表面被覆切削工具
【課題】溶着性の高い被削材の高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体の表面に、（ａ）下部層として、ＡｌとＴｉの複合窒化物層、（ｂ）中間層として、ＡｌとＣｒ（とＭ）の複合窒化物層、（ｃ）上部層として、組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎβまたは（Ａｌ１−γ−δＣｒγＭδ）Ｎε（Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上）で表した場合、０．２≦α≦０．６、０．１０≦γ≦０．５４、０．０１≦δ≦０．２５、０．２≦γ＋δ≦０．６（但し、α値、γ値、δ値はいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（β値、ε値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（β値、ε値）が、０≦β≦０．３５、０≦ε≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒ（とＭ）の複合窒化物層、を設ける。
【解決手段】工具基体の表面に、（ａ）下部層として、ＡｌとＴｉの複合窒化物層、（ｂ）中間層として、ＡｌとＣｒ（とＭ）の複合窒化物層、（ｃ）上部層として、組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎβまたは（Ａｌ１−γ−δＣｒγＭδ）Ｎε（Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上）で表した場合、０．２≦α≦０．６、０．１０≦γ≦０．５４、０．０１≦δ≦０．２５、０．２≦γ＋δ≦０．６（但し、α値、γ値、δ値はいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（β値、ε値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（β値、ε値）が、０≦β≦０．３５、０≦ε≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒ（とＭ）の複合窒化物層、を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みなど高速重切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と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。
【０００３】
従来、被覆工具の一つとして、例えば、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、工具基体という）の表面に、
（ａ）組成式：（Ａｌ1-ＸＴｉＸ）Ｎ（ただし、原子比で、０．３≦Ｘ≦０．７）、
を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎで示す］層からなる下部層、
（ｂ）組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎまたは（Ａｌ１−β−γＣｒβＭγ）Ｎ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分であり、原子比で、０．２≦α≦０．６、０．１０≦β≦０．５４、０．０１≦γ≦０．２５、０．２≦β＋γ≦０．６）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎで示す］層あるいはＡｌとＣｒとＭの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎで示す］層からなる上部層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が知られており、そして、これを各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いた場合にすぐれた耐欠損性を発揮することも知られている。
【０００４】
さらに、上記の被覆工具が、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上記の工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電流：９０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記工具基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、上記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を下部層として蒸着形成した後、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、上記下部層の表面に、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を上部層として蒸着形成することにより製造されることも知られている。
【特許文献１】特開２００５−２６２３８８号公報
【特許文献２】特開２００５−３０５５７６号公報
【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、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、上記の従来被覆工具においては、これを各種鋼、鋳鉄などの通常の切削条件下での切削加工に用いた場合には問題はないが、特に、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合には、硬質被覆層の熱伝導性・熱放散性が不十分であるため、硬質被覆層は切削時に発生する高熱によって過熱され、かなりの温度上昇が避けられず、その結果、硬質被覆層が熱塑性変形をおこしたり、あるいは、偏摩耗を生じたりして、摩耗進行が促進され、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、特に軟鋼、ステンレス鋼等の溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴うとともに、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切込みなどの高速重切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、上記の従来被覆工具に着目し研究を行った結果、以下の知見を得た。
【０００７】
（ａ）硬質被覆層の下部層が（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、また、上部層が（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層で構成されている上記従来被覆工具において、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を中間層とし、この上に、さらに上部層として、中間層側から上部層表面に向かって（層厚方向に沿って）、該層の構成成分であるＮの含有割合が減少する組成傾斜型の濃度分布構造を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を形成すると、上記組成傾斜型の上部層が、特に、すぐれた熱伝導性、熱放散性、潤滑性を有することにより、高速重切削加工時に硬質被覆層が高温に加熱されても熱が直ちに放散され、硬質被覆層が過熱されることがなく、さらに、被削材および切粉の切刃部表面に対する溶着も著しく低減されること。
なお、上記のＭは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分を示す。
【０００８】
（ｂ）そして、上記上部層である組成傾斜型の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層（以下、組成傾斜ＡｌＣｒＮ層で示す）あるいは組成傾斜型の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層（以下、組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層で示す）は、中間層である上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を、例えば、所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金をカソード電極として、窒素雰囲気中でアークイオンプレーティングにより蒸着形成した後、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金のカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を継続させたまま、装置内雰囲気の窒素含有割合を徐々に低減することにより、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、上部層表面の窒素含有割合が少ない組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層を容易に蒸着形成できること。
【０００９】
（ｃ）さらに、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる中間層、組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層からなる上部層を蒸着形成した本発明の被覆工具においては、硬質被覆層の下部層の構成成分であるＡｌが高温硬さと耐熱性を向上させ、Ｔｉが高温強度を向上させ、その結果、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層は、すぐれた高温硬さと高温強度を備えるため耐欠損性にすぐれ、また、硬質被覆層の中間層はすぐれた高温硬さ、高温強度とともにすぐれた高温耐酸化性を備え、しかも、上部層である組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層がすぐれた熱伝導性、熱放散性、潤滑性を有するため、硬質被覆層が過熱されることはなく、被削材および切粉の切刃部表面に対する溶着が著しく低減されるとともに、熱塑性変形、偏摩耗の発生も抑制される。
したがって、本発明の被覆工具は、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切り込みなどの高速重切削条件で切削加工した場合であっても、すぐれた耐欠損性とすぐれた耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮すること。
【００１０】
この発明は、上記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、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）中間層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＰＣｒＰ）ＮＱ
で表した場合、０．２≦Ｐ≦０．６、０．９≦Ｑ＜１（但し、Ｐ値、Ｑ値はいずれも原子比）を満足する平均組成のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
（ｃ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎβ
で表した場合、０．２≦α≦０．６（但し、α値は原子比）を満足するＡｌとＣｒの平均組成割合を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（β値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（β値）が、０≦β≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。
（２） 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、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）中間層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−Ｒ−ＳＣｒＲＭＳ）ＮＴ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、０．１０≦Ｒ≦０．５４、０．０１≦Ｓ≦０．２５、０．２≦Ｒ＋Ｓ≦０．６、０．９≦Ｔ＜１（但し、Ｒ値、Ｓ値、Ｔ値はいずれも原子比）を満足する平均組成のＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層、
（ｃ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−γ−δＣｒγＭδ）Ｎε（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、０．１０≦γ≦０．５４、０．０１≦δ≦０．２５、０．２≦γ＋δ≦０．６（但し、γ値、δ値はいずれも原子比）を満足するＡｌとＣｒとＭの平均組成割合を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（ε値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（ε値）が、０≦ε≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。
（３） 前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具において、
最表面層として、０．２〜０．６μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層を、上部層の表面にさらに蒸着形成したことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１１】
つぎに、この発明の被覆工具の各層について、詳細に説明する。
【００１２】
（ａ）下部層
ＡｌとＴｉの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層）からなる硬質被覆層の下部層におけるＡｌ成分には高温硬さ、耐熱性を向上させ、一方、同Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用があり、下部層ではＡｌ成分の含有割合を多くして、高い高温硬さを具備せしめるが、下部層の平均組成を、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、Ａｌとの合量に占めるＴｉの含有割合を示すＸ値が割合（原子比、以下同じ）で０．３未満では、相対的にＡｌの割合が多くなって、すぐれた高温硬さは得られるものの十分な高温強度を確保することができないため、耐欠損性が低下するようになり、一方、Ｔｉの割合を示す同Ｘ値が同０．７を越えると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、高温硬さが急激に低下し、この結果、摩耗進行が急激に促進するようになることから、Ｘ値を０．３〜０．７と定めた。
また、その平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた高温硬さ、高温強度を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方、その平均層厚が５μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、下部層の平均層厚を０．５〜５μｍと定めた。
【００１３】
（ｂ）中間層
中間層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）あるいはＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層。ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分。）で構成されており、その構成成分であるＡｌ成分には高温硬さと耐熱性を向上させ、同Ｃｒ成分には高温強度を向上させ、また、ＣｒとＡｌの共存含有によって高温耐酸化性を向上させる作用があり、さらに、Ｍ成分のうちの、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、には硬質被覆層の耐摩耗性を向上させる作用があり、さらに、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。
【００１４】
（ｂ−１）中間層がＭ成分を含有しない（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層で形成される場合、
中間層の平均組成を、
組成式：（Ａｌ１−ＰＣｒＰ）ＮＱ
で表したとき、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合を示すＰ値（原子比）が、０．２未満であると、溶着性の高い被削材の高速重切削加工において最小限必要とされる高温強度を確保することができないため欠損を発生しやすくなり、一方、Ｐ値（原子比）が０．６を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性の向上が期待できなくなるので、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（Ｐ値）（但し、原子比）を、０．２≦Ｐ≦０．６と定めた。
また、中間層における金属成分Ａｌ、Ｃｒの合計量を１とした場合、これら金属成分に対するＮ成分の含有割合（但し、原子比）を示すＱ値が０．９≦Ｑ＜１の範囲を外れると、溶着性の高い被削材の高速切削加工において必要とされる高温硬さと高温強度を保持することができなくなるため、Ｎ成分の含有割合（Ｑ値）（但し、原子比）を０．９≦Ｑ＜１と定めた。
【００１５】
（ｂ−２）次に、中間層がＭ成分を含有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層である場合、
中間層の平均組成を、
組成式：（Ａｌ１−Ｒ−ＳＣｒＲＭＳ）ＮＴ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表したとき、ＡｌとＭとの合量に占めるＣｒの含有割合を示すＲ値（原子比）が、０．１０未満であると、溶着性の高い被削材の高速重切削加工において最小限必要とされる高温強度を確保することができないため耐欠損性が低下し、一方、Ｒ値（原子比）が０．５４を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性の向上が期待できなくなる。さらに、ＡｌとＣｒとの合量に占めるＭ成分の含有割合を示すＳ値（原子比）が０．０１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Ｓ値が０．２５を超えると、高温強度に低下傾向が現れ、欠損が発生しやすくなることから、Ｒ値を０．１０〜０．５４、Ｓ値を０．０１〜０．２５と定めた。なお、Ｒ値、Ｓ値のそれぞれがこの範囲内の値であっても、（Ｒ＋Ｓ）の値が０．２未満では耐摩耗性、高温耐酸化性向上効果を期待できず、一方、（Ｒ＋Ｓ）の値が０．６を超えると摩耗進行が急速に促進されるため、（Ｒ＋Ｓ）の値を、０．２≦Ｒ＋Ｓ≦０．６と定めた。また、中間層における金属成分Ａｌ、Ｃｒ、Ｍの合計量を１とした場合、これら金属成分に対するＮ成分の含有割合（但し、原子比）を示すＴ値が０．９≦Ｔ＜１の範囲を外れると、溶着性の高い被削材の高速切削加工において必要とされる高温硬さと高温強度を保持することができなくなるため、Ｎ成分の含有割合（Ｔ値）（但し、原子比）を０．９≦Ｔ＜１と定めた。
【００１６】
（ｂ−３）さらに、中間層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方その平均層厚が５μｍを越えると、高速重切削加工で切刃部に欠損が発生し易くなることから、その平均層厚は０．５〜５μｍと定めた。
【００１７】
（ｃ）上部層
上部層を構成する組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層は、中間層側から上部層表面に向かってＮ含有割合（β値、ε値）が減少する濃度分布構造を有している。そのため、中間層近傍の上部層は、中間層の平均組成に近い組成を有し、中間層と上部層は組成的に連続性をもった層として形成されることから、中間層と上部層という２層構造で形成されていたとしても、層間の接合強度が高く、かつ、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を備えた上部層が形成される。一方、上部層の表面側へ向かうにしたがって、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層中のＮ含有割合が減少するため、上部層の表面には、熱伝導性、熱放散性にすぐれしかも表面平滑性のすぐれた層が形成され、被削材との潤滑性が改善される。
【００１８】
（ｃ−１）上部層がＭ成分を含有しない組成傾斜ＡｌＣｒＮ層で形成される場合、
上部層の組成を、
組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎβ
で表した場合、ＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合（α値）は、中間層の場合と同様な理由から、０．２≦α≦０．６（但し、α値は原子比）と定めた。
また、上部層の表面において、ＡｌとＣｒの合計量を１とした場合、これに対するＮ成分の含有割合（β値）が０．３５を超えると、上部層表面における熱伝導性、熱放散性、表面平滑性の向上効果が少なく、その結果、被削材との潤滑性、耐摩耗性が十分でなくなることから、上部層の表面におけるＮ成分の、ＡｌとＣｒの合計量に対する含有割合（β値）を０≦β≦０．３５（但し、β値は原子比）と定めた。なお、ここで、βの値が０（ゼロ）とは、上部層表面が、ＡｌとＣｒの複合窒化物ではなく、ＡｌとＣｒの合金で形成されていることに他ならないが、この発明では、上部層表面がＡｌとＣｒの複合窒化物であるばかりでなく、Ａｌ−Ｃｒ合金で形成される場合をも含め、便宜上、組成傾斜ＡｌＣｒＮ層という。
【００１９】
（ｃ−２）上部層がＭ成分を含有する組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層で形成される場合、
上部層の組成を、
組成式：（Ａｌ１−γ−δＣｒγＭδ）Ｎε（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、ＡｌとＣｒとＭの含有割合γ値、δ値は、中間層の場合と同様な理由から、０．１０≦γ≦０．５４、０．０１≦δ≦０．２５、０．２≦γ＋δ≦０．６（但し、γ値、δ値はいずれも原子比）と定めた。
また、上部層の表面において、ＡｌとＣｒとＭの合計量を１とした場合、これに対するＮ成分の含有割合（ε値）が０．３５を超えると、上部層表面における熱伝導性、熱放散性、表面平滑性の向上効果が少なく、その結果、被削材との潤滑性、耐摩耗性が十分でなくなることから、上部層の表面におけるＮ成分の、ＡｌとＣｒの合計量に対する含有割合（ε値）を０≦ε≦０．３５（但し、ε値は原子比）と定めた。なお、ε値が０（ゼロ）とは、上部層表面が、ＡｌとＣｒとＭの複合窒化物ではなく、ＡｌとＣｒとＭの合金で形成されていることに他ならないが、この発明では、上部層表面がＡｌとＣｒとＭの複合窒化物であるばかりでなく、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金で形成される場合をも含め、便宜上、組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層という。
【００２０】
（ｃ−３）上記組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層の平均層厚は、０．３μｍ未満であると、すぐれた熱伝導性、熱放散性、潤滑性という特性を十分発揮することができず、また、その平均層厚が１μｍを超えると、被削材との間で溶着を生じやすくなることから、上部層の平均層厚は０．３〜１μｍと定めた。
【００２１】
（ｃ−４）上記組成傾斜型の上部層は、例えば、中間層を蒸着形成する際に使用したＡｌ−Ｃｒ合金、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金からなるカソード電極を用い、装置内雰囲気の窒素含有割合を徐々に低減させつつ、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金をカソード電極としてアークイオンプレーティングを行うことにより、中間層側から上部層表面に向かってＮ含有割合が減少する濃度分布構造を有する組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層を形成することができるが、中間層を形成するのに使用したのと同じカソード電極を用いなければならないというものではなく、新たに別のカソード電極を用いて上部層を形成することもできる。
【００２２】
（ｄ）最表面層
下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層の最表面に、下部層と同様な平均組成（即ち、組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎで表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成）の層厚の薄い（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を最表面層として蒸着形成すると、この最表面層は、中間層および上部層の特性を何ら損なうことなく、硬質被覆層全体としての耐摩耗性、耐欠損性をより一層向上させることができる。最表面層の層厚は、０．２〜０．６μｍとすることが必要であり、その層厚が０．２μｍ未満では、耐摩耗性、耐欠損性の向上を期待することはできず、一方、その層厚が０．６μｍを超えると、溶着性の高い被削材に対する耐溶着性が低下し、欠損の原因となるからである。
【発明の効果】
【００２３】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を有し、中間層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層がすぐれた高温硬さ、高温強度、高温耐酸化性を具備し、また、上部層の組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層が、すぐれた熱伝導性、熱放散性、表面平滑性を備えていることから、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性、高温耐酸化性、熱伝導性、熱放散性、潤滑性を備え、その結果、軟鋼、ステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件下で切削加工した場合にも、硬質被覆層に熱塑性変形、偏摩耗、欠損が生じることなく、長期に亘ってすぐれた耐欠損性、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】
【００２４】
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】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金、および、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金を配置し、
（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Ａｌ−Ｔｉ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、上記Ａｌ−Ｔｉ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３、表５に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層を蒸着形成し、
（ｄ）次に、同じく４Ｐａの窒素ガス雰囲気中で、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−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１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記下部層の表面に、同じく表３、表５に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる中間層を蒸着形成し、
（ｅ）次に、前記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−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のアーク放電を継続させつつ、同時に、装置内雰囲気を窒素ガス雰囲気からアルゴンガス雰囲気へと徐々に切り替え、最終的には０．５Ｐａの窒素−アルゴン混合ガス雰囲気中あるいはアルゴンガス雰囲気中で、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−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１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表４、表６に示される目標組成、目標平均層厚の組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層からなる上部層を蒸着形成し、
（ｆ）次に、装置内雰囲気をアルゴンガス雰囲気から窒素ガス雰囲気へと切り替え、４Ｐａの窒素ガス雰囲気中で、上記Ａｌ−Ｔｉ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１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表４、表６に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる最表面層を蒸着形成し、
本発明被覆工具としての本発明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。
【比較例１】
【００２８】
比較の目的で、
（ａ）上記工具基体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、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、また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金およびＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金を配置し、
（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Ａｌ−Ｔｉ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、上記Ａｌ−Ｔｉ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３、表５に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層を蒸着形成し、
（ｄ）次に、同じく４Ｐａの窒素ガス雰囲気中で、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−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１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記下部層の表面に、同じく表３、表５に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層（表３、表５中で、(注)を付した中間層がこれに相当）を蒸着形成し、
比較被覆工具としての比較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）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００２９】
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：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度： ２４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．４ ｍｍ、
送り： ０．３５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ａ）での軟鋼の乾式高速連続高切込み切削加工試験（通常の切削速度、切込みは、それぞれ、１５０ｍ／ｍｉｎ．、１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．５０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）でのステンレス鋼の乾式高速断続高送り切削加工試験（通常の切削速度、送りは、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ．、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの丸棒、
切削速度： ２８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での炭素鋼の乾式高速連続高切込み切削加工試験（通常の切削速度、切込みは、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ．、１．５ｍｍ）、
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７に示した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】
【表４】
【００３４】
【表５】
【００３５】
【表６】
【００３６】
【表７】
【実施例２】
【００３７】
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８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８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。
【００３８】
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９に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を下部層として、同じく表９に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を中間層として、同じく表１０に示される目標組成、目標平均層厚の組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層を上部層として蒸着形成し、さらに、同じく表１０に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を最表面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。
【比較例２】
【００３９】
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に示される一つのカソード電極（蒸発源）を備えたアークイオンプレーティング装置に装入し、上記比較例１と同一の条件で、表１１に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層（本発明でいう中間層に相当）を蒸着することにより、
比較被覆工具としての比較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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００４０】
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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： ９０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ４．２ ｍｍ、
テーブル送り： １３０ ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速高切込み溝切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、５０ｍ／ｍｉｎ．、３ｍｍ）、
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・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １８０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： ４２０ ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．、２４０ｍｍ／分）、
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・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度： １６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １８ ｍｍ、
テーブル送り： ２５０ ｍｍ／分、
の条件での軟鋼の乾式高速高切込み溝切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．、１２ｍｍ）、
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１０、１１にそれぞれ示した。
【００４１】
【表８】
【００４２】
【表９】
【００４３】
【表１０】
【００４４】
【表１１】
【実施例３】
【００４５】
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。
【００４６】
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１２に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を下部層として、同じく表１２に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を中間層として、同じく表１３に示される目標組成および目標平均層厚の組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層を上部層として蒸着形成し、さらに、同じく表１３に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を最表面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。
【比較例３】
【００４７】
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、上記比較例１と同一の条件で、表１４に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を下部層として、同じく表１４に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層（本発明でいう中間層に相当）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超硬製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００４８】
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・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２８ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速高送り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、８０ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ）、
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・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．４０ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １５ ｍｍ、
の条件での軟鋼の湿式高速高送り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、８０ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、
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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３６ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２８ ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速高送り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、８０ｍ／ｍｉｎ．、０．２０ｍｍ／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０．３ｍｍ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１３、１４にそれぞれ示した。
【００４９】
【表１２】
【００５０】
【表１３】
【００５１】
【表１４】
【００５２】
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および本発明被覆ドリル１〜８の硬質被覆層の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、中間層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層、最表面層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成、並びに、比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１６、比較被覆エンドミル１〜８および比較被覆ドリル１〜８の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、上部層（本発明の中間層に相当）を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ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、それぞれの目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、上記本発明被覆工具の上部層を構成する組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層の表面の組成を、同じく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、表面のＮ含有割合は、目標β値、目標ε値と、実質的に同じ値を示した。
【００５３】
また、上記本発明被覆工具および比較被覆工具の硬質被覆層を構成する前記各層の平均層厚を、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。
【００５４】
表７、表１０、１１、１３、１４に示される結果から、本発明被覆工具は、軟鋼やステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件で切削加工した場合でも、所定組成の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性および高温強度を有し、所定組成の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる中間層が、すぐれた高温硬さ、高温強度および高温耐酸化性を有し、かつ、組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層からなる上部層が、特にすぐれた熱伝導性、熱放散性を発揮し、硬質被覆層が過熱されることを防止し、偏摩耗、熱塑性変形の発生を抑え、さらに、すぐれた潤滑性を発揮することによって、欠損の発生もなく、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（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層（本発明の中間層に相当）で構成された比較被覆工具においては、熱伝導性、熱放散性、潤滑性が不十分であるために、高速重切削時に発生する高熱によって熱塑性変形、偏摩耗等を生じ、また、被削材と切刃部との溶着を原因とする欠損が発生し、その結果、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００５５】
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通常条件での切削加工は勿論のこと、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みなど高速重切削条件で行った場合においても、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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【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の概略平面図である。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みなど高速重切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と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。
【０００３】
従来、被覆工具の一つとして、例えば、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、工具基体という）の表面に、
（ａ）組成式：（Ａｌ1-ＸＴｉＸ）Ｎ（ただし、原子比で、０．３≦Ｘ≦０．７）、
を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎで示す］層からなる下部層、
（ｂ）組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎまたは（Ａｌ１−β−γＣｒβＭγ）Ｎ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分であり、原子比で、０．２≦α≦０．６、０．１０≦β≦０．５４、０．０１≦γ≦０．２５、０．２≦β＋γ≦０．６）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎで示す］層あるいはＡｌとＣｒとＭの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎで示す］層からなる上部層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が知られており、そして、これを各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いた場合にすぐれた耐欠損性を発揮することも知られている。
【０００４】
さらに、上記の被覆工具が、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上記の工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電流：９０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記工具基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、上記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を下部層として蒸着形成した後、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、上記下部層の表面に、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を上部層として蒸着形成することにより製造されることも知られている。
【特許文献１】特開２００５−２６２３８８号公報
【特許文献２】特開２００５−３０５５７６号公報
【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、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、上記の従来被覆工具においては、これを各種鋼、鋳鉄などの通常の切削条件下での切削加工に用いた場合には問題はないが、特に、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合には、硬質被覆層の熱伝導性・熱放散性が不十分であるため、硬質被覆層は切削時に発生する高熱によって過熱され、かなりの温度上昇が避けられず、その結果、硬質被覆層が熱塑性変形をおこしたり、あるいは、偏摩耗を生じたりして、摩耗進行が促進され、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、特に軟鋼、ステンレス鋼等の溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴うとともに、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切込みなどの高速重切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、上記の従来被覆工具に着目し研究を行った結果、以下の知見を得た。
【０００７】
（ａ）硬質被覆層の下部層が（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、また、上部層が（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層で構成されている上記従来被覆工具において、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を中間層とし、この上に、さらに上部層として、中間層側から上部層表面に向かって（層厚方向に沿って）、該層の構成成分であるＮの含有割合が減少する組成傾斜型の濃度分布構造を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を形成すると、上記組成傾斜型の上部層が、特に、すぐれた熱伝導性、熱放散性、潤滑性を有することにより、高速重切削加工時に硬質被覆層が高温に加熱されても熱が直ちに放散され、硬質被覆層が過熱されることがなく、さらに、被削材および切粉の切刃部表面に対する溶着も著しく低減されること。
なお、上記のＭは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分を示す。
【０００８】
（ｂ）そして、上記上部層である組成傾斜型の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層（以下、組成傾斜ＡｌＣｒＮ層で示す）あるいは組成傾斜型の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層（以下、組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層で示す）は、中間層である上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を、例えば、所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金をカソード電極として、窒素雰囲気中でアークイオンプレーティングにより蒸着形成した後、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金のカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を継続させたまま、装置内雰囲気の窒素含有割合を徐々に低減することにより、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、上部層表面の窒素含有割合が少ない組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層を容易に蒸着形成できること。
【０００９】
（ｃ）さらに、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる中間層、組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層からなる上部層を蒸着形成した本発明の被覆工具においては、硬質被覆層の下部層の構成成分であるＡｌが高温硬さと耐熱性を向上させ、Ｔｉが高温強度を向上させ、その結果、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層は、すぐれた高温硬さと高温強度を備えるため耐欠損性にすぐれ、また、硬質被覆層の中間層はすぐれた高温硬さ、高温強度とともにすぐれた高温耐酸化性を備え、しかも、上部層である組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層がすぐれた熱伝導性、熱放散性、潤滑性を有するため、硬質被覆層が過熱されることはなく、被削材および切粉の切刃部表面に対する溶着が著しく低減されるとともに、熱塑性変形、偏摩耗の発生も抑制される。
したがって、本発明の被覆工具は、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切り込みなどの高速重切削条件で切削加工した場合であっても、すぐれた耐欠損性とすぐれた耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮すること。
【００１０】
この発明は、上記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、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）中間層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＰＣｒＰ）ＮＱ
で表した場合、０．２≦Ｐ≦０．６、０．９≦Ｑ＜１（但し、Ｐ値、Ｑ値はいずれも原子比）を満足する平均組成のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
（ｃ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎβ
で表した場合、０．２≦α≦０．６（但し、α値は原子比）を満足するＡｌとＣｒの平均組成割合を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（β値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（β値）が、０≦β≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。
（２） 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、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）中間層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−Ｒ−ＳＣｒＲＭＳ）ＮＴ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、０．１０≦Ｒ≦０．５４、０．０１≦Ｓ≦０．２５、０．２≦Ｒ＋Ｓ≦０．６、０．９≦Ｔ＜１（但し、Ｒ値、Ｓ値、Ｔ値はいずれも原子比）を満足する平均組成のＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層、
（ｃ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−γ−δＣｒγＭδ）Ｎε（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、０．１０≦γ≦０．５４、０．０１≦δ≦０．２５、０．２≦γ＋δ≦０．６（但し、γ値、δ値はいずれも原子比）を満足するＡｌとＣｒとＭの平均組成割合を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（ε値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（ε値）が、０≦ε≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。
（３） 前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具において、
最表面層として、０．２〜０．６μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層を、上部層の表面にさらに蒸着形成したことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１１】
つぎに、この発明の被覆工具の各層について、詳細に説明する。
【００１２】
（ａ）下部層
ＡｌとＴｉの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層）からなる硬質被覆層の下部層におけるＡｌ成分には高温硬さ、耐熱性を向上させ、一方、同Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用があり、下部層ではＡｌ成分の含有割合を多くして、高い高温硬さを具備せしめるが、下部層の平均組成を、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、Ａｌとの合量に占めるＴｉの含有割合を示すＸ値が割合（原子比、以下同じ）で０．３未満では、相対的にＡｌの割合が多くなって、すぐれた高温硬さは得られるものの十分な高温強度を確保することができないため、耐欠損性が低下するようになり、一方、Ｔｉの割合を示す同Ｘ値が同０．７を越えると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、高温硬さが急激に低下し、この結果、摩耗進行が急激に促進するようになることから、Ｘ値を０．３〜０．７と定めた。
また、その平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた高温硬さ、高温強度を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方、その平均層厚が５μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、下部層の平均層厚を０．５〜５μｍと定めた。
【００１３】
（ｂ）中間層
中間層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）あるいはＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層。ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分。）で構成されており、その構成成分であるＡｌ成分には高温硬さと耐熱性を向上させ、同Ｃｒ成分には高温強度を向上させ、また、ＣｒとＡｌの共存含有によって高温耐酸化性を向上させる作用があり、さらに、Ｍ成分のうちの、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、には硬質被覆層の耐摩耗性を向上させる作用があり、さらに、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。
【００１４】
（ｂ−１）中間層がＭ成分を含有しない（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層で形成される場合、
中間層の平均組成を、
組成式：（Ａｌ１−ＰＣｒＰ）ＮＱ
で表したとき、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合を示すＰ値（原子比）が、０．２未満であると、溶着性の高い被削材の高速重切削加工において最小限必要とされる高温強度を確保することができないため欠損を発生しやすくなり、一方、Ｐ値（原子比）が０．６を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性の向上が期待できなくなるので、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（Ｐ値）（但し、原子比）を、０．２≦Ｐ≦０．６と定めた。
また、中間層における金属成分Ａｌ、Ｃｒの合計量を１とした場合、これら金属成分に対するＮ成分の含有割合（但し、原子比）を示すＱ値が０．９≦Ｑ＜１の範囲を外れると、溶着性の高い被削材の高速切削加工において必要とされる高温硬さと高温強度を保持することができなくなるため、Ｎ成分の含有割合（Ｑ値）（但し、原子比）を０．９≦Ｑ＜１と定めた。
【００１５】
（ｂ−２）次に、中間層がＭ成分を含有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層である場合、
中間層の平均組成を、
組成式：（Ａｌ１−Ｒ−ＳＣｒＲＭＳ）ＮＴ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表したとき、ＡｌとＭとの合量に占めるＣｒの含有割合を示すＲ値（原子比）が、０．１０未満であると、溶着性の高い被削材の高速重切削加工において最小限必要とされる高温強度を確保することができないため耐欠損性が低下し、一方、Ｒ値（原子比）が０．５４を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性の向上が期待できなくなる。さらに、ＡｌとＣｒとの合量に占めるＭ成分の含有割合を示すＳ値（原子比）が０．０１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Ｓ値が０．２５を超えると、高温強度に低下傾向が現れ、欠損が発生しやすくなることから、Ｒ値を０．１０〜０．５４、Ｓ値を０．０１〜０．２５と定めた。なお、Ｒ値、Ｓ値のそれぞれがこの範囲内の値であっても、（Ｒ＋Ｓ）の値が０．２未満では耐摩耗性、高温耐酸化性向上効果を期待できず、一方、（Ｒ＋Ｓ）の値が０．６を超えると摩耗進行が急速に促進されるため、（Ｒ＋Ｓ）の値を、０．２≦Ｒ＋Ｓ≦０．６と定めた。また、中間層における金属成分Ａｌ、Ｃｒ、Ｍの合計量を１とした場合、これら金属成分に対するＮ成分の含有割合（但し、原子比）を示すＴ値が０．９≦Ｔ＜１の範囲を外れると、溶着性の高い被削材の高速切削加工において必要とされる高温硬さと高温強度を保持することができなくなるため、Ｎ成分の含有割合（Ｔ値）（但し、原子比）を０．９≦Ｔ＜１と定めた。
【００１６】
（ｂ−３）さらに、中間層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方その平均層厚が５μｍを越えると、高速重切削加工で切刃部に欠損が発生し易くなることから、その平均層厚は０．５〜５μｍと定めた。
【００１７】
（ｃ）上部層
上部層を構成する組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層は、中間層側から上部層表面に向かってＮ含有割合（β値、ε値）が減少する濃度分布構造を有している。そのため、中間層近傍の上部層は、中間層の平均組成に近い組成を有し、中間層と上部層は組成的に連続性をもった層として形成されることから、中間層と上部層という２層構造で形成されていたとしても、層間の接合強度が高く、かつ、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を備えた上部層が形成される。一方、上部層の表面側へ向かうにしたがって、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層中のＮ含有割合が減少するため、上部層の表面には、熱伝導性、熱放散性にすぐれしかも表面平滑性のすぐれた層が形成され、被削材との潤滑性が改善される。
【００１８】
（ｃ−１）上部層がＭ成分を含有しない組成傾斜ＡｌＣｒＮ層で形成される場合、
上部層の組成を、
組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎβ
で表した場合、ＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合（α値）は、中間層の場合と同様な理由から、０．２≦α≦０．６（但し、α値は原子比）と定めた。
また、上部層の表面において、ＡｌとＣｒの合計量を１とした場合、これに対するＮ成分の含有割合（β値）が０．３５を超えると、上部層表面における熱伝導性、熱放散性、表面平滑性の向上効果が少なく、その結果、被削材との潤滑性、耐摩耗性が十分でなくなることから、上部層の表面におけるＮ成分の、ＡｌとＣｒの合計量に対する含有割合（β値）を０≦β≦０．３５（但し、β値は原子比）と定めた。なお、ここで、βの値が０（ゼロ）とは、上部層表面が、ＡｌとＣｒの複合窒化物ではなく、ＡｌとＣｒの合金で形成されていることに他ならないが、この発明では、上部層表面がＡｌとＣｒの複合窒化物であるばかりでなく、Ａｌ−Ｃｒ合金で形成される場合をも含め、便宜上、組成傾斜ＡｌＣｒＮ層という。
【００１９】
（ｃ−２）上部層がＭ成分を含有する組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層で形成される場合、
上部層の組成を、
組成式：（Ａｌ１−γ−δＣｒγＭδ）Ｎε（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、ＡｌとＣｒとＭの含有割合γ値、δ値は、中間層の場合と同様な理由から、０．１０≦γ≦０．５４、０．０１≦δ≦０．２５、０．２≦γ＋δ≦０．６（但し、γ値、δ値はいずれも原子比）と定めた。
また、上部層の表面において、ＡｌとＣｒとＭの合計量を１とした場合、これに対するＮ成分の含有割合（ε値）が０．３５を超えると、上部層表面における熱伝導性、熱放散性、表面平滑性の向上効果が少なく、その結果、被削材との潤滑性、耐摩耗性が十分でなくなることから、上部層の表面におけるＮ成分の、ＡｌとＣｒの合計量に対する含有割合（ε値）を０≦ε≦０．３５（但し、ε値は原子比）と定めた。なお、ε値が０（ゼロ）とは、上部層表面が、ＡｌとＣｒとＭの複合窒化物ではなく、ＡｌとＣｒとＭの合金で形成されていることに他ならないが、この発明では、上部層表面がＡｌとＣｒとＭの複合窒化物であるばかりでなく、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金で形成される場合をも含め、便宜上、組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層という。
【００２０】
（ｃ−３）上記組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層の平均層厚は、０．３μｍ未満であると、すぐれた熱伝導性、熱放散性、潤滑性という特性を十分発揮することができず、また、その平均層厚が１μｍを超えると、被削材との間で溶着を生じやすくなることから、上部層の平均層厚は０．３〜１μｍと定めた。
【００２１】
（ｃ−４）上記組成傾斜型の上部層は、例えば、中間層を蒸着形成する際に使用したＡｌ−Ｃｒ合金、Ａｌ−Ｃｒ−Ｍ合金からなるカソード電極を用い、装置内雰囲気の窒素含有割合を徐々に低減させつつ、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金をカソード電極としてアークイオンプレーティングを行うことにより、中間層側から上部層表面に向かってＮ含有割合が減少する濃度分布構造を有する組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層を形成することができるが、中間層を形成するのに使用したのと同じカソード電極を用いなければならないというものではなく、新たに別のカソード電極を用いて上部層を形成することもできる。
【００２２】
（ｄ）最表面層
下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層の最表面に、下部層と同様な平均組成（即ち、組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎで表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成）の層厚の薄い（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を最表面層として蒸着形成すると、この最表面層は、中間層および上部層の特性を何ら損なうことなく、硬質被覆層全体としての耐摩耗性、耐欠損性をより一層向上させることができる。最表面層の層厚は、０．２〜０．６μｍとすることが必要であり、その層厚が０．２μｍ未満では、耐摩耗性、耐欠損性の向上を期待することはできず、一方、その層厚が０．６μｍを超えると、溶着性の高い被削材に対する耐溶着性が低下し、欠損の原因となるからである。
【発明の効果】
【００２３】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を有し、中間層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層がすぐれた高温硬さ、高温強度、高温耐酸化性を具備し、また、上部層の組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層が、すぐれた熱伝導性、熱放散性、表面平滑性を備えていることから、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性、高温耐酸化性、熱伝導性、熱放散性、潤滑性を備え、その結果、軟鋼、ステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件下で切削加工した場合にも、硬質被覆層に熱塑性変形、偏摩耗、欠損が生じることなく、長期に亘ってすぐれた耐欠損性、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】
【００２４】
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】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金、および、Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金を配置し、
（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Ａｌ−Ｔｉ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、上記Ａｌ−Ｔｉ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３、表５に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層を蒸着形成し、
（ｄ）次に、同じく４Ｐａの窒素ガス雰囲気中で、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−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１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記下部層の表面に、同じく表３、表５に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる中間層を蒸着形成し、
（ｅ）次に、前記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−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のアーク放電を継続させつつ、同時に、装置内雰囲気を窒素ガス雰囲気からアルゴンガス雰囲気へと徐々に切り替え、最終的には０．５Ｐａの窒素−アルゴン混合ガス雰囲気中あるいはアルゴンガス雰囲気中で、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−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１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表４、表６に示される目標組成、目標平均層厚の組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層からなる上部層を蒸着形成し、
（ｆ）次に、装置内雰囲気をアルゴンガス雰囲気から窒素ガス雰囲気へと切り替え、４Ｐａの窒素ガス雰囲気中で、上記Ａｌ−Ｔｉ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１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表４、表６に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる最表面層を蒸着形成し、
本発明被覆工具としての本発明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。
【比較例１】
【００２８】
比較の目的で、
（ａ）上記工具基体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、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、また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金およびＡｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｍ合金を配置し、
（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Ａｌ−Ｔｉ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、上記Ａｌ−Ｔｉ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３、表５に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層を蒸着形成し、
（ｄ）次に、同じく４Ｐａの窒素ガス雰囲気中で、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、上記Ａｌ−Ｃｒ合金あるいはＡｌ−Ｃｒ−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１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記下部層の表面に、同じく表３、表５に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層（表３、表５中で、(注)を付した中間層がこれに相当）を蒸着形成し、
比較被覆工具としての比較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）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００２９】
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：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度： ２４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．４ ｍｍ、
送り： ０．３５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ａ）での軟鋼の乾式高速連続高切込み切削加工試験（通常の切削速度、切込みは、それぞれ、１５０ｍ／ｍｉｎ．、１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．５０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）でのステンレス鋼の乾式高速断続高送り切削加工試験（通常の切削速度、送りは、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ．、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの丸棒、
切削速度： ２８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での炭素鋼の乾式高速連続高切込み切削加工試験（通常の切削速度、切込みは、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ．、１．５ｍｍ）、
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７に示した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】
【表４】
【００３４】
【表５】
【００３５】
【表６】
【００３６】
【表７】
【実施例２】
【００３７】
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８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８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。
【００３８】
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９に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を下部層として、同じく表９に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を中間層として、同じく表１０に示される目標組成、目標平均層厚の組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層を上部層として蒸着形成し、さらに、同じく表１０に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を最表面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。
【比較例２】
【００３９】
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に示される一つのカソード電極（蒸発源）を備えたアークイオンプレーティング装置に装入し、上記比較例１と同一の条件で、表１１に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層（本発明でいう中間層に相当）を蒸着することにより、
比較被覆工具としての比較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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００４０】
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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： ９０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ４．２ ｍｍ、
テーブル送り： １３０ ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速高切込み溝切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、５０ｍ／ｍｉｎ．、３ｍｍ）、
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・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １８０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ５ ｍｍ、
テーブル送り： ４２０ ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．、２４０ｍｍ／分）、
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・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度： １６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １８ ｍｍ、
テーブル送り： ２５０ ｍｍ／分、
の条件での軟鋼の乾式高速高切込み溝切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．、１２ｍｍ）、
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１０、１１にそれぞれ示した。
【００４１】
【表８】
【００４２】
【表９】
【００４３】
【表１０】
【００４４】
【表１１】
【実施例３】
【００４５】
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。
【００４６】
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１２に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を下部層として、同じく表１２に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層を中間層として、同じく表１３に示される目標組成および目標平均層厚の組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層を上部層として蒸着形成し、さらに、同じく表１３に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を最表面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。
【比較例３】
【００４７】
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、上記比較例１と同一の条件で、表１４に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を下部層として、同じく表１４に示される目標平均組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層（本発明でいう中間層に相当）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超硬製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００４８】
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・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２８ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速高送り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、８０ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ）、
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・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．４０ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １５ ｍｍ、
の条件での軟鋼の湿式高速高送り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、８０ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、
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・ＳＵＳ３０４の板材、
切削速度： １５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３６ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２８ ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高速高送り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、８０ｍ／ｍｉｎ．、０．２０ｍｍ／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０．３ｍｍ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１３、１４にそれぞれ示した。
【００４９】
【表１２】
【００５０】
【表１３】
【００５１】
【表１４】
【００５２】
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および本発明被覆ドリル１〜８の硬質被覆層の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、中間層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層、最表面層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成、並びに、比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１６、比較被覆エンドミル１〜８および比較被覆ドリル１〜８の下部層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、上部層（本発明の中間層に相当）を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ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、それぞれの目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、上記本発明被覆工具の上部層を構成する組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層の表面の組成を、同じく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、表面のＮ含有割合は、目標β値、目標ε値と、実質的に同じ値を示した。
【００５３】
また、上記本発明被覆工具および比較被覆工具の硬質被覆層を構成する前記各層の平均層厚を、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。
【００５４】
表７、表１０、１１、１３、１４に示される結果から、本発明被覆工具は、軟鋼やステンレス鋼のような溶着性の高い被削材を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件で切削加工した場合でも、所定組成の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性および高温強度を有し、所定組成の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる中間層が、すぐれた高温硬さ、高温強度および高温耐酸化性を有し、かつ、組成傾斜ＡｌＣｒＮ層あるいは組成傾斜ＡｌＣｒＭＮ層からなる上部層が、特にすぐれた熱伝導性、熱放散性を発揮し、硬質被覆層が過熱されることを防止し、偏摩耗、熱塑性変形の発生を抑え、さらに、すぐれた潤滑性を発揮することによって、欠損の発生もなく、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（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｃｒ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層（本発明の中間層に相当）で構成された比較被覆工具においては、熱伝導性、熱放散性、潤滑性が不十分であるために、高速重切削時に発生する高熱によって熱塑性変形、偏摩耗等を生じ、また、被削材と切刃部との溶着を原因とする欠損が発生し、その結果、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００５５】
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通常条件での切削加工は勿論のこと、軟鋼、ステンレス鋼などのように溶着性が高い被削材の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切り込みなど高速重切削条件で行った場合においても、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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【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の概略平面図である。
【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、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）中間層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＰＣｒＰ）ＮＱ
で表した場合、０．２≦Ｐ≦０．６、０．９≦Ｑ＜１（但し、Ｐ値、Ｑ値はいずれも原子比）を満足する平均組成のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
（ｃ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎβ
で表した場合、０．２≦α≦０．６（但し、α値は原子比）を満足するＡｌとＣｒの平均組成割合を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（β値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（β値）が、０≦β≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。
【請求項２】
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、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）中間層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−Ｒ−ＳＣｒＲＭＳ）ＮＴ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、０．１０≦Ｒ≦０．５４、０．０１≦Ｓ≦０．２５、０．２≦Ｒ＋Ｓ≦０．６、０．９≦Ｔ＜１（但し、Ｒ値、Ｓ値、Ｔ値はいずれも原子比）を満足する平均組成のＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層、
（ｃ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−γ−δＣｒγＭδ）Ｎε（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、０．１０≦γ≦０．５４、０．０１≦δ≦０．２５、０．２≦γ＋δ≦０．６（但し、γ値、δ値はいずれも原子比）を満足するＡｌとＣｒとＭの平均組成割合を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（ε値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（ε値）が、０≦ε≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具において、
最表面層として、０．２〜０．６μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層を、上部層の表面にさらに蒸着形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に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、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）中間層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＰＣｒＰ）ＮＱ
で表した場合、０．２≦Ｐ≦０．６、０．９≦Ｑ＜１（但し、Ｐ値、Ｑ値はいずれも原子比）を満足する平均組成のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
（ｃ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−αＣｒα）Ｎβ
で表した場合、０．２≦α≦０．６（但し、α値は原子比）を満足するＡｌとＣｒの平均組成割合を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（β値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（β値）が、０≦β≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。
【請求項２】
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、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層、
（ｂ）中間層として、０．５〜５μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−Ｒ−ＳＣｒＲＭＳ）ＮＴ（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、０．１０≦Ｒ≦０．５４、０．０１≦Ｓ≦０．２５、０．２≦Ｒ＋Ｓ≦０．６、０．９≦Ｔ＜１（但し、Ｒ値、Ｓ値、Ｔ値はいずれも原子比）を満足する平均組成のＡｌとＣｒとＭの複合窒化物層、
（ｃ）上部層として、０．３〜１μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−γ−δＣｒγＭδ）Ｎε（ここで、Ｍは、Ｃｒを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族の元素、Ｓｉ、Ｂ、Ｙのうちから選ばれた１種又は２種以上の添加成分）
で表した場合、０．１０≦γ≦０．５４、０．０１≦δ≦０．２５、０．２≦γ＋δ≦０．６（但し、γ値、δ値はいずれも原子比）を満足するＡｌとＣｒとＭの平均組成割合を有し、かつ、上部層における窒素含有割合（ε値。但し、原子比）が、中間層側から上部層表面に向かって減少する濃度分布構造を有し、しかも、上部層表面における窒素含有割合（ε値）が、０≦ε≦０．３５を満足する組成傾斜型のＡｌとＣｒの複合窒化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具において、
最表面層として、０．２〜０．６μｍの平均層厚を有し、
組成式：（Ａｌ１−ＸＴｉＸ）Ｎ
で表した場合、０．３≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層を、上部層の表面にさらに蒸着形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具。
【図１】
【公開番号】特開２００９−１２５８３３（Ｐ２００９−１２５８３３Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０１１９７（Ｐ２００７−３０１１９７）
【出願日】平成１９年１１月２１日（２００７．１１．２１）
【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６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２１日（２００７．１１．２１）
【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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