JP5975338B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関し、さらに詳しくは、例えば、チタン合金、耐熱合金鋼、ステンレス鋼などの加工時に刃先への溶着が激しい難削材を、高熱発生を伴うとともに切刃部への衝撃性および溶着性が著しい高速切削条件で切削加工した場合に、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被覆工具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インサート、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、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。

また、従来被覆工具としては、例えば、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成する窒化チタン相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有するインサート本体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具であって、（ａ）硬質被覆層が、１〜３μｍの平均層厚を有する下部層と０．３〜３μｍの平均層厚を有する上部層とからなり、（ｂ）下部層が、特定の組成式を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層からなり、（ｃ）上部層が、一層平均層厚がそれぞれ０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、薄層Ａが、特定の組成式を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層、薄層Ｂが、Ｃｒ窒化物（ＣｒＮ）層という構成をとることによって、硬質難削材の高速連続切削加工ですぐれた仕上げ面精度を長期に亘って発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具が知られている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、別の従来被覆工具として、工具基体表面に（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着したことによって、耐摩耗性、耐欠損性を改善させたものも知られているが、このような硬質被覆層は、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（ＡＩＰ装置）に工具基体を装入し、装置内を、例えば、５００℃の温度に加熱した状態で、硬質被覆層の組成に対応した合金がセットされたカソード電極、例えば、Ａｌ−Ｔｉ−Ｍ合金と、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、２Ｐａの反応雰囲気とし、一方、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、工具基体表面に（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）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２参照）。

特開２００８−１８５０７号公報 特許第２７９３７７３号公報

ところが、近年の切削加工装置の自動化はめざましく、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、従来被覆工具においては、これを、鋼や鋳鉄などの被削材の通常切削速度での切削加工に用いた場合には問題ないが、チタン合金、耐熱合金鋼、ステンレス鋼などの難削材を、高い発熱を伴うとともに、切刃部への衝撃性および溶着性が著しい高速切削条件で切削した場合には、切削時の発熱によって被削材および切粉は高温に加熱されて粘性が増大し、これに伴って硬質被覆層表面に対する溶着性が一段と増すようになり、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、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、チタン合金、耐熱合金鋼、ステンレス鋼などの難削材を、高熱発生を伴う高速切削条件で切削した場合においてもすぐれた耐衝撃性、耐溶着性、耐チッピングおよび耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することである。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、特にチタン合金、耐熱合金鋼、ステンレス鋼などの難削材の切削加工を、高速切削条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐衝撃性、耐溶着性、耐チッピング性および耐摩耗性を併せ持つ被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った結果、工具基体の表面に、従来被覆工具の硬質被覆層であるＡｌとＴｉとの合量に占めるＴｉの含有割合が２５〜５５原子％となるようにＴｉ成分を含有させたＡｌとＴｉの複合窒化物層（以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と示す）を下部層として０．５〜５．０μｍの平均層厚で形成し、これの上に、ＡｌとＣｒとの合量に占めるＣｒの含有割合が２５〜５０原子％となるようにＣｒ成分を含有させたＡｌとＣｒの複合窒化物層（以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と示す）を中間層として０．５〜５．０μｍの平均層厚で形成し、さらにその上に、Ｃｒの窒化物層（以下、ＣｒＮ層と示す）を上部層として０．５〜５．０μｍの平均層厚で形成することにより、下部層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が、すぐれた耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性を示し、また、中間層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層が、すぐれた耐酸化性、耐熱性を示し、上部層を構成するＣｒＮ層が、すぐれた潤滑性、耐溶着性を示すと共に、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層とＣｒＮ層との接合により、すぐれた耐衝撃性、耐チッピング性、耐クラック進展性が奏され、さらに、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と、ＣｒＮ層の積層からなる相乗効果により、すぐれた耐欠損性（靱性向上）と耐摩耗性を発揮するようになる。したがって、特に、加工時に刃先への溶着が激しい難削材の高速切削加工において、切刃部が高温になったとしても耐熱性にすぐれ、その結果、切刃部におけるチッピング（微少欠け）の発生が抑制され、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性が発揮されるという新規な知見を得た。

さらに、工具基体の表面に、ＡｌとＴｉの合量に占めるＴｉの含有割合が２５〜５５原子％となるようにＴｉ成分を含有させた平均層厚０．５〜５．０μｍの（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成し、その上に、ＡｌとＣｒとの合量に占めるＣｒの含有割合が２５〜５０原子％となるようにＣｒ成分を含有させた平均層厚０．５〜５．０μｍの（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成し、さらにその上に、平均層厚０．５〜５．０μｍのＣｒＮ層を順に形成した積層構造からなる硬質被覆層を構成すると、ＣｒＮ層はすぐれた潤滑性、耐溶着性を示し、また、これと積層形成される（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層はすぐれた耐酸化性および耐熱性を示すことから、高熱発生を伴う切削加工においても、ＣｒＮ層のすぐれた耐溶着性は維持されることを見出した。
すなわち、チタン合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工において、切刃部が高温になったとしても、ＣｒＮ層に不足する耐溶着性を、これに積層される（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ薄層が補完し、硬質被覆層全体として被削材との耐摩耗性も改善され、その結果、切刃部におけるチッピング（微少欠け）の発生が防止され、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性が発揮されるという新規な知見を得た。
さらに、本発明者らは、下部層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層および中間層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率に着目して詳細に研究を行ったところ、下部層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層については、下部層に期待される耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性を十分に発揮させるためには、被削材や切削条件に限らず、ヤング率が４００〜５５０ＧＰａのヤング率であるとき（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の有する耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性がより有効に発揮される。一方、中間層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層については、ヤング率が１５０〜３００ＧＰａの下部層に比べて低ヤング率であるとき、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の耐欠損性が強化されるため、チタン合金、ステンレス鋼等の損傷形態が溶着チッピング等の異常損傷で寿命となりやすい、すなわち、加工時に刃先への溶着が激しい難削材の高速切削加工において、特にすぐれた切削性能を発揮することを見出した。

本発明は、前述したような新規な知見に基づき、発明者らが鋭意研究を重ねた結果、完成するに至ったものであって、
「（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硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．５〜５．０μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｎ（ここで、ｘはＡｌとＴｉの合量に占めるＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足し、ヤング率Ｅが４００ＧＰａ≦Ｅ≦５５０ＧＰａであるするＡｌとＴｉとの複合窒化物層からなる下部層と、
（ｂ）０．５〜５．０μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ_１−ｙＣｒ_ｙ）Ｎ（ここで、ｙはＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．５０である）を満足し、ヤング率Ｅが１５０ＧＰａ≦Ｅ≦３００ＧＰａであるＡｌとＣｒとの複合窒化物層からなる中間層、
（ｃ）０．５〜５．０μｍの平均層厚を有するＣｒの窒化物層からまる上部層、
前記下部層、中間層、上部層の積層構造からなることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

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

（ａ）下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成および平均層厚：
下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の構成成分であるＡｌ成分には硬質被覆層における高温硬さを向上させ、同Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用があるが、Ｔｉの含有割合を示すｘ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５未満になると、所定の高温強度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、一方、Ｔｉの含有割合を示すｘ値が同０．５５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ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ｘ値を０．２５〜０．５５と定めた。
また、下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身の持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５．０μｍを越えると、前記の高速切削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０．５〜５．０μｍと定めた。

（ｂ）中間層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の組成および平均層厚：
中間層を構成するＡｌとＣｒの複合窒化物からなる（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、すぐれた耐酸化性、耐熱性を有するとともに、その構成成分であるＣｒ成分によって、すぐれた潤滑性を備えるようになり、また、Ａｌ成分によって、高温硬さを補完する。そのため、高温切削条件下でも低摩擦係数が維持され、すぐれた耐熱性を発揮するようになるが、Ｃｒの含有割合を示すｙ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５未満になると、潤滑性を確保することができないために耐溶着性を期待することはできず、一方、Ｃｒの含有割合を示すｙ値が同０．５０を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、難削材の高速切削加工で必要とされる高温硬さ確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、ｙ値を０．２５〜０．５０（原子比、以下同じ）と定めた。
また、中間層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐酸化性、耐熱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５．０μｍを越えると、高速切削では、耐熱性の不足が顕在化し、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０．５〜５．０μｍと定めた。

（ｃ）上部層を構成するＣｒＮ層の平均膜厚：
上部層を構成するＣｒＮ層は、すぐれた耐溶着性を有するとともに、その構成成分であるＣｒ成分によって、すぐれた潤滑性を備えるようになるが、平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐溶着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５．０μｍを越えると、高速切削では、耐溶着性の不足が顕在化し、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その一層平均層厚を０．５〜５．０μｍと定めた。
すなわち、前述した中間層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、硬質被覆層に耐酸化性、耐熱性を付与し、上部層を構成するＣｒＮ層は、耐溶着性、潤滑性を付与するために設けたものであるが、それぞれの平均層厚が０．５〜５．０μｍの範囲内であれば、中間層および上部層からなる積層構造は、すぐれた耐酸化性、耐熱性、耐溶着性、潤滑性を具備したあたかも一つの層であるかのように作用するが、それぞれの平均層厚が５．０μｍを超えると、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の耐酸化性、耐熱性不足、あるいは、ＣｒＮ層の耐溶着性、潤滑性不足が層内に局所的に現れるようになり、中間層と上部層が全体として一つの層としての良好な特性を呈することができなくなるため、それぞれの層の平均層厚を０．５〜５．０μｍと定めた。

（ｄ）下部層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層および中間層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率：
中間層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、ヤング率が１５０〜３００ＧＰａの範囲に含まれるような下部層に比べて低ヤング率であるとき、外部応力が加わった際の皮膜の変形量が増加し、クラック等の発生を阻止するため、耐欠損性を向上させることができる。そのため、チタン合金、ステンレス鋼等の損傷形態が溶着チッピング等の異常損傷で寿命となりやすい難削材の高速切削加工において、特にすぐれた切削性能を発揮する。一方、中間層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率が、１５０ＧＰａよりも低下すると、耐摩耗性の低下が著しいため好ましくなく、一方、３００ＧＰａより高くなると、皮膜靭性の低下による耐欠損性が低下してしまうため、皮膜の崩壊や剥離が起こりやすくなる。そのため、チタン合金鋼、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工においては好ましくない。したがって、本発明においては、中間層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率は１５０〜３００ＧＰａと定めた。

一方、下部層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層については、下部層に期待される耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性を十分に発揮させるためには、被削材や切削条件に限らず、ヤング率が４００〜５５０ＧＰａの中間層と比べて高ヤング率であるとき（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の有する耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性がより有効に発揮される。そのため、本発明においては、下部層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層のヤング率は４００〜５５０ＧＰａと定めた。
なお、下部層と中間層のヤング率の差と耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性との関係について、数多くの切削試験を行って検証したところ、前記のヤング率の差が１００ＧＰａ以上であるとき、より、すぐれた耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性を示すことが確認された。したがって、下部層と中間層のヤング率の差は１００ＧＰａ以上とすることが、好ましい。前述の切削試験の結果の一部について、後に実施例として詳述する。

なお、本発明の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、ＣｒＮ層は、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工具基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃の温度に加熱した状態で、装置内に所定組成の金属Ｃｒからなるカソード電極（蒸発源）、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金からなるカソード電極（蒸発源）および所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金からなるカソード電極（蒸発源）を配置し、アノード電極とカソード電極（蒸発源）としてのＡｌ−Ｔｉ合金との間に、例えば、電流：１１０Ａ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、３Ｐａの反応雰囲気とし、一方、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所定時間蒸着することにより、所定の目標層厚の下部層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が形成される。そして、アノード電極とカソード電極としてのＡｌ−Ｃｒ合金の間に、例えば、電流：１１０Ａ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、５Ｐａの反応雰囲気とし、一方、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所定時間蒸着することにより、所定の目標層厚である（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層が形成される。さらに、アノード電極とカソード電極としての金属Ｃｒの間に、例えば、電流：１１０Ａ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、３Ｐａの反応雰囲気とし、一方、工具基体には、例えば、−５５Ｖのバイアス電圧を印加した条件で所定時間蒸着することにより、所定の目標層厚であるＣｒＮ層が形成される。このようにして、中間層の上に、所定の目標層厚の上部層であるＣｒＮ層が形成され、３層の積層構造からなる、本発明の硬質被覆層を蒸着形成することができる。

本発明の被覆工具の一態様によれば、硬質被覆層が（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層と（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる中間層とＣｒＮ層からなる上部層の積層構造であって、下部層に比べ中間層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率を低ヤング率とした場合、硬質被覆層は、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性、潤滑性、耐衝撃性を有することから、全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度等に加え、すぐれた耐欠損性、耐溶着性を備えたものとなり、その結果、特に、チタン合金、ステンレス鋼等の難削材の大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速切削加工であっても、すぐれた耐溶着性、耐欠損性を示し、長期に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するものである。

本発明被覆工具を構成す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を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。 比較被覆工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた従来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。 本発明被覆工具を構成する硬質被覆層の膜構成の模式図である。

つぎに、本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のインサート形状をもった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０．５〜２ μｍ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のインサート形状をもった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、前記工具基体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沿って装着し、前記回転テーブルを挟んで相対向する等角度方向に３つのカソード電極（蒸発源）を配置し、第１の電極として、下部層形成用の所定組成を有するＡｌ−Ｔｉ合金、第２の電極として、中間層形成用の所定組成を有するＡｌ−Ｃｒ合金、そして、第３の電極として、上部層形成用の金属Ｃｒを配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１ Ｐａ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、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Ａｌ−Ｔｉ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、もって工具基体表面をボンバード洗浄し、
（ｃ）次に、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表３に示される反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に表３に示される直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Ａｌ−Ｔｉ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、工具基体の表面に、表３に示される目標組成、目標層厚、ヤング率の下部層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成した後、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）引き続いて装置内雰囲気を表３に示される窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に表３に示される直流バイアス電圧を印加し、カソード電極（蒸発源）であるＡｌ−Ｃｒ合金電極と、アノード電極との間に１２０Ａの電流を交互に流してアーク放電を発生させて、表３に示される目標組成、目標層厚、ヤング率の中間層としての（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成した後、
（ｅ）引き続いて装置内雰囲気を１．０Ｐａの窒素雰囲気に保持したままで、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極（蒸発源）である金属Ｃｒ電極と、アノード電極との間に１２０Ａの電流を交互に流してアーク放電を発生させて、表３に示される目標層厚の上部層としてのＣｒＮ層を蒸着形成した。
前記（ａ）〜（ｅ）により工具基体上に図３に模式的に示したような硬質被覆層を蒸着形成し、本発明被覆工具としての表面被覆インサート（以下、本発明被覆インサートと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
中間層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率の制御は、前述のようにバイアス電圧と窒素分圧を制御することにより行った。すなわち、低バイアス電圧、低窒素分圧とすることで、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率を低ヤング率の１５０〜３００ＧＰａに制御することができる。また、下部層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層のヤング率の制御は、前述のようにバイアス電圧と窒素分圧を制御することにより行った。すなわち、−２０〜１５０Ｖ、かつ０．５〜９．０Ｐａの範囲で成膜することで高ヤング率の４００〜５５０ＧＰａに制御することができる。
各層の形成条件（バイアス電圧、窒素分圧）を同じく表３に示す。
また、ヤング率の測定は、ナノインデンター（ＭＴＳシステムズ社の商標）を用いてナノインデンテーション法による測定を行った。その結果を同じく表３に示した。

また、比較の目的で、前記実施例と同様の方法で、表４に示される比較被覆工具としての表面被覆インサート（以下、比較被覆インサートと云う）１〜８をそれぞれ製造した。ここで、比較被覆インサート１は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の単層からなる硬質被覆層を有するものであり、比較被覆インサート２は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層と（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の単層からなる上部層とからなる硬質被覆層を有するものであり、比較被覆インサート３〜８は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層と（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層とＣｒＮ層の交互積層からなる上部層とからなる硬質被覆層を有するが、上部層のヤング率、一層目標層厚、合計目標層厚のいずれかが、本発明で規定する数値範囲を逸脱するものである。

つぎに、前記各種の被覆インサートを、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、本発明被覆インサート１〜１６および比較被覆インサート１〜８について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ２００）の丸棒、
切削速度： １３５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．０ｍｍ、
送り： ０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ａ）でのステンレス鋼の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１２５ｍ／ｍｉｎ．、０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＨＢ２４０）の丸棒、
切削速度： ６５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ｂ）でのＴｉ合金の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、４５ｍ／ｍｉｎ．、０．２ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｇ４９０１（ＨＢ２００）の丸棒、
切削速度： ７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ｍｍ、
送り： ０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ｃ）でのニッケル合金の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、４５ｍ／ｍｉｎ．、０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、いずれの高速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、表６に示した。

実施例１と同様、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粉末からなる原料粉末を、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、直径が１３ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角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）Ａ−１〜Ａ−１０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）Ａ−１〜Ａ−１０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、実施例１と同一の条件で、表７に示される目標組成、目標層厚、ヤング率の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層と、表７に示される目標組成、目標層厚、ヤング率の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる中間層と、表７に示される目標層厚のＣｒＮ層とからなる上部層とから構成される硬質被覆層を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）１〜１０をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、前記工具基体（エンドミル）Ａ−１〜Ａ−１０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に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、実施例１と同一の条件で、表８に示される目標組成、目標層厚、ヤング率の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層と、表８に示される目標組成、目標層厚、ヤング率の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる中間層と、表８に示される目標層厚のＣｒＮ層とからなる上部層とから構成される硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較被覆工具としての表面被覆超硬製エンドミル（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。
つぎに、本発明被覆エンドミル１〜１０および比較被覆エンドミル１〜５について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ２２０）の板材、
切削速度： １３０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ｍｍ、
テーブル送り： ３００ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件（切削条件Ｄ）でのステンレス鋼の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、８５ｍ／ｍｉｎ．、２８０ｍｍ／分）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＨＢ２００）の板材、
切削速度： １００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ｍｍ、
テーブル送り： １２０ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件（切削条件Ｅ）でのＴｉ合金の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、４０ｍ／ｍｉｎ．、９５ｍｍ／ｍｉｎ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｇ４９０１（ＨＢ２３０）の板材、
切削速度： ５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ｍｍ、
テーブル送り： １１０ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件（切削条件Ｆ）でのニッケル合金の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、８５ｍｍ／ｍｉｎ．）、
をそれぞれ行い、いずれの高速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。この測定結果を同じく表７、表８にそれぞれ示した。

実施例２で製造した直径が１３ｍｍの丸棒焼結体を用い、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ８ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角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）Ａ−１〜Ａ−１０をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−１０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、実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成、目標層厚およびヤング率の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層と、表９に示される目標組成、目標層厚およびヤング率の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる中間層と、表９に示される目標層厚のＣｒＮ層からなる上部層からなる硬質被覆層を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）１〜１０をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、前記工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−１０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に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、実施例１と同一の条件で、表１０に示される目標組成、目標層厚およびヤング率の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層と、表１０に示される目標組成、目標層厚およびヤング率の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる中間層と、表１０に示される目標層厚のＣｒＮ層からなる上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較被覆工具としての表面被覆超硬製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜５をそれぞれ製造した。

つぎに、本発明被覆ドリル１〜１０および比較被覆ドリル１〜５について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１８０）の板材、
切削速度： １２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ５ｍｍ、
の条件（切削条件Ｇ）でのステンレス鋼の湿式高速穴あけ加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、７５ｍ／ｍｉｎ．、０．２ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＨＢ２５０）の板材、
切削速度： ７５ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ５ｍｍ、
の条件（切削条件Ｈ）でのＴｉ合金の湿式高速穴あけ加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、４５ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｇ４９０１（ＨＢ２００）の板材、
切削速度： ６５ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ５ｍｍ、
の条件（切削条件Ｉ）でのニッケル合金の湿式高速穴あけ加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、５０ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）、
をそれぞれ行い、いずれの湿式高速穴あけ加工試験（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。この測定結果を同じく表９、表１０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インサート１〜１６、本発明被覆エンドミル１〜１０、および本発明被覆ドリル１〜１０の硬質被覆層を構成する下部層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と中間層である（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の組成、並びに、比較被覆工具としての比較被覆インサート１〜８、比較被覆エンドミル１〜５、および比較被覆ドリル１〜５の下部層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と中間層である（Ａｌ，Ｃｒ）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、前記硬質被覆層を構成する各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層厚（５ヶ所の平均値）を示した。

表３〜１０に示される結果から、本発明被覆工具は、所定の組成、目標層厚の下部層、中間層、上部層からなる硬質被覆層を形成した結果、下部層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が工具基体表面に強固に密着接合した状態で、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を有するとともに、中間層である（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のヤング率が低ヤング率であることによって、耐欠損性（靭性）が向上し、上部層である優れた潤滑性を持つＣｒＮ層は、中間層との積層による相乗効果によって、耐衝撃性、耐チッピング性、耐クラック進展性を向上させる結果、チタン合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工でも、すぐれた耐欠損性が確保され、チッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。これに対して、硬質被覆層として、下部層、中間層、上部層の積層構造を有するものの、中間層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層が低ヤング率に制御されていないか、各層の組成、目標層厚が本発明で規定する範囲を逸脱する比較被覆工具においては、いずれも難削材の高速切削加工では、被削材（難削材）および切粉と硬質被覆層との粘着性および反応性が一段と高くなるために、切刃部にチッピングが発生するようになり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

前述のように、本発明の被覆工具は、一般的な被削材の切削加工は勿論のこと、特に、チタン合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の自動化、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硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
   前記硬質被覆層が、
   （ａ）０．５〜５．０μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ａｌ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｎ（ここで、ｘはＡｌとＴｉの合量に占めるＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足し、ヤング率Ｅが４００ＧＰａ≦Ｅ≦５５０ＧＰａであるＡｌとＴｉとの複合窒化物層からなる下部層、
   （ｂ）０．５〜５．０μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ａｌ_１−ｙＣｒ_ｙ）Ｎ（ここで、ｙはＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．５０である）を満足し、ヤング率Ｅが１５０ＧＰａ≦Ｅ≦３００ＧＰａであるＡｌとＣｒとの複合窒化物層からなる中間層、
   （ｃ）０．５〜５．０μｍの平均層厚を有するＣｒの窒化物層からなる上部層、
   前記下部層、中間層、上部層の積層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。