WO2017073655A1 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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WO2017073655A1
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tool
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cutting tool
nitride layer
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Inventor
強 大上
達生 橋本
一宮　夏樹
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三菱マテリアル株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B51/00—Tools for drilling machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C5/00—Milling-cutters
    • B23C5/16—Milling-cutters characterised by physical features other than shape
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material

Definitions

  • the present invention is a surface-coated cutting tool that exhibits excellent chipping resistance and wear resistance with a hard coating layer in cutting of hard materials such as hardened steel (hereinafter referred to as “cutting steel”). , Referred to as a coated tool).
  • a coated tool for throwing inserts that can be used detachably attached to the tip of a cutting tool for turning and planing of various materials such as steel and cast iron, and for drilling and cutting the work material
  • Many proposals have been made for the purpose of improving the cutting performance of the coated tool.
  • Patent Document 1 Cr, Al, and Si are formed on the surface of a tool base such as tungsten carbide (hereinafter referred to as WC) -based cemented carbide, titanium carbonitride (hereinafter referred to as TiCN) -based cermet.
  • WC tungsten carbide
  • TiCN titanium carbonitride
  • Patent Document 2 includes, on the surface of the substrate, an element selected from one or more of 4a, 5a, and 6a group metals of the periodic table as a metal element and Al and an Si element, and N,
  • the Si and B-containing coating is separated from the crystalline phase.
  • the excess hardness can be obtained without sacrificing the high hardness of the Si-containing wear-resistant coating. It has been proposed to suppress embrittlement due to residual compressive stress and improve the toughness of the Si-containing wear-resistant coating. Furthermore, it is described that it is effective in improving oxidation resistance by substituting less than 10 atomic% of the film component with Cu.
  • Patent Document 3 in a coated tool in which a hard coating layer is coated on the surface of a tool base, at least one layer of a hard film is (MaLb) Xc (where M is Cr, Al, Ti, Hf, V, Zr). , Ta, Mo, W, Y represents at least one metal element selected from L, and L represents at least one additive element selected from Mn, Cu, Ni, Co, B, Si, S X represents at least one nonmetallic element selected from C, N, and O, a represents the atomic ratio of M to the sum of M and L, and b represents the sum of M and L C represents the atomic ratio of X with respect to the sum of M and L.
  • a coated tool with improved hardness, oxidation resistance, toughness, and wear resistance of the hard coating has been proposed. Further, it is described that when Cu is contained as
  • Japanese Patent No. 3781374 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-34186 (A) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-31517 (A) Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2008-73800 (A)
  • the inventors of the present application are accompanied by high heat generation, such as high-speed milling processing of high hardness materials such as hardened steel, and a large impact and mechanical load on the cutting blade from the above viewpoint.
  • high heat generation such as high-speed milling processing of high hardness materials such as hardened steel
  • the layer forming material constituting the hard coating layer of the conventional coated tool and its crystal structure are developed. As a result of paying attention, the following findings were obtained.
  • the Al component of the (Al, Cr, Si) N layer constituting the hard coating layer is high-temperature hardness, and the Cr component improves high-temperature toughness and high-temperature strength.
  • the high-temperature oxidation resistance is improved, and the Si component has the effect of improving the heat-resistant plastic deformation.
  • the Cr content ratio is increased. Even if it is going to improve high temperature toughness and high temperature strength by this, abrasion resistance will fall by the relative reduction
  • the inventor of the present application aims to improve wear resistance by refining crystal grains by adding Cu as a component of the hard coating layer made of the (Al, Cr, Si) N layer, By improving the toughness of the hard coating layer by adopting a hexagonal crystal structure, it is accompanied by high heat generation, such as high-speed milling of hardened materials such as hardened steel, and has a large impact on the cutting edge.
  • the present inventors have found that both excellent chipping resistance and excellent wear resistance of a coated tool can be achieved even under cutting processing conditions in which mechanical and mechanical loads are applied.
  • This invention is made
  • a hard coating layer is provided on the surface of a tool base made of any of tungsten carbide-based cemented carbide, TiCN-based cermet, cubic boron nitride sintered body, and high-speed tool steel
  • the hard coating layer includes at least a composite nitride layer of Al, Cr, Si, and Cu having an average layer thickness of 0.5 to 8.0 ⁇ m
  • the composite nitride layer is When expressed by the composition formula: (Al 1-abc Cr a Si b Cu c ) N, 0.15 ⁇ a ⁇ 0.40, 0.05 ⁇ b ⁇ 0.20, 0.005 ⁇ c ⁇ 0.05 (where a, b, and c are atomic ratios)
  • the crystal structure of the composite nitride layer is a hexagonal crystal structure, and the half width of the diffraction peak of the (110) plane
  • the coated cutting tool of the present invention (hereinafter referred to as “the coated cutting tool of the present invention”) will be described in detail.
  • Al component in Al / Cr / Si / Cu composite nitride layer (hereinafter also referred to as “(Al, Cr, Si, Cu) N layer”) has high temperature hardness, and Cr component has high temperature. While improving toughness and high-temperature strength, improving high-temperature oxidation resistance in the state of coexistence of Al and Cr, the Si component also has the effect of improving heat-resistant plastic deformation, and the Cu component has There is an effect of improving the wear resistance by miniaturizing the crystal grains.
  • a value (atomic ratio) which shows the content rate of Cr in the said (Al, Cr, Si, Cu) N layer is the ratio which occupies for the total amount of Al, Si, and Cu, and is less than 0.15, it is minimum required The high temperature toughness and high temperature strength cannot be ensured, so the occurrence of chipping and defects cannot be suppressed.
  • the a value exceeds 0.40 the relative Al content decreases. Since the progress of wear is promoted, the value a is set to 0.15 to 0.40.
  • the b value (atomic ratio) indicating the Si content ratio is less than 0.05 in the total amount of Al, Cr, and Cu, it is possible to expect an improvement in wear resistance by improving the heat plastic deformation resistance.
  • Average layer thickness of (Al, Cr, Si, Cu) N layer If the average layer thickness of the (Al, Cr, Si, Cu) N layer is less than 0.5 ⁇ m, it cannot exhibit excellent wear resistance over a long period of use, while the average layer thickness is 8 If the thickness exceeds 0.0 ⁇ m, chipping and defects are likely to occur. Therefore, the average layer thickness of the (Al, Cr, Si, Cu) N layer is determined to be 0.5 to 8.0 ⁇ m.
  • the hard coating layer has a resistance to resistance under cutting conditions that generate high heat, such as high-speed milling of hardened materials such as hardened steel, and are subject to a large impact and mechanical load on the cutting edge.
  • the composition and layer thickness of the (Al, Cr, Si, Cu) N layer were determined as described above.
  • the crystal structure of the layer was hexagonal. By making crystals, chipping resistance can be further improved.
  • the formation of a hard film using an AIP apparatus is well known, but it is formed when an Al—Cr—Si—Cu alloy is used as a target under normal conditions (Al, Cr, Si, The Cu) N layer has a cubic crystal structure or is mainly composed of a cubic crystal structure. Therefore, in the present invention, when the film is formed by the AIP apparatus 6 using the Al—Cr—Si—Cu alloy shown in FIGS. 1A and 1B as a target, the film is formed in a magnetic field and applied to the target surface at the maximum. By controlling the magnetic flux density and the bias voltage, it is possible to form an (Al, Cr, Si, Cu) N layer made of a hexagonal crystal rather than a cubic crystal.
  • the maximum magnetic flux density applied to the target surface is 7 to 15 mT (millitesla), and the bias voltage applied to the tool substrate is adjusted within the range of ⁇ 75 to ⁇ 150 V, so that the cubic structure is not obtained.
  • An (Al, Cr, Si, Cu) N layer made of a hexagonal crystal can be formed.
  • the crystal structure of the (Al, Cr, Si, Cu) N layer is composed of a hexagonal crystal structure, so that the toughness can be improved without causing a decrease in wear resistance. Chipping property is improved.
  • the (Al, Cr, Si, Cu) N layer provided in the coated cutting tool of the present invention can be composed entirely of hexagonal structure crystals, but the layer contains a slight amount of cubic structure crystals.
  • the chipping resistance and the wear resistance are not adversely affected.
  • the diffraction peak intensity of the cubic (200) plane obtained by X-ray diffraction exceeds the diffraction peak intensity of the hexagonal (110) plane, the wear resistance is improved but the chipping resistance is lowered.
  • the crystal structure of the (Al, Cr, Si, Cu) N layer is all a hexagonal crystal structure, and the crystal of the cubic structure is slightly contained in the (Al, Cr, Si, Cu) N layer. Including both cases, the crystal structure of the (Al, Cr, Si, Cu) N layer may be expressed mainly as a hexagonal crystal structure.
  • 2 ⁇ is in the range of 55 ° to 65 °, ( A diffraction peak peculiar to the hexagonal structure from the 110) plane is observed.
  • this diffraction peak is sharp, that is, when the half-value width is less than 1.0 °, the wear resistance of the (Al, Cr, Si, Cu) N layer is lowered, while the peak is broad.
  • the half-value width is larger than 3.5 °, the chipping resistance of the (Al, Cr, Si, Cu) N layer tends to decrease, so that 2 ⁇ measured by X-ray diffraction is from 55 °.
  • the full width at half maximum for the diffraction peak from the (110) plane existing in the range of 65 ° is 1.0 ° or more and 3.5 ° or less.
  • the hard coating layer includes at least a layer composed of an (Al, Cr, Si, Cu) N layer having a predetermined composition, and the (Al, Cr, Si, Cu) N layer
  • the coated cutting tool of the present invention has excellent chipping resistance even in high-speed milling of hardened materials such as hardened steel, which is accompanied by high heat generation and has a large impact and mechanical load on the cutting edge. It exhibits excellent wear resistance over a long period of time.
  • the coated cutting tool of the present invention will be specifically described with reference to examples.
  • a case where a WC-based cemented carbide is used as a tool base will be described.
  • a TiCN-based cermet, a cubic boron nitride sintered body, and a high-speed tool steel are used as a tool base. Is the same.
  • the green compacts were extruded and pressed, and these green compacts were heated to a predetermined temperature in the range of 1370 to 1470 ° C. at a temperature increase rate of 7 ° C./min in a 6 Pa vacuum atmosphere.
  • Conditions for furnace cooling after holding at this temperature for 1 hour Sintered to form a round tool sintered body for forming a tool base having a diameter of 10 mm, and further, from the round bar sintered body, a diameter x length of a cutting edge portion is 6 mm x 12 mm by grinding.
  • WC-base cemented carbide tool bases (end mills) 1 to 3 each having a two-blade ball shape with a twist angle of 30 degrees were manufactured.
  • Each of the above tool bases 1 to 3 is ultrasonically cleaned in acetone and dried, and in a radial direction from the central axis on the rotary table 2 of the AIP device 6 shown in FIGS. 1A and 1B. Attached along the outer peripheral portion at a distance, a Ti cathode electrode 9 for bombard cleaning on one side of the AIP device 6, and a target (cathode electrode) made of an Al—Cr—Si—Cu alloy with a predetermined composition on the other side 5 is placed, (B) First, the tool base 3 is heated to 400 ° C.
  • a DC bias voltage shown in Table 2 was applied, and a current of 100 A was passed between the Al—Cr—Si—Cu alloy target 5 and the anode electrode 7 to generate an arc discharge.
  • a hard coating layer composed of an (Al, Cr, Si, Cu) N layer having a composition and a target average layer thickness shown in Table 4 is formed on the surface of the tool base 3 by vapor deposition, so that the coating of the present invention shown in Table 4 is performed.
  • Surface-coated end mills 1 to 10 (hereinafter referred to as the present invention 1 to 10) as cutting tools were produced, respectively.
  • Comparative example For the purpose of comparison, the step (c) in the above example was performed under the conditions shown in Table 3 (that is, the maximum magnetic flux density on the surface of the Al—Cr—Si—Cu alloy target 5 was changed), and ( The surface of the comparative cutting tool of the comparative example shown in Table 5 except that the process of d) is carried out under the same conditions as shown in Table 3 (that is, changing the nitrogen partial pressure and DC bias voltage). Coated end mills 1 to 10 (hereinafter referred to as Comparative Examples 1 to 10) were produced.
  • X-ray diffraction was measured by the 2 ⁇ - ⁇ method using CuK ⁇ rays using a Spectris PANalytical Empire as an X-ray diffractometer, and measurement conditions (2 ⁇ ): 30 to 80 degrees, X-ray output: The measurement was performed under the conditions of 45 kV, 40 mA, divergent slit: 0.5 degree, scan step: 0.013 degree, measurement time per step: 0.48 sec / step. Tables 4 and 5 show the measured and calculated values.
  • cutting conditions A Work material-Plane dimensions: 100 mm x 250 mm, thickness: 50 mm JIS / SKD11 (60HRC) plate material, Cutting speed: 100 m / min, Rotational speed: 5400 min. -1 , Incision: ae 0.2 mm, ap 2 mm, Feed rate (per blade): 0.05 mm / tooth, Cutting length: 40 m Further, a side cutting test of high-speed tool steel was performed under the following conditions (referred to as cutting condition B).
  • the coated cutting tool of the present invention includes at least a (Al, Cr, Si, Cu) N layer having a predetermined composition as the hard coating layer, and (Al, Cr, Si, Cu) N.
  • the crystal structure of the layer is mainly a hexagonal crystal structure.
  • the composition of the (Al, Cr, Si, Cu) N layer constituting the hard coating layer, the crystal structure, or the half width of the diffraction peak of the (110) plane is outside the range specified in the present invention. It is clear that the coated cutting tool reaches the service life in a relatively short time due to occurrence of chipping or progress of wear.
  • Table 6 in the above example is for the coated cutting tool of the present invention using a WC-based cemented carbide as a tool substrate, but the tool substrate is not limited to a WC-based cemented carbide, TiCN-based cermet, cubic boron nitride sintered body, and high-speed tool steel can be used as the tool base, and the coated cutting tool of the present invention using these as the tool base also has excellent resistance to resistance as in the above-described embodiment. Chipping properties and excellent wear resistance are demonstrated over a long period of use.
  • the coated cutting tool of the present invention exhibits excellent cutting performance over a long period of time when subjected to high-speed milling of a hard material such as hardened steel.

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Abstract

炭化タングステン基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、平均層厚０．５～８．０μｍのＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、前記複合窒化物層は、組成式：（Ａｌ１－ａ－ｂ－ｃＣｒａＳｉｂＣｕｃ）Ｎで表した場合、０．１５≦ａ≦０．４０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００５≦ｃ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃはいずれも原子比）を満足し、前記複合窒化物層は六方晶構造を主体とする結晶からなり、該窒化物層についてＸ線回折で求めた２θ＝５５～６５°の範囲内に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０～３．５°である。

Description

表面被覆切削工具
　本願発明は、焼入れ鋼などの高硬度材の切削加工において、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し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能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。
　本願は、２０１５年１０月２８日に、日本に出願された特願２０１５－２１１４８３号及び２０１６年１０月２６日に、日本に出願された特願２０１６－２０９１９４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　一般に、被覆工具として、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、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エンドミル、前記被削材の歯形の歯切加工などに用いられるソリッドホブ、ピニオンカッタなどが知られている。
　そして、被覆工具の切削性能改善を目的として、従来から、数多くの提案がなされている。
　例えば、特許文献１に示すように、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメット等の工具基体の表面に、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉを主成分とする金属成分と、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択される少なくとも１種以上の元素とから構成される立方晶構造の硬質層を１層以上被覆することにより、耐欠損性、耐摩耗性を改善した被覆工具が提案されている。
　また、特許文献２には、基体表面に、金属元素として周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属及びＡｌの１種以上より選択された元素とＳｉ元素とを含み、非金属元素としてＮ、Ｃ、Ｏ、Ｓのうち１種以上より選択された元素とＢ元素とを含むＳｉ、Ｂを含有する皮膜を、少なくとも１層被覆した被覆工具において、Ｓｉ、Ｂ含有皮膜を結晶質相と非晶質相との混相とし、結晶質相内に含まれる結晶粒子の最小結晶粒径を０．５ｎｍ以上２０ｎｍ未満とすることにより、Ｓｉ含有耐摩耗皮膜の高硬度を犠牲にすることなく、過剰残留圧縮応力による脆化を抑制し、Ｓｉ含有耐摩耗皮膜の靭性を改善することが提案されている。さらに、皮膜成分の１０原子％未満をＣｕで置換することで、耐酸化性の改善に有効であることが記載されている。
　また、特許文献３には、工具基体表面に硬質被覆層を被覆した被覆工具において、硬質膜の少なくとも１層は、（ＭａＬｂ）Ｘｃ（但し、ＭはＣｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｙの中から選ばれた少なくとも１種の金属元素を示し、ＬはＭｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｂ、Ｓｉ、Ｓの中から選ばれた少なくとも１種の添加元素を示し、ＸはＣ、Ｎ、Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を示し、ａはＭとＬとの合計に対するＭの原子比を示し、ｂはＭとＬとの合計に対するＬの原子比を示し、ｃはＭとＬとの合計に対するＸの原子比を示す。また、ａ、ｂ、ｃは、それぞれ０．８５≦ａ≦０．９９、０．０１≦ｂ≦０．１５、ａ＋ｂ＝１、１．００＜ｃ≦１．２０を満足する。）とすることで、硬質膜の成分であるＣｕ、Ｓｉ等による結晶粒の微細化、結晶安定性により、高温硬さが高くなり、耐摩耗性が向上し、さらに、耐酸化性も向上すると記載されている。
　さらに、特許文献４には、工具基体表面に、Ａｌ１－ａ－ｂ－ｃＳｉａＭｇｂＭｃ（ＢｘＣｙＮｚ）からなる組成（但し、Ｍは、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＣｕおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、０≦ａ≦０．３５、０≦ｂ≦０．２、０．０３≦ａ＋ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．１、かつ、原子比で、０．９≦Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｇ、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦０．４、０．５≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足する。）の硬質皮膜を形成することによって、硬質皮膜の硬度、耐酸化性、靭性、耐摩耗性を改善した被覆工具が提案されている。また、硬質皮膜成分としてＣｕを含有させた場合、結晶粒の微細化による皮膜の高硬度化とともに、潤滑作用が期待されると記載されている。
日本国特許第３７８１３７４号公報（Ｂ） 日本国特開２００４－３４１８６号公報（Ａ） 日本国特開２００８－３１５１７号公報（Ａ） 日本国特開２００８－７３８００号公報（Ａ）
　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い。そして、これに伴い、切削加工はますます高速化・高能率化の傾向にある。上記従来の被覆工具を鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工に用いた場合には、特段の問題は生じないが、これを、例えば、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工に用いた場合には、チッピング、欠損の発生を抑制することができない。また、摩耗進行も促進される。そのため、上記従来の被覆工具は、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
　そこで、本願発明者等は、上述のような観点から、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工条件下で、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被覆工具を開発すべく、上記従来の被覆工具の硬質被覆層を構成する層形成材料およびその結晶構造に着目し研究を行った結果、以下のような知見を得た。
　特許文献１に示される従来被覆工具においては、硬質被覆層を構成する（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層のＡｌ成分は高温硬さ、同Ｃｒ成分は高温靭性、高温強度を向上させると共に、ＡｌおよびＣｒが共存含有した状態で高温耐酸化性を向上させ、さらに同Ｓｉ成分は耐熱塑性変形性を向上させる作用がある。しかし、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削条件下においては、チッピング、欠損等の発生を避けることはできず、例えば、Ｃｒ含有割合を増加することにより高温靭性、高温強度の改善を図ろうとしても、相対的なＡｌ含有割合の減少によって、耐摩耗性が低下してしまう。そのため、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層における耐チッピング性と耐摩耗性の向上には限界がある。
　一方、特許文献２～４に示される従来被覆工具においては、硬質被覆層成分としてＣｕを含有させ、結晶粒の微細化を図ることによって耐摩耗性を向上させることが提案されているが、耐摩耗性が向上する反面、靭性が低下することによってチッピングの発生を抑制することができず、工具寿命は依然として短命である。
　そこで、本願発明者は、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層の成分として、Ｃｕを含有させることによって、結晶粒微細化による耐摩耗性の向上を狙うとともに、硬質被覆層の結晶構造を六方晶構造とすることによって硬質被覆層の靭性を向上させることによって、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工条件においても、被覆工具のすぐれた耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性の両立を図り得ることを見出したのである。
　本願発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、以下の態様を有する。
　（１）炭化タングステン基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
　前記硬質被覆層は、平均層厚０．５～８．０μｍのＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層を少なくとも含み、
　前記複合窒化物層は、
　組成式：（Ａｌ１－ａ－ｂ－ｃＣｒａＳｉｂＣｕｃ）Ｎで表した場合、
０．１５≦ａ≦０．４０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００５≦ｃ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃはいずれも原子比）を満足し、
　前記複合窒化物層の結晶構造は六方晶構造からなり、該複合窒化物層についてＸ線回折により求めた２θ＝５５～６５°の範囲に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０～３．５°であることを特徴とする表面被覆切削工具。
　（２）前記複合窒化物層は、該層中に六方晶構造の結晶とともに立方晶構造の結晶を含有することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
　（３）前記複合窒化物層の立方晶（２００）面の回折ピーク強度をｃ（２００）、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）としたとき、ピーク強度比ｃ（２００）／ｈ（１１０）＜１であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の表面被覆切削工具。
　つぎに、本願発明の一態様の被覆切削工具（以下、「本願発明の被覆切削工具」と称する）について、詳細に説明する。
ＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層の組成：
　ＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層（以下、「（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層」で示す場合もある。）におけるＡｌ成分には高温硬さ、同Ｃｒ成分には高温靭性、高温強度を向上させると共に、ＡｌおよびＣｒが共存含有した状態で高温耐酸化性を向上させ、さらに同Ｓｉ成分には耐熱塑性変形性を向上させる作用があり、また、Ｃｕ成分には、結晶粒の微細化を図ることによって耐摩耗性を向上させる作用がある。
　そして、前記（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層におけるＣｒの含有割合を示すａ値（原子比）がＡｌとＳｉとＣｕの合量に占める割合で０．１５未満では、最低限必要とされる高温靭性、高温強度を確保することができないため、チッピング、欠損の発生を抑制することができず、一方、同ａ値が０．４０を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、摩耗進行が促進することから、ａ値を０．１５～０．４０と定めた。また、Ｓｉの含有割合を示すｂ値（原子比）がＡｌとＣｒとＣｕの合量に占める割合で０．０５未満では、耐熱塑性変形性の改善による耐摩耗性向上を期待することはできず、一方、同ｂ値が０．２０を超えると、耐摩耗性向上効果に低下傾向がみられるようになることから、ｂ値を０．０５～０．２０と定めた。さらに、Ｃｕの含有割合を示すｃ値（原子比）がＡｌとＣｒとＳｉの合量に占める割合で０．００５未満では、より一層の耐摩耗性の向上を期待することができず、一方、同ｃ値が０．０５を超えると、アークイオンプレーティング（以下、「ＡＩＰ」で示す。）装置によって（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層を成膜する際にパーティクルが発生しやすくなり、大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工における耐チッピング性が低下することから、ｃ値を０．００５～０．０５と定めた。
　なお、上記ａ、ｂ、ｃについて、望ましい範囲は、０．１５≦ａ≦０．２５、０．０５≦ｂ≦０．１５、０．０１≦ｃ≦０．０３である。
（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の平均層厚：
　前記（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層は、その平均層厚が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はできず、一方、その平均層厚が８．０μｍを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の平均層厚は、０．５～８．０μｍと定めた。
（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の結晶構造：
　本願発明では、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工条件において、硬質被覆層の耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性の両立を図るため、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の組成および層厚を前記のとおり定めたが、これに加えて、該層の結晶構造を六方晶とすることによって、さらに耐チッピング性を向上させることができる。
　従来から、ＡＩＰ装置を用いた硬質皮膜の成膜はよく知られているが、Ａｌ－Ｃｒ－Ｓｉ－Ｃｕ合金をターゲットとして通常の条件で成膜すると、形成される（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層は立方晶構造のもの、あるいは、立方晶構造が主体のものとなる。
　そこで、本願発明では、図１Ａ及び図１Ｂに示すＡｌ－Ｃｒ－Ｓｉ－Ｃｕ合金をターゲットとして用いたＡＩＰ装置６による成膜に際し、磁場中で成膜を行い、かつ、ターゲット表面に印加する最大磁束密度を制御するとともに、バイアス電圧を制御することによって、立方晶構造ではなく六方晶構造の結晶からなる（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層を形成することができる。
　例えば、ターゲット表面に印加する最大磁束密度は７～１５ｍＴ（ミリテスラ）、また、工具基体に印加するバイアス電圧、―７５～－１５０Ｖの範囲内で蒸着条件を調整することによって、立方晶構造ではなく六方晶構造の結晶からなる（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層を形成することができる。
　そして、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の結晶構造が、六方晶構造で構成されることによって、耐摩耗性の低下を招くことなく靭性を向上させることができ、その結果として、耐チッピング性が向上する。
　本願発明の被覆切削工具が備える（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層は、その全てを六方晶構造の結晶で構成することができるが、該層中に立方晶構造の結晶がわずかに含有されていても、耐チッピング性、耐摩耗性に悪影響を及ぼすことはない。
　ただ、Ｘ線回折で得られる立方晶（２００）面の回折ピーク強度が、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度を超えると耐摩耗性は向上するものの耐チッピング性が低下することから、立方晶（２００）面の回折ピーク強度をｃ（２００）、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）としたときのピーク強度比ｃ（２００）／ｈ（１１０）＜１とすることが望ましい。
　このピーク強度比が０．０５未満であった場合、便宜上、ピーク強度比は「０」としている。
　以下では、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の結晶構造が全て六方晶構造である場合と（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層中に立方晶構造の結晶がわずかに含有される場合の双方を含めて、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の結晶構造は六方晶構造が主体であると表現することがある。
　また、本願発明の被覆切削工具が備える（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層についてＸ線回折を行うと、図２に示されるように、２θが５５°から６５°の範囲内に、（１１０）面からの六方晶構造特有の回折ピークが観察される。
　そして、この回折ピークが尖鋭な場合、即ち、半値幅が１．０°未満である場合には、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の耐摩耗性が低下し、一方、ピークがブロードであり、半値幅が３．５°より大きい場合には、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の耐チッピング性が低下傾向を示すことから、Ｘ線回折により測定した２θが５５°から６５°の範囲内に存在する（１１０）面からの回折ピークについての半値幅は、１．０°以上３．５°以下とする。
　本願発明の被覆切削工具は、硬質被覆層が、少なくとも、所定の組成の（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層からなる層を含み、また、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の結晶構造は六方晶構造が主体であり、さらに、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層についてＸ線回折を行った場合、２θ＝５５～６５°の範囲に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０～３．５°であることによって、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層はすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を備えている。したがって、本願発明の被覆切削工具は、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工でも、すぐれた耐チッピング性およびすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものである。
本願発明被覆切削工具が備える（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ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。 本願発明被覆切削工具が備える（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ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正面図である。 本願発明被覆切削工具が備える（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層について測定したＸ線回折チャートの一例を示す。
　つぎに、本願発明の被覆切削工具を実施例により具体的に説明する。
　なお、実施例としては、ＷＣ基超硬合金を工具基体として用いた場合について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体、高速度工具鋼を工具基体として用いた場合であっても同様である。
　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［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、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体に押出しプレス成形し、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１０ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが６ｍｍ×１２ｍｍの寸法で、ねじれ角３０度の２枚刃ボール形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）１～３をそれぞれ製造した。
　（ａ）上記の工具基体１～３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１Ａ及び図１Ｂに示すＡＩＰ装置６の回転テーブル２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６の一方にボンバード洗浄用のＴｉカソード電極９を、他方側に所定組成のＡｌ－Ｃｒ－Ｓｉ－Ｃｕ合金からなるターゲット（カソード電極）５を配置し、
　（ｂ）まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒーター１で工具基体３を４００℃に加熱した後、前記回転テーブル２上で自転しながら回転する工具基体３に－１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ｔｉカソード電極５とアノード電極１０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、上記Ａｌ－Ｃｒ－Ｓｉ－Ｃｕ合金ターゲット５の表面に表２に示す種々の最大磁束密度に制御した磁場を印加し、
　（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す窒素圧とすると共に、前記回転テーブル２上で自転しながら回転する工具基体３の温度を表２に示す温度範囲内に維持するとともに表２に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ－Ｃｒ－Ｓｉ－Ｃｕ合金ターゲット５とアノード電極７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３の表面に、表４に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、表４に示す本願発明の被覆切削工具としての表面被覆エンドミル１～１０（以下、本発明１～１０という）をそれぞれ製造した。
比較例：
　また、比較の目的で、上記実施例における（ｃ）の工程を表３に示す条件（即ち、Ａｌ－Ｃｒ－Ｓｉ－Ｃｕ合金ターゲット５の表面の最大磁束密度を変更）で行い、また、（ｄ）の工程を同じく表３に示す条件（即ち、窒素分圧、直流バイアス電圧の変更）で行い、その他は実施例と同一の条件で、表５に示す比較例の被覆切削工具としての表面被覆エンドミル１～１０（以下、比較例１～１０という）をそれぞれ製造した。
　上記で作製した本発明１～１０および比較例１～１０の硬質被覆層の組成を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）により測定した。
　また、その層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定し、５ヶ所の測定値の平均値から、平均層厚を算出した。
　さらに、上記で作製した本発明１～１０および比較例１～１０について、硬質被覆層のＸ線回折を行い、バックグラウンド除去した後に六方晶構造を示す２θ＝５５～６５°の範囲内に現れる（１１０）面のピークをＰｓｅｕｄｏ　Ｖｏｉｇｔ関数でフィティングし、そのピークの半値幅を測定した。
　なお、Ｘ線回折は、Ｘ線回折装置としてスペクトリス社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ　Ｅｍｐｙｒｅａｎを用いて、ＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定し、測定条件として、測定範囲（２θ）：３０～８０度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐという条件で測定した。
表４、表５に、測定・算出したそれぞれの値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　つぎに、上記本発明１～１０および比較例１～１０のエンドミルについて、下記の条件（切削条件Ａという）での合金工具鋼の側面切削加工試験を実施した。
　被削材－平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）の板材、
　切削速度：１００　ｍ／ｍｉｎ、
　回転速度：５４００　ｍｉｎ．－１、
　切り込み：ａｅ　０．２ｍｍ、ａｐ　２ｍｍ、
　送り速度（１刃当り）：０．０５　ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
　切削長：４０　ｍ、
さらに、下記の条件（切削条件Ｂという）での高速度工具鋼の側面切削加工試験を実施した。
　被削材－平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＨ５１（６４ＨＲＣ）の板材、
　切削速度：１００　ｍ／ｍｉｎ、
　回転速度：５４００　ｍｉｎ．－１、
　切り込み：ａｅ　０．２ｍｍ、ａｐ　２ｍｍ、
　送り速度（１刃当り）：０．０５　ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
　切削長：１０　ｍ、
いずれの側面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６に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表６に示される結果から、本願発明の被覆切削工具は、硬質被覆層として、少なくとも所定の組成の（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層を含み、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の結晶構造は六方晶構造が主体であり、さらに、Ｘ線回折を行った場合、２θ＝５５～６５°の範囲に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０～３．５°であることによって、焼入れ鋼などの高硬度材の切削加工において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を示し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮するものである。
　これに対して、硬質被覆層を構成する（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ）Ｎ層の組成、結晶構造あるいは（１１０）面の回折ピークの半値幅が本願発明で規定する範囲を外れる比較例の被覆切削工具では、チッピングの発生、あるいは、摩耗進行によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
なお、前記実施例の表６は、ＷＣ基超硬合金を工具基体とする本願発明の被覆切削工具についてのものであるが、工具基体は、ＷＣ基超硬合金に限定されるものではなく、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体、高速度工具鋼を工具基体として用いることができ、これらを工具基体とする本願発明の被覆切削工具においても、前記実施例と同様に、すぐれた耐チッピング性およびすぐれた耐摩耗性が長期の使用に亘って発揮される。
　上述のように、本願発明の被覆切削工具は、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工に供した場合に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。
　１　　ヒーター
　２　　回転テーブル
　３　　超硬基体
　４、８　　磁力発生源
　５　　Ａｌ－Ｃｒ－Ｓｉ－Ｃｕ合金ターゲット（カソード電極）
　６　　ＡＩＰ装置
　７、１０　　アノード電極
　９　　Ｔｉターゲット（カソード電極）
　１１　　反応ガス導入口
　１２　　排ガス口
　１３、１４　　アーク電極
　１５　　バイアス電極

Claims (3)

  1. 　炭化タングステン基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
    　前記硬質被覆層は、平均層厚０．５～８．０μｍのＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層を少なくとも含み、
    　前記複合窒化物層は、
    　組成式：（Ａｌ１－ａ－ｂ－ｃＣｒａＳｉｂＣｕｃ）Ｎで表した場合、
    ０．１５≦ａ≦０．４０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００５≦ｃ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃはいずれも原子比）を満足し、
    　前記複合窒化物層の結晶構造は六方晶構造からなり、該複合窒化物層についてＸ線回折により求めた２θ＝５５～６５°の範囲内に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０～３．５°であることを特徴とする表面被覆切削工具。
  2. 　前記複合窒化物層は、該層中に六方晶構造の結晶とともに立方晶構造の結晶を含有することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
  3. 　前記複合窒化物層の立方晶（２００）面の回折ピーク強度をｃ（２００）、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）としたとき、ピーク強度比ｃ（２００）／ｈ（１１０）＜１であることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面被覆切削工具。
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