特開 2024-66361 表面被覆工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024066361

(43)【公開日】2024-05-15

(54)【発明の名称】表面被覆工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20240508BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20240508BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 A

C23C14/06 A

C23C14/06 H

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022175904

(22)【出願日】2022-11-01

(71)【出願人】

【識別番号】000228604

【氏名又は名称】日本コーティングセンター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079832

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 誠

(72)【発明者】

【氏名】武藤 隼人

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 剛

(72)【発明者】

【氏名】角谷 行崇

【テーマコード（参考）】

3C046

4K029

【Ｆターム（参考）】

3C046FF10

3C046FF13

3C046FF16

3C046FF25

4K029AA02

4K029BA03

4K029BA07

4K029BA34

4K029BA35

4K029BA54

4K029BA58

4K029BB02

4K029BD05

4K029CA04

(57)【要約】

【課題】
基材が、窒化物、炭窒化物の表面被覆被膜で被覆された表面被覆工具の工具寿命を改善する。
【解決手段】
表面被覆被膜を少なくとも２層の硬質被膜によって形成し、基材表面に成膜される硬質被膜（ｂ層）を低応力被膜としている。ｂ層の組成は、例えば、金属成分のみ原子％でＡｌ５０［ａｔ％］以上７０［ａｔ％］以下、Ｓｉが１［ａｔ％］以上１５［ａｔ％］以下で残りＣｒよりなる窒化物、炭窒化物である。
また、表面被覆被膜の最外層の硬質被膜（ａ層）は耐酸化性であり、例えば、金属成分のみ原子％でＳｉが１０［ａｔ％］以上２０［ａｔ％］以下で残りがＴｉよりなる窒化物、炭窒化物である。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具材料よりなる基材と、この基材の表面に形成された表面被覆被膜を備え、前記表面被覆被膜は、少なくとも２層の硬質被膜よりなり、前記基材表面に成膜される硬質被膜（以下、ｂ層という。）は低応力被膜である表面被覆工具。

【請求項2】

前記ｂ層は、金属成分のみの原子％で、Ａｌが５０［ａｔ％］以上７０［ａｔ％］以下、Ｓｉが１［ａｔ％］以上１５［ａｔ％］以下で残りがＣｒの窒化物、炭窒化物である請求項１記載の表面被覆工具。

【請求項3】

前記表面被覆被膜の最外層の硬質被膜（以下、ａ層という。）が耐酸化性である請求項１または２に記載の表面被覆工具。

【請求項4】

前記ａ層は、金属成分のみの原子％で、Ｓｉが１０［ａｔ％］以上２０［ａｔ％］以下で残りがＴｉの窒化物、炭窒化物である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面被覆工具。

【請求項5】

前記ａ層とｂ層の間に、さらに硬質被膜（以下、ｃ層という。）が形成され、前記ｃ層は、前記ａ層、ｂ層と同一の組成の硬質被膜を交互に積層して形成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の表面被覆工具。

【請求項6】

前記ａ層、ｂ層の膜厚が４０[ｎｍ]～１００[ｎｍ]である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の表面被覆工具。

【請求項7】

ｃ層の膜厚が表面被覆被膜の全膜厚の３０～８０[％]である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の表面被覆工具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表面被覆工具（コーティング工具）に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、工具、金型、機械部品等の耐摩耗性を向上させるため、イオンプレーティング法等により、その金属材料表面に、Ｔｉ系の被覆を形成する処理が知られている。
Ｔｉ系被覆としては、ＴｉＮ系、ＴｉＣＮ系、ＴｉＡｌＮ系などが存在するが、ＴｉＡｌＮ系の耐摩耗硬質被膜は、ＴｉＮ系、ＴｉＣＮ系の被膜に比較して高温特性が優れているため、特に、表面被覆切削工具のために開発され、従来困難であった調質鋼の切削などの、過酷な条件下での使用を可能とした。これによって、切削工具に関して、ＴｉＡｌＮ系表面被覆が定着し、評価を得ている。
ここに、ＴｉＡｌＮ系表面被覆の背景技術として、例えば、特許文献１、２が存在する。

【0003】

特許文献１の耐摩耗性被膜被覆部材（以下、第１従来例という。）は、基材表面に形成する被膜は、金属成分のみの原子％で、Ａｌ量を６０～７０［ａｔ％］としている（段落「００１２」）。そして、ＴｉＡｌＮ系被膜は、その結晶構造にＮａＣｌ型領域とＺｎＳ型領域を含んでおり、その領域の比率がＡｌ量によって変化し、耐摩耗性に関してＮａＣｌ型領域が有利であるため、全体をＮａＣｌ型領域とすべくＡｌ量を設定している。

【0004】

特許文献２の硬質被膜被覆工具（以下、第２従来例という。）は、耐摩耗性に優れるとともに、耐酸化性を有するＴｉＡｌＮ系被膜（ａ層）と、耐摩耗性、耐酸化性を有するとともに密着性に優れたＴｉＳｉＮ系被膜（ｂ層）を採用し、基材直上にｂ層を配置するとともに、ａ層、ｂ層を交互に積層して、耐摩耗性、耐酸化性、密着性を確保している。そして、ａ層は金属成分のみの原子％で、Ｓｉを１０［ａｔ％］以上６０［ａｔ％］以下、残り、Ｔｉとしている。一方、ｂ層は金属成分のみの原子％でＡｌを４０［ａｔ％］超え７５［ａｔ％］以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ，Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０［ａｔ％］未満、残り、Ｃｒとしている。

【0005】

しかしながら、第１、第２従来例等の従来の表面被覆工具において、さらなる工具寿命の改善が求められていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第２６４４７１０号公報

【特許文献2】特許第３２４８８９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、窒化物、炭窒化物よりなる表面被覆被膜（コーティング）が形成された表面被覆工具の工具寿命を改善することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記目的を達成するために、請求項１の表面被覆工具は、工具材料よりなる基材と、この基材の表面に形成された表面被覆被膜を備え、前記表面被覆被膜は、少なくとも２層の硬質被膜よりなり、前記基材表面に成膜される硬質被膜（以下、ｂ層という。）は低応力被膜とされる。これによって、基材の耐摩耗性を高め、かつ基材に生じる応力を緩和する効果が得られる。

【0009】

請求項２の表面被覆工具は、前記ｂ層を、金属成分のみの原子％で、Ａｌが５０［ａｔ％］以上７０［ａｔ％］以下、Ｓｉが１［ａｔ％］以上１０［ａｔ％］以下で残りがＣｒの窒化物、炭窒化物としている。これによって、基材の応力緩和、耐摩耗性に有効な硬質被膜を形成し得る。

【0010】

請求項３の表面被覆工具は、前記表面被覆被膜における最外層の硬質被膜（以下、ａ層という。）を、耐酸化性とし、表面被覆工具の表面を保護し得る。

【0011】

請求項４の表面被覆工具は、前記ａ層を、金属成分のみの原子％で、Ｓｉが１０［ａｔ％］以上２０［ａｔ％］以下で残りがＴｉの窒化物、炭窒化物としている。これによって、高い切削性が確保され、かつ良好な耐酸化性が得られる。

【0012】

請求項５の表面被覆工具は、前記ａ層とｂ層の間に、さらに硬質被膜（以下、ｃ層という。）が形成され、前記ｃ層は、前記ａ層、ｂ層と同一の組成の硬質被膜を交互に積層して形成されている。これによって、ｂ層による耐摩耗性・応力緩和効果と、ａ層による耐摩耗性・耐酸化性による表面保護効果とが複合的かつ相乗的に作用し、極めて高い耐久性が得られ、大幅に寿命が改善される。

【0013】

請求項６の表面被覆工具は、前記ａ層、ｂ層の膜厚が４０～１００[ｎｍ]である。

【0014】

請求項７の表面被覆工具は、ｃ層の膜厚が表面被覆被膜の全膜厚の３０～８０[％]である。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、窒化物、炭窒化物の硬質表面被覆が形成された表面被覆工具の工具寿命を改善し得る。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係る表面被覆工具の実施例１～３、６の構成を示す断面図である。

【図2】本発明に係る表面被覆工具の実施例１～６と比較例７～１０を比較し、さらに検証例を参照するための表である。

【図3A】硬質表面被膜の応力を算出するためのストーニーの式を示す図である。

【図3B】図３Ａのストーニーの式を適用する際に、硬質被膜を成膜するＳＵＳ円板基盤の斜視図である。

【図3C】図３Ｂに被膜応力による反りが生じた状態を示すグラフである。

【図4】イオンプレーティング法による単層膜の形成の際のバイアス電圧と摩耗幅の関係を示すグラフである。

【図5】イオンプレーティング法による表面被覆被膜形成の際のバイアス電圧と被膜応力の関係を示すグラフである。

【図6】本発明に係る表面被覆工具の実施例４、５の構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

次に、本発明に係る表面被覆工具の好適な実施例を、図面を参照しつつ説明する。

【実施例0018】

［実施例１］
図１に示すように、表面被覆工具１は、工具材料よりなる基材２と、この基材２の表面に形成された表面被覆被膜３を備え、表面被覆被膜３は、２層の硬質被膜４、５よりなる。硬質被膜４（以下、ａ層という。）は、表面被覆被膜３の最外層に成膜され、硬質被膜５（以下、ｂ層という。）は基材２の表面２Ｆに成膜される。

【0019】

図２の表に示すように、実施例１の表面被覆被膜３の成分（金属のみの原子％）は、ａ層４がＴｉ８５[％]、Ｓｉ１５[％]の窒化物であり、ｂ層５がＣｒ４０[％]、Ａｌ５５[％]、Ｓｉ５[％]の窒化物である。実施例１で表面被覆被膜３の被膜応力を測定したところ、－４．４［ＧＰａ］であり、第１、第２従来例に対応する比較例９の－５．０［ＧＰａ］よりも低い。

【0020】

被膜応力は厚さ０．３[ｍｍ]のＳＵＳ円板に各被膜を成膜し、その反り量と膜厚から曲率半径を求め、図３ＡのＳｔｏｎｅｙ（ストーニー）の式にて算出した。この値は０[ＧＰａ]が応力０の状態で、マイナスの数値が大きくなるほど圧縮応力（被膜応力）が大きくなることを示している。

【0021】

被膜応力測定に際しては、図３Ｂに示すようなＳＵＳ３０４円板基盤Ｐ（例えば、厚さ０．３[ｍｍ]）を応力測定用治具（図示省略）で保持しつつ、片面に硬質被膜を成膜する。すると、円板基盤Ｐに硬質被膜による被膜応力が生じ、図３Ｃに示すような反りが生じる。この反りの高さｈを、表面粗さ測定器（図示省略）によって測定し、反りｈと測定長（例えば１０[ｍｍ]）から円板基盤Ｐの曲率半径Ｒを算出する。
ＳＵＳ３０４では、ヤング率Ｅｓｕｓ＝１９０、ポアソン比Ｖｓｕｓ＝０．２４であり、膜厚ｔｓｕｓ＝０．３、曲率Ｒから、ストーニーの式により、被膜応力が計算できる。

【0022】

比較例９は耐摩耗性を主眼としたＴｉＡｌＮ系の表面被覆被膜が成膜され、被膜応力は高くなるのに対して、ｂ層５はＣｒＡｌ系であり、圧縮応力が緩和される。これによって、基材２の耐摩耗性を高め、かつ基材２に生じる応力を緩和する効果が得られる。検証例１１はＴｉＡｌＮ単層の表面被覆被膜について被膜応力を測定したものであるが、被膜応力は－５．２［ＧＰａ］と高い。

【0023】

基材２の表面２Ｆに低応力のＣｒＡｌ系硬質被膜（ｂ層５）を形成することによって、表層被覆（ａ層４）への衝撃を吸収しつつ耐摩耗性を高められる。表面被覆被膜３の硬度が極端に高まると、負荷に起因した応力が増大して靭性が低下することがあるが、低応力の被覆によってこのような靭性低下が防止される。
その結果、実施例１の工具寿命は２０００[ｍ]となり、比較例９、１０の１２５０［ｍ］、７５０［ｍ］を大幅に上回る。

【0024】

図２において、ａ層４の独立の特性を確認するため検証例１２、１３の特性を測定し、ｂ層５の特性を確認するために検証例１６を測定した。その結果、ａ層の高応力、ｂ層の低応力が確認された。

【0025】

図２の検証例１４は、ｂ層に関連して、Ｓｉを含まないＣｒＡｌＮについて検討したものであり、同図でＳｉを添加した検証例１５、１６、１７のＣｒＡｌＳｉＮに比べて工具寿命が短いことが分かる。検証例１５～１７は、Ｓｉの添加量を１［ａｔ％］、５［ａｔ％］、１５［ａｔ％］と変化させており、１～１５［ａｔ％］の範囲内であれば工具寿命が長くなることが確認された。

【0026】

図２の検証例１２、１３は、ａ層でＳｉ添加量を１５[％]、５[％]としたときの工具寿命を検討したもので、Ｓｉ％が５[％]と低いＴｉＳｉＮは、工具寿命が７５０［ｍ］に短縮することが確認された。以上より、Ｓｉが１０［ａｔ％］以上２０［ａｔ％］以下の範囲内のときに、工具寿命が長くなることが確認された。なお、２１[％]以上の被膜は成膜中にターゲットが割れやすくなるなど、安定した処理が困難となるため、被膜組成として適さない。

【0027】

また、比較例８より、ｂ層にＣｒＡｌＮを用いた場合、切削距離が低下することが確認された。

【0028】

比較例７は、実施例１のａ層を基材２表面２Ｆに密着させ、ｂ層を最外層に配置したものであるが、この逆転により工具寿命は低下した。すなわち、ｂ層に低応力の被膜を用いることによって工具寿命を向上させることができることが確認された。すなわち、検証例１６のような低応力硬質被膜（ｂ層）を基材２の表面２Ｆに設けた耐摩耗性表面被覆被膜は工具寿命を著しく改善することができる。
［実施例２］

【0029】

図２の実施例２の表面被覆被膜３は実施例１と同様の図１の構成を有し、その成分（金属のみの原子％）は、ａ層４がＴｉ９０[％]、Ｓｉ１０[％]の窒化物であり、ｂ層５がＣｒ４０[％]、Ａｌ５５[％]、Ｓｉ５[％]の窒化物である。そして表面被覆被膜３の被膜応力は、－４．２［ＧＰａ］であり、第１、第２従来例に対応する比較例９の－５．０［ＧＰａ］よりも低い。
その結果、実施例２の工具寿命は２０００[ｍ]となり、比較例９、１０の１２５０［ｍ］、７５０［ｍ］を大幅に上回る。
［実施例３］

【0030】

図２の実施例３の表面被覆被膜３は実施例１と同様の図１の構成を有し、その成分（金属のみの原子％）は、ａ層４がＴｉ８０[％]、Ｓｉ２０[％]の窒化物であり、ｂ層５がＣｒ４０[％]、Ａｌ５５[％]、Ｓｉ５[％]の窒化物である。そして表面被覆被膜３の被膜応力は、－４．５［ＧＰａ］であり、第１、第２従来例に対応する比較例９の－５．０［ＧＰａ］よりも低い。
その結果、実施例３の工具寿命は１７５０[ｍ]であり、比較例９、１０の１２５０［ｍ］、７５０［ｍ］を大幅に上回る。

【0031】

図５は、ａ層４（丸プロットおよびＴｉ：１５Ｓｉ表示）、ｂ層５（三角プロットおよびＣｒ：５５Ａｌ：５Ｓｉ表示）を成膜する際の、バイアス電圧と被膜応力の関係を示し、図４は、図５と同様のバイアス電圧における、ａ層４（塗りつぶし棒グラフおよびＴｉ：１５Ｓｉ表示）、ｂ層５（細斜線棒グラフおよびＣｒ：５５Ａｌ：５Ｓｉ表示）の摩耗幅を示し、同時に、ｂ層４からＳｉを除去した検証例１４（太斜線棒グラフおよびＣｒ：５５Ａｌ表示）の摩耗幅を示す。
ａ層４、ｂ層５は検証例１４よりも大幅に摩耗幅、すなわち摩耗量が減少しており、Ｓｉを含めた効果が明らかである。切削距離が大幅に伸びて、工具寿命が改善されることが分かる。
図５において、ｂ層５の被膜応力はバイアス電圧－１５０[Ｖ]において最小であり、図４において、バイアス電圧－１５０[Ｖ]のａ層４、ｂ層５の摩耗幅は最小である。ただし、最適なバイアス電圧はａ層４、ｂ層５の成分により変化するので、成分ごとに最適条件を検出する必要がある。

【0032】

比較例９、検証例１１と実施例１～３より、従来のＴｉＡｌＮ系被膜を基材２の表面２Ｆに成膜した工具よりも、ＣｒＡｌＳｉＮよりなる低応力被膜を表面２Ｆに成膜した工具のほうが高い切削性能が実現することが明らかとなった。図４，図５に示すように、ａ層４、ｂ層５の成膜に際してバイアス電圧を－３０～－２００[Ｖ]に設定し、良好な切削性能が得られる最適条件を採用するとともに、ＡｌおよびＳｉを添加することにより、基材表面に成膜された低応力被膜が切削工具の寿命を著しく改善できることが明らかとなった。

【0033】

［実施例４］
図２の実施例４の表面被覆工具１は図６の構成を有し、基材２の表面２Ｆに形成された表面被覆被膜３は、最外層のａ層４と表面２Ｆに密着したｂ層５との間に、ａ層４Ｃ、ｂ層５Ｃを交互にナノ積層して形成されたｃ層７が成膜されている。ｃ層７の最外層はａ層４Ｃであり、ｃ層７の最内層はｂ層５Ｃとされ、ａ層４Ｃ、ｂ層５Ｃは実施例１のａ層４、ｂ層５と同等の成分である。

【0034】

実施例４の成分（金属のみの原子％）は、実施例１同様、ａ層４がＴｉ８５[％]、Ｓｉ１５[％]であり、ｂ層５がＣｒ４０[％]、Ａｌ５５[％]、Ｓｉ５[％]である。そしてｃ層７に含まれるａ層４Ｃ、ｂ層５Ｃはａ層４、ｂ層５と同様である。
実施例４の表面被覆被膜３の被膜応力は、－５．３［ＧＰａ］であり、単独のａ層４（検証例１２）の被膜応力－７．０［ＧＰａ］よりも低く、単独のｂ層５（検証例１６）の被膜応力－３．６［ＧＰａ］よりも高い。すなわち、層間の被膜応力の差を緩和している。
その結果、実施例４の工具寿命は２０００[ｍ]であり、比較例９、１０の１２５０［ｍ］、７５０［ｍ］を大幅に上回る。

【0035】

実施例４は、ｂ層５、５Ｃによる耐摩耗性・応力緩和効果と、ａ層４、４Ｃによる耐摩耗性・耐酸化性による表面保護効果とが複合的かつ相乗的に作用し、第１、第２従来例に対応する比較例９、１０と比較して極めて高い耐久性が得られ、大幅に寿命が改善される。

【0036】

ｃ層７を有する３層構造の表面被覆被膜３では、ａ層４Ｃとｂ層５Ｃを交互に積層したｃ層７が存在することにより、表面被覆被膜３内にクラックが発生した際に、基材２方向へのクラックの伸展を防止し得るので、表面被覆被膜３の耐久性を高める効果もある。

【0037】

［実施例５］
図２の実施例５は実施例４のａ層４，４Ｃの成分（金属のみの原子％）を、実施例２同様、Ｔｉ９０[％]、Ｓｉ１０[％]としたもので、被膜応力は、－５．０［ＧＰａ］、工具寿命は１７５０[ｍ]となり、比較例９、１０よりも、大幅に改善されている。

【0038】

［実施例６］
図２の実施例６は、実施例３における窒化物被膜を炭窒化物被膜に変更したものである。実施例６の工具寿命は１７５０[ｍ]と、実施例３と同等であり、窒化物だけでなく炭窒化物によっても高い切削性能が実現されることが分かる。

【0039】

以上の実施例において、ａ層４，ｂ層５の硬質被膜の膜厚を４０[ｎｍ]～１００[ｎｍ]、ｃ層７の膜厚を表面被覆被膜３の膜厚の３０～８０[％]として良好な切削性能が得られている。

【0040】

以上の実施例より、基材２の表面２Ｆに、低応力のＣｒＡｌ系コーティングを形成することによって、表面被覆被膜３への衝撃を吸収しつつ耐摩耗性を高められることが判明した。被膜の硬度は極端に高まると、負荷に起因した応力が増大して靭性が低下することがあるが、低応力の被覆によってこのような靭性低下が防止される。

【0041】

以上のとおり、実施例１～６の表面被覆工具１は、高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミックス等の工具材料よりなる基材２の表面に表面被覆被膜３を設けたもので、表面被覆被膜３は図１のａ層４、ｂ層５の硬質被膜よりなる２層構造、もしくは中間にａ層４Ｃとｂ層５Ｃを交互に積層したｃ層を有する３層構造である。ｂ層５は基材２の表面２Ｆに成膜され、ａ層４は最外層に成膜される。これによって、ｂ層５の耐摩耗性・応力緩和効果と、ａ層４による耐摩耗性・耐酸化性による表面保護効果の相乗効果によって、極めて高い耐久性が得られる。

【0042】

ａ層４の形成に際しては、ＴｉＳｉ合金ターゲットをカソードアーク放電方式イオンプレーティング装置にセットし、適正なバイアス電圧、窒素ガス圧、成膜温度の条件の下でｂ層５表面に成膜する。

【0043】

ｂ層５の形成に際しては、ＣｒＡｌＳｉ合金ターゲットをカソードアーク放電方式イオンプレーティング装置にセットし、適正なバイアス電圧、窒素ガス圧、成膜温度の条件の下で基材表面に成膜する。

【0044】

ｃ層の形成に際しては、装置片側にＣｒＡｌＳｉ合金ターゲットを、もう片側にＴｉＳｉ合金ターゲットを、カソードアーク放電方式イオンプレーティング装置にセットし２ターゲットを同時に使用し、基材を回転させながら成膜し、適正なバイアス電圧、窒素ガス圧、成膜温度の条件の下で基材表面に成膜する。

【0045】

図４に示すように、バイアス電圧［－Ｖ］と摩耗幅［μｍ］の関係を示し、基材２に印加するバイアス電圧は、－３０～－２００[Ｖ]までの範囲で成膜されている。基材２に負のバイアス電圧を印加することで、アーク放電によって蒸発した金属原子および窒素分子のイオンが加速供給されることで被膜を形成する。

【0046】

図５に示すように、ａ層４の成膜に関して、ａ層単層の性能としては、被膜応力が－６．０～－７．５[ＧＰａ]の範囲にあるものにおいて、高い切削性能が得られた。
また、ｂ層５の成膜に関して、ｂ層単層の性能としては、被膜応力が－２．５～－４．５[ＧＰａ]の範囲にあるものにおいて、高い切削性能が得られた。

【0047】

実施例１～６、比較例７～１０および検証例１１～１７について、以下のように工具の寿命測定を行った。
超硬製の２枚刃ボールエンドミル（以下、ＢＥＭという）を用い切削試験を行った。工具寿命はエンドミルの刃先被膜の摩耗幅により、摩耗幅が７０[μｍ]を超えた地点を工具が切削不能となった時の切削長と仮定した。

【0048】

ＢＥＭの切削条件は、側面切削、ダウンカット、被削材ＳＴＡＶＡＸ（硬さＨＲＣ２５）、切削速度１８８[ｍ／ｍｉｎ]、送り４０００[ｍ／ｍｉｎ]、水溶性切削油によるウェット加工とした。そして、一定切削距離ごとに刃先を観察して、被膜の摩耗幅が７０[μｍ]を超えた切削距離を工具寿命とした。図２および図５のように、ａ層およびｂ層単体では切削距離は伸びず、それらを積層構造にすることで大幅な寿命向上を実現できることが確認された。

【0049】

それらは、従来のコーティング工具である、ＴｉＡｌ系被膜を基材表面に成膜した工具と比較して、著しく寿命が向上することが確認された。これより、ｂ層を基材２の表面２Ｆに成膜し、ａ層を最外層に成膜した被膜構造にて、表面被覆工具１の長寿命化を実現できることが明らかとなった。

【0050】

以上より、ａ層の組成は、金属成分のみ［ａｔ％］でＳｉが１０［ａｔ％］以上２０［ａｔ％］以下で残りがＴｉよりなる窒化物、炭窒化物の被膜（ａ層）で成膜すべきである。また、ｂ層の組成は、金属成分のみ［ａｔ％］でＡｌが５０［ａｔ％］以上７０［ａｔ％］以下、Ｓｉが１［ａｔ％］以上１０［ａｔ％］以下で残りＣｒよりなる窒化物、炭窒化物の被膜（ｂ層）で成膜すべきである。図２より、ａ層は被膜応力が－６．０～－７．５[ＧＰａ]の範囲にあり、ｂ層は－２．５～－４．５[ＧＰａ]の範囲にあり、その関係はａ層＞ｂ層で有るべきである。

【0051】

また、ａ層は被膜硬さを３０００～３５００［Ｈｖ］の範囲内で高応力のある被膜で有ることが望ましく、ｂ層は被膜硬さを３０００～３５００［Ｈｖ］の範囲内で低応力の被膜で有ることが望ましい。

【0052】

表面被覆被膜の被覆方法は、特に限定されるものではないが、被覆基材への熱影響、工具の疲労強度、被膜の密着性等を考慮した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した被膜に圧縮応力が残留する被覆方法、すなわち、前記カソードアーク放電方式イオンプレーティング、もしくはスパッタリング等の被覆基材側にバイアス電圧を印加する物理蒸着法（ＰＶＤ）であることが望ましい。

【0053】

以上のとおり、本発明のコーティング工具は、基材表面に低応力のＣｒＡｌＳｉ系被膜を有することが特徴で、更に表層に耐摩耗性・耐酸化性に優れるＴｉＳｉ系被膜を有している。これは、従来のコーティング工具であるＴｉＡｌ系被膜を基材表面に有する工具と比べ、ＣｒＡｌＳｉ系被膜の耐摩耗性・応力緩和効果と、ＴｉＳｉ系被膜の耐摩耗性・耐酸化性による表面保護効果の相乗効果によって、極めて高い耐久性が得られる。

【産業上の利用可能性】

【0054】

以上の実施例の、基材表面にｂ層を成膜するとともにｂ層表面にａ層を成膜する２層構造および、ａ層とｂ層の間にｃ層を成膜する構成以外に、ｂ層と基材の間にｃ層や、その他の窒化物、炭化物、炭窒化物の被膜を成膜することも可能である。

【0055】

さらに本発明の被膜は、従来のコーティング工具に比べ、ＣｒＡｌＳｉ系被覆による耐摩耗性・応力緩和効果を有しており、従来のＴｉＡｌＮ系被覆で使用されている金型、機械部品の耐熱性、耐摩耗性被膜として適用することも可能である。

【符号の説明】

【0056】

１ 表面被覆工具
２ 基材
３ 表面被覆被膜
４ ａ層
４Ｃ ｃ層中のａ層
５ ｂ層
５Ｃ ｃ層中のｂ層
７ ｃ層
Ｐ 円板基盤
ｈ 反りの高さ

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】