JP3944903B2 - 高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、すぐれた高温特性を有し、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴う高速切削加工で、すぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、切削工具には、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やミニチュアドリル、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。
【０００３】
さらに、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内に炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金や炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットからなる切削工具を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃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Ｔｉ−Ｙ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電流：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、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記切削工具には、例えば−２５０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記切削工具の表面に、
組成式：（Ｔｉ1-ZＹZ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｚは０．００５〜０．０４を示す）を満足するＴｉとＹの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｙ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で形成する方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来切削工具においては、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、これを高い発熱を伴う高速切削条件で用いた場合には、これを構成する硬質被覆層の摩耗が著しく促進されるようになることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に上記の従来切削工具の硬質被覆層（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層に着目し、高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層を開発すべく、研究を行った結果、
（ａ）上記の図２に示されるアークイオンプレーティング装置を用いて形成された従来硬質被覆層である（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な高温硬さと耐熱性、および強度と靭性を有するが、例えば図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティング装置、すなわち装置中央部に切削工具装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に相対的に高い含有量でＹ成分を含有したＴｉ−Ｙ合金、他方側に金属Ｔｉをいずれもカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に前記切削工具を装着し、この状態で装置内の反応雰囲気を窒素ガス雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で切削工具自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させる条件で（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層を形成すると、前記切削工具の表面には、回転テーブル上の中心軸から半径方向に離れた位置に配置された前記切削工具が上記の一方側のＴｉ−Ｙ合金のカソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で層中にＹ成分最高含有点が形成され、また前記切削工具が上記の他方側の金属Ｔｉのカソード電極に最も接近した時点で層中にＴｉＮ点（Ｙ成分不含有点）が形成されることから、上記回転テーブルの回転によって層中には厚さ方向にそって前記Ｙ成分最高含有点とＹ成分不含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Ｙ成分最高含有点から前記Ｙ成分不含有点、前記Ｙ最低含有点から前記Ｙ成分不含有点へＹ（Ｔｉ）成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造をもった（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層が形成されるようになること。
【０００６】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層において、対向配置の一方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ｙ合金におけるＹ成分含有量を上記の従来Ｔｉ−Ｙ合金のＹ成分含有量に比して相対的に高くすると共に、切削工具が装着されている回転テーブルの回転速度を制御して、
上記Ｙ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-X ＹX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｙ成分最高含有点とＹ成分不含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μm、
となるようにすると、上記Ｙ成分最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層に比してＹ成分含有量が相対的に高くなることから、より一段とすぐれた高温硬さと耐熱性（高温特性）を示し、一方上記Ｙ成分不含有点部分では、実質的にＴｉＮ点を中心にしてＹ成分含有量の著しく低いものとなるので、ＴｉＮのもつ高強度と高靭性が確保され、かつこれらＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点の間隔をきわめて小さくしたことから、層全体の特性として高強度と高靭性を保持した状態で一段とすぐれた高温特性を具備するようになり、したがって、かかる構成の（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層を硬質被覆層として形成してなる切削工具は、高い発熱を伴う鋼や軟鋼などの高速切削加工で一段とすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００７】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、アークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置にＷＣ基超硬合金および／またはＴｉＣＮ系サーメットからなる切削工具を自転自在に装着し、
上記アークイオンプレーティング装置内の反応雰囲気を窒素ガス雰囲気として、上記回転テーブルを挟んで対向配置したＹ成分最高含有点（Ｔｉ成分最低含有点）形成用Ｔｉ−Ｙ合金のカソード電極およびＹ成分不含有点（ＴｉＮ点）形成用金属Ｔｉのカソード電極と、これらカソード電極のそれぞれに並設されたアノード電極との間にアーク放電を発生させ、
もって、上記回転テーブル上で自転しながら回転する上記切削工具の表面に、厚さ方向にそって、Ｙ成分最高含有点（Ｔｉ成分最低含有点）とＹ成分不含有点（ＴｉＮ点）とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ｙ成分最高含有点から前記Ｙ成分不含有点、前記Ｙ成分不含有点から前記Ｙ成分最高含有点へＹ成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Ｙ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-X ＹX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｙ成分最高含有点とＹ成分不含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの全体平均層厚で物理蒸着することからなる、高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法に特徴を有するものである。
【０００８】
つぎに、この発明の硬質被覆層形成方法において、形成される硬質被覆層の構成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ｙ成分最高含有点の組成
（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層におけるＹ成分は、高強度および高靭性を有するＴｉＮ層の高温硬さおよび耐熱性（高温特性）を向上させる目的で含有するものであり、したがってＹ成分の含有割合が高くなればなるほど高温特性は向上したものになるが、その割合（Ｘ値）がＴｉとの合量に占める割合（原子比）で０．１５を越えて高くなると、高強度および高靭性を有するＴｉＮ点が隣接して存在しても層自体の強度および靭性の低下は避けられず、この結果切刃にチッピング（微小欠け）などが発生し易くなり、一方その割合（Ｘ値）が同０．０５未満では前記高温特性に所望の向上効果が得られないことから、その割合を０．０５〜０．１５と定めた。
【０００９】
（ｂ）Ｙ成分最高含有点とＹ成分不含有点間の間隔
その間隔が０．０１μm未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果層に所望の高温特性と強度および靭性を確保することができなくなり、またその間隔が０．１μmを越えるとそれぞれの点もつ欠点、すなわちＹ成分最高含有点であれば強度および靭性不足、Ｙ含有点であれば高温特性不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなったり、摩耗進行が促進されるようになることから、その間隔を０．０１〜０．１μmと定めた。
【００１０】
（ｄ）硬質被覆層の全体平均層厚
その層厚が１μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると、切刃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１〜１５μｍと定めた。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の硬質被覆層形成方法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、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 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、切刃部分にＲ：０．０４のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の切削工具Ａ１〜Ａ１０を形成した。
【００１２】
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（重量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ2 Ｃ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、切刃部分にＲ：０．０４のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製の切削工具Ｂ１〜Ｂ６を形成した。
【００１３】
ついで、上記の切削工具Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６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に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に自転自在に装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＹ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ｙ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）としてＹ成分不含有点形成用金属Ｔｉを前記回転テーブルを挟んで対向配置し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を３５０℃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超硬基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、他方側のカソード電極である前記金属Ｔｉとアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記切削工具表面をＴｉボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して５．３Ｐａ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切削工具に−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、それぞれのカソード電極(前記Ｙ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ｙ合金およびＹ成分不含有点形成用金属Ｔｉ)とアノード電極との間にアーク放電を発生させる条件で本発明法１〜１６を実施し、もって前記切削工具表面に、厚さ方向に沿って表３，４に示される目標組成のＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点（ＴｉＮ点）とが交互に、同じく表３，４に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｙ成分最高含有点から前記Ｙ成分不含有点、前記Ｙ成分不含有点から前記Ｙ成分最高含有点へＹ成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、同じく表３，４に示される目標全体層厚を有する硬質被覆層を蒸着形成した。
【００１４】
また、比較の目的で、これら切削工具Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６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２に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、一方カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ｙ合金を装着し、装置内を排気して０．５Ｐａ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、Ａｒガスを装置内に導入して１０ＰａのＡｒ雰囲気とし、この状態で前記切削工具に−８００Ｖのバイアス電圧を印加して切削工具表面をＡｒガスボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記切削工具に印加するバイアス電圧を−２５０ｖに下げて、前記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る条件で従来法１〜１６を実施し、、もって前記切削工具Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、表５，６に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
【００１５】
つぎに、上記本発明法１〜１６および従来法１〜１６により得られた切削工具について、これを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：２８５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３１５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式高速断続旋削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式高速断続旋削加工試験を行い、いずれの旋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３〜６に示した。
【００１６】
【表１】
【００１７】
【表２】
【００１８】
【表３】
【００１９】
【表４】
【００２０】
【表５】
【００２１】
【表６】
【００２２】
なお、上記の本発明法１〜１６により得られた切削工具の硬質被覆層におけるＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点の組成、並びに従来法１〜１６により得られた切削工具の硬質被覆層の組成をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示し、さらに、本発明法１〜１６の硬質被覆層におけるＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点間の間隔、およびこれの全体層厚、並びに従来法１〜１６の硬質被覆層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標値と実質的に同じ値を示した。
【００２３】
【発明の効果】
表３〜６に示される結果から、本発明法１〜１６により厚さ方向にＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ前記Ｙ成分最高含有点から前記Ｙ成分不含有点、前記Ｙ成分不含有点から前記Ｙ成分最高含有点へＹ成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する硬質被覆層を形成してなる切削工具は、いずれも鋼や鋳鉄の切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、硬質被覆層がＹ成分の含有量が一段と高い前記Ｙ成分最高含有点の存在によって一段とすぐれた高温特性（高温硬さと耐熱性）、さらに実質的にＴｉＮからなるＹ成分不含有点によって高強度と高靭性を具備するようになることから、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、従来法１〜１６により厚さ方向に沿って実質的に組成変化がなく、かつＹ成分含有量が前記Ｙ成分最高含有点に比して相対的に低い（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層を形成してなる切削工具においては、いずれも高温を伴う高速切削加工では硬質被覆層の高温特性不足が原因で切刃の摩耗進行が速く、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、この発明の硬質被覆層形成方法によれば、特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を形成することができ、したがって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。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の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。
【図２】従来の硬質被覆層を形成するのに用いた通常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。
【発明の属する技術分野】
この発明は、すぐれた高温特性を有し、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴う高速切削加工で、すぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、切削工具には、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やミニチュアドリル、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。
【０００３】
さらに、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内に炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金や炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットからなる切削工具を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃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Ｔｉ−Ｙ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電流：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、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記切削工具には、例えば−２５０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記切削工具の表面に、
組成式：（Ｔｉ1-ZＹZ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｚは０．００５〜０．０４を示す）を満足するＴｉとＹの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｙ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で形成する方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来切削工具においては、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、これを高い発熱を伴う高速切削条件で用いた場合には、これを構成する硬質被覆層の摩耗が著しく促進されるようになることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に上記の従来切削工具の硬質被覆層（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層に着目し、高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層を開発すべく、研究を行った結果、
（ａ）上記の図２に示されるアークイオンプレーティング装置を用いて形成された従来硬質被覆層である（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な高温硬さと耐熱性、および強度と靭性を有するが、例えば図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティング装置、すなわち装置中央部に切削工具装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に相対的に高い含有量でＹ成分を含有したＴｉ−Ｙ合金、他方側に金属Ｔｉをいずれもカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に前記切削工具を装着し、この状態で装置内の反応雰囲気を窒素ガス雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で切削工具自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させる条件で（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層を形成すると、前記切削工具の表面には、回転テーブル上の中心軸から半径方向に離れた位置に配置された前記切削工具が上記の一方側のＴｉ−Ｙ合金のカソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で層中にＹ成分最高含有点が形成され、また前記切削工具が上記の他方側の金属Ｔｉのカソード電極に最も接近した時点で層中にＴｉＮ点（Ｙ成分不含有点）が形成されることから、上記回転テーブルの回転によって層中には厚さ方向にそって前記Ｙ成分最高含有点とＹ成分不含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Ｙ成分最高含有点から前記Ｙ成分不含有点、前記Ｙ最低含有点から前記Ｙ成分不含有点へＹ（Ｔｉ）成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造をもった（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層が形成されるようになること。
【０００６】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層において、対向配置の一方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ｙ合金におけるＹ成分含有量を上記の従来Ｔｉ−Ｙ合金のＹ成分含有量に比して相対的に高くすると共に、切削工具が装着されている回転テーブルの回転速度を制御して、
上記Ｙ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-X ＹX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｙ成分最高含有点とＹ成分不含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μm、
となるようにすると、上記Ｙ成分最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層に比してＹ成分含有量が相対的に高くなることから、より一段とすぐれた高温硬さと耐熱性（高温特性）を示し、一方上記Ｙ成分不含有点部分では、実質的にＴｉＮ点を中心にしてＹ成分含有量の著しく低いものとなるので、ＴｉＮのもつ高強度と高靭性が確保され、かつこれらＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点の間隔をきわめて小さくしたことから、層全体の特性として高強度と高靭性を保持した状態で一段とすぐれた高温特性を具備するようになり、したがって、かかる構成の（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層を硬質被覆層として形成してなる切削工具は、高い発熱を伴う鋼や軟鋼などの高速切削加工で一段とすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００７】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、アークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置にＷＣ基超硬合金および／またはＴｉＣＮ系サーメットからなる切削工具を自転自在に装着し、
上記アークイオンプレーティング装置内の反応雰囲気を窒素ガス雰囲気として、上記回転テーブルを挟んで対向配置したＹ成分最高含有点（Ｔｉ成分最低含有点）形成用Ｔｉ−Ｙ合金のカソード電極およびＹ成分不含有点（ＴｉＮ点）形成用金属Ｔｉのカソード電極と、これらカソード電極のそれぞれに並設されたアノード電極との間にアーク放電を発生させ、
もって、上記回転テーブル上で自転しながら回転する上記切削工具の表面に、厚さ方向にそって、Ｙ成分最高含有点（Ｔｉ成分最低含有点）とＹ成分不含有点（ＴｉＮ点）とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ｙ成分最高含有点から前記Ｙ成分不含有点、前記Ｙ成分不含有点から前記Ｙ成分最高含有点へＹ成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Ｙ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-X ＹX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｙ成分最高含有点とＹ成分不含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの全体平均層厚で物理蒸着することからなる、高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法に特徴を有するものである。
【０００８】
つぎに、この発明の硬質被覆層形成方法において、形成される硬質被覆層の構成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ｙ成分最高含有点の組成
（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層におけるＹ成分は、高強度および高靭性を有するＴｉＮ層の高温硬さおよび耐熱性（高温特性）を向上させる目的で含有するものであり、したがってＹ成分の含有割合が高くなればなるほど高温特性は向上したものになるが、その割合（Ｘ値）がＴｉとの合量に占める割合（原子比）で０．１５を越えて高くなると、高強度および高靭性を有するＴｉＮ点が隣接して存在しても層自体の強度および靭性の低下は避けられず、この結果切刃にチッピング（微小欠け）などが発生し易くなり、一方その割合（Ｘ値）が同０．０５未満では前記高温特性に所望の向上効果が得られないことから、その割合を０．０５〜０．１５と定めた。
【０００９】
（ｂ）Ｙ成分最高含有点とＹ成分不含有点間の間隔
その間隔が０．０１μm未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果層に所望の高温特性と強度および靭性を確保することができなくなり、またその間隔が０．１μmを越えるとそれぞれの点もつ欠点、すなわちＹ成分最高含有点であれば強度および靭性不足、Ｙ含有点であれば高温特性不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなったり、摩耗進行が促進されるようになることから、その間隔を０．０１〜０．１μmと定めた。
【００１０】
（ｄ）硬質被覆層の全体平均層厚
その層厚が１μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると、切刃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１〜１５μｍと定めた。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の硬質被覆層形成方法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、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 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、切刃部分にＲ：０．０４のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の切削工具Ａ１〜Ａ１０を形成した。
【００１２】
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（重量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ2 Ｃ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、切刃部分にＲ：０．０４のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製の切削工具Ｂ１〜Ｂ６を形成した。
【００１３】
ついで、上記の切削工具Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６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に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に自転自在に装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＹ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ｙ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）としてＹ成分不含有点形成用金属Ｔｉを前記回転テーブルを挟んで対向配置し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を３５０℃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超硬基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、他方側のカソード電極である前記金属Ｔｉとアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記切削工具表面をＴｉボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して５．３Ｐａ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切削工具に−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、それぞれのカソード電極(前記Ｙ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ｙ合金およびＹ成分不含有点形成用金属Ｔｉ)とアノード電極との間にアーク放電を発生させる条件で本発明法１〜１６を実施し、もって前記切削工具表面に、厚さ方向に沿って表３，４に示される目標組成のＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点（ＴｉＮ点）とが交互に、同じく表３，４に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｙ成分最高含有点から前記Ｙ成分不含有点、前記Ｙ成分不含有点から前記Ｙ成分最高含有点へＹ成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、同じく表３，４に示される目標全体層厚を有する硬質被覆層を蒸着形成した。
【００１４】
また、比較の目的で、これら切削工具Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６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２に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、一方カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ｙ合金を装着し、装置内を排気して０．５Ｐａ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、Ａｒガスを装置内に導入して１０ＰａのＡｒ雰囲気とし、この状態で前記切削工具に−８００Ｖのバイアス電圧を印加して切削工具表面をＡｒガスボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記切削工具に印加するバイアス電圧を−２５０ｖに下げて、前記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る条件で従来法１〜１６を実施し、、もって前記切削工具Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、表５，６に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
【００１５】
つぎに、上記本発明法１〜１６および従来法１〜１６により得られた切削工具について、これを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：２８５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３１５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式高速断続旋削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式高速断続旋削加工試験を行い、いずれの旋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３〜６に示した。
【００１６】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
なお、上記の本発明法１〜１６により得られた切削工具の硬質被覆層におけるＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点の組成、並びに従来法１〜１６により得られた切削工具の硬質被覆層の組成をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示し、さらに、本発明法１〜１６の硬質被覆層におけるＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点間の間隔、およびこれの全体層厚、並びに従来法１〜１６の硬質被覆層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標値と実質的に同じ値を示した。
【００２３】
【発明の効果】
表３〜６に示される結果から、本発明法１〜１６により厚さ方向にＹ成分最高含有点とＹ成分不含有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ前記Ｙ成分最高含有点から前記Ｙ成分不含有点、前記Ｙ成分不含有点から前記Ｙ成分最高含有点へＹ成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する硬質被覆層を形成してなる切削工具は、いずれも鋼や鋳鉄の切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、硬質被覆層がＹ成分の含有量が一段と高い前記Ｙ成分最高含有点の存在によって一段とすぐれた高温特性（高温硬さと耐熱性）、さらに実質的にＴｉＮからなるＹ成分不含有点によって高強度と高靭性を具備するようになることから、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、従来法１〜１６により厚さ方向に沿って実質的に組成変化がなく、かつＹ成分含有量が前記Ｙ成分最高含有点に比して相対的に低い（Ｔｉ，Ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層を形成してなる切削工具においては、いずれも高温を伴う高速切削加工では硬質被覆層の高温特性不足が原因で切刃の摩耗進行が速く、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、この発明の硬質被覆層形成方法によれば、特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を形成することができ、したがって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。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の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。
【図２】従来の硬質被覆層を形成するのに用いた通常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。
Claims (1)
- アークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に炭化タングステン基超硬合金および／または炭窒化チタン系サーメットからなる切削工具を自転自在に装着し、
上記アークイオンプレーティング装置内の反応雰囲気を窒素ガス雰囲気として、上記回転テーブルを挟んで対向配置したＹ成分最高含有点（Ｔｉ成分最低含有点）形成用Ｔｉ−Ｙ合金のカソード電極およびＹ成分不含有点（ＴｉＮ点）形成用金属Ｔｉのカソード電極と、これらカソード電極のそれぞれに並設されたアノード電極との間にアーク放電を発生させ、
もって、上記回転テーブル上で自転しながら回転する上記切削工具の表面に、
厚さ方向にそって、Ｙ成分最高含有点（Ｔｉ成分最低含有点）とＹ成分不含有点（ＴｉＮ点）とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ｙ成分最高含有点から前記Ｙ成分不含有点、前記Ｙ成分不含有点から前記Ｙ成分最高含有点へＹ（Ｔｉ）成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Ｙ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-X ＹX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｙ成分最高含有点とＹ成分不含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
ＴｉとＹの複合窒化物からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの全体平均層厚で物理蒸着すること、
を特徴とするすぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を切削工具表面に形成する方法。
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