JP2005297075A - 難削材の高速切削加工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】難削材の高速切削加工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、炭化タングステン基サーメット基体または炭窒化チタン系サーメット基体の表面に、ＡｌとＴｉとＢ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、さらに、前記素地が、層厚方向にそって、Ｔｉ最高及び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Ｔｉ最高から最低含有点、また逆方向へも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と共に、前記Ｔｉ最高及び最低含有点が、特定な組成式をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉ最高含有点とＴｉ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特性を有し、さらに切粉に対する表面潤滑性にもすぐれ、したがって、特にステンレス鋼や軟鋼などのきわめて粘性が高く、かつ切粉が切刃表面に溶着し易い難削材などの高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合にも、切刃に前記切粉の高い溶着性が原因のチッピング（微小欠け）などの発生がなく、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、前記被削材の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、さらに前記被削材の面削加工や溝加工、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：（Ａｌ_1-(Ｍ+Ｚ)Ｔｉ_Ｍ Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｍは０．３５〜０．５５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）を満足するＡｌとＴｉとＢの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ，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（Ａｌ，Ｔｉ，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Ａｌ−Ｔｉ−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（Ａｌ，Ｔｉ，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、切削加工は一段と高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆サーメット工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、特にきわめて粘性の高いステンレス鋼や軟鋼などの難削材を高い発熱を伴う高速切削条件で切削加工した場合には、硬質被覆層が十分な高温硬さおよび耐熱性を具備するものでないために、硬質被覆層の摩耗進行が促進されるようになるばかりでなく、前記難削材の切粉は、硬質被覆層を構成する上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層に対する親和性が高いために、切刃表面に溶着し易く、この溶着現象は切削加工が高速化すればするほど顕著に現れるようになり、この溶着現象が原因で切刃部にチッピングが発生し易くなり、この結果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、特にステンレス鋼や軟鋼など難削材の高速切削加工に用いた場合にも、切刃表面に対する切粉溶着性が小さく、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、上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層の形成にカソード電極（蒸発源）として用いられたＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金の組成に相当する組成を有する相対的にＴｉ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金粉末と、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ合金粉末に比して相対的にＴｉ含有量の低いＡｌ−Ｔｉ−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Ｔｉ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金の素地にＣｒＮ相が分散分布した組織を有する高Ｔｉ含有Ａｌ系合金焼結体と、相対的にＴｉ含有量の低いＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金の素地にＣｒＮ相が分散分布した組織を有する低Ｔｉ含有Ａｌ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、一方側に上記の高Ｔｉ含有Ａｌ系合金焼結体、他方側に上記の低Ｔｉ含有Ａｌ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Ｂの複合窒化物［以下、（Ａｌ−Ｔｉ，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（Ａｌ，Ｔｉ，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，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高Ｔｉ含有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Ｔｉ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低Ｔｉ含有Ａｌ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最低含有点が形成され、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Ｔｉ最高含有点とＴｉ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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ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（Ａｌ−Ｔｉ，Ｂ）Ｎからなる素地において、例えば対向配置のカソード電極（蒸発源）である高Ｔｉ含有Ａｌ系合金焼結体および低Ｔｉ含有Ａｌ系合金焼結体のそれぞれの組成を調製すると共に、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Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_1-(Ｍ+Ｚ)Ｔｉ_Ｍ Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｍは０．３５〜０．５５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ｔｉ最低含有点が、組成式：（Ａｌ_1-(X+Ｚ)Ｔｉ_Ｘ Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉ最高含有点とＴｉ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前記素地における上記Ｔｉ最低含有点部分では、上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層に比してＡｌ含有量が相対的に高くなることから、Ｂ成分による高温硬さ向上効果と相俟って、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最高含有点部分は、前記従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層と同等の組成、すなわち前記Ｔｉ最低含有点部分に比して相対的にＡｌ含有量が低く、Ｔｉ含有量の高い組成をもつので、相対的に高い高温強度を保持し、かつこれらＴｉ最高含有点とＴｉ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高い高温強度を保持した状態で一段と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ＣｒＮ相によってすぐれた表面潤滑性を保持するようになり、したがって、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、特にステンレス鋼や軟鋼などの粘性の高い難削材の切削でも切粉が切刃に溶着することがなく、これはさらに一段と高い発熱を伴う高速切削加工でも変わらず、この結果切刃にチッピングの発生がなくなり、長期に亘って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（Ａｌ−Ｔｉ，Ｂ）Ｎからなる素地が、層厚方向にそって、Ｔｉ最高含有点とＴｉ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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ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Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_1-(Ｍ+Ｚ)Ｔｉ_Ｍ Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｍは０．３５〜０．５５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ｔｉ最低含有点が、組成式：（Ａｌ_1-(X+Ｚ)Ｔｉ_X Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
難削材の高速切削加工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Ｔｉ最低含有点の組成
硬質被覆層の素地を構成する（Ａｌ−Ｔｉ，Ｂ）ＮにおけるＴｉ最低含有点の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、一方同Ｔｉ成分には、高温強度を向上させる作用があるので、前記Ｔｉ最低含有点では相対的にＴｉ含有量を低くし、Ａｌ含有量を高くして、高熱発生を伴う高速切削条件に適応するすぐれた高温硬さと耐熱性を具備せしめたものであるが、Ｔｉの割合を示すＸ値がＡｌとＢ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、相対的に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Ｔｉの割合を示すＸ値が同０．２５を越えると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、高速切削に要求されるすぐれた高温硬さと耐熱性を確保することができなくなるものであり、またＢ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未満では所定の高温硬さ向上効果が得られず、さらに同Ｚ値が０．１０を超えると、高温強度が急激に低下するようになることから、Ｘ値を０．０５〜０．２５、Ｚを０．０１〜０．１０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Ｔｉ最低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Ｔｉ最低含有点の高温強度不足を補う目的で、上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層と同等の組成、すなわち相対的にＴｉ含有割合が高く、一方Ａｌ含有量が低く、これによって相対的に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Ｔｉの割合を示すＭ値がＡｌおよびＢ成分との合量に占める割合（原子比）で０．３５未満では、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Ｍ値が０．５５を越えると、Ａｌに対するＴｉの割合が多くなり過ぎて、Ｔｉ最高含有点の高温硬さと耐熱性が不十分となり、摩耗促進の原因となることから、Ｔｉ最高含有点でのＴｉの割合を示すＭ値を０．３５〜０．５５と定めた。
また、Ｔｉ最高含有点におけるＢ成分は、上記の通りＡｌ成分との共存で高温硬さを一段と向上させ、高熱発生を伴う高速切削で有用な効果を発揮するものであり、したがってＺ値が０．０１未満では所定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Ｔｉ最高含有点での高温強度に低下傾向が現れるようになることから、Ｚ値を０．０１〜０．１０と定めた。

（ｃ）素地のＴｉ最低含有点と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硬さと耐熱性、および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Ｔｉ最低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、上記の通り硬質被覆層にすぐれた表面潤滑性を付与し、特に高い発熱を伴なうステンレス鋼や軟鋼などの粘性の高い難削材の高速切削でも切粉が切刃に溶着するのを著しく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断面分析で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高温強度が急激に低下し、切刃にチッピングが発生し易くなることから、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、切刃に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Ｔｉ最低含有点と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し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ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、いずれもステンレス鋼や軟鋼などの難削材の切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、前記硬質被覆層の素地がすぐれた耐摩耗性を発揮すると共に、前記素地に分散分布するＣｒＮ相が高温加熱の切粉との溶着性を著しく低減されるようになり、切刃は常にすぐれた表面潤滑性を維持することから、切刃への切粉溶着が原因のチッピングが切刃に発生することがなく、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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃr₃ Ｃ₂ 粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ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Ｔｉ含有量の高い各種組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｂ合金粉末および相対的にＴｉ含有量の低い各種組成のＡｌ−Ｔｉ−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Ｔｉ含有量の高い各種組成のＡｌ−Ｔｉ−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Ｔｉ含有Ａｌ系合金焼結体と、同じく相対的にＴｉ含有量の低い各種組成のＡｌ−Ｔｉ−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Ｔｉ含有Ａｌ系合金焼結体（本発明硬質被覆層形成用）、並びに前記の相対的にＴｉ含有量の高い各種組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｂ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最高含有点形成用高Ｔｉ含有Ａｌ系合金焼結体、他方側のカソード電極（蒸発源）として、Ｔｉ最低含有点形成用低Ｔｉ含有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最高含有点形成用高Ｔｉ含有Ａｌ系合金焼結体およびＴｉ最低含有点形成用低Ｔｉ含有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Ｔｉ最低含有点と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Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点、前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点へ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）として所定の組成をもった上記のＡｌ−Ｔｉ−Ｂ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、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（Ａｌ，Ｔｉ，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・ＳＵＳ３１６の丸棒、
切削速度：２４０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ａ）でのステンレス鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１６０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｂ）でのステンレス鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１７０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｃ）での軟鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）、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の表面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Ｔｉ最低含有点と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し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ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の表面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（Ａｌ，Ｔｉ，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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１ｍｍ、
テーブル送り：３００ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は３０ｍ／ｍｉｎ．）、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・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：３ｍｍ、
テーブル送り：８００ｍｍ／分、
の条件での軟鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は１２０ｍ／ｍｉｎ．）、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・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：２ｍｍ、
テーブル送り：１５０ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は３０ｍ／ｍｉｎ．）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Ｔｉ最低含有点と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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ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の表面に、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（Ａｌ，Ｔｉ，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・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：６ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は３５ｍ／ｍｉｎ．）、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・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度：１４０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１２ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は８０ｍ／ｍｉｎ．）、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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度：８５ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：２８ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は３５ｍ／ｍｉｎ．）、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Ａｌ、Ｔｉ、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、Ｔｉ最高含有点とＴｉ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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ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、層厚方向に沿って、Ｔｉ最低含有点と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し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ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、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、いずれもステンレス鋼や軟鋼の切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、前記硬質被覆層の素地がすぐれた高温硬さと耐熱性を具備し、さらに前記ＣｒＮ相が高温加熱の切粉との溶着を著しく抑制し、切刃は常にすぐれた表面潤滑性を維持し、切刃への切粉溶着が原因のチッピングが切刃に発生することがなくなることから、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層からなる従来被覆サーメット工具においては、高温を伴う高速切削加工では硬質被覆層に高温硬さと耐熱性が不足し、かつステンレス鋼や軟鋼の切粉との親和性が相対的に高いことから、切刃の摩耗進行が速く、かつチッピングも発生するようになり、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、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に粘性が高く、切粉が切刃表面に溶着し易いステンレス鋼や軟鋼などの難削材の高速切削加工でも、耐摩耗性にすぐれ、切粉に対してすぐれた表面潤滑性を保持した状態で、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って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サーメット基体または炭窒化チタン系サーメット基体の表面に、ＡｌとＴｉ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ＡｌとＴｉとＢの複合窒化物からなる素地が、層厚方向にそって、Ｔｉ最高含有点とＴｉ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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ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Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_1-(Ｍ+Ｚ)Ｔｉ_Ｍ Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｍは０．３５〜０．５５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
   上記Ｔｉ最低含有点が、組成式：（Ａｌ_1-(X+Ｚ)Ｔｉ_X Ｂ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５、Ｚ：０．０１〜０．１０を示す）、
   をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmであること、
   を特徴とする難削材の高速切削加工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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