JP2015110259A - 被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高硬度な冷間工具鋼や超耐熱合金等の難削材の加工において、耐久性に優れる被覆切削工具を提供することを目的とする。【解決手段】基材と、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＴｉを含有する炭化物からなるａ層と、ａ層の上に配置される相互積層皮膜と、を有し、ａ層は、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、相互積層皮膜は、金属元素（半金属を含む）の総量に対し、Ａｌの含有比率が５０％以上７０％以下のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、金属元素（半金属を含む）の総量に対し、Ａｌの含有比率が７０％以上のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物からなるｃ層とが交互に形成されたものであり、ｂ層とｃ層のＡｌの含有比率の差が１０％以上３０％以下である被覆切削工具。【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、高硬度鋼や超耐熱合金等の切削加工に適用される硬質皮膜を被覆した被覆切削工具に関する。

従来、切削工具の耐久性を改善するために、アークイオンプレーティング法で硬質皮膜を被覆した被覆切削工具が広く適用されている。硬質皮膜の中でもＡｌとＴｉの複合窒化物皮膜（以下、ＡｌＴｉＮと記載する場合がある。）は優れた耐摩耗性を有することから広く適用されている。通常、ＡｌＴｉＮは、Ａｌの含有量が多いと耐熱性がより高まる傾向にある。しかし、Ａｌの含有量を増加させ過ぎると脆弱なｈｃｐ構造（ｈｃｐ構造：六方最密充填構造）のＡｌＮが増加するため硬度が低下することが知られている。例えば、特許文献１には、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上となることでＡｌＴｉＮの硬度が低下し始めることが開示されている。

一方、特許文献２には、Ａｌ含有量の増加に伴うＡｌＴｉＮの耐摩耗性の低下を補完するために、Ａｌの含有量が多いＡｌＴｉＮとＡｌの含有量が少ないＡｌＴｉＮを交互に積層させ、相互積層皮膜の全体組成としてＡｌリッチとした被覆切削工具が開示されている。特許文献２には、相互積層皮膜を適用することで、単層皮膜からなるＡｌＴｉＮよりも工具の耐久性を改善できることが開示されている。

特開平８−２０９３３３号公報 特開平１１−２１６６０１号公報

近年では、高硬度鋼や超耐熱合金等の高速加工が要求されており、切削工具の使用環境はより過酷なものとなっている。特に、熱処理によって６０ＨＲＣ以上の高硬度に調整された冷間工具鋼やＮｉ基超耐熱合金等の難削材を加工する場合、工具の皮膜剥離や工具摩耗の進行が早期に生じ易い。このような難削材の切削加工では、特許文献１、２のような単層皮膜や相互積層皮膜を被覆した被覆切削工具では耐久性の改善が十分ではなかった。
本発明は上記のような事情に鑑み行われたものであり、高硬度な冷間工具鋼や超耐熱合金等の加工において、耐久性に優れる被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、ＡｌＴｉ系の窒化物または炭窒化物からなる相互積層皮膜において、相互積層皮膜の全体組成でＡｌの含有比率を高めたとしても、相互積層皮膜の個々の皮膜の組成差が大きい場合には工具寿命が短くなることを確認した。そして、高硬度鋼や超耐熱合金の切削加工においても優れた耐久性を示す具体的な皮膜構造があることを見出して本発明に到達した。

すなわち本発明は、基材と、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＴｉを含有する炭化物からなるａ層と、前記ａ層の上に配置される相互積層皮膜と、を有し、前記ａ層は、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
前記相互積層皮膜は、金属元素（半金属を含む）の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が５０％以上７０％以下のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、
金属元素（半金属を含む）の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が７０％以上のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物からなるｃ層とが交互に形成されたものであり、
前記ｂ層と前記ｃ層のＡｌの含有比率（原子％）の差が１０％以上３０％以下である被覆切削工具である。

前記ｂ層と前記ｃ層の個々の膜厚は５０ｎｍ以下であることが好ましい。
前記相互積層皮膜の上に、前記ｂ層または前記ｃ層と組成が異なる窒化物または炭窒化物からなるｄ層を設けてもよい。前記ｄ層は、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が６０％以上８０％以下、Ｓｉの含有比率（原子％）が２０％以上４０％以下の窒化物または炭窒化物であることが好ましい。

本発明によれば、熱処理により６０ＨＲＣ以上の高硬度に調整された冷間工具鋼やＮｉ基超耐熱合金等を加工する場合でも被覆切削工具の耐久性を大幅に改善することが可能となる。更には、溶着が発生し易いＳＵＳ材等の切削加工に用いても優れた耐久性を示す。そのため、幅広い被加工材において、加工能率の向上及び加工コストの低減を実現することができる。

本発明者の検討によれば、ＡｌＴｉ系の窒化物または炭窒化物に含まれるＡｌの含有量を増加させることで、皮膜自体の耐熱性が高まるだけでなく、加工中の工具刃先への溶着が減少し、切削抵抗が低減することを確認した。但し、ＡｌＴｉ系の窒化物または炭窒化物に含まれるＡｌの含有量が増加すると、脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮの含有量が増大するため工具の耐久性が低下する傾向にある。そこで、本発明では、工具の耐久性を低下させずに、硬質皮膜に含まれるＡｌの含有量を高める検討をしたところ、特定組成のＡｌＴｉ系の窒化物または炭窒化物を相互積層させることで、ｈｃｐ構造のＡｌＮが形成され難くなることを確認した。そして、被覆切削工具の耐久性を高めるためには、相互積層皮膜の個々の皮膜の組成差を制御することが重要であり、耐久性が優れる具体的な皮膜構造を見出したことで本発明に到達した。以下、本発明の構成要件について説明をする。

本発明の相互積層皮膜は、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が５０％以上７０％以下のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が７０％以上のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物からなるｃ層とが交互に形成されたものである。
ｂ層は、相互積層皮膜の結晶構造の主体をｆｃｃ構造（ｆｃｃ構造：面心立方格子構造）とするための皮膜である。ｂ層のＡｌの含有比率（原子％）が７０％よりも大きくなると相互積層皮膜の全体に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮが増加して工具の耐久性が低下する。但し、ｂ層のＡｌの含有比率（原子％）が５０％よりも小さくなれば、相互積層皮膜の全体に含まれるＡｌの含有量が低下することで、耐熱性が低下するとともに、工具刃先への溶着が増加して、加工中の切削抵抗も増加する傾向にある。
相互積層皮膜のＡｌの含有比率（原子％）を高めつつ結晶構造をｆｃｃ構造主体として、被覆切削工具の耐久性を向上させるため、本発明のｂ層は、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が５０％以上７０％以下のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物とする。

ｂ層は、Ａｌの含有比率（原子％）が６５％以下であることが好ましい。更には、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以下であることが好ましい。相互積層皮膜の結晶構造をｆｃｃ構造を主体にするためは、ｂ層は金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が３０％以上であることが好ましい。ｂ層は、Ｔｉが３５％以上であることが好ましく、更には、４０％以上であることが好ましい。

ｃ層は、相互積層皮膜のＡｌの含有比率（原子％）を高めるための皮膜である。ｃ層のＡｌの含有比率（原子％）が小さくなると、相互積層皮膜の全体でＡｌ含有量が低下するため、加工中の切削抵抗が増加する傾向にある。そのため、ｃ層は、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が７０％以上のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物とする。ｃ層のＡｌの含有比率（原子％）を７０％以上にすることで、相互積層皮膜の全体組成でＡｌ含有量が高まり、切削加工中の工具刃先への溶着が抑制されて、切削抵抗を低減することができる。
ｃ層は、相互積層皮膜の耐摩耗性を高めるため、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）を５％以上とすることが好ましい。更には、Ｔｉの含有比率（原子％）は１０％以上とすることが好ましい。

本発明者は、相互積層皮膜の結晶構造がｆｃｃ構造となっても、ｂ層とｃ層のＡｌの含有比率（原子％）の差が大きくなれば各層の格子定数の差異が大きくなり、ｂ層とｃ層の連続性が保ち難くなることで工具の耐久性が低下することを確認した。そして、本発明者の検討によると、ｂ層とｃ層のＡｌの含有比率（原子％）の差を３０％以下とすることで各層の格子定数の整合性が高まり、優れた耐久性を発揮できることを確認した。また、ｂ層とｃ層のＡｌの含有比率（原子％）の差が小さくなれば、脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮが増大して工具の耐久性が低下するため、ｂ層とｃ層のＡｌの含有比率（原子％）の差を１０％以上とする。

ｂ層とｃ層のＡｌの含有比率の差を制御した上で、相互積層皮膜における個々の膜厚を一定以下にすることが好ましい。ｂ層とｃ層の個々の膜厚が大きくなるとｈｃｐ構造のＡｌＮが増大し易くなり工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、ｂ層とｃ層の個々の膜厚は５０ｎｍ以下とすることが好ましい。より好ましい膜厚は２０ｎｍ以下である。工具性能をより安定化させるには、ｂ層とｃ層の個々の膜厚は５ｎｍ以上とすることが好ましく、更には１０ｎｍ以上とすることが好ましい。
ｂ層とｃ層は、耐熱性が優れる皮膜種である窒化物であることがより好ましい。また、ｂ層の膜厚をｃ層よりも厚膜とすることで、相互積層皮膜の結晶構造がｆｃｃ構造が主体となり易い傾向にある。

相互積層皮膜の全体組成は、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上とすることが好ましい。Ａｌの含有比率（原子％）を６５％以上とすることが好ましく、更にはＡｌを７０％以上とすることが好ましい。また、相互積層皮膜の全体組成は、Ａｌの含有比率（原子％）を８５％以下とすることが好ましく、更にはＡｌを８０％以下とすることが好ましい。
本発明の相互積層皮膜は、Ｘ線回折等で特定される結晶構造において、ｆｃｃ構造に対応するピーク強度が最大であれば、ｈｃｐ構造に起因するピークが確認されてもよい。本発明において、ｆｃｃ構造が主体とは、例えば、Ｘ線回折においてｆｃｃ構造に対応するピーク強度が最大であることをいう。Ｘ線回折による結晶構造の同定が困難な場合、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折法によって結晶構造の同定することができる。

本発明のｂ層とｃ層は、金属元素の総量に対して、周期律表の４ａ族（Ｔｉを除く）、５ａ族、６ａ族の金属元素およびＳｉ、Ｂから選択される１種または２種以上の元素の合計を１０％以下で含有することができる。また、ｂ層とｃ層は、窒化物または炭窒化物であれば、皮膜の一部に酸素等の非金属元素を含有してもよい。

相互積層皮膜の全体の膜厚が薄くなり過ぎても、厚くなり過ぎても被覆切削工具の耐久性を向上する効果が小さい場合がある。そのため、相互積層皮膜の全体の膜厚は１μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましい。本発明においては、相互積層皮膜の上層にｂ層またはｃ層と組成が異なる窒化物または炭窒化物からなるｄ層を被覆してもよい。

ｄ層は、高硬度鋼の切削加工においてより優れた耐久性を実現するために、Ｔｉの含有比率（原子％）が６０％以上８０％以下、Ｓｉの含有比率（原子％）が２０％以上４０％以下の窒化物または炭窒化物であることが好ましい。高い圧縮残留応力を有する組成のｄ層を設けることで、過酷な使用環境下においても耐摩耗性が向上して工具の損傷が抑制される傾向にある。ｄ層は、耐熱性の優れる膜種である窒化物であることがより好ましい。

本発明の被覆切削工具は、ＷＣ基超硬合金を基材に適用することができる。そして、上述した相互積層皮膜の効果を発揮するためには基材と相互積層皮膜の間に特別な層を設けることが必要となる。つまり、基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、Ｗ（タングステン）とＴｉ（チタン）を含有する炭化物からなるａ層を設けることで被覆切削工具の耐久性が著しく向上することを確認した。
ａ層が、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、Ｗを含んだ炭化物であれば基材であるＷＣ基超硬合金との親和性が強くなり密着性が優れると考えられる。また、ａ層がＴｉを含有することで、相互積層皮膜がｆｃｃ結晶構造となり易く工具の耐久性が改善されると考えられる。ａ層は、金属元素の総量に対してＴｉの含有比率（原子％）が１０％以上２５％以下であることが好ましい。
但し、ａ層が薄くなり過ぎたり、厚くなり過ぎれば基材との密着性を向上させるのに十分でない。よって、ａ層は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。ａ層は２ｎｍ以上であることが好ましい。ａ層は５ｎｍ以下であることが好ましい。

ａ層は、ＷおよびＴｉ以外に皮膜成分および基材成分を含有しても良い。例えば、ａ層は、基材に含有される成分のＣｏやｂ層のＡｌやＮが含まれ得るが、ａ層はナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＴｉを含有する炭化物とすることで本発明の効果は発揮される。
ａ層は、工具刃先の透過型電子顕微鏡観察による断面観察、組成分析、ナノビーム回折パターンより確認することができる。

ａ層の直上には、相互積層皮膜を直接被覆することが好ましいが、ａ層と相互積層皮膜の間には、ｂ層またはｃ層と組成の異なる窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜を設けてもよい。この場合、ａ層と相互積層皮膜の間に設ける硬質皮膜の膜厚は１μｍ以下であることが好ましく、更には０．５μｍ以下であることがより好ましい。

本発明のａ層を形成するためには、ターゲットの外周にコイル磁石を配備してアークスポットをターゲット内部に閉じ込めるような磁場構成としたカソードを用いてＴｉボンバードを実施することが好ましい。このようなカソードを用いて炭化物を形成し易い元素種であるＴｉでボンバード処理することで、基材表面の酸化物が除去されて清浄化されると共にボンバードされたＴｉイオンが基材表面のＷＣに拡散して、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷおよびＴｉを含む炭化物が形成され易くなる。
また、Ｔｉボンバードの際に基材に印加する負のバイアス電圧およびターゲットへ投入する電流が低いとＷおよびＴｉを含む炭化物が形成され難い。そのため、基材に印加する負のバイアス電圧は−１０００Ｖ〜−７００Ｖとすることが好ましい。また、ターゲットへ投入する電流は８０Ａ〜１８０Ａとすることが好ましい。
ボンバードはアルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、炭化水素系ガス等を導入しながら実施してもよいが、炉内雰囲気を１．０×１０^−２Ｐａ以下の真空下で実施することで基材表面が清浄化され、更には拡散層が形成され易くなるため好ましい。

本発明の被覆切削工具は、外周刃を主に使用するラジアスエンドミルやスクエアエンドミル等の工具に適用するのが特に有効である。また、被覆切削工具の基材は、硬度が９１．０ＨＲＡ以上９４．５ＨＲＡ以下であることが好ましい。基材の硬度がこれよりも低くなると耐摩耗性が低下する場合がある。また、基材の硬度がこれよりも高くなると靭性が低下する場合がある。

基材として、ＷＣ基超硬合金からなるソリッドエンドミルとインサート式エンドミルを用い、各条件で硬質皮膜を被覆して被覆切削工具を作製し、その特性評価を行った。硬質皮膜の成膜にはアークイオンプレーティング成膜装置を用いた。真空容器内に設置した基材にはバイアス電源が接続されおり、基材に負のＤＣバイアス電圧を印加して硬質皮膜を被覆した。
表１に成膜に用いたカソードおよびバイアス条件について示す。本発明のｂ層、ｃ層を被覆するには、ターゲットの外周および背面に永久磁石を配備し、２０．２ｍＴの平均磁束密度のカソード（以下、Ｃ１、Ｃ２と記載する。）を用いた。メタルボンバード処理には、ターゲットの外周にコイル磁石を配備したカソード（以下、Ｃ３と記載する。）を用いた。

基材を真空容器内のパイプ状治具に固定し、約５００℃、１×１０^−３Ｐａの真空中で加熱脱ガスを行った後、Ａｒプラズマによるクリーニングを行った。そして、８×１０^−３Ｐａ以下になるように真空排気して、Ｃ３に１５０Ａのアーク電流を供給してＴｉボンバード処理を４分間実施した。
その後、炉内に窒素ガスを導入し、Ｃ１に電力を投入して、窒化物からなる硬質皮膜を約３００ｎｍ被覆した。その後に、ｂ層とｃ層の個々の膜厚が２０ｎｍになるようにＣ１とＣ２に電力を投入して、約２．５μｍの相互積層皮膜を被覆して本発明例１〜３、比較例１を作製した。
比較例２〜４は単層皮膜からなるＡｌＴｉの窒化物を約２．５μｍ被覆して作製した。

日本電子株式会社製の電界放出型透過電子顕微鏡（型番：ＪＥＭ−２０１０Ｆ型）を用いて分析用のインサート式エンドミルを加工してＴＥＭ解析を行った。各層（ａ層、ｂ層、ｃ層）の組成分析は、付属のＵＴＷ型Ｓｉ（Ｌｉ）半導体検出器を用いてビーム径１ｎｍで分析して求めた。またａ層の結晶構造を確認するため、カメラ長５０ｃｍとし、２ｎｍ以下のビーム径によるナノビーム回折を行った。

ＥＤＳスペクトル分析結果から、本発明例のａ層は、金属元素の含有比率（原子％）でＷを最も多く含有し、次いでＴｉを多く含有することを確認した。金属元素の含有比率（原子％）でＷの含有比率（原子％）は約８０％であった。また、Ｔｉの含有比率（原子％）は約１５％であった。また、ＷおよびＴｉ以外には硬質皮膜の成分であるＡｌ、Ｎを含有していた。また、母材成分であるＣｏも僅かに含有していた。そして、本発明例のａ層はナノビーム回折パターンからＷＣの結晶構造に指数付けが可能であった。
ＥＤＳスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、本発明例のａ層はＷＣの結晶構造に指数付けされ、タングステン（Ｗ）とチタン（Ｔｉ）を含有する炭化物であることを確認した。ａ層の膜厚は断面観察における５視野以上の平均から求めた。何れの試料もａ層の膜厚は３ｎｍであることを確認した。

株式会社日本電子製の電子プローブマイクロアナライザー装置（型番：ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）で相互積層皮膜の全体組成を測定した。この皮膜組成の分析は、分析用のインサート式エンドミルを加工して断面観察し、各層を加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０^−８Ａ、取り込み時間１０秒、分析領域直径１μｍで５点測定してその平均から組成を求めることにより行った。

株式会社エリオニクス製のナノインデンテーション装置（型番：ＥＮＴ−１１００ａ）を用いて皮膜硬度を測定した。この硬度測定は、分析用のインサート式エンドミルの表面から、押込み荷重４９ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、荷重負荷後の除去速度０．４９ｍＮ／秒の測定条件で１０点測定し、その平均値を求めた。測定前には、標準試料である単結晶Ｓｉを測定し、その硬さが１２ＧＰａであることを確認した。

株式会社リガク製のＸ線回折装置（型番：ＲＩＮＴ２５００Ｖ−ＰＳＲＣ／ＭＤＧ）を用いて皮膜の結晶構造を測定した。このＸ線回折は、分析用のインサート式エンドミルを用いて、管電圧４０ｋＶ、管電流３００ｍＡ、Ｘ線源Ｃｕｋα（λ＝０．１５４１８ｎｍ）、２θが３０〜７０度の測定条件で実施した。それぞれの分析結果を表２に示す。

本発明例１、２は、Ｘ線回折からｆｃｃ構造とｈｃｐ構造に起因するピークが確認され、ｆｃｃ構造に起因するピークが最大強度を示した。本発明例３は、Ｘ線回折からｆｃｃ構造に起因するピークのみ確認された。
比較例１〜３は、Ｘ線回折からｆｃｃ構造とｈｃｐ構造に起因するピークが確認され、ｈｃｐ構造に起因するピークが最大強度を示した。本発明例１と比較例３の皮膜全体のＡｌの含有比率は同程度であるが、相互積層皮膜とした本発明例１はｆｃｃ構造が主体となり、一方で単層皮膜である比較例３はｈｃｐ構造が主体となった。
比較例４は、Ｘ線回折からｆｃｃ構造に起因するピークのみ確認された。
ｈｃｐ構造に起因するピーク強度が確認されなかった本発明例３と比較例４は、他の試料に比べて硬度が高くなった。

表２に示した硬質皮膜を被覆した被覆切削工具を用いて、以下の条件で切削試験を行った。試験結果を表３に示す。
＜切削試験 条件１＞
工具：ソリッドエンドミル
φ１０×２枚刃（日立ツール株式会社製 ＨＥＳ２１００）
基材：ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（１１質量％）−ＴａＣ（０．４質量％）−Ｃｒ_３Ｃ_２（０．９質量％）、ＷＣ平均粒径０．６μｍ、硬度９２．４ＨＲＡの超硬合金
切削方法：側面切削
被削材：質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．７％Ｆｅ−３．０％Ｍｏ−５．０％（Ｎｄ＋Ｔａ）−０．８％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．０３％Ｃの組成を有するＮｉ基合金（時効硬化処理済み）
切込み：軸方向６ｍｍ、径方向０．３ｍｍ
切削速度：４０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０４ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：水溶性切削油
切削距離：０．２ｍ

＜切削試験 条件２＞
工具：インサート式ラジアスエンドミル
φ１２×Ｒ２×３枚刃（日立ツール株式会社製）
基材：組成が、ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−ＴａＣ（０．２５質量％）−Ｃｒ_３Ｃ_２（０．９質量％）であり、ＷＣ平均粒径０．６μｍ、硬度９３．４ＨＲＡの超硬合金
カッター型番：ＡＳＲＭ−１０１２Ｒ−３−Ｍ６
インサート型番：ＥＰＨＮ０４０２ＴＮ−２
切削方法：底面切削
被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
切込み：軸方向０．１５ｍｍ、径方向６ｍｍ
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．４ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：エアーブロー
切削距離：２５ｍ

＜切削試験 条件３＞
工具：インサート式ラジアスエンドミル
φ３２×Ｒ８×５枚刃（日立ツール株式会社製）
基材：組成が、ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−ＴａＣ（０．２５質量％）−Ｃｒ_３Ｃ_２（０．９質量％）であり、ＷＣ平均粒径０．６μｍ、硬度９３．４ＨＲＡの超硬合金
カッター型番：ＡＳＲＳ２０３２Ｒ−５
インサート型番：ＥＰＭＴ０６０３ＥＮ−８ＬＦ
切削方法：底面切削
被削材：ＳＵＳ３０４（１８０ＨＢ）
切込み：軸方向０．５ｍｍ、径方向２２ｍｍ
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：エアーブロー
切削距離：１２．５ｍ

本発明例１〜３は、Ａｌ含有量が多くｆｃｃ構造が主体の相互積層皮膜であり、切削抵抗が小さく、工具刃先の摩耗が抑制された。特に本発明例１は相互積層皮膜の全体に含まれるＡｌ含有量が多いため切削抵抗が小さく工具刃先の摩耗が少なくなった。
比較例１は、Ａｌ含有量が多いｆｃｃ構造が主体の相互積層皮膜であるが、相互積層皮膜を構成する個々の皮膜のＡｌ含有量の差が大きいためｂ層とｃ層の整合性が悪く、切削中の機械的負荷に皮膜の強度が耐えられずに破壊損傷した。
比較例２、３はｈｃｐ構造が主体の単層皮膜であり、切削中の機械的負荷に皮膜の強度が耐えられずに破壊損傷した。
比較例４は安定なｆｃｃ構造であり硬度も高いが、皮膜中のＡｌ含有量が少ないため、本発明例に比べて切削抵抗が高くなり工具摩耗が大きくなった。

実施例２では、表４に示すカソードを用いて試料を作製した。
本発明例２０は、Ｔｉボンバード処理後に、炉内に窒素ガスを導入し、個々の膜厚が２０ｎｍになるようにＣ１とＣ２に電力を投入して、ａ層の直上に約２．５μｍの相互積層皮膜を直接被覆した。
本発明例２１は、Ｔｉボンバード処理後に、炉内に窒素ガスを導入し、Ｃ１に電力を投入して、約３００ｎｍの窒化物からなる硬質皮膜を被覆した後に、個々の膜厚が２０ｎｍになるようにＣ１とＣ２に電力を投入して、約２．５μｍの相互積層皮膜を被覆した。
本発明例２２は、Ｔｉボンバード処理後に、炉内に窒素ガスを導入し、Ｃ２に電力を投入して、約３００ｎｍの窒化物からなる硬質皮膜を被覆した後に、個々の膜厚が２０ｎｍになるようにＣ１とＣ２に電力を投入して、約２．５μｍの相互積層皮膜を被覆した。
比較例２０は、Ｔｉボンバード処理をせずに、Ａｒプラズマによるクリーニングを行った後に炉内に窒素ガスを導入し、基材の直上に個々の膜厚が２０ｎｍになるようにＣ１とＣ２に電力を投入して、約２．５μｍの相互積層皮膜を被覆した。
そして、実施例１の条件３と同じ条件で切削試験を実施した。試験結果を表５に示す。

ａ層を設けた相互積層皮膜である本発明例は何れも優れた耐久性を示した。特に、ａ層の直上に個々の膜厚が５０ｎｍ以下の相互積層皮膜を設けた本発明例２０は工具刃先の最大摩耗幅が小さくなる傾向にあった。
本発明例２１、２２は、ａ層と個々の膜厚が５０ｎｍ以下の相互積層皮膜の間に、膜厚が２００ｎｍのｂ層またはｃ層を設けた皮膜構造であるが、ａ層を設けていない比較例に比べて最大摩耗幅が小さくなることが確認された。
一方、比較例２０は、相互積層皮膜は本発明例２０と同じであるが、ａ層を設けていないため工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。

実施例３では、実施例１で評価した本発明例１、３と比較例３について、相互積層皮膜の上にＴｉ_７５Ｓｉ_２５Ｎ（数値は原子比率）を約１．０μｍ設けた試料を準備した。
本発明例１の上にＴｉ_７５Ｓｉ_２５Ｎを設けた試料を、本発明例３０とした。本発明例３の上にＴｉ_７５Ｓｉ_２５Ｎを設けた試料を、本発明例３１とした。比較例３の上にＴｉ_７５Ｓｉ_２５Ｎを設けた試料を、比較例３０とした。そして、実施例１と同様の試験条件で評価した。
試験結果を表６に示す。

本発明例の相互積層皮膜の上に保護皮膜であるｄ層を設けた場合、単層のＡｌＴｉＮの上層に保護皮膜を設ける場合よりも、加工初期における最大摩耗幅が抑制されることを確認した。ｄ層を設けた本発明例を過酷なより加工条件に適用することで、工具寿命の向上効果がより発揮されると推定される。

Claims (4)

1. 基材と、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＴｉを含有する炭化物からなるａ層と、前記ａ層の上に配置される相互積層皮膜と、を有し、
   前記ａ層は、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
   前記相互積層皮膜は、金属元素（半金属を含む）の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が５０％以上７０％以下のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、
   金属元素（半金属を含む）の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が７０％以上のＡｌとＴｉの窒化物または炭窒化物からなるｃ層とが交互に形成されたものであり、
   前記ｂ層と前記ｃ層のＡｌの含有比率（原子％）の差が１０％以上３０％以下である被覆切削工具。
2. 前記ｂ層と前記ｃ層の個々の膜厚は５０ｎｍ以下である請求項１に記載の被覆切削工具。
3. 前記相互積層皮膜の上に、前記ｂ層または前記ｃ層と組成が異なる窒化物または炭窒化物からなるｄ層を設けた請求項１または２に記載の被覆切削工具。
4. 前記ｄ層は、金属元素（半金属を含む）の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が６０％以上８０％以下、Ｓｉの含有比率（原子％）が２０％以上４０％以下の窒化物または炭窒化物である請求項３に記載の被覆切削工具。