表面被覆切削工具
【課題】溶着性の高い被削材の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】ＷＣ超硬合金製工具基体の表面に、薄層Ａと薄層Ｂの二層積層構造、または、これらの三層以上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、チタンとアルミニウムの複合窒化物層、薄層Ｂは、層厚方向に沿って傾斜組成をなすアルミニウム酸化物層からなり、さらに、薄層Ａと薄層Ｂとの界面では、薄層Ｂの構成成分である酸素とアルミニウムは、１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）の関係を満足する。
【解決手段】ＷＣ超硬合金製工具基体の表面に、薄層Ａと薄層Ｂの二層積層構造、または、これらの三層以上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、チタンとアルミニウムの複合窒化物層、薄層Ｂは、層厚方向に沿って傾斜組成をなすアルミニウム酸化物層からなり、さらに、薄層Ａと薄層Ｂとの界面では、薄層Ｂの構成成分である酸素とアルミニウムは、１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）の関係を満足する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い被削材の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する、炭化タングステン基超硬合金製表面被覆切削工具（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、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金からなる工具基体の表面に、チタンとアルミニウムの複合窒化物層とアルミナ層の積層構造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、このような層構成とすることによって、被覆工具の切削性能の改善を図ることが提案されている。
例えば、特許文献１には、工具基体の表面に、傾斜組成を有するチタンとアルミニウムの複合窒化物層（組成式：（ＴｉαＡｌ１−α）Ｎ層（但し、０＜α＜１））を中間層として介在形成することにより、工具基体−アルミナ層間の付着強度を向上させることが示されているが、このような硬質被覆層を形成するためには、複数の組成のターゲットが必要となり、成膜工程、成膜装置が煩雑となるという欠点があった。
また、特許文献２には、工具基体の表面に、チタンとアルミニウムの複合窒化物層とアルミナ層を積層し、さらに、最表面層としてＺｒＮ層を形成することにより、ねずみ鋳鉄、マルテンサイトステンレス鋼の切削加工において被覆工具の長寿命化が図られることが示されているが、溶着性の高い被削材を高速切削した場合には、溶着を原因とした欠損、剥離等が発生するため、短時間で寿命に至ることが多かった。
また、特許文献３には、工具基体の表面に、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ等のＴｉ化合物層を下部層として、この上に酸素欠乏アルミナ（（Ａｌ２Ｏ３−β）層（但し、０．２≦β≦０．５））を形成することにより、硬質被覆層の強靭性を向上させるとともに、耐チッピング性を改善することが示されているが、高速切削条件下では、酸素欠乏アルミナは反応性が高いため、溶着を生じ易く、工具寿命が短いものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７４２０４９号明細書
【特許文献２】特開２００７−７５９８９号公報
【特許文献３】特開２０００−１６７７０２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、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は強く、これに伴い、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い被削材についての高能率加工も求められている。
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、これを、高熱発生を伴う高速条件下で、かつ、切刃部に溶着が生じやすいニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工に用いた場合には、溶着の発生を主たる原因として切刃部にチッピング、欠損、剥離等が発生し、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、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い難削材の高速切削加工を行うにあたり、耐溶着性、層間密着強度に優れ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具を提供すべく、鋭意研究を行った結果、次のような知見を得たのである。
ＷＣ基超硬合からなる工具基体の表面に、チタンとアルミニウムの複合窒化物層（以下、薄層Ａで示す）とアルミニウム酸化物層（以下、薄層Ｂで示す）の積層構造からなる硬質被覆層を蒸着形成するにあたり、上記アルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）については、その構成成分である酸素とアルミニウムが、層厚方向に沿って傾斜組成構造を形成し、かつ、上記チタンとアルミニウムの複合窒化物層（薄層Ａ）とアルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）との界面においては、上記アルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）中の酸素とアルミニウムは、１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）の関係を満足するような傾斜組成構造とすることにより、硬質被覆層の耐溶着性、層間密着強度が向上し、その結果、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い難削材の高速切削加工に用いた場合にも、チッピング、欠損、剥離等が生じることはなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
【０００７】
つまり、チタンとアルミニウムの複合窒化物層（薄層Ａ）とアルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）との界面近傍においては、アルミニウム酸化物は、化学量論的に安定なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）組成に比して、酸素量が不足する組成となっており、その結果、界面近傍のアルミニウム酸化物には、結晶格子レベルでポアが形成され、チタンとアルミニウムの複合窒化物層（薄層Ａ）と接する界面における熱膨張差により発生する応力が緩和されるために、高熱条件下における層間密着強度が向上し、溶着発生を原因とするチッピング、欠損、剥離等の発生を抑制できることを見出したのである。
【０００８】
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、薄層Ａと薄層Ｂの積層構造からなる硬質被覆層が蒸着形成されてなる表面被覆切削工具において、
上記薄層Ａは、０．０５〜０．５μｍの平均層厚を有するチタンとアルミニウムの複合窒化物層からなり、
上記薄層Ｂは、０．１〜１μｍの平均層厚を有するアルミニウム酸化物層からなり、その構成成分であるアルミニウムと酸素は、層厚方向に沿って傾斜組成をなしており、さらに、薄層Ａと薄層Ｂとの界面では、
１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）
の関係を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 上記薄層Ａと上記薄層Ｂとが、少なくとも三層以上交互に積層された交互積層構造を備えることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【０００９】
この発明について、以下に詳細に説明する。
【００１０】
チタンとアルミニウムの複合窒化物層からなる薄層Ａ：
この発明の被覆工具の硬質被覆層の積層構造を構成するチタンとアルミニウムの複合窒化物（以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す）層（薄層Ａ）において、Ｔｉ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。
また、薄層Ａは、ＷＣ基超硬合金製工具基体とすぐれた密着強度を有するとともに、これと積層構造を構成する他の層である傾斜組成構造を有するアルミナ層（薄層Ｂ）ともすぐれた密着強度を有するため、被覆工具全体としての層間密着強度の向上に寄与する。
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａの一層平均層厚が０．０５μｍ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、一層平均層厚が０．５μｍ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、薄層Ａの一層平均層厚は０．０５〜０．５μｍと定めた。
【００１１】
この（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａの成膜は、従来知られている物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置を用い、窒素雰囲気中で所定組成のＴｉ−Ａｌ合金をターゲットとして蒸着することによって形成することができる。
また、薄層Ａの組成については特に制限するものではないが、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ （但し、Ｘは原子比を示す）
で表した場合、Ａｌ成分の含有割合を示すＸ値が０．６を超えると、相対的にＴｉの割合が少なくなり過ぎて、層の高温強度が低下傾向を示し、一方、Ｘ値が０．３未満になると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、摩耗が促進されるようになることから、Ｘ値は０．３〜０．６と定めることが望ましい。
【００１２】
アルミニウム酸化物からなる薄層Ｂ：
薄層Ａと積層構造を構成する薄層Ｂにおいては、薄層Ｂの構成成分である酸素とアルミニウムは、層厚方向に沿って傾斜組成構造を形成しており、かつ、薄層Ａと薄層Ｂの界面においては、薄層Ｂにおけるアルミニウムと酸素の含有割合は、
１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）
の関係を満足することが必要である。
ここで、１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）を、Ａｌ２ＯＹという組成式で表現し直せば、２．４４≦Ｙ≦２．９（但し、Ｙは原子比）ということになり、通常の化学量論組成のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べ、酸素量が不足する酸素欠乏アルミナであるということになる。
【００１３】
この発明で、薄層Ｂを傾斜組成構造としたのは、次のような理由による。
つまり、通常の化学量論組成のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）は、優れた高温硬さ、耐酸化性を有するものの、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａとの十分な密着強度を有さないため、高熱発生を伴い、かつ、溶着性の高い難削材の切削加工では、層間の熱膨張差によりアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層の剥離が生じ易い。
しかし、前記Ａｌ２ＯＹ（但し、Ｙは原子比で、２．４４≦Ｙ≦２．９）で表される酸素欠乏アルミナは、薄層Ａと薄層Ｂの界面において、結晶格子レベルでのポアが形成され、薄層Ａと薄層Ｂの界面で発生した熱膨張差により生じる応力が緩和されるために、層間密着強度が向上し、溶着発生を原因とするチッピング、欠損、剥離等の発生を抑制できることから、この発明では、薄層Ａと薄層Ｂの界面におけるアルミニウム酸化物層のアルミニウムと酸素の含有割合を、
１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）
と定めた。
（なお、組成式で言い換えれば、Ａｌ２ＯＹという組成式において、２．４４≦Ｙ≦２．９（但し、Ｙは原子比）に相当する。）
ここで、上記の酸素欠乏アルミナにおいて、（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値が１．２２未満（前記組成式におけるＹ＜２．４４に相当）では、層の強靭性が向上する半面、高熱条件下での反応性が高くなり、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の高速切削において溶着を生じ易くなることから、薄層Ａと薄層Ｂの界面における上記酸素欠乏アルミナにおける（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値を１．２２以上とした。
一方、（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値が１．４５を超える（前記組成式におけるＹ＞２．９に相当）と、界面で発生した熱膨張差により生じる応力を緩和する効果が弱くなり、溶着発生を原因とするチッピング、欠損、剥離等を生じ易くなることから、薄層Ａと薄層Ｂの界面における上記酸素欠乏アルミナにおける（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値を１．４５以下とした。
したがって、本発明では、薄層Ａと薄層Ｂの界面における上記酸素欠乏アルミナにおける（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値を、１．２２〜１．４５（前記組成式でいえば、２．４４≦Ｙ≦２．９）と定めた。
なお、薄層Ｂの傾斜組成構造は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて確認することができる。
【００１４】
したがって、この発明では、耐溶着性の低下を招くことなく、しかも、薄層Ａと薄層Ｂとの層間密着強度を高めるという観点から、薄層Ａと薄層Ｂとの界面以外の領域は、通常の化学量論組成のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）あるいはこれに類似する組成のアルミニウム酸化物で構成し、薄層Ａと薄層Ｂとの界面では、上記のアルミニウムと酸素の含有割合からなる酸素欠乏アルミナで構成し、結果として、薄層Ｂを傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層で構成することとした。
【００１５】
アルミニウム酸化物層からなる薄層Ｂは、その一層平均層厚が０．１μｍ未満では、薄層Ａとの界面において所定組成の酸素欠乏アルミナを形成することが困難となるため薄層Ａとの密着強度を十分に高めることができず、また、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、一層平均層厚が０．１μｍ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、薄層Ｂの一層平均層厚は０．１〜１μｍと定めた。
【００１６】
この発明は、上記薄層Ａと薄層Ｂの積層を繰り返し行うことによって、三層以上の交互積層構造からなる硬質被覆層を形成することができる。
そして、交互積層数を増加し、硬質被覆層を厚膜化しても、薄層Ａと薄層Ｂ間の層間密着強度が優れるため、溶着に起因するチッピング、欠損、剥離の発生が抑えられ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することができる。
【００１７】
この発明の薄層Ａと組成傾斜構造を有する薄層Ｂの積層構造からなる硬質被覆層は、例えば、図１に示されるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置とスパッタリング（ＳＰ）装置を併設した物理蒸着装置において、まず、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットを用い、窒素ガス雰囲気中でアークイオンプレーティングにより薄層Ａを蒸着形成した後、Ａｌターゲットを用い、酸素−アルゴン混合ガス雰囲気中でスパッタリング（ＳＰ）によりアルミニウム酸化物層からなる薄膜Ｂを蒸着形成することにより、積層構造を構成することができるが、薄層Ａとの界面になる薄層Ｂの成膜に際しては、酸素−アルゴン混合ガスの酸素分率を相対的に低減させて蒸着し、一方、薄層Ａとの界面以外の領域の薄層Ｂの成膜は、酸素−アルゴン混合ガスの酸素分率を相対的に増大させて蒸着することにより、組成傾斜構造を形成することができる。
また、薄層Ａと薄層Ｂとの三層以上の交互積層構造を構成する場合には、上記薄層Ａの成膜と薄層Ｂの成膜を交互に繰り返し行うことによって、所望の積層数の硬質被覆層を成膜することができる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層を、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａと、傾斜組成構造を有するアルミニウム酸化物層からなる薄層Ｂとの積層構造あるいは少なくとも三層以上の交互積層構造として構成したことにより、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い難削材の高速切削加工において、耐溶着性、層間密着強度に優れ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明被覆工具の硬質被覆層を蒸着形成するのに用いるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置とスパッタリング（ＳＰ）装置を併設した物理蒸着装置の概略説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図を示す。
【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、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。
【００２２】
ついで、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−１０を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置とスパッタリング（ＳＰ）装置を併設した物理蒸着装置に装着し、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置のカソード電極として、所定組成のＴｉ−Ａｌ合金を、また、スパッタリング（ＳＰ）装置のカソード電極として、金属Ａｌを配置し、
まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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の直流バイアス電圧を印加し、かつ、工具基体表面をＡｒガスボンバード洗浄し、
ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して５Ｐａ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、
（ａ）前記Ｔｉ−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２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａを蒸着形成し、
（ｂ） ついで、前記装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０〜１２．５ｓｃｃｍ，Ｏ２：２．５〜４．５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、薄層Ａとの界面に表２に示される組成の酸素欠乏アルミナを形成し、
（ｃ） 引き続き、スパッタを継続させつつ、アルゴン−酸素混合ガス中の酸素含有割合を順次に高めていき、Ａｒ：１０ｓｃｃｍ，Ｏ２：５ｓｃｃｍの組成割合とした反応雰囲気中で、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いて継続してスパッタを行うことにより、通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層を表２に示される目標層厚で形成することにより、
薄層Ａと薄層Ｂの積層構造からなる硬質被覆層を有する本発明の表面被覆切削工具（以下、本発明工具と云う）１〜１０を製造した。
【００２３】
比較の目的で、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−５をＡｒガスボンバード洗浄し、上記本発明工具１〜５の成膜工程（ａ）と同じ条件で、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成した後、
前記装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０〜１２．５ｓｃｃｍ，Ｏ２：２．５〜４．５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の上に表３に示される組成の酸素欠乏アルミナ層を蒸着形成することにより、比較例の表面被覆切削工具（以下、比較例工具と云う）１〜５を製造した。
さらに、上記の工具基体Ａ−６〜Ａ−１０をＡｒガスボンバード洗浄し、上記本発明工具６〜１０の成膜工程（ａ）と同じ条件で、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成した後、
前記装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０ｓｃｃｍ，Ｏ２：５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の上に表３に示される通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層を蒸着形成することにより、比較例の表面被覆切削工具（以下、比較例工具と云う）６〜１０を製造した。
【００２４】
本発明工具１〜１０および比較例工具１〜１０について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層については、その層厚と層厚中央部の組成を測定した。
また、本発明工具１〜１０の傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）については、その層厚と、薄層Ａとの界面（界面〜５ｎｍの厚さ領域）における組成を、同じく、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて測定した。
さらに、比較例工具１〜１０については、その層厚と層厚中央部の組成を同様に測定した。
表２、表３にそれらの測定結果を示す。
【００２５】
つぎに、上記本発明工具１〜１０および比較例工具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、
《切削条件１》
被削材：Ｔｉ６Ａｌ４Ｖの丸棒、
切削速度：８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ ｍｍ、
送り：０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５ 分、
の条件でチタン合金の乾式連続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ）、
また、
《切削条件２》
被削材：インコネル７１８の丸棒、
切削速度：９０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ ｍｍ、
送り：０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５ 分、
の条件でニッケル合金の乾式連続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ）、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件１，２による切削加工試験の測定結果を表４に示した。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【表２】
【００２８】
【表３】
【００２９】
【表４】
【実施例２】
【００３０】
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａと、傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層からなる薄層Ｂの三層以上の交互積層構造を備えた硬質被覆層を有する本発明の表面被覆切削工具（以下、本発明工具と云う）１１〜２０を、以下の工程で製造した。
【００３１】
上記実施例１の場合と同様に、成膜工程（ａ）により、工具基体の表面に、表５に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａを蒸着形成し、ついで、上記実施例１の成膜工程（ｂ）により、薄層Ａとの界面に表５に示される組成の酸素欠乏アルミナを形成し、
（ｄ） 引き続き、スパッタを継続させつつ、アルゴン−酸素混合ガス中の酸素含有割合を順次に高めていき、Ａｒ：１０ｓｃｃｍ，Ｏ２：５ｓｃｃｍの組成割合とした反応雰囲気中で、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いて継続してスパッタを行うことにより、通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層を形成し、
（ｅ）所定の層厚の薄層Ｂの成膜が完了する前に、スパッタを継続したまま、アルゴン−酸素混合ガス中の酸素含有割合を順次に低めていき、Ａｒ：１０〜１２．５ｓｃｃｍ，Ｏ２：２．５〜４．５ｓｃｃｍの組成割合とした反応雰囲気中で、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いて継続してスパッタを行うことにより、表５に示される組成の酸素欠乏アルミナを形成し、
（ｆ）次いで、上記（ａ）の成膜工程と同様な工程により、表５に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａを蒸着形成し、以後、成膜工程（ｂ）→（ｄ）→（ｅ）→（ａ）→（ｂ）→（ｄ）→（ｅ）・・を所要回数繰り返し行うことにより、表５に示される交互積層数からなる本発明工具１１〜２０を製造した。
【００３２】
比較の目的で、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−５をＡｒガスボンバード洗浄し、上記本発明工具１１〜１５と同じ条件で、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成した後、
装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０〜１２．５ｓｃｃｍ，Ｏ２：２．５〜４．５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の上に表６に示される組成の酸素欠乏アルミナ層を蒸着形成し、
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と酸素欠乏アルミナ層との積層を所要回数繰り返すことにより、表６に示される交互積層数からなる比較例工具１１〜１５を製造した。
さらに、上記の工具基体Ａ−６〜Ａ−１０をＡｒガスボンバード洗浄し、上記本発明工具１６〜２０と同じ条件で、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成した後、
装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０ｓｃｃｍ，Ｏ２：５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の上に表３に示される通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層を蒸着形成し、
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層との積層を所要回数繰り返すことにより、表６に示される交互積層数からなる比較例工具１６〜２０を製造した。
【００３３】
実施例１の場合と同様に、本発明工具１１〜２０および比較例工具１１〜２０について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層については、その一層平均層厚と層厚中央部の組成を測定した。
また、本発明工具１１〜２０の傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）については、その一層平均層厚と、薄層Ａとの界面（界面〜５ｎｍの厚さ領域）における組成を、同じく、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて測定した。
さらに、比較例工具１１〜２０については、その一層平均層厚と層厚中央部の組成を同様に測定した。
表５、表６にそれらの測定結果を示す。
【００３４】
つぎに、上記本発明工具１１〜２０および比較例工具１１〜２０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、
《切削条件３》
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の４溝スリット材、
切削速度：１７０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ ｍｍ、
送り：０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３ 分、
の条件でステンレス鋼の乾式断続切削溝入れ加工試験、
また、
《切削条件４》
被削材：Ｔｉ６Ａｌ４Ｖの４溝スリット材、
切削速度：６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ ｍｍ、
送り：０．１ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３ 分、
の条件でチタン合金の乾式断続切削溝入れ加工試験、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件３，４による切削加工試験の測定結果を表７に示した。
【００３５】
【表５】
【００３６】
【表６】
【００３７】
【表７】
【００３８】
表４、７に示される結果から、本発明工具１〜１０、１１〜２０は、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａと傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層からなる薄層Ｂの積層構造で硬質被覆層が構成されていることから、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い被削材の高速切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する。
これに対して、硬質被覆層が、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と酸素欠乏アルミナ層との積層で構成されている比較例工具１〜５，１１〜１５、また、硬質被覆層が、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層との積層で構成されている比較例工具６〜１０，１６〜２０は、耐溶着性に劣るため耐チッピング性、耐欠損性が不満足であり、あるいは、層間密着強度に劣るため剥離等を生じ、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】
【００３９】
上述のように、この発明の被覆工具は、溶着性の高い被削材の高速切削加工で、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することから、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、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い被削材の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する、炭化タングステン基超硬合金製表面被覆切削工具（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、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金からなる工具基体の表面に、チタンとアルミニウムの複合窒化物層とアルミナ層の積層構造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、このような層構成とすることによって、被覆工具の切削性能の改善を図ることが提案されている。
例えば、特許文献１には、工具基体の表面に、傾斜組成を有するチタンとアルミニウムの複合窒化物層（組成式：（ＴｉαＡｌ１−α）Ｎ層（但し、０＜α＜１））を中間層として介在形成することにより、工具基体−アルミナ層間の付着強度を向上させることが示されているが、このような硬質被覆層を形成するためには、複数の組成のターゲットが必要となり、成膜工程、成膜装置が煩雑となるという欠点があった。
また、特許文献２には、工具基体の表面に、チタンとアルミニウムの複合窒化物層とアルミナ層を積層し、さらに、最表面層としてＺｒＮ層を形成することにより、ねずみ鋳鉄、マルテンサイトステンレス鋼の切削加工において被覆工具の長寿命化が図られることが示されているが、溶着性の高い被削材を高速切削した場合には、溶着を原因とした欠損、剥離等が発生するため、短時間で寿命に至ることが多かった。
また、特許文献３には、工具基体の表面に、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ等のＴｉ化合物層を下部層として、この上に酸素欠乏アルミナ（（Ａｌ２Ｏ３−β）層（但し、０．２≦β≦０．５））を形成することにより、硬質被覆層の強靭性を向上させるとともに、耐チッピング性を改善することが示されているが、高速切削条件下では、酸素欠乏アルミナは反応性が高いため、溶着を生じ易く、工具寿命が短いものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７４２０４９号明細書
【特許文献２】特開２００７−７５９８９号公報
【特許文献３】特開２０００−１６７７０２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、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は強く、これに伴い、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い被削材についての高能率加工も求められている。
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、これを、高熱発生を伴う高速条件下で、かつ、切刃部に溶着が生じやすいニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の難削材の高速切削加工に用いた場合には、溶着の発生を主たる原因として切刃部にチッピング、欠損、剥離等が発生し、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、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い難削材の高速切削加工を行うにあたり、耐溶着性、層間密着強度に優れ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具を提供すべく、鋭意研究を行った結果、次のような知見を得たのである。
ＷＣ基超硬合からなる工具基体の表面に、チタンとアルミニウムの複合窒化物層（以下、薄層Ａで示す）とアルミニウム酸化物層（以下、薄層Ｂで示す）の積層構造からなる硬質被覆層を蒸着形成するにあたり、上記アルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）については、その構成成分である酸素とアルミニウムが、層厚方向に沿って傾斜組成構造を形成し、かつ、上記チタンとアルミニウムの複合窒化物層（薄層Ａ）とアルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）との界面においては、上記アルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）中の酸素とアルミニウムは、１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）の関係を満足するような傾斜組成構造とすることにより、硬質被覆層の耐溶着性、層間密着強度が向上し、その結果、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い難削材の高速切削加工に用いた場合にも、チッピング、欠損、剥離等が生じることはなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
【０００７】
つまり、チタンとアルミニウムの複合窒化物層（薄層Ａ）とアルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）との界面近傍においては、アルミニウム酸化物は、化学量論的に安定なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）組成に比して、酸素量が不足する組成となっており、その結果、界面近傍のアルミニウム酸化物には、結晶格子レベルでポアが形成され、チタンとアルミニウムの複合窒化物層（薄層Ａ）と接する界面における熱膨張差により発生する応力が緩和されるために、高熱条件下における層間密着強度が向上し、溶着発生を原因とするチッピング、欠損、剥離等の発生を抑制できることを見出したのである。
【０００８】
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、薄層Ａと薄層Ｂの積層構造からなる硬質被覆層が蒸着形成されてなる表面被覆切削工具において、
上記薄層Ａは、０．０５〜０．５μｍの平均層厚を有するチタンとアルミニウムの複合窒化物層からなり、
上記薄層Ｂは、０．１〜１μｍの平均層厚を有するアルミニウム酸化物層からなり、その構成成分であるアルミニウムと酸素は、層厚方向に沿って傾斜組成をなしており、さらに、薄層Ａと薄層Ｂとの界面では、
１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）
の関係を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 上記薄層Ａと上記薄層Ｂとが、少なくとも三層以上交互に積層された交互積層構造を備えることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【０００９】
この発明について、以下に詳細に説明する。
【００１０】
チタンとアルミニウムの複合窒化物層からなる薄層Ａ：
この発明の被覆工具の硬質被覆層の積層構造を構成するチタンとアルミニウムの複合窒化物（以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す）層（薄層Ａ）において、Ｔｉ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。
また、薄層Ａは、ＷＣ基超硬合金製工具基体とすぐれた密着強度を有するとともに、これと積層構造を構成する他の層である傾斜組成構造を有するアルミナ層（薄層Ｂ）ともすぐれた密着強度を有するため、被覆工具全体としての層間密着強度の向上に寄与する。
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａの一層平均層厚が０．０５μｍ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、一層平均層厚が０．５μｍ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、薄層Ａの一層平均層厚は０．０５〜０．５μｍと定めた。
【００１１】
この（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａの成膜は、従来知られている物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置を用い、窒素雰囲気中で所定組成のＴｉ−Ａｌ合金をターゲットとして蒸着することによって形成することができる。
また、薄層Ａの組成については特に制限するものではないが、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ （但し、Ｘは原子比を示す）
で表した場合、Ａｌ成分の含有割合を示すＸ値が０．６を超えると、相対的にＴｉの割合が少なくなり過ぎて、層の高温強度が低下傾向を示し、一方、Ｘ値が０．３未満になると、相対的にＡｌの割合が少なくなり過ぎて、摩耗が促進されるようになることから、Ｘ値は０．３〜０．６と定めることが望ましい。
【００１２】
アルミニウム酸化物からなる薄層Ｂ：
薄層Ａと積層構造を構成する薄層Ｂにおいては、薄層Ｂの構成成分である酸素とアルミニウムは、層厚方向に沿って傾斜組成構造を形成しており、かつ、薄層Ａと薄層Ｂの界面においては、薄層Ｂにおけるアルミニウムと酸素の含有割合は、
１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）
の関係を満足することが必要である。
ここで、１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）を、Ａｌ２ＯＹという組成式で表現し直せば、２．４４≦Ｙ≦２．９（但し、Ｙは原子比）ということになり、通常の化学量論組成のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べ、酸素量が不足する酸素欠乏アルミナであるということになる。
【００１３】
この発明で、薄層Ｂを傾斜組成構造としたのは、次のような理由による。
つまり、通常の化学量論組成のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）は、優れた高温硬さ、耐酸化性を有するものの、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａとの十分な密着強度を有さないため、高熱発生を伴い、かつ、溶着性の高い難削材の切削加工では、層間の熱膨張差によりアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層の剥離が生じ易い。
しかし、前記Ａｌ２ＯＹ（但し、Ｙは原子比で、２．４４≦Ｙ≦２．９）で表される酸素欠乏アルミナは、薄層Ａと薄層Ｂの界面において、結晶格子レベルでのポアが形成され、薄層Ａと薄層Ｂの界面で発生した熱膨張差により生じる応力が緩和されるために、層間密着強度が向上し、溶着発生を原因とするチッピング、欠損、剥離等の発生を抑制できることから、この発明では、薄層Ａと薄層Ｂの界面におけるアルミニウム酸化物層のアルミニウムと酸素の含有割合を、
１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）
と定めた。
（なお、組成式で言い換えれば、Ａｌ２ＯＹという組成式において、２．４４≦Ｙ≦２．９（但し、Ｙは原子比）に相当する。）
ここで、上記の酸素欠乏アルミナにおいて、（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値が１．２２未満（前記組成式におけるＹ＜２．４４に相当）では、層の強靭性が向上する半面、高熱条件下での反応性が高くなり、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の高速切削において溶着を生じ易くなることから、薄層Ａと薄層Ｂの界面における上記酸素欠乏アルミナにおける（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値を１．２２以上とした。
一方、（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値が１．４５を超える（前記組成式におけるＹ＞２．９に相当）と、界面で発生した熱膨張差により生じる応力を緩和する効果が弱くなり、溶着発生を原因とするチッピング、欠損、剥離等を生じ易くなることから、薄層Ａと薄層Ｂの界面における上記酸素欠乏アルミナにおける（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値を１．４５以下とした。
したがって、本発明では、薄層Ａと薄層Ｂの界面における上記酸素欠乏アルミナにおける（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）の値を、１．２２〜１．４５（前記組成式でいえば、２．４４≦Ｙ≦２．９）と定めた。
なお、薄層Ｂの傾斜組成構造は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて確認することができる。
【００１４】
したがって、この発明では、耐溶着性の低下を招くことなく、しかも、薄層Ａと薄層Ｂとの層間密着強度を高めるという観点から、薄層Ａと薄層Ｂとの界面以外の領域は、通常の化学量論組成のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）あるいはこれに類似する組成のアルミニウム酸化物で構成し、薄層Ａと薄層Ｂとの界面では、上記のアルミニウムと酸素の含有割合からなる酸素欠乏アルミナで構成し、結果として、薄層Ｂを傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層で構成することとした。
【００１５】
アルミニウム酸化物層からなる薄層Ｂは、その一層平均層厚が０．１μｍ未満では、薄層Ａとの界面において所定組成の酸素欠乏アルミナを形成することが困難となるため薄層Ａとの密着強度を十分に高めることができず、また、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、一層平均層厚が０．１μｍ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、薄層Ｂの一層平均層厚は０．１〜１μｍと定めた。
【００１６】
この発明は、上記薄層Ａと薄層Ｂの積層を繰り返し行うことによって、三層以上の交互積層構造からなる硬質被覆層を形成することができる。
そして、交互積層数を増加し、硬質被覆層を厚膜化しても、薄層Ａと薄層Ｂ間の層間密着強度が優れるため、溶着に起因するチッピング、欠損、剥離の発生が抑えられ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することができる。
【００１７】
この発明の薄層Ａと組成傾斜構造を有する薄層Ｂの積層構造からなる硬質被覆層は、例えば、図１に示されるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置とスパッタリング（ＳＰ）装置を併設した物理蒸着装置において、まず、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットを用い、窒素ガス雰囲気中でアークイオンプレーティングにより薄層Ａを蒸着形成した後、Ａｌターゲットを用い、酸素−アルゴン混合ガス雰囲気中でスパッタリング（ＳＰ）によりアルミニウム酸化物層からなる薄膜Ｂを蒸着形成することにより、積層構造を構成することができるが、薄層Ａとの界面になる薄層Ｂの成膜に際しては、酸素−アルゴン混合ガスの酸素分率を相対的に低減させて蒸着し、一方、薄層Ａとの界面以外の領域の薄層Ｂの成膜は、酸素−アルゴン混合ガスの酸素分率を相対的に増大させて蒸着することにより、組成傾斜構造を形成することができる。
また、薄層Ａと薄層Ｂとの三層以上の交互積層構造を構成する場合には、上記薄層Ａの成膜と薄層Ｂの成膜を交互に繰り返し行うことによって、所望の積層数の硬質被覆層を成膜することができる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層を、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａと、傾斜組成構造を有するアルミニウム酸化物層からなる薄層Ｂとの積層構造あるいは少なくとも三層以上の交互積層構造として構成したことにより、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い難削材の高速切削加工において、耐溶着性、層間密着強度に優れ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明被覆工具の硬質被覆層を蒸着形成するのに用いるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置とスパッタリング（ＳＰ）装置を併設した物理蒸着装置の概略説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図を示す。
【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、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。
【００２２】
ついで、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−１０を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置とスパッタリング（ＳＰ）装置を併設した物理蒸着装置に装着し、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置のカソード電極として、所定組成のＴｉ−Ａｌ合金を、また、スパッタリング（ＳＰ）装置のカソード電極として、金属Ａｌを配置し、
まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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の直流バイアス電圧を印加し、かつ、工具基体表面をＡｒガスボンバード洗浄し、
ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して５Ｐａ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、
（ａ）前記Ｔｉ−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２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａを蒸着形成し、
（ｂ） ついで、前記装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０〜１２．５ｓｃｃｍ，Ｏ２：２．５〜４．５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、薄層Ａとの界面に表２に示される組成の酸素欠乏アルミナを形成し、
（ｃ） 引き続き、スパッタを継続させつつ、アルゴン−酸素混合ガス中の酸素含有割合を順次に高めていき、Ａｒ：１０ｓｃｃｍ，Ｏ２：５ｓｃｃｍの組成割合とした反応雰囲気中で、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いて継続してスパッタを行うことにより、通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層を表２に示される目標層厚で形成することにより、
薄層Ａと薄層Ｂの積層構造からなる硬質被覆層を有する本発明の表面被覆切削工具（以下、本発明工具と云う）１〜１０を製造した。
【００２３】
比較の目的で、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−５をＡｒガスボンバード洗浄し、上記本発明工具１〜５の成膜工程（ａ）と同じ条件で、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成した後、
前記装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０〜１２．５ｓｃｃｍ，Ｏ２：２．５〜４．５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の上に表３に示される組成の酸素欠乏アルミナ層を蒸着形成することにより、比較例の表面被覆切削工具（以下、比較例工具と云う）１〜５を製造した。
さらに、上記の工具基体Ａ−６〜Ａ−１０をＡｒガスボンバード洗浄し、上記本発明工具６〜１０の成膜工程（ａ）と同じ条件で、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成した後、
前記装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０ｓｃｃｍ，Ｏ２：５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の上に表３に示される通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層を蒸着形成することにより、比較例の表面被覆切削工具（以下、比較例工具と云う）６〜１０を製造した。
【００２４】
本発明工具１〜１０および比較例工具１〜１０について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層については、その層厚と層厚中央部の組成を測定した。
また、本発明工具１〜１０の傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）については、その層厚と、薄層Ａとの界面（界面〜５ｎｍの厚さ領域）における組成を、同じく、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて測定した。
さらに、比較例工具１〜１０については、その層厚と層厚中央部の組成を同様に測定した。
表２、表３にそれらの測定結果を示す。
【００２５】
つぎに、上記本発明工具１〜１０および比較例工具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、
《切削条件１》
被削材：Ｔｉ６Ａｌ４Ｖの丸棒、
切削速度：８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ ｍｍ、
送り：０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５ 分、
の条件でチタン合金の乾式連続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ）、
また、
《切削条件２》
被削材：インコネル７１８の丸棒、
切削速度：９０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ ｍｍ、
送り：０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５ 分、
の条件でニッケル合金の乾式連続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ）、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件１，２による切削加工試験の測定結果を表４に示した。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【表２】
【００２８】
【表３】
【００２９】
【表４】
【実施例２】
【００３０】
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａと、傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層からなる薄層Ｂの三層以上の交互積層構造を備えた硬質被覆層を有する本発明の表面被覆切削工具（以下、本発明工具と云う）１１〜２０を、以下の工程で製造した。
【００３１】
上記実施例１の場合と同様に、成膜工程（ａ）により、工具基体の表面に、表５に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａを蒸着形成し、ついで、上記実施例１の成膜工程（ｂ）により、薄層Ａとの界面に表５に示される組成の酸素欠乏アルミナを形成し、
（ｄ） 引き続き、スパッタを継続させつつ、アルゴン−酸素混合ガス中の酸素含有割合を順次に高めていき、Ａｒ：１０ｓｃｃｍ，Ｏ２：５ｓｃｃｍの組成割合とした反応雰囲気中で、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いて継続してスパッタを行うことにより、通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層を形成し、
（ｅ）所定の層厚の薄層Ｂの成膜が完了する前に、スパッタを継続したまま、アルゴン−酸素混合ガス中の酸素含有割合を順次に低めていき、Ａｒ：１０〜１２．５ｓｃｃｍ，Ｏ２：２．５〜４．５ｓｃｃｍの組成割合とした反応雰囲気中で、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いて継続してスパッタを行うことにより、表５に示される組成の酸素欠乏アルミナを形成し、
（ｆ）次いで、上記（ａ）の成膜工程と同様な工程により、表５に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａを蒸着形成し、以後、成膜工程（ｂ）→（ｄ）→（ｅ）→（ａ）→（ｂ）→（ｄ）→（ｅ）・・を所要回数繰り返し行うことにより、表５に示される交互積層数からなる本発明工具１１〜２０を製造した。
【００３２】
比較の目的で、上記の工具基体Ａ−１〜Ａ−５をＡｒガスボンバード洗浄し、上記本発明工具１１〜１５と同じ条件で、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成した後、
装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０〜１２．５ｓｃｃｍ，Ｏ２：２．５〜４．５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の上に表６に示される組成の酸素欠乏アルミナ層を蒸着形成し、
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と酸素欠乏アルミナ層との積層を所要回数繰り返すことにより、表６に示される交互積層数からなる比較例工具１１〜１５を製造した。
さらに、上記の工具基体Ａ−６〜Ａ−１０をＡｒガスボンバード洗浄し、上記本発明工具１６〜２０と同じ条件で、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成した後、
装置内の温度を５００℃に維持した状態で、装置内に反応ガスとして、Ａｒ：１０ｓｃｃｍ，Ｏ２：５ｓｃｃｍの組成割合からなるアルゴン−酸素混合ガスを導入し、０．１５Ｐａの反応雰囲気とし、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５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、金属Ａｌカソードに１ｋＷ出力のパルス直流電源を用いてスパッタを行うことにより、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の上に表３に示される通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層を蒸着形成し、
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層との積層を所要回数繰り返すことにより、表６に示される交互積層数からなる比較例工具１６〜２０を製造した。
【００３３】
実施例１の場合と同様に、本発明工具１１〜２０および比較例工具１１〜２０について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層については、その一層平均層厚と層厚中央部の組成を測定した。
また、本発明工具１１〜２０の傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層（薄層Ｂ）については、その一層平均層厚と、薄層Ａとの界面（界面〜５ｎｍの厚さ領域）における組成を、同じく、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ）とを用いて測定した。
さらに、比較例工具１１〜２０については、その一層平均層厚と層厚中央部の組成を同様に測定した。
表５、表６にそれらの測定結果を示す。
【００３４】
つぎに、上記本発明工具１１〜２０および比較例工具１１〜２０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、
《切削条件３》
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の４溝スリット材、
切削速度：１７０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ ｍｍ、
送り：０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３ 分、
の条件でステンレス鋼の乾式断続切削溝入れ加工試験、
また、
《切削条件４》
被削材：Ｔｉ６Ａｌ４Ｖの４溝スリット材、
切削速度：６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ ｍｍ、
送り：０．１ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３ 分、
の条件でチタン合金の乾式断続切削溝入れ加工試験、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件３，４による切削加工試験の測定結果を表７に示した。
【００３５】
【表５】
【００３６】
【表６】
【００３７】
【表７】
【００３８】
表４、７に示される結果から、本発明工具１〜１０、１１〜２０は、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる薄層Ａと傾斜組成構造のアルミニウム酸化物層からなる薄層Ｂの積層構造で硬質被覆層が構成されていることから、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の溶着性の高い被削材の高速切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する。
これに対して、硬質被覆層が、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と酸素欠乏アルミナ層との積層で構成されている比較例工具１〜５，１１〜１５、また、硬質被覆層が、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と通常組成のアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層との積層で構成されている比較例工具６〜１０，１６〜２０は、耐溶着性に劣るため耐チッピング性、耐欠損性が不満足であり、あるいは、層間密着強度に劣るため剥離等を生じ、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】
【００３９】
上述のように、この発明の被覆工具は、溶着性の高い被削材の高速切削加工で、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することから、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】
炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、薄層Ａと薄層Ｂの積層構造からなる硬質被覆層が蒸着形成されてなる表面被覆切削工具において、
上記薄層Ａは、０．０５〜０．５μｍの平均層厚を有するチタンとアルミニウムの複合窒化物層からなり、
上記薄層Ｂは、０．１〜１μｍの平均層厚を有するアルミニウム酸化物層からなり、その構成成分であるアルミニウムと酸素は、層厚方向に沿って傾斜組成をなしており、さらに、薄層Ａと薄層Ｂとの界面では、
１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）
の関係を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
上記薄層Ａと上記薄層Ｂとが、少なくとも三層以上交互に積層された交互積層構造を備えることを特徴とする請求項１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からなる工具基体の表面に、薄層Ａと薄層Ｂの積層構造からなる硬質被覆層が蒸着形成されてなる表面被覆切削工具において、
上記薄層Ａは、０．０５〜０．５μｍの平均層厚を有するチタンとアルミニウムの複合窒化物層からなり、
上記薄層Ｂは、０．１〜１μｍの平均層厚を有するアルミニウム酸化物層からなり、その構成成分であるアルミニウムと酸素は、層厚方向に沿って傾斜組成をなしており、さらに、薄層Ａと薄層Ｂとの界面では、
１．２２≦（酸素含有量）／（アルミニウム含有量）≦１．４５（但し、原子比）
の関係を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
上記薄層Ａと上記薄層Ｂとが、少なくとも三層以上交互に積層された交互積層構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【図１】
【公開番号】特開２０１１−５１０３４（Ｐ２０１１−５１０３４Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９９４２８（Ｐ２００９−１９９４２８）
【出願日】平成２１年８月３１日（２００９．８．３１）
【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３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月３１日（２００９．８．３１）
【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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