JP2017109254A - 耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】乾式高速高切り込み断続切削加工において、層間剥離を起こすこともなく、すぐれた耐チッピング性と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、平均層厚０．２〜５．０μｍのＡｌとＣｒの複合窒化物層が設けられた表面被覆切削工具において、ＡｌとＣｒの複合窒化物層を、組成式：（Ａｌ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｎで表した場合、０．０２≦ｘ≦０．２（但し、ｘは原子比）を満足する平均組成を有し、該層は、Ｃｒの含有割合ｘが０≦ｘ＜０．１であるＣｒ濃度の低い結晶粒と、Ｃｒの含有割合ｘが０．１≦ｘ≦０．４であるＣｒ濃度の高い結晶粒とからなり、Ｃｒ濃度の高い結晶粒は２０〜５０面積％の面積割合を占め、平均粒径は０．０５〜０．５μｍであり、平均アスペクト比は５〜１００である表面被覆切削工具。
【選択図】 図１

Description

本発明は、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、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、炭素鋼、合金鋼などの乾式高速高切り込み断続切削加工に供した場合においても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、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。

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。
従来から、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。

例えば、特許文献１には、超硬合金、サーメット、セラミックス、ｃＢＮ焼結体、高速度鋼を工具基体とする被覆工具において、硬質被覆層を、工具基体側から、領域Ａ、領域Ｂ及び領域Ｃに区分し、領域ＡはＳｉ非含有層（例えば、ＡｌＮ層、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層）、領域ＢはＳｉの組成勾配層、領域ＣはＳｉと、Ａｌ、 Ｙ及び周期表の４、５または６族から選択される少なくとも二つの追加元素との窒化物、炭化物または ホウ化物またはそれらの混合物として構成することにより、耐摩耗性を改善することが提案されている。

また、特許文献２には、工具基体表面に、ＴｉＡｌＮ層等の窒化物層を形成し、この上に、ＴｉＣＮ層等の炭窒化物層を形成し、最表面層としてＡｌＮ層を形成することにより、耐摩耗性を改善することが提案されている。

さらに、特許文献３には、工具基体表面に形成した硬質被覆層の最表面に、（Ａｌ１−ａ−ｂ−ｃＣｒａＢｂＺｃ）Ｘからなる層（ただし、ＸはＮ、Ｃ、ＣＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＣＮＯのうちの少なくとも一つであり、ＺはＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｂ（Ｎｂ）のうちの少なくとも一つであり、かつ、０．２≦ａ≦０．５、０．０１≦ｂ≦０．２、０．００１≦ｃ≦０．０４を満足する）を形成することによって、耐摩耗性と耐酸化性を改善することが提案されている。

特開２０１１−１１５９４１号公報 特開２０１３−２５２６０７号公報 特開２０１０−５０４４３９号公報

前記特許文献１〜３で提案されている被覆工具は、高硬度を有することからすぐれた耐摩耗性は期待できるが、乾式高速高切り込み断続切削加工のように、通常の切削条件では起こりえないほどの発熱を伴い、また、切れ刃にきわめて大きな負荷が作用する切削条件においては、チッピング発生や高温硬さの低下が生じ、また、積層構造からなる硬質被覆層の層間剥離が発生するため、耐チッピング性、耐摩耗性が十分とはいえない。
そのため、乾式高速高切り込み断続切削加工のような高熱発生を伴うとともに、切れ刃にきわめて大きな負荷が作用する切削加工において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を示す被覆工具が求められている。

そこで、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。

工具基体表面に、例えばアークイオンプレーティング装置を用いて、ＡｌとＣｒの複合窒化物（以下、「ＡｌＣｒＮ」で示す場合がある。）からなる硬質被覆層を蒸着形成したのち、得られた被覆工具の硬質被覆層に特定の条件で熱処理（温度、時間、冷却条件）を施し組織の改質を行うと、工具基体表面と垂直な硬質被覆層の断面について観察した場合、Ｃｒ濃度の高い結晶粒とＣｒ濃度の低い結晶粒がいずれも柱状組織として形成されること、また、同じく硬質被覆層の断面を観察した場合、Ｃｒ濃度が低い結晶粒が硬質被覆層の主体相を構成するとともに、Ｃｒ濃度の高い結晶粒は、特定の平均粒径、特定のアスペクト比を有する柱状組織として形成されることを見出した。
そして、前記硬質被覆層において、Ｃｒ濃度が低い結晶粒（言い換えれば、組成がＡｌＮに近い結晶粒）は熱伝導率が高いため、硬質被覆層の抜熱効果に優れ、刃先が高温になることを抑制し、一方、Ｃｒ濃度の高い結晶粒が特定の平均粒径、特定のアスペクト比で存在することによって、耐摩耗性、耐チッピング性の向上が図られる。
さらに、従来の被覆工具では、工具基体表面と平行に層が積層されているため、切削加工時の負荷によって層間剥離が発生するという問題があったが、本発明では、Ｃｒ濃度が低い結晶粒とＣｒ濃度の高い結晶粒が、いずれも、柱状組織として形成されているため、高負荷が作用した場合であっても、層間剥離が発生する恐れはない。
したがって、本発明の被覆工具は、乾式高速高切り込み断続切削加工のような高熱発生を伴うとともに、切れ刃にきわめて大きな負荷が作用する切削加工において、層間剥離を起こすこともなく、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮することを見出したのである。

また、硬質被覆層に施す前記特定の条件の熱処理とは、工具基体表面にＡｌＣｒＮ層を蒸着した後、昇温速度８〜１５℃／ｍｉｎで８００〜１１００℃の温度範囲に昇温し、同温度範囲にて窒素ガス雰囲気中で０．５〜３．０時間加熱保持し、次いで、１０℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で冷却する（炉冷に相当）という熱処理であって、この熱処理によって、Ｃｒ濃度の高い結晶粒が特定の平均粒径、特定のアスペクト比の柱状組織として形成され、また、Ｃｒ濃度が低い結晶粒についても、六方晶構造を有する柱状組織として形成される。

本発明は、前記の知見に基づいてなされたものであって、
「 ＷＣ基超硬合金およびＴｉＣＮ基サーメットのいずれかからなる工具基体表面に、平均層厚０．２〜５．０μｍのＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記ＡｌとＣｒの複合窒化物層を、
組成式：（Ａｌ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｎで表した場合、０．０２≦ｘ≦０．２（但し、ｘは原子比）を満足する平均組成を有し、
（ｂ）前記ＡｌとＣｒの複合窒化物層は、Ｃｒの含有割合ｘが０≦ｘ＜０．１であるＣｒ濃度の低い結晶粒と、Ｃｒの含有割合ｘが０．１≦ｘ≦０．４であるＣｒ濃度の高い結晶粒とから構成され、
（ｃ）前記工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面を、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ）を用いた測定によるＣｒ濃度の濃淡（高低）の分布と後方散乱電子回折装置を用いた各々の結晶粒形状の測定結果を照らし合わせて求めた前記Ｃｒ濃度の高い結晶粒が所定観察範囲に占める面積割合は２０〜５０面積％であり、かつ、前記Ｃｒ濃度の高い結晶粒の平均粒径は０．０５〜０．５μｍであり、
（ｄ）前記工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面を、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ）を用いた測定によるＣｒ濃度の濃淡（高低）の分布と後方散乱電子回折装置を用いた各々の結晶粒形状の測定結果を照らし合わせて求めた前記Ｃｒ濃度の高い結晶粒の形状から求めた平均アスペクト比は５〜１００である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

つぎに、本発明の被覆工具について、より詳細に説明する。

硬質被覆層を構成するＡｌＣｒＮ層の組成を、
組成式：（Ａｌ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｎ
で表した場合、ＡｌＣｒＮ層全体にわたるＣｒの平均含有割合ｘ（但し、ｘは原子比。以下、同じ）は、０．０２≦ｘ≦０．２を満足する。
本発明では、硬質被覆層としてＡｌＣｒＮ層を形成しているが、硬質被覆層全体におけるＣｒの平均含有割合ｘが０．０２より小さいと耐摩耗性に優れるＣｒ濃度の高い結晶粒が十分存在せず、高負荷切削加工において短寿命にいたる。一方、高負荷切削加工における高温強度を確保し、チッピング、欠損等の異常損傷発生を抑制するという観点からは、Ｃｒの平均含有割合ｘが大きいほどよいが、その一方、ｘの値が０．２を越えると、熱伝導性の高いＡｌＮの形成が十分でなく、抜熱効果が得られないとともに、相対的なＡｌの平均含有割合の減少によって、高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性が劣化するようになる。よって、ＡｌＣｒＮ層全体にわたるＣｒの平均含有割合ｘは、０．０２≦ｘ≦０．２と定めた。

本発明のＡｌＣｒＮ層の平均層厚が０．２μｍ未満であると、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ず、一方、平均層厚が５．０μｍを超えると、結晶粒が粗大化し、高負荷切削加工において、チッピングが発生しやすくなることから、本発明のＡｌＣｒＮ層の平均層厚は０．２〜５．０μｍと定めた。

本発明は、硬質被覆層として、前記の平均組成を有するＡｌＣｒＮ層を蒸着形成した後、後記する熱処理を施すことによって、均一組成のＡｌＣｒＮ層ではなく、ＡｌＣｒＮ層中にＣｒ濃度の高い結晶粒とＣｒ濃度の低い結晶粒が共存する組織を有するＡｌＣｒＮ層を形成する。
図１に、本発明被覆工具のＡｌＣｒＮ層の縦断面概略模式図を示すが、図に示されるように、硬質被覆層中には、Ｃｒ濃度の高い結晶粒とＣｒ濃度の低い結晶粒が共存して形成される。
つまり、ＡｌＣｒＮ層全体としてのＣｒの平均含有割合ｘは０．０２≦ｘ≦０．２を満足するが、本発明のＡｌＣｒＮ層では、層内にＣｒ濃度の濃淡（高低）の分布が形成される。
そして、このＣｒ濃度の濃淡（高低）の分布の存在は、工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面を、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）にて硬質被覆層を特定し、オージェ電子分光装置（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用いて元素マッピングすることによって確認することができ、また、前記観察範囲と同視野を後方散乱電子回折装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）を用いた測定によって、各々の結晶粒形状を特定するとともに、前記走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置による元素マッピングの結果と照らし合わせることで、該観察視野範囲に存在するＣｒ濃度の高い結晶粒の面積割合を求めることができる。

本発明の硬質被覆層におけるＣｒ濃度が低い結晶粒（言い換えれば、組成がＡｌＮに近い結晶粒）は熱伝導率が高いため、硬質被覆層の抜熱効果に優れ、乾式高速高切り込み断続切削加工において刃先が高温になることを抑制するが、Ｃｒの含有割合ｘが０．１以上になるとその効果が低下する。なお、本発明では、Ｃｒの含有割合ｘ＝０の場合、即ち、ＡｌＮ結晶粒である場合をも含めてＣｒ濃度が低い結晶粒という。
また、Ｃｒ濃度の高い結晶粒は、すぐれた高温強度、耐酸化性を備えることから、硬質被覆層の耐チッピング性、耐摩耗性の向上が図られるが、Ｃｒの含有割合ｘが０．１未満であるとその効果が少なく、一方、Ｃｒの含有割合ｘが０．４０を超えると、相対的にＡｌの含有割合が少なくなることによって、高温硬さ、耐摩耗性が低下する。
したがって、Ｃｒ濃度が低い結晶粒におけるＣｒの含有割合ｘは０≦ｘ＜０．１、また、Ｃｒ濃度の高い結晶粒におけるＣｒの含有割合ｘ０．１≦ｘ≦０．４０とする。

本発明のＡｌＣｒＮ層からなる硬質被覆層について、工具基体表面と垂直な硬質被覆層の表面を、前記走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置を用いて元素分析し、Ｃｒ濃度の高い結晶粒の面積割合を求めた時、面積割合が２０面積％未満であると、高温強度が十分でなく、また、高温硬さも低下するため、乾式高速高切り込み断続切削加工のような高熱発生を伴うとともに、切れ刃にきわめて大きな負荷が作用する切削加工において、耐チッピング性、耐摩耗性が低下する。
一方、Ｃｒ濃度の高い結晶粒の面積割合が５０面積％を超えると、熱伝導性、抜熱性の低下により、切削加工時の発熱抑制効果が低下し、耐酸化性の劣化、高温硬さの低下を招くことになる。
したがって、工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面について観察・測定したＣｒ濃度の高い結晶粒の面積割合は、２０〜５０面積％とする。
なお、Ｃｒ濃度の高い結晶粒の面積割合は、例えば、工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面の２μｍ×３μｍの領域にわたって、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置を用いた元素分析によって求めることができる。

Ｃｒ濃度の高い結晶粒の面積割合については前記のとおりであるが、より一段とその効果を発揮させるためには、前記Ｃｒ濃度の高い結晶粒の平均粒径及び平均アスペクト比が重要である。
前記同様に工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面について、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置を用いて元素マッピングすることによりＣｒ濃度の濃淡（高低）の分布を確認することができ、かつ、後方散乱電子回折装置を用いた測定によって、各々の結晶粒形状を特定するとともに、前記走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置による元素マッピングの結果と照らし合わせることで、Ｃｒ濃度の高い複数の結晶粒のみに着目した結晶粒各々の粒径を測定し、それらの平均値をＣｒ濃度の高い結晶粒の平均粒径として求めた時、平均粒径が０．０５μｍ未満では、ＡｌＣｒＮ層の高温強度向上効果が少なく、一方、平均粒径が０．５μｍを超えると、結晶粒の粗大化により、高負荷切削加工において、チッピングが発生しやすくなる。
したがって、Ｃｒ濃度の高い結晶粒の平均粒径は０．０５〜０．５μｍと定めた。

前記同様に工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面について、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置を用いて元素マッピングすることによりＣｒ濃度の濃淡（高低）の分布を確認することができ、かつ、後方散乱電子回折装置を用いた測定によって、各々の結晶粒形状を特定するとともに、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置による元素マッピングの結果と照らし合わせることで、Ｃｒ濃度の高い複数の結晶粒のみに着目した結晶粒各々の粒径を特定することができる。そして、Ｃｒ濃度の高い複数の結晶粒について、それぞれの結晶粒の工具基体表面に垂直な方向の最大長さを長径として測定し、また、それぞれの結晶粒の工具基体表面に平行な方向の最大長さを短径として測定し、長径／短径によってそれぞれの結晶粒のアスペクト比を算出し、それらの平均値をＣｒ濃度の高い結晶粒の平均アスペクト比として求めた時、平均アスペクト比が５未満では、高温硬さ、耐摩耗性の向上が十分でなく、一方、平均アスペクト比が１００を超えると、結晶粒が粗大化しやすく、高負荷切削加工において、チッピングが発生しやすくなる。
したがって、Ｃｒ濃度の高い結晶粒の平均アスペクト比は５〜１００と定めた。

なお、本発明でいうＣｒ濃度の高い結晶粒の「粒径」、「長径」、「短径」、「アスペクト比」は、工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面について、後方散乱電子線回折装置、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置を用いた次のような測定により求めることができる。
まず、硬質皮膜断面について２μｍ×３μｍの範囲にて後方散乱電子線回折装置を用い、前記観察視野範囲内における各々の結晶粒形状を５視野に対して求めた場合に、走査型電子顕微鏡に付属したオージェ電子分光装置を用い、各結晶粒についてＣｒ濃度を求め、前記規定のＣｒの含有割合ｘ０．１≦ｘ≦０．４０であるＣｒ濃度の高い結晶粒を抽出し、Ｃｒ濃度の高い結晶粒が測定断面に占める面積割合を算出する。
さらに、該Ｃｒ濃度の高い結晶粒の結晶粒形状測定結果より、工具基体表面に垂直な方向の最大長さを長径として測定し、また、それぞれの結晶粒の工具基体表面に平行な方向の最大長さを短径とした場合に、求めた短径と長径の和の半分を粒径とする。また、短径に対する長径の比を各々算出し、その平均値を結晶粒の平均アスペクト比とする。

本発明のＡｌＣｒＮ層は、図２（ａ）、（ｂ）として示すＰＶＤの一種であるアークイオンプレーティング（以下、「ＡＩＰ」で示す）装置を用い、例えば、以下に示すような条件で成膜することができる。
また、本発明では、Ｃｒ濃度の高い結晶粒およびＣｒ濃度の低い結晶粒のいずれの組織も柱状組織とすることが望ましいが、以下に示す条件で成膜することによって、柱状組織のＡｌＣｒＮ層を成膜することができる。特に、Ｃｒ濃度の高い結晶粒については、平均粒径が０．０５〜０．５μｍの範囲内であり、また、平均アスペクト比が５〜１００の結晶粒を成膜することができる。
≪成膜条件≫
反応雰囲気圧：３〜６Ｐａ
装置内温度：４００〜６００℃
工具基体に印加する直流バイアス電圧：１００〜３００Ｖ
アーク電流：５０〜１５０Ａ

本発明では、柱状組織のＡｌＣｒＮ層をＡＩＰ装置で成膜した後、所定雰囲気で、所定の加熱温度、加熱保持時間、所定の速度での冷却からなる熱処理を施して、硬質被覆層の一部を相変態させることによってＣｒ濃度の低い結晶粒を形成し、Ｃｒ濃度の高い結晶粒およびＣｒ濃度の低い結晶粒が混在した硬質被覆層を形成させる。
ＡｌＣｒＮ層成膜後の熱処理条件（加熱保持条件、冷却条件等）は、例えば、次のとおりである。
昇温速度：８〜１５℃／ｍｉｎ
熱処理雰囲気：窒素ガス、０．２〜１．０ａｔｍ、
加熱温度：８００〜１１００℃、
加熱保持時間：０．５〜３．０ｈ、
加熱保持後の冷却速度：１０℃／ｍｉｎ以下、
上記熱処理によって、該硬質皮膜は相変態を引き起こすため、体積変化が各々の結晶粒に引き起こされるが、昇温速度及び冷却速度を適切な条件で実施することで相変態に伴う体積変化や昇温による熱膨張により誘起される応力を制御することができる。昇温速度及び冷却速度が上記範囲内でないと高圧縮応力が付与されることによる切削時のはく離や、低圧縮応力による耐欠損性の欠如による切削時の微小チッピングなどが起きてしまう。また、加熱温度と加熱保持時間はＡＩＰ装置で蒸着形成したＡｌＣｒＮ層からＡｌＮへ相変態させる割合を制御することができ、加熱温度が低すぎる、もしくは加熱保持時間が短いと、優れた熱伝導性を有し、抜熱効果の高いＡｌＮを十分に含有させることができず、加熱温度が高すぎる、もしくは加熱保持時間が長すぎると耐摩耗性の高いＡｌＣｒＮが少なくなってしまうという理由から、昇温速度、熱処理雰囲気、加熱温度と加熱保持時間を上記所定の範囲とした。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層として所定組成のＡｌＣｒＮ層が設けられ、かつ、該ＡｌＣｒＮ層は、柱状組織のＣｒ濃度の高い結晶粒とＣｒ濃度の低い結晶粒から構成され、工具基体表面に垂直な硬質被覆層断面を観察した場合、Ｃｒ濃度の高い結晶粒は、２０〜５０面積％の面積割合を占め、平均粒径は０．０５〜０．５μｍであり、工具基体表面に垂直な硬質被覆層断面を観察した場合、Ｃｒ濃度の高い結晶粒の平均アスペクト比は５〜１００であることから、乾式高速高切り込み断続切削加工のような高熱発生を伴うとともに、切れ刃にきわめて大きな負荷が作用する切削加工に供した場合、層間剥離を起こすこともなく、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する。

本発明被覆工具のＡｌＣｒＮ層の縦断面概略模式図を示す。 本発明被覆工具のＡｌＣｒＮ層を形成するためのＡＩＰ装置の概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示す。

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、ＷＣ基超硬合金を工具基体とす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。

工具基体の作製：
原料粉末として、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基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｃを作製した。

硬質被覆層の成膜：
前記工具基体Ａ〜Ｃに対して、図１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２のＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットとしては、目標とするＡｌＣｒＮ層の平均組成に応じた組成のＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットを用いた。
（ａ）工具基体Ａ〜Ｃを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、ＡＩＰ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。また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットを配置した。
（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−２００〜−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し、
（ｃ）次に、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３．０〜６．０Ｐａ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、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表２に示す−１００〜−３００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットからなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に表２に示す５０〜１５０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体表面に、表２に示される目標組成、目標平均層厚のＡｌＣｒＮ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具を作製し、
（ｄ）次いで、前記被覆工具を、表３に示す条件で熱処理し、同じく、表３に示す条件で冷却することにより、表４に示す本発明の被覆工具（以下、「本発明工具」という）１〜９を作製した。

比較のため、前記工具基体Ａ〜Ｃに対して、図２に示すＡＩＰ装置を用いて、表５に示す条件でＡｌＣｒＮ層を蒸着形成し、次いで、表６に示す条件で、熱処理、その後の冷却を行い／あるいは行わずに、表７に示す比較例の被覆工具（以下、「比較例工具」という）１〜９を作製した。

上記で作製した本発明工具１〜９および比較例工具１〜９の工具基体表面に垂直な硬質被覆層断面の２μｍ×３μｍの各５視野について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ）を用いた測定により、Ｃｒ濃度の濃淡（高低）の分布を確認し、かつ、同観察視野について後方散乱電子回折装置を用いた測定によって、各々の結晶粒形状を特定するとともに、前記走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置による元素マッピングの結果と照らし合わせることで、Ｃｒ濃度の高い複数の結晶粒のみに着目し、Ｃｒ濃度の高い結晶粒が測定領域に占める面積割合を求めた。

さらに、上記観察結果からＣｒ濃度の高い結晶粒について結晶粒形状を求めることで、長径と短径を測定し、これから粒径を算出し、その算出値を平均することによって、平均粒径を求めた。
また、上記結晶粒形状測定による長径と短径を測定結果からアスペクト比を算出し、その算出値を平均することによって、平均アスペクト比を求めた。

表４、表７に、上記で求めた各種の値を示す。

次いで、本発明工具１〜９および比較例工具１〜９について、以下の条件で、乾式高速高切り込み断続切削加工試験を実施した。
切削条件Ａ：
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４３５、
切削速度：２４０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．９ｍｍ、
送り：０．２２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１２分、
の条件での合金鋼の乾式高速高切り込み断続切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ．、１．０ｍｍ）。
切削条件Ｂ：
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃ、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３．２ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１４分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高切り込み断続切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、２７０ｍ／ｍｉｎ．、２．０ｍｍ）。
切削条件Ｃ：
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４４０、
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３．０ｍｍ、
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１５分、
の条件での合金鋼の乾式高速高切り込み断続切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、２２０ｍ／ｍｉｎ．、１．５ｍｍ）。
表８、表９、表１０にその結果を示す。

表８〜表１０の結果によれば、本発明工具１〜９については、いずれの切削条件でもチッピングの発生はなく、また、逃げ面摩耗幅の平均は、切削条件Ａで約０．２４ｍｍ、切削条件Ｂで約０．２４ｍｍ、切削条件Ｃで約０．２５ｍｍ、であって、層間剥離を起こすこともなく、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を示した。
これに対して、比較例工具１〜９については、切削条件Ａ〜Ｃのいずれにおいても、チッピングの発生、あるいは、逃げ面摩耗の進行により、短時間で寿命に至ることは明らかである。

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、特に高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して大きな負荷がかかる乾式高速高切り込み断続切削加工において、すぐれた耐チッピング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。

Claims (1)

1. ＷＣ基超硬合金およびＴｉＣＮ基サーメットのいずれかからなる工具基体表面に、平均層厚０．２〜５．０μｍのＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
   （ａ）前記ＡｌとＣｒの複合窒化物層を、
   組成式：（Ａｌ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｎで表した場合、０．０２≦ｘ≦０．２（但し、ｘは原子比）を満足する平均組成を有し、
   （ｂ）前記ＡｌとＣｒの複合窒化物層は、Ｃｒの含有割合ｘが０≦ｘ＜０．１であるＣｒ濃度の低い結晶粒と、Ｃｒの含有割合ｘが０．１≦ｘ≦０．４であるＣｒ濃度の高い結晶粒とから構成され、
   （ｃ）前記工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面を、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ）を用いた測定によるＣｒ濃度の濃淡（高低）の分布と後方散乱電子回折装置を用いた各々の結晶粒形状の測定結果を照らし合わせて求めた前記Ｃｒ濃度の高い結晶粒が所定観察範囲に占める面積割合は２０〜５０面積％であり、かつ、前記Ｃｒ濃度の高い結晶粒の平均粒径は０．０５〜０．５μｍであり、
   （ｄ）前記工具基体表面に垂直な硬質被覆層の断面を、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ）を用いた測定によるＣｒ濃度の濃淡（高低）の分布と後方散乱電子回折装置を用いた各々の結晶粒形状の測定結果を照らし合わせて求めた前記Ｃｒ濃度の高い結晶粒の形状から求めた平均アスペクト比は５〜１００である、
   ことを特徴とする表面被覆切削工具。