硬質被覆層がすぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具
【課題】重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐欠損性、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】超硬合金、サーメット、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる工具基体表面に硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、下部層として、組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ ）Ｎで表した場合、Ｘは０．４〜０．７（Ｘは原子比）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層、上部層として、組成式：（Ｃｒ１−Ｙ―Ｚ ＳｉＹＭｏＺ） Ｎで表した場合、Ｙは０．０５〜０．３、Ｚは０．２〜０．５（Ｙ、Ｚは原子比）を満足するＣｒとＳｉとＭｏの複合窒化物層を蒸着形成する。
【解決手段】超硬合金、サーメット、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる工具基体表面に硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、下部層として、組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ ）Ｎで表した場合、Ｘは０．４〜０．７（Ｘは原子比）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層、上部層として、組成式：（Ｃｒ１−Ｙ―Ｚ ＳｉＹＭｏＺ） Ｎで表した場合、Ｙは０．０５〜０．３、Ｚは０．２〜０．５（Ｙ、Ｚは原子比）を満足するＣｒとＳｉとＭｏの複合窒化物層を蒸着形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた潤滑効果を有し、したがって、切刃に対して大きな機械的負荷がかかる鋼などの重切削加工という厳しい切削条件下で用いられた場合にも、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を示し、その結果、すぐれた切削性能を長期の使用に亘って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にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサートや、前記インサートを着脱自在に取り付けて、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
【０００３】
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、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットまたは各種の立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結材料で構成された工具本体の表面に、（Ｃｒ１−Ｘ ＡｌＸ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．７０）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物（以下、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎで示す）層からなる硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆工具が提案され、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられている（特許文献１〜３）。
また、工具基体の表面に、Ａｌ成分を必須とし、これにＣｒ、Ｓｉ、Ｍｏを所定量含有する複合窒化物層を硬質被覆層として形成することにより高速切削性能の改善を試みた被覆工具も提案されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５０３８１号公報
【特許文献２】特許第３６６９７００号明細書
【特許文献３】特開２００６−５２４７４８号公報
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００６／００５２１７号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、加えて切削加工に対する省力化、省エネ化、低コスト化さらに効率化の要求も強く、これに伴い、高送り、高切り込みなどの重切削加工が要求される傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じないが、切刃に対して大きな負荷がかかる重切削加工に用いた場合には、切刃部に溶着が生じやすく、これが原因となって欠損を生じ、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】
【０００６】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来被覆工具の耐欠損性を改善すべく、鋭意研究を行った。
そして、本発明者等は、硬質被覆層が、ＣｒとＡｌの複合窒化物（（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ）の単層で構成されていた上記の従来被覆工具において、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を下部層とし、この上に、ＣｒとＳｉとＭｏの複合窒化物（以下、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎで示す）層を上部層として構成すると、切削加工時の高熱発生により、硬質被覆層の構成成分であるＳｉ，Ｍｏは層表面で酸化されて、シリコン酸化物及びモリブデン酸化物の形態で層表面に存在するようになり、そして、上記シリコン酸化物及びモリブデン酸化物がすぐれた潤滑性を有するために切削時の切屑流れが改善され、切粉の溶着、剥離等を原因とした欠損の発生が抑えられ、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能が発揮されるようになること、特に、ドリルの硬質被覆層を、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層と、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層からなる上部層とで形成した場合には、ドリルのフルート溝などで切屑排出性が良好となるため、ウエット切削は勿論のこと、ドライ切削においてもすぐれた切削性能が発揮されるようになること、
を見出したのである。
【０００７】
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、
「 超硬合金、サーメットあるいは立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる切削工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ ）Ｎ
で表した場合、Ｘは０．４〜０．７（ただし、Ｘは原子比を示す）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層、
（ｂ）上部層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ｃｒ１−Ｙ―Ｚ ＳｉＹＭｏＺ） Ｎ
で表した場合、Ｙは０．０５〜０．３、Ｚは０．２〜０．５（ただし、Ｙ、Ｚは原子比を示す）を満足するＣｒとＳｉとＭｏの複合窒化物層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具（被覆工具）。」
に特徴を有するものである。
【０００８】
この発明の被覆工具の硬質被覆層の下部層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層において、Ｃｒ成分は高温強度を向上させ、一方Ａｌ成分は高温硬さおよび耐熱性（高温特性）を向上させる目的で含有するものであり、したがってＡｌ成分の含有割合を示すＸ値がＣｒ成分との合量に占める割合（原子比）で０．７以上になると、相対的にＣｒの割合が少なくなり過ぎて、層自体の高温強度の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方、Ｘ値が同０．４未満になると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、所望のすぐれた高温特性を確保することができず、摩耗促進の原因となることから、Ｘ値を０．４〜０．７と定めたものであり、また、下部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保するのに不十分であり、一方その平均層厚が５μｍを越えると、皮膜の剥離やチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜５μｍと定めた。
【０００９】
この発明の被覆工具の硬質被覆層の上部層を構成する（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層において、Ｃｒ成分は高温強度を向上させ、Ｓｉ成分は硬さを向上させ、Ｍｏ成分は耐熱性を向上させ、また、Ｎ成分には層の強度を向上させる作用があり、これらの各成分を共存含有することにより高い硬さとすぐれた強度とすぐれた耐熱性を具備するようになる。
さらに、Ｓｉ成分は切削加工時の高温により、上部層の表層において緻密かつ潤滑性にすぐれたシリコン酸化物として存在し、この酸化物の存在によって切屑流れが改善され、切粉の溶着、剥離等を原因とする欠損の発生が抑えられる。
上部層の構成成分であるＳｉ成分の含有割合（Ｙ値）が０．０５未満では所望の硬さ向上効果を期待することはできず、一方その含有割合（Ｙ値）が０．３を越えると、Ｓｉ原子による格子ひずみが大きくなりすぎて、所望の高温強度が得られなくなることから、Ｙ値を原子比で０．０５〜０．３と定めた。また、同じく上部層の構成成分であるＭｏ成分の含有割合（Ｚ値）が０．２未満では所望の耐熱性向上効果を期待することはできず、一方その含有割合（Ｚ値）が０．５を越えると、相対的なＣｒ成分の含有割合の減少により、所望の高温強度が得られなくなることから、Ｚ値を原子比で０．２〜０．５と定めた。
さらに、切削加工時の高温により、上部層の表面にはクロム酸化物、モリブデン酸化物、シリコン酸化物が形成され、特に、上部層の表層に緻密かつ潤滑性にすぐれたシリコン酸化物が形成されるが、所望の潤滑性を得るためには、Ｓｉ成分の含有割合（Ｙ値）及びＭｏ成分の含有割合（Ｚ値）を、それぞれ、０．０５〜０．３及び０．２〜０．５とすることが必要であり、この範囲から外れたような場合には、潤滑性、切屑排出性が低下し、高送り、高切込みの重切削加工において、耐折損性、耐摩耗性が低下するようになる。
また、上部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、長期の使用に亘って所望の耐摩耗性を確保するのに不十分であり、一方、その平均層厚が５μｍを越えると、皮膜の剥離やチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜５μｍと定めた。
【００１０】
また、上記（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層および（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層からなる上部層は、硬質被覆層は、図１に示されるような通常のアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置（但し、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層形成用のカソード電極と、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層形成用のカソード電極とを備えたＡＩＰ装置）を用いて、
基体の温度： ４５０〜６００ ℃
バイアス電圧： −３０〜−７０ Ｖ
窒素分圧： ２〜４ Ｐａ
という蒸着条件によって蒸着形成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の被覆工具は、切削加工時に、硬質被覆層の下部層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層がすぐれた耐摩耗性を発揮し、また、上部層を構成する（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層、特にその表層に形成されるシリコン酸化物、がすぐれた潤滑性を備え、切屑排出性を改善するため、ウエット切削、ドライ切削のいずれの重切削加工においても、すぐれた耐欠損性を示すとともに、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明被覆工具および従来被覆工具の硬質被覆層を蒸着形成するのに用いたアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【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、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 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のインサート形状をもった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、Ｍｏ2 Ｃ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のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。
【００１６】
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に装着し、カソード電極として、所定組成のＣｒ−Ａｌ合金、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｍｏ合金及びボンバード洗浄用金属Ｔｉ（図示せず）を装着し、まず、装置内を排気して１×１０−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、工具基体を５００℃に加熱した後、工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、ボンバード洗浄用金属Ｔｉ（図示せず）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Ｔｉ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、工具基体に−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、
まず、前記Ｃｒ−Ａｌ合金からなる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、もって前記工具基体の表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を下部層として蒸着形成し、
ついで、前記Ｃｒ−Ｓｉ−Ｍｏ合金からなる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、もって下部層の表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）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インサート（以下、本発明被覆インサートと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１７】
比較の目的で、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に装着し、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＣｒ−Ａｌ合金およびボンバード洗浄用金属Ｔｉを装着し、まず、装置内を排気して１×１０−２Ｐａ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、かつ前記ボンバード洗浄用金属Ｔｉ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て、前記工具基体表面をＴｉボンバード処理し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、２〜４Ｐａの範囲内の所定の雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加する直流バイアス電圧を−３０〜−７０Ｖの範囲内の所定の電圧とし、前記カソード電極であるＣｒ−Ａｌ合金とアノード電極との間に８０Ａ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４に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として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インサート１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１８】
つぎに、上記本発明被覆インサート１〜１０および比較被覆インサート１〜１０について、これを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、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度： １３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．５ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５０ 分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式連続重切削加工試験、
また、上記本発明被覆インサート１１〜１６および比較被覆インサート１１〜１６について、これを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、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの丸棒、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．５ ｍｍ、
送り： ０．１３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ４０ 分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式連続重切削加工試験
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件Ａ，Ｂによる切削加工試験の測定結果を表５に示した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【００２２】
【表４】
【００２３】
【表５】
【実施例２】
【００２４】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有する立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粉末、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末、Ａｌ粉末、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末を用意し、これら原料粉末を表６に示される配合組成に配合し、ボールミルで８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：５ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＣＩＳ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正方形）をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ｎｉ：２．５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度：２５°のホーニング加工を施し、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもった工具基体Ｃ−１〜Ｃ−１０をそれぞれ製造した。
【００２５】
ついで、上記の工具基体Ｃ−１〜Ｃ−１０をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示される蒸着装置に装着し、カソード電極として、所定組成のＣｒ−Ａｌ合金、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｍｏ合金及びボンバード洗浄用金属Ｔｉ（図示せず）を装着し、まず、装置内を排気して１×１０−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、工具基体を５００℃に加熱した後、工具基体に−２００Ｖのバイアス電圧を印加し、かつ、Ａｒガスを導入して２Ｐａの雰囲気として、もって工具基体表面をＡｒイオンボンバード洗浄し、ついで、一旦装置内を真空排気した後、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、工具基体に−２０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、
まず、前記Ｃｒ−Ａｌ合金からなる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、もって前記工具基体の表面に、表７に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を下部層として蒸着形成し、
ついで、前記Ｃｒ−Ｓｉ−Ｍｏ合金からなる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、もって下部層の表面に、表７に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）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ｃＢＮ基インサート（以下、本発明被覆インサートと云う）２１〜３０をそれぞれ製造した。
【００２６】
また、比較の目的で、上記の工具基体Ｃ−１〜Ｃ−１０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に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極として、表４に対応する組成のＣｒ−Ａｌ合金及びボンバード洗浄用金属Ｔｉ（図示せず）を装着し、まず、装置内を排気して１×１０−２Ｐａ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−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつＡｒガスを装置内に導入して２Ｐａの雰囲気とし、前記工具基体表面をＴｉボンバード処理し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２〜４Ｐａの範囲内の所定の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−３０〜−７０Ｖの範囲内の所定の電圧とし、前記カソード電極であるＣｒ−Ａｌ合金とアノード電極との間に８０Ａ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８に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）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ｃＢＮ基焼結インサート（以下、比較被覆インサートという）２１〜３０をそれぞれ製造した。
【００２７】
つぎに、上記の各種の被覆インサートを、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、本発明被覆インサート２１〜３０および比較被覆インサート２１〜３０について、以下に示す切削条件Ｃで切削加工試験を実施した。
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（高周波焼入れ材）の丸棒、
切削速度： １２５ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．３５ ｍｍ、
送り： ０．１３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件での焼入れ鋼の乾式連続重切削加工試験、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を測定した。この測定結果を表９に示した。
【００２８】
【表６】
【００２９】
【表７】
【００３０】
【表８】
【００３１】
【表９】
【００３２】
表５、９に示される結果から、本発明被覆インサート１〜１６、２１〜３０は、いずれも硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性、潤滑性、耐欠損性を備えているので、切刃に対して溶着が生じやすい被削材および切削条件に用いられた場合であっても硬質被覆層に欠損の発生はなく、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（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層からなる比較被覆インサート１〜１６、２１〜３０は、硬質被覆層に欠損が発生し、短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【実施例３】
【００３３】
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、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枚刃スクエアの形状をもったエンドミル用超硬基体Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。
【００３４】
ついで、これらのエンドミル用超硬基体Ｄ−１〜Ｄ−８および試験片を、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の本発明被覆インサート１〜１６における（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層の形成条件と同じ条件で、表１１に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層、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合金製エンドミル（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。
【００３５】
また、比較の目的で、上記実施例１の比較被覆インサート１〜１６における（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層の形成条件と同じ条件で、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、同じく表１１に示される通りの比較被覆工具としての比較表面被覆超硬合金製エンドミル（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。
【００３６】
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・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ３．５ ｍｍ、
テーブル送り： ４５０ ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件での炭素鋼の乾式溝切削加工試験、
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・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度： ４５ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ４．８ ｍｍ、
テーブル送り： ４２０ ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件でのステンレス鋼の乾式溝切削加工試験、
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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： ４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １０ ｍｍ、
テーブル送り： ３５０ ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件での合金鋼の乾式溝切削加工試験、
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１１にそれぞれ示した。
【００３７】
【表１０】
【００３８】
【表１１】
【実施例４】
【００３９】
上記の実施例３で製造した直径が８ｍｍ（エンドミル用超硬基体Ｄ−１〜Ｄ−３）、１３ｍｍ（エンドミル用超硬基体Ｄ−４〜Ｄ−６）、および２６ｍｍ（エンドミル用超硬基体Ｄ−７、Ｄ−８）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（ドリル用超硬基体Ｅ−１〜Ｅ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（ドリル用超硬基体Ｅ−４〜Ｅ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（ドリル用超硬基体Ｅ−７、Ｅ−８）の寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の２枚刃形状をもったドリル用超硬基体Ｅ−１〜Ｅ−８をそれぞれ製造した。
【００４０】
ついで、これらのドリル用超硬基体Ｅ−１〜Ｅ−８の切刃に、ホーニングを施し、上記の試験片と共に、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の本発明被覆インサート１〜１６における（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層の形成条件と同じ条件で、かつ表１２に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層、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合金製ドリル（以下、本発明被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００４１】
また、比較の目的で、上記実施例１の比較被覆インサート１〜１６における（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層の形成条件と同じ条件で、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、表１２に示される通りの比較被覆工具としての比較表面被覆超硬合金製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００４２】
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・ＳＳ４００の板材、
切削速度： ６８ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： １２ ｍｍ
の条件での軟鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
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・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度： ３５ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．０８ ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： １６ ｍｍ
の条件でのステンレス鋼の乾式穴あけ切削加工試験、
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・ＳＣＭｎＨ２の板材、
切削速度： ３８ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２０ ｍｍ
の条件での高マンガン鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの穴あけ切削加工試験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に示した。
【００４３】
【表１２】
【００４４】
この結果得られた本発明被覆工具としての本発明被覆インサート１〜１６、２１〜３０、本発明被覆エンドミル１〜８、および本発明被覆ドリル１〜８の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層、並びに比較被覆工具としての比較被覆インサート１〜１６、２１〜３０、比較被覆エンドミル１〜８、および比較被覆ドリル１〜８の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層の組成をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、これらの本発明被覆工具の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層および比較被覆工具の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標値と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
【００４５】
表５、９、１１、１２に示される結果から、本発明被覆工具は、いずれも硬質被覆層の下部層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層がすぐれた耐摩耗性を具備し、また、硬質被覆層の上部層を構成する（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層がすぐれた潤滑性、切屑流れ性、切屑排出性を具備するようになることから、上記各種の重切削加工試験で、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を示すのに対して、比較被覆工具においては、高切り込み、高送りなど大きな機械的負荷がかかる重切削加工では、耐欠損性、耐摩耗性の向上がみられず、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
上述のように、この発明の被覆工具は、各種鋼の連続切削や断続切削ですぐれ工具特性を示すのは勿論のことであり、さらに、高切り込み、高送りなど切刃に大きな機械的負荷がかかる重切削加工条件であっても、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層がすぐれた耐摩耗性を備えるとともに、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層からなる上部層がすぐれた潤滑性、切屑流れ性、切屑排出性を備えるため、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、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、さらに低コスト化の要求に十分満足に対応できるものである。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた潤滑効果を有し、したがって、切刃に対して大きな機械的負荷がかかる鋼などの重切削加工という厳しい切削条件下で用いられた場合にも、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を示し、その結果、すぐれた切削性能を長期の使用に亘って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にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサートや、前記インサートを着脱自在に取り付けて、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
【０００３】
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、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットまたは各種の立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結材料で構成された工具本体の表面に、（Ｃｒ１−Ｘ ＡｌＸ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．７０）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物（以下、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎで示す）層からなる硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆工具が提案され、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられている（特許文献１〜３）。
また、工具基体の表面に、Ａｌ成分を必須とし、これにＣｒ、Ｓｉ、Ｍｏを所定量含有する複合窒化物層を硬質被覆層として形成することにより高速切削性能の改善を試みた被覆工具も提案されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５０３８１号公報
【特許文献２】特許第３６６９７００号明細書
【特許文献３】特開２００６−５２４７４８号公報
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００６／００５２１７号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、加えて切削加工に対する省力化、省エネ化、低コスト化さらに効率化の要求も強く、これに伴い、高送り、高切り込みなどの重切削加工が要求される傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じないが、切刃に対して大きな負荷がかかる重切削加工に用いた場合には、切刃部に溶着が生じやすく、これが原因となって欠損を生じ、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】
【０００６】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来被覆工具の耐欠損性を改善すべく、鋭意研究を行った。
そして、本発明者等は、硬質被覆層が、ＣｒとＡｌの複合窒化物（（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ）の単層で構成されていた上記の従来被覆工具において、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を下部層とし、この上に、ＣｒとＳｉとＭｏの複合窒化物（以下、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎで示す）層を上部層として構成すると、切削加工時の高熱発生により、硬質被覆層の構成成分であるＳｉ，Ｍｏは層表面で酸化されて、シリコン酸化物及びモリブデン酸化物の形態で層表面に存在するようになり、そして、上記シリコン酸化物及びモリブデン酸化物がすぐれた潤滑性を有するために切削時の切屑流れが改善され、切粉の溶着、剥離等を原因とした欠損の発生が抑えられ、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能が発揮されるようになること、特に、ドリルの硬質被覆層を、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層と、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層からなる上部層とで形成した場合には、ドリルのフルート溝などで切屑排出性が良好となるため、ウエット切削は勿論のこと、ドライ切削においてもすぐれた切削性能が発揮されるようになること、
を見出したのである。
【０００７】
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、
「 超硬合金、サーメットあるいは立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる切削工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ ）Ｎ
で表した場合、Ｘは０．４〜０．７（ただし、Ｘは原子比を示す）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層、
（ｂ）上部層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ｃｒ１−Ｙ―Ｚ ＳｉＹＭｏＺ） Ｎ
で表した場合、Ｙは０．０５〜０．３、Ｚは０．２〜０．５（ただし、Ｙ、Ｚは原子比を示す）を満足するＣｒとＳｉとＭｏの複合窒化物層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具（被覆工具）。」
に特徴を有するものである。
【０００８】
この発明の被覆工具の硬質被覆層の下部層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層において、Ｃｒ成分は高温強度を向上させ、一方Ａｌ成分は高温硬さおよび耐熱性（高温特性）を向上させる目的で含有するものであり、したがってＡｌ成分の含有割合を示すＸ値がＣｒ成分との合量に占める割合（原子比）で０．７以上になると、相対的にＣｒの割合が少なくなり過ぎて、層自体の高温強度の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方、Ｘ値が同０．４未満になると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、所望のすぐれた高温特性を確保することができず、摩耗促進の原因となることから、Ｘ値を０．４〜０．７と定めたものであり、また、下部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保するのに不十分であり、一方その平均層厚が５μｍを越えると、皮膜の剥離やチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜５μｍと定めた。
【０００９】
この発明の被覆工具の硬質被覆層の上部層を構成する（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層において、Ｃｒ成分は高温強度を向上させ、Ｓｉ成分は硬さを向上させ、Ｍｏ成分は耐熱性を向上させ、また、Ｎ成分には層の強度を向上させる作用があり、これらの各成分を共存含有することにより高い硬さとすぐれた強度とすぐれた耐熱性を具備するようになる。
さらに、Ｓｉ成分は切削加工時の高温により、上部層の表層において緻密かつ潤滑性にすぐれたシリコン酸化物として存在し、この酸化物の存在によって切屑流れが改善され、切粉の溶着、剥離等を原因とする欠損の発生が抑えられる。
上部層の構成成分であるＳｉ成分の含有割合（Ｙ値）が０．０５未満では所望の硬さ向上効果を期待することはできず、一方その含有割合（Ｙ値）が０．３を越えると、Ｓｉ原子による格子ひずみが大きくなりすぎて、所望の高温強度が得られなくなることから、Ｙ値を原子比で０．０５〜０．３と定めた。また、同じく上部層の構成成分であるＭｏ成分の含有割合（Ｚ値）が０．２未満では所望の耐熱性向上効果を期待することはできず、一方その含有割合（Ｚ値）が０．５を越えると、相対的なＣｒ成分の含有割合の減少により、所望の高温強度が得られなくなることから、Ｚ値を原子比で０．２〜０．５と定めた。
さらに、切削加工時の高温により、上部層の表面にはクロム酸化物、モリブデン酸化物、シリコン酸化物が形成され、特に、上部層の表層に緻密かつ潤滑性にすぐれたシリコン酸化物が形成されるが、所望の潤滑性を得るためには、Ｓｉ成分の含有割合（Ｙ値）及びＭｏ成分の含有割合（Ｚ値）を、それぞれ、０．０５〜０．３及び０．２〜０．５とすることが必要であり、この範囲から外れたような場合には、潤滑性、切屑排出性が低下し、高送り、高切込みの重切削加工において、耐折損性、耐摩耗性が低下するようになる。
また、上部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、長期の使用に亘って所望の耐摩耗性を確保するのに不十分であり、一方、その平均層厚が５μｍを越えると、皮膜の剥離やチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜５μｍと定めた。
【００１０】
また、上記（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層および（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層からなる上部層は、硬質被覆層は、図１に示されるような通常のアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置（但し、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層形成用のカソード電極と、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層形成用のカソード電極とを備えたＡＩＰ装置）を用いて、
基体の温度： ４５０〜６００ ℃
バイアス電圧： −３０〜−７０ Ｖ
窒素分圧： ２〜４ Ｐａ
という蒸着条件によって蒸着形成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の被覆工具は、切削加工時に、硬質被覆層の下部層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層がすぐれた耐摩耗性を発揮し、また、上部層を構成する（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層、特にその表層に形成されるシリコン酸化物、がすぐれた潤滑性を備え、切屑排出性を改善するため、ウエット切削、ドライ切削のいずれの重切削加工においても、すぐれた耐欠損性を示すとともに、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明被覆工具および従来被覆工具の硬質被覆層を蒸着形成するのに用いたアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【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、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 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のインサート形状をもった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、Ｍｏ2 Ｃ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のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。
【００１６】
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に装着し、カソード電極として、所定組成のＣｒ−Ａｌ合金、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｍｏ合金及びボンバード洗浄用金属Ｔｉ（図示せず）を装着し、まず、装置内を排気して１×１０−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、工具基体を５００℃に加熱した後、工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、ボンバード洗浄用金属Ｔｉ（図示せず）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Ｔｉ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、工具基体に−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、
まず、前記Ｃｒ−Ａｌ合金からなる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、もって前記工具基体の表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を下部層として蒸着形成し、
ついで、前記Ｃｒ−Ｓｉ−Ｍｏ合金からなる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、もって下部層の表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）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インサート（以下、本発明被覆インサートと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１７】
比較の目的で、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に装着し、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＣｒ−Ａｌ合金およびボンバード洗浄用金属Ｔｉを装着し、まず、装置内を排気して１×１０−２Ｐａ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、かつ前記ボンバード洗浄用金属Ｔｉ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て、前記工具基体表面をＴｉボンバード処理し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、２〜４Ｐａの範囲内の所定の雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加する直流バイアス電圧を−３０〜−７０Ｖの範囲内の所定の電圧とし、前記カソード電極であるＣｒ−Ａｌ合金とアノード電極との間に８０Ａ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４に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として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インサート１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１８】
つぎに、上記本発明被覆インサート１〜１０および比較被覆インサート１〜１０について、これを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、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度： １３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．５ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５０ 分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式連続重切削加工試験、
また、上記本発明被覆インサート１１〜１６および比較被覆インサート１１〜１６について、これを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、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの丸棒、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．５ ｍｍ、
送り： ０．１３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ４０ 分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式連続重切削加工試験
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件Ａ，Ｂによる切削加工試験の測定結果を表５に示した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【００２２】
【表４】
【００２３】
【表５】
【実施例２】
【００２４】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有する立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粉末、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末、Ａｌ粉末、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末を用意し、これら原料粉末を表６に示される配合組成に配合し、ボールミルで８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：５ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＣＩＳ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正方形）をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ｎｉ：２．５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度：２５°のホーニング加工を施し、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもった工具基体Ｃ−１〜Ｃ−１０をそれぞれ製造した。
【００２５】
ついで、上記の工具基体Ｃ−１〜Ｃ−１０をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示される蒸着装置に装着し、カソード電極として、所定組成のＣｒ−Ａｌ合金、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｍｏ合金及びボンバード洗浄用金属Ｔｉ（図示せず）を装着し、まず、装置内を排気して１×１０−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、工具基体を５００℃に加熱した後、工具基体に−２００Ｖのバイアス電圧を印加し、かつ、Ａｒガスを導入して２Ｐａの雰囲気として、もって工具基体表面をＡｒイオンボンバード洗浄し、ついで、一旦装置内を真空排気した後、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、工具基体に−２０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、
まず、前記Ｃｒ−Ａｌ合金からなる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、もって前記工具基体の表面に、表７に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を下部層として蒸着形成し、
ついで、前記Ｃｒ−Ｓｉ−Ｍｏ合金からなる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、もって下部層の表面に、表７に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）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ｃＢＮ基インサート（以下、本発明被覆インサートと云う）２１〜３０をそれぞれ製造した。
【００２６】
また、比較の目的で、上記の工具基体Ｃ−１〜Ｃ−１０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に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極として、表４に対応する組成のＣｒ−Ａｌ合金及びボンバード洗浄用金属Ｔｉ（図示せず）を装着し、まず、装置内を排気して１×１０−２Ｐａ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−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつＡｒガスを装置内に導入して２Ｐａの雰囲気とし、前記工具基体表面をＴｉボンバード処理し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２〜４Ｐａの範囲内の所定の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−３０〜−７０Ｖの範囲内の所定の電圧とし、前記カソード電極であるＣｒ−Ａｌ合金とアノード電極との間に８０Ａ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８に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）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ｃＢＮ基焼結インサート（以下、比較被覆インサートという）２１〜３０をそれぞれ製造した。
【００２７】
つぎに、上記の各種の被覆インサートを、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、本発明被覆インサート２１〜３０および比較被覆インサート２１〜３０について、以下に示す切削条件Ｃで切削加工試験を実施した。
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（高周波焼入れ材）の丸棒、
切削速度： １２５ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．３５ ｍｍ、
送り： ０．１３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件での焼入れ鋼の乾式連続重切削加工試験、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を測定した。この測定結果を表９に示した。
【００２８】
【表６】
【００２９】
【表７】
【００３０】
【表８】
【００３１】
【表９】
【００３２】
表５、９に示される結果から、本発明被覆インサート１〜１６、２１〜３０は、いずれも硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性、潤滑性、耐欠損性を備えているので、切刃に対して溶着が生じやすい被削材および切削条件に用いられた場合であっても硬質被覆層に欠損の発生はなく、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（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層からなる比較被覆インサート１〜１６、２１〜３０は、硬質被覆層に欠損が発生し、短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【実施例３】
【００３３】
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、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枚刃スクエアの形状をもったエンドミル用超硬基体Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。
【００３４】
ついで、これらのエンドミル用超硬基体Ｄ−１〜Ｄ−８および試験片を、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の本発明被覆インサート１〜１６における（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層の形成条件と同じ条件で、表１１に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層、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合金製エンドミル（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。
【００３５】
また、比較の目的で、上記実施例１の比較被覆インサート１〜１６における（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層の形成条件と同じ条件で、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、同じく表１１に示される通りの比較被覆工具としての比較表面被覆超硬合金製エンドミル（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。
【００３６】
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・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ３．５ ｍｍ、
テーブル送り： ４５０ ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件での炭素鋼の乾式溝切削加工試験、
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・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度： ４５ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ４．８ ｍｍ、
テーブル送り： ４２０ ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件でのステンレス鋼の乾式溝切削加工試験、
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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： ４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １０ ｍｍ、
テーブル送り： ３５０ ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件での合金鋼の乾式溝切削加工試験、
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１１にそれぞれ示した。
【００３７】
【表１０】
【００３８】
【表１１】
【実施例４】
【００３９】
上記の実施例３で製造した直径が８ｍｍ（エンドミル用超硬基体Ｄ−１〜Ｄ−３）、１３ｍｍ（エンドミル用超硬基体Ｄ−４〜Ｄ−６）、および２６ｍｍ（エンドミル用超硬基体Ｄ−７、Ｄ−８）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（ドリル用超硬基体Ｅ−１〜Ｅ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（ドリル用超硬基体Ｅ−４〜Ｅ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（ドリル用超硬基体Ｅ−７、Ｅ−８）の寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の２枚刃形状をもったドリル用超硬基体Ｅ−１〜Ｅ−８をそれぞれ製造した。
【００４０】
ついで、これらのドリル用超硬基体Ｅ−１〜Ｅ−８の切刃に、ホーニングを施し、上記の試験片と共に、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の本発明被覆インサート１〜１６における（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層の形成条件と同じ条件で、かつ表１２に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層、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合金製ドリル（以下、本発明被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００４１】
また、比較の目的で、上記実施例１の比較被覆インサート１〜１６における（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層の形成条件と同じ条件で、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、表１２に示される通りの比較被覆工具としての比較表面被覆超硬合金製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００４２】
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・ＳＳ４００の板材、
切削速度： ６８ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： １２ ｍｍ
の条件での軟鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
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・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度： ３５ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．０８ ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： １６ ｍｍ
の条件でのステンレス鋼の乾式穴あけ切削加工試験、
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・ＳＣＭｎＨ２の板材、
切削速度： ３８ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２０ ｍｍ
の条件での高マンガン鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの穴あけ切削加工試験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に示した。
【００４３】
【表１２】
【００４４】
この結果得られた本発明被覆工具としての本発明被覆インサート１〜１６、２１〜３０、本発明被覆エンドミル１〜８、および本発明被覆ドリル１〜８の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層、並びに比較被覆工具としての比較被覆インサート１〜１６、２１〜３０、比較被覆エンドミル１〜８、および比較被覆ドリル１〜８の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層の組成をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、これらの本発明被覆工具の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層および比較被覆工具の（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標値と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
【００４５】
表５、９、１１、１２に示される結果から、本発明被覆工具は、いずれも硬質被覆層の下部層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層がすぐれた耐摩耗性を具備し、また、硬質被覆層の上部層を構成する（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層がすぐれた潤滑性、切屑流れ性、切屑排出性を具備するようになることから、上記各種の重切削加工試験で、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を示すのに対して、比較被覆工具においては、高切り込み、高送りなど大きな機械的負荷がかかる重切削加工では、耐欠損性、耐摩耗性の向上がみられず、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
上述のように、この発明の被覆工具は、各種鋼の連続切削や断続切削ですぐれ工具特性を示すのは勿論のことであり、さらに、高切り込み、高送りなど切刃に大きな機械的負荷がかかる重切削加工条件であっても、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層がすぐれた耐摩耗性を備えるとともに、（Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）Ｎ層からなる上部層がすぐれた潤滑性、切屑流れ性、切屑排出性を備えるため、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、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、さらに低コスト化の要求に十分満足に対応できるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金、サーメットあるいは立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる切削工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ ）Ｎ
で表した場合、Ｘは０．４〜０．７（ただし、Ｘは原子比を示す）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層、
（ｂ）上部層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ｃｒ１−Ｙ―Ｚ ＳｉＹＭｏＺ） Ｎ
で表した場合、Ｙは０．０５〜０．３、Ｚは０．２〜０．５（ただし、Ｙ、Ｚは原子比を示す）を満足するＣｒとＳｉとＭｏの複合窒化物層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具。
【請求項１】
超硬合金、サーメットあるいは立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる切削工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ ）Ｎ
で表した場合、Ｘは０．４〜０．７（ただし、Ｘは原子比を示す）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層、
（ｂ）上部層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ｃｒ１−Ｙ―Ｚ ＳｉＹＭｏＺ） Ｎ
で表した場合、Ｙは０．０５〜０．３、Ｚは０．２〜０．５（ただし、Ｙ、Ｚは原子比を示す）を満足するＣｒとＳｉとＭｏの複合窒化物層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−２０１５７８（Ｐ２０１０−２０１５７８Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５１３７０（Ｐ２００９−５１３７０）
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【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２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【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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