切削工具用硬質皮膜
【課題】従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する極めて実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜の提供。
【解決手段】基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、第一皮膜層と第二皮膜層とが交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層を含み、第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％でＡｌ（１００−ｘ−ｙ−ｚ）Ｃｒ（ｘ）Ｖ（ｙ）Ｂ（ｚ）（ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，２≦ｚ≦１５）と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％でＡｌ（１００−α−β−γ−δ）Ｃｒ（α）Ｖ（β）Ｔｉ(γ)Ｂ（δ）（ただし、２０≦α≦４０，２≦β≦１５，０．５≦γ≦１０，２≦δ≦１５）と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、この硬質皮膜全体の膜厚を１μｍ以上７μｍ以下とする。
【解決手段】基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、第一皮膜層と第二皮膜層とが交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層を含み、第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％でＡｌ（１００−ｘ−ｙ−ｚ）Ｃｒ（ｘ）Ｖ（ｙ）Ｂ（ｚ）（ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，２≦ｚ≦１５）と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％でＡｌ（１００−α−β−γ−δ）Ｃｒ（α）Ｖ（β）Ｔｉ(γ)Ｂ（δ）（ただし、２０≦α≦４０，２≦β≦１５，０．５≦γ≦１０，２≦δ≦１５）と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、この硬質皮膜全体の膜厚を１μｍ以上７μｍ以下とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンドミル，ドリル等の切削工具に被覆して耐摩耗性を向上させるための硬質皮膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属切削用工具に被覆する硬質耐摩耗皮膜としてＴｉＮ，ＴｉＣＮ若しくはＴｉＡｌＮが使用されてきた。特に、特許文献１及び特許文献２に代表されるＴｉＡｌＮ系皮膜はＴｉＮにＡｌを添加することで硬度と耐熱性を改良させたもので、耐摩耗性の良さから焼入れ鋼を含む鉄鋼材料を加工するための切削工具用硬質皮膜として広く用いられている。
【０００３】
更に、近年では鉄鋼材料に対する耐摩耗性をさらに向上させることが工具に求められてきており、ＴｉＮの代わりにＣｒＮをベースとすることでＴｉＡｌＮ皮膜よりも耐熱性を向上させた特許文献３等に開示されるようなＡｌＣｒＮ皮膜が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−５６５６５号公報
【特許文献２】特開平２−１９４１５９号公報
【特許文献３】特許第３０３９３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＡｌＣｒＮ皮膜はＴｉＡｌＮ皮膜に比べて耐熱性は良いものの硬度がやや小さく、そのため、焼入れ鋼に対する耐摩耗性が十分とは言えない。
【０００６】
本発明は、上述のような現状に鑑み、本発明者等が切削工具用硬質皮膜における皮膜組織、皮膜の機械的特性及び皮膜層構成について研究し、硬質皮膜の硬度及び潤滑性を向上させることにより上記課題を解決できるとの知見を得て完成したもので、従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する極めて実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨を説明する。
【０００８】
基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は少なくとも第一皮膜層と第二皮膜層とが交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層を含むものであり、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−ｘ−ｙ−ｚ）Ｃｒ（ｘ）Ｖ（ｙ）Ｂ（ｚ）
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，２≦ｚ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−α−β−γ−δ）Ｃｒ（α）Ｖ（β）Ｔｉ(γ)Ｂ（δ）
ただし、２０≦α≦４０，２≦β≦１５，０．５≦γ≦１０，２≦δ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、この硬質皮膜全体の膜厚が１μｍ以上７μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【０００９】
また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層はＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物から成り、この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１０】
また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層はＣｒを主成分とする窒化物もしくは炭窒化物から成り、この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１１】
また、請求項１〜３いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、膜厚の１０％以下の押し込み深さでナノインデンテーション試験を行なったときに、ＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値が下式（４）の範囲にあることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
記
ηＩＴ＝（Ｗｅｌａｓｔ／Ｗｔｏｔａｌ）×１００＝４５〜７０ （４）
【００１２】
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、前記第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み硬さをＨＩＴ１、前記第二皮膜層の前記押し込み硬さをＨＩＴ２、前記第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値をηＩＴ１、前記第二皮膜層の前記ηＩＴの値をηＩＴ２としたとき、下記式（５）及び（６）を満足することを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
記
ＨＩＴ１＞ＨＩＴ２ （５）
ηＩＴ１＞ηＩＴ２ （６）
【００１３】
また、請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材はＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなる超硬合金であって、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は上述のように構成したから、皮膜の硬度と潤滑性が向上すると共に靱性が改良され、従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する極めて実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実験例１の実験結果を示すグラフである。
【図２】実験例２の実験結果を示す表である。
【図３】実験例３の実験結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
好適と考える本発明の実施形態を本発明の作用を示して簡単に説明する。
【００１７】
所定の成分から成る第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各５層以上積層させることで、所定の皮膜厚さの範囲で硬度と潤滑性の良さを維持したまま良好な靱性が発揮されて切削時の皮膜破壊を抑制することができ、それだけ焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する。
【実施例】
【００１８】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００１９】
本実施例は、基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は少なくとも第一皮膜層と第二皮膜層とが交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層を含むものであり、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−ｘ−ｙ−ｚ）Ｃｒ（ｘ）Ｖ（ｙ）Ｂ（ｚ）
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，２≦ｚ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−α−β−γ−δ）Ｃｒ（α）Ｖ（β）Ｔｉ(γ)Ｂ（δ）
ただし、２０≦α≦４０，２≦β≦１５，０．５≦γ≦１０，２≦δ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、この硬質皮膜全体の膜厚が１μｍ以上７μｍ以下の切削工具用硬質皮膜である。
【００２０】
各部を具体的に説明する。
【００２１】
基材は、ＷＣ（タングステンカーバイド）を主成分とする硬質粒子とＣｏ（コバルト）を主成分とする結合材とから成る超硬合金製のものが採用されている。具体的には、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものが採用されている。
【００２２】
この基材の直上には、Ｔｉ（チタン）を主成分とする窒化物若しくは炭窒化物から成る第三皮膜層が設けられている。この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されている。尚、第三皮膜層として、Ｃｒ（クロム）を主成分とする窒化物若しくは炭窒化物を採用しても良い。この場合も膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定すると良い。
【００２３】
この第三皮膜層の上には、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層が設けられている。
【００２４】
また、本実施例は、硬質皮膜の膜厚の１０％以下の押し込み深さでナノインデンテーション試験を行なったときに、ＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値が、次式ηＩＴ＝（Ｗｅｌａｓｔ／Ｗｔｏｔａｌ）×１００＝４５〜７０の範囲となるように構成される。
【００２５】
更に具体的には、第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み硬さをＨＩＴ１、第二皮膜層の前記押し込み硬さをＨＩＴ２、第一皮膜層の前記ηＩＴの値をηＩＴ１、第二皮膜層の前記ηＩＴの値をηＩＴ２としたとき、ＨＩＴ１＞ＨＩＴ２及びηＩＴ１＞ηＩＴ２を満足するように構成される。
【００２６】
上記構成を採用した理由及び上記構成による作用効果を以下に説明する。
【００２７】
はじめに、（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜（第一皮膜層）について、その組成を上述の範囲に設定した理由を述べる。
【００２８】
本発明者等は、ＡｌＣｒＮ皮膜に種々の第３元素を入れた皮膜について研究し、Ｖ及びＢを所定量含有させることで鉄鋼材料に対する耐摩耗性を向上できることを発見した。皮膜の硬度と潤滑性が改善されたためと考える。
【００２９】
Ｂについては、金属及び半金属のみの原子％でＢ量が２％に満たない場合その効果は小さいが、２％以上で硬度の向上効果が現れる。そして、Ｂ含有量が１５％を超えると硬度の値はあまり変化しなくなる。ＢはＡｌやＣｒに比べて高価な元素であるので、皮膜硬度と経済性を考慮して、切削工具用硬質皮膜の組成範囲として、金属及び半金属のみの原子％でＢ量が２％以上、１５％以下とした。
【００３０】
また、Ｖについては、金属及び半金属のみの原子％でＶ量が２％に満たない場合その効果は小さいが、２％以上で潤滑性の向上効果が現れ、その皮膜を被覆した工具の鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する。一方、Ｖ含有量を多くしすぎると皮膜の硬度が低下し、鉄鋼材料に対する耐摩耗性が低下してくる。また、ＶはＡｌやＣｒに比べて極めて高価な元素であるので、皮膜の潤滑性及び硬度と経済性とを考慮して、切削工具用硬質皮膜の組成範囲として、金属及び半金属のみの原子％でＶ量が２％以上、１５％以下とした。
【００３１】
超硬合金製エンドミルに（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ単層皮膜を被覆してＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）に切削テストを行ったところ、ＡｌＣｒＮ皮膜に比べて摩耗量の少ない良好な結果が得られた。Ｖ及びＢを所定量含有させたことで皮膜の硬度と潤滑性が改善されたためと考える。
【００３２】
しかし、皮膜厚さを４〜５μｍ以上に厚くすると、工具の摩耗量が不安定となり、切削テストの結果がばらつくようになった。切削後の工具を仔細に眺めると、皮膜が部分的に破壊して剥離したと思われる痕跡が見られる場合があった。
【００３３】
ところで，ＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定されるηＩＴの値は皮膜の塑性変形のしやすさを表しており、ηＩＴの値が小さいほど塑性変形しやすい皮膜であることを意味している。ηＩＴの値がより小さい皮膜を作成すれば、塑性変形しやすいことから靭性が高くなって切削時の皮膜破壊が起こりにくくなり、皮膜厚さを４〜５μｍ以上に厚くしても安定した切削が実現できるのではないかと考えた。
【００３４】
そこで、本発明者等は（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜をベースに鋭意研究した結果、（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜（第一皮膜層）と（ＡｌＣｒＶＴｉＢ）Ｎ皮膜（第二皮膜層）を交互に各５層以上積層した多層皮膜層を用いることで、硬度と潤滑性の良さを維持したままηＩＴの値を低減できて切削時の皮膜破壊が抑えられ，皮膜厚さが１μｍ〜７μｍの広い範囲で安定的に工具摩耗の少ない良好な切削性能が得られることを見出した。皮膜厚さが１μｍ未満では膜厚が薄すぎて工具の摩耗を抑制する効果が小さくなり、皮膜厚さが７μｍを超えると皮膜応力が大きくなりすぎて切削時の皮膜破壊が生じる可能性が高くなる。そのため、皮膜全体の膜厚を１μｍ以上７μｍ以下にするのが望ましい。
【００３５】
次に、（ＡｌＣｒＶＴｉＢ）Ｎ皮膜（第二皮膜層）について、その組成を上述の範囲に設定した理由を述べる。
【００３６】
研究過程で（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜にＴｉを添加することでηＩＴの値を低減できることを発見したが、同時に硬度も少し下がった。金属及び半金属のみの原子％でＴｉ量が０．５％に満たない場合ηＩＴ値の低減効果が小さく、一方、Ｔｉ量が１０％を超えると硬度が低くなりすぎる。
【００３７】
そこで、金属及び半金属のみの原子％でＴｉ量を０．５％以上１０％以下とした。（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ単層皮膜は硬度と潤滑性に優れるものの靭性がやや低く、そのため被削材種や皮膜厚さによっては切削中に皮膜破壊が生じて工具摩耗が大きくなる場合があったと考えられるが、（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜よりもηＩＴ値の低い（ＡｌＣｒＶＴｉＢ）Ｎ皮膜（第二皮膜層）を（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜（第一皮膜層）と積層させることで、第一皮膜層の硬度の高さと第二皮膜層の靭性の良さを両立させることができたものと考える。
【００３８】
また、第一皮膜層と第二皮膜層の積層数が少なすぎると最表層の皮膜層が皮膜全体の特性を支配する傾向が強まり積層の効果が低減するので、第一皮膜層と第二皮膜層を交互に各５層以上積層するのが望ましい。
【００３９】
また、皮膜全体のηＩＴ値を小さくしすぎると皮膜全体の硬度も低下してしまい、ηＩＴ値を大きくしすぎると靭性が不十分となるので、ηＩＴ値を４５以上７０以下とするのが望ましい。より望ましくはηＩＴ値を４５以上６５以下とするのが良い。また、（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜（第一皮膜層）は靭性よりも硬度を重視した皮膜なので、（ＡｌＣｒＶＴｉＢ）Ｎ皮膜（第二皮膜層）よりも押し込み硬さＨＩＴが大きいことが望ましい。
【００４０】
水溶性切削油あるいは不水溶性切削油を使用した鉄鋼材料の切削加工では工具に激しい熱サイクル（ヒートショック）が作用するが、基材と多層皮膜層との密着性が十分でない場合、その熱サイクルに伴う熱応力によって基材と多層皮膜層とが部分的に剥離を起こして工具の耐摩耗性を劣化させる問題がある。
【００４１】
そこで、基材と多層皮膜層との密着性を向上させるために、超硬合金や高速度鋼などとの密着性に優れるＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物を下地膜（第三皮膜層）として基材直上に形成することが望ましい。または、Ｃｒを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物を下地膜として基材直上に形成しても良い。下地膜の膜厚は、薄すぎると密着性向上の効果が小さくなり、逆に厚すぎると皮膜全体の硬度を低下させてしまうので、０．１μｍ〜０．５μｍの厚さで形成することが望ましい。
【００４２】
また、本発明の硬質皮膜は鉄鋼材料用切削工具向けに発明されたものであるが、その基材としては、ＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなる超硬合金が、鉄鋼材料用切削工具として硬度と靭性のバランスが取れた材料であることから望ましい。ＷＣ粒子の平均粒径を小さくしすぎると、結合材中にＷＣ粒子を均一に分散させることが難しくなり、超硬合金の抗折力低下を引き起こしやすい。一方、ＷＣ粒子を大きくしすぎると超硬合金の硬度が低下する。また、Ｃｏ含有量を少なくしすぎると超硬合金の抗折力が低下し、逆にＣｏ含有量を多くしすぎると超硬合金の硬度が低下する。そのため、ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍであり、Ｃｏ含有量が重量％で５〜１５％の超硬合金を基材とすることが望ましい。
【００４３】
本実施例は上述のように構成したから、所定の皮膜厚さの範囲で硬度と潤滑性の良さを維持したまま良好な靱性が発揮されて切削時の皮膜破壊を抑制することができ、それだけ焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する。
【００４４】
よって、本実施例は、皮膜の硬度と潤滑性が向上すると共に靱性が改良され、従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する極めて実用性に秀れたものとなる。
【００４５】
以下、本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。
【００４６】
［実験例１］
成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング装置を用い、金属及び半金属成分の蒸発源として所定の組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、反応ガスとしてＮ２ガスを成膜装置内に導入して、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ単層皮膜を形成したサンプルと、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ単層皮膜を形成したサンプルを作成した。夫々、下地膜を含めた皮膜厚さを約３．５μｍとした。
【００４７】
そして、夫々の皮膜に対して当該皮膜の膜厚の１０％以下の押し込み深さでＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）の規定に従いナノインデンテーション試験を行った。圧子はビッカース圧子を用いた。夫々の皮膜の「圧子押し込み深さ−圧子押し込み荷重」曲線を図１に示す。図１にはηＩＴとＨＩＴの測定値も示している。尚、図１（ａ）が（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ皮膜の試験結果、図１（ｂ）が（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ皮膜の試験結果である。
【００４８】
図１から、（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ皮膜の方がηＩＴの値が低く、（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ皮膜の方がＨＩＴの値が高くなっていることが認められる。
【００４９】
［実験例２］
外径３ｍｍの超硬合金製２枚刃ボールエンドミルと外径４ｍｍの超硬合金製４枚刃スクエアエンドミルをアーク放電式イオンプレーティング装置内に取り付け、実験例１と同様の条件で成膜しサンプルを作成した。具体的には、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ単層皮膜を形成したサンプルＮｏ．１と、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ単層皮膜を形成したサンプルＮｏ．２を作成した。また、実験例２では、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ皮膜層と（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ皮膜層を交互に各４０層積層したサンプルＮｏ．３も作成した。下地膜を含めた皮膜厚さはＮｏ．１〜３の３種類の皮膜のいずれも約３．５μｍとした。
【００５０】
夫々の皮膜を被覆したボールエンドミルとスクエアエンドミルを用いて切削試験を行なった。切削試験はＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）とＳ５０Ｃ生材(焼鈍材）の２種類の被削材を切削した。ＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）に対しては、ボールエンドミルを２００００ｍｉｎ−１の回転速度で回転させ、送り速度１６８０ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み量Ａｄ＝０．２４ｍｍ、Ｐｆ＝０．７２ｍｍとし、水溶性切削油をクーラントとして切削試験を行った。また、Ｓ５０Ｃ生材(焼鈍材）に対しては、スクエアエンドミルを７８００ｍｉｎ−１にて回転させ、送り速度７２０ｍｍ/ｍｉｎ、切り込み量Ａｄ＝４ｍｍとして、乾式条件下で溝加工を行った。切削試験の結果を図２に示す。図２には各皮膜のナノインデンテーション試験より得られた諸特性も示す。
【００５１】
図２から、Ｎｏ．１の皮膜は高いＨＩＴを有し、硬度の高いＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）に対して良好な耐摩耗性を示すものの、軟質のＳ５０Ｃ生材（焼鈍材）に対する耐摩耗性が十分とは言えない。一方、Ｎｏ．２の皮膜は低いηＩＴを有し、軟質のＳ５０Ｃ生材（焼鈍材）に対して良好な耐摩耗性を示すものの、硬度の高いＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）に対する耐摩耗性が十分とは言えない。本実施例である、高いＨＩＴを有する皮膜層と低いηＩＴを有する皮膜層を積層させたＮｏ．３の皮膜は、どちらの被削材に対しても良好な耐摩耗性を有していることが認められる。
【００５２】
［実験例３］
成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング装置を用い、金属及び半金属成分の蒸発源として各種組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、また、反応ガスとしてＮ２ガスを成膜装置内に導入して、成膜基材としての超硬合金製２枚刃ボールエンドミル（外径３ｍｍ）に所定の皮膜を成膜した。成膜は、Ｎ２ガス圧を３〜１０Ｐａとし、基材に−１００〜−３００Ｖのバイアス電圧を印加して行なった。基材の超硬合金はＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなり、ＷＣ粒子の平均粒径が１μｍ、Ｃｏ含有量が８重量％のものを使用した。成膜に当たっては、全皮膜の膜厚が３．０〜４．０μｍになるようにエンドミルに成膜した。所定の皮膜を被覆したエンドミルを用いて、次の切削条件で切削試験を行い。エンドミル逃げ面の摩耗幅を測定した。
【００５３】
切削試験として、被削材をＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）とし、湿式条件下で切削を行った。外径３ｍｍのエンドミルを２００００ｍｉｎ−１の回転速度で回転させ、送り速度１６８０ｍｍ/ｍｉｎ、切り込み量Ａｄ＝０．２４ｍｍ、Ｐｆ＝０．７２ｍｍとし、水溶性切削油をクーラントとして試験を行った。切削試験の結果を図３に示す。
【００５４】
尚、図３中Ｎｏ．３〜７は第一皮膜層と第二皮膜層を各５層以上積層したものである（Ｎｏ．３は前述の実験例２（図２）におけるＮｏ．３の皮膜が被覆されたボールエンドミル（ＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）を切削したもの）である。）。また、Ｎｏ．３〜７のηＩＴ値は４５〜７０である。また、Ｎｏ．８，９は第一皮膜層欄の皮膜を単層成膜したものである。
【００５５】
図３から本実施例は比較例に比べてエンドミル逃げ面摩耗幅の低減、すなわち、耐摩耗性の向上が認められる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンドミル，ドリル等の切削工具に被覆して耐摩耗性を向上させるための硬質皮膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属切削用工具に被覆する硬質耐摩耗皮膜としてＴｉＮ，ＴｉＣＮ若しくはＴｉＡｌＮが使用されてきた。特に、特許文献１及び特許文献２に代表されるＴｉＡｌＮ系皮膜はＴｉＮにＡｌを添加することで硬度と耐熱性を改良させたもので、耐摩耗性の良さから焼入れ鋼を含む鉄鋼材料を加工するための切削工具用硬質皮膜として広く用いられている。
【０００３】
更に、近年では鉄鋼材料に対する耐摩耗性をさらに向上させることが工具に求められてきており、ＴｉＮの代わりにＣｒＮをベースとすることでＴｉＡｌＮ皮膜よりも耐熱性を向上させた特許文献３等に開示されるようなＡｌＣｒＮ皮膜が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−５６５６５号公報
【特許文献２】特開平２−１９４１５９号公報
【特許文献３】特許第３０３９３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＡｌＣｒＮ皮膜はＴｉＡｌＮ皮膜に比べて耐熱性は良いものの硬度がやや小さく、そのため、焼入れ鋼に対する耐摩耗性が十分とは言えない。
【０００６】
本発明は、上述のような現状に鑑み、本発明者等が切削工具用硬質皮膜における皮膜組織、皮膜の機械的特性及び皮膜層構成について研究し、硬質皮膜の硬度及び潤滑性を向上させることにより上記課題を解決できるとの知見を得て完成したもので、従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する極めて実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨を説明する。
【０００８】
基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は少なくとも第一皮膜層と第二皮膜層とが交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層を含むものであり、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−ｘ−ｙ−ｚ）Ｃｒ（ｘ）Ｖ（ｙ）Ｂ（ｚ）
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，２≦ｚ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−α−β−γ−δ）Ｃｒ（α）Ｖ（β）Ｔｉ(γ)Ｂ（δ）
ただし、２０≦α≦４０，２≦β≦１５，０．５≦γ≦１０，２≦δ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、この硬質皮膜全体の膜厚が１μｍ以上７μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【０００９】
また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層はＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物から成り、この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１０】
また、請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層はＣｒを主成分とする窒化物もしくは炭窒化物から成り、この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【００１１】
また、請求項１〜３いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、膜厚の１０％以下の押し込み深さでナノインデンテーション試験を行なったときに、ＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値が下式（４）の範囲にあることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
記
ηＩＴ＝（Ｗｅｌａｓｔ／Ｗｔｏｔａｌ）×１００＝４５〜７０ （４）
【００１２】
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、前記第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み硬さをＨＩＴ１、前記第二皮膜層の前記押し込み硬さをＨＩＴ２、前記第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値をηＩＴ１、前記第二皮膜層の前記ηＩＴの値をηＩＴ２としたとき、下記式（５）及び（６）を満足することを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
記
ＨＩＴ１＞ＨＩＴ２ （５）
ηＩＴ１＞ηＩＴ２ （６）
【００１３】
また、請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材はＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなる超硬合金であって、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜に係るものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は上述のように構成したから、皮膜の硬度と潤滑性が向上すると共に靱性が改良され、従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する極めて実用性に秀れた切削工具用硬質皮膜となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実験例１の実験結果を示すグラフである。
【図２】実験例２の実験結果を示す表である。
【図３】実験例３の実験結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
好適と考える本発明の実施形態を本発明の作用を示して簡単に説明する。
【００１７】
所定の成分から成る第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各５層以上積層させることで、所定の皮膜厚さの範囲で硬度と潤滑性の良さを維持したまま良好な靱性が発揮されて切削時の皮膜破壊を抑制することができ、それだけ焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する。
【実施例】
【００１８】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００１９】
本実施例は、基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は少なくとも第一皮膜層と第二皮膜層とが交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層を含むものであり、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−ｘ−ｙ−ｚ）Ｃｒ（ｘ）Ｖ（ｙ）Ｂ（ｚ）
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，２≦ｚ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−α−β−γ−δ）Ｃｒ（α）Ｖ（β）Ｔｉ(γ)Ｂ（δ）
ただし、２０≦α≦４０，２≦β≦１５，０．５≦γ≦１０，２≦δ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、この硬質皮膜全体の膜厚が１μｍ以上７μｍ以下の切削工具用硬質皮膜である。
【００２０】
各部を具体的に説明する。
【００２１】
基材は、ＷＣ（タングステンカーバイド）を主成分とする硬質粒子とＣｏ（コバルト）を主成分とする結合材とから成る超硬合金製のものが採用されている。具体的には、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものが採用されている。
【００２２】
この基材の直上には、Ｔｉ（チタン）を主成分とする窒化物若しくは炭窒化物から成る第三皮膜層が設けられている。この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されている。尚、第三皮膜層として、Ｃｒ（クロム）を主成分とする窒化物若しくは炭窒化物を採用しても良い。この場合も膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定すると良い。
【００２３】
この第三皮膜層の上には、第一皮膜層と第二皮膜層とを交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層が設けられている。
【００２４】
また、本実施例は、硬質皮膜の膜厚の１０％以下の押し込み深さでナノインデンテーション試験を行なったときに、ＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値が、次式ηＩＴ＝（Ｗｅｌａｓｔ／Ｗｔｏｔａｌ）×１００＝４５〜７０の範囲となるように構成される。
【００２５】
更に具体的には、第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み硬さをＨＩＴ１、第二皮膜層の前記押し込み硬さをＨＩＴ２、第一皮膜層の前記ηＩＴの値をηＩＴ１、第二皮膜層の前記ηＩＴの値をηＩＴ２としたとき、ＨＩＴ１＞ＨＩＴ２及びηＩＴ１＞ηＩＴ２を満足するように構成される。
【００２６】
上記構成を採用した理由及び上記構成による作用効果を以下に説明する。
【００２７】
はじめに、（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜（第一皮膜層）について、その組成を上述の範囲に設定した理由を述べる。
【００２８】
本発明者等は、ＡｌＣｒＮ皮膜に種々の第３元素を入れた皮膜について研究し、Ｖ及びＢを所定量含有させることで鉄鋼材料に対する耐摩耗性を向上できることを発見した。皮膜の硬度と潤滑性が改善されたためと考える。
【００２９】
Ｂについては、金属及び半金属のみの原子％でＢ量が２％に満たない場合その効果は小さいが、２％以上で硬度の向上効果が現れる。そして、Ｂ含有量が１５％を超えると硬度の値はあまり変化しなくなる。ＢはＡｌやＣｒに比べて高価な元素であるので、皮膜硬度と経済性を考慮して、切削工具用硬質皮膜の組成範囲として、金属及び半金属のみの原子％でＢ量が２％以上、１５％以下とした。
【００３０】
また、Ｖについては、金属及び半金属のみの原子％でＶ量が２％に満たない場合その効果は小さいが、２％以上で潤滑性の向上効果が現れ、その皮膜を被覆した工具の鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する。一方、Ｖ含有量を多くしすぎると皮膜の硬度が低下し、鉄鋼材料に対する耐摩耗性が低下してくる。また、ＶはＡｌやＣｒに比べて極めて高価な元素であるので、皮膜の潤滑性及び硬度と経済性とを考慮して、切削工具用硬質皮膜の組成範囲として、金属及び半金属のみの原子％でＶ量が２％以上、１５％以下とした。
【００３１】
超硬合金製エンドミルに（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ単層皮膜を被覆してＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）に切削テストを行ったところ、ＡｌＣｒＮ皮膜に比べて摩耗量の少ない良好な結果が得られた。Ｖ及びＢを所定量含有させたことで皮膜の硬度と潤滑性が改善されたためと考える。
【００３２】
しかし、皮膜厚さを４〜５μｍ以上に厚くすると、工具の摩耗量が不安定となり、切削テストの結果がばらつくようになった。切削後の工具を仔細に眺めると、皮膜が部分的に破壊して剥離したと思われる痕跡が見られる場合があった。
【００３３】
ところで，ＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定されるηＩＴの値は皮膜の塑性変形のしやすさを表しており、ηＩＴの値が小さいほど塑性変形しやすい皮膜であることを意味している。ηＩＴの値がより小さい皮膜を作成すれば、塑性変形しやすいことから靭性が高くなって切削時の皮膜破壊が起こりにくくなり、皮膜厚さを４〜５μｍ以上に厚くしても安定した切削が実現できるのではないかと考えた。
【００３４】
そこで、本発明者等は（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜をベースに鋭意研究した結果、（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜（第一皮膜層）と（ＡｌＣｒＶＴｉＢ）Ｎ皮膜（第二皮膜層）を交互に各５層以上積層した多層皮膜層を用いることで、硬度と潤滑性の良さを維持したままηＩＴの値を低減できて切削時の皮膜破壊が抑えられ，皮膜厚さが１μｍ〜７μｍの広い範囲で安定的に工具摩耗の少ない良好な切削性能が得られることを見出した。皮膜厚さが１μｍ未満では膜厚が薄すぎて工具の摩耗を抑制する効果が小さくなり、皮膜厚さが７μｍを超えると皮膜応力が大きくなりすぎて切削時の皮膜破壊が生じる可能性が高くなる。そのため、皮膜全体の膜厚を１μｍ以上７μｍ以下にするのが望ましい。
【００３５】
次に、（ＡｌＣｒＶＴｉＢ）Ｎ皮膜（第二皮膜層）について、その組成を上述の範囲に設定した理由を述べる。
【００３６】
研究過程で（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜にＴｉを添加することでηＩＴの値を低減できることを発見したが、同時に硬度も少し下がった。金属及び半金属のみの原子％でＴｉ量が０．５％に満たない場合ηＩＴ値の低減効果が小さく、一方、Ｔｉ量が１０％を超えると硬度が低くなりすぎる。
【００３７】
そこで、金属及び半金属のみの原子％でＴｉ量を０．５％以上１０％以下とした。（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ単層皮膜は硬度と潤滑性に優れるものの靭性がやや低く、そのため被削材種や皮膜厚さによっては切削中に皮膜破壊が生じて工具摩耗が大きくなる場合があったと考えられるが、（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜よりもηＩＴ値の低い（ＡｌＣｒＶＴｉＢ）Ｎ皮膜（第二皮膜層）を（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜（第一皮膜層）と積層させることで、第一皮膜層の硬度の高さと第二皮膜層の靭性の良さを両立させることができたものと考える。
【００３８】
また、第一皮膜層と第二皮膜層の積層数が少なすぎると最表層の皮膜層が皮膜全体の特性を支配する傾向が強まり積層の効果が低減するので、第一皮膜層と第二皮膜層を交互に各５層以上積層するのが望ましい。
【００３９】
また、皮膜全体のηＩＴ値を小さくしすぎると皮膜全体の硬度も低下してしまい、ηＩＴ値を大きくしすぎると靭性が不十分となるので、ηＩＴ値を４５以上７０以下とするのが望ましい。より望ましくはηＩＴ値を４５以上６５以下とするのが良い。また、（ＡｌＣｒＶＢ）Ｎ皮膜（第一皮膜層）は靭性よりも硬度を重視した皮膜なので、（ＡｌＣｒＶＴｉＢ）Ｎ皮膜（第二皮膜層）よりも押し込み硬さＨＩＴが大きいことが望ましい。
【００４０】
水溶性切削油あるいは不水溶性切削油を使用した鉄鋼材料の切削加工では工具に激しい熱サイクル（ヒートショック）が作用するが、基材と多層皮膜層との密着性が十分でない場合、その熱サイクルに伴う熱応力によって基材と多層皮膜層とが部分的に剥離を起こして工具の耐摩耗性を劣化させる問題がある。
【００４１】
そこで、基材と多層皮膜層との密着性を向上させるために、超硬合金や高速度鋼などとの密着性に優れるＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物を下地膜（第三皮膜層）として基材直上に形成することが望ましい。または、Ｃｒを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物を下地膜として基材直上に形成しても良い。下地膜の膜厚は、薄すぎると密着性向上の効果が小さくなり、逆に厚すぎると皮膜全体の硬度を低下させてしまうので、０．１μｍ〜０．５μｍの厚さで形成することが望ましい。
【００４２】
また、本発明の硬質皮膜は鉄鋼材料用切削工具向けに発明されたものであるが、その基材としては、ＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなる超硬合金が、鉄鋼材料用切削工具として硬度と靭性のバランスが取れた材料であることから望ましい。ＷＣ粒子の平均粒径を小さくしすぎると、結合材中にＷＣ粒子を均一に分散させることが難しくなり、超硬合金の抗折力低下を引き起こしやすい。一方、ＷＣ粒子を大きくしすぎると超硬合金の硬度が低下する。また、Ｃｏ含有量を少なくしすぎると超硬合金の抗折力が低下し、逆にＣｏ含有量を多くしすぎると超硬合金の硬度が低下する。そのため、ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍであり、Ｃｏ含有量が重量％で５〜１５％の超硬合金を基材とすることが望ましい。
【００４３】
本実施例は上述のように構成したから、所定の皮膜厚さの範囲で硬度と潤滑性の良さを維持したまま良好な靱性が発揮されて切削時の皮膜破壊を抑制することができ、それだけ焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する。
【００４４】
よって、本実施例は、皮膜の硬度と潤滑性が向上すると共に靱性が改良され、従来のＡｌＣｒＮ皮膜に比し、焼入れ鋼を含む鉄鋼材料に対する耐摩耗性が向上する極めて実用性に秀れたものとなる。
【００４５】
以下、本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。
【００４６】
［実験例１］
成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング装置を用い、金属及び半金属成分の蒸発源として所定の組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、反応ガスとしてＮ２ガスを成膜装置内に導入して、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ単層皮膜を形成したサンプルと、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ単層皮膜を形成したサンプルを作成した。夫々、下地膜を含めた皮膜厚さを約３．５μｍとした。
【００４７】
そして、夫々の皮膜に対して当該皮膜の膜厚の１０％以下の押し込み深さでＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）の規定に従いナノインデンテーション試験を行った。圧子はビッカース圧子を用いた。夫々の皮膜の「圧子押し込み深さ−圧子押し込み荷重」曲線を図１に示す。図１にはηＩＴとＨＩＴの測定値も示している。尚、図１（ａ）が（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ皮膜の試験結果、図１（ｂ）が（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ皮膜の試験結果である。
【００４８】
図１から、（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ皮膜の方がηＩＴの値が低く、（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ皮膜の方がＨＩＴの値が高くなっていることが認められる。
【００４９】
［実験例２］
外径３ｍｍの超硬合金製２枚刃ボールエンドミルと外径４ｍｍの超硬合金製４枚刃スクエアエンドミルをアーク放電式イオンプレーティング装置内に取り付け、実験例１と同様の条件で成膜しサンプルを作成した。具体的には、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ単層皮膜を形成したサンプルＮｏ．１と、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ単層皮膜を形成したサンプルＮｏ．２を作成した。また、実験例２では、超硬合金基材直上に０．３μｍ厚さのＴｉＮ皮膜層（下地膜）を成膜しその上に（Ａｌ６１Ｃｒ２９Ｖ５Ｂ５）Ｎ皮膜層と（Ａｌ６１Ｃｒ２６Ｖ５Ｔｉ３Ｂ５）Ｎ皮膜層を交互に各４０層積層したサンプルＮｏ．３も作成した。下地膜を含めた皮膜厚さはＮｏ．１〜３の３種類の皮膜のいずれも約３．５μｍとした。
【００５０】
夫々の皮膜を被覆したボールエンドミルとスクエアエンドミルを用いて切削試験を行なった。切削試験はＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）とＳ５０Ｃ生材(焼鈍材）の２種類の被削材を切削した。ＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）に対しては、ボールエンドミルを２００００ｍｉｎ−１の回転速度で回転させ、送り速度１６８０ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み量Ａｄ＝０．２４ｍｍ、Ｐｆ＝０．７２ｍｍとし、水溶性切削油をクーラントとして切削試験を行った。また、Ｓ５０Ｃ生材(焼鈍材）に対しては、スクエアエンドミルを７８００ｍｉｎ−１にて回転させ、送り速度７２０ｍｍ/ｍｉｎ、切り込み量Ａｄ＝４ｍｍとして、乾式条件下で溝加工を行った。切削試験の結果を図２に示す。図２には各皮膜のナノインデンテーション試験より得られた諸特性も示す。
【００５１】
図２から、Ｎｏ．１の皮膜は高いＨＩＴを有し、硬度の高いＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）に対して良好な耐摩耗性を示すものの、軟質のＳ５０Ｃ生材（焼鈍材）に対する耐摩耗性が十分とは言えない。一方、Ｎｏ．２の皮膜は低いηＩＴを有し、軟質のＳ５０Ｃ生材（焼鈍材）に対して良好な耐摩耗性を示すものの、硬度の高いＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）に対する耐摩耗性が十分とは言えない。本実施例である、高いＨＩＴを有する皮膜層と低いηＩＴを有する皮膜層を積層させたＮｏ．３の皮膜は、どちらの被削材に対しても良好な耐摩耗性を有していることが認められる。
【００５２】
［実験例３］
成膜装置としてアーク放電式イオンプレーティング装置を用い、金属及び半金属成分の蒸発源として各種組成のターゲットを成膜装置内に取り付け、また、反応ガスとしてＮ２ガスを成膜装置内に導入して、成膜基材としての超硬合金製２枚刃ボールエンドミル（外径３ｍｍ）に所定の皮膜を成膜した。成膜は、Ｎ２ガス圧を３〜１０Ｐａとし、基材に−１００〜−３００Ｖのバイアス電圧を印加して行なった。基材の超硬合金はＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなり、ＷＣ粒子の平均粒径が１μｍ、Ｃｏ含有量が８重量％のものを使用した。成膜に当たっては、全皮膜の膜厚が３．０〜４．０μｍになるようにエンドミルに成膜した。所定の皮膜を被覆したエンドミルを用いて、次の切削条件で切削試験を行い。エンドミル逃げ面の摩耗幅を測定した。
【００５３】
切削試験として、被削材をＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）とし、湿式条件下で切削を行った。外径３ｍｍのエンドミルを２００００ｍｉｎ−１の回転速度で回転させ、送り速度１６８０ｍｍ/ｍｉｎ、切り込み量Ａｄ＝０．２４ｍｍ、Ｐｆ＝０．７２ｍｍとし、水溶性切削油をクーラントとして試験を行った。切削試験の結果を図３に示す。
【００５４】
尚、図３中Ｎｏ．３〜７は第一皮膜層と第二皮膜層を各５層以上積層したものである（Ｎｏ．３は前述の実験例２（図２）におけるＮｏ．３の皮膜が被覆されたボールエンドミル（ＳＫＤ６１焼入材（５０ＨＲＣ）を切削したもの）である。）。また、Ｎｏ．３〜７のηＩＴ値は４５〜７０である。また、Ｎｏ．８，９は第一皮膜層欄の皮膜を単層成膜したものである。
【００５５】
図３から本実施例は比較例に比べてエンドミル逃げ面摩耗幅の低減、すなわち、耐摩耗性の向上が認められる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は少なくとも第一皮膜層と第二皮膜層とが交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層を含むものであり、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−ｘ−ｙ−ｚ）Ｃｒ（ｘ）Ｖ（ｙ）Ｂ（ｚ）
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，２≦ｚ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−α−β−γ−δ）Ｃｒ（α）Ｖ（β）Ｔｉ(γ)Ｂ（δ）
ただし、２０≦α≦４０，２≦β≦１５，０．５≦γ≦１０，２≦δ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、この硬質皮膜全体の膜厚が１μｍ以上７μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項２】
請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層はＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物から成り、この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項３】
請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層はＣｒを主成分とする窒化物もしくは炭窒化物から成り、この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、膜厚の１０％以下の押し込み深さでナノインデンテーション試験を行なったときに、ＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値が下式（１）の範囲にあることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
記
ηＩＴ＝（Ｗｅｌａｓｔ／Ｗｔｏｔａｌ）×１００＝４５〜７０ （１）
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、前記第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み硬さをＨＩＴ１、前記第二皮膜層の前記押し込み硬さをＨＩＴ２、前記第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値をηＩＴ１、前記第二皮膜層の前記ηＩＴの値をηＩＴ２としたとき、下記式（２）及び（３）を満足することを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
記
ＨＩＴ１＞ＨＩＴ２ （２）
ηＩＴ１＞ηＩＴ２ （３）
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材はＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなる超硬合金であって、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項１】
基材上に形成された切削工具用硬質皮膜であって、この硬質皮膜は少なくとも第一皮膜層と第二皮膜層とが交互に各５層以上積層して成る多層皮膜層を含むものであり、前記第一皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−ｘ−ｙ−ｚ）Ｃｒ（ｘ）Ｖ（ｙ）Ｂ（ｚ）
ただし、２０≦ｘ≦４０，２≦ｙ≦１５，２≦ｚ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、前記第二皮膜層は金属及び半金属成分が原子％で、
Ａｌ（１００−α−β−γ−δ）Ｃｒ（α）Ｖ（β）Ｔｉ(γ)Ｂ（δ）
ただし、２０≦α≦４０，２≦β≦１５，０．５≦γ≦１０，２≦δ≦１５
と表され、非金属元素としてＮを含み不可避不純物を含むものであり、この硬質皮膜全体の膜厚が１μｍ以上７μｍ以下であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項２】
請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層はＴｉを主成分とする窒化物若しくは炭窒化物から成り、この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項３】
請求項１記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材直上には第三皮膜層が設けられ、この第三皮膜層はＣｒを主成分とする窒化物もしくは炭窒化物から成り、この第三皮膜層の膜厚は０．１μｍ〜０．５μｍに設定されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、膜厚の１０％以下の押し込み深さでナノインデンテーション試験を行なったときに、ＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値が下式（１）の範囲にあることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
記
ηＩＴ＝（Ｗｅｌａｓｔ／Ｗｔｏｔａｌ）×１００＝４５〜７０ （１）
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、この硬質皮膜は、前記第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み硬さをＨＩＴ１、前記第二皮膜層の前記押し込み硬さをＨＩＴ２、前記第一皮膜層のＩＳＯ１４５７７−１：２００２（Ｅ）で規定される押し込み時の機械的仕事Ｗｔｏｔａｌと弾性変形仕事Ｗｅｌａｓｔの比ηＩＴの値をηＩＴ１、前記第二皮膜層の前記ηＩＴの値をηＩＴ２としたとき、下記式（２）及び（３）を満足することを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
記
ＨＩＴ１＞ＨＩＴ２ （２）
ηＩＴ１＞ηＩＴ２ （３）
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項に記載の切削工具用硬質皮膜において、前記基材はＷＣを主成分とする硬質粒子とＣｏを主成分とする結合材からなる超硬合金であって、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が重量％で５〜１５％に設定されたものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２１８５１３（Ｐ２０１１−２１８５１３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９１９９８（Ｐ２０１０−９１９９８）
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００１１５１２０）ユニオンツール株式会社 (44)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００１１５１２０）ユニオンツール株式会社 (44)
【Ｆターム（参考）】
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