WO2012102374A1 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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WO2012102374A1
WO2012102374A1 PCT/JP2012/051786 JP2012051786W WO2012102374A1 WO 2012102374 A1 WO2012102374 A1 WO 2012102374A1 JP 2012051786 W JP2012051786 W JP 2012051786W WO 2012102374 A1 WO2012102374 A1 WO 2012102374A1
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composite nitride
nitride layer
area
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PCT/JP2012/051786
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和明 仙北屋
田中　裕介
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三菱マテリアル株式会社
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Definitions

  • a coated cutting tool for example, in high-speed cutting of a work material such as carbon steel and alloy tool steel, a surface that exhibits excellent wear resistance over a long period of use by having a hard coating layer with excellent fracture resistance.
  • the present invention relates to a coated cutting tool (hereinafter referred to as a coated tool).
  • a coated tool disclosed in Patent Document 1 is known.
  • this coated tool (a) a composite nitride layer of Al and Ti having an average layer thickness of 0.5 to 5 ⁇ m as a lower layer, (b) an intermediate layer, on the surface of a tool base made of a tungsten carbide base cemented carbide. And an average layer thickness of 0.5 to 5 ⁇ m Al and Cr composite nitride layer, and (c) an upper layer covered with an average layer thickness of 0.2 to 0.6 ⁇ m Al and Ti composite nitride layer Is formed.
  • This coated tool is known to exhibit excellent fracture resistance and wear resistance in high-speed heavy cutting such as mild steel and stainless steel.
  • Patent Document 2 discloses a coated rotary tool such as a coated end mill in which a bottom blade is provided on a tool front end surface, an outer peripheral blade is provided on a tool outer peripheral surface, and a hard coating layer is formed on a substrate surface. Yes.
  • a coated rotary tool such as a coated end mill in which a bottom blade is provided on a tool front end surface, an outer peripheral blade is provided on a tool outer peripheral surface, and a hard coating layer is formed on a substrate surface.
  • a plurality of macro particles project on the surface of the coating layer, the area ratio of the macro particles projecting on the rake surface is 2 to 10% by area, and the area ratio of the macro particles projecting on the flank surface Is 10 to 30 area%.
  • the average protrusion angle of the macro particles on the rake face is 5 to 20 ° (in the direction away from the cutting edge) with respect to the direction perpendicular to the interface between the tool base and the coating layer. It is known that the coated rotary tool improves the chipping resistance and wear resistance of the coated tool.
  • a surface-coated cutting tool shown in Patent Document 3 has been proposed.
  • this coated cutting tool a honing portion is formed at the intersecting ridge line portion between the rake face and the flank face of the substrate surface.
  • the surface of the substrate is covered with the hard coating layer formed by the CVD method.
  • the rake face and the hard coating layer surface of the honing part are polished, and more fine depressions are scattered on the rake face than the honing part. It is known that this coated cutting tool increases the lubricity of the cutting tool with respect to the work material and improves the chipping resistance and wear resistance of the cutting tool.
  • Patent Document 4 a coated tool shown in Patent Document 4 has been proposed.
  • the hard coating layer is formed by the PVD method.
  • the thickness of the uppermost layer of the hard coating layer is 0.1 to 1.5 ⁇ m, and pores having a width of 0.1 to 10.0 ⁇ m are formed on the surface of the uppermost layer. According to this coated tool, it is known that the wettability of the surface of the hard coating layer is improved and the frictional resistance is reduced.
  • the present inventors from the above viewpoint, have a hard coating layer with excellent fracture resistance even when used for high-speed cutting with high heat generation, and excellent wear resistance over a long period of use.
  • the pore occupied area ratio P, the droplet occupied area ratio D, and the Al rich droplet occupied area ratio Dal are, for example, in film formation by arc ion plating of a normal cathode.
  • the film can be obtained by controlling the magnetic force of the electromagnetic coil arranged on the back surface of the target so that the magnitude of the magnetic field at the center of the Al—Cr alloy target surface is 55 to 100 G.
  • a tool base made of a tungsten carbide base cemented carbide, and a hard coating layer including a composite nitride layer of Al and Cr having a layer thickness of 0.5 to 10 ⁇ m and formed on the tool base.
  • a composite nitride layer of Al and Cr having a layer thickness of 0.5 to 10 ⁇ m and formed on the tool base.
  • pores and droplets are dispersed and distributed, and the area occupied by the pore and the drop in any cross section of the composite nitride layer of Al and Cr
  • the area occupied by the let is 0.5 to 1 area% and 2 to 4 area%, respectively.
  • the Al content ratio is higher than the average Al content of the composite nitride layer of Al and Cr.
  • a surface-coated cutting tool characterized in that an Al-rich droplet having a high occupies 20% by area or more of the total droplet area in an arbitrary cross section of the composite nitride layer of Al and Cr.
  • the droplet means a fine particle made of pure metal made of Cr, Al, or a mixture of Cr and Al, and the ratio of Cr and Al is greatly different for each droplet.
  • the area of the droplet in the cutting tool cross section is approximately 0.005 ⁇ m 2 to 0.5 ⁇ m 2 .
  • the pore means a hole. Area of pores in the cutting tool cross section is approximately 0.003 ⁇ m 2 0.5 ⁇ m 2.
  • the hard coating layer is formed by coating a first layer made of a composite nitride layer of Al and Ti, a second layer made of a composite nitride layer of Al and Cr formed by coating, and a coating formed.
  • the content ratio of Ti in the total amount of Al in the first layer and the third layer including the third layer composed of the composite nitride layer of Al and Ti is 20 to 60.
  • the surface-coated cutting tool according to (1) which is atomic%.
  • a hard coating layer film forming step for vapor-depositing a hard coating layer on the substrate wherein the hard coating layer film forming step includes rotating the rotating tool substrate disposed in the arc ion plating apparatus; A target made of an Al—Cr alloy disposed on one side of each side of the rotating table, rotating the rotating table on which the cutting tool gas is disposed, and a base loading process disposed on the table Is evaporated by arc discharge, and a magnetic field of 55 to 100 G is generated at the target surface center made of the Al—Cr alloy.
  • the composite nitride layer is a composite nitride layer of Al and Cr, and pores and droplets are dispersed and distributed in the composite nitride layer of Al and Cr,
  • the pore occupied area ratio and the droplet occupied area ratio in an arbitrary cross section of the composite nitride layer of Al and Cr are 0.5 to 1 area% and 2 to 4 area%, respectively.
  • an Al-rich droplet having an Al content ratio higher than the average Al content of the Al / Cr composite nitride layer is 20% of the total droplet area in an arbitrary cross section of the Al / Cr composite nitride layer.
  • a surface-coated cutting tool manufacturing method characterized by occupying at least area%.
  • a coated tool includes a hard coating layer including a composite nitride layer of Al and Cr (hereinafter, also referred to as “(Al, Cr) N layer”) formed on a substrate.
  • a hard coating layer including a composite nitride layer of Al and Cr (hereinafter, also referred to as “(Al, Cr) N layer”) formed on a substrate.
  • the occupied area ratio P of the pores and the occupied area ratio D of the droplets in the (Al, Cr) N layer are set to 0.5 to 1 area% and 2 to 4 area%, respectively.
  • the occupied area ratio Dal of the Al-rich droplet is set to 0.4 to 4 area%. Further, Dal / D ⁇ 0.2.
  • mode of this invention is equipped with the fracture resistance which the hard coating layer was excellent in the high-speed cutting of work materials, such as carbon steel and alloy tool steel.
  • the coated tool exhibits excellent wear resistance over a long period of use.
  • a magnetic field of 55 to 100 G is generated at the center of the target surface used during film formation and evaporated by arc discharge. Thereby, the coated tool which is one aspect
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a normal cathode arc ion plating apparatus for forming a hard coating layer of a coated tool of the present invention.
  • 1 shows a schematic side view of a normal cathode arc ion plating apparatus for forming a hard coating layer of a coated tool of the present invention.
  • FIG. The cross section of the (Al, Cr) N layer of the coated tool of this invention is shown, (a) is a cross-sectional TEM photograph (magnification: 30000 times), and (b) is a schematic diagram thereof.
  • the cross section of the (Al, Cr) N layer of the comparative coated tool is shown, (a) is a cross-sectional TEM photograph (magnification: 30000 times), and (b) is a schematic diagram thereof.
  • (Al, Cr) N layer included in hard coating layer In a hard coating layer including an (Al, Cr) N layer (a composite nitride layer of Al and Cr), the Al component as a constituent component thereof has high-temperature hardness. Heat resistance is improved, and Cr component improves high temperature strength. Furthermore, the coexistence of Al and Cr has the effect of improving high-temperature oxidation resistance.
  • the content ratio of Cr in the total amount with Al in the (Al, Cr) N layer included in the hard coating layer is preferably 20 to 50 atomic%.
  • the average layer thickness of the (Al, Cr) N layer is less than 0.5 ⁇ m, excellent wear resistance cannot be exhibited over a long period of use.
  • the average layer thickness exceeds 10 ⁇ m, the cutting edge portion is likely to be damaged by high-speed cutting. From the above, the average layer thickness of the (Al, Cr) N layer was determined to be 0.5 to 10 ⁇ m.
  • Pore area ratio P in the (Al, Cr) N layer in the present invention, for example, in the film formation using the normal cathode arc ion plating apparatus schematically shown in FIGS. 1A and 1B, the magnitude of the magnetic field at the center of the Al—Cr alloy target surface is 55 to 100 G.
  • the occupation area ratio P of a predetermined pore in the (Al, Cr) N layer can be obtained.
  • the magnetic force is controlled so that the magnitude of the magnetic field at the center of the Al—Cr alloy target surface is 55 to 100 G, and an (Al, Cr) N layer is formed by arc ion plating with a normal cathode
  • the pore occupied area ratio P (the ratio of the pore area to the measurement area measured by TEM-EDS for any (Al, Cr) N layer cross section) is 0.
  • a pore in the range of 5 to 1 area% is formed.
  • the area ratio occupied by the pores is particularly affected by the magnitude of the magnetic field at the center of the target surface. As the magnitude of the magnetic field increases, the occupied area ratio of the pore decreases. However, when the magnitude of the magnetic field is larger than 100 G, the pore occupation area ratio P is less than 0.5%. As a result, compressive residual stress accumulates in the (Al, Cr) N layer, the strength tends to decrease due to the embrittlement of the film, and the coated cutting tool cannot withstand long-time cutting. On the other hand, when the magnitude of the magnetic field at the center of the target surface is smaller than 55 G, the occupied area ratio P of the pores exceeds 1%, but the pores are likely to become the starting point of crack generation, resulting in a decrease in film strength.
  • the occupied area ratio P of the pores in the (Al, Cr) N layer is determined to be 0.5 to 1 area%.
  • Occupied area ratio D of droplets in the (Al, Cr) N layer The occupied area ratio D of the droplets in the (Al, Cr) N layer correlates with the occupied area ratio P of the pores formed by the arc ion plating method of the normal cathode.
  • the occupied area ratio D of the droplet is less than 2 area% or exceeds 4 area%, the occupied area ratio P of the pore is less than 0.5 area% or 1 area% Exceed.
  • the occupied area ratio D of the droplets is determined to be 2 to 4 area%.
  • Occupied area ratio Dal of Al-rich droplet in (Al, Cr) N layer In the present specification, a droplet containing Al at a concentration higher than the average Al content relative to the total amount of Al and Cr in the (Al, Cr) N layer is referred to as an Al-rich droplet.
  • the occupation area ratio Dal of the Al rich droplets occupying in all the droplets is determined to be 20 area% or more (Dal / D ⁇ 0.2).
  • the calculation method of the average Al content with respect to the total amount of Al and Cr in the said (Al, Cr) N layer measured a composition at least 3 places other than the droplet part in the said film
  • the Al content is determined.
  • the nitrogen pressure during film formation is set to 0.5 Pa or more. is required.
  • Dal is naturally in the range of 0.4 to 4 area%.
  • the occupied area ratio Dal of the Al-rich droplet is desirably an exclusive area ratio that satisfies the following formula (1).
  • Al-rich droplet occupation area ratio Dal (area%) 0.4 to 4 (area%) (1)
  • the (Al, Cr) N layer cannot exhibit excellent wear resistance over a long period of use if the layer thickness is less than 0.5 ⁇ m, while if the layer thickness exceeds 10 ⁇ m, the fracture resistance A downward trend is seen. From the above, the layer thickness of the (Al, Cr) N layer was determined to be 0.5 to 10 ⁇ m.
  • the hard coating layer may include a composite nitride layer other than the (Al, Cr) N layer.
  • a composite nitride of Al and Ti having a predetermined layer thickness (hereinafter referred to as (Al, Ti) N) is formed as a first layer on the surface of the tool base, and a second layer is formed thereon.
  • the (Al, Cr) N layer can be formed by coating, and a (Al, Ti) N layer having a predetermined thickness can be formed thereon as a third layer.
  • the heat resistance and wear resistance can be further improved by coating the first layer and the third layer.
  • the content ratio of Ti in the total amount with Al is required to be 20 to 60 atomic%
  • the thickness of the first layer is 0.5 to 5 ⁇ m
  • the layer thickness is preferably 0.2 to 1 ⁇ m.
  • the affinity and reactivity with the Fe component in the work material can be particularly reduced, and the welding resistance Can be improved.
  • the cross section of the composite nitride layer is prepared by cutting, grinding, etc. the coated tool. This cross section is analyzed by the TEM-EDS mapping method. In this analysis, the cross section is scanned with an electron beam to qualify the material properties of the region to be analyzed. Thereby, the occupied area ratio of the pores and droplets included in the target region and the elemental composition in the droplets can be known.
  • the measurement conditions are as follows: acceleration voltage is 200 kV, TEM spot size is 1 nm, observation magnification is 30000 times, one visual field measurement time is one hour, and one visual field area is 12 ⁇ m 2 .
  • the coated tool manufacturing method which is other embodiment of this invention can be performed, for example using the arc ion plating apparatus shown by FIG. 1A and 1B. By this coated tool manufacturing method, the coated tool which is one embodiment of the present invention can be manufactured.
  • the arc ion plating apparatus has a chamber 4 that is kept airtight, and has a turntable 1 therein. A plurality of tool bases 6 are held on the upper surface of the rotary table 1.
  • a drive shaft 2 driven by a bias power source 3 is connected to the bottom surface of the rotary table 1.
  • the rotary table 1 Due to the rotational movement of the drive shaft 2 in the axial direction, the rotary table 1 also rotates in the axial direction of the drive shaft 2.
  • a plurality of rotary shafts 5 extending on the opposite side to the drive shaft 2 are arranged.
  • the plurality of tool bases 6 are held on the rotary table 1 while being penetrated by the rotary shaft 5.
  • the rotary shaft 5 rotates independently of the rotary table 1.
  • the tool base 6 held by the rotary shaft 5 also rotates.
  • the rotary shaft 5 rotates in the opposite direction to the rotary table 1.
  • a heater 7 is disposed on the back surface of the turntable 1.
  • a cathode electrode 8 and a cathode electrode 9 are arranged on the side surface of the turntable 1 so as to sandwich the turntable 1 from both sides.
  • the cathode electrode 8 is made of a Ti—Al alloy.
  • the cathode electrode 9 is made of an Al—Cr alloy.
  • Electromagnetic coils 10 and 11 are arranged on the back surfaces of the cathode electrodes 8 and 9, respectively.
  • the coated tool manufacturing method which is other embodiment of this invention comprises the following processes.
  • Hard coating layer deposition process In the hard coating layer forming step, the hard coating layer is deposited on the cutting tool base by using the arc ion plating apparatus shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the cutting tool base 6 is obtained by sintering a green compact, and is made of a tungsten carbide base cemented carbide.
  • the hard coating layer includes a composite nitride layer of Al and Cr having a layer thickness of 0.5 to 10 ⁇ m. In the composite nitride layer of Al and Cr, pores and droplets are distributed and distributed.
  • the occupied area ratio of the pores and the occupied area ratio of the droplets in an arbitrary cross section of the composite nitride layer of Al and Cr are 0.5 to 1 area% and 2 to 4 area%, respectively.
  • an Al-rich droplet having an Al content ratio higher than the average Al content of the composite nitride layer of Al and Cr is 20% of the total droplet area in an arbitrary cross section of the composite nitride layer of Al and Cr. Occupies more than% area.
  • This hard coating layer film forming step includes a substrate charging step, a rotation step, a target evaporation step, and a magnetism generation step, which will be described below.
  • Substrate charging process A tool base 6 made of a plurality of tungsten carbide based cemented carbides is loaded into a chamber 4 of an arc ion plating apparatus.
  • the tool base 6 is held on the upper surface of the turntable 1 disposed in the chamber 4 of the arc ion plating apparatus.
  • the tool base 6 is held by the rotary shaft 5 so as to penetrate the rotary shaft 5 provided on the upper surface of the rotary table 1.
  • a plurality of rotary shafts 5 are provided on the rotary table 1, and a plurality of tool gases 6 are held on the single rotary shaft 5 in a vertically overlapping manner.
  • Rotation process The rotary table 1 is rotated by driving the rotary table drive shaft 2 connected to the bottom surface thereof.
  • the axial direction of the rotary table drive shaft 2 is the same as the direction of gravity. Therefore, the rotary table 1 performs a rotational motion in a plane orthogonal to the direction of gravity.
  • Target evaporation process By supplying electric power from an arc power supply 14 disposed between the cathode electrode 8 and the anode electrode 12, an arc discharge is generated between the cathode electrode 8 and the anode electrode 12.
  • an arc discharge is generated between the cathode electrode 9 and the anode electrode 13 by supplying electric power from an arc power source 15 disposed between the cathode electrode 9 and the anode electrode 13.
  • a part of the cathode electrodes 8 and 9 is evaporated by the arc discharge.
  • a part of the evaporated cathode electrode component becomes composite nitride or droplet and is deposited on the tool substrate 6.
  • Magnetic generation process Electricity is supplied to the coils 10 and 11 disposed on the back surfaces of the cathode electrodes 8 and 9, respectively. As a result, a magnetic field of 55 to 100 G is generated at the center of the surface of the cathode electrodes 8 and 9, that is, the target made of Ti—Al alloy or the target made of Al—Cr alloy.
  • the conditions for forming the nitride layer are, for example, as follows.
  • Deposition temperature 300-500 ° C
  • Deposition pressure 0.5 to 10 Pa
  • Deposition time 0.15-8 hours
  • Target dimensions diameter 100 x thickness 12 mm
  • Reaction gas composition pure nitrogen
  • Rotary table dimensions Diameter 600mm
  • Rotary table rotation speed 1 ⁇ 4rpm
  • Distance from target to rotary table center 450mm
  • Arc power supply current 100-200A Magnetic force at the center of the target: 55-100G.
  • WC powder, TiC powder, ZrC powder, VC powder, TaC powder, NbC powder, Cr 3 C 2 powder, TiN powder, TaN powder, and Co powder all having an average particle diameter of 1 to 3 ⁇ m are prepared as raw material powders. did. These raw material powders were blended in the blending composition shown in Table 1, added with wax, and ball mill mixed in acetone for 24 hours. The mixture was dried under reduced pressure and then press-molded at a pressure of 98 MPa to obtain a green compact having a predetermined shape of ISO ⁇ SEEN1203AFTN1 (superhard substrate A to E). This green compact was vacuum sintered in a vacuum of 5 Pa at a predetermined temperature in the range of 1370 to 1470 ° C.
  • the tool bases A to E made of WC-based cemented carbide were manufactured through the above-described series of steps.
  • these tool bases A to E were loaded into a normal cathode arc ion plating apparatus shown in FIGS. 1A and 1B and subjected to Al—Ti bombardment or Ti bombardment under the conditions shown in Table 2. Subsequently, the (Al, Cr) N layer and the (Al, Ti) N layer having a predetermined layer thickness were formed by vapor deposition under the same conditions shown in Table 2.
  • the coated tools 1 to 24 of the present invention shown in Table 3 were produced by the above steps.
  • the cross sections of the (Al, Cr) N layers of the above-described coated tools 1 to 24 of the present invention were observed by TEM-EDS, and the pore occupied area ratio P, the droplet occupied area ratio D, and the Al rich in the measurement area.
  • the droplet occupation area ratio Dal was measured. Moreover, the value of Dal / D was calculated based on the measured value.
  • a specific TEM-EDS measurement method will be described below. Measurement method: TEM-EDS mapping, acceleration voltage: 200 kV, TEM spot size: 1 nm, observation magnification: 30000 times, 1 visual field measurement time: 1 hour. Three fields of view of approximately 4 ⁇ m ⁇ 3 ⁇ m were used.
  • the pores are square or rectangular, the droplets are circles and ellipses, and the contours of the respective shapes are approximated and marked.
  • the pore total sectional area and the droplet sectional total sectional area of the three visual fields are calculated.
  • Pore total cross-sectional area with respect to the total cross-sectional area in the (Al, Cr) N layer is the occupied area ratio P of the pore, and the total cross-sectional area of the droplet part with respect to the total cross-sectional area in the (Al, Cr) N layer is the droplet occupied area Let rate D.
  • the composition is extracted at three locations other than the droplet portion in the (Al, Cr) N layer, the average Al content with respect to the total amount of Al and Cr is calculated, and the value is calculated as the (Al, Cr) N layer.
  • the average Al content in the medium is used.
  • the composition of each droplet is extracted, the Al content relative to the total amount of Al and Cr in each droplet is calculated, and is 2 atomic% higher than the average Al content in the (Al, Cr) N layer. When it is a concentration, it is an Al-rich droplet. Based on the marking, the total cross-sectional area of the three visual fields of the Al-rich droplet portion is calculated.
  • the total cross-sectional area of the Al-rich droplet portion with respect to the total cross-sectional area in the (Al, Cr) N layer is defined as an Al-rich droplet occupation area ratio Dal.
  • FIG. 2 shows a cross section of the (Al, Cr) N layer of the coated tool 2 of the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional TEM photograph (magnification: 30000 times), and FIG. 2B is a schematic diagram thereof.
  • pores ⁇ mark, elongated ⁇ mark
  • droplets ⁇ mark
  • Ellipse the position of the Al rich droplet
  • Al—Ti bombardment or Ti bombardment was performed on the surfaces of the tool bases A to E under the conditions shown in Table 5 using the above-described normal cathode arc ion plating apparatus.
  • an (Al, Cr) N layer and an (Al, Ti) N layer having a predetermined layer thickness were formed by vapor deposition under the conditions shown in Table 5.
  • the comparative coated tools 1 to 11 shown in Table 6 were produced by the above process.
  • the cross sections of the (Al, Cr) N layers of the comparative coated tools 1 to 11 were also observed by TEM-EDS, and the pore occupied area ratio P, the droplet occupied area ratio D, and the Al rich drop were measured.
  • the occupying area ratio Dal of the let was measured. Moreover, it calculated based on the value of Dal / D and the said measured value.
  • FIG. 3 shows a cross section of the (Al, Cr) N layer of the comparative coated tool 1.
  • FIG. 3A is a cross-sectional TEM photograph (magnification: 30000 times), and FIG. 3B is a schematic diagram thereof.
  • pores ⁇ mark, elongated ⁇ mark
  • droplets ⁇ mark
  • Ellipse the position of the Al rich droplet
  • the layer thicknesses of the constituent layers of the inventive coated tools 1 to 24 and the comparative coated tools 1 to 11 were measured using a scanning electron microscope. In both cases, a layer having an average layer thickness substantially the same as the target layer thickness shown in Tables 3 and 6 was formed. The cross section of the film was observed with a scanning electron microscope at a magnification of 10,000, and the layer thickness of each constituent layer was measured at five points, and the average layer thickness was defined as the average layer thickness.
  • a method for measuring the composition (atomic ratio) of each constituent layer of the coated tools 1 to 24 of the present invention and the comparative coated tools 1 to 11 will be described. In the measurement method TEM-EDS mapping, three compositions were extracted at locations other than the droplet portion of each constituent layer, and the average value was calculated. The values are shown in Tables 3 and 6.
  • the layer thickness of the (Al, Cr) N layer of the hard coating layer is 0.5 to 10 ⁇ m
  • the occupied area ratio P of the pore is 0.5 to 1 area%
  • the occupied area ratio D of all droplets is 2 to 4 area%
  • the occupied area ratio Dal of Al-rich droplets is 0.4 to 4 area%
  • Dal / D ⁇ 0.2 the coated tool according to an embodiment of the present invention exhibits excellent fracture resistance in high-speed cutting and also exhibits excellent wear resistance over a long period of use.
  • the coated tool of the present invention exhibits excellent fracture resistance and wear resistance in high-speed cutting of work materials such as carbon steel and alloy tool steel, and can extend the service life. In addition, a long service life can be expected even when used for cutting other workpieces or cutting under other conditions.

Abstract

　耐欠損性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具を提供する。ＷＣ超硬合金からなる工具基体の表面に、少なくとも、０．５～１０μｍの層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中には、ポアおよびドロップレットが分散分布し、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の任意の断面におけるポアの占有面積率およびドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５～１面積％、２～４面積％であり、さらに、上記ドロップレットのうち、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、全ドロップレット面積の２０面積％以上を占める。

Description

表面被覆切削工具
　この発明は、例えば、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材の高速切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を備えることにより、長期の使用にわたってすぐれた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。
　本願は、２０１１年１月２７日に、日本に出願された特願２０１１－１５３４８号、および２０１２年１月１８日に、日本に出願された特願２０１２－７６６０に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、例えば、特許文献１に示す被覆工具が知られている。この被覆工具では、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、（ａ）下部層として、０．５～５μｍの平均層厚のＡｌとＴｉの複合窒化物層、（ｂ）中間層として、０．５～５μｍの平均層厚のＡｌとＣｒの複合窒化物層、（ｃ）上部層として、０．２～０．６μｍの平均層厚のＡｌとＴｉの複合窒化物層が被覆形成されている。この被覆工具は、例えば、軟鋼、ステンレス鋼等の高速重切削加工において、すぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮することが知られている。
　また、特許文献２に示す被覆回転工具が提案されている。この特許文献２には、工具先端面には底刃が、工具外周面には外周刃が設けられ、基体表面には硬質被覆層が形成された、被覆エンドミル等の被覆回転工具が開示されている。この被覆回転工具では、被覆層の表面に複数のマクロ粒子が突出し、すくい面表面に突出するマクロ粒子の面積比率は、２～１０面積％であり、逃げ面表面に突出するマクロ粒子の面積比率は、１０～３０面積％である。さらに、工具基体と被覆層との界面の垂線方向に対して、すくい面におけるマクロ粒子の平均突出角度は、（切刃から遠ざかる方向に）５～２０°である。この被覆回転工具により、被覆工具の耐欠損性、耐摩耗性が向上することが知られている。
　また、特許文献３に示す表面被覆切削工具が提案されている。この被覆切削工具では、基体表面のすくい面と逃げ面との交差稜線部に、ホーニング部が形成されている。この基体表面は、ＣＶＤ法により、形成された硬質被覆層により被覆されている。上記表面被覆切削工具では、すくい面とホーニング部の硬質被覆層表面が研磨加工され、ホーニング部よりすくい面に、より多くの微小窪み部が点在している。この被覆切削工具により、切削工具の被削材に対する潤滑性が高くなり、かつ、切削工具の耐欠損性、耐摩耗性が向上することが知られている。
　また、特許文献４に示す被覆工具が提案されている。特許文献４の被覆工具では、硬質被覆層は、ＰＶＤ法により形成されている。この硬質被覆層の最上層の層厚は、０．１～１．５μｍであり、かつ、上記最上層表面に、幅０．１～１０．０μｍレベルのポアが形成されている。この被覆工具によれば、硬質被覆層表面の濡れ性が改善され、摩擦抵抗が軽減されることが知られている。
特開２００９－１２５８３２号公報 特開２００８－２３８３３６号公報 特開２００７－１１８１３９号公報 特開２００５－１５３０７２号公報
　近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下で使用されるようになってきている。例えば、前記特許文献１に示される被覆工具を用いて、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材を、高熱発生を伴う高速切削条件で加工した場合には、硬質被覆層が欠損を発生しやすくなる。その結果、この被覆工具は、比較的短時間で使用寿命に至る。
　被覆切削工具の耐欠損性を高めるために、前記特許文献２から４に示されるように、硬質被覆層の表面にドロップレット（マクロ粒子）を形成したり、ポア（微小窪み部）を形成することも試みられているが、耐欠損性の改善は未だ十分とはいえない。
　そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱発生を伴う高速切削加工に用いられた場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を備え、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った。その結果、以下の知見を得た。
　硬質被覆層として、少なくとも、ＡｌとＣｒの複合窒化物（以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎで示す）層を被覆形成した被覆工具において、該（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層内に形成されるポアの占有面積率Ｐ（密度）を所定数値範囲内に維持する（Ｐ＝０．５～１面積％）。そして、該（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層内に含有される全ドロップレットの占有面積率Ｄ（Ｄ＝２～４面積％）と、上記ドロップレットのうち、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のＡｌとＣｒの合計量に対する平均のＡｌ含有量よりもＡｌ含有割合の高いＡｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌ（但し、Ｄａｌ／Ｄ≧０．２）との関係を所定数値範囲内に維持する（Ｄａｌ＝０．４～４面積％）。これらの条件を満たすことにより、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、すぐれた耐欠損性を示すようになる。その結果、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具が得られる。
　（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層における上記ポアの占有面積率Ｐ、ドロップレットの占有面積率Ｄ、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌは、例えば、ノーマルカソードのアークイオンプレーティング法による成膜において、Ａｌ－Ｃｒ合金ターゲット表面中心の磁場の大きさが５５～１００Ｇとなるように、ターゲット裏面に配置した電磁コイルの磁力を制御して成膜を行うことにより得ることができる。
　この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、以下に示す態様を有する。
　（１）炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体と、上記工具基体上に被覆形成された、０．５～１０μｍの層厚を有する、ＡｌとＣｒの複合窒化物層を含む硬質被覆層とを備え、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層中には、ポアおよびドロップレットが分散して分布し、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における上記ポアの占有面積率および上記ドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５～１面積％および２～４面積％であり、上記ドロップレットのうち、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における全ドロップレット面積の２０面積％以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
　本願明細書において、ドロップレットとは、Ｃｒ、Ａｌ、またはＣｒとＡｌとの混合物からなる純金属からなる微粒子を意味しており、ドロップレット毎にＣｒとＡｌの比率は大きく異なっている。切削工具断面におけるドロップレットの面積はおよそ０．００５μｍ２から０．５μｍ２である。
　また、ポアとは、空孔を意味する。切削工具断面におけるポアの面積はおよそ０．００３μｍ２から０．５μｍ２である。
　（２）上記硬質被覆層は、被覆形成されたＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層、被覆形成されたＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる第２層、および被覆形成されたＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第３層を含み、ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層および第３層におけるＡｌとの合量に占めるＴｉの含有割合は、２０～６０原子％である上記（１）に記載の表面被覆切削工具。
　（３）上記ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層および第３層の層厚は、それぞれ、０．５～５μｍおよび０．２～１μｍである上記（２）に記載の表面被覆切削工具。
　（４）上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層における、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合は、２０～５０原子％である上記（１）から（３）のいずれかひとつに記載の表面被覆切削工具。
　（５）アークイオンプレーティング法により、切削工具基体上に複合窒化物層を含む硬質被覆層を成膜する表面被覆切削工具製造方法であって、アークイオンプレーティング装置を用いて、上記切削工具基体上に硬質被覆層を蒸着形成する硬質被覆層成膜工程を備え、上記硬質被覆層成膜工程は、上記切削工具基体を、上記アークイオンプレーティング装置内に配置される、回転可能な回転テーブル上に配置する、基体装入工程と、上記切削工具気体が配置された上記回転テーブルを回転させる、回転工程と、上記回転テーブルの両側の一方側に配置されたＡｌ－Ｃｒ合金からなるターゲットをアーク放電により蒸発させる、ターゲット蒸発工程と、上記Ａｌ－Ｃｒ合金からなるターゲット表面中心に、５５から１００Ｇの磁場を発生させる磁気発生工程とを備え、上記複合窒化物層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層であり、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層中には、ポアおよびドロップレットが分散して分布し、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における上記ポアの占有面積率および上記ドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５～１面積％および２～４面積％であり、上記ドロップレットのうち、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における全ドロップレット面積の２０面積％以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具製造方法。
　この発明の一態様である被覆工具は、基体上に被覆形成された、ＡｌとＣｒの複合窒化物層（以下、「（Ａｌ、Ｃｒ）Ｎ層」と称する場合がある）を含む硬質被覆層を備える。該（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のポアの占有面積率Ｐ、およびドロップレットの占有面積率Ｄは、それぞれ、０．５～１面積％、および２～４面積％に定めている。また、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを、０．４～４面積％としている。また、Ｄａｌ／Ｄ≧０．２としている。以上の構成を有することにより、この発明の一態様である被覆工具は、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材の高速切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を備える。その結果、上記被覆工具は、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
　この発明の他態様である被覆工具製造方法では、成膜時に使用し、アーク放電により蒸発されるターゲット表面の中心に、５５から１００Ｇの磁場を発生させている。これにより、上記本発明の一態様である被覆工具を製造することができる。
この発明の被覆工具の硬質被覆層を成膜するノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置の概略平面図を示す。 この発明の被覆工具の硬質被覆層を成膜するノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置の概略側面図を示す。 この発明の被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の断面を示し、（ａ）は断面ＴＥＭ写真（倍率：３００００倍）、（ｂ）は、その模式図を示す。 比較被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の断面を示し、（ａ）は断面ＴＥＭ写真（倍率：３００００倍）、（ｂ）は、その模式図を示す。
　つぎに、この発明を実施するための形態について、以下に詳細に説明する。
　硬質被覆層に含まれる（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層：　（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層（ＡｌとＣｒの複合窒化物層）を含む硬質被覆層においては、その構成成分であるＡｌ成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、また、Ｃｒ成分が高温強度を向上させる。さらに、ＡｌとＣｒとが共存することによって高温耐酸化性を向上させる作用がある。
　（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層において、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合が２０原子％未満であると、溶着性の高い被削材の高速切削加工において、被削材および切粉に対する耐溶着性を確保することができず、また、高温強度も低下する。そのため、被覆工具の溶着、および欠損が発生しやすくなる。
　一方、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合が５０原子％を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、被覆工具の高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、それらを原因とした、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により、耐摩耗性が低下する。
　以上の理由から、硬質被覆層に含まれる（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層における、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合は、２０～５０原子％とすることが望ましい。
　また、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができない。一方、その平均層厚が１０μｍを越えると、高速切削加工で切刃部に欠損が発生し易くなる。以上から、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均層厚は０．５～１０μｍと定めた。
　（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるポアの占有面積率Ｐ：
　この発明では、例えば、図１Ａおよび１Ｂにその概略を示すノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置を用いた成膜において、Ａｌ－Ｃｒ合金ターゲット表面中心の磁場の大きさが５５～１００Ｇとなるように、ターゲット裏面に配置した電磁コイルの磁力を制御して成膜を行うことにより、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中における所定のポアの占有面積率Ｐを得ることができる。
　即ち、Ａｌ－Ｃｒ合金ターゲット表面中心の磁場の大きさが５５～１００Ｇとなるように磁力を制御して、ノーマルカソードのアークイオンプレーティング法により（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を成膜すると、該（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中には、ポアの占有面積率Ｐ（任意の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層断面について、ＴＥＭ－ＥＤＳによって測定される測定面積に占めるポアの面積の割合）が０．５～１面積％の範囲内のポアが形成される。
　ポアの占有面積率は、特に、ターゲット表面中心の磁場の大きさによって影響を受ける。磁場の大きさを大きくするほどポアの占有面積率は減少する。しかし、磁場の大きさが１００Ｇより大きくなると、ポアの占有面積率Ｐは０．５％未満となる。その結果、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中に圧縮残留応力が蓄積し、膜の脆化により強度が低下傾向を示し、被覆切削工具は、長時間の切削に耐えられなくなる。
　一方、ターゲット表面中心の磁場の大きさが５５Ｇより小さくなると、ポアの占有面積率Ｐは１％を超えるようになるが、ポアがクラック発生の起点となりやすくなり、結果として膜強度が低下する。
　したがって、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるポアの占有面積率Ｐは、０．５～１面積％と定めた。
　（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるドロップレットの占有面積率Ｄ：
　（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるドロップレットの占有面積率Ｄは、上記ノーマルカソードのアークイオンプレーティング法により形成されるポアの占有面積率Ｐと相関する。ドロップレットの占有面積率Ｄが、２面積％未満であるか、あるいは４面積％を超えた場合には、ポアの占有面積率Ｐが０．５面積％未満となるか、あるいは１面積％を超える。以上の理由から、ドロップレットの占有面積率Ｄは２～４面積％と定めた。
　（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中におけるＡｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌ：
　本願明細書中では、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のＡｌとＣｒの合計量に対する平均のＡｌ含有量よりも高濃度のＡｌを含有するドロップレットをＡｌリッチドロップレットと称している。
　全ドロップレットのうちで、このＡｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌが、２０面積％未満（Ｄａｌ／Ｄ＜０．２）の場合には、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の耐熱性、耐酸化性が不十分となる。そのため、全ドロップレットに占めるＡｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを２０面積％以上（Ｄａｌ／Ｄ≧０．２）と定めた。
　また、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のＡｌとＣｒの合計量に対する平均Ａｌ含有量の算出法は、上記膜中におけるドロップレット部以外の箇所で組成を少なくとも３箇所測定し、それぞれの測定値におけるＡｌとＣｒの合計量に対するＡｌの値の平均値を意味する。
　なお、具体的にはＡｌとＣｒの合計量に対する平均のＡｌ含有量よりも２原子％以上高濃度である場合に、Ａｌリッチとする。
　全ドロップレットに占めるＡｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを２０面積％以上（Ｄａｌ／Ｄ≧０．２）とするためには、例えば、成膜中における窒素圧力を０．５Ｐａ以上とすることが必要である。加えて、ターゲット表面中心の磁場を５５～１００Ｇにすると、その場合Ｄａｌは自ずと０．４～４面積％の範囲となる。
　この発明では、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌは、下記の式（１）を満たす専有面積率であることが望ましい。
　Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌ（面積％）＝０．４～４（面積％）　　　（１）
　これは、Ｄａｌが０．４面積％未満では、例えば、炭素鋼を切削した場合、溶着を起こしやすくなり、耐摩耗性が悪化するためである。また、Ｄａｌが４面積％を超える場合、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層における膜硬さが低下し、摩耗速度が大きくなり、耐摩耗性が悪化する。
　層厚：
　（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、その層厚が０．５μｍ未満では、すぐれた耐摩耗性を長期の使用にわたって発揮することはできず、一方、その層厚が１０μｍを超えると、耐欠損性の低下傾向がみられる。以上から、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の層厚は、０．５～１０μｍと定めた。
　硬質被覆層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層：
　この発明の一実施形態である表面被覆切削工具では、硬質被覆層が、上記の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層以外の複合窒化物層を含んでも良い。例えば、工具基体表面に、第１層として、所定層厚のＡｌとＴｉの複合窒化物（以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎで示す）層を被覆形成し、この上に、第２層として、上記の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を被覆形成し、さらに、この上に、第３層として、所定層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を被覆形成することができる。
　上記第１層および第３層を被覆形成することにより、耐熱性、耐摩耗性を一段と向上させることができる。そのためには、Ａｌとの合量に占めるＴｉの含有割合は、２０～６０原子％であることが必要であり、また、第１層の層厚は、０．５～５μｍ、第３層の層厚は、０．２～１μｍであることが望ましい。
　また、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を第１層、第３層として被覆形成することによって、特に、被削材中のＦｅ成分との親和性、反応性を低下させることができ、耐溶着性を改善できる。
　本願発明の一実施形態の被覆工具の硬質被覆層に含まれる複合窒化物層を分析する場合、被覆工具を切断、研削等により、上記複合窒化物層の断面を調製する。この断面は、ＴＥＭ－ＥＤＳマッピング法により分析される。この分析では、上記の断面は、電子線により走査され、分析対象となる領域の物質的性質が定性される。これにより、対象領域に含まれるポアやドロップレットの占有面積率や、ドロップレット中の元素組成が分かる。測定条件は、加速電圧が２００ｋＶ、ＴＥＭスポットサイズが１ｎｍ、観察倍率が３００００倍、一視野測定時間が１時間、一視野の面積は１２μｍ２である。
　本発明の他の実施形態である被覆工具製造方法は、例えば図１Ａおよび１Ｂに示されるアークイオンプレーティング装置を用いて行うことができる。この被覆工具製造方法によって、本発明の一実施形態である被覆工具を製造することができる。
　上記アークイオンプレーティング装置は、気密性の保たれるチャンバー４を有し、その内部に回転テーブル１を有している。回転テーブル１の上面には、複数の工具基体６が保持される。回転テーブル１の底面には、バイアス電源３により駆動される駆動軸２が接続されている。この駆動軸２の軸方向での回転運動により、回転テーブル１も、駆動軸２の軸方向の回転運動をする。
　回転テーブル１上には、上記駆動軸２とは反対側に延びる、複数の回転軸５が配置されている。複数の工具基体６は、回転軸５に貫通された状態で、回転テーブル１上に保持される。回転軸５は、回転テーブル１とは独立に軸回転する。回転軸５の回転により、回転軸５に保持される工具基体６も回転する。図１Ａおよび１Ｂに示される実施形態では、回転軸５は、回転テーブル１とは反対方向に回転している。
　回転テーブル１の背面には、ヒーター７が配置される。ヒーター７の出力を制御することで、チャンバー４内の雰囲気温度が調節される。
　回転テーブル１を両側から挟む形で、回転テーブル１の側面には、カソード電極８およびカソード電極９が配置されている。カソード電極８は、Ｔｉ－Ａｌ合金からなる。カソード電極９は、Ａｌ－Ｃｒ合金からなる。カソード電極８および９の背面には、それぞれ電磁コイル１０および１１が配置されている。アーク電源１４から、アーク電源電流をかけることで、アノード電極１２とカソード電極８との間にアーク放電が生じ、カソード電極８の一部が蒸発する。同様に、アーク電源１５から、アーク電源電流をかけることで、アノード電極１３とカソード電極９との間にアーク放電が生じ、カソード電極９の一部が蒸発する。電磁コイル１０および１１に通電することで、それぞれカソード電極８およびカソード電極９の表面中心に磁場が発生する。
　反応ガス流入路１６からは、所定の組成の反応ガスが所定の流量にて、チャンバー４内に導入される。排ガス流出路１７からは、反応ガスの流入量に対応して、所定の量のガスが、チャンバー４から排出される。
　本発明の他の実施形態である被覆工具製造方法は、以下の工程を備える。
　硬質被覆層成膜工程：
　硬質被覆層成膜工程では、上記の図１Ａおよび１Ｂに示したアークイオンプレーティング装置を用いて、切削工具基体上に硬質被覆層を蒸着形成する。切削工具基体６は、圧粉体を焼結して得られるものであり、炭化タングステン基超硬合金からなる。硬質被覆層は、０．５～１０μｍの層厚を有する、ＡｌとＣｒの複合窒化物層を含む。ＡｌとＣｒの複合窒化物層中には、ポアおよびドロップレットが分散して分布している。ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における上記ポアの占有面積率およびドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５～１面積％および２～４面積％である。ドロップレットのうち、ＡｌとＣｒの複合窒化物層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における全ドロップレット面積の２０面積％以上を占める。
　この硬質被覆層成膜工程は、以下に説明する、基体装入工程と、回転工程、ターゲット蒸発工程と、磁気発生工程を有する。
　基体装入工程：
　複数の炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体６をアークイオンプレーティング装置のチャンバー４内に装入する。工具基体６は、アークイオンプレーティング装置のチャンバー４内に配置される回転テーブル１の上面上に保持される。工具基体６は、回転テーブル１の上面上に設けられた回転軸５に貫かれる形で、回転軸５により保持される。回転軸５は、回転テーブル１上に複数設けられ、一本の回転軸５には、複数の工具気体６が、縦に重なる形で保持される。
回転工程：
　回転テーブル１を、その底面に接続された回転テーブル駆動軸２を駆動させることで回転させる。回転テーブル駆動軸２の軸方向は、重力の向きと同一である。したがって、回転テーブル１は、重力の向きと直交する面内で回転運動を行う。
　ターゲット蒸発工程：
　カソード電極８およびアノード電極１２の間に配置されたアーク電源１４から、電力を供給することにより、カソード電極８とアノード電極１２の間にアーク放電を発生させる。または、カソード電極９およびアノード電極１３の間に配置されたアーク電源１５から、電力を供給することにより、カソード電極９とアノード電極１３の間にアーク放電を発生させる。アーク放電により、カソード電極８、９の一部が蒸発する。蒸発したカソード電極成分の一部は、複合窒化物またはドロップレットとなり、工具基体６上に蒸着される。
　磁気発生工程：
　カソード電極８、９の背面に、それぞれ配置されたコイル１０、１１に通電する。これにより、カソード電極８、９、すなわちＴｉ－Ａｌ合金製ターゲットまたはＡｌ－Ｃｒ合金製ターゲットの表面中心に、５５から１００Ｇの磁場が発生する。
　本発明の他の実施形態である被覆工具製造方法における、窒化物層の成膜条件は例えば以下の通りである。
　成膜温度：３００～５００℃、
　成膜圧力：０．５～１０Ｐａ、
　成膜時間：０．１５～８時間、
　ターゲットの寸法：直径１００×厚さ１２ｍｍ、
　反応ガス組成：純窒素、
　回転テーブルの寸法：直径６００ｍｍ、
　回転テーブルの回転速度：１～４ｒｐｍ、
　ターゲットから回転テーブル中心までの距離：４５０ｍｍ、
　アーク電源電流：１００～２００Ａ、
　ターゲット中心の磁力：５５～１００Ｇ。
　次に、この発明の一実施形態である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粉末を用意した。これら原料粉末を、表１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た。この混合物を減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で、プレス成形し、ＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１（超硬基体Ａ～Ｅ）の所定の形状の圧粉体を得た。この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０～１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し焼結体を得た。焼結後、焼結体の切刃部に幅０．１５ｍｍ、角度２０度のチャンフォーホーニング加工した。上記の一連の工程により、ＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ～Ｅをそれぞれ製造した。
　つぎに、これらの工具基体Ａ～Ｅを、図１Ａおよび１Ｂに示すノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置に装入し、表２に示す条件で、Ａｌ－ＴｉボンバードまたはＴｉボンバードを施した。次いで、同じく表２に示す条件で、所定の層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成した。上記の工程により、表３に示す本発明被覆工具１～２４を製造した。
　上記本発明被覆工具１～２４の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層について、その断面を、ＴＥＭ－ＥＤＳによって観察し、測定面積に占めるポアの占有面積率Ｐ、ドロップレットの占有面積率Ｄ、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを測定した。また、Ｄａｌ／Ｄの値を、上記測定値に基づいて算出した。具体的なＴＥＭ－ＥＤＳ測定方法を、以下に記述する。測定法：ＴＥＭ－ＥＤＳマッピング、加速電圧：２００ｋＶ、ＴＥＭスポットサイズ：１ｎｍ、観察倍率：３００００倍、１視野測定時間：１時間とした。１視野約４μｍ×３μｍのエリアを３視野用いた。さらに、同一視野のＴＥＭ像及びＥＤＳマッピング像を用い、ポア部を正方形、あるいは長方形、ドロップレット部を円、楕円で、それぞれの形状の輪郭を近似しマーキングする。３視野合計の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積、マーキングに基づいて３視野のポア部合計断面積、ドロップレット部合計断面積を算出する。（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積に対するポア部合計断面積をポアの占有面積率Ｐ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積に対するドロップレット部合計断面積をドロップレット占有面積率Ｄとする。
　さらに、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のドロップレット部以外の箇所で組成を３箇所抽出し、ＡｌとＣｒの合計量に対する平均Ａｌ含有量を算出し、その値を（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の平均Ａｌ含有量とする。また、各ドロップレットの組成を抽出し、それぞれのドロップレットにおけるＡｌとＣｒの合計量に対するＡｌ含有量を算出し、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の平均Ａｌ含有量よりも２原子％以上高濃度である場合に、Ａｌリッチドロップレットとする。マーキングに基づいてＡｌリッチドロップレット部３視野の合計断面積を算出する。（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中の合計断面積に対するＡｌリッチドロップレット部合計断面積をＡｌリッチドロップレット占有面積率Ｄａｌとする。
　表４に、これらの値をそれぞれ示す。
　また、図２に、本発明被覆工具２の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の断面を示す。
　図２（ａ）は断面ＴＥＭ写真（倍率：３００００倍）であって、（ｂ）はその模式図であり、（ｂ）中に、ポア（□印、細長い□印）、ドロップレット（○印、楕円）、Ａｌリッチドロップレット（◎印、◎の楕円）の位置をそれぞれ示す。
　また、比較の目的で、上記ノーマルカソードのアークイオンプレーティング装置を用いて、工具基体Ａ～Ｅの表面に、表５に示す条件で、Ａｌ－ＴｉボンバードまたはＴｉボンバードを施した。次いで、同じく表５に示す条件で、所定の層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成した。上記工程により、表６に示される比較被覆工具１～１１を作製した。
　比較被覆工具１～１１の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層についても、その断面を、ＴＥＭ－ＥＤＳによって観察し、測定面積に占めるポアの占有面積率Ｐ、ドロップレットの占有面積率Ｄ、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌを測定した。また、Ｄａｌ／Ｄの値、上記測定値に基づいて算出した。
　表７に、これらの値をそれぞれ示す。
　また、図３に、比較被覆工具１の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の断面を示す。
　図３（ａ）は断面ＴＥＭ写真（倍率：３００００倍）であって、（ｂ）はその模式図であり、（ｂ）中に、ポア（□印、細長い□印）、ドロップレット（○印、楕円）、Ａｌリッチドロップレット（◎印、◎の楕円）の位置をそれぞれ示す。
　また、本発明被覆工具１～２４及び比較被覆工具１～１１の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定した。いずれも表３、表６に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を有する層が形成されていた。なお、膜断面を走査型電子顕微鏡にて１００００倍にて観察し、各構成層の層厚を５点ずつ測定し、それら平均の層厚を平均層厚とした。
　また、本発明被覆工具１～２４及び比較被覆工具１～１１の各構成層の組成（原子比）の測定方法を記述する。測定法ＴＥＭ－ＥＤＳマッピングにて、各構成層のドロップレット部以外の箇所で組成を３箇所抽出し、その平均値を算出した。その値を表３、表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
 　つぎに、上記本発明被覆工具１～２４及び比較被覆工具１～１１について、以下に示す条件で、乾式高送りミーリング切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
　被削材：　ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５２）のブロック材
　回転速度：　１７０００／ｍｉｎ、
　切削速度：　３００　ｍ／ｍｉｎ、
　切り込み：　ａｅ　０．３　ｍｍ、ａｐ　２．０　ｍｍ、
　一刃送り量：　０．０５　ｍｍ／刃、
　切削油剤：　エアー、
　切削時間：　５　分。
　表８に、上記切削試験の結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 　表４、７、８に示される結果から、以下のことが示された。この発明の一実施形態の被覆工具は、硬質被覆層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層における層厚が０．５～１０μｍであり、ポアの占有面積率Ｐが０．５～１面積％であり、全ドロップレットの占有面積率Ｄが２～４面積％であり、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌが０．４～４面積％であり、また、Ｄａｌ／Ｄ≧０．２である。上記の特徴を兼ね備えることによって、本願発明の一実施形態の被覆工具は、高速切削加工において、すぐれた耐欠損性を発揮し、かつ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
　これに対して、比較被覆工具１～１１では、硬質被覆層の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層における層厚、ポアの占有面積率Ｐ、全ドロップレットの占有面積率Ｄ、Ａｌリッチドロップレットの占有面積率Ｄａｌ、また、Ｄａｌ／Ｄの値のうちのいずれかが本発明で規定する範囲から外れていた。これら比較被覆工具１～１１では、上記特徴のいずれかが欠けているために、高速切削加工において、チッピング、欠損等が発生し、結果として短時間で寿命に至った。
　この発明の被覆工具は、例えば炭素鋼、合金工具鋼等の被削材の高速切削加工において、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とする。また、他の被削材の切削加工や、他の条件での切削加工で使用した場合でも、長い使用寿命が期待できる。
　１　　回転テーブル
　２　　回転テーブル駆動軸
　３　　バイアス電源
　４　　チャンバー
　５　　回転軸
　６　　工具基体
　７　　ヒーター
　８　　カソード電極（Ｔｉ－Ａｌ蒸発源）
　９　　カソード電極（Ａｌ－Ｃｒ蒸発源）
　１０、１１　　電源コイル
　１２、１３　　アノード電極
　１４、１５　　アーク電源
　１６　　反応ガス流入路
　１７　　排ガス流出路

Claims (5)

  1. 　炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体と、
    　上記工具基体上に被覆形成された、０．５～１０μｍの層厚を有する、ＡｌとＣｒの複合窒化物層を含む硬質被覆層とを備え、
    　上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層中には、ポアおよびドロップレットが分散して分布し、
    　上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における上記ポアの占有面積率および上記ドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５～１面積％および２～４面積％であり、
    　上記ドロップレットのうち、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における全ドロップレット面積の２０面積％以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
  2. 　上記硬質被覆層は、被覆形成されたＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層、被覆形成されたＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる第２層、および被覆形成されたＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第３層を含み、
    　ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層および第３層におけるＡｌとの合量に占めるＴｉの含有割合は、２０～６０原子％である請求項１に記載の表面被覆切削工具。
  3. 　上記ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる第１層および第３層の層厚は、それぞれ、０．５～５μｍおよび０．２～１μｍである請求項２に記載の表面被覆切削工具。
  4. 　上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層における、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合は、２０～５０原子％である請求項１から３のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
  5. 　アークイオンプレーティング法により、切削工具基体上に複合窒化物層を含む硬質被覆層を成膜する表面被覆切削工具製造方法であって、
    　アークイオンプレーティング装置を用いて、上記切削工具基体上に硬質被覆層を蒸着形成する硬質被覆層成膜工程を備え、
    　上記硬質被覆層成膜工程は、
    　上記切削工具基体を、上記アークイオンプレーティング装置内に配置される、回転可能な回転テーブル上に配置する、基体装入工程と、
    　上記切削工具気体が配置された上記回転テーブルを回転させる、回転工程と、
    　上記回転テーブルの両側の一方側に配置されたＡｌ－Ｃｒ合金からなるターゲットをアーク放電により蒸発させる、ターゲット蒸発工程と、
    　上記Ａｌ－Ｃｒ合金からなるターゲット表面中心に、５５から１００Ｇの磁場を発生させる磁気発生工程とを備え、
    　上記複合窒化物層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層であり、
    　上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層中には、ポアおよびドロップレットが分散して分布し、
    　上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における上記ポアの占有面積率および上記ドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５～１面積％および２～４面積％であり、
    　上記ドロップレットのうち、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における全ドロップレット面積の２０面積％以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具製造方法。
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