JP2013116551A - 耐酸化性と耐摩耗性にすぐれた表面被覆工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】湿式高速の深穴用ドリル加工条件においても、長期間にわたり高い耐摩耗性を維持する表面被覆ドリルを提供する。
【解決手段】超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる平均層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、
（ａ）ドリルのマージン部の粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘの値が、０．１以上０．７以下の範囲に存在し、ｘの値が０．４以下となる層状のＣｒ高含有領域と、ｘの値が０．５以上となる層状のＡｌ高含有領域が存在し、かつ、
（ｂ）Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、
（ｃ）Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であることにより、前記の課題を解決する。
【選択図】図２
【解決手段】超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなるドリル基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる平均層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルにおいて、
（ａ）ドリルのマージン部の粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘの値が、０．１以上０．７以下の範囲に存在し、ｘの値が０．４以下となる層状のＣｒ高含有領域と、ｘの値が０．５以上となる層状のＡｌ高含有領域が存在し、かつ、
（ｂ）Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、
（ｃ）Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であることにより、前記の課題を解決する。
【選択図】図２
Description
本発明は、表面被覆工具に関し、さらに詳しくは、ドリル本体の先端部外周に切屑排出溝が形成されるとともに、この切屑排出溝のドリル回転方向を向く内周面の先端に切刃が設けられ、主として炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）よりなる加工物に断続切削加工またはドリル深穴加工をするのに用いられる長期間に亘りすぐれた耐酸化性と耐摩耗性を維持する表面被覆工具および表面被覆ドリルに関するものである。
このようなドリルとしては、軸線を中心として該軸線回りにドリル回転方向に回転される概略円柱状のドリル本体の先端側が切刃部とされ、この切刃部の外周に一対の切屑排出溝が、軸線に関して互いに対称となるように、該切刃部の先端面、すなわちドリル本体の先端逃げ面から後端側に向かうに従い軸線回りにドリル回転方向の後方側に捩れる螺旋状に形成され、これらの切屑排出溝の内周面のうちドリル回転方向を向く部分の先端側の前記先端逃げ面との交差稜線部に切刃が形成された、いわゆる２枚刃のソリッドドリルが知られている。従って、このようなソリッドドリルでは、前記切屑排出溝内周面のドリル回転方向を向く部分の先端側がこの切刃のすくい面となり、切刃によって生成された切屑は、このすくい面から切屑排出溝の内周面を摺接しつつ、該切屑排出溝の捩れによって後端側に送り出されて排出されることとなる。そして、さらにこのようなドリルでは、ドリル本体の耐摩耗性の向上のために種々の方法が採用されている。
例えば、特許文献１においては、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン系サーメットからなる超硬基体の表面に１〜１０μｍの平均層厚で硬質被覆層において、層厚方向に沿って、Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ、両最高含有点でＡｌおよびＣｒの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに前記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ａｌ１−ｘＣｒｘ）２Ｏ３（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５を示す）を満足し、隣り合う前記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点の間隔が０．０１〜０．１μｍである表面被覆超硬合金製切削工具が開示されている。
また、特許文献２においては、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）２〜１０μｍの平均層厚を有するＡｌとＣｒの複合窒化物層からなり、下部層の構成成分であるＡｌおよびＣｒの含有割合が、該層の層厚方向に沿って定まった周期で連続的にあるいは不連続的に変化する濃度分布構造を有する下部層と、（ｂ）０．３〜１μｍの平均層厚を有するＡｌとＣｒの合金層からなる表面層を蒸着形成した表面被覆切削工具が開示されている。
また、特許文献３においては、超硬基体の表面に、ＡｌとＣｒの複合酸窒化物層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなり、層厚方向に沿ってＡｌおよび酸素の最高含有点とＣｒおよび窒素の最高含有点とが所定間隔において交互に繰り返し存在し、前記両最高含有点間でＡｌと酸素およびＣｒと窒素の含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、前記Ａｌおよび酸素の最高含有点が特定組成式を有し、前記Ｃｒおよび窒素の最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである硬質被覆層を構成する表面被覆超硬合金製切削工具が開示されている。
また、特許文献４においては、最表層がＣｒＯｙ（原子比で０．３≦ｙ≦１．５）で構成され、その層厚が０．０１〜２．０μｍである硬質被覆層を備えたことにより耐凝着性又は耐溶着性を向上させた表面被覆ドリルが開示されている。
近年のドリル加工装置の自動化はめざましく、加えてドリル加工に対する省力化、省エネ化、低コスト化さらに効率化の要求も強く、これに伴い、高送り、高切り込みなどより高効率の深穴用ドリル加工が要求される傾向にあるが、前記従来表面被覆ドリルにおいては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下でドリル加工した場合に特段の問題は生じないが、耐酸化性と耐摩耗性が必要とされるとともに切屑がドリルの切屑排出溝につまり易い湿式高速の深穴用ドリル加工に用いた場合には、切屑排出溝に切屑がつまり易く、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、本発明者らは、前述のような観点から、湿式高速の深穴用ドリル加工に用いられた場合にも長期間に亘りすぐれた耐酸化性と耐摩耗性を維持する表面被覆ドリルを提供すべく、ドリルの最表面層に粒径組成制御層として（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる平均層厚０．３〜５μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルの粒径組成制御層の構造に着目し鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。
（ａ）粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘが、ｘの値が０．１から０．７の範囲に存在し、ｘの値が０．４以下となる層状のＣｒ高含有領域とｘの値が０．５以上となる層状のＡｌ高含有領域が、前記粒径組成制御層の中に各々少なくとも一層以上含まれ、かつ
（ｂ）Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが１〜５であり、
（ｃ）Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが１０〜７０であり、かつ、
（ｄ）酸素含有割合ｙが０〜０．１５の間に存在し、かつ、
（ｅ）前記Ａｌ高含有領域におけるｙの最小値が０．０６以上であり、かつ、前記Ｃｒ高含有領域におけるｙの最大値が０．０５未満である場合、このような硬質被覆層を備えた表面被覆ドリルは、従来の表面被覆ドリルに比して、湿式高速の深穴加工において、すぐれた耐酸化性と耐摩耗性を示すことを見出した。
さらに、Ｃｒ高含有領域の平均層厚ＸＣｒが３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、Ａｌ高含有領域の平均層厚ＸＡｌが３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少するという構成を併せ持つことにより、潤滑性および耐摩耗性が一層向上することを見出した。
また、中間層として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの中から選ばれる１種類または２種類の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる平均層厚０．５〜２．０μｍの硬質被覆層を備える場合には、ドリル深穴加工において、力学的負荷が高くまた同時に高い潤滑性、耐摩耗性が要求される場合であっても、長期に亘り高い潤滑性と耐摩耗性を維持することを見出した。
（ｂ）Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが１〜５であり、
（ｃ）Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが１０〜７０であり、かつ、
（ｄ）酸素含有割合ｙが０〜０．１５の間に存在し、かつ、
（ｅ）前記Ａｌ高含有領域におけるｙの最小値が０．０６以上であり、かつ、前記Ｃｒ高含有領域におけるｙの最大値が０．０５未満である場合、このような硬質被覆層を備えた表面被覆ドリルは、従来の表面被覆ドリルに比して、湿式高速の深穴加工において、すぐれた耐酸化性と耐摩耗性を示すことを見出した。
さらに、Ｃｒ高含有領域の平均層厚ＸＣｒが３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、Ａｌ高含有領域の平均層厚ＸＡｌが３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少するという構成を併せ持つことにより、潤滑性および耐摩耗性が一層向上することを見出した。
また、中間層として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの中から選ばれる１種類または２種類の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる平均層厚０．５〜２．０μｍの硬質被覆層を備える場合には、ドリル深穴加工において、力学的負荷が高くまた同時に高い潤滑性、耐摩耗性が要求される場合であっても、長期に亘り高い潤滑性と耐摩耗性を維持することを見出した。
前述したような硬質被覆層は、図１の概略説明図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に工具基体を装着し、工具基体温度を４００〜４３０℃とした状態で、中間層として、
蒸発源１：金属Ｔｉまたは金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：１０ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８ｋＷ、
反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−３０Ｖ、
という条件のもと表２に示される特定の中間層の形成を行い、更に、
蒸発源１：金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：９〜１３Ｗ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
工具基体位置が蒸発源１近傍の時の反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス ０ｓｃｃｍ
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口１の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ８０〜８５ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス ５〜９ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス それぞれ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−１５〜−１２Ｖ、
という特定の条件下で、かつ、工具基体の先端を回転中心に向けた方法で固定し、回転軸をハース積載面の法線から３５〜５５度傾けて回転させ、回転速度が、Ｃｒのハースに最も接近する位置に最大、Ａｌのハースに最も接近する位置で最小となる、三角波形状の速度制御パターンとし、Ａｌのハースに近づいているときのみ酸素ガスを流入させる。この結果形成された硬質被覆層を備えた表面被覆ドリルは、従来の表面被覆ドリルに比して、湿式高速の深穴加工において、すぐれた耐酸化性および耐摩耗性を示すことを見出した。なお、前記知見は、表面被覆ドリルのみならず表面被覆エンドミル等、ドリル以外の表面被覆工具にも適用できることを見出した。
なお、前記ｓｃｃｍとは、真空装置に導入する反応ガスや放電ガスの流量を表す一般的な単位であり、ｓｃｃｍは、ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／ｍｉｎ、すなわち、規格化されたｃｃｍ（１分間あたりに何ｃｃ）を意味している。通常は、１ａｔｍ（大気圧１，０１３ｈＰａ）、０℃あるいは、１ａｔｍ（大気圧１，０１３ｈＰａ）、２５℃など一定温度で規格化されたｃｃｍが使われるが、本発明においては、０℃で規格化したｃｃｍを用いている。
蒸発源１：金属Ｔｉまたは金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：１０ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８ｋＷ、
反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−３０Ｖ、
という条件のもと表２に示される特定の中間層の形成を行い、更に、
蒸発源１：金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：９〜１３Ｗ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
工具基体位置が蒸発源１近傍の時の反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス ０ｓｃｃｍ
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口１の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ８０〜８５ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス ５〜９ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス それぞれ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−１５〜−１２Ｖ、
という特定の条件下で、かつ、工具基体の先端を回転中心に向けた方法で固定し、回転軸をハース積載面の法線から３５〜５５度傾けて回転させ、回転速度が、Ｃｒのハースに最も接近する位置に最大、Ａｌのハースに最も接近する位置で最小となる、三角波形状の速度制御パターンとし、Ａｌのハースに近づいているときのみ酸素ガスを流入させる。この結果形成された硬質被覆層を備えた表面被覆ドリルは、従来の表面被覆ドリルに比して、湿式高速の深穴加工において、すぐれた耐酸化性および耐摩耗性を示すことを見出した。なお、前記知見は、表面被覆ドリルのみならず表面被覆エンドミル等、ドリル以外の表面被覆工具にも適用できることを見出した。
なお、前記ｓｃｃｍとは、真空装置に導入する反応ガスや放電ガスの流量を表す一般的な単位であり、ｓｃｃｍは、ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／ｍｉｎ、すなわち、規格化されたｃｃｍ（１分間あたりに何ｃｃ）を意味している。通常は、１ａｔｍ（大気圧１，０１３ｈＰａ）、０℃あるいは、１ａｔｍ（大気圧１，０１３ｈＰａ）、２５℃など一定温度で規格化されたｃｃｍが使われるが、本発明においては、０℃で規格化したｃｃｍを用いている。
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなる工具基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる平均層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆工具において、
（ａ）前記粒径組成制御層のＡｌの含有割合ｘの値が、
０．１以上０．７以下の範囲であり、ｘの値が０．４以下となる層状のＣｒ高含有量域と、ｘの値が０．５以上となる層状のＡｌ高含有量域が、前記粒径組成制御層の中に各々少なくとも一層以上含まれ、かつ、
（ｂ）前記Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、
（ｃ）前記Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であり、かつ、
（ｄ）酸素含有割合ｙが０〜０．１５の間に存在し、かつ、
（ｅ）前記Ａｌ高含有領域におけるｙの最小値が０．０６以上であり、かつ、前記Ｃｒ高含有領域におけるｙの最大値が０．０５未満であることを特徴とする長期に亘り高い耐酸化性と耐摩耗性を維持する表面被覆工具。
（２） 前記Ｃｒ高含有領域の平均層厚ＸＣｒが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、前記Ａｌ高含有領域の平均層厚ＸＡｌが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在することを特徴とする（１）記載の表面被覆工具。
（３） 前記中間層が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの中から選ばれる１種類または２種類の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる平均層厚０．５〜２．０μｍの硬質被覆層であることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆工具。
（４） 前記工具基体がドリル基体であって、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆ドリル。」
に特徴を有するものである。
「（１） 超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなる工具基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる平均層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆工具において、
（ａ）前記粒径組成制御層のＡｌの含有割合ｘの値が、
０．１以上０．７以下の範囲であり、ｘの値が０．４以下となる層状のＣｒ高含有量域と、ｘの値が０．５以上となる層状のＡｌ高含有量域が、前記粒径組成制御層の中に各々少なくとも一層以上含まれ、かつ、
（ｂ）前記Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、
（ｃ）前記Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であり、かつ、
（ｄ）酸素含有割合ｙが０〜０．１５の間に存在し、かつ、
（ｅ）前記Ａｌ高含有領域におけるｙの最小値が０．０６以上であり、かつ、前記Ｃｒ高含有領域におけるｙの最大値が０．０５未満であることを特徴とする長期に亘り高い耐酸化性と耐摩耗性を維持する表面被覆工具。
（２） 前記Ｃｒ高含有領域の平均層厚ＸＣｒが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、前記Ａｌ高含有領域の平均層厚ＸＡｌが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在することを特徴とする（１）記載の表面被覆工具。
（３） 前記中間層が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの中から選ばれる１種類または２種類の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる平均層厚０．５〜２．０μｍの硬質被覆層であることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆工具。
（４） 前記工具基体がドリル基体であって、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆ドリル。」
に特徴を有するものである。
本発明について、以下に説明する。
本発明の表面被覆工具の工具基体の上に、直接または、中間層を介して、（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる平均層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層を形成する。ここで、硬質被覆層の平均層厚が０．３μｍ未満では、所望の耐摩耗性が維持できず、一方、５．０μｍを超えると皮膜のチッピングなどが生じる。したがって、硬質被覆層の平均層厚は０．３〜５．０μｍと定めた。
また、硬質被覆層の組成（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）において、Ａｌの含有割合ｘの値が、０．１未満ではＡｌの耐摩耗性が十分でなく、０．７を超えると六方晶組織へと変化するためＮａＣｌ型結晶が持つ強度を維持できない。したがって、Ａｌの含有割合ｘの値は０．１〜０．７と定めた。また、硬質被覆層の組成（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）において、酸素の含有割合ｙの値が、０．１５を超えると、切削加工中に脆弱なＣｒ酸化物の形成が促され皮膜の強度を維持できない。したがって、酸素の含有割合ｙの値は０〜０．１５と定めた。また、Ａｌ高含有領域における酸素含有割合ｙの値が０．０６未満であると安定なＡｌ酸化物の形成を促すことが出来ず、また、Ｃｒ高含有領域におけるｙの値が０．０５以上であると、脆性なＣｒ酸化物の形成が促され強度が低下するため、Ａｌ高含有領域における酸素含有割合ｙの最小値を０．０６以上、Ｃｒ高含有領域における酸素含有割合ｙの最大値を０．０５未満と定めた。
また、硬質被覆層の組成（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）において、Ａｌの含有割合ｘの値が、０．１未満ではＡｌの耐摩耗性が十分でなく、０．７を超えると六方晶組織へと変化するためＮａＣｌ型結晶が持つ強度を維持できない。したがって、Ａｌの含有割合ｘの値は０．１〜０．７と定めた。また、硬質被覆層の組成（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）において、酸素の含有割合ｙの値が、０．１５を超えると、切削加工中に脆弱なＣｒ酸化物の形成が促され皮膜の強度を維持できない。したがって、酸素の含有割合ｙの値は０〜０．１５と定めた。また、Ａｌ高含有領域における酸素含有割合ｙの値が０．０６未満であると安定なＡｌ酸化物の形成を促すことが出来ず、また、Ｃｒ高含有領域におけるｙの値が０．０５以上であると、脆性なＣｒ酸化物の形成が促され強度が低下するため、Ａｌ高含有領域における酸素含有割合ｙの最小値を０．０６以上、Ｃｒ高含有領域における酸素含有割合ｙの最大値を０．０５未満と定めた。
また、Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａの値は、５を超えると粒状組織が持つ安定的な切削性能が実現できない。一方、アスペクト比Ａの値は、長辺を短辺で除した値であるため、１未満にはならない。したがって、アスペクト比Ａの値は、１〜５と定めた。
また、Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂの値は、１０未満では、柱状組織が持つ耐摩耗性が実現できない。一方、アスペクト比Ｂの値は、７０を超えるとせん断力に対する抗折力が維持できない。したがって、アスペクト比Ｂの値は、１０〜７０と定めた。
なお、本発明でいう「アスペクト比」とは、個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分である長辺の値を、長辺に対して垂直方向の最大径を示す短辺の値で除した値である。
また、Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂの値は、１０未満では、柱状組織が持つ耐摩耗性が実現できない。一方、アスペクト比Ｂの値は、７０を超えるとせん断力に対する抗折力が維持できない。したがって、アスペクト比Ｂの値は、１０〜７０と定めた。
なお、本発明でいう「アスペクト比」とは、個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分である長辺の値を、長辺に対して垂直方向の最大径を示す短辺の値で除した値である。
中間層の平均層厚が０．５μｍ以下では皮膜の耐摩耗性が十分でないばかりか、剥離の起点となりうる界面が増加するのみであるため工具の耐欠損性が向上せず、また、中間層の平均層厚が２．０μｍを超えると、残留応力によるチッピングが生じやすくなるため工具の耐摩耗性が向上しない。したがって、中間層の平均層厚は０．５〜２．０μｍと定めた。
Ｃｒ高含有領域の平均層厚ＸＣｒおよびＡｌ高含有領域の平均層厚ＸＡｌの値は、３０ｎｍを下回るとそれぞれが持つ潤滑特性および耐摩耗性が発揮できない。一方、ＸＣｒが２００ｎｍを超えると、Ａｌ高含有領域に比べて耐摩耗性の劣るＣｒ高含有領域の割合が相対的に大きくなり、Ｃｒ高含有領域中での破壊が生じやすくなるために所望の工具性能を維持できず、また、ＸＡｌが２００ｎｍを超えると、Ａｌ高含有領域に導入された圧縮応力の積算値が大きくなりすぎ、皮膜のチッピングの原因となる。したがって、ＸＣｒおよびＸＡｌの値は、３０〜２００ｎｍと定めた。
さらに、工具基体がドリル基体である場合、すなわち、表面被覆工具が表面被覆ドリルである場合、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少するように構成することにより、湿式高速の深穴用ドリル加工条件においても、長時間に亘り高い耐摩耗性を維持するものである。
ここで、「ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域」とは、ドリルの中心軸と平行にドリル切れ刃部先端を起点に後方すなわちシャンクの方向へ計測して、ドリルの中心軸に垂直な平面内の最大直径の５倍の長さまでの領域をいう。
また、同一の測定領域に、層厚方向に複数のＣｒ高含有領域、あるいは複数のＡｌ高含有領域が存在する場合は、それぞれの平均値をＸＣｒ、ＸＡｌとする。
さらに、工具基体がドリル基体である場合、すなわち、表面被覆工具が表面被覆ドリルである場合、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少するように構成することにより、湿式高速の深穴用ドリル加工条件においても、長時間に亘り高い耐摩耗性を維持するものである。
ここで、「ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域」とは、ドリルの中心軸と平行にドリル切れ刃部先端を起点に後方すなわちシャンクの方向へ計測して、ドリルの中心軸に垂直な平面内の最大直径の５倍の長さまでの領域をいう。
また、同一の測定領域に、層厚方向に複数のＣｒ高含有領域、あるいは複数のＡｌ高含有領域が存在する場合は、それぞれの平均値をＸＣｒ、ＸＡｌとする。
本発明の表面被覆工具は、超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなる工具基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる平均層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆工具において、（ａ）前記粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘの値が、０．１以上０．７以下の範囲に存在し、ｘの値が０．４以下となる層状のＣｒ高含有領域と、ｘの値が０．５以上となる層状のＡｌ高含有領域が存在し、かつ、（ｂ）前記Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、（ｃ）前記Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であることによって、長期に亘り高い耐酸化性、耐チッピング性および耐摩耗性を維持する表面被覆工具に特徴を有するものである。
さらに、Ｃｒ高含有領域の平均層厚ＸＣｒが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、Ａｌ高含有領域の平均層厚ＸＡｌが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在するときに、耐摩耗性をより一層向上させることができる。
また、工具基体がドリル基体である場合、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少するように形成することによって、耐摩耗性をより一層向上させることができる。
すなわち、一般的な深穴加工において、力学的負荷が高くまた同時に高い耐熱性が要求される先端部においては、高いＡｌ含有割合を有するＡｌ高含有領域をＣｒ高含有領域に対して大きい割合で、柱状組織にて構成することにより、長期に亘り高い耐摩耗性を維持する。一方、力学的負荷よりも滑り特性や安定的な摩耗形態が要求される切屑排出溝やドリル後方のマージン部においては、ＣｒＮのもつ耐酸化性をさらに生かすために高いＣｒ含有割合を有するＣｒ高含有領域を、アスペクト比の低い粒状組織で構成することにより、最低限の耐摩耗性を維持したまま長期に亘り高い耐酸化性を維持することができる。また同時に、それらの領域が層厚方向に層状に積層されていることで、主として柱状組織で構成されるＡｌ高含有領域において発生した層厚方向へ進展するクラックの進展方向がＣｒ高含有領域の微細粒状組織により分散され、皮膜の耐衝撃性を向上させることが出来る。
また、工具基体がドリル基体である場合、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少するように形成することによって、耐摩耗性をより一層向上させることができる。
すなわち、一般的な深穴加工において、力学的負荷が高くまた同時に高い耐熱性が要求される先端部においては、高いＡｌ含有割合を有するＡｌ高含有領域をＣｒ高含有領域に対して大きい割合で、柱状組織にて構成することにより、長期に亘り高い耐摩耗性を維持する。一方、力学的負荷よりも滑り特性や安定的な摩耗形態が要求される切屑排出溝やドリル後方のマージン部においては、ＣｒＮのもつ耐酸化性をさらに生かすために高いＣｒ含有割合を有するＣｒ高含有領域を、アスペクト比の低い粒状組織で構成することにより、最低限の耐摩耗性を維持したまま長期に亘り高い耐酸化性を維持することができる。また同時に、それらの領域が層厚方向に層状に積層されていることで、主として柱状組織で構成されるＡｌ高含有領域において発生した層厚方向へ進展するクラックの進展方向がＣｒ高含有領域の微細粒状組織により分散され、皮膜の耐衝撃性を向上させることが出来る。
さらに、ＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少することで、耐摩耗性が要求される先端部近傍から、耐酸化性が要求される工具後方にかけて、両者の効果をバランスよく発現し、更にこと工具寿命を延長することが出来る。
さらに、本発明によれば、層厚方向へ組成比率とアスペクト比が連続的に変化する、あるいは、ドリル軸方向へＸＡｌ、ＸＣｒが漸次変化することで、ブラスト後処理やマスキングによる、不連続的に処理がなされた従来技術よりもきわめて安定的な切削を実現し、長寿命化を実現するものである。一般的な製造方法によれば、Ａｌの含有割合ｘを変化させたとしても、粒状組織・柱状組織はＡｌの含有割合ｘにより被支配的に変化するものではないが、本製法によれば、基体回転機構およびＣｒ蒸発源、Ａｌ蒸発源の位置関係を特異な配置とし、特定の成膜速度分布および、成膜時の基体近傍におけるＣｒイオンとＡｌイオンの比率を特定の空間分布を実現することで、本発明の表面被覆ドリルを制御可能な状態で製造することが出来るものである。すなわち、例えば、図１の概略図に示すように、工具基体がＡｌ蒸発源に近づくときには工具基体と蒸着源の距離が長くなり、成膜速度が減少するようになり、同様に、Ｃｒ蒸発源に近づくときには工具基体と蒸着源の距離が短くなり、成膜速度が増加するような配置とすることで、本発明の表面被覆ドリルを制御可能な状態で製造することが出来る。なお、本明細書で説明する製造方法はあくまで一例であり、本発明における表面被覆ドリルの製造方法を何ら制限するものではない。
さらに、本発明によれば、層厚方向へ組成比率とアスペクト比が連続的に変化する、あるいは、ドリル軸方向へＸＡｌ、ＸＣｒが漸次変化することで、ブラスト後処理やマスキングによる、不連続的に処理がなされた従来技術よりもきわめて安定的な切削を実現し、長寿命化を実現するものである。一般的な製造方法によれば、Ａｌの含有割合ｘを変化させたとしても、粒状組織・柱状組織はＡｌの含有割合ｘにより被支配的に変化するものではないが、本製法によれば、基体回転機構およびＣｒ蒸発源、Ａｌ蒸発源の位置関係を特異な配置とし、特定の成膜速度分布および、成膜時の基体近傍におけるＣｒイオンとＡｌイオンの比率を特定の空間分布を実現することで、本発明の表面被覆ドリルを制御可能な状態で製造することが出来るものである。すなわち、例えば、図１の概略図に示すように、工具基体がＡｌ蒸発源に近づくときには工具基体と蒸着源の距離が長くなり、成膜速度が減少するようになり、同様に、Ｃｒ蒸発源に近づくときには工具基体と蒸着源の距離が短くなり、成膜速度が増加するような配置とすることで、本発明の表面被覆ドリルを制御可能な状態で製造することが出来る。なお、本明細書で説明する製造方法はあくまで一例であり、本発明における表面被覆ドリルの製造方法を何ら制限するものではない。
つぎに、本発明の表面被覆ドリルおよび表面被覆エンドミルを実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、平均粒径０．８μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ３Ｃ２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、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、溝形成部の直径×長さが１０ｍｍ×８０ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度の２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製のドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４をそれぞれ製造した。同様に前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが６ｍｍ×８０ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度、先端Ｒ３ｍｍの２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製のエンドミル基体Ｅ−１〜Ｅ−４をそれぞれ製造した。
ついで、これらのドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の切刃に、ホーニングを施し、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４、エンドミル基体Ｅ−１〜Ｅ−４をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１の概略図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に装着し、工具基体温度を４００〜４３０℃とした状態で、中間層として、
蒸発源１：金属Ｔｉまたは金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：１０ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８ｋＷ、
反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−３０Ｖ、
という条件のもと表２に示される特定の中間層の形成を行い、更に、
蒸発源１：金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：９〜１３Ｗ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
工具基体位置が蒸発源１近傍の時の反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス ０ｓｃｃｍ、
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口１の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ８０〜８５ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス ５〜９ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４０ｓｃｃｍ、
ドリル基体に印加する直流バイアス電圧：−１５〜−１２Ｖ、
という表２に示される特定の条件下、ドリル基体の先端を回転中心に向けた方向で固定し、本発明被覆ドリル１〜１５については公転回転軸をハース積載面の法線から０度、本発明被覆ドリル１６〜３０については３５〜５５度傾けて回転させ、回転速度が、Ｃｒのハースに最も接近する位置で最大、Ａｌのハースに最も接近する位置で最小となる三角波形状の速度制御パターンとして反応性蒸着をして、表２に示される組成、および表４、５に示される目標層厚、平均アスペクト比を有する粒径組成制御層を形成した本発明表面被覆ドリル１〜３０を製造した。また、表２に示される特定の条件と組成の下、表７に示される目標層厚、平均アスペクト比を有する粒径組成制御層を形成した本発明表面被覆エンドミル１〜４をそれぞれ製造した。
蒸発源１：金属Ｔｉまたは金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：１０ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８ｋＷ、
反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−３０Ｖ、
という条件のもと表２に示される特定の中間層の形成を行い、更に、
蒸発源１：金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：９〜１３Ｗ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
工具基体位置が蒸発源１近傍の時の反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス ０ｓｃｃｍ、
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口１の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００ｓｃｃｍ、
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス ８０〜８５ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス ５〜９ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ４０ｓｃｃｍ、
ドリル基体に印加する直流バイアス電圧：−１５〜−１２Ｖ、
という表２に示される特定の条件下、ドリル基体の先端を回転中心に向けた方向で固定し、本発明被覆ドリル１〜１５については公転回転軸をハース積載面の法線から０度、本発明被覆ドリル１６〜３０については３５〜５５度傾けて回転させ、回転速度が、Ｃｒのハースに最も接近する位置で最大、Ａｌのハースに最も接近する位置で最小となる三角波形状の速度制御パターンとして反応性蒸着をして、表２に示される組成、および表４、５に示される目標層厚、平均アスペクト比を有する粒径組成制御層を形成した本発明表面被覆ドリル１〜３０を製造した。また、表２に示される特定の条件と組成の下、表７に示される目標層厚、平均アスペクト比を有する粒径組成制御層を形成した本発明表面被覆エンドミル１〜４をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、前記ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、ホーニングを施し、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４、エンドミル基体Ｅ−１〜Ｅ−４をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図３に示される、Ｃｒ−Ａｌ合金をターゲットとして取り付けたアークイオンプレーティング装置内にドリル基体を垂直方向に固定した状態で保持し自転させると同時に、該鉛直方向の軸を回転中心軸として公転させながら、ドリル基体温度を４１０〜４３０℃とした状態で、
ターゲット３：Ｔｉ−Ａｌ合金またはＣｒ-Ａｌ合金
ターゲット３に対するアーク放電電流：１３０Ａ、
チャンバー内のガス圧力：６Ｐａ、
窒素（Ｎ２）ガス割合：１００％、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−５０Ｖ、
という条件のもと表２に示される特定の中間層の形成を行い、更に、
ターゲット１：Ｃｒ−Ａｌ合金、
ターゲット１に対するアーク放電電流：５０〜１３０Ａ、
ターゲット２：Ｃｒ−Ａｌ合金、
ターゲット２に対するアーク放電電流：５０〜１１０Ａ、
チャンバー内のガス圧力：５〜８Ｐａ、
窒素（Ｎ２）ガス割合と酸素（Ｏ２）ガス割合：９５〜９０％：５〜１０％、
ドリル基体に印加する直流バイアス電圧：−２５Ｖ、
という表３に示される特定の条件のもと、従来被覆層を蒸着形成して、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表３に示される組成、および、表６に示されるアスペクト比、目標層厚を有する従来層を形成した比較表面被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。また、表３に示される特定の条件と組成のもと、表７に示される目標層厚、平均アスペクト比を有する粒径組成制御層を形成した比較表面被覆エンドミル１〜４をそれぞれ製造した。
ターゲット３：Ｔｉ−Ａｌ合金またはＣｒ-Ａｌ合金
ターゲット３に対するアーク放電電流：１３０Ａ、
チャンバー内のガス圧力：６Ｐａ、
窒素（Ｎ２）ガス割合：１００％、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−５０Ｖ、
という条件のもと表２に示される特定の中間層の形成を行い、更に、
ターゲット１：Ｃｒ−Ａｌ合金、
ターゲット１に対するアーク放電電流：５０〜１３０Ａ、
ターゲット２：Ｃｒ−Ａｌ合金、
ターゲット２に対するアーク放電電流：５０〜１１０Ａ、
チャンバー内のガス圧力：５〜８Ｐａ、
窒素（Ｎ２）ガス割合と酸素（Ｏ２）ガス割合：９５〜９０％：５〜１０％、
ドリル基体に印加する直流バイアス電圧：−２５Ｖ、
という表３に示される特定の条件のもと、従来被覆層を蒸着形成して、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表３に示される組成、および、表６に示されるアスペクト比、目標層厚を有する従来層を形成した比較表面被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。また、表３に示される特定の条件と組成のもと、表７に示される目標層厚、平均アスペクト比を有する粒径組成制御層を形成した比較表面被覆エンドミル１〜４をそれぞれ製造した。
つぎに、前記本発明表面被覆ドリル１〜３０および比較表面被覆ドリル１〜８について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：８０ｍｍの、ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃ（ＨＢ２８０）の板材、
切削速度： ９０ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ５０ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速深穴あけ切削加工試験（通常の、加工穴深さ５Ｄの切削速度および送りは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．および０．２０ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまで、若しくは工具の欠損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４、５、６にそれぞれ示した。
つぎに、前記本発明表面被覆エンドミル１〜４および比較表面被覆エンドミル１〜４について、
被削材−平面寸法：２００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１００ｍｍの、ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃ（ＨＢ２８０）の板材、
切削速度： ２６４ｍ／ｍｉｎ．（工具回転数：１４０００回転）、
テーブル送り： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
深さ切り込み量：０．３ｍｍ
送り切り込み量：１．０ｍｍ
の条件での炭素鋼の湿式高速エンドミル切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、２２６ｍ／ｍｉｎ．（工具回転数１２０００回転）および０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至るまで、若しくは工具の欠損に至るまでの切削長を測定した。この測定結果を表７にそれぞれ示した。
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：８０ｍｍの、ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃ（ＨＢ２８０）の板材、
切削速度： ９０ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ５０ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速深穴あけ切削加工試験（通常の、加工穴深さ５Ｄの切削速度および送りは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．および０．２０ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまで、若しくは工具の欠損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４、５、６にそれぞれ示した。
つぎに、前記本発明表面被覆エンドミル１〜４および比較表面被覆エンドミル１〜４について、
被削材−平面寸法：２００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１００ｍｍの、ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃ（ＨＢ２８０）の板材、
切削速度： ２６４ｍ／ｍｉｎ．（工具回転数：１４０００回転）、
テーブル送り： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
深さ切り込み量：０．３ｍｍ
送り切り込み量：１．０ｍｍ
の条件での炭素鋼の湿式高速エンドミル切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、２２６ｍ／ｍｉｎ．（工具回転数１２０００回転）および０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至るまで、若しくは工具の欠損に至るまでの切削長を測定した。この測定結果を表７にそれぞれ示した。
この結果得られた本発明表面被覆ドリル１〜３０、本発明表面被覆エンドミル１〜４の硬質被覆層を構成する改質粒径組成制御層、さらに、比較表面被覆ドリル１〜８、比較表面被覆エンドミル１〜４の硬質被覆層を構成する従来層の平均層厚を、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。
さらに、本発明表面被覆ドリル１〜３０、比較表面被覆ドリル１〜８、本発明表面被覆エンドミル１〜４、比較表面被覆エンドミル１〜４を集束イオンビーム加工装置により、層厚方向に
高さ：層厚の２倍相当×幅：５μｍ×厚さ：１００ｎｍ
の薄片に加工した後、透過型電子顕微鏡（ＪＥＭ−２０１０Ｆ）を用いて、観察加速電圧２００ｋＶの条件のもと、本発明表面被覆ドリル１〜３０、本発明表面被覆エンドミル１〜４の硬質被覆層の硬質被覆層を構成する改質粒径組成制御層、比較表面被覆ドリル１〜８、比較表面被覆エンドミル１〜４の硬質被覆層を構成する従来層の粒径組織を観測したのち、薄片の幅方向における中心線と工具基体の交差点から、工具基体に略垂直に皮膜の表面の方向へ向かって、１０ｎｍの間隔で組成を測定し、各点での組成が表２、３に示す目標組成範囲と実質的に同じ組成範囲を有していることを確認するとともに、さらに、Ａｌの含有割合ｘが０．１以上０．４以下となるＣｒ高含有領域の平均厚みＸＣｒおよび、Ｃｒ高含有領域に含まれる（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる結晶粒の長辺および短辺を測定し、アスペクト比Ａを算出し、同じく、Ａｌの含有割合ｘが０．５以上０．７以下となるＡｌ高含有領域の平均厚みＸＡｌおよび、Ａｌ高含有領域に含まれる（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる結晶粒の長辺および短辺を測定し、アスペクト比Ｂを算出し、それぞれの結果を表４、５、６、７に示した。なお、ここで言う長辺とは結晶粒中の最大の長さを示す線分の長さを表し、短辺とは、長辺に垂直な線分のうち最大の長さもつ線分の長さを表し、アスペクト比とは前記長辺を前記短辺で除した値である。
さらに、本発明表面被覆ドリル１〜３０、比較表面被覆ドリル１〜８、本発明表面被覆エンドミル１〜４、比較表面被覆エンドミル１〜４を集束イオンビーム加工装置により、層厚方向に
高さ：層厚の２倍相当×幅：５μｍ×厚さ：１００ｎｍ
の薄片に加工した後、透過型電子顕微鏡（ＪＥＭ−２０１０Ｆ）を用いて、観察加速電圧２００ｋＶの条件のもと、本発明表面被覆ドリル１〜３０、本発明表面被覆エンドミル１〜４の硬質被覆層の硬質被覆層を構成する改質粒径組成制御層、比較表面被覆ドリル１〜８、比較表面被覆エンドミル１〜４の硬質被覆層を構成する従来層の粒径組織を観測したのち、薄片の幅方向における中心線と工具基体の交差点から、工具基体に略垂直に皮膜の表面の方向へ向かって、１０ｎｍの間隔で組成を測定し、各点での組成が表２、３に示す目標組成範囲と実質的に同じ組成範囲を有していることを確認するとともに、さらに、Ａｌの含有割合ｘが０．１以上０．４以下となるＣｒ高含有領域の平均厚みＸＣｒおよび、Ｃｒ高含有領域に含まれる（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる結晶粒の長辺および短辺を測定し、アスペクト比Ａを算出し、同じく、Ａｌの含有割合ｘが０．５以上０．７以下となるＡｌ高含有領域の平均厚みＸＡｌおよび、Ａｌ高含有領域に含まれる（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる結晶粒の長辺および短辺を測定し、アスペクト比Ｂを算出し、それぞれの結果を表４、５、６、７に示した。なお、ここで言う長辺とは結晶粒中の最大の長さを示す線分の長さを表し、短辺とは、長辺に垂直な線分のうち最大の長さもつ線分の長さを表し、アスペクト比とは前記長辺を前記短辺で除した値である。
表２、４、５、７に示される結果から、本発明表面被覆ドリルおよび本発明エンドミルは、最表面に（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる粒径組成制御層が形成されており、その層厚が０．３〜５μｍであり、ドリルのマージン部の粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘが、０．１〜０．７の範囲に存在し、ｘの値が０．４以下となる層状のＣｒ高含有領域とｘの値が０．５以上となる層状のＡｌ高含有領域が存在し、かつ、Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であり、Ｃｒ高含有領域の平均層厚ＸＣｒが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、Ａｌ高含有領域の平均層厚ＸＡｌが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在していることから、長期に亘りすぐれた耐酸化性と耐摩耗性を維持する表面被覆ドリルまたは表面被覆エンドミルが得られることが明らかである。
また、表５に示される結果から、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少していることにより、長期に亘りすぐれた潤滑性と耐摩耗性を維持する表面被覆ドリルが得られることが明らかである。
これに対して、表３、６、７に示される結果から、硬質被覆層のＣｒとＡｌそれぞれの高含有領域がない、あるいは、ＣｒとＡｌそれぞれの高含有領域のアスペクト比および平均層厚が所定の範囲内に制御されていない従来層を有する比較表面被覆ドリルおよび比較表面被覆エンドミルにおいては、耐酸化性および耐摩耗性が十分でないために、チッピング、欠損、剥離の発生等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
また、表５に示される結果から、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少していることにより、長期に亘りすぐれた潤滑性と耐摩耗性を維持する表面被覆ドリルが得られることが明らかである。
これに対して、表３、６、７に示される結果から、硬質被覆層のＣｒとＡｌそれぞれの高含有領域がない、あるいは、ＣｒとＡｌそれぞれの高含有領域のアスペクト比および平均層厚が所定の範囲内に制御されていない従来層を有する比較表面被覆ドリルおよび比較表面被覆エンドミルにおいては、耐酸化性および耐摩耗性が十分でないために、チッピング、欠損、剥離の発生等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
前述のように、本発明の表面被覆切削工具は、超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなる工具基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる平均層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在し、粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘの値が、０．１以上０．７以下の範囲に存在し、ｘの値が０．４以下となる層状のＣｒ高含有領域と、ｘの値が０．５以上となる層状のＡｌ高含有領域が、粒径組成制御層の中に各々少なくとも一層以上含まれ、かつ、Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であることにより、すぐれた耐酸化性を備えており、そして、このすぐれた耐酸化性は、湿式高速の切削加工条件においても、長期間にわたり高い耐摩耗性を維持するものである。
Claims (4)
- 超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなる工具基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる平均層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆工具において、
（ａ）前記粒径組成制御層のＡｌの含有割合ｘの値が、
０．１以上０．７以下の範囲であり、ｘの値が０．４以下となる層状のＣｒ高含有量域と、ｘの値が０．５以上となる層状のＡｌ高含有量域が、前記粒径組成制御層の中に各々少なくとも一層以上含まれ、かつ、
（ｂ）前記Ｃｒ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、
（ｃ）前記Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であり、かつ、
（ｄ）酸素含有割合ｙが０〜０．１５の間に存在し、かつ、
（ｅ）前記Ａｌ高含有領域におけるｙの最小値が０．０６以上であり、かつ、前記Ｃｒ高含有領域におけるｙの最大値が０．０５未満であることを特徴とする長期に亘り高い耐酸化性と耐摩耗性を維持する表面被覆工具。 - 前記Ｃｒ高含有領域の平均層厚ＸＣｒが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、前記Ａｌ高含有領域の平均層厚ＸＡｌが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在することを特徴とする請求項１記載の表面被覆工具。
- 前記中間層が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの中から選ばれる１種類または２種類の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる平均層厚０．５〜２．０μｍの硬質被覆層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面被覆工具。
- 前記工具基体がドリル基体であって、ドリルマージン部におけるＸＣｒが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の表面被覆ドリル。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2012237478A JP2013116551A (ja) | 2011-10-31 | 2012-10-29 | 耐酸化性と耐摩耗性にすぐれた表面被覆工具 |
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| JP2011239220 | 2011-10-31 | ||
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| JP2012237478A JP2013116551A (ja) | 2011-10-31 | 2012-10-29 | 耐酸化性と耐摩耗性にすぐれた表面被覆工具 |
Publications (1)
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ID=48711459
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| JP2012237478A Pending JP2013116551A (ja) | 2011-10-31 | 2012-10-29 | 耐酸化性と耐摩耗性にすぐれた表面被覆工具 |
Country Status (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015182156A (ja) * | 2014-03-20 | 2015-10-22 | 三菱マテリアル株式会社 | 表面被覆切削工具 |
| JP7022105B2 (ja) | 2017-11-16 | 2022-02-17 | 株式会社Moldino | 被覆切削工具ならびにその製造方法 |
-
2012
- 2012-10-29 JP JP2012237478A patent/JP2013116551A/ja active Pending
Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2015182156A (ja) * | 2014-03-20 | 2015-10-22 | 三菱マテリアル株式会社 | 表面被覆切削工具 |
| JP7022105B2 (ja) | 2017-11-16 | 2022-02-17 | 株式会社Moldino | 被覆切削工具ならびにその製造方法 |
| US11541461B2 (en) | 2017-11-16 | 2023-01-03 | Moldino Tool Engineering, Ltd. | Coated cutting tool, and method and system for manufacturing the same by chemical vapor deposition |
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