JP2010137335A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金を、高熱発生を伴う高速条件下で切削加工した場合にも、長期の使用に亘って硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性、耐チッピング性、耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体表面に、少なくとも、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、薄層Ａは、組成式［Ａｌ_ＸＣｒ_ＹＳｉ_Ｚ］Ｎで表されるＡｌとＣｒとＳｉの複合窒化物層、薄層Ｂは、組成式［Ａｌ_ＵＴｉ_ＶＳｉ_Ｗ］Ｎで表されるＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層であり、上記薄層Ａと薄層Ｂは、それぞれ、０．００５〜０．０５μｍの一層平均層厚を有し、また、上記薄層Ａと薄層Ｂとの合計層厚は１〜５μｍである。
【選択図】 なし

Description

この発明は、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴う高速切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性、耐チッピング性、耐欠損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、具体的な被覆工具としては、例えば、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金で構成された工具基体の表面に、
組成式：［Ａｌ_ＸＣｒ_ＹＳｉ_Ｚ］Ｎで表した場合、
０．２０≦Ｙ≦０．７５、０．０１≦Ｚ≦０．３０、Ｘ＝１−（Ｙ＋Ｚ）（ただし、Ｘ、Ｙ、Ｚはいずれも原子比）を満足するＡｌとＣｒとＳｉの複合窒化物層（以下、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層で示す）からなるａ層と、
組成式：［Ａｌ_ＵＴｉ_Ｖ］Ｎで表した場合、
０．２５≦Ｕ≦０．７５、０．２５≦Ｖ≦０．７５（ただし、Ｕ、Ｖはいずれも原子比）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層（以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層で示す）からなるｂ層とを、
交互に積層して形成することにより、耐高温酸化性、高硬度を有し、かつ、耐摩耗性にすぐれた硬質被覆層を備えた被覆工具（以下、従来被覆工具という）が得られることが知られている。

そして、上記の従来被覆工具は、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、装置内を、例えば５００℃の温度に加熱した状態で、蒸着形成する硬質被覆層の種類に応じた成分組成を有するカソード電極（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、上記硬質被覆層を蒸着形成することにより製造されることも知られている。
特開２００３−３２１７６４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、切削加工はますます高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工に用いた場合には、特段の問題は生じないが、これを、例えば、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合には、切削加工時の硬質被覆層の酸化に基づく耐摩耗性の低下を主たる要因として、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、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の、高熱発生を伴う高速切削加工に用いたような場合にも、硬質被覆層が特にすぐれた耐酸化性を備え、長期間の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った結果、以下のような知見を得た。

（ａ）上記の従来被覆工具の硬質被覆層のａ層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層におけるＡｌ成分には高温硬さ、同Ｃｒ成分には高温靭性、高温強度を向上させると共に、ＡｌおよびＣｒが共存含有した状態で高温耐酸化性を向上させ、さらに同Ｓｉ成分には結晶粒の微細化によって高温硬さを向上させると同時に、耐熱塑性変形性を向上させる作用があるが、高熱発生を伴う耐熱合金の高速切削加工においては、高温靭性、高温強度が充分であるとはいえないため、これがチッピング、欠損等の発生原因となりやすく、例え、Ｃｒ含有割合の増加により高温靭性、高温強度の改善を図ろうとしても、相対的なＡｌ含有割合の減少によって、耐摩耗性が劣化してしまうため、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層における耐チッピング性、耐欠損性の向上には限界があること。

（ｂ）一方、上記の従来被覆工具の硬質被覆層のｂ層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層におけるＡｌ成分には前記と同様な作用があり、また、Ｔｉ成分には、高温靭性、高温強度を一段と向上させる作用があることから、上記ａ層とｂ層との交互積層を構成した場合には、ｂ層がａ層に不足する高温靭性、高温強度を補い、又、交互積層構造による結晶粒の微細化によって、さらに膜の強度が向上し、その結果、層全体としての耐チッピング性、耐欠損性の向上が図られることになるが、このｂ層は耐酸化性が十分でないため、例えば、高熱発生を伴う耐熱合金の高速切削加工においてはｂ層に酸化損耗が生じやすく、さらに、上記ａ層とｂ層との薄層の交互積層が形成されている場合には、切削加工時の高熱によりａ層自体も酸化されやすくなり、その結果、ａ層とｂ層の薄層の交互積層からなる硬質被覆層は、硬度の低下が生じるため、耐摩耗性も劣化しやすくなること。

（ｃ）そこで、上記ｂ層において、その構成成分として微量のＳｉ成分を添加含有させ、これを（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層（以下、薄層Ｂという）で構成したところ、Ａｌ成分、Ｔｉ成分には前記と同様な作用があるとともに、Ｓｉ成分によって、薄層Ｂの耐酸化性が向上するため、酸化による層の硬度低下が抑えられ、また、薄層Ｂには、上記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層（以下、薄層Ａという）との交互積層において層間密着性を高める作用もあるため、層全体としての強度が向上すること。
特に、上記薄層Ａ[（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層]と上記薄層Ｂ[（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層]の交互積層を上部層とし、該上部層と工具基体表面との間に、上記薄層Ｂと同様の組成を有し、相対的に層厚の大きな下地層（層厚０．０５μｍを超え２μｍ以下）を介在形成すると、該下地層が上部層と工具基体間の密着強度を高めるために、硬質被覆層全体としての強度がより一段と向上すること。

（ｄ）したがって、所定組成かつ所定層厚の薄層Ａ[（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層]と薄層Ｂ[（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層]とを交互に積層して硬質被覆層を構成したところ、あるいはさらに、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層を上部層とし、該上部層と工具基体表面との間に、薄層Ｂと同様の組成を有する下地層を介在形成して硬質被覆層を構成したところ、硬質被覆層全体として、すぐれた耐酸化性、層間密着性及び強度を相兼ね備えるようになるため、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる硬質被覆層を形成した被覆工具は、高熱発生を伴うＮｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工に用いた場合であっても、チッピング、欠損等を生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮すること。

この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 工具基体表面に、少なくとも薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
（ａ）上記薄層Ａは、
組成式：［Ａｌ_ＸＣｒ_ＹＳｉ_Ｚ］Ｎ
で表した場合、Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉそれぞれの含有割合を示すＸ，Ｙ，Ｚ（いずれも原子比）は、０．４５≦Ｘ≦０．７０、０．２５≦Ｙ≦０．５０、０．０２≦Ｚ≦０．１５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１を満足するＡｌとＣｒとＳｉの複合窒化物層、
（ｂ）上記薄層Ｂは、
組成式：［Ａｌ_ＵＴｉ_ＶＳｉ_Ｗ］Ｎ
で表した場合、Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉそれぞれの含有割合を示すＵ，Ｖ，Ｗ（いずれも原子比）は、０．４０≦Ｕ≦０．６５、０．３０≦Ｖ≦０．５５、０．０２≦Ｗ≦０．１５、Ｕ＋Ｖ＋Ｗ＝１を満足するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、
（ｃ）上記薄層Ａと薄層Ｂは、それぞれ、０．００５〜０．０５μｍの一層平均層厚を有し、また、上記薄層Ａと薄層Ｂとの合計層厚は、１〜５μｍである、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 硬質被覆層は、上記薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層と、該上部層と工具基体表面との間に介在形成された下地層とからなり、該下地層は、０．０５μｍを超え２μｍ以下の層厚を有し、かつ、上記薄層Ｂの組成式を満足する組成を有することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
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、より詳細に説明する。
（ａ）薄層Ａ
（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層ＡにおけるＡｌ成分には高温硬さ、同Ｃｒ成分には高温靭性、高温強度を向上させると共に、ＡｌおよびＣｒが共存含有した状態で耐酸化性を向上させ、さらに同Ｓｉ成分には高温硬さと耐熱塑性変形性を向上させる作用がある。そして、Ａｌの含有割合を示すＸ値（原子比）がＣｒとＳｉの合量に占める割合で０．４５未満では、最低限の高温硬さおよび耐酸化性を確保することができず、摩耗促進の原因となり、一方同Ｘ値が０．７０を超えると、高温靭性、高温強度が低下するようになり、チッピング・欠損発生の原因となることから、Ｘ値を０．４５〜０．７０と定めた。また、Ｃｒの含有割合を示すＹ値（原子比）がＡｌとＳｉの合量に占める割合で０．２５未満では、最低限必要とされる高温靭性、高温強度を確保することができないため、チッピング・欠損の発生を抑制することができず、一方同Ｙ値が０．５０を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、摩耗進行が促進することから、Ｙ値を０．２５〜０．５０と定めた。さらに、Ｓｉの含有割合を示すＺ値（原子比）がＡｌとＣｒの合量に占める割合で０．０２未満では、高温硬さと耐熱塑性変形性の改善による耐摩耗性向上を期待することはできず、一方同Ｚ値が０．１５を越えると、耐摩耗性向上効果に低下傾向がみられるようになることから、Ｚ値を０．０２〜０．１５と定めた。
なお、上記Ｘ、Ｙ、Ｚについて、特に望ましい範囲は、０．５５≦Ｘ≦０．６５、０．２５≦Ｙ≦０．３５、０．０３≦Ｚ≦０．１０である。

（ｂ）薄層Ｂ
薄層Ａとの交互積層構造を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ｂは、云わば、薄層Ａに不足する特性（特に、耐チッピング性、耐欠損性）を補完するために設けた層である。
すでに述べたように、薄層Ａは、特に、Ａｌ成分、Ｓｉ成分を含有することによりすぐれた耐摩耗性を備え、さらに、Ｃｒ成分を含有することに所定の耐チッピング性、耐欠損性を保持しているが、高熱発生を伴うＮｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削条件下での使用に耐えるためには、薄層Ａにはさらに一段とすぐれた耐酸化性、高温靭性、高温強度が求められ、これを確保するためには薄層Ａにより多くのＣｒを含有させる必要があるが、そうすると、薄層ＡにおけるＡｌ、Ｓｉの含有割合は、少なくならざるを得ず、その場合には、薄層Ａは高温硬さおよび耐熱塑性変形性が不十分となり、ひいては、耐摩耗性の低下につながることから、薄層ＡにおいてＣｒ含有割合の更なる増加を図ることは不可能である。
そこで、この発明では、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ｂを、上記薄層Ａと交互に積層し、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる硬質被覆層を形成することにより、薄層Ａの有するすぐれた高温硬さ、耐熱塑性変形性を損なうことなしに、薄層Ａに不足する高温靭性、高温強度を、隣接する薄層Ｂの備えるすぐれた高温靭性、高温強度によって補い、また、交互積層構造による結晶粒の微細化によってさらに膜強度の向上を図り、もって、硬質被覆層全体として、すぐれた耐酸化性、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性を発揮せしめるのである。
薄層Ｂの組成式におけるＡｌ成分の作用効果は、薄層Ａの場合と同様であり、また、Ｔｉ成分には高温靭性、高温強度を一段と向上させる作用があるが、Ａｌの含有割合を示すＵ値（原子比）が０．４０未満、或いは、Ｔｉの割合を示すＶ値（原子比）が０．５５を超えると、最低限必要とされる所定の高温硬さを確保することができなくなるため、耐摩耗性低下の原因となり、またＵ値が０．６５を超えた場合、或いは、Ｖ値が０．３０未満であると、Ｔｉ成分添加による高温靭性、高温強度改善効果が期待できず、チッピング、欠損の発生を抑えることが困難となる。
したがって、Ａｌの含有割合示すＵ値は、０．４０〜０．６５、また、Ｔｉの含有割合を示すＶ値は、０．３０〜０．５５と定めた。
また、Ｓｉの含有割合を示すＷ値（原子比）が０．０２未満の場合には、耐酸化性の向上を期待できず、一方、Ｗ値が０．１５を超えるような場合には、高温硬さが低下することから、Ｓｉ成分の含有割合を示すＷ値を、０．０２〜０．１５と定めた。
なお、上記Ｕ、Ｖ、Ｗについて、特に望ましい範囲は、０．４５≦Ｕ≦０．６０、０．４≦Ｖ≦０．５、０．０３≦Ｗ≦０．０７である。

（ｃ）層厚
薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚が０．００５μｍ未満では、それぞれの薄層を所定組成のものとして明確に形成することが困難であるばかりか、結晶粒の微細化による膜質向上の効果が十分発揮されず、一方、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの層厚が０．０５μｍを超えた場合には、膜強度に低下傾向がみられると同時にそれぞれの薄層がもつ欠点、すなわち薄層Ａであれば靭性不足、強度不足が、また、薄層Ｂであれば硬度不足が層内に局部的に現れ、硬質被覆層全体としての特性低下を招く恐れがあるので、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚を０．００５〜０．０５μｍと定めた。
すなわち、薄層Ｂは、薄層Ａの有する特性のうちの不十分な特性を補うために設けたものであるが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの層厚が０．００５〜０．０５μｍ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硬質被覆層は、すぐれた高温硬さ、高温靭性、高温強度、耐熱塑性変形性を損なうことなく、すぐれた耐酸化性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の層厚が０．０５μｍを超えると、薄層Ａの靭性不足、強度不足が、また、薄層Ｂの硬度不足が顕在化する。
また、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる層（上部層）は、その合計層厚が１μｍ未満ではすぐれた特性を発揮することはできず、また、合計層厚が５μｍを超えると、チッピング、 欠損を発生しやすくなるので、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる層（上部層）の合計層厚は、１〜５μｍと定めた。

（ｄ）下地層
工具基体表面上に直接、薄層Ａ、薄層Ｂを交互に、例えば、物理蒸着で積層形成すると、層内には残留圧縮応力が発生し、このような硬質被覆層を設けた被覆工具を一段と厳しい切削加工条件下で使用すると、この圧縮残留応力によって、工具基体−硬質被覆層間の密着力が不安定になる。そこで、このような場合には、工具基体表面と、交互積層構造の硬質被覆層との間の付着強度をより高めておく必要があるが、そのための手段としては、工具基体表面に下地層を形成し、付着強度を高めることが有効である。特に、この発明では、硬質被覆層を、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層と、該上部層と工具基体表面との間に下地層を介在形成し、しかも、薄層Ｂに比して比較的層厚の大きい（０．０５μｍを超え２μｍ以下の層厚）もの、かつ、薄層Ｂと同様な組成のものとして下地層を介在形成することによって、工具基体−硬質被覆層間の密着強度が改善され、一段と厳しい切削条件下で使用された場合であっても、硬質被覆層の剥離、欠落を生じることなく、より安定した切削を行うことができる。
なお、下地層の層厚が０．０５μｍ以下では、下地層を設けることによる効果を期待できず、一方、層厚が２μｍを超えると、残留圧縮応力の蓄積により、クラックが発生しやすくなり安定した密着力を確保できなくなることから、下地層の層厚は、０．０５μｍを超え２μｍ以下と定めた。

この発明の表面被覆切削工具は、硬質被覆層が、少なくとも、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ａと、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ｂの交互積層構造として構成されていることによって、すぐれた高温硬さ、高温靭性、高温強度、耐熱塑性変形性および耐酸化性を備え、あるいは、下部層として、薄層Ｂと同様な組成の下地層をさらに設けることによって、工具基体に対する硬質被覆層の密着強度も向上することから、特に高熱発生を伴うＮｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工でも、硬質被覆層がすぐれた高温硬さ、高温靭性、高温強度、耐熱塑性変形性に加えて、すぐれた耐酸化性およびすぐれた層間密着性を発揮し、この結果、チッピング、欠損、偏摩耗、剥離の発生もなく、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、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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：０．０２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−５を形成した。

（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−５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、一方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった薄層Ａ形成用Ａｌ−Ｃｒ−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２に示される目標組成に対応した成分組成をもった下地層及び薄層Ｂ形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置する。
なお、図１では、薄層Ｂ形成用カソード電極と下地層形成用カソード電極を兼用しているが、薄層Ｂ形成用カソード電極と下地層形成用カソード電極とをそれぞれ別個のものとして設けることも勿論可能である。
（ｂ）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工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、例えば、薄層Ｂ形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極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ボンバード洗浄する。
（ｃ）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工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記薄層Ｂ形成用Ａｌ−Ｔｉ−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、もって工具基体の表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の下地層を蒸着形成する。
なお、下地層を形成しない場合には、上記（ｃ）の工程は当然不要となる。
（ｄ）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工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加した状態で、薄層Ａ形成用Ａｌ−Ｃｒ−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（の下地層）上に所定層厚の薄層Ａを形成し、その後、前記薄層Ｂ形成用Ａｌ−Ｔｉ−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を形成した後（下地層を形成しない場合には、薄層Ａ、薄層Ｂのいずれから蒸着を開始しても良い）、更に、薄層Ａと薄層Ｂの形成を交互に繰り返し行う。
上記（ａ）〜（ｄ）の手順により、前記工具基体の表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の下地層および同じく表２に示される目標組成および目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を蒸着形成することにより、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆工具としての本発明被覆チップ１〜１０をそれぞれ製造した。
なお、本発明被覆チップ１〜５については、下地層は設けていない。

また、比較の目的で、これら工具基体Ａ−１〜Ａ−５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３に示される目標組成に対応した成分組成をもったＡｌ−Ｃｒ−Ｓｉ合金及びＡｌ−Ｔｉ合金を装着し、例えば、
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Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ合金（あるいはＡｌ−Ｔｉ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Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ合金（あるいはＡｌ−Ｔｉ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２Ｐａ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Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ合金（あるいはＡｌ−Ｔｉ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の表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層（或いは、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層）を蒸着形成し、
ついで、前記Ａｌ−Ｔｉ合金（あるいはＡｌ−Ｃｒ−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の表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層（或いは、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層）を蒸着形成し、
上記の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の蒸着形成を交互に繰り返すことにより、表３に示される目標組成および目標層厚の交互積層からなる硬質被覆層を有し、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１０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１〜１０および従来被覆チップ１〜１０について、
被削材：質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．５％Ｆｅ−５．２％Ｃｄ−５％Ｔａ−３％Ｍｏ−０．９％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．３％Ｓｉ−０．２％Ｍｎ−０．０５％Ｃｕ−０．０４％Ｃの組成を有するＮｉ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）でのＮｉ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、３０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：質量％で、Ｃｏ−２３％Ｃｒ−６％Ｍｏ−２％Ｎｉ−１％Ｆｅ−０．６％Ｓｉ−０．４％Ｃの組成を有するＣｏ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）でのＣｏ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、２５ｍ／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４に示した。

原料粉末として、平均粒径０．８μｍの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５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、工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、表５に示される、切刃部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角４５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−４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−４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６に示される目標組成および目標層厚の下地層および同じく表６に示される目標組成および目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部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被覆エンドミル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−４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、工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４の表面に、表７に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層との交互積層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆工具としての比較被覆エンドミル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および比較被覆エンドミル１〜８について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１４％Ｃｏ−４．５％Ｍｏ−２．５％Ｔｉ−２％Ｆｅ−１．２％Ａｌ−０．７％Ｍｎ−０．４％Ｓｉの組成を有するＮｉ基合金の板材、
切削速度： ５５ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ３ ｍｍ、
テーブル送り： ３００ ｍｍ／分、
の条件でのＮｉ基合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度および溝深さは、それぞれ、２５ｍ／ｍｉｎ．および１．２ｍｍ）、
を行い、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６、７にそれぞれ示した。

上記の実施例２で製造した丸棒焼結体を用い、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが８ｍｍ×４８ｍｍの寸法、並びにねじれ角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−４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−４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８に示される目標組成および目標層厚の下地層および同じく表８に示される目標組成および目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部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被覆ドリル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−４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、工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表９に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層との交互積層構造からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆工具としての比較被覆ドリル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および比較被覆ドリル１〜８について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．５％Ｆｅ−５．２％Ｃｄ−５％Ｔａ−３％Ｍｏ−０．９％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．３％Ｓｉ−０．２％Ｍｎ−０．０５％Ｃｕ−０．０４％Ｃの組成を有するＮｉ基合金の板材、
切削速度： ４５ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３０ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２０ ｍｍ、
の条件でのＮｉ基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２５ｍ／ｍｉｎ．および０．１２ｍｍ／ｒｅｖ）、
を行い（水溶性切削油使用）、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８、９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１〜１０、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薄層Ａおよび薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層（と下地層）、さらに、比較被覆チップ１〜１０、比較被覆エンドミル１〜８および比較被覆ドリル１〜８の交互積層からなる硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層及び（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ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。

また、上記の硬質被覆層の平均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４、６〜９に示される結果から、本発明被覆工具は、その硬質被覆層が薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造あるいはさらに下地層とで構成され、硬質被覆層がすぐれた高温硬さ、高温靭性、高温強度、耐熱塑性変形性とともに、すぐれた耐酸化性と層間密着強度を兼ね備えたものであるので、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速条件下での切削加工に用いた場合であっても、チッピング・欠損の発生なく、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（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層との交互積層で構成された比較被覆工具においては、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工では、特に耐チッピング性、耐欠損性の不足により、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、高い発熱を伴うＮｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工に用いた場合でも、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、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。

この発明の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。 比較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。

Claims (2)

1. 工具基体表面に、少なくとも薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
   （ａ）上記薄層Ａは、
   組成式：［Ａｌ_ＸＣｒ_ＹＳｉ_Ｚ］Ｎ
   で表した場合、Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉそれぞれの含有割合を示すＸ，Ｙ，Ｚ（いずれも原子比）は、０．４５≦Ｘ≦０．７０、０．２５≦Ｙ≦０．５０、０．０２≦Ｚ≦０．１５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１を満足するＡｌとＣｒとＳｉの複合窒化物層、
   （ｂ）上記薄層Ｂは、
   組成式：［Ａｌ_ＵＴｉ_ＶＳｉ_Ｗ］Ｎ
   で表した場合、Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉそれぞれの含有割合を示すＵ，Ｖ，Ｗ（いずれも原子比）は、０．４０≦Ｕ≦０．６５、０．３０≦Ｖ≦０．５５、０．０２≦Ｗ≦０．１５、Ｕ＋Ｖ＋Ｗ＝１を満足するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、
   （ｃ）上記薄層Ａと薄層Ｂは、それぞれ、０．００５〜０．０５μｍの一層平均層厚を有し、また、上記薄層Ａと薄層Ｂとの合計層厚は、１〜５μｍである、
   ことを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 硬質被覆層は、上記薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層と、該上部層と工具基体表面との間に介在形成された下地層とからなり、該下地層は、０．０５μｍを超え２μｍ以下の層厚を有し、かつ、上記薄層Ｂの組成式を満足する組成を有することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。

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