JP2017080879A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 焼入れ鋼などの高硬度鋼の切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐剥離性、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、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、下部層は、組成式：（Ａｌ１−α−βＴｉαＳｉβ）Ｎで表した場合、０．３≦α≦０．５、０．０１≦β≦０．１０（ただし、α、βはいずれも原子比）を満足する複合窒化物層からなり、上部層は、組成式：（Ａｌ１−ａ−ｂ−ｃＣｒａＳｉｂＣｕｃ）Ｎで表した場合、０．１５≦ａ≦０．４０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００５≦ｃ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃはいずれも原子比）を満足し、六方晶構造を主体とする結晶からなり、該上部層についてＸ線回折で求めた２θ＝５５〜６５°の範囲内に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０〜３．５°である。【選択図】 図１

Description

この発明は、焼入れ鋼などの高硬度材の切削加工において、硬質被覆層が剥離等を発生することもなく、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能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、被覆工具として、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、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エンドミル、前記被削材の歯形の歯切加工などに用いられるソリッドホブ、ピニオンカッタなどが知られている。
そして、被覆工具の切削性能改善を目的として、従来から、数多くの提案がなされている。

例えば、特許文献１に示すように、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメット等の工具基体の表面に、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉを主成分とする金属成分と、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択される少なくとも１種以上の元素とから構成される立方晶構造の硬質層を１層以上被覆することにより、耐欠損性、耐摩耗性を改善した被覆工具が提案されている。

また、特許文献２には、基体表面に、金属元素として周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属及びＡｌの１種以上より選択された元素とＳｉ元素とを含み、非金属元素としてＮ、Ｃ、Ｏ、Ｓのうち１種以上より選択された元素とＢ元素とを含むＳｉ、Ｂを含有する皮膜を、少なくとも１層被覆した被覆工具において、Ｓｉ、Ｂ含有皮膜を結晶質相と非晶質相との混相とし、結晶質相内に含まれる結晶粒子の最小結晶粒径を０．５ｎｍ以上２０ｎｍ未満とすることにより、Ｓｉ含有耐摩耗皮膜の高硬度を犠牲にすることなく、過剰残留圧縮応力による脆化を抑制し、Ｓｉ含有耐摩耗皮膜の靭性を改善することが提案されており、さらに、皮膜成分の１０原子％未満をＣｕで置換することで、耐酸化性の改善に有効であることが記載されている。

また、特許文献３には、工具基体表面に硬質被覆層を被覆した被覆工具において、硬質膜の少なくとも１層は、（ＭａＬｂ）Ｘｃ（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙの中から選ばれた少なくとも１種の金属元素を示し、ＬはＭｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中から選ばれた少なくとも１種の添加元素を示し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を示し、ａはＭとＬとの合計に対するＭの原子比を示し、ｂはＭとＬとの合計に対するＬの原子比を示し、ｃはＭとＬとの合計に対するＸの原子比を示す。また、ａ，ｂ，ｃは、それぞれ０．８５≦ａ≦０．９９、０．０１≦ｂ≦０．１５、ａ＋ｂ＝１、１．００＜ｃ≦１．２０を満足する。）とすることで、硬質膜の成分であるＣｕ，Ｓｉ等による結晶粒の微細化、結晶安定性により、高温硬さが高くなり、耐摩耗性が向上し、さらに、耐酸化性も向上すると記載されている。

また、特許文献４には、工具基体表面に、Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｓｉ_ａＭｇ_ｂＭ_ｃ（Ｂ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ）からなる組成（但し、Ｍは、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＣｕおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、０≦ａ≦０．３５、０≦ｂ≦０．２、０．０３≦ａ＋ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．１、かつ、原子比で、０．９≦Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｇ、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦０．４、０．５≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足する。）の硬質皮膜を形成することによって、硬質皮膜の硬度、耐酸化性、靭性、耐摩耗性を改善した被覆工具が提案されており、硬質皮膜成分としてＣｕを含有させた場合、結晶粒の微細化による皮膜の高硬度化とともに、潤滑作用が期待されると記載されている。

さらに、特許文献５には、工具基体表面に、少なくとも、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる硬質被覆層を形成し、薄層Ａは、組成式：［Ａｌ_ＸＣｒ_ＹＳｉ_Ｚ］Ｎ（原子比で、０．２≦Ｘ≦０．４５、０．４≦Ｙ≦０．７５、０．０１≦Ｚ≦０．２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）を満足する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層、薄層Ｂは［Ａｌ_ＵＴｉ_ＶＳｉ_Ｗ］Ｎ（原子比で、０．０５≦Ｕ≦０．７５、０．１５≦Ｖ≦０．９４、０．０１≦Ｗ≦０．１、Ｕ＋Ｖ＋Ｗ＝１）を満足する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層、にて構成することにより、高速切削加工における耐欠損性、耐摩耗性を改善した被覆工具が提案されている。

特許第３７８１３７４号公報 特開２００４−３４１８６号公報 特開２００８−３１５１７号公報 特開２００８−７３８００号公報 特開２００９−３９８３８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・高能率化の傾向にあるが、上記従来の被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工に用いた場合には、特段の問題は生じないが、これを、例えば、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工に用いた場合には、チッピング、欠損、剥離等の発生を抑制することができず、また、摩耗進行も促進されるため、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、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工条件下で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性および耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、上記従来の被覆工具の硬質被覆層を構成する層形成材料およびその結晶構造に着目し研究を行った結果、以下のような知見を得た。

特許文献１に示される従来被覆工具においては、硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層のＡｌ成分は高温硬さ、同Ｃｒ成分は高温靭性、高温強度を向上させると共に、ＡｌおよびＣｒが共存含有した状態で高温耐酸化性を向上させ、さらに同Ｓｉ成分は耐熱塑性変形性を向上させる作用があるが、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削条件下においては、チッピング、欠損等の発生を避けることはできず、例えば、Ｃｒ含有割合を増加することにより高温靭性、高温強度の改善を図ろうとしても、相対的なＡｌ含有割合の減少によって、耐摩耗性が低下してしまうため、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層における耐チッピング性と耐摩耗性の向上には自ずから限界がある。
また、特許文献２〜４に示される従来被覆工具においては、硬質被覆層成分としてＣｕを含有させ、結晶粒の微細化を図ることによって耐摩耗性を向上させることが提案されているが、耐摩耗性が向上する反面、靭性が低下することによってチッピングの発生を抑制することができず、工具寿命は依然として短命である。
さらに、特許文献５に示される従来被覆工具においては、通常の炭素鋼、合金鋼等の切削加工においては、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するものの、焼入れ鋼等の高硬度材の切削においては、長期の使用にわたっての十分に満足できる耐チッピング性、耐摩耗性が発揮されるとはいえない。

そこで、本発明者は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層の成分として、Ｃｕを含有させることによって、結晶粒微細化による耐摩耗性の向上を狙うとともに、硬質被覆層の結晶構造を六方晶構造とすることによって硬質被覆層の靭性を向上させ、さらに、硬質被覆層と工具基体の密着強度を向上させるための下部層を設け、あるいは、密着強度をさらに高めるために、下部層−上部層間に中間層を介在形成することによって、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工条件においても、剥離等を発生することもなく、すぐれた耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性の両立を図り得ることを見出したのである。

この発明は、上記の知見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、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、前記硬質被覆層は少なくとも下部層と上部層からなり、
（ａ）前記下部層は、平均層厚０．３〜３．０μｍのＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層からなり、前記下部層は、
組成式：（Ａｌ_{１−α−β}Ｔｉ_αＳｉ_β）Ｎで表した場合、
０．３０≦α≦０．５０ 、０．０１≦β≦０．１０（ただし、α、βはいずれも原子比）を満足し、
（ｂ）前記上部層は、平均層厚０．５〜５．０μｍのＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層からなり、
前記上部層は、
組成式：（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＣｕ_ｃ）Ｎで表した場合、
０．１５≦ａ≦０．４０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００５≦ｃ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃはいずれも原子比）を満足し、
（ｃ） 前記上部層の結晶構造は六方晶構造からなり、該上部層についてＸ線回折により求めた２θ＝５５〜６５°の範囲に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０〜３．５°であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記（１）に記載の表面被覆切削工具において、前記下部層と上部層との間に、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる合計平均層厚０．１〜１．０μｍの中間層が介在形成され、
（ａ）前記薄層Ａは、
組成式：（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＣｕ_ｃ）Ｎで表した場合、
０．１５≦ａ≦０．４０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００５≦ｃ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃはいずれも原子比）を満足し、一層平均層厚０．００５〜０．１０μｍのＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層からなり、
（ｂ）前記薄層Ｂは、
組成式：（Ａｌ_{１−α−β}Ｔｉ_αＳｉ_β）Ｎで表した場合、
０．３０≦α≦０．５０ 、０．０１≦β≦０．１０（ただし、α、βはいずれも原子比）を満足し、一層平均層厚０．００５〜０．１０μｍのＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層からなることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 前記上部層は、該層中に六方晶構造の結晶とともに立方晶構造の結晶を含有することを特徴とする（１）又は（２）に記載の表面被覆切削工具。
(４) 前記上部層の立方晶（２００）面の回折ピーク強度をｃ（２００）、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）としたとき、ピーク強度比ｃ（２００）／ｈ（１１０）＜１であることを特徴とする（３）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

つぎに、この発明の被覆工具について、詳細に説明する。

図１は、本発明被覆工具の概略縦断面模式図を示し、（ａ）は、本発明被覆工具の一つの形態を示し、また、（ｂ）は、本発明被覆工具の別の形態を示す。
図１（ａ）において、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、下部層であるＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層（以下、「（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層」で示す場合もある。）が被覆形成され、該下部層上に、ＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層（以下、「（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層」で示す場合もある。）が上部層として被覆形成される。
図１（ｂ）において、図１（ａ）で示した下部層と上部層の間には、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる中間層が介在形成され、薄層Ａは、前記上部層と同一成分組成の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなり、また、薄層Ｂは、前記下部層と同一成分組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる。

下部層あるいは中間層の薄層Ｂを構成するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層の組成：
下部層あるいは中間層の薄層Ｂを構成するＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層（以下、「（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層」で示す場合もある。）の組成式におけるＡｌ成分、Ｓｉ成分は、下部層あるいは中間層の薄層Ｂにおける耐摩耗性を向上し、また、Ｔｉ成分は下部層あるいは中間層の薄層Ｂにおける高温靭性、高温強度改善する。
さらに、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は、工具基体および上部層あるいは中間層の薄層ＡであるＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層（以下、「（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層」で示す場合もある。）との密着強度にすぐれるため、切削加工時に大きな衝撃的・機械的負荷が作用した場合に、硬質被覆層の耐剥離性を高める。

しかし、ＡｌとＴｉとＳｉの合量に占めるＴｉの含有割合を示すα値（原子比）が ０．３未満の場合には、高温靭性、高温強度の向上効果を期待できず、一方、α値が０．５を超えるような場合には、相対的なＡｌ成分、Ｓｉ成分の含有割合の減少により、最低限必要とされる高温硬さおよび高温耐酸化性を確保することができなくなる。また、ＡｌとＴｉとＳｉの合量に占めるＳｉの割合を示すβ値（原子比）が０．０１未満では、最低限必要とされる所定の高温硬さ、高温耐酸化性、耐熱塑性変形性を確保することができなくなるため、耐摩耗性低下の原因となり、またβ値が０．１０を超えると、耐摩耗性向上作用に低下傾向がみられるようになる。
したがって、Ｔｉの含有割合を示すα値（原子比）は０．３０≦α≦０．５０、また、Ｓｉの含有割合を示すβ値（原子比）は０．０１≦β≦０．１０と定めた。
なお、上記α、βについて、特に望ましい範囲は、０．３５≦α≦０．４２、０．０３≦β≦０．０８である。

上部層あるいは中間層の薄層Ａを構成するＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層の組成：
上部層あるいは中間層の薄層Ａを構成する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層におけるＡｌ成分には高温硬さ、同Ｃｒ成分には高温靭性、高温強度を向上させると共に、ＡｌおよびＣｒが共存含有した状態で高温耐酸化性を向上させ、さらに同Ｓｉ成分には耐熱塑性変形性を向上させる作用があり、また、Ｃｕ成分には、結晶粒の微細化を図ることによって耐摩耗性を向上させる作用がある。

しかし、前記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層におけるＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの合量に占めるＣｒの含有割合を示すａ値（原子比）が０．１５未満では、最低限必要とされる高温靭性、高温強度を確保することができないため、チッピング、欠損の発生を抑制することができず、一方、同ａ値が０．４０を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、摩耗進行が促進することから、ａ値を０．１５〜０．４０と定めた。また、ＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの合量に占めるＳｉの含有割合を示すｂ値（原子比）が０．０５未満では、耐熱塑性変形性の改善による耐摩耗性向上を期待することはできず、一方、同ｂ値が０．２０を超えると、耐摩耗性向上効果に低下傾向がみられるようになることから、ｂ値を０．０５〜０．２０と定めた。さらに、ＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの合量に占めるＣｕの含有割合を示すｃ値（原子比）が０．００５未満では、より一層の耐摩耗性の向上を期待することができず、一方、同ｃ値が０．０５を超えると、アークイオンプレーティング（以下、「ＡＩＰ」で示す。）装置によって（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層を成膜する際にパーティクルが発生しやすくなり、大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工における耐チッピング性が低下することから、ｃ値を０．００５〜０．０５と定めた。
なお、上記ａ、ｂ、ｃについて、望ましい範囲は、０．１５≦ａ≦０．２５、０．０５≦ｂ≦０．１５、０．０１≦ｃ≦０．０３である。

下部層の平均層厚：
工具基体表面上に直接、物理蒸着で（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層を蒸着形成すると、層内には残留圧縮応力が発生するため、厳しい切削加工条件下で使用すると、この圧縮残留応力によって、工具基体−上部層間の密着力が不安定になる。そこで、工具基体表面と（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層との間の付着強度をより高めておく必要があり、そのため、工具基体表面に（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層として形成し、付着強度を高めることが有効である。
下部層の層厚は、０．３μｍ未満では、密着力向上効果が得られず、一方、層厚が３．０μｍを超えると、残留圧縮応力の蓄積により、クラックが発生しやすくなり安定した密着力を確保できなくなることから、下部層の層厚は、０．３〜３．０μｍ、望ましくは、０．５〜２．０μｍと定めた。

上部層の平均層厚：
（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層は、その平均層厚が０．５μｍ未満では、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、その平均層厚が５．０μｍを超えると、チッピング、欠損を発生しやすくなるので、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層の平均層厚は、０．５〜５．０μｍと定めた。

上部層の結晶構造：
本発明では、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる切削加工条件において、硬質被覆層の耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性の両立を図るため、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層の組成および層厚を前記のとおり定めたが、これに加えて、該層の結晶構造を六方晶とすることによって、さらに耐チッピング性を向上させることができる。
従来から、ＡＩＰ装置を用いた硬質皮膜の成膜はよく知られているが、Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金をターゲットとして通常の条件で成膜すると、形成される（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層は立方晶構造のもの、あるいは、立方晶構造が主体のものとなる。
そこで、本発明では、図２に示すＡｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金をターゲットとして用いたＡＩＰ装置による成膜に際し、磁場中で成膜を行い、かつ、ターゲット表面に印加する最大磁束密度を制御するとともに、バイアス電圧を制御することによって、立方晶構造ではなく六方晶構造の結晶からなる（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層を形成することができる。
例えば、ターゲット表面に印加する最大磁束密度は７〜１５ｍＴ（ミリテスラ）、また、工具基体に印加するバイアス電圧 ―７５〜−１５０Ｖの範囲内で蒸着条件を調整することによって、立方晶構造ではなく六方晶構造の結晶からなる（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層を形成することができる。
そして、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層の結晶構造が、六方晶構造で構成されることによって、耐摩耗性の低下を招くことなく靭性を向上させることができ、その結果として、耐チッピング性が向上する。
本発明の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層は、その全てを六方晶構造の結晶で構成することができるが、該層中に立方晶構造の結晶がわずかに含有されていても、耐チッピング性、耐摩耗性に悪影響を及ぼすことはない。
ただ、Ｘ線回折で得られる立方晶（２００）面の回折ピーク強度が、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度を超えると耐摩耗性は向上するものの耐チッピング性が低下することから、立方晶（２００）面の回折ピーク強度をｃ（２００）、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）としたときのピーク強度比ｃ（２００）／ｈ（１１０）＜１とすることが望ましい。
このピーク強度比が０．０５未満であった場合、便宜上、ピーク強度比は「０」としている。
以下では、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層の結晶構造が全て六方晶構造である場合と、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層中に立方晶構造の結晶がわずかに含有される場合の双方を含めて、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層の結晶構造は六方晶構造が主体であると表現することがある。

また、本発明の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層のＸ線回折を行うと、図３に示されるように、２θが５５°から６５°の範囲内に、（１１０）面からの六方晶構造特有の回折ピークが観察される。
そして、この回折ピークが尖鋭な場合、即ち、半値幅が１．０°未満である場合には、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層の耐摩耗性が低下し、一方、ピークがブロードであり、半値幅が３．５°より大きい場合には、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層の耐チッピング性が低下傾向を示すことから、Ｘ線回折により測定した２θが５５°から６５°の範囲内に存在する（１１０）面からの回折ピークについての半値幅は、１．０°以上３．５°以下とする。

中間層の合計平均層厚と薄層Ａ、薄層Ｂの一層平均層厚：
本発明では、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層と工具基体との密着強度を向上させるために、工具基体表面に（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層を形成するが、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層との密着強度をより高めるためには、上部層−下部層間に、薄層Ａ、薄層Ｂの交互積層からなる中間層を介在形成することが望ましい。
ここで、薄層Ａは、上部層と同一成分組成の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層で構成し、また、薄層Ｂは、下部層と同一成分組成の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層から構成する。
薄層Ａ、薄層Ｂのそれぞれの一層平均層厚が０．００５μｍ未満では、それぞれの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、薄層Ａによる耐摩耗性向上効果、薄層Ｂによる高温靭性改善効果が十分発揮されず、一方、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの層厚が０．１０μｍを超えた場合には、それぞれの薄層がもつ欠点、すなわち薄層Ａであれば強度不足が、また、薄層Ｂであれば耐摩耗性不足が層内に局部的に現れ、中間層全体、ひいては、硬質被覆層全体としての特性低下を招く恐れがあるので、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚を０．００５〜０．１０μｍとすることが望ましい。
すなわち、薄層Ｂは、薄層Ａの有する特性のうちの不十分な特性を補うために設けたものであるが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの層厚が０．００５〜０．１０μｍの範囲内であれば、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる硬質被覆層は、すぐれた高温硬さ、高温耐酸化性、耐熱塑性変形性を損なうことなく、すぐれた高温靭性、高温強度を具備したあたかも一つの層であるかのように作用し、しかも、上部層と下部層の密着強度を高めるが、薄層Ａ、薄層Ｂの層厚が０．１０μｍを超えると、薄層Ａの強度不足が、また、薄層Ｂの耐摩耗性不足が顕在化する。
また、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる中間層は、その合計平均層厚が０．１μｍ未満ではすぐれた特性を発揮することはできず、また、合計平均層厚が１．０μｍ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の交互積層構造からなる中間層の合計平均層厚は、０．１〜１．０μｍとすることが好ましく、０．２〜０．５μｍとすることが更に望ましい。

本発明の被覆工具は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層と工具基体との間に（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層を設けることによって密着強度が高められ、あるいは、上記上部層と上記下部層との間に、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる中間層を介在形成することによって密着強度がさらに高められ、また、上部層を六方晶構造主体の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層から構成し、かつ、該被覆層についてＸ線回折を行った場合、２θ＝５５〜６５°の範囲に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０〜３．５°であることによって、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層はすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を備えている。
したがって、本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して大きな衝撃的・機械的負荷がかかる焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工でも、剥離等を発生することもなく、すぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を長期に亘って発揮するものである。

本発明被覆工具の概略縦断面模式図を示し、（ａ）は、本発明被覆工具の一つの形態を示し、また、（ｂ）は、本発明被覆工具の別の形態を示す。 本発明被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ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。 本発明被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層について測定したＸ線回折チャートの一例を示す。

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。
なお、実施例としては、ＷＣ基超硬合金を工具基体として用いた場合について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体、高速度工具鋼を工具基体として用いた場合であっても同様である。

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１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押出しプレス成形し、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１０ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが６ｍｍ×１２ｍｍの寸法で、ねじれ角３０度の２枚刃ボール形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）１〜３をそれぞれ製造した。

（ａ）上記の工具基体１〜３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２に示すＡＩＰ装置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、ＡＩＰ装置の一方に所定組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金からなるターゲット（カソード電極）を、他方側に所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金からなるターゲット（カソード電極）を配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒータで工具基体を４００℃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、かつ、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、もって工具基体表面をボンバード洗浄し、
（ｃ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す窒素圧とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の温度を表２に示す温度範囲内に維持するとともに、表２に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金ターゲット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、もって前記工具基体の表面に、表３に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層を蒸着形成し、
（ｄ）ついで、前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金ターゲットの表面に表２に示す種々の最大磁束密度に制御した磁場を印加し、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す窒素圧とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の温度を表２に示す温度範囲内に維持するとともに表２に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金ターゲット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、もって前記工具基体の表面に、表３に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、
表３に示す本発明被覆工具としての表面被覆エンドミル１〜１０（以下、本発明１〜１０という）をそれぞれ製造した。

実施例１で作製したＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）１〜３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２に示すＡＩＰ装置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、ＡＩＰ装置の一方に所定組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金からなるターゲット（カソード電極）を、他方側に所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金からなるターゲット（カソード電極）を配置し、
（ａ）まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒータで工具基体を４００℃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、かつ、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、もって工具基体表面をボンバード洗浄し、
（ｂ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表４に示す窒素圧とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の温度を表４に示す温度範囲内に維持するとともに表４に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金ターゲット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、もって前記工具基体の表面に、表５に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層を蒸着形成し、
（ｃ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表４に示す窒素圧とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の温度を表４に示す温度範囲内に維持するとともに、表４に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金ターゲット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、もって前記下部層表面に、表５に示される組成および一層平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる薄層Ａを蒸着形成し、
（ｄ）ついで、アーク放電を停止し、代って表４に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金カソード電極とアノード電極間に同じく１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、もって、前記で形成した薄層Ａの表面に、表５に示される組成および一層平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる薄層Ｂを蒸着形成し、
（ｅ）上記（ｃ）と（ｄ）を交互に繰り返し行うことによって、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる表５に示される所定の合計平均層厚となるまで中間層を蒸着形成し、
（ｆ）ついで、前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金ターゲットの表面に表４に示す種々の最大磁束密度に制御した磁場を印加し、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表４に示す窒素圧とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の温度を表４に示す温度範囲内に維持するとともに表４に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金ターゲット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、もって前記工具基体の表面に、表５に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、
表５に示す本発明被覆工具としての表面被覆エンドミル１１〜２０（以下、本発明１１〜２０という）をそれぞれ製造した。

比較例：
比較の目的で、実施例１で作製したＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）１〜３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２に示すＡＩＰ装置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、ＡＩＰ装置の一方に所定組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ合金からなるターゲット（カソード電極）を、他方側に所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｕ合金からなるターゲット（カソード電極）を配置し、表６に示す条件で下部層、中間層および上部層を形成することにより、表７に示す比較例被覆工具としての表面被覆エンドミル１〜１０（以下、比較例１〜１０という）をそれぞれ製造した。
なお、比較例１，２については、下部層と中間層の成膜は行わず、また、比較例３〜６については、中間層の成膜は行っていない。

上記で作製した本発明１〜２０および比較例１〜１０の硬質被覆層の組成を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）により測定した。
また、その層厚を走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡を用いて断面測定し、５ヶ所の測定値の平均値から、平均層厚を算出した。
さらに、上記で作製した本発明１〜２０および比較例１〜１０について、硬質被覆層（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層のＸ線回折を行い、バックグラウンド除去した後に六方晶構造を示す２θ＝５５〜６５°の範囲内に現れる（１１０）面のピークをＰｓｅｕｄｏ Ｖｏｉｇｔ関数でフィティングし、そのピークの半値幅を測定した。
なお、Ｘ線回折は、Ｘ線回折装置としてスペクトリス社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｅｍｐｙｒｅａｎを用いて、ＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定し、測定条件として、測定範囲（２θ）：３０〜８０度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐという条件で測定した。
表３，表５，表７に、測定・算出したそれぞれの値を示す。

つぎに、上記本発明１〜２０および比較例１〜１０のエンドミルについて、下記の条件（切削条件Ａという）での合金工具鋼の側面切削加工試験を実施した。
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）の板材、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ、
回転速度： ５４００ ｍｉｎ．^−１、
切り込み：ae ０．２５ｍｍ、ap ２ｍｍ、
送り速度（１刃当り）： ０．０４ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切削長： ５０ ｍ、
さらに、下記の条件（切削条件Ｂという）での高速度工具鋼の側面切削加工試験を実施した。
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＨ５１（６４ＨＲＣ）の板材、
切削速度： １００ ｍ／ｍｉｎ、
回転速度： ５４００ ｍｉｎ．^−１、
切り込み：ae ０．２ｍｍ、ap ２．５ｍｍ、
送り速度（１刃当り）： ０．０５ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切削長： １５ ｍ、
いずれの側面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８に示した。

表８に示される結果から、本発明被覆工具は、硬質被覆層として、所定の組成、平均層厚の下部層、中間層を備えるとともに、所定の組成、平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層を含み、上部層の結晶は六方晶構造が主体であり、さらに、上部層についてＸ線回折を行った場合、２θ＝５５〜６５°の範囲に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０〜３．５°であることによって、焼入れ鋼などの高硬度材の切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐剥離性および耐摩耗性を示し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮するものである。
これに対して、硬質被覆層として、所定の組成、平均層厚の下部層、中間層を有さないもの、あるいは、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ）Ｎ層からなる上部層の組成、結晶構造あるいは（１１０）面の回折ピークの半値幅が本発明で規定する範囲を外れる比較例被覆工具では、チッピング、剥離の発生、あるいは、摩耗進行によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
なお、前記表８に示される結果は、ＷＣ基超硬合金を工具基体とする本発明被覆工具についてのものであるが、工具基体は、ＷＣ基超硬合金に限定されるものではなく、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体、高速度工具鋼を工具基体として用いることができ、これらを工具基体とする本発明被覆工具においても、前記実施例と同様に、すぐれた耐チッピング性およびすぐれた耐摩耗性が長期の使用に亘って発揮される。

上述のように、この発明の被覆工具は、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工に供した場合に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 (4)

1. 炭化タングステン基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、前記硬質被覆層は少なくとも下部層と上部層からなり、
   （ａ）前記下部層は、平均層厚０．３〜３．０μｍのＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層からなり、前記下部層は、
   組成式：（Ａｌ_{１−α−β}Ｔｉ_αＳｉ_β）Ｎで表した場合、
   ０．３≦α≦０．５ 、０．０１≦β≦０．１０（ただし、α、βはいずれも原子比）を満足し、
   （ｂ）前記上部層は、平均層厚０．５〜５．０μｍのＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層からなり、
   前記上部層は、
   組成式：（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＣｕ_ｃ）Ｎで表した場合、
   ０．１５≦ａ≦０．４０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００５≦ｃ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃはいずれも原子比）を満足し、
   （ｃ） 前記上部層は六方晶構造の結晶からなり、該上部層についてＸ線回折により求めた２θ＝５５〜６５°の範囲に存在する（１１０）面の回折ピークの半値幅は１．０〜３．５°であることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 請求項１に記載の表面被覆切削工具において、前記下部層と上部層との間に、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる合計平均層厚０．１〜１．０μｍの中間層が介在形成され、
   （ａ）前記薄層Ａは、
   組成式：（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＣｕ_ｃ）Ｎで表した場合、
   ０．１５≦ａ≦０．４０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００５≦ｃ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃはいずれも原子比）を満足し、一層平均層厚０．００５〜０．１０μｍのＡｌとＣｒとＳｉとＣｕの複合窒化物層からなり、
   （ｂ）前記薄層Ｂは、
   組成式：（Ａｌ_{１−α−β}Ｔｉ_αＳｉ_β）Ｎで表した場合、
   ０．３≦α≦０．５ 、０．０１≦β≦０．１０（ただし、α、βはいずれも原子比）を満足し、一層平均層厚０．００５〜０．１０μｍのＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層からな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。
3. 前記上部層は、該層中に六方晶構造の結晶とともに立方晶構造の結晶を含有す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。
4. 前記上部層の立方晶（２００）面の回折ピーク強度をｃ（２００）、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）としたとき、ピーク強度比ｃ（２００）／ｈ（１１０）＜１であることを特徴とする請求項３に記載の表面被覆切削工具。