表面被覆切削工具
【課題】Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の高速切削条件下で、硬質被覆層がすぐれた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、１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ａと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、１００〜５００ｎｍの層厚の単一層にて構成された単層領域との交互積層構造からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、薄層Ａは、［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ（Ｘは原子比で０．０１〜０．３０）層、薄層Ｂは、［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ（Ｙは原子比で０．４０〜０．７０）層であって、単一層は、上記薄層Ａまたは薄層Ｂと同一種の層で構成する。
【解決手段】工具基体表面に、１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ａと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、１００〜５００ｎｍの層厚の単一層にて構成された単層領域との交互積層構造からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、薄層Ａは、［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ（Ｘは原子比で０．０１〜０．３０）層、薄層Ｂは、［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ（Ｙは原子比で０．４０〜０．７０）層であって、単一層は、上記薄層Ａまたは薄層Ｂと同一種の層で構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴う高速切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた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】
また、具体的な被覆工具としては、例えば、特許文献１に示されるように、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金で構成された工具基体の表面に、硬質被覆層として種類Ａの一次部分的層と種類Ｂの二次部分的層の交互積層からなる硬質被覆層を形成し、さらに、上記種類Ａの一次部分的層を交互積層構造（例えば、ＴｉＮ−ＡｌＮ，ＨｆＣ−ＮｂＯ，ＺｒＣＮ−ＴａＮ，ＶＮ−ＢＮ，Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ−ＴｉＮの組み合わせからなる交互積層構造）で構成し、上記種類Ｂの二次部分的層を単一層（例えば、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＳｉＣ，ＴａＣＮ）で構成した被覆工具（以下、従来被覆工具という）が知られており、この被覆工具は、耐溶着性、耐摩耗性に優れることが知られている。
また、特許文献２〜４に示されるように、ＷＣ基超硬合金からなる工具基体の表面に、複層構造の硬質被覆層を形成した被覆工具において、複層構造を構成する一つの層として、ＴｉとＳｉ系の複合窒化物層（以下、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層という）を設けることも知られており、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層によって、高温硬さ、耐酸化性が向上することも知られている。
【０００４】
そして、前記特許文献１〜４に示される被覆工具は、例えば、蒸着形成する硬質被覆層の種類に応じた成分組成を有する複数のカソード電極（蒸発源）を配置したアークイオンプレーティング装置において、装置内に工具基体を装入し、装置内を窒素ガス反応雰囲気とし、また、加熱した状態で、複数のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に、順次、アーク放電を発生させ、上記工具基体には、バイアス電圧を印加した条件で成膜することにより、工具基体の表面に、交互積層構造、あるいは、複層構造の硬質被覆層を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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１８５１７２号明細書
【特許文献２】特開２０００−３３４６０６号公報
【特許文献３】特開２０００−３３４６０７号公報
【特許文献４】特開２００８−１６２００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、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、切削加工はますます高速化の傾向にあり、さらに、各種の被削材に対する切削工具の汎用化も求められているが、上記特許文献１〜４に示される被覆工具においては、これを、鋼や鋳鉄等の通常条件の切削に用いた場合には特段の問題は生じないが、例えば、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合には、被削材である耐熱合金の熱伝導率が低く、切削熱によって切削工具の刃先の表面温度が高くなるため、交互積層構造あるいは複層構造を構成する硬質被覆層の層間剥離が生じ、その結果、硬質被覆層の耐摩耗性が十分に発揮されず、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】
【０００７】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いたような場合にも、溶着の発生、層間剥離が生じることなく、硬質被覆層がすぐれた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。
【０００８】
上記の従来の被覆工具の交互積層、複層の一つの層を構成する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層においては、Ｔｉ成分には高温靭性、高温強度を向上させる作用があり、また、Ｓｉ成分は耐酸化性を向上させ、酸化による層の硬度低下を抑制することから、交互積層、複層の一つの層として（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を備えることにより、通常の切削条件では、耐酸化性、耐摩耗性の改善が見られる。
しかし、上記（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は、靭性に劣り、しかも、潤滑性も充分でないため、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削においては、切刃表面温度が高温になるため、チッピング、欠損等の異常損傷を発生しやすく、また、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が交互積層構造の一つの層を構成している場合、硬質被覆層内にはその層厚が増大するほど内部応力（歪み）が蓄積されるようになるが、この内部応力（歪み）が切削加工時の高熱によって開放される際に、交互積層を構成する各層間での剥離が生じ易くなるという問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明者等は、交互積層構造を構成する層材質についてさらに詳細に検討したところ、従来のように、硬質被覆層を規則的な交互積層構造として構成するのではなく、硬質被覆層を、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ａと、（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層からなる薄層Ｂとが交互に積層されている複層領域と、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層または（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層のいずれかの単一層からなる単層領域とで構成するとともに、上記複層領域と単層領域との交互積層構造として硬質被覆層を構成したところ、以下のような知見を得たのである。
【００１０】
すなわち、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ａと、（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層からなる薄層Ｂとが交互に積層されている硬質被覆層の複層領域では、それぞれの層の粒の粗大化が防止され、膜強度が向上するとともに、すぐれた耐酸化性、高硬度、高靭性、高潤滑性を備え、さらに、薄層Ａと薄層Ｂとの交互積層構造が、クラックの伝播・進展を防止することで、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が向上する。
これに加えて、硬質被覆層中には、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層または（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層の単一層からなる単層領域が形成されたことによって、層厚の増大にしたがって複層領域に蓄積された内部応力（歪み）は、単層領域の存在によって緩和されるようになるため、硬質被覆層全体としては、大きな内部応力（歪み）が発生することはなく、その結果として、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削において、層間剥離の発生が抑制されるようになることを見出したのである。
【００１１】
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、
「 工具基体表面に硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
上記硬質被覆層は、１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ａと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、１００〜５００ｎｍの層厚の単一層からなる単層領域とを備え、しかも、上記硬質被覆層は、上記複層領域と上記単層領域との交互積層構造として構成され、さらに、
（ａ）上記薄層Ａは、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層からなり、
（ｂ）上記薄層Ｂは、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層からなり、
（ｃ）上記単一層は、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層、または、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層の何れかからなる、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１２】
この発明の被覆工具の硬質被覆層について、以下に説明する。
【００１３】
複層領域の薄層Ａ（（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）：
薄層Ｂ（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層）と交互に積層されてこの発明の硬質被覆層の複層領域を形成する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ａは、Ｓｉ成分によって、すぐれた耐酸化性を有するため、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削における高温下においても、すぐれた高硬度を維持する。
（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ａを、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層からなるが、Ｓｉの含有割合を示すＸの値（但し、原子比）が、０．０１未満であると、薄層Ａの有する高温硬さが不十分となり、一方、Ｘの値が０．３０を超えると、薄層Ａの高温靭性、高温強度が低下するようになることから、Ｘの値は、０．０１〜０．３０（但し、原子比）と定めた。
【００１４】
複層領域の薄層Ｂ（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層）：
薄層Ａ（（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）と交互に積層されてこの発明の硬質被覆層の複層領域を形成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ｂは、靭性および潤滑性にすぐれることから、薄層Ａと交互に積層されることにより、云わば、薄層Ａに相対的に不足する特性を補完すると同時に、複層領域の強度を高め、さらに、層間密着性を高める。
（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層からなる薄層Ｂを、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層であり、Ｖの含有割合を示すＹの値（但し、原子比）が、０．４０未満であると、薄層Ｂの靭性および潤滑性が不十分となり、一方、Ｙの値が０．７０を超えると、薄層Ｂの高温硬さが低下するので、Ｙの値は、０．４０〜０．７０（但し、原子比）と定めた。
【００１５】
薄層Ａ、薄層Ｂの層厚：
薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層して構成した複層領域では、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、上記薄層Ａ及び薄層Ｂのそれぞれの層厚が１ｎｍ未満では、各薄層を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、各薄層の有する上記のすぐれた特性を発揮することができず、一方、それぞれの層厚が５０ｎｍ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、薄層Ａ、薄層Ｂのそれぞれの層厚を、１〜５０ｎｍと定めた。
また、薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層した複層領域は、その領域厚みが０．０１μｍ未満では、薄層Ａの備える高硬度を充分発揮して耐摩耗性の向上を図ることができず、一方、その領域厚みが０．５μｍを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層した複層領域の領域厚みは、０．０１〜０．５μｍであることが望ましい。
【００１６】
単層領域：
単層領域は、上記薄層Ａと同一の成分組成の単一層、あるいは、の成分・組成は、前記薄層Ｂと同一の成分組成の単一層で構成するが、硬質被覆層中におけるすべての単層領域が、薄層Ａと同一材種の単一層、あるいは、薄層Ｂと同一材種の単一層で形成されていなければならないわけではなく、例えば、工具基体側の単層領域薄層Ａと同一材種の単一層で構成され、また、硬質被覆層の表層側では、薄層Ａと同一材種の単一層で単層領域が構成されていてもよい。
すなわち、層厚方向に沿って形成されている単層領域は、薄層Ａと同一材種で、あるいは、薄層Ｂと同一材種で、単一層として構成されていれば良い。
この単層領域は、その材種に応じた所定の作用効果を備える（例えば、薄層Ａと同一材種であれば、高硬度、耐酸化性を備え、また、薄層Ｂと同一材種であれば、高靭性、高潤滑性を備える）が、このような作用効果に加えて、単層領域の存在は、複層領域において増大蓄積された内部応力（歪み）を、この単層領域で緩和するという点で大きな技術的な意義があり、また、切削加工時に硬質被覆層に加わった衝撃力を、この単層領域で緩和する作用もある。
したがって、硬質被覆層全体としては、その内部に大きな内部応力（歪み）が形成されることはなく、その結果として、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削においても、層間剥離の発生が抑制される。
ただ、単層領域の領域厚さが１００ｎｍ未満の場合、内部応力の緩和作用、衝撃力の緩和作用が十分期待できず、一方、その厚さが５００ｎｍを超えると、硬質被覆層全体として耐酸化性、高温硬さが低下するようになることから、単層領域の領域厚さは、１００〜５００ｎｍと定めた。
【００１７】
硬質被覆層の層厚：
上記複層領域と上記単層領域との交互積層として構成される硬質被覆層は、その全体層厚が０．３μｍ未満であると、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を十分に発揮できず、一方、全体層厚が５μｍを超えると、チッピング、欠損等を発生しやすくなることから、硬質被覆層の全体層厚は、０．３〜５μｍとすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の表面被覆切削工具は、硬質被覆層が、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、単一層からなる単層領域との交互積層構造として構成されていることにより、複層領域ではそれぞれの薄層の膜強度が向上し、薄層Ａによりすぐれた耐酸化性、高硬度を、また、薄層Ｂにより高靭性、高潤滑性を備え、さらに、クラックの伝播・進展が抑制されることで、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が改善されるとともに、これに加えて、単層領域の存在によって、特に複層領域で形成・蓄積しやすい内部応力（歪み）が緩和されることによって、これに起因して発生する層間剥離が防止され、さらに、切削加工時に加わる機械的衝撃をも緩和することができるので、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【図２】この発明の被覆工具の硬質被覆層の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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】
【００２１】
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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、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：０．０２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−５を形成した。
【００２２】
（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−５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、一方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金、対向する他方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層形成用Ｔｉ−Ｖ合金を前記回転テーブルを挟んで配置する。
なお、Ｔｉ−Ｓｉ合金からなるカソード電極（蒸発源）は薄層Ａ、単層領域の蒸着形成に用い、Ｔｉ−Ｖ合金からなるカソード電極（蒸発源）は、薄層Ｂ、単層領域の蒸着形成に用いる。
（ｂ）まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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て、例えば、Ｔｉ−Ｓｉ合金（あるいはＴｉ−Ｖ合金）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する。
（ｃ）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、前記回転テーブル上で、６〜４８ｒｐｍの速度で自転しながら、同時に、回転テーブルの回転中心軸の周りに１〜８ｒｐｍの速度で回転（公転）する工具基体に−８０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、例えば、Ｔｉ−Ｖ合金カソード電極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、同時に、回転テーブルを挟んでＴｉ−Ｖ合金カソード電極に相対向して配置したＴｉ−Ｓｉ合金カソード電極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、Ｔｉ−Ｖ合金カソード電極近傍に位置する工具基体には薄層Ｂを、また、Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極近傍に位置する工具基体には薄層Ａを蒸着し、ついで、回転テーブルが回転することによって、薄層Ｂが蒸着された工具基体に対しては薄層Ａを蒸着し、薄層Ａが蒸着された工具基体に対しては薄層Ｂを蒸着し、同様にして、薄層Ａと薄層Ｂとを交互に繰り返し蒸着することにより、工具基体の表面に、表２、３に示される目標組成および目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層した複層領域を形成する。
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し２Ｐａの反応雰囲気を維持したまま、前記回転テーブル上で６〜４８ｒｐｍの速度で自転しながら、回転テーブルの回転中心軸の周りに１〜８ｒｐｍの速度で回転（公転）する複層領域が形成された工具基体に、−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ｔｉ−Ｖ合金カソード電極（あるいはＴｉ−Ｓｉ合金カソード電極）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、もって該工具基体の表面に、表２、３に示される目標組成および目標層厚の単層領域を蒸着形成する。
（ｅ）ついで、上記（ｃ）、（ｄ）を、目標とする硬質被覆層の全体層厚になるまで交互に繰り返し行うことにより、
図２に示される複層領域と単層領域との交互積層構造からなる硬質被覆層を有する、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本発明被覆チップ１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２３】
比較の目的で、これら工具基体Ａ−１〜Ａ−５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、カソード電極（蒸発源）として、それぞれ表４に示される目標組成に対応した成分組成をもったＴｉ−Ｖ合金及びＴｉ−Ｓｉ合金を装着し、
まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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Ｔｉ−Ｓｉ合金（あるいはＴｉ−Ｖ合金）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、
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−１００Ｖに下げて、例えば、前記Ｔｉ−Ｖ合金の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の表面に、表４に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層を蒸着形成し、
ついで、前記Ｔｉ−Ｓｉ合金の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の表面に、表４に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成し、
上記の（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の蒸着形成を交互に繰り返すことにより、
表４に示される目標組成および目標層厚の交互積層からなる硬質被覆層を有する、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２４】
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１〜１０および比較被覆チップ１〜１０について、
被削材：質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．５％Ｆｅ−５．２％Ｃｄ−５％Ｔａ−３％Ｍｏ−０．９％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．３％Ｓｉ−０．２％Ｍｎ−０．０５％Ｃｕ−０．０４％Ｃの組成を有するＮｉ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）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、３０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：質量％で、Ｃｏ−２３％Ｃｒ−６％Ｍｏ−２％Ｎｉ−１％Ｆｅ−０．６％Ｓｉ−０．４％Ｃの組成を有するＣｏ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）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、２５ｍ／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５に示した。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】
【００２８】
【表４】
【００２９】
【表５】
【実施例２】
【００３０】
原料粉末として、平均粒径０．８μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．５μｍのＶＣ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６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、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４５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−４をそれぞれ製造した。
【００３１】
ついで、これらの工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４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、層厚方向に沿って表７に示される目標組成および目標層厚の、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域、および、単層領域との交互積層構造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被覆エンドミル１〜８をそれぞれ製造した。
【００３２】
また、比較の目的で、上記の工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４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、工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４の表面に、表８に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積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比較被覆エンドミル１〜８をそれぞれ製造した。
【００３３】
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について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１４％Ｃｏ−４．５％Ｍｏ−２．５％Ｔｉ−２％Ｆｅ−１．２％Ａｌ−０．７％Ｍｎ−０．４％Ｓｉの組成を有するＮｉ基合金の板材、
切削速度： ４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ２．５ ｍｍ、
テーブル送り： １００ ｍｍ／分、
の条件でのＮｉ基合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度および溝深さは、それぞれ、２５ｍ／ｍｉｎ．および１．２ｍｍ）、
を行い、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７、８にそれぞれ示した。
【００３４】
【表６】
【００３５】
【表７】
【００３６】
【表８】
【実施例３】
【００３７】
上記の実施例２で製造した丸棒焼結体を用い、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８ｍｍ×４８ｍｍ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）Ｄ−１〜Ｄ−４をそれぞれ製造した。
【００３８】
ついで、これらの工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４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、層厚方向に沿って表９に示される目標組成および目標層厚の、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域、および、単層領域との交互積層構造からなる上部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被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。
【００３９】
また、比較の目的で、上記の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４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、工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表１０に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積層構造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比較被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。
【００４０】
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について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．５％Ｆｅ−５．２％Ｃｄ−５％Ｔａ−３％Ｍｏ−０．９％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．３％Ｓｉ−０．２％Ｍｎ−０．０５％Ｃｕ−０．０４％Ｃの組成を有するＮｉ基合金の板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２０ ｍｍ、
の条件でのＮｉ基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２５ｍ／ｍｉｎ．および０．１２ｍｍ／ｒｅｖ）、
を行い（水溶性切削油使用）、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９、１０にそれぞれ示した。
【００４１】
【表９】
【００４２】
【表１０】
【００４３】
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１〜１０、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の薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域および単層領域、さらに、比較被覆チップ１〜１０、比較被覆エンドミル１〜８および比較被覆ドリル１〜８の薄層Ａと薄層Ｂとの交互積層を構成する（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）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、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
【００４４】
また、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。
【００４５】
表５、７〜１０に示される結果から、本発明被覆工具は、その硬質被覆層が、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、単一層からなる単層領域との交互積層構造として構成されていることにより、複層領域によって、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が改善されるとともに、単層領域の存在によって、層間剥離が防止され、機械的衝撃の緩和が図られるので、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合、長期に亘ってすぐれた切削性能（特に、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、耐摩耗性）を発揮する。
これに対して、硬質被覆層が（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積層のみで構成された、単層領域が存在しない比較被覆工具においては、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工では、特に潤滑性、耐層間剥離性が十分でないために、チッピング、欠損、剥離の発生等により、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】
【００４６】
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、高い発熱を伴うＮｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工に用いた場合でも、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。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴う高速切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた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】
また、具体的な被覆工具としては、例えば、特許文献１に示されるように、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金で構成された工具基体の表面に、硬質被覆層として種類Ａの一次部分的層と種類Ｂの二次部分的層の交互積層からなる硬質被覆層を形成し、さらに、上記種類Ａの一次部分的層を交互積層構造（例えば、ＴｉＮ−ＡｌＮ，ＨｆＣ−ＮｂＯ，ＺｒＣＮ−ＴａＮ，ＶＮ−ＢＮ，Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ−ＴｉＮの組み合わせからなる交互積層構造）で構成し、上記種類Ｂの二次部分的層を単一層（例えば、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＳｉＣ，ＴａＣＮ）で構成した被覆工具（以下、従来被覆工具という）が知られており、この被覆工具は、耐溶着性、耐摩耗性に優れることが知られている。
また、特許文献２〜４に示されるように、ＷＣ基超硬合金からなる工具基体の表面に、複層構造の硬質被覆層を形成した被覆工具において、複層構造を構成する一つの層として、ＴｉとＳｉ系の複合窒化物層（以下、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層という）を設けることも知られており、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層によって、高温硬さ、耐酸化性が向上することも知られている。
【０００４】
そして、前記特許文献１〜４に示される被覆工具は、例えば、蒸着形成する硬質被覆層の種類に応じた成分組成を有する複数のカソード電極（蒸発源）を配置したアークイオンプレーティング装置において、装置内に工具基体を装入し、装置内を窒素ガス反応雰囲気とし、また、加熱した状態で、複数のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に、順次、アーク放電を発生させ、上記工具基体には、バイアス電圧を印加した条件で成膜することにより、工具基体の表面に、交互積層構造、あるいは、複層構造の硬質被覆層を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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１８５１７２号明細書
【特許文献２】特開２０００−３３４６０６号公報
【特許文献３】特開２０００−３３４６０７号公報
【特許文献４】特開２００８−１６２００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、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、切削加工はますます高速化の傾向にあり、さらに、各種の被削材に対する切削工具の汎用化も求められているが、上記特許文献１〜４に示される被覆工具においては、これを、鋼や鋳鉄等の通常条件の切削に用いた場合には特段の問題は生じないが、例えば、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合には、被削材である耐熱合金の熱伝導率が低く、切削熱によって切削工具の刃先の表面温度が高くなるため、交互積層構造あるいは複層構造を構成する硬質被覆層の層間剥離が生じ、その結果、硬質被覆層の耐摩耗性が十分に発揮されず、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】
【０００７】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いたような場合にも、溶着の発生、層間剥離が生じることなく、硬質被覆層がすぐれた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。
【０００８】
上記の従来の被覆工具の交互積層、複層の一つの層を構成する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層においては、Ｔｉ成分には高温靭性、高温強度を向上させる作用があり、また、Ｓｉ成分は耐酸化性を向上させ、酸化による層の硬度低下を抑制することから、交互積層、複層の一つの層として（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を備えることにより、通常の切削条件では、耐酸化性、耐摩耗性の改善が見られる。
しかし、上記（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は、靭性に劣り、しかも、潤滑性も充分でないため、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削においては、切刃表面温度が高温になるため、チッピング、欠損等の異常損傷を発生しやすく、また、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が交互積層構造の一つの層を構成している場合、硬質被覆層内にはその層厚が増大するほど内部応力（歪み）が蓄積されるようになるが、この内部応力（歪み）が切削加工時の高熱によって開放される際に、交互積層を構成する各層間での剥離が生じ易くなるという問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明者等は、交互積層構造を構成する層材質についてさらに詳細に検討したところ、従来のように、硬質被覆層を規則的な交互積層構造として構成するのではなく、硬質被覆層を、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ａと、（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層からなる薄層Ｂとが交互に積層されている複層領域と、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層または（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層のいずれかの単一層からなる単層領域とで構成するとともに、上記複層領域と単層領域との交互積層構造として硬質被覆層を構成したところ、以下のような知見を得たのである。
【００１０】
すなわち、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ａと、（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層からなる薄層Ｂとが交互に積層されている硬質被覆層の複層領域では、それぞれの層の粒の粗大化が防止され、膜強度が向上するとともに、すぐれた耐酸化性、高硬度、高靭性、高潤滑性を備え、さらに、薄層Ａと薄層Ｂとの交互積層構造が、クラックの伝播・進展を防止することで、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が向上する。
これに加えて、硬質被覆層中には、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層または（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層の単一層からなる単層領域が形成されたことによって、層厚の増大にしたがって複層領域に蓄積された内部応力（歪み）は、単層領域の存在によって緩和されるようになるため、硬質被覆層全体としては、大きな内部応力（歪み）が発生することはなく、その結果として、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削において、層間剥離の発生が抑制されるようになることを見出したのである。
【００１１】
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、
「 工具基体表面に硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
上記硬質被覆層は、１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ａと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、１００〜５００ｎｍの層厚の単一層からなる単層領域とを備え、しかも、上記硬質被覆層は、上記複層領域と上記単層領域との交互積層構造として構成され、さらに、
（ａ）上記薄層Ａは、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層からなり、
（ｂ）上記薄層Ｂは、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層からなり、
（ｃ）上記単一層は、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層、または、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層の何れかからなる、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１２】
この発明の被覆工具の硬質被覆層について、以下に説明する。
【００１３】
複層領域の薄層Ａ（（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）：
薄層Ｂ（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層）と交互に積層されてこの発明の硬質被覆層の複層領域を形成する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ａは、Ｓｉ成分によって、すぐれた耐酸化性を有するため、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削における高温下においても、すぐれた高硬度を維持する。
（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ａを、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層からなるが、Ｓｉの含有割合を示すＸの値（但し、原子比）が、０．０１未満であると、薄層Ａの有する高温硬さが不十分となり、一方、Ｘの値が０．３０を超えると、薄層Ａの高温靭性、高温強度が低下するようになることから、Ｘの値は、０．０１〜０．３０（但し、原子比）と定めた。
【００１４】
複層領域の薄層Ｂ（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層）：
薄層Ａ（（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）と交互に積層されてこの発明の硬質被覆層の複層領域を形成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ｂは、靭性および潤滑性にすぐれることから、薄層Ａと交互に積層されることにより、云わば、薄層Ａに相対的に不足する特性を補完すると同時に、複層領域の強度を高め、さらに、層間密着性を高める。
（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層からなる薄層Ｂを、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層であり、Ｖの含有割合を示すＹの値（但し、原子比）が、０．４０未満であると、薄層Ｂの靭性および潤滑性が不十分となり、一方、Ｙの値が０．７０を超えると、薄層Ｂの高温硬さが低下するので、Ｙの値は、０．４０〜０．７０（但し、原子比）と定めた。
【００１５】
薄層Ａ、薄層Ｂの層厚：
薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層して構成した複層領域では、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、上記薄層Ａ及び薄層Ｂのそれぞれの層厚が１ｎｍ未満では、各薄層を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、各薄層の有する上記のすぐれた特性を発揮することができず、一方、それぞれの層厚が５０ｎｍ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、薄層Ａ、薄層Ｂのそれぞれの層厚を、１〜５０ｎｍと定めた。
また、薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層した複層領域は、その領域厚みが０．０１μｍ未満では、薄層Ａの備える高硬度を充分発揮して耐摩耗性の向上を図ることができず、一方、その領域厚みが０．５μｍを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層した複層領域の領域厚みは、０．０１〜０．５μｍであることが望ましい。
【００１６】
単層領域：
単層領域は、上記薄層Ａと同一の成分組成の単一層、あるいは、の成分・組成は、前記薄層Ｂと同一の成分組成の単一層で構成するが、硬質被覆層中におけるすべての単層領域が、薄層Ａと同一材種の単一層、あるいは、薄層Ｂと同一材種の単一層で形成されていなければならないわけではなく、例えば、工具基体側の単層領域薄層Ａと同一材種の単一層で構成され、また、硬質被覆層の表層側では、薄層Ａと同一材種の単一層で単層領域が構成されていてもよい。
すなわち、層厚方向に沿って形成されている単層領域は、薄層Ａと同一材種で、あるいは、薄層Ｂと同一材種で、単一層として構成されていれば良い。
この単層領域は、その材種に応じた所定の作用効果を備える（例えば、薄層Ａと同一材種であれば、高硬度、耐酸化性を備え、また、薄層Ｂと同一材種であれば、高靭性、高潤滑性を備える）が、このような作用効果に加えて、単層領域の存在は、複層領域において増大蓄積された内部応力（歪み）を、この単層領域で緩和するという点で大きな技術的な意義があり、また、切削加工時に硬質被覆層に加わった衝撃力を、この単層領域で緩和する作用もある。
したがって、硬質被覆層全体としては、その内部に大きな内部応力（歪み）が形成されることはなく、その結果として、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削においても、層間剥離の発生が抑制される。
ただ、単層領域の領域厚さが１００ｎｍ未満の場合、内部応力の緩和作用、衝撃力の緩和作用が十分期待できず、一方、その厚さが５００ｎｍを超えると、硬質被覆層全体として耐酸化性、高温硬さが低下するようになることから、単層領域の領域厚さは、１００〜５００ｎｍと定めた。
【００１７】
硬質被覆層の層厚：
上記複層領域と上記単層領域との交互積層として構成される硬質被覆層は、その全体層厚が０．３μｍ未満であると、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を十分に発揮できず、一方、全体層厚が５μｍを超えると、チッピング、欠損等を発生しやすくなることから、硬質被覆層の全体層厚は、０．３〜５μｍとすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の表面被覆切削工具は、硬質被覆層が、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、単一層からなる単層領域との交互積層構造として構成されていることにより、複層領域ではそれぞれの薄層の膜強度が向上し、薄層Ａによりすぐれた耐酸化性、高硬度を、また、薄層Ｂにより高靭性、高潤滑性を備え、さらに、クラックの伝播・進展が抑制されることで、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が改善されるとともに、これに加えて、単層領域の存在によって、特に複層領域で形成・蓄積しやすい内部応力（歪み）が緩和されることによって、これに起因して発生する層間剥離が防止され、さらに、切削加工時に加わる機械的衝撃をも緩和することができるので、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【図２】この発明の被覆工具の硬質被覆層の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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】
【００２１】
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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、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：０．０２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−５を形成した。
【００２２】
（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−５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、一方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金、対向する他方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層形成用Ｔｉ−Ｖ合金を前記回転テーブルを挟んで配置する。
なお、Ｔｉ−Ｓｉ合金からなるカソード電極（蒸発源）は薄層Ａ、単層領域の蒸着形成に用い、Ｔｉ−Ｖ合金からなるカソード電極（蒸発源）は、薄層Ｂ、単層領域の蒸着形成に用いる。
（ｂ）まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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て、例えば、Ｔｉ−Ｓｉ合金（あるいはＴｉ−Ｖ合金）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する。
（ｃ）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、前記回転テーブル上で、６〜４８ｒｐｍの速度で自転しながら、同時に、回転テーブルの回転中心軸の周りに１〜８ｒｐｍの速度で回転（公転）する工具基体に−８０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、例えば、Ｔｉ−Ｖ合金カソード電極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、同時に、回転テーブルを挟んでＴｉ−Ｖ合金カソード電極に相対向して配置したＴｉ−Ｓｉ合金カソード電極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、Ｔｉ−Ｖ合金カソード電極近傍に位置する工具基体には薄層Ｂを、また、Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極近傍に位置する工具基体には薄層Ａを蒸着し、ついで、回転テーブルが回転することによって、薄層Ｂが蒸着された工具基体に対しては薄層Ａを蒸着し、薄層Ａが蒸着された工具基体に対しては薄層Ｂを蒸着し、同様にして、薄層Ａと薄層Ｂとを交互に繰り返し蒸着することにより、工具基体の表面に、表２、３に示される目標組成および目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層した複層領域を形成する。
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し２Ｐａの反応雰囲気を維持したまま、前記回転テーブル上で６〜４８ｒｐｍの速度で自転しながら、回転テーブルの回転中心軸の周りに１〜８ｒｐｍの速度で回転（公転）する複層領域が形成された工具基体に、−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ｔｉ−Ｖ合金カソード電極（あるいはＴｉ−Ｓｉ合金カソード電極）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、もって該工具基体の表面に、表２、３に示される目標組成および目標層厚の単層領域を蒸着形成する。
（ｅ）ついで、上記（ｃ）、（ｄ）を、目標とする硬質被覆層の全体層厚になるまで交互に繰り返し行うことにより、
図２に示される複層領域と単層領域との交互積層構造からなる硬質被覆層を有する、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本発明被覆チップ１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２３】
比較の目的で、これら工具基体Ａ−１〜Ａ−５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、カソード電極（蒸発源）として、それぞれ表４に示される目標組成に対応した成分組成をもったＴｉ−Ｖ合金及びＴｉ−Ｓｉ合金を装着し、
まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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Ｔｉ−Ｓｉ合金（あるいはＴｉ−Ｖ合金）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、
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−１００Ｖに下げて、例えば、前記Ｔｉ−Ｖ合金の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の表面に、表４に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層を蒸着形成し、
ついで、前記Ｔｉ−Ｓｉ合金の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の表面に、表４に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成し、
上記の（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の蒸着形成を交互に繰り返すことにより、
表４に示される目標組成および目標層厚の交互積層からなる硬質被覆層を有する、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２４】
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１〜１０および比較被覆チップ１〜１０について、
被削材：質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．５％Ｆｅ−５．２％Ｃｄ−５％Ｔａ−３％Ｍｏ−０．９％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．３％Ｓｉ−０．２％Ｍｎ−０．０５％Ｃｕ−０．０４％Ｃの組成を有するＮｉ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）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、３０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：質量％で、Ｃｏ−２３％Ｃｒ−６％Ｍｏ−２％Ｎｉ−１％Ｆｅ−０．６％Ｓｉ−０．４％Ｃの組成を有するＣｏ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）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、２５ｍ／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５に示した。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】
【００２８】
【表４】
【００２９】
【表５】
【実施例２】
【００３０】
原料粉末として、平均粒径０．８μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．５μｍのＶＣ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６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、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４５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−４をそれぞれ製造した。
【００３１】
ついで、これらの工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４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、層厚方向に沿って表７に示される目標組成および目標層厚の、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域、および、単層領域との交互積層構造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被覆エンドミル１〜８をそれぞれ製造した。
【００３２】
また、比較の目的で、上記の工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４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、工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４の表面に、表８に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積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比較被覆エンドミル１〜８をそれぞれ製造した。
【００３３】
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について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１４％Ｃｏ−４．５％Ｍｏ−２．５％Ｔｉ−２％Ｆｅ−１．２％Ａｌ−０．７％Ｍｎ−０．４％Ｓｉの組成を有するＮｉ基合金の板材、
切削速度： ４０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ２．５ ｍｍ、
テーブル送り： １００ ｍｍ／分、
の条件でのＮｉ基合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度および溝深さは、それぞれ、２５ｍ／ｍｉｎ．および１．２ｍｍ）、
を行い、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７、８にそれぞれ示した。
【００３４】
【表６】
【００３５】
【表７】
【００３６】
【表８】
【実施例３】
【００３７】
上記の実施例２で製造した丸棒焼結体を用い、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８ｍｍ×４８ｍｍ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）Ｄ−１〜Ｄ−４をそれぞれ製造した。
【００３８】
ついで、これらの工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４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、層厚方向に沿って表９に示される目標組成および目標層厚の、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域、および、単層領域との交互積層構造からなる上部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被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。
【００３９】
また、比較の目的で、上記の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４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、工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表１０に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積層構造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比較被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。
【００４０】
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について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．５％Ｆｅ−５．２％Ｃｄ−５％Ｔａ−３％Ｍｏ−０．９％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．３％Ｓｉ−０．２％Ｍｎ−０．０５％Ｃｕ−０．０４％Ｃの組成を有するＮｉ基合金の板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２０ ｍｍ、
の条件でのＮｉ基合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２５ｍ／ｍｉｎ．および０．１２ｍｍ／ｒｅｖ）、
を行い（水溶性切削油使用）、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９、１０にそれぞれ示した。
【００４１】
【表９】
【００４２】
【表１０】
【００４３】
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１〜１０、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の薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域および単層領域、さらに、比較被覆チップ１〜１０、比較被覆エンドミル１〜８および比較被覆ドリル１〜８の薄層Ａと薄層Ｂとの交互積層を構成する（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）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、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
【００４４】
また、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。
【００４５】
表５、７〜１０に示される結果から、本発明被覆工具は、その硬質被覆層が、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、単一層からなる単層領域との交互積層構造として構成されていることにより、複層領域によって、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が改善されるとともに、単層領域の存在によって、層間剥離が防止され、機械的衝撃の緩和が図られるので、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合、長期に亘ってすぐれた切削性能（特に、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、耐摩耗性）を発揮する。
これに対して、硬質被覆層が（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積層のみで構成された、単層領域が存在しない比較被覆工具においては、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工では、特に潤滑性、耐層間剥離性が十分でないために、チッピング、欠損、剥離の発生等により、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】
【００４６】
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、高い発熱を伴うＮｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工に用いた場合でも、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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具基体表面に硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
上記硬質被覆層は、１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ａと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、１００〜５００ｎｍの層厚の単一層からなる単層領域とを備え、しかも、上記硬質被覆層は、上記複層領域と上記単層領域との交互積層構造として構成され、さらに、
（ａ）上記薄層Ａは、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層からなり、
（ｂ）上記薄層Ｂは、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層からなり、
（ｃ）上記単一層は、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層、または、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層の何れかからなる、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項１】
工具基体表面に硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
上記硬質被覆層は、１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ａと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、１００〜５００ｎｍの層厚の単一層からなる単層領域とを備え、しかも、上記硬質被覆層は、上記複層領域と上記単層領域との交互積層構造として構成され、さらに、
（ａ）上記薄層Ａは、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層からなり、
（ｂ）上記薄層Ｂは、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層からなり、
（ｃ）上記単一層は、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＳｉＸ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．０１〜０．３０（但し、原子比）を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層、または、
組成式：［Ｔｉ１−ＹＶＹ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．４０〜０．７０（但し、原子比）を満足するＴｉとＶの複合窒化物層の何れかからなる、
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２０１１−１６７７９２（Ｐ２０１１−１６７７９２Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３３２１２（Ｐ２０１０−３３２１２）
【出願日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【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２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【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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