(57)【要約】      （修正有）【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】工具基体表面に、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎからなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具で、すくい面と逃げ面の交差稜線部近傍の逃げ面上、すくい面上において、２Ｄ法で残留応力を測定した場合、上記交差稜線部と平行な方向の圧縮残留応力σ１１は０．５ＧＰａ≦σ１１≦４．５ＧＰａ、σ１１と直交する方向の圧縮残留応力σ２２は０ＧＰａ≦σ２２≦４．０ＧＰａ、σ１１−σ２２≧０．５ＧＰａの関係を満足し、硬質被覆層は、交差稜線部から少なくとも１００μｍまでの範囲の位置において、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める薄層Ａと、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０〜１００長さ％を占める薄層Ｂの交互積層で構成し、一方、交差稜線部から１５０μｍを超える位置では、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶が０〜５０長さ％を占める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、ＡｌとＣｒの複合窒化物層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）上記硬質被覆層は、平均膜厚が１〜１０μｍ、ＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合は０．２〜０．５（但し、原子比）であり、
（ｂ）上記硬質被覆層は、上記交差稜線部から少なくとも１００μｍまでの範囲の位置において、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める薄層Ａと、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０〜１００長さ％を占める薄層Ｂの交互積層で構成され、薄層Ａと薄層Ｂの微細結晶粒の割合の差が１０長さ％以上であり、かつ交互積層の最表面は薄層Ａで構成され、一方上記交差稜線部から１５０μｍ以上離れた位置においては、上記硬質被覆層は０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
上記硬質被覆層の逃げ面上あるいはすくい面上の表面において、逃げ面とすくい面の交差稜線部から５０μｍの位置を中心位置とした半径５０μｍの範囲内で２Ｄ法により残留応力を測定した場合、上記交差稜線部と平行な方向の圧縮残留応力σ１１は、０．５ＧＰａ≦σ１１≦４．５ＧＰａの関係を満足し、上記σ１１と直交する方向の圧縮残留応力σ２２は、０ＧＰａ≦σ２２≦４．０ＧＰａの関係を満足し、さらに、上記σ１１とσ２２は、σ１１−σ２２≧０．５ＧＰａの関係を満足する請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置において、上記薄層Ａと薄層Ｂの平均膜厚は、それぞれ０．５〜５．０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置において、上記薄層Ａと薄層Ｂの合計層数が２〜２０層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。
【請求項５】
交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置において、硬質被覆層の平均膜厚に対して、薄層Ａの平均膜厚が占める割合は、５０〜７０％であることを特徴とする請求項４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】
この発明は、炭素鋼、合金鋼などの切削加工を、高熱発生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耐チッピング性、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）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、表面被覆切削工具には、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前記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。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すように、被覆工具として、ＷＣ基超硬合金で構成された工具基体の表面に、０．８〜５．０μｍの層厚のＣｒとＡｌの複合窒化物からなる硬質被覆層を蒸着形成するとともに、該硬質被覆層を、ＣｒとＡｌの複合窒化物の粒状晶組織からなる薄層Ａと柱状晶組織からなる薄層Ｂとの交互積層構造として構成し、さらに、薄層Ａを構成する粒状晶の平均結晶粒径を３０ｎｍ以下、また、薄層Ｂを構成する柱状晶の平均結晶粒径を５０〜５００ｎｍとすることにより、耐摩耗性を改善することが知られている。
【０００４】
ただ、近年の切削加工の高速化、高能率化に伴って、被覆工具には、耐摩耗性に加えて耐チッピング性の向上が求められており、これらの切削性能に応えるべく、種々の改善がなされているが、それらの一つとして、切削工具の残留応力を制御することにより耐チッピング性、耐摩耗性を改善する提案もなされている。
【０００５】
例えば、特許文献２に示すように、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ａｌの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも1種の単層または多層からなる硬質被覆層を被覆形成した被覆工具において、切れ刃近傍部の該硬質膜の残留圧縮応力をσＡと表したとき、０ＧＰａ≦σＡ≦１．０ＧＰａであり、中央部の該硬質膜の残留圧縮応力をσＢと表したとき、１．５ＧＰａ≦σＢ≦２．５ＧＰａである残留応力を形成することにより、被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性の向上を図ることが提案されている。
そして、上記被覆工具は、プラズマ電流１５０Ａ、Ａｒガス流量５０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｎ２ガス流量１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｃ２Ｈ２ガス流量１０ｃｃ／ｍｉｎ、成膜圧力０．５３〜０．８Ｐａ、バイアス電圧−１５０〜−２００Ｖという物理蒸着法で作製し得ることが示されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献３には、被覆工具ではなく、窒化珪素質焼結体からなる切削工具それ自体についてであるが、すくい面のノーズにて残留応力を２Ｄ法（２次元Ｘ線回折／フルデバイリングフィッティング法）で測定した際、すくい面に平行でかつすくい面の中心から測定点に最も近いノーズに向かう方向についての圧縮残留応力σ１１を１０〜３０ＭＰａとし、また、すくい面に平行でかつσ１１方向と垂直な方向についての圧縮残留応力σ２２を１０ＭＰａ以下とすることによって、窒化珪素質焼結体からからなる切削工具の耐チッピング性、耐摩耗性を向上させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−９４７４４号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５２０号公報
【特許文献３】特開２０１０−２６４５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、切削加工は一段と厳しい切削条件下で行われるようになってきている。
上記従来の被覆工具においては、ある程度の耐チッピング性、耐摩耗性の向上は望み得るものの、これを炭素鋼、合金鋼などの、高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合には、依然として、チッピングが発生しやすく、あるいは、摩耗損耗が大きくなり、これらを原因として、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明者等は、炭素鋼、合金鋼などの高速切削加工において、耐チッピング性とともに耐摩耗性にもすぐれ、もって、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具を提供すべく、硬質被覆層の残留応力の制御および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。
【００１０】
従来、被覆工具を作製するにあたり、硬質被覆層の形成手段としては、化学蒸着法、物理蒸着法等が一般的に採用されており、そして、例えば、物理蒸着法の一種であるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法により硬質被覆層を成膜する際には、特許文献１として示したように、工具基体を装置内に装入し、所定のバイアス電圧を印加するとともに、装置内を所定温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットとの間にアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し、所定圧の反応雰囲気中で蒸着することによって、硬質被覆層を成膜していた。
【００１１】
本発明者らは、上記従来のＡＩＰ法による（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎからなる硬質被覆層の成膜に際し、工具基体とターゲット間に磁場をかけ、硬質被覆層の圧縮残留応力に及ぼす磁場の影響を調査検討したところ、ＡＩＰ法による硬質被覆層の成膜を所定強度かつ所定分布を示す磁場中で行うことによって、硬質被覆層に形成される圧縮残留応力の値を制御するとともに結晶幅の分布を制御することができ、そして、このようにして硬質被覆層の圧縮残留応力値を適正化し、また、結晶幅の分布状態を適正化した（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎからなる硬質被覆層を備えた被覆工具は、炭素鋼、合金鋼などの高熱発生を伴う高速切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
【００１２】
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で構成された工具基体の表面に、ＡｌとＣｒの複合窒化物層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）上記硬質被覆層は、平均膜厚が１〜１０μｍ、ＡｌとＣｒの合量に占めるＣｒの含有割合は０．２〜０．５（但し、原子比）であり、
（ｂ）上記硬質被覆層は、上記交差稜線部から少なくとも１００μｍまでの範囲の位置において、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める薄層Ａと、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０〜１００長さ％を占める薄層Ｂの交互積層で構成され、薄層Ａと薄層Ｂの微細結晶粒の割合の差が１０長さ％以上であり、かつ交互積層の最表面は薄層Ａで構成され、一方上記交差稜線部から１５０μｍ以上離れた位置においては、上記硬質被覆層は０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）上記硬質被覆層の逃げ面上あるいはすくい面上の表面において、逃げ面とすくい面の交差稜線部から５０μｍの位置を中心位置とした半径５０μｍの範囲内で２Ｄ法により残留応力を測定した場合、上記交差稜線部と平行な方向の圧縮残留応力σ１１は、０．５ＧＰａ≦σ１１≦４．５ＧＰａの関係を満足し、上記σ１１と直交する方向の圧縮残留応力σ２２は、０ＧＰａ≦σ２２≦４．０ＧＰａの関係を満足し、さらに、上記σ１１とσ２２は、σ１１−σ２２≧０．５ＧＰａの関係を満足する（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置において、上記薄層Ａと薄層Ｂの平均膜厚は、それぞれ０．５〜５．０μｍであることを特徴とする（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４）交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置において、上記薄層Ａと薄層Ｂの合計層数が２〜２０層であることを特徴とする（３）に記載の表面被覆切削工具。
（５）交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置において、硬質被覆層の平均膜厚に対して、薄層Ａの平均膜厚が占める割合は、５０〜７０％であることを特徴とする（４）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１３】
つぎに、この発明の被覆工具について詳細に説明する。
（ａ）硬質被覆層の種別、平均膜厚：
この発明の硬質被覆層は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）からなる。
上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層は、Ａｌ成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、Ｃｒ成分が高温強度を向上させ、さらにＣｒとＡｌの共存含有によって高温耐酸化性が向上することから、高温硬さ、耐熱性、高温強度及び高温耐酸化性にすぐれた硬質被覆層として既によく知られている。
本発明では、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（原子比、以下同じ）が０．２未満では、高速切削加工時の高温強度を確保することが困難となり、一方、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（原子比）が０．５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が少なくなり、高温硬さの低下、耐熱性の低下を招き、その結果、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ことから、Ａｌとの合量に占めるＣｒの含有割合（原子比）は、０．２〜０．５と定めた。
また、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層の平均膜厚は、１μｍ未満では、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮することができず、工具寿命短命の原因となり、一方、その平均膜厚が１０μｍを越えると、刃先部にチッピングが発生し易くなることから、その平均膜厚は１〜１０μｍと定めた。
【００１４】
（ｂ）硬質被覆層に形成される圧縮残留応力：
本発明では、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層の逃げ面上あるいはすくい面上において、逃げ面とすくい面の交差稜線部（以下、「切れ刃稜線部」という）から５０μｍの位置を中心位置とした半径５０μｍの範囲内において測定される圧縮残留応力の値σ１１、σ２２を、所定の数値範囲に定め、かつ、σ１１とσ２２の相互の関係を規定することによって、耐チッピング性、耐摩耗性の改善を図っている。
【００１５】
図１、図２を用いて説明すると、図１（ａ）はボールエンドミルの全体の概略図、図１（ｂ）はボールエンドミルの先端の概略図、図２（ａ）はスクエアエンドミルの全体の概略図、図２（ｂ）はスクエアエンドミル先端の概略図である。
図１（ｂ）、図２（ｂ）において、切れ刃稜線部と１点で接した半径５０μｍの範囲内の逃げ面のＡｌとＣｒの複合窒化物層において、２Ｄ法（２次元Ｘ線回折／フルデバイリングフィッティング法）により２方向の圧縮残留応力σ１１、σ２２を測定した。σ１１は逃げ面とすくい面の交差稜線部と平行な方向、σ２２は上記σ１１と直交する方向の圧縮残留応力である。なお測定範囲は全て逃げ面の領域を含み、逃げ面の領域からはみ出さないものとする。
本発明によれば、σ１１は、０．５ＧＰａ≦σ１１≦４．５ＧＰａの関係を満足し、σ２２は、０ＧＰａ≦σ２２≦４．０ＧＰａの関係を満足し、さらに、上記σ１１、σ２２は、σ１１−σ２２≧０．５ＧＰａの関係を満足することが望ましい。
【００１６】
ここで、σ１１が０．５ＧＰａ未満、また、σ２２が０ＧＰａ未満（これは即ち、σ２２が引張残留応力になることを意味する）であると、硬質被覆層の硬さが低くなるため、耐摩耗性が低下し、一方、σ１１が４．５ＧＰａを超え、また、σ２２が４．０ＧＰａを超えると、硬質被覆層が剥離を起こしやすくなることから、本発明では、σ１１については、０．５ＧＰａ≦σ１１≦４．５ＧＰａ、また、σ２２については、０ＧＰａ≦σ２２≦４．０ＧＰａと定めた。
さらに、本発明では、σ１１、σ２２相互の関係について、σ１１−σ２２≧０．５ＧＰａと定めたが、これは次のような理由による。
即ち、切削加工時にチッピング、摩耗を起こす力の方向（σ２２の方向）に対して直交する方向（σ１１の方向）に大きな圧縮残留応力が存在することで、このσ１１が、チッピング、摩耗を発生させる力に対して抵抗する役割を果たすことによって、チッピング、摩耗の発生・進展を抑制する。
ただ、σ２２が大きくなり、σ１１とσ２２の関係が、σ１１−σ２２＜０．５ＧＰａとなったような場合には、切れ刃稜線部に対して残留応力が集中することになるので、チッピングが発生しやすくなる。
したがって、本発明では、σ１１、σ２２相互の関係について、σ１１−σ２２≧０．５ＧＰａと定めた。
【００１７】
（ｃ）硬質被覆層の層構造：
この発明では、逃げ面とすくい面の交差稜線部からの距離に応じて、硬質被覆層の層構造を異ならしめることにより、耐チッピング性、耐摩耗性の向上を図る。
即ち、交差稜線部から少なくとも１００μｍまでの範囲の位置においては、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める薄層Ａと、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０〜１００長さ％を占める薄層Ｂの交互積層で構成され、薄層Ａと薄層Ｂの微細結晶粒の割合の差が１０長さ％以上である硬質被覆層を構成する。
一方、上記交差稜線部から１５０μｍを超える位置においては、上記硬質被覆層は、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める、即ち、前記薄層Ａと同じ結晶幅分布を有する結晶にて硬質被覆層が構成される。
なお、上記交差稜線部から１００μｍを超え１５０μｍ未満の範囲の位置においては、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造から、次第に、薄層Ａと同じ結晶幅分布を示す結晶に層構造が変化していく遷移領域となる。
なお、本発明でいう「長さ％」とは、工具基体刃先から切り出した逃げ面側の断面あるいはすくい面側の断面において、工具基体表面と平行な方向に各層の中間領域の幅２０μｍの範囲に亘って測定した結晶粒界間の距離を結晶幅とした場合、測定した全結晶幅２０μｍに対する着目した大きさの結晶粒(例えば、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒)の結晶幅の合計の割合を「長さ％」と定義した。
【００１８】
この発明では、まず、交差稜線部から少なくとも１００μｍまでの範囲の位置においては、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める薄層Ａと、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０〜１００長さ％を占める薄層Ｂの交互積層構造（なお、交互積層の最表面は薄層Ａとする。）として硬質被覆層を構成する。
これは、刃先近傍の硬質被覆層が、微細結晶粒が少ない薄層Ａのみにて構成されている場合には、高熱発生を伴う高速切削条件で優れた耐摩耗性を発揮するものの、刃先近傍でクラックが発生し易くなり、その結果、耐チッピング性が低下してくることから、交差稜線部から少なくとも１００μｍまでの範囲の位置である刃先近傍においては、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める薄層Ａと、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０〜１００長さ％を占める薄層Ｂの交互積層構造として硬質被覆層を構成することにより、所定の耐摩耗性を確保しつつ耐チッピング性の向上を図る。
ここで、薄層Ａにおいて、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒の占める割合を５０長さ％以下としたのは、これが５０長さ％を超える場合には、圧縮残留応力の増大により、膜の剥離が発生しやすくなり、耐摩耗性が低下するためである。
また薄層Ｂにおいて、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒の占める割合を５０長さ％以上としたのは、これが５０長さ％未満となった場合には、結晶粒が増大し結晶粒界が減少するため耐チッピング性が低下するという理由による。
薄層Ａと薄層Ｂの微細結晶粒の割合の差が１０長さ％以上としたのは、薄層Ａでは微細結晶粒が少ないためにクラックが多く、刃先近傍でクラックを起因とした亀裂が発生しやすくなる。一方で、薄層Ｂでは微細結晶粒の割合が多いために、クラックの進展を防ぐことができる。この際、微細結晶粒の割合が薄層Ａと薄層Ｂの微細結晶粒の割合の差が１０長さ％以上なければ、薄層Ｂのクラックの進展を防止する効果が低下し、高速切削時における耐チッピング性が低下する。
【００１９】
上記の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造（交互積層の最表面は薄層Ａ）からなる刃先近傍（交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置）の硬質被覆層は、薄層Ａと薄層Ｂの平均膜厚が、それぞれ０．５〜５．０μｍであることが望ましく、このようなそれぞれの平均膜厚によって、刃先近傍の耐チッピング性と耐摩耗性をバランスよく向上させることができる。
薄層Ａと薄層Ｂの平均膜厚が、それぞれ５μｍを超える場合にはチッピングが発生しやすくなり、一方、それぞれの平均膜厚が０．５μｍ未満の場合には、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することができなくなるので、交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置における薄層Ａと薄層Ｂの平均膜厚は、それぞれ０．５〜５．０μｍであることが望ましい。
また、同じく刃先近傍の硬質被覆層について、交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置において測定した場合、薄層Ａと薄層Ｂの合計層数が２〜２０層である場合に、刃先近傍の耐チッピング性と耐摩耗性をバランスよく向上させることができる。
さらに、同じく刃先近傍の硬質被覆層について、交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置において測定した場合、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる硬質被覆層の平均膜厚に対して、その平均膜厚の５０〜７０％を薄層Ａの平均膜厚が占める場合に、刃先近傍の耐チッピング性と耐摩耗性をバランスよく向上させることができる。
交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置における硬質被覆層において、薄層Ａと薄層Ｂの平均膜厚が０．５μｍ未満である場合、薄層Ａと薄層Ｂの合計層数が２０層を超える場合、硬質被覆層の平均膜厚に対して薄層Ａが占める平均膜厚の割合が５０％未満の場合には、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、薄層Ａと薄層Ｂの平均膜厚が５．０μｍを超えるような場合、薄層Ａと薄層Ｂの合計層数が２層未満の場合、また、硬質被覆層の平均膜厚に対して薄層Ａが占める平均膜厚の割合が７０％を超える場合には、チッピングを発生しやすくなるので、交差稜線部から少なくとも１００μｍまでの範囲の位置における薄層Ａと薄層Ｂの平均膜厚は、それぞれ０．５〜５．０μｍであることが望ましく、薄層Ａと薄層Ｂの合計層数が２〜２０層であることが望ましく、さらに、硬質被覆層の平均膜厚に対して、その５０〜７０％を薄層Ａの平均膜厚が占めることが望ましい。
【００２０】
また、この発明では、交差稜線部から１５０μｍ以上離れた位置、謂うならば、刃先から遠い位置、においては、チッピングの発生抑制についてそれほど考慮する必要がないことから、硬質被覆層は、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める結晶粒、即ち、前記薄層Ａと同じ結晶粒径長分布を示す結晶粒、にて硬質被覆層を構成し、耐摩耗性の向上を図ることができる。
なお、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０長さ％以上を占めるようになると、層中の圧縮残留応力が増加し、膜の剥離を起こしやすくなり、また、膜の自壊の影響によって、耐摩耗性が低下することから、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒の占める割合は５０長さ％以下であることが望ましい。
【００２１】
（ｄ）硬質被覆層の蒸着形成
この発明の硬質被覆層は、例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すようなアークイオンプレーティング装置（ＡＩＰ装置）を用い、工具基体の温度を３７０〜４５０℃に維持しつつ、工具基体をＡＩＰ装置内で自公転させ、ターゲットと工具基体間に所定の磁場を印加しながら蒸着することによって、形成することができる。
【００２２】
例えば、ＡＩＰ装置の一方には基体洗浄用のＴｉ電極からなるカソード電極、他方には８０〜５０ａｔ％Ａｌ−２０〜５０ａｔ％Ｃｒ合金からなるターゲット（カソード電極）を設け、
まず、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金からなる工具基体を洗浄・乾燥し、ＡＩＰ装置内の回転テーブル上に装着し、真空中で基体洗浄用のＴｉ電極とアノード電極との間に１００Ａのアーク放電を発生させて、工具基体に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加しつつ工具基体表面をボンバード洗浄し、
ついで、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面最大磁場が１００ｍＴであっても、アークスポットがターゲット外側に移動することで発生する異常放電発生を防止するように磁場を印加し、
ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し９．３Ｐａの雰囲気圧力とし、工具基体の温度を３７０〜４５０℃に維持し、工具基体に−５０Ｖのバイアス電圧を印加しつつ、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット（カソード電極）とアノード電極との間に１００Ａのアーク放電を発生させ、工具基体を支持して自公転させつつ、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面最大磁場を４５〜１００ｍＴとなるよう制御して薄層Ａを蒸着し、また、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面最大磁場が０〜２２ｍＴとなるように制御して薄層Ｂを蒸着し、薄層Ａと薄層Ｂを交互に蒸着することによって、本発明の圧縮残留応力および結晶形態を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することができる。
【００２３】
なお、上記のＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットの表面最大磁場が１００ｍＴ以上である場合に、アークスポットがターゲット外側に移動することで発生する異常放電発生防止を図るためには、例えば、図４（ａ）に示すように、ターゲットの背面側（工具基体に面しない側）に磁場発生源である電磁コイルを配置するとともに、ターゲットの周側に永久磁石（例えば、フェライト磁石）を配置する磁場印加手段を採用すればよく、これによって、図４（ｂ）に示すように、ターゲットの磁場分布に凹の部分（図４（ｂ）中に「矢印」で示す）を作り、その部分にアークスポットを集中させることで、ターゲットの表面最大磁場が１００ｍＴ以上であっても、異常放電の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層が（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなるとともに、切れ刃稜線部近傍の逃げ面あるいはすくい面の硬質被覆層の圧縮残留応力の値σ１１およびσ２２が特定の数値範囲に維持される（０．５ＧＰａ≦σ１１≦４．５ＧＰａ，０ＧＰａ≦σ２２≦４．０ＧＰａ）とともに、σ１１とσ２２が特定の関係を有し（σ１１−σ２２≧０．５ＧＰａ）、さらに、切れ刃稜線部近傍の硬質被覆層が、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める薄層Ａと、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０〜１００長さ％を占める薄層Ｂの交互積層で構成されたことによって、炭素鋼、合金鋼などの高熱発生を伴う高速切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）はボールエンドミルの全体の概略図、（ｂ）はボールエンドミルの先端におけるσ１１とσ２２の関連を示す。
【図２】（ａ）はスクエアエンドミルの全体の概略図、（ｂ）はスクエアエンドミル先端におけるσ１１とσ２２の関連を示す。
【図３】本発明の表面被覆切削工具を作製するための、ＡＩＰ装置の概略説明図を示し、
【図４】本発明における異常放電発生防止のためのターゲットへの磁場印加手段一例を示し、（ａ）は、ターゲット、電磁コイルおよび永久磁石の位置関係の概略を示し、（ｂ）は、工具基体側のターゲット表面に形成される磁場分布の概略を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。
【図５】工具基体刃先から切り出した逃げ面側およびすくい面側の断面概略図を示す。  この断面概略図中には、ＳＥＭ観察による結晶幅の測定における測定位置、即ち、各層の中間領域であって、逃げ面とすくい面の交差稜線部から５０μｍならびに２００μｍの位置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
ここでは、エンドミルに適用した場合について説明するが、これに限られるものではなく、インサート、ドリル等に対しても当然に適用できるものであることは言うまでもない。
【実施例】
【００２７】
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Ｃｒ３Ｃ２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８ｍｍ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×１３ｍｍの寸法、並びにねじれ角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）Ａ〜Ｃ及び、２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）Ｄ，Ｅをそれぞれ製造した。
【００２８】
（ａ）上記の工具基体Ａ〜Ｅ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装置の一方にボンバード洗浄用のＴｉカソード電極を、他方側に所定組成のＡｌ−Ｃｒ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、ヒーターで工具基体を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、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、図４に示すように、ターゲットの背面に電磁コイルを配置するとともに、ターゲット周側にフェライト磁石を配置した上記Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットに、表面最大磁場が０〜２２ｍＴ及び４５〜１００ｍＴの範囲内となるように表２に示す種々の磁場を印加し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して９．３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、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３７０〜４５０℃の範囲内に維持するとともに−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ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、表面最大磁場が４５〜１００ｍＴの範囲内となるように磁場を印加して薄層Ａを蒸着し、また、表面最大磁場が０〜２２ｍＴの範囲内となるように磁場を印加して薄層Ｂを蒸着し、薄層Ａと薄層Ｂとを交互に蒸着することにより、工具基体の表面に、表１に示される組成、交互積層構造および目標膜厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層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表面被覆エンドミル１〜１５（以下、本発明１〜１５という）をそれぞれ製造した。
硬質被覆層の組成は、ＥＰＭＡを用いて交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置で５点測定を行い、それらの平均値から算出した。
【００２９】
比較例：
比較の目的で、上記の工具基体（エンドミル）Ａ〜Ｅに対して、上記実施例における（ｃ）、（ｄ）の条件を変更し（例えば、磁場を形成しないもの、ターゲット周側にフェライト磁石を配置しないで磁場を形成したもの、磁場の大きさが０〜２２ｍＴあるいは４５〜１００ｍＴの範囲を外れるもの等）て、その他は実施例と同一の条件で、比較例被覆工具としての表面被覆エンドミル（以下、比較例１〜１５という）をそれぞれ製造した。
【００３０】
上記で作製した本発明１〜１５および比較例１〜１５について、エンドミル先端から２．０ｍｍにおける切れ刃稜線部と１点で接した半径５０μｍの範囲内の逃げ面のＡｌとＣｒの複合窒化物層において、２Ｄ法（２次元Ｘ線回折／フルデバイリングフィッティング法）により２方向の圧縮残留応力σ１１、σ２２を測定した。σ１１は逃げ面とすくい面の交差稜線部と平行な方向、σ２２は上記σ１１と直交する方向の圧縮残留応力である。  
２Ｄ法（２次元Ｘ線回折／フルデバイリングフィッティング法）とは、２次元に広がる回折線全体を同時に検出することでデバイリング全体の歪みから全応力成分を算出する方法である。
σ１１、σ２２については、それぞれ５点測定を行い、その測定値の平均値をσ１１、σ２２とした。
表２、表３に、上記で測定・算出したσ１１，σ２２，σ１１−σ２２の値を示す。
【００３１】
なお、具体的な残留応力測定条件は、概ね、以下のとおりである。
解析法：２Ｄ法（２次元Ｘ線回折／フルデバイリングフィッティング法）
Ｘ線源：Ｃｕ−Ｋα線  出力＝５０ｋＶ，２２ｍＡ
Ｘ線回折ピーク：２θ＝８０°（２２０）面のピークを使用
なお、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎのポアソン比＝０．２００、ヤング率＝３０００００ＭＰａを用いて残留応力を算出した。
【００３２】
また上記で作製した本発明１〜１５および比較例１〜１５について、まず、交差稜線部から少なくとも１００μｍまでの範囲の位置における薄層Ａ、薄層Ｂのそれぞれについて、０．３μｍ未満の微細結晶粒の結晶幅の割合の平均値を求め、また、交差稜線部から１５０μｍ以上離れた位置における硬質被覆層の、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒の割合の平均値を求めた。
表２・表３に、上記で測定した各位置における０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒の割合を示す。
【００３３】
より具体的な測定法は、以下のとおりである。
工具基体刃先から逃げ面側の断面を切り出し、その断面をＳＥＭにて観察する。図５に断面の概要を示す。薄層Ａならびに薄層Ｂの境界部間の中間領域（それぞれの薄層が表面ならびに界面に存在する場合は、表面ならびに界面と薄層Ａ・Ｂ間の境界部との中間領域）にて、工具基体表面と平行に直線を引き、結晶粒界間の距離を結晶幅と定義する。逃げ面とすくい面の交差稜線部から５０μｍ離れた位置を中心とした、幅１００μｍの範囲に存在する結晶の結晶幅を測定し、測定した全結晶幅の和に対する結晶幅が０．３μｍ未満の結晶の幅の和を「交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置における０．３μｍ未満の微細結晶粒の割合(長さ％)」とした。また、交差稜線部から２００μｍ離れた位置を中心とした、幅１００μｍの範囲に存在する結晶の結晶幅を測定し、測定した全結晶幅の和に対する結晶幅が０．３μｍ未満の結晶幅の和を「交差稜線部から１５０μｍ以上離れた位置における０．３μｍ未満の微細結晶粒の割合(長さ％)」とした。
【００３４】
また、上記で作製した本発明１〜１５および比較例１〜１５について、薄層Ａと薄層Ｂの平均膜厚、交差稜線部から１００μｍまでの範囲の位置における薄層Ａと薄層Ｂの合計層数および硬質被覆層の平均膜厚に対する薄層Ａの平均膜厚の割合を測定・算出した。
表２、表３に、これらの測定値、算出値を示す。
具体的な測定法は、図５に示すように工具基体刃先から逃げ面側の断面を切り出し、その断面をＳＥＭにて観察し、逃げ面とすくい面の交差稜線部から２５μｍ、５０μｍならびに７５μｍ離れた位置における膜厚を測定し、その３点の平均値を平均膜厚とした。
【００３５】
【表１】
2014159072.tif 000003
【００３６】
【表２】
2014159072.tif 000004
【００３７】
【表３】
2014159072.tif 000005
【００３８】
つぎに、上記本発明１〜１５および比較例１〜１５のエンドミルについて、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度：  ２８４  ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：  ２．０  ｍｍ、
切削幅：  ０．３  ｍｍ
送り：  ２０００  ｍｍ／ｍｉｎ．、
切削長：３４０  ｍ、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の高速溝切削加工試験を実施し、さらに、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３０４          の板材、
切削速度：  １００  ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：  １０  ｍｍ、
切削幅：  １  ｍｍ
送り：  ４５０  ｍｍ／ｍｉｎ．、
切削長：９０  ｍ、
の条件（切削条件Ｂという）でのステンレス鋼の高速溝切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
なお逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍを超えた場合は寿命とみなし、その時の切削長を記録した。
この測定結果を表４に示した。
【００３９】
【表４】
2014159072.tif 000006
【００４０】
表４に示される結果から、本発明で規定したσ１１，σ２２，σ１１−σ２２の値を有し、かつ、本発明で規定した薄層Ａ、薄層Ｂを備える本発明被覆工具は、炭素鋼、ステンレス鋼などの高熱発生を伴う高速切削加工においてすぐれた耐チッピング性とともにすぐれた耐摩耗性を発揮することが分かる。
これに対して、硬質被覆層の残留圧縮応力の値が本発明で規定する範囲を外れた比較例被覆工具あるいは本発明で規定した薄層Ａ、薄層Ｂを有さない比較例被覆工具では、チッピングの発生あるいは耐摩耗性の低下によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
上述のように、この発明の被覆工具は、炭素鋼、合金鋼などの高速切削加工ばかりでなく、一般鋼などの通常条件での切削加工に供し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り、さらに、ミーリング加工ばかりでなく、旋削加工、ドリル加工用の被覆工具としても適用できるものである。
【図１】
2014159072.tif 000007
【図２】
2014159072.tif 000008
【図３】
2014159072.tif 000009
【図４】
2014159072.tif 000010
【図５】
2014159072.tif 000011