表面被覆切削工具
【課題】高硬度鋼の高速重切削加工条件下において、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐溶着欠損性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層として、ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる下部層と、Ａ層：ＡｌとＴｉの複合窒化物層、Ｂ層：（２００）面配向性のＡｌとＣｒの複合窒化物層、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層とからなる層を形成した表面被覆切削工具。
【解決手段】ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層として、ＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる下部層と、Ａ層：ＡｌとＴｉの複合窒化物層、Ｂ層：（２００）面配向性のＡｌとＣｒの複合窒化物層、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層とからなる層を形成した表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質被覆層の構造を配向性と組成を特定した所定の積層構造とすることで、先端摩耗が進行しやすい炭素鋼等の高速重切削という厳しい切削条件下で用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性、耐溶着欠損性および耐摩耗性を示し、切削工具の長寿命化が可能とな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、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】
具体的な被覆工具としては、例えば、炭化タングステン基（以下、ＷＣ基で示す）超硬合金または炭窒化チタン基（以下、ＴｉＣＮ基で示す）サーメット等で構成された工具基体の表面に硬質皮膜を蒸着形成し、被覆工具の耐摩耗性、工具寿命の改善を図ったものが一般的に知られている。
例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層と（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる中間層と、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる上部層とから構成される硬質被覆層を形成することによって、下部層が高温硬さ、耐熱性、高温強度を改善し、中間層が高温硬さ、高温強度、高温耐酸化性、耐溶着性を改善し、上部層が耐摩耗性、耐欠損性を改善することによって、これらの効果の相乗効果としてすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具が知られている。
また、特許文献２に示すように、工具基体表面に、下部層と上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、下部層は薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなり、また、上部層は薄層Ａと薄層Ｃの交互積層からなり、前記薄層Ａは、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のいずれか、前記薄層Ｂは、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層あるいは（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のいずれか、また、前記薄層Ｃは、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなることにより、耐チッピング性、耐摩耗性を改善した被覆工具が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２５８３２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０７９１８号公報
【発明の概要】
【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効率化する傾向にあるが、前記従来被覆工具においては、これを通常条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、これを特に、炭素鋼等の高硬度被削材の、高い発熱を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件で用いた場合には、切削時に発生する高熱によって硬質被覆層が過熱されることにより、高温硬さの低下が生じるとともに、潤滑性が不足し、その結果、耐溶着欠損性の低下が避けられないことに加えて、硬質被覆層と工具表面との密着性が十分でないため、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、本発明者らは、前述のような観点から、炭素鋼等の高硬度被削材の、高熱を発生し、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件で用いた場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐溶着欠損性を発揮する被覆工具を開発すべく、前記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】
（イ）被覆工具の硬質被覆層をＡｌＴｉＮで構成した場合、ＡｌＴｉＮからなる硬質被覆層は、硬度および靭性にすぐれ、かつ、化学的安定性にもすぐれることが一般的に知られているが、高硬度被削材を、高熱発生を伴うとともに切刃に高負荷が作用する高速重切削条件で使用した場合には、その硬度、靭性は十分であるとはいえない。
そこで、本発明者らは、ＡｌＴｉＮ層を下部層とし、上部層として特定の組成、配向および構造の層を形成することにより、高温硬さと高靭性を備え、かつ、高温条件下での耐熱亀裂性および耐溶着欠損性にすぐれることを見出したのである。
【０００８】
（ロ）即ち、平均層厚０．５〜５μｍであって、かつ、組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層を有する下部層と、
（ハ）０．２〜６．０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、
Ａ層：
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
Ｂ層：
電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０.２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、組成式：（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（ここで、ｙはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．４５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層、
Ａ層、Ｂ層の各層は、０．０５〜１．５μｍの一層平均層厚を有し、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層とからなる硬質被覆層を備えた被覆工具は、高温硬さと高靭性を備え、かつ、高温条件下での耐熱亀裂性および耐溶着欠損性にすぐれることを見出したのである。
つまり、本発明による（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は、単層でも十分な切削性能を示すが、より耐溶着欠損性を向上させる観点から所定の配向を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と組み合わせて被覆する。
ＡｌＣｒを主成分とする硬質皮膜においては、結晶成長方位の配向性比率が切削性能に影響を及ぼすことが分かる。（２００）配向性比率が４５％を超えると耐溶着欠損性が向上することが発明者らの研究により分かった。
そこで、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と（２００）配向性の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層との相互関係と膜の特性について鋭意研究したところ、
Ａ層：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（０．２５≦ｘ≦０．５５）
Ｂ層：（２００）配向性の（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（０．２５≦ｙ≦０．４５）
としてＡ層、Ｂ層の各層の一層平均層厚を０．０５〜１．５μｍとし、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造からなる合計平均層厚０．２〜６．０μｍの上部層をＡｌとＴｉの複合窒化物層を有する下部層と組み合わせることにより本発明を完成するに至った。
なお、前記成膜した（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎについての配向性は、電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表すことにより確認することができる。
【０００９】
（ニ）さらに、本発明者らは、所定の組成と平均層厚を有する（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ層からなる下部層と（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ層と（２００）配向性の（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ層とを選択的に形成し、かつ、各層の膜厚が所定の膜厚であって、所定の全体平均膜厚の積層構造を有する上部層とからなる硬質被覆層を構成した場合には、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件において、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐溶着性欠損性を発揮することを見出したのである。
【００１０】
本発明は、前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、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、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．５〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる下部層と、
（ｂ）０．２〜６．０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、
Ａ層：組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
Ｂ層：電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、組成式：（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（ここで、ｙはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．４５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層、
Ａ層、Ｂ層の各層は、０．０５〜１．５μｍの一層平均層厚を有し、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層と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。
【００１１】
つぎに、本発明の被覆工具の硬質被覆層について説明する。
【００１２】
（ａ）下部層の組成および平均層厚
下部層を構成する（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、Ｔｉの割合を示すｘ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５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、Ｔｉの割合を示すｘ値が同０．５５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速重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、耐摩耗性が低下することから、ｘ値を０．２５〜０．５５と定めた。
【００１３】
また、下部層の平均層厚が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５．０μｍを越えると、前記の高速重切削では切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜５．０μｍと定めた。
このような硬質被覆層の下部層は、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Ａｌ−Ｔｉ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、前記基体には、例えば、−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で蒸着することに形成することができる。
【００１４】
（ｂ）上部層の組成および平均膜厚
その後、Ａ層：（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層とＢ層：（２００）配向性（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層とした場合、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の交互積層構造からなる上部層を構成するが、このような交互積層構造からなる上部層は、例えば、以下の条件のアークイオンプレーティングによって形成することができる。
【００１５】
成膜条件：
カソード電極： Ａｌ−Ｃｒ合金、Ａｌ−Ｔｉ合金
反応ガス： Ｎ２、
反応ガス圧力： ０．５〜１５Ｐａ、
バイアス電圧： −１０〜−３００Ｖ、
ここで、カソード電極をＡｌ−Ｃｒ合金として、反応ガス圧力を０．５〜１．５Ｐａまたは、７〜１５Ｐａとして形成した（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層について、電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．１度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すことを確認できた。
上部層の積層構造のうちＢ層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の構成成分であるＣｒ成分には硬質被覆層における高温硬さを向上させ、同Ａｌ成分には高温強度を向上させる作用があるが、Ｃｒの割合を示すｙ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５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、Ｃｒの割合を示すｙ値が同０．４５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速重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、ｙ値を０．２５〜０．４５と定めた。
上部層の積層構造のうちＡ層を構成する（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、Ｔｉの割合を示すｘ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５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、Ｔｉの割合を示すｘ値が同０．５５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速重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、耐摩耗性が低下することから、ｘ値を０．２５〜０．５５と定めた。
【００１６】
また、上部層の積層構造を構成する各層の一層平均層厚が０．０５μｍ未満では、自身の持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、その一層平均層厚が１．５μｍを越えると、高速重切削加工では、耐溶着性の不足が顕在化し、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その一層平均層厚を０．０５〜１．５μｍと定めた。
また、Ａ層：（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層とＢ層：（２００）配向性（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層とした場合、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造からなる硬質被覆層の上部層は、その合計平均層厚が０．２μｍ未満では、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、合計平均層厚が６．０μｍを越えると、特に炭素鋼等の難削材の、大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速重切削加工では切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その合計平均層厚を０．２〜６．０μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の被覆工具は、硬質被覆層が、（ａ）０．５〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、 組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる下部層と、（ｂ）０．２〜６．０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、Ａ層：組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、Ｂ層：電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、組成式：（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（ここで、ｙはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．４５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層、Ａ層、Ｂ層の各層は、０．０５〜１．５μｍの一層平均層厚を有し、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層とからなることによって、（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ層が鋼切削時における耐熱亀裂性の向上に寄与し、（２００）配向性（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ層が鋼切削時における耐溶着欠損性の向上に寄与し、さらに、これらの層を積層構造にすることにより、耐熱亀裂性、耐溶着欠損性および耐摩耗性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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の概略正面図である。
【図２】本発明の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層：Ｂ層における（２００）面についての傾斜角度数分布グラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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】
【００２０】
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、Ｃｏ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、およびＷＣ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・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ１〜Ａ５、および 焼結後、切刃部分にＲ：０．８のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＳのチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ６〜Ａ１０を形成した。
【００２１】
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Ｃｏ粉末、Ｎｉ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ２Ｃ粉末、ＷＣ粉末およびＴｉＣＮ（質量比で、ＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）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・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ１〜Ｂ３および、焼結後、切刃部分にＲ：０．８のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＳのチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ｂ４〜Ｂ６を形成した。
【００２２】
（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両側にカソード電極（蒸発源）を配置し、その一方には、カソード電極（蒸発源）として所定組成の上部層形成用のＡｌ−Ｃｒ合金を配置し、その他方には、カソード電極（蒸発源）として所定組成の上部および下部層形成用のＡｌ−Ｔｉ合金を配置し、また、ヒーターと対向する側にＴｉボンバード洗浄用カソード電極（蒸発源）としてＴｉ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Ｔｉボンバード洗浄用カソード電極のＴｉ合金とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって工具基体表面をＴｉボンバード洗浄し、
（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Ａｌ−Ｔｉ合金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に示される目標組成、目標層厚の単層としての下部層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を０．５〜５μｍの平均層厚で蒸着形成した後、前記カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入して０．５〜１．５Ｐａまたは、７〜１５Ｐａの反応雰囲気とすると共に、カソード電極のＡｌ−Ｔｉ合金とアノード電極との間およびカソード電極のＡｌ−Ｃｒ合金とアノード電極に１００Ａの電流を交互に流してアーク放電を発生させる。このようにして、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表３に示される一層目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を交互に蒸着形成することにより、
ＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１および、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＳ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１〜１６（以下、本発明チップ１〜１６という）をそれぞれ製造した。
【００２３】
比較の目的で、前記工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれを、本発明と同様な方法でＴｉボンバード洗浄し、
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Ａｌ−Ｔｉ合金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４に示される目標組成、目標層厚の単層としての下部層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を０．５〜５μｍの平均層厚で蒸着形成した後、前記カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
ついで、装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入し、カソード電極のＡｌ−Ｔｉ合金とアノード電極との間およびカソード電極のＡｌ−Ｃｒ合金とアノード電極に１００Ａの電流を交互に流してアーク放電を発生させる。このようにして、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表４に示される一層目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を交互に蒸着形成することにより、
ＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１および、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＳに規定するスローアウエイチップ形状の比較被覆工具１〜１６（以下、比較チップ１〜１６という）をそれぞれ製造した。
【００２４】
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、本発明チップ１〜５，１１〜１３および比較例チップ１〜５，１１〜１３について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度： ３００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： 径方向（ａｅ）１００ｍｍ，軸方向（ａｐ）３ｍｍ、
一刃あたり送り（ｆｚ）： ０．３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
エアブロー
の条件（切削条件Ｂ）での炭素鋼の乾式高速高送り転削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ、ａｅ：８０ｍｍ，ａｐ：１．５、ｆｚ：０．２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ ）、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅０．２ｍｍに達するまでの切削長を測定した。この測定結果を表５に示した。
また、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、本発明チップ６〜１０，１４〜１６および比較例チップ６〜１０，１４〜１６について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの丸材、
切削速度： ２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み（ａｐ）： １．５ｍｍ、
送り（ｆ） ： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ
エアブロー
の条件（切削条件Ｂ）での炭素鋼の乾式高速連続旋削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１５０ｍ／ｍｉｎ、ａｐ：１．５、ｆｚ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ ）、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅０．２ｍｍに達するまでの切削時間を測定した。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】
【００３０】
表３〜５に示される結果から、本発明の被覆工具は、炭素鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件で加工した場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐溶着欠損性を有し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較例の被覆工具においては、高硬度被削材を高速重切削条件で加工した場合、硬さ、潤滑性、靭性の不足によって、溶着、チッピング等の発生によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
なお、被覆チップばかりでなく、被覆エンドミル、被覆ドリルを作製し、同様な切削試験を行ったところ、被覆エンドミル、被覆ドリルについても、被覆チップの場合と同様な結果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
前述のように、本発明の被覆工具は、一般鋼や普通鋳鉄などの切削加工は勿論のこと、炭素鋼等の高硬度被削材の高い発熱を伴うとともに、切刃に高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合でも、長期に亘ってすぐれた耐熱亀裂性および耐溶着欠損性を発揮し、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、硬質被覆層の構造を配向性と組成を特定した所定の積層構造とすることで、先端摩耗が進行しやすい炭素鋼等の高速重切削という厳しい切削条件下で用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性、耐溶着欠損性および耐摩耗性を示し、切削工具の長寿命化が可能とな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、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】
具体的な被覆工具としては、例えば、炭化タングステン基（以下、ＷＣ基で示す）超硬合金または炭窒化チタン基（以下、ＴｉＣＮ基で示す）サーメット等で構成された工具基体の表面に硬質皮膜を蒸着形成し、被覆工具の耐摩耗性、工具寿命の改善を図ったものが一般的に知られている。
例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる下部層と（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる中間層と、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる上部層とから構成される硬質被覆層を形成することによって、下部層が高温硬さ、耐熱性、高温強度を改善し、中間層が高温硬さ、高温強度、高温耐酸化性、耐溶着性を改善し、上部層が耐摩耗性、耐欠損性を改善することによって、これらの効果の相乗効果としてすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具が知られている。
また、特許文献２に示すように、工具基体表面に、下部層と上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、下部層は薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなり、また、上部層は薄層Ａと薄層Ｃの交互積層からなり、前記薄層Ａは、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のいずれか、前記薄層Ｂは、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層あるいは（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のいずれか、また、前記薄層Ｃは、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなることにより、耐チッピング性、耐摩耗性を改善した被覆工具が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２５８３２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０７９１８号公報
【発明の概要】
【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効率化する傾向にあるが、前記従来被覆工具においては、これを通常条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、これを特に、炭素鋼等の高硬度被削材の、高い発熱を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件で用いた場合には、切削時に発生する高熱によって硬質被覆層が過熱されることにより、高温硬さの低下が生じるとともに、潤滑性が不足し、その結果、耐溶着欠損性の低下が避けられないことに加えて、硬質被覆層と工具表面との密着性が十分でないため、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、本発明者らは、前述のような観点から、炭素鋼等の高硬度被削材の、高熱を発生し、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件で用いた場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐溶着欠損性を発揮する被覆工具を開発すべく、前記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】
（イ）被覆工具の硬質被覆層をＡｌＴｉＮで構成した場合、ＡｌＴｉＮからなる硬質被覆層は、硬度および靭性にすぐれ、かつ、化学的安定性にもすぐれることが一般的に知られているが、高硬度被削材を、高熱発生を伴うとともに切刃に高負荷が作用する高速重切削条件で使用した場合には、その硬度、靭性は十分であるとはいえない。
そこで、本発明者らは、ＡｌＴｉＮ層を下部層とし、上部層として特定の組成、配向および構造の層を形成することにより、高温硬さと高靭性を備え、かつ、高温条件下での耐熱亀裂性および耐溶着欠損性にすぐれることを見出したのである。
【０００８】
（ロ）即ち、平均層厚０．５〜５μｍであって、かつ、組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層を有する下部層と、
（ハ）０．２〜６．０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、
Ａ層：
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
Ｂ層：
電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０.２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、組成式：（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（ここで、ｙはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．４５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層、
Ａ層、Ｂ層の各層は、０．０５〜１．５μｍの一層平均層厚を有し、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層とからなる硬質被覆層を備えた被覆工具は、高温硬さと高靭性を備え、かつ、高温条件下での耐熱亀裂性および耐溶着欠損性にすぐれることを見出したのである。
つまり、本発明による（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は、単層でも十分な切削性能を示すが、より耐溶着欠損性を向上させる観点から所定の配向を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と組み合わせて被覆する。
ＡｌＣｒを主成分とする硬質皮膜においては、結晶成長方位の配向性比率が切削性能に影響を及ぼすことが分かる。（２００）配向性比率が４５％を超えると耐溶着欠損性が向上することが発明者らの研究により分かった。
そこで、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と（２００）配向性の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層との相互関係と膜の特性について鋭意研究したところ、
Ａ層：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（０．２５≦ｘ≦０．５５）
Ｂ層：（２００）配向性の（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（０．２５≦ｙ≦０．４５）
としてＡ層、Ｂ層の各層の一層平均層厚を０．０５〜１．５μｍとし、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造からなる合計平均層厚０．２〜６．０μｍの上部層をＡｌとＴｉの複合窒化物層を有する下部層と組み合わせることにより本発明を完成するに至った。
なお、前記成膜した（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎについての配向性は、電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表すことにより確認することができる。
【０００９】
（ニ）さらに、本発明者らは、所定の組成と平均層厚を有する（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ層からなる下部層と（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ層と（２００）配向性の（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ層とを選択的に形成し、かつ、各層の膜厚が所定の膜厚であって、所定の全体平均膜厚の積層構造を有する上部層とからなる硬質被覆層を構成した場合には、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件において、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐溶着性欠損性を発揮することを見出したのである。
【００１０】
本発明は、前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、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、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．５〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる下部層と、
（ｂ）０．２〜６．０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、
Ａ層：組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
Ｂ層：電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、組成式：（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（ここで、ｙはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．４５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層、
Ａ層、Ｂ層の各層は、０．０５〜１．５μｍの一層平均層厚を有し、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層と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。
【００１１】
つぎに、本発明の被覆工具の硬質被覆層について説明する。
【００１２】
（ａ）下部層の組成および平均層厚
下部層を構成する（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、Ｔｉの割合を示すｘ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５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、Ｔｉの割合を示すｘ値が同０．５５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速重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、耐摩耗性が低下することから、ｘ値を０．２５〜０．５５と定めた。
【００１３】
また、下部層の平均層厚が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５．０μｍを越えると、前記の高速重切削では切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜５．０μｍと定めた。
このような硬質被覆層の下部層は、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Ａｌ−Ｔｉ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、前記基体には、例えば、−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で蒸着することに形成することができる。
【００１４】
（ｂ）上部層の組成および平均膜厚
その後、Ａ層：（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層とＢ層：（２００）配向性（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層とした場合、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の交互積層構造からなる上部層を構成するが、このような交互積層構造からなる上部層は、例えば、以下の条件のアークイオンプレーティングによって形成することができる。
【００１５】
成膜条件：
カソード電極： Ａｌ−Ｃｒ合金、Ａｌ−Ｔｉ合金
反応ガス： Ｎ２、
反応ガス圧力： ０．５〜１５Ｐａ、
バイアス電圧： −１０〜−３００Ｖ、
ここで、カソード電極をＡｌ−Ｃｒ合金として、反応ガス圧力を０．５〜１．５Ｐａまたは、７〜１５Ｐａとして形成した（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層について、電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．１度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すことを確認できた。
上部層の積層構造のうちＢ層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の構成成分であるＣｒ成分には硬質被覆層における高温硬さを向上させ、同Ａｌ成分には高温強度を向上させる作用があるが、Ｃｒの割合を示すｙ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５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、Ｃｒの割合を示すｙ値が同０．４５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速重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、ｙ値を０．２５〜０．４５と定めた。
上部層の積層構造のうちＡ層を構成する（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、Ｔｉの割合を示すｘ値がＡｌとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．２５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、Ｔｉの割合を示すｘ値が同０．５５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速重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、耐摩耗性が低下することから、ｘ値を０．２５〜０．５５と定めた。
【００１６】
また、上部層の積層構造を構成する各層の一層平均層厚が０．０５μｍ未満では、自身の持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、その一層平均層厚が１．５μｍを越えると、高速重切削加工では、耐溶着性の不足が顕在化し、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その一層平均層厚を０．０５〜１．５μｍと定めた。
また、Ａ層：（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層とＢ層：（２００）配向性（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層とした場合、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造からなる硬質被覆層の上部層は、その合計平均層厚が０．２μｍ未満では、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、合計平均層厚が６．０μｍを越えると、特に炭素鋼等の難削材の、大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速重切削加工では切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その合計平均層厚を０．２〜６．０μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の被覆工具は、硬質被覆層が、（ａ）０．５〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、 組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる下部層と、（ｂ）０．２〜６．０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、Ａ層：組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、Ｂ層：電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、組成式：（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（ここで、ｙはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．４５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層、Ａ層、Ｂ層の各層は、０．０５〜１．５μｍの一層平均層厚を有し、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層とからなることによって、（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ層が鋼切削時における耐熱亀裂性の向上に寄与し、（２００）配向性（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ層が鋼切削時における耐溶着欠損性の向上に寄与し、さらに、これらの層を積層構造にすることにより、耐熱亀裂性、耐溶着欠損性および耐摩耗性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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の概略正面図である。
【図２】本発明の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層：Ｂ層における（２００）面についての傾斜角度数分布グラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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】
【００２０】
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、Ｃｏ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、およびＷＣ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・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ１〜Ａ５、および 焼結後、切刃部分にＲ：０．８のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＳのチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ６〜Ａ１０を形成した。
【００２１】
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Ｃｏ粉末、Ｎｉ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ２Ｃ粉末、ＷＣ粉末およびＴｉＣＮ（質量比で、ＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）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・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ１〜Ｂ３および、焼結後、切刃部分にＲ：０．８のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＳのチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ｂ４〜Ｂ６を形成した。
【００２２】
（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両側にカソード電極（蒸発源）を配置し、その一方には、カソード電極（蒸発源）として所定組成の上部層形成用のＡｌ−Ｃｒ合金を配置し、その他方には、カソード電極（蒸発源）として所定組成の上部および下部層形成用のＡｌ−Ｔｉ合金を配置し、また、ヒーターと対向する側にＴｉボンバード洗浄用カソード電極（蒸発源）としてＴｉ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Ｔｉボンバード洗浄用カソード電極のＴｉ合金とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって工具基体表面をＴｉボンバード洗浄し、
（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Ａｌ−Ｔｉ合金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に示される目標組成、目標層厚の単層としての下部層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を０．５〜５μｍの平均層厚で蒸着形成した後、前記カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入して０．５〜１．５Ｐａまたは、７〜１５Ｐａの反応雰囲気とすると共に、カソード電極のＡｌ−Ｔｉ合金とアノード電極との間およびカソード電極のＡｌ−Ｃｒ合金とアノード電極に１００Ａの電流を交互に流してアーク放電を発生させる。このようにして、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表３に示される一層目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を交互に蒸着形成することにより、
ＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１および、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＳ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１〜１６（以下、本発明チップ１〜１６という）をそれぞれ製造した。
【００２３】
比較の目的で、前記工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれを、本発明と同様な方法でＴｉボンバード洗浄し、
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Ａｌ−Ｔｉ合金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４に示される目標組成、目標層厚の単層としての下部層としての（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を０．５〜５μｍの平均層厚で蒸着形成した後、前記カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、
ついで、装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入し、カソード電極のＡｌ−Ｔｉ合金とアノード電極との間およびカソード電極のＡｌ−Ｃｒ合金とアノード電極に１００Ａの電流を交互に流してアーク放電を発生させる。このようにして、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表４に示される一層目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を交互に蒸着形成することにより、
ＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１および、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＳに規定するスローアウエイチップ形状の比較被覆工具１〜１６（以下、比較チップ１〜１６という）をそれぞれ製造した。
【００２４】
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、本発明チップ１〜５，１１〜１３および比較例チップ１〜５，１１〜１３について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度： ３００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： 径方向（ａｅ）１００ｍｍ，軸方向（ａｐ）３ｍｍ、
一刃あたり送り（ｆｚ）： ０．３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
エアブロー
の条件（切削条件Ｂ）での炭素鋼の乾式高速高送り転削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ、ａｅ：８０ｍｍ，ａｐ：１．５、ｆｚ：０．２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ ）、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅０．２ｍｍに達するまでの切削長を測定した。この測定結果を表５に示した。
また、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、本発明チップ６〜１０，１４〜１６および比較例チップ６〜１０，１４〜１６について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの丸材、
切削速度： ２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み（ａｐ）： １．５ｍｍ、
送り（ｆ） ： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ
エアブロー
の条件（切削条件Ｂ）での炭素鋼の乾式高速連続旋削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１５０ｍ／ｍｉｎ、ａｐ：１．５、ｆｚ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ ）、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅０．２ｍｍに達するまでの切削時間を測定した。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】
【００３０】
表３〜５に示される結果から、本発明の被覆工具は、炭素鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速重切削条件で加工した場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐溶着欠損性を有し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較例の被覆工具においては、高硬度被削材を高速重切削条件で加工した場合、硬さ、潤滑性、靭性の不足によって、溶着、チッピング等の発生によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
なお、被覆チップばかりでなく、被覆エンドミル、被覆ドリルを作製し、同様な切削試験を行ったところ、被覆エンドミル、被覆ドリルについても、被覆チップの場合と同様な結果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
前述のように、本発明の被覆工具は、一般鋼や普通鋳鉄などの切削加工は勿論のこと、炭素鋼等の高硬度被削材の高い発熱を伴うとともに、切刃に高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合でも、長期に亘ってすぐれた耐熱亀裂性および耐溶着欠損性を発揮し、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、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．５〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる下部層と、
（ｂ）０．２〜６．０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、
Ａ層：組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
Ｂ層：電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、組成式：（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（ここで、ｙはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．４５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層、
Ａ層、Ｂ層の各層は、０．０５〜１．５μｍの一層平均層厚を有し、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層とからな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、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）０．５〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層からなる下部層と、
（ｂ）０．２〜６．０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、
Ａ層：組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ（ここで、ｘはＴｉの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｘ≦０．５５である）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層、
Ｂ層：電子放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（２００）面の法線がなす結晶角を測定し、前記測定結晶角のうち、０〜６０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度ピッチ毎に区分するとともに、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜３５度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、組成式：（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）Ｎ（ここで、ｙはＣｒの含有割合を示し、原子比で、０．２５≦ｙ≦０．４５である）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層、
Ａ層、Ｂ層の各層は、０．０５〜１．５μｍの一層平均層厚を有し、Ａ層＋Ｂ層を１積層周期とした１周期以上の積層構造を有する上部層と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２０１３−４６９４８（Ｐ２０１３−４６９４８Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６３２８（Ｐ２０１１−１８６３２８）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【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２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【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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