JP2011177800A - 耐熱性および耐溶着性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｔｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金などの高硬度難削材の高速高送り切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐熱性および耐溶着性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体の表面に、（ａ）組成式：（Ａｌ_1−αＣｒ_α）Ｎあるいは組成式：（Ａｌ_1−α−βＣｒ_αＭ_β）Ｎ（但し、Ｍは、Ａｌ、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分を示し、原子比で、０．４５≦α≦０．７５、０．０１≦β≦０．２５）を満足するＡｌとＣｒ（とＭ）の複合窒化物層からなるＡｌＣｒ（Ｍ）Ｎ薄層、（ｂ）組成式：（Ｖ_１−γＹ_γ）Ｎ（但し、原子比で、０．０１≦γ≦０．１）を満足するＶとＹの複合窒化物層からなるＶＹＮ薄層、前記（ａ）、（ｂ）の交互積層からなる硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具。
【選択図】なし

Description

本発明は、表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関し、さらに詳しくは、例えば、Ｔｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金などの高硬度難削材を、高熱発生を伴うとともに切刃部に対して大きな機械的負荷がかかる高速高送り条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐熱性と耐溶着性とを発揮する被覆工具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：（Ａｌ_１−ＰＣｒ_Ｐ）Ｎまたは組成式：（Ａｌ_{１−Ｐ−Ｑ}Ｃｒ_ＰＭ_Ｑ）Ｎ（ここで、Ｍは、Ａｌ、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種または２種以上の添加成分であり、また、Ｐ、Ｑは原子比によるＣｒ成分、Ｍ成分の含有割合を示す）
を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層あるいはＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層（以下、これらを総称して、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎで示す）からなる硬質被覆層を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（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層が、構成成分であるＡｌによって高温硬さ、同Ｃｒによって高温強度、また、ＡｌとＣｒの共存含有によって耐熱性が向上すること、さらに、Ｍ成分として、Ａｌ、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種または２種以上を含有させた場合には、硬質被覆層の耐摩耗性、高温耐酸化性等の特性が向上することから、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、前記の被覆工具が、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前記の工具基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃の温度に加熱した状態で、硬質被覆層の目標組成に対応した所定組成を有するＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金（以下、これらを総称して、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金で示す）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、前記工具基体には、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、目標組成の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる硬質被覆層をそれぞれ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９−４１１２７号公報 特開平１０−２５５６６号公報 特開２００４−１０６１８３号公報 特開２００４−２６９９８５号公報 特開２００５−３３０５３９号公報 特開２００６−８２２０９号公報

ところが、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、前記従来被覆工具においては、これを、Ｔｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金などの高硬度難削材（被削材）の通常切削速度での切削加工に用いた場合には問題ないが、これらの難削材を、高い発熱をともなうとともに、切刃部に局部的に高負荷がかかる高速高送り条件で切削した場合には、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が増大し、これに伴って硬質被覆層表面に対する溶着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、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、特にＴｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金などの高硬度難削材を高い発熱をともない、かつ、高負荷のかかる高速高送り条件で切削した場合においてもすぐれた耐熱性および耐溶着性を発揮する被覆工具を提供することである。

そこで、本発明者等は、前述のような観点から、特にＴｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金などの高硬度難削材の切削加工を、高負荷のかかる高速高送り切削条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐熱性とすぐれた耐溶着性を発揮する被覆工具を開発すべく、前記従来被覆工具に着目し、研究を行った結果、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、一層平均層厚０．０１〜０．１μｍの（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層を蒸着形成し、この上に、Ｖとの合量に占めるＹの含有割合が１〜１０原子％となるようにＹ成分を含有させたＶとＹの複合窒化物層（以下、（Ｖ，Ｙ）Ｎ層で示す）からなる一層平均層厚０．０１〜０．１μｍの（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層を蒸着形成し、さらに、前記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層と前記（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層とを交互に形成し、交互積層構造からなる硬質被覆層を構成すると、前記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層はすぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を示し、また、これと交互に積層形成される（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層はすぐれた耐溶着性を示し、特に、（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層中に含有されるＹ成分によって、（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層の耐熱性が向上することから、高熱発生を伴う切削加工においても、（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層のすぐれた耐溶着性は維持されることを見出した。

したがって、工具表面に溶着し易い高硬度難削材の高速高送り切削加工において、切刃部が高温になったとしても、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層に不足する耐溶着性を、これと交互に積層される（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層が補完し、硬質被覆層全体としての被削材との耐溶着性が改善され、その結果、切刃部におけるチッピング（微少欠け）の発生が防止され、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性が発揮されることを見出し、本発明に至ったものである。

本発明は、前記研究結果に基づいてなされたものであって、
「（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を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．０１〜０．１μｍの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ_１−αＣｒ_α）Ｎ（但し、αはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．４５≦α≦０．７５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層、
（ｂ）０．０１〜０．１μｍの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｖ_１−γＹ_γ）Ｎ（但し、γはＹの含有割合を示し、原子比で、０．０１≦γ≦０．１である）を満足するＶとＹの複合窒化物層からなる（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層、
前記（ａ）、（ｂ）の交互積層からなり、１〜１０μｍの合計平均層厚を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 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てなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．０１〜０．１μｍの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ_{１−α−β}Ｃｒ_αＭ_β）Ｎ（ここで、Ｍは、Ａｌ、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分を示し、また、αはＣｒの含有割合、βはＭの含有割合をそれぞれ示し、原子比で、０．４５≦α≦０．７５、０．０１≦β≦０．２５である）を満足するＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層からなる（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層、
（ｂ）０．０１〜０．１μｍの一層平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｖ_１−γＹ_γ）Ｎ（但し、γはＹの含有割合を示し、原子比で、０．０１≦γ≦０．１である）を満足するＶとＹの複合窒化物層からなる（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層、
前記（ａ）、（ｂ）の交互積層からなり、１〜１０μｍの合計平均層厚を有することを特徴とする表面被覆切削工具。」
であり、特にＴｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金などの高硬度難削材を高い発熱をともない、かつ、高負荷のかかる高速高送り切削条件で切削した場合においてもすぐれた耐熱性および耐溶着性を発揮するという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）（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層の組成および一層平均層厚
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層の構成成分であるＡｌ成分には硬質被覆層における高温硬さを向上させ、同Ｃｒ成分には高温強度を向上させ、また、ＡｌとＣｒの共存含有によって耐熱性を向上させる作用があり、さらに、Ｍ成分のうちの、Ａｌ、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、には硬質被覆層の耐摩耗性を向上させる作用があり、また、Ｙには硬質被覆層の高温耐酸化性を向上させる作用があるが、Ｃｒの割合を示すα値がＡｌとの合量あるいはＡｌとＭの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．４５未満になると、所定の高温硬さ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、Ｃｒの割合を示すα値が同０．７５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速高送り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り、さらに、Ｍ成分の含有割合を示すβ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．０１未満では、Ｍ成分を含有させたことによる耐摩耗性、高温耐酸化性等の特性向上が期待できず、一方同β値が０．２５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、α値を０．４５〜０．７５、β値を０．０１〜０．２５と定めた。

また、その一層平均層厚が０．０１μｍ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、その一層平均層厚が０．１μｍを越えると、前記高速高送り切削では、潤滑性の不足が顕在化し、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その一層平均層厚を０．０１〜０．１μｍと定めた。

（ｂ）（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層の組成および一層平均層厚
前記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層と交互積層構造を構成するＶとＹの複合窒化物層（（Ｖ，Ｙ）Ｎ層）は、所定の高温硬さ、高温強度、耐溶着性を有するとともに、その構成成分であるＹ成分によって、すぐれた耐熱性を備えるようになり、そのため、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層に不足する潤滑性を補完し、高温切削条件下でも硬質被覆層の低摩擦係数が維持され、すぐれた潤滑性を発揮するようになる。ただ、Ｙの含有割合を示すγ値がＶとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．０１未満になると、耐熱性を確保することができないために潤滑効果を期待することはできず、一方、Ｙの含有割合を示すγ値が同０．１０を越えると、相対的にＶの含有割合が減少し、溶着性が高い高硬度被削材の高速高送り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ないばかりか、耐溶着性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、γ値を０．０１〜０．１０（原子比、以下同じ）と定めた。

また、交互積層を構成する（Ｖ，Ｙ）Ｎ層の一層平均層厚が０．０１μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐熱性、耐溶着性によって、硬質被覆層の特性を改善するには不十分であり、一方、一層平均層厚が０．１μｍを越えると、相対的な（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層の割合の減少によって、硬質被覆層全体としての高温硬さ、高温強度が低下し、その結果、特にＴｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金等の高硬度難削材の、大きな発熱をともない、且つ、高負荷のかかる高速高送り切削加工では切刃部にチッピングが発生し易くなるとともに摩耗も促進されることから、その一層平均層厚を０．０１〜０．１μｍと定めた。

（ｃ）硬質被覆層の合計平均層厚
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層と（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層の交互積層構造からなる硬質被覆層は、その合計平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、合計平均層厚が１０μｍを越えると、特にＴｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金などの高硬度難削材を高い発熱をともない、かつ、高負荷のかかる高速高送り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、その合計平均層厚を１〜１０μｍと定めた。

（ｄ）そして、前記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層と（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層の交互積層は、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基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃の温度に加熱した状態で、装置内に所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金からなるカソード電極（蒸発源）と、所定組成のＶ−Ｙ合金からなるカソード電極（蒸発源）とを配置し、まず、アノード電極とＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金からなるカソード電極（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、前記基体には、例えば、−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、基体表面に（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層を蒸着形成し、アーク放電を停止した後、引き続いて、アノード電極とＶ−Ｙ合金からなるカソード電極（蒸発源）との間に、前記同様にアーク放電を行わせ、基体表面に（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層を蒸着形成し、前記操作を繰り返し行うことにより、所定の一層平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層と（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層との交互積層構造からなる所定合計平均層厚の硬質被覆層を蒸着形成することができる。

この発明の被覆工具は、交互積層構造からなる硬質被覆層を（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を有し、あるいは、さらにすぐれた耐摩耗性、高温耐酸化性を有し、また、（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層が、すぐれた耐熱性と耐溶着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、高温強度等に加え、すぐれた耐溶着性を備えたものとなり、その結果、特にＴｉ金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金等の高硬度難削材の、大きな発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷のかかる高速高送り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。

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。 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従来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。

つぎに、本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、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、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、前記工具基体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）として所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金を配置し、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Ｖ−Ｙ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Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ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ることによって、前記工具基体表面をＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ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Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ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、一層目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層を蒸着形成した後、前記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ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Ｖ−Ｙ合金電極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に示される目標組成、一層目標層厚の（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層を蒸着形成し、
前記（ｃ）、（ｄ）の操作を、所定の合計平均層厚になるまで繰り返し行って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）１〜３９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）として所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ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Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ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ることによって、前記工具基体表面をＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ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、前記所定組成の各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、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（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層で構成された硬質被覆層を蒸着形成することにより、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、前記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１〜３９および比較被覆チップ１〜１６について、
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＢ４００）の丸棒、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ａ）でのＴｉ合金の湿式連続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ６３０（ＨＢ３７０）の丸棒、
切削速度： １３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ 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湿式連続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、９０ｍ／ｍｉｎ．、０．２ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：Ｎｉ−１８Ｃｒ−３Ｍｏ−１８．５Ｆｅ−０．９Ｔｉ−１．０（Ｎｂ＋Ｔａ）−０．５Ａｌ（ＨＢ４５０）の丸棒、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２０ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｃ）でのＮｉ基耐熱合金の湿式連続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、いずれの高速高送り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、表８に示した。

実施例１と同様、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粉末からなる原料粉末を、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、直径が１３ｍｍの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、切刃部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角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）Ａ−１〜Ａ−１０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）Ａ−１〜Ａ−１０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、前記実施例１と同一の条件で、表１０に示される目標組成および一層目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層、および、同じく表９に示される目標組成および一層目標層厚の（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層の交互積層構造からなる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）１〜２７をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、前記工具基体（エンドミル）Ａ−１〜Ａ−１０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、前記実施例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（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ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表面被覆超硬製エンドミル（以下、比較被覆エンドミルと云う）１〜１０をそれぞれ製造した。

つぎに、前記本発明被覆エンドミル１〜２７および比較被覆エンドミル１〜１０について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＢ４００）の板材、
切削速度： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： ９０ ｍｍ／分、
の条件（切削条件Ｄ）でのＴｉ合金の湿式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、４０ｍ／ｍｉｎ．、７０ｍｍ／分）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ６３０（ＨＢ３７０）の板材、
切削速度： １３０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： ２５０ ｍｍ／分、
の条件（切削条件Ｅ）でのステンレス鋼の湿式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、９０ｍ／ｍｉｎ．、２００ｍｍ／分）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＮｉ−１８Ｃｒ−３Ｍｏ−１８．５Ｆｅ−０．９Ｔｉ−１．０（Ｎｂ＋Ｔａ）−０．５Ａｌ（ＨＢ４５０）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： ９０ ｍｍ／分、
の条件（切削条件Ｆ）でのＮｉ基耐熱合金の湿式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、４０ｍ／ｍｉｎ．、７０ｍｍ／分）、
をそれぞれ行い、いずれの高速高送り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。

前記の実施例２で製造した直径が１３ｍｍの丸棒焼結体を用い、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ８ｍｍ×２２ｍｍ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）Ａ−１〜Ａ−１０をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−１０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、前記実施例１と同一の条件で、表１１に示される目標組成および一層目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層、および、同じく表１１に示される目標組成および一層目標層厚の（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層の交互積層構造からなる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）１〜２７をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、前記工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−１０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、前記実施例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（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較被覆工具としての表面被覆超硬製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜１０をそれぞれ製造した。

つぎに、前記本発明被覆ドリル１〜２７および比較被覆ドリル１〜１０について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＢ４００）の板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件（切削条件Ｇ）でのＴｉ合金の湿式高速高送り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、３０ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ６３０（ＨＢ３７０）の板材、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件（切削条件Ｈ）でのステンレス鋼の湿式高速高送り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、６０ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＮｉ−１８Ｃｒ−３Ｍｏ−１８．５Ｆｅ−０．９Ｔｉ−１．０（Ｎｂ＋Ｔａ）−０．５Ａｌ（ＨＢ４５０）の板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件（切削条件Ｉ）でのＮｉ基耐熱合金の湿式高速高送り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、３０ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）、
をそれぞれ行い、いずれの湿式高速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、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１〜３９、本発明被覆エンドミル１〜２７、および本発明被覆ドリル１〜２７の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層および（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層の組成、並びに、比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１６、比較被覆エンドミル１〜１０、および比較被覆ドリル１〜１０の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄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。

また、前記硬質被覆層を構成する各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７〜１２に示される結果から、本発明被覆工具は、いずれも特にＴｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金等の高硬度難削材の、大きな発熱をともない、かつ、高負荷のかかる高速高送り切削加工でも、硬質被覆層の交互積層構造を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、あるいは、これに加えてさらにすぐれた耐摩耗性、高温耐酸化性を有し、同じく交互積層構造を構成する（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層が耐熱性にすぐれ、高温条件下でも前記被削材および切粉との間のすぐれた耐溶着性を保持し、その結果、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層に不足する耐溶着性が、これに交互に積層される（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層により補完されることによって、硬質被覆層全体として、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のに対して、硬質被覆層が（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層で構成され、（Ｖ，Ｙ）Ｎ層を備えない比較被覆工具においては、いずれも前記被削材の高速高送り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。

前述のように、本発明の被覆工具は、一般的な被削材の切削加工は勿論のこと、特にＴｉ合金、高硬度ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金等の高硬度難削材の高速高送り切削加工でもすぐれた耐摩耗性と耐溶着性を発揮し、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。

Claims (2)

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を形成してなる表面被覆切削工具において、
   前記硬質被覆層が、
   （ａ）０．０１〜０．１μｍの一層平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ａｌ_１−αＣｒ_α）Ｎ（但し、αはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．４５≦α≦０．７５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層、
   （ｂ）０．０１〜０．１μｍの一層平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ｖ_１−γＹ_γ）Ｎ（但し、γはＶの含有割合を示し、原子比で、０．０１≦γ≦０．１である）を満足するＶとＹの複合窒化物層からなる（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層、
   前記（ａ）、（ｂ）の交互積層からなり、１．０〜１０μｍの合計平均層厚を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 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てなる表面被覆切削工具において、
   前記硬質被覆層が、
   （ａ）０．０１〜０．１μｍの一層平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ａｌ_{１−α−β}Ｃｒ_αＭ_β）Ｎ（ここで、Ｍは、Ａｌ、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種または２種以上の添加成分を示し、また、αはＣｒの含有割合、βはＭの含有割合をそれぞれ示し、原子比で、０．４５≦α≦０．７５、０．０１≦β≦０．２５である）を満足するＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層からなる（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ薄層、
   （ｂ）０．０１〜０．１μｍの一層平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ｖ_１−γＹ_γ）Ｎ（但し、γはＹの含有割合を示し、原子比で、０．０１≦γ≦０．１である）を満足するＣｒとＹの複合窒化物層からなる（Ｖ，Ｙ）Ｎ薄層、
   前記（ａ）、（ｂ）の交互積層からなり、１．０〜１０μｍの合計平均層厚を有することを特徴とする表面被覆切削工具。

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