JP2012166333A - 耐欠損性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents

耐欠損性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 Download PDF

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Abstract

【課題】耐欠損性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】ＷＣ超硬合金からなる工具基体の表面に、少なくとも、０．５〜１０μｍの層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中には、ポアおよびドロップレットが分散分布し、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の任意の断面におけるポアの占有面積率およびドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５〜１面積％、２〜４面積％であり、さらに、上記ドロップレットのうち、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、全ドロップレット面積の２０面積％以上を占める。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材の高速切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を備えることにより、長期の使用にわたってすぐれた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。
従来、例えば、特許文献１に示すように、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、（ａ）下部層として、０．５〜５μｍの平均層厚のＡｌとＴｉの複合窒化物層、（ｂ）中間層として、０．５〜５μｍの平均層厚のＡｌとＣｒの複合窒化物層、（ｃ）上部層として、０．２〜０．６μｍの平均層厚のＡｌとＴｉの複合窒化物層を被覆形成した被覆工具が知られており、この被覆工具が、例えば、軟鋼、ステンレス鋼等の高速重切削加工ですぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮することが知られている。
また、引用文献２に示すように、先端面に底刃および外周面に外周刃が設けられた基体表面に硬質被覆層を形成した被覆エンドミル等の被覆回転工具において、被覆層の表面に複数のマクロ粒子が突出し、すくい面表面に突出するマクロ粒子の面積比率が２〜１０面積％、また、逃げ面表面に突出するマクロ粒子の面積比率が１０〜３０面積％であり、さらに、工具基体と被覆層との界面の垂線方向に対して、すくい面におけるマクロ粒子の平均突出角度が（切刃から遠ざかる方向に）５〜２０°である被覆回転工具が提案されており、この被覆回転工具によれば、耐欠損性、耐摩耗性の向上が図られることが知られている。
また、引用文献３に示すように、すくい面と逃げ面との交差稜線部にホーニング部を形成した基体の表面に、ＣＶＤ法により硬質被覆層を被覆した表面被覆切削工具において、すくい面とホーニング部の硬質被覆層表面を研磨加工し、ホーニング部よりすくい面により多くの微小窪み部を点在させた被覆工具が提案されており、この被覆工具によれば、被削材に対する潤滑性が高く、かつ、耐欠損性、耐摩耗性が向上することが知られている。
また、引用文献４に示すように、ＰＶＤ法により硬質被覆層を形成した被覆工具において硬質被覆層の最上層の層厚を０．１〜１．５μｍとし、かつ、最上層表面に、幅０．１〜１０．０μｍレベルのポアを形成することが提案されており、この被覆工具によれば、硬質被覆層表面の濡れ性が改善され、摩擦抵抗が軽減されることが知られている。
特開２００９−１２５８３２号公報 特開２００８−２３８３３６号公報 特開２００７−１１８１３９号公報 特開２００５−１５３０７２号公報
近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下で使用されるようになってきているが、例えば、前記特許文献１に示される被覆工具においては、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材を、高熱発生を伴う高速切削条件で加工した場合には、硬質被覆層が欠損を発生しやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
耐欠損性を高めるために、前記特許文献２〜４に示されるように、硬質被覆層の表面にドロップレット（マクロ粒子）を形成したり、ポア（微小窪み部）を形成することも試みられているが、耐欠損性の改善は未だ十分とはいえない。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱発生を伴う高速切削加工に用いられた場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を備え、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得たのである。
即ち、本発明者等は、硬質被覆層として、少なくとも、ＡｌとＣｒの複合窒化物（以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎで示す）層を被覆形成した被覆工具において、該（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層内に形成されるポアの占有面積率Ｐ（密度）を所定数値範囲内に維持する（Ｐ＝０．５〜１面積％）とともに、該（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層内に含有される全ドロップレットの占有面積率Ｄ（Ｄ＝２〜４面積％）と上記ドロップレットのうち、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のＡｌとＣｒの合計量に対する平均のＡｌ含有量よりもＡｌ含有割合の高いＡｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌ（但し、Ｄａｌ／Ｄ≧０．２）との関係を所定数値範囲内に維持する（Ｄａｌ＝０．４〜４面積％）ことによって、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層はすぐれた耐欠損性を示すようになり、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具が得られることを見出したのである。
そして、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層における上記ポアの占有面積率Ｐ、ドロップレットの占有面積率Ｄ、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌは、例えば、ノーマルカソードのアークイオンプレーティング法による成膜において、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット表面中心の磁場の大きさが５５〜１００Ｇとなるように、ターゲット裏面に配置した電磁コイルの磁力を制御して成膜を行うことにより得ることができる。
この発明は、上記知見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からなる工具基体の表面に、少なくとも、０．５〜１０μｍの層厚のＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、
上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層中には、ポアおよびドロップレットが分散分布し、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における上記ポアの占有面積率および上記ドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５〜１面積％および２〜４面積％であり、さらに、上記ドロップレットのうち、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のＡｌとＣｒの合計量に対する平均のＡｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における全ドロップレット面積の２０面積％以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 上記工具基体の表面には、硬質被覆層として、ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる第２層およびＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第３層が被覆形成され、ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層および第３層におけるＡｌとの合量に占めるＴｉの含有割合は、２０〜６０原子％であることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 上記ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層および第３層の層厚は、それぞれ、０．５〜５μｍおよび０．２〜１μｍであることを特徴とする前記（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４） 上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層における、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合は、２０〜５０原子％であることを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
本発明について、以下に詳細に説明する。
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層：
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層（ＡｌとＣｒの複合窒化物層）からなる硬質被覆層においては、その構成成分であるＡｌ成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、また、Ｃｒ成分が高温強度を向上させ、さらに、ＡｌとＣｒとが共存することによって高温耐酸化性を向上させる作用がある。
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層において、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合が２０原子％未満であると、溶着性の高い被削材の高速切削加工において、被削材および切粉に対する耐溶着性を確保することができず、また、高温強度も低下するため、溶着、欠損を発生しやすくなり、一方、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合が５０原子％を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性が低下するので、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合は、２０〜５０原子％とすることが望ましい。
また、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、その平均層厚が１０μｍを越えると、高速切削加工で切刃部に欠損が発生し易くなることから、その平均層厚は０．５〜１０μｍと定めた。
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるポアの占有面積率Ｐ：
この発明では、例えば、図１にその概略を示すノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置を用いた成膜において、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット表面中心の磁場の大きさが５５〜１００Ｇとなるように、ターゲット裏面に配置した電磁コイルの磁力を制御して成膜を行うことにより、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中における所定のポアの占有面積率Ｐを得ることができる。
即ち、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット表面中心の磁場の大きさが５５〜１００Ｇとなるように磁力を制御して、ノーマルカソードのアークイオンプレーティング法により（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を成膜すると、該（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中には、ポアの占有面積率Ｐ（任意の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層断面について、ＴＥＭ−ＥＤＳによって測定される測定面積に占めるポアの面積の割合）が０．５〜１面積％の範囲内のポアが形成される。
ポアの占有面積率は、特に、ターゲット表面中心の磁場の大きさによって影響を受ける。磁場の大きさを大きくするほどポアの占有面積率は減少するが、磁場の大きさが１００Ｇより大きくなると、ポアの占有面積率Ｐは０．５％未満となり、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中に圧縮残留応力が蓄積し、膜の脆化により強度が低下傾向を示し、長時間の切削に耐えられなくなる。一方、ターゲット表面中心の磁場の大きさが５５Ｇより小さくなると、ポアの占有面積率Ｐは１％を超えるようになるが、ポアがクラック発生の起点となりやすく、膜強度が低下する。
したがって、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるポアの占有面積率Ｐは、０．５〜１面積％と定めた。
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるドロップレットの占有面積率Ｄ：
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるドロップレットの占有面積率Ｄは、上記ノーマルカソードのアークイオンプレーティング法により形成されるポアの占有面積率Ｐと相関を有し、ドロップレットの占有面積率Ｄが２面積％未満あるいは４面積％を超える場合には、ポアの占有面積率Ｐが０．５面積％未満あるいは１面積％を超えるものとなることから、ドロップレットの占有面積率Ｄは２〜４面積％と定めた。
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるＡｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌ：
この発明では、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のＡｌとＣｒの合計量に対する平均のＡｌ含有量よりも高濃度のＡｌを含有するドロップレットをＡｌリッチドロップレットと称するが、全ドロップレットのうちで、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌが２０面積％未満（Ｄａｌ／Ｄ＜０．２）の場合には、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の耐熱性、耐酸化性が不十分となることから、全ドロップレットに占めるＡｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを２０面積％以上（Ｄａｌ／Ｄ≧０．２）と定めた。また、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のＡｌとＣｒの合計量に対する平均Ａｌ含有量の算出法は、上記膜中におけるドロップレット部以外の箇所で組成を少なくとも３箇所測定し、それぞれの測定値におけるＡｌとＣｒの合計量に対するＡｌの値の平均値を意味する。
なお、具体的にはＡｌとＣｒの合計量に対する平均のＡｌ含有量よりも２原子％以上高濃度である場合に、Ａｌリッチとする。
全ドロップレットに占めるＡｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを２０面積％以上（Ｄａｌ／Ｄ≧０．２）とするためには、例えば、成膜中における窒素圧力を０．５Ｐａ以上とすることが必要である。加えて、ターゲット表面中心の磁場を５５〜１００Ｇにすると、その場合Ｄａｌは自ずと０．４〜４面積％の範囲となる。
この発明では、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌは、
Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌ（面積％）
＝０．４〜４（面積％）
が成立することが望ましい。
これは、Ｄａｌが０．４面積％未満では、例えば、炭素鋼を切削した場合、溶着を起こしやすくなり、耐摩耗性が悪化してしまう。また、Ｄａｌが４面積％を超える場合、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層における膜硬さが低下してしまい、摩耗速度が大きくなり、耐摩耗性が悪化してしまう、という理由による。
層厚：
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、その層厚が０．５μｍ未満では、すぐれた耐摩耗性を長期の使用にわたって発揮することはできず、一方、その層厚が１０μｍを超えると、耐欠損性の低下傾向がみられることから、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の層厚は、０．５〜１０μｍと定めた。
硬質被覆層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層：
この発明では、硬質被覆層として、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層ばかりでなく、例えば、工具基体表面に、第１層として、所定層厚のＡｌとＴｉの複合窒化物（以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎで示す）層を被覆形成し、この上に、第２層として、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を被覆形成し、さらに、この上に、第３層として、所定層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を被覆形成することができる。
上記第１層および第３層を被覆形成することにより、耐熱性、耐摩耗性を一段と向上させることができ、そのためには、Ａｌとの合量に占めるＴｉの含有割合は、２０〜６０原子％であることが必要であり、また、第１層の層厚は、０．５〜５μｍ、第３層の層厚は、０．２〜１μｍであることが望ましい。
また、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を第１層、第３層として被覆形成することによって、特に、被削材中のＦｅ成分との親和性、反応性を低下させることができ、耐溶着性の改善を図ることもできる。
この発明の被覆工具は、少なくとも（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を硬質被覆層として被覆形成し、しかも、該（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のポアの占有面積率Ｐおよびドロップレットの占有面積率Ｄを、それぞれ、０．５〜１面積％および２〜４面積％と定め、また、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを０．４〜４面積％、また、Ｄａｌ／Ｄ≧０．２としていることによって、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材の高速切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を備え、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
この発明の被覆工具の硬質被覆層を成膜するノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置の概略説明図を示す。 この発明の被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の断面を示し、（ａ）は断面ＴＥＭ写真（倍率：３００００倍）、（ｂ）は、その模式図を示す。 比較被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の断面を示し、（ａ）は断面ＴＥＭ写真（倍率：３００００倍）、（ｂ）は、その模式図を示す。
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、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、９８ＭＰａの圧力で、ＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１（超硬基体Ａ〜Ｅ）の所定の形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部に幅０．１５ｍｍ、角度２０度のチャンフォーホーニング加工することにより、ＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｅをそれぞれ製造した。
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｅを、図１に示すノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置に装入し、表２に示す条件で、Ａｌ−ＴｉボンバードまたはＴｉボンバードを施し、次いで、同じく表２に示す条件で、所定の層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成することにより、表３に示す本発明被覆工具１〜２４を製造した。
上記本発明被覆工具１〜２４の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層について、その断面を、ＴＥＭ−ＥＤＳによって観察し、測定面積に占めるポアの占有面積率Ｐ、ドロップレットの占有面積率Ｄ、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを測定し、また、Ｄａｌ／Ｄの値を計算によって求めた。具体的なＴＥＭ−ＥＤＳ測定方法を、以下に記述する。測定法：ＴＥＭ−ＥＤＳマッピング、加速電圧：２００ｋＶ、ＴＥＭスポットサイズ：１ｎｍ、観察倍率：３００００倍、１視野測定時間：１時間とした。１視野約４μｍ×３μｍのエリアを３視野用いた。さらに、同一視野のＴＥＭ像及びＥＤＳマッピング像を用い、ポア部を正方形、あるいは長方形、ドロップレット部を円、楕円で、それぞれの形状の輪郭を近似しマーキングする。３視野合計の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積、マーキングに基づいて３視野のポア部合計断面積、ドロップレット部合計断面積を算出する。（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積に対するポア部合計断面積をポアの占有面積率Ｐ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積に対するドロップレット部合計断面積をドロップレット占有面積率Ｄとする。
さらに、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のドロップレット部以外の箇所で組成を３箇所抽出し、ＡｌとＣｒの合計量に対する平均Ａｌ含有量を算出し、その値を（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の平均Ａｌ含有量とする。また、各ドロップレットの組成を抽出し、それぞれのドロップレットにおけるＡｌとＣｒの合計量に対するＡｌ含有量を算出し、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の平均Ａｌ含有量よりも２原子％以上高濃度である場合に、Ａｌリッチドロップレットとする。マーキングに基づいてＡｌリッチドロップレット部３視野の合計断面積を算出する。（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積に対するＡｌリッチドロップレット部合計断面積をＡｌリッチドロップレット占有面積率Ｄａｌとする。
表４に、これらの値をそれぞれ示す。
また、図２に、本発明被覆工具２の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の断面を示す。
図２（ａ）は断面ＴＥＭ写真（倍率：３００００倍）であって、（ｂ）はその模式図であり、（ｂ）中に、ポア（□印、細長い□印）、ドロップレット（○印、楕円）、Ａｌリッチドロップレット（◎印、◎の楕円）の位置をそれぞれ示す。
また、比較の目的で、上記ノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置を用いて、工具基体Ａ〜Ｅの表面に、表５に示す条件で、Ａｌ−ＴｉボンバードまたはＴｉボンバードを施し、次いで、同じく表５に示す条件で、所定の層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成することにより、表６に示される比較被覆工具１〜１１を作製した。
比較被覆工具１〜１１の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層についても、その断面を、ＴＥＭ−ＥＤＳによって観察し、測定面積に占めるポアの占有面積率Ｐ、ドロップレットの占有面積率Ｄ、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを測定し、また、Ｄａｌ／Ｄの値を計算によって求めた。
表７に、これらの値をそれぞれ示す。
また、図３に、比較被覆工具１の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の断面を示す。
図３（ａ）は断面ＴＥＭ写真（倍率：３００００倍）であって、（ｂ）はその模式図であり、（ｂ）中に、ポア（□印、細長い□印）、ドロップレット（○印、楕円）、Ａｌリッチドロップレット（◎印、◎の楕円）の位置をそれぞれ示す。
また、本発明被覆工具１〜２４及び比較被覆工具１〜１１の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも表４３、表７６に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。なお、膜断面を走査型電子顕微鏡にて１００００倍にて観察し、各構成層の層厚を５点ずつ測定し、それら平均の膜厚を平均層厚とした。
また、本発明被覆工具１〜２４及び比較被覆工具１〜１１の各構成層の組成（原子比）の測定方法を記述する。測定法ＴＥＭ−ＥＤＳマッピングにて、各構成層のドロップレット部以外の箇所で組成を３箇所抽出し、その平均値を算出した。その値を表３、表６に示す。






つぎに、上記本発明被覆工具１〜２４及び比較被覆工具１〜１１について、以下に示す条件で、乾式高送りミーリング切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
被削材： ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５２）のブロック材
回転速度： １７０００／ｍｉｎ、
切削速度： ３００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ａｅ ０．３ ｍｍ、ａｐ ２．０ ｍｍ、
一刃送り量： ０．０５ ｍｍ／刃、
切削油剤： エアー、
切削時間： ５ 分、
表８に、上記切削試験の結果を示す。

表４、７、８に示される結果から、この発明の被覆工具は、硬質被覆層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層におけるポアの占有面積率Ｐが０．５〜１面積％、全ドロップレットの占有面積率Ｄが２〜４面積％、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌが０．４〜４面積％、また、Ｄａｌ／Ｄ≧０．２であることから、高速切削加工において、すぐれた耐欠損性を備え、かつ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、硬質被覆層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層におけるポアの占有面積率Ｐ、全ドロップレットの占有面積率Ｄ、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌ、また、Ｄａｌ／Ｄの値のうちのいずれかが本発明で規定する範囲から外れる比較被覆工具１〜１１は、高速切削加工において、チッピング、欠損等の発生により短時間で寿命にいた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、例えば炭素鋼、合金工具鋼等の被削材の高速切削加工において、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、他の被削材の切削加工、他の条件での切削加工で使用することも勿論可能である。
この発明は、上記知見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からなる工具基体の表面に、少なくとも、０．５〜５μｍの層厚のＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、
上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層中には、ポアおよびドロップレットが分散分布し、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における上記ポアの占有面積率および上記ドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５〜１面積％および２〜４面積％であり、さらに、上記ドロップレットのうち、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のＡｌとＣｒの合計量に対する平均のＡｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における全ドロップレット面積の２０面積％以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
また、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、その平均層厚が５μｍを越えると、高速切削加工で切刃部に欠損が発生し易くなることから、その平均層厚は０．５〜５μｍと定めた。
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるポアの占有面積率Ｐ：
この発明では、例えば、図１にその概略を示すノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置を用いた成膜において、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット表面中心の磁場の大きさが５５〜１００Ｇとなるように、ターゲット裏面に配置した電磁コイルの磁力を制御して成膜を行うことにより、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中における所定のポアの占有面積率Ｐを得ることができる。
これは、Ｄａｌが０．４面積％未満では、例えば、炭素鋼を切削した場合、溶着を起こしやすくなり、耐摩耗性が悪化してしまう。また、Ｄａｌが４面積％を超える場合、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層における膜硬さが低下してしまい、摩耗速度が大きくなり、耐摩耗性が悪化してしまう、という理由による。
層厚：
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、その層厚が０．５μｍ未満では、すぐれた耐摩耗性を長期の使用にわたって発揮することはできず、一方、その層厚が５μｍを超えると、耐欠損性の低下傾向がみられることから、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の層厚は、０．５〜５μｍと定めた。
硬質被覆層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層：
この発明では、硬質被覆層として、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層ばかりでなく、例えば、工具基体表面に、第１層として、所定層厚のＡｌとＴｉの複合窒化物（以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎで示す）層を被覆形成し、この上に、第２層として、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を被覆形成し、さらに、この上に、第３層として、所定層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を被覆形成することができる。
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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末、ＴｉＮ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、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、９８ＭＰａの圧力で、ＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１（超硬基体Ａ〜Ｅ）の所定の形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部に幅０．１５ｍｍ、角度２０度のチャンフォーホーニング加工することにより、ＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｅをそれぞれ製造した。
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｅを、図１に示すノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置に装入し、表２に示す条件で、Ａｌ−ＴｉボンバードまたはＴｉボンバードを施し、次いで、同じく表２に示す条件で、所定の層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成することにより、表３に示す本発明被覆工具１〜２３を製造した。
上記本発明被覆工具１〜２３の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層について、その断面を、ＴＥＭ−ＥＤＳによって観察し、測定面積に占めるポアの占有面積率Ｐ、ドロップレットの占有面積率Ｄ、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを測定し、また、Ｄａｌ／Ｄの値を計算によって求めた。具体的なＴＥＭ−ＥＤＳ測定方法を、以下に記述する。測定法：ＴＥＭ−ＥＤＳマッピング、加速電圧：２００ｋＶ、ＴＥＭスポットサイズ：１ｎｍ、観察倍率：３００００倍、１視野測定時間：１時間とした。１視野約４μｍ×３μｍのエリアを３視野用いた。さらに、同一視野のＴＥＭ像及びＥＤＳマッピング像を用い、ポア部を正方形、あるいは長方形、ドロップレット部を円、楕円で、それぞれの形状の輪郭を近似しマーキングする。３視野合計の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積、マーキングに基づいて３視野のポア部合計断面積、ドロップレット部合計断面積を算出する。（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積に対するポア部合計断面積をポアの占有面積率Ｐ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積に対するドロップレット部合計断面積をドロップレット占有面積率Ｄとする。
さらに、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のドロップレット部以外の箇所で組成を３箇所抽出し、ＡｌとＣｒの合計量に対する平均Ａｌ含有量を算出し、その値を（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の平均Ａｌ含有量とする。また、各ドロップレットの組成を抽出し、それぞれのドロップレットにおけるＡｌとＣｒの合計量に対するＡｌ含有量を算出し、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の平均Ａｌ含有量よりも２原子％以上高濃度である場合に、Ａｌリッチドロップレットとする。マーキングに基づいてＡｌリッチドロップレット部３視野の合計断面積を算出する。（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積に対するＡｌリッチドロップレット部合計断面積をＡｌリッチドロップレット占有面積率Ｄａｌとする。
また、本発明被覆工具１〜２３及び比較被覆工具１〜１１の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも表３、表６に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。なお、膜断面を走査型電子顕微鏡にて１００００倍にて観察し、各構成層の層厚を５点ずつ測定し、それら平均の膜厚を平均層厚とした。
また、本発明被覆工具１〜２３及び比較被覆工具１〜１１の各構成層の組成（原子比）の測定方法を記述する。測定法ＴＥＭ−ＥＤＳマッピングにて、各構成層のドロップレット部以外の箇所で組成を３箇所抽出し、その平均値を算出した。その値を表３、表６に示す。

つぎに、上記本発明被覆工具１〜２３及び比較被覆工具１〜１１について、以下に示す条件で、乾式高送りミーリング切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。

Claims (4)

  1. 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、少なくとも、０．５〜１０μｍの層厚のＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、
    上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層中には、ポアおよびドロップレットが分散分布し、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における上記ポアの占有面積率および上記ドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５〜１面積％および２〜４面積％であり、さらに、上記ドロップレットのうち、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における全ドロップレット面積の２０面積％以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
  2. 上記工具基体の表面には、硬質被覆層として、ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる第２層およびＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第３層が被覆形成され、ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層および第３層におけるＡｌとの合量に占めるＴｉの含有割合は、２０〜６０原子％であ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。
  3. 上記ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層および第３層の層厚は、それぞれ、０．５〜５μｍおよび０．２〜１μｍであることを特徴とする請求項２に記載の表面被覆切削工具。
  4. 上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層における、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合は、２０〜５０原子％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。






















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