JP5077743B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

この発明は、特にステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの溶着性の高い難削材の切削加工を、高速高送りの切削条件で行った場合に、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

一般に、被覆工具には、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。

また、被覆工具として、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工具基体の表面に、
組成式：（Ａｌ_{１−（Ｐ＋Ｑ）}Ｃｒ_ＰＭ_Ｑ）Ｎ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分であり、また、Ｐ、Ｑは原子比によるＣｒ成分、Ｍ成分の含有割合を示す）
を満足するＡｌとＣｒとＭの複合窒化物（以下、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎで示す）層からなる硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆工具が知られており、かつ前記被覆工具の硬質被覆層である（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層が、構成成分であるＡｌによって高温硬さ、同Ｃｒによって高温強度、また、ＣｒとＡｌの共存含有によって耐熱性が向上すること、さらに、Ｍ成分として、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上を含有させた場合には、硬質被覆層の耐摩耗性、高温耐酸化性等の特性が向上することから、これを各種の一般鋼や普通鋳鉄など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。

さらに、上記の被覆工具が、例えば図１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工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃の温度に加熱した状態で、硬質被覆層の目標組成に対応した所定組成を有するＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に、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、一方上記工具基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、目標組成の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる硬質被覆層をそれぞれ蒸着することにより製造されることも知られている。
特開平９−４１１２７号公報 特開２００４−１０６１８３号公報 特開２００４−２６９９８５号公報 特開２００５−３３０５３９号公報 特開２００６−８２２０９号公報

近年の切削加工装置のＦＡ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、切削工具には被削材の材種にできるだけ影響を受けない汎用性、すなわち、できるだけ多くの材種の切削加工が可能な切削工具が求められる傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを低合金鋼や炭素鋼などの一般鋼や、ダクタイル鋳鉄やねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄の切削加工に用いた場合には問題はないが、特に切粉の粘性が高く、かつ工具表面に溶着し易いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材（被削材）の切削加工を、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に局部的に高負荷がかかる高速高送り切削条件で行った場合には、硬質被覆層の熱伝導性・熱放散性が不十分であるため、硬質被覆層は切削時に発生する高熱によって過熱され、かなりの温度上昇が避けられず、被削材および切粉は高温に加熱されて溶着性が一段と増大し、この結果切刃部におけるチッピング（微少欠け）の発生が急激に増加し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特にステンレス鋼や高マンガン鋼や軟鋼などの難削材の切削加工を、高速高送りの切削条件で行った場合に、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、上記の従来被覆工具に着目し、研究を行った結果、以下の知見を得た。
（ａ）上記従来被覆超硬工具の硬質被覆層である（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を下部層として２〜１０μｍの平均層厚で形成し、これの上に上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚でＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層を蒸着形成すると、このＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層は熱伝導性がよくすぐれた熱放散性を有し、切削加工時に硬質被覆層が高温に加熱されても熱が直ちに放散され、硬質被覆層が過熱されることがないため、被削材および切粉の切刃部表面に対する溶着が著しく低減され、その結果、下部層である（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層は十分に保護され、長期に亘ってすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮すること。

（ｂ）そして、上記硬質被覆層における下部層としての（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層および上部層としてのＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層は、例えば、図１に示す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工具基体装着用回転テーブルを設け、カソード電極（蒸発源）として所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金を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工具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工具基体自体も自転させながら、
まず、前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金のカソード電極（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、前記工具基体の表面に、下部層として（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を２〜１０μｍの平均層厚で蒸着形成した後、
前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を継続させたまま、装置内雰囲気を窒素雰囲気からＡｒ雰囲気へと徐々に切り替え、最終的にＡｒ雰囲気中で、カソード電極（蒸発源）である前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、上部層としてのＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層を０．３〜１μｍの平均層厚で蒸着形成することにより、
所定平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層と、所定平均層厚のＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層からなる上部層を蒸着で形成できること。

（ｃ）上記の下部層および上部層で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具は、特に溶着性の高いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の切削加工を、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に局部的に高負荷がかかる高速高送り切削条件で行っても、下部層である（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層がすぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性、高温耐酸化性を備え、また、上部層が、被削材（難削材）に対するすぐれた耐溶着性を備えることから、このような下部層と上部層からなる硬質被覆層は、全体として、難削材および切粉の切刃部表面に対する溶着性が著しく低減された状態で切削加工が行われ、切刃部におけるチッピングの発生もなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。

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、
「 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、２〜１０μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ_{１−（Ｘ＋Ｚ）}Ｃｒ_ＸＭ_Ｚ）Ｎ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分を示し、また、ＸはＣｒの含有割合、ＺはＭの含有割合をそれぞれ示し、原子比で、０．１０≦Ｘ≦０．５４、０．０１≦Ｚ≦０．２５、０．２５≦Ｘ＋Ｚ≦０．５５である）を満足するＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層）、
（ｂ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有する蒸着形成された、
組成式：Ａｌ_{１−（Ｘ＋Ｚ）}Ｃｒ_ＸＭ_Ｚ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分を示し、また、ＸはＣｒの含有割合、ＺはＭの含有割合をそれぞれ示し、原子比で、０．１０≦Ｘ≦０．５４、０．０１≦Ｚ≦０．２５、０．２５≦Ｘ＋Ｚ≦０．５５である）を満足するＡｌとＣｒとＭの合金層（Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層）、
上記（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具（被覆工具）。」
に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。

（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層；
下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎの構成成分であるＡｌ成分には硬質被覆層における高温硬さを向上させ、同Ｃｒ成分には高温強度を向上させ、また、ＣｒとＡｌの共存含有によって耐熱性を向上させる作用があり、さらに、Ｍ成分のうちの、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、には硬質被覆層の耐摩耗性を向上させる作用があり、また、Ｙには硬質被覆層の高温耐酸化性を向上させる作用があるが、Ｃｒの割合を示すＸ値がＡｌとＭの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．１０未満になると、難削材の高速高送り切削加工で必要とされる高温強度を確保することができず、チッピングの発生を防止することが困難になり、一方、Ｃｒの割合を示すＸ値が同０．５４を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、所定の高温硬さを確保することができず、これが耐摩耗性低下の原因となり、さらに、Ｍ成分の含有割合を示すＺ値（Ｚ値は、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分の含有量の合計値）がＡｌとＣｒとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．０１未満では、Ｍ成分を含有させたことによる耐摩耗性、高温耐酸化性等の特性向上が期待できず、一方同Ｚ値が０．２５を超えると、高温強度に低下傾向が現れるようになることから、Ｘ値を０．１０〜０．５４、Ｚ値を０．０１〜０．２５と定めた。

また、その平均層厚が２μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方その平均層厚が１０μｍを越えると、上記の溶着性の高い難削材の高速高送り切削加工では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２〜１０μｍと定めた。

Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層からなる上部層；
上部層を構成するＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層は、切削加工時に硬質被覆層が高温に加熱されても熱が直ちに放散され、硬質被覆層が過熱されることがないため、被削材および切粉の切刃部表面に対する溶着が著しく低減されるというすぐれた熱伝導性・熱放散性を備えるが、切削加工時のピッチング発生防止を図るためには所定の高温強度を有する必要もあるところ、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層中のＣｒの含有割合を示すＸ値が０．１０未満になると熱伝導性・熱放散性が極端に低下し、また、Ｘ値が０．５４を超えると、高温硬さが低下してしまうので、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層中のＣｒの含有割合（Ｘ値）は０．１０〜０．５４とする必要がある。また、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層におけるＭ成分の含有割合を示すＺ値（Ｚ値は、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分の含有量の合計値）がＡｌとＣｒとの合量に占める割合で０．０１未満では、所望の高温強度を確保することができず、一方、Ｚ値が０．２５を超えると、高温での皮膜靭性を確保することができず、チッピングの発生を防止することが困難になることから、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層中のＭ成分の含有割合（Ｚ値）は０．０１〜０．２５とする必要がある。
この発明では、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層を蒸着形成するにあたって、例えば、下部層である前記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を蒸着形成するのに使用したのと同じカソード電極（蒸発源）を用い、装置内雰囲気を窒素ガスからＡｒガスへと徐々に切り替えることによってＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層を蒸着形成しているため、蒸着形成されたＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層中には、下部層における含有割合とほぼ同じような割合でＡｌ，Ｃｒ，Ｍが含有されることから、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層の蒸着形成にあたっては、合金層の組成については特に厳密に管理しなくても、すぐれた熱伝導性・熱放散性と所定の高温強度を備えた所定組成のＡｌ_{１−（Ｘ＋Ｚ）}Ｃｒ_ＸＭ_Ｚ（Ｘ、Ｚは、原子比で、０．１０≦Ｘ≦０．５４、０．０１≦Ｚ≦０．２５、０．２５≦Ｘ＋Ｚ≦０．５５）を蒸着形成することができる。
ただ、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層の平均層厚が０．３μｍ未満であると、すぐれた熱伝導性・熱放散性という特性を十分発揮することができず、また、その平均層厚が１μｍを超えると、被削材との間で溶着を生じやすくなり、切削特性を劣化させることになるので、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層の平均層厚は０．３〜１μｍと定めた。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層を構成する下部層の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性、高温耐酸化性を有し、また、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層からなる上部層が、すぐれた耐溶着性を有することから、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性、高温耐酸化性に加え、すぐれた耐溶着性を備えたものとなり、その結果、溶着性の高いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の、大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速高送り切削加工であっても、すぐれた耐チッピング性とともに、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。

つぎに、この発明の被覆工具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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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、ＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ−１〜Ａ−１０を形成した。

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（質量比で、ＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ_２Ｃ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、ＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。

（ａ）ついで、上記の工具基体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、前記回転テーブルを挟んで相対向する両側にカソード電極（蒸発源）を配置し、その一方にはカソード電極（蒸発源）としてボンバード用の金属Ｔｉを配置し、また、その他方にはカソード電極（蒸発源）として所定組成の下部層形成用のＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金を配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ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工具基体に−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ボンバード用の金属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、もって工具基体表面を前記金属Ｔｉによってボンバード洗浄し、
（ｃ）次に、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工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に、表３、表４に示される目標組成、目標層厚の下部層としての（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を２〜１０μｍの平均層厚で蒸着形成した後、前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
（ｄ）前記カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を継続させつつ、同時に、装置内雰囲気を窒素ガス雰囲気からアルゴンガス雰囲気へと徐々に切り替え、最終的には０．５Ｐａのアルゴンガス雰囲気中で、カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表３、表４に示される目標組成、目標平均層厚のＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層を上部層として蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明表面被覆超硬製チップ（以下、本発明被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、これら工具基体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、カソード電極（蒸発源）として所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．１Ｐａ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、前記工具基体に−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、もって工具基体表面をボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記カソード電極のＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれの表面に、表５、表６に示される目標組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、
従来被覆工具としての従来表面被覆超硬製チップ（以下、従来被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の各種の被覆工具を、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、本発明被覆工具１〜１６および比較被覆工具１〜１６について、
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： ３８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．３５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）での鋳鉄の乾式高速断続高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの丸棒、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．２ ｍｍ、
送り： ０．４０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｂ）での炭素鋼の乾式高速連続高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
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： ３８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．３５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での合金鋼の乾式高速断続高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
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７に示した。

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Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ［質量比で、ＴｉＣ／ＷＣ＝５０／５０］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種の工具基体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ＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（エンドミル）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、表９に示される目標組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を下部層として、また、同じく表９に示される目標組成、目標平均層厚のＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層を表面層として蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明表面被覆超硬製エンドミル（以下、本発明被覆エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、上記の工具基体（エンドミル）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、表１０に示される目標組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、
従来被覆工具としての従来表面被覆超硬製エンドミル（以下、従来被覆エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明被覆エンドミル１〜８および従来被覆エンドミル１〜８のうち、
本発明被覆エンドミル１〜３および従来被覆エンドミル１〜３については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ２５０の板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： ５８０ ｍｍ／分、
の条件での鋳鉄の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、９０ｍ／ｍｉｎ．、４００ｍｍ／分）、
本発明被覆エンドミル４〜６および従来被覆エンドミル４〜６については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １３０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ８ ｍｍ、
テーブル送り： ６００ ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、８０ｍ／ｍｉｎ．、４５０ｍｍ／分）、
本発明被覆エンドミル７，８および従来被覆エンドミル７，８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： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １６ ｍｍ、
テーブル送り： ４５０ ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、８０ｍ／ｍｉｎ．、３００ｍｍ／分）、
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９、表１０にそれぞれ示した。

上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（工具基体Ｃ−１〜Ｃ−３形成用）、１３ｍｍ（工具基体Ｃ−４〜Ｃ−６形成用）、および２６ｍｍ（工具基体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（工具基体Ｄ−１〜Ｄ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（工具基体Ｄ−４〜Ｄ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（工具基体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ＷＣ基超硬合金製の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（ドリル）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、表１１に示される目標組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を下部層として、また、同じく表１１に示される目標組成、目標層厚のＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層を上部層として蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明表面被覆超硬製ドリル（以下、本発明被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、上記の工具基体（ドリル）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、表１２に示される目標組成および目標平均層厚を有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、
従来被覆工具としての従来表面被覆超硬製ドリル（以下、従来被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明被覆ドリル１〜８および従来被覆ドリル１〜８のうち、本発明被覆ドリル１〜３および従来被覆ドリル１〜３については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ）、
本発明被覆ドリル４〜６および従来被覆ドリル４〜６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： １３０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．４０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： １５ ｍｍ、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、８０ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、
本発明被覆ドリル７，８および従来被覆ドリル７，８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： １２０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．４０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ２８ ｍｍ、
の条件での鋳鉄の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、６０ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、
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、表１２にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明被覆工具としての本発明被覆チップ１〜１６、本発明被覆エンドミル１〜８、および本発明被覆ドリル１〜８の硬質被覆層の下部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層の組成、並びに、従来被覆工具としての従来被覆チップ１〜１６、従来被覆エンドミル１〜８、および従来被覆ドリル１〜８の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる硬質被覆層の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。

さらに、本発明被覆工具の表面層を構成するＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層の組成を同じく透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。

また、本発明被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層およびＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層、さらに、従来被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ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平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

表７、９〜１２に示される結果から、本発明被覆工具は、ステンレス鋼、高マンガン鋼、軟鋼などの溶着性の高い難削材の切削加工を、高速高送りの切削条件で行った場合に、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性、高温耐酸化性を有し、かつ、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金層からなる上部層が、すぐれた熱伝導性・熱放散性を備えることによって、切削加工時に硬質被覆層が高温に加熱されても熱が直ちに放散され、硬質被覆層が過熱されることがないため、被削材および切粉の切刃部表面に対する溶着が著しく低減され、チッピングの発生もなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層で構成された従来被覆工具においては、いずれも高速高送り切削時に発生する高熱によって、被削材、切粉との溶着が促進されると同時に、切刃部に加わる大きな機械的負荷によって、チッピング発生も促進され、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、この発明の被覆工具は、一般鋼や普通鋳鉄など通常条件での切削加工は勿論のこと、ステンレス鋼、高マンガン鋼、軟鋼などの溶着性の高い難削材の、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に局部的に高負荷がかかる高速高送り切削加工においても、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ＦＡ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。

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の概略平面図である。

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基サーメットで構成された工具基体の表面に、
   （ａ）下部層として、２〜１０μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ａｌ _{１−（Ｘ＋Ｚ）} Ｃｒ _Ｘ Ｍ _Ｚ ）Ｎ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分を示し、また、ＸはＣｒの含有割合、ＺはＭの含有割合をそれぞれ示し、原子比で、０．１０≦Ｘ≦０．５４、０．０１≦Ｚ≦０．２５、０．２５≦Ｘ＋Ｚ≦０．５５である）を満足するＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層、
   （ｂ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有する蒸着形成された、
   組成式：Ａｌ_{１−（Ｘ＋Ｚ）}Ｃｒ_ＸＭ_Ｚ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分を示し、また、ＸはＣｒの含有割合、ＺはＭの含有割合をそれぞれ示し、原子比で、０．１０≦Ｘ≦０．５４、０．０１≦Ｚ≦０．２５、０．２５≦Ｘ＋Ｚ≦０．５５である）を満足するＡｌとＣｒとＭの合金層、
   上記（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具。
   
   

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