JP2009061520A - 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切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】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切削工具を提供する。
【解決手段】硬質被覆層として、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる下部層と、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎからなる上部層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、上記下部層は、組成式：［Ｔｉ_1-ＸＡｌ_Ｘ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６０）を満足し、上記上部層は薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなり、薄層Ａは、組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＳｉ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．１０〜０．１４、Ｆは０．２０〜０．２５）を満足し、薄層Ｂは、組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｑ＋Ｒ）}Ａｌ_ＱＳｉ_Ｒ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｑは０．３５〜０．４０、Ｒは０．０５〜０．１０）を満足する。
【選択図】 なし

Description

この発明は、硬質被覆層がすぐれた高温硬さおよび高温強度を具備し、これに加えて、さらにすぐれた耐熱性を有し、したがって、特にすぐれた耐熱性が要求される炭素鋼や合金鋼などの高発熱を伴う高速切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮する、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硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具（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。

従来、被覆工具の一つとして、例えば、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基体（以下、工具基体という）の表面に、
組成式：［Ｔｉ_1-αＡｌ_α］Ｎ（ただし、原子比で、αは０．４０〜０．６０を示す）、
を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜６μｍの平均層厚で蒸着形成してなる被覆工具が知られている。
また、他の被覆工具として、工具基体の表面に、
組成式：［Ｔｉ_{1-（β＋γ）}Ａｌ_βＳｉ_γ］Ｎ（ただし、原子比で、βは０．０５〜０．７５、γは０．０１〜０．１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０．１〜２０μｍの平均層厚で蒸着形成してなる被覆工具も知られている。
そして、上記の従来被覆工具においては、硬質被覆層を構成する前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層が、炭素鋼や合金鋼の切削加工においてすぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。

さらに、上記の従来被覆工具が、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、硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層あるいは（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層の組成に対応した組成を有するＴｉ−Ａｌ合金あるいは（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層がセットされたカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に、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）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。
特開昭６２−５６５６５号公報 特開平２−１９４１５９号公報 特開平７−３１０１７４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は強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記従来の被覆工具においては、これを炭素鋼、合金鋼などの通常の切削加工条件で行うのに用いた場合には、格別の問題はないが、これを、特に高熱発生を伴う高速切削加工条件で行うのに用いた場合には、硬質被覆層の耐熱性不足が原因で、摩耗進行がきわめて速く、このため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、特に炭素鋼、合金鋼などの高熱発生を伴う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工具を開発すべく、上記の従来被覆工具の硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、以下の知見を得た。
(ａ)上記の従来被覆工具の硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層において、その構成成分であるＡｌは、高温硬さと耐熱性を向上させ、Ｔｉは、高温強度を向上させ、その結果、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は、すぐれた高温硬さと高温強度を示し、一方、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層において、その構成成分であるＳｉは耐熱性を向上させることから、硬質被覆層の耐熱性の改善を図るため、すぐれた高温硬さと高温強度を示す（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と、すぐれた耐熱性を示す（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層との積層構造により硬質被覆層を形成することがすることが考えられる。しかし、上記の従来被覆工具のように（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層におけるＳｉ含有割合が１０原子％以下程度では、高熱発生を伴う高速切削加工に要求される耐熱性を充分確保することができず、この要求に満足に応えるためには２０〜２５原子％のＳｉ含有が必要とされる。しかし、２０〜２５原子％のＳｉ成分を含有した（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層として用いるにあたっては、所定量のＴｉを含有させ、硬質被覆層に所定の高温強度を確保する必要もあるが、この場合、Ａｌ成分の含有割合は著しく低い状態となるのが避けられず、この結果、硬質被覆層は高温硬さのきわめて低いものとなり、耐摩耗性が極めて不十分なものとなること。

（ｂ）そこで、上記（ａ）のＳｉ含有割合を２０〜２５原子％に高めて耐熱性を向上させた（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層（以下、薄層Ａという）と、前記薄層Ａに比してＳｉ含有割合は低いが、相対的にＡｌ含有割合を高くし、所定の高温硬さを付与した（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層（以下、薄層Ｂという）を、それぞれの一層平均層厚を５〜２５ｎｍ（ナノメーター）の薄層とした状態で交互積層構造を形成したところ、相対的に高い高温硬さを有する薄層Ｂが、隣接する薄層Ａの高温硬さ不足を補完し、この交互積層構造の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層は、高Ｓｉ含有の薄層Ａのもつすぐれた耐熱性と、相対的にＡｌ含有割合が高い薄層Ｂのもつ所定の高温硬さを示すようになること。
ここで、薄層Ａ、薄層Ｂの組成式は、次のとおりである。
薄層Ａの組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＳｉ_Ｆ］Ｎ（但し、原子比で、Ｅは０．１０〜０．１４、Ｆは０．２０〜０．２５を示す）
薄層Ｂの組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｑ＋Ｒ）}Ａｌ_ＱＳｉ_Ｒ］Ｎ（但し、原子比で、Ｑは０．３５〜０．４０、Ｒは０．０５〜０．１０を示す）

（ｃ）薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有する上記（ｂ）の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層は、炭素鋼や合金鋼などの高熱発生を伴う高速切削加工で要求される、すぐれた耐熱性を具備するものの、その高温硬さは十分満足できるものではないが、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる積層を硬質被覆層の上部層として設け、一方、硬質被覆層の下部層として、耐熱性は不十分であるものの、相対的にＡｌ成分の含有割合が高く、すぐれた高温硬さと高温強度を具備する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、すなわち、
組成式：［Ｔｉ_1-ＸＡｌ_Ｘ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６０を示す）を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、
を設けた構造にすると、この上部層と下部層からなる硬質被覆層は、全体として、すぐれた高温硬さと高温強度を示すとともにすぐれた耐熱性を備えたものとなるので、この硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具は、上記の高熱発生を伴う炭素鋼、合金鋼等の高速切削加工でも、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。

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、
「 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、硬質被覆層として、少なくとも、ＴｉとＡｌの複合窒化物からなる下部層と、ＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物からなる上部層とを蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）上記下部層は、０．５〜３μｍの平均層厚を有し、
組成式：［Ｔｉ_1-ＸＡｌ_Ｘ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６０を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
（ｂ）上記上部層は、０．５〜３μｍ合計平均層厚を有し、かつ、いずれも一層平均層厚がそれぞれ５〜２５ｎｍ（ナノメ−タ−）の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造として構成され、
上記薄層Ａは、
組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＳｉ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．１０〜０．１４、Ｆは０．２０〜０．２５を示す）を満足するＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物層、
上記薄層Ｂは、
組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｑ＋Ｒ）}Ａｌ_ＱＳｉ_Ｒ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｑは０．３５〜０．４０、Ｒは０．０５〜０．１０を示す）を満足するＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具。」
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）下部層を構成する硬質被覆層の組成式および平均層厚
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層の下部層におけるＡｌ成分には高温硬さ、耐熱性を向上させ、一方、同Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用があり、下部層ではＡｌ成分の含有割合を多くして、高い高温硬さを具備せしめるが、Ａｌの含有割合を示すＸ値がＴｉとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．４０未満では、相対的にＴｉの割合が多くなって、すぐれた高温強度は得られるものの十分な高温硬さを確保することができず、摩耗進行が急激に促進するようになり、一方、Ａｌの割合を示す同Ｘ値が同０．６０を越えると、相対的にＴｉの割合が少なくなり過ぎて、高温強度が急激に低下し、この結果チッピング（微少欠け）などが発生し易くなることから、Ｘ値を０．４０〜０．６０と定めた。
また、その平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた高温硬さ、高温強度を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方、その平均層厚が３μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、下部層の平均層厚を０．５〜３μｍと定めた。

（ｂ）上部層の薄層Ａを構成する硬質被覆層の組成式
上部層の薄層Ａの（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）ＮにおけるＳｉ成分は、耐熱性向上に寄与するが、その含有割合を示すＦ値がＴｉとＡｌの合量に占める割合で、０．２０未満では、高速切削加工時に必要とされる十分な耐熱性を確保することができず、一方同Ｆ値が０．２５を越えると、相対的なＴｉ含有割合の減少により高温強度が低下し、これが上部層全体の高温強度低下の原因となりチッピングが発生し易くなることから、Ｆ値を０．２０〜０．２５と定めた。
また、Ａｌの割合を示すＥ値がＴｉとＳｉの合量に占める割合で、０．１０未満では、最低限の高温硬さを確保することができず、摩耗促進の原因となり、一方同Ｅ値が０．１４を超えると、高温強度が低下し、チッピング発生の原因となることから、Ｅ値を０．１０〜０．１４と定めた。

（ｃ）上部層の薄層Ｂを構成する硬質被覆層の組成式
薄層Ｂは、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層において、云わば、薄層Ａに不足する特性（高温硬さ）を補うことを主たる目的とするものである。
すでに述べたように、上部層の薄層Ａは、Ｓｉ成分の含有割合を高めその耐熱性の向上を図ったものであるが、上部層には所定の高温強度も求められており、これを確保するためには薄層Ａに所定量のＴｉを含有する必要がある。そうすると、薄層ＡにおけるＡｌの含有割合は、少なくならざるを得ず、その結果として、薄層Ａは高温硬さが不十分となり、ひいては、耐摩耗性の低下につながる。
そこで、上部層の薄層Ｂとして、薄層Ａに比してＳｉ成分の含有割合を相対的に低くするが、Ａｌ成分の含有割合を相対的に高く維持することで、相対的に高い高温硬さを具備せしめ、隣接する薄層Ａの高温硬さ不足を補い、もって、前記薄層Ａのもつすぐれた耐熱性と、前記薄層Ｂのもつ所定の高温硬さを具備した上部層を形成する。
薄層Ｂの組成式におけるＡｌの含有割合を示すＱ値が０．３５未満になると、Ａｌの含有割合が少なくなり過ぎて、所定の高温硬さを保持することができないばかりか薄層Ａの高温硬さ不足を補完することもできず、この結果摩耗進行が促進するようになり、一方、同Ｑ値が０．４０を越えると、相対的にＴｉ成分の含有割合が低下して、上部層の高温強度低下は避けられず、チッピング発生の原因となることから、Ｑ値を０．３５〜０．４０と定めた。
また、Ｓｉの割合を示すＲ値がＴｉとＡｌの合量に占める割合で、０．０５未満では、薄層Ａが存在していたとしても上部層全体の耐熱性低下が避けられず、一方、同Ｒ値が０．１０を超えると、相対的なＴｉの含有割合の減少による高温強度の低下によって、チッピングが発生し易くなることから、Ｒ値を０．０５〜０．１０と定めた。

（ｄ）上部層の薄層Ａと薄層Ｂの一層平均層厚
上部層の薄層Ａと薄層Ｂ、それぞれの一層平均層厚が５ｎｍ未満ではそれぞれの薄層を上記の組成のものとして明確に形成することが困難であり、この結果上部層に所望のすぐれた耐熱性、さらに所定の高温硬さを確保することができなくなり、またそれぞれの一層平均層厚が２５ｎｍを越えると、それぞれの薄層がもつ欠点、例えば、薄層Ａであれば高温硬さ不足、薄層Ｂであれば耐熱性不足、が層内に局部的に現れるようになり、これが原因で摩耗が急速に進行するようになることから、それぞれの一層平均層厚は５〜２５ｎｍと定めた。
すなわち、薄層Ｂは、薄層Ａの特性を補完するために設けられたものであるが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚が５〜２５ｎｍの範囲内であれば、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層は、すぐれた耐熱性、所定の高温硬さおよびすぐれた高温強度を具備したあたかも一つの層であるかのように作用するが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚が２５ｎｍを越えると、薄層Ａの高温硬さ不足、あるいは、薄層Ｂの耐熱性不足が層内に局部的に現れるようになり、上部層全体が一つの層としての良好な特性を呈することができなくなるため、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚を５〜２５ｎｍと定めた。
薄層Ａと薄層Ｂの一層平均層厚を５〜２５ｎｍの範囲内とした交互積層構造からなる上部層を下部層表面に形成することにより、優れた耐熱性、高温硬さ、高温強度を兼ね備えた硬質被覆層が得られる。

（ｅ）上部層の合計平均層厚
上部層全体の合計平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐熱性、さらに所定の高温硬さを硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方上部層全体の合計平均層厚が３μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その合計平均層厚を０．５〜３μｍと定めた。
なお、被覆工具の切削後の使用コーナーの識別を容易にする目的で、硬質被覆層の上層に、金色を有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を被覆することが一般的に知られているが、本発明被覆工具においても、使用コーナー識別の目的で、上部層の表面に０．２〜０．６μｍ程度の層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を被覆することもできる。

この発明の被覆工具は、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層がすぐれた高温硬さ高温強度を具備し、さらに、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層が、すぐれた耐熱性とともにすぐれた高温強度、所定の高温硬さを有することから、特に高熱発生を伴う炭素鋼や合金鋼の高速切削加工でも、前記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長期に亘って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、Ｃr₃Ｃ₂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（重量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ₂Ｃ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だ一方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表３，４に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ａ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）として、同じくそれぞれ表３，４に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ｂ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金、また、上記両カソード電極（蒸発源）から９０°隔たった位置に下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ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４００℃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、かつ前記下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ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合金によってボンバード洗浄し、
（ｃ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、まず、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−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ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、つづいて、７Ｐａの窒素ガス反応雰囲気とすると共に、工具基体に−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって前記工具基体の表面に、表３，４に示される目標組成および目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）ついで装置内を７Ｐａの窒素ガス反応雰囲気としたまま、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−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層Ａ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間に５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記工具基体の表面に所定層厚の薄層Ａを形成し、前記薄層Ａ形成後アーク放電を停止し、代って前記薄層Ｂ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極間に同じく５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、所定層厚の薄層Ｂを形成し、アーク放電を停止し、再び前記薄層Ａ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ａの形成と、前記薄層Ｂ形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ｂの形成を交互に繰り返し行い、もって前記工具基体表面に、層厚方向に沿って表３，４に示される目標組成および一層目標平均層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を、同じく表３，４に示される合計目標平均層厚で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スローアウエイチップ（以下、本発明被覆超硬チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

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、それぞれ表５に示される目標組成に対応した成分組成をもったＴｉ−Ａｌ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４００℃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７Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−３０Ｖに下げて、前記Ｔｉ−Ａｌ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に示される目標組成および目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）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スローアウエイチップ（以下、従来被覆超硬チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
なお、参考のため、Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金をカソード電極（蒸発源）として、従来被覆超硬チップの製造と同様にして、表５に示される目標組成および目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、参考被覆工具としての参考表面被覆超硬製スローアウエイチップ（以下、参考被覆超硬チップと云う）１〜３を製造した。

つぎに、上記の各種の被覆超硬チップを、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、本発明被覆超硬チップ１〜１６、従来被覆超硬チップ１〜１６および参考被覆超硬チップ１〜３について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの丸棒、
切削速度： ２８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．２ ｍｍ、
送り： ０．３０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂという）でのステンレス鋼の乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度： ３００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｃという）での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１８０ｍ／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種の超硬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８に示される目標組成および目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層と、同じく層厚方向に沿って表８に示される目標組成および一層目標平均層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を、同じく表８に示される合計目標平均層厚で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、本発明被覆超硬エンドミルと云う）１〜８を製造した。

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、同じく表９に示される目標組成および目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）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、従来被覆超硬エンドミルと云う）１〜８を製造した。
なお、参考のため、Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金をカソード電極（蒸発源）として用いる以外は、実施例１と同一の条件で、同じく表９に示される目標組成および目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、参考被覆工具としての参考表面被覆超硬製エンドミル（以下、参考被覆超硬エンドミルと云う））１、２を製造した。

つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１〜８、従来被覆超硬エンドミル１〜８および参考被覆超硬エンドミル１、２のうち、
本発明被覆超硬エンドミル１〜３従来被覆超硬エンドミル１〜３および参考被覆超硬エンドミル１については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： １２０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： ４００ ｍｍ／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８０ｍ／ｍｉｎ．）を行い、
本発明被覆超硬エンドミル４〜６、従来被覆超硬エンドミル４〜６および参考被覆超硬エンドミル２については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ８ ｍｍ、
テーブル送り： ４５０ ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）を行い、
本発明被覆超硬エンドミル７，８および従来被覆超硬エンドミル７，８については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度： １６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １６ ｍｍ、
テーブル送り： ３５０ ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）を行い、
上記の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。その測定結果を表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（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１０に示される目標組成および目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層と、同じく層厚方向に沿って表１０に示される目標組成および一層目標平均層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を、同じく表１０に示される合計目標平均層厚で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、本発明被覆超硬ドリルと云う）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、同じく表１１に示される目標組成および目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）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。
なお、参考のため、上記の工具基体（ドリル）Ｄ−１，Ｄ−４に対して、Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金をカソード電極（蒸発源）として用いる以外は、実施例１と同一の条件で、同じく表１１に示される目標組成および目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、参考被覆工具としての参考表面被覆超硬製ドリル（以下、参考被覆超硬ドリルと云う）１、２を製造した。

つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜８、従来被覆超硬ドリル１〜８および参考被覆超硬ドリル１、２のうち、
本発明被覆超硬ドリル１〜３、従来被覆超硬ドリル１〜３および参考被覆超硬ドリル１については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度： １２０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２０ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件での合金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．）を行い、
本発明被覆超硬ドリル４〜６、従来被覆超硬ドリル４〜６および参考被覆超硬ドリル２については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １５ ｍｍ、
の条件での炭素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．）を行い、
本発明被覆超硬ドリル７，８および従来被覆超硬ドリル７，８については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： １３０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２８ ｍｍ、
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．）を行い、
上記の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工具としての本発明被覆超硬チップ１〜１６、本発明被覆超硬エンドミル１〜８、本発明被覆超硬ドリル１〜８の硬質被覆層を構成する上部層の薄層Ａ、薄層Ｂおよび同下部層の組成、また、従来被覆工具としての従来被覆超硬チップ１〜１６、従来被覆超硬エンドミル１〜８、従来被覆超硬ドリル１〜８の硬質被覆層の組成、さらに、参考被覆工具としての参考被覆超硬チップ１〜３、参考被覆超硬エンドミル１，２、参考被覆超硬ドリル１，２の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型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。

また、上記の硬質被覆層の構成層の平均層厚を透過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３〜１１に示される結果から、本発明表面被覆切削工具は、いずれも硬質被覆層が、一層平均層厚がそれぞれ５〜２５ｎｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有する上部層（０．５〜３μｍの合計平均層厚を有す）と、０．５〜３μｍの平均層厚の下部層からなり、前記上部層が所定の高温硬さを備えるとともに特にすぐれた耐熱性を備え、そして、前記下部層がすぐれた高温硬さを備えていることと相俟って、炭素鋼や合金鋼等の高熱発生を伴う高速切削加工でも、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（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層のみからなる従来表面被覆切削工具および硬質被覆層が（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のみからなる参考表面被覆切削工具は、硬質被覆層の耐熱性不足が原因で摩耗進行が速く、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、この発明の表面被覆切削工具は、炭素鋼や合金鋼などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に高熱発生を伴う高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の高性能化、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。

本発明表面被覆切削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、硬質被覆層として、少なくとも、ＴｉとＡｌの複合窒化物からなる下部層と、ＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物からなる上部層とを蒸着形成した表面被覆切削工具において、
   （ａ）上記下部層は、０．５〜３μｍの平均層厚を有し、
   組成式：［Ｔｉ_1-ＸＡｌ_Ｘ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６０を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
   （ｂ）上記上部層は、０．５〜３μｍ合計平均層厚を有し、かつ、いずれも一層平均層厚がそれぞれ５〜２５ｎｍ（ナノメ−タ−）の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造として構成され、
   上記薄層Ａは、
   組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＳｉ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．１０〜０．１４、Ｆは０．２０〜０．２５を示す）を満足するＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物層、
   上記薄層Ｂは、
   組成式：［Ｔｉ_{1-（Ｑ＋Ｒ）}Ａｌ_ＱＳｉ_Ｒ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｑは０．３５〜０．４０、Ｒは０．０５〜０．１０を示す）を満足するＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物層、
   上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具。

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