JP2005095986A - 高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具を提供する。
【解決手段】基体の表面に、ＡｌとＴｉとＢの複合窒化物硬質被覆層を１〜１５μｍの層厚で物理蒸着し、硬質被覆層を、（ａ）ＡｌとＴｉの複合窒化物で構成された固溶体素地に、窒化硼素微粒が分散分布し、かつ窒化硼素微粒の含有割合をＢ成分の含有割合で示すと、ＡｌおよびＴｉ成分との合量に占める原子比で０．００１〜０．０５である組織を有し、（ｂ）さらに、上記（ａ）の固溶体素地が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ両点間でＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有すると共に、上記Ａｌ最高含有点が、特定の」組成式を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである硬質被覆層で構成する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、硬質被覆層がすぐれた高温硬さと耐熱性、さらに高強度を有し、したがって各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、特に高熱発生を伴う高速で、かつ高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合に、硬質被覆層がチッピング（微小欠け）などの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具（以下、被覆サーメット工具という）に関するものである。

一般に、被覆サーメット工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、また前記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。

また、被覆サーメット工具として、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成されたサーメット基体の表面に、組成式：（Ｔｉ_1-(Ｅ+Ｆ) Ａｌ_Ｅ Ｂ_Ｆ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．４０〜０．６０、Ｆは０．００１〜０．０５を示す）を満足するＴｉ（チタン）とＡｌ（アルミニウム）とＢ(ボロン)の複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの層厚で物理蒸着してなる被覆サーメット工具が知られており、かつ前記被覆サーメット工具の硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層が、構成成分であるＡｌによって高温硬さと耐熱性、同Ｔｉによって強度を具備し、さらに同Ｂによる一段の高温硬さ向上効果と相俟って、これを各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いた場合にすぐれた切削性能を発揮することも知られている。

さらに、上記の被覆サーメット工具が、例えば図２に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に上記のサーメット基体を装入し、以下一般的条件として、ヒータで装置内を４００〜５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、電流：８０〜１５０Ａ、電圧：−２０〜−３０Ｖの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、１〜１０Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記サーメット基体には、−３０〜−１５０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記サーメット基体の表面に、上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知られている。
特開平４−２６７５６号公報

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求も強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向を深め、かつ高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工が強く求められる傾向にあるが、上記の従来被覆サーメット工具においては、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、特に切削加工を高速で、かつ高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合には、硬質被覆層の高温硬さおよび耐熱性が不足し、かつ強度も不十分であるために、硬質被覆層の摩耗進行が一段と促進し、かつチッピングも発生し易くなることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に高速重切削加工条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆サーメット工具を開発すべく、上記の従来被覆サーメット工具を構成する硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、
（ａ）上記の図２に示されるアークイオンプレーティング装置を用いて形成された従来被覆サーメット工具を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な高温硬さと耐熱性、さらに強度を有するが、例えば図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティング装置、すなわち装置中央部にサーメット基体装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に相対的にＡｌ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金、他方側に相対的にＴｉ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金をカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置にテーブル外周部に沿って複数のサーメット基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的でサーメット基体自体も自転させながら、前記サーメット基体に印加するバイアス電圧を、上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層の形成時に印加されるバイアス電圧、すなわち−３０〜−１５０Ｖに比して相対的に低い−３００〜−４５０Ｖとした条件（前記サーメット基体に印加されるバイアス電圧以外の条件は上記の一般的条件と同じ）で、両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記サーメット基体の表面にＡｌとＴｉとＢの複合窒化物［以下、（Ａｌ−Ｔｉ，Ｂ）Ｎで示す］層を形成すると、この結果の（Ａｌ−Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層においては、前記サーメット基体への低電圧印加（−３００〜−４５０Ｖのバイアス電圧印加）によって前記カソード電極のＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金およびＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金中に含有のＢ成分が独自に窒化硼素（以下、ＢＮで示す）を形成し、これが微粒となってＡｌとＴｉの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎで示す］で構成された固溶体素地に均一に分散分布した組織を示すようになり、さらに、回転テーブル上にリング状に配置された前記サーメット基体が上記の一方側の相対的にＡｌ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金のカソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの固溶体素地中にＡｌ最高含有点が形成され、また前記サーメット基体が上記の他方側の相対的にＴｉ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金のカソード電極に最も接近した時点では前記固溶体素地中にＴｉ最高含有点が形成され、この結果上記回転テーブルの回転によって前記固溶体素地中には層厚方向にそって前記Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Ａｌ最高含有点から前記Ｔｉ最高含有点、前記Ｔｉ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造が形成されるようになること。

（ｂ）上記（ａ）の固溶体素地が繰り返し連続変化成分濃度分布構造を有する（Ａｌ−Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層の形成において、対向配置の一方側のカソード電極（蒸発源）であるＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金におけるＡｌ含有量を上記の従来Ｔｉ−Ａｌ−Ｂ合金のＡｌ含有量に比して相対的に高いものとし、かつ同他方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金におけるＡｌ含有量を上記の従来Ｔｉ−Ａｌ−Ｂ合金のＡｌ含有量に比して相対的に低いものとする共に、これらカソード電極を構成する合金のＢ含有量も考慮し、さらにサーメット基体が装着されている回転テーブルの回転速度を制御して、
上記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの固溶体素地に上記ＢＮ微粒が、Ｂ成分の含有割合で示して、ＡｌおよびＴｉ成分との合量に占める原子比で０．００１〜０．０５の割合で存在し、
かつ、上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_1-X Ｔｉ_X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５を示す）、
上記Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-Y Ａｌ_Y ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．２５を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μｍとすると、
上記Ａｌ最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層に比してＡｌ含有割合が相対的に高くなるので、より一段とすぐれた高温硬さと耐熱性を示し、一方上記Ｔｉ最高含有点部分では、前記従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層に比してＴｉ含有割合が相対的に高くなるので、一段と高い強度を具備し、かつこれらＡｌ最高含有点とＴｉ最高含有点の間隔をきわめて小さくしたことから、上記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの固溶体素地に均一に分散分布する著しく硬質のＢＮ微粒の存在と相俟って、層全体の特性として高強度を保持した状態で、すぐれた高温硬さと耐熱性を具備するようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の（Ａｌ−Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層からなる被覆サーメット工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、特に高熱発生および高い機械的衝撃を伴う、高速重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、サーメット基体の表面に、（Ａｌ−Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの層厚で物理蒸着してなる被覆サーメット工具において、前記硬質被覆層が、
（ａ）（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎで構成された固溶体素地に、ＢＮ微粒が分散分布し、かつ前記ＢＮ微粒の含有割合をＢ成分の含有割合で示すと、ＡｌおよびＴｉ成分との合量に占める原子比で０．００１〜０．０５である組織を有し、
（ｂ）さらに、上記（ａ）の固溶体素地が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ｔｉ最高含有点、前記Ｔｉ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有すると共に、
上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_1-X Ｔｉ_X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５を示す）、
上記Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-Y Ａｌ_Y ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．２５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである、
高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆サーメット工具において、これを構成する硬質被覆層の構成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）固溶体素地に分散分布するＢＮ微粒の含有割合
ＢＮ微粒はきわめて硬質で、固溶体素地に分散分布して層自体の高温硬さを著しく向上させ、もって硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するものであるが、その含有割合が、Ｂ成分の含有割合に換算し、かつＡｌおよびＴｉ成分との合量に占める原子比で０．００１未満（この場合上記アークイオンプレーティング装置のカソード電極である対向配置の両合金のＢ含有量も同じく０．００１未満となる）では、ＢＮ微粒の分散割合が少な過ぎて所望の高温硬さ向上効果が得られず、一方その含有割合が、同じく０．０５を越える(同じく前記カソード電極である対向配置の両合金のＢ含有量も０．０５を越える)と、Ｂ成分が固溶体素地に含有するようになり、硬質被覆層の強度が急激に低下し、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その含有割合をＢ成分の含有割合に換算し、かつＡｌおよびＴｉ成分との合量に占める原子比で０．００１〜０．０５と定めた。

（ｂ）固溶体素地のＡｌ最高含有点の組成
硬質被覆層の固溶体素地を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）ＮのＡｌ最高含有点におけるＡｌ成分は、高温硬さと耐熱性を向上させ、同Ｔｉ成分は強度を向上させる作用があり、したがってＡｌ成分の含有割合が高くなればなるほど高温硬さと耐熱性は向上し、高熱発生を伴う高速切削に適合したものになるが、Ｔｉの割合を示すＸ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比）で０．０５未満になると、相対的にＡｌの割合が多くなり過ぎて、高強度を有するＴｉ最高含有点が隣接して存在しても層自体の強度低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方Ｔｉ成分の割合を示すＸ値が同０．２５を越えると、相対的にＡｌの割合が少なくなることから、高温硬さと耐熱性の低下は避けられず、これが摩耗促進の原因となることから、Ｘ値を０．０５〜０．２５とそれぞれ定めた。

（ｃ）固溶体素地のＴｉ最高含有点の組成
上記の通り固溶体素地のＡｌ最高含有点は高温硬さと耐熱性のすぐれたものであるが、反面強度の劣るものであるため、このＡｌ最高含有点の強度不足を補う目的で、Ｔｉ含有割合が高く、これによって高強度を有するようになるＴｉ最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであり、したがってＡｌの割合を示すＹ値がＴｉとの合量に占める割合（原子比）で０．２５を越えると、相対的にＡｌの割合が多くなり過ぎて、所望のすぐれた強度を確保することができず、一方同Ｙ値が同じく０．０５未満になると、相対的にＴｉの割合が多くなり過ぎて、Ｔｉ最高含有点における高温硬さと耐熱性が急激に低下し、これが摩耗促進の原因となることから、Ｙ値を０．０５〜０．２５と定めた。

（ｃ）固溶体素地のＡｌ最高含有点とＴｉ最高含有点間の間隔
その間隔が０．０１μｍ未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果硬質被覆層に所望の高強度、さらに高温硬さと耐熱性を確保することができなくなり、またその間隔が０．１μｍを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＡｌ最高含有点であれば強度不足、Ｔｉ最高含有点であれば高温硬さおよび耐熱性不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなったり、摩耗進行が促進されるようになることから、その間隔を０．０１〜０．１μｍと定めた。

（ｄ）硬質被覆層の層厚
その層厚が１μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚が１５μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その層厚を１〜１５μｍと定めた。

この発明の被覆サーメット工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高温発生を伴う高速条件で、かつ高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮することができる。

つぎに、この発明の被覆サーメット工具を実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製のサーメット基体Ａ１〜Ａ１０を形成した。

また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ₂ Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を２ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製のサーメット基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。

ついで、上記のサーメット基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置にテーブル外周部にそってリング状に装着し、表３に示される組み合わせで、一方側のカソード電極（蒸発源）として、表３に示される成分組成をもった固溶体素地のＴｉ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｂ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）として、同じく表３に示される成分組成をもった固溶体素地のＡｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記回転テーブル上で自転しながら回転するサーメット基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記金属Ｔｉとアノード電極との間に、電圧：２５Ｖ、電流：１００Ａの条件でアーク放電を発生させ、もってサーメット基体表面をＴｉボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転するサーメット基体に−４００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつそれぞれのカソード電極(前記固溶体素地のＴｉ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｂ合金および同Ａｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金)とアノード電極との間に、電圧：２５Ｖ、電流：１００Ａの条件でアーク放電を発生させ、もって前記サーメット基体の表面に、オージェ分光分析装置およびＸ線光電子分光装置による測定で、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの固溶体素地にＢＮ微粒が表４に示される割合で分散分布し、かつ層厚方向に沿って、前記固溶体素地には表４に示される成分組成をもったＴｉ最高含有点とＡｌ最高含有点とが交互に同じく表４に示される間隔で繰り返し存在し、さらに前記Ａｌ最高含有点から前記Ｔｉ最高含有点、前記Ｔｉ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、同じく表４に示される層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製スローアウエイチップ（以下、本発明被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、これらサーメット基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図２に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金を装着し、さらにボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記サーメット基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記金属Ｔｉとアノード電極との間に、電圧：２５Ｖ、電流：１００Ａの条件でアーク放電を発生させ、もってサーメット基体表面をＴｉボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、サーメット基体に−１００Ｖ（上記の本発明被覆チップ１〜１６の硬質被覆層形成では−４００Ｖ）の直流バイアス電圧を印加し、前記カソード電極のＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金とアノード電極との間に、電圧：２５Ｖ、電流：１００Ａの条件でアーク放電を発生させ、もって前記サーメット基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、オージェ分光分析装置による測定で、表５に示される成分組成および層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化がなく、Ｘ線光電子分光装置による測定でもＢＮ微粒の存在が認められない（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆サーメット工具としての従来表面被覆サーメット製スローアウエイチップ（以下、従来被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の各種の被覆チップを、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆チップ１〜１０および従来被覆チップ１〜１０については、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式断続高速高切り込み切削加工試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．、同切り込みは２．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での炭素鋼の乾式連続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ．、同送りは０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２５０の丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１５分、
の条件での鋳鉄の乾式連続高速高切り込み切削加工試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ．、同切り込みは２．５ｍｍ）を行なった。

さらに、本発明被覆チップ１１〜１６および従来被覆チップ１１〜１６については、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４３５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式断続高速高切り込み切削加工試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．、同切り込みは２ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．７ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での炭素鋼の乾式連続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．、同送りは０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１５分、
の条件での鋳鉄の乾式連続高速高切り込み切削加工試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ．、同切り込みは２ｍｍ）を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表６に示した。

原料粉末として、平均粒径：５．５μｍを有する中粗粒ＷＣ粉末、同０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ₃Ｃ₂粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ（質量比でＴｉＣ／ＷＣ＝５０／５０）粉末、および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表７に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種のサーメット基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表７に示される組合せで、切刃部の直径×長さがそれぞれ６ｍｍ×１３ｍｍ、１０ｍｍ×２２ｍｍ、および２０ｍｍ×４５ｍｍの寸法、並びにいずれもねじれ角３０度の４枚刃スクエアの形状をもったサーメット基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらのサーメット基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図１に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、表８に示される組み合わせで、一方側のカソード電極（蒸発源）として、表８に示される成分組成をもった固溶体素地のＴｉ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｂ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）として、同じく表８に示される成分組成をもった固溶体素地のＡｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、以下、上記実施例１と同一の条件で、前記サーメット基体の表面に、オージェ分光分析装置およびＸ線光電子分光装置による測定で、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの固溶体素地にＢＮ微粒が表９に示される割合で分散分布し、かつ層厚方向に沿って、前記固溶体素地には表９に示される成分組成をもったＴｉ最高含有点とＡｌ最高含有点とが交互に同じく表９に示される間隔で繰り返し存在し、さらに前記Ａｌ最高含有点から前記Ｔｉ最高含有点、前記Ｔｉ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、同じく表９に示される層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製エンドミル（以下、本発明被覆エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、上記のサーメット基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図２に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、前記サーメット基体のそれぞれの表面に、オージェ分光分析装置による測定で、表１０に示される成分組成および層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化がなく、Ｘ線光電子分光装置による測定でもＢＮ微粒の存在が認められない（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆サーメット工具としての従来表面被覆サーメット製エンドミル（以下、従来被覆エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明被覆エンドミル１〜８および従来被覆エンドミル１〜８のうち、本発明被覆エンドミル１〜３および従来被覆エンドミル１〜３については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４３５の板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１．５ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．、同テーブル送りは５００ｍｍ／分）、本発明被覆エンドミル４〜６および従来被覆エンドミル４〜６については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：８ｍｍ、
テーブル送り：１２００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高切り込み溝切削加工試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．、同溝深さは４ｍｍ）、本発明被覆エンドミル７，８および従来被覆エンドミル７，８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１の板材、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：５ｍｍ、
テーブル送り：３５０ｍｍ／分、
の条件での工具鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．、同テーブル送りは２００ｍｍ／分）をそれぞれ行い、いずれの溝切削加工試験でも切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる０．１ｍｍに至るまでの切削溝長を測定した。この測定結果を表９、１０にそれぞれ示した。

上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（サーメット基体Ｃ−１〜Ｃ−３形成用）、１３ｍｍ（サーメット基体Ｃ−４〜Ｃ−６形成用）、および２６ｍｍ（サーメット基体Ｃ−７、Ｃ−８形成用）の３種の丸棒焼結体を用い、この３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ（サーメット基体Ｄ−１〜Ｄ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（サーメット基体Ｄ−４〜Ｄ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（サーメット基体Ｄ−７、Ｄ−８）の寸法、並びにいずれもねじれ角３０度の２枚刃形状をもったサーメット基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらのサーメット基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図１に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、表１１に示される組み合わせで、一方側のカソード電極（蒸発源）として、表１１に示される成分組成をもった固溶体素地のＴｉ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｂ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）として、同じく表１１に示される成分組成をもった固溶体素地のＡｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、以下、上記実施例１と同一の条件で、前記サーメット基体の表面に、オージェ分光分析装置およびＸ線光電子分光装置による測定で、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの固溶体素地にＢＮ微粒が表１２に示される割合で分散分布し、かつ層厚方向に沿って、前記固溶体素地には表１２に示される成分組成をもったＴｉ最高含有点とＡｌ最高含有点とが交互に同じく表１２に示される間隔で繰り返し存在し、さらに前記Ａｌ最高含有点から前記Ｔｉ最高含有点、前記Ｔｉ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、同じく表１２に示される層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製ドリル（以下、本発明被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、上記のサーメット基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図２に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、前記サーメット基体のそれぞれの表面に、オージェ分光分析装置による測定で、表１３に示される成分組成および層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化がなく、Ｘ線光電子分光装置による測定でもＢＮ微粒の存在が認められない（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆サーメット工具としての従来表面被覆サーメット製ドリル（以下、従来被覆超硬ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明被覆ドリル１〜８および従来被覆ドリル１〜８のうち、本発明被覆ドリル１〜３および従来被覆ドリル１〜３については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ、
の条件での合金鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．、同送りは０．１ｍｍ／ｒｅｖ）、本発明被覆ドリル４〜６および従来被覆ドリル４〜６については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ、
の条件での工具鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．、同送りは０．２ｍｍ／ｒｅｖ）、本発明被覆ドリル７，８および従来被覆ドリル７，８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度：１９０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３２ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．、同送りは０．２ｍｍ／ｒｅｖ）、をそれぞれ行い、いずれの湿式穴あけ切削加工試験（水溶性切削油使用）でも先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表１２、１３にそれぞれ示した。

表３〜１３に示される結果から、硬質被覆層が、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの固溶体素地に著しく高い高温硬さをもったＢＮ微粒が分散分布した組織を有し、かつ前記固溶体素地には、層厚方向に沿って、高強度を有するＴｉ最高含有点とすぐれた高温硬さと耐熱性を有するＡｌ最高含有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ｔｉ最高含有点、前記Ｔｉ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉ含有量がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有する本発明被覆サーメット工具は、いずれも各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高温発生を伴う高速条件で、かつ高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層からなる従来被覆サーメット工具においては、前記の高速重切削条件では、前記硬質被覆層の高温硬さおよび耐熱性不足、並びに強度不足が原因で、摩耗進行が速く、かつチッピングも発生し易いことから、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆サーメット工具は、通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高熱発生および高い機械的衝撃を伴う高速重切削条件で行なった場合にも、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

この発明の被覆サーメット工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。 従来被覆サーメット工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims (1)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン系サーメットで構成されたサーメット基体の表面に、Ａｌ（アルミニウム）とＴｉ（チタン）とＢ（ボロン）の複合窒化物層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの層厚で物理蒸着してなる表面被覆サーメット製切削工具において、前記硬質被覆層が、
   （ａ）ＡｌとＴｉの複合窒化物で構成された固溶体素地に、窒化硼素微粒が分散分布し、かつ前記窒化硼素微粒の含有割合をＢ成分の含有割合で示すと、ＡｌおよびＴｉ成分との合量に占める原子比で０．００１〜０．０５である組織を有し、
   （ｂ）さらに、上記（ａ）の固溶体素地が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ｔｉ最高含有点、前記Ｔｉ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有すると共に、
   上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_1-X Ｔｉ_X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５を示す）、
   上記Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-Y Ａｌ_Y ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．２５を示す）、
   を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍであること、
   を特徴とする高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。

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