JP5239953B2 - 溶着性の高い被削材の重切削加工で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、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の切削加工を、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削条件で行った場合にも、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、表面被覆切削工具には、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。

また、表面被覆切削工具の一つとして、例えば、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基体（以下、工具基体という）の表面に、
組成式：［Ａｌ_αＴｉ_{1-（α＋β）}Ｓｉ_β］Ｎ（ただし、原子比で、αは０．５０〜０．６５、βは０．０１〜０．１０を示す）、
を満足する均質組成の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２〜１０μｍの平均層厚で蒸着形成してなる被覆工具（以下、従来被覆工具１という）が知られており、かかる従来被覆工具においては、硬質被覆層を構成する前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が、構成成分であるＡｌによって高温硬さ、同Ｔｉによって高温強度、さらに同Ｓｉによって耐熱性を有するようになることが知られている。
そして、上記の被覆工具は、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、硬質被覆層である（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の組成に対応した組成を有する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、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。

また、工具基体の表面に、硬質被覆層としての均質組成のＡｌとＳｉの複合酸化物層を、上記従来被覆工具と同様に、アークイオンプレーティングで蒸着形成した被覆工具（以下、従来被覆工具２という）も知られており、この従来被覆工具Ｂは、合金鋼等の切削加工で優れた耐摩耗性を示すことも知られている。

特許第２７９３７７３号明細書 特開２０００−１２９４４５号公報 特開２０００−２４６５０７号公報

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、切削加工は一段と厳しい切削条件下で行われるようになってきているが、上記従来被覆工具１及び従来被覆工具２においては、これを鋼や鋳鉄などの通常条件での切削加に用いた場合には、特段の問題はないが、特に、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材を、切刃に高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削条件で切削加工を行うのに用いた場合には、高負荷が作用する切刃部で切粉との溶着が生じやすく、その結果として、チッピング（微少欠け）の発生により、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、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の重切削加工で、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を開発すべく、上記の従来被覆工具の硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、以下の知見を得た。

（ａ）前記の従来被覆工具１の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は、Ａｌ成分によって高温硬さ、Ｔｉ成分によって高温強度、また、Ｓｉ成分によって耐熱性の向上が図られることから、従来被覆工具１の硬質被覆層はすぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を備えているが、溶着性の高い被削材の切削加工、特に、切刃部に高負荷が作用する高送り、高切り込みの切削加工では、切粉が溶着しやすくなり、その結果、チッピングの発生を抑えることが難しい。

（ｂ）そこで、本発明者等は、上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層とし、この上に、従来被覆工具２における均一組成のＡｌとＳｉの複合酸化物層（以下、（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層で示す）を蒸着形成したところ、上記（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層は、下部層との密着性にすぐれるばかりか、すぐれた高温硬さを有し、熱的安定性、酸化進展抑制効果に優れることがわかった。

（ｃ）しかし、切削条件をより厳しいもの（例えば、高送り、高切り込みの重切削条件）としたような場合には、切刃に高負荷が作用するようになり、その一方、（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層は充分な靭性を備えていないために、チッピング発生の抑制効果は未だ不十分であることが判明した。

（ｄ）そこで、本発明者等は更に検討を進め、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層とし、この上に、（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を中間層として蒸着形成した後、この上に更に、層中のＯ（酸素）含有割合が、上部層の層表面に向かうに従って小さくなる傾斜組成構造のＡｌとＳｉの複合酸化物層を上部層として蒸着形成したところ、表層近傍が低Ｏ（酸素）含有割合となる組成傾斜型の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層は、溶着性の高い被削材との滑り性に優れていることから、溶着を生じやすい被削材の切削であって、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削加工において、すぐれた耐チッピング性を発揮し、また、中間層は、下部層とのすぐれた密着性、すぐれた高温硬さ、すぐれた熱的安定性、酸化進展抑制効果を備えるため、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層、（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる中間層及び上記組成傾斜型の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層を硬質被覆層として備えた被覆工具は、長期に使用に亘ってすぐれた耐チッピング性及び耐摩耗性を発揮することがわかった。

この発明は、上記の知見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、下部層、中間層及び上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）下部層は、２〜１０μｍの平均層厚を有し、下部層全体における平均組成を、
組成式：（Ａｌ_αＴｉ_{１−（α＋β）}Ｓｉ_β）Ｎ
で表した場合、０．５０≦α≦０．６５，０．０１≦β≦０．１０（但し、α，βはいずれも原子比）を満足するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、
（ｂ）中間層は、１〜３μｍの平均層厚を有し、中間層全体における平均組成を、
組成式：（Ａｌ_１−ＹＳｉ_Ｙ）_２Ｏ_３
で表した場合、０．０１≦Ｙ≦０．３（但し、Ｙは原子比）を満足するＡｌとＳｉの複合酸化物層、
（ｃ）上部層は、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、上部層全体における平均組成を、
組成式：（Ａｌ_１−ＹＳｉ_Ｙ）_１−ＸＯ_Ｘ
で表した場合、０≦Ｘ≦０．１，０．０１≦Ｙ≦０．３（但し、Ｘ，Ｙはいずれも原子比）を満足し、さらに、上部層におけるＯ（酸素）含有割合は、中間層側から上部層表面に向かって減少する傾斜組成を有する組成傾斜型のＡｌとＳｉの複合酸化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具。」
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について詳細に説明する。
（ａ）下部層を構成するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層におけるＡｌ成分には高温硬さを向上させ、Ｔｉ成分には高温強度を向上させ、また、Ｓｉ成分には耐熱性を向上させる作用がある。
下部層を構成するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層の、下部層全体における平均組成を、
組成式：（Ａｌ_αＴｉ_{１−（α＋β）}Ｓｉ_β）Ｎ
で表した場合、ＴｉとＳｉとの合量に占めるＡｌの含有割合α（原子比、以下同じ）が０．５０未満では、相対的にＴｉの割合が多くなって、硬質被覆層としての高温硬さを確保することができず、摩耗進行が急激に促進するようになり、一方、ＴｉとＳｉとの合量に占めるＡｌの含有割合α（原子比）が０．６５を越えると、相対的にＴｉの割合が少なくなり過ぎて、高温強度が急激に低下し、この結果チッピング（微少欠け）などが発生し易くなることから、ＴｉとＳｉとの合量に占めるＡｌの含有割合α（原子比）は、０．５０〜０．６５と定めることが望ましい。
また、ＡｌとＴｉの合量に占めるＳｉの含有割合β（原子比）が０．０１未満では、所定の耐熱性を確保することができず、一方、Ｓｉの含有割合β（原子比）が０．１０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、ＡｌとＴｉの合量に占めるＳｉの含有割合β（原子比）は０．０１〜０．１０と定めることが望ましい。
さらに、下部層の平均層厚が２μｍ未満では、自身のもつすぐれた高温硬さを硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方、その平均層厚が１０μｍを越えると、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。

（ｂ）中間層を構成するＡｌとＳｉの複合酸化物層（（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層）
中間層を構成する（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層は、下部層との密着性にすぐれるばかりか、すぐれた高温硬さを有し、熱的安定性、酸化進展抑制効果に優れる。
中間層を構成する（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層の中間層全体における平均組成を、
組成式：（Ａｌ_１−ＹＳｉ_Ｙ）_２Ｏ_３
で表した場合、Ｓｉの含有割合Ｙ（但し、原子比）が０．０１未満であると、溶着性の高い被削材の重切削加工において、中間層が十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、Ｙ（原子比）が０．３を超えると、中間層全体としての靭性が低下し、切刃に作用する高負荷によって、欠損を発生しやすくなるので、中間層におけるＳｉ含有割合Ｙを０．０１≦Ｙ≦０．３（原子比）と定めた。
また、中間層の平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用に亘って上記の優れた作用を発揮することができず、一方、平均層厚が３μｍを超えると、切刃に作用する高負荷によって、欠損を生じやすくなるので、中間層の平均層厚は１〜３μｍと定めた。

（ｃ）上部層を構成する組成傾斜型のＡｌとＳｉの複合酸化物層
組成傾斜型のＡｌとＳｉの複合窒化物層（以下、中間層と区別するため、組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層という）は、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の、特に、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削加工においては、耐チッピング性が不十分であることから、耐チッピング性を改善するために設けられた上部層である。
上部層の表面近傍において、Ｏ（酸素）含有割合が低下するような組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を上部層として形成すると、上部層表面は、溶着性の高い被削材との滑り性に優れていることから、切刃に高負荷が作用する溶着を生じやすい被削材の高送り、高切り込みの重切削加工において、すぐれた耐チッピング性を発揮するようになる。

組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層の上部層全体における平均組成を、
組成式：（Ａｌ_１−ＹＳｉ_Ｙ）_１−ＸＯ_Ｘ
で表した場合、Ａｌ成分及びＳｉ成分の合計含有量に対するＯ（酸素）含有割合Ｘ（但し、原子比）が、０．１を超えると、溶着性の高い被削材との滑り性が低下傾向を示し、その結果、耐チッピング性の改善効果が充分発揮されなくなることから、Ｏ（酸素）含有割合Ｘ（但し、原子比）を０≦Ｘ≦０．１と定めた。
しかも、上部層におけるＯ（酸素）含有割合が、中間層側から上部層表面に向かって減少する傾斜組成構造を採用することによって、上部層の高温硬さ、熱的安定性等を著しく低下させることなしに、被削材とのすぐれた滑り性を上部層表面で確保することが可能となる。
また、Ａｌとの合量に占めるＳｉの含有割合Ｘ（但し、原子比）は、中間層の場合と同様、Ｙが０．０１未満であると、溶着性の高い被削材の重切削加工において、十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、Ｙ（原子比）が０．３を超えると、靭性が低下し、切刃に作用する高負荷によって、欠損を発生しやすくなるので、上部層におけるＳｉ含有割合Ｙは０．０１≦Ｙ≦０．３（原子比）と定めた。
さらに、上記組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層の平均層厚が０．３μｍ未満では、長期の使用に亘って被削材との優れたすべり性を確保することができず、一方、平均層厚が１μｍを超えると、切刃に作用する高負荷によって、欠損を生じやすくなるので、組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層の平均層厚は０．３〜１μｍと定めた。

（ｄ）硬質被覆層の蒸着形成
この発明の下部層、中間層、上部層からなる硬質被覆層は、たとえば、図１に示すアークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰという）装置からなる通常の物理蒸着装置（ＰＶＤ装置）によって蒸着形成することができる。
例えば、ＡＩＰ装置の一方には基体洗浄用のＴｉ電極からなるカソード電極、他方には（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層形成用の所定成分組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極を設け、上記Ｔｉ電極、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極とは異なる位置に、中間層、上部層蒸着用のＡｌ−Ｓｉ合金カソード電極をそれぞれ設け、
まず、例えば、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体を洗浄・乾燥し、図１に示されるＡＩＰ装置内の回転テーブル上に装着し、基体洗浄用のＴｉ電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、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、工具基体にバイアス電圧を印加しつつ、下部層形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、工具基体表面に所定層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層として蒸着形成し、
ついで、装置内に反応ガスとしての酸素を含有する雰囲気ガスを導入し、Ａｌ−Ｓｉ合金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、工具基体表面に所定層厚の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を中間層として蒸着形成し、
ついで、Ａｌ−Ｓｉ合金カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を維持したままで、雰囲気ガス中の酸素含有量を次第に低減することによって、酸素含有割合が中間層側から上部層表層に向かうにしたがって徐々に減少する、所定層厚の組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層を蒸着形成することができる。

この発明の表面被覆切削工具は、硬質被覆層の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を有し、さらに、この上に形成された（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる中間層が、すぐれた高温硬さ、熱的安定性、酸化進展抑制効果を有し、さらにこの上に形成された組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層が、すぐれた高温硬さ、熱的安定性等とともに、溶着性の高い被削材とのすぐれた滑り性を備えていることから、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の、特に、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削加工において、すぐれた耐チッピング性を発揮し、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。

硬質被覆層を形成するのに用いたＡＩＰ装置の概略説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。

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、Ｃr₃Ｃ₂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（重量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ₂Ｃ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：０．０３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基サーメット製の工具基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。

（ａ）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ＡＩＰ装置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、ＡＩＰ装置の一方にボンバード洗浄用のＴｉカソード電極（蒸発源）を、他方側に所定組成の下部層形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極（蒸発源）を配置し、さらに、上記Ｔｉカソード電極、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極とは異なる位置に、中間層及び上部層形成用のＡｌ−Ｓｉ合金カソード電極（蒸発源）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、かつ一方側のＡＩＰ装置のＴｉカソード電極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、
（ｃ）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工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記下部層形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極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、もって前記工具基体の表面に、表３，４に示される目標組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして酸素ガスを導入して１Ｐａ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た状態で、Ａｌ−Ｓｉ合金カソード電極（蒸発源）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、下部層の上に（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる中間層を蒸着し、
（ｅ）ついで、Ａｌ−Ｓｉ合金カソード電極（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、酸素含有量が徐々に低減するように雰囲気を調整し、表３，４に示される目標平均層厚、目標酸素含有割合Ｘ値の組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層を形成することにより、
本発明被覆工具としての表面被覆スローアウエイチップ（以下、本発明被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

比較例１：
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、図１に示されるＡＩＰ装置に装入し、
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、かつ一方側のＡＩＰ装置のＴｉカソード電極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、かつ前記下部層形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極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、もって前記工具基体の表面に、表５，６に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
ついで、装置内に反応ガスとして酸素を含有する雰囲気ガスを導入して Ｐａ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た状態で、Ａｌ−Ｓｉ合金カソード電極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、下部層の上に表５，６に示される目標均一組成の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層（本発明でいう中間層に相当）を蒸着し、
比較被覆工具としての表面被覆スローアウエイチップ（以下、比較被覆チップと云う）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１〜１６および比較被覆チップ１〜１６について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．４５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ａという）での軟鋼の乾式連続高送り・高切込み切削加工試験（通常の送り及び切り込みは、それぞれ、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： １２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式断続高送り切削加工試験（通常の送りは、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の丸棒、
切削速度： １６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．０ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｃという）でのステンレス鋼の乾式連続高切込み切削加工試験（通常の切り込みは、１．５ｍｍ）、
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１０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ＡＩＰ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層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層として形成し、同じく、目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を中間層として形成し、さらに、同じく表９に示される目標平均層厚、目標酸素含有割合Ｘ値の組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層を形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明被覆超エンドミル（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。

比較例２：
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ＡＩＰ装置に装入し、上記比較例１と同一の条件で、表１０に示される目標平均層厚および目標組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層と、目標平均層厚および目標（均一）組成の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を中間層として蒸着することにより、
比較被覆工具としての比較被覆エンドミル（以下、比較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および比較被覆エンドミル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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ４．５ ｍｍ、
テーブル送り： １３０ ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の湿式高切込み溝切削加工試験（通常の切り込みは、３ｍｍ）、
本発明被覆エンドミル４〜６および比較被覆エンドミル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： １００ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ８ ｍｍ、
テーブル送り： ４２０ ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高切込み溝切削加工試験（通常の切り込みは、５ｍｍ）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １６ ｍｍ、
テーブル送り： ２５０ ｍｍ／分、
の条件での軟鋼の乾式高切込み溝切削加工試験（通常の切り込みは、１０ｍｍ）、
をそれぞれ行い、いずれの高切込み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、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ＡＩＰ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層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層として形成し、同じく、目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を中間層として形成し、さらに、同じく表９に示される目標平均層厚、目標酸素含有割合Ｘ値の組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層を形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明被覆ドリル（以下、本発明被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

比較例３：
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ＡＩＰ装置に装入し、上記比較例１と同一の条件で、表１２に示される目標平均層厚および目標組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層と、目標平均層厚および目標（均一）組成の（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層を中間層として蒸着することにより、
比較被覆工具としての比較被覆ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）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および比較被覆ドリル１〜８のうち、本発明被覆ドリル１〜３および比較被覆ドリル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： ８０ 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送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ）、
本発明被覆ドリル４〜６および比較被覆ドリル４〜６については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．４０ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １５ ｍｍ、
の条件での軟鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、
本発明被覆ドリル７、８および比較被覆ドリル７、８については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３８ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２８ ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、
をそれぞれ行い、いずれの湿式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１１、１２にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明被覆チップ、本発明被覆エンドミル、本発明被覆ドリルの硬質被覆層の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の組成、中間層を構成する（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３Ｎ層の組成、並びに、比較被覆チップ、比較被覆エンドミル、比較被覆ドリルの下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の組成、中間層を構成する（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３Ｎ層の組成、さらに、上記本発明被覆チップ、本発明被覆エンドミル、本発明被覆ドリルの硬質被覆層の上部層を構成する組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３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、それぞれの目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、本発明被覆チップ、本発明被覆エンドミル、本発明被覆ドリルの硬質被覆層の上部層の層厚方向における組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層中のＯ（酸素）含有割合の変化については、オージェ分光分析法により、上部層表層に向かうにしたがって、Ｏ（酸素）含有割合が低減していることを確認した。

また、上記本発明被覆工具および上記比較被覆工具の硬質被覆層の各構成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に示される結果から、本発明被覆工具は、軟鋼やステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、切刃に高負荷が作用する高送り・高切込みの重切削条件で切削加工した場合でも、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性および高温強度を有し、かつ、（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる中間層が、すぐれた高温硬さ、熱的安定性、酸化進展抑制効果を有し、さらに、組成傾斜型（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる上部層が、すぐれた高温硬さ、熱的安定性等を有することに加え、溶着性の高い被削材との滑り性に優れていることから、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の、特に、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削加工において、すぐれた耐チッピング性を発揮し、その結果、長期の使用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，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層と、（Ａｌ，Ｓｉ）_２Ｏ_３層からなる中間層で構成された比較被覆工具においては、溶着性が高い被削材の重切削加工において、被削材との滑り性が不十分であり、切粉が溶着することに起因してチッピングが発生し、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、溶着性が高い被削材の重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。

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、下部層、中間層及び上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
   （ａ）下部層は、２〜１０μｍの平均層厚を有し、下部層全体における平均組成を、
   組成式：（Ａｌ_αＴｉ_{１−（α＋β）}Ｓｉ_β）Ｎ
   で表した場合、０．５０≦α≦０．６５，０．０１≦β≦０．１０（但し、α，βはいずれも原子比）を満足するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、
   （ｂ）中間層は、１〜３μｍの平均層厚を有し、中間層全体における平均組成を、
   組成式：（Ａｌ_１−ＹＳｉ_Ｙ）_２Ｏ_３
   で表した場合、０．０１≦Ｙ≦０．３（但し、Ｙは原子比）を満足するＡｌとＳｉの複合酸化物層、
   （ｃ）上部層は、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、上部層全体における平均組成を、
   組成式：（Ａｌ_１−ＹＳｉ_Ｙ）_１−ＸＯ_Ｘ
   で表した場合、０≦Ｘ≦０．１，０．０１≦Ｙ≦０．３（但し、Ｘ，Ｙはいずれも原子比）を満足し、さらに、上部層におけるＯ（酸素）含有割合は、中間層側から上部層表面に向かって減少する傾斜組成を有する組成傾斜型のＡｌとＳｉの複合酸化物層、
   上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具。

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