JP2007290082A - 難削材の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表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】難削材の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表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、（ａ）１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ−Ｚ}Ａｌ_ＸＶ_ＹＳｉ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５０、Ｙは０．０５〜０．３０、Ｚは０．０１〜０．１０を示す）を満足するＴｉとＡｌとＶとＳｉの複合窒化物層からなる下部層、（ｂ）それぞれ０．４〜２μｍの一層平均層厚を有する窒化バナジウム層と酸化バナジウム層の交互積層構造からなり、かつ、各層間には０．０２〜０．２μｍの一層平均層厚を有する酸窒化バナジウム層を介在させた、１〜５μｍの全体平均層厚を有する上部層、以上（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具。
【選択図】 なし

Description

この発明は、特にステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の切削加工を高切り込みや高送りなどの重切削条件で行った場合に、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切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

一般に、被覆工具には、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工具基体の表面に、
組成式：（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ａｌ_ＸＶ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５０、Ｙは０．０５〜０．３０を示す）、
を満足するＴｉとＡｌとＶの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ）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工具が、また、組成式：（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ａｌ_ＸＳｉ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５０、Ｙは０．０１〜０．１０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工具が知られており、かつ前記被覆工具の硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ）Ｎ層あるいは（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、同Ｖによってすぐれた潤滑特性（表面滑り性）、同Ｓｉによって一段とすぐれた耐熱性を具備したものであることから、これを各種の一般鋼や普通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工具基体を装入し、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−Ｖ合金あるいは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、一方上記工具基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ）Ｎ層あるいは（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。
特開平１０−２３７６２８号公報 特許第２７９３７７３号明細書

近年の切削加工装置のＦＡ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、切削工具には被削材の材種にできるだけ影響を受けない汎用性、すなわち、できるだけ多くの材種の切削加工が可能な切削工具が求められる傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを低合金鋼や炭素鋼などの一般鋼や、ダクタイル鋳鉄やねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄の切削加工に用いた場合には問題はないが、特に切粉の粘性が高く、かつ工具表面に溶着し易いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材（被削材）の切削加工を、切刃部に局部的に高負荷がかかる高切り込みや高送りなどの重切削条件で行った場合には、切削時の発熱によって被削材および切粉は高温に加熱されて粘性度が一段と増大し、これに伴って硬質被覆層表面に対する粘着性および反応性が一段と増すようになり、この結果切刃部におけるチッピング（微少欠け）の発生が急激に増加し、これが原因で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高マンガン鋼や軟鋼などの難削材の切削加工を、高切り込みや高送りなどの重切削条件で行った場合に、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆工具を開発すべく、上記の従来被覆工具に着目し、研究を行った結果、
（ａ）高温硬さ、耐熱性、高温強度、潤滑特性にすぐれた硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層として１〜５μｍの平均層厚で形成し、これの上に上部層として酸化バナジウム（酸化バナジウムは、その酸化の程度によって、ＶＯ、Ｖ_２Ｏ_３およびＶＯ_２など種々の化合物形態をとり得るが、以下、これらを総称してＶＯで示す）層を形成すると、前記ＶＯ層は表面滑り性にすぐれ、この結果切削時の発熱で被削材（難削材）およびその切粉が高温加熱された状態でも切刃部（すくい面および逃げ面と、これら両面が交わる切刃稜線部）と被削材および切粉との間にはより一段とすぐれた滑り性が確保され、前記被削材および切粉の切刃部表面に対する粘着性および反応性が著しく低減され、前記下部層である（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層は十分に保護されるようになること。

（ｂ）しかし、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層上に、直接、上部層としてＶＯ層を設けた場合には、下部層である（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層と上部層であるＶＯ層との密着性は十分でなく、また、上部層であるＶＯ層自体の高温強度も十分でないため、硬質被覆層の下部層と上部層の密着性不足、上部層の高温強度不足が原因でチッピング発生を十分防止することはできないこと。

（ｃ）上記上部層を、ＶＯ層とＶＮ層の交互積層構造とし、かつ、ＶＯ層とＶＮ層の各層間にＶＮＯ層を介在させた交互積層構造の上部層として構成すると、ＶＮ層は、ＶＯ層に不足する高温強度を補うとともに、ＶＮＯ層が、ＶＯ層あるいはＶＮ層の成膜時の成膜反応性を高めると同時に結晶粒微細化を促進するため、ＶＯ層とＶＮ層の耐摩耗性を向上させる効果があり、さらに、ＶＮＯ層はＶＮ層およびＶＯ層の双方に対する密着性に優れるので、ＶＮＯ層を介在させたことによりＶＯ層とＶＮ層の各層間の接合強度も改善され、したがって、このような交互積層構造からなる上部層は、ＶＯ層の備えるすぐれた表面滑り性、ＶＮ層の有するすぐれた高温強度を備えるとともに、ＶＮＯ層を介在させたことにより各層の接合強度と耐摩耗性がさらに改善されたものとなり、その結果として、硬質被覆層はすぐれた表面滑り性とより一段とすぐれた高温強度を具備し、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を示すようになること。

（ｄ）上記（ｃ）の硬質被覆層は、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工具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相対向する両側にカソード電極（蒸発源）を設け、その一方にはカソード電極（蒸発源）として金属Ｖを配置し、また、その他方にはカソード電極（蒸発源）として所定組成のＴｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金を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外周部に沿って複数の工具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工具基体自体も自転させながら、基本的に、まず前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金のカソード電極（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、前記工具基体の表面に、下部層として（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層を１〜５μｍの平均層厚で蒸着形成した後、
前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、引き続いて装置内雰囲気を窒素雰囲気に保持したままで、カソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、ＶＮ層を０．４〜２μｍμｍの平均層厚で蒸着形成した後、前記金属Ｖとアノード電極との間のアーク放電を停止し、同時に装置内への窒素ガスの供給を停止し、装置内を約１０秒間真空引きし、
その後装置内へ酸素ガスと窒素ガスの混合ガス（但し、Ｏ_２：Ｎ_２＝１：２の容量組成比）の供給を開始して蒸着装置内の雰囲気を１．５Ｐａの酸素−窒素混合ガス雰囲気に保持したままで、カソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて０．０２〜０．２μｍのＶＮＯ層を蒸着形成した後、前記金属Ｖとアノード電極との間のアーク放電を停止し、同時に装置内へ酸素−窒素混合ガスの供給を停止し、装置内を約１０秒間真空引きし、
その後装置内への酸素ガスの供給を開始して装置内雰囲気を酸素雰囲気に切り替え、その後、再びカソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記ＶＮＯ層に重ねて０．４〜２μｍの平均層厚でＶＯ層を蒸着形成した後、前記金属Ｖとアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内への酸素ガスの供給を停止し、装置内を約１０秒間真空引きした後、
装置内への酸素−窒素混合ガス（Ｏ_２：Ｎ_２＝１：２の容量組成比）の供給を開始して蒸着装置内の雰囲気を１．５Ｐａの酸素−窒素混合ガス雰囲気に保持したままで、カソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて０．０２〜０．２μｍのＶＮＯ層を蒸着形成した後、前記金属Ｖとアノード電極との間のアーク放電を停止し、同時に装置内へ酸素−窒素混合ガスの供給を停止し、装置内を約１０秒間真空引きし、
その後装置内への窒素ガスの供給を開始して雰囲気を窒素雰囲気に切り替え、再びカソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記ＶＮＯ層に重ねて０．４〜２μｍの平均層厚でＶＮ層を蒸着形成し、
さらに、ＶＮＯ層とＶＯ層とＶＮ層の蒸着形成とを、上記と同じ手順を繰り返し行うことにより、ＶＮ層とＶＯ層の交互積層構造からなり、かつ、ＶＮ層とＶＯ層の各層間にＶＮＯ層を介在させた積層構造の、目標全体層厚（１〜５μｍ）の上部層を蒸着により形成することができること。

（ｅ）上記の下部層と積層構造の上部層で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具は、特に粘性および粘着性の高いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の切削加工を、高負荷のかかる高切り込みや高送りなどの重切削条件で行っても、下部層である（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層がすぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度および表面滑り性を有し、また、積層構造からなる上部層が、ＶＯ層の有するすぐれた表面滑り性とＶＮ層の有する高温強度とを備えるとともに、ＶＮＯ層の介在によりＶＯ層及びＶＮ層の耐摩耗性が改善され、また、層間の接合強度も向上し、結果として、上部層全体がすぐれた表面滑り性を有するばかりか、すぐれた高温強度と耐摩耗性とを相兼ね備えたものとなり、このような構造からなる硬質被覆層は、全体として、より一段とすぐれた高温強度とすぐれた表面滑り性とを具備したものとなり、そして、前記難削材および切粉との間に十分な表面滑り性が確保され、難削材および切粉の切刃部表面に対する粘着性および反応性が著しく低減された状態で重切削加工が行われるようになることから、切刃部における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）〜（ｅ）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、工具基体の表面に、
（ａ）１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ−Ｚ}Ａｌ_ＸＶ_ＹＳｉ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５０、Ｙは０．０５〜０．３０、Ｚは０．０１〜０．１０を示す）を満足するＴｉとＡｌとＶとＳｉの複合窒化物層からなる下部層、
（ｂ）０．４〜２μｍの一層平均層厚を有する窒化バナジウム層と０．４〜２μｍの一層平均層厚を有する酸化バナジウム層の交互積層構造からなり、かつ、窒化バナジウム層と酸化バナジウム層の各層間には０．０２〜０．２μｍの一層平均層厚を有する酸窒化バナジウム層を介在させた、１〜５μｍの全体平均層厚を有する上部層、
以上（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる、難削材の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工具に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。

（ａ）下部層の組成および平均層厚
下部層を構成する（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ−Ｚ}Ａｌ_ＸＶ_ＹＳｉ_Ｚ）Ｎの構成成分であるＡｌ成分には硬質被覆層における高温硬さと耐熱性を向上させ、同Ｔｉ成分には高温強度を向上させ、同Ｖ成分には潤滑性（表面滑り性）を向上させ、さらに、同Ｓｉ成分にはより一段と耐熱性を向上させる作用があるが、Ａｌの割合を示すＸ値がＴｉとＶとＳｉの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．３０未満になると、相対的にＴｉの割合が多くなり過ぎて、所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、これが耐摩耗性低下の原因となり、一方Ａｌの割合を示すＸ値が同０．５０を越えると、相対的にＴｉの含有割合が減少し、難削材の重切削加工で必要とされる高温強度を確保することができず、チッピングの発生を防止することが困難になることから、Ｘ値を０．３０〜０．５０と定めた。また、Ｖの割合を示すＹ値がＡｌとＴｉとＳｉの合量に占める割合で０．０５未満では所望の潤滑特性が得られず、一方同Ｙ値が０．３０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、Ｙ値を０．０５〜０．３０と定めた。さらに、Ｓｉの割合を示すＺ値がＡｌとＴｉとＶｉの合量に占める割合で０．０１未満では所望の耐熱性向上効果が得られず、一方同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、Ｚ値を０．０１〜０．１０と定めた。

また、下部層の平均層厚が１μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方その平均層厚が５μｍを越えると、上記の粘性の高い難削材の重切削加工では切刃部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１〜５μｍと定めた。

（ｂ）上部層の交互積層構造を構成する窒化バナジウム層（ＶＮ層）の一層平均層厚
硬質被覆層の上部層の交互積層構造を構成するＶＮ層は、それ自体すぐれた高温強度を有し、ＶＯ層の高温強度不足を補うが、ＶＮ層の一層平均層厚が０．４μｍ未満では、上部層の高温強度の改善が十分ではなく、一方その平均層厚が２μｍを越えると、難削材の重切削加工において硬質被覆層の上部層に必要とされる潤滑特性（表面滑り性）を十分発揮することができなくなり、また、硬質被覆層の高温硬さも低下することとなり、これが耐摩耗性低下の原因となることから、その平均層厚を０．４〜２μｍと定めた。

（ｃ）上部層の交互積層構造を構成する酸化バナジウム層（ＶＯ層）の一層平均層厚
硬質被覆層の上部層の交互積層構造を構成するＶＯ層は、すぐれた表面滑り性を有し、被削材（難削材）および切粉に対する粘着性および反応性がきわめて低く、これは切削時に前記被削材が高温加熱された状態でも変わることなく維持されることから、下部層である（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層を前記高温加熱された被削材および切粉から保護し、これのチッピング発生を抑制する作用を発揮するが、その平均層厚が０．４μｍ未満では、前記作用に所望の効果が得られず、一方その平均層厚が２μｍを越えて厚くなり過ぎると、ＶＮ層との交互積層構造により高温強度を補強したとしてもチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．４〜２μｍと定めた。

（ｄ）上部層の積層構造を構成する酸窒化バナジウム層（ＶＮＯ層）の一層平均層厚
ＶＮＯ層は、ＶＮＯ層上にＶＯ層あるいはＶＮ層を成膜した際に、ＶＯ層あるいはＶＮ層の成膜反応性を高めるとともに、成膜時の結晶粒微細化を促進するので、ＶＯ層あるいはＶＮ層の耐摩耗性を向上させる作用があり、しかも、ＶＮ層とＶＯ層のいずれに対してもすぐれた密着性を有することから、ＶＮＯ層を、ＶＮ層とＶＯ層間に介在させることによって、積層構造の上部層の各層間の密着性・接合強度を改善し、結果として、上部層全体としての高温強度の向上・耐摩耗性の改善に寄与するが、ＶＮＯ層の一層平均層厚が０．０２μｍ未満では、接合強度・耐摩耗性の改善効果が十分ではなく、一方その平均層厚が０．２μｍを越えると、硬質被覆層の上部層に必要とされる表面滑り性を十分発揮することができなくなることから、その平均層厚を０．０２〜０．２μｍと定めた。

（ｅ）上部層の全体平均層厚
上部層の全体平均層厚が１μｍ未満では、難削材の重切削加工において、硬質被覆層がすぐれた表面滑り性を十分発揮することができないため、被削材（難削材）および切粉の切刃部表面に対する粘着性・反応性低減効果を期待することはできず、一方、その全体平均層厚が５μｍを超えると硬質被覆層の高温硬さが急激に低下し耐摩耗性が不十分になるため、その全体平均層厚を１〜５μｍと定めた。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層を構成する下部層の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、表面滑り性を有し、また、ＶＮＯ層を介在させた交互積層構造からなる上部層が、上部層全体としてすぐれた表面滑り性、高温強度、耐摩耗性を兼ね備えていることから、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性およびより一段とすぐれた表面滑り性を備え、その結果、特に粘性および粘着性の高いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の大きな発熱を伴い、かつ高負荷のかかる重切削加工であっても、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ものである。

つぎに、この発明の被覆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、Ｃr_３Ｃ_２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基超硬合金製の工具基体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（質量比で、ＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ_２Ｃ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基サーメット製の工具基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。

（ａ）ついで、上記の工具基体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外周部にそって装着し、前記回転テーブルを挟んで相対向する両側にカソード電極（蒸発源）を配置し、その一方にはカソード電極（蒸発源）として金属Ｖを配置し、また、その他方にはカソード電極（蒸発源）として所定組成の下部層形成用のＴｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金を配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ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工具基体に−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下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ−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、もって工具基体表面を前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金によってボンバード洗浄し、
（ｃ）次に、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して４Ｐａ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工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に、表３、表４に示される目標組成、目標層厚の下部層としての（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層を１〜５μｍの平均層厚で蒸着形成した後、前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
（ｄ）引き続いて装置内雰囲気を２Ｐａの窒素雰囲気に保持したままで、カソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表３、表４に示される一層目標層厚のＶＮ層を蒸着形成した後、前記金属Ｖとアノード電極との間のアーク放電を停止し、同時に装置内への窒素ガスの供給を停止し、装置内を約１０秒間真空引きし、
（ｅ）その後装置内へ酸素ガスと窒素ガスの混合ガス（但し、Ｏ_２：Ｎ_２＝１：２の容量組成比）の供給を開始して蒸着装置内の雰囲気を１．５Ｐａの酸素−窒素混合ガス雰囲気に保持したままで、カソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、もって表３、表４に示される一層目標層厚のＶＮＯ層を蒸着形成した後、前記金属Ｖとアノード電極との間のアーク放電を停止し、同時に装置内へ酸素−窒素混合ガスの供給を停止し、装置内を約１０秒間真空引きし、
（ｆ）その後装置内への酸素ガスの供給を開始して蒸着装置内の雰囲気を０．２Ｐａの酸素雰囲気に切り替え、再びカソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記ＶＮＯ層上に、同じく表３、表４に示される一層目標層厚のＶＯ層を蒸着形成した後、前記金属Ｖとアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内への酸素ガスの供給を停止し、装置内を約１０秒間真空引きし
（ｇ）その後装置内へ酸素−窒素混合ガス（Ｏ_２：Ｎ_２＝１：２の容量組成比）の供給を開始して蒸着装置内の雰囲気を１．５Ｐａの酸素−窒素混合ガス雰囲気に保持したままで、カソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、もって表３、表４に示される一層目標層厚のＶＮＯ層を蒸着形成した後、前記金属Ｖとアノード電極との間のアーク放電を停止し、同時に装置内へ酸素−窒素混合ガスの供給を停止し、装置内を約１０秒間真空引きし、
（ｈ）その後装置内への窒素ガスの供給を開始して蒸着装置内の雰囲気を２Ｐａの窒素雰囲気に保持したままで、カソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、もって表３、表４に示される一層目標層厚のＶＮ層を蒸着形成した後、前記金属Ｖとアノード電極との間のアーク放電を停止し、同時に装置内への窒素ガスの供給を停止し、装置内を約１０秒間真空引きし、
（ｊ）上記手順（ｅ）〜（ｈ）を繰り返し、表３、表４に示される、ＶＮＯ層を介したＶＮ層とＶＯ層の交互積層構造からなる目標全体層厚の上部層を蒸着形成する。
上記（ａ）〜（ｊ）により硬質被覆層を蒸着形成し、本発明被覆工具としての本発明表面被覆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、これら工具基体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）として種々の組成をもったＴｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．１Ｐａ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、前記工具基体に−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Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ−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、もって工具基体表面を前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金でボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ−Ｓｉ合金の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、もって前記工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれの表面に、表５、表６に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、従来被覆工具としての従来表面被覆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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ１の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．０ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）での高マンガン鋼の乾式断続高切り込み切削加工試験（通常の切り込みは１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３１６の丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ４ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｂ）でのステンレス鋼の乾式連続高切り込み切削加工試験（通常の切り込みは１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での軟鋼の乾式断続高送り切削加工試験（通常の送りは０．２３ｍｍ／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７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Ｃｒ_３Ｃ_２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８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種の工具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８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ＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（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、表９に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層、および、同じく表９に示される一層目標層厚のＶＮ層とＶＮＯ層とＶＯ層との積層構造からなる（目標全体層厚の）上部層で構成された硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明被覆工具としての本発明表面被覆超硬製エンドミル（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、上記の工具基体（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１０に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆工具としての従来表面被覆超硬製エンドミル（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・ＳＣＭｎＨ１の板材、
切削速度： ７５ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： １８０ ｍｍ／分、
の条件での高マンガン鋼の乾式高切り込み溝切削加工試験（通常の溝深さは３ｍｍ）、
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・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度： ７０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ４．５ ｍｍ、
テーブル送り： ２６０ ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高送り溝切削加工試験（通常のテーブル送りは１３０ｍｍ／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・Ｓ１５Ｃの板材、
切削速度： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １６ ｍｍ、
テーブル送り： ２００ ｍｍ／分、
の条件での軟鋼の乾式高切り込み溝切削加工試験（通常の溝深さは１０ｍｍ）、
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、表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（工具基体Ｃ−１〜Ｃ−３形成用）、１３ｍｍ（工具基体Ｃ−４〜Ｃ−６形成用）、および２６ｍｍ（工具基体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（工具基体Ｄ−１〜Ｄ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（工具基体Ｄ−４〜Ｄ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（工具基体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ＷＣ基超硬合金製の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（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、表１１に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層、および、同じく表１１に示される一層目標層厚の、ＶＮＯ層を介したＶＮ層およびＶＯ層の交互積層構造からなる（目標全体層厚の）上部層で構成された硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明被覆工具としての本発明表面被覆超硬製ドリル（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、上記の工具基体（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１２に示される目標組成および目標層厚を有する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、従来被覆工具としての従来表面被覆超硬製ドリル（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・ＳＣＭｎＨ１の板材、
切削速度： ７０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．４０ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件でのマンガン鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは０．２０ｍｍ／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・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度： ９０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．４０ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２０ ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは０．２５ｍｍ／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・Ｓ１５Ｃの板材、
切削速度： １１５ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．４０ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ３０ ｍｍ、
の条件での軟鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは０．２５ｍｍ／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０．１ｍｍ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１１、表１２にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明被覆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の硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層（下部層）の組成、並びに、従来被覆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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。

さらに、本発明被覆工具の硬質被覆層の上部層を構成する窒化バナジウム層、酸窒化バナジウム層、酸化バナジウム層の組成を同じく透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、窒化バナジウム層はＶＮを主体とする組織、酸窒化バナジウム層はＶＮＯを主体とする組織、また、酸化バナジウム層は、ＶＯを主体とし、これにＶ_２Ｏ_３およびＶＯ_２などを含有する混合組織を示した。

また、上記の硬質被覆層の下部層の平均層厚、交互積層構造の上部層を構成する窒化バナジウム層、酸窒化バナジウム層および酸化バナジウム層の一層平均層厚、上部層の全体層厚を走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

表７、９〜１２に示される結果から、本発明被覆工具は、いずれも特に粘性および粘着性の高いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の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、硬質被覆層の下部層である（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層が工具基体表面に強固に密着接合した状態で、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度および表面滑り性を有し、かつ、酸窒化バナジウム層を介在した窒化バナジウム層と酸化バナジウム層の交互積層構造からなる上部層によって、前記被削材および切粉との間のより一段とすぐれた表面滑り性が確保されると同時に上部層全体として一段とすぐれた高温強度、耐摩耗性が保持されていることによって、チッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。これに対して、硬質被覆層が（Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｓｉ）Ｎ層で構成された従来被覆工具においては、いずれも前記難削材の重切削加工では被削材（難削材）および切粉と前記硬質被覆層との粘着性および反応性が一段と高くなり、かつ、前記硬質被覆層の工具基体表面に対する密着性も不十分であるために、切刃部にチッピングが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、この発明の被覆工具は、一般鋼や普通鋳鉄などの切削加工は勿論のこと、特に上記の難削材の重切削加工で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切削性能を示すものであるから、切削加工装置のＦＡ化、並びに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。

本発明被覆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。 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基サーメットで構成された工具基体の表面に、
   （ａ）１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ−Ｚ}Ａｌ_ＸＶ_ＹＳｉ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３０〜０．５０、Ｙは０．０５〜０．３０、Ｚは０．０１〜０．１０を示す）を満足するＴｉとＡｌとＶとＳｉの複合窒化物層からなる下部層、
   （ｂ）０．４〜２μｍの一層平均層厚を有する窒化バナジウム層と０．４〜２μｍの一層平均層厚を有する酸化バナジウム層の交互積層構造からなり、かつ、窒化バナジウム層と酸化バナジウム層の各層間には０．０２〜０．２μｍの一層平均層厚を有する酸窒化バナジウム層を介在させた、１〜５μｍの全体平均層厚を有する上部層、
   以上（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる、難削材の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表面被覆切削工具。
   
   

Images