JP3962913B2 - 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、一段とすぐれた高温硬さおよび耐熱性を有し、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４００℃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−Ｔｉ−Ｚｒ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−１００Ｖ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：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３５〜０．６０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）を満足するＡｌとＴｉとＺｒの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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である（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層は、厚さ全体に亘って均質な高温硬さと耐熱性、強度と靭性、さらに高温強度を有するが、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、一方側に上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層の形成にカソード電極（蒸発源）として用いられたＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金に相当する相対的にＴｉ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金、他方側に相対的にＴｉ含有量の低いＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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相対的にＴｉ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ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Ｔｉ最高含有点が形成され、また前記前記切削工具が上記の他方側の相対的にＴｉ含有量の低いＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＴｉ最低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Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造をもった（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層において、例えば対向配置のカソード電極（蒸発源）のそれぞれの組成を調製すると共に、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Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３５〜０．６０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
上記Ｔｉ最低含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低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Ｔｉ最低含有点部分では、上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層に比してＡｌ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を示し、一方上記Ｔｉ最高含有点部分は、前記従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層と同等の組成、すなわち前記Ｔｉ最低含有点部分に比して相対的にＡｌ含有量が低く、Ｔｉ含有量の高い組成をもつので、高強度と高靭性を保持し、かつこれらＴｉ最高含有点とＴｉ最低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、かつＺｒによる高温強度も保持した状態ですぐれた高温硬さと耐熱性を具備するようになり、したがって、かかる構成の（Ａｌ，Ｔｉ、Ｚｒ）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鋳鉄などの高速切削加工で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基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Ｔｉ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金のカソード電極およびＴｉ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金のカソード電極と、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、Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ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Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３５〜０．６０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
上記Ｔｉ最低含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ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）Ｔｉ最低含有点の組成
Ｔｉ最低含有点の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）ＮにおけるＡｌ成分は高温硬さおよび耐熱性を向上させ、一方同Ｔｉ成分は、強度および靭性を向上させ、さらに同Ｚｒ成分は層の高温強度を一段と向上させる作用があるので、前記Ｔｉ最低含有点では相対的にＴｉ含有量を低くし、Ａｌ含有量を高くして、高熱発生を伴う高速切削に適応するすぐれた高温硬さと耐熱性を具備するようにしたものであるが、Ｔｉの割合を示すＸ値がＡｌとＺｒの合量に占める割合（原子比）で０．０５未満になると、相対的にＡｌの割合が多くなり過ぎて、高強度および高靭性を有するＴｉ最高含有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、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方Ｔｉの割合を示すＸ値が同０．３０を越えると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、高速切削に要求されるすぐれた高温硬さおよび耐熱性を確保することができなくなるものであり、またＺｒの割合を示すＹ値がＡｌとＴｉの合量に占める割合（原子比）で０．０１未満では所望の高温強度を確保することができず、この結果チッピングが発生し易くなり、一方同Ｙ値が０．１５を超えても、所望の高温強度を確保することが困難になることから、Ｘ値を０．０５〜０．３０、Ｙ値を０．０１〜０．１５とそれぞれ定めた。
【０００９】
（ｂ）Ｔｉ最高含有点の組成
上記の通りＴｉ最低含有点は高温硬さおよび耐熱性のすぐれたものであるが、反面強度および靭性の劣るものであるため、このＴｉ最低含有点の強度および靭性不足を補う目的で、上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層と同等の組成、すなわち相対的にＴｉ含有割合が高く、一方Ａｌ含有量が低く、これによって高強度および高靭性を有するようになるＴｉ最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであり、したがってＴｉの割合を示すＸ値がＡｌおよびＺｒ成分との合量に占める割合（原子比）で０．３５未満では、所望のすぐれた強度および靭性を確保することができず、一方同Ｘ値が０．６０を越えると、Ａｌに対するＴｉの割合が多くなり過ぎて、Ｔｉ最高含有点に所望の高温硬さおよび耐熱性を具備せしめることができなくなることから、Ｔｉ最高含有点でのＴｉの割合を示すＸ値を０．３５〜０．６０と定めた。
また、Ｔｉ最高含有点におけるＺｒ成分は、上記の通り高温強度を向上させ、もって耐チッピング性の向上に寄与する作用をもつものであり、したがってＹ値が０．０１未満では所望の高温強度向上効果が得られず、一方Ｙ値が０．１５を超えても、所望の高温強度を確保することが困難になることから、Ｙ値を０．０１〜０．１５と定めた。
【００１０】
（ｃ）Ｔｉ最低含有点とＴｉ最高含有点間の間隔
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すぐれた高温硬さと耐熱性、さらに高強度と高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がもつ欠点、すなわちＴｉ最低含有点であれば強度および靭性不足、Ｔｉ最高含有点であれば高温硬さと耐熱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。
【００１１】
（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。
【００１２】
【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。
（実施例１）
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：１４０５℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施すことにより、切削工具としてＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８の形状をもったＷＣ基超硬合金製のスローアウエイチップ（以下、チップ工具という）Ａ−１〜Ａ−１０を形成した。
【００１３】
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４８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：０．０３のホーニング加工を施すことにより、切削工具としてＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８の形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製のチップ工具Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。
【００１４】
ついで、上記のチップ工具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Ｔｉ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金、他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Ｔｉ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず装置内を排気して０．５Ｐａ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、前記回転テーブル上で自転しながら回転するチップ工具に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記金属Ｔｉ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、もってチップ工具表面を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２．５Ｐａ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チップ工具に−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつそれぞれのカソード電極(前記Ｔｉ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金およびＴｉ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ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る条件で本発明法１〜１６を実施し、もって前記チップ工具の表面に、厚さ方向に沿って表３，４に示される目標組成のＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点とが交互に、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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表３，４に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成した。
【００１５】
また、比較の目的で、これらチップ工具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、カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金を装着し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４００℃に加熱した後、前記チップ工具に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記金属Ｔｉ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、もってチップ工具表面を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２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記チップ工具に印加するバイアス電圧を−１００Ｖ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、もって前記チップ工具Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
【００１６】
つぎに、上記本発明法１〜１６および従来法１〜１６により得られたチップ工具ついて、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・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度：３６５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式高速連続旋削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０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：２．５ｍｍ、
送り：０．２３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続旋削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３４０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．２４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８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７に示した。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【表２】
【００１９】
【表３】
【００２０】
【表４】
【００２１】
【表５】
【００２２】
【表６】
【００２３】
【表７】
【００２４】
（実施例２）
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８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４８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、直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種のエンドミル工具形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表８に示される組合せで、切刃部の直径×長さがそれぞれ６ｍｍ×１３ｍｍ、１０ｍｍ×２２ｍｍ、および２０ｍｍ×４５ｍｍの寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の４枚刃スクエア形状をもったエンドミル工具Ｃ−１〜Ｃ−８を切削工具としてそれぞれ製造した。
【００２５】
ついで、これらのエンドミル工具Ｃ−１〜Ｃ−８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、上記実施例１と同一の条件で本発明法１７〜２４を実施し、もって、前記エンドミル工具の表面に、厚さ方向に沿って表９に示される目標組成のＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点とが交互に、同じく表９に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表９に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成した。
【００２６】
また、比較の目的で、上記のエンドミル工具Ｃ−１〜Ｃ−８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、上記実施例１における厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層の形成条件と同一の条件で従来法１７〜２４を実施し、もって前記エンドミル工具の表面に表１０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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着を蒸着形成した。
【００２７】
つぎに、上記本発明法１７〜２４および従来法１７〜２４により得られたエンドミル工具ついて、これらのうち本発明法１７〜１９および従来法１７〜１９により得られたエンドミル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ２０Ｃの板材、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：４．５ｍｍ、
径方向切り込み：０．１８ｍｍ、
テーブル送り：２００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の湿式高速側面切削加工試験、本発明法２０〜２２および従来法２０〜２２により得られたエンドミル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度：２６５ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：７．３ｍｍ、
径方向切り込み：０．２８ｍｍ、
テーブル送り：２２０ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の湿式高速側面切削加工試験、本発明法２３．２４および従来法２３．２４により得られたエンドミル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ２５０の板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１４ｍｍ、
径方向切り込み：０．３５ｍｍ、
テーブル送り：１１０ｍｍ／分、
の条件での鋳鉄の湿式高速側面切削加工試験をそれぞれ行い、いずれの側面切削加工試験（いずれの試験も水溶性切削油使用）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に至るまでの切削長を測定した。この測定結果を表９、１０にそれぞれ示した。
【００２８】
【表８】
【００２９】
【表９】
【００３０】
【表１０】
【００３１】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（エンドミル工具Ｃ−１〜Ｃ−３形成用）、１３ｍｍ（エンドミル工具Ｃ−４〜Ｃ−６形成用）、および２６ｍｍ（エンドミル工具Ｃ−７、Ｃ−８形成用）の３種の丸棒焼結体を用い、この３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ（ドリル工具Ｄ−１〜Ｄ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（ドリル工具Ｄ−４〜Ｄ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（ドリル工具Ｄ−７、Ｄ−８）の寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の２枚刃形状をもったドリル工具Ｄ−１〜Ｄ−８を切削工具としてそれぞれ製造した。
【００３２】
ついで、これらのドリル工具Ｄ−１〜Ｄ−８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、上記実施例１と同一の条件で本発明法２５〜３２を実施し、もって、前記ドリル工具の表面に、、厚さ方向に沿って表１１に示される目標組成のＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点とが交互に同じく表１１に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表１１に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成した。
【００３３】
また、比較の目的で、上記のドリル工具Ｄ−１〜Ｄ−８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、上記実施例１における厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層の形成条件と同一の条件で従来法２５〜３２を実施し、前記ドリル工具の表面に表１２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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
【００３４】
つぎに、上記本発明法２５〜３２および従来法２５〜３２により得られたドリル工具ついて、これらのうち本発明法２５〜２７および従来法２５〜２７により得られたドリル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ２０Ｃの板材、
切削速度：１７８ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１０ｍｍ
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、本発明法２８〜３０および従来法２８〜３０により得られたドリル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１５ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、本発明法３１，３２および従来法３１，３２により得られたドリル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ２５０の板材、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２４ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３０ｍｍ
の条件での鋳鉄の湿式高速穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速穴あけ切削加工試験（水溶性切削油使用）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。この測定結果を表１１、１２にそれぞれ示した。
【００３５】
【表１１】
【００３６】
【表１２】
【００３７】
なお、上記本発明法１〜３２で得られた各種の切削工具の硬質被覆層におけるＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点の組成、並びに上記従来法１〜３２で得られた各種の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た。
また、上記本発明法１〜３２で得られた各種の切削工具の硬質被覆層におけるＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点間の間隔、およびこれの全体層厚、並びに上記従来法１〜３２で得られた各種の切削工具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。
【００３８】
【発明の効果】
表３〜１２に示される結果から、本発明法１〜３２により厚さ方向にＴｉ最低含有点とＴｉ最高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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からな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、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、従来法１〜３２により厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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、高温を伴う高速切削加工では前記硬質被覆層の高温硬さおよび耐熱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切削工具表面に形成することができ、この結果の切削工具は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】本発明硬質被覆層形成方法の実施装置である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】従来硬質被覆層形成方法の実施装置である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、一段とすぐれた高温硬さおよび耐熱性を有し、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４００℃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−Ｔｉ−Ｚｒ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−１００Ｖ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：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３５〜０．６０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）を満足するＡｌとＴｉとＺｒの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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である（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層は、厚さ全体に亘って均質な高温硬さと耐熱性、強度と靭性、さらに高温強度を有するが、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、一方側に上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層の形成にカソード電極（蒸発源）として用いられたＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金に相当する相対的にＴｉ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金、他方側に相対的にＴｉ含有量の低いＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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相対的にＴｉ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ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Ｔｉ最高含有点が形成され、また前記前記切削工具が上記の他方側の相対的にＴｉ含有量の低いＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＴｉ最低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Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造をもった（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層において、例えば対向配置のカソード電極（蒸発源）のそれぞれの組成を調製すると共に、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Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３５〜０．６０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
上記Ｔｉ最低含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低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Ｔｉ最低含有点部分では、上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層に比してＡｌ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を示し、一方上記Ｔｉ最高含有点部分は、前記従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層と同等の組成、すなわち前記Ｔｉ最低含有点部分に比して相対的にＡｌ含有量が低く、Ｔｉ含有量の高い組成をもつので、高強度と高靭性を保持し、かつこれらＴｉ最高含有点とＴｉ最低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、かつＺｒによる高温強度も保持した状態ですぐれた高温硬さと耐熱性を具備するようになり、したがって、かかる構成の（Ａｌ，Ｔｉ、Ｚｒ）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鋳鉄などの高速切削加工で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基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Ｔｉ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金のカソード電極およびＴｉ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金のカソード電極と、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、Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ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Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３５〜０．６０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
上記Ｔｉ最低含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ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）Ｔｉ最低含有点の組成
Ｔｉ最低含有点の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）ＮにおけるＡｌ成分は高温硬さおよび耐熱性を向上させ、一方同Ｔｉ成分は、強度および靭性を向上させ、さらに同Ｚｒ成分は層の高温強度を一段と向上させる作用があるので、前記Ｔｉ最低含有点では相対的にＴｉ含有量を低くし、Ａｌ含有量を高くして、高熱発生を伴う高速切削に適応するすぐれた高温硬さと耐熱性を具備するようにしたものであるが、Ｔｉの割合を示すＸ値がＡｌとＺｒの合量に占める割合（原子比）で０．０５未満になると、相対的にＡｌの割合が多くなり過ぎて、高強度および高靭性を有するＴｉ最高含有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、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方Ｔｉの割合を示すＸ値が同０．３０を越えると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、高速切削に要求されるすぐれた高温硬さおよび耐熱性を確保することができなくなるものであり、またＺｒの割合を示すＹ値がＡｌとＴｉの合量に占める割合（原子比）で０．０１未満では所望の高温強度を確保することができず、この結果チッピングが発生し易くなり、一方同Ｙ値が０．１５を超えても、所望の高温強度を確保することが困難になることから、Ｘ値を０．０５〜０．３０、Ｙ値を０．０１〜０．１５とそれぞれ定めた。
【０００９】
（ｂ）Ｔｉ最高含有点の組成
上記の通りＴｉ最低含有点は高温硬さおよび耐熱性のすぐれたものであるが、反面強度および靭性の劣るものであるため、このＴｉ最低含有点の強度および靭性不足を補う目的で、上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層と同等の組成、すなわち相対的にＴｉ含有割合が高く、一方Ａｌ含有量が低く、これによって高強度および高靭性を有するようになるＴｉ最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであり、したがってＴｉの割合を示すＸ値がＡｌおよびＺｒ成分との合量に占める割合（原子比）で０．３５未満では、所望のすぐれた強度および靭性を確保することができず、一方同Ｘ値が０．６０を越えると、Ａｌに対するＴｉの割合が多くなり過ぎて、Ｔｉ最高含有点に所望の高温硬さおよび耐熱性を具備せしめることができなくなることから、Ｔｉ最高含有点でのＴｉの割合を示すＸ値を０．３５〜０．６０と定めた。
また、Ｔｉ最高含有点におけるＺｒ成分は、上記の通り高温強度を向上させ、もって耐チッピング性の向上に寄与する作用をもつものであり、したがってＹ値が０．０１未満では所望の高温強度向上効果が得られず、一方Ｙ値が０．１５を超えても、所望の高温強度を確保することが困難になることから、Ｙ値を０．０１〜０．１５と定めた。
【００１０】
（ｃ）Ｔｉ最低含有点とＴｉ最高含有点間の間隔
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すぐれた高温硬さと耐熱性、さらに高強度と高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がもつ欠点、すなわちＴｉ最低含有点であれば強度および靭性不足、Ｔｉ最高含有点であれば高温硬さと耐熱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。
【００１１】
（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。
【００１２】
【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。
（実施例１）
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：１４０５℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施すことにより、切削工具としてＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８の形状をもったＷＣ基超硬合金製のスローアウエイチップ（以下、チップ工具という）Ａ−１〜Ａ−１０を形成した。
【００１３】
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４８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：０．０３のホーニング加工を施すことにより、切削工具としてＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８の形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製のチップ工具Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。
【００１４】
ついで、上記のチップ工具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Ｔｉ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金、他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Ｔｉ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず装置内を排気して０．５Ｐａ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、前記回転テーブル上で自転しながら回転するチップ工具に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記金属Ｔｉ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、もってチップ工具表面を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２．５Ｐａ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チップ工具に−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつそれぞれのカソード電極(前記Ｔｉ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金およびＴｉ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ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る条件で本発明法１〜１６を実施し、もって前記チップ工具の表面に、厚さ方向に沿って表３，４に示される目標組成のＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点とが交互に、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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表３，４に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成した。
【００１５】
また、比較の目的で、これらチップ工具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、カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＡｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金を装着し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４００℃に加熱した後、前記チップ工具に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記金属Ｔｉ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、もってチップ工具表面を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２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記チップ工具に印加するバイアス電圧を−１００Ｖ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、もって前記チップ工具Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
【００１６】
つぎに、上記本発明法１〜１６および従来法１〜１６により得られたチップ工具ついて、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・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度：３６５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式高速連続旋削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０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：２．５ｍｍ、
送り：０．２３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式高速断続旋削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３４０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．２４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８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７に示した。
【００１７】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
（実施例２）
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８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４８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、直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種のエンドミル工具形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表８に示される組合せで、切刃部の直径×長さがそれぞれ６ｍｍ×１３ｍｍ、１０ｍｍ×２２ｍｍ、および２０ｍｍ×４５ｍｍの寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の４枚刃スクエア形状をもったエンドミル工具Ｃ−１〜Ｃ−８を切削工具としてそれぞれ製造した。
【００２５】
ついで、これらのエンドミル工具Ｃ−１〜Ｃ−８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、上記実施例１と同一の条件で本発明法１７〜２４を実施し、もって、前記エンドミル工具の表面に、厚さ方向に沿って表９に示される目標組成のＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点とが交互に、同じく表９に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表９に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成した。
【００２６】
また、比較の目的で、上記のエンドミル工具Ｃ−１〜Ｃ−８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、上記実施例１における厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層の形成条件と同一の条件で従来法１７〜２４を実施し、もって前記エンドミル工具の表面に表１０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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着を蒸着形成した。
【００２７】
つぎに、上記本発明法１７〜２４および従来法１７〜２４により得られたエンドミル工具ついて、これらのうち本発明法１７〜１９および従来法１７〜１９により得られたエンドミル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ２０Ｃの板材、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：４．５ｍｍ、
径方向切り込み：０．１８ｍｍ、
テーブル送り：２００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の湿式高速側面切削加工試験、本発明法２０〜２２および従来法２０〜２２により得られたエンドミル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度：２６５ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：７．３ｍｍ、
径方向切り込み：０．２８ｍｍ、
テーブル送り：２２０ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の湿式高速側面切削加工試験、本発明法２３．２４および従来法２３．２４により得られたエンドミル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ２５０の板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１４ｍｍ、
径方向切り込み：０．３５ｍｍ、
テーブル送り：１１０ｍｍ／分、
の条件での鋳鉄の湿式高速側面切削加工試験をそれぞれ行い、いずれの側面切削加工試験（いずれの試験も水溶性切削油使用）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に至るまでの切削長を測定した。この測定結果を表９、１０にそれぞれ示した。
【００２８】
【表８】
【表９】
【表１０】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（エンドミル工具Ｃ−１〜Ｃ−３形成用）、１３ｍｍ（エンドミル工具Ｃ−４〜Ｃ−６形成用）、および２６ｍｍ（エンドミル工具Ｃ−７、Ｃ−８形成用）の３種の丸棒焼結体を用い、この３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ（ドリル工具Ｄ−１〜Ｄ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（ドリル工具Ｄ−４〜Ｄ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（ドリル工具Ｄ−７、Ｄ−８）の寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の２枚刃形状をもったドリル工具Ｄ−１〜Ｄ−８を切削工具としてそれぞれ製造した。
【００３２】
ついで、これらのドリル工具Ｄ−１〜Ｄ−８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、上記実施例１と同一の条件で本発明法２５〜３２を実施し、もって、前記ドリル工具の表面に、、厚さ方向に沿って表１１に示される目標組成のＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点とが交互に同じく表１１に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表１１に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成した。
【００３３】
また、比較の目的で、上記のドリル工具Ｄ−１〜Ｄ−８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、上記実施例１における厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層の形成条件と同一の条件で従来法２５〜３２を実施し、前記ドリル工具の表面に表１２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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
【００３４】
つぎに、上記本発明法２５〜３２および従来法２５〜３２により得られたドリル工具ついて、これらのうち本発明法２５〜２７および従来法２５〜２７により得られたドリル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ２０Ｃの板材、
切削速度：１７８ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１０ｍｍ
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、本発明法２８〜３０および従来法２８〜３０により得られたドリル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１５ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、本発明法３１，３２および従来法３１，３２により得られたドリル工具については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ２５０の板材、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２４ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３０ｍｍ
の条件での鋳鉄の湿式高速穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速穴あけ切削加工試験（水溶性切削油使用）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。この測定結果を表１１、１２にそれぞれ示した。
【００３５】
【表１１】
【表１２】
なお、上記本発明法１〜３２で得られた各種の切削工具の硬質被覆層におけるＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点の組成、並びに上記従来法１〜３２で得られた各種の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た。
また、上記本発明法１〜３２で得られた各種の切削工具の硬質被覆層におけるＴｉ最低含有点とＴｉ最高含有点間の間隔、およびこれの全体層厚、並びに上記従来法１〜３２で得られた各種の切削工具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。
【００３８】
【発明の効果】
表３〜１２に示される結果から、本発明法１〜３２により厚さ方向にＴｉ最低含有点とＴｉ最高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Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層からな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、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、従来法１〜３２により厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）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、高温を伴う高速切削加工では前記硬質被覆層の高温硬さおよび耐熱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切削工具表面に形成することができ、この結果の切削工具は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】本発明硬質被覆層形成方法の実施装置である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】従来硬質被覆層形成方法の実施装置である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Ｔｉ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金のカソード電極およびＴｉ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｚｒ合金のカソード電極と、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、Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ｔｉ最高含有点から前記Ｔｉ最低含有点、前記Ｔｉ最低含有点から前記Ｔｉ最高含有点へＴｉ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Ｔｉ最高含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３５〜０．６０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
上記Ｔｉ最低含有点が、組成式：（Ａｌ1-(X+Y)ＴｉX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ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。
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