耐熱性および耐溶着性に優れた表面被覆切削工具
【課題】Ｔｉ合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐熱性および耐溶着性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体の表面に硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、硬質被覆層が、（ａ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（ＡｌａTｉ１−ａ）N（ａはＡｌの含有割合を示し、原子比で０．４≦ａ≦０．７５）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物からなるＡ層、（ｂ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（ＡｌｂCｒ１−ｂ）N（ｂはＡｌの含有割合を示し、原子比で０．４≦ｂ≦０．７５）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物からなるＢ層、（ｃ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有する窒化クロムからなるＣ層、前記Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層した全体膜厚０．５〜６μｍを有することを特徴とする。
【解決手段】工具基体の表面に硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、硬質被覆層が、（ａ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（ＡｌａTｉ１−ａ）N（ａはＡｌの含有割合を示し、原子比で０．４≦ａ≦０．７５）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物からなるＡ層、（ｂ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（ＡｌｂCｒ１−ｂ）N（ｂはＡｌの含有割合を示し、原子比で０．４≦ｂ≦０．７５）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物からなるＢ層、（ｃ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有する窒化クロムからなるＣ層、前記Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層した全体膜厚０．５〜６μｍを有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関し、さらに詳しくは、例えば、Ｔｉ合金、ステンレス鋼、耐熱合金などの難削材を、高熱発生を伴うとともに切刃部に対して大きな機械的負荷がかかり、溶着性が著しい高速条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐熱性と耐溶着性を発揮する被覆工具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、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、またスローアウエイチップを着脱自在に取り付けて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。
【０００３】
また、被覆工具としては、例えば、工具基体表面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ）層、あるいは、これにさらに、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｚｒ、Ｖ等を微量添加含有させたＴｉとＡｌを主成分とする複合窒化物（以下、これらを総称して、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎという）層を設けた被覆工具も知られており、特に、構成成分であるＡｌによって高温硬さと耐熱性、同Ｔｉによって高温強度を具備することから、前記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層がすぐれた高温強度、耐欠損性、耐摩耗性を示すことも知られている。
【０００４】
さらに、ＴｉとＡｌの複合窒化物層とＣｒを主成分とする窒化物層を交互積層することによって耐摩耗性を向上させた被覆工具を知られている。
【０００５】
また、前記従来被覆工具が、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、硬質被覆層の組成に対応した合金がセットされたカソード電極、例えば、Ｔｉ−Ａｌ−Ｍ合金と、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、前記工具基体には、例えば、−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、工具基体表面に、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２６４４７１０号明細書
【特許文献２】特許第２７９３７７３号明細書
【特許文献３】特許第２７９３６９６号明細書
【特許文献４】特開平８−１９９３３８号公報
【特許文献５】特開２００１−１９８７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、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、これに伴い、切削工具には被削材の材種にできるだけ影響を受けない汎用性、すなわち、できるだけ多くの材種の切削加工が可能な切削工具が求められる傾向にあるが、前記従来被覆工具においては、これを、Ｔｉ合金、ステンレス鋼、耐熱合金などの被削材の通常切削速度での切削加工に用いた場合には問題ないが、これらの被削材を、高い発熱をともなうとともに、切刃部に局部的に高負荷がかかる高速条件で切削した場合には、切削時の発熱によって被削材および切粉は高温に加熱されて粘性が増大し、これに伴って硬質被覆層表面に対する溶着性が一段と増すようになり、この結果切刃部におけるチッピング（微少欠け）の発生が急激に増加し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００８】
また、前述した従来の二組成の積層では、難削材切削において寿命の原因となりやすいクレータ摩耗、溶着チッピング、正常摩耗の全ての摩耗に対し十分な耐性を備えた硬質被覆層が形成できなかったため、早期に寿命に達するという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、高熱発生を伴う高速条件で切削した場合においてもすぐれた耐熱性および耐溶着性を発揮する被覆工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、特にＴｉ合金、ステンレス鋼、耐熱合金などの難削材の切削加工を、高速切削条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐熱性とすぐれた耐溶着性を併せ持つ被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った結果、工具基体の表面に、ＡｌとＴｉの複合窒化物からなるＡ層、ＡｌとＣｒの複合窒化物からなるＢ層、Ｃｒの窒化物からなるＣ層、これらＡ、Ｂ、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層させた場合には、Ａ層が正常摩耗に対して効果的なすぐれた耐摩耗性を示し、Ｂ層がクレータ摩耗に対して効果的なすぐれた耐酸化性、耐熱性を示し、Ｃ層が溶着チッピングに対して効果的なすぐれた潤滑性を示すことから、これらが相まって、正常摩耗、クレータ摩耗、溶着チッピングの全てに対して、すぐれた耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性を同時に発揮し、難削材の高速切削加工において、この被覆工具はすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
【００１１】
本発明は、前記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硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎ（但し、ａはＡｌとＴｉの合量に対するＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．４≦ａ≦０．７５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物からなるＡ層、
（ｂ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌｂＣｒ１−ｂ）Ｎ（但し、ｂはＡｌとＣｒの合量に対するＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．４≦ｂ≦０．７５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物からなるＢ層、
（ｃ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有する窒化クロムからなるＣ層、
前記Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層した全体膜厚０．５〜６μｍを有する層であることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１２】
つぎに、本発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、前記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）Ａ層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成：
単位被覆ユニットの1層を構成するＡ層、すなわち（Ａｌ，Ｔｉ）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Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用があるが、Ａｌの割合を示すａ値がＴｉとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．４未満になると、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、Ａｌの割合を示すａ値が同０．７５を越えると、相対的にＴｉの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる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ることから、ａ値を０．４０〜０．７５と定めた。
（ｂ）Ｂ層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の組成：
単位被覆ユニットの１層を構成するＢ層、すなわち（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、高温靭性を向上させる作用があるが、Ａｌの割合を示すｂ値がＣｒとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．４未満になると、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、Ａｌの割合を示すｂ値が同０．７５を越えると、相対的にＣｒの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温強度、高温靭性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ることから、ｂ値を０．４０〜０．７５と定めた。
【００１３】
Ａ層、Ｂ層、Ｃ層および全体の層厚：
Ａ層、Ｂ層、Ｃ層を積層した硬質被覆層では、それぞれの層が隣接して組成の異なる層を形成することにより、それぞれの層の粒子の成長の粗大化が防止され、粒子の微細化が図られ、膜強度が向上するとともに、この積層構造によってクラックの伝播・進展が防止されることで耐欠損性、耐チッピング性が向上するが、前記Ａ層、Ｂ層、Ｃ層のそれぞれの層厚が０．０１μｍ未満では、各層の所定組成のものとして明確に形成することが困難であるばかりか、各層の有する前記のすぐれた特性を発揮することができず、一方、１μｍを超えると、粒子の粗大化による膜強度の低下により、耐欠損性、耐チッピング性が低下することからＡ層、Ｂ層、Ｃ層の層厚はそれぞれ０．０１〜１μｍと定めた。
【００１４】
また、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層してなる硬質被覆層全体の層厚は、０．５μｍ未満では、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層の備える高硬度を十分に発揮して耐摩耗性の向上を図ることができず、一方、６μｍを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、硬質皮膜層全体の層厚は、０．５〜６μｍであることが望ましい。
そして、前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、ＣｒＮ層は、例えば、図１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基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃の温度に加熱した状態で、装置内に所定組成の金属Ｃｒからなるカソード電極（蒸発源）、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金からなるカソード電極（蒸発源）および所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金からなるカソード電極（蒸発源）を配置し、アノード電極と前記カソード電極（蒸発源）のいずれか１つとの間に、例えば、電流：１１０Ａ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、３Ｐａの反応雰囲気とし、一方、前記基体には、例えば、−１５０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で蒸着することにより、ＣｒＮ層からなるＣ層、前記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなるＢ層と（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなるＡ層の３層を単位被覆ユニットとし、これを２回以上積層することにより本発明の硬質被覆層を蒸着形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の被覆工具によれば、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなるＡ層は、すぐれた耐摩耗性を有し、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなるＢ層は、すぐれた耐熱性、耐酸化性を有し、窒化クロム（ＣｒＮ）層からなるＣ層は、すぐれた潤滑性を備え、Ａ、Ｂ、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層させた硬質被覆層は、これに加えてさらにすぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性、高温耐酸化性を有することから、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度等に加え、すぐれた耐溶着性を備えたものとなり、その結果、特にＴｉ合金、ステンレス鋼等の難削材の、大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速切削加工であっても、すぐれた耐溶着性を示し、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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明被覆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。
【図２】比較被覆工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた従来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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
つぎに、本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】
【００１８】
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、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。
【００１９】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２ μｍ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、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、前記工具基体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三方向にカソード電極（蒸発源）を配置し、その1つ目には、カソード電極（蒸発源）として所定組成のＡ層形成用のＡｌ−Ｔｉ合金を配置し、2つ目には、カソード電極（蒸発源）として所定組成のＢ層形成用のＡｌ−Ｃｒ合金を配置し、3つ目には、カソード電極（蒸発源）としてＣ層形成用の金属Ｃｒ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、
（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合金、Ａｌ−Ｃｒ合金または金属Ｃｒのいずれかとアノード電極との間に１２０ Ａ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３、表４に示される目標組成、目標層厚のＡ層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、または、Ｂ層としての（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣ層としてのＣｒＮ層を０．０１〜１μｍの平均層厚で順次蒸着形成して、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを表３、表４に示される回数積層させる。
【００２０】
前記（ａ）〜（ｃ）により硬質被覆層を蒸着形成し、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）１〜２０をそれぞれ製造した。
【００２１】
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）として所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいは金属Ｃｒを装着し、まず、装置内を排気して０．１ Ｐａ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Ａｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいは金属Ｃｒとアノード電極との間に１５０Ａ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合金、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいは金属Ｃｒ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２Ｐａ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−９０Ｖに下げて、前記所定組成の各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５、表６に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層で構成された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）１〜１２をそれぞれ製造した。
【００２２】
つぎに、前記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１〜２０および比較被覆チップ１〜１２について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１８０）の丸棒、
切削速度： １７０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ａ）でのステンレス鋼の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１２０ ｍ／ｍｉｎ．、０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＨＢ２５０）の丸棒、
切削速度： ９０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ｂ）でのＴｉ合金の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、４０ ｍ／ｍｉｎ．、０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：Ｎｉ−１８Ｃｒ−３Ｍｏ−１８．５Ｆｅ−０．９Ｔｉ−１．０（Ｎｂ＋Ｔａ）−０．５Ａｌ（ＨＢ４３０）の丸棒、
切削速度： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ｃ）でのＮｉ基耐熱合金の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、いずれの高速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、表８に示した。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】
【表４】
【００２７】
【表５】
【００２８】
【表６】
【００２９】
【表７】
【００３０】
【表８】
【実施例２】
【００３１】
実施例１と同様、いずれも１〜３ μｍ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粉末からなる原料粉末を、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、１００ ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６ Ｐａの真空中、温度：１４００ ℃に１時間保持の条件で焼結し、直径が１３ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角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）Ａ−１〜Ａ−１０をそれぞれ製造した。
【００３２】
ついで、これらの工具基体（エンドミル）Ａ−１〜Ａ−１０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、実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、ＣｒＮ層からなる硬質被覆層を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）１〜１２をそれぞれ製造した。
【００３３】
また、比較の目的で、前記工具基体（エンドミル）Ａ−１〜Ａ−１０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、実施例１と同一の条件で、表１０に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆工具としての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）１〜６をそれぞれ製造した。
【００３４】
つぎに、本発明被覆エンドミル１〜１２および比較被覆エンドミル１〜６について、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１８０）の板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ ｍｍ、
テーブル送り： ３００ ｍｍ／分、
の条件（切削条件Ｄ）でのステンレス鋼の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、１００ ｍ／ｍｉｎ．、２８０ ｍｍ／分）、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＨＢ２５０）の板材、
切削速度： ９０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ ｍｍ、
テーブル送り： １００ mm／分、
の条件（切削条件Ｅ）でのＴｉ合金の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、４０ ｍ／ｍｉｎ．、９０ ｍｍ／分）、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＮｉ−１８Ｃｒ−３Ｍｏ−１８．５Ｆｅ−０．９Ｔｉ−１．０（Ｎｂ＋Ｔａ）−０．５Ａｌ（ＨＢ４３０）の板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ ｍｍ、
テーブル送り： ９０ ｍｍ／分、
の条件（切削条件Ｆ）でのＮｉ基耐熱合金の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、８０ｍｍ／分）、
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、表１０にそれぞれ示した。
【００３５】
【表９】
【００３６】
【表１０】
【実施例３】
【００３７】
実施例２で製造した直径が１３ ｍｍの丸棒焼結体を用い、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ８ ｍｍ×２２ ｍｍの寸法、並びにねじれ角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）Ａ−１〜Ａ−１０をそれぞれ製造した。
【００３８】
ついで、これらの工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−１０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、実施例１と同一の条件で、表１１に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層からなる硬質被覆層を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）１〜１２をそれぞれ製造した。
【００３９】
また、比較の目的で、前記工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−１０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、表１２に示される目標組成および目標層厚を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ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表面被覆超硬製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜６をそれぞれ製造した。
【００４０】
つぎに、本発明被覆ドリル１〜１２および比較被覆ドリル１〜６について、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１８０）の板材、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ５ ｍｍ、
の条件（切削条件Ｇ）でのステンレス鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、８０ ｍ／ｍｉｎ．、０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＨＢ２５０）の板材、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ５ ｍｍ、
の条件（切削条件Ｈ）でのＴｉ合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（（通常の切削速度および送りは、それぞれ、４０ ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＮｉ−１８Ｃｒ−３Ｍｏ−１８．５Ｆｅ−０．９Ｔｉ−１．０（Ｎｂ＋Ｔａ）−０．５Ａｌ（ＨＢ４３０）の板材、
切削速度： ７０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ５ ｍｍ、
の条件（切削条件Ｉ）でのＮｉ基耐熱合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）、
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０．３ ｍｍ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、表１２にそれぞれ示した。
【００４１】
【表１１】
【００４２】
【表１２】
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１〜２０、本発明被覆エンドミル１〜１２、および本発明被覆ドリル１〜１２の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層およびＣｒＮ層の組成、並びに、比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１２、比較被覆エンドミル１〜６、および比較被覆ドリル１〜６の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層からなる硬質被覆層の組成を、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、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
【００４３】
また、前記硬質被覆層を構成する各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。
【００４４】
表７〜１２に示される結果から、本発明被覆工具は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなるＡ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなるＢ層、ＣｒＮ層からなるＣ層、これらＡ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層してなる硬質被覆層を形成する場合、Ａ層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が、すぐれた耐摩耗性を備え、Ｂ層である（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、すぐれた耐熱性、耐酸化性を備え、Ｃ層であるＣｒＮ層が、すぐれた潤滑性を備えていることによって、Ｔｉ合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工でも、切粉との間のすぐれた耐溶着性が確保されていることによって、チッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層として、本発明のような積層構造を備えず、硬質被覆層が（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層単独で構成されている比較被覆工具においては、いずれも前記難削材の高速切削加工では、被削材（難削材）および切粉と前記硬質被覆層との粘着性および反応性が一段と高くなるために、切刃部にチッピングが発生するようになり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
前述のように、本発明の被覆工具は、一般的な被削材の切削加工は勿論のこと、特にＴｉ合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性と耐溶着性を発揮し、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。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関し、さらに詳しくは、例えば、Ｔｉ合金、ステンレス鋼、耐熱合金などの難削材を、高熱発生を伴うとともに切刃部に対して大きな機械的負荷がかかり、溶着性が著しい高速条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐熱性と耐溶着性を発揮する被覆工具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、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、またスローアウエイチップを着脱自在に取り付けて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。
【０００３】
また、被覆工具としては、例えば、工具基体表面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ）層、あるいは、これにさらに、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｚｒ、Ｖ等を微量添加含有させたＴｉとＡｌを主成分とする複合窒化物（以下、これらを総称して、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎという）層を設けた被覆工具も知られており、特に、構成成分であるＡｌによって高温硬さと耐熱性、同Ｔｉによって高温強度を具備することから、前記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層がすぐれた高温強度、耐欠損性、耐摩耗性を示すことも知られている。
【０００４】
さらに、ＴｉとＡｌの複合窒化物層とＣｒを主成分とする窒化物層を交互積層することによって耐摩耗性を向上させた被覆工具を知られている。
【０００５】
また、前記従来被覆工具が、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、硬質被覆層の組成に対応した合金がセットされたカソード電極、例えば、Ｔｉ−Ａｌ−Ｍ合金と、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、前記工具基体には、例えば、−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、工具基体表面に、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２６４４７１０号明細書
【特許文献２】特許第２７９３７７３号明細書
【特許文献３】特許第２７９３６９６号明細書
【特許文献４】特開平８−１９９３３８号公報
【特許文献５】特開２００１−１９８７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、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、これに伴い、切削工具には被削材の材種にできるだけ影響を受けない汎用性、すなわち、できるだけ多くの材種の切削加工が可能な切削工具が求められる傾向にあるが、前記従来被覆工具においては、これを、Ｔｉ合金、ステンレス鋼、耐熱合金などの被削材の通常切削速度での切削加工に用いた場合には問題ないが、これらの被削材を、高い発熱をともなうとともに、切刃部に局部的に高負荷がかかる高速条件で切削した場合には、切削時の発熱によって被削材および切粉は高温に加熱されて粘性が増大し、これに伴って硬質被覆層表面に対する溶着性が一段と増すようになり、この結果切刃部におけるチッピング（微少欠け）の発生が急激に増加し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００８】
また、前述した従来の二組成の積層では、難削材切削において寿命の原因となりやすいクレータ摩耗、溶着チッピング、正常摩耗の全ての摩耗に対し十分な耐性を備えた硬質被覆層が形成できなかったため、早期に寿命に達するという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、高熱発生を伴う高速条件で切削した場合においてもすぐれた耐熱性および耐溶着性を発揮する被覆工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、特にＴｉ合金、ステンレス鋼、耐熱合金などの難削材の切削加工を、高速切削条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐熱性とすぐれた耐溶着性を併せ持つ被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った結果、工具基体の表面に、ＡｌとＴｉの複合窒化物からなるＡ層、ＡｌとＣｒの複合窒化物からなるＢ層、Ｃｒの窒化物からなるＣ層、これらＡ、Ｂ、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層させた場合には、Ａ層が正常摩耗に対して効果的なすぐれた耐摩耗性を示し、Ｂ層がクレータ摩耗に対して効果的なすぐれた耐酸化性、耐熱性を示し、Ｃ層が溶着チッピングに対して効果的なすぐれた潤滑性を示すことから、これらが相まって、正常摩耗、クレータ摩耗、溶着チッピングの全てに対して、すぐれた耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性を同時に発揮し、難削材の高速切削加工において、この被覆工具はすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
【００１１】
本発明は、前記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硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎ（但し、ａはＡｌとＴｉの合量に対するＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．４≦ａ≦０．７５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物からなるＡ層、
（ｂ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌｂＣｒ１−ｂ）Ｎ（但し、ｂはＡｌとＣｒの合量に対するＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．４≦ｂ≦０．７５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物からなるＢ層、
（ｃ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有する窒化クロムからなるＣ層、
前記Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層した全体膜厚０．５〜６μｍを有する層であることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１２】
つぎに、本発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、前記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）Ａ層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成：
単位被覆ユニットの1層を構成するＡ層、すなわち（Ａｌ，Ｔｉ）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Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用があるが、Ａｌの割合を示すａ値がＴｉとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．４未満になると、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、Ａｌの割合を示すａ値が同０．７５を越えると、相対的にＴｉの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる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ることから、ａ値を０．４０〜０．７５と定めた。
（ｂ）Ｂ層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の組成：
単位被覆ユニットの１層を構成するＢ層、すなわち（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、高温靭性を向上させる作用があるが、Ａｌの割合を示すｂ値がＣｒとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．４未満になると、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、Ａｌの割合を示すｂ値が同０．７５を越えると、相対的にＣｒの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温強度、高温靭性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ることから、ｂ値を０．４０〜０．７５と定めた。
【００１３】
Ａ層、Ｂ層、Ｃ層および全体の層厚：
Ａ層、Ｂ層、Ｃ層を積層した硬質被覆層では、それぞれの層が隣接して組成の異なる層を形成することにより、それぞれの層の粒子の成長の粗大化が防止され、粒子の微細化が図られ、膜強度が向上するとともに、この積層構造によってクラックの伝播・進展が防止されることで耐欠損性、耐チッピング性が向上するが、前記Ａ層、Ｂ層、Ｃ層のそれぞれの層厚が０．０１μｍ未満では、各層の所定組成のものとして明確に形成することが困難であるばかりか、各層の有する前記のすぐれた特性を発揮することができず、一方、１μｍを超えると、粒子の粗大化による膜強度の低下により、耐欠損性、耐チッピング性が低下することからＡ層、Ｂ層、Ｃ層の層厚はそれぞれ０．０１〜１μｍと定めた。
【００１４】
また、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層してなる硬質被覆層全体の層厚は、０．５μｍ未満では、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層の備える高硬度を十分に発揮して耐摩耗性の向上を図ることができず、一方、６μｍを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、硬質皮膜層全体の層厚は、０．５〜６μｍであることが望ましい。
そして、前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、ＣｒＮ層は、例えば、図１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基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃の温度に加熱した状態で、装置内に所定組成の金属Ｃｒからなるカソード電極（蒸発源）、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金からなるカソード電極（蒸発源）および所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金からなるカソード電極（蒸発源）を配置し、アノード電極と前記カソード電極（蒸発源）のいずれか１つとの間に、例えば、電流：１１０Ａ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、３Ｐａの反応雰囲気とし、一方、前記基体には、例えば、−１５０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で蒸着することにより、ＣｒＮ層からなるＣ層、前記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなるＢ層と（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなるＡ層の３層を単位被覆ユニットとし、これを２回以上積層することにより本発明の硬質被覆層を蒸着形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の被覆工具によれば、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなるＡ層は、すぐれた耐摩耗性を有し、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなるＢ層は、すぐれた耐熱性、耐酸化性を有し、窒化クロム（ＣｒＮ）層からなるＣ層は、すぐれた潤滑性を備え、Ａ、Ｂ、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層させた硬質被覆層は、これに加えてさらにすぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性、高温耐酸化性を有することから、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度等に加え、すぐれた耐溶着性を備えたものとなり、その結果、特にＴｉ合金、ステンレス鋼等の難削材の、大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速切削加工であっても、すぐれた耐溶着性を示し、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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明被覆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。
【図２】比較被覆工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた従来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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
つぎに、本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】
【００１８】
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、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。
【００１９】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２ μｍ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、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、前記工具基体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三方向にカソード電極（蒸発源）を配置し、その1つ目には、カソード電極（蒸発源）として所定組成のＡ層形成用のＡｌ−Ｔｉ合金を配置し、2つ目には、カソード電極（蒸発源）として所定組成のＢ層形成用のＡｌ−Ｃｒ合金を配置し、3つ目には、カソード電極（蒸発源）としてＣ層形成用の金属Ｃｒ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、
（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合金、Ａｌ−Ｃｒ合金または金属Ｃｒのいずれかとアノード電極との間に１２０ Ａ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３、表４に示される目標組成、目標層厚のＡ層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、または、Ｂ層としての（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣ層としてのＣｒＮ層を０．０１〜１μｍの平均層厚で順次蒸着形成して、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを表３、表４に示される回数積層させる。
【００２０】
前記（ａ）〜（ｃ）により硬質被覆層を蒸着形成し、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）１〜２０をそれぞれ製造した。
【００２１】
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）として所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいは金属Ｃｒを装着し、まず、装置内を排気して０．１ Ｐａ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Ａｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいは金属Ｃｒとアノード電極との間に１５０Ａ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合金、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいは金属Ｃｒ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２Ｐａ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−９０Ｖに下げて、前記所定組成の各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５、表６に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層で構成された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）１〜１２をそれぞれ製造した。
【００２２】
つぎに、前記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１〜２０および比較被覆チップ１〜１２について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１８０）の丸棒、
切削速度： １７０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ａ）でのステンレス鋼の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１２０ ｍ／ｍｉｎ．、０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＨＢ２５０）の丸棒、
切削速度： ９０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ｂ）でのＴｉ合金の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、４０ ｍ／ｍｉｎ．、０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：Ｎｉ−１８Ｃｒ−３Ｍｏ−１８．５Ｆｅ−０．９Ｔｉ−１．０（Ｎｂ＋Ｔａ）−０．５Ａｌ（ＨＢ４３０）の丸棒、
切削速度： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ｃ）でのＮｉ基耐熱合金の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、いずれの高速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、表８に示した。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】
【表４】
【００２７】
【表５】
【００２８】
【表６】
【００２９】
【表７】
【００３０】
【表８】
【実施例２】
【００３１】
実施例１と同様、いずれも１〜３ μｍ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粉末からなる原料粉末を、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、１００ ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６ Ｐａの真空中、温度：１４００ ℃に１時間保持の条件で焼結し、直径が１３ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角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）Ａ−１〜Ａ−１０をそれぞれ製造した。
【００３２】
ついで、これらの工具基体（エンドミル）Ａ−１〜Ａ−１０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、実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、ＣｒＮ層からなる硬質被覆層を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）１〜１２をそれぞれ製造した。
【００３３】
また、比較の目的で、前記工具基体（エンドミル）Ａ−１〜Ａ−１０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、実施例１と同一の条件で、表１０に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆工具としての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）１〜６をそれぞれ製造した。
【００３４】
つぎに、本発明被覆エンドミル１〜１２および比較被覆エンドミル１〜６について、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１８０）の板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ ｍｍ、
テーブル送り： ３００ ｍｍ／分、
の条件（切削条件Ｄ）でのステンレス鋼の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、１００ ｍ／ｍｉｎ．、２８０ ｍｍ／分）、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＨＢ２５０）の板材、
切削速度： ９０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ ｍｍ、
テーブル送り： １００ mm／分、
の条件（切削条件Ｅ）でのＴｉ合金の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、４０ ｍ／ｍｉｎ．、９０ ｍｍ／分）、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＮｉ−１８Ｃｒ−３Ｍｏ−１８．５Ｆｅ−０．９Ｔｉ−１．０（Ｎｂ＋Ｔａ）−０．５Ａｌ（ＨＢ４３０）の板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ ｍｍ、
テーブル送り： ９０ ｍｍ／分、
の条件（切削条件Ｆ）でのＮｉ基耐熱合金の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、８０ｍｍ／分）、
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、表１０にそれぞれ示した。
【００３５】
【表９】
【００３６】
【表１０】
【実施例３】
【００３７】
実施例２で製造した直径が１３ ｍｍの丸棒焼結体を用い、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ８ ｍｍ×２２ ｍｍの寸法、並びにねじれ角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）Ａ−１〜Ａ−１０をそれぞれ製造した。
【００３８】
ついで、これらの工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−１０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、実施例１と同一の条件で、表１１に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層からなる硬質被覆層を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）１〜１２をそれぞれ製造した。
【００３９】
また、比較の目的で、前記工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−１０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、表１２に示される目標組成および目標層厚を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ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表面被覆超硬製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜６をそれぞれ製造した。
【００４０】
つぎに、本発明被覆ドリル１〜１２および比較被覆ドリル１〜６について、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１８０）の板材、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ５ ｍｍ、
の条件（切削条件Ｇ）でのステンレス鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、８０ ｍ／ｍｉｎ．、０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＨＢ２５０）の板材、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ５ ｍｍ、
の条件（切削条件Ｈ）でのＴｉ合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（（通常の切削速度および送りは、それぞれ、４０ ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材−平面寸法：１００ ｍｍ×２５０ ｍｍ、厚さ：５０ ｍｍのＮｉ−１８Ｃｒ−３Ｍｏ−１８．５Ｆｅ−０．９Ｔｉ−１．０（Ｎｂ＋Ｔａ）−０．５Ａｌ（ＨＢ４３０）の板材、
切削速度： ７０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ５ ｍｍ、
の条件（切削条件Ｉ）でのＮｉ基耐熱合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）、
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０．３ ｍｍ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、表１２にそれぞれ示した。
【００４１】
【表１１】
【００４２】
【表１２】
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１〜２０、本発明被覆エンドミル１〜１２、および本発明被覆ドリル１〜１２の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層およびＣｒＮ層の組成、並びに、比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１２、比較被覆エンドミル１〜６、および比較被覆ドリル１〜６の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層からなる硬質被覆層の組成を、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、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
【００４３】
また、前記硬質被覆層を構成する各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。
【００４４】
表７〜１２に示される結果から、本発明被覆工具は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなるＡ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなるＢ層、ＣｒＮ層からなるＣ層、これらＡ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層してなる硬質被覆層を形成する場合、Ａ層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が、すぐれた耐摩耗性を備え、Ｂ層である（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、すぐれた耐熱性、耐酸化性を備え、Ｃ層であるＣｒＮ層が、すぐれた潤滑性を備えていることによって、Ｔｉ合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工でも、切粉との間のすぐれた耐溶着性が確保されていることによって、チッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層として、本発明のような積層構造を備えず、硬質被覆層が（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいはＣｒＮ層単独で構成されている比較被覆工具においては、いずれも前記難削材の高速切削加工では、被削材（難削材）および切粉と前記硬質被覆層との粘着性および反応性が一段と高くなるために、切刃部にチッピングが発生するようになり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
前述のように、本発明の被覆工具は、一般的な被削材の切削加工は勿論のこと、特にＴｉ合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性と耐溶着性を発揮し、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。
【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硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）N（但し、ａはＡｌとＴｉの合量に対するＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．４≦ａ≦０．７５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物からなるＡ層、
（ｂ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌｂＣｒ１−ｂ）N（但し、ｂはＡｌとＣｒの合量に対するＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．４≦ｂ≦０．７５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物からなるＢ層、
（ｃ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有する窒化クロムからなるＣ層、
前記Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層した全体膜厚０．５〜６μｍを有する層であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【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硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）N（但し、ａはＡｌとＴｉの合量に対するＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．４≦ａ≦０．７５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物からなるＡ層、
（ｂ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌｂＣｒ１−ｂ）N（但し、ｂはＡｌとＣｒの合量に対するＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．４≦ｂ≦０．７５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物からなるＢ層、
（ｃ）０．０１〜１μｍの平均層厚を有する窒化クロムからなるＣ層、
前記Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる単位被覆ユニットを２回以上積層した全体膜厚０．５〜６μｍを有する層であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２５０３１１（Ｐ２０１２−２５０３１１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２４１２２（Ｐ２０１１−１２４１２２）
【出願日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【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２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【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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