(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具基体に、金属成分として周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素とを含み、非金属成分として、Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有硬質皮膜と、金属成分としてＴｉ、Ａｌ、Ｃｒのうち１種若しくは２種以上より選択された元素と非金属成分としてＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とを含む非Ｓｉ含有皮膜とからなり、両者を２層以上被覆してなり、且つ、該Ｓｉ含有硬質皮膜が高Ｓｉ濃度領域相と結晶質からなる低Ｓｉ濃度領域相とを含有する組成偏析体で構成し、該高Ｓｉ濃度領域相がアモルファス相であることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項２】
切削工具基体に、金属成分として周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素とを含み、非金属成分として、Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有硬質皮膜と、金属成分としてＴｉ、Ａｌ、Ｃｒのうち１種若しくは２種以上より選択された元素と非金属成分としてＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とを含む非Ｓｉ含有皮膜とからなり、両者を２層以上被覆してなり、且つ、該Ｓｉ含有硬質皮膜が高Ｓｉ濃度領域相と結晶質からなる低Ｓｉ濃度領域相とを含有する組成偏析体で構成し、該Ｓｉ含有硬質皮膜の層内にＳｉ３Ｎ４単独相又はＳｉ単独相を介在させたことを特徴とする被覆切削工具。
【請求項３】
切削工具基体に、金属成分として周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素とを含み、非金属成分として、Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有硬質皮膜と、金属成分としてＴｉ、Ａｌ、Ｃｒのうち１種若しくは２種以上より選択された元素と非金属成分としてＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とを含む非Ｓｉ含有皮膜とからなり、両者を２層以上被覆してなり、且つ、該Ｓｉ含有硬質皮膜が高Ｓｉ濃度領域相と結晶質からなる低Ｓｉ濃度領域相とを含有する組成偏析体で構成し、該Ｓｉ含有硬質皮膜の層内にＳｉ３Ｎ４相単独及びＳｉ単独相を介在させたことを特徴とする被覆切削工具。
【請求項４】
請求項１乃至３何れかに記載の被覆切削工具において、該非Ｓｉ含有皮膜が該基体直上に設けたことを特徴とする被覆切削工具。
【請求項５】
請求項１乃至４何れかに記載の被覆切削工具において、該低Ｓｉ濃度領域相の平均結晶粒径が５０ｎｍ以下であることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項６】
請求項１乃至５何れかに記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ含有硬質皮膜の金属成分がＣｒとＳｉであることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項７】
請求項１乃至６何れかに記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ含有硬質皮膜の金属成分がＴｉとＳｉであることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項８】
請求項１乃至７何れかに記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ含有硬質皮膜が硼素を含有し、硼素が窒化物として皮膜内部に介在していることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項９】
請求項６記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ含有硬質皮膜の金属成分がＣｒとＳｉであり、ＣｒＳｉＢＮ層と（ＣｒＳｉ）２ＢＮ層との２層以上の多層で構成されたことを特徴とする被覆切削工具。
【請求項１０】
請求項１乃至９何れかに記載の被覆切削工具において、該非Ｓｉ含有皮膜の金属成分がＴｉとＡｌであることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項１１】
請求項１乃至１０何れかに記載の被覆切削工具において、該非Ｓｉ含有皮膜の金属成分がＣｒとＡｌであることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項１２】
請求項１乃至１１何れかに項記載の被覆切削工具において、該非Ｓｉ含有皮膜のＡｌの一部を、０．５原子％以上３０原子％以下の範囲において、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌｉ、Ｋ、Ｙのうち少なくとも１種以上で置き換えたことを特徴とする被覆切削工具。
【請求項１３】
請求項１乃至１２何れかに記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ含有硬質皮膜、非Ｓｉ含有皮膜がアークイオンプレーティング法で被覆されたことを特徴とする被覆切削工具。
【請求項１４】
請求項１乃至１３何れかに記載の被覆切削工具において、該切削工具基体が超硬合金製エンドミルであることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項１５】
請求項１乃至１３何れかに記載の被覆切削工具において、該切削工具基体が超硬合金製インサートであることを特徴とする被覆切削工具。
【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被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
切削加工の高能率化の要求に伴い高速マシニングセンターが普及し切削加工は高速化傾向にある。切削工具に被覆される皮膜もＴｉＮ、ＴｉＣＮに変わり、皮膜の耐酸化性を改善したＴｉＡｌＮ皮膜を被覆した被覆切削工具が一般的である。しかしながら、更に切削加工の高速化に対応すべくＴｉＡｌＮにＳｉを添加し皮膜の耐酸化性の改善を試みた特許２７９３７７３号公報、ＴｉにＳｉの添加を試みた特開平８−１１８１０６号公報、特開平９−１１００４号公報等に代表される皮膜の改善が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来までのＴｉＡｌＮ皮膜をベースにした単純なＳｉ添加においてはＴｉＡｌＮの精々１．２倍未満の耐酸化性改善にしか至らず汎用的な切削環境下においては多少効果が認められるものの高速切削加工には十分対応できない。更には、ＴｉにＳｉを添加した硬質皮膜においては、Ｓｉ添加により皮膜そのものの耐酸化性は若干は改善されるものの、皮膜の高硬度化による静的な耐摩耗性の改善は十分ではなく、工具として十分な改善は認められていない。これは単純にＳｉを添加しただけではＳｉ原子がＴｉ原子と置換した単純な固溶体硬質相を形成し、固溶強化による改善しか認められない事に起因すると考える。またＳｉの単純添加においては、皮膜が脆くなり、皮膜内部に発生する圧縮応力も非Ｓｉ含有皮膜と比べ著しく高く、この過剰な圧縮応力により成膜直後に剥離が発生し、切削工具に適用するには至っていない。これらの事により、被切削物が高硬度若しくは切削環境が苛酷になるほど膜剥離や酸化進行に起因する異常摩耗および欠損が生じてしまい実用化には至っていない。
このように依然として高速切削加工において十分な切削特性の改善は得られてはいないのが現状である。
【０００４】
本発明はこうした事情に鑑み、Ｓｉ含有硬質皮膜の耐摩耗性、耐酸化性を大幅に改善し、密着性を犠牲にすることなく、Ｓｉ含有硬質皮膜の特性を十分に工具特性に反映させ、高速切削加工に最適である被覆切削工具を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
Ｓｉ含有硬質皮膜においては前述の如く、皮膜内部に発生する圧縮応力が非Ｓｉ含有皮膜と比べ著しく高くなり、この過剰な圧縮応力により切削中に剥離が発生してしまう場合があり、切削工具に適用するには至っていない。従って、基体との密着性に優れる硬質皮膜との併用が望ましいと言えるが、さらにＳｉ含有硬質皮膜そのものの組織、結晶形態を制御することにより、Ｓｉ含有硬質皮膜の残留圧縮応力の低減し、より密着性を改善するとともに、結晶形態制御により皮膜硬度を格段に高め、耐摩耗性のさらなる改善が可能となった。また耐酸化性の観点からも結晶形態制御により著しく耐酸化性を向上できることを確認した。
【０００６】
Ｓｉ含有硬質皮膜がの残留圧縮応力が高くなる要因の一つとして、現在一般的に使用されているＴｉＡｌＮ等の多元系窒化物の多くは立方晶ＮａＣｌ型の結晶構造を有する窒化物を形成するが、このＳｉを添加した場合、ＳｉはＴｉ原子と置換型し、原子半径の差から格子歪が発生し、これが残留圧縮応力を増大する要因となる。Ｓｉ添加量が多くなるに伴いこの圧縮応力は増大し、過剰応力を誘発させ、結果Ｓｉの効果が十分に認めうる程度の添加が不可能となる。
【０００７】
本発明者はこのＳｉ含有硬質皮膜の過剰応力を抑制する手段および耐摩耗性の更なる改善として、切削工具基体に、金属成分として周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素とを含み、非金属成分として、Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有硬質皮膜と、金属成分としてＴｉ、Ａｌ、Ｃｒのうち１種若しくは２種以上より選択された元素と非金属成分としてＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とを含む非Ｓｉ含有皮膜とからなり、両者を２層以上被覆してなり、且つ、該Ｓｉ含有硬質皮膜は、マトリックスとなる結晶質と、マトリックス内にＳｉ含有量に富む相を含有する組成偏析多結晶体で構成したことを特徴とする被覆切削工具であり、マトリックス内にＳｉ含有量に富む相を分散させ、この相の存在により十分にＳｉ添加効果を発揮させるとともに、マトリックスそのものは比較的Ｓｉ含有量の少ない低圧縮応力である相から構成し、密着性の改善を同時に成しうることに成功した。
【０００８】
このようにＳｉ含有量の異なる結晶形態を制御することは通常の被覆方法では不可能であり、被覆中にイオンエネルギーを逐次変化させることにより可能である。例えば、被覆中に基体に付与するバイアス電圧を逐次変化させる、また同じようにパルスバイアスを用いる等の被覆方法である。このように、イオンエネルギーを逐次変化させることにより、イオンの基体表面での拡散距離が変化し、Ｓｉの濃度の不均一性が発生することになる。また被覆温度もイオンの拡散距離を支配し、結晶形態、特に結晶質からなるマトリックスの結晶粒径を制御する重要な因子となる。
【０００９】
被覆温度は低いほど、結晶形態は微細化し、皮膜硬度を上昇せしめるとともに、結晶粒界を緻密にし、結晶粒界の酸素の拡散を介して進行する皮膜酸化を抑制し、耐酸化性をさらに改善する傾向にある。好ましくは、結晶粒径が５０ｎｍ以下であるようなナノ結晶である場合、特に優れた結果となった。更に、Ｓｉに富む結晶は３５０℃〜４００℃の被覆温度範囲ではアモルファス相となり、この場合アモルファス相と結晶質相との結晶粒界の整合化にされ格子欠陥が著しく減少し、酸素の拡散は更に低減される。これらの改善により、Ｓｉ含有皮膜の耐酸化性を更に改善するとともに、微細化にともなう皮膜の高硬度化を可能にし、切削工具に対して十分にその特性が発揮されうる皮膜を成膜することを可能にした。Ｓｉ含有量はマトリックス相は比較的少ないため、密着性の劣化は発生しなかった。
【００１０】
３００℃〜３５０℃の被覆温度範囲では、皮膜中にＳｉ３Ｎ４相やＳｉ相が介在することが確認された。これらの相の存在はＥＳＣＡによりそのバインディングエネルギーにピークが認められるか否かで確認される。皮膜中にＳｉ３Ｎ４相やＳｉ相が介在する場合は皮膜はこれらの相が形成する格子歪により、さらに高硬度化し、耐摩耗性は改善される傾向にあるが、おそらく、その結晶粒界を介する酸素の拡散が助長され、耐酸化性は若干劣化する傾向にあった。
【０００１１】
Ｓｉを含有する皮膜は組織、結晶形態制御が重要であり、特にＳｉ以外の成分は限定されるものではない。本発明者らの研究ではその皮膜の金属成分がＴｉとＳｉである場合に最も優れた切削における動的耐酸化性を示した。この場合先に説明した結晶形態に加え、切削中に皮膜表面にＳｉ酸化物より生成自由エネルギーの低いＴｉ酸化物を形成するために、Ｔｉが皮膜内で外向拡散し、表面に粉状のＴｉＯを形成し、表面近傍のＳｉは内向拡散し、ＴｉＯ層直下には非常に緻密なＳｉ酸化物層が形成される。粉状のＴｉＯは潤滑に寄与し、緻密なＳｉ酸化物は下地との密着性に優れるとともに、酸素拡散のバリヤーとして機能し、結果最も優れた動的耐酸化性を示したものと思われる。高硬度鋼の高速切削では特に動的耐酸化性が重要となるため、この場合が最も長寿命を達成した。
【００１２】
Ｓｉを含有する皮膜の金属成分がＣｒとＳｉである場合、Ｃｒが有する自己潤滑性の効果が付与され、鋼切削時に、刃先に発生する溶着現象が著しく抑制され、極めて優れた加工表面が得られることができる。特に溶着し易い炭素鋼の切削の場合はこの皮膜が最も優れた仕上げ面と長寿命を達成した。更に、（ＣｒＳｉ）２Ｎ層はＣｒＳｉＮ層より炭素鋼に対し摩擦係数が低いことが確認され、（ＣｒＳｉ）２Ｎ層を採用することによりさらに溶着現象が抑制されより長寿命化が可能であった。
【００１３】
このような組織、結晶形態の制御によりＳｉ含有硬質皮膜の低応力化は可能であるが、Ｓｉを含有する皮膜の単層では、重切削の場合、剥離が発生することがあり、基体表面には密着性に優れる皮膜を下地層として用いる必要がある。この密着性付与層の組成は特に限定されるものではないが、ＴｉＡｌ系の硬質皮膜、ＣｒＡｌ系の硬質皮膜を採用するＴｉ系皮膜の場合より、さらに高硬度鋼の高速切削特性が改善される。Ｔｉ系皮膜の場合は重切削で特に安定した切削が可能となる。
【００１４】
勿論、これら下地層において、一般的に良く用いられるように、Ｔｉの一部を周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の成分で置換してやっても良いが、特にＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌｉ、Ｋ、Ｙで置換することにより、さらに格段の長寿命化が可能であった。これは前述の現象と同じく、これらの成分は切削中に皮膜表面に拡散し、表面で酸化物を形成するわけであるが、これらの成分の酸化物は特に融点が低く、切削中に液相となることにより、著しく切削抵抗や温度を低減し、結果潤滑効果を発揮し長寿命を達成することとなる。Ｓｉへの置換は皮膜の耐酸化性を付与し、高硬度材の高速切削でさらに長寿命を達成する結果となる。また母材直上の金属成分がＴｉ、Ａｌ、Ｃｒの一種以上からなる硬質層にもＳｉの添加は有効である。この場合Ｓｉの存在形態は特に限定されるものではなく、固溶体として存在しても切削性能の向上は可能である。
【００１５】
更に、硼素の添加は切削性能の改善に効果的である。特に、高イオンエネルギーとなる条件下で成膜した場合、硼素はＢＮ窒化物として皮膜内に介在し、このＢＮ相が皮膜の自己潤滑性をたかめる作用を発揮し、切削抵抗は減少し、長寿命化が達成される結果となる。ＢＮ相の存在もＥＳＣＡにより確認することが可能である。
【００１６】
このような構成を採用することで、高速切削加工及び高硬度材切削加工などの過酷な切削環境下においても、皮膜剥離を生ずることなく皮膜の耐酸化性及び硬さを改善し、切削性能が極めて良好となり、従来技術の課題を完全に解決するに至った。すなわち、切削工具基体に周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属成分及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素を含み、非金属成分として少なくともＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有硬質皮膜を被覆してなる被覆切削工具において、該Ｓｉ含有硬質皮膜は高Ｓｉ濃度相と低Ｓｉ濃度相を有するＳｉ含有硬質皮膜が極めて有効である結果であった。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のその構成要件についてＴｉＳｉＮ皮膜においてアモルファスナノ相が存在する場合を一例として、詳しく述べる。図１にＴｉとＳｉより構成されるＳｉ含有硬質皮膜を例にこの透過型電子顕微鏡による格子像の観察結果を示す。図１の領域１及び領域２に対応した極微電子線回折像撮影による結晶構造の解析結果を図２、図３に示す。極微電子線回折像の撮影にはカメラ長を５０ｃｍ、ビーム径を２〜５ｎｍにて分析を行った。図１、図２、図３より本発明皮膜は、結晶質からなる相とアモルファスからなる相を形成していることが明らかである。図４、図５に図１の領域１、領域２に対応したエネルギー分散型分析による定量分析結果を示す。各領域の定量分析は１ｎｍ角の領域を分析した。図４、図５より結晶質からなる領域１のＳｉ含有量は金属成分成分のみの原子比率で８原子％であるのに対し、領域２に示すアモルファス相のＳｉ含有量は金属成分成分のみの原子比率で２６原子％であり、アモルファスからなる相はマトリックス結晶質相の３倍以上のＳｉ含有量を示し、アモルファス相にＳｉが濃化していることが明確である。図６にＴｉとＳｉより構成されるＳｉ含有硬質皮膜を例に、従来の成膜方法（マグネトロンスパッタリングによる。例えば、Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎｄ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １３３−１３４（２０００）ｐ３０７−３１３）によりＳｉを含有させた皮膜と本発明であるＳｉ含有硬質皮膜のＸ線回折パターンを示す。本発明皮膜のＸ線回折パターンは従来の成膜方法でＳｉを含有させた皮膜のそれに対して（２００）面に最強ピーク強度を示し、回折ピークの広がりが認められる。図１の領域１に示す電子線回折像及び図６のＸ線回折結果から、結晶質からなる領域１はｆｃｃ構造のＮａＣｌ型の結晶構造を示し、皮膜内に発生した残留応力により（２００）面における回折ピークの広がりをもってはいるが、Ｓｉ添加による面間隔の大きな変化は認められない。これらのことからも、結晶質からなる領域１は、少量のＳｉを置換したＴｉ（Ｓｉ）Ｎであると推測される。本発明皮膜は（２００）面に最大のピーク強度を有する場合が好ましい。これは（２００）面に強く配向した場合が最も皮膜内の格子欠陥が少なく、耐酸化性に優れる為である。
【００１８】
このアモルファスである高Ｓｉ濃度領域相と結晶質である低Ｓｉ濃度領域相を有するＳｉ含有硬質皮膜は、４ａ、５ａ、６ａ族の金属成分及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素、より好ましくは金属成分としてＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、のうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素からなり、更に非金属成分としてＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択される元素からなるＳｉ含有硬質皮膜において形成させることが可能である。Ｓｉ含有硬質皮膜中のＳｉ添加量は極少量である場合においてもＳｉが濃化したアモルファス相をＳｉ含有硬質皮膜内に分散して形成させることが可能である。
【００１９】
このアモルファスである高Ｓｉ濃度領域相と結晶質である低Ｓｉ濃度領域相を有するＳｉ含有硬質皮膜とすることで切削工具として安定したＳｉ含有硬質皮膜を成膜することが可能となる。静的な酸化機構に関しては、アモルファスからなる高Ｓｉ濃度領域相から優先的にＳｉが濃化した極めて微細なＳｉ酸化物を形成する。この微細酸化物により酸素の内向拡散に対して拡散障壁として作用し、その結果、大幅な耐酸化性の改善に寄与した。また、同一構成元素で高Ｓｉ濃度を有するアモルファス相と低Ｓｉ濃度からなる結晶質相とすることで、Ｓｉ窒化物等の独立相を形成する場合よりも、粒界に格子欠陥が少なく酸素の内部拡散に対してもすぐれた特性を示した。更に、動的な酸化、即ち切削過程におけるの酸化挙動を解析した結果、切削途中の工具逃げ面における皮膜摩耗部に凝着物であるＦｅ付着層と摩耗した皮膜との間にＳｉが濃化した酸化膜を形成し、表面のＳｉ酸化物により酸化抑制効果と潤滑効果をも有しているものと考えられ、これらの相乗効果により高速切削特性が大幅に改善されたものと考える。
【００２０】
本発明の被覆切削工具は、その被覆方法については、特に限定されるものではないが、被覆母材への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した皮膜に圧縮応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング法であることが望ましい。
【００２１】
本発明に係る上記、アモルファスである高Ｓｉ濃度領域相と結晶質である低Ｓｉ濃度領域相を有するＳｉ含有硬質皮膜を基体表面に形成する方法としては、例えばアーク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。まず炉内を３×１０−５Ｐａまで真空排気を行うと同じにヒーターにより基体の加熱を行う。その後Ａｒイオンによる基体の清浄化及び活性化を行った後、炉内に複数配置されたアーク放電用蒸発源であるカソードに目的とした皮膜組成が得られる各合金ターゲットを設置し、アーク放電によりイオン化させた各種金属と窒素等の反応ガス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。この時、基体に付与するバイアス電圧を定期的に変化させイオンエネルギーの調整をすることが必要である。
【００２２】
更に詳しく説明すれば、被覆時におけるイオンエネルギーの大小は主に基体に印加するバイアス電圧と反応ガスとの組み合わせによって決定する。ここで、基体に印加するバイアス電圧は異なる負バイアス電圧を印荷するか負バイアス電圧と正バイアス電圧を周期的に変化させながら成膜を行っても有効である。結果として、皮膜内にイオンエネルギーの周期的な変化を誘発させ、Ｓｉ濃度の異なる皮膜を同一層内に形成させるものである。この周期的なイオンエネルギーの変化が本発明において重要である。イオンエネルギーを変化せしめすには、バイアス、反応圧、温度などに因子が複雑に寄与するものと考えられる。
【００２３】
基体温度によっても皮膜中のＳｉ濃度差が変化する。具体的には、５００℃以上では他のパラメーターを最適化してもアモルファスからなる高Ｓｉ濃度領域相が確認されない場合もあった。バイアス電圧を高くすると基体温度も上昇する傾向があるため、基体材質の要求から温度が制限される場合は基体の冷却手段が必要となる場合がある。
【００２４】
本発明被膜は基体がハイスからなる工具に被覆しても有効であるが、より高速切削が可能である超硬合金のエンドミルやインサートの場合に特に顕著な効果を発揮する。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００２５】
【実施例】
アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、ならびに反応ガスであるＮ２ガスを用い、被覆基体温度３５０℃〜５４０℃とし、反応ガス圧力を５Ｐａ及び負バイアス電圧を３００Ｖ、正バイアス電圧を２０Ｖとし、その振幅は負を８０％、正を２０％に設定し、その周波数を１５ｋＨｚとし、表１に示す本発明例の被覆を行った。
【００２６】
【表１】
0003766003.tif 000002
【００２７】
また、基体を５ｍ−１で回転させながら複数設置した各蒸発源の電流値の一方を３０Ａ、対向した蒸発源を３００Ａの電流を夫々印加し成膜を行った。被覆基体には外径８ｍｍの超硬合金製６枚刃スケアエンドミル及び超硬合金製ミーリングインサートを用い、全皮膜の厚みが４乃至６μｍとなるように成膜した。また、必要に応じてＡｌＴｉＮ系皮膜との多層膜とした。表１に各試料のＳｉ濃度偏析を有するＳｉ含有硬質皮膜をＡ層とし、そのＡ層の組成及びＡ層の結晶質からなるマトリックスの結晶粒径、マトリックス内のＳｉ含有量に富む相の結晶形態を併記した。「ａ」、と記載した皮膜は３５０℃で被覆したものでＳｉ含有量に富む相がアモルファスを呈するものである。更に、併用したＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ系皮膜をＢ層とした時のそのＢ層の組成を示す。尚、表１において、組成の表示は金属成分、非金属成分を夫々あわせて１００となるよう、原子比で表記したが、これは金属成分と比金属成分の原子比が１：１であることを意味するものではない。また、得られた被覆エンドミル及び被覆ミーリングインサートを用い切削試験を行った結果についても併記する。スケアエンドミルは切削長２００ｍ時での逃げ面摩耗幅を測定した。インサートにおいては欠損までの切削時間を示した。切削諸元を次に示す。
【００２８】
（超硬６枚刃スケアエンドミル切削条件）
工具：超硬６枚刃スケアエンドミル
切削方法：側面切削加工
被削材：ＳＫＤ１１（硬さＨＲＣ５２）幅１５０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ
切り込み：軸方向８ｍｍ、径方向０．２ｍｍ
切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０７ｍｍ／刃
切削油：エアーブロー
【００２９】
（超硬ミーリングインサート切削条件）
工具：ＥＤＥＷ１５Ｔ４ＴＮ−１５
カッター：φ６３ｍｍ
切削方法：面取り加工
被削材：ＳＫＤ６１（硬さＨＲＣ４３）、幅５０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ
切り込み：２．０ｍｍ
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：エアーブロー
【００３０】
表１より、本発明例は高速切削環境下においても安定した切削が可能である。本発明例１〜３は、ＣｒにＳｉを含有させ、粒径を変化させた例であるが、微細なほど耐摩耗性に優れる結果がえられた。本発明例４〜８は、ＴｉにＳｉを添加し、その量を変化させた例で、いずれの切削工具においても切削特性に優れる。本発明例９〜１２は、ＡｌにＳｉを添加した場合の例であるが、Ｔｉに比して同程度の耐摩耗性を示す。本発明例１３〜１８は、３種の金属成分系の例であるが、切削特性に優れ、同程度の耐摩耗性を示した。本発明例１９〜２２はＳｉを含み、更にＮｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏを用いた場合の例であるが、いずれも切削性能に優れ、同程度の耐摩耗性を示した。本発明例２３、２４はＮに加えて、Ｏ若しくはＣを添加した場合の例であるが、同様な効果が得られた。本発明例２５は（ＣｒＳｉ）ＢＮのｆｃｃ構造と（ＣｒＳｉ）２ＢＮのｈｃｐ構造の多層膜を併用した場合の例であるが、同様に優れる結果となった。本発明例２６、２７はＣｒＳｉＮ皮膜に硼素、酸素を添加したものあるが、従来例よりも優れる結果となった。尚、本発明例の試料番号１から２６のすべての試料において、高Ｓｉ濃度領域相と結晶質からなる低Ｓｉ濃度領域相を確認した。
【００３１】
次に、従来例として、被覆条件は同様にアークイオンプレーティング装置を用い、本発明例と同一の成膜前処理を行った後、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、ならびに反応ガスであるＮ２ガスを用い、被覆基体温度４００℃とし、反応ガス圧力を５Ｐａ及び負バイアス電圧を７０Ｖにし、従来までの成膜方法を用い、表２に示す各組成の皮膜を成膜し、実施例１と同じ切削諸元で切削評価を行った。その結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
0003766003.tif 000003
【００３３】
従来例においては、表２中に、特に明記していないが、Ｓｉの含有量は１５原子％とし、皮膜は単純な固溶体層であり、Ｓｉの濃度偏析は存在しない。またＴｉＡｌ系皮膜におけるＴｉ：Ａｌ比は１：１である。
【００３４】
従来例４はＴｉＡｌＮ皮膜へＳｉ添加した場合であるが、Ｓｉ添加により耐酸化性及び皮膜硬さはＴｉＡｌＮよりも改善されるものの、圧縮応力が大きく２μｍの膜厚が限界であり、ＴｉＡｌＮの切削特性を大幅するには至らなかった。従来例５、６は、従来の成膜方法により成膜した為、皮膜内にＳｉ量の偏析及びアモルファス相が認められずＳｉの脆い特徴が顕著に表れ、切削初期より皮膜剥離が発生した。従来例７は、Ｓｉを含有しない多元系皮膜の例であるが、耐酸化性が極めて悪く、高速切削等過酷な切削環境下においては十分な切削特性は得られなかった。従来例８においても本発明例に対し著しく劣る結果となった。従来例９、１０はＣｒＳｉ系単純固溶体層であるが、本発明例に比較して低寿命の結果となった。
【００３５】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、ＴｉＡｌＮ皮膜をベースにした単純なＳｉ添加に比較して、高速切削加工にも十分な切削性能を示し、特に、耐酸化性、皮膜の高硬度化により優れた耐摩耗性を示すことが分かった。更に、より切削環境が苛酷になる高速化、ドライ化等の諸元でも十分な切削工具とすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例のＴｉとＳｉより構成されるＳｉ含有硬質皮膜の透過型電子顕微鏡による格子像の観察結果を示す。
【図２】図２は、図１の高Ｓｉ濃度領域相の極微電子線回折像撮影による結晶構造の解析結果を示す。
【図３】図３は、図１の低Ｓｉ濃度領域相の極微電子線回折像撮影による結晶構造の解析結果を示す。
【図４】図４は、アモルファス相のエネルギー分散型分析による定量分析結果を示す。
【図５】図５は、結晶質相のエネルギー分散型分析による定量分析結果を示す。
【図６】図６は、従来の成膜方法によりＳｉを含有させた皮膜と本発明皮膜のＸ線回折パターンを示す。
【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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【図６】
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