JP2014087916A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】すぐれた耐欠損性および耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供する。
【解決手段】工具基体の表面に形成した硬質被覆層が、（ａ）０．５〜１．０μｍの平均層厚を有し、組成式：（Ａｌ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｎ（ｘはＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合を示し、原子比で０．２５≦ｘ≦０．５０）を満足し、ヤング率ａが１５０ＧＰａ≦ａ≦３００ＧＰａであるＡｌとＣｒとの複合窒化物層からなる下部層、（ｂ）０．５〜９．０μｍであるとともに下部層の平均層厚以上の平均層厚を有し、組成式：（Ａｌ_１−ｙＴｉ_ｙ）Ｎ（ｙはＡｌとＴｉの合量に占めるＴｉの含有割合を示し、原子比で０．２５≦ｙ≦０．５５）を満足し、ヤング率ｂが４００ＧＰａ≦ｂ≦５５０ＧＰａであるＡｌとＴｉとの複合窒化物層からなる上部層、前記（ａ）および（ｂ）の条件を満たす下部層、上部層からなる。
【選択図】図３

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、軟鋼、一般鋼、高硬度鋼等を、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条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と耐摩耗性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インサート、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、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミル工具などが知られている。

近年、金属材料の切削加工においては高能率化の要求が高く、切削速度を高速化させることが求められている。このため、切削工具の基材表面を被覆する被膜に対して耐摩耗性や耐欠損性を向上させることが要求されている。
したがって、このような要求を満足するべく前記被膜の開発が種々行なわれている。例えば、特許文献１は、そのような被膜としてＡｌとＣｒとを含む特定組成の化合物を用いること（所謂ＡｌＣｒ系被膜）を提案している。

また、特許文献２は、表面被覆切削工具の工具基体上に形成された被膜を備えるものであって、この被膜が、第１超多層膜と第２超多層膜とを各々１以上交互に積層させてなる複合超多層膜を含み、前記第１超多層膜が、Ａ１層とＢ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、前記第２超多層膜が、Ａ２層とＣ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、前記Ａ１層とＡ２層が、各々ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＣＮのいずれかにより構成され、前記Ｂ層が、ＴｉＳｉＮまたはＴｉＳｉＣＮにより構成され、前記Ｃ層が、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮにより構成されることにより、耐熱性と耐摩耗性を維持しつつ、脆性の問題を低減した被膜を有する表面被覆切削工具を提供することを開示している。

さらに、別の従来被覆工具として、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工具基体を装入し、ヒーターで工具基体を、４５０℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＡｌ−Ｃｒ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、電流：１００Ａ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、窒素雰囲気とし、一方、前記工具基体には、例えば、−２００Ｖ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、蒸着することにより（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層が製造されることも知られている（例えば、特許文献３参照）。

特表２００６−５２４７４８号公報 特開２０００−３３４６０６号公報 特開２０００−２７１６９９号公報（第８頁［００５５］段落）

ところが、近年の切削加工装置の自動化はめざましく、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、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる被覆層を用いた従来被覆工具においては、これを、鋼や鋳鉄などの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、軟鋼、一般鋼、高硬度鋼等を、高い発熱を伴うとともに、切刃部への衝撃性および溶着性が著しい高速切削条件で切削した場合には、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は高硬度な皮膜であるが、その硬度や高い残留応力のため、皮膜自体が崩壊したり、剥離したりする問題があり、この結果、切刃部における欠損（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。

例えば、特許文献１によれば、耐摩耗性と耐欠損性をある程度向上させることは可能であるが、このようなＡｌＣｒ系被膜固有の問題として脆性を示すことから切削時の衝撃等により被膜自体が破壊したり剥離したりするという問題があった。
また、特許文献２による提案によっても、過酷な切削条件下においては被膜自体の破壊や剥離を十分に防止することができない場合があった。
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、軟鋼、一般鋼、高硬度鋼等を、高熱発生を伴う高速切削条件で切削した場合においてもすぐれた耐摩耗性および耐欠損性を発揮する被覆工具を提供することである。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、特に軟鋼、一般鋼、高硬度鋼等の切削加工を、高速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摩耗性および耐欠損性を併せ持つ被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った。
その結果、
（１）（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、高硬度な皮膜であり、硬質被覆層に適した材質ではあるが、従来の成膜方法で形成した場合、ヤング率が高くなり、これが原因で、皮膜の靭性が低下し、欠損の発生が増加する。
（２）本発明者らは、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率は、膜形成時のバイアス電圧と反応雰囲気圧を調整することにより再現性よく、コントロールすることができることを見出したが、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層をすべてヤング率が低い層として形成すると、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の有する高硬度であるという特性を生かすことができず、耐摩耗性が低下してしまう。
（３）そこで、本発明者らは、硬質被覆層を低ヤング率の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層とすぐれた耐摩耗性と耐熱性を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる上部層とから構成することにより、低ヤング率の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の有する欠点を（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる上部層により補完し合い、従来被覆層にないすぐれた切削性能を有する硬質被覆層を得ることができるという全く新規な知見を得た。
本発明は、このような知見に基づき、上部層、下部層の組成、層厚、ヤング率などと切削性能との関係を詳しく解析した結果得られたものであって、具体的には、以下のような構成からなる。
工具基体の表面に、硬質被覆層としてＡｌとＣｒとの合量に占めるＣｒの含有割合が２５〜５０原子％となるようにＣｒ成分を含有させたＡｌとＣｒの複合窒化物層であってヤング率ａが１５０ＧＰａ≦ａ≦３００ＧＰａである低ヤング率層（以下、低ヤング率（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と示す）を下部層として０．５〜１．０μｍの平均層厚で形成し、この上に、ＡｌとＴｉとの合量に占めるＴｉの含有割合が２５〜５５原子％となるようにＴｉ成分を含有させたＡｌとＴｉの複合窒化物層（以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と示す）であってヤング率ｂが４００ＧＰａ≦ｂ≦５５０ＧＰａである（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を上部層として０．５〜９．０μｍの平均層厚で形成し、下部層の平均層厚≦上部層の平均層厚であって、さらに総平均層厚が１．０〜１０μｍである層を形成することにより、下部層の低ヤング率（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層が、すぐれた密着性、耐欠損性、耐摩耗性を示し、上部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が、すぐれた耐摩耗性、耐熱性を示すと共に、低ヤング率（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層との接合により、すぐれた耐衝撃性、耐欠損性、耐クラック進展性が奏され、さらに、工具基体直上の下部層が低ヤング率であることにより、工具基体と下部層との密着力が向上し、これらの相乗効果により、すぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮されるという新規な知見を得て、かかる知見に基づき、本発明を完成するに至った。

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）０．５〜１．０μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｎ（ここで、ｘはＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５０である）を満足し、ヤング率ａが１５０ＧＰａ≦ａ≦３００ＧＰａであるＡｌとＣｒとの複合窒化物層からなる下部層と、
（ｂ）０．５〜９．０μｍであるとともに前記下部層の平均層厚以上の平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ_１−ｙＴｉ_ｙ）Ｎ（ここで、ｙはＡｌとＴｉの合量に占めるＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．５５である）を満足し、ヤング率ｂが４００ＧＰａ≦ｂ≦５５０ＧＰａであるＡｌとＴｉとの複合窒化物層からなる上部層、
前記（ａ）および（ｂ）の条件を満たす下部層、上部層の積層構造からなることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とする。

次に、本発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、前記の通りに数値限定した理由を説明する。

（ａ）下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の組成、平均層厚およびヤング率：
下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ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る作用があるが、Ｃｒの含有割合を示すｘ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５未満になると、相対的にＡｌの含有割合が増加することによって、結晶構造が立方晶から六方晶へ変化し、皮膜硬さが低下するので、少なくとも所定の皮膜硬さを保持するためには、その結晶構造を立方晶とする必要がある。そのためには、Ｃｒの含有割合を示すｘ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５以上とする必要がある。一方、Ｃｒの含有割合を示すｘ値が同０．５０を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ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ることからｘ値を０．２５〜０．５０と定めた。

また、下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身の持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、その平均層厚が１．０μｍを越えると、前記の高速切削では切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜１．０μｍと定めた。
さらに、下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率が１５０〜３００ＧＰａである低ヤング率とすることで外部応力が加わった際の皮膜の変形量が増加し、クラック等の発生を阻止するため、耐欠損性を向上させることができる。ここで、前記ヤング率を１５０〜３００ＧＰａに限定した理由は、ヤング率を１５０ＧＰａよりも下げることは、耐摩耗性の低下が著しいため好ましくなく、一方、３００ＧＰａより大きくなると皮膜靭性の低下による耐欠損性が低下してしまうため、皮膜の崩壊や剥離が起こりやすくなる。したがって、下部層の奏する機能をより効果的に発揮させるために、ヤング率を１５０〜３００ＧＰａに限定した。

（ｂ）上部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成、平均層厚およびヤング率：
上部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は、層全体に亘って均質な高温硬さと耐熱性および靭性を示すが、その構成成分であるＴｉ成分によって、すぐれた高温強度を備えるようになり、また、Ａｌ成分によって、高温硬さと耐熱性を補完する。そのため、高温切削条件下でも低摩擦係数が維持され、すぐれた耐熱性を発揮するようになるが、Ｔｉの含有割合を示すｙ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５未満になると、高温強度を確保することができないために刃先の境界部分に異常損傷を生じ欠損を発生しやすくなるため長寿命を期待することはできず、一方、Ｔｉの含有割合を示すｙ値が０．５５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、ｙ値を０．２５〜０．５５（原子比、以下同じ）と定めた。

また、上部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた高温硬さ、耐熱性および靭性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方、その平均層厚が９．０μｍを越えると、高速切削では、使用時の衝撃により膜が自己破壊し、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜９．０μｍと定めた。さらに上部層の平均層厚が下部層の平均層厚未満であると、上部層がすぐに摩耗し直接下部層が被削材と接触することとなり、下部層が奏する高温硬さやチッピングの抑制という作用と上部層が奏する耐熱性および靱性の向上という作用との相互作用により、切削性能を向上させるという本発明の本質的な機能が損なわれることになるため、上部層の平均層厚は、下部層の平均層厚以上の平均層厚を有するものと定めた。

さらに、上部層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層については、期待される耐欠損性、耐摩耗性、耐熱性を十分に発揮させるためには、被削材や切削条件に限らず、ヤング率が４００〜５５０ＧＰａであるとき（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の有する耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性がより有効に発揮される。そのため、本発明においては、上部層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層のヤング率は４００〜５５０ＧＰａと定めた。

加えて特に限定するわけではないが、下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の結晶構造と上部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の結晶構造を同じ立方晶とすることにより、層間の密着性が向上し、層間剥離による寿命劣化の問題が解消されるため好ましい。

なお、本発明の硬質被覆層を構成する下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層および上部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ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、装置内に所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金およびＡｌ−Ｔｉ合金からなるカソード電極（蒸発源）を配置し、アノード電極とカソード電極（蒸発源）としてのＡｌ−Ｃｒ合金との間に、例えば、電流：１１０Ａ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、０．８Ｐａの反応雰囲気とし、一方、工具基体には、例えば、−２０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、所定の目標組成、目標層厚、ヤング率の下部層である（Ａｌ，Ｃｒ）層が形成される。ついで、アノード電極とカソード電極（蒸発源）としてのＡｌ−Ｔｉ合金との間に、例えば、電流：１００Ａ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、３．０Ｐａの反応雰囲気とし、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所定時間蒸着することにより、下部層の上に、所定の目標組成、目標層厚の上部層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が形成される。このようにして、２層の積層構造からなる、本発明の硬質被覆層を蒸着形成することができる。すなわち、反応雰囲気圧と工具基体に印加するバイアス電圧を調整することで、下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率をコントロールすることができる。

本発明の被覆工具の一態様によれば、硬質被覆層が低ヤング率（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層と下部層に比べて高ヤング率の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる上部層との積層構造であって、下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率を１５０〜３００ＧＰａの低ヤング率とすることによって、耐欠損性と、下部層と工具基体の密着性が向上し、しかも、上部層により耐摩耗性および耐熱性が補完されるため、全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度等に加え、すぐれた耐欠損性、耐溶着性を備えたものとなり、その結果、特に、軟鋼、一般鋼、高硬度鋼等の大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速切削加工であっても、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性、耐欠損性を発揮するものである。

本発明被覆工具および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。 従来技術を説明するための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。 本発明被覆工具を構成する硬質被覆層の縦断面膜構成図である。

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のインサート形状をもった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のインサート形状をもった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沿って装着し、前記回転テーブルを挟んで対向する２つのカソード電極（蒸発源）を配置し、第１の電極として、下部層形成用の所定組成を有するＡｌ−Ｃｒ合金、第２の電極として、上部層形成用の所定組成を有するＡｌ−Ｔｉ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、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Ａｌ−Ｃｒ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、もって工具基体表面をボンバード洗浄し、
（ｃ）次に、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して０．５〜１．０Ｐａの反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２０〜−３０Ｖ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、工具基体の表面に、表３に示される目標組成、目標層厚の下部層としての（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成した後、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０．５〜９．０Ｐａの窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極（蒸発源）であるＡｌ−Ｔｉ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に示される目標組成、目標層厚の上部層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成した。
前記（ａ）〜（ｄ）により工具基体上に硬質被覆層を蒸着形成し、本発明被覆工具としての表面被覆インサート（以下、本発明被覆インサートと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
各層のヤング率の制御は、 前述のようにバイアス電圧と窒素分圧を制御することにより行った。すなわち、下部層の形成は、低バイアス電圧、低窒素分圧とすることで、下部層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率を低ヤング率に制御することができる。また、上部層（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層のヤング率の制御は、前述のようにバイアス電圧と窒素分圧を制御することにより行った。すなわち、−２０〜１５０Ｖ、かつ０．５〜９．０Ｐａの範囲で成膜することで４００〜５５０ＧＰａに制御することができる。各層の形成条件（バイアス電圧、窒素分圧）を同じく表３に示す。
また、ヤング率の測定は、ナノインデンター（ＭＴＳシステムズ社の商標）を用いてナノインデンテーション法による測定を行った。さらに本発明被覆インサート１〜１６の上部層および下部層について、Ｘ線回折装置を用いて、その結晶構造を特定した。それらの結果を同じく表３に示した。

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、カソード電極（蒸発源）として所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金とＡｌ−Ｔｉ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合金とアノード電極との間に１５０Ａ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前記Ａｌ−Ｃｒ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０．５〜９．０Ｐａ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−２０〜−５００Ｖに設定し、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、工具基体の表面に、表４に示される目標組成、目標層厚の下部層としての（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成した後、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、引き続いて装置内雰囲気を０．５〜９．０Ｐａの窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極（蒸発源）であるＡｌ−Ｔｉ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４に示される目標組成、目標層厚の上部層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成した。もって工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれの表面に、表４に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層と、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層で構成された上部層とからなる従来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インサート（以下、比較被覆インサートと云う）１〜８をそれぞれ製造した。各層の形成条件（バイアス電圧、窒素分圧）を同じく表４に示す。さらに、比較被覆インサート１〜８の下部層と上部層について、前記と同様の方法によりヤング率および結晶構造を測定した。それらの結果を同じく表４に示した。

つぎに、前記各種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、本発明被覆インサート１〜１６および比較被覆インサート１〜８について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃ（ＨＢ２００）の丸棒、
切削速度： ２７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ｍｍ、
送り： ０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １２分、
の条件（切削条件Ａ）での炭素鋼の乾式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、２００ｍ／ｍｉｎ．、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５（ＨＢ２８０）の丸棒、
切削速度： ２６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．０ ｍｍ、
送り： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ９分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金鋼の乾式高速高切込切削加工試験（通常の切削速度および切込は、それぞれ、１９０ｍ／ｍｉｎ．、２．０ｍｍ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０Ｈ（ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ９０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．３５ｍｍ、
送り： ０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ６分、
の条件（切削条件Ｃ）での焼入鋼の乾式高速高切込・高送り切削加工試験（通常の切削速度、切込および送りは、それぞれ、６０ ｍ／ｍｉｎ．、０．２ｍｍ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、いずれの高速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５、表６に示した。

実施例１と同様、いずれも１〜３ μｍ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、実施例１と同一の条件で、表７に示される目標組成、目標層厚、ヤング率、結晶構造の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層と、表７に示される目標組成、目標層厚、ヤング率、結晶構造の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる上部層とから構成され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）１〜１０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−５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、実施例１と同様工程で、表８に示される形成条件（バイアス電圧、窒素分圧）を用いて、表８に示される目標組成、目標層厚、ヤング率、結晶構造の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層と、同じく表８に示される目標組成、目標層厚、ヤング率、結晶構造の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる上部層とから構成され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エンドミル（以下、比較被覆エンドミルと云う）１〜５をそれぞれ製造した。
つぎに、本発明被覆エンドミル１〜１０および比較被覆エンドミル１〜５について、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＪＩＳ・Ｓ１０Ｃ（ＨＢ２００）の板材、
切削速度： ２８０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：５．０ｍｍ、
テーブル送り： １８００ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件（切削条件Ｄ）での炭素鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ．、１４００ｍｍ／ｍｉｎ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４１５（ＨＢ２８０）の板材、
切削速度： ２３０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：３．０ｍｍ、
テーブル送り： １６００ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件（切削条件Ｅ）での合金鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、１５０ｍ／ｍｉｎ．、１４００ｍｍ／ｍｉｎ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４２０Ｈ（ＨＲＣ６１）の板材、
切削速度： ９０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１．０ｍｍ、
テーブル送り： ２７０ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件（切削条件Ｆ）での焼入鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、５０ｍ／ｍｉｎ．、２１０ｍｍ／ｍｉｎ．）、
をそれぞれ行い、いずれの高速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。この測定結果を同じく表７、表８にそれぞれ示した。

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、実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成、目標層厚およびヤング率の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層と、表９に示される目標組成、目標層厚およびヤング率の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる上部層と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）１〜１０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−５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に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、実施例１と同様工程で、表１０に示される形成条件（バイアス電圧、窒素分圧）を用いて、表１０に示される目標組成、目標層厚、ヤング率および結晶構造の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層と、表１０に示される目標組成、目標層厚、ヤング率および結晶構造の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる上部層とからなる上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、本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）１〜５をそれぞれ製造した。

つぎに、本発明被覆ドリル１〜１０および比較被覆ドリル１〜５について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ１０Ｃ（ＨＢ２００）の板材、
切削速度： １５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．４０ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ６ｍｍ、
の条件（切削条件Ｇ）での炭素鋼の乾式高速穴あけ加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４１５（ＨＢ２８０）の板材、
切削速度： １２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３５ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ６ｍｍ、
の条件（切削条件Ｈ）での合金鋼の乾式高速穴あけ加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、８０ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４２０Ｈ（ＨＲＣ６１）の板材、
切削速度： ４５ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２０ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ６ｍｍ、
の条件（切削条件Ｉ）での焼入鋼の乾式高速穴あけ加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、０．１２ｍｍ／ｒｅｖ．）、
をそれぞれ行い、いずれの乾式高速穴あけ加工試験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。この測定結果を同じく表９、表１０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インサート１〜１６、本発明被覆エンドミル１〜１０、および本発明被覆ドリル１〜１０の硬質被覆層を構成する下部層である（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と上部層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成、並びに、比較被覆工具としての比較被覆インサート１〜８、比較被覆エンドミル１〜５、および比較被覆ドリル１〜５の下部層である（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と上部層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ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等しい平均層厚（５ヶ所の平均値）を示した。

表３〜１０に示される結果から、本発明被覆工具は、所定の組成、目標層厚の下部層、上部層からなる硬質被覆層を形成した結果、下部層である低ヤング率の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層が工具基体表面に強固に密着接合した状態で、すぐれた耐欠損性、高温硬さ、高温強度を有するとともに、上部層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層がすぐれた耐摩耗性、耐熱性を示すことによって、全体として硬質被覆層の耐摩耗性および耐欠損性が向上し、軟鋼、一般鋼、高硬度鋼等の高速切削加工でも、すぐれた耐欠損性が確保され、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。これに対して、硬質被覆層として、下部層、上部層の積層構造を有するものの、下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率が制御されていないか、各層の組成、目標層厚が本発明で規定する範囲を逸脱する比較被覆工具においては、いずれも軟鋼、一般鋼、高硬度鋼等の高速切削加工では、耐摩耗性が十分でなく、かつ皮膜の靭性が低下するために、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、軟鋼、一般鋼、高硬度鋼等の高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の自動化、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 (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）０．５〜１．０μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ａｌ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｎ（ここで、ｘはＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５０である）を満足し、ヤング率ａが１５０ＧＰａ≦ａ≦３００ＧＰａであるＡｌとＣｒとの複合窒化物層からなる下部層、
   （ｂ）０．５〜９．０μｍであるとともに前記下部層の平均層厚以上の平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ａｌ_１−ｙＴｉ_ｙ）Ｎ（ここで、ｙはＡｌとＴｉの合量に占めるＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．５５である）を満足し、ヤング率ｂが４００ＧＰａ≦ｂ≦５５０ＧＰａであるＡｌとＴｉとの複合窒化物層からなる上部層、
   前記（ａ）および（ｂ）の条件を満たす下部層、上部層の積層構造からなることを特徴とする表面被覆切削工具。