JP2008049455A - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高硬度鋼の高速重切削加工等において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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】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からなる工具基体の表面に、１〜８μｍの平均層厚を有し、かつ、層厚方向にそって、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を被覆した表面被覆切削工具において、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点におけるＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの含有割合は、それぞれ、０．３５〜０．５０、０．１５〜０．３５、０．２５〜０．４５、０．０３〜０．１０であり、また、Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点におけるＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの含有割合は、それぞれ、０．１０〜０．２５、０．１０〜０．２５、０．５０〜０．７０、０．１０〜０．２５である。
【選択図】 なし

Description

この発明は、硬質被覆層がすぐれた耐熱性、高温硬さおよび高温強度を具備し、したがって、特に、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼などの高い発熱を伴うとともに切刃に対して極めて大きな機械的負荷が加わる高速重切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐チッピング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。

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。

被覆工具の一つとして、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工具基体の表面に、硬質被覆層として、ＡｌとＣｒとＳｉの窒化物[以下、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎで示す]層を物理蒸着してなる被覆工具、あるいは、ＡｌとＴｉとＳｉの窒化物[以下、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで示す]層を物理蒸着してなる被覆工具、が知られており、そして、前記被覆工具の硬質被覆層は、すぐれた高温硬さ、耐熱性および高温強度を有し、通常の条件下で、各種の一般鋼や普通鋳鉄などの切削に用いた場合には、すぐれた切削性能を発揮することが知られている。

さらに、上記の被覆工具が、例えば図２に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に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を有するＡｌ−Ｃｒ−Ｓｉ（あるいは、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ）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，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層（あるいは（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）からなる硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知られている。
特開２００４−１０６１８３号公報 特開平７−３１０１７４号公報

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、これを通常条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、特に合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などのビッカース硬さ（Ｃスケール）で５０以上の高い硬さを有する高硬度鋼などの切削加工を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して極めて大きな機械的な負荷がかかる高速重切削加工条件で行うのに用いた場合には、硬質被覆層は切削時に発生する高熱によって過熱され、また、大きな機械的負荷がかかるため、硬質被覆層の高温強度、耐熱性不足が原因となり硬質被覆層にチッピングが発生したり、熱塑性変形による偏摩耗を生じたりする結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に高速重切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および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、
（イ）例えば図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ蒸着用アークイオンプレーティング装置とＴｉＳｉ蒸着用マグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置を用い、装置中央部に工具基体（例えば、超硬基体）装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に、所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉカソード電極（蒸発源）を備えた（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ蒸着用アークイオンプレーティング装置、他方側に、Ｔｉ−Ｓｉターゲット（蒸発源）を備えたＴｉＳｉ蒸着用マグネトロンスパッタリング装置を対向配設し、また工具基体装着用回転テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の工具基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として、前記回転テーブルを回転させると共に、形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で工具基体自体も自転させながら、前記の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ蒸着用アークイオンプレーティング装置のＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉ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、それと同時に、対向配設したＴｉＳｉ蒸着用マグネトロンスパッタリング装置のＴｉ−Ｓｉターゲット（蒸発源）にパルス電圧を印加しＴｉ、Ｓｉをスパッタすると、アークイオンプレーティングとスパッタリングによってＡｌとＣｒとＴｉとＳｉの窒化物層（以下、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層で示す）が蒸着形成され、そして、上記窒化物層は、回転テーブル上に配置された工具基体が、上記一方側のＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉカソード電極（蒸発源）に最も接近した位置で、相対的に、蒸着層中のＡｌとＣｒの含有割合が最大となる領域（以下、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点という）が形成され、また、前記工具基体が、上記他方側のＴｉ−Ｓｉターゲット（蒸発源）に最も接近した位置で、相対的に、蒸着層中のＴｉ、Ｓｉの含有割合が最大となる領域（以下、Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点という）が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向に沿って、前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点が回転テーブルの回転速度に応じた所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点から前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点、前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点から前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点へ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの含有量がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造の蒸着層（以下、組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層という）が形成されること。

（ロ）従来の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層はすぐれた高温硬さと所定の高温強度、耐熱性を有するが、高い発熱を伴いかつ極めて大きな機械的負荷がかかる高硬度鋼の高速重切削加工下では、その高温強度、耐熱性が十分なものではないため、チッピング、熱塑性変形、偏摩耗などが発生し易いものであったが、上記組成変化（Ａｌ，Ｃｒ、Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層においては、そのＡｌ成分は高温硬さおよび耐熱性を向上させ、Ｃｒ成分とＴｉ成分は高温強度を向上させ、Ｓｉ成分は耐熱性を向上させる作用があるため、硬質被覆層を、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点が交互に存在する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層として構成することにより、従来の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層あるいは（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層における高温強度特性、耐熱性特性がＴｉ−Ｓｉ最高含有点領域の存在によって補われ、硬質被覆層全体として、すぐれた高温硬さと、より一段とすぐれた高温強度およびより一段とすぐれた耐熱性とを具備するようになり、その結果として、特に合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼などの切削加工を、高熱発生を伴うとともに極めて大きな機械的負荷がかかる高速重切削加工条件で行うのに用いた場合にも、硬質被覆層のチッピング、熱塑性変形、偏摩耗等の発生を抑えることができ、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮するようになること。
以上（イ）、（ロ）に示される研究結果を得たのである。

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体を、一方にカソード電極としてＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉを、また、他方にターゲットとしてＴｉ−Ｓｉを設けた蒸着装置の回転テーブル上に載置し、前記工具基体を回転テーブルで回転させながら、Ａｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉカソード電極側でのアークイオンプレーティングと、Ｔｉ−Ｓｉターゲット側でのスパッタリングにより、工具基体表面にＡｌとＣｒとＴｉとＳｉの窒化物層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、
（ａ）前記硬質被覆層は１〜８μｍの平均層厚を有し、硬質被覆層の層厚方向に沿って、前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉカソード電極近傍で形成されるＡｌ−Ｃｒ最高含有点と前記Ｔｉ−Ｓｉターゲット近傍で形成されるＴｉ−Ｓｉ最高含有点とが０．０３〜０．１μｍの間隔をおいて交互に繰り返し存在し、
（ｂ）前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点から前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点、前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点から前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点へと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
（ｃ）前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉカソード電極近傍で形成される前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点におけるＡｌ成分、Ｃｒ成分、Ｔｉ成分、Ｓｉ成分は、その含有割合（ただし、原子比）を、それぞれＸ、Ｙ、Ｑ、Ｒで表したときに、Ｘは０．３５〜０．５０、Ｙは０．１５〜０．３５、Ｑは０．２５〜０．４５、Ｒは０．０３〜０．１０で、かつ、Ｘ＋Ｙ＋Ｑ＋Ｒ＝１を満足し、
（ｄ）前記Ｔｉ−Ｓｉターゲット近傍で形成される前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点におけるＡｌ成分、Ｃｒ成分、Ｔｉ成分、Ｓｉ成分は、その含有割合（ただし、原子比）を、それぞれＸ、Ｙ、Ｑ、Ｒで表したときに、Ｘは０．１０〜０．２５、Ｙは０．１０〜０．２５、Ｑは０．５０〜０．７０、Ｒは０．１０〜０．２５で、かつ、Ｘ＋Ｙ＋Ｑ＋Ｒ＝１を満足する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成してなる、
特に高硬度鋼の高速重切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する被覆工具（表面被覆切削工具）」に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層を構成する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。

（ａ）Ａｌ−Ｃｒ最高含有点のＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ含有割合
組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層におけるＡｌは、高温硬さおよび耐熱性を向上させ、同Ｃｒ及び同Ｔｉは高温強度を向上させ、同Ｓｉ成分は一段と耐熱性を向上させる作用がある。したがって相対的にＡｌ成分とＣｒ成分の含有割合が高いＡｌ−Ｃｒ最高含有点ではすぐれた高温硬さと所定の高温強度、所定の耐熱性を備えるが、Ａｌの含有割合（Ｘ値）が０．３５未満の場合では、硬質被覆層として最小限要求される高温硬さを保持することができず、また、Ｃｒの含有割合（Ｙ値）が０．１５未満の場合には、高温強度が低下してしまい、そして、この高温強度の低下をＴｉ含有割合（Ｑ値）の増加によって補おうとすれば、Ｓｉ含有割合（Ｒ値）が小さくなり、耐熱性向上効果が不十分になり、一方、Ａｌの含有割合（Ｘ値）が０．５０を超える場合には、相対的なＣｒ、Ｔｉ、Ｓｉの含有割合の低下により、高温強度の向上、耐熱性の向上を期待できず、また、Ｃｒの含有割合（Ｙ値）が０．３５を超える場合には、相対的なＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉの含有割合の低下により、高温硬さの低下、耐熱性の低下を招くことから、Ａｌの含有割合（Ｘ値）を０．３５〜０．５０、Ｃｒの含有割合（Ｙ値）を０．１５〜０．３５（いずれも、原子比）に定めた。
また、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点における、Ｔｉの含有割合（Ｑ値）とＳｉの含有割合（Ｒ値）は、高硬度鋼の高速重切削加工において最低限必要とされる高温強度の確保、耐熱性の確保という観点から、それぞれ、０．２５〜０．４５、０．０３〜０．１０に定めた。

（ｂ）Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点のＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ含有割合
硬質被覆層のＴｉ−Ｓｉ最高含有点において、組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ，）Ｎ層は、すぐれた高温強度とより一段とすぐれた耐熱性を備えるが、Ｔｉ含有割合（Ｑ値）が０．７０を超えたり、Ｓｉ含有割合（Ｒ値）が０．２５を超えたりする場合には、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中のＡｌ成分あるいはＣｒ成分含有量の相対的な減少により、所定の高温硬さあるいは所定の高温強度を維持することができず、一方、Ｔｉ含有割合（Ｑ値）が０．５０未満、Ｓｉ含有割合（Ｒ値）が０．１０未満になると、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中のＴｉおよびＳｉの含有割合の減少により、十分な高温強度の確保と十分な耐熱性の確保ができなくなることから、Ｔｉの含有割合（Ｑ値）を０．５０〜０．７０、また、Ｓｉの含有割合（Ｒ値）を、０．１０〜０．２５（いずれも、原子比）に定めた。
また、Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点における、Ａｌの含有割合（Ｘ値）とＣｒの含有割合（Ｙ値）は、高硬度鋼の高速重切削加工において最低限必要とされる高温硬さと高温強度の確保という観点から、それぞれ、０．１０〜０．２５、０．１０〜０．２５に定めた。

（ｃ）Ａｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点間の間隔
この発明の硬質被覆層は、その層厚方向に亘って、窒化物を構成する成分の濃度が、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点からＴｉ−Ｓｉ最高含有点へと、また、Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点からＡｌ−Ｃｒ最高含有点へと連続的に変化するものであるため、例えば、成分濃度が不連続な変化をする複数層の積層構造からなる硬質被覆層に比べれば、複数層間での剥離等の恐れは無く硬質被覆層自体の密着強度・接合強度は非常にすぐれたものであるが、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点間の間隔が０．０３μm未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果それぞれの層に所望の高温硬さ、高温強度、耐熱性を確保することができなくなり、またその間隔が０．１μmを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＴｉ−Ｓｉ最高含有点であれば高温硬さの不足、また、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点であれば特に耐熱性の不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなったり、また、摩耗進行が促進されるようになることから、その間隔を０．０３〜０．１μmと定めた。
なお、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点間の間隔は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ蒸着用アークイオンプレーティング装置とＴｉＳｉ蒸着用マグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置を用い、アークイオンプレーティングとスパッタリングを同時に行って蒸着膜を形成する際に、例えば、工具基体を装着した回転テーブルの回転速度を制御することによって調整することができるので、回転テーブルの回転速度を適宜に設定することにより、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点間の間隔が上記数値範囲内の所望の値となる組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を容易に形成することができる。

（ｄ）平均層厚
その平均層厚が１μｍ未満では、硬質被覆層が所望の高温硬さ、高温強度および耐熱性を長期に亘って確保することができず、その結果、高硬度鋼の高速切削における耐チッピング性、耐摩耗性の向上を期待することができず、一方、その平均層厚が８μｍを越えると、切刃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１〜８μｍと定めた。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層を構成する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が、全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を具備することから、特に、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼を、大きな発熱を伴い、さらに、切刃部に極めておきな機械的負荷が加わる高速重切削条件下で加工した場合であっても、長期に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するものである。

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。

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、Ｃｒ_３Ｃ_２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。

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、Ｍｏ_２Ｃ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。

ついで、上記の工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６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とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置内の回転テーブル上に外周部に沿って装着し、一方側の前記アークイオンプレーティング装置のカソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉ、他方側のマグネトロンスパッタリング装置のターゲット（蒸発源）としてＴｉ−Ｓｉを装着し、またボンバード洗浄用金属Ｔｉも装着し、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、カソード電極の前記金属Ｔｉ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、
（ｂ）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て、カソード電極とアノード電極との間に９０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、
（ｃ）また、それと同時に、ＴｉＳｉ焼結体のターゲットにパルス電源を用いて４．５ｋＷのパルス電力を印加してＴｉ、Ｓｉをスパッタし、
（ｄ）前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の表面に、表３，４に示される目標組成のＡｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点とが交互に、同じく表３、表４に示される目標間隔で繰り返し存在し、また、前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点から前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点、前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点から前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点へと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、同じく表３、表４に示される目標層厚の組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、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１〜１６をそれぞれ製造した。
なお、上記実施例では、Ａｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点との目標間隔は、回転テーブルの回転速度を０．５〜１０ｒｐｍの範囲内で変化させることにより、所定の目標間隔値となるように調整した。

また、比較の目的で、これら工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図２に示される通常の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、種々の成分組成をもったＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉを装着し、さらにボンバード洗浄用金属Ｔｉも装着し、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て、カソード電極の前記金属Ｔｉ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、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、前記カソード電極とアノード電極との間に９０Ａ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Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、表５，６に示される目標組成および目標層厚をもった組成的に均一の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、同じくスローアウエイチップ形状の比較被覆工具１〜１６をそれぞれ製造した。

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・ＳＵＪ２（硬さ：６５ＨＲＣ）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： １４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．８ ｍｍ、
送り： ０．４５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）での軸受鋼の乾式高速高送り断続切削加工試験（通常の切削速度及び送りは、それぞれ、８５ｍ／ｍｉｎ．、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（硬さ：５２ＨＲＣ）の丸棒、
切削速度： １２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．０ ｍｍ、
送り： ０．５０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金工具鋼の乾式高速高送り連続切削加工試験（通常の切削速度及び送りは、それぞれ、７０ｍ／ｍｉｎ．、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ１１（硬さ：６０ＨＲＣ）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： １１０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．７ ｍｍ、
送り： ０．４５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での合金工具鋼の乾式高速高送り断続切削加工試験（通常の切削速度及び送りは、それぞれ、６０ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
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。

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Ｃｒ_３Ｃ_２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７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。

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とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置に装入し、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のＡｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点とが交互に、同じく表９に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点から前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点、前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点から前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点へと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表９に示される目標層厚の組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明被覆工具としての本発明被覆エンドミル１〜８をそれぞれ製造した。

また、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２に示される通常の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−８の表面に、表１０に示される目標組成および目標層厚をもった組成的に均一の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ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。

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・ＳＫＤ６１（硬さ：５２ＨＲＣ）の板材、
切削速度： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ０．３ ｍｍ、
テーブル送り： １２０ ｍｍ／分、
の条件での合金工具鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度及び送りは、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、８５ｍｍ／分）、
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・ＳＫＤ１１（硬さ：６０ＨＲＣ）の板材、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ０．５ ｍｍ、
テーブル送り： １３０ ｍｍ／分、
の条件での合金工具鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度及び送りは、それぞれ、４０ｍ／ｍｉｎ．、９０ｍｍ／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・ＳＵＪ２（硬さ：６５ＨＲＣ）の板材、
切削速度： ５０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： １ ｍｍ、
テーブル送り： ８０ ｍｍ／分、
の条件での軸受鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験（通常の切削速度及び送り は、それぞれ、３０ｍ／ｍｉｎ．、５０ｍｍ／分）、
をそれぞれ行い、いずれの溝切削加工試験でも切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる０．１ｍｍに至るまでの切削溝長を測定した。この測定結果を表９，１０にそれぞれ示した。

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。

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とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表１１に示される目標組成のＡｌ−Ｃｒ最高含有点とＴｉ−Ｓｉ最高含有点とが交互に、同じく表１１に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点から前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点、前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点から前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点へと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表１１に示される目標層厚の組成変化（Ａｌ，Ｃｒ、Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明被覆工具としての本発明被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。

また、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２に示される通常の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−８の表面に、表１２に示される目標組成および目標層厚をもった組成的に均一の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ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ドリル１〜８をそれぞれ製造した。

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・ＳＫＤ１１（硬さ：６０ＨＲＣ）の板材、
切削速度： ９０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ８ ｍｍ、
の条件での合金工具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、５０ｍ／ｍｉｎ．、０．２ｍｍ／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・ＳＵＪ２（硬さ：６５ＨＲＣ）の板材、
切削速度： ８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３８ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： １２ ｍｍ、
の条件での軸受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、４５ｍ／ｍｉｎ．、０．１６ｍｍ／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・ＳＫＤ６１（硬さ：５２ＨＲＣ）の板材、
切削速度： ７０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ２４ ｍｍ、
の条件での合金工具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、４０ｍ／ｍｉｎ．、０．１８ｍｍ／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１１，１２にそれぞれ示した。

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の硬質被覆層を構成する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層のＡｌ−Ｃｒ最高含有点およびＴｉ−Ｓｉ最高含有点の組成を、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、それぞれ目標組成のＡｌ−Ｃｒ最高含有点およびＴｉ−Ｓｉ最高含有点と実質的に同じ組成を示した。また、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の硬質被覆層を構成する組成的に均一な（Ａｌ，Ｃｒ，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。

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。

表７、９〜１２に示される結果から、本発明被覆工具は、特に、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼を高い発熱を伴うとともに、切刃部に極めて大きな機械的負荷がかかる高速重切削加工に用いた場合にも、硬質被覆層を構成する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が、全体として、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性を備えていることによって、チッピングや偏摩耗等の発生がなく、長期に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が組成的に均一な（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層で構成された比較被覆工具においては、高温強度の不足、耐熱性の不足により、チッピング、熱塑性変形、偏摩耗等が発生し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

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、大きな発熱を伴い、かつ、切刃に極めて大きな機械的負荷が加わる高硬度鋼の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チッピング性、耐摩耗性を発揮し、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。

この発明の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とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。 従来被覆工具、比較被覆工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いられる通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims (1)

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を、一方にカソード電極としてＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉを、また、他方にターゲットとしてＴｉ−Ｓｉを設けた蒸着装置の回転テーブル上に載置し、前記工具基体を回転テーブルで回転させながら、Ａｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉカソード電極側でのアークイオンプレーティングと、Ｔｉ−Ｓｉターゲット側でのスパッタリングにより、工具基体表面にＡｌとＣｒとＴｉとＳｉの窒化物層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、
   （ａ）前記硬質被覆層は１〜８μｍの平均層厚を有し、硬質被覆層の層厚方向に沿って、前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉカソード電極近傍で形成されるＡｌ−Ｃｒ最高含有点と前記Ｔｉ−Ｓｉターゲット近傍で形成されるＴｉ−Ｓｉ最高含有点とが０．０３〜０．１μｍの間隔をおいて交互に繰り返し存在し、
   （ｂ）前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点から前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点、前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点から前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点へと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
   （ｃ）前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉカソード電極近傍で形成される前記Ａｌ−Ｃｒ最高含有点におけるＡｌ成分、Ｃｒ成分、Ｔｉ成分、Ｓｉ成分は、その含有割合（ただし、原子比）を、それぞれＸ、Ｙ、Ｑ、Ｒで表したときに、Ｘは０．３５〜０．５０、Ｙは０．１５〜０．３５、Ｑは０．２５〜０．４５、Ｒは０．０３〜０．１０で、かつ、Ｘ＋Ｙ＋Ｑ＋Ｒ＝１を満足し、
   （ｄ）前記Ｔｉ−Ｓｉターゲット近傍で形成される前記Ｔｉ−Ｓｉ最高含有点におけるＡｌ成分、Ｃｒ成分、Ｔｉ成分、Ｓｉ成分は、その含有割合（ただし、原子比）を、それぞれＸ、Ｙ、Ｑ、Ｒで表したときに、Ｘは０．１０〜０．２５、Ｙは０．１０〜０．２５、Ｑは０．５０〜０．７０、Ｒは０．１０〜０．２５で、かつ、Ｘ＋Ｙ＋Ｑ＋Ｒ＝１を満足する組成変化（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成してなる、
   硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具。
   

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