JP2015182208A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】軟鋼、低炭素鋼等の溶着を発生し易い被削材を高速切削加工した場合においても、すぐれた耐熱性、耐溶着性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供する。
【解決手段】硬質被覆層が、（ａ）組成式：Ｔｉ（Ｃ_ｅＮ_１−ｅ）（ここで、ｅは原子比で、０．１≦ｅ≦０．９）を満足するＴｉの炭窒化物層からなる下地層と、（ｂ）組成式：Ｔｉ（Ｏ_ａＣ_ｂＮ_{１−ａ−ｂ}）（ここで、ａ、ｂはそれぞれ原子比で、０．０５≦ａ≦０．５、０．１≦ｂ≦０．４）を満足するＴｉの複合炭窒酸化物層からなる薄層Ａと、（ｃ）組成式：（Ａｌ_１−ＣＭｎ_Ｃ）（Ｏ_１−ｄＮ_ｄ）（ここで、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０．１０≦ｃ≦０．５０、０．０１≦ｄ≦０．５０）を満足するＡｌとＭｎとの複合窒酸化物層からなる薄層Ｂが交互積層を形成し、下地層の層厚が交互積層の合計層厚よりも厚く、薄層Ａの層厚は薄層Ｂの層厚よりも厚いことを特徴とする表面被覆切削工具。
【選択図】図２

Description

本発明は、表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関し、さらに詳しくは、例えば、軟鋼、低炭素鋼等の高熱発生を伴うとともに切刃への溶着性が著しい被削材を高速切削した場合に、硬質被覆層がすぐれた高温安定性、耐熱性、耐摩耗性、耐溶着性を発揮する被覆工具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インサート、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、またインサート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インサート式エンドミル工具などが知られている。

近年、金属材料の切削加工においては高能率化の要求が高く、切削速度を高速化させることが求められている。このため、切削工具の工具基体表面を被覆する被膜に対して耐摩耗性や耐欠損性を向上させることが要求されている。

特許文献１には、アルミニウム酸化物を基とする硬質被覆層であって、Ａｌ_１−ｘＭ_ｘ（Ｏ_１−ｙＮ_ｙ）_ｚ（０≦ｘ≦０．５、０＜ｙ≦０．４、ｚ＞０）で表される組成を有し、この組成におけるＭは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂから選択される少なくとも１種の元素であるＡｌＭ（ＯＮ）系硬質被覆層が開示されている。さらに同文献には、このような硬質被覆層は、耐摩耗性と耐熱性にすぐれており、基材の温度が１０００℃以下で、具体的には４００〜６００℃で形成できると開示されている。

また、特許文献２は、被覆工具の工具基体上に被膜を形成するものであって、この被膜が、第１超多層膜と第２超多層膜とを各々１以上交互に積層させてなる複合超多層膜を含み、前記第１超多層膜が、Ａ１層とＢ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、前記第２超多層膜が、Ａ２層とＣ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、前記Ａ１層とＡ２層が、各々ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＣＮのいずれかにより構成され、前記Ｂ層が、ＴｉＳｉＮまたはＴｉＳｉＣＮにより構成され、前記Ｃ層が、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮにより構成されることにより、耐摩耗性と耐熱性を維持しつつ、脆性の問題を低減した積層系硬質被覆層を有する被覆工具を提供することを開示している。

特開２０１０−２３６０９２号公報 国際公開２００８／１４６７２７号

ところが、近年の切削加工装置の自動化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらには低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削工具には被削材の材種にできるだけ影響を受けない汎用性、すなわち、できるだけ多くの材種の切削加工が可能な切削工具が求められる傾向にあるが、前記従来被覆工具を、低炭素鋼、軟鋼等の高い発熱を伴うとともに、切刃部への溶着性が著しい高速切削条件で切削した場合には、潤滑性が不足し、その結果、被削材が切刃に溶着し、それが原因となってチッピングが発生し、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

例えば、特許文献１によれば、耐摩耗性と耐熱性をある程度向上させることは可能であるが、このようなＡｌＭ（ＯＮ）系硬質被覆層の問題として脆性を示すことから切削時の衝撃等により被膜自体が破壊したり剥離したりするという問題があった。
また、特許文献２による積層系硬質被覆層によっても、過酷な切削条件下においては積層構造を構成する個々の被膜自体の破壊や剥離を十分に防止することができず、結果として十分な硬質被覆層全体としての耐摩耗性を得ることができない場合があった。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、低炭素鋼、軟鋼等を高熱発生を伴う高速切削条件で切削した場合においてもすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示す被覆工具を提供することである。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、低炭素鋼、軟鋼などを切削する場合にも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と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。

その結果、次のような新規な知見を得た。
（１）Ｔｉ（ＯＣＮ）層は、耐摩耗性があり、酸素を所定量含有することで耐熱性を向上させることができる。
（２）（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層は、Ｍｎ酸化物自身が非常に安定な物質であり、これがＡｌ酸化物中に導入されることにより、Ａｌ酸化物の高温安定性を向上させるという効果を奏する。さらにこれを発展させて、Ａｌ，Ｍｎの複合酸窒化物とすることで、各々の酸化物と比べ耐摩耗性が向上する。その結果、切削中に熱の発生しやすい難削材などに対して、すぐれた耐熱性、耐摩耗性、耐溶着性を示す。
（３）しかしながら、前述のＴｉ（ＯＣＮ）層、（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層をそれぞれ単独で用いた場合、Ｔｉ（ＯＣＮ）層だけでは、耐摩耗性は確保できたとしても耐熱性に乏しく、逆に、（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層を単独で用いた場合、耐熱性は確保できても、耐摩耗性に乏しく切削工具の硬質被覆層として実用的ではない。また、それぞれの層の層厚を厚くして耐摩耗性を稼ごうとすると、層内に生じる残留圧縮応力の関係でチッピングが生じやすくなり、長期に亘って切削性能を維持することができない。

本発明は、このような知見に基づき、下地層、Ｔｉ（ＯＣＮ）層からなる薄層Ａ、（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層からなる薄層Ｂ、各層の平均層厚、薄層Ａと薄層Ｂの層厚の関係、硬質被覆層全体の合計層厚などと切削性能との関係を詳しく解析した結果得られたものであって、具体的には、以下のような構成からなる。

本発明は、前記研究結果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を形成してなる表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
（ａ）前記工具基体表面に形成された０．５５〜５．５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：Ｔｉ（Ｃ_ｅＮ_１−ｅ）（ここで、ｅはＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合を示し、原子比で、０．１≦ｅ≦０．９）を満足するＴｉの炭窒化物層からなる下地層と、
（ｂ）０．１〜１．０μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：Ｔｉ（Ｏ_ａＣ_ｂＮ_{１−ａ−ｂ}）（ここで、ａはＯとＣとＮとの合量に占めるＯの含有割合を示し、原子比で、０．０５≦ａ≦０．５である。また、ｂはＯとＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合を示し、原子比で、０．１≦ｂ≦０．４）を満足するＴｉの複合炭窒酸化物層からなる薄層Ａと、
（ｃ）０．０５〜０．５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ_１−ＣＭｎ_Ｃ）（Ｏ_１−ｄＮ_ｄ）（ここで、ｃはＡｌとＭｎとの合量に占めるＭｎの含有割合を示し、原子比で、０．１０≦ｃ≦０．５０である。また、ｄはＯとＮとの合量に占めるＮの含有割合を示し、原子比で、０．０１≦ｄ≦０．５０）を満足するＡｌとＭｎとの複合窒酸化物層からなる薄層Ｂであり、
前記下地層の直上には前記薄層Ａが形成され、かつ、前記薄層Ａおよび薄層Ｂは交互積層を形成し、前記下地層の層厚の方がその上部に形成した交互積層の合計層厚よりも厚く、前記薄層Ａの層厚は薄層Ｂの層厚よりも厚く、硬質被覆層全体の合計層厚が１．０〜１０．０μｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とする。

次に、本発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、前記の通りに数値限定した理由を説明する。

（ａ）工具基体上に形成する下地層の平均層厚と組成：
本発明に係る後述する薄層Ａと薄層Ｂは、化学的に安定であることから、工具基体とも結合しにくい。すなわち、薄層Ａおよび薄層Ｂは工具基体表面との高い密着性を得難いため、工具基体との間に下地層を設ける必要がある。下地層としては、工具基体表面との密着性にすぐれ、また、それ自体の硬度も高いＴｉの炭窒化物が好適に用いられる。
下地層に用いるＴｉの炭窒化物を組成式：Ｔｉ（Ｃ_ｅＮ_１−ｅ）で表したとき、ｅの値を、原子比で、０．１≦ｅ≦０．９とした場合、工具基体表面との付着強度が高く、また、後述する交互積層を構成するＴｉの複合炭窒酸化物層（薄層Ａ）との密着性にもすぐれている。
また、下地層の平均層厚が、０．５５μｍ未満では、下地層に要求される耐摩耗性を十分に確保することができず、一方、５．５μｍを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、下地層の平均層厚は、０．５５〜５．５μｍと定めた。
したがって、工具基体上には０．５５〜５．５μｍの平均層厚を有し、組成式：Ｔｉ（Ｃ_ｅＮ_１−ｅ）（ここで、ｅはＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合を示し、原子比で、０．１≦ｅ≦０．９）を満足する下地層を形成する。

（ｂ）薄層Ａ層を構成するＴｉ（ＯＣＮ）層の組成：
後述する薄層Ｂと共に交互積層構造を構成する薄層ＡのＴｉ（Ｏ_ａＣ_ｂＮ_{１−ａ−ｂ}）層は、層全体に亘って均質な耐摩耗性と耐熱性および靭性を示すが、その構成成分であるＴｉ成分によって、すぐれた高温強度を備えるようになる。
また、ＯとＣとＮの合量に占めるＯの含有割合を示すａ値（原子比）は、Ｔｉ（ＯＣＮ）層の耐熱性を向上させるために必須の成分Ｏの含有割合である。ＯとＣとＮの合量に対してＯの含有割合ａ値が０．０５未満であると耐熱性向上効果が十分でなく、一方、ａ値が０．５を超えると、薄層Ａの構成成分Ｃ、Ｎの含有割合が低下し、その結果、下地層との密着性が低下することから、Ｏの含有割合ａ値は、０．０５〜０．５とする必要がある。
また、ＯとＣとＮの合量に占めるＣの含有割合を示すｂ値（原子比）は、工具基体表面に形成した下地層との密着性を向上させるために必須の成分であるＣの含有割合である。Ｃの含有割合であるｂ値が０．１未満であると下地層との密着性が十分でなくなり、一方、ｂ値が０．４を超えると、後記する薄層Ｂとの密着性が低下することから、Ｃの含有割合ｂ値は、０．１〜０．４と定める。
本発明の薄層Ａは、前記のとおり下地層との密着性に優れることから、下地層の直上には、薄層Ａを形成する。

（ｃ）薄層Ｂ層を構成する（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層の組成：
前述した薄層Ａと共に交互積層構造を構成する薄層Ｂの（Ａｌ_１−ＣＭｎ_Ｃ）（Ｏ_１−ｄＮ_ｄ）層は、層全体に亘って均質な耐摩耗性と耐熱性および靭性を示すが、その構成成分であるＭｎ成分によって、すぐれた高温安定性を備えるようになり、また、Ａｌ、Ｍｎの複合酸窒化物とすることで各々の酸化物と比べて耐摩耗性が向上する。そのため、高温切削条件下でも低摩擦係数が維持され、すぐれた耐熱性を発揮するようになるが、Ａｌとの合量に占めるＭｎの含有割合を示すｃ値（原子比、以下同じ）が０．１０未満になると、高温強度を確保することができないために刃先の境界部分において異常損傷を生じ欠損を発生しやすくなるため長寿命を期待することはできず、一方、Ａｌとの合量に占めるＭｎの含有割合を示すｃ値が０．５０を越えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温硬さ確保することができないばかりか、耐摩耗性も低下し、チッピング発生を防止することが困難になることから、ｃ値を０．１０〜０．５０と定めた。
ＯとＮの合量に占めるＯの含有割合を示す（１−ｄ）値（原子比）は、（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層の耐熱性を向上させるために必須の成分Ｏの含有割合である。その効果を十分なものとするためには、ＯとＮの合量に対して半分以上を占めている必要がある。しかしながら、（１−ｄ）値が０．９９を超えてしまうと、相対的にＮの含有割合が０．０１未満となってしまい、Ｎの添加により硬度を向上させるという効果が十分に奏されなくなる。したがって、ｄ値を０．０１〜０．５０と定めた。

（ｄ）薄層Ａおよび薄層Ｂの平均層厚ならびに硬質被覆層の合計層厚：
本発明の硬質被覆層は、それぞれの組成の異なる薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層して構成した交互積層構造とすることで、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、薄層Ａの平均層厚が０．１μｍ未満、薄層Ｂの平均層厚が０．０５μｍ未満になると、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、各薄層の有する前記のすぐれた特性を発揮することができない。一方、薄層Ａの平均層厚が１．０μｍ、薄層Ｂの平均層厚が０．５μｍ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のそれぞれの平均層厚を０．１〜１．０μｍおよび０．０５〜０．５μｍと定めた。
また、前述した下地層と、薄層Ａおよび薄層Ｂとの交互積層構造とを加えた硬質被覆層の合計層厚は、１．０μｍ未満では、前述した交互積層構造の備えるすぐれた耐欠損性、耐チッピング性を十分に発揮することができず、一方、１０μｍを超えると、反対に、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、硬質被覆層の合計層厚は、１．０〜１０μｍと定めた。更に、下地層の層厚（Ｘ）の方がその上部に形成した薄層Ａおよび薄層Ｂの交互積層の合計層厚（Ｙ）よりも薄くなると、総厚に占める硬質膜の割合が相対的に下がってしまい、耐摩耗性を十分に確保することができないため、下地層の層厚（Ｘ）と薄層Ａおよび薄層Ｂの交互積層の合計層厚（Ｙ）の関係をＸ＞Ｙと定めた。

なお、本発明の硬質被覆層を構成する薄層Ａを構成するＴｉ（ＯＣＮ）層および薄層Ｂを構成する（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）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工具基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃の温度に加熱した状態で、
（ａ）アノード電極とカソード電極（蒸発源）としてのＴｉ電極との間に、例えば、電流：１１０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内の雰囲気を０．５〜９．０Ｐａの窒素ガス及びメタンガスの混合雰囲気（例えば、窒素：メタンの流量％の比が５０：５０）とし、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所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の下地層であるＴｉ（ＣＮ）層が形成される。
（ｂ）アノード電極とカソード電極（蒸発源）としてのＴｉ合金との間に、例えば、電流：１１０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内の雰囲気を０．５〜９．０Ｐａの酸素とメタンと窒素の混合雰囲気（例えば、酸素：メタン：窒素の流量％の比が３０：３０：４０）とし、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所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標層厚の薄層ＡであるＴｉ（ＯＣＮ）層が形成される。
（ｃ）ついで、装置内に所定組成のＡｌ−Ｍｎ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）としてのＡｌ−Ｍｎ合金との間に、例えば、電流：１１０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内の雰囲気を０．５〜９．０Ｐａの酸素と窒素の混合雰囲気（例えば、酸素：窒素の流量％の比が５０：５０）とし、一方、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所定時間蒸着することにより、前記薄層Ａ上に所定の目標層厚の薄層Ｂを構成する（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層が形成される。
前記（ｂ）、（ｃ）を所定の合計層厚になるまで、交互に繰り返すことにより、図３に示される本発明の硬質被覆層を蒸着形成することができる。

本発明の被覆工具の一態様によれば、硬質被覆層がＴｉ（ＣＮ）層からなる下地層の上にＴｉ（ＯＣＮ）層からなる薄層Ａと（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層からなる薄層Ｂとの交互積層構造を有していることによって、薄層Ａが奏するすぐれた耐摩耗性および耐熱性と、薄層Ｂが奏するすぐれた高温硬さと耐熱性および靭性との相乗効果によって、硬質被覆層は、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、耐摩耗性、潤滑性、耐衝撃性、耐欠損性、耐チッピング性を有することから、その結果、特に、軟鋼、低炭素鋼等の溶着性の高い被削材を、大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速切削加工を行った場合であっても、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性、耐熱性、耐溶着性を発揮するものである。

本発明被覆工具および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。 本発明被覆工具を構成する硬質被覆層の縦断面膜構成図である。

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。

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、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−６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、ＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ−１〜Ｂ−４を形成した。

（ａ）ついで、前記工具基体Ａ−１〜Ａ−６およびＢ−１〜Ｂ−４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沿って装着し、前記回転テーブルを挟んで対向する２つのカソード電極（蒸発源）を配置し、第１の電極として、下地層および薄層Ａ形成用のＴｉ、第２の電極として、薄層Ｂ形成用の所定組成を有するＡｌ−Ｍｎ合金を配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１ Ｐａ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、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（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）次に装置内雰囲気を０．５〜９．０Ｐａのメタンと窒素の混合雰囲気（例えばメタン：窒素の流量％の比が５０：５０）に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極（蒸発源）であるＴｉ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て、表３に示される目標組成、目標層厚の下地層としてのＴｉ（ＣＮ）層を蒸着形成した。
（ｄ）次に装置内雰囲気を０．５〜９．０Ｐａの酸素とメタンと窒素の混合雰囲気（例えば酸素：メタン：窒素の流量％の比が３０：３０：４０）に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極（蒸発源）であるＴｉ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て、表４に示される目標組成、目標層厚の薄層ＡとしてのＴｉ（ＯＣＮ）層を蒸着形成した。
（ｅ）次に装置内雰囲気を０．５〜９．０Ｐａの酸素と窒素の混合雰囲気（例えば酸素：窒素の流量％の比が５０：５０）に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−５０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Ａｌ−Ｍｎ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、前記薄層Ａの上に、表４に示される目標組成、目標層厚の薄層Ｂとしての（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層を蒸着形成した後、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、
前記（ｄ）、（ｅ）を交互に繰り返して、表４に示される合計層厚の交互積層を工具基体上の下地層の上に蒸着形成し、表３、表４に示す本発明被覆工具としての表面被覆インサート（以下、本発明被覆インサートと云う）１〜１０をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、
（ａ）前記工具基体Ａ−１〜Ａ−４およびＢ−１、Ｂ−２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沿って装着し、前記回転テーブルを挟んで対向する２つのカソード電極（蒸発源）を配置し、第１の電極として、薄層Ａ形成用のＴｉ、第２の電極として、薄層Ｂ形成用の所定組成を有するＡｌ−Ｍｎ合金を配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１ Ｐａ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、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（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）次に装置内雰囲気を０．５〜９．０Ｐａのメタンと窒素の混合雰囲気（例えばメタン：窒素の流量％の比が５０：５０）に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極（蒸発源）であるＴｉ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て、表５に示される目標組成、目標層厚の下地層としてのＴｉ（ＣＮ）層を蒸着形成した。
（ｄ）次に装置内雰囲気を０．５〜９．０Ｐａの酸素とメタンと窒素の混合雰囲気（例えば酸素：メタン：窒素の流量％の比が３０：３０：４０）に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極（蒸発源）であるＴｉ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て、表６に示される目標組成、目標層厚の薄層ＡとしてのＴｉ（ＯＣＮ）層を蒸着形成した。
（ｅ）引き続いて、装置内雰囲気を０．５〜９．０Ｐａの酸素と窒素の混合雰囲気（例えば酸素：窒素の流量％の比が５：９５）に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Ａｌ−Ｍｎ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、工具基体の表面に、表６に示される目標組成、目標層厚の薄層Ｂとしての（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層を蒸着形成した後、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、
前記（ｄ）、（ｅ）を交互に繰り返して、表６に示される合計層厚の交互積層構造の硬質被覆層を工具基体上の下地層の上に蒸着形成し、表５、表６に示される比較被覆工具としての表面被覆インサート（以下、比較被覆インサートと云う）１〜６をそれぞれ製造した。各層の形成条件（バイアス電圧、酸素分圧、窒素分圧）を同じく表５，表６に示す。なお、比較被覆インサート１は、交互積層の形成を行わず、Ｔｉ（ＣＮ）層のみからなる硬質被覆層とした。

本発明被覆インサート１〜１０および比較被覆インサート１〜６について、以下の切削条件で切削試験を行った。
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ４００の丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １６ 分、
の条件（切削条件Ａ）での軟鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は、２００ ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの丸棒、
切削速度： ３００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．８ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １４ 分、
の条件（切削条件Ｂ）での低炭素鋼の乾式連続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、いずれの高速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。

実施例１と同様、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粉末からなる原料粉末を、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、直径が１３ｍｍの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）Ａ−１〜Ａ−６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）Ａ−１〜Ａ−６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、実施例１と同一の条件で、表８に示される目標組成、目標層厚のＴｉ（ＣＮ）層からなる下地層の上に、表９に示される目標組成、目標層厚のＴｉ（ＯＣＮ）層からなる薄層Ａと、表９に示される目標組成、目標層厚の（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層からなる薄層Ｂとの交互積層を形成した表９に示される目標合計層厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、表８、表９に示される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）１〜６をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、前記工具基体（エンドミル）Ａ−１〜Ａ−５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、実施例１と同様工程で、表１０に示される形成条件（バイアス電圧、窒素分圧）を用いて、表１０に示される目標組成、目標層厚のＴｉ（ＣＮ）層のみからなるもの、および、下地層の上に、表１１に示される目標組成、目標層厚のＴｉ（ＯＣＮ）層からなる薄層Ａと、表１１に示される目標組成、目標層厚の（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層からなる薄層Ｂとの交互積層を形成した表１１に示される目標合計層厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１０、表１１に示される比較被覆工具としての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）１〜５をそれぞれ製造した。
つぎに、本発明被覆エンドミル１〜６および比較被覆エンドミル１〜５について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの
ＪＩＳ・ ＳＳ４００ の板材、
切削速度： ３００ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ４．０ ｍｍ、
テーブル送り： １６００ ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件での軟鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は、 ２００ ｍ／ｍｉｎ．）、
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９、１１にそれぞれ示した。

実施例２で製造した直径が１３ｍｍの丸棒焼結体を用い、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ８ｍｍ×２２ｍｍ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）Ａ−１〜Ａ−６をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−６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、実施例１と同一の条件で、表１２に示される目標組成、目標層厚の下地層の上に表１３に示される目標組成、目標層厚のＴｉ（ＯＣＮ）層からなる薄層Ａと、同じく表１３に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層からなる薄層Ｂとの交互積層を形成した表１３に示される目標合計層厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１２、表１３に示される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）１〜６をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、前記工具基体（ドリル）Ａ−１〜Ａ−５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、実施例１と同様工程で、表１４に示される形成条件（バイアス電圧、窒素分圧）を用いて、表１４に示される目標組成、目標層厚のＴｉ（ＣＮ）層のみからなるもの、および、Ｔｉ（ＣＮ）層からなる下地層の上に、表１５に示される目標組成、目標層厚のＴｉ（ＯＣＮ）層からなる薄層Ａと、表１５に示される目標組成、目標層厚の（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層からなる薄層Ｂとの交互積層を形成した表１５に示される目標合計層厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１４、表１５に示される比較被覆工具としての表面被覆超硬製ドリル（以下、比較被覆ドリルと云う）１〜５をそれぞれ製造した。

つぎに、本発明被覆ドリル１〜６および比較被覆ドリル１〜５について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの
ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの板材
切削速度： １８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ７ ｍｍ、
の条件での低炭素鋼の乾式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は、１００ ｍ／ｍｉｎ．）、
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１３、１５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インサート１〜１０、本発明被覆エンドミル１〜６、および本発明被覆ドリル１〜６の硬質被覆層を構成する下地層であるＴｉ（ＣＮ）層と薄層ＡであるＴｉ（ＯＣＮ）層と薄層Ｂである（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層の組成、並びに、比較被覆工具としての比較被覆インサート１〜６、比較被覆エンドミル１〜５、および比較被覆ドリル１〜５の硬質被覆層を構成する下地層であるＴｉ（ＣＮ）層と薄層ＡであるＴｉ（ＯＣＮ）層と薄層Ｂである（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）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、前記硬質被覆層を構成する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等しい平均層厚（５ヶ所の平均値）を示した。

表３〜１５に示される結果から、本発明被覆工具は、工具基体の上に所定の組成、平均層厚の下地層を形成した後、所定の組成、平均層厚の薄層Ａと、所定の組成、平均層厚の薄層Ｂとからなる交互積層を形成した結果、薄層ＡであるＴｉ（ＯＣＮ）層によって、工具基体表面の下地層に強固に密着接合した状態で、耐欠損性、高温硬さ、高温強度が向上し、薄層Ｂである（Ａｌ，Ｍｎ）（ＯＮ）層がすぐれた耐熱性および耐摩耗性を有するとともに、組成が異なる薄層Ａと薄層Ｂとの交互積層による相乗効果によって、耐衝撃性、耐チッピング性、耐クラック進展性を向上させる結果、軟鋼、低炭素鋼等の高速切削加工でも、すぐれた耐熱性、耐溶着性を示し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。これに対して、硬質被覆層を構成する各層のいずれかが本発明で規定した組成、平均層厚を逸脱する比較被覆工具においては、いずれも軟鋼、低炭素鋼等の高速切削加工では、耐熱性、耐溶着性が十分でなく、切刃部にチッピング、欠損が発生するようになり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

前述のように、本発明の被覆工具は、一般的な被削材の切削加工は勿論のこと、特に、軟鋼、低炭素鋼等の溶着を発生し易い被削材の高速切削加工でもすぐれた耐熱性、耐溶着性、耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の自動化、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。

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の表面に硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
   前記硬質被覆層が、
   （ａ）前記工具基体表面に形成された０．５５〜５．５μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：Ｔｉ（Ｃ_ｅＮ_１−ｅ）（ここで、ｅはＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合を示し、原子比で、０．１≦ｅ≦０．９）を満足するＴｉの炭窒化物層からなる下地層と、
   （ｂ）０．１〜１．０μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：Ｔｉ（Ｏ_ａＣ_ｂＮ_{１−ａ−ｂ}）（ここで、ａはＯとＣとＮとの合量に占めるＯの含有割合を示し、原子比で、０．０１≦ａ≦０．５である。また、ｂはＯとＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合を示し、原子比で、０．１≦ｂ≦０．４）を満足するＴｉの複合炭窒酸化物層からなる薄層Ａと、
   （ｃ）０．０５〜０．５μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ａｌ_１−ＣＭｎ_Ｃ）（Ｏ_１−ｄＮ_ｄ）（ここで、ｃはＡｌとＭｎとの合量に占めるＭｎの含有割合を示し、原子比で、０．１０≦ｃ≦０．５０である。また、ｄはＯとＮとの合量に占めるＮの含有割合を示し、原子比で、０．０１≦ｄ≦０．５０）を満足するＡｌとＭｎとの複合窒酸化物層からなる薄層Ｂであり、
   前記下地層の直上には前記薄層Ａが形成され、かつ、前記薄層Ａおよび薄層Ｂは交互積層を形成し、前記下地層の層厚の方がその上部に形成した交互積層の合計層厚よりも厚く、前記薄層Ａの層厚は薄層Ｂの層厚よりも厚く、硬質被覆層全体の合計層厚が１．０〜１０．０μｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。