硬質被覆層がすぐれた潤滑性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具
【課題】耐熱合金の高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた潤滑性、耐チッピング性、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】工具基体表面に、下部層として、（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎあるいは（Ａｌ１−Ｘ−ＺＴｉＸＭＺ）層（但し、０．３≦Ｘ≦０．５、０．００１≦Ｚ≦０．１、かつ、Ｍは、Ｚｒ、Ｙ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種以上の元素）を形成し、上部層として、（Ｃｒ１−ａＢａ）Ｎｂ相（但し、０．４≦ａ≦０．７、０．１５≦ｂ≦０．５５）素地に、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、ＢＮ相の分散分布面積割合が次第に増加するＢＮ分散ＣｒＢＮ層を形成する。
【解決手段】工具基体表面に、下部層として、（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎあるいは（Ａｌ１−Ｘ−ＺＴｉＸＭＺ）層（但し、０．３≦Ｘ≦０．５、０．００１≦Ｚ≦０．１、かつ、Ｍは、Ｚｒ、Ｙ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種以上の元素）を形成し、上部層として、（Ｃｒ１−ａＢａ）Ｎｂ相（但し、０．４≦ａ≦０．７、０．１５≦ｂ≦０．５５）素地に、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、ＢＮ相の分散分布面積割合が次第に増加するＢＮ分散ＣｒＢＮ層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特に、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して、繰り返し衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性、耐チッピング性、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
被覆工具の一つとして、炭化タングステン基（以下、ＷＣ基で示す）超硬合金または炭窒化チタン基（以下、ＴｉＣＮ基で示す）サーメットで構成された工具基体の表面に、Ｃｒ窒化物層を形成した後、その上に、ＣｒＮ，ＢＮおよびＣｒＢが混在した硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、そして、この被覆工具の硬質被覆層は、硬度、靭性、密着性および化学的安定性にすぐれることが知られている。
また、工具基体の表面に、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ系合金のターゲットを用いたアークイオンプレーティングにより、０．３〜１０μｍの厚みの組成式（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）（ＢｙＮ１−ｙ）ｚ（ただし、０．３５≦ｘ≦０．６５、０．０３≦ｙ≦０．３、０．８≦ｚ≦１．２）を満足する複合ホウ窒化物からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、そして、この被覆工具の硬質被覆層は、炭素鋼や軸受鋼などの切削に用いた場合には、すぐれた耐溶着性、耐摩耗性を発揮することが知られている。
さらに、工具基体の表面に、Ｔｉ窒化物層、Ｔｉ−Ａｌ窒化物層を設けた後、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットを用いてアークイオンプレーティングを行うことにより、あるいは、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットとＢ含有ターゲットを用いてアークイオンプレーティングを行うことにより、ＢリッチなＣｒ−Ｂ窒化物粒子、あるいは、ＢリッチなＴｉ−Ｂ窒化物粒子を層中に存在させた硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、そして、この被覆工具の硬質被覆層は、炭素鋼の切削に用いた場合には、すぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮することが知られている。
【特許文献１】特開平７−２９２４５６号公報
【特許文献２】特開２００５−３３０５３９号公報
【特許文献３】特開２００３−２６０６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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傾向にあるが、上記の各種従来被覆工具においては、これを通常条件での切削加工に用いた場合に問題はないが、これを特に、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して繰り返し衝撃的負荷が作用するＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速断続切削に用いた場合には、硬質被覆層は切削時に発生する高熱によって過熱され、高温硬さ、潤滑性が低下したり、また溶着を生じたりするために、耐摩耗性の低下、チッピングの発生等が避けられず、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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱を発生し、かつ、切刃部に対して繰り返し衝撃的負荷が作用するＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速断続切削にあたり、硬質被覆層がすぐれた潤滑性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
（ａ）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（ＡＩＰ装置）およびスパッタリング装置（ＳＰ装置）を併設した物理蒸着装置を用い、装置中央部に工具基体（例えば、超硬基体）装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、
アークイオンプレーティング装置（ＡＩＰ装置）の一方側に、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金あるいはＡｌ−Ｔｉ−Ｍ合金（以下、総称してＡｌ−Ｔｉ−Ｍ合金という）からなる（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層（以下、総称して、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層という）蒸着用カソード電極（蒸発源）と、他方側には、金属ＣｒあるいはＣｒＢからなるＣｒＢＮ層蒸着用カソード電極（蒸発源）を設け、
また、スパッタリング装置（ＳＰ装置）には、ＢＮ分散相蒸着用ＢＮターゲット（蒸発源）を配設し、
工具基体装着用回転テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の工具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、形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で工具基体自体も自転させながら、
（イ）前記の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層蒸着用のＡｌ−Ｔｉ−Ｍ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、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層を蒸着形成した後、
（ロ）ＣｒＢＮ層蒸着用の金属ＣｒあるいはＣｒＢ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、目標平均層厚のＣｒＢＮ層を蒸着形成させつつ、それと同時に、ＢＮ分散相蒸着用のＢＮターゲット（蒸発源）にパルス電圧を印加し、かつ、蒸着時間の経過と共に印加電力を次第に増加させながらＢＮをスパッタすることにより、ＣｒＢＮ相を素地とし、下部層界面側から上部層最表面側へ向かうにしたがって、ＢＮ相の分散分布する面積割合が次第に増加するＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層を目標平均層厚で蒸着形成できる。
（ｂ）上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層とＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層で構成された硬質被覆層において、その（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層のＡｌ成分は高温硬さを向上させ、同Ｔｉ成分は高温強度を向上させ、さらに、層中にＭ成分が含有されている場合には、Ｍ成分の種類に応じて耐摩耗性、高温耐酸化性等がさらに向上する。
【０００５】
また、上部層のＢＮ分散ＣｒＢＮ層において、その素地を形成するＣｒＢＮ相は、硬度、靭性にすぐれ、下部層との密着性にもすぐれるため、上部層の耐欠損性を向上させ、下部層との密着強度を高めるが、その反面、耐熱合金の高速断続切削加工においては、潤滑性が不足し、また、化学的安定性も十分ではない。
【０００６】
そこで、化学的安定性と潤滑性にすぐれるＢＮ相を、ＣｒＢＮ相素地中に特定の分散形態、即ち、下部層との界面では０〜１面積％、また、上部層最表面では３〜２０面積％であって、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加する分散形態、で分散分布させることによって、ＣｒＢＮ相の有する耐欠損性を損なわず、かつ、密着性を低下させることなく、上部層全体としての化学的安定性を向上させ、潤滑性を高めることができる。
（ｃ）したがって、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、下部層として（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）層を、また、上部層として、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加するＢＮ相が分散分布するＢＮ分散ＣｒＢＮ層を蒸着形成した表面被覆切削工具は、下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を示し、また、上部層が、すぐれた硬度、靭性、密着性とともにすぐれた化学的安定性と潤滑性を示すことから、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して繰り返し衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件で行った場合にも、硬質被覆層全体としては、切刃部に対する粘着性および反応性が著しく低減され、その結果、チッピング、欠損、剥離等の発生もなく、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る。
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 炭化タングステン基（ＷＣ基）超硬合金または炭窒化チタン基（ＴｉＣＮ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、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３５≦Ｘ≦０．５５（但し、Ｘは原子比を示す）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）上部層として、ＣｒとＢの複合窒化物相を素地とし、該素地中に、Ｂの窒化物相が分散分布するＢＮ分散ＣｒＢＮ層、
以上（ａ）、（ｂ）で構成され、０．８〜５μｍの合計平均層厚を有する硬質被覆層が蒸着形成されてなる表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記上部層のＣｒとＢの複合窒化物相からなる素地の組成は、
組成式：（Ｃｒ１−ａＢａ）Ｎｂ
で表した場合、０．４≦ａ≦０．７、０．１５≦ｂ≦０．５５（但し、ａ、ｂは原子比）を満足し、
（ｄ）上記上部層中に分散分布するＢの窒化物相の面積割合は、下部層との界面では０〜１面積％、また、上部層最表面では３〜２０面積％であって、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加する分散分布形態を示す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（被覆工具）において、
前記（ａ）の下部層が、
組成式：（Ａｌ１−Ｘ−ＺＴｉＸＭＺ）Ｎ
で表した場合、０．３５≦Ｘ≦０．５５、０．００１≦Ｚ≦０．１（但し、Ｘ、Ｚは原子比を示し、Ｍは、Ｚｒ、Ｙ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種以上の元素を示す）を満足するＡｌとＴｉとＭの複合窒化物層である前記（１）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を構成する下部層（（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層）および上部層（ＢＮ分散ＣｒＢＮ層）等について、詳細に説明する。
（ａ）下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層
下部層の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）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と耐熱性を向上させ、同Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用があり、さらに、下部層構成成分としてＭ成分（Ｍは、Ｚｒ、Ｙ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種以上の元素）が含有されている場合、Ｍ成分のうちの、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉおよびＢには硬質被覆層の耐摩耗性を向上させる作用があり、また、Ｙには硬質被覆層の高温耐酸化性を向上させる作用がある。
【０００７】
（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を、組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎで表し、また、
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層を、組成式：（Ａｌ１−Ｘ−ＺＴｉＸＭＺ）Ｎで表した場合、Ｔｉの含有割合を示すＸ値（原子比）が０．５５を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、所定の高温硬さを確保することができず、これが耐摩耗性低下の原因となり、一方、Ｔｉの割合を示すＸ値（原子比）が同０．３５未満になると、高温強度を確保することができず、チッピングの発生を防止することが困難になり、さらに、Ｍ成分の含有割合を示すＺ値（原子比）が０．００１未満では、Ｍ成分を含有させたことによる耐摩耗性、高温耐酸化性等の特性向上が期待できず、一方同Ｚ値（原子比）が０．１を超えると、高温強度に低下傾向が現れるようになることから、Ｘ値（原子比）を０．３５〜０．５５、Ｚ値（原子比）を０．００１〜０．１とそれぞれ定めた。
（ｂ）上部層の素地を構成するＣｒＢＮ相
ＢＮ分散ＣｒＢＮ層は、素地を形成するＣｒＢＮ相と、素地に分散分布するＢＮ相とから構成される。
素地のＣｒＢＮ相は、すぐれた高温硬さと靭性を備え、下部層への密着性も大きい。
【０００８】
素地のＣｒＢＮ相を、組成式：（Ｃｒ１−ａＢａ）Ｎｂで表した場合、
Ｃｒとの合量に占めるＢの含有割合ａ（原子比）が０．４未満では、所定の高温硬さを確保することができず耐摩耗性が低下し、一方、Ｂの含有割合ａ（原子比）が０．７を超えると、靭性が低下する傾向が現れ、チッピング、欠損を発生しやすくなるため、Ｂの含有割合ａ（原子比）を０．４≦ａ≦０．７と定めた。
【０００９】
また、Ｎの含有割合ｂ（原子比）が０．１５未満では、下部層に対する所定の密着性が得られず、一方、Ｎの含有割合ｂ（原子比）が０．５５を超えると、所定の高温硬さを確保することができず、耐摩耗性が低下することから、Ｎの含有割合ｂ（原子比）を０．１５≦ｂ≦０．５５と定めた。
（ｃ）上部層の分散相を構成するＢＮ相
ＣｒＢＮ相素地に分散するＢＮ相の分散分布量が多くなるにしたがって、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層の潤滑性は高まるが、その反面、下部層との密着性が低下すると共に、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層自体の靭性が低下することになるので、本発明では、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層の靭性、密着性を低下させることなく、すぐれた潤滑性を発揮できるようにするために、分散分布するＢＮ相について、下部層との界面では０〜１面積％、また、上部層最表面では３〜２０面積％であって、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加する形態をとるように、ＣｒＢＮ相素地へのＢＮ相の分散分布状態を定めた。
【００１０】
つまり、下部層との界面近傍ではＢＮ相の面積率を小さくし、下部層との密着性、靭性を確保しつつ、上部層の最表面近傍ではＢＮ相の面積率を大きくして、十分な潤滑性、化学的安定性が発揮され、切刃表面部と被削材である耐熱合金との溶着発生防止が図られるようにした。
【００１１】
下部層との界面におけるＢＮ分散ＣｒＢＮ層のＢＮ相の分散分布割合が１面積％を超えると、下部層との界面でのＢＮ分散ＣｒＢＮ層の密着性低下、靭性低下により、層間剥離を生じやすくなるため、下部層との界面でのＢＮ相の分散分布割合を０〜１面積％とし、また、上部層最表面におけるＢＮ相の分散分布割合が３面積％未満では、被削材との反応性低減効果、潤滑性向上効果が期待できず、一方、分散分布割合が２０面積％を超えると、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層の靭性低下傾向がみられ、高速断続切削においてチッピング、欠損等を発生しやすくなり、また、ＢＮ相の粗大化による剥落等も生じやすくなるので、上部層最表面におけるＢＮ相の分散分布割合を３〜２０面積％と定めた。
そして、上記のごときＢＮ相の分散分布形態は、例えば、金属ＣｒあるいはＣｒＢ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、下部層の上にＣｒＢＮ層をアークイオンプレーティングで蒸着形成させると同時に、ＢＮターゲット（蒸発源）にパルス電圧を印加してスパッタリング蒸着することにより、ＣｒＢＮ相素地にＢＮ相が分散分布するＢＮ分散ＣｒＢＮ層を物理蒸着で形成するにあたり、蒸着時間の経過と共に（即ち、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層の成長とともに）、ＢＮターゲットに印加する印加電力を次第に増加させながらスパッタすることにより、下部層界面側から上部層最表面側へ向かうにしたがって、ＢＮ相の分散分布する面積割合が次第に増加するＢＮ分散ＣｒＢＮ層を蒸着形成することができる。
（ｄ）平均層厚
下部層と上部層からなる硬質被覆層の平均層厚が０．８μｍ未満では、所望の高温硬さ、高温強度、耐熱性、耐酸化性、潤滑性を長期に亘って確保することができないため、耐熱合金の高速断続切削における潤滑性、耐チッピング性、耐摩耗性の向上を期待することができず、一方、その平均層厚が５μｍを越えると、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．８〜５μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の被覆工具は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を示し、また、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層が、すぐれた硬度、靭性、密着性とともにすぐれた化学的安定性と潤滑性を示し、硬質被覆層全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性、耐酸化性とともに、一段とすぐれた潤滑性を具備することから、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して、繰り返し衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件で行った場合にも、すぐれた耐溶着性、耐チッピング性を示すとともに、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ものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
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。
【００１５】
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、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に示される物理蒸着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、表３に示される所定組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｍ合金からなるアークイオンプレーティング用カソード電極（蒸発源）、同じく表３に示される所定組成のＣｒＢ合金からなるアークイオンプレーティング用カソード電極（蒸発源）、ＢＮからなるスパッタリングターゲットを配置し、
（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、かつカソード電極の前記Ａｌ−Ｔｉ−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Ａｌ−Ｔｉ−Ｍ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、かつカソード電極の前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｍ合金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、前記工具基体の表面に、表４、表５に示される目標組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層を蒸着形成した後、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｍ合金のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
（ｄ）引き続いて装置内雰囲気を０．３Ｐａもしくは２Ｐａのアルゴンと窒素の混合ガス雰囲気に保持したままで、ＣｒＢ合金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ＣｒＢＮ相を蒸着形成すると同時に、ＢＮからなるスパッタリングターゲットに、パルス電源（図示せず）から０．３ｋＷのパルス電力を印加して、さらに、蒸着の進行と共に、ＢＮスパッタリングターゲットに印加するパルス電力を増大させ、ＢＮをスパッタすることにより、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層上に、表４、表５に示される目標とする素地組成、目標とするＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層を蒸着形成し、
ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆工具としての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。
また、比較の目的で、これら工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６について、前記（ａ）〜（ｃ）に示される工程で、表６、表７に示される目標組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層を蒸着形成した後、
（ｅ）装置内雰囲気を２Ｐａのアルゴンと窒素の混合ガス雰囲気に保持したままで、ＣｒＢ合金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ＣｒＢＮ相を蒸着形成すると同時に、ＢＮからなるスパッタリングターゲットに、スパッタ開始から終了まで、４ｋＷの同一パルス電力を印加してＢＮをスパッタすることにより、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層上に、表６、表７に示される目標とする素地組成、所定のＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ層を蒸着形成することにより、
同じくスローアウエイチップ形状の比較被覆工具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：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの成分組成からなるＴｉ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １ ｍｍ、
送り： ０．１ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）でのＴｉ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：Ｎｉ−１９Ｃｒ−１８．５Ｆｅ−５．２Ｃｄ−５Ｔａ−３Ｍｏ−０．９Ｔｉ−０．５Ａｌの成分組成からなるＮｉ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ６５ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．８ ｍｍ、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）でのＮｉ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：Ｃｏ−２３Ｃｒ−６Ｍｏ−２Ｎｉ−１Ｆｅ−０．６Ｓｉ−０．４Ｃの成分組成からなるＣｏ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ５５ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．２ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ６ 分、
の条件（切削条件Ｃ）でのＣｏ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、３０ｍ／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に示した。
【００１６】
【表１】
【００１７】
【表２】
【００１８】
【表３】
【００１９】
【表４】
【００２０】
【表５】
【００２１】
【表６】
【００２２】
【表７】
【００２３】
【表８】
【実施例２】
【００２４】
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９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９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３に示されるカソード種別で、表１０に示される目標組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層上に、同じく表１０に示される目標とする素地組成、目標とするＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層を蒸着形成し、
本発明被覆工具としての本発明被覆エンドミル１〜８をそれぞれ製造した。
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３に示されるカソード種別で、工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８の表面に、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層、またこの上に、表１１に示される目標とする素地組成、所定のＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ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被覆エンドミル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Ｎｉ−１９Ｃｒ−１４Ｃｏ−４．５Ｍｏ−２．５Ｔｉ−２Ｆｅ−１．２Ａｌ−０．７Ｍｎ−０．４Ｓｉの成分組成のＮｉ基合金からなる板材、
切削速度： ４５ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ２ ｍｍ、
テーブル送り： １８０ ｍｍ／分、
の条件でのＮｉ基合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、２５ｍ／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Ｃｏ−２０Ｃｒ−１５Ｗ−１０Ｎｉ−１．５Ｍｎ−１Ｓｉ−１Ｆｅ−０．１２Ｃの成分組成のＣｏ基合金からなる板材、
切削速度： ５５ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ３ ｍｍ、
テーブル送り： ２５０ ｍｍ／分、
の条件でのＣｏ基合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、３０ｍ／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Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖの成分組成のＴｉ基合金からなる板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： ２００ ｍｍ／分、
の条件でのＴｉ基合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、２０ｍ／ｍｉｎ．）、
をそれぞれ行い、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。この測定結果を表１０，１１にそれぞれ示した。
【００２５】
【表９】
【００２６】
【表１０】
【００２７】
【表１１】
【実施例３】
【００２８】
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、表３に示されるカソード種別で、表１２に示される目標組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層上に、同じく表１２に示される目標とする素地組成、目標とするＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層を蒸着形成し、
本発明被覆工具としての本発明被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。
また、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４に示されるカソード種別で、工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の表面に、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層、またこの上に、表１３に示される目標とする素地組成、所定のＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ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被覆ドリル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および従来被覆ドリル１〜３については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＣｏ−２３Ｃｒ−６Ｍｏ−２Ｎｉ−１Ｆｅ−０．６Ｓｉ−０．４Ｃの成分組成のＣｏ基合金からなる板材、
切削速度： ４０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ６ ｍｍ、
の条件でのＣｏ基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、２０ｍ／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Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの成分組成のＴｉ基合金からなる板材、
切削速度： ４５ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １２ ｍｍ、
の条件でのＴｉ基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、２５ｍ／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Ｎｉ−１９Ｃｒ−１８．５Ｆｅ−５．２Ｃｄ−５Ｔａ−３Ｍｏ−０．９Ｔｉ−０．５Ａｌの成分組成のＮｉ基合金からなる板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２４ ｍｍ、
の条件でのＮｉ基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、３０ｍ／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１２，１３にそれぞれ示した。
【００２９】
【表１２】
【００３０】
【表１３】
この結果得られた本発明被覆工具としての本発明被覆チップ１〜１６、本発明被覆エンドミル１〜８、本発明被覆ドリル１〜８、および、比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１６、比較被覆エンドミル１〜８、比較被覆ドリル１〜８の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層の組成、ＣｒＢＮ相（上部層の素地相）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、Ｔｉ、Ｍ、Ｂ、Ｎ含有割合と実質的に同じ組成を示した。
また、本発明被覆工具および比較被覆工具の上部層に分散分布するＢＮ相の層厚方向にわたる面積割合を、オージェ分光分析装置の定性分析のマッピングを用い測定したところ、表４〜７、１０〜１３に示される面積割合（５ヶ所の平均値）を示し、さらに、上記の硬質被覆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４〜８、１０〜１３に示される結果から、本発明被覆工具は、ステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高熱発生を伴う高速条件下での切削加工に用いた場合であっても、硬質被覆層が、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層と、下部層界面側から上部層最表面側へ向かうにしたがって、ＢＮ相の分散分布する面積割合が次第に増加するＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなり、全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性、耐酸化性および潤滑性を備えていることによって、溶着、チッピング、偏摩耗の発生がなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層が、ＢＮ相の分散分布する面積割合が層厚方向にわたって均一なＢＮ分散ＣｒＢＮ層で構成された比較被覆工具においては、高速切削加工で高熱発生を伴うことにより、溶着、チッピング、剥離、偏摩耗が発生し、これが原因で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の切削加工は勿論のこと、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して、繰り返し衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、長期に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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（ＡＩＰ装置）とスパッタリング装置（ＳＰ装置）を併設した物理蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特に、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して、繰り返し衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性、耐チッピング性、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
被覆工具の一つとして、炭化タングステン基（以下、ＷＣ基で示す）超硬合金または炭窒化チタン基（以下、ＴｉＣＮ基で示す）サーメットで構成された工具基体の表面に、Ｃｒ窒化物層を形成した後、その上に、ＣｒＮ，ＢＮおよびＣｒＢが混在した硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、そして、この被覆工具の硬質被覆層は、硬度、靭性、密着性および化学的安定性にすぐれることが知られている。
また、工具基体の表面に、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ系合金のターゲットを用いたアークイオンプレーティングにより、０．３〜１０μｍの厚みの組成式（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）（ＢｙＮ１−ｙ）ｚ（ただし、０．３５≦ｘ≦０．６５、０．０３≦ｙ≦０．３、０．８≦ｚ≦１．２）を満足する複合ホウ窒化物からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、そして、この被覆工具の硬質被覆層は、炭素鋼や軸受鋼などの切削に用いた場合には、すぐれた耐溶着性、耐摩耗性を発揮することが知られている。
さらに、工具基体の表面に、Ｔｉ窒化物層、Ｔｉ−Ａｌ窒化物層を設けた後、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットを用いてアークイオンプレーティングを行うことにより、あるいは、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットとＢ含有ターゲットを用いてアークイオンプレーティングを行うことにより、ＢリッチなＣｒ−Ｂ窒化物粒子、あるいは、ＢリッチなＴｉ−Ｂ窒化物粒子を層中に存在させた硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、そして、この被覆工具の硬質被覆層は、炭素鋼の切削に用いた場合には、すぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮することが知られている。
【特許文献１】特開平７−２９２４５６号公報
【特許文献２】特開２００５−３３０５３９号公報
【特許文献３】特開２００３−２６０６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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傾向にあるが、上記の各種従来被覆工具においては、これを通常条件での切削加工に用いた場合に問題はないが、これを特に、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して繰り返し衝撃的負荷が作用するＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速断続切削に用いた場合には、硬質被覆層は切削時に発生する高熱によって過熱され、高温硬さ、潤滑性が低下したり、また溶着を生じたりするために、耐摩耗性の低下、チッピングの発生等が避けられず、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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱を発生し、かつ、切刃部に対して繰り返し衝撃的負荷が作用するＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速断続切削にあたり、硬質被覆層がすぐれた潤滑性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
（ａ）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（ＡＩＰ装置）およびスパッタリング装置（ＳＰ装置）を併設した物理蒸着装置を用い、装置中央部に工具基体（例えば、超硬基体）装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、
アークイオンプレーティング装置（ＡＩＰ装置）の一方側に、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金あるいはＡｌ−Ｔｉ−Ｍ合金（以下、総称してＡｌ−Ｔｉ−Ｍ合金という）からなる（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層（以下、総称して、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層という）蒸着用カソード電極（蒸発源）と、他方側には、金属ＣｒあるいはＣｒＢからなるＣｒＢＮ層蒸着用カソード電極（蒸発源）を設け、
また、スパッタリング装置（ＳＰ装置）には、ＢＮ分散相蒸着用ＢＮターゲット（蒸発源）を配設し、
工具基体装着用回転テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の工具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、形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で工具基体自体も自転させながら、
（イ）前記の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層蒸着用のＡｌ−Ｔｉ−Ｍ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、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層を蒸着形成した後、
（ロ）ＣｒＢＮ層蒸着用の金属ＣｒあるいはＣｒＢ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、目標平均層厚のＣｒＢＮ層を蒸着形成させつつ、それと同時に、ＢＮ分散相蒸着用のＢＮターゲット（蒸発源）にパルス電圧を印加し、かつ、蒸着時間の経過と共に印加電力を次第に増加させながらＢＮをスパッタすることにより、ＣｒＢＮ相を素地とし、下部層界面側から上部層最表面側へ向かうにしたがって、ＢＮ相の分散分布する面積割合が次第に増加するＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層を目標平均層厚で蒸着形成できる。
（ｂ）上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層とＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層で構成された硬質被覆層において、その（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層のＡｌ成分は高温硬さを向上させ、同Ｔｉ成分は高温強度を向上させ、さらに、層中にＭ成分が含有されている場合には、Ｍ成分の種類に応じて耐摩耗性、高温耐酸化性等がさらに向上する。
【０００５】
また、上部層のＢＮ分散ＣｒＢＮ層において、その素地を形成するＣｒＢＮ相は、硬度、靭性にすぐれ、下部層との密着性にもすぐれるため、上部層の耐欠損性を向上させ、下部層との密着強度を高めるが、その反面、耐熱合金の高速断続切削加工においては、潤滑性が不足し、また、化学的安定性も十分ではない。
【０００６】
そこで、化学的安定性と潤滑性にすぐれるＢＮ相を、ＣｒＢＮ相素地中に特定の分散形態、即ち、下部層との界面では０〜１面積％、また、上部層最表面では３〜２０面積％であって、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加する分散形態、で分散分布させることによって、ＣｒＢＮ相の有する耐欠損性を損なわず、かつ、密着性を低下させることなく、上部層全体としての化学的安定性を向上させ、潤滑性を高めることができる。
（ｃ）したがって、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、下部層として（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）層を、また、上部層として、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加するＢＮ相が分散分布するＢＮ分散ＣｒＢＮ層を蒸着形成した表面被覆切削工具は、下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を示し、また、上部層が、すぐれた硬度、靭性、密着性とともにすぐれた化学的安定性と潤滑性を示すことから、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して繰り返し衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件で行った場合にも、硬質被覆層全体としては、切刃部に対する粘着性および反応性が著しく低減され、その結果、チッピング、欠損、剥離等の発生もなく、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る。
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 炭化タングステン基（ＷＣ基）超硬合金または炭窒化チタン基（ＴｉＣＮ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、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３５≦Ｘ≦０．５５（但し、Ｘは原子比を示す）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）上部層として、ＣｒとＢの複合窒化物相を素地とし、該素地中に、Ｂの窒化物相が分散分布するＢＮ分散ＣｒＢＮ層、
以上（ａ）、（ｂ）で構成され、０．８〜５μｍの合計平均層厚を有する硬質被覆層が蒸着形成されてなる表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記上部層のＣｒとＢの複合窒化物相からなる素地の組成は、
組成式：（Ｃｒ１−ａＢａ）Ｎｂ
で表した場合、０．４≦ａ≦０．７、０．１５≦ｂ≦０．５５（但し、ａ、ｂは原子比）を満足し、
（ｄ）上記上部層中に分散分布するＢの窒化物相の面積割合は、下部層との界面では０〜１面積％、また、上部層最表面では３〜２０面積％であって、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加する分散分布形態を示す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（被覆工具）において、
前記（ａ）の下部層が、
組成式：（Ａｌ１−Ｘ−ＺＴｉＸＭＺ）Ｎ
で表した場合、０．３５≦Ｘ≦０．５５、０．００１≦Ｚ≦０．１（但し、Ｘ、Ｚは原子比を示し、Ｍは、Ｚｒ、Ｙ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種以上の元素を示す）を満足するＡｌとＴｉとＭの複合窒化物層である前記（１）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を構成する下部層（（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層）および上部層（ＢＮ分散ＣｒＢＮ層）等について、詳細に説明する。
（ａ）下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層
下部層の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）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と耐熱性を向上させ、同Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用があり、さらに、下部層構成成分としてＭ成分（Ｍは、Ｚｒ、Ｙ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種以上の元素）が含有されている場合、Ｍ成分のうちの、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉおよびＢには硬質被覆層の耐摩耗性を向上させる作用があり、また、Ｙには硬質被覆層の高温耐酸化性を向上させる作用がある。
【０００７】
（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を、組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎで表し、また、
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層を、組成式：（Ａｌ１−Ｘ−ＺＴｉＸＭＺ）Ｎで表した場合、Ｔｉの含有割合を示すＸ値（原子比）が０．５５を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、所定の高温硬さを確保することができず、これが耐摩耗性低下の原因となり、一方、Ｔｉの割合を示すＸ値（原子比）が同０．３５未満になると、高温強度を確保することができず、チッピングの発生を防止することが困難になり、さらに、Ｍ成分の含有割合を示すＺ値（原子比）が０．００１未満では、Ｍ成分を含有させたことによる耐摩耗性、高温耐酸化性等の特性向上が期待できず、一方同Ｚ値（原子比）が０．１を超えると、高温強度に低下傾向が現れるようになることから、Ｘ値（原子比）を０．３５〜０．５５、Ｚ値（原子比）を０．００１〜０．１とそれぞれ定めた。
（ｂ）上部層の素地を構成するＣｒＢＮ相
ＢＮ分散ＣｒＢＮ層は、素地を形成するＣｒＢＮ相と、素地に分散分布するＢＮ相とから構成される。
素地のＣｒＢＮ相は、すぐれた高温硬さと靭性を備え、下部層への密着性も大きい。
【０００８】
素地のＣｒＢＮ相を、組成式：（Ｃｒ１−ａＢａ）Ｎｂで表した場合、
Ｃｒとの合量に占めるＢの含有割合ａ（原子比）が０．４未満では、所定の高温硬さを確保することができず耐摩耗性が低下し、一方、Ｂの含有割合ａ（原子比）が０．７を超えると、靭性が低下する傾向が現れ、チッピング、欠損を発生しやすくなるため、Ｂの含有割合ａ（原子比）を０．４≦ａ≦０．７と定めた。
【０００９】
また、Ｎの含有割合ｂ（原子比）が０．１５未満では、下部層に対する所定の密着性が得られず、一方、Ｎの含有割合ｂ（原子比）が０．５５を超えると、所定の高温硬さを確保することができず、耐摩耗性が低下することから、Ｎの含有割合ｂ（原子比）を０．１５≦ｂ≦０．５５と定めた。
（ｃ）上部層の分散相を構成するＢＮ相
ＣｒＢＮ相素地に分散するＢＮ相の分散分布量が多くなるにしたがって、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層の潤滑性は高まるが、その反面、下部層との密着性が低下すると共に、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層自体の靭性が低下することになるので、本発明では、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層の靭性、密着性を低下させることなく、すぐれた潤滑性を発揮できるようにするために、分散分布するＢＮ相について、下部層との界面では０〜１面積％、また、上部層最表面では３〜２０面積％であって、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加する形態をとるように、ＣｒＢＮ相素地へのＢＮ相の分散分布状態を定めた。
【００１０】
つまり、下部層との界面近傍ではＢＮ相の面積率を小さくし、下部層との密着性、靭性を確保しつつ、上部層の最表面近傍ではＢＮ相の面積率を大きくして、十分な潤滑性、化学的安定性が発揮され、切刃表面部と被削材である耐熱合金との溶着発生防止が図られるようにした。
【００１１】
下部層との界面におけるＢＮ分散ＣｒＢＮ層のＢＮ相の分散分布割合が１面積％を超えると、下部層との界面でのＢＮ分散ＣｒＢＮ層の密着性低下、靭性低下により、層間剥離を生じやすくなるため、下部層との界面でのＢＮ相の分散分布割合を０〜１面積％とし、また、上部層最表面におけるＢＮ相の分散分布割合が３面積％未満では、被削材との反応性低減効果、潤滑性向上効果が期待できず、一方、分散分布割合が２０面積％を超えると、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層の靭性低下傾向がみられ、高速断続切削においてチッピング、欠損等を発生しやすくなり、また、ＢＮ相の粗大化による剥落等も生じやすくなるので、上部層最表面におけるＢＮ相の分散分布割合を３〜２０面積％と定めた。
そして、上記のごときＢＮ相の分散分布形態は、例えば、金属ＣｒあるいはＣｒＢ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、下部層の上にＣｒＢＮ層をアークイオンプレーティングで蒸着形成させると同時に、ＢＮターゲット（蒸発源）にパルス電圧を印加してスパッタリング蒸着することにより、ＣｒＢＮ相素地にＢＮ相が分散分布するＢＮ分散ＣｒＢＮ層を物理蒸着で形成するにあたり、蒸着時間の経過と共に（即ち、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層の成長とともに）、ＢＮターゲットに印加する印加電力を次第に増加させながらスパッタすることにより、下部層界面側から上部層最表面側へ向かうにしたがって、ＢＮ相の分散分布する面積割合が次第に増加するＢＮ分散ＣｒＢＮ層を蒸着形成することができる。
（ｄ）平均層厚
下部層と上部層からなる硬質被覆層の平均層厚が０．８μｍ未満では、所望の高温硬さ、高温強度、耐熱性、耐酸化性、潤滑性を長期に亘って確保することができないため、耐熱合金の高速断続切削における潤滑性、耐チッピング性、耐摩耗性の向上を期待することができず、一方、その平均層厚が５μｍを越えると、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．８〜５μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の被覆工具は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を示し、また、ＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層が、すぐれた硬度、靭性、密着性とともにすぐれた化学的安定性と潤滑性を示し、硬質被覆層全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性、耐酸化性とともに、一段とすぐれた潤滑性を具備することから、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して、繰り返し衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件で行った場合にも、すぐれた耐溶着性、耐チッピング性を示すとともに、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ものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
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。
【００１５】
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、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に示される物理蒸着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、表３に示される所定組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｍ合金からなるアークイオンプレーティング用カソード電極（蒸発源）、同じく表３に示される所定組成のＣｒＢ合金からなるアークイオンプレーティング用カソード電極（蒸発源）、ＢＮからなるスパッタリングターゲットを配置し、
（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、かつカソード電極の前記Ａｌ−Ｔｉ−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Ａｌ−Ｔｉ−Ｍ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、かつカソード電極の前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｍ合金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、前記工具基体の表面に、表４、表５に示される目標組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層を蒸着形成した後、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｍ合金のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
（ｄ）引き続いて装置内雰囲気を０．３Ｐａもしくは２Ｐａのアルゴンと窒素の混合ガス雰囲気に保持したままで、ＣｒＢ合金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ＣｒＢＮ相を蒸着形成すると同時に、ＢＮからなるスパッタリングターゲットに、パルス電源（図示せず）から０．３ｋＷのパルス電力を印加して、さらに、蒸着の進行と共に、ＢＮスパッタリングターゲットに印加するパルス電力を増大させ、ＢＮをスパッタすることにより、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層上に、表４、表５に示される目標とする素地組成、目標とするＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層を蒸着形成し、
ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆工具としての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。
また、比較の目的で、これら工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６について、前記（ａ）〜（ｃ）に示される工程で、表６、表７に示される目標組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層を蒸着形成した後、
（ｅ）装置内雰囲気を２Ｐａのアルゴンと窒素の混合ガス雰囲気に保持したままで、ＣｒＢ合金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ＣｒＢＮ相を蒸着形成すると同時に、ＢＮからなるスパッタリングターゲットに、スパッタ開始から終了まで、４ｋＷの同一パルス電力を印加してＢＮをスパッタすることにより、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層上に、表６、表７に示される目標とする素地組成、所定のＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ層を蒸着形成することにより、
同じくスローアウエイチップ形状の比較被覆工具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：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの成分組成からなるＴｉ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １ ｍｍ、
送り： ０．１ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）でのＴｉ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：Ｎｉ−１９Ｃｒ−１８．５Ｆｅ−５．２Ｃｄ−５Ｔａ−３Ｍｏ−０．９Ｔｉ−０．５Ａｌの成分組成からなるＮｉ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ６５ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．８ ｍｍ、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）でのＮｉ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：Ｃｏ−２３Ｃｒ−６Ｍｏ−２Ｎｉ−１Ｆｅ−０．６Ｓｉ−０．４Ｃの成分組成からなるＣｏ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ５５ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．２ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ６ 分、
の条件（切削条件Ｃ）でのＣｏ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、３０ｍ／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に示した。
【００１６】
【表１】
【００１７】
【表２】
【００１８】
【表３】
【００１９】
【表４】
【００２０】
【表５】
【００２１】
【表６】
【００２２】
【表７】
【００２３】
【表８】
【実施例２】
【００２４】
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９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９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３に示されるカソード種別で、表１０に示される目標組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層上に、同じく表１０に示される目標とする素地組成、目標とするＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層を蒸着形成し、
本発明被覆工具としての本発明被覆エンドミル１〜８をそれぞれ製造した。
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３に示されるカソード種別で、工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８の表面に、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層、またこの上に、表１１に示される目標とする素地組成、所定のＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ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被覆エンドミル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Ｎｉ−１９Ｃｒ−１４Ｃｏ−４．５Ｍｏ−２．５Ｔｉ−２Ｆｅ−１．２Ａｌ−０．７Ｍｎ−０．４Ｓｉの成分組成のＮｉ基合金からなる板材、
切削速度： ４５ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ２ ｍｍ、
テーブル送り： １８０ ｍｍ／分、
の条件でのＮｉ基合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、２５ｍ／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Ｃｏ−２０Ｃｒ−１５Ｗ−１０Ｎｉ−１．５Ｍｎ−１Ｓｉ−１Ｆｅ−０．１２Ｃの成分組成のＣｏ基合金からなる板材、
切削速度： ５５ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ３ ｍｍ、
テーブル送り： ２５０ ｍｍ／分、
の条件でのＣｏ基合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、３０ｍ／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Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖの成分組成のＴｉ基合金からなる板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： ２００ ｍｍ／分、
の条件でのＴｉ基合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、２０ｍ／ｍｉｎ．）、
をそれぞれ行い、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。この測定結果を表１０，１１にそれぞれ示した。
【００２５】
【表９】
【００２６】
【表１０】
【００２７】
【表１１】
【実施例３】
【００２８】
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、表３に示されるカソード種別で、表１２に示される目標組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層上に、同じく表１２に示される目標とする素地組成、目標とするＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなる上部層を蒸着形成し、
本発明被覆工具としての本発明被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。
また、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４に示されるカソード種別で、工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の表面に、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層、またこの上に、表１３に示される目標とする素地組成、所定のＢＮ相面積割合、目標平均層厚のＢＮ分散ＣｒＢＮ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被覆ドリル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および従来被覆ドリル１〜３については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＣｏ−２３Ｃｒ−６Ｍｏ−２Ｎｉ−１Ｆｅ−０．６Ｓｉ−０．４Ｃの成分組成のＣｏ基合金からなる板材、
切削速度： ４０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ６ ｍｍ、
の条件でのＣｏ基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、２０ｍ／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Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの成分組成のＴｉ基合金からなる板材、
切削速度： ４５ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １２ ｍｍ、
の条件でのＴｉ基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、２５ｍ／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Ｎｉ−１９Ｃｒ−１８．５Ｆｅ−５．２Ｃｄ−５Ｔａ−３Ｍｏ−０．９Ｔｉ−０．５Ａｌの成分組成のＮｉ基合金からなる板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２４ ｍｍ、
の条件でのＮｉ基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、３０ｍ／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１２，１３にそれぞれ示した。
【００２９】
【表１２】
【００３０】
【表１３】
この結果得られた本発明被覆工具としての本発明被覆チップ１〜１６、本発明被覆エンドミル１〜８、本発明被覆ドリル１〜８、および、比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１６、比較被覆エンドミル１〜８、比較被覆ドリル１〜８の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層の組成、ＣｒＢＮ相（上部層の素地相）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、Ｔｉ、Ｍ、Ｂ、Ｎ含有割合と実質的に同じ組成を示した。
また、本発明被覆工具および比較被覆工具の上部層に分散分布するＢＮ相の層厚方向にわたる面積割合を、オージェ分光分析装置の定性分析のマッピングを用い測定したところ、表４〜７、１０〜１３に示される面積割合（５ヶ所の平均値）を示し、さらに、上記の硬質被覆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４〜８、１０〜１３に示される結果から、本発明被覆工具は、ステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高熱発生を伴う高速条件下での切削加工に用いた場合であっても、硬質被覆層が、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍ）Ｎ層からなる下部層と、下部層界面側から上部層最表面側へ向かうにしたがって、ＢＮ相の分散分布する面積割合が次第に増加するＢＮ分散ＣｒＢＮ層からなり、全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性、耐酸化性および潤滑性を備えていることによって、溶着、チッピング、偏摩耗の発生がなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層が、ＢＮ相の分散分布する面積割合が層厚方向にわたって均一なＢＮ分散ＣｒＢＮ層で構成された比較被覆工具においては、高速切削加工で高熱発生を伴うことにより、溶着、チッピング、剥離、偏摩耗が発生し、これが原因で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の切削加工は勿論のこと、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の、高い発熱を伴い、かつ、切刃部に対して、繰り返し衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、長期に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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（ＡＩＰ装置）とスパッタリング装置（ＳＰ装置）を併設した物理蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項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、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３５≦Ｘ≦０．５５（但し、Ｘは原子比を示す）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）上部層として、ＣｒとＢの複合窒化物相を素地とし、該素地中に、Ｂの窒化物相が分散分布するＢＮ分散ＣｒＢＮ層、
以上（ａ）、（ｂ）で構成され、０．８〜５μｍの合計平均層厚を有する硬質被覆層が蒸着形成されてなる表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記上部層のＣｒとＢの複合窒化物相からなる素地の組成は、
組成式：（Ｃｒ１−ａＢａ）Ｎｂ
で表した場合、０．４≦ａ≦０．７、０．１５≦ｂ≦０．５５（但し、ａ、ｂは原子比）を満足し、
（ｄ）上記上部層中に分散分布するＢの窒化物相の面積割合は、下部層との界面では０〜１面積％、また、上部層最表面では３〜２０面積％であって、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加する分散分布形態を示すことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
請求項１記載の表面被覆切削工具において、
前記（ａ）の下部層が、
組成式：（Ａｌ１−Ｘ−ＺＴｉＸＭＺ）Ｎ
で表した場合、０．３５≦Ｘ≦０．５５、０．００１≦Ｚ≦０．１（但し、Ｘ、Ｚは原子比を示し、Ｍは、Ｚｒ、Ｙ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種以上の元素を示す）を満足するＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層である請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項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、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３５≦Ｘ≦０．５５（但し、Ｘは原子比を示す）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）上部層として、ＣｒとＢの複合窒化物相を素地とし、該素地中に、Ｂの窒化物相が分散分布するＢＮ分散ＣｒＢＮ層、
以上（ａ）、（ｂ）で構成され、０．８〜５μｍの合計平均層厚を有する硬質被覆層が蒸着形成されてなる表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記上部層のＣｒとＢの複合窒化物相からなる素地の組成は、
組成式：（Ｃｒ１−ａＢａ）Ｎｂ
で表した場合、０．４≦ａ≦０．７、０．１５≦ｂ≦０．５５（但し、ａ、ｂは原子比）を満足し、
（ｄ）上記上部層中に分散分布するＢの窒化物相の面積割合は、下部層との界面では０〜１面積％、また、上部層最表面では３〜２０面積％であって、下部層との界面から上部層最表面へ向かうにしたがって、その面積割合が次第に増加する分散分布形態を示すことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
請求項１記載の表面被覆切削工具において、
前記（ａ）の下部層が、
組成式：（Ａｌ１−Ｘ−ＺＴｉＸＭＺ）Ｎ
で表した場合、０．３５≦Ｘ≦０．５５、０．００１≦Ｚ≦０．１（但し、Ｘ、Ｚは原子比を示し、Ｍは、Ｚｒ、Ｙ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｉまたはＢから選ばれる１種または２種以上の元素を示す）を満足するＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層である請求項１記載の表面被覆切削工具。
【図１】
【公開番号】特開２００９−１７８８３３（Ｐ２００９−１７８８３３Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２５３３（Ｐ２００８−２２５３３）
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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