JP4206826B2 - 高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた高温耐摩耗性を有し、さらに高温硬さおよび耐熱性にもすぐれ、したがって各種の鋼や鋳鉄、特に一段と高い発熱を伴うステンレス鋼や高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工で、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具（以下、被覆サーメット工具という）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、被覆サーメット工具には、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】
また、被覆サーメット工具として、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成されたサーメット基体の表面に、
組成式：（Ｔｉ_{1- （ X ＋Ｚ）} Ａｌ_X Ｓｉ_Ｚ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｚは０．０５〜０．１５を示す）、
を満足するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１０μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆サーメット工具が知られており、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が、構成成分であるＡｌによる高温硬さと耐熱性、同Ｔｉによる高温強度を有し、さらにＳｉによる一段の耐熱性向上効果と相俟って、前記被覆サーメット工具を各種の鋼や鋳鉄、特にステンレス鋼や高マンガン鋼などの難削材の連続切削や断続切削加工に用いた場合にすぐれた切削性能を発揮することも知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、上記の被覆サーメット工具が、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上記のサーメット基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ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、一方上記サーメット基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記サーメット基体の表面に、上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２７９３７７３号明細書
【０００６】
【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、上記の従来被覆サーメット工具においては、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、これを特にステンレス鋼や高マンガン鋼などの難削材の切削を高い発熱を伴う高速切削条件で行なうのに用いた場合、摩耗進行が著しく促進す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。
【０００７】
【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、特に高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する被覆サーメット工具を開発すべく、上記の従来被覆サーメット工具を構成する硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、
（Ａ）上記の図２に示される通常のアークイオンプレーティング装置を用いて形成された従来被覆サーメット工具を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎからなる硬質被覆層は、層厚全体に亘って均質な高温硬さと耐熱性、および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（以下、ＡＩＰ装置と略記する）とスパッタリング装置（以下、ＳＰ装置と略記する）が共存する蒸着装置、すなわち装置中央部にサーメット基体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，Ｓｉ）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−Ｓｉ合金に相当する相対的にＴｉ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金、他方側に相対的にＴｉ含有量の低いＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ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蒸着装置を用い、この装置の前記回転テーブル上に、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複数のサーメット基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素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サーメット基体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て、前記サーメット基体の表面に（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を形成すると、この結果の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層においては、回転テーブル上にリング状に配置された前記サーメット基体が上記の一方側の相対的にＴｉ含有量の高いＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ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最低含有点が形成され、また前記サーメット基体が上記の他方側の相対的にＴｉ含有量の低いＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＡｌ最高含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向にそって前記Ａｌ最低含有点とＡｌ最高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最低含有点から前記Ａｌ最高含有点、前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造をもつようになること。
【０００８】
（Ｂ）上記（Ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）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、サーメット基体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最低含有点が、組成式：（Ｔｉ_{1- （ X ＋Ｚ）} Ａｌ_X Ｓｉ_Ｚ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｚは０．０５〜０．１５を示す）、
上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_{1- （ Y ＋Ｚ）} Ａｌ_Y Ｓｉ_Ｚ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．７０〜０．８５、Ｚは０．０５〜０．１０を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最低含有点とＡｌ最高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（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）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Ａｌ最低含有点部分は、上記従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層と同等の組成、すなわち前記Ａｌ最高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、高い高温強度を保持し、かつこれらＡｌ最低含有点とＡｌ最高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い高温強度を保持した状態で、すぐれた高温硬さと耐熱性を具備するようになること。
【０００９】
（Ｃ）さらに、上記（Ａ）および（Ｂ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を０．８〜８μｍの平均層厚で下側層として蒸着形成し、ついで、同じく図１の蒸着装置におけるＳＰ装置を用い、Ａｒ(アルゴン)と酸素の混合ガスの反応雰囲気中で、金属Ａｌのスパッタリングを行い、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層に重ねて上側層として０．２〜３μｍの平均層厚で酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）層を蒸着形成すると、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下側層が上記従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層に比して、上記のＡｌ最高含有点の形成によって一段とすぐれた高温硬さと耐熱性、さらにＡｌ_２Ｏ_３層からなる上側層がすぐれた高温耐酸化性をそれぞれ有し、これら硬質被覆層の構成層のもつ個々の特性が切削時に総合的効果として働くことから、この結果の硬質被覆層はすぐれた高温耐摩耗性を発揮するようになり、したがって、硬質被覆層が前記下側層と上側層からなる被覆サーメット工具は、特に一段と高い発熱を伴うステンレス鋼や高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工に用いた場合にもすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
以上（Ａ）〜（Ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【００１０】
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、サーメット基体の表面に、ＡＩＰ装置とＳＰ装置を備え、装置中央部に前記サーメット基体装着用回転テーブルを設けた蒸着装置を用い、
（ａ）下側層として、上記回転テーブルを挟んで、上記ＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）を両側に対向配置し、一方側のカソード電極（蒸発源）としてＡｌ最低含有点形成用 Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）としてＡｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金をそれぞれ配置し、前記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複数のサーメット基体をリング状に装着し、この状態で蒸着装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、前記サーメット基体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て、
層厚方向にそって、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およびＴｉの含有割合がそれぞれ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最低含有点が、組成式：（Ｔｉ_{1- （Ｘ＋Ｚ）}Ａｌ_ＸＳｉ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｚは０．０５〜０．１５を示す）、
上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_{1- （Ｙ＋Ｚ）}Ａｌ_ＹＳｉ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．７０〜０．８５、Ｚは０．０５〜０．１０を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最低含有点とＡｌ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmであり、平均層厚が０．８〜８μｍである（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層、
（ｂ）上側層として、上記蒸着装置内雰囲気をＡｒ（アルゴン）と酸素の混合ガス雰囲気として上記回転テーブルを回転させると共に、前記回転テーブル上に同じくリング状に装着した上記サーメット基体自体も自転させながら、前記回転テーブルに面して配置した上記ＳＰ装置のカソード電極（蒸発源）である金属Ａｌとアノード電極との間でスパッタリングを行い、前記回転テーブル上の前記サーメット基体表面に蒸着形成した上記下側層に重ねて、０．２〜３μｍの平均層厚を有するＡｌ _２ Ｏ _３ 層、
以上（ａ）および（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。
【００１１】
つぎに、この発明の被覆サーメット工具において、これを構成す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）下側層におけるＡｌ最高含有点の組成
Ａｌ最高含有点の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）ＮにおけるＡｌ成分には高温硬さと耐熱性を向上させ、一方同Ｔｉ成分には、高温強度を向上させ、さらにＳｉ成分にはＡｌとの共存において耐熱性を一段と向上させる作用があるので、前記Ａｌ最高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、Ａｌの割合を示すＹ値がＴｉとＳｉとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．８５を越えると、相対的にＡｌの割合が多くなって、高い高温強度を有するＡｌ最低含有点が隣接して存在しても層自体の高温強度に低下傾向が現れるようになり、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方前記Ｙ値が同０．７０未満になると、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と耐熱性を確保することができなくなることから、Ｙ値を０．７０〜０．８５と定めた。
またＳｉ成分の割合を示すＺ値がＡｌとＴｉの合量に占める割合（原子比）で０．０５未満では所望の耐熱性向上効果が得られず、さらに同Ｚ値が０．１０を超えると、強度に低下傾向が現れるようになることから、Ｚ値を０．０５〜０．１０と定めた。
【００１２】
（ｂ）下側層におけるＡｌ最低含有点の組成
上記の通りＡｌ最高含有点は高温硬さと耐熱性のすぐれたものであるが、反面高温強度の劣るものであるため、このＡｌ最高含有点の高温強度不足を補う目的で、上記の従来（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）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、これによって高い高温強度を有するようになる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とＳｉとの合量に占める割合で０．０．６５を越えると、Ａｌの含有割合が多くなり過ぎて、所望のすぐれた高温強度を確保することができず、一方同Ｘ値が０．４０未満になると、Ａｌに対するＴｉの割合が多くなり過ぎて、Ａｌ最低含有点の高温硬さと耐熱性が不十分となり、これが摩耗促進の原因となることから、Ａｌ最低含有点でのＡｌの割合を示すＸ値を０．４０〜０．６５と定めた。
また、Ｓｉ成分の割合を示すＺ値も上記のＡｌ最高含有点におけると同じ理由で０．０５〜０．１５と定めた。
【００１３】
（ｃ）下側層における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、この結果下側層にすぐれた高温硬さと耐熱性、および高温強度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Ａｌ最高含有点であれば高温強度不足、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。
【００１４】
（ｄ）下側層の平均層厚
その平均層厚が０．８μｍ未満では、硬質被覆層に上記下側層のもつすぐれた高温特性を具備せしめることができず、この結果上側層であるＡｌ_２Ｏ_３層が存在しても、硬質被覆層がすぐれた高温耐摩耗性を発揮することができず、一方その平均層厚が８μｍを越えると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０．８〜８μｍと定めた。
【００１５】
（ｅ）上側層の平均層厚
硬質被覆層は、上記の通り下側層のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性と、上側層であるＡｌ_２Ｏ_３層のもつすぐれた高温耐酸化性との共存によって、高い発熱を伴なう高速切削ですぐれた高温耐摩耗性を発揮するようになるものであるが、その平均層厚が０．２μｍ未満では、硬質被覆層のもつ高温耐酸化性が不十分であり、この結果硬質被覆層に所望のすぐれた高温耐摩耗性を具備せしめることができず、一方その平均層厚が３μｍを越えると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０．２〜３μｍと定めた。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆サーメット工具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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃr₃ Ｃ₂ 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、切刃部分にＲ：０．０３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基超硬合金製のサーメット基体Ａ−２，Ａ−３，Ａ−５〜Ａ−７，Ａ−９，Ａ−１０を形成した。
【００１７】
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、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：０．０３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系サーメット製のサーメット基体Ｂ −１，Ｂ−２，Ｂ−５，Ｂ−６を形成した。
【００１８】
ついで、上記のサーメット基体のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示される蒸着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そって装着し、硬質被覆層の下側層形成に、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最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ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最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、さらに同じくカソード電極として上側層形成用金属Ａｌおよびボンバード洗浄用金属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サーメット基体に−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、もってサーメット基体表面をＴｉ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２Ｐａ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サーメット基体に−１００Ｖ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最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金およびＡｌ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金)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、もって前記サーメット基体の表面に、層厚方向に沿って表３に示される目標組成のＡｌ最高含有点とＡｌ最低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最低含有点から前記Ａｌ最高含有点、前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合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に示される目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層の下側層として蒸着形成し、ついで上記のＡｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金およびＡｌ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内に導入する反応ガスを酸素とＡｒの混合ガス（容量比で、酸素／Ａｒ＝１／１０）に切り替えて、装置内を２Ｐａの酸素雰囲気とすると共に、カソード電極である前記金属Ａｌとアノード電極との間に２０Ａの電流を流してスパッタリングを行ない、同じく表３に示される目標層厚のＡｌ_２Ｏ_３層を硬質被覆層の上側層として蒸着形成することにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製スローアウエイチップ（以下、本発明被覆チップと云う）１〜１１をそれぞれ製造した。
【００１９】
また、比較の目的で、上記のサーメット基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ同じく図１に示される蒸着装置に装入し、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−Ｓｉ合金（一方側のみ）および金属Ａｌを併設装着し、またボンバード洗浄用金属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、前記サーメット基体に−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、もってサーメット基体表面をＴｉ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２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記サーメット基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金の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、もって前記サーメット基体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、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、ついで前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内に導入する反応ガスを同じく酸素とＡｒの混合ガス（容量比で、酸素／Ａｒ＝１／１０）に切り替えて、装置内を２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、カソード電極である前記金属Ａｌとアノード電極との間に２０Ａの電流を流してスパッタリングを行ない、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成したもののうちの任意の約半数について、同じく表４に示される目標層厚のＡｌ_２Ｏ_３層を硬質被覆層の上側層として蒸着形成することにより、比較被覆サーメット工具としての比較表面被覆サーメット製スローアウエイチップ（以下、比較被覆チップと云う）１〜１１をそれぞれ製造した。
【００２０】
つぎに、上記の各種の被覆チップを、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、本発明被覆チップ１〜１１および比較被覆チップ１〜１１について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の丸棒、
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件でのステンレス鋼の乾式連続高速切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：４分、
の条件でのステンレス鋼の乾式断続高速切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ２の丸棒、
切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での高マンガン鋼の乾式連続高速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。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
【表３】

【００２４】
【表４】

【００２５】
【表５】

【００２６】
（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２４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種のサーメット基体形成用丸棒焼結体Ｃ−１〜Ｃ−３，Ｃ−５，Ｃ−６，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−１〜Ｃ−３，Ｃ−５，Ｃ−８を用い、これから研削加工にて、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ＷＣ基超硬合金製のエンドミルサーメット基体をそれぞれ製造した。
【００２７】
ついで、これらのエンドミルサーメット基体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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表７に示される目標組成のＡｌ最高含有点とＡｌ最低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最低含有点から前記Ａｌ最高含有点、前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、同じく表７に示される目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下側層と、同じく表７に示される目標層厚のＡｌ_２Ｏ_３層からなる上側層で構成された硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製エンドミル（以下、本発明被覆エンドミルと云う）１〜５をそれぞれ製造した。
【００２８】
また、比較の目的で、上記のエンドミルサーメット基体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の蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表８に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、さらに前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成したもののうちの任意の３本について、同じく表８に示される目標層厚のＡｌ_２Ｏ_３層を硬質被覆層の上側層として蒸着形成しすることにより、比較被覆サーメット工具としての比較表面被覆サーメット製エンドミル（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。
【００２９】
つぎに、上記本発明被覆エンドミル１〜５および比較被覆エンドミル１〜５のうち、本発明被覆エンドミル１〜３および比較被覆エンドミル１〜３については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１．０ｍｍ、
テーブル送り：２４０ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速溝切削加工試験、本発明被覆エンドミル４および比較被覆エンドミル４については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ２の板材、
切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：２．５ｍｍ、
テーブル送り：２２０ｍｍ／分、
の条件での高マンガン鋼の乾式高速溝切削加工試験、本発明被覆エンドミル５および比較被覆エンドミル５については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：５．０ｍｍ、
テーブル送り：１２０ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速溝切削加工試験をそれぞれ行い、いずれの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。この測定結果を表７，８にそれぞれ示した。
【００３０】
【表６】

【００３１】
【表７】

【００３２】
【表８】

【００３３】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍおよび１３ｍｍの２種の丸棒焼結体のうちの 丸棒焼結体Ｃ−１，Ｃ−３，Ｃ−５，Ｃ−６を用い、これから研削加工にて、表６に示される組み合わせで、溝形成部の直径×長さがそれぞれ４ｍｍ×１３ｍｍおよび８ｍｍ×２２ｍｍ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ＷＣ基超硬合金製のドリルサーメット基体をそれぞれ製造した。
【００３４】
ついで、これらのドリルサーメット基体の切刃に、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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表９に示される目標組成のＡｌ最高含有点とＡｌ最低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Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点、前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点へ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に示される目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下側層と、同じく表９に示される目標層厚のＡｌ_２Ｏ_３層からなる上側層で構成された硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明被覆サーメット工具としての本発明表面被覆サーメット製ドリル（以下、本発明被覆ドリルと云う）１〜４をそれぞれ製造した。
【００３５】
また、比較の目的で、上記のドリルサーメット基体の表面に、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の蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表１０に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、さらに前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成したもののうちの任意の１本について、同じく表１０に示される目標層厚のＡｌ_２Ｏ_３層を硬質被覆層の上側層として蒸着形成することにより、比較被覆サーメット工具としての比較表面被覆サーメット製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜４をそれぞれ製造した。
【００３６】
つぎに、上記本発明被覆ドリル１〜４および比較被覆ドリル１〜４のうち、本発明被覆ドリル１，２および比較被覆ドリル１，２については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ２の板材、
切削速度：５５ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：４ｍｍ、
の条件での高マンガン鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、本発明被覆ドリル３，４および比較被覆ドリル３，４については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼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１０、１１にそれぞれ示した。
【００３７】
【表９】

【００３８】
【表１０】

【００３９】
この結果得られた本発明被覆サーメット工具としての本発明被覆チップ１〜１１、本発明被覆エンドミル１〜５、および本発明被覆ドリル１〜４の硬質被覆層を構成する下側層におけるＡｌ最低含有点とＡｌ最高含有点の組成、並びに比較被覆サーメット工具としての比較被覆チップ１〜１１、比較被覆エンドミル１〜５、および比較被覆ドリル１〜４の硬質被覆層の下側層について、厚さ方向に沿ってＡｌ、Ｔｉ、およびＳｉの含有量をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、前記本発明被覆サーメット工具の下側層では、Ａｌ最低含有点とＡｌ最高含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ組成および間隔で交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点、前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有することが確認され、一方前記比較被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層では厚さ方向に沿って組成変化が見られなかったが、目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また上記の硬質被覆層の上側層および下側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同じ値を示した。
【００４０】
【発明の効果】
表３〜１０に示される結果から、硬質被覆層が（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の下側層とＡｌ_２Ｏ_３層の上側層で構成され、前記下側層が層厚方向にＡｌ最高含有点とＡｌ最低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最低含有点から前記Ａｌ最高含有点、前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点へＡｌおよび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本発明被覆サーメット工具は、いずれもステンレス鋼や高マンガン鋼などの難削材の切削加工を高い発熱を伴う高速条件で行っても、前記硬質被覆層が前記下側層によるすぐれた高温硬さと耐熱性および前記上側層によるすぐれた高温耐酸化性を具備し、これら硬質被覆層の構成層のもつ個々の特性の総合的効果として、切削時にすぐれた高温耐摩耗性を発揮ようになることから、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すのに対して、硬質被覆層（下側層）が層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる比較被覆サーメット工具においては、前記難削材の高温を伴う高速切削加工では切刃部の摩耗進行がきわめて速く、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、この発明の被覆サーメット工具は、各種の鋼や鋳鉄は勿論のこと、ステンレス鋼や高マンガン鋼などの難削材の切削加工をきわめて高い発熱を伴なう高速切削条件で行なった場合にもすぐれた高温耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の高性能化、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 被覆サーメット工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【図２】 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)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン系サーメットからなるサーメット基体の表面に、アークイオンプレーティング装置とスパッタリング装置を備え、装置中央部に前記サーメット基体装着用回転テーブルを設けた蒸着装置を用い、
   （ａ）下側層として、上記回転テーブルを挟んで、上記アークイオンプレーティング装置のカソード電極（蒸発源）を両側に対向配置し、一方側のカソード電極（蒸発源）としてＡｌ最低含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）としてＡｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金をそれぞれ配置し、前記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複数のサーメット基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、前記サーメット基体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て、
   層厚方向にそって、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およびＴｉの含有割合がそれぞれ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最低含有点が、組成式：（Ｔｉ_{1- （Ｘ＋Ｚ）}Ａｌ_ＸＳｉ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｚは０．０５〜０．１５を示す）、
   上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_{1- （Ｙ＋Ｚ）}Ａｌ_ＹＳｉ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．７０〜０．８５、Ｚは０．０５〜０．１０を示す）、
   をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最低含有点とＡｌ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmであり、平均層厚が０．８〜８μｍであるＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、
   （ｂ）上側層として、上記蒸着装置内雰囲気をＡｒ（アルゴン）と酸素の混合ガス雰囲気として上記回転テーブルを回転させると共に、前記回転テーブル上に同じくリング状に装着した上記サーメット基体自体も自転させながら、前記回転テーブルに面して配置した上記スパッタリング装置のカソード電極（蒸発源）である金属Ａｌとアノード電極との間でスパッタリングを行い、前記回転テーブル上の前記サーメット基体表面に蒸着形成した上記下側層に重ねて、０．２〜３μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
   以上（ａ）および（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。

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