JP2005224868A - 高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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チッピング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】サーメット基体の表面に、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎからなる素地にＣｒＮ相がオージェ分光分析装置による断面分析で０．３〜１０面積％の割合で分散分布した組織を有し、前記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎからなる素地が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＡｌ最低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Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ隣り合う前記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、硬質被覆層がすぐれた高温強度を有し、かつ高温硬さと耐熱性、さらに耐機械的熱的衝撃性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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。

技術背景

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-(Ｍ+Ｚ)Ａｌ_Ｍ Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｍは０．４０〜０．６０、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）を満足するＴｉとＡｌ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の平均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によって高温強度を具備し、さらに同Ｂによる一段の高温硬さの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、ヒータで装置内を、例えば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、例えば電流：９０Ａ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、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記サーメット基体には、例えば−１００Ｖ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。

特許第２７９３６９６号明細書

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は強く、これに伴い、高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工でもすぐれた切削性能を発揮する被覆サーメット工具が強く求められているが、上記の従来被覆サーメット工具においては、これを通常の高速切削加工条件で用いた場合には問題はないが、高速切削加工を高い機械的熱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、特に硬質被覆層の高温強度および耐機械的熱的衝撃性不足が原因で切刃部にチッピング（微小割れ）が発生し易く、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で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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）例えば原料粉末として、上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層の形成にカソード電極（蒸発源）として用いられたＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金の組成に相当する組成を有する相対的にＡｌ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金粉末と、前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｂ合金粉末に比して相対的にＡｌ含有量の低いＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金粉末と、さらに窒化クロム（以下、ＣｒＮで示す）粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合割合に配合し、混合した後、圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、通常の条件、例えば真空雰囲気中、５００〜６００℃の範囲内の所定の温度に所定時間保持の条件で焼結して、相対的にＡｌ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金の素地にＣｒＮ相が分散分布した組織を有する高Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体と、相対的にＡｌ含有量の低いＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金の素地にＣｒＮ相が分散分布した組織を有する低Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体を形成し、さらに、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た構造のアークイオンプレーティング装置を用い、前記回転テーブルを挟んで、一方側に上記の高Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体、他方側に上記の低Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体をいずれもカソード電極（蒸発源）として対向配置し、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の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、前記の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硬質被覆層を形成すると、この結果の硬質被覆層は、ＴｉとＡｌとＢの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎで示す］からなる素地にＣｒＮ相が分散分布した組織を有し、かつ、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の硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ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強度、さらに均質な高温硬さと耐熱性を有するが、前記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎの素地においては、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含有量の高い高Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体のカソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で層中に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Ａｌ含有量の低い低Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体のカソード電極に最も接近した時点で層中にＡｌ最低含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向にそって前記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低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Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造をもつようになること。

（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎからなる素地において、対向配置の一方側のカソード電極（蒸発源）である高Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体におけるＡｌおよびＢ含有量を上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｂ合金のＡｌおよびＢ含有量に相当するものとし、同他方側のカソード電極（蒸発源）である低Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体における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と共に、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最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-(Ｍ+Ｚ)Ａｌ_Ｍ Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｍは０．４０〜０．６０、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-(X+Ｚ)Ａｌ_X Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．１０〜０．３５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μmとすると共に、
上記素地に分散分布するＣｒＮ相の割合をオージェ分光分析装置による断面分析で０．３〜１０面積％とすると、この結果の硬質被覆層の上記素地における上記Ａｌ最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層のもつ高温硬さと耐熱性に相当するすぐれた高温硬さと耐熱性を示し、一方上記Ａｌ最低含有点部分では、前記Ａｌ最高含有点部分に比してＡｌ含有量が低く、Ｔｉ含有量の高いものとなるので、一段と高い高温強度が確保され、かつこれらＡｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔をきわめて小さくしたことから、層全体の特性としてすぐれた高温硬さと耐熱性を保持した状態で一段とすぐれた高温強度を具備するようになると共に、前記素地に分散分布するＣｒＮ相が硬さはマイクロビッカース硬さで１５００〜１８００と相対的に低いが、特に繰り返しの機械的および熱的衝撃を吸収して、これを著しく緩和する作用を発揮するようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆サーメット工具は、特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、高い機械的熱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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎからなる素地に、ＣｒＮ相がオージェ分光分析装置による断面分析で０．３〜１０面積％の割合で分散分布した組織を有する硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなり、
さらに、上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）Ｎからなる素地が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＡｌ最低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Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
上記Ａｌ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-(Ｍ+Ｚ)Ａｌ_Ｍ Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｍは０．４０〜０．６０、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ａｌ成分最低含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-(X+Ｚ)Ａｌ_X Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．１０〜０．３５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、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チッピング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）素地のＡｌ最高含有点の組成
硬質被覆層の素地を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ）ＮにおけるＡｌ最高含有点のＴｉ成分は、高温強度を向上させ、同Ａｌ成分は、高温硬さおよび耐熱性を向上させ、さらに同Ｂ成分は一段と高温硬さを向上させる作用があり、したがってＡｌおよびＢ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たものになり、高熱発生を伴う高速切削に適応したものになるが、Ａｌの含有割合を示すＭ値がＴｉとＢの合量に占める割合（原子比）で０．６０を越え、またＢの含有割合を示すＺ値が同０．１０を越えると、高い高温強度を有するＡｌ最低含有点が隣接して存在しても層自体の高温強度の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方同Ｍ値が同０．４０未満でも、また同Ｚ値が０．０１未満でも前記高温硬さと耐熱性に所望の向上効果が得られないことから、Ｍ値を０．４０〜０．６０、Ｚ値を０．０１〜０．１０と定めた。

（ｂ）素地のＡｌ最低含有点の組成
上記の通りＡｌ最高含有点は高温硬さおよび耐熱性のすぐれたものであるが、反面高温強度の劣るものであるため、このＡｌ最高含有点の高温強度不足を補う目的で、Ｔｉ含有割合が高く、一方Ａｌ含有量が低く、これによってすぐれた高温強度を有するようになるＡｌ最低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Ｘ値がＴｉおよびＢ成分との合量に占める割合（原子比）で０．３５を越えると、相対的にＴｉの割合が少なくなることから、所望のすぐれた高温強度を確保することができず、一方同Ｘ値が０．１０未満になると、Ａｌ最低含有点に所定の高温硬さおよび耐熱性を具備せしめることができず、これが摩耗進行の原因となることから、Ａｌ最低含有点でのＡｌの割合を示すＸ値を０．１０〜０．３５と定めた。
Ａｌ最低含有点におけるＢ成分も、上記の通りＡｌ成分との共存で高温硬さを向上させ、もって高熱発生を伴う高速切削に適応させる目的で含有するものであり、したがってＺ値が０．０１未満では所望の高温硬さ向上効果が得られず、一方Ｚ値が０．１０を越えるとＡｌ最低含有点の高温強度に低下傾向が現れるようになり、所望の耐チッピング性向上が困難になることから、Ｚ値を０．０１〜０．１０と定めた。

（ｃ）素地のＡｌ最高含有点とＡｌ最低含有点間の間隔
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温硬さと耐熱性、さらに高温強度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高温強度不足、Ａｌ最低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）素地に分散分布するＣｒＮ相の割合
硬質被覆層の素地に分散分布するＣｒＮ相は、上記の通り特に切刃部に機械的および熱的衝撃が速いピッチで繰り返し付加されるスローアウエイチップによる高速断続旋削加工や、エンドミルおよびドリルなどによる高速切削加工時に、前記機械的および熱的衝撃をよく吸収して、硬質被覆層にチッピングが発生するのを抑制する作用をもつが、硬質被覆層におけるＣｒＮ相の割合が、オージェ分光分析装置による面分析で０．３面積％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方同割合が１０面積％を超えると素地によってもたらされる特性が急激に低下し、摩耗促進やチッピング発生の原因となることから、ＣｒＮ相の硬質被覆層における割合を０．３〜１０面積％と定めた。

（ｅ）硬質被覆層の平均層厚
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、一方その平均層厚が１５μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。

硬質被覆層の素地が、層厚方向にＡｌ最低含有点と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Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、前記素地にＣｒＮ相が分散分布した組織を有する硬質被覆層を形成してなる本発明被覆サーメット工具は、硬質被覆層がすぐれた高温強度と耐機械的熱的衝撃性を有し、さらに高温硬さと耐熱性も具備することから、特に切刃部に機械的および熱的衝撃が速いピッチで繰り返し付加わる各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、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、切刃部に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。

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Ａ−１〜Ａ−１０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（重量比で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Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。

さらに、原料粉末として、いずれも０．５〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有する、相対的にＡｌ含有量の高い各種組成のＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金粉末および相対的にＡｌ含有量の低い各種組成のＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金粉末、さらにＣｒＮ粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し、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、５００〜６００℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で焼結して、相対的にＡｌ含有量の高い各種組成のＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金の素地にＣｒＮ相が所定の割合で分散含有した組織を有する高Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体と、同じく相対的にＡｌ含有量の低い各種組成のＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金の素地にＣｒＮ相が所定の割合で分散含有した組織を有する低Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体（本発明硬質被覆層形成用）を形成した。
また、別途従来硬質被覆層形成用カソード電極として、ＴｉとＡｌとＢの含有割合が異なる各種のＴｉ−Ａｌ−Ｂ合金も用意した。

ついで、上記のサーメット基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６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装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＡｌ最高含有点形成用高Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体、他方側のカソード電極（蒸発源）としてＡｌ最低含有点形成用低Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバード洗浄用金属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１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もってサーメット基体表面をＴｉボンバード洗浄し、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−１００Ｖ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Ａｌ最高含有点形成用高Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体およびＡｌ最低含有点形成用低Ａｌ含有Ｔｉ系合金焼結体)とアノード電極との間に１００Ａの電流を流して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、層厚方向に沿って表３，４に示される目標組成のＡｌ最高含有点とＡｌ最低含有点とが交互に同じく表３，４に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する素地に、同じく表３，４に示される目標割合でＣｒＮ相が分散含有した組織を有し、かつ同じく表３，４に示される目標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Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６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合金をそれぞれ１種づつ装着し、またボンバード洗浄用金属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１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もってサーメット基体表面をＴｉボンバード洗浄し、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、前記サーメット基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記サーメット基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれの表面に、表５に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ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、上記の本発明被覆チップ１〜１６および従来被覆チップ１〜１６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、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ａ）での炭素鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、２００ｍ／ｍｉｎ．および２．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、１８０ｍ／ｍｉｎ．および０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、さらに、
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：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３分、
の条件（切削条件Ｃ）での合金鋼の乾式断続高速高切り込み切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、２００ｍ／ｍｉｎ．および１．５ｍｍ）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、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表８に示される目標組成のＡｌ最高含有点とＡｌ最低含有点とが交互に同じく表８に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する素地に、同じく表８に示される目標割合でＣｒＮ相が分散含有した組織を有し、かつ同じく表８に示される目標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、表９に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ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・ＳＫＤ６１の板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：２．５ｍｍ、
テーブル送り：７２０ｍｍ／分、
の条件での工具鋼の乾式高速高切り込み溝切削加工試験（通常の切削速度および溝深さ（切り込み）は、６０ｍ／ｍｉｎ．および１ｍｍ）、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：２００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、１００ｍ／ｍｉｎ．および４７０ｍｍ／分）、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・ＦＣ２５０の板材、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１０ｍｍ、
テーブル送り：４８０ｍｍ／分、
の条件での鋳鉄の乾式高速高切り込み溝切削加工試験（通常の切削速度および溝深さ（切り込み）は、１００ｍ／ｍｉｎ．および８ｍｍ）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８，９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、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表１０に示される目標組成のＡｌ最高含有点とＡｌ最低含有点とが交互に同じく表１０に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する素地に、同じく表１０に示される目標割合でＣｒＮ相が分散含有した組織を有し、かつ同じく表１０に示される目標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、表１１に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ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・ＦＣＤ６００の板材、
切削速度：１２５ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：６ｍｍ、
の条件でのダクタイル鋳鉄の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、８０ｍ／ｍｉｎ．および０．１４ｍｍ／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・ＳＳ４００の板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２８ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ
の条件での構造用鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、１００ｍ／ｍｉｎ．および０．２３ｍｍ／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・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：２２ｍｍ
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（通常の切削速度および送りは、６０ｍ／ｍｉｎ．および０．２７ｍｍ／ｒｅｖ．）、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速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１０，１１にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明被覆サーメット工具としての本発明被覆チップ１〜１６、本発明被覆エンドミル１〜８、および本発明被覆ドリル１〜８を構成する硬質被覆層、並びに従来被覆サーメット工具としての従来被覆チップ１〜１６、従来被覆エンドミル１〜８、および従来被覆ドリル１〜８の硬質被覆層について、厚さ方向に沿ってＴｉ、Ａｌ、およびＢ、さらにＣｒの含有量をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、本発明被覆サーメット工具の硬質被覆層では、素地中に層厚方向に沿って、Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ組成および間隔で交互に繰り返し存在すると共に、前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらにＣｒＮ相が目標値と実質的に同じ割合で前記素地に分散含有することが確認され、また硬質被覆層の平均層厚も目標層厚と実質的に同じ値を示した。
一方前記従来被覆サーメット工具の硬質被覆層では厚さ方向に沿って組成変化が見られず、かつ目標組成と実質的に同じ組成および目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示すことが確認された。

表３〜１１に示される結果から、層厚方向に、すぐれた高温強度を有するＡｌ最低含有点と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Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する素地に、ＣｒＮ相が分散分布した組織を有する硬質被覆層を物理蒸着してな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高速切削加工を、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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘って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、前記硬質被覆層が高温硬さと耐熱性を有するものの、高温強度に劣るものであるために、チッピングが発生し、これが原因で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、通常の条件での高速切削加工は勿論のこと、特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、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、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すものであるから、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サーメット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、ＴｉとＡｌとＢ（ボロン）の複合窒化物からなる素地に、窒化クロム相が、オージェ分光分析装置による面分析で０．３〜１０面積％の割合で分散分布した組織を有する硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなり、
   さらに、上記ＴｉとＡｌとＢの複合窒化物からなる素地が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
   上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-(Ｍ+Ｚ)Ａｌ_Ｍ Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｍは０．４０〜０．６０、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
   上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-(X+Ｚ)Ａｌ_X Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．１０〜０．３５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
   を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、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チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。

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