(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物もしくは炭酸窒化物からなる硬質皮膜を被覆した被覆硬質合金において、前記硬質皮膜と被覆基体の間に内層としてＴｉＮ膜とＶ（ＣＮ）又は（ＴｉＶ）（ＣＮ）膜、さらに、前記硬質皮膜の外層にＶ（ＣＮ）膜を被覆したことを特徴とする被覆硬質工具。
【請求項２】
請求項１記載の被覆硬質工具において、前記硬質皮膜の厚さが０．５乃至５μｍ、前記内層の厚さが０．１乃至５μｍ、前記外層の厚さが０．１乃至３μｍであることを特徴とする被覆硬質工具。
【請求項３】
請求項１又は２記載の被覆硬質工具において、前記硬質皮膜の主成分の一部をＶに置換し（ＴｉＡｌＶ）（ＣＮ）としたことを特徴とする被覆硬質工具。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の被覆硬質工具において、前記外層のＶ（ＣＮ）膜の厚さが０．１乃至２μｍであることを特徴とする被覆硬質工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は、特に密着性および潤滑性に優れた硬質皮膜を有する被覆硬質工具に関するもので、各種切削工具、型、治工具、機械構成部品など厳しい摩擦摩耗を受ける部材に適用し性能向上が得られるものである。
【０００２】
【従来の技術】
工具の耐摩耗皮膜としてはＴｉＮ、ＴｉＣＮなどの皮膜が汎用的かつ一般的であったが、使用条件の厳しさが増すにつれ耐摩耗性、耐酸化性のより優れた（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜が多く用いられるようになった。
しかしながら、最近は切削速度がさらに高速化する傾向に加え、乾式での切削が環境上重要視されるようになり、工具表面と被切削材の間の摩擦の低下、自己潤滑性向上および皮膜の剥離に対する抵抗、すなわち皮膜の基体に対する密着性の向上が極めて重要となってきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らの研究によれば、現用のＴｉＡｌＮ皮膜においては鋼との摩擦係数が０．４程度とかなり大きく切削中の発熱が大きいため、切削の高速化、乾式化に限界があることが確認された。従って、皮膜の潤滑性を向上させ、切削による熱の発生を軽減させることが切削の高速化、乾式化を可能にする不可欠な技術であると考えられる。また、工具の耐摩耗性を上げ、工具寿命を増大させるには硬質皮膜の厚さを増大することが最も好ましいが、皮膜厚さの増大は皮膜と基体の界面に大きな残留応力を発生し、皮膜の剥離をもたらす。それ故、硬質皮膜と基体の間に密着性が良く、かつ残留応力を吸収する緩衝膜をつけると性能が一層向上すると考えられる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
従って、本願発明は、皮膜の密着性を改善し、皮膜自身の耐剥離性をより安定させることにより性能向上を計るものであり、ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物もしくは炭酸窒化物からなる硬質皮膜を被覆した被覆硬質合金において、前記硬質皮膜と被覆基体の間に内層としてＴｉＮ膜とＶ（ＣＮ）又は（ＴｉＶ）（ＣＮ）膜、さらに、前記硬質皮膜の外層にＶ（ＣＮ）膜を被覆したことを特徴とする被覆硬質工具である。本構成を採用することにより、皮膜に発生する大きな圧縮残留応力を緩和する内層を設け、基体と接する内層には基体との密着性の良いＴｉＮ系を薄く被覆し、その上に皮膜の内部応力を緩和する、やや軟質の炭窒化物層を被覆するものである。また、切削の高速化、乾式化に対応するには皮膜自体の潤滑性を増し、刃先温度の上昇を抑えることが有効である。
【０００５】
【作用】
ＴｉＮの硬さはＨＶ２２００以上と硬いため、皮膜の応力緩和の機能があり、更にＶ（ＣＮ）あるいは（ＴｉＶ）（ＣＮ）が適度の硬さをもち応力緩和の働きを持つとともに、ＴｉＮや（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌＶ）（ＣＮ）に対し密着性が良いことを見出した。刃先の耐摩耗性、耐熱性に対しては、現在多く用いられている（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌ）（ＣＮ）あるいは潤滑性を加味した（ＴｉＡｌＶ）（ＣＮ）を用いる。
次に、外層には潤滑性の優れたＶ（ＣＮ）を被覆する。外層の皮膜に含まれるＶは切削中に酸化してこれが低融点の酸化物層を形成し、潤滑効果を与えるとともに被削材の溶着を防ぎ硬質皮膜を保護するからである。
【０００６】
次に、本発明に係わる数値の限定理由について述べる。
基体と接する内層のＴｉＮは、基体との密着性を主目的とするものであるから、厚さは薄くても良く０．１〜５μｍあれば十分であるが、２μｍ以下の方が好ましい。
内層に用いるＶ（ＣＮ）あるいは（ＴｉＶ）（ＣＮ）については、適当な厚さがある。好ましくは０．１〜３μｍである。０．１μｍ以下では応力緩和層としての機能が十分でなく、３μｍ以上では切削条件によっては塑性流動を起こし皮膜が取り去られることがあるためである。尚、（ＣＮ）中のＣとＮの比は、外層の厚さ、切削条件により適宜調整するものとする。Ｃ／Ｎの値が大きくなるほど硬くなり応力緩和の機能が減少する。同様に（ＴｉＶ）（ＣＮ）におけるＴｉ／Ｖの値が大きいほど硬くなる。（ＴｉＶ）（ＣＮ）を（Ｔｉ１−ｘＶｘ）（Ｃ１−ｙＮｙ）と表した場合、ｘ＝０．２〜１．０、ｙ＝０．３〜１．０程度が良い。
【０００７】
ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物もしくは炭酸窒化物からなる硬質皮膜層の膜厚は、耐摩耗性を与えるため、なるべく厚いほうが望ましい。０．５μｍ以下では耐摩耗性が不足であり、上限の５μｍは皮膜全体の厚さを１５μｍとしたケースで、内、硬質皮膜層の上限の厚さを考慮し５μｍとした。
外層のＶ（ＣＮ）は潤滑性を与えるためのものである。０．１μｍ以下ではその効果が十分でなく、２μｍ以上はその効果が増大しないので上限を２μｍとした。Ｖ（ＣＮ）をＶ（ＣｚＮ１−ｚ）と表せば、ｚ＝０〜０．５が好ましい。（ＣＮ）中、Ｎ量の多いほど潤滑性は良い。
【０００８】
本発明の構成において、皮膜の耐摩耗性、耐剥離性を十分発揮するためには、皮膜の硬さは次の順になることが必要である。
硬質皮膜層｛ＴｉＡｌ（ＣＮ）、ＴｉＡｌＶ（ＣＮ）｝＞内層｛ＴｉＮ、ＴｉＶ（ＣＮ）｝＞外層｛Ｖ（ＣＮ）｝
以下、実施例について本発明を説明する。
【０００９】
【実施例】
小型アークイオンプレーティング装置を用い表１に示す条件で本発明例、比較例のコーティングを行い被覆超硬エンドミルを試作した。皮膜の組成はＴｉ−Ａｌ合金ターゲットおよびＴｉ−Ｖターゲットならびに純Ｔｉ、純Ｖターゲットを用いて調整した。
【００１０】
【表１】
0004094746.tif 000002
【００１１】
試作したエンドミルを用い以下の切削条件で切削試験を行い、折損するまで切削を行った。折損が発生した時点の切削長は表１に併記した。切削諸元は、エンドミル（φ８ｍｍ、６枚刃）を用いて、被削材ＳＫＤ１１（硬さＨＲＣ６０）、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、送り量０．０６ｍｍ／刃、切り込み量１２ｍｍ×０．２ｍｍ、切削油なし、にて行った。
【００１２】
表１より、外層にＶ（ＣＮ）を被覆したものは、切削時の刃先温度が６３０〜６５０℃と低く切削長も約５０ｍと極めて良好な結果を示している。皮膜の内部応力緩和層である内層のＶ（ＣＮ）が無い場合、刃先温度への影響は少ないが切削長はやや低下する。特に試料番号９の例のように層の厚さが厚い場合、膜剥離により切削長を著しく短くする。
【００１３】
本発明の有効性をドリルで実証するために、前記例と同じ製法により超硬合金製ドリルを製作し切削性能を比較した。ドリルの切削諸元は刃径φ８ｍｍのドリルを用い、深さ２４ｍｍの穴明け加工を被削材ＳＣＭ４４０、切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り量０．２ｍｍ／ｒｅｖ、水溶性切削油を用いて行った。切削性能は折損までの穴明け数によって比較した。
試験結果を表２に示す。
【００１４】
【表２】
0004094746.tif 000003
【００１５】
表２より、外層にＶ（ＣＮ）膜を被覆することにより工具寿命が増大することを示している。また、硬質皮膜層にＶを含む（ＴｉＡｌＶ）（ＣＮ）層を用いれば比較的寿命低下が少ないことが分かる。これは外層にＶを含む化合物層があると切削時に低融点のＶ酸化物が生成し、その潤滑効果によって刃先温度が減少し、結果としてドリル寿命が延長したものと考えられる。外層のＶ（ＣＮ）あるいは（ＴｉＶ）（ＣＮ）が無い場合は、有る場合と較べて相対的に寿命が低下している。特に外層にＶ（ＣＮ）を被覆していない場合や試料番号２２のごとく外層にＶ（ＣＮ）を付けず、かつ硬質皮膜層がＶを含まないＴｉＡｌＮであるときはその低下が大きい。
比較例の試料番号１８の硬質皮膜層の厚さを１０μｍと大きくした場合であるが、ドリル寿命が大きく低下している。寿命後の刃先を観察すると、皮膜の剥離により刃先が局部的に大きくえぐられており、切削不能に陥ったことが分かった。内層の応力緩和層の存在は刃先の摩耗に対し直接的な影響は無いが、皮膜の局部的な剥離を抑制している。
【００１６】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、皮膜内部応力の緩和による皮膜の耐剥離性の向上、皮膜の潤滑効果による切削中の刃先温度の低下の相乗効果の結果、苛酷な切削条件に耐える優れた切削工具とすることがてき、本発明は超硬合金工具のみならず、高速度工具鋼やＴｉＣＮ基サーメットなどの被覆硬質工具に適用出来る。