JP2005224915A - 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】表面被覆サーメット製切削工具が、超硬合金またはサーメットで構成されたサーメット製基体の表面に、ＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物からなる素地に、酸化アルミニウム相がオージェ分光分析装置による断面観察で１〜１５面積％の割合で分散分布した組織を有し、さらに、前記素地が、層厚方向にそって、ＡｌとＴｉの最高含有点が所定間隔にて交互に繰り返し存在、かつＡｌ最高含有点からＴｉ最高含有点、Ｔｉ最高含有点から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、前記Ａｌ最高含有点が、特殊な組成式を満足し、かつ隣り合う上記ＡｌとＴｉの最高含有点の間隔が、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硬さと耐熱性を有し、さらに高温強度にもすぐれ、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も、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長期に亘って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_ＭＳｉ_Z）Ｎ（ただし、原子比で、Ｍは０．４０〜０．６０、Ｚは０．０１〜０．１５を示す）を満足するＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）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，Ｓｉ）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Ｓｉによって一段の耐熱性向上効果がもたらされることと相俟って、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−Ｓｉ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，Ｓｉ）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２７９３７７３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、かつ高温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）例えば原料粉末として、相対的にＡｌ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金粉末および相対的にＴｉ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金粉末、さらに酸化アルミニウム（以下、Ａｌ₂Ｏ₃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Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金の素地にＡｌ₂Ｏ₃相が分散含有した組織を有するＡｌ系合金焼結体と、相対的にＴｉ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金の素地にＡｌ₂Ｏ₃相が分散含有した組織を有する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、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Ａｌ系合金焼結体、他方側に上記のＴｉ系合金焼結体をカソード電極（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、ＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物［以下、（Ａｌ／Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで示す］からなる素地にＡｌ₂Ｏ₃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，Ｓｉ）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、さらに均質な高温強度を有するが、前記（Ａｌ／Ｔｉ，Ｓｉ）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上記Ａｌ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上記Ｔｉ系合金焼結体のカソード電極に最も接近した時点で素地中にＴｉ最高含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって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（Ａｌ／Ｔｉ，Ｓｉ）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Ａｌ系合金焼結体の原料粉末であるＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金のＡｌ含有量を上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層形成にカソード電極（蒸発源）として用いたＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ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系合金焼結体の原料粉末であるＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のＡｌ含有量を前記従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層形成用カソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のＡｌ含有量に比して相対的に低いものとする共に、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：（Ａｌ_1-(Ｅ+Z) Ｔｉ_ＥＳｉ_Z）Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．０５〜０．２５、Ｚは０．０１〜０．１５を示す）、
上記Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-(Ｘ+Z)Ａｌ_ＸＳｉ_Z）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５、Ｚは０．０１〜０．１５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とすると共に、
前記素地に分散分布するＡｌ₂Ｏ₃相の割合をオージェ分光分析装置による断面観察で１〜１５面積％とすると、この結果の硬質被覆層の前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，Ｓｉ）Ｎ層に比してＡｌ含有量が相対的に高くなることから、より一段とすぐれた高温硬さと耐熱性を示し、一方同じく上記Ｔｉ最高含有点部分では、前記従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層に比してＴｉ含有量が相対的に高くなることから、一段と高い高温強度を具備し、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、素地全体の特性として高い高温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ると共に、前記素地に分散分布するＡｌ₂Ｏ₃相によってさらに一段と高い高温硬さとすぐれた熱的安定性が確保されることから、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、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，Ｓｉ）Ｎからなる素地に、Ａｌ₂Ｏ₃相がオージェ分光分析装置による断面観察で１〜１５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（Ａｌ／Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎからなる素地が、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し、
上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_1-(Ｅ+Z) Ｔｉ_ＥＳｉ_Z）Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．０５〜０．２５、Ｚは０．０１〜０．１５を示す）、
上記Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-(Ｘ+Z)Ａｌ_ＸＳｉ_Z）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５、Ｚは０．０１〜０．１５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）素地のＡｌ最高含有点の組成
硬質被覆層の素地である（Ａｌ／Ｔｉ，Ｓｉ）ＮにおけるＡｌ最高含有点のＡｌ成分は、高温硬さと耐熱性を向上させ、同Ｔｉ成分は高温強度を向上させ、さらに同Ｓｉ成分は一段と耐熱性を向上させる作用があり、したがってＡｌ成分およびＳｉ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ですぐれた耐摩耗性を発揮するようになるが、Ｔｉの割合を示すＥ値がＡｌとＳｉ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、高い高温強度を有するＴｉ最高含有点が隣接して存在しても素地自体の高温強度低下は避けられず、この結果特に重切削条件下では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Ｅ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、これが特に高速切削条件下では摩耗促進の原因となり、またＳｉ成分の割合を示すＺ値がＡｌとＴｉの合量に占める割合（原子比）で０．０１未満では所望の耐熱性向上効果が得られず、さらに同Ｚ値が０．１５を超えると、チッピングなどの発生原因となる高温強度低下が起るようになることから、Ｅ値を０．０５〜０．２５、Ｚ値を０．０１〜０．１５とそれぞれ定めた。

（ｂ）素地のＴｉ最高含有点の組成
上記の通り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、これによって高い高温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Ｘ値がＴｉとＳｉ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、所望のすぐれた高温強度を確保することができず、一方同Ｘ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、Ｘ値を０．０５〜０．２５と定めたものであり、またＳｉ成分の割合を示すＺ値は上記のＡｌ最高含有点におけると同じ理由で０．０１〜０．１５と定めた。

（ｃ）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温強度、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高温強度不足、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）素地に分散分布するＡｌ₂Ｏ₃相の割合
Ａｌ₂Ｏ₃相は、上記の通り硬質被覆層に一段と高い高温硬さとすぐれた熱的安定性を付与し、もって高い発熱を伴なう、高速切削でも硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮するようにする作用をもつが、硬質被覆層におけるＡｌ₂Ｏ₃相の割合が、オージェ分光分析装置による断面観察で１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１５面積％を超えると素地によってもたらされるすぐれた高温強度が急激に低下するようになることから、Ａｌ₂Ｏ₃相の硬質被覆層における割合を１〜１５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、すぐれた高温硬さと耐熱性を有するＡｌ最高含有点と、すぐれた高温強度を有するＴｉ最高含有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在すると共に、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を有し、かつ、前記素地に高温硬さと熱的安定性にすぐれたＡｌ₂Ｏ₃相が分散分布した組織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Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金粉末および相対的にＴｉ含有量の高い各種組成のＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金粉末、さらにＡｌ₂Ｏ₃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Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金の素地にＡｌ₂Ｏ₃相が所定の割合で分散含有した組織を有するＡｌ系合金焼結体と、同じく相対的にＴｉ含有量の高い各種組成のＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金の素地にＡｌ₂Ｏ₃相が所定の割合で分散含有した組織を有するＴｉ系合金焼結体（本発明硬質被覆層形成用）、並びにＡｌ含有量が前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金粉末と前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金粉末の中間の各種組成のＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金粉末の焼結体（従来硬質被覆層形成用）を形成した。

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リング状に装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、上記のＴｉ最高含有点形成用Ｔｉ系合金焼結体、他方側のカソード電極（蒸発源）として、Ａｌ最高含有点形成用Ａｌ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Ｔｉ最高含有点形成用Ｔｉ系合金焼結体およびＡｌ最高含有点形成用Ａｌ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Ｔｉ最高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すると共に、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を有する素地に、同じく表３，４に示される目標割合でＡｌ₂Ｏ₃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）として所定の組成をもった上記のＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金粉末の焼結体（従来硬質被覆層形成用）を装着し、さらに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、サーメット基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、前記カソード電極のＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金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，Ｓｉ）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１〜１６および従来被覆チップ１〜１６については、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３５０の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：６ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ａ）での鋳鉄の乾式連続高速高切り込み切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、２３０ｍ／ｍｉｎ．および４ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃ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：５．５ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：４分、
の条件（切削条件Ｂ）での炭素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４ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈの丸棒、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．８ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｃ）での合金鋼の乾式連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、１５０ｍ／ｍｉｎ．および０．６ｍｍ／ｒｅｖ．）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、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Ｔｉ最高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すると共に、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を有する素地に、同じく表８に示される目標割合でＡｌ₂Ｏ₃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，Ｓｉ）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・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：１８０ｍ／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（通常の切削速度およびテーブル送りは、１００ｍ／ｍｉｎ．および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・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：５ｍｍ、
テーブル送り：９４０ｍｍ／分、
の条件での合金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は、１００ｍ／ｍｉｎ．および３ｍｍ）、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：１２０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：３ｍｍ、
テーブル送り：３００ｍｍ／分、
の条件での工具鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、６０ｍ／ｍｉｎ．および１２０ｍｍ／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Ｔｉ最高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すると共に、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を有する素地に、同じく表１０に示される目標割合でＡｌ₂Ｏ₃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，Ｓｉ）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・ＦＣ２５０の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ、
の条件での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、１００ｍ／ｍｉｎ．および０．１２ｍｍ／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：１２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２６ｍｍ／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（通常の切削速度および送りは、５０ｍ／ｍｉｎ．および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・ＳＣＭ４３９の板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３２ｍｍ、
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（通常の切削速度および送りは、１００ｍ／ｍｉｎ．および０．３ｍｍ／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Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉ、さらに酸素（Ｏ）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、素地が、Ａｌ最高含有点とＴｉ最高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、さらにＡｌ₂Ｏ₃相が目標値と実質的に同じ割合で前記素地に分散分布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、すぐれた高温硬さと耐熱性を有するＡｌ最高含有点と、すぐれた高温強度を有するＴｉ最高含有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在すると共に、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を有する素地に、Ａｌ₂Ｏ₃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，Ｓｉ）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、並びに高温強度不足が原因で、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とＴｉとＳｉの複合窒化物からなる素地に、酸化アルミニウム相がオージェ分光分析装置による断面観察で１〜１５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ＡｌとＴｉとＳｉ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-(Ｅ+Z) Ｔｉ_ＥＳｉ_Z）Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．０５〜０．２５、Ｚは０．０１〜０．１５を示す）、
   上記Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_1-(Ｘ+Z)Ａｌ_ＸＳｉ_Z）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５、Ｚは０．０１〜０．１５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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