JP2018030212A - 耐チッピング性と耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】表面被覆切削工具において、硬質被覆層は、ＮａＣｌ型の立方晶構造を有し、 組成式：（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＮｉ_ｃＺｒ_ｄ）Ｎで表した場合、０．１０≦ａ≦０．３０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００１≦ｃ≦０．０２、０．００１≦ｄ≦０．０２（ａ、ｂ、ｃ、ｄは原子比）を満足する平均組成を有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層を含み、該層は、層厚方向に沿ってＣｒ成分濃度が周期的に変化する組成変調構造を有し、組成変調構造におけるＣｒ成分濃度の周期的な変化は、Ｃｒ成分の最高含有点とＣｒ成分の最低含有点が１ｎｍ〜１００ｎｍの間隔で繰り返され、Ｃｒ成分の最高含有点におけるＣｒ成分の濃度Ｃｒｍａｘは、ａ＜Ｃｒｍａｘ≦１．３ａの範囲内であり、Ｃｒ成分の最低含有点におけるＣｒ成分の濃度Ｃｒｍｉｎは、０．５ａ≦Ｃｒｍｉｎ＜ａの範囲内である表面被覆切削工具。
【選択図】図２

Description

本発明は、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する焼入鋼等の高硬度材の断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を示し、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、Ｃｒ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｘ［Ｎｉ_１−ａＺｒ_ａ］_ｙＭ_ｚで表される組成（但し、Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ及びＶから選ばれる少なくとも１種の元素、０．５≦ｘ≦０．８、０．０１≦ｙ≦０．３５、０≦ｚ≦０．２、０．５１≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０．２≦ａ≦０．５）を有し、相対密度が９５％以上であるターゲットを用いて形成された窒化物、炭化物又は炭窒化物を含む耐摩耗性及び密着性に優れた硬質被膜を備えた被覆工具が記載されている。

さらに、特許文献３には、工具基体表面に、ＣｒとＡｌの複合窒化物からなる硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆工具において、硬質被覆層を、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記両点間でＡｌ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｃｒ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６０を示す）を満足し、また、上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｃｒ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．３０を示す）を満足し、かつ、隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである硬質被覆層とすることにより、重切削加工条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮すると記載されている。

特許第３７８１３７４号公報 特開２０１３−３２５７８号公報 特開２００４−５０３８１号公報

近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下で使用されるようになってきており、耐チッピング性、耐摩耗性等を高めるために、前記特許文献１〜３に示されるような手法で、被覆工具の性能向上がなされてきているが、特に、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高硬度材の切削加工においては、耐チッピング性と耐摩耗性の双方の特性を相兼ね備えた被覆工具の開発は未だ十分になされているとはいえない。
例えば、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、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷がかかる切削条件においては、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両立を図るには自から限界がある。
また、特許文献２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Ｎｉ、Ｚｒ、Ｓｉ等を含有させることによって耐摩耗性を向上させているが、耐摩耗性が向上する反面、靭性が十分でないため、チッピングの発生を抑制することができず、工具寿命は短命である。
さらに、特許文献３に示される従来被覆工具においては、硬質被覆層中に繰り返し成分濃度が変化する組成変調構造を形成し、高温硬さと耐熱性はＡｌ最高含有点（Ｃｒ最低含有点に相当）で担保し、一方、硬質被覆層の強度は、Ａｌ最高含有点（Ｃｒ最低含有点に相当）に隣接するＡｌ最低含有点（Ｃｒ最低含有点に相当）で確保することにより、耐チッピング性と耐摩耗性を確保しているが、通常の鋼や合金鋼、鋳鉄の切削加工ではある程度の効果は得られるものの、高硬度材（例えば、ＨＲＣ６０以上）の切削加工においては、切れ刃に作用する衝撃的・断続的な高負荷により、耐チッピング性、耐摩耗性が十分であるとはいえない。

そこで、本発明は、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する焼入鋼等の高硬度材の断続切削加工(例えば、ミーリング加工)に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者らは、前述のような観点から、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高硬度材の断続切削加工において、耐チッピング性と耐摩耗性を両立し得る硬質被覆層の層構造について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得たのである。

即ち、本発明者は、ＡｌとＣｒとＳｉとＮｉとＺｒの複合窒化物（以下、「（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ」で示す場合がある）層を被覆形成した被覆工具において、硬質被覆層のＣｒ成分濃度が層の層厚方向に沿って周期的に変化する組成変調構造（連続的な組成変調構造と不連続的な(ステップ状の)組成変調構造）をもった層として構成することによって、硬質被覆層は、靭性と耐摩耗性の両特性を相兼ね備えるようになることを見出した。
そして、前記硬質被覆層を備えた被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する切削加工条件（例えば、焼入れ鋼などの高硬度材の高速ミーリング加工条件）に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性とともに、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を見出したのである。

前記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層は、工具基体表面に、ＰＶＤ法により成膜することができる。
例えば、図３にその概略を示すアークイオンプレーティング（以下、「ＡＩＰ」で示す）装置を用いて、前記の各層を成膜することができるが、特に、ＡｌとＣｒとＳｉとＮｉとＺｒの複合窒化物層の成膜に際し、Ｃｒ成分濃度が層厚方向に沿って周期的に変化する組成変調構造を形成するためには、工具基体をＡＩＰ装置に装入し、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体とＣｒ最高含有点形成用ターゲットとの間にアーク放電を発生させて成膜すると同時に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体とＣｒ最低含有点形成用ターゲットとの間にもアーク放電を発生させて成膜することによって、連続的な組成変調構造を有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ、Ｚｒ）Ｎ層を形成することができる。
一方、工具基体とＣｒ最高含有点形成用ターゲットとの間にアーク放電を発生させて成膜したのちアーク放電を停止し、次いで、工具基体とＣｒ最低含有点形成用ターゲットとの間にアーク放電を発生させて成膜したのちアーク放電を停止するという操作を交互に行うことにより、不連続的な(ステップ状の)組成変調構造を有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層を形成することができる。

その結果、前記の硬質被覆層を被覆形成した本発明の被覆工具は、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高硬度材の断続切削加工において、すぐれた耐溶着性、耐チッピング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のである。

本発明は、前記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基サーメットあるいは立方晶窒化硼素焼結体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、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚０．５〜８．０μｍのＮａＣｌ型の立方晶構造のＡｌとＣｒとＳｉとＮｉとＺｒの複合窒化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記複合窒化物層は、
組成式：（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＮｉ_ｃＺｒ_ｄ）Ｎで表した場合、
０．１０≦ａ≦０．３０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００１≦ｃ≦０．０２、０．００１≦ｄ≦０．０２（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、
（ｃ）前記複合窒化物層は、層厚方向に沿ってＣｒ成分濃度が周期的に変化する組成変調構造を有し、
（ｄ）前記組成変調構造におけるＣｒ成分濃度の周期的な変化は、Ｃｒ成分の最高含有点とＣｒ成分の最低含有点が１ｎｍ〜１００ｎｍの間隔で繰り返され、
（ｅ）前記Ｃｒ成分の最高含有点におけるＣｒ成分の濃度Ｃｒｍａｘは、
ａ＜Ｃｒｍａｘ≦１．３ａの範囲内であり、
一方、前記Ｃｒ成分の最低含有点におけるＣｒ成分の濃度Ｃｒｍｉｎは、
０．５０ａ≦Ｃｒｍｉｎ＜ａの範囲内である(ただし、ａは、前記（ｂ）の組成式におけるＣｒの平均組成ａを示す)ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記Ｃｒ成分濃度の変化は、層厚方向に沿った連続的な変化であ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。」
に特徴を有するものである。

本発明について、以下に詳細を説明する。

硬質被覆層：
本発明の硬質被覆層は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層を少なくとも含み、該硬質被覆層は、一つの態様として、図１の模式図に示すように、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる単層構造として構成される。
また、別の態様としては、耐摩耗性や付着力を向上させる下部層と（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる上部層との二層構造（図示せず）で構成されていてもよい。そして、前記単層構造であるか複数の層からなる積層構造であるかにかかわらず、前記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層は、図２に示す層厚方向に沿ってＣｒ成分濃度が周期的に変化する組成変調構造を有する。

（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の平均組成：
前記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層におけるＣｒの平均組成を示すａ値（原子比）がＡｌとＳｉとＮｉとＺｒの合量に占める割合で０．１０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、欠損等の原因となるクラックの発生を抑制することができず、一方、同ａ値が０．３０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０．１０〜０．３０と定めた。
また、Ｓｉの平均組成を示すｂ値（原子比）がＡｌとＣｒとＮｉとＺｒの合量に占める割合で０．０５未満では、耐酸化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。
また、Ｎｉの平均組成を示すｃ値（原子比）がＡｌとＣｒとＳｉとＺｒの合量に占める割合で０．００１未満では、切削負荷応力低減効果を期待することができず、一方、同ｃ値が０．０２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，Ｎｉ，Ｚｒ）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いて耐クラック性が低下することから、ｃ値を０．００１〜０．０２と定めた。
さらに、Ｚｒは、層中の成分として含有させた場合、硬度向上効果を有し、耐摩耗性を高めるが、Ｚｒの平均組成を示すｃ値（原子比）がＡｌとＣｒとＳｉとＺｒの合量に占める割合で０．００１未満では、切削負荷応力低減効果を期待することができず、一方、ＡｌとＣｒとＳｉとＮｉの合量に占める割合で０．０２を超えると耐クラック性を低下させることになるので、Ｚｒの平均組成を示すｄ値（原子比）は０．００１〜０．０２とする。
なお、上記ａ、ｂ、ｃ、ｄについて、好ましい範囲は、それぞれ、０．１５≦ａ≦０．２５、０．０５≦ｂ≦０．１５、０．００５≦ｃ≦０．０１５、０．００２≦ｄ≦０．０２である。
なお、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層を構成する成分の総量に対するＮ成分の含有割合は、化学量論比である０．５０には限定されず、これと同等な効果が得られる範囲である０．４５以上０．６５以下の範囲であればよい。

（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の平均層厚：
前記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ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８．０μｍ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，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の平均層厚は、０．５〜８．０μｍと定めた

本発明の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の組成変調構造を、図２（ａ）〜（ｃ）に示す。
図２（ａ）に示すように、本発明の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層は、組成変調構造を有するが、組成変調構造の形態として、層の構成成分であるＣｒの成分濃度変化が、層厚方向に沿って連続的に変化する場合（図２（ｂ）参照）と、層の構成成分であるＣｒの成分濃度変化が、層厚方向に沿って不連続的(ステップ状，階段状)に変化する場合（図２（ｃ）参照）があるが、本発明はいずれの形態であっても構わない。
連続的変化であるか、不連続的（ステップ状，階段状）変化であるかにかかわらず、いずれの場合も、Ｃｒ成分の濃度は、層厚方向に沿って、Ｃｒ最高含有点−Ｃｒ最低含有点−Ｃｒ最高含有点−Ｃｒ最低含有点・・・と、所定の間隔を保って周期的な濃度変化を示す。 ここでいう最高含有点、最低含有点について説明する。例としてＣｒについて説明するが、他の成分についても同様である。ここでいうＣｒの最高含有点とは、層厚方向に沿って測定した各測定点における各組成成分の濃度が、層全体の組成式（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＮｉ_ｃＺｒ_ｄ）ＮにおけるＣｒ成分の濃度割合ａの値を連続して超えている部分における最大値を言い、ａの値を連続して超えている部分が複数ある場合は、それぞれの部分における最大値をそれぞれの部分における最高含有点と定義する。同様に、ここでいう最低含有点とは、層厚方向に沿って測定した各測定点における各組成成分の濃度が、層全体の組成式（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＮｉ_ｃＺｒ_ｄ）Ｎにおけるａの値以下となる連続した部分における最小値を言い、連続してａの値以下となる部分が複数ある場合は、それぞれの部分における最小値をそれぞれの部分における最小含有点と定義する。この定義によれば、ａの値近傍での周期的な変化において、図１（ａ）に示すように、最高含有点と最低含有点が交互に出現する。
なお、本発明の組成変調構造は、成分濃度変化が顕著に観察され、しかも、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の特性に与える影響が大きいＣｒに着目したが、Ｃｒ以外の成分元素については、組成変化があってもなくても構わない。

Ｃｒ成分の組成変調におけるＣｒ最高含有点におけるＣｒ濃度：
Ｃｒ成分の周期的な組成変調において、Ｃｒ最高含有点の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層におけるＣｒ成分は、層自体の強度を向上させ、耐クラック性を向上させる作用をもつが、Ｃｒ最高含有点におけるＣｒの含有割合を示すＣｒｍａｘが、１．３０ａ（ただし、ａの値は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の組成式：（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＮｉ_ｃＺｒ_ｄ）ＮにおけるＣｒの平均組成ａを示す）より大きくなると、相対的に、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｚｒの含有割合が減少するため、高硬度を有するＣｒ最低含有点が隣接して存在しても層全体としての耐熱性、耐摩耗性の低下は避けられず、一方、各Ｃｒ最高含有点における平均のＣｒの含有割合を示すＣｒｍａｘは、その定義により、ａ以下の値を取らないことから、各Ｃｒ最高含有点における平均Ｃｒ濃度を示すＣｒｍａｘの値は、ａを超え１．３０ａ以下と定めた。なお、Ｃｒｍａｘの値は、１．０３ａ≦Ｃｒｍａｘ≦１．２５ａを満足することが望ましい。

Ｃｒ成分の組成変調におけるＣｒ最低含有点におけるＣｒ濃度：
前記のとおり、Ｃｒ最高含有点は相対的に高強度を有し、耐クラック性を向上させるが、その反面、相対的に硬度が小さく耐摩耗性に劣り、また耐熱性にも劣るものであるため、このＣｒ最高含有点の耐摩耗性不足、耐熱性不足を補うため、Ｃｒ含有割合を相対的に小さくし、これによって層全体としての耐摩耗性、耐熱性を向上させるＣｒ最低含有点を厚さ方向に交互に周期的に形成する。
したがって、Ｃｒ最低含有点におけるＣｒの含有割合を示すＣｒｍｉｎが、０．５０ａ（ただし、ａの値は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の組成式：（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＮｉ_ｃＺｒ_ｄ）ＮにおけるＣｒの平均組成ａを示す）より小さくなると、高強度を有するＣｒ最高含有点が隣接して存在しても層全体としての耐クラック性の低下は避けられず、一方、Ｃｒ最低含有点におけるＣｒの含有割合を示すＣｒｍｉｎは、その定義により、ａ以上の数値とならないことから、Ｃｒ最低含有点におけるＣｒ濃度を示すＣｒｍｉｎの値は、０．５０ａ以上ａ未満と定めた。なお、Ｃｒｍｉｎの値は、０．６５ａ≦Ｃｒｍｉｎ≦０．９５ａを満足することが望ましい。

Ｃｒ成分の組成変調におけるＣｒ最高含有点とＣｒ最低含有点の間隔：
Ｃｒ最高含有点とＣｒ最低含有点の間隔が１ｎｍ未満では、それぞれの点を明確に区別して形成することが困難であり、その結果、層に所望の高強度、高温硬さと耐熱性を確保することができなくなり、また、その間隔が１００ｎｍを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＣｒ最低含有点であれば強度不足、Ｃｒ最高含有点であれば高温硬さと耐熱性不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃にクラックが発生し易くなり、また、摩耗進行が促進されるようになることから、Ｃｒ最高含有点とＣｒ最低含有点の間隔は１ｎｍ以上１００ｎｍ以下と定めた。

本発明の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の組成変調構造は、前述のとおり、連続的であっても不連続的(ステップ状、階段状)であっても構わないが、連続的な組成変調構造を有する形態の方が、耐クラック性に優れるためより好ましい。
本発明の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層を、例えば、図３に示すアークイオンプレーティング(以下、「ＡＩＰ」と記す)装置を用いて成膜するに当たり、工具基体をＡＩＰ装置に装入し、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体とＣｒ最高含有点形成用ターゲットとの間にアーク放電を発生させて成膜すると同時に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体とＣｒ最低含有点形成用ターゲットとの間にもアーク放電を発生させて成膜することによって、連続的な組成変調構造を有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層を形成することができる。
一方、工具基体とＣｒ最高含有点形成用ターゲットとの間にアーク放電を発生させて成膜したのちアーク放電を停止し、次いで、工具基体とＣｒ最低含有点形成用ターゲットとの間にアーク放電を発生させて成膜したのちアーク放電を停止するという操作を交互に行うことにより、不連続的な(ステップ状の)組成変調構造を有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層を形成することができる。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層が、少なくとも、所定の組成の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる層を含み、また、該（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層においてＣｒ成分濃度が層厚方向に沿って周期的に変化し、Ｃｒ最高含有点とＣｒ最低含有点が存在することによって、硬質被覆層全体としてすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を相兼ね備える。
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、すぐれた耐チッピング性およびすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものである。

本発明被覆工具の硬質被覆層の層構造の概略縦断面模式図を示す。 （ａ）は、本発明被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の組成変調構造の概略模式図を示し、（ｂ）は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の層厚方向に沿ったＣｒ成分濃度の連続的な変化を示し、（ｃ）は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の層厚方向に沿ったＣｒ成分濃度の不連続的な変化(ステップ状の変化、階段状の変化)を示す。 図１（ａ）に示す層構造の本発明被覆工具の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）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（ＡＩＰ）装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。

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、以下の実施例では、炭化タングステン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、工具基体として、炭窒化チタン基サーメットあるいは立方晶窒化硼素焼結体を用いた場合も同様である。

実施例として、図１に示すような単層構造の硬質被覆層が設けられた被覆工具を、次のような工程で作製した。
まず、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３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装置内にボンバード洗浄用のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉカソード電極(図示せず)、所定組成のＣｒ最高含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎｉ−Ｚｒ合金ターゲット（カソード電極）および所定組成のＣｒ最低含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎｉ−Ｚｒ合金ターゲット（カソード電極）を装置内に相対向して配置し、
（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、Ｔｉ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、ついで、Ｃｒ最高含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎｉ−Ｚｒ合金ターゲット（カソード電極）とアノード電極、また、Ｃｒ最低含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎｉ−Ｚｒ合金ターゲット（カソード電極）とアノード電極との間に、それぞれ交互に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させることにより、表４に示される所定の組成、目標平均層厚、組成変調の周期、Ｃｒｍａｘ、Ｃｒｍｉｎからなる不連続的な(ステップ状の、階段状の)Ｃｒ成分濃度の変化を有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、表４に示す本発明被覆工具としての表面被覆エンドミル１〜５（以下、本発明１〜５という）をそれぞれ製造した。

また、前記（ｃ）工程において、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Ｃｒ最高含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎｉ−Ｚｒ合金ターゲット（カソード電極）とアノード電極、さらに、Ｃｒ最低含有点形成用Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎｉ−Ｚｒ合金ターゲット（カソード電極）とアノード電極との間に、それぞれ１００Ａの電流を流してアーク放電を同時に発生させ、もって前記工具基体の表面に、表４に示される所定の組成、目標平均層厚、組成変調の周期、Ｃｒｍａｘ、Ｃｒｍｉｎからなる連続的なＣｒ成分濃度の変化を有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、表４に示す本発明被覆工具としての表面被覆エンドミル６〜１０（以下、本発明６〜１０という）をそれぞれ製造した。

［比較例］
比較の目的で、上記実施例における（ｃ）の工程を、表３に示す条件（即ち、窒素圧、工具基体の温度、直流バイアス電圧）で行い、その他は実施例と同一の条件で成膜することにより、表５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。
すなわち、比較例１〜１０の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層は、いずれも、本発明で規定する要件を備えていないものである。

上記で作製した本発明１〜１０および比較例１〜１０の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の組成を、その層厚方向に沿って、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）により測定し、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層全体の平均組成を求めた。
また、その層厚を、走査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、本発明１〜１０および比較例１〜１０の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）およびエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）を用いた層厚方向に沿った測定により、Ｃｒ最高含有点におけるＣｒ濃度Ｃｒｍａｘの値、Ｃｒ最低含有点におけるＣｒ濃度Ｃｒｍｉｎの値、Ｃｒ最高含有点とＣｒ最低含有点の間隔を測定した。
なお、前記の平均組成、Ｃｒｍａｘの値、Ｃｒｍｉｎの値、Ｃｒ最高含有点とＣｒ最低含有点の間隔は、いずれも複数個所の測定値の平均値として求めたものである。

さらに、本発明１〜１０および比較例１〜１０の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層について、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ、Ｚｒ）Ｎ層のＸ線回折を行い、立方晶構造または六方晶構造を有する結晶の存在の有無を確認した。
なお、Ｘ線回折は、測定条件:Ｃｕ管球、測定範囲（２θ）：３０〜８０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４、表５に、測定・算出したそれぞれの値を示す。

つぎに、上記本発明１〜１０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）： ０．０５ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切削長： ３２ ｍ、
さらに、下記の条件（切削条件Ｂ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・ＳＫＤ５１（６４ＨＲＣ）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）： ０．０５ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切削長： １８ 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６に示した。

表６に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層として、少なくとも所定の平均組成の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層を含み、かつ、該層中には、Ｃｒ成分の組成変調構造が形成されていることによって、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層は、靭性と耐摩耗性の両特性を兼ね備えるため、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と耐摩耗性を示し、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、硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｚｒ）Ｎ層の平均組成、あるいはＣｒ成分の組成変調構造が本発明の規定を外れる比較例の被覆工具では、チッピングの発生、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。

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、すぐれた耐チッピング性とともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、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 (2)

1. 炭化タングステン基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットあるいは立方晶窒化硼素焼結体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、
   （ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚０．５〜８．０μｍのＮａＣｌ型の立方晶構造のＡｌとＣｒとＳｉとＮｉとＺｒの複合窒化物層を少なくとも含み、
   （ｂ）前記複合窒化物層は、
   組成式：（Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｃｒ_ａＳｉ_ｂＮｉ_ｃＺｒ_ｄ）Ｎで表した場合、
   ０．１０≦ａ≦０．３０、０．０５≦ｂ≦０．２０、０．００１≦ｃ≦０．０２、０．００１≦ｄ≦０．０２（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、
   （ｃ）前記複合窒化物層は、層厚方向に沿ってＣｒ成分濃度が周期的に変化する組成変調構造を有し、
   （ｄ）前記組成変調構造におけるＣｒ成分濃度の周期的な変化は、Ｃｒ成分の最高含有点とＣｒ成分の最低含有点が１ｎｍ〜１００ｎｍの間隔で繰り返され、
   （ｅ）前記Ｃｒ成分の最高含有点におけるＣｒ成分の濃度Ｃｒｍａｘは、
   ａ＜Ｃｒｍａｘ≦１．３ａの範囲内であり、
   一方、前記Ｃｒ成分の最低含有点におけるＣｒ成分の濃度Ｃｒｍｉｎは、
   ０．５０ａ≦Ｃｒｍｉｎ＜ａの範囲内である(ただし、ａは、前記（ｂ）の組成式におけるＣｒの平均組成ａを示す)ことを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記Ｃｒ成分濃度の変化は、層厚方向に沿った連続的な変化であ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。