JP2015110256A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼等を、高熱発生を伴う高速切削条件で切削した場合にもすぐれた耐摩耗性および耐欠損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、工具基体表面に形成された０．５〜５．０μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（ＡｌＸＴｉ１−Ｘ）Ｎ（ＸはＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．６５≰Ｘ≰０．９０である）を満足する立方晶結晶構造を有するＡｌとＴｉの複合窒化物層であり、該立方晶構造を有するＡｌとＴｉの複合窒化物層の立方晶の（１１１）面の回折強度の最高ピークの半価幅が２θで０．６≰２θ≰１．１、Ｔｃ（１１１）が、１．０≰Ｔｃ（１１１）≰２．０であることにより、前記課題を解決する。【選択図】なし

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、耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金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硬質被覆層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、耐摩耗性と耐熱性にすぐれており、工具基体の温度が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硬質被覆層を形成するものであって、この硬質被覆層が、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。

さらに、特許文献３は、炭化タングステン基超硬合金基体または炭窒化チタン系サーメット基体の表面に、（ａ）０．０５〜０．５μｍの平均層厚を有し、組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５を示す）を満足し、Ｘ線回折装置による測定で、（１１１）面に最高ピークが現われ、最高ピークの半価幅が２θで０．８度以下であるＸ線回折パターンを示すＴｉ基複合窒化物層からなる結晶配向履歴層を介して、（ｂ）２〜１０μｍの平均層厚を有し、組成式：（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．４〜０．７を示す）を満足し、Ｘ線回折装置による測定で、（１１１）面に最高ピークが現われ、最高ピークの半価幅が２θで０．８度以下であるＸ線回折パターンを示すＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる硬質被覆層を物理蒸着することにより、高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具を提供することを開示している。

別の従来被覆工具として、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工具基体を装入し、ヒーターで工具基体を、所定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−Ｔｉ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、所定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窒素雰囲気とし、一方、前記工具基体には、例えば、所定のバイアス電圧を印加した条件で、工具基体の表面に蒸発した粒子を蒸着させることにより（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層が形成されることも知られている（例えば、特許文献４参照）。

特開２０１０−２３６０９２号公報 国際公開２００８／１４６７２７号 特開２００３−１１７７０５号公報 特許第２６４４７１０号公報

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、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる被覆層を用いた従来被覆工具においては、これを、鋼や鋳鉄などの被削材の通常切削速度での切削加工に用いた場合には問題ないが、耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金等を、高い発熱を伴うとともに、切刃部への衝撃性および溶着性が著しい高速切削条件で切削した場合には、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は高硬度な皮膜であるが、その硬度や高い残留応力のため、皮膜自体が崩壊したり、剥離したりする問題があり、この結果、切刃部における欠損（微少欠け）の発生が急激に増加し、これが原因で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、耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金等を、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耐熱性、耐摩耗性および耐溶着性を発揮し、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、特に耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金等を高温発熱が伴い、かつ切刃への溶着性が著しい被削材を高速切削条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐熱性、耐摩耗性および耐溶着性を併せ持つ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）（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層のＡｌ含有割合を多くすることで、切削時に、Ａｌ_２Ｏ_３が形成される際にＡｌの供給量が多くなり緻密なＡｌ_２Ｏ_３が形成されるため、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。
（２）（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は、Ｔｉ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、Ｔｉ酸化物の高温安定性を向上させるという効果を奏する。さらにこれをさらに発展させて、ＡｌとＴｉの合量に対するＡｌの含有割合ａを制御してＡｌリッチなＡｌとＴｉの複合窒化物とすることで、各々の窒化物と比べ耐摩耗性が向上する。
（３）立方晶結晶構造のみからなる（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は、高硬度であり工具基体上に形成することで耐摩耗性を向上させることができるが、硬さゆえに欠損やチッピングが起こりやすい。
（４）立方晶の（１１１）面の最高ピークの半価幅が２θで０．６≦２θ≦１．１とすることで、結晶組織が粒状組織となり切削時に発生したクラックが粒界を伝搬しにくくなるため、前述したような立方晶結晶構造のみから構成される（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の欠点であった欠損やチッピングを抑制することができる。
（５）立方晶結晶構造における最密面は（１１１）面であるため、硬質被覆層が（１１１）面に配向した場合に高密度化し、より高硬度となる。そこで、配向性指数Ｔｃ（１１１）により（１１１）面への配向と硬度について評価したところＴｃ（１１１）の値が、１．０〜２．０の時、特に切削性能にすぐれていることを見出した。
本発明の半価幅は、Ｃｕ−Ｋα線によるθ-２θ法で測定したＸ線回折線において、その（１１１）面の相対強度が、バックグラウンドからピーク高さの２分の１になる部位の回折線の幅とした。

本発明は、このような知見に基づき、硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成、結晶構造、配向性指数Ｔｃ（１１１）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、
（ａ）前記硬質被覆層が、前記工具基体表面に形成された０．５〜５．０μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（Ａｌ_ＸＴｉ_１−Ｘ）Ｎ（ＸはＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．６５≦Ｘ≦０．９０である）を満足する立方晶結晶構造を有するＡｌとＴｉの複合窒化物層であり、
（ｂ）前記立方晶構造を有するＡｌとＴｉの複合窒化物層の（１１１）面の回折強度の最高ピークの半価幅が２θで０．６≦２θ≦１．１、配向性指数Ｔｃ（１１１）が、１．０≦Ｔｃ（１１１）≦２．０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について、より詳細に説明する。

（ａ）硬質被覆層の組成：
硬質被覆層を構成する（Ａｌ_ＸＴｉ_１−Ｘ）Ｎ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り、また、Ａｌ成分によって、高温硬さと耐熱性を補完する。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Ｔｉの合量に占めるＡｌの含有割合を示すＸ値（原子比、以下同じ）が０．６５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Ａｌの含有割合を示すＸ値が０．９０を越えると、相対的にＴｉの含有割合が減少し、高速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、Ｘ値を０．６５〜０．９０と定めた。

（ｂ）硬質被覆層の平均層厚：
硬質被覆層の平均層厚が０．５μｍ未満になると、硬質被覆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、硬質被覆層の有する前述したすぐれた特性を発揮することができない。一方、硬質被覆層の平均層厚が５．０μｍ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。したがって、硬質被覆層の平均層厚を０．５〜５．０μｍと定めた。

（ｄ）ＡｌとＴｉの複合窒化物の結晶構造および結晶配向性：
立方晶結晶構造のみからなる（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の複合窒化物は、高硬度であり工具基体上に形成することで耐摩耗性を向上させることができるが、硬さゆえに欠損やチッピングが起こりやすい。
ところが、Ｘ線回折パターンの（１１１）面における回折強度のピークの半価幅２θが０．６度以上１．１以下であるとき、結晶組織が微細粒状組織となり切削時に発生したクラックが伝搬しにくくなる。すなわち、Ｘ線回折パターンの（１１１）面における回折強度のピークの半価幅２θが０．６未満であると結晶組織が柱状結晶を形成し、切削時に発生したクラックが粒界を伝搬して硬質被覆層が破壊しやすくなるため好ましくない。一方、半価幅２θが１．１を超えると結晶構造が非晶質に近くなり、硬質被覆層の硬度が低下するため好ましくない。
そのため、Ｘ線回折パターンの（１１１）面における回折強度のピークの半価幅２θを０．６〜１．１と定めた。
（ｅ）立方晶結晶構造を有するＡｌとＴｉの複合窒化物の配向性指数ＴＣ（１１１）値：
配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）とは、以下の式（Ｉ）で定義されるものである。
式（Ｉ）
式（Ｉ）中、Ｉ（ｈｋｌ）は測定された（ｈｋｌ）面のピーク強度（回折強度）を示し、Ｉ_０（ｈｋｌ）はＪＣＰＤＳファイル（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ（粉末Ｘ線回折標準）ファイル；３７−１１４０（Ｔｉ３ＡｌＮ）、３８−１４２０（ＴｉＮ））による（ｈｋｌ）面を構成するＡｌＮとＴｉＮの粉末回折強度の平均値であり、（ｈｋｌ）は（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）、（５１１）の８面を示す。
組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）のうちの配向性指数ＴＣ（１１１）の値が１．０〜２．０である時に高密度化し、高度化する。その結果、硬質被覆層の耐摩耗性を向上させることができ、耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金などの、高温発生が伴い、かつ、切刃への溶着が激しい被削材の高速切削において、良好な耐摩耗性を示す。

なお、本発明の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は、例えば、次のような方法で形成することができる。
（ａ）ボンバード処理工程：
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、Ｃｒターゲットに１００Ａのアーク電流を流し、この状態で工具基体に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加して工具基体表面をＣｒボンバード洗浄する。従来被覆超硬工具の製造方法においては、上記超硬基体表面をＡｒ ガスボンバード、Ｔｉボンバード洗浄処理していたが、カソード電極として金属Ｃｒを用い、これとアノード電極との間のアーク放電で発生したＣｒイオンで上記超硬基体表面をＣｒボンバード洗浄処理すると、前記超硬基体表面に対する硬質被覆層である（ Ａ ｌ ，Ｔｉ） Ｎ 層の密着性が、前記Ａｒガスボンバード、Ｔ ｉ ボンバード洗浄処理した場合に比して一段と向上するようになる。
（ｂ）成膜工程：
アノード電極とカソード電極（蒸発源）としてのＡｌ−Ｔｉ合金との間に、例えば、電流：１００Ａ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、３．０Ｐａの反応雰囲気とすると共に、工具基体に印加するバイアス電圧を、例えば、−７０Ｖに下げて所定時間蒸着することにより、工具基体表面に、所定の目標組成および目標層厚を有し所定の配向性指数ＴＣ（１１１）を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層が形成される。

本発明の被覆工具によれば、工具基体表面に形成された硬質被覆層が、０．５〜５．０μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（Ａｌ_ＸＴｉ_１−Ｘ）Ｎ（ＸはＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．６５≦Ｘ≦０．９０である）を満足する立方晶結晶構造を有するＡｌとＴｉの複合窒化物層であり該複合窒化物層の（１１１）面の回折強度の最高ピークの半価幅が２θで０．６≦２θ≦１．１、配向性指数Ｔｃ（１１１）が、１．０≦Ｔｃ（１１１）≦２．０であることによって、ＡｌとＴｉの複合窒化物層が奏するすぐれた耐摩耗性および耐熱性と、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、耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金等の大きな発熱を伴い、かつ、高負荷のかかる高速切削加工であっても、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性、耐熱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。 従来技術を説明する従来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。

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、ＶＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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−３を形成した。

（ａ）ついで、前記工具基体Ａ−１〜Ａ−３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所定組成を有するＣｒ、Ａｌ−Ｔｉ合金からなる２つのカソード電極（蒸発源）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Ｃｒ（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Ｃｒボンバード洗浄し、
（ｃ）次に装置内雰囲気を０．５〜９．０Ｐａの窒素雰囲気に保持して、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Ａｌ−Ｔｉ合金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て、表２に示される目標組成、目標層厚で所定の配向性指数ＴＣ（１１１）を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成し、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−３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所定組成を有するＡｌ−Ｔｉ合金、Ｃｒ（カソード電極）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Ａｌ−Ｔｉ合金、もしくはＣｒ（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の窒素雰囲気に保持して、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Ａｌ−Ｔｉ合金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（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成し、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）１〜５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３に示す。

本発明被覆インサート１〜１０および比較被覆インサート１〜５について、以下の切削条件で切削試験を行った。
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基合金の丸棒、
切削速度： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）でのＮｉ基合金の湿式連続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３５ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１８０）の丸棒、
切削速度： １５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ｍｍ、
送り： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０分、
の条件（切削条件Ｂ）でのステンレス鋼の湿式連続高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１２０ｍ／ｍｉｎ．、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：質量％で、Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖの組成を有するＴｉ基合金の丸棒、
切削速度： ７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ｍｍ、
送り： ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０分、
の条件（切削条件Ｃ）でのＴｉ基合金の湿式連続高速高切込切削加工試験（通常の切削速度、切込および送りは、それぞれ、４０ ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ ｍｍ／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４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、ＶＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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−３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−３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５に示される目標組成、目標層厚で所定の配向性指数ＴＣ（１１１）を有する（Ａｌ，Ｔｉ）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）１〜１０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−３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６に示される形成条件（バイアス電圧、窒素分圧）を用いて、表６に示される目標組成、目標層厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、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１〜１０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、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： ６０ ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ２ ｍｍ、
テーブル送り： １４０ ｍｍ／分、
の条件でのＮｉ基合金の湿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、５０ｍ／ｍｉｎ．および１．０ｍｍ）、
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５、６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−３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−３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７に示される目標組成、目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなり、所定の配向性指数（１１１）を有す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表面被覆超硬製ドリル（以下、本発明被覆ドリルと云う）１〜１０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−〜３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８に示される形成条件（バイアス電圧、窒素分圧）を用いて、表８に示される目標組成、目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、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１〜１０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、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： ４０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ： ３０ 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、２０ｍ／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７、８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１〜１０、および、本発明被覆ドリル１〜１０の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成、比較被覆工具としての比較被覆インサート１〜５、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（Ａｌ，Ｔｉ）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、前記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等しい平均層厚（５ヶ所の平均値）を示した。

表２〜８に示される結果から、本発明被覆工具は、Ｃｒボンバード処理と工具基体の上に所定の組成、目標層厚で所定の結晶構造および配向性を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層によって、工具基体表面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、すぐれた耐熱性および耐摩耗性を有することによって、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、耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金等の高速切削加工でも、すぐれた耐欠損性が確保され、チッピングの発生なく、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層のいずれかが本発明で規定した組成、結晶構造、配向性を逸脱する比較被覆工具においては、いずれも耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金の高速切削加工では、耐摩耗性が十分でなく、かつ皮膜の靭性が低下するために、切刃部にチッピング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、耐熱合金、ステンレス鋼、チタン合金等の高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を発揮し、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、
   （ａ）前記硬質被覆層が、Ｃｒボンバード処理後、前記工具基体表面に形成された０．５〜５．０μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（Ａｌ_ＸＴｉ_１−Ｘ）Ｎ（ＸはＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．６５≦Ｘ≦０．９０である）を満足する立方晶結晶構造を有するＡｌとＴｉの複合窒化物層であり、
   （ｂ）前記立方晶構造を有するＡｌとＴｉの複合窒化物層の立方晶の（１１１）面の回折強度の最高ピークの半価幅が２θで０．６≦２θ≦１．１、かつ配向性指数Ｔｃ（１１１）が、１．０≦Ｔｃ（１１１）≦２．０である
   ことを特徴とする表面被覆切削工具。