JP2022127644A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】難削材の高速切削加工に供しても優れた耐久性の被覆工具を提供する。【解決手段】工具基体側のＡ層（ＡｌＴｉＸＮ層）と表面側のＢ層（ＴｉＳｉＭＮ層）を組とするＣ層を有し、工具基体からｉ番目のＡｉ層、Ｂｉ層、Ｃｉ層（ｉ＝１～ｎ）において、Ａｉ層の平均層厚ａｉにつき、ａ１－ａｎ≧２、ａ１からａｎの変化は負の勾配、Ｂｉ層の平均層厚ｂｉにつき、ｂｎ－ｂ１≧２、ｂ１からｂｎの変化は正の勾配、Ｃｉ層のＳｉ原子％、Ａｉ層のＳｉ原子％、Ｂｉ層のＳｉ原子％をγｉ、αｉ、βｉとすると、γｉ＝αｉ×｛ａｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝＋βｉ×｛ｂｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝が、γｎ－γ１≧０．１、γ１からγｎの変化は正の勾配で、工具基体から表面へ０．１μｍの位置、被覆層の平均層厚の半分の位置、表面から工具基体へ０．１μｍの位置の平均結晶粒幅をδ１、δ２、δ３とすると、δ３＜δ２＜δ１である被覆工具。【選択図】図１

Description

本発明は表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関する。

従来、切削工具の寿命を向上させるために、炭化タングステン（以下、ＷＣという）基超硬合金等の工具基体の表面に、被覆層を形成した被覆工具があり、この被覆工具は耐摩耗性等が向上している。
そして、被覆工具のより一層の切削性能を向上させるために、被覆層の組成や構造について、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、平均層厚が１～１５μｍのＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物層からなる被覆層を有し、前記被覆層が、層厚方向に沿って、Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、隣接する前記Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点の間隔が、０．０１～０．１μｍである被覆工具が記載され、該被覆工具は鋼や鋳鉄などの高速切削加工を高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの切削条件で行っても優れた耐チッピング性を発揮するとされている。

また、例えば、特許文献２には、工具基体の上の被覆層が、１～１５μｍ以下の層厚であり、かつＡｌａＴｉｂＳｉｃＭｄＮ（ただし、０．３５≦ａ≦０．７、０＜ｃ≦０．１、０＜ｄ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）からなるＡ層と、ＴｉｅＳｉｆＭｅｇＮ（ただし、０＜ｆ≦０．１、０＜ｇ≦０．３、ｅ＋ｆ＋ｇ＝１）からなるＢ層とが交互に各２層以上積層された積層体を含み、前記工具基体に最も近い側の前記Ａ層を構成するＡｌの前記式中における原子比をａ１とし、前記被覆層の表面に最も近い側の前記Ａ層を構成するＡｌの前記式中における原子比をａ２とすると、ａ１－ａ２≧０．００５である被覆工具が記載され、該被覆工具は耐摩耗性、耐欠損性、密着性を有するとされている。

特開２００３－２９１００５号公報 特開２０１７－１１４７号公報

本発明は、前記事情や前記提案を鑑みてなされたものであって、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ基合金等の難削材の高速切削加工に供しても優れた耐久性を有する被覆工具を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具は、
工具基体と該工具基体に設けられた被覆層を有し、
１）前記被覆層はＡｌ_{１－ａ－ｂ}Ｔｉ_ａＸ_ｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．３０）からなるＡ層と、Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄＮ（０．０１≦ｃ≦０．３０、０．００≦ｄ≦０．３０）からなるＢ層を含み
２）前記ＸはＢ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｃｅより選ばれる１または２種以上の元素であり、前記ＭはＢ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｃｅより選ばれる１または２種以上の元素であり、
３）前記工具基体の側の前記Ａ層と該Ａ層に隣接する工具表面の側の前記Ｂ層の組をＣ層とするとき、前記被覆層はｎ層（ｎ≧２）の前記Ｃ層を有し、
４）前記工具基体の側からｉ番目にある前記Ｃ層をＣｉ層とし、該Ｃｉ層を構成する前記Ａ層をＡｉ層、Ｂ層をＢｉ層とする場合であって（ただし、ｉ＝１～ｎ）、
前記Ａｉ層の平均層厚をａｉ（ｎｍ）としたとき、ａ１－ａｎ≧２、かつ、ａ１からａｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると負の勾配を有する直線となり、
前記Ｂｉ層の平均層厚をｂｉ（ｎｍ）としたとき、ｂｎ－ｂ１≧２、かつ、ｂ１からｂｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線となり、
前記Ｃｉ層に含まれるＳｉの原子％であるγｉを、前記Ａｉ層に含まれるＳｉの原子％であるαｉと前記Ｂｉ層に含まれるＳｉの原子％であるβｉによりγｉ＝αｉ×｛ａｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝＋βｉ×｛ｂｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝としたとき、γｎ－γ１≧０．１、かつ、γ１からγｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線となり、
５）前記被覆層の縦断面において、前記工具基体の表面から前記工具表面に向かって０．１μｍの位置、前記被覆層の平均層厚の半分の位置、および、前記工具表面から前記工具基体に向かって０．１μｍの位置における平均結晶粒幅を、それぞれ、δ１、δ２、δ３とするとき、δ３＜δ２＜δ１、
である。

さらに、前記実施形態に係る表面切削被覆工具は、次の事項を満足してもよい。

（１）Ａ１層の平均層厚は２ｎｍ以上５μｍ以下であること。
（２）前記Ａｉ層（ただし、ｉ＝２～ｎ）および前記Ｂｉ層（ただし、ｉ＝１～ｎ）は、いずれも、その平均層厚が２～５００ｎｍであり、前記被覆層の平均層厚が１．０～８．０μｍであること。

前記によれば、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ基合金等の難削材の高速切削加工において、優れた耐久性を有する表面被覆切削工具を得ることができる。

本発明の実施形態に係る被覆層の縦断面（工具基体の表面に垂直な断面）を模式的に示す図である。

本発明者は、高熱発生を伴い、切刃に対して大きな熱的、機械的負荷が作用するオーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金、Ｔｉ基合金等の難削材の高速切削加工（例えば、旋削用インサートによる、切削速度が２００ｍ／ｍｉｎ以上の領域におけるオーステナイト系ステンレス鋼の湿式連続加工、エンドミルによる、切削速度が４５ｍ／ｍｉｎ以上の領域におけるＮｉ基合金の側面切削加工、旋削用インサートによる、切削速度が１００ｍ／ｍｉｎ以上の領域におけるＴｉ基合金の湿式連続加工）であっても、長期の使用にわたり優れた切削性を発揮する耐久性を有する被覆工具について、鋭意検討した。

すなわち、前記難削材を切削する際に発生する表面被覆工具の損傷の主要因である溶着について解析した。その結果、以下の「Ｓｉ含有割合の変化」、「積層される各層の平均層厚の変化」および「結晶粒幅の変化」を制御すれば、前述の難削材の高速切削加工であっても、長期の使用にわたり優れた切削性を発揮する耐久性を有する被覆工具を得ることができるとの知見を得た。この知見を得た経緯は次のとおりである。

被削材である難削材に含まれる成分と被覆層とが化学的に反応することにより、溶着が発生する。そこで、被覆層の中に、被削材への固溶度が小さいＳｉを多く含有させることによって、被削材に含まれる前記成分との反応性が小さくなり溶着を低減することができる。しかしながら、Ｓｉを被覆層に単純に多く添加するだけでは、被覆層の圧縮残留応力の増大により、切削初期にチッピングが発生し被覆工具寿命が短くなってしまう。

そこで、工具基体の表面の側から工具表面に向かってＳｉ含有量を増加させると、切削初期の溶着を低減すると共に、被覆層の圧縮残留応力の過度な増大を抑制することが可能となる。

しかし、このようにしても溶着を完全に無くすことはできず、溶着により被覆層の一部が脱離した際に被覆層の破壊を最小限に抑え、剥離、工具基体の露出およびチッピングを抑制するために、被覆層を微粒化させ破壊単位を小さくすることを思いついた。

そこで、さらに検討を行った結果、被覆層全体を微粒化させたときは、被覆層と工具基体との密着力が乏しくなり切削初期で工具基体の露出が発生してしまうが、被覆層を２層から構成される積層単位を積層し、被覆層を工具基体の側から工具表面側に向かって、この積層単位を構成する各層の平均層厚に所定の変化を与え、かつ、少なくとも所定の層厚位置で粒径が減少していると、被覆層の破壊単位の最小化と、被覆層と工具基体との密着力の確保の両立ができることを知見した。

以下では、本発明の実施形態の被覆工具について詳細に説明する。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ｌ～Ｍ」（Ｌ、Ｍは共に数値）で表現するときは、その範囲は上限値（Ｍ）および下限値（Ｌ）を含んでおり、上限値（Ｍ）と下限値（Ｌ）の単位は同じである。

また、本明細書、特許請求の範囲でいう工具基体の表面とは、被覆層の最も工具基体の表面に近い層と工具基体との界面の粗さ曲線について、平均線を算術的に求めたものである。この決定方法によれば、工具基体が曲面の表面を有する場合であっても、被覆層の層厚に対して工具径が十分に大きければ、被覆層と工具基体の界面は平面と扱うことできるため、同様に工具基体の表面を求めることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る被覆工具の被覆層の縦断面（インサートのときは工具基体の表面に垂直な断面。ドリルのような軸物工具のときは、この中心軸に垂直な断面。）を模式的に示した図である。工具基体（１）から工具表面、すなわち、被覆層（２）の表面に向かって、Ａｉ層（６）とＢｉ層（７）を積層単位とするＣｉ層（８）が積層されている（ｉ＝１～ｎ）。以下、この図１に示す実施形態について説明する。

１．被覆層
本実施形態に係る被覆層は、図１に模式的に示すように、工具基体の側から工具表面（被覆層の表面）に向かって、以下に述べるＡ層（Ａｉ層（６））とＢ層（Ｂｉ層（７））を積層単位とするＣ層（Ｃｉ層（８））を有することが好ましい。

被覆層の平均層厚は特段の制約はないが、１．０～８．０μｍであることがより好ましい。その理由は、平均膜厚が１．０μｍ未満であった場合、被覆層が十分な耐摩耗性を発揮しなくなることがあり、８．０μｍを超えた場合は被覆層の内部歪みが大きくなり自壊しやすくなることがあるためである。

（１）Ａ層
ア 組成
Ａ層の組成を組成式：Ａｌ_{１－ａ－ｂ}Ｔｉ_ａＸ_ｂＮ（Ｘ＝Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｃｅ）で表すと、０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．３０であることが好ましい。

ａ、ｂを前記範囲とする理由は、次のとおりである。ａが０．３０未満の場合には、相対的なＡｌの含有割合の増加により六方晶構造の結晶粒が形成されやすくなり、Ａ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができなくなり、一方、ａが０．７０を超えると、Ａ層の高温硬さおよび高温耐酸化性が低下する。また、ｂがゼロ、すなわち、Ｘ成分は含まれなくてもよいが、ｂが０．３０を超えると、Ａ層が脆くなり、十分な耐摩耗性を得ることができなくなるためである。

イ 平均層厚
Ａ層の一層当たりの平均層厚は制約がないが、２～５００ｎｍがより好ましい。
その理由は、平均層厚が２ｎｍ未満の場合には、耐摩耗性向上効果、耐欠損性が十分でないときがあり、一方、５００ｎｍを超えると、隣接するＢ層との格子不整合（ミスマッチ）によりＢ層の内部歪みが大きくなりＢ層が自壊しやすくなることがあるためである。

ただし、Ａ層の前記工具基体の直上にある、Ａ層、すなわち、Ａ１層の平均層厚は２ｎｍ以上５μｍ以下がより好ましい。
その理由は、平均層厚が２ｎｍ未満の場合には、耐摩耗性向上効果、耐欠損性が十分でないときがあり、一方、５μｍを超えると、Ａ１層の内部歪みが大きくなり同層が自壊しやすくなることがあるためである。

ウ 平均層厚の変化
工具基体の表面側から工具表面側（被覆層の表面側）に向かってｉ番目のＡ層をＡｉ層とし、その平均層厚をａｉ（ｎｍ）とするとき、ａ１－ａｎ≧２、かつ、ａ１からａｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると負の勾配を有する直線となることが好ましい。
このように、Ａ層の平均層厚が工具表面側に向かって減少することによって、被覆層と工具基体との間の密着力の確保と被覆層のＳｉ含有による溶着低減の効果を両立することができる。

（２）Ｂ層
ア 組成
Ｂ層の組成を組成式：Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄＮ（Ｍ＝Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｃｅ）で表すと、０．０１≦ｃ≦０．３０、０．００≦ｄ≦０．３０であることが好ましい。

ここで、ｃ、ｄを前記範囲とする理由は、次のとおりである。ｃが０．０１未満の場合にはＳｉ含有による溶着低減の効果が十分に発揮されず、一方、ｃが０．３０を超えると、Ｂ層中の圧縮残留応力の過度な増加によって耐摩耗性や耐欠損性の低下がみられるようになる。また、ｄはゼロ、すなわち、Ｍは含まれなくてもよいが、ｄが０．３０を超えると、Ｂ層が脆くなり、被覆工具が十分な耐摩耗性を得ることができなくなるためである。

イ 平均層厚
Ｂ層の一層当たりの平均層厚は制約がないが、２～５００ｎｍがより好ましい。
その理由は、平均層厚が２ｎｍ未満の場合には、耐摩耗性向上効果、耐欠損性が十分でないときがあり、一方、５００ｎｍを超えると、Ｂ層の内部歪みが大きくなり自壊しやすくなることがあるためである。

ウ 平均層厚の変化
工具基体の表面側から工具表面側（被覆層の表面側）に向かってｉ番目のＢ層をＢｉ層とし、その平均層厚をｂｉ（ｎｍ）とするとき、ｂ１からｂｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線となることが好ましい。
このように、Ｂ層の平均層厚が工具表面側に向かって増加することによって、被覆層と工具基体との間の密着力の確保と被覆層のＳｉ含有による溶着低減の効果を両立することができる。

（３）Ｃ層
ア 積層数
Ｃ層は、工具基体の側のＡ層、工具表面側のＢ層の組とする積層単位層であって、被覆層内に最低２層存在する。
ここで、Ｃ層の数（積層数）の上限は、特段の制約はないが、１００層以下が好ましい。

イ Ｓｉの含有割合
工具基体の表面の側からｉ番目にある、前記Ｃ層をＣｉ層とし、該Ｃｉ層を構成する前記Ａ層をＡｉ層、Ｂ層をＢｉ層とするとき（ただし、ｉ＝１～ｎ、ｎは２以上であって、積層総数を表す）、
Ｃｉ層に含まれるＳｉの原子％であるγｉを、前記Ａｉ層に含まれるＳｉの原子％であるαｉと前記Ｂｉ層に含まれるＳｉの原子％であるβｉによりγｉ＝αｉ×｛ａｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝＋βｉ×｛ｂｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝としたとき、γｎ－γ１≧０．１、かつ、γ１からγｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線となることが好ましい。

このようにすると、切削初期の溶着を低減すると共に、被覆層の圧縮残留応力の増大を抑制することが可能となる。

イ 結晶粒径の変化
被覆層の縦断面において、前記工具基体の表面から前記工具表面（被覆層の表面）に向かって０．１μｍの位置、前記被覆層の平均層厚の半分の位置、および、前記工具表面から前記工具基体に向かって０．１μｍの位置における平均結晶粒幅を、それぞれ、δ１、δ２、δ３とするとき、δ３＜δ２＜δ１であることが好ましい。
このようにすることによって、被覆層の破壊単位の最小化と、被覆層と工具基体との密着力の確保の両立ができる。

ここで、δ１、δ２、δ３で表される平均結晶粒幅とは、工具基体の表面に平行な長さＬ（μｍ）の直線を引いたとき、この直線が横切る結晶粒界の数で除したもの
すなわち、Ｌ／（横切る結晶粒界の数）
である。
直線Ｌの長さとして、５μｍを例示することができる。

また、理由は定かになっていないが、Ｃｉ層に含まれるＳｉの原子％であるγｉが大きくなるほど、平均結晶粒幅が小さくなるなることが判明した。

２．工具基体
（１）材質
本実施形態に使用する工具基体は、従来公知の工具基体の材質であれば、前述の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例をあげるならば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、ｃＢＮ焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。

（２）形状
工具基体の形状は、切削工具として用いられる形状であれば特段の制約はなく、インサートの形状、ドリルの形状、エンドミルの形状が例示できる。

３．製造方法
本実施形態の被覆層は、例えば、次のようなＰＶＤ法により製造できる。
すなわち、アークイオンプレーティング（Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ：ＡＩＰ）装置内を窒素雰囲気とし、Ａｌ_{１－ａ－ｂ}Ｔｉ_ａＸ_ｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．３０、Ｘ＝Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｃｅの１または２種以上）合金ターゲットとアノード電極との間にアーク放電を発生させて所定の平均層厚のＡ層を形成する。次に、同じく窒素雰囲気で、Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄＮ（０．０１≦ｃ≦０．３０、０．００≦ｄ≦０．３０、Ｍ＝Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｃｅの１または２種以上）合金ターゲットとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、所定の平均層厚のＢ層を成膜する。以下、これを繰り返し、所定層厚の被覆層を得る。

以下、実施例をあげて本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

原料粉末として、いずれも０．５～５μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂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、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、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、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、焼結後、切刃部にホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（インサート）１～４を製造した。

そして、工具基体１～４のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥させた。

ＡＩＰ装置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、工具基体１～４のそれぞれを外周部にそって装着し、ＡＩＰ装置の一方に所定組成のＡｌＴｉＸＮ合金からなるターゲット（カソード電極）を、他方側に所定組成のＴｉＳｉＭＮ合金からなるターゲット（カソード電極）を配置した。

前記工具基体１～４に対して、以下の工程で被覆層を形成し、図１の実施形態に対応する表面被覆インサート１～１０（以下、実施例１～１０という）をそれぞれ製造した。

被覆層の製造
次の１）～５）の工程により、表３に示す実施例の被覆層を製造した。

１）Ａ層の成膜
装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す下層成膜用の窒素分圧とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する前記工具基体の温度を表２に示す温度範囲内に維持すると共に、表２に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記ＡｌＴｉＸＮ合金ターゲットとアノード電極との間に８０～１５０Ａ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、表３に示される組成および一層当たりの平均層厚のＡ層を蒸着形成した。

ここで、各Ａｉ層を蒸着形成する際、アーク電流値を変化させることにより前記工具基体に到達するイオンの量を変化させることができ、結果として、各Ａｉ層の膜厚であるａｉを変化させることができる。Ａｉ層を蒸着形成する際のアーク電流値をＩ_Ａｉ（Ａ）としたとき、Ｉ_Ａ1＝１５０、Ｉ_Ａｎ＝８０、Ｉ_Ａｉ≧Ｉ_Ａｉ＋１とすることにより、ａ１からａｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると負の勾配を有する直線を満たすＡ層を蒸着形成した。

２）Ｂ層の成膜
次に、表２に示す下部積層単位層用の窒素分圧へ変更とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する前記工具基体の温度を表２に示す温度範囲内に維持すると共に表３に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記ＴｉＳｉＭＮ合金ターゲットとアノード電極との間に８０～１５０Ａ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、表３に示される組成および一層当たりの平均層厚のＢ層を蒸着形成した。

ここで、各Ｂｉ層を蒸着形成する際、アーク電流値を変化させることにより前記工具基体に到達するイオンの量を変化させることができ、結果として、各Ｂｉ層の膜厚であるｂｉを変化させることができる。Ｂｉ層を蒸着形成する際のアーク電流値をＩ_Ｂｉ（Ａ）としたとき、Ｉ_Ｂ1＝８０、Ｉ_Ｂｎ＝１５０、Ｉ_Ｂｉ≦Ｉ_Ｂｉ＋１とすることにより、ｂ１からｂｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線を持つＢ層を蒸着形成した。

３）被覆層に関して
前記のように各Ａｉ層と各Ｂｉ層の膜厚を変化させることにより、前記Ｃｉ層に含まれるＳｉの原子％であるγｉを、前記Ａｉ層に含まれるＳｉの原子％であるαｉと前記Ｂｉ層に含まれるＳｉの原子％であるβｉによりγｉ＝αｉ×｛ａｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝＋βｉ×｛ｂｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝としたとき、γ１からγｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線を持つＣ層を得た。

γｉは工具基体の表面の側から工具表面に向かって増加しているため、前記被覆層の縦断面において、前記工具基体の表面から前記工具表面に向かって０．１μｍの位置、前記被覆層の平均層厚の半分の位置、および、前記工具表面から前記工具基体に向かって０．１μｍの位置における平均結晶粒幅を、それぞれ、δ１、δ２、δ３とするとき、δ３＜δ２＜δ１を満たした。

比較のために、前記工具基体（インサート）１～４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、ＡＩＰ装置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、実施例１～１０と同様にボンバード処理を行い表２に示す成膜条件１’～６に従って、表３に示される比較例の表面被覆インサート１’～６’（以下、比較例１’～６’という）をそれぞれ製造した。

前記で製造した実施例１～１０および比較例１’～６’について、収束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）装置を用いて縦断面を切り出し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）や電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いた断面測定により、Ａ層およびＢ層の成分組成、各層厚を５箇所測定し、その平均値から平均組成および平均層厚を算出した。

表３に、測定・算出したそれぞれの値を示す。なお、表３には明示していないが、Ａｉ層、Ｂｉ層（ｉ＝１～ｎ）は、すべて、２～５００ｎｍの範囲にあった。

次に、上記実施例１～１０および比較例１’～６’について、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、下記の切削条件によるオーステナイト系ステンレス鋼の湿式連続切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。

＜切削条件＞
被削材：オーステナイト系ステンレス鋼（Ｃｒ１９質量％－Ｎｉ９質量％－Ｍｎ１．５質量％－Ｓｉ０．４質量％－Ｃ０．０５質量％－Ｆｅ残部）の丸棒
切削速度：３００ ｍ／ｍｉｎ．
切り込み：０．４ ｍｍ
送り：０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．
切削時間：１０ 分、
切削油：水溶性クーラント
表４に、それぞれ、実施例１～１０と比較例１’～６’切削試験の結果を示す。

表４に示される結果から、実施例１～１０は、難削材の高速切削加工であっても、被覆層の剥離、溶着、チッピングや摩耗がなく、優れた耐久性を有することがわかる。
これに対して、比較例１’～６’は、高速切削加工時の熱的負荷、機械的負荷により被覆層の剥離、溶着、チッピングや摩耗が発生し、短時間の工具寿命であった。

１ 工具基体
２ 被覆層
３ Ａ１層
４ Ｂ１層
５ Ｃ１層
６ Ａｉ層
７ Ｂｉ層
８ Ｃｉ層
９ Ａｎ層
１０ Ｂｎ層
１１ Ｃｎ層

Claims (3)

1. 工具基体と該工具基体に設けられた被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
   １）前記被覆層はＡｌ_{１－ａ－ｂ}Ｔｉ_ａＸ_ｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．３０）からなるＡ層と、Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄＮ（０．０１≦ｃ≦０．３０、０．００≦ｄ≦０．３０）からなるＢ層を含み
   ２）前記ＸはＢ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｃｅより選ばれる１または２種以上の元素であり、前記ＭはＢ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｃｅより選ばれる１または２種以上の元素であり、
   ３）前記工具基体の側の前記Ａ層と該Ａ層に隣接する工具表面の側の前記Ｂ層の組をＣ層とするとき、前記被覆層はｎ層（ｎ≧２）の前記Ｃ層を有し、
   ４）前記工具基体の側からｉ番目にある前記Ｃ層をＣｉ層とし、該Ｃｉ層を構成する前記Ａ層をＡｉ層、Ｂ層をＢｉ層とする場合であって（ただし、ｉ＝１～ｎ）、
   前記Ａｉ層の平均層厚をａｉ（ｎｍ）としたとき、ａ１－ａｎ≧２、かつ、ａ１からａｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると負の勾配を有する直線となり、
   前記Ｂｉ層の平均層厚をｂｉ（ｎｍ）としたとき、ｂｎ－ｂ１≧２、かつ、ｂ１からｂｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線となり、
   前記Ｃｉ層に含まれるＳｉの原子％であるγｉを、前記Ａｉ層に含まれるＳｉの原子％であるαｉと前記Ｂｉ層に含まれるＳｉの原子％であるβｉによりγｉ＝αｉ×｛ａｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝＋βｉ×｛ｂｉ／（ａｉ＋ｂｉ）｝としたとき、γｎ－γ１≧０．１、かつ、γ１からγｎへの変化を最小自乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線となり、
   ５）前記被覆層の縦断面において、前記工具基体の表面から前記工具表面に向かって０．１μｍの位置、前記被覆層の平均層厚の半分の位置、および、前記工具表面から前記工具基体に向かって０．１μｍの位置における平均結晶粒幅を、それぞれ、δ１、δ２、δ３とするとき、δ３＜δ２＜δ１、
   であることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. Ａ１層の平均層厚は２ｎｍ以上５μｍ以下であ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Ａｉ層（ただし、ｉ＝２～ｎ）および前記Ｂｉ層（ただし、ｉ＝１～ｎ）は、いずれも、その平均層厚が２～５００ｎｍであり、前記被覆層の平均層厚が１．０～８．０μｍであることを特徴する請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。

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