特許 6384341 耐異常損傷性と耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6384341

(24)【登録日】2018年8月17日

(45)【発行日】2018年9月5日

(54)【発明の名称】耐異常損傷性と耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20180827BHJP

   B23C 5/16 20060101ALI20180827BHJP

   B23B 51/00 20060101ALI20180827BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20180827BHJP

【ＦＩ】

   B23B27/14 A

   B23C5/16

   B23B51/00 J

   C23C14/06 A

   C23C14/06 P

【請求項の数】5

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-14918(P2015-14918)

(22)【出願日】2015年1月29日

(65)【公開番号】特開2016-26893(P2016-26893A)

(43)【公開日】2016年2月18日

【審査請求日】2017年9月29日

(31)【優先権主張番号】特願2014-133205(P2014-133205)

(32)【優先日】2014年6月27日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100139240

【弁理士】

【氏名又は名称】影山 秀一

(74)【代理人】

【識別番号】100113826

【弁理士】

【氏名又は名称】倉地 保幸

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 峻

(72)【発明者】

【氏名】仙北屋 和明

(72)【発明者】

【氏名】高橋 正訓

【審査官】 津田 健嗣

(56)【参考文献】

【文献】 特開平８−１２７８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１７４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−７６４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５２９５７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−１３６５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２６６２４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｂ２３Ｂ ５１／００

Ｂ２３Ｃ ５／１６

Ｃ２３Ｃ １４／０６

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に、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、
（ａ）前記交互積層構造からなる硬質被覆層は、一層平均層厚がそれぞれ５〜３０ｎｍのＡ層とＢ層が交互に積層され、かつ、Ａ層とＢ層との間にはＣ層が介在形成され、
（ｂ）前記Ａ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．５）を満足するＴｉの窒化物層あるいはＴｉとＡｌの窒化物層であり、
前記Ｂ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ｙＡｌ_ｙ）Ｎ（但し、ｙは原子比で、０．２≦ｙ≦０．７かつｘ＋０．２≦ｙ）を満足するＴｉとＡｌの窒化物層であり、
前記Ｃ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ｚＡｌ_ｚ）Ｎ（但し、ｚは原子比で、ｘ＜ｚ＜ｙ）を満足するＴｉとＡｌの窒化物層であり、
（ｃ）前記第Ｃ層についてＸ線回折を行った際のＣ層の（２００）面及び（１１１）面の回折ピーク強度値をそれぞれＩ（２００）、Ｉ（１１１）とした場合、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＞１であり、かつ、（２００）面のＸ線回折ピークの半値幅２θが０．５度以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。

【請求項2】

前記Ｃ層の（２００）面のＸ線回折ピーク角度から算出した格子定数ａ（Å）が、
４．２４−０．１２ｙ≦ａ≦４．２４−０．１２ｘ
を満足す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3】

前記Ｃ層の一層平均層厚が１〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。

【請求項4】

前記交互積層構造からなる硬質被覆層において、Ａ層、Ｂ層が各５層以上積層されており、かつ、合計層厚が０．１〜３．０μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。

【請求項5】

前記Ａ層が、
組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．３）を満足するＴｉの窒化物層あるいはＴｉとＡｌの窒化物層であり、
前記Ｂ層が、
組成式：（Ｔｉ_１−ｙＡｌ_ｙ）Ｎ（但し、ｙは原子比で、０．２≦ｙ≦０．５かつｘ＋０．２≦ｙ）を満足するＴｉとＡｌの窒化物層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を備えた表面被覆切削工具に関し、さらに詳しくは、鋼や鋳鉄などの高速切削加工に供した場合においても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生しにくく、長期に亘ってすぐれた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。

【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などが知られている。

【0003】

従来、被覆工具としては、例えば、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ焼結体を工具基体とし、これに硬質被覆層を形成した被覆工具が知られており、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。

【0004】

例えば、特許文献１には、基体表面上に、周期律表第ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族元素、ＡｌならびにＢから成る群の中から選択される少なくとも１種の元素の立方晶型結晶構造を有する金属結合性の窒化物、炭化物または炭窒化物（ａ）と、常温、常圧、平衡状態で立方晶型以外の結晶構造を有する少なくとも１種の共有結合性の化合物（ｂ）との超薄膜積層膜からなる立方晶型の結晶構造を有する交互積層構造を構成することにより、切削工具の強度、耐磨耗性、高温硬度、耐酸化性を改善することが提案されている。

【0005】

また、特許文献２には、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、およびＢから選択される１種以上の元素（第１元素）と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯから選択される１種以上の元素（第２元素）とを主成分とし、互いに異なる組成を有する少なくとも２種の化合物層からなり、該各層間で１周期以上連続した結晶格子を有する積層部を形成するとともに、該積層部の基材側に、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、およびＶＩａ族元素から選択される１種以上の元素（第３元素）と、Ｃ、Ｎ、およびＯから選択される１種以上の元素（第４元素）とからなる中間層を形成し、該中間層と前記積層部の少なくとも最も基材側の層とが、連続した格子を有するようにすることによって、切削工具の硬質被覆層の耐摩耗性を改善することが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平８−１０４５８３号公報

【特許文献2】特開平８−１２７８６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

前記従来技術で提案されている超薄膜積層膜あるいは積層部からなる硬質被覆層を有する被覆工具は、鋼や鋳鉄の通常の切削条件ではすぐれた硬さ、耐熱性を備えるとともにすぐれた耐摩耗性を発揮するが、これを、切れ刃に断続的な高負荷が作用する断続切削加工に供した場合には、工具基体と硬質被覆層、あるいは、硬質被覆層同士での付着強度が低いために、チッピング、剥離等の異常損傷が発生し易く、そのため、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができないという問題点があった。
そこで、切れ刃に断続的な高負荷が作用する断続切削加工条件下であっても、長期にわたって安定した耐摩耗性を発揮するような被覆工具が求められている。

【0008】

本発明者らは、前記課題を解決すべく硬質被覆層の構造について鋭意検討したところ、次のような知見を得たのである。

【0009】

前記従来技術に示されるように、工具基体表面に、Ａ層及びＢ層という異なる組成のＴｉとＡｌの窒化物（以下、「（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ」という場合もある）層を、ナノメートルオーダーの層厚で交互に被覆し、交互積層構造の硬質被覆層を形成すると、切削加工時の切れ刃に作用する負荷によって、工具基体と硬質被覆層の界面、硬質被覆層中でクラックが発生しても、積層界面方向へのクラック分散効果により、ある程度、チッピング、欠損等の異常損傷の発生を改善することができる。
しかし、断続切削加工のような断続的・衝撃的高負荷が切れ刃に作用する切削加工条件においては、上記Ａ層とＢ層からなるナノメートルオーダーの交互積層構造のみでは、十分に満足できる耐チッピング性、耐欠損性が発揮されるとはいえない。

【0010】

本発明者らは、上記Ａ層とＢ層の交互積層構造からなる硬質被覆層において、Ａ層とＢ層との間に、Ｘ線回折によってＡ層、Ｂ層とは明確に区別し得る新たな第３の層であるＣ層を介在形成して交互積層構造を形成することによって、断続的・衝撃的高負荷が作用する断続切削加工条件下でも、耐チッピング性、耐欠損性等の耐異常損傷性を格段に向上させ得ることを見出したのである。

【0011】

また、本発明者らは、ナノメートルオーダーの層厚の交互積層により硬質被覆層を形成した場合、交互積層を構成するＡ層とＢ層との間には格子不整合が生じ、Ａ層−Ｂ層の界面には歪が生じるが、上記したＣ層をＡ層−Ｂ層間に介在形成せしめることによって、Ａ層とＢ層との間の格子不整合が緩和され、これによって、一段と耐異常損傷性が向上することを見出したのである。

【0012】

さらに、本発明者らは、工具基体表面に平行な面内方向の原子の自由度が高くなるようにＣ層の（２００）面配向を高めることによって、上記格子不整合の緩和効果をより向上させ得ること、また、Ｃ層の（２００）面のＸ線回折ピークの半値幅を小さくすることによって、クラックの分散効果、進展抑制効果を高められることを見出したのである。

【0013】

本発明は、前記の研究結果に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に、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、
（ａ）前記交互積層構造からなる硬質被覆層は、一層平均層厚がそれぞれ５〜３０ｎｍのＡ層とＢ層が交互に積層され、かつ、Ａ層とＢ層との間にはＣ層が介在形成され、
（ｂ）前記Ａ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．５）を満足するＴｉの窒化物層あるいはＴｉとＡｌの窒化物層であり、
前記Ｂ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ｙＡｌ_ｙ）Ｎ（但し、ｙは原子比で、０．２≦ｙ≦０．７かつｘ＋０．２≦ｙ）を満足するＴｉとＡｌの窒化物層であり、
前記Ｃ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ｚＡｌ_ｚ）Ｎ（但し、ｚは原子比で、ｘ＜ｚ＜ｙ）を満足するＴｉとＡｌの窒化物層であり、
（ｃ）前記Ｃ層についてＸ線回折を行った際のＣ層の（２００）面及び（１１１）面の回折ピーク強度をそれぞれＩ（２００）、Ｉ（１１１）とした場合、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＞１であり、かつ、（２００）面のＸ線回折ピーク強度の半値幅２θが０．５度以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記Ｃ層の（２００）面のＸ線回折ピーク角度から算出した格子定数ａ（Å）が、
４．２４−０．１２ｙ≦ａ≦４．２４−０．１２ｘ
を満足することを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記Ｃ層の一層平均層厚が１〜１０ｎｍであることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４）前記交互積層構造からなる硬質被覆層において、Ａ層、Ｂ層が各５層以上積層されており、かつ、合計層厚が０．１〜３．０μｍであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記Ａ層が、
組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．３）を満足するＴｉの窒化物層あるいはＴｉとＡｌの窒化物層であり、
前記Ｂ層が、
組成式：（Ｔｉ_１−ｙＡｌ_ｙ）Ｎ（但し、ｙは原子比で、０．２≦ｙ≦０．５かつｘ＋０．２≦ｙ）を満足するＴｉとＡｌの窒化物層であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

【0014】

ここで、本発明の被覆工具について、より詳しく説明する。

【0015】

図１（ａ）の模式図に示すように、本発明被覆工具は、工具基体表面に、ナノメートルオーダーの層厚の交互積層構造からなる硬質被覆層が被覆形成されている。
そして、図１（ｂ）に、硬質被覆層の部分拡大図を示すが、交互積層の形態は、Ａ層とＢ層が交互に積層されると同時に、Ａ層とＢ層間にはＣ層が介在形成されている交互積層構造を有する。
交互積層構造からなる硬質被覆層の合計層厚について特段の規定はしないが、長期にわたる耐摩耗性の維持・確保、また、耐異常損傷性の低減という観点からは、０．１〜３．０μｍの合計層厚とすることが望ましい。また、Ａ層、Ｂ層の各層数は耐異常損傷性の低減の観点から、５層ずつ以上積層することが望ましい。
また、本発明の硬質被覆層は、前記交互積層構造からなる硬質被覆層の下地層あるいは表面層として、耐摩耗性や密着力に優れる他の窒化物層もしくは炭窒化物層をさらに形成することを妨げるものではない。好ましい下地層あるいは表面層としては、例えばＴｉＮ層、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層、ＴｉＳｉＮ層、ＴｉＳｉ（Ｃ，Ｎ）層、ＡｌＴｉ（Ｃ，Ｎ）層、ＡｌＣｒＮ層、ＡｌＣｒ（Ｃ，Ｎ）層などを挙げることができる。

【0016】

Ａ層の組成、一層平均層厚：
Ａ層は、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．５）を満足する５〜３０ｎｍの一層平均層厚を有するＴｉＮ層または（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる。
ここで、ｘの値が０．５を超え、Ａ層におけるＡｌの含有割合が相対的に増加すると、層の硬さは高くなるものの、工具基体と硬質被覆層との付着強度が低下するとともに、後記するＡ層とＢ層の格子不整合に起因する歪を緩和するＣ層を安定的に形成することができなくなることから、Ａ層におけるＡｌの含有割合ｘの上限を０．５としたが、より好ましいＡｌの含有割合ｘの上限は０．３である。なお、金属成分と非金属成分の比は化学量論比である１：１に限定されず、１：１の場合と同一の結晶構造が維持されていれば本発明の効果を得ることができる。これは後記するＢ層、Ｃ層についても同様である。
また、Ａ層の一層平均層厚が５ｎｍ未満であると、格子不整合によるひずみが増大し、自壊し易くなり、一方、一層平均層厚が３０ｎｍを超えると、クラックの分散効果、進展抑制効果が十分に得られなくなることから、Ａ層の一層平均層厚を５〜３０ｎｍと定めた。

【0017】

Ｂ層の組成、一層平均層厚：
Ｂ層は、組成式：（Ｔｉ_１−ｙＡｌ_ｙ）Ｎ（但し、ｙは原子比で、０．２≦ｙ≦０．７かつｘ＋０．２≦ｙ）を満足する５〜３０ｎｍの一層平均層厚を有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる。
ここで、ｙの値が０．２未満であると、後記するＡ層とＢ層の格子不整合を緩和する機能を有するＣ層を形成することができないばかりか、硬さも十分でないため長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することはできず、一方、ｙの値が０．７を超えると、六方晶構造が形成され易くなり硬さの低下を招くことから、Ｂ層におけるＡｌの含有割合ｙの値を０．２〜０．７とした。より好ましくは、０．２〜０．５である。
但し、格子不整合に起因する歪を緩和する機能を備えたＣ層を安定して形成するためには、Ｂ層におけるＡｌの含有割合ｙは、Ａ層におけるＡｌの含有割合ｘより高くし、ｘ＋０．２≦ｙの関係を満足させることが必要である。
また、Ｂ層の一層平均層厚が５ｎｍ未満であると、格子不整合によるひずみが増大し、自壊し易くなり、一方、一層平均層厚が３０ｎｍを超えると、クラックの分散効果、進展抑制効果が十分に得られなくなることから、Ｂ層の一層平均層厚を５〜３０ｎｍと定めた。

【0018】

Ｃ層の組成：
Ｃ層は、組成式：（Ｔｉ_１−ｚＡｌ_ｚ）Ｎ（但し、原子比で、ｘ＜ｚ＜ｙ）を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層であり、例えば、物理蒸着の一種であるアークイオンプレーティングにおいて、成膜速度と成膜温度を調整し、結晶の成長速度、原子の拡散速度を制御することで、前記Ａ層とＢ層の界面に、格子不整合から生じる歪を緩和するために形成される。
なお、Ｃ層の好ましい一層平均層厚は１〜１０ｎｍである。
形成されるＣ層の組成は、Ａ層とＢ層の中間的な組成を持つ（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層となるが、Ｃ層についてＸ線回折を行うと、Ａ層、Ｂ層とは明確に異なるＸ線回折ピークが観察される。
図２に、本発明被覆工具の交互積層について測定したＸ線回折結果の一例を示す。
なお、図２に示すものは、Ａ層としてＴｉＮ層（即ち、Ａ層の組成式におけるｘ＝０）、Ｂ層として（Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）Ｎ層（即ち、Ｂ層の組成式におけるｙ＝０．５）を形成したものである。
図２によれば、Ａ層の（１１１）面，（２００）面の回折ピーク、Ｂ層の（１１１）面，（２００）面の回折ピークに加えて、Ｃ層の（１１１）面，（２００）面の回折ピークが観察される。

【0019】

本発明では、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値は１を超える値としているが、この値が１を超える値であると、Ｃ層の配向度は、工具基体表面の法線方向に対して最密面である（１１１）面よりも（２００）面が高いため、工具基体表面に平行な面内方向の原子の自由度が高くなり、格子の不整合を緩和する効果が高められる。
また、本発明では、Ｃ層の（２００）面のＸ線回折ピークにおける半値幅を２θで０．５度以下としているが、半値幅が０．５を超えるとＣ層は明確な層を形成しておらず、交互積層の界面が明確でないために、クラックを分散させる効果が十分に得られない。
さらに、Ｃ層の（２００）面のＸ線回折ピークから算出した格子定数ａが、４．２４−０．１２ｙ未満、もしくは、４．２４−０．１２ｘを超えると、格子の不整合を抑制する効果が得られない。

【0020】

Ａ層、Ｂ層、Ｃ層からなる各層の組成、一層平均層厚については、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）を用いた断面測定により、測定することができる。
また、Ｃ層がＡ層、Ｂ層の界面に形成されていることは、断面からのＴＥＭによる直接観察から確認でき、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層がそれぞれ明確な層を形成していることはＸＲＤやＴＥＭの電子線回折図形から確認できる。
さらに、Ｃ層の配向性、半値幅、格子定数については、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて得られた層の回折ピークから算出することができる。
なお、交互積層構造の硬質被覆層と工具基体との間に他の下地層を形成した場合、或いは、硬質被覆層の表面に他の表面層を形成した場合であっても、Ｃ層とＸ線回折ピークが重ならない限り、上記の各値は問題なく決定でき、一部が重なるような場合には、数学的な処理を用いてＸ線回折ピークを分離することで上記各値を決定できる。

【発明の効果】

【0021】

本発明の被覆工具は、Ａ層（組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘは原子比で、０≦ｘ≦０．５）を満足するＴｉの窒化物層あるいはＴｉとＡｌの窒化物層）とＢ層（組成式：（Ｔｉ_１−ｙＡｌ_ｙ）Ｎ（但し、ｙは原子比で、０．２≦ｙ≦０．７かつｘ＋０．２≦ｙ）を満足するＴｉとＡｌの窒化物層）の交互積層構造からなる硬質被覆層において、Ａ層−Ｂ層間にＣ層（組成式：（Ｔｉ_１−ｚＡｌ_ｚ）Ｎ（但し、ｚは原子比で、ｘ＜ｚ＜ｙ）を満足するＴｉとＡｌの窒化物層）を介在形成せしめ、更にＣ層の（２００）面配向度及び（２００）面のＸ線回折ピークの半値幅を制御することによって、Ａ層とＢ層との間の格子不整合に起因する歪発生が緩和され、これによって、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する断続切削加工条件下でも、クラックの分散効果、進展抑制効果を高めることができるとともに、チッピング、欠損等発生を抑制し、耐異常損傷性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】（ａ）は、本発明被覆工具の硬質被覆層の断面概略模式図であり、（ｂ）は、部分拡大図を示す。

【図2】本発明被覆工具の交互積層について測定したＸ線回折結果の一例を示す。

【図3】被覆工具の硬質被覆層を蒸着形成するためのアークイオンプレーティング装置の概略図であり（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。
なお、具体的な説明としては、ｃＢＮ基体からなる被覆工具、超硬合金基体からなる被覆工具について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメットを工具基体とする被覆工具についても同様である。

【実施例1】

【0024】

工具基体の作製：
原料粉末として、２．０μｍの平均粒径を有するｃＢＮ粒子を硬質相形成用原料粉末として用意するとともに、いずれも２．０μｍ以下の平均粒径を有するＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、Ａｌ粉末、ＡｌＮ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を結合相形成用原料粉末として用意する。
これら中からいくつかの原料粉末とｃＢＮ粉末の合量を１００体積％としたときのｃＢＮ粒子の含有割合が４０〜７０容量％となるように表１に示される配合比で配合する。
次いで、この原料粉末をボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、成形圧１００ＭＰａで直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法にプレス成形し、ついでこの成形体を、圧力：１Ｐａ以下の真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に保持して仮焼結し、その後、超高圧焼結装置に装入して、圧力：５ＧＰa、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定の温度で焼結することにより、ｃＢＮ焼結体を作製する。
この焼結体をワイヤー放電加工機で所定寸法に切断し、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ系ろう材を用いてろう付けし、上下面および外周研磨、ホーニング処理を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったｃＢＮ工具基体１〜３を製造した。

【0025】

【表1】

【0026】

硬質被覆層の成膜：
前述の工程によって作製した工具基体１〜３に対して、図３に示すアークイオンプレーティング装置を用いて、硬質被覆層を形成した。
なお、図３には、Ａ層形成用カソード電極（蒸発源）、Ｂ層形成用カソード電極（蒸発源）としての具体的なターゲット組成を記載していないが、目標とするＡ層、Ｂ層に応じて、組成の異なる複数のターゲットを装置内に配備すればよい。
（ａ）工具基体１〜３を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、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する。
（ｂ）まず、装置内を排気して１０^−２Ｐａ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、０．５〜２．０ＰａのＡｒガス雰囲気に設定し、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−４００〜−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによって５〜３０分間ボンバード処理する。
（ｃ）次いで、交互積層構造からなる硬質被覆層を次のようにして形成した。
まず、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す４〜１０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とすると共に、同じく表２に示す装置内温度に維持し、また、同じく表２に示す回転テーブルの回転数に制御し、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に表２に示す−２５〜−７５Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ａ層形成用カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に表２に示す９０〜１４０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させると同時に、Ｂ層形成用カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に同じく表２に示す９０〜１４０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体１〜３の表面に、それぞれ表４に示される目標組成、一層目標平均層厚のＡ層とＢ層を蒸着形成した。
そして、上記Ａ層とＢ層の蒸着形成工程において、蒸着条件のうちの特に、装置内温度及び回転テーブルの回転数を表２に示される値に制御することによって、Ａ層とＢ層との間には、表４に示される組成、一層平均層厚のＣ層が介在形成された本発明被覆工具(「本発明工具」という)１〜６を作製した。

【0027】

図２には、本発明工具３の硬質被覆層について測定したＸ線回折結果の一例を示すが、Ｃ層の（２００）面回折ピーク強度Ｉ（２００）と、（１１１）面回折ピーク強度Ｉ（１１１）との比の値Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が１．０３であることが分かり、また、Ｃ層の（２００）面回折ピークから算出した格子定数ａは４．２０であることが分かる。

【0028】

比較のため、工具基体１〜３に対して、表３に示す条件で、Ａ層とＢ層からなる交互積層構造の硬質被覆層を蒸着することにより、表５に示す比較例被覆工具(「比較例工具」という)１〜６を作製した。

【0029】

上記で作製した本発明工具１〜６および比較例工具１〜６について、硬質被覆層の縦断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いた断面測定により、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層の組成、一層層厚を複数箇所で測定し、これを平均することにより、平均組成、一層平均層厚を算出した。
なお、Ｃ層がＡ層とＢ層との界面に形成されていることは、断面からのＴＥＭによる直接観察から確認でき、また、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層が明確な層になっていることはＸ線回折ピーク強度測定やＴＥＭの電子線回折図形から確認できる。
さらに、Ｃ層の配向性、半値幅、格子定数については、Ｘ線回折ピーク強度測定で得られた層の回折ピークから算出した（図２参照）。

【0030】

表４、表５に、上記で求めた各種の値を示す。

【0031】

【表2】

【0032】

【表3】

【0033】

【表4】

【0034】

【表5】

【0035】

次いで、本発明工具１〜６および比較例工具１〜６について、
切削条件Ａ：
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の焼入れ材（ＨＲＣ６０）の穴付き丸棒、
切削速度：１４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２ ｍｍ、
送り：０．１５ ｍｍ、
の乾式断続切削条件で切削試験を行い、切削長７００ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定した。
表６にその結果を示す。

【0036】

【表6】

【実施例2】

【0037】

工具基体の作製：：
原料粉末として、いずれも０．５〜５μｍの平均粒径を有する、Ｃｏ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末を用意し、これら原料粉末を、表７に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力でプレス成形し、これらの圧粉成形体を焼結し、所定寸法となるように加工して、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金工具基体１１〜１３を製造した。

【0038】

【表7】

【0039】

成膜工程：
前述の工程によって作製したＷＣ基超硬合金工具基体１１〜１３に対して、図３に示したアークイオンプレーティング装置を用いて、実施例１の場合と同様にして、表８に示す条件で硬質被覆層を蒸着形成することにより、Ａ層とＢ層との間には、表１０に示される組成、一層平均層厚のＣ層が介在形成された本発明被覆工具(「本発明工具」という)１１〜１６を作製した。

【0040】

比較のため、上記工具基体１１〜１３に対して、比較例工具１〜６と同様に、表９に示す条件で硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１１に示す比較例被覆工具(「比較例工具」という)１１〜１６を作製した。

【0041】

上記で作製した本発明工具１１〜１６および比較例工具１１〜１６について、実施例１と同様にして、各層の平均組成、一層平均層厚を算出した。
また、Ｃ層がＡ層とＢ層との界面に形成されていることは、断面からのＴＥＭによる直接観察から確認し、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層が明確な層になっていることはＸ線回折ピーク強度測定やＴＥＭの電子線回折図形から確認した。
さらに、Ｃ層の配向性、半値幅、格子定数については、Ｘ線回折ピーク強度測定で得られた層の回折ピークから算出した。
表１０、表１１に、上記で求めた各種の値を示す。

【0042】

【表8】

【0043】

【表9】

【0044】

【表10】

【0045】

【表11】

【0046】

次いで、本発明工具１１〜１６および比較例工具１１〜１６について、ＳＥ４４５Ｒ０５０６Ｅのカッタを用いて、以下の切削条件Ｂで、単刃の高速正面フライス切削試験を実施した。
切削条件Ｂ：
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの幅６０ｍｍ×長さ２５０ｍｍのブロック材、
切削速度：２８０ ｍ／ｍｉｎ．、
回転速度：７１３ ｒｅｖ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ ｍｍ、
送り：０．１ ｍｍ／刃、
切削幅：６５ｍｍ
の条件で、切削長１４００ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定した。
表１２にその結果を示す。

【0047】

【表12】

【0048】

表６の結果によれば、本発明工具１〜６では、逃げ面摩耗幅の平均は約０．１１ｍｍであるのに対して、比較例工具１〜６は逃げ面摩耗が進行し、また、短時間で欠損による寿命となるものも生じた。
また、表１２の結果によれば、本発明工具１１〜１６では、逃げ面摩耗幅の平均は約０．１３ｍｍであるのに対して、比較例工具１１〜１６は逃げ面摩耗が進行し、また、短時間で欠損による寿命となるものも生じた。
この結果から、本発明工具は、比較例工具に比して、耐欠損性、耐摩耗性のいずれもすぐれていることが分かる。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明の表面被覆切削工具は、各種の鋼などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、高熱発生を伴い、しかも、切刃に高負荷が作用する合金鋼、ステンレス鋼などの高速断続切削加工においても、すぐれた耐欠損性および耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の高性能化、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。

【図1】

【図2】

【図3】