JP2009101474A - 高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速切削加工において、硬質被覆層がすぐれた潤滑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で構成された工具基体の表面に、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、硬質被覆層は、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層または（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層（但し、Ｍは、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種の元素）を備え、該（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層は、立方晶構造からなる薄層Ａと、立方晶構造と六方晶構造の混在する薄層Ｂの交互積層構造からなる。
【選択図】 なし

Description

この発明は、硬質被覆層がすぐれた高温硬さ、高温強度、高温耐酸化性を備えるとともに、すぐれた潤滑性をも有し、したがって、高熱発生を伴う炭素鋼等の高速切削加工に用いた場合にすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた工具特性を示す表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

一般に、表面被覆切削工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、また前記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。

従来、表面被覆切削工具の一つとして、例えば、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、硬質被覆層として、均一組成のＣｒとＡｌの複合窒化物（以下、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎで示す）層を設けた被覆工具が知られており、この被覆工具が、耐摩耗性にすぐれることが知られている。
また、工具基体表面に、硬質被覆層として、立方晶構造のＣｒとＡｌとＳｉの複合窒化物（以下、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎで示す）層を設けた被覆工具も知られており、この被覆工具が、耐欠損性と耐摩耗性にすぐれることが知られている。
さらに、工具基体表面に、硬質被覆層として、立方晶構造のＣｒとＡｌとＢの複合窒化物（以下、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｂ）Ｎで示す）層を設けた被覆工具も知られており、この被覆工具が、耐溶着性、耐酸化性、耐摩耗性にすぐれることも知られている。

さらに、上記の従来被覆工具が、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、硬質被覆層である（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層の組成に対応した組成を有するＣｒ−Ａｌ合金、Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ合金あるいはＣｒ−Ａｌ−Ｂ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に、例えば電流：９０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方、上記工具基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体表面に、上記（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ，Ｂ）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。
特開平９−４１１２７号公報 特許第３７８１３７４号明細書 特開２００５−３３０５３９号公報

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを特に切削時に高熱発生を伴う高速切削条件で用いた場合には、硬質被覆層の潤滑性が不足するために偏摩耗・チッピング等が発生しやすく、その結果、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、硬質被覆層がすぐれた高温硬さ、高温強度、高温耐酸化性を備えるとともに、特に高速切削加工ですぐれた潤滑性を発揮する被覆工具を開発すべく、上記の従来被覆工具の硬質被覆層の構成層に着目し、研究を行った結果、以下の知見を得た。
（ａ）上記従来の被覆工具の硬質被覆層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ，Ｂ）Ｎ層（以下では、これらを総称して、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層で示す。なお、成分Ｍを含有する場合、Ｍは、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種の元素である）の構成成分であるＣｒ成分には高温強度を向上させると共に、ＣｒとＡｌが共存含有した状態で高温耐酸化性を向上させる作用があり、また、Ｍ成分としてＳｉ成分を含有させた場合、耐熱塑性変形性を向上させ、Ｂ成分を含有させた場合は熱伝導性を向上させる作用があり、そして、硬質被覆層は、これら各成分を含有することによって、耐欠損性、耐溶着性、耐酸化性および耐摩耗性という特性が発揮されること。

（ｂ）ところで、上記従来被覆工具の硬質被覆層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層の組成を、組成式：（Ｃｒ_{1-（Ｘ＋Ｙ）}Ａｌ_ＸＭ_Ｙ）Ｎで表した場合、Ａｌの含有割合Ｘが少ない場合（例えば、０．６５≦Ｘ）には、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層は立方晶構造の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層（以下、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層で示す）であるが、Ａｌ含有割合Ｘを、例えば、Ｘ≧０．７５というように増加させてやると、その結晶構造は立方晶構造と六方晶構造の混在した結晶構造に変化し、そして、このような立方晶構造と六方晶構造の混在した結晶構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層（以下、ｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層で示す）は、潤滑特性が向上するようになるが、上記ｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層は、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層に比して、高速切削加工時の高温条件下では十分な高温硬さを有さないため、ｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層を、硬質被覆層として単独で蒸着形成することによっては、満足できる耐摩耗性を得ることはできないこと。

（ｃ）そこで、すぐれた高温硬さを有する上記ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層を薄層Ａとし、また、すぐれた潤滑特性を有する上記ｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層を薄層Ｂとし、薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層し、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる硬質被覆層を構成すると、薄層Ａと薄層Ｂは、それぞれの特性を害することなく、硬質被覆層全体として、すぐれた耐摩耗性を維持しつつ、すぐれた潤滑性をも発揮するようになること。

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、
「（１）炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金または炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）基サーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、硬質被覆層としてＣｒとＡｌの複合窒化物層（（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層）が蒸着形成され、さらに、ＣｒとＡｌの複合窒化物層（（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層）は、結晶構造が、立方晶構造（ｆｃｃ）からなる薄層Ａと、立方晶構造（ｆｃｃ）と六方晶構造（ｈｃｐ）の混在する薄層Ｂの交互積層構造として構成されていることを特徴とする表面被覆切削工具（被覆工具）。
（２）前記（１）記載の表面被覆切削工具において、上記ＣｒとＡｌの複合窒化物層（（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層）と工具基体との間に、立方晶構造（ｆｃｃ）のＣｒとＡｌの複合窒化物層（（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層）からなる下地層を介在形成したことを特徴とする前記（１）記載の表面被覆切削工具（被覆工具）。
（３）炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金または炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）基サーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、硬質被覆層としてＣｒとＡｌとＭ（但し、Ｍは、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種の元素）の複合窒化物層（（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層）が蒸着形成され、さらに、ＣｒとＡｌとＭの複合窒化物層（（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層）は、結晶構造が、立方晶構造（ｆｃｃ）からなる薄層Ａと、立方晶構造（ｆｃｃ）と六方晶構造（ｈｃｐ）の混在する薄層Ｂの交互積層構造として構成されていることを特徴とする表面被覆切削工具（被覆工具）。
（４）前記（３）記載の表面被覆切削工具において、上記ＣｒとＡｌとＭ（但し、Ｍは、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種の元素）の複合窒化物層（（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層）と工具基体との間に、立方晶構造（ｆｃｃ）のＣｒとＡｌとＭ（但し、Ｍは、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種の元素）の複合窒化物層（（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層）からなる下地層を介在形成したことを特徴とする前記（３）記載の表面被覆切削工具（被覆工具）。」
に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層に関し、より詳細に説明する。
（ａ）薄層Ａ
薄層Ａを構成する立方晶構造のＣｒとＡｌの複合窒化物層あるいはＣｒとＡｌとＭの複合窒化物層（ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層）は、高熱発生を伴う高速切削加工において、硬質被覆層の耐摩耗性を維持する層として作用する。
既に述べたように、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層の組成を、
組成式：（Ｃｒ_{1-（Ｘ＋Ｙ）}Ａｌ_ＸＭ_Ｙ）Ｎで表した場合、Ａｌの含有割合Ｘの値を、Ｘ≦０．６５とすることによって、立方晶構造（ｆｃｃ）の層として形成することができ、このｆｃｃ構造によって耐摩耗性が維持されるが、Ａｌの含有割合Ｘの値がＸ＜０．２５となると、相対的にＣｒの含有割合が増加し、結晶構造がｆｃｃであったとしても、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層自体の高温硬さが急激な低下傾向を示し、高速切削加工において最小限必要とされる耐摩耗性を確保することが困難になることから、薄層ＡにおけるＡｌの含有割合Ｘは、０．２５≦Ｘ≦０．６５とすることが望ましい。
また、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層の構成成分であるＣｒ成分は、薄層Ａの高温強度を向上させ、硬質被覆層の耐チッピング性・耐欠損性に寄与するとともに、Ａｌ成分との共存含有によって、高温耐酸化性向上にも寄与する。
さらに、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層の構成成分としてＭ成分を含有させる場合、Ｍ成分としては、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種の元素含有させることができ、Ｓｉ成分は、耐熱塑性変形性を向上させることによって、また、Ｂ成分は熱伝導性を向上させることによって、いずれも薄層Ａの耐摩耗性向上に寄与するが、Ｍ成分の含有割合Ｙの値（Ｓｉ含有割合とＢ含有割合の合計値）が０．１を超えると薄層Ａの高温強度が低下することから、薄層ＡにおけるＭ成分の含有割合Ｙは、０≦Ｙ≦０．１とすることが望ましい。

（ｂ）薄層Ｂ
薄層Ｂを構成する、立方晶構造と六方晶構造の混在する薄層ＢのＣｒとＡｌの複合窒化物層あるいはＣｒとＡｌとＭの複合窒化物層（ｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層）は、高熱発生を伴う高速切削加工において、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる薄層Ａに不足する潤滑性を補完することにより、結果としてより一層耐摩耗性を向上させる層として作用する。
ｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる薄層Ｂの構成成分であるＣｒ成分、Ｍ成分の作用は、薄層Ａの場合と同様である。
上記薄層Ｂの構成成分であるＡｌについて言えば、Ａｌの含有割合Ｘの値を、Ｘ≧０．７５とすることによって、立方晶構造（ｆｃｃ）と六方晶構造（ｈｃｐ）の混在する結晶構造（ｆｃｃ／ｈｃｐ）の薄層Ｂを形成することができ、このｆｃｃ／ｈｃｐ構造によって高熱発生を伴う高速切削加工条件下での潤滑性が確保されるが、Ａｌの含有割合Ｘの値がＸ＞０．９５となると、相対的なＣｒ含有割合の減少によって、ｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層の高温強度が低下し、チッピング・欠損等を発生しやすくなることから、薄層ＢにおけるＡｌの含有割合Ｘは、０．７５≦Ｘ≦０．９５とすることが望ましい。
また、Ａｌの含有割合Ｘを、０．７５≦Ｘ≦０．９５の範囲内としたｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる薄層ＢについてＸ線回折を行ったところ、立方晶構造の（２００）面からの回折ピーク強度αと、六方晶構造の（１００）面からの回折ピーク強度βとの比の値β／αは、表３〜６、１１、１２、１４、１５にも示されるように、０．１＜β／α＜１１．５であった。
なお、薄層Ｂの構成成分としてＭ成分を含有させた場合、薄層Ｂの耐摩耗性を向上させつつ薄層Ｂの高温強度低下を防止するためには、薄層Ａの場合と同様、薄層ＢにおけるＭ成分の含有割合Ｙは、０≦Ｙ≦０．１とすることが望ましい。

（ｃ）薄層Ａと薄層Ｂの交互積層
薄層Ａは、その一層層厚が０．０２５μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って十分発揮することができず、工具寿命短命の原因となり、一方その一層層厚が０．１μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その一層層厚を０．０２５〜０．１μｍとすることが望ましい。
また、薄層Ｂについては、その一層層厚が０．０２５μｍ未満では、薄層Ａの潤滑性不足を補完することはできず、一方その一層層厚が０．１μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その一層層厚を０．０２５〜０．１μｍとすることが望ましい。
さらに、薄層Ａと薄層Ｂを交互に積層して形成した交互積層について、その合計層厚が１μｍ未満では、自身のもつすぐれた潤滑性とおよびすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮することができないため工具寿命短命の原因となり、一方、その合計層厚が８μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その合計層厚は１〜８μｍとすることが望ましい。
なお、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる薄層Ａと、ｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる薄層Ｂとは同一成分系の硬質被覆層であるため、異成分系の薄層Ａと薄層Ｂとの交互積層に比して、薄層Ａと薄層Ｂ間の付着強度が大となり、硬質被覆層全体としての高温強度向上に寄与するばかりか、層間剥離等の生じる恐れもない。

（ｄ）下地層
工具基体表面に、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる硬質被覆層を設けることによって、上記の通り、耐摩耗性を維持したままですぐれた潤滑性を得ることができるが、被覆工具の耐摩耗性を一段と高めるために、工具基体表面と、上記薄層Ａと薄層Ｂからなる交互積層との間に、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層あるいはｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層を、０．１〜１．５μｍの層厚でさらに介在形成することができる。
下地層のｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層あるいはｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層は、薄層Ａを構成するそれと、同一成分組成、同一結晶構造を有し、すぐれた耐摩耗性を示すことから、被覆工具の耐摩耗性を一段と向上させる。
下地層の層厚は、０．１μｍ未満では、下地層を設けたことによる耐摩耗性のより一層の向上が期待できず、一方、下地層の層厚が１．５μｍを超えると、高速切削でチッピングが発生しやすくなることから、下地層の層厚は、０．１〜１．５μｍとすることが望ましい。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層が、すぐれた耐摩耗性を示すｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる薄層Ａと、すぐれた潤滑性を示すｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる薄層Ｂの層間付着強度が大きい交互積層構造を備え、あるいは、耐摩耗性にすぐれた下地層をもさらに備えているので、硬質被覆層全体としてすぐれた高温硬さ、高温強度、高温耐酸化性に加え、すぐれた潤滑性をも有していることから、特に高熱発生を伴う炭素鋼等の高速切削加工でも、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を長期に亘って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、Ｃr₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ−１〜Ａ−１０を形成した。

また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（重量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ₂Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を２ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。

（ａ）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、一方側のカソード電極（蒸発源）として、所定成分組成の薄層Ａ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）として、同じく所定成分組成をもった薄層Ｂ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記薄層Ａおよび下地層形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金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Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金によってボンバード洗浄し、
（ｃ）ついで装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層Ａおよび下地層形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金のカソード電極とアノード電極との間に５０〜１００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記工具基体の表面に所定層厚のｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる下地層を蒸着形成（表４、表６）し、
（ｄ）ついで、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層Ｂ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金のカソード電極とアノード電極との間に５０〜１００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記超硬基体の表面に所定層厚の薄層Ｂを形成し、前記薄層Ｂ形成後、アーク放電を停止し、代って前記薄層Ａおよび下地層形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金のカソード電極とアノード電極間に同じく５０〜１００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、所定層厚の薄層Ａを形成した後、アーク放電を停止し、再び前記薄層Ｂ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ｂの形成と、前記薄層Ａおよび下地層形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ａの形成を交互に繰り返し行い、もって前記工具基体の表面に、層厚方向に沿って表３〜表６に示される組成および層厚の（下地層と、）薄層Ａ、薄層Ｂの交互積層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、硬質被覆層が、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層とｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層の交互積層構造を備える本発明表面被覆切削工具としての本発明表面被覆超硬製スローアウエイチップ（以下、本発明被覆超硬チップと云う）１〜３２をそれぞれ製造した。
なお、本発明被覆超硬チップ１１〜２０、２７〜３２についてのみ、上記（ｃ）の工程で、工具基体表面に下地層を設けた。

また、比較の目的で、これら工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図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、それぞれ表７に示される組成のＣｒ−Ａｌ−Ｍ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、かつカソード電極の前記Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金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Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金でボンバード洗浄し、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Ｃｒ−Ａｌ−Ｍ合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、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７に示される組成および層厚の単一相・単一結晶構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較表面被覆超硬製スローアウエイチップ（以下、比較被覆超硬チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の各種の被覆超硬チップを、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、本発明被覆超硬チップ１〜３２および比較被覆超硬チップ１〜１６について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの丸棒、
切削速度： ３００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．２ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）での炭素鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は、１８０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度： ３２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．２ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ６ 分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの丸棒、
切削速度： ３３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での炭素鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は、１８０ｍ／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８、表９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１０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種の超硬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、これらの超硬基体（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、層厚方向に沿って表１１、表１２に示される組成および層厚の（下地層と、）薄層Ａ、薄層Ｂの交互積層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、硬質被覆層が、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層とｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層の交互積層構造を備える本発明表面被覆切削工具としての本発明表面被覆超硬製エンドミル（以下、本発明被覆超硬エンドミルと云う）１〜１６を製造した。
なお、本発明被覆超硬エンドミル９〜１６についてのみ、工具基体表面に下地層を形成した。

また、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、同じく表１３に示される組成および層厚の単一相・単一結晶構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較表面被覆超硬製エンドミル（以下、比較被覆超硬エンドミルと云う）１〜８を製造した。

つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１〜１６および比較被覆超硬エンドミル１〜８のうち、
本発明被覆超硬エンドミル１〜３、９〜１１および比較被覆超硬エンドミル１〜３については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法のＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度： １６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ３ ｍｍ、
テーブル送り： ５００ 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、８５ｍ／ｍｉｎ．）を行い、
本発明被覆超硬エンドミル４〜６、１２〜１４および比較被覆超硬エンドミル４〜６については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法のＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： ４５０ 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、９０ｍ／ｍｉｎ．）を行い、
本発明被覆超硬エンドミル７、８、１５、１６および比較被覆超硬エンドミル７，８については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法のＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの板材、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １０ ｍｍ、
テーブル送り： ４００ 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、８０ｍ／ｍｉｎ．）を行い、
上記のいずれの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。
上記の測定結果を表１１〜表１３にそれぞれ示した。

上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（超硬基体Ｃ−１〜Ｃ−３形成用）、１３ｍｍ（超硬基体Ｃ−４〜Ｃ−６形成用）、および２６ｍｍ（超硬基体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（超硬基体Ｄ−１〜Ｄ−３）、 ８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｄ−４〜Ｄ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（超硬基体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、表１４、表１５に示される組成および層厚の（下地層と、）薄層Ａ、薄層Ｂの交互積層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、硬質被覆層が、ｆｃｃ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層とｆｃｃ／ｈｃｐ（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層の交互積層構造を備える本発明表面被覆切削工具としての本発明表面被覆超硬製ドリル（以下、本発明被覆超硬ドリルと云う）１〜１６を製造した。
なお、本発明被覆超硬ドリル９〜１６についてのみ、工具基体表面に下地層を形成した。

また、比較の目的で、上記の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−３、Ｄ−４〜Ｄ−６、Ｄ−７、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、上記実施例１と同一の条件で、同じく表１６に示される組成および層厚の単一相・単一結晶構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較表面被覆超硬製ドリル（以下、比較被覆超硬ドリルと云う）１〜８を製造した。

つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜１６および比較被覆超硬ドリル１〜８のうち、
本発明被覆超硬ドリル１〜３、９〜１１および比較被覆超硬ドリル１〜３については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法のＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ７ 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．）を行い、
本発明被覆超硬ドリル４〜６、１２〜１４および比較被覆超硬ドリル４〜６については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法のＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度： １２０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １５ ｍｍ、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、７０ｍ／ｍｉｎ．）を行い、
本発明被覆超硬ドリル７、８、１５、１６および比較被覆超硬ドリル７，８については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法のＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの板材、
切削速度： １１０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２５ 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、６０ｍ／ｍｉｎ．）を行い、
上記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１４〜表１６にそれぞれ示した。

この結果得られた本発明表面被覆切削工具としての本発明被覆超硬チップ１〜３２、本発明被覆超硬エンドミル１〜１６および本発明被覆超硬ドリル１〜１６の硬質被覆層を構成する下地層、薄層Ａおよび薄層Ｂそれぞれの組成を、また、比較表面被覆切削工具としての比較被覆超硬チップ１〜１６、比較被覆超硬エンドミル１〜８および比較被覆超硬ドリル１〜８の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型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、上記の硬質被覆層の構成層の平均層厚を透過型電子顕微鏡により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。

さらに、本発明表面被覆切削工具の下地層、薄層Ａ、薄層Ｂを構成する組成の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層および比較表面被覆切削工具の硬質被覆層を構成する組成の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層について、各層の結晶構造をＸ線回折により求め、その結果を表３〜７、１１〜１６に示した。
また、本発明表面被覆切削工具の薄層Ｂを構成する組成の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層については、Ｘ線回折により測定した立方晶構造の（２００）面からの回折ピーク強度αと、六方晶構造の（１００）面からの回折ピーク強度βとの比の値β／αについても、表３〜６、１１、１２、１４、１５に示した。

表８、９、１１〜１６に示される結果から、本発明表面被覆切削工具は、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を示す薄層Ａとすぐれた潤滑性を示す薄層Ｂの交互積層構造を備え、層間付着強度が大であり、あるいは、耐摩耗性にすぐれた下地層をもさらに備えているので、硬質被覆層は全体としてこれらのすぐれた特性を兼ね備えたものとなり、その結果、高熱発生を伴う炭素鋼等の高速切削加工でも、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が単一相・単一結晶構造の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる被覆工具は、特に硬質被覆層の潤滑性不足が原因で切刃部にチッピング、欠損が生じたり、また、摩耗の進行が速くなり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の表面被覆切削工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に高熱発生を伴う高速切削加工で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、切削加工装置の高性能化、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。

本発明表面被覆切削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。 通常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。

Claims (4)

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、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、硬質被覆層としてＣｒとＡｌの複合窒化物層が蒸着形成され、さらに、ＣｒとＡｌの複合窒化物層は、結晶構造が、立方晶構造からなる薄層Ａと、立方晶構造と六方晶構造の混在する薄層Ｂの交互積層構造として構成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 請求項１記載の表面被覆切削工具において、上記ＣｒとＡｌの複合窒化物層と工具基体との間に、立方晶構造のＣｒとＡｌの複合窒化物層からなる下地層を介在形成したことを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
3. 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、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、硬質被覆層としてＣｒとＡｌとＭ（但し、Ｍは、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種の元素）の複合窒化物層が蒸着形成され、さらに、ＣｒとＡｌとＭの複合窒化物層は、結晶構造が、立方晶構造からなる薄層Ａと、立方晶構造と六方晶構造の混在する薄層Ｂの交互積層構造として構成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
4. 請求項３記載の表面被覆切削工具において、上記ＣｒとＡｌとＭ（但し、Ｍは、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種の元素）の複合窒化物層と工具基体との間に、立方晶構造のＣｒとＡｌとＭ（但し、Ｍは、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種の元素）の複合窒化物層からなる下地層を介在形成したことを特徴とする請求項３記載の表面被覆切削工具。

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