(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｏを含有する非酸化物からなる基体の表面に、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＢｙＮ１−ｘ−ｙ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表４、５、６族元素、Ｙ、ＨｆおよびＳｉから選ばれる１種以上、０．４≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる被覆層を被覆してなり、前記基体と前記被覆層との界面近傍についてのＸ線光分光分析（ＸＰＳ）を用いた組成分析データにおいて、酸素を０．５〜１０原子％の含有量で前記界面近傍の他の領域よりも多く含有しているとともに、前記界面近傍の酸素を最も多く含む位置で前記基体中のＣｏ含有量に対して２０〜５０％の含有量のＣｏを含有している領域が存在するとともに、該領域よりも基体寄りにさらに１箇所酸素を多く含有している領域が存在することを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記界面近傍の酸素を多く含有している領域の厚みが０．０５〜０．４μｍであることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基体の表面に被覆層を成膜してなる切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった摺動性や耐摩耗性、耐欠損性を必要とする部材では、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット等の硬質材料の表面に様々な被覆層を成膜して摺動性、耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、超硬合金からなる刃先部分の表面に物理蒸着（ＰＶＤ）法による被覆層を被覆した回転工具において、下地母材の表面における界面に母材または被覆層中の元素が他方へ拡散した拡散層を０．１〜０．５μｍの厚さで形成することが開示されており、被覆層の付着力を高めることが記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、超硬合金基体を高真空中で熱処理することによって、基体の表面に存在する結合相形成成分を揮散させて基体表面におけるタングステンの濃度を相対的に高めるとともに基体表面を粗化することができること、そして、この表面に硬質層を被覆すると、粗化した基体の空隙に硬質層の成分が入り込むとともに表面のタングステンが硬質層中に拡散侵入して、硬質層の密着性を高めることができることが記載されている。さらに、同号公報によれば、特許文献３および特許文献４についても言及され、超硬合金基体の表面を硝酸等の腐蝕液でエッチングして基体の表面を粗面とし、これに硬質層を被覆した場合、基体と硬質層との間に酸化膜が形成されて硬質膜が剥離しやすくなってしまうことが開示されている。
【０００５】
また、特許文献５では、基体の表面に、物理蒸着によるＴｉＡｌ（Ｃ）Ｎ組成の硬質被覆層を成膜し、かつその表面に最表面下地層のＴｉＯｖ（ｖ＝１．２〜１．７）と、最表面層のＴｉＮ膜を成膜した切削工具が開示され、ＴｉＮ膜の密着性を高めることができて硬質被覆層のチッピングを防止できることが記載されている。
【特許文献１】特開昭６０−２３８２１４号公報
【特許文献２】特開平４−８７７０６号公報
【特許文献３】特開昭６２−１７４３８０号公報
【特許文献４】特開昭６３−６０２８０号公報
【特許文献５】特開２００２−１２０１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のように超硬合金基体と被覆層との界面で互いの成分が相互に拡散した場合には、被覆層の密着性は向上するものの、この切削工具を高速切削条件や難削材の切削のように切刃周辺が高温となる加工に使用する場合には、摩耗の進行が早くて工具寿命が短いという問題があった。その理由は、切削工具の切刃周辺が高温となると、切削中に基体を構成する成分が被覆層側に拡散する現象が起きる。その結果、基体と被覆層との界面に結合相が欠乏した領域ができてしまい、界面における被覆層の密着性が損なわれるとともに、被覆層内へＷ（タングステン）等の硬質相成分やＣｏの拡散が進行して被覆層の硬度が低下し、被覆層の耐摩耗性が低下するという問題があった。
【０００７】
また、特許文献２のように、基体表面の結合相を揮散させて結合相濃度を低めるとともに相対的に基体表面におけるタングステンの濃度を高めて基体から被覆層側に拡散させる構成とした場合でも、切刃周辺が高温となった場合には基体を構成する成分が被覆層側に拡散することを抑制する効果は小さく、やはり界面に結合相が欠乏した領域ができて界面における被覆層の密着性が損なわれるとともに、被覆層内にＷやＣｏが多量に拡散して被覆層の耐摩耗性が悪化する場合があった。
【０００８】
さらに、特許文献５のように、超硬合金基体の表面にＴｉＡｌＮ層を被覆し、その表面にＴｉＯＶ層とＴｉＮ層とを順に被覆した場合、ＴｉＮ層の密着性は向上するものの、基体とＴｉＡｌＮ層との界面においては切刃周辺が高温となった際に基体を構成する成分が被覆層に拡散することを防止できず、界面における被覆層の密着性および被覆層の耐摩耗性が低下するおそれがあった。
【０００９】
そこで、本発明の切削工具は、上記問題を解決するためのものであり、その目的は、切刃が高温となるような切削条件においても、高い耐欠損性と耐摩耗性を有する切削工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の切削工具は、Ｃｏを含有する非酸化物からなる基体の表面に、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＢｙＮ１−ｘ−ｙ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表４、５、６族元素、Ｙ、ＨｆおよびＳｉから選ばれる１種以上、０．４≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる被覆層を被覆してなり、前記基体と前記被覆層との界面近傍についてのＸ線光分光分析（ＸＰＳ）を用いた組成分析データにおいて、酸素を０．５〜１０原子％の含有量で前記界面近傍の他の領域よりも多く含有しているとともに、前記界面近傍の酸素を最も多く含む位置で前記基体中のＣｏ含有量に対して２０〜５０％の含有量のＣｏを含有している領域が存在するとともに、該領域よりも基体寄りにさらに１箇所酸素を多く含有している領域が存在するものである。
【００１１】
ここで、界面近傍の前記酸素を多く含有している領域の厚みが０．０５〜０．４μｍであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の切削工具は、非酸化物基体と前記被覆層との界面近傍についてのＸ線光分光分析（ＸＰＳ）を用いた組成分析データにおいて、酸素を０．５〜１０原子％の含有量で前記界面近傍の他の領域よりも多く含有しているとともに、前記界面近傍の酸素を最も多く含む位置で前記基体中のＣｏ含有量に対して２０〜５０％の含有量のＣｏを含有している領域が存在するとともに、該領域よりも基体寄りにさらに１箇所酸素を多く含有している領域が存在することによって、切削工具を高速切削条件や難削材の切削に使用する場合に切刃周辺が高温となっても基体を構成する成分が際限なく被覆層側に拡散することを防止して基体と被覆層との界面に結合相が欠乏した層ができるのを抑制できる。これによって、被覆層が切削によって密着性が損なわれることが防止されるとともに、被覆層の硬度が低下することを防止して、優れた耐摩耗性を維持できる。
【００１３】
ここで、界面に含有される酸素は通常被覆層との密着性を低下させるものであるが、本発明のように少量の酸素とともに所定量のＣｏを含有させることによって、被覆層の密着性を損なうことなく、かつ切刃が高温となる切削条件において、被覆層中に基体中の成分が拡散することを抑制して優れた密着性および耐摩耗性を発揮する。
【００１４】
なお、界面近傍の酸素を多く含有している領域の厚みが０．０５〜０．４μｍであることが、被覆層の密着性が高く、かつ被覆層の耐欠損性が損なわれることを防止できる点で重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の切削工具の一例について（ａ）概略斜視図、（ｂ）概略断面拡大図である図１を用いて説明する。
【００１６】
図１によれば、本発明の切削工具１は、主面にすくい面３、側面に逃げ面４、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、Ｃｏを含有する非酸化物基体（以下、単に基体と略す。）２の表面にＴｉ１−ａ−ｂＡｌaＭb（ＣxＢｙＮ１−x−ｙ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表４、５、６族元素、Ｙ、ＨｆおよびＳｉから選ばれる１種以上、０．４≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる被覆層（以下、ＴｉＡｌ系被覆層と略す。）６を被覆した構成となっている。
【００１７】
そして、図２によれば、基体２と被覆層６との界面近傍についてのＸ線光分光分析（ＸＰＳ）を用いた組成分析データにおいて（以下、単に界面においてと略する場合がある。）、酸素を０．５〜１０原子％の含有量で前記界面近傍の他の領域よりも多く含有しているとともに、前記界面近傍の酸素を最も多く含む位置で前記基体中のＣｏ含有量に対して２０〜５０％の含有量のＣｏを含有している。これによって、切削工具１の切刃５の周辺が高温となる切削条件によっても基体２を構成する成分が被覆層６側に拡散することを防止して、切削時に被覆層６の密着性が損なわれることを防止できるとともに、基体２中のＣｏ等の成分が被覆層６中に際限なく拡散することがなく、被覆層６の耐摩耗性が低下することを抑制できる。
【００１８】
つまり、基体２と被覆層６との界面における酸素含有量が０．５原子％より少ないと、切削によって切刃５が高温となった場合に基体６中に含まれる結合相や硬質相成分が被覆層６中に拡散して被覆層６の硬度が低下し耐摩耗性が低下するとともに、基体２の表面に拡散による空隙ができて被覆層６の密着性が低下する。逆に酸素含有量が１０原子％を超えると基体２と被覆層６との界面に酸化膜が形成されて被覆層６の密着性が低下する。酸素含有量の望ましい範囲は１〜８原子％である。
【００１９】
また、上記界面の酸素を最も多く含む位置におけるＣｏ含有量が、基体２中のＣｏ含有量に対して２０％より少ないと、切刃５が高温となるような切削条件において基体２中のＣｏ成分が被覆層６側に拡散してしまう。その結果、基体２と被覆層６との間に空隙が生じて被覆層６の密着性が損なわれるとともに、被覆層６の耐欠損性が低下する。この理由は明らかではないが、基体２の表面に存在するＣｏ成分が酸化することによって基体２側からＷ等の硬質相成分やＣｏが拡散することを抑制しているものと思われる。逆に、界面の酸素を最も多く含む位置におけるＣｏ含有量が、基体２中のＣｏ含有量に対して５０％を超えると、被覆層の耐摩耗性が低下する。界面の酸素を最も多く含む位置におけるＣｏ含有量の望ましい範囲は、基体２中のＣｏ含有量に対して３０〜４０原子％である。
【００２０】
ここで、前記界面近傍の酸素を多く含有している領域７の厚みｔが０．０５〜０．４μｍであることが、切刃周辺が高温となる条件で切削加工しても、基体を構成する成分が被覆層６側に拡散することを防止して被覆層６が切削によって密着性が損なわれることを防止できるとともに、被覆層６の耐欠損性が向上する点で望ましい。なお、図２に示すように、基体２と被覆層６との界面の被覆層６寄りに酸素を多く含有している領域７が厚みｔで存在するとともに、基体２寄りにもう１箇所酸素を多く含有している領域８が存在することが、基体２を構成する成分の拡散を効率よく抑制できるために重要である。
【００２１】
また、被覆層６の基体２側の界面における結晶構造が基体２とは反対側の表面における結晶構造よりも微細な結晶粒径を有することによって、切削時に基体２を構成する成分が被覆層６側に拡散するのを抑制できる。
【００２２】
さらに、被覆層６の膜厚が０．２〜５．０μｍであることが、被覆層６の膜剥離を防止するとともに、十分な耐摩耗性を有することができるため望ましい。
【００２３】
なお、基体２としては、炭化タングステンや、炭窒化チタン、立方晶窒化硼素、ダイヤモンドを主成分とする硬質相と、コバルトやニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金、サーメット、立方晶窒化硼素質焼結体、ダイヤモンド質焼結体等の硬質材料が好適に使用される。
【００２４】
（製造方法）
次に、本発明の切削工具の製造方法について説明する。
【００２５】
まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。
【００２６】
次に、前記基体に以下（１）〜（３）のいずれかの前処理を施すことよって、基体の表面の酸素付着量を制御する。具体的な前処理の方法は、（１）基体を酸素分圧０．０５〜０．５Ｐａの雰囲気中、３００〜８００℃で加熱する。（２）酸素分圧０．５〜３Ｐａの酸素プラズマ処理を施す。（３）加速エネルギー５〜１００ｋｅＶの酸素イオン注入処理を施す。なお、これらの方法によって、基体の表面に存在するＣｏの一部が酸化Ｃｏに変化することが望ましい。
【００２７】
そして、酸化された基体の表面に、周期表第４、５および６族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる被覆層を成膜する。
【００２８】
なお、成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の数例についての詳細について説明すると、まず、成膜開始に際してイオンボンバードメント処理を行う。本発明によれば、イオンボンバードメント処理の際に基体の温度を３５０〜４５０℃とすることによって、基体の表面における酸素含有量を多くすることができる。
【００２９】
次に、イオンミキシング処理を行う。具体的には、金属チタン、金属アルミの２種類の金属ターゲット源を独立として用いるか、またはチタンアルミ（ＴｉＡｌ）合金をターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化する。この処理によって、基体の表面に存在するＣｏ、Ｗ、Ｃ（炭素）等の硬質相成分および酸素と、ターゲット成分が互いに拡散して、酸素を多く含む領域ができる。また、この条件をバイアス電圧５００〜１０００Ｖで３〜５分間行うことによって、基体と被覆層との界面の被覆層寄りに酸素を多く含有している領域を存在させるとともに、基体寄りにもう１箇所酸素を多く含有している領域を存在させることができる。
【００３０】
その後、窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させて成膜する。被覆層の緻密度や基体との密着力を高めるために、３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加しながら成膜することが望ましい。
【実施例１】
【００３１】
平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．５質量％、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を１質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０４ＧＰ）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニングＲ）を施した。
【００３２】
上記方法で作製した基体に対して表１に示す前処理を行った後、イオンプレーティング法により表１に示す被覆層を成膜した。具体的な成膜方法としては、上記基体をイオンプレーティング装置にセットし５００℃に加熱した後、イオンボンバードメントをＡｒ圧力２．５Ｐａ、バイアス電圧５００Vの条件で行い、その後、被覆層を構成する金属元素をアーク放電によりカソードから蒸発させながらバイアス電圧５００Vの条件で３分間イオンミキシングを行った。そして、窒素ガスと所望によってメタンガスを導入して窒素イオンおよび炭素イオンを発生させて反応させることにより被覆層を被覆した。なお、成膜条件はアーク電流１００Ａ、圧力２．５Ｐａ、加熱温度５００℃として表１に示す種々の組成、膜厚にて成膜した。また、試料Ｎｏ．１０では、Ａｒボンバードに代えてＣｏボンバード処理を行った。
【表１】
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【００３３】
作製された切削工具について、Ｘ線光分光分析法（ＸＰＳ）を用いて、基体と被覆層との界面付近における組成分析を行い、界面における酸素含有量とＣｏ含有量を表２に記載した。なお、表１、２の試料Ｎｏ．２についての組成分布を図２に示した。なお、試料Ｎｏ．１〜３、５については、図２と同じく基体と被覆層との界面の被覆層寄りに酸素を多く含有している領域が存在するとともに、基体寄りにもう１箇所酸素を多く含有している領域が存在していた。また、酸素含有量は酸素分布において最大値となる点における酸素含有量を測定し、その酸素含有量を測定した点におけるＣｏ含有量を測定した。
【００３４】
さらに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて組織観察を行い、試料Ｎｏ．１〜６については被覆層６の基体２側の界面における結晶構造が基体２と反対側における結晶構造よりも微細であることを確認した。
【００３５】
次に、得られたスローアウェイチップ（切削工具）を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に合わせて併記した。
【００３６】
切削方法：外径旋削
被削材  ：ＳＣＭ４４０
切削速度：２５０ｍ／分
送り    ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．５ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：２０分間切削後の切刃の状態、フランク摩耗幅、先端摩耗幅
【表２】
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【００３７】
表１、２より、界面における酸素含有量が０．５原子％よりも低くて界面近傍と同じ試料Ｎｏ．７では、加工が進んで切刃の温度が上昇すると摩耗の進行が早くなる傾向にあった。また、界面における酸素含有量が１０原子％を超える試料Ｎｏ．８では、被覆層の剥離によってチッピングが発生した。さらに、界面の酸素を最も多く含む位置で基体中のＣｏ含有量に対するＣｏ含有量が２０％より少ない試料Ｎｏ．９では、被覆層の剥離によってチッピングが発生した。また、界面の酸素を最も多く含む位置で基体中のＣｏ含有量に対するＣｏ含有量が５０％より多い試料Ｎｏ．１０では、被覆層の摩耗の進行が早かった。
【００３８】
これに対して、本発明の範囲内で作製した試料Ｎｏ．１〜６では、いずれも優れた耐摩耗性を発揮した。なお、表１、２の試料Ｎｏ．４、６は参考例の試料である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の切削工具の（ａ）概略斜視図、（ｂ）概略断面図である。
【図２】本発明の切削工具の基体と被覆層との界面付近における組成分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  切削工具
２  基体
３  すくい面
４  逃げ面
５  切刃
６  被覆層
７、８  酸素の含有量が多い領域
【図１】
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【図２】
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