JP2013188834A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐ピッチング性、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基超硬合金からなる工具基体表面に、平均層厚が２〜１０μｍの硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、（ａ）硬質被覆層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなり、かつ、該層においてＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合は０．２〜０．５（但し、原子比）であり、（ｂ）上記表面被覆切削工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、硬質被覆層は平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織を有し、また、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合は、上記混合組織中の１０〜５０％を占め、（ｃ）上記表面被覆切削工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲の工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下であり、好ましくは、クラック占有率は０．３〜１．０である。
【選択図】 図３
【解決手段】 ＷＣ基超硬合金からなる工具基体表面に、平均層厚が２〜１０μｍの硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、（ａ）硬質被覆層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなり、かつ、該層においてＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合は０．２〜０．５（但し、原子比）であり、（ｂ）上記表面被覆切削工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、硬質被覆層は平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織を有し、また、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合は、上記混合組織中の１０〜５０％を占め、（ｃ）上記表面被覆切削工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲の工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下であり、好ましくは、クラック占有率は０．３〜１．０である。
【選択図】 図３
Description
この発明は、ステンレス鋼等の難削材の切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、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、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、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。
例えば、特許文献１に示すように、被覆工具として、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金で構成された基体（以下、工具基体という）の表面に、ＡｌとＣｒの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、かかる従来の被覆工具においては、硬質被覆層を構成する前記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、高温耐酸化性等を有することから、すぐれた切削性能を発揮することが知られている。
そして、上記従来の被覆工具は、例えば、図１に示すように、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、ヒータで工具基体を５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金がセットされたカソード電極との間に、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、−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，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成することにより製造し得ることも知られている。
そして、上記従来の被覆工具は、例えば、図１に示すように、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、ヒータで工具基体を５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金がセットされたカソード電極との間に、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、−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，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成することにより製造し得ることも知られている。
ところで、被覆工具においては、その切削性能、特に、耐チッピング性、耐摩耗性等、の改善を図るべく、硬質被覆層の組織構造について種々の提案がなされている。
例えば、特許文献２には、すくい面での被覆層の欠損を抑制して耐欠損性を向上させ、また、逃げ面における耐摩耗性を向上させた被覆工具として、被覆層を柱状結晶で構成し、すくい面における被覆層厚は逃げ面での被覆層厚よりも薄く、被覆層表面側の上層領域の平均結晶幅が、被覆層基体側の下層領域の平均結晶幅よりも大きい２つの層領域にて構成し、すくい面での被覆層厚に対する上層領域の厚みの比率が、逃げ面での被覆層厚に対する上層領域の厚みの比率よりも小さく、すくい面での柱状結晶の平均結晶幅が逃げ面での柱状結晶の平均結晶幅より小さい被覆工具（エンドミル）が記載されている。
また、例えば、特許文献３には、耐摩耗性と靭性とを両立させるとともに、基材との密着性にも優れた被膜を備えた被覆工具として、基材上に形成された被膜は、第１被膜層を含み、該第１被膜層は、微細組織領域と粗大組織領域とを含み、該微細組織領域は、それを構成する化合物の平均結晶粒径が１０〜２００ｎｍであり、かつ該第１被膜層の表面側から該第１被膜層の全体の厚みに対して５０％以上の厚みとなる範囲を占めて存在し、かつ−４ＧＰａ以上−２ＧＰａ以下の範囲の応力である平均圧縮応力を有し、該第１被膜層は、その厚み方向に応力分布を有しており、その応力分布において２つ以上の極大値または極小値を持ち、それらの極大値または極小値は厚み方向表面側に位置するものほど高い圧縮応力を有する被覆工具が記載されている。
例えば、特許文献２には、すくい面での被覆層の欠損を抑制して耐欠損性を向上させ、また、逃げ面における耐摩耗性を向上させた被覆工具として、被覆層を柱状結晶で構成し、すくい面における被覆層厚は逃げ面での被覆層厚よりも薄く、被覆層表面側の上層領域の平均結晶幅が、被覆層基体側の下層領域の平均結晶幅よりも大きい２つの層領域にて構成し、すくい面での被覆層厚に対する上層領域の厚みの比率が、逃げ面での被覆層厚に対する上層領域の厚みの比率よりも小さく、すくい面での柱状結晶の平均結晶幅が逃げ面での柱状結晶の平均結晶幅より小さい被覆工具（エンドミル）が記載されている。
また、例えば、特許文献３には、耐摩耗性と靭性とを両立させるとともに、基材との密着性にも優れた被膜を備えた被覆工具として、基材上に形成された被膜は、第１被膜層を含み、該第１被膜層は、微細組織領域と粗大組織領域とを含み、該微細組織領域は、それを構成する化合物の平均結晶粒径が１０〜２００ｎｍであり、かつ該第１被膜層の表面側から該第１被膜層の全体の厚みに対して５０％以上の厚みとなる範囲を占めて存在し、かつ−４ＧＰａ以上−２ＧＰａ以下の範囲の応力である平均圧縮応力を有し、該第１被膜層は、その厚み方向に応力分布を有しており、その応力分布において２つ以上の極大値または極小値を持ち、それらの極大値または極小値は厚み方向表面側に位置するものほど高い圧縮応力を有する被覆工具が記載されている。
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。
上記従来の被覆工具においては、ある程度の耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性の改善は図り得るものの、これをステンレス鋼等の一段と厳しい切削加工に用いた場合には、チッピングが発生しやすく、あるいは、摩耗損耗が大きくなり、これを原因として、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
上記従来の被覆工具においては、ある程度の耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性の改善は図り得るものの、これをステンレス鋼等の一段と厳しい切削加工に用いた場合には、チッピングが発生しやすく、あるいは、摩耗損耗が大きくなり、これを原因として、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、ステンレス鋼などの切削加工において、耐チッピング性とともに耐摩耗性にもすぐれ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具を提供すべく、硬質被覆層の結晶組織構造について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
従来、被覆工具を作製するにあたり、硬質被覆層の形成手段としては、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等が一般的に採用されており、そして、例えば、ＰＶＤ法の一種であるアークイオンプレーティング法（以下、ＡＩＰ法という）により（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎからなる硬質被覆層を成膜する際には、特許文献１として示したように、工具基体を装置内に装入し、所定のバイアス電圧を印加するとともに、装置内を所定温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットとの間に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、所定圧の反応雰囲気中で蒸着することによって、硬質被覆層を成膜していた（図１参照）。
本発明者らは、上記従来のＡＩＰ法による（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎからなる硬質被覆層の成膜に際し、工具基体とターゲット間に磁場をかけ、硬質被覆層の組織構造に及ぼす磁場の影響を調査検討したところ、ＡＩＰ法による硬質被覆層の成膜を所定強度の磁場中で行うことによって、硬質被覆層を構成する結晶粒の粒径、形成領域およびその分布を調整することができること、そして、硬質被覆層の切刃から１００μｍ以内の硬質被覆層を、所定の平均粒径を有する粒状結晶粒と微細結晶粒の混合組織として構成し、また、０．１５μｍ以下の結晶粒の結晶粒径長割合についても２０％以下とすることによって、さらに、切れ刃先端のコーナー部に形成される連続クラックのクラック占有率を０．３〜１．０に調整することによって、このような硬質被覆層を備えた被覆工具は、ステンレス鋼等の切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
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）炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、平均層厚が２〜１０μｍの硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具において、
（ａ）硬質被覆層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなり、かつ、該層においてＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合は０．２〜０．５（但し、原子比）であり、
（ｂ）上記被覆工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、硬質被覆層は平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織を有し、また、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合は、上記混合組織中の１０〜５０％を占め、
（ｃ）上記被覆工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲の工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下であることを特徴とする被覆工具。
（２） 上記被覆工具の刃先角度をα度とし、該α度の角度範囲内の切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に形成されている連続クラックの占有角度をβ度とした場合、クラック占有率β／αが０．３〜１．０であることを特徴とする前記（１）に記載の被覆工具。」
に特徴を有するものである。
「 （１）炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、平均層厚が２〜１０μｍの硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具において、
（ａ）硬質被覆層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなり、かつ、該層においてＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合は０．２〜０．５（但し、原子比）であり、
（ｂ）上記被覆工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、硬質被覆層は平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織を有し、また、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合は、上記混合組織中の１０〜５０％を占め、
（ｃ）上記被覆工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲の工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下であることを特徴とする被覆工具。
（２） 上記被覆工具の刃先角度をα度とし、該α度の角度範囲内の切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に形成されている連続クラックの占有角度をβ度とした場合、クラック占有率β／αが０．３〜１．０であることを特徴とする前記（１）に記載の被覆工具。」
に特徴を有するものである。
つぎに、この発明の被覆工具について詳細に説明する。
（ａ）硬質被覆層の種別、平均層厚：
この発明の硬質被覆層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）からなる。
上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、Ａｌ成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、Ｃｒ成分が高温強度を向上させ、さらにＣｒとＡｌの共存含有によって高温耐酸化性が向上することから、高温硬さ、耐熱性、高温強度及び高温耐酸化性にすぐれた硬質被覆層として既によく知られている。
本発明の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（原子比、以下同じ）が０．２未満では、切削加工時の高温強度を確保することが困難となり、一方、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（原子比）が０．５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が少なくなり、高温硬さの低下、耐熱性の低下を招き、その結果、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性が劣化するようになることから、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（原子比）は、０．２〜０．５であることが必要である。
また、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層の平均層厚は、２μｍ未満では、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮することができず、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、刃先部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚は２〜１０μｍとすることが必要である。
なお、本発明では平均層厚の測定方法は、以下のように行った。工具基体刃先から逃げ面側の断面を切り出し、その断面をＳＥＭにて、観察する。工具基体と硬質被覆層の界面から硬質被覆層表面までの距離を任意の５箇所で測定し、その平均値を平均層厚とした。
（ａ）硬質被覆層の種別、平均層厚：
この発明の硬質被覆層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）からなる。
上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、Ａｌ成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、Ｃｒ成分が高温強度を向上させ、さらにＣｒとＡｌの共存含有によって高温耐酸化性が向上することから、高温硬さ、耐熱性、高温強度及び高温耐酸化性にすぐれた硬質被覆層として既によく知られている。
本発明の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（原子比、以下同じ）が０．２未満では、切削加工時の高温強度を確保することが困難となり、一方、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（原子比）が０．５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が少なくなり、高温硬さの低下、耐熱性の低下を招き、その結果、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性が劣化するようになることから、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（原子比）は、０．２〜０．５であることが必要である。
また、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層の平均層厚は、２μｍ未満では、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮することができず、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、刃先部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚は２〜１０μｍとすることが必要である。
なお、本発明では平均層厚の測定方法は、以下のように行った。工具基体刃先から逃げ面側の断面を切り出し、その断面をＳＥＭにて、観察する。工具基体と硬質被覆層の界面から硬質被覆層表面までの距離を任意の５箇所で測定し、その平均値を平均層厚とした。
（ｂ）（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層の層構造：
本発明では、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、硬質被覆層は平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織から構成し、そして、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合は、上記混合組織中の１０〜５０％を占める。
また、工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下とする。
なお、本発明でいう「刃先」とは、図３に示すように、「切れ刃先端のコーナー部の円錐形状となっている部分を除いた、直線状切れ刃の最も先端に近い部分」であると定義する。
また、ここで「粒状結晶」とはアスペクト比が１以上６以下であり、かつ、粒径０．１μｍ以上の結晶粒を意味する。「微細結晶」とは、アスペクト比が１以上６以下であり、かつ、粒径０．１μｍ未満の結晶粒を意味する。アスペクト比は、結晶粒断面で最も長い直径（長辺）とそれに垂直な直径（短辺）の長さの比を、長辺を分子、短辺を分母として算出するものとする。
また、ここで「粒径が０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合」とは、複数の結晶粒の粒径を測定し、その全測定結晶粒径長の和に対する粒径が０．１μｍ未満の結晶粒径長の和の割合を示し、また、「粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合」とは、複数の結晶粒の粒径を測定し、その全測定結晶粒径長の和に対する粒径０．１５μｍ以下の結晶粒径長の和の割合を示す。
本発明では、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、硬質被覆層は平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織から構成し、そして、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合は、上記混合組織中の１０〜５０％を占める。
また、工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下とする。
なお、本発明でいう「刃先」とは、図３に示すように、「切れ刃先端のコーナー部の円錐形状となっている部分を除いた、直線状切れ刃の最も先端に近い部分」であると定義する。
また、ここで「粒状結晶」とはアスペクト比が１以上６以下であり、かつ、粒径０．１μｍ以上の結晶粒を意味する。「微細結晶」とは、アスペクト比が１以上６以下であり、かつ、粒径０．１μｍ未満の結晶粒を意味する。アスペクト比は、結晶粒断面で最も長い直径（長辺）とそれに垂直な直径（短辺）の長さの比を、長辺を分子、短辺を分母として算出するものとする。
また、ここで「粒径が０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合」とは、複数の結晶粒の粒径を測定し、その全測定結晶粒径長の和に対する粒径が０．１μｍ未満の結晶粒径長の和の割合を示し、また、「粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合」とは、複数の結晶粒の粒径を測定し、その全測定結晶粒径長の和に対する粒径０．１５μｍ以下の結晶粒径長の和の割合を示す。
本発明の硬質被覆層の層構造について、以下に、詳細に説明する。
本発明では、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、硬質被覆層は、主として、平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織として硬質被覆層を構成するが、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合が、混合組織中の１０％未満になると硬質被覆層中に形成される圧縮応力の値が小さくなるため、硬質被覆層の耐摩耗性が低下し、一方、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合が混合組織中の５０％を超えると、硬質被覆層中に形成される圧縮応力の値が大きくなりすぎて、切削加工時にチッピングを発生しやすくなることから、混合組織中に占める粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合は、１０〜５０％とすることが必要である。
粒径０．１μｍ以上の粒状結晶粒の結晶粒径長割合は、５０〜９０％の割合で存在する必要がある。９０％を超える場合、圧縮応力の値が小さくなり硬さが小さくなりすぎて、硬質被覆層の耐摩耗性が低下し、一方、５０％未満である場合、圧縮応力の値が大きくなり硬さが大きくなりすぎて、切削加工時にチッピングを発生しやすくなることから、混合組織中に占める粒径０．１μｍ以上の粒状結晶粒の結晶粒径長割合は５０〜９０％とすることが必要である。
また、粒状結晶粒の平均粒径が１μｍを超える場合、硬質被覆層中に形成される圧縮応力の値が小さくなるため、硬質被覆層の耐摩耗性が低下するため、粒状結晶粒の平均粒径の上限値を１μｍとすることが必要である。
本発明では、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、硬質被覆層は、主として、平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織として硬質被覆層を構成するが、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合が、混合組織中の１０％未満になると硬質被覆層中に形成される圧縮応力の値が小さくなるため、硬質被覆層の耐摩耗性が低下し、一方、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合が混合組織中の５０％を超えると、硬質被覆層中に形成される圧縮応力の値が大きくなりすぎて、切削加工時にチッピングを発生しやすくなることから、混合組織中に占める粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合は、１０〜５０％とすることが必要である。
粒径０．１μｍ以上の粒状結晶粒の結晶粒径長割合は、５０〜９０％の割合で存在する必要がある。９０％を超える場合、圧縮応力の値が小さくなり硬さが小さくなりすぎて、硬質被覆層の耐摩耗性が低下し、一方、５０％未満である場合、圧縮応力の値が大きくなり硬さが大きくなりすぎて、切削加工時にチッピングを発生しやすくなることから、混合組織中に占める粒径０．１μｍ以上の粒状結晶粒の結晶粒径長割合は５０〜９０％とすることが必要である。
また、粒状結晶粒の平均粒径が１μｍを超える場合、硬質被覆層中に形成される圧縮応力の値が小さくなるため、硬質被覆層の耐摩耗性が低下するため、粒状結晶粒の平均粒径の上限値を１μｍとすることが必要である。
また、工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下であることが必要である。
ここで、工具基体と硬質被覆層の界面における硬質被覆層の結晶粒は、硬質被覆層内における工具基体と硬質被覆層の界面から厚さ０．５μｍの領域にて形成されている結晶粒を意味する。
本発明で、０．１５μｍ以下の結晶粒の分布を上記のとおり定めたのは、刃先に被覆された硬質被覆層で十分な耐摩耗性を確保すると同時に、チッピングの発生を抑制するためであって、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の結晶粒径長割合が２０％を超える場合には、硬質被覆層中の圧縮残留応力が大きくなり、ステンレス鋼等の難削材の切削加工においてチッピングを発生しやすくなるという理由による。
なお、本発明では、逃げ面上の硬質被覆層の結晶粒径の測定、また、平均結晶粒径の算出は、以下のように行った。
工具基体刃先から逃げ面側の断面を切り出し、その断面をＳＥＭにて、観察する。硬質被覆層表面から深さ０．５μｍの領域に形成されている結晶粒、硬質被覆層内における工具基体と硬質被覆層の界面から厚さ０．５μｍの領域に形成されている結晶粒、及び硬質被覆層表面と工具基体表面の中間の領域に存在する結晶粒にて、工具基体表面と平行に直線を引き、結晶粒界間の距離を粒径と定義する。なお、工具基体表面と平行に直線を引く位置は、各結晶粒において最長の結晶粒径となる位置とする。それぞれの領域において、逃げ面上刃先、及び逃げ面上にて刃先から５０μｍ離れた位置、及び刃先から１００μｍ離れた位置の３箇所、計９箇所にて幅１０μｍの範囲内に存在する結晶の平均結晶粒径を測定する。幅１０μｍの粒径を測定するにあたり、各測定箇所を中心に刃先側５μｍ、刃先と逆側５μｍの測定データを用いた。ただし、逃げ面上の刃先の箇所においては、刃先から５μｍ離れた位置を中心として、刃先側５μｍ、刃先と逆側５μｍの幅１０μｍの範囲内で測定した。全９箇所の領域で、粒径が０．１μｍ以上の結晶粒の平均値を「粒状結晶粒の平均粒径」と定義する。また、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒の平均値を「微細結晶粒の平均粒径」と定義する。
また、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒が占める結晶粒径長割合の測定方法は、上記粒径を測定した界面３箇所、表面３箇所、及び中間領域３箇所にて測定した結晶粒径の全測定データを用いる。測定した全結晶粒径の和に対する、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒径の和を「微細結晶粒が占める結晶粒径長割合」とした。
また、界面にて粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合の測定方法は、上記粒径を測定した界面３箇所の全測定データを用いる。測定した全結晶粒径の和に対する、粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒径の和を「粒径０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合」とした。
ここで、工具基体と硬質被覆層の界面における硬質被覆層の結晶粒は、硬質被覆層内における工具基体と硬質被覆層の界面から厚さ０．５μｍの領域にて形成されている結晶粒を意味する。
本発明で、０．１５μｍ以下の結晶粒の分布を上記のとおり定めたのは、刃先に被覆された硬質被覆層で十分な耐摩耗性を確保すると同時に、チッピングの発生を抑制するためであって、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の結晶粒径長割合が２０％を超える場合には、硬質被覆層中の圧縮残留応力が大きくなり、ステンレス鋼等の難削材の切削加工においてチッピングを発生しやすくなるという理由による。
なお、本発明では、逃げ面上の硬質被覆層の結晶粒径の測定、また、平均結晶粒径の算出は、以下のように行った。
工具基体刃先から逃げ面側の断面を切り出し、その断面をＳＥＭにて、観察する。硬質被覆層表面から深さ０．５μｍの領域に形成されている結晶粒、硬質被覆層内における工具基体と硬質被覆層の界面から厚さ０．５μｍの領域に形成されている結晶粒、及び硬質被覆層表面と工具基体表面の中間の領域に存在する結晶粒にて、工具基体表面と平行に直線を引き、結晶粒界間の距離を粒径と定義する。なお、工具基体表面と平行に直線を引く位置は、各結晶粒において最長の結晶粒径となる位置とする。それぞれの領域において、逃げ面上刃先、及び逃げ面上にて刃先から５０μｍ離れた位置、及び刃先から１００μｍ離れた位置の３箇所、計９箇所にて幅１０μｍの範囲内に存在する結晶の平均結晶粒径を測定する。幅１０μｍの粒径を測定するにあたり、各測定箇所を中心に刃先側５μｍ、刃先と逆側５μｍの測定データを用いた。ただし、逃げ面上の刃先の箇所においては、刃先から５μｍ離れた位置を中心として、刃先側５μｍ、刃先と逆側５μｍの幅１０μｍの範囲内で測定した。全９箇所の領域で、粒径が０．１μｍ以上の結晶粒の平均値を「粒状結晶粒の平均粒径」と定義する。また、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒の平均値を「微細結晶粒の平均粒径」と定義する。
また、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒が占める結晶粒径長割合の測定方法は、上記粒径を測定した界面３箇所、表面３箇所、及び中間領域３箇所にて測定した結晶粒径の全測定データを用いる。測定した全結晶粒径の和に対する、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒径の和を「微細結晶粒が占める結晶粒径長割合」とした。
また、界面にて粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合の測定方法は、上記粒径を測定した界面３箇所の全測定データを用いる。測定した全結晶粒径の和に対する、粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒径の和を「粒径０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合」とした。
本発明では、さらに、図４に示すように、被覆工具の刃先角度をα度とし、該α度の角度範囲内の硬質被覆層中に形成されている連続クラックの占有角度をβ度とした場合に、切れ刃先端のコーナー部クラック占有率β／αを０．３〜１．０とすることが好ましく、さらに、β／αが０．３〜０．９であることがより好ましい。
その理由は、次のとおりである。
工具基体表面に、アークイオンプレーティング装置（ＡＩＰ装置）を用いて硬質被覆層を形成する場合、層中には圧縮残留応力が蓄積され、特に、結晶粒径の大きな層にあっては、結晶粒界に圧縮残留応力が集中し、亀裂の起点となりやすい。
しかし、本発明によれば、切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に予めクラックが形成されていることから、残留応力の集中が低減されるため、特に、切削開始初期のチッピング発生等による切削性能の低下を抑制することができる。
ただし、β／αが０．３未満である場合には、圧縮残留応力の集中抑制効果を期待することはできないので、β／αは０．３以上と定めた。
圧縮残留応力の集中抑制効果の観点からは、β／αの値に上限を設ける必要はない（即ち、β／αは、０．３〜１．０）が、β／αの値が１．０に近づくほど、硬質被覆層と工具基体界面での界面剥離が発生しやすくなるので、β／αの値は、０．３〜０．９であることが好ましい。
その理由は、次のとおりである。
工具基体表面に、アークイオンプレーティング装置（ＡＩＰ装置）を用いて硬質被覆層を形成する場合、層中には圧縮残留応力が蓄積され、特に、結晶粒径の大きな層にあっては、結晶粒界に圧縮残留応力が集中し、亀裂の起点となりやすい。
しかし、本発明によれば、切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に予めクラックが形成されていることから、残留応力の集中が低減されるため、特に、切削開始初期のチッピング発生等による切削性能の低下を抑制することができる。
ただし、β／αが０．３未満である場合には、圧縮残留応力の集中抑制効果を期待することはできないので、β／αは０．３以上と定めた。
圧縮残留応力の集中抑制効果の観点からは、β／αの値に上限を設ける必要はない（即ち、β／αは、０．３〜１．０）が、β／αの値が１．０に近づくほど、硬質被覆層と工具基体界面での界面剥離が発生しやすくなるので、β／αの値は、０．３〜０．９であることが好ましい。
ここで、クラック占有率とは、本発明で、以下のように定義する。
図４に示すように、逃げ面上の刃先Ａを通る逃げ面の垂線と、すくい面上の刃先Ｂを通るすくい面の垂線との交点を中心Ｏとした時、Ａ−Ｏ−Ｂのなす角度を刃先角度α（度）という。
また、切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に形成されている連続クラックについては、前記中心Ｏから、連続する一つのクラックの端部Ｃ，Ｄに接する線を引いた時、Ｃ−Ｏ−Ｄのなす角度を連続クラックの占有角度β（度）とする。切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に複数のクラックが存在する場合、最大の占有角度を示す連続クラックを用いるものとする。
そして、（連続クラックの占有角度β）／（刃先角度α）の値を、クラック占有率であると定義する。
なお、本発明被覆工具は、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層は粒状結晶粒と微細結晶粒の混合組織を有し、微細結晶粒の結晶粒径長割合を１０〜５０％を占め、また、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの界面においては、粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合を２０％以下と定めることにより、自ずとクラック占有率β／αが０．３〜１となる。
図４に示すように、逃げ面上の刃先Ａを通る逃げ面の垂線と、すくい面上の刃先Ｂを通るすくい面の垂線との交点を中心Ｏとした時、Ａ−Ｏ−Ｂのなす角度を刃先角度α（度）という。
また、切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に形成されている連続クラックについては、前記中心Ｏから、連続する一つのクラックの端部Ｃ，Ｄに接する線を引いた時、Ｃ−Ｏ−Ｄのなす角度を連続クラックの占有角度β（度）とする。切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に複数のクラックが存在する場合、最大の占有角度を示す連続クラックを用いるものとする。
そして、（連続クラックの占有角度β）／（刃先角度α）の値を、クラック占有率であると定義する。
なお、本発明被覆工具は、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層は粒状結晶粒と微細結晶粒の混合組織を有し、微細結晶粒の結晶粒径長割合を１０〜５０％を占め、また、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの界面においては、粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合を２０％以下と定めることにより、自ずとクラック占有率β／αが０．３〜１となる。
（ｃ）硬質被覆層の蒸着形成
この発明の硬質被覆層は、図２（ａ）、（ｂ）に示すようなアークイオンプレーティング装置（ＡＩＰ装置）を用い、工具基体の温度を３７０〜４５０℃に維持しつつ、工具基体をＡＩＰ装置内で自公転させ、ターゲット表面中心とターゲットに最近接した工具基体間に所定の磁場（積算磁力が４５〜１００ｍＴ×ｍｍ）を印加しながら蒸着することによって、形成することができる。
例えば、ＡＩＰ装置の一方には基体洗浄用のＴｉ電極からなるカソード電極、他方には７０ａｔ％Ａｌ−３０ａｔ％Ｃｒ合金からなるターゲット（カソード電極）を設け、
まず、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金からなる工具基体を洗浄・乾燥し、ＡＩＰ装置内の回転テーブル上に装着し、真空中で基体洗浄用のＴｉ電極とアノード電極との間に１００Ａのアーク放電を発生させて、工具基体に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加しつつ工具基体表面をボンバード洗浄し、
ついで、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面中心からターゲットに最近接した工具基体までの積算磁力が４５〜１００ｍＴ×ｍｍなる磁場を印加し、
ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し９．３Ｐａの雰囲気圧力とし、工具基体の温度を３７０〜４５０℃に維持し、工具基体に−５０Ｖのバイアス電圧を印加しつつ、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット（カソード電極）とアノード電極との間に１００Ａのアーク放電を発生させ、工具基体がターゲットに最接近した際には、逃げ面の一部又は全部とターゲット面が水平となるように工具基体を支持して自公転させつつ蒸着することによって、本発明の層構造と圧縮残留応力を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することができる。
なお、上記のＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットと工具基体間での磁場の印加は、例えば、カソード周辺に磁場発生源である電磁コイル又は永久磁石を設置する、あるいは、ＡＩＰ装置の内部、中心部に永久磁石を配置する等、任意の手段で磁場を形成することができる。
この発明の硬質被覆層は、図２（ａ）、（ｂ）に示すようなアークイオンプレーティング装置（ＡＩＰ装置）を用い、工具基体の温度を３７０〜４５０℃に維持しつつ、工具基体をＡＩＰ装置内で自公転させ、ターゲット表面中心とターゲットに最近接した工具基体間に所定の磁場（積算磁力が４５〜１００ｍＴ×ｍｍ）を印加しながら蒸着することによって、形成することができる。
例えば、ＡＩＰ装置の一方には基体洗浄用のＴｉ電極からなるカソード電極、他方には７０ａｔ％Ａｌ−３０ａｔ％Ｃｒ合金からなるターゲット（カソード電極）を設け、
まず、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金からなる工具基体を洗浄・乾燥し、ＡＩＰ装置内の回転テーブル上に装着し、真空中で基体洗浄用のＴｉ電極とアノード電極との間に１００Ａのアーク放電を発生させて、工具基体に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加しつつ工具基体表面をボンバード洗浄し、
ついで、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面中心からターゲットに最近接した工具基体までの積算磁力が４５〜１００ｍＴ×ｍｍなる磁場を印加し、
ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し９．３Ｐａの雰囲気圧力とし、工具基体の温度を３７０〜４５０℃に維持し、工具基体に−５０Ｖのバイアス電圧を印加しつつ、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット（カソード電極）とアノード電極との間に１００Ａのアーク放電を発生させ、工具基体がターゲットに最接近した際には、逃げ面の一部又は全部とターゲット面が水平となるように工具基体を支持して自公転させつつ蒸着することによって、本発明の層構造と圧縮残留応力を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することができる。
なお、上記のＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットと工具基体間での磁場の印加は、例えば、カソード周辺に磁場発生源である電磁コイル又は永久磁石を設置する、あるいは、ＡＩＰ装置の内部、中心部に永久磁石を配置する等、任意の手段で磁場を形成することができる。
この発明の被覆工具は、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を備え、しかも、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲において、平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織を有し、また、上記微細結晶粒の結晶粒径長割合は、上記混合組織中の１０〜５０％を占め、工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下と定めており、また、クラック占有率β／αが０．３〜１．０であることから、ステンレス鋼等の難削材の切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能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、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Ｃｒ３Ｃ２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押出しプレス成形し、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１０ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが６ｍｍ×１３ｍｍの寸法で、ねじれ角３０度の２枚刃ボール形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）１〜３及び、切刃部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法で２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）４〜５をそれぞれ製造した。
（ａ）上記の工具基体１〜５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２に示すＡＩＰ装置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、ＡＩＰ装置の一方にボンバード洗浄用のＴｉカソード電極を、他方側に７０ａｔ％Ａｌ−３０ａｔ％Ｃｒ合金からなるターゲット（カソード電極）を配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒータで工具基体を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、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、上記Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面中心から工具基体までの積算磁力が４５〜１００ｍＴ×ｍｍの範囲内となるように種々の磁場を印加し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して９．３Ｐａ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の温度を３７０〜４５０℃の範囲内に維持するとともに−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット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２に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層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表面被覆エンドミル１〜５（以下、本発明１〜５という）をそれぞれ製造した。
なお、図２に示すＡＩＰ装置では、工具基体がＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットに最接近する際に、逃げ面の一部又は全部とＡｌ−Ｃｒ合金ターゲット面が水平となるように装着支持されている。
（ｂ）まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒータで工具基体を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、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、上記Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面中心から工具基体までの積算磁力が４５〜１００ｍＴ×ｍｍの範囲内となるように種々の磁場を印加し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して９．３Ｐａ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の温度を３７０〜４５０℃の範囲内に維持するとともに−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット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２に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層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表面被覆エンドミル１〜５（以下、本発明１〜５という）をそれぞれ製造した。
なお、図２に示すＡＩＰ装置では、工具基体がＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットに最接近する際に、逃げ面の一部又は全部とＡｌ−Ｃｒ合金ターゲット面が水平となるように装着支持されている。
比較例１：
比較の目的で、上記実施例１における（ｃ）の条件を変更し（即ち、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面中心から工具基体までの積算磁力を４５〜１００ｍＴ×ｍｍの範囲外）、また、（ｄ）の条件を変更し（即ち、工具基体が３７０℃未満、あるいは４５０℃を超える温度に維持し）て、その他は実施例１と同一の条件で、比較例被覆工具としての表面被覆エンドミル１〜５（以下、比較例１〜５という）をそれぞれ製造した。さらに、実施例１から被覆層中のＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合が０．２〜０．５（但し、原子比）の範囲外、または、被覆層の平均層厚が２〜１０μｍの範囲外の表面被覆エンドミル６〜１０（以下、比較例６〜１０という）をそれぞれ製造した。
比較の目的で、上記実施例１における（ｃ）の条件を変更し（即ち、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面中心から工具基体までの積算磁力を４５〜１００ｍＴ×ｍｍの範囲外）、また、（ｄ）の条件を変更し（即ち、工具基体が３７０℃未満、あるいは４５０℃を超える温度に維持し）て、その他は実施例１と同一の条件で、比較例被覆工具としての表面被覆エンドミル１〜５（以下、比較例１〜５という）をそれぞれ製造した。さらに、実施例１から被覆層中のＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合が０．２〜０．５（但し、原子比）の範囲外、または、被覆層の平均層厚が２〜１０μｍの範囲外の表面被覆エンドミル６〜１０（以下、比較例６〜１０という）をそれぞれ製造した。
上記で作製した本発明１〜５について、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲において、縦断面の硬質被覆層の平均層厚、結晶粒径を測定し、微細結晶粒の平均粒径、粒状結晶粒の平均粒径、微細結晶粒の結晶粒径長割合、０．１５μｍ以下の結晶粒径長割合を算出するとともに、いずれもアスペクト比が１以上６以下の結晶粒であることを確認した。アスペクト比は、結晶粒断面で最も長い直径（長辺）とそれに垂直な直径（短辺）の長さの比を、長辺を分子、短辺を分母として算出するものとする。
また、刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲における硬質被覆層に占める微細結晶粒の結晶粒径長割合を測定したところ、微細結晶粒は、混合組織中の１０〜５０％を占めることを確認した。
さらに、刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲における工具基体と硬質被覆層の界面における粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合を測定したところ、２０％以下であることも確認した。
一方、比較例１〜１０について、本発明と同様な観察、測定を行ったところ、被覆層の平均層厚が２〜１０μｍの範囲外の表面被覆エンドミル（比較例９，１０）以外では、微細結晶粒の結晶粒径長割合は混合組織中の１０〜５０％の範囲外、あるいは、工具基体と硬質被覆層の界面における粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合を測定したところ、２０％以上であった。
表２、表３に、上記で測定・算出したそれぞれの値を示す。
また、刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲における硬質被覆層に占める微細結晶粒の結晶粒径長割合を測定したところ、微細結晶粒は、混合組織中の１０〜５０％を占めることを確認した。
さらに、刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲における工具基体と硬質被覆層の界面における粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合を測定したところ、２０％以下であることも確認した。
一方、比較例１〜１０について、本発明と同様な観察、測定を行ったところ、被覆層の平均層厚が２〜１０μｍの範囲外の表面被覆エンドミル（比較例９，１０）以外では、微細結晶粒の結晶粒径長割合は混合組織中の１０〜５０％の範囲外、あるいは、工具基体と硬質被覆層の界面における粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合を測定したところ、２０％以上であった。
表２、表３に、上記で測定・算出したそれぞれの値を示す。
なお、上記平均層厚の測定法、結晶粒径の測定法、結晶粒径長割合の測定法をより具体的にいえば、以下のとおりである。
被覆工具の切れ刃先端のコーナー部を含み、逃げ面の断面を研磨加工した後、その断面をＳＥＭにて、観察する。
工具基体と硬質被覆層の界面から硬質被覆層表面までの距離を５箇所で測定し、その平均値を平均層厚とした。なお、測定する箇所は、逃げ面上刃先から、逃げ面上にて刃先から１００μｍ離れた位置までの間にて任意の５箇所とする。
硬質被覆層表面から深さ０．５μｍの領域にて形成されている結晶粒、硬質被覆層内における工具基体と硬質被覆層の界面から厚さ０．５μｍの領域にて形成されている結晶粒、及び硬質被覆層表面と工具基体表面の中間の領域に存在する結晶粒にて、工具基体表面と平行に直線を引き、結晶粒界間の距離を粒径と定義する。それぞれの領域において、逃げ面上刃先、及び逃げ面上にて刃先から５０μｍ離れた位置、及び刃先から１００μｍ離れた位置の３箇所、計９箇所にて幅１０μｍの範囲内に存在する結晶の平均結晶粒径を測定する。幅１０μｍの粒径を測定するにあたり、各測定箇所を中心に刃先側５μｍ、刃先と逆側５μｍの測定データを用いた。ただし、逃げ面上の刃先の箇所においては、刃先から５μｍ離れた位置を中心として、刃先側５μｍ、刃先と逆側５μｍの幅１０μｍの範囲内で測定した。全９箇所の領域で、粒径が０．１μｍ以上の結晶粒の平均値を「粒状結晶粒の平均粒径」と定義する。また、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒の平均値を「微細結晶粒の平均粒径」と定義する。
また、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒が占める結晶粒径長割合の測定方法は、上記粒径を測定した界面３箇所、表面３箇所、及び中間領域３箇所にて測定した結晶粒径の全測定データを用いる。測定した全結晶粒径の和に対する、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒径の和を「粒径０．１μｍ未満の結晶粒が占める結晶粒径長割合」とした。
また、界面にて粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合の測定方法は、上記粒径を測定した界面３箇所の全測定データを用いる。測定した全結晶粒径の和に対する、粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒径の和を「粒径０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合」とした。
被覆工具の切れ刃先端のコーナー部を含み、逃げ面の断面を研磨加工した後、その断面をＳＥＭにて、観察する。
工具基体と硬質被覆層の界面から硬質被覆層表面までの距離を５箇所で測定し、その平均値を平均層厚とした。なお、測定する箇所は、逃げ面上刃先から、逃げ面上にて刃先から１００μｍ離れた位置までの間にて任意の５箇所とする。
硬質被覆層表面から深さ０．５μｍの領域にて形成されている結晶粒、硬質被覆層内における工具基体と硬質被覆層の界面から厚さ０．５μｍの領域にて形成されている結晶粒、及び硬質被覆層表面と工具基体表面の中間の領域に存在する結晶粒にて、工具基体表面と平行に直線を引き、結晶粒界間の距離を粒径と定義する。それぞれの領域において、逃げ面上刃先、及び逃げ面上にて刃先から５０μｍ離れた位置、及び刃先から１００μｍ離れた位置の３箇所、計９箇所にて幅１０μｍの範囲内に存在する結晶の平均結晶粒径を測定する。幅１０μｍの粒径を測定するにあたり、各測定箇所を中心に刃先側５μｍ、刃先と逆側５μｍの測定データを用いた。ただし、逃げ面上の刃先の箇所においては、刃先から５μｍ離れた位置を中心として、刃先側５μｍ、刃先と逆側５μｍの幅１０μｍの範囲内で測定した。全９箇所の領域で、粒径が０．１μｍ以上の結晶粒の平均値を「粒状結晶粒の平均粒径」と定義する。また、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒の平均値を「微細結晶粒の平均粒径」と定義する。
また、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒が占める結晶粒径長割合の測定方法は、上記粒径を測定した界面３箇所、表面３箇所、及び中間領域３箇所にて測定した結晶粒径の全測定データを用いる。測定した全結晶粒径の和に対する、粒径が０．１μｍ未満の結晶粒径の和を「粒径０．１μｍ未満の結晶粒が占める結晶粒径長割合」とした。
また、界面にて粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合の測定方法は、上記粒径を測定した界面３箇所の全測定データを用いる。測定した全結晶粒径の和に対する、粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒径の和を「粒径０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合」とした。
さらに、本発明１〜５および比較例１〜１０の刃先角度αを測定するとともに、切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層の中の連続クラックの占有角度βを測定し、クラック占有率β／αの値を算出した。
表２、表３に、これらの値を示す。
なお、上記刃先角度α、連続クラックの占有角度βの測定法をより具体的にいえば、以下のとおりである。
結晶粒径を測定するために観察したＳＥＭ像のうち、切れ刃先端部の断面ＳＥＭ像を用いる。測定条件は、観察倍率：１００００倍、加速電圧：３ｋＶの条件を使用した。本発明２の切れ刃先端部の断面ＳＥＭ像（ａ）及び模式図（ｂ）を図４に示す。図４（ｂ）を用いて説明する。逃げ面上の刃先をＡ、すくい面上の刃先をＢとする。Ａを通る逃げ面の垂線、Ｂを通るすくい面の垂線を引き、双方の垂線の交点を中心Ｏとする。刃先角度α（度）はＡ−Ｏ−Ｂのなす角度とする。
また、切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に形成されている連続クラックについて、前記中心Ｏから該クラックを投影させた場合、Ａを通る逃げ面の垂線に最も近い箇所をＣとし、Ｂを通るすくい面の垂線に最も近い箇所をＤとする。連続クラックの占有角度β（度）はＣ−Ｏ−Ｄのなす角度とする。なお、切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に複数のクラックが存在する場合、最大値を示す連続クラックにて算出した値を連続クラックの占有角度βと定義する。
そして、（連続クラックの占有角度β）／（刃先角度α）の値を、クラック占有率であると定義する。
表２、表３に、これらの値を示す。
なお、上記刃先角度α、連続クラックの占有角度βの測定法をより具体的にいえば、以下のとおりである。
結晶粒径を測定するために観察したＳＥＭ像のうち、切れ刃先端部の断面ＳＥＭ像を用いる。測定条件は、観察倍率：１００００倍、加速電圧：３ｋＶの条件を使用した。本発明２の切れ刃先端部の断面ＳＥＭ像（ａ）及び模式図（ｂ）を図４に示す。図４（ｂ）を用いて説明する。逃げ面上の刃先をＡ、すくい面上の刃先をＢとする。Ａを通る逃げ面の垂線、Ｂを通るすくい面の垂線を引き、双方の垂線の交点を中心Ｏとする。刃先角度α（度）はＡ−Ｏ−Ｂのなす角度とする。
また、切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に形成されている連続クラックについて、前記中心Ｏから該クラックを投影させた場合、Ａを通る逃げ面の垂線に最も近い箇所をＣとし、Ｂを通るすくい面の垂線に最も近い箇所をＤとする。連続クラックの占有角度β（度）はＣ−Ｏ−Ｄのなす角度とする。なお、切れ刃先端のコーナー部の硬質被覆層中に複数のクラックが存在する場合、最大値を示す連続クラックにて算出した値を連続クラックの占有角度βと定義する。
そして、（連続クラックの占有角度β）／（刃先角度α）の値を、クラック占有率であると定義する。
つぎに、上記本発明１〜５および比較例１〜１０のエンドミルのうち、
本発明１〜３および比較例１〜３、６〜８については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
回転速度： １６０００ ｍｉｎ．−１、
横方向切り込み： ２．０ ｍｍ、
縦方向切り込み： ０．３ ｍｍ、
送り速度（１刃当り）： ０．０６ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切削長：３４０ｍ、
の条件（切削条件Ａという）でのステンレス鋼の溝切削加工試験を実施し、
また、本発明４，５および比較例４，５，９，１０については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
回転速度： ３２００ ｍｉｎ．−１、
横方向切り込み： １０ ｍｍ、
縦方向切り込み： １ ｍｍ、
送り速度（１刃当り）： ０．０７ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切削長：９０ｍ、
の条件（切削条件Ｂという）のステンレス鋼の溝切削加工試験を実施し、
いずれの溝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。
本発明１〜３および比較例１〜３、６〜８については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
回転速度： １６０００ ｍｉｎ．−１、
横方向切り込み： ２．０ ｍｍ、
縦方向切り込み： ０．３ ｍｍ、
送り速度（１刃当り）： ０．０６ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切削長：３４０ｍ、
の条件（切削条件Ａという）でのステンレス鋼の溝切削加工試験を実施し、
また、本発明４，５および比較例４，５，９，１０については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
回転速度： ３２００ ｍｉｎ．−１、
横方向切り込み： １０ ｍｍ、
縦方向切り込み： １ ｍｍ、
送り速度（１刃当り）： ０．０７ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切削長：９０ｍ、
の条件（切削条件Ｂという）のステンレス鋼の溝切削加工試験を実施し、
いずれの溝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、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、刃先部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施し、さらに仕上げ研磨を施すことにより、ＩＳＯ規格・ＳＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体６〜１０を形成した。
ついで、これらの工具基体（インサート）６〜１０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に示すＡＩＰ装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表６に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を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硬インサート（以下、本発明６〜１０という）をそれぞれ製造した。
本発明被覆工具としての本発明被覆超硬インサート（以下、本発明６〜１０という）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（インサート）６−１０に対して、上記比較例１と同一の条件で、表７に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を形成することにより、
比較例被覆工具としての比較例被覆超硬インサート（以下、比較例１１〜２０という）をそれぞれ製造した。
比較の目的で、上記の工具基体（インサート）６−１０に対して、上記比較例１と同一の条件で、表７に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を形成することにより、
比較例被覆工具としての比較例被覆超硬インサート（以下、比較例１１〜２０という）をそれぞれ製造した。
上記で作製した本発明６〜１０について、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲の縦断面の硬質被覆層の平均層厚、結晶粒径を測定し、微細結晶粒の平均粒径、粒状結晶粒の平均粒径、微細結晶粒の結晶粒径長割合、０．１５μｍ以下の結晶粒径長割合を算出するとともに、いずれもアスペクト比が１以上６以下の結晶粒であることを確認した。アスペクト比は、結晶粒断面で最も長い直径（長辺）とそれに垂直な直径（短辺）の長さの比を、長辺を分子、短辺を分母として算出するものとする。
また、硬質被覆層に占める微細結晶粒の結晶粒径長割合を測定したところ、微細結晶粒の結晶粒径長割合は、混合組織中の１０〜５０％を占めることを確認した。
さらに、工具基体と硬質被覆層の界面における粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合を測定したところ、２０％以下であることも確認した。
一方、比較例１１〜２０について、本発明と同様な観察、測定を行ったところ、被覆層の平均層厚が２〜１０μｍの範囲外の表面被覆インサート（比較例１９，２０）以外では、微細結晶粒の結晶粒径長割合は混合組織中の１０〜５０％の範囲外、あるいは、工具基体と硬質被覆層の界面における粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合を測定したところ、２０％以上であった。
また、本発明６〜１０、比較例１１〜２０について、刃先角度α、連続クラックの占有角度β、クラック占有率β／αの値についても測定・算出した。
表６、表７に、上記で測定・算出したそれぞれの値を示す。
また、硬質被覆層に占める微細結晶粒の結晶粒径長割合を測定したところ、微細結晶粒の結晶粒径長割合は、混合組織中の１０〜５０％を占めることを確認した。
さらに、工具基体と硬質被覆層の界面における粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合を測定したところ、２０％以下であることも確認した。
一方、比較例１１〜２０について、本発明と同様な観察、測定を行ったところ、被覆層の平均層厚が２〜１０μｍの範囲外の表面被覆インサート（比較例１９，２０）以外では、微細結晶粒の結晶粒径長割合は混合組織中の１０〜５０％の範囲外、あるいは、工具基体と硬質被覆層の界面における粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合を測定したところ、２０％以上であった。
また、本発明６〜１０、比較例１１〜２０について、刃先角度α、連続クラックの占有角度β、クラック占有率β／αの値についても測定・算出した。
表６、表７に、上記で測定・算出したそれぞれの値を示す。
つぎに、上記本発明６〜１０、比較例１１〜２０の被覆インサートを、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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３分、
の条件（切削条件Ｃという）での合金鋼（クロムモリブデン鋼）の乾式連続切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
この測定結果を表８に示した。
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３分、
の条件（切削条件Ｃという）での合金鋼（クロムモリブデン鋼）の乾式連続切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
この測定結果を表８に示した。
表４，８に示される結果から、本発明被覆工具は、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層が、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲において、平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織を有し、また、微細結晶粒の結晶粒径長割合は混合組織中の１０〜５０％を占め、工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下となっていることから、また、クラック占有率が０．３〜１．０となっていることから、ステンレス鋼等の難削材の切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するものである。
これに対して、硬質被覆層の構造が本発明で規定する範囲を外れる比較例被覆工具では、チッピング発生あるいは耐摩耗性の低下によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
これに対して、硬質被覆層の構造が本発明で規定する範囲を外れる比較例被覆工具では、チッピング発生あるいは耐摩耗性の低下によって、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、ステンレス鋼等の難削材の切削加工に供した場合に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)
- 炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、平均層厚が２〜１０μｍの硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）硬質被覆層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなり、かつ、該層においてＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合は０．２〜０．５（但し、原子比）であり、
（ｂ）上記表面被覆切削工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、硬質被覆層は平均粒径０．２〜１μｍの粒状結晶粒と平均粒径０．０８μｍ以下の微細結晶粒との混合組織を有し、また、粒径０．１μｍ未満の微細結晶粒の結晶粒径長割合は、上記混合組織中の１０〜５０％を占め、
（ｃ）上記表面被覆切削工具の逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲の工具基体と硬質被覆層の界面においては、粒径０．１５μｍ以下の結晶粒の占める結晶粒径長割合は２０％以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 上記表面被覆切削工具の刃先角度をα度とし、該α度の角度範囲内の切れ刃先端部のコーナー部の硬質被覆層中に形成されている連続クラックの占有角度をβ度とした場合、クラック占有率β／αが０．３〜１．０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。
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|---|---|---|---|---|
| JP2000141107A (ja) * | 1998-11-06 | 2000-05-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 被覆超硬合金工具 |
| JP2003165003A (ja) * | 2001-11-28 | 2003-06-10 | Hitachi Tool Engineering Ltd | 硬質皮膜被覆部材 |
| JP2011067883A (ja) * | 2009-09-24 | 2011-04-07 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp | 表面被覆切削工具 |
| JP2011156637A (ja) * | 2010-02-03 | 2011-08-18 | Mitsubishi Materials Corp | 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具 |
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