JP3978776B2 - 高速重切削条件ですぐれた耐チッピング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、一段とすぐれた高強度と高靭性を有し、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐チッピング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、ヒーターで装置内を、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Ｔｉ−Ａｌ−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−２００Ｖ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-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．６５、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）を満足するＴｉとＡｌとＺｒの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎで示す］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おり、この結果得られた切削工具が各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工に用いられることも知られている。
【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、高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工でもすぐれた切削性能を発揮する切削工具が強く求められているが、上記の従来切削工具においては、これを通常の高速切削加工条件で用いた場合には問題はないが、高速切削加工を高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合には、特に上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎからなる硬質被覆層の強度および靭性不足が原因でチッピング（微小割れ）が発生し易く、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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎからなる硬質被覆層に着目し、高速重切削条件ですぐれた耐チッピング性を発揮する硬質被覆層を開発すべく、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，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層は、厚さ全体に亘って均質な強度と靭性、高温硬さと耐熱性、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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層の形成にカソード電極（蒸発源）として用いられたＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金に相当する相対的にＡｌ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金、他方側に相対的にＡｌ含有量の低いＴｉ−Ａｌ−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（Ｔｉ，Ａｌ，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Ａｌ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−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Ａｌ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Ａｌ含有量の低いＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＡｌ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Ａｌ最高含有点とＡｌ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Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ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，Ａｌ，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（Ｔｉ，Ａｌ，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Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．５５、Ｙ：０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．１５〜０．４０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μmとすると、
上記Ａｌ最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層の具備する高温硬さおよび耐熱性、強度および靭性、さらに高温強度に相当する性質を有し、一方上記Ａｌ最低含有点部分では、前記Ａｌ最高含有点部分に比してＡｌ含有量が低く、相対的にＴｉ含有量の高いものとなるので、一段と高い強度と靭性が確保されるようになり、かつこれらＡｌ最高含有点とＡｌ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、前記Ａｌ最高含有点の有するすぐれた高温硬さと耐熱性、さらに高温強度に相当する性質を保持した状態で、前記Ａｌ最低含有点によって一段とすぐれた強度および靭性を具備するようになり、したがって、かかる構成の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層を硬質被覆層として形成してなる切削工具は、特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐チッピング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ＴｉＣＮ基サーメットのいずれか、または両方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Ａｌ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金のカソード電極およびＡｌ最低含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−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、Ａｌ最高含有点とＡｌ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Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ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Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．５５、Ｙ：０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．１５〜０．４０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
（Ｔｉ，Ａｌ，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、高速重切削条件ですぐれた耐チッピング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）Ａｌ最高含有点の組成
Ａｌ最高含有点の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）ＮにおけるＴｉ成分は、強度および靭性を向上させ、同Ａｌ成分は、高温硬さおよび耐熱性を向上させる作用があり、したがってＡｌ成分の含有割合が高くなればなるほど高温硬さおよび耐熱性は向上したものになり、高熱発生を伴う高速切削に適応したものになるが、Ａｌの含有割合を示すＸ値がＴｉとＺｒの合量に占める割合（原子比）で０．５５を越えると、高強度および高靭性を有するＡｌ最低含有点が隣接して存在しても層自体の強度および靭性に低下傾向が現れ、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方同Ｘ値が同０．４５未満になると、所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することが困難になることから、Ｘ値を０．４５〜０．５５と定めた。
さらに、Ｚｒ成分には高温強度を向上させる作用があるが、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向上効果が得られず、さらに同Ｙ値が０．１０を超えると、高温硬さおよび耐熱性に低下傾向が現れることから、Ｙ値を０．０１〜０．１０とそれぞれ定めた。
【０００９】
（ｂ）Ａｌ最低含有点の組成
上記の通りＡｌ最高含有点は所定の高温硬さおよび耐熱性、さらに高温強度を有するが、反面高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件での高速切削加工では強度および靭性不足は避けられず、このＡｌ最高含有点の強度および靭性不足を補う目的で、Ｔｉ含有割合が高く、一方Ａｌ含有量が低く、これによって一段とすぐれた強度と靭性を有するＡｌ最低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Ａｌの割合を示すＸ値がＴｉおよびＺｒ成分との合量に占める割合（原子比）で０．４０を越えると、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０．１５未満になると、所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、これが原因で高温硬さおよび耐熱性のすぐれたＡｌ最高含有点が隣接して存在しても層自体の摩耗進行が促進するようになることから、Ａｌ最低含有点でのＡｌの割合を示すＸ値を０．１５〜０．４０と定めた。
さらに、Ａｌ最低含有点におけるＺｒ成分も、上記の通り高温強度を向上させ、もって高熱発生を伴う高速切削に適応させる目的で含有するものであり、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を越えると高温硬さおよび耐熱性が低下するようになり、摩耗進行の原因となることから、Ｙ値を０．０１〜０．１５と定めた。
【００１０】
（ｃ）Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点間の間隔
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、この結果層に所定の高温硬さと耐熱性、および高温強度を確保した上で、さらに一段とすぐれた強度と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を越えると重切削条件での高速切削加工でそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＡｌ最高含有点であれば強度および靭性不足、Ａｌ最低含有点であれば高温硬さおよび耐熱性不足が層内に局部的に現れ、これが原因で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、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６０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：１４２０℃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・ＣＮＭＧ１２０４１２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−３，Ａ−６，および〜Ａ−７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、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６０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：１５２０℃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・ＣＮＭＧ１２０４１２の形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製のチップ工具Ｂ−１，Ｂ−３，およびＢ−６を形成した。
【００１４】
ついで、上記のチップ工具のそれぞれを、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Ａｌ最低含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−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Ａｌ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−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チップ工具に−３０Ｖ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Ａｌ最低含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金およびＡｌ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−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１〜７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に示される目標組成のＡｌ最低含有点とＡｌ最高含有点とが交互に、同じく表３に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ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Ｔｉ−Ａｌ−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９０Ａ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−２００Ｖ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１〜７を実施し、もって前記チップ工具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，Ａｌ，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１〜７および従来法１〜７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・ＳＮＣＭ４３９の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５．８ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
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：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．４ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験、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：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５．８ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式断続高速高切り込み切削加工試験を行い、いずれの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に示した。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【表２】
【００１９】
【表３】
【００２０】
【表４】
【００２１】
【表５】
【００２２】
（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６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６０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Ｃ−２およびＣ−４〜Ｃ−８を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体のうちの丸棒焼結体Ｃ−２，Ｃ−５，Ｃ−６，およびＣ−８から、研削加工にて、表６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を切削工具としてそれぞれ製造した。
【００２３】
ついで、これらのエンドミル工具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８〜１１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７に示される目標組成のＡｌ最低含有点とＡｌ最高含有点とが交互に、同じく表７に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ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７に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成した。
【００２４】
また、比較の目的で、上記のエンドミル工具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（Ｔｉ，Ａｌ，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８〜１１を実施し、もって前記エンドミル工具の表面に表８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，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着を蒸着形成した。
【００２５】
つぎに、上記本発明法８〜１１および従来法８〜１１により得られたエンドミル工具について、これらのうち本発明法８および従来法８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・ＦＣ３００の板材、
切削速度：３２５ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１０ｍｍ
径方向切り込み：１．８ｍｍ
テーブル送り：２２０ｍｍ／分、
の条件での鋳鉄の湿式高速高切り込み側面切削加工試験、本発明法９，１０および従来法９，１０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：３０５ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１８ｍｍ
径方向切り込み：３ｍｍ
テーブル送り：２００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の湿式高速高切り込み側面切削加工試験、本発明法１１および従来法１１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・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：２９５ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：４０ｍｍ
径方向切り込み：６ｍｍ
テーブル送り：１０５ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の湿式高速高切り込み側面切削加工試験をそれぞれ行い、いずれの湿式側面切削加工試験（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７，８にそれぞれ示した。
【００２６】
【表６】
【００２７】
【表７】
【００２８】
【表８】
【００２９】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種の丸棒焼結体のうちの丸棒焼結体Ｃ−２，Ｃ−４，およびＣ−７を用い、この３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表６に示される組合せで、溝形成部の直径×長さがそれぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ、８ｍｍ×２２ｍｍ、および１６ｍｍ×４５ｍｍ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を切削工具としてそれぞれ製造した。
【００３０】
ついで、これらのドリル工具の切刃に、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１２〜１４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。
【００３１】
また、比較の目的で、上記のドリル工具の表面に、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（Ｔｉ，Ａｌ，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１２〜１４を実施し、前記ドリル工具の表面に表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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
【００３２】
つぎに、上記本発明法１２〜１４および従来法１２〜１４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１２および従来法１２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・ＦＣ３００の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．５２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１０ｍｍ
の条件での鋳鉄の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明法１３および従来法１３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：０．４２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１５ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明法１４および従来法１４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・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．５２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３０ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速高送り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９，１０にそれぞれ示した。
【００３３】
【表９】
【００３４】
【表１０】
【００３５】
なお、上記本発明法１〜１４で得られた各種の切削工具の硬質被覆層におけるＡｌ最低含有点とＡｌ最高含有点の組成、並びに上記従来法１〜１４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１〜１４で得られた各種の切削工具の硬質被覆層におけるＡｌ最低含有点とＡｌ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１〜１４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。
【００３６】
【発明の効果】
表３〜１０に示される結果から、本発明法１〜１４により厚さ方向にＡｌ最低含有点とＡｌ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Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する（Ｔｉ，Ａｌ，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高速切削加工を、高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮するのに対して、従来法１〜１４により厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ａｌ，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、重切削条件での高速切削加工では前記硬質被覆層の強度および靭性不足が原因で、チッピングが発生し、これが原因で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を、高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示す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、一段とすぐれた高強度と高靭性を有し、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐チッピング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、ヒーターで装置内を、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Ｔｉ−Ａｌ−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−２００Ｖ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-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．６５、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）を満足するＴｉとＡｌとＺｒの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎで示す］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おり、この結果得られた切削工具が各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工に用いられることも知られている。
【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、高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工でもすぐれた切削性能を発揮する切削工具が強く求められているが、上記の従来切削工具においては、これを通常の高速切削加工条件で用いた場合には問題はないが、高速切削加工を高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合には、特に上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎからなる硬質被覆層の強度および靭性不足が原因でチッピング（微小割れ）が発生し易く、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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎからなる硬質被覆層に着目し、高速重切削条件ですぐれた耐チッピング性を発揮する硬質被覆層を開発すべく、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，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層は、厚さ全体に亘って均質な強度と靭性、高温硬さと耐熱性、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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層の形成にカソード電極（蒸発源）として用いられたＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金に相当する相対的にＡｌ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金、他方側に相対的にＡｌ含有量の低いＴｉ−Ａｌ−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（Ｔｉ，Ａｌ，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Ａｌ含有量の高いＴｉ−Ａｌ−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Ａｌ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Ａｌ含有量の低いＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＡｌ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Ａｌ最高含有点とＡｌ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Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ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，Ａｌ，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（Ｔｉ，Ａｌ，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Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．５５、Ｙ：０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．１５〜０．４０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μmとすると、
上記Ａｌ最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層の具備する高温硬さおよび耐熱性、強度および靭性、さらに高温強度に相当する性質を有し、一方上記Ａｌ最低含有点部分では、前記Ａｌ最高含有点部分に比してＡｌ含有量が低く、相対的にＴｉ含有量の高いものとなるので、一段と高い強度と靭性が確保されるようになり、かつこれらＡｌ最高含有点とＡｌ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、前記Ａｌ最高含有点の有するすぐれた高温硬さと耐熱性、さらに高温強度に相当する性質を保持した状態で、前記Ａｌ最低含有点によって一段とすぐれた強度および靭性を具備するようになり、したがって、かかる構成の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層を硬質被覆層として形成してなる切削工具は、特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐チッピング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ＴｉＣＮ基サーメットのいずれか、または両方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Ａｌ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金のカソード電極およびＡｌ最低含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−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、Ａｌ最高含有点とＡｌ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Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ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Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．５５、Ｙ：０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．１５〜０．４０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
（Ｔｉ，Ａｌ，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、高速重切削条件ですぐれた耐チッピング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）Ａｌ最高含有点の組成
Ａｌ最高含有点の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）ＮにおけるＴｉ成分は、強度および靭性を向上させ、同Ａｌ成分は、高温硬さおよび耐熱性を向上させる作用があり、したがってＡｌ成分の含有割合が高くなればなるほど高温硬さおよび耐熱性は向上したものになり、高熱発生を伴う高速切削に適応したものになるが、Ａｌの含有割合を示すＸ値がＴｉとＺｒの合量に占める割合（原子比）で０．５５を越えると、高強度および高靭性を有するＡｌ最低含有点が隣接して存在しても層自体の強度および靭性に低下傾向が現れ、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方同Ｘ値が同０．４５未満になると、所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することが困難になることから、Ｘ値を０．４５〜０．５５と定めた。
さらに、Ｚｒ成分には高温強度を向上させる作用があるが、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向上効果が得られず、さらに同Ｙ値が０．１０を超えると、高温硬さおよび耐熱性に低下傾向が現れることから、Ｙ値を０．０１〜０．１０とそれぞれ定めた。
【０００９】
（ｂ）Ａｌ最低含有点の組成
上記の通りＡｌ最高含有点は所定の高温硬さおよび耐熱性、さらに高温強度を有するが、反面高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件での高速切削加工では強度および靭性不足は避けられず、このＡｌ最高含有点の強度および靭性不足を補う目的で、Ｔｉ含有割合が高く、一方Ａｌ含有量が低く、これによって一段とすぐれた強度と靭性を有するＡｌ最低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Ａｌの割合を示すＸ値がＴｉおよびＺｒ成分との合量に占める割合（原子比）で０．４０を越えると、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０．１５未満になると、所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、これが原因で高温硬さおよび耐熱性のすぐれたＡｌ最高含有点が隣接して存在しても層自体の摩耗進行が促進するようになることから、Ａｌ最低含有点でのＡｌの割合を示すＸ値を０．１５〜０．４０と定めた。
さらに、Ａｌ最低含有点におけるＺｒ成分も、上記の通り高温強度を向上させ、もって高熱発生を伴う高速切削に適応させる目的で含有するものであり、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を越えると高温硬さおよび耐熱性が低下するようになり、摩耗進行の原因となることから、Ｙ値を０．０１〜０．１５と定めた。
【００１０】
（ｃ）Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点間の間隔
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、この結果層に所定の高温硬さと耐熱性、および高温強度を確保した上で、さらに一段とすぐれた強度と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を越えると重切削条件での高速切削加工でそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＡｌ最高含有点であれば強度および靭性不足、Ａｌ最低含有点であれば高温硬さおよび耐熱性不足が層内に局部的に現れ、これが原因で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、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６０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：１４２０℃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・ＣＮＭＧ１２０４１２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−３，Ａ−６，および〜Ａ−７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、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６０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：１５２０℃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・ＣＮＭＧ１２０４１２の形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製のチップ工具Ｂ−１，Ｂ−３，およびＢ−６を形成した。
【００１４】
ついで、上記のチップ工具のそれぞれを、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Ａｌ最低含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−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Ａｌ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−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チップ工具に−３０Ｖ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Ａｌ最低含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金およびＡｌ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−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１〜７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に示される目標組成のＡｌ最低含有点とＡｌ最高含有点とが交互に、同じく表３に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ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Ｔｉ−Ａｌ−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９０Ａ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−２００Ｖ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１〜７を実施し、もって前記チップ工具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，Ａｌ，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１〜７および従来法１〜７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・ＳＮＣＭ４３９の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５．８ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
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：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．４ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験、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：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５．８ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式断続高速高切り込み切削加工試験を行い、いずれの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に示した。
【００１７】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
（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６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６０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Ｃ−２およびＣ−４〜Ｃ−８を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体のうちの丸棒焼結体Ｃ−２，Ｃ−５，Ｃ−６，およびＣ−８から、研削加工にて、表６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を切削工具としてそれぞれ製造した。
【００２３】
ついで、これらのエンドミル工具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８〜１１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７に示される目標組成のＡｌ最低含有点とＡｌ最高含有点とが交互に、同じく表７に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ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７に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成した。
【００２４】
また、比較の目的で、上記のエンドミル工具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（Ｔｉ，Ａｌ，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８〜１１を実施し、もって前記エンドミル工具の表面に表８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，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着を蒸着形成した。
【００２５】
つぎに、上記本発明法８〜１１および従来法８〜１１により得られたエンドミル工具について、これらのうち本発明法８および従来法８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・ＦＣ３００の板材、
切削速度：３２５ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１０ｍｍ
径方向切り込み：１．８ｍｍ
テーブル送り：２２０ｍｍ／分、
の条件での鋳鉄の湿式高速高切り込み側面切削加工試験、本発明法９，１０および従来法９，１０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：３０５ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１８ｍｍ
径方向切り込み：３ｍｍ
テーブル送り：２００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の湿式高速高切り込み側面切削加工試験、本発明法１１および従来法１１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・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：２９５ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：４０ｍｍ
径方向切り込み：６ｍｍ
テーブル送り：１０５ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の湿式高速高切り込み側面切削加工試験をそれぞれ行い、いずれの湿式側面切削加工試験（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７，８にそれぞれ示した。
【００２６】
【表６】
【表７】
【表８】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種の丸棒焼結体のうちの丸棒焼結体Ｃ−２，Ｃ−４，およびＣ−７を用い、この３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表６に示される組合せで、溝形成部の直径×長さがそれぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ、８ｍｍ×２２ｍｍ、および１６ｍｍ×４５ｍｍ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を切削工具としてそれぞれ製造した。
【００３０】
ついで、これらのドリル工具の切刃に、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１２〜１４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。
【００３１】
また、比較の目的で、上記のドリル工具の表面に、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（Ｔｉ，Ａｌ，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１２〜１４を実施し、前記ドリル工具の表面に表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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
【００３２】
つぎに、上記本発明法１２〜１４および従来法１２〜１４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１２および従来法１２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・ＦＣ３００の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．５２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１０ｍｍ
の条件での鋳鉄の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明法１３および従来法１３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：０．４２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１５ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明法１４および従来法１４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・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．５２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３０ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速高送り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９，１０にそれぞれ示した。
【００３３】
【表９】
【表１０】
なお、上記本発明法１〜１４で得られた各種の切削工具の硬質被覆層におけるＡｌ最低含有点とＡｌ最高含有点の組成、並びに上記従来法１〜１４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１〜１４で得られた各種の切削工具の硬質被覆層におけるＡｌ最低含有点とＡｌ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１〜１４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。
【００３６】
【発明の効果】
表３〜１０に示される結果から、本発明法１〜１４により厚さ方向にＡｌ最低含有点とＡｌ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Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する（Ｔｉ，Ａｌ，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高速切削加工を、高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮するのに対して、従来法１〜１４により厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ａｌ，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、重切削条件での高速切削加工では前記硬質被覆層の強度および靭性不足が原因で、チッピングが発生し、これが原因で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を、高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示す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炭窒化チタン系サーメットのいずれか、または両方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Ａｌ最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｚｒ合金のカソード電極およびＡｌ最低含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−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、Ａｌ最高含有点とＡｌ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Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ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Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．５５、Ｙ：０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＺｒY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．１５〜０．４０、Ｙ：０．０１〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
ＴｉとＡｌとＺｒの複合窒化物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、
を特徴とする高速重切削条件ですぐれた耐チッピング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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