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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5700171
(24)【登録日】2015年2月27日
(45)【発行日】2015年4月15日
(54)【発明の名称】被覆切削工具
(51)【国際特許分類】
B23C 5/16 20060101AFI20150326BHJP
B23C 5/10 20060101ALI20150326BHJP
【ＦＩ】
B23C5/16
B23C5/10 B
【請求項の数】8
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2014-522779(P2014-522779)
(86)(22)【出願日】2014年3月13日
(86)【国際出願番号】JP2014056769
(87)【国際公開番号】WO2014156699
(87)【国際公開日】20141002
【審査請求日】2014年5月9日
(31)【優先権主張番号】特願2013-74112(P2013-74112)
(32)【優先日】2013年3月29日
(33)【優先権主張国】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000233066
【氏名又は名称】日立ツール株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100079049
【弁理士】
【氏名又は名称】中島 淳
(74)【代理人】
【識別番号】100084995
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 和詳
(74)【代理人】
【識別番号】100099025
【弁理士】
【氏名又は名称】福田 浩志
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 智也
(72)【発明者】
【氏名】石川 剛史
【審査官】
山本 忠博
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００５−３４４１４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平１０−３３０９１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−１００００４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−８０４４７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ２３Ｃ ５／１６，
Ｂ２３Ｂ ２７／１４，５１／００，
Ｃ２３Ｃ １４／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材の表面が硬質皮膜で被覆された被覆切削工具であって、
前記硬質皮膜は、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンからＷＣの結晶構造に指数付けされ、Ｃ、Ｗ、Ｔｉおよび不可避成分からなる炭化物からなるａ層と、前記ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が最も多く、Ａｌの含有比率（原子％）が５０％以上、Ｃｒの含有比率（原子％）が２０％以上、ＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）が８５％以上、Ｓｉの含有比率（原子％）が５％〜１５％である窒化物又は炭窒化物からなるｂ層と、を含み、前記ｂ層はＮａＣｌ型の結晶構造であり、前記ａ層の膜厚は、１ｎｍ〜３０ｎｍである被覆切削工具。
前記硬質皮膜は、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンからＷＣの結晶構造に指数付けされ、Ｃ、Ｗ、Ｔｉおよび不可避成分からなる炭化物からなるａ層と、前記ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が最も多く、Ａｌの含有比率（原子％）が５０％以上、Ｃｒの含有比率（原子％）が２０％以上、ＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）が８５％以上、Ｓｉの含有比率（原子％）が５％〜１５％である窒化物又は炭窒化物からなるｂ層と、を含み、前記ｂ層はＮａＣｌ型の結晶構造であり、前記ａ層の膜厚は、１ｎｍ〜３０ｎｍである被覆切削工具。
【請求項2】
前記ａ層の膜厚は、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下である請求項１に記載の被覆切削工具。
【請求項3】
前記ａ層の膜厚は、３ｎｍ以上８ｎｍ以下である請求項２に記載の被覆切削工具。
【請求項4】
前記ｂ層は、４ａ族、５ａ族、６ａ族（Ｃｒを除く）の金属元素およびＢから選択される１種または２種以上の元素を、金属（半金属を含む）元素の含有比率（原子％）で１０％以下で含有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【請求項5】
前記ｂ層は、Ｓｉ量の全体に対して相対的にＳｉ量が少ない結晶相と、Ｓｉ量の全体に対して相対的にＳｉ量が多い結晶相を有している請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【請求項6】
前記ｂ層の上には、窒化物又は炭窒化物からなるｃ層を更に有する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【請求項7】
前記ｃ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＴｉの含有比率（原子％）が５０％以上であり、Ｓｉの含有比率（原子％）が１％〜３０％である窒化物又は炭窒化物からなる請求項６に記載の被覆切削工具。
【請求項8】
前記被覆切削工具は、ボールエンドミルである請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば、ボールエンドミル等の金型加工に適用される硬質皮膜を被覆した被覆切削工具に関する。【背景技術】
【0002】
近年、室温での板材の曲げ、絞り、抜きなどのプレス成形に用いられる金型材の切削加工では、高硬度なプリハードン鋼の加工および高能率加工が求められている。切削工具にはより優れた耐久性が要求されており、切削工具の表面に耐熱性や耐摩耗性が優れる各種セラミックスからなる硬質皮膜を被覆した被覆切削工具が適用されている。例えば、耐熱性に優れる皮膜種であるＡｌＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分として含み、さらにＳｉおよびその他の金属（半金属を含む）元素を添加したＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物で被覆された被覆切削工具が適用されている（例えば、特開２００６−２３９７９２号公報、特開２００５−１２６７３６号公報、特開２００４−３３７９８８号公報参照）。この被覆切削工具は、耐摩耗性や耐熱性が高められている。更には、ミクロ組織を制御したＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物も提案されている（例えば、特開２００２−３３７００７号公報参照）。特開２００２−３３７００７号公報によれば、相対的にＳｉに富むアモルファス相と、相対的にＳｉに乏しい結晶相と、からなるミクロ組織を有するＡｌＣｒＳｉ系の窒化物は、皮膜硬度が向上して、耐酸化性も改善されている。この窒化物を適用することで、被覆切削工具の耐久性が向上することが示されている。
【0003】
被覆切削工具の耐久性を改善するためには、硬質皮膜の膜組成やミクロ組織を改良する一方で、基材と硬質皮膜の密着性を改善することも重要である。例えば、水素ガスを含有する雰囲気下でメタルボンバードを実施してＷ（タングステン）改質相を形成し、基材とＡｌＣｒＳｉ系の窒化物との密着性を向上させる手法が開示されている（例えば、特開２００９−２２０２６０号公報参照）。特開２００９−２２０２６０号公報によれば、基材表面にあるＷＣ（炭化タングステン）のＣがメタルボンバードによって照射される金属イオンと結合し、基材の表面側に金属ＷからなるＷ改質相、その直上に炭化物相が形成され、該炭化物相の直上に硬質皮膜を被覆することで基材と硬質皮膜の密着性が改善されるものである。【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年、被削材の高硬度化および更なる高速加工化により、被覆切削工具には更なる耐久性が求められている。本発明者等が詳細検討したところ、上記した特許文献のような被覆切削工具を適用しても耐摩耗性や皮膜の密着性が不十分で満足する耐久性が得られ難いことを確認した。また、改質相を形成する目的でボンバード処理を実施しても、特開２００９−２２０２６０号公報に開示されているようなＷ改質相は、母材の炭素が奪われることで形成されるものであるため、母材の炭素量が低減し、脱炭相が形成され易くなる。したがって、特開２００９−２２０２６０号公報に記載の技術でも、工具の耐久性を改善するには十分でないことを確認した。本発明は、上記の課題に鑑みなされたものである。本発明は、耐久性に優れる被覆切削工具を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明者等は以下の知見を見出し、本発明に到達した。本発明は、特定の中間皮膜を介して、Ｓｉ含有量を調整したＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜を配設することで、被覆切削工具の耐久性が著しく改善されるとの知見に基づくものである。
【0006】
すなわち本発明は、基材の表面が硬質皮膜で被覆された被覆切削工具であって、前記硬質皮膜は、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンからＷＣの結晶構造に指数付けされ、Ｃ、Ｗ、Ｔｉおよび不可避成分からなる炭化物からなるａ層と、前記ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が最も多く、Ａｌの含有比率（原子％）が５０％以上、Ｃｒの含有比率（原子％）が２０％以上、ＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）が８５％以上、Ｓｉの含有比率（原子％）が５％〜１５％である窒化物又は炭窒化物からなるｂ層と、を含み、前記ｂ層はＮａＣｌ型の結晶構造であり、前記ａ層の膜厚は、１ｎｍ〜３０ｎｍである被覆切削工具である。
【0008】
また、ａ層の厚みは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。更に、ａ層の厚みは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好ましい。ｂ層は、４ａ族、５ａ族、６ａ族（Ｃｒを除く）の金属元素およびＢから選択される１種または２種以上の元素を、金属（半金属を含む）元素の含有比率（原子％）で１０％以下で含有していることが好ましい。
また、ｂ層は、Ｓｉ量の全体に対して相対的にＳｉ量が少ない結晶相と、Ｓｉ量の全体に対して相対的にＳｉ量が多い結晶相を有していることが好ましい。
【0009】
また、ｂ層の上には、窒化物又は炭窒化物からなるｃ層を更に有することが好ましい。更に、ｃ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＴｉの含有比率（原子％）が５０％以上であり、Ｓｉの含有比率（原子％）が１％〜３０％である窒化物又は炭窒化物であることが好ましい。
【0010】
また、被覆切削工具はボールエンドミルであることが好ましい。【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、耐久性に優れる被覆切削工具が提供される。【0012】
すなわち、本発明では、硬質皮膜の密着性が格段に向上し、被覆切削工具の耐久性を大幅に改善することが可能となる。よって、例えば高硬度なプリハードン鋼の加工においても、金型製作のリードタイム短縮、金型の高精度化、調質による変寸の低減効果が期待され、産業上極めて有効である。【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明例１の工具刃先部の透過電子顕微鏡写真である。図中の矢印１が示すポイントは基材、矢印２が示すポイントはａ層、矢印３が示すポイントはｂ層である。
【図8】走査型電子顕微鏡によるＡｌ７０Ｃｒ３０Ｎ（数値は金属（半金属を含む）元素に占める原子比である。以下同様。）の組成を有するｂ層の断面観察組織写真である。
【図9】走査型電子顕微鏡によるＡｌ５６Ｃｒ４２Ｓｉ２Ｎの組成を有するｂ層の断面観察組織写真である。
【図10】走査型電子顕微鏡によるＡｌ６３Ｃｒ３１Ｓｉ６Ｎの組成を有するｂ層の断面観察組織写真である。
【図11】走査型電子顕微鏡によるＡｌ６１Ｃｒ２９Ｓｉ１０Ｎの組成を有するｂ層の断面観察組織写真である。
【図12】本発明のｂ層の皮膜構造を制限視野回折法で測定した制限視野回折パターンを、そのＴＥＭ像と合わせて示した一例である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明者等は、高硬度材の高能率加工における被覆切削工具の損傷要因について検討し、硬質皮膜を形成する柱状粒界を起点に皮膜破壊が発生し易いことを確認した。一方で、柱状粒界を低減するために硬質皮膜の組織を微細化すると基材との密着性が低下するため被覆切削工具の耐久性が低下する。更に本発明者等は、高硬度材を高能率加工するためには、耐熱性と耐摩耗性を兼ね備えた皮膜種を適用した被覆切削工具が有効であることを確認した。そして耐熱性と耐摩耗性が優れる皮膜種であるＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物をベースに皮膜組織を微細化して破壊の起点となる結晶粒界を低減することを検討した。本発明は、硬質皮膜の組織を微細化することに起因する基材と硬質皮膜の密着性の低下を十分に補完できる皮膜構造があることを見出して到達したものである。以下、本発明の詳細について説明する。【0015】
まず、本発明の硬質皮膜であるｂ層について説明する。ｂ層は、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物で構成される。ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物は、被覆切削工具として優れた耐摩耗性と耐熱性が発揮できる膜種であり、より好ましくは窒化物である。そして、優れた耐熱性を確保するために、金属（半金属を含む）元素のうち原子％でＡｌの含有量を最も多く、Ａｌの含有比率（原子％）を５０％以上にすることが重要である。Ａｌは、耐熱性を付与する元素であり、金属（半金属を含む）元素の含有比率（原子％）でＡｌ以外の元素が最も多くなると耐熱性が十分でない。
ｂ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が５０％以上であることで、耐熱性に優れて好ましい。より好ましくは、Ａｌを５５％以上含有することである。一方、Ａｌの含有量が多くなり過ぎると、ＺｎＳ型の結晶構造が主体となり、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）を６８％以下とすることが好ましく、５０％以上６０％以下の範囲とすることがより好ましい。なお、本発明における半金属とは、Ｓｉ、Ｂである。
【0016】
ｂ層は、結晶構造をＮａＣｌ型の結晶構造とし、被覆切削工具としての耐摩耗性を向上させるために、金属（半金属を含む）元素のうちＣｒの含有比率（原子％）が２０％以上とすることが必要である。金属（半金属を含む）元素のうちＣｒの含有比率（原子％）が２０％以上であることで、耐摩耗性および耐熱性が高いレベルで両立されて好ましい。Ｃｒ含有量が２０％よりも少なくなると、ＺｎＳ型の結晶構造が主体となり、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。本発明において、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物は、耐熱性および耐摩耗性の観点から、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）が８５％以上とする。更には、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物におけるＡｌとＣｒの合計の含有比率は、９０％以上であることが好ましい。
【0017】
Ｓｉは、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物の組織を微細化するために重要な元素である。図８〜図１１に、ＡｌＣｒＮおよびＡｌＣｒＳｉＮの断面観察写真（２０，０００倍）を示す。Ｓｉを含有していないＡｌ７０Ｃｒ３０Ｎ（図８）およびＳｉ含有量が少ないＡｌ５６Ｃｒ４２Ｓｉ２Ｎ（図９）は、粗大な柱状粒子が明確に観察される。このような組織形態の硬質皮膜は、皮膜破壊の起点となる結晶粒界が多くなる。そのため、逃げ面摩耗が増大する傾向にある。一方、Ｓｉ含有量を多くしたＡｌ６３Ｃｒ３１Ｓｉ６Ｎ（図１０）およびＡｌ６１Ｃｒ２９Ｓｉ１０Ｎ（図１１）では、組織が微細化しており、断面観察において明確な柱状粒子が観察されない。このような組織形態の硬質皮膜は、破壊の起点となる柱状粒界が少なくなり、逃げ面摩耗を抑制することができる。但し、Ｓｉ含有量が多くなると非晶質およびＺｎＳ型の結晶構造が主体となり易くなり、被覆切削工具の耐久性が低下する。よって、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物において、金属（半金属を含む）元素のうちＳｉの含有比率（原子％）を５％〜１５％とすることが重要である。Ｓｉの含有比率が５％未満であると、柱状粒子が粗大になり、耐久性は低下する。Ｓｉの含有比率が１５％を超えると、皮膜構造が非晶質となり易くなるため、ＮａＣｌ型の結晶構造とすることが困難となり、耐久性が低下する傾向となる。
Ｓｉの含有比率としては、より好ましくは６％以上であり、更に好ましくは７％以上である。また、Ｓｉの含有比率の上限は、より好ましくは１２％以下である。
【0018】
本発明におけるｂ層は、ＮａＣｌ型の結晶構造であることが重要である。本発明において、ＮａＣｌ型の結晶構造であるとは、例えば、Ｘ線回折においてＮａＣｌ型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示すものである。ＺｎＳ型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示すものは脆弱であるため、被覆切削工具として耐久性が乏しくなる。特に、湿式加工においては、耐久性が低下する傾向にある。ｂ層は、Ｘ線回折においてＺｎＳ型の結晶構造に起因する回折強度が確認されないことが好ましい。しかし、ＮａＣｌ型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示すのであれば、一部にＺｎＳ型の結晶構造および非晶質相を含有してもよい。
【0019】
但し、皮膜の被験面積が小さい場合や、ｂ層の上に後述する別の皮膜を被覆している場合には、上記Ｘ線回折によるＮａＣｌ型の結晶構造の同定が困難な場合がある。このような場合であっても、例えば透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折法による結晶構造の同定を行うことができる。図１２は、本発明におけるｂ層の皮膜構造を前記制限視野回折法で測定した制限視野回折パターンを、そのＴＥＭ像（５００，０００倍）と合わせて示した一例である。図１２より、本発明におけるｂ層の制限視野回折パターンには、ＮａＣｌ型の結晶構造を示すデバイリング２（１１１）、３（００２）、４（０２２）が確認され、ＮａＣｌ型の結晶構造を有していることがわかる。なお、図１２においては、一部、ＺｎＳ型の結晶構造を示すデバイリング１（０１０）も確認される。【0020】
本発明におけるｂ層を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いたナノビーム回折法で分析した結果を示しておく。図１３は、図１２のＴＥＭ像中に示した位置ｃを更に拡大した像（２，０００，０００倍）である。そして、前記拡大した像において、部位７、８の位置におけるナノビーム回折パターンである。図１３より、本発明におけるｂ層は、詳細には、全体的なＳｉ量に対して相対的にＳｉ量が少ない部位７と、全体的なＳｉ量に対して相対的にＳｉ量が多い部位８とを有している。そして、この一例においては、相対的にＳｉ量が少ない部位７に対応したナノビーム回折パターンにＮａＣｌ型の結晶構造を示すスポットが確認されている。また、相対的にＳｉ量が多い部位８についても、ナノビーム回折パターンでスポットが確認されることから、結晶質であることが確認される。【0021】
本発明におけるｂ層のミクロ組織は、Ｓｉ量の全体に対して相対的にＳｉ含有量の多い結晶相に、Ｓｉ量の全体に対して相対的にＳｉ含有量が少ない結晶相が分散する組織形態である。ｂ層がこのような組織形態になることで、皮膜により高い残留圧縮応力が付与されるとともに、クラックの進展がミクロレベルでも抑制される。これにより、優れた耐久性が発揮できると考えられる。一般的に、Ｓｉ含有量が多くなると、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物は、非晶質相が主体の組織形態となり易く、靱性が低下する傾向にある。本発明におけるｂ層は、結晶相を有する結晶構造の層であり、ｂ層の結晶性を高めるため、基材付近の磁束密度を高めて被覆をしている。具体的には、ターゲット中心付近の平均磁束密度が１４ｍＴ以上である。また、ターゲット背面および外周に永久磁石を配備し、基材付近まで磁力線が到達するよう調整したカソードを用いて、ｂ層を被覆している。また、基材に印加する負圧のバイアス電圧が低くなると、非晶質相が増加する傾向にある。ｂ層の被覆においては−２５０Ｖ〜−１００Ｖで被覆することが好ましい。結晶相をより安定化させるには、−２２０Ｖ〜−１５０Ｖで被覆することがより好ましい。また、後述するＴｉボンバード処理によって形成されるａ層の直上に、ｂ層を被覆していることも、ｂ層のミクロ組織がＳｉ含有量の異なる結晶相を含む組織形態になることに影響していると考えられる。
【0022】
ｂ層は、ＮａＣｌ型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示す範囲であれば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの含有量を考慮して、他の元素（例えば、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族（Ｃｒを除く）の金属元素およびＢから選択される１種または２種以上の元素）を、金属（半金属を含む）元素の含有比率（原子％）で０％〜１０％含有することができる。これ以上の添加は、ｂ層の耐摩耗性及び耐熱性を低下させる傾向にある。ｂ層の厚みが薄くなり過ぎると、優れた耐久性が十分に発揮されない場合がある。また、ｂ層の厚みが厚くなり過ぎると、皮膜剥離が発生する場合がある。ｂ層の厚みは、例えば、０．５μｍ〜１０μｍの範囲から適当な値を選択すればよい。ｂ層の厚みは、より好ましくは１μｍ以上である。また、ｂ層の厚みは、より好ましくは５μｍ以下である。
【0023】
本発明においては、ｂ層の上に更に別の層を被覆しても、本発明の効果を発揮する。そのため、本発明におけるａ層とｂ層とで成る皮膜構造は、ｂ層を工具の最表面とすること以外に、前記別の層を被覆してもよい。そしてこの場合、ｂ層の上には、保護皮膜として耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物又は炭窒化物からなるｃ層が被覆されていることが好ましい。ｃ層は、より好ましくは窒化物からなる層である。ｃ層は、耐熱衝撃性に優れる残留圧縮応力を有する硬質皮膜であることが好ましい。特に湿式加工においては、加熱冷却のサイクルにより硬質皮膜が剥離し易くなることから、高い残留圧縮応力を有する硬質皮膜を保護皮膜として設けることが好ましい。特に、残留圧縮応力が高い皮膜種である点で、金属（半金属を含む）元素のうち、原子％でＴｉを５０％以上含有し、Ｓｉを１％〜３０％含有する窒化物又は炭窒化物皮膜が好ましい。
ｂ層よりもｃ層の厚みが厚いことが、湿式加工の耐久性が優れる傾向にある点で好ましい。
【0024】
続いて、ａ層について説明する。本発明における硬質皮膜であるｂ層は、微細な組織形態であるため、基材との密着性が乏しい。そのため、従来の窒化物からなる中間皮膜を介して行う方法では、密着性を改善するには十分でなかった。また、特開２００９−２２０２６０号公報に記載のＷ改質相は、脱炭相が形成され易くなるだけでなく、工具基材の形状によっては形成され難い場合がある。エンドミルの場合、機能部である刃先には、Ｗ改質相は形成され難いことを確認した。
本発明者等は、様々な条件で切削試験を行い、ナノビーム回折パターンからＷＣの結晶構造に指数付けされ、Ｃ、Ｗ、Ｔｉおよび不可避成分からなる炭化物からなるａ層を基材の上に設けることで、微細な組織形態であるｂ層との密着性が改善されて被覆切削工具の耐久性が向上することを確認している。つまり、基材とｂ層との間にａ層を形成することにより、微細な組織形態であるｂ層の基材との密着性を改善したものである。
基材の上にあるａ層を、Ｗを含む炭化物とすれば、基材である超硬合金との親和性が強くなり、密着性に優れると考えられる。また、ａ層がＴｉを含むことで、ａ層の上にある微細組織であるｂ層がＮａＣｌ型の結晶構造を維持し易くなる。そして、ａ層の近傍にあるｂ層の結晶性がより高まり、基材とｂ層の密着性がより高まると考えられる。
ａ層の膜厚が薄くなり過ぎれば、基材との密着性が低下する。また、ａ層の膜厚が厚膜になり過ぎても、基材との密着性が低下する傾向にある。よって、ａ層の膜厚は、１ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましい。
工具刃先に形成されるａ層は、工具形状や用途によって最適な膜厚が異なると考えられる。本発明者等の検討によれば、ボールエンドミルにおいてより優れた密着性を確保して工具の耐久性を高めるには、ａ層の膜厚の下限は、３ｎｍ以上とすることがより好ましい。また、ａ層の膜厚の上限は、１０ｎｍ以下とすることが好ましい。更にはａ層の上限は、８ｎｍ以下とすることがより好ましい。
ａ層は、ＷおよびＴｉ以外に皮膜成分および母材成分を含有してもよい。ａ層の実測定においては、基材側のＣｏや硬質皮膜側のＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎが含まれ得るが、ナノビーム回折パターンからＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷおよびＴｉを含む炭化物とすることで本発明の効果は発揮される。
ａ層は、透過型電子顕微鏡観察による断面観察、組成分析、ナノビーム回折パターンより確認することができる。
【0025】
基材の上にナノビーム回折パターンからＷＣの結晶構造に指数付けされ、Ｃ、Ｗ、Ｔｉおよび不可避成分からなる炭化物を形成するためには、ターゲットの外周にコイル磁石を配備してアークスポットをターゲット内部に閉じ込めるような磁場構成としたカソード用いて、Ｔｉボンバードを実施することが好ましい。このようなカソードを用いて炭化物を形成し易い元素種であるＴｉでボンバード処理することで、基材表面の酸化物が除去されて清浄化される。また、この清浄化だけでなく、ボンバードされたＴｉイオンが基材表面のＷＣに拡散してＷおよびＴｉを含む炭化物が形成され易くなる。本発明において、ナノビーム回折パターンからＷＣの結晶構造に指数付けされ、Ｃ、Ｗ、Ｔｉおよび不可避成分からなる炭化物であるａ層は、機能部である刃先に形成されることで、刃先における基材と硬質皮膜の密着性が高まり、被覆切削工具の耐久性を高める効果が得ることができる。Ｔｉボンバードの際に基材に印加する負圧のバイアス電圧およびターゲットへ投入する電流が低いと、ナノビーム回折パターンからＷＣの結晶構造に指数付けされ、Ｃ、Ｗ、Ｔｉおよび不可避成分からなる炭化物が形成され難い。そのため、基材に印加する負圧のバイアス電圧は、−１０００Ｖ〜−７００Ｖとすることが好ましい。また、ターゲットへ投入する電流は、８０Ａ〜１５０Ａとすることが好ましい。
ボンバードは、アルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、炭化水素系ガス等を導入しながら実施してもよいが、炉内雰囲気を１．０×１０−２Ｐａ以下の真空下で実施することで基材表面が清浄化されるだけでなく、拡散層が形成され易くなり好ましい。
なお、本発明者等の検討によると、工具径や刃先形状等の形状の違いによって、工具刃先に形成されるａ層の厚みは影響を受けることを確認している。
【0026】
工具の外周刃で被加工材を加工するスクエアエンドミルと違って、ボールエンドミルのチゼル部では、被加工材と常に接触しながら加工を行っているため、より優れた耐熱性と耐摩耗性が要求される。本発明の被覆切削工具は、ボールエンドミルに適用することで、特に優れた耐久性を示すため好ましい。特に４０ＨＲＣ以上の金型材の切削加工において、被覆切削工具の耐久性を向上させることができるので好ましい。更には、５０ＨＲＣ以上の金型材の切削加工に適用しても、優れた耐久性を発揮できるので好ましい。本発明の被覆切削工具は、ボール半径が５ｍｍ以下のボールエンドミルに適用することが好ましい。特に、より優れた耐久性が発揮される点で、ボール半径３ｍｍ以下のような小径のボールエンドミルに適用することが好ましい。
【0027】
本発明の基材に適用する超硬合金の硬度は、９３．０ＨＲＡ以上９５．０ＨＲＡ以下であることが好ましい。基材の硬度が低くなり過ぎれば、耐摩耗性を改善するのに十分でない場合がある。また、基材の硬度が高くなり過ぎれば、靱性が低下するため、チッピングが発生する場合がある。優れた耐久性をより安定して発揮には、基材の硬度は９３．５ＨＲＡ以上であることがより好ましい。また、基材の硬度は、９４．５ＨＲＡ以下であることがより好ましい。【実施例】
【0028】
（実施例１）＜成膜装置＞
成膜には、アークイオンプレーティング方式の成膜装置を用いた。本装置は、複数のカソード（アーク蒸発源）、真空容器および基材回転機構を含む。
カソードは、ターゲット外周にコイル磁石を配備したカソードを１基（以下「Ｃ１」という。）と、ターゲット背面および外周に永久磁石を配備し、ターゲットに垂直方向の磁束密度がターゲット中央付近で１４ｍＴ以上の磁場を有したカソードを２基（以下「Ｃ２」、「Ｃ３」という。）が搭載されている。
真空容器内は、内部を真空ポンプにより排気され、ガスは供給ポートより導入される。真空容器内に設置した各基材にはバイアス電源が接続され、独立して各基材に負圧のＤＣバイアス電圧を印加する。
基材回転機構は、プラネタリーとプラネタリー上のプレート状治具、プレート状治具上のパイプ状治具が取り付けられ、プラネタリーが毎分３回転の速さで回転し、プレート状治具、パイプ状治具は夫々自公転する。
【0029】
＜基材＞物性評価および切削試験用に、組成がＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−Ｃｒ（０．５質量％）−ＶＣ（０．３質量％）、ＷＣ平均粒度０．６μｍ、硬度９３．９ＨＲＡ、からなる超硬合金製の２枚刃ボールエンドミル（日立ツール株式会社製）を準備した。
なお、ＷＣは炭化タングステンを、Ｃｏはコバルトを、Ｃｒはクロムを、ＶＣは炭化バナジウムを、それぞれ表す。
【0030】
＜加熱および真空排気工程＞各基材をそれぞれ真空容器内のパイプ状冶具に固定し、成膜前プロセスを以下のように実施した。まず、真空容器内を８×１０−３Ｐａ以下に真空排気した。その後、真空容器内に設置したヒーターにより、基材温度が５００℃になるまで加熱し、真空排気を行った。これにより、基材温度を５００℃、真空容器内の圧力を８×１０−３Ｐａ以下とした。
【0031】
＜Ａｒボンバード工程＞その後、真空容器内にＡｒガスを導入し、容器内圧を０．６７Ｐａとした。その後、フィラメント電極に２０Ａの電流を供給し、基材に−２００Ｖの負圧のバイアス電圧を印加し、Ａｒボンバードを４分間実施した。
【0032】
＜Ｔｉボンバード工程＞その後、真空容器内の圧力が８×１０−３Ｐａ以下になるように真空排気した。続いて、基材にバイアス電圧を印加して、Ｃ１に１５０Ａのアーク電流を供給してＴｉボンバード処理を実施した。
【0033】
＜成膜工程＞Ｔｉボンバード後、直ちにＣ１への電力供給を中断した。そして、真空容器内のガスを窒素に置き換え、真空容器内の圧力を５Ｐａ、基材設定温度を５２０℃とした。Ｃ２に１５０Ａの電力を供給し、基材に印加する負圧のバイアス電圧を変化させて硬質皮膜を約３μｍ被覆した。その後、略２５０℃以下に基材を冷却して真空容器から取り出した。表１に実施例１で使用したターゲット組成及び被覆条件を示す。
【0034】
【表1】
【0035】
硬質皮膜の組成は、波長分散型電子線プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）により測定した。測定条件は、加速電圧１０ｋＶ、試料電流５×１０−８Ａ、取り込み時間１０秒、分析領域直径１μｍ、分析深さが略１μｍで５点測定してその平均値から求めた。【0036】
Ｘ線回折装置（株式会社リガク製 ＲＩＮＴ２０００ 縦型ゴニオメーター 固定モノクロメーター）を用い、管電圧４０ｋＶ、管電流３００ｍＡ、Ｘ線源Ｃｕｋα（λ＝０．１５４１８ｎｍ）、Ｘ線入射角５度、発散スリット０．５°、発散制限スリット１０ｍｍ、散乱スリット０．７３ｍｍ、受光スリット０．３ｍｍ、Ｘ線入射スリット０．４ｍｍ、２θ２０〜７０度の測定条件で実施して結晶構造を確認した。本発明例２については前記ＴＥＭ解析による結晶構造の解析も行った。その結果は図１２、１３の通りである。全体としてのＳｉ量（７ａｔ％）に対して、Ｓｉ量の少ない部位として６ａｔ％の部位と、Ｓｉ量の多い部位として１０ａｔ％の部位と、があった。【0037】
皮膜構造を確認するため、電界放射型透過電子顕微鏡（日本電子株式会社製 ＪＥＭ−２０１０Ｆ型）を用いてボールエンドミルの刃先部の断面観察を実施した。試料を切断しダミー基板上にエポキシ樹脂を用いて接着した。その後、切断、Ｍｏ製補強リング接着、研磨、ディンプリング、Ａｒイオンミーリングを行って測定用の試料を準備した。測定前にはカーボン蒸着を施した。加速電圧を２００ｋＶで観察、組成分析、ナノビーム回折を実施した。組成は付属のＵＴＷ型Ｓｉ（Ｌｉ）半導体検出器を用いてビーム径１ｎｍで分析した。ナノビーム回折は、カメラ長５０ｃｍとし、２ｎｍ以下のビーム径で分析した。
【0038】
本発明例１の透過電子顕微鏡写真（２，０００，０００倍）を、図１に示す。図中の矢印１が示すポイントが基材、矢印２が示すポイントがａ層、矢印３が示すポイントがｂ層である。ＥＤＳスペクトル分析結果およびナノビーム回折パターンから、図１の矢印１は、ＷＣであることを確認した。特開２００２−３３７００７号公報参照のような金属Ｗ相は形成されなかった。ａ層は、ＥＤＳスペクトル分析結果からＷとＴｉ含んでいることを確認した。また、ナノビーム回折パターンからａ層はＷＣの結晶構造に指数付けが可能であった。ＥＤＳスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、ａ層はＷおよびＴｉを含有した炭化物であることが確認された。
ａ層は金属（半金属を含む）部分の原子％でＷを最も多く含有していた。なお、ＷおよびＴｉ以外には硬質皮膜の成分であるＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎを含有していた。また、母材成分であるＣｏも僅かに含有していた。試料作製過程のコンタミの影響により、Ｃｕが測定された。
断面観察、組成分析、ナノビーム回折パターンより、ａ層の厚みは５ｎｍ程度の薄膜であることを確認した。本発明例のａ層はいずれもＷおよびＴｉを含む炭化物が約５ｎｍ程度形成されていた。これについては同様の条件によるＴｉボンバード処理を実施した本発明例２〜１０と比較例１００〜１０４についても同様であった。Ｔｉボンバード処理の時間が短い本発明例１１は、ＷおよびＴｉを含む炭化物が約２ｎｍ程度形成されていた。Ｔｉボンバード処理の時間が長い本発明例１２は、ＷおよびＴｉを含む炭化物が約１３ｎｍ程度形成されていた。
ただし、基材のクリーニングを目的として短時間のＴｉボンバード処理を実施した比較例１０７においては明確なａ層の形成が確認されなかった。Ｔｉボンバード処理自体を実施しなかった比較例１０５、１０６はａ層が形成されていなかった。
【0039】
乾式加工後の母材露出幅から被覆切削工具の耐久性を評価した。切削条件を以下に示す。（条件）乾式加工
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＢＴＳ２１００、ボール半径５ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
・切り込み：軸方向、０．２ｍｍ、径方向、０．２ｍｍ
・切削速度：２５１ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．１２５ｍｍ／刃
・切削油：エアー加圧供給
・切削距離：１５０ｍ
・評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１５０倍で観察し、工具と被削材が擦過した幅を実測し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を最大摩耗幅とした。
【0040】
【表2】
【0041】
本発明例であるＮｏ．１〜１２は皮膜剥離が発生せず、安定した摩耗形態を示した。そしてその時の摩耗幅は小さく優れた耐久性を示した。なお、表２中、「ｆｃｃ」は、面心立方格子構造を表す。特に、ａ層の厚みが好ましい範囲にある本発明例１〜１０は最大摩耗幅が小さくなる傾向にあった。
これに対して比較例であるＮｏ．１００〜１０７は著しい皮膜剥離が発生し、不安定な摩耗形態を示した。そして、その時の摩耗幅は大きかった。比較例であるＮｏ．１００〜１０３、１０８はａ層が形成されているが、ｂ層の結晶構造がＮａＣｌ型の結晶構造ではないため（ｈｃｐ：六方最密充填構造）、耐久性が乏しかった。
比較例であるＮｏ．１０４は硬質皮膜に含まれるＳｉ量が少なく硬質皮膜の柱状粒子が粗大であるため耐久性が乏しかった。
比較例であるＮｏ．１０５、１０６、１０７はａ層を形成していないため、耐久性が乏しかった。
【0042】
（実施例２）実施例２では、組成がＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−Ｃｒ（０．５質量％）−ＶＣ（０．３質量％）、ＷＣ平均粒度０．６μｍ、硬度９３．９ＨＲＡ、からなるボール半径１ｍｍのボールエンドミル（日立ツール株式会社製）で評価した。各試料ともＡｒガスボンバードまでは実施例１と同様である。試料Ｎｏ．２０５〜２０９は、ａ層を形成する代わりに、Ｃ３に設置したカソードを用いて窒化物からなる中間皮膜を被覆した。各試料ともＣ２に設置したカソードを用いて硬質皮膜を約３μｍ被覆した。表３に実施例２で使用したターゲット組成及び被覆条件を示す。
なお、ボール半径が１ｍｍのボールエンドミルを基材に用いた場合、実施例１と同様のＴｉボンバード条件では刃先に変形が生じることを確認した。そのため、実施例２では、ボンバード時間を短時間とし、基材に印加する負圧のバイアス電圧も下げてＴｉボンバード処理を実施した。
【0043】
【表3】
【0044】
湿式加工後の最大摩耗幅から被覆切削工具の耐久性を評価した。切削条件を以下に示す。（条件）湿式加工
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＤＢＥ２０１０−６、ボール半径０．５ｍｍ、首下長さ６ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＨＰＭ３８（５２ＨＲＣ）（日立金属株式会社製）
・切り込み：軸方向、０．０４ｍｍ、径方向、０．０４ｍｍ
・切削速度：７８．５ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０１８９ｍｍ／刃
・切削油：水溶性エマルション加圧供給
・切削距離：６０ｍ
・評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１５０倍で観察し、工具と被削材が擦過した幅を実測し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を最大摩耗幅とした。
【0045】
【表4】
【0046】
本発明例であるＮｏ．２０、２１及び比較例であるＮｏ．２００は、ａ層が約１０ｎｍ形成されていた。本発明例であるＮｏ．２２は、ａ層が約７ｎｍ形成されていた。本発明例は、いずれも優れた耐久性を示した。本発明例の中でも、ａ層の厚みがより好ましい範囲にある本発明例であるＮｏ．２２は、最大摩耗幅がより小さくなり特に優れた耐久性を示した。比較例であるＮｏ．２００は硬質皮膜に含まれるＳｉ量が少なく硬質皮膜の柱状粒子が粗大であり、耐久性が乏しかった。
比較例であるＮｏ．２０１、２０２はボンバードの際に基材に印加する負圧のバイアス電圧が低いため基材の上には金属Ｔｉが形成されており、基材との密着性が不十分であり、耐久性が乏しかった。
比較例であるＮｏ．２０３〜２０８は基材の上に窒化物を形成しているため基材との密着性が不十分であり、耐久性が乏しかった。
比較例であるＮｏ．２０９は、ａ層を形成していないため密着性が不十分であり耐久性が乏しかった。
【0047】
（実施例３）実施例３では、ｂ層の上層にｃ層を被覆した好ましい形態について評価した。各試料ともＡｒガスボンバードまでは、実施例１と同様である。表５に実施例３で使用したターゲット組成及び被覆条件を示す。
【0048】
【表5】
【0049】
加工後の母材露出幅から被覆切削工具の耐久性を評価した。切削条件を下記に示す。（条件１）乾式加工
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＢＴＳ２１００、ボール半径５ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
・切り込み：軸方向、０．２ｍｍ、径方向、０．２ｍｍ
・切削速度：２５１ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．１２５ｍｍ／刃
・切削油：エアー加圧供給
・切削距離：１５０ｍ
【0050】
（条件２）湿式加工・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＢＴＳ２１００、ボール半径５ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
・切り込み：軸方向、０．２ｍｍ、径方向、０．２ｍｍ
・切削速度：２５１ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．１２５ｍｍ／刃
・切削油：水溶性エマルジョン加圧供給
・切削距離：２０ｍ
・評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１５０倍で観察し、工具と被削材が擦過した幅を実測し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を最大摩耗幅とした。
【0051】
【表6】
【0052】
本発明例であるＮｏ．３０〜３４は、ｂ層の上に窒化物からなるｃ層を形成しているため、乾式加工だけでなく湿式加工においても優れた耐久性を示した。特にｂ層よりもｃ層の厚みが厚い方が湿式加工において優れた耐久性を示す傾向にあった。比較例であるＮｏ．３００、３０１は、ａ層を形成していないため、湿式および乾式加工のいずれでも工具摩耗が大きく耐久性が乏しかった。なお、比較例Ｎｏ．３００はｂ層から著しい剥離が生じていた。
比較例であるＮｏ．３０２、３０３は、ｂ層のＳｉ含有量が少ないため乾式加工において耐久性が低下した。
【0053】
日本出願２０１３−０７４１１２の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。