JP2012035378A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金などの耐熱合金の高速切削条件下で、硬質被覆層がすぐれた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】工具基体表面に、１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ａと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｂとが交互に積層された１００〜５００ｎｍの層厚の複層領域と、１００〜５００ｎｍの層厚の単一層にて構成された単層領域との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、薄層Ａは、［Ａｌ_１−ＸＣｒ_Ｘ］Ｎ（Ｘは原子比で０．３０〜０．８０）層、薄層Ｂは、［Ａｌ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｔｉ_ＹＳｉ_Ｚ］Ｎ（Ｙは原子比で０．１５〜０．９４、Ｚは原子比で０．０１〜０．１５）層であって、単一層は、前記薄層Ａと同一種の層で構成するとともに、硬質被覆層の表面近傍に前記薄層Ｂと同一組成・成分で０．３〜１μｍの層厚の単一層からなる中間層を設けたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工を、高い発熱を伴う高速切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた硬度と靭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。

また、具体的な被覆工具としては、例えば、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金で構成された工具基体の表面に、ＡｌとＣｒとの複合窒化物層（以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層という）とＴｉとＳｉとの複合窒化物層（以下、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層という）との多層構造をそなえた硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具（以下、従来被覆工具という）が知られており、この従来被覆工具が、合金鋼の高速切削加工において高硬度・高酸化開始温度を示すことも知られている。

そして、前記従来被覆工具は、例えば、蒸着形成する硬質被覆層の種類に応じた成分組成を有するＡｌ−Ｃｒ系合金およびＴｉ−Ｓｉ系合金からなるカソード電極（蒸発源）を配置したアークイオンプレーティング装置において、装置内に工具基体を装入し、装置内を窒素ガス反応雰囲気とし、また、加熱した状態で、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、前記工具基体には、バイアス電圧を印加した条件で、工具基体の表面に、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を交互に蒸着形成することにより製造されることも知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００８−５３４２９７号公報

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、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、これに伴い、切削加工はますます高速化の傾向にあり、さらに、各種の被削材に対する切削工具の汎用化も求められているが、前記従来被覆工具においては、これを、合金鋼の高速切削に用いた場合には特段の問題は生じないが、例えば、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合には、被削材である耐熱合金の熱伝導率が低く、切削熱によって切削工具の刃先の表面温度が高くなるため、耐スキトリ摩耗性および靭性が十分でなくチッピングや欠損を生じやすく、その結果、硬質被覆層の耐摩耗性が十分に発揮されず、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いたような場合にも、スキトリ摩耗の発生、溶着の発生、欠損、チッピングが生じることなく、硬質被覆層がすぐれた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。

前記従来被覆工具の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層におけるＡｌ成分には高温硬さを向上させ、Ｔｉ成分には、高温強度を向上させ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層におけるＴｉ成分には高温靭性、高温強度を向上させ、Ｓｉ成分には耐酸化性を向上させ、酸化による層の硬度低下を抑制する作用がある。また、前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積層を構成することにより硬さも向上するため、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積層構造からなる硬質被覆層を設けることにより、通常の切削条件では、耐酸化性、耐摩耗性の改善が見られる。
しかし、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削においては、切刃表面温度が高温になるため、交互積層構造からなる硬質被覆層内にはその層厚が増大するほど内部応力（歪み）が蓄積されるようになるが、この内部応力（歪み）が切削加工時の高熱によって開放される際に、スキトリ摩耗が進展し易く、寿命が短いという問題点があった。

そこで、本発明者らは、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との積層構造についてさらに詳細に検討したところ、従来のように、硬質被覆層を（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との規則的な交互積層構造として構成するのではなく、硬質被覆層を、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる薄層Ａと、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ｂとが交互に積層されている複層領域と、前記薄層Ａからなる単一層からなる単層領域との交互積層構造として硬質被覆層を構成するとともに、前記硬質被覆層の表面付近に前記複層領域および単層領域よりも厚い（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる単一層したところ、以下のような知見を得たのである。

すなわち、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる薄層Ａと、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ｂとが交互に積層されている硬質被覆層の複層領域では、それぞれの層の粒の粗大化が防止され、膜強度が向上するとともに、すぐれた耐酸化性、高硬度を備え、さらに、薄層Ａと薄層Ｂとの交互積層構造が、クラックの伝播・進展を防止することで、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が向上する。
これに加えて、硬質被覆層中に（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる単一層からなる単層領域が形成されたことによって、層厚の増大にしたがって複層領域に蓄積された内部応力（歪み）は、単層領域の存在によって緩和されるようになるため、硬質被覆層全体としては、大きな内部応力（歪み）が発生することはなく、その結果として、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削において、層間剥離の発生が抑制される。
さらに、硬質被覆層の表面付近に前記単層領域および複層領域よりも厚い（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる単一層を形成することにより、硬質被覆層に高硬度および耐熱性が付与され、耐スキトリ摩耗性を向上させることができる。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「 工具基体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、１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ａと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｂとが交互に積層された１００〜５００ｎｍの層厚の複層領域と１００〜５００ｎｍの層厚の単一層Ａからなる単層領域とを備えるとともに前記複層領域と単層領域との交互積層構造として構成される層厚０．３〜３．０μｍの下部層と、
０．３〜１μｍの層厚の単一層Ｂからなる中間層と、
１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｃと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｄとが交互に積層された１００〜５００ｎｍの層厚の複層領域と１００〜５００ｎｍの層厚の単一層Ｃからなる単層領域とを備えるとともに前記複層領域と単層領域との交互積層構造として構成される層厚０．２〜１．０μの上部層とからなり、かつ、
（ａ）前記薄層Ａ、薄層Ｃ、単一層Ａ、単一層Ｃは、
組成式：［Ａｌ_１−ＸＣｒ_Ｘ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．３０〜０．８０（但し、原子比）を満足するＡｌとＣｒとの複合窒化物層からなり、
（ｂ）前記薄層Ｂ、薄層Ｄ、単一層Ｂは、
組成式：［Ａｌ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｔｉ_ＹＳｉ_Ｚ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．１５〜０．９４、Ｚは０．０１〜０．１５（但し、原子比）を満足するＡｌとＴｉとＳｉとの複合窒化物層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。
なお、本発明において、スキトリ摩耗とは、マージン部が、加工穴壁面と摩擦することによって生じる、特にドリルにおいて生じる摩耗のことを意味している。

本発明の被覆工具の硬質被覆層について、以下に説明する。

下部層および上部層における複層領域の薄層Ａ、薄層Ｃ（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）：
後述する薄層Ｂまたは薄層Ｄ（（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）と交互に積層されて本発明の硬質被覆層の複層領域を形成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる薄層Ａまたは薄層Ｃは、強度、層間密着性にすぐれることから、薄層Ｂまたは薄層Ｄと交互に積層されることにより、薄層Ｂまたは薄層Ｄに相対的に不足する特性を補完すると同時に、複合領域の強度を高め、層間密着性を高めるための層である。
（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる薄層Ａおよび薄層Ｃを、
組成式：［Ａｌ_１−ＸＣｒ_Ｘ］Ｎ
で表した場合、Ｘは０．３０〜０．８０（但し、原子比）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層であり、Ｃｒの含有割合を示すＸの値（但し、原子比）が、０．３０未満であると、薄層Ａまたは薄層Ｃの高温硬さが不十分となり、一方、Ｘの値が０．８０を超えると、薄層Ａまたは薄層Ｃの高温靭性、高温強度が低下するようになるので、Ｘの値は、０．３０〜０．８０（但し、原子比）と定めた。

下部層および上部層における複層領域の薄層Ｂ、薄層Ｄ（（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）：
前述した薄層Ａまたは薄層Ｃ（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）と交互に積層されて本発明の硬質被覆層の複層領域を形成する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ｂまたは薄層Ｄは、Ｓｉ成分によって、すぐれた耐酸化性を有するため、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の高速切削における高温下においても、すぐれた高硬度を維持する。
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ｂおよび薄層Ｄを、
組成式：［Ａｌ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｔｉ_ＹＳｉ_Ｚ］Ｎ
で表した場合、Ｙは０．１５〜０．９４、Ｚは０．０１〜０．１５（但し、原子比）を満足するＡｌとＴｉとＳｉとの複合窒化物層からなるが、Ｔｉの含有割合を示すＹの値（但し、原子比）が、０．１５未満であると、前記薄層Ｂおよび薄層Ｄの有する高靭性、潤滑性さが不十分となり、一方、Ｘの値が０．９４を超えると、前記薄層Ｂおよび薄層Ｄの高耐酸化温度が低下するようになることから、Ｘの値は、０．１５〜０．９４（但し、原子比）と定めた。また、Ｓｉの含有割合を示すＺの値（但し、原子比）が、０．０１未満であると、前記薄層Ｂおよび薄層Ｄの有する高温硬さが不十分となり、一方、Ｚの値が０．１５を超えると、前記薄層Ｂおよび薄層Ｄの高温靭性、高温強度が低下するようになることから、Ｚの値は、０．０１〜０．１５（但し、原子比）と定めた。

薄層Ａ、薄層Ｂ、薄層Ｃ、薄層Ｄの層厚：
薄層Ａと薄層Ｂもしくは薄層Ｃと薄層Ｄとを交互に積層して構成した複層領域では、それぞれの層が隣接して組成の異なる層を形成することにより、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、前記薄層Ａ、薄層Ｂ、薄層Ｃ、薄層Ｄのそれぞれの層厚が１ｎｍ未満では、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、各薄層の有する前述したようなすぐれた特性を発揮することができず、一方、それぞれの層厚が５０ｎｍ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、薄層Ｃ、薄層Ｄのそれぞれの層厚を、１〜５０ｎｍと定めた。
また、薄層Ａと薄層Ｂもしくは薄層Ｃと薄層Ｄとを交互に積層した複層領域は、その領域厚みが１００ｎｍ未満では、薄層Ｂもしくは薄層Ｄの備える高硬度を充分発揮して耐摩耗性の向上を図ることができず、一方、その領域厚みが５００ｎｍを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、薄層Ａと薄層Ｂもしくは薄層Ｃと薄層Ｄとを交互に積層した複層領域の領域厚みは、１００〜５００ｎｍであることが望ましい。

下部層および上部層の単層領域における単一層Ａ、単一層Ｃ（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）：
前記複層領域と交互に積層される単層領域における単一層Ａおよび単一層Ｃの成分・組成は、複層領域における薄層Ａおよび薄層Ｃと同様であり、この単一層が強度、密着性にすぐれることも前記薄層Ａおよび薄層Ｂと同様である。
しかし、この単層領域は、前述したような作用効果に加えて、複層領域において増大蓄積された内部応力（歪み）を、単層領域の存在によって緩和できるという点で大きな技術的な意義があり、また、切削加工時に硬質被覆層に加わった衝撃力を、この単層領域で緩和する作用もある。
したがって、硬質被覆層全体としては、その内部に大きな内部応力（歪み）が形成されることはなく、その結果として、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削において、層間剥離の発生が抑制される。
ただ、単層領域の領域厚さが１００ｎｍ未満の場合、内部応力の緩和作用、衝撃力の緩和作用が十分期待できず、一方、その厚さが５００ｎｍを超えると、硬質被覆層全体として耐酸化性、高温硬さが低下するようになることから、単層領域の領域厚さは、１００〜５００ｎｍと定めた。

中間層の単一層Ｂ（（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層）：
本発明のもっとも特徴的な技術的事項である硬質被覆層の表面近傍に形成される単一層Ｂの成分・組成は、複層領域における前述した薄層Ｂおよび薄層Ｄと同様であり、この単一層が高硬度であり、耐熱性にすぐれることも薄層Ｂおよび薄層Ｄと同様である。
しかしながら、この中間層は、前述した単層領域および複層領域よりも厚く形成するとともに、硬質被覆層中の表面付近、すなわち、露出することなく、しかも、工具基体の影響が及びにくい表面から特定の深さに形成することにより、スキトリ摩耗の進展を抑制する作用を発揮する。
ただ、中間層の厚さが０．３μｍ未満の場合、前記作用が十分期待できず、一方、１．０μｍを超えると、硬質被覆層全体として高温靭性、高温強度が低下するようになることから、中間層の厚さは、０．３〜１．０μｍと定めた。

下部層および上部層の層厚：
中間層は、前述のようにスキトリ摩耗の進展を抑制するという作用を発揮するが、硬質被覆層の表面に露出していると摩耗が進行し易いため好ましくなく、また、基体に近すぎると中間層と基体との熱膨張係数の違いなどから耐剥離性が低下するため好ましくない。
そこで、下部層の厚さは、０．３〜３．０μｍ、上部層の厚さは、０．２〜１．０μｍと定めた。

本発明の表面被覆切削工具は、硬質被覆層が、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域と、単一層からなる単層領域との交互積層構造として構成されているとともに、表面近傍に（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎからなる前記複層領域および単層領域よりも厚い単一層を形成したことにより、複層領域ではそれぞれの薄層の膜強度が向上し、すぐれた靭性、耐溶着性を備え、また、クラックの伝播・進展が抑制されることで、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が改善されるとともに、これに加えて、単層領域の存在によって、特に複層領域で形成・蓄積しやすい内部応力（歪み）が緩和されることによって、これに起因して発生する層間剥離が防止され、さらに、切削加工時に加わる機械的衝撃をも緩和することができ、しかも、表面近傍に設けた（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎからなる単一層がスキトリ摩耗を抑制する作用を発揮するので、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮する。

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。 本発明の被覆工具の硬質被覆層の断面模式図である。

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。

［工具基体の成形］
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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ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、切刃部分にＲ：０．０２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−５を形成した。

＜本発明被覆チップの製造工程＞
［工具基体の装置への装着と前処理］
（ａ）ついで、前記工具基体Ａ−１〜Ａ−５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、一方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層形成用Ａｌ−Ｃｒ合金、対向する他方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ、表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金を前記回転テーブルを挟んで配置する。
なお、Ａｌ−Ｃｒ合金からなるカソード電極（蒸発源）は、薄層Ａ、薄層Ｃ、単一層Ａ、単一層Ｃの蒸着形成および工具基体のボンバード洗浄用に用い、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金からなるカソード電極（蒸発源）は、薄層Ｂ、薄層Ｄ、単一層Ｂの蒸着形成に用いる。
［工具基体表面のボンバード洗浄工程］
（ｂ）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、例えば、Ａｌ−Ｃｒ合金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する。
［硬質皮膜層の下部層の形成］
（ｃ）（単層領域の形成）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し３Ｐａの反応雰囲気を維持したまま、前記回転テーブル上で６〜４８ｒｐｍの速度で自転しながら、回転テーブルの回転中心軸の周りに１〜８ｒｐｍの速度で回転（公転）する複層領域が形成された工具基体に、−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ａｌ−Ｃｒ合金カソード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ることによって、前記工具基体の表面に、表２、３に示される目標組成および目標層厚の単層領域を蒸着形成する。
（ｄ）（複層領域の形成）さらに、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で、６〜４８ｒｐｍの速度で自転しながら、同時に、回転テーブルの回転中心軸の周りに１〜８ｒｐｍの速度で回転（公転）する工具基体に−７０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ａｌ−Ｃｒ合金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、同時に、回転テーブルを挟んでＡｌ−Ｃｒ合金カソード電極に相対向して配置したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極とアノード電極との間に８０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、Ａｌ−Ｃｒ合金カソード電極近傍に位置する工具基体には薄層Ａを、また、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極近傍に位置する工具基体には薄層Ｂを蒸着し、ついで、回転テーブルが回転することによって、薄層Ａが蒸着された工具基体に対しては薄層Ｂを蒸着し、薄層Ｂが蒸着された工具基体に対しては薄層Ｃを蒸着し、同様にして、薄層Ａと薄層Ｂとを交互に繰り返し蒸着することにより、工具基体の表面に、表２、３に示される目標組成および目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂとを交互に積層した複層領域を形成する。
（ｅ）そして、前記（ｃ）、（ｄ）の工程を、表３に示される目標とする硬質被覆層の下部層の層厚になるまで交互に繰り返し行う。
［硬質皮膜層の中間層の形成］
（ｆ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して１０Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で、６〜４８ｒｐｍの速度で自転しながら、同時に、回転テーブルの回転中心軸の周りに１〜８ｒｐｍの速度で回転（公転）する工具基体に−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金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、工具基体の表面に、表２、３に示される目標組成および目標層厚の単一層Ｂ（中間層）を形成する。
［硬質皮膜層の上部層の形成］
（ｇ）ついで、前記（ｃ）〜（ｅ）と同様の方法で、表２、３に示される目標組成および目標層厚の薄層Ｃと薄層Ｄとを交互に積層した複層領域と、表２、３に示される目標組成および目標層厚の単一層Ｃからなる単層領域とを、表３に示される目標とする硬質被覆層の上部層の層厚になるまで交互に繰り返して蒸着形成する。
以上の工程により、図２に示されるような、複層領域と単層領域との交互積層構造からなる下部層と上部層とを有するとともに、下部層と上部層との間に（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる中間層を有する硬質被覆層が蒸着形成された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としての本発明被覆チップ１〜１０をそれぞれ製造した。

＜比較被覆チップの製造工程＞
［工具基体表面の前処理］
（ｈ）比較の目的で、これら工具基体Ａ−１〜Ａ−５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、カソード電極（蒸発源）として、それぞれ、表４に示される目標組成に対応した成分組成をもったＡｌ−Ｃｒ合金およびＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金を装着し、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、前記工具基体に−１０００Ｖ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−Ｃｒ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ることによって、前記工具基体表面をＡｌ−Ｃｒ合金でボンバード洗浄をする。
［硬質皮膜層の形成］
（ｉ）（複層領域の形成）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａ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−７０Ｖに下げて、前記Ａｌ−Ｃｒ合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させることによって、前記工具基体の表面に、表４に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を蒸着形成し、ついで、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させることによって、前記工具基体の表面に、表４に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成し、前記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の蒸着形成を交互に繰り返すことにより、表４に示される目標組成および目標層厚の交互積層からなる複層領域を形成する。
（ｊ）（単層領域の形成）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し３Ｐａの反応雰囲気を維持したまま、前記回転テーブル上で６〜４８ｒｐｍの速度で自転しながら、回転テーブルの回転中心軸の周りに１〜８ｒｐｍの速度で回転（公転）する複層領域が形成された工具基体に、−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ａｌ−Ｃｒ合金カソード電極とアノード電極との間に８０Ａの電流を流してアーク放電を発生させることによって、前記工具基体の表面に、表４に示される目標組成および目標層厚の単層領域を蒸着形成する。
（ｋ）ついで、前記（ｉ）、（ｊ）を、表４に示される目標層厚になるまで交互に繰り返し行うことにより、硬質被覆層を有するＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の比較被覆工具としての比較被覆チップ１〜１０をそれぞれ製造した。

［評価試験］
つぎに、前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１〜１０および比較被覆チップ１〜１０について、
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基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ３５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３ｍｍ、
送り： ０．５５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ａ）でのＮｉ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、２０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：質量％で、Ｃｏ−２３％Ｃｒ−６％Ｍｏ−２％Ｎｉ−１％Ｆｅ−０．６％Ｓｉ−０．４％Ｃの組成を有するＣｏ基合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３ｍｍ、
送り： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件（切削条件Ｂ）でのＣｏ基合金の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、３５ｍ／ｍｉｎ．）、
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５に示した。

［工具基体の成形］
原料粉末として、平均粒径０．８μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．５μｍのＶＣ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６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、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４５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−４をそれぞれ製造した。

＜本発明被覆エンドミルの製造工程＞
ついで、これらの工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４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、前記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表７に示される目標組成および目標層厚の、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域および前記薄層Ａと同一成分・組成からなる単層領域との交互積層構造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。

＜比較被覆エンドミルの製造＞
また、比較の目的で、前記工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４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、前記実施例１と同一の条件で、工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４の表面に、表８に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積層からなる複層領域と（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる単層領域とを交互積層することにより形成された硬質被覆層を有する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。

［評価試験］
つぎに、前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： ５５ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）： ０．６ ｍｍ、
テーブル送り： ４０ｍｍ／分、
の条件でのＮｉ基合金の乾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、３０ｍ／ｍｉｎ．および０．３５ｍｍ）、
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７、８にそれぞれ示した。

＜本発明被覆ドリルの製造＞
前記実施例２で製造した丸棒焼結体を用い、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８ｍｍ×４８ｍｍ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）Ｄ−１〜Ｄ−４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−４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、前記実施例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および目標層厚の、薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域、および、単層領域との交互積層構造からなる上部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。

＜比較被覆ドリルの製造＞
また、比較の目的で、前記工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４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、前記実施例１と同一の条件で、工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表１０に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積層構造からなる複層領域と（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる単層領域とを交互に積層して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比較被覆ドリル１〜８をそれぞれ製造した。

［評価試験］
つぎに、本発明被覆ドリル１〜８および比較被覆ドリル１〜８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： ４０ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： １５ｍｍ、
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０．１０ｍｍ／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９、１０にそれぞれ示した。
また、本発明被覆ドリル１〜８および比較被覆ドリル１〜８について、上記と同じ被削材を６０穴加工した後、マージン部の溝側から二番取り面側への摩耗量を測定することにより、耐スキトリ摩耗性を評価した。その結果を表１１に示した。

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１〜１０、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の薄層Ａ（薄層Ｃ）と薄層Ｂ（薄層Ｄ）とが交互に積層された複層領域および単層領域ならびに中間層を構成する単一層Ｂ、さらに、比較被覆チップ１〜１０、比較被覆エンドミル１〜８および比較被覆ドリル１〜８の薄層Ａと薄層Ｂとが交互に積層された複層領域および単層領域を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と（Ａｌ，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、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同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

表５、７〜１１に示される結果から、本発明被覆工具は、その硬質被覆層が、薄層Ａ（薄層Ｃ）と薄層Ｂ（薄層Ｄ）とが交互に積層された複層領域と、単一層からなる単層領域との交互積層構造として構成されているとともに、表面近傍に前記複層領域および単層領域よりも厚い（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の単一層からなる中間層を設けたことにより、複層領域によって、靭性、耐チッピング性、耐欠損性、耐溶着性、耐摩耗性が改善されるとともに、単層領域の存在によって、層間剥離が防止され、機械的衝撃の緩和が図られ、さらに、中間層の存在によりスキトリ摩耗を低減させることができるので、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合、長期に亘ってすぐれた切削性能（特に、耐剥離性、耐摩耗性）を発揮する。
これに対して、硬質被覆層が（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との交互積層からなる複合領域と（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる単層領域との交互積層構造のみで構成された、中間層が存在しない比較被覆工具においては、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工では、特に耐スキトリ摩耗性が十分でないために、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、一般鋼や普通鋳鉄などの切削加工は勿論のこと、高い発熱を伴うＮｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削加工に用いた場合でも、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。

Claims (1)

1. 工具基体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、１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ａと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｂとが交互に積層された１００〜５００ｎｍの層厚の複層領域と１００〜５００ｎｍの層厚の単一層Ａからなる単層領域とを備えるとともに前記複層領域と単層領域との交互積層構造として構成される層厚０．３〜３．０μｍの下部層と、
   ０．３〜１μｍの層厚の単一層Ｂからなる中間層と、
   １〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｃと１〜５０ｎｍの層厚の薄層Ｄとが交互に積層された１００〜５００ｎｍの層厚の複層領域と１００〜５００ｎｍの層厚の単一層Ｃからなる単層領域とを備えるとともに前記複層領域と単層領域との交互積層構造として構成される層厚０．２〜１．０μの上部層と
   からなり、かつ、
   （ａ）前記薄層Ａ、薄層Ｃ、単一層Ａ、単一層Ｃは、
   組成式：［Ａｌ_１−ＸＣｒ_Ｘ］Ｎ
   で表した場合、Ｘは０．３０〜０．８０（但し、原子比）を満足するＡｌとＣｒとの複合窒化物層からなり、
   （ｂ）前記薄層Ｂ、薄層Ｄ、単一層Ｂは、
   組成式：［Ａｌ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｔｉ_ＹＳｉ_Ｚ］Ｎ
   で表した場合、Ｙは０．１５〜０．９４、Ｚは０．０１〜０．１５（但し、原子比）を満足するＡｌとＴｉとＳｉとの複合窒化物層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。

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