JP2009095916A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】溶着性の高い被削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐ピッチング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】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からなる工具基体の表面に、（ａ）下部層として、層厚方向に沿って、Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在するＡｌとＣｒの複合窒化物層、（ｂ）上部層として、組成式：（Ａｌ_１−ＸＣｒ_Ｘ）Ｎ_Ｙにおいて０．２≦Ｘ≦０．４、０．５≦Ｙ＜１（Ｘ、Ｙは原子比）を満足する平均組成を有し、かつ、上部層表面におけるＹ値が、０≦Ｙ≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、を蒸着形成する。
【選択図】 なし

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、高い発熱を伴う高速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、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、また前記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。

また、被覆工具として、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された工具基体の表面に、
組成式：（Ａｌ_１−ＺＣｒ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｚは０．２〜０．４を示す）、
を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を２〜１０μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆工具が知られており、かつ前記被覆工具の硬質被覆層である（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層が、構成成分であるＡｌによって高温硬さと耐熱性、同Ｃｒによって高温強度、さらにＣｒとＡｌの共存含有によって高温耐酸化性を具備することから、これを各種の一般鋼や普通鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いた場合にすぐれた切削性能を発揮することも知られている。

さらに、上記の被覆工具が、例えば図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、アノード電極と所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）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，Ｃｒ）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。
特許第３０２７５０２号明細書

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴って切削加工は一段と高速化するとともに切削工具の汎用性が求められる傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを低合金鋼、炭素鋼、鋳鉄などの通常の切削条件下での切削加工に用いた場合には問題はないが、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の、高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合には、硬質被覆層の耐熱性、高温強度が不十分となり、その結果、チッピング（微少欠け）の発生、熱塑性変形、偏摩耗等による摩耗進行の促進により、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、ステンレス鋼等の溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴う高速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示す被覆工具を開発すべく、上記の従来被覆工具に着目し、研究を行った結果、以下の知見を得た。

（ａ）工具基体表面上に、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した上記従来被覆工具は、硬質被覆層が、ほぼ単一な均一組成の層として構成され、そして、その構成成分であるＡｌが硬質被覆層の高温硬さと耐熱性を向上させ、また、Ｃｒが高温強度を向上させ、さらに、ＣｒとＡｌの共存含有によって高温耐酸化性が維持されており、通常の切削条件で用いた場合に特段の問題は生じないが、これを、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の高熱発生を伴う高速切削条件で用いた場合には、硬質被覆層の高温硬さあるいは高温強度が不足し、十分に満足できる耐摩耗性を得ることができないが、硬質被覆層を、単一な均一組成の層とするのではなく、層厚方向に沿って、Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、Ａｌ最高含有点からＣｒ最高含有点、また、Ｃｒ最高含有点からＡｌ最高含有点へＡｌおよびＣｒ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する層（以下、組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層という）として構成すると、この組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、Ａｌ最高含有点におけるすぐれた高温硬さとＣｒ最高含有点におけるすぐれた高温強度を相兼ね備えた層となること。

（ｂ）上記（ａ）の組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、すぐれた高温硬さとすぐれた高温強度を兼ね備えるものの、これを蒸着により形成した場合、蒸着形成された層の表面粗度が大きいため、これをそのまま切削工具の硬質被覆層として用いても、特に溶着性が高い被削材との潤滑性が不十分となり、その結果、これらの被削材の高速切削においては満足できる耐摩耗性を得ることはできない。
しかし、上記（ａ）の組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を下部層とし、その上に、下部層側から上部層表面に向かって（層厚方向に沿って）、層の構成成分であるＮの含有割合が減少する組成傾斜型の濃度分布構造を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層（以下、組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層という）を上部層として形成すると、上記組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層と、上記組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層の２層構造として構成される硬質被覆層は、所定の高温硬さ、高温強度、耐熱性を保持しつつ、さらに、すぐれた熱伝導性、熱放散性、潤滑性を有することにより、より一段と耐摩耗性が向上すること。

（ｃ）つまり、組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層は、Ａｌ最高含有点の存在によってすぐれた高温硬さを、また、Ｃｒ最高含有点の存在によってすぐれた高温強度を具備し、これに加え、上部層表面に向かってＮの含有割合が減少する組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層は、その表面粗度が小さく平滑性を有するため被削材との潤滑性にすぐれ、さらに、組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層は、高熱伝導性を有し熱放散性にもすぐれるため、軟鋼、ステンレス鋼等の溶着性の高い被削材の高速切削加工で、硬質被覆層が高温に加熱されても熱が直ちに放散され、過熱されることがなく、熱塑性変形あるいは偏摩耗を生じることもなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮すること。

（ｄ）上記組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層と、上記組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層の２層構造として構成される硬質被覆層は、以下のようにして形成することができる。
まず、組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層については、例えば、図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティング装置、すなわち装置中央部に基体装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に相対的にＡｌ含有量の高いＡｌ−Ｃｒ合金（Ａｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ合金）、他方側に相対的にＣｒ含有量の高いＡｌ−Ｃｒ合金（Ｃｒ最高含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ合金）をカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って複数の基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記基体の表面に（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を形成すると、この結果の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層においては、回転テーブル上にリング状に配置された前記基体が上記の一方側の相対的にＡｌ含有量の高いＡｌ−Ｃｒ合金のカソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で層中にＡｌ最高含有点が形成され、また前記基体が上記の他方側の相対的にＣｒ含有量の高いＡｌ−Ｃｒ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＣｒ最高含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向にそって前記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Ａｌ最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＣｒの含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造をもつ組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成することができる。
次に、組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層については、上記の如く形成した組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の表面に、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を用い、例えば、Ａｌ含有量の高いＡｌ−Ｃｒ合金からなるカソード電極（蒸発源）とＣｒ含有量の高いＡｌ−Ｃｒ合金からなるカソード電極（蒸発源）のいずれか一方と、アノード電極との間にアーク放電を発生させて、組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の表面に、所定組成の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成した後、前記カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を継続させたまま、装置内雰囲気の窒素含有割合を徐々に低減することにより、上部層表面の窒素含有割合が少ない組成傾斜型の組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成することができる。

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
「 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、２〜１０μｍの平均層厚を有し、層厚方向に沿って、Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点の間隔は０．０３〜０．１μmであり、さらに、前記Ａｌ最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＣｒ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
上記Ａｌ最高含有点における組成を、
組成式：［Ａｌ_１−ＡＣｒ_Ａ］Ｎ_Ｂ
で表した場合、０．１５≦Ａ≦０．２５、０．９≦Ｂ≦１（但し、Ａ値、Ｂ値はいずれも原子比）を満足し、
上記Ｃｒ最高含有点における組成を、
組成式：［Ａｌ_１−ＣＣｒ_Ｃ］Ｎ_Ｄ
で表した場合、０．３５≦Ｃ≦０．４５、０．９≦Ｄ≦１（但し、Ｃ値、Ｄ値はいずれも原子比）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層（組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）、
（ｂ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、その組成を、
組成式：（Ａｌ_１−ＸＣｒ_Ｘ）Ｎ_Ｙ
で表した場合、０．２≦Ｘ≦０．４、０．５≦Ｙ＜１（但し、Ｘ値、Ｙ値はいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、かつ、上部層における窒素含有割合が、下部層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（Ｙ値）が、０≦Ｙ≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層（組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）、
上記（ａ）、（ｂ）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下部層、上部層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（１）下部層
（ａ）Ａｌ最高含有点の組成
下部層を構成する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）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Ｃｒ成分には高温強度を向上させ、また、ＣｒとＡｌの共存含有によって耐熱性を向上させる作用があるが、Ａｌ最高含有点でのＣｒの割合（Ａ値）がＡｌとの合量に占める割合（原子比）で０．２５を超えると、Ａｌの割合が低くなり過ぎて、所望のすぐれた高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、一方その割合（Ａ値）が同じく０．１５未満であると、Ｃｒの割合が少なくなりすぎて急激に高温強度が低下し、切刃にチッピング（微小欠け）などが発生し易くなることから、Ａ値を、０．１５≦Ａ≦０．２５（原子比）に定めた。
また、Ａｌ最高含有点における金属成分Ａｌ、Ｃｒの合計量を１とした場合、これら金属成分に対するＮ成分の含有割合（但し、原子比）を示すＢ値が０．９≦Ｂ≦１の範囲を外れると、溶着性の高い被削材の高速切削加工において必要とされる高温硬さと高温強度を保持することができなくなるため、Ｎ成分の含有割合（Ｂ値）（但し、原子比）は０．９≦Ｂ≦１と定めた。

（ｂ）Ｃｒ最高含有点の組成
上記の通り、Ａｌ最高含有点は高温硬さのすぐれたものであるが、反面高温強度が劣るものであるため、このＡｌ最高含有点の高温強度不足を補う目的で、Ｃｒ含有割合が相対的に高く、これによって高い高温強度を有するようになるＣｒ最高含有点を厚さ方向に交互に形成するものであるが、Ｃｒの割合（Ｃ値）がＡｌとの合量に占める割合（原子比）で０．４５を超えると、Ａｌの含有割合が少なくなりすぎて、Ｃｒ最高含有点で必要最小限の高温硬さ、耐熱性を維持することができず、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し、一方、Ｃｒの割合（Ｃ値）が０．３５未満になると、所望のすぐれた高温強度を確保することができなくなることから、Ｃ値を、０．３５≦Ｃ≦０．４５（原子比）と定めた。
また、Ｃｒ最高含有点における金属成分Ａｌ、Ｃｒの合計量を１とした場合のＮ成分の含有割合（但し、原子比）を示すＤ値についても、Ｄ値が０．９≦Ｄ≦１の範囲を外れると、Ｂ値の場合と同様、溶着性の高い被削材の高速切削加工において必要とされる高温硬さと高温強度を保持することができなくなるため、Ｎ成分の含有割合（Ｄ値）（但し、原子比）は０．９≦Ｄ≦１と定めた。

（ｃ）Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点間の間隔
その間隔が、０．０３μｍ未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果それぞれの層に所望の高温特性を確保することができなくなり、またその間隔が０．１μｍを超えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＡｌ最高含有点であれば高温強度不足、Ｃｒ最高含有点であれば高温硬さ不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃部にチッピングが発生し易くなったり、摩耗進行が促進されるようになることから、その間隔を０．０３〜０．１μｍと定めた。

（ｄ）平均層厚
下部層の平均層厚が２μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方、その平均層厚が１０μｍを越えると、高速切削加工で切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚は２〜１０μｍと定めた。

（２）上部層
上部層を構成する組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、下部層側から上部層表面に向かってＮ含有割合（Ｙ値）が減少する濃度分布構造を有している。そのため、下部層近傍の上部層は、下部層の平均組成に近い組成を有し、下部層と上部層は組成的に連続性をもった層として形成されることから、上部層と下部層という２層構造から硬質被覆層が形成されていたとしても、層間の接合強度が高く、かつ、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を備えた上部層が形成される。一方、上部層の表面側へ向かうにしたがって、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中のＮ含有割合が減少するため、上部層の表面には、熱伝導性、熱放散性にすぐれしかも表面平滑性のすぐれた層が形成され、被削材との潤滑性が改善される。
上部層の平均組成について、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（Ｘ値）は、下部層の場合と同様、高速切削加工で必要とされる高温硬さ、高温強度、耐摩耗性等を備えるという点から、０．２≦Ｘ≦０．４と定めた。
また、ＡｌとＣｒの合計量に対するＮの含有割合（Ｙ値）については、上部層全体としては、所定の高温硬さ、高温強度、耐熱性を確保する必要があるという点から、平均組成としてのＹ値は０．５≦Ｙ＜１と定めた。
上部層の表面における層中のＮ成分の含有割合（Ｙ値）が０．３５を超えると、上部層表面における熱伝導性、熱放散性、表面平滑性の向上効果が少なく、その結果、被削材との潤滑性、耐摩耗性が十分でなくなることから、上部層の表面におけるＮ成分の、ＡｌとＣｒの合計量に対する含有割合（Ｙ値）を、０≦Ｙ≦０．３５に定めた。なお、ここで、Ｙの値が０（ゼロ）とは、上部層表面が、ＡｌとＣｒの複合窒化物ではなく、ＡｌとＣｒの合金で形成されていることに他ならないが、この発明では、上部層表面がＡｌとＣｒの複合窒化物であるばかりでなく、Ａｌ−Ｃｒ合金である場合をも含め、便宜上、上部層を組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と称することにする（上部層表面がＡｌ−Ｃｒ合金である場合は、当然に、Ｙ＝０である）。
また、組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層の平均層厚が０．３μｍ未満であると、すぐれた熱伝導性・熱放散性という特性を十分発揮することができず、また、その平均層厚が１μｍを超えると、被削材との間で溶着を生じやすくなることから、上部層の平均層厚は０．３〜１μｍと定めた。

したがって、組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる下部層と、組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層とから構成された２層構造の硬質被覆層は、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を備えるとともに、すぐれた熱伝導性、熱放散性、表面平滑性をも相兼ね備え、溶着性の高い被削材の高速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発揮する。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層の下部層を構成する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層がすぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を具備し、また、下部層側から上部層表面に向かってＮ含有割合（Ｙ値）が減少する濃度分布構造を有る組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層が、前記の特性に加えて、すぐれた熱伝導性、熱放散性、表面平滑性を備えていることから、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、熱放散性および潤滑性を備え、その結果、軟鋼、ステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高い発熱を伴う高速条件下で切削加工した場合にも、硬質被覆層にチッピング、偏摩耗、熱塑性変形が生じることなく、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。

つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、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（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、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）ついで、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、前記回転テーブルを挟んで相対向する両側にカソード電極（蒸発源）を設け、その一方には、カソード電極（蒸発源）として下部層のＡｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ合金を配置し、また相対向する他方には、下部層のＣｒ最高含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ合金を配置し、さらに、前記回転テーブルに沿って、かつ下部層形成用の前記両電極から９０度離れた位置には、上部層形成用Ａｌ−Ｃｒ合金のカソード電極（蒸発源）を配置し（なお、場合により、上部層形成用電極を設けず、下部層形成用電極を上部層形成用電極として兼用し上部層を形成することもできる）、
（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、かつ前記各Ａｌ−Ｃｒ合金のいずれかの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前記Ａｌ−Ｃｒ合金によってボンバード洗浄し、
（ｃ）次に、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して４Ｐａ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Ａｌ最高含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ合金およびＣｒ最高含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ合金の各カソード電極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、もって、前記工具基体の表面に、層厚方向に沿って表３、表４に示される目標組成のＡｌ最高含有点とＣｒ最高含有点とが交互に同じく表３，４に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ（Ｃｒ）含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表３，４に示される目標層厚を有する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を２〜１０μｍの平均層厚で硬質被覆層の下部層として蒸着形成した後、
（ｄ）上部層形成用Ａｌ−Ｃｒ合金のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との放電を開始し（下部層形成用電極のいずれかが、上部層形成用電極を兼用する場合には、該下部層形成用電極とアノード電極との放電を継続させつつ）、同時に、装置内雰囲気を窒素ガス雰囲気からアルゴンガス雰囲気へと徐々に切り替え、最終的には０．５Ｐａの窒素−アルゴン混合ガス雰囲気中あるいはアルゴンガス雰囲気中で、上記カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表３、表４に示される目標平均組成、目標表面Ｎ量、目標平均層厚の組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を上部層として蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明表面被覆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。
なお、実施例１〜３でいう「表面Ｎ量」とは、組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層の表面の組成を（Ａｌ_１−ＸＣｒ_Ｘ）Ｎ_Ｙで表した場合のＹ値（但し、０≦Ｙ≦０．３５）をいう。

比較例１

比較の目的で、上記工具基体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、カソード電極（蒸発源）として所定の組成をもったＡｌ−Ｃｒ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極（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、もって工具基体表面をボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ａｌ−Ｃｒ合金からなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれの表面に、表５、表６に示される目標均一組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成することにより、
比較被覆工具としての比較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・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ａ）での合金鋼の乾式高速連続切削加工試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の丸棒、
切削速度： ２４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．２ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｂ）でのステンレス鋼の乾式高速連続切削加工試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの丸棒、
切削速度： ３２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での炭素鋼の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．）、
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に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表９に示される目標層厚を有する組成変化（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を下部層として、また、同じく表９に示される目標平均組成、目標表面Ｎ量、目標平均層厚の組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を上部層として蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明表面被覆超硬製エンドミル（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２に示される一つのカソード電極（蒸発源）を備えたアークイオンプレーティング装置に装入し、上記比較例１と同一の条件で、表１０に示される目標均一組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着することにより、
比較被覆工具としての比較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）１〜８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・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度： １６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ４．５ ｍｍ、
テーブル送り： ３８０ ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、１００ｍ／ｍｉｎ．）、
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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ８ ｍｍ、
テーブル送り： ３５０ ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、８０ｍ／ｍｉｎ．）、
本発明被覆エンドミル７、８および比較被覆エンドミル７、８については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １５ ｍｍ、
テーブル送り： ３２０ ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、１００ｍ／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に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、目標層厚を有する組成変化（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を下部層として蒸着形成し、また、同じく表１１に示される目標平均組成、目標表面Ｎ量、目標平均層厚の組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を上部層として蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明表面被覆超硬製ドリル（以下、本発明被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

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、上記比較例１と同一の条件で、表１２に示される目標均一組成および目標平均層厚を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ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比較表面被覆超硬製ドリル（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・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度： １２０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、８０ｍ／ｍｉｎ．）、
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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： １２０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２０ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １５ ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、８０ｍ／ｍｉｎ．）、
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・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２８ ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、１００ｍ／ｍｉｎ．）、
をそれぞれ行い、いずれの湿式高速穴あけ切削加工試験（水溶性切削油使用）でも先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表１１、１２にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明被覆工具の硬質被覆層の下部層を構成する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層(下部層)のＡｌ最高含有点およびＣｒ最高含有点の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成のＡｌ最高含有点およびＣｒ最高含有点と実質的に同じ組成を示した。
また、上記本発明被覆工具の上部層を構成する組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の組成（即ち、目標平均組成および目標表面Ｎ量）および比較被覆工具の均一組成（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の組成を、同じく透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれの目標組成と実質的に同じ組成を示した。

さらに、上記本発明被覆工具の組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層および上記比較被覆工具の均一組成（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均層厚を走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

表７、表９〜１２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、高い発熱を伴う高速切削条件で切削加工した場合でも、組成変化（Ａｌ，Ｃｒ）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、組成傾斜（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる上部層が、特にすぐれた熱伝導性、熱放散性、潤滑性を発揮し、硬質被覆層が過熱されることを防止し、偏摩耗、熱塑性変形の発生を抑えることによって、チッピングの発生もなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層がほぼ均一組成の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層のみで構成された比較被覆工具においては、高温硬さ、高温強度が不十分であるばかりか、熱伝導性、熱放散性、潤滑性も不十分であるため、高速切削時に発生する高熱によって、チッピング、熱塑性変形、偏摩耗等を生じやすく、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、軟鋼やステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高い発熱を伴う高速切削条件で切削加工した場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮し、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。

この発明の被覆工具の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。 従来被覆工具の硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims (1)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、
   （ａ）下部層として、２〜１０μｍの平均層厚を有し、層厚方向に沿って、Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点の間隔は０．０３〜０．１μmであり、さらに、前記Ａｌ最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＣｒ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
   上記Ａｌ最高含有点における組成を、
   組成式：［Ａｌ_１−ＡＣｒ_Ａ］Ｎ_Ｂ
   で表した場合、０．１５≦Ａ≦０．２５、０．９≦Ｂ≦１（但し、Ａ値、Ｂ値はいずれも原子比）を満足し、
   上記Ｃｒ最高含有点における組成を、
   組成式：［Ａｌ_１−ＣＣｒ_Ｃ］Ｎ_Ｄ
   で表した場合、０．３５≦Ｃ≦０．４５、０．９≦Ｄ≦１（但し、Ｃ値、Ｄ値はいずれも原子比）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層、
   （ｂ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、その組成を、
   組成式：（Ａｌ_１−ＸＣｒ_Ｘ）Ｎ_Ｙ
   で表した場合、０．２≦Ｘ≦０．４、０．５≦Ｙ＜１（但し、Ｘ値、Ｙ値はいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、かつ、上部層における窒素含有割合が、下部層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（Ｙ値）が、０≦Ｙ≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
   上記（ａ）、（ｂ）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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