JP2010207915A - 溶着生の高い被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と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】溶着性の高い被削材の重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐ピッチング性と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】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）下部層として、平均層厚２〜１０μｍのＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、（ｂ）上部層として、１〜３μｍの平均層厚を有し、上部層全体における平均組成を、組成式：（Ａｌ_１−ＸＳｉ_Ｘ）_２Ｏ_３で表した場合、０．０１≦Ｘ≦０．３（但し、Ｘ値は原子比）を満足し、かつ、上部層におけるＳｉ含有割合は、下部層側から上部層表面に向かって減少する傾斜組成を有し、しかも、上部層表面におけるＳｉ含有割合を示すＸsurf値が、０≦Ｘsurf≦０．０５（但し、Ｘsurf値は原子比）を満足する組成傾斜型のＡｌとＳｉの複合酸化物層、を蒸着形成する。
【選択図】 なし

Description

この発明は、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の切削加工を、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗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、表面被覆切削工具には、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、表面被覆切削工具の一つとして、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：［Ａｌ_αＴｉ_{1-（α＋β）}Ｓｉ_β］Ｎ（ただし、原子比で、αは０．５０〜０．６５、βは０．０１〜０．１０を示す）、
を満足する均質組成のＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ，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（以下、従来被覆工具Ｉという）が知られており、かかる従来被覆工具においては、硬質被覆層を構成する前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が、構成成分であるＡｌによって高温硬さ、同Ｔｉによって高温強度、さらに同Ｓｉによって耐熱性を有するようになることが知られている。
そして、上記の被覆工具は、例えば図１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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の組成に対応した組成を有するＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金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（Ａｌ，Ｔｉ，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。

また、工具基体の表面に、硬質被覆層としての均質組成のＡｌとＳｉの複合酸化物層を、上記従来被覆工具と同様に、アークイオンプレーティングで蒸着形成した被覆工具（以下、従来被覆工具ＩＩという）も知られており、この従来被覆工具Ｂは、合金鋼等の切削加工で優れた耐摩耗性を示すことも知られている。
特許第２７９３７７３号明細書 特開２０００−１２９４４５号公報 特開２０００−２４６５０７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、切削加工は一段と厳しい切削条件下で行われるようになってきているが、上記従来被覆工具Ｉ及び従来被覆工具ＩＩにおいては、これを鋼や鋳鉄などの通常条件での切削加に用いた場合には、特段の問題はないが、特に、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材を、切刃に高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削条件で切削加工を行うのに用いた場合には、高負荷が作用する切刃部で切粉との溶着が生じやすく、その結果として、チッピング（微少欠け）の発生により、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、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被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と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を開発すべく、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）前記の従来被覆工具Ｉの（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は、Ａｌ成分によって高温硬さ、Ｔｉ成分によって高温強度、また、Ｓｉ成分によって耐熱性の向上が図られることから、従来被覆工具の硬質被覆層はすぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を備えているが、溶着性の高い被削材の切削加工、特に、切刃部に高負荷が作用する高送り、高切り込みの切削加工では、切粉が溶着しやすくなり、その結果、チッピングの発生を抑えることが難しい。

（ｂ）そこで、本発明者等は、上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層とし、この上に、上部層として、従来被覆工具ＩＩの均一組成のＡｌとＳｉの複合酸化物層（以下、（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層で示す）を蒸着形成したところ、上記（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層は、下部層との密着性にすぐれるばかりか、すぐれた高温硬さを有し、熱的安定性、酸化進展抑制効果に優れることがわかった。

（ｃ）しかし、切削条件をより厳しいもの（例えば、高送り、高切り込みの重切削条件）としたような場合には、切刃に高負荷が作用するようになり、その一方、（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層は充分な靭性を備えていないために、チッピング発生の抑制効果は未だ不十分であることが判明した。

（ｄ）そこで、本発明者等は更に検討を進め、上部層の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層中のＳｉ成分の含有割合を、層厚方向に沿って変化させ、表層方向に向かうに従ってＳｉ含有割合を低下させた傾斜組成構造を構成したところ、表層近傍の低Ｓｉ含有割合の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層（その組成は、ほとんど、Ａｌ_２Ｏ_３層に近いものとなる）は、溶着性の高い被削材との滑り性に優れていることから、切刃に高負荷が作用する溶着を生じやすい被削材の高送り、高切り込みの重切削加工において、すぐれた耐チッピング性を発揮し、また、下部層近傍の上部層は、下部層とのすぐれた密着性、すぐれた高温硬さ、すぐれた熱的安定性、酸化進展抑制効果を備えるため、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層及び上記組成傾斜型の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層を硬質被覆層として備えた被覆工具は、長期に使用に亘ってすぐれた耐チッピング性及び耐摩耗性を発揮することがわかった。

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、
「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）下部層として、平均層厚２〜１０μｍのＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、
（ｂ）上部層として、１〜３μｍの平均層厚を有し、上部層全体における平均組成を、
組成式：（Ａｌ_１−ＸＳｉ_Ｘ）_２Ｏ_３
で表した場合、Ｓｉ含有割合の平均組成を示すＸ値が、０．０１≦Ｘ≦０．３（但し、Ｘ値は原子比）を満足し、かつ、上部層におけるＳｉ含有割合は、下部層側から上部層表面に向かって減少する傾斜組成を有し、しかも、上部層表面におけるＳｉ含有割合を示すＸsurf値が、０≦Ｘsurf≦０．０５（但し、Ｘsurf値は原子比）を満足する組成傾斜型のＡｌとＳｉの複合酸化物層、
上記（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具。」
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ついて詳細に説明する。
（ａ）下部層を構成するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層におけるＡｌ成分には高温硬さを向上させ、Ｔｉ成分には高温強度を向上させ、また、Ｓｉ成分には耐熱性を向上させる作用がある。ただ、ＴｉとＳｉとの合量に占めるＡｌの含有割合（原子比、以下同じ）が０．５０未満では、相対的にＴｉの割合が多くなって、硬質被覆層としての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、ＴｉとＳｉとの合量に占めるＡｌの含有割合（原子比）が０．６５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、ＴｉとＳｉとの合量に占めるＡｌの含有割合（原子比）は、０．５０〜０．６５と定めることが望ましい。
また、ＡｌとＴｉの合量に占めるＳｉの含有割合（原子比）が０．０１未満では、所定の耐熱性を確保することができず、一方、Ｓｉの含有割合（原子比）が０．１０を超えると、高温強度に低下傾向が現れるようになることから、ＡｌとＴｉの合量に占めるＳｉの含有割合（原子比）は０．０１〜０．１０と定めることが望ましい。
さらに、下部層の平均層厚が２μｍ未満では、自身のもつすぐれた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、その平均層厚が１０μｍ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２〜１０μｍと定めた。

（ｂ）上部層を構成するＡｌとＳｉの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層）
上部層の層厚方向に亘って均一組成の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層は、下部層との密着性にすぐれるばかりか、すぐれた高温硬さを有し、熱的安定性、酸化進展抑制効果に優れるが、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の、特に、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削加工においては、耐チッピング性が不十分である。
しかし、上部層のＳｉの含有割合を層厚方向に沿って変化させ、上部層の表面近傍において、Ｓｉ含有割合を低減した組成傾斜型の上部層を形成すると、この上部層の表面（組成はＡｌ_２Ｏ_３層に近い）は、溶着性の高い被削材との滑り性に優れていることから、切刃に高負荷が作用する溶着を生じやすい被削材の高送り、高切り込みの重切削加工において、すぐれた耐チッピング性を発揮するようになる。

（ｃ）（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層全体における平均組成を、
組成式：（Ａｌ_１−ＸＳｉ_Ｘ）_２Ｏ_３
で表した場合、Ｓｉ含有割合の平均組成を示すＸ値が、０．０１≦Ｘ≦０．３（但し、Ｘ値は原子比）を満足し、かつ、上部層におけるＳｉ含有割合は、下部層側から上部層表面に向かって減少する傾斜組成を有し、しかも、上部層表面におけるＳｉ含有割合を示すＸsurf値が、０≦Ｘsurf≦０．０５（但し、Ｘsurf値は原子比）を満足する組成傾斜型の上部層として構成すると、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層が備えるすぐれた高温硬さ、高温強度及び耐熱性と相俟って、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の重切削加工で、長期の使用に亘って、すぐれた耐チッピング性及び耐摩耗性を発揮する。
ここで、（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層におけるＳｉ含有割合の平均組成を示すＸ値（但し、Ｘ値は原子比）が ０．０１未満であると、溶着性の高い被削材の重切削加工において、上部層が十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、Ｘ値（原子比）が０．３を超えると、上部層全体としての靭性が低下し、切刃に作用する高負荷によって、欠損を発生しやすくなるので、上部層におけるＳｉ含有割合の平均組成を示すＸ値を０．０≦Ｘ≦０．３（原子比）と定めた。
さらに、重切削加工における被削材とのすべり性を高め、切粉との溶着等に起因するチッピング発生を防止するために、上部層表面におけるＳｉ含有割合を示すＸsurf値が、０≦Ｘsurf≦０．０５（但し、Ｘsurf値は原子比）を満足するように傾斜組成構造を形成することが必要である。上部層の表面におけるＳｉ含有割合Ｘsurf値が０．０５を超えるようになると、被削材とのすべり性が低下傾向を示し、切粉との溶着によるチッピングが発生しやすくなる。
また、上記組成傾斜型の上部層の平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用に亘って被削材との優れたすべり性を確保することができず、一方、平均層厚が３μｍを超えると、切刃に作用する高負荷によって、欠損を生じやすくなるので、上部層の平均層厚は１〜３μｍと定めた。

（ｄ）組成傾斜型上部層の蒸着形成
（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる組成傾斜型の上部層は、例えば、図１にその概略平面図を示すように、アークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰという）装置とスパッタリング（以下、ＳＰという）装置とを併設した物理蒸着（ＰＶＤ）装置で蒸着することによって形成することができる。
例えば、図１において、一方のＡＩＰ装置（図１右側）には基体洗浄用のＴｉ電極からなるカソード電極、他方のＡＩＰ装置（図１左側）には、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層形成用の所定成分組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極を設け、上記ＡＩＰ装置のカソード電極とは異なる位置（図１下側）に、ＳＰ装置の上部層蒸着用のＡｌカソード電極及びＳｉカソード電極をそれぞれ設け、
まず、例えば、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体を洗浄・乾燥し、図１に示されるＰＶＤ装置内の回転テーブル上に装着し、基体洗浄用のＴｉ電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、工具基体表面をボンバード洗浄し、
ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し、工具基体にバイアス電圧を印加しつつ、下部層形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、工具基体表面に所定層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層として蒸着形成し、
ついで、装置内に反応ガスとしての酸素ガスを導入し、最初は、ＳＰ装置のＡｌカソード電極とＳｉカソード電極を同時に放電させ、上記下部層の表面に（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を形成し、その後、上記Ａｌカソード電極の出力を維持したままで、Ｓｉカソード電極の出力電圧を徐々に低下させながら上部層を蒸着する、ことによって、Ｓｉ含有割合が層厚方向に沿って徐々に減少し、上部層表面において所定のＳｉ含有割合（Ｘsurf値）を有する、所定層厚の傾斜組成構造の上部層を蒸着形成することができる。

この発明の表面被覆切削工具は、硬質被覆層の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を有し、さらに、この上に形成された組成傾斜型の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層が、すぐれた高温硬さ、熱的安定性、酸化進展抑制効果を有することに加え、溶着性の高い被削材との滑り性に優れていることから、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の、特に、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削加工において、すぐれた耐チッピング性を発揮し、その結果、長期の使用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、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）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ＡＩＰ装置とＳＰ装置を併設したＰＶＤ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ＡＩＰ装置にボンバード洗浄用のＴｉカソード電極（蒸発源）を、他方側のＡＩＰ装置に所定組成の下部層形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極（蒸発源）を配置し、さらに、ＳＰ装置には、上部層形成用のＡｌカソード電極（蒸発源）及びＳｉカソード電極（蒸発源）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、かつ一方側のＡＩＰ装置のＴｉ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３Ｐａ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、かつ前記下部層形成用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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして酸素ガスを導入して１Ｐａ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、ＳＰ装置のＡｌカソード電極（蒸発源）及びＳｉカソード電極（蒸発源）にパルス電源から５ｋＷのパルス電力を印加してＡｌ及びＳｉをスパッタし、下部層の上に（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を蒸着し、
（ｅ）ついで、ＳＰ装置のＳｉカソード電極（蒸発源）の出力電力を５ｋＷから徐々に低減させ、一方、Ａｌカソード電極（蒸発源）の出力電力は５ｋＷに維持したままで蒸着を継続し、表３，４に示される目標平均層厚、目標Ｘ値かつ目標Ｘsurf値の組成傾斜型の上部層を形成することにより、
本発明被覆工具としての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。
なお、目標Ｘ値は、上部層全体におけるＳｉ含有割合の目標平均組成、また、目標Ｘsurf値は、上部層表面におけるＳｉ含有割合の目標組成を示す

比較例１

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、図１に示されるＰＶＤ装置に装入し、
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、かつ一方側のＡＩＰ装置のＴｉ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、かつ前記下部層形成用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、もって前記工具基体の表面に、表５，６に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
ついで、装置内に反応ガスとして酸素ガスを導入して１Ｐａ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、ＳＰ装置のＡｌカソード電極（蒸発源）及びＳｉカソード電極（蒸発源）にパルス電源から５ｋＷのパルス電力を印加してＡｌ及びＳｉをスパッタし、下部層の上に表５，６に示される目標均一組成の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を蒸着し、所定の平均層厚になるまでこれを継続することにより、
比較被覆工具としての表面被覆スローアウエイチップ（以下、比較被覆チップと云う）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および比較被覆チップ１〜１６について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ａという）での軟鋼の乾式連続高送り・高切込み切削加工試験（通常の送り及び切り込みは、それぞれ、０．３ｍｍ／ｒｅｖ、１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の丸棒、
切削速度： １６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．４５ 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送り切削加工試験（通常の送りは０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの丸棒、
切削速度： １８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｃという）での炭素鋼の乾式連続高切り込み切削加工試験（通常の切込みは１．５ｍｍ）、
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１０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ＡＩＰ装置とＳＰ装置を併設したＰＶＤ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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層として形成し、また、同じく表９に示される目標平均層厚、目標Ｘ値かつ目標Ｘsurf値の組成傾斜型の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を上部層として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超エンドミル（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。

比較例２

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１に示されるＰＶＤ装置に装入し、上記比較例１と同一の条件で、表１０に示される目標平均層厚および目標組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層と、目標平均層厚および目標（均一）組成の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を上部層として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（以下、比較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および比較被覆エンドミル１〜８のうち、
本発明被覆エンドミル１〜３および比較被覆エンドミル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： ７５ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ４．５ ｍｍ、
テーブル送り： １３０ ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の湿式高切込み溝切削加工試験（通常の切り込みは、３ｍｍ．）、
本発明被覆エンドミル４〜６および比較被覆エンドミル４〜６については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ８ ｍｍ、
テーブル送り： ４５０ ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高切込み溝切削加工試験（通常の切り込みは、５ｍｍ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １５ ｍｍ、
テーブル送り： ２５０ ｍｍ／分、
の条件での軟鋼の乾式高切込み溝切削加工試験（通常の切り込みは、１０ｍｍ．）、
をそれぞれ行い、いずれの高切込み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、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ＰＶＤ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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層として形成し、また、同じく表９に示される目標平均層厚、目標Ｘ値かつ目標Ｘsurf値の組成傾斜型の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を上部層として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（以下、本発明被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

比較例３

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１に示されるＰＶＤ装置に装入し、上記比較例１と同一の条件で、表１２に示される目標平均層厚および目標組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層と、目標平均層厚および目標（均一）組成の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を上部層として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（以下、比較被覆ドリルと云う）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および比較被覆ドリル１〜８のうち、本発明被覆ドリル１〜３および比較被覆ドリル１〜３については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ）、
本発明被覆ドリル４〜６および比較被覆ドリル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： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １５ 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）、
本発明被覆ドリル７、８および比較被覆ドリル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： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２８ 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）、
をそれぞれ行い、いずれの湿式高送り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１１、１２にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明被覆チップ、本発明被覆エンドミル、本発明被覆ドリルの硬質被覆層の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の組成、並びに、比較被覆チップ、比較被覆エンドミル、比較被覆ドリルの下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の組成、さらに、上記本発明被覆チップ、本発明被覆エンドミル、本発明被覆ドリルの硬質被覆層の上部層を構成する組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層の組成（即ち、Ｘ値，Ｘsurf値）、並びに、比較被覆チップ、比較被覆エンドミル、比較被覆ドリルの硬質被覆層の下部層を構成する均一組成（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３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、それぞれの目標組成、目標Ｘ値，目標Ｘsurf値と実質的に同じ組成を示した。

また、上記本発明被覆工具および上記比較被覆工具の硬質被覆層の各構成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７に示される結果から、本発明被覆工具は、軟鋼やステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、切刃に高負荷が作用する高送り・高切込みの重切削条件で切削加工した場合でも、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性および高温強度を有し、かつ、組成傾斜型の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層が、すぐれた高温硬さ、熱的安定性、酸化進展抑制効果に加え、溶着性の高い被削材との滑り性に優れていることから、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の、特に、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削加工において、すぐれた耐チッピング性を発揮し、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層が均一組成の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層で構成された比較被覆工具においては、溶着性が高い被削材の重切削加工において、被削材との滑り性が不十分であり、切粉が溶着することに起因してチッピングが発生し、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通常条件での切削加工は勿論のこと、溶着性が高い被削材の重切削加工においても、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。

硬質被覆層を形成するのに用いたＡＩＰ装置とＳＰ装置とを併設したＰＶＤ装置の概略平面図である。

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）下部層として、平均層厚２〜１０μｍのＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、
   （ｂ）上部層として、１〜３μｍの平均層厚を有し、上部層全体における平均組成を、
   組成式：（Ａｌ_１−ＸＳｉ_Ｘ）_２Ｏ_３
   で表した場合、Ｓｉ含有割合の平均組成を示すＸ値が、０．０１≦Ｘ≦０．３（但し、Ｘ値は原子比）を満足し、かつ、上部層におけるＳｉ含有割合は、下部層側から上部層表面に向かって減少する傾斜組成を有し、しかも、上部層表面におけるＳｉ含有割合を示すＸsurf値が、０≦Ｘsurf≦０．０５（但し、Ｘsurf値は原子比）を満足する組成傾斜型のＡｌとＳｉの複合酸化物層、
   上記（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具。

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