％添加したＣｒターゲットを設置し、成膜条件を基体温度６００℃、バイアス電圧―２００Ｖ、反応圧力０．５Ｐａに設定し、反応ガスは体積比で窒素を９９％、酸素１％混合したガスを用いて本発明であるＢ高濃度粒子を有する皮膜を被覆し下記に示す評価を行った。本発明であるＢ高濃度粒子とそれ以外の領域（粒子）の分析結果を図２〜図４及び表１に示す。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
図２にＢ高濃度粒子とその周辺の電子顕微鏡写真を、また各領域（分析箇所）の定量分析値はＥｌｅｃｔｒｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｏｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（以下、ＥＥＬＳ）分析と、Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（以下、ＥＤＳ）分析により決定した。図２の領域（分析箇所）４、更にその周辺である領域（分析箇所）３に微細かつＢリッチになっていることが認められる。また、Ｂ高濃度粒子以外の粒子にも少量のＢを含有する粒子も存在した。図３にＢ高濃度粒子以外の粒子である領域（分析箇所）１のＥＥＬＳ分析結果を示し、図４にＢ高濃度粒子である領域（分析箇所）４のＥＥＬＳ分析結果を示す。図４のＢ高濃度粒子には、Ｂ高濃度粒子以外の粒子である図３に認められなかったＢに相当するピークが１９０ｅＶ付近において明瞭に認められる。尚、各領域（分析箇所）は２５ｎｍ２を分析したものであり、皮膜の結晶構造は六方晶であった。
【００１３】
本発明に係るＢ高濃度粒子を複数介在させた皮膜である本発明例と比較例として単純にＢを添加した皮膜の摩耗試験を行った結果を図５に示す。摩耗試験はボールオンディスク型の摩耗試験機を用い、ボール材質をＨＲＣ６０に調質したＳＫＤ１１に本発明例、比較例の皮膜を用い、ディスク材には鏡面仕上げしたＳ４５Ｃ材を用いた。試験荷重を０．２５Ｎ、回転半径を５．５ｍｍ、周速度を１００ｍｍ／ｓｅｃの無潤滑条件下でそれぞれ評価を行った。図５より、本発明例は、比較例に比べ、更に摩擦係数が低減された。また、試験後の皮膜表面に付着したディスク材である鉄の付着状態を調べた結果、本発明例は比較例はに比べ鉄の付着量が著しく低減された。これは、Ｂ高濃度粒子そのものが鉄系材料と親和性が低いことに加えて、Ｂ高濃度粒子そのものが潤滑特性を有し、鉄の凝着を抑制させ摩擦係数を低減させたためであると考えられた。
【００１４】
（実施例２）
アーク放電式イオンプレーティング装置を用い、蒸発源の一方に原子パーセントで（Ｔｉ０．５Ａｌ０．５）からなる金属ターゲットを設置し、他方にＢを含有した各種ターゲットを設置し、被覆条件は、基体温度６００℃並びに反応ガスである窒素と酸素の混合ガス（混合比：窒素９９体積％、酸素１体積％）を用い、反応ガス圧力を０．５Ｐａ、バイアス電圧を―２００Ｖの条件で行った。必要に応じＴｉＡｌＮ系皮膜を被覆基体温度４５０℃、窒素ガス圧力を３Ｐａ、バイアス電圧を―５０Ｖの条件で下地層を成膜した。工具は、Ｒ５ｍｍの超硬合金製２枚刃ボールエンドミルを用い、全皮膜の厚みが４乃至は５μｍとなるように成膜した。成膜した各皮膜組成を表２に示す。
【００１５】
【表２】
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【００１６】
また、表３に比較例として作成した試料の組成を示す。成膜条件は必要に応じＴｉＡｌＮ系皮膜を下層とし、続いて被覆基体温度４００℃、並びに反応ガスである窒素圧力を８Ｐａ、バイアス電圧を―４０Ｖの条件で各皮膜を成膜した。尚、表２及び表３の各層の組成はＥＥＬＳ分析とＥＤＳ分析により決定し、それぞれ原子％で記載した。また分析した領域（面積）は、皮膜全体の組成は１μｍ２の領域（面積）であり、Ｂ高濃度粒子の組成は２５ｎｍ２の領域（面積）をそれぞれ分析した。更に、Ｂ高濃度粒子のＢ原子％をＢ以外の非金属元素であるＮ、Ｃ、Ｏそれぞれの原子％を合計した数値で割った値を表２に併記した。
【００１７】
【表３】
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【００１８】
【表４】
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【００１９】
得られた本発明例、比較例のエンドミルを用い、直線ダウンカット、被削材Ｓ５５Ｃ（硬さＨＢ２２０）、軸方向切り込み３．０ｍｍ×ピックフィード０．５ｍｍ、回転数７０００ｍｉｎ−１、送り３６００ｍｍ／ｍｉｎ、水溶性エマルション溶液を２ＭＰａで工具切れ刃に供給し、６０分切削後の最大逃げ面摩耗幅を表２及び表３に併記する。本発明例１〜１３のいずれにおいてもＢ高濃度粒子の存在が認められその粒子の大きさはＢ高濃度粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径が３００ｎｍ未満のものを含み、比較例及び従来例に比較して摩耗幅が小さく耐摩耗性に優れている。本発明例５、６、７は単一皮膜の場合を示すが従来例に比べて摩耗幅が小さい。本発明例１４、１５はＢ高濃度粒子の存在が認められたがＢ高濃度粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径が３００ｎｍよりも大きいものが認められたが従来例に比べて摩耗幅が小さい。比較例１６、１７、１８はいずれもＢの高濃度粒子が確認されなかった例であり、本発明例に比べ摩耗幅が大きい結果となった。本発明例は潤滑特性に優れ切削時の摩擦に対する抵抗を著しく低減し、凝着や溶着現象に起因した皮膜剥離や異常摩耗が進行することもなく、また熱クラックに対しも優れた特性を示し、総合して工具寿命が著しく向上し、その結果凝着や溶着現象による切削加工面の加工精度の劣化も抑制され、従来の課題を大幅に改善するに至った。
【００２０】
【発明の効果】
以上の如く、本発明の硬質皮膜被覆切削工具は、従来までの被覆切削工具に比べ優れた潤滑性と耐摩耗性の両特性を備え、被加工物との凝着及び溶着が著しい切削環境においても格段に長い工具寿命を得ることができた。これら改善した硬質皮膜被覆切削工具が切削加工における生産性の向上並びに加工面のむしれを低減させることによる高品質加工が可能となりコスト低減に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、Ｂ高濃度粒子形成における被覆条件検討結果を示す。
【図２】図２は、Ｂ高濃度粒子近傍の電子顕微鏡写真を示す。
【図３】図３は、図２中の領域（分析箇所）１のＥＥＬＳ分析結果を示す。
【図４】図４は、図２中の領域（分析箇所）４のＥＥＬＳ分析結果を示す。
【図５】図５は、Ｂ高濃度粒子含有皮膜と単純にＢを添加した皮膜の摩擦係数測定結果を示す。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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