(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ基超硬合金基体またはＴｉＣＮ基サーメット基体表面に、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層を介して、（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層を被覆してなることを特徴とする硬質層被覆切削工具。
【請求項２】
ＷＣ基超硬合金基体またはＴｉＣＮ基サーメット基体表面に形成されたＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層の厚さは０．１〜３．０μｍの範囲内にあり、（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層の厚さは１．０〜１０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の硬質層被覆切削工具。
【請求項３】
前記（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層の上に、さらに厚さは０．１〜１．０μｍの範囲内のＴｉＮ層を被覆してなることを特徴とする請求項１または２記載の硬質層被覆切削工具。
【請求項４】
前記ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層、（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層、並びにＴｉＮ層の合計の厚さは１．５〜１２．０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１、２または３記載の硬質層被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に湿式フライス切削、エンドミル切削などの転削加工に対して優れた切削性能を示す硬質層被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＷＣを主成分とするＷＣ基超硬合金からなる基体（以下、ＷＣ基超硬合金基体という）またはＴｉＣＮを主成分とするサーメットからなる基体（以下、ＴｉＣＮ基サーメット基体という）の表面に、（Ｔｉ０．５  Ｓｉ０．５  ）Ｃの硬質層を被覆してなる硬質層被覆切削工具は知られている（特開平１−３０６５５０号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の（Ｔｉ０．５  Ｓｉ０．５  ）Ｃ硬質層を被覆した硬質層被覆切削工具は、湿式フライス切削、エンドミル切削などの転削加工に用いた場合に耐熱衝撃性および耐欠損性が十分でなく、したがって、満足のいく工具寿命が得られていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は、上述のような課題を解決し、湿式フライス切削、エンドミル切削などの転削加工に用いた場合にも一層の長寿命を示す硬質層被覆切削工具を得るべく研究を行った結果、
（ａ）ＷＣ基超硬合金基体またはＴｉＣＮ基サーメット基体の表面に、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層を介して、（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層を被覆してなる硬質層被覆切削工具は、湿式フライス切削、エンドミル切削などの転削加工に用いた場合に従来よりも一層耐熱衝撃性および耐欠損性に優れ、したがって工具寿命が長くなる、
（ｂ）前記（ａ）の硬質層被覆切削工具の（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層の上に、さらにＴｉＮ層を被覆してもよい、
（ｃ）前記ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層の厚さは０．１〜３．０μｍの範囲内にあり、（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層の厚さは１．０〜１０μｍの範囲内にあり、ＴｉＮ層の厚さは０．１〜１．０μｍの範囲内にあり、さらにこれら硬質層の合計の厚さは１．５〜１２．０μｍの範囲内にあることが好ましい、という知見を得たのである。
【０００５】
この発明は、かかる知見にもとづいてなされたものであって、
（１）  ＷＣ基超硬合金基体またはＴｉＣＮ基サーメット基体表面に、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層を介して、（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層を被覆してなる硬質層被覆切削工具、
（２）  ＷＣ基超硬合金基体またはＴｉＣＮ基サーメット基体表面に形成されたＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層の厚さは０．１〜３．０μｍの範囲内にあり、（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層の厚さは１．０〜１０μｍの範囲内にある（１）記載の硬質層被覆切削工具、
（３）  前記（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層の上に、さらに厚さは０．１〜１．０μｍの範囲内のＴｉＮ層を被覆してなる（１）または（２）記載の硬質層被覆切削工具。
（４）  前記ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層、（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層、並びにＴｉＮ層の合計の厚さは１．５〜１２．０μｍの範囲内にある（１）、（２）または（３）記載の硬質層被覆切削工具、
に特徴を有するものである。
【０００６】
ｘ、ｙおよびｚの値を前記のごとく限定したのは、ｘ＜０．５５、ｘ＞０．９９であると所望の耐熱衝撃性が得られないからであり、ｙ＜０．０１であると所望の耐欠損性が得られないからであり、さらにｚ＜０．５であると所望の耐欠損性が得られず、ｚ＞１．３４であると所望の耐欠損性が低下するとともに剥離が起こりやすくなるからである。前記（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる組成のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層の内でもＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層の方が好ましく、（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  に於けるｘ、ｙ、ｚの一層好ましい範囲は、０．６  ≦ｘ≦０．８  、０．３  ≦ｙ≦０．７  、０．９  ≦ｚ≦１．１  である。
【０００７】
また、この発明の硬質層被覆切削工具のＴｉとＳｉの複合炭窒化物硬質層および／または複合窒化物硬質層の膜厚は１〜１０μｍの範囲内にあることが好ましく、基体表面に形成されるＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層の厚さは０．１〜３．０μｍの範囲内にあることが好ましく、さらに最外層のＴｉＮ層の厚さは０．１〜１．０μｍの範囲内にあることが好ましい。しかし、基体表面に形成される硬質層全体の厚さは１．５〜１２．０μｍの範囲内に抑えなければならない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この発明の硬質層被覆切削工具における硬質層は、通常のアーク放電式イオンプレーティング法、マグネトロンスパッタリング法などにより成形することができる。
【０００９】
この発明の硬質層被覆切削工具の硬質層をアーク放電式イオンプレーティング法により形成するには、真空装置内のＴｉターゲット上にアーク放電を発生させ、Ｔｉを蒸発イオン化させると同時に非金属ガス（窒素ガスおよび炭化水素ガス）を装置内に導入し、負の基板電圧をかけた切削工具基板上に下層のＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層を形成する。
【００１０】
次に、ＴｉとＳｉの混合物のターゲット上にアーク放電を発生させ、ＴｉとＳｉを蒸発イオン化させると同時に非金属ガス（窒素ガスおよび炭化水素ガス）を装置内に導入し、負の基板電圧をかけて、前記ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層の上にさらに（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる硬質層を形成する。この場合、ＴｉとＳｉの比率はターゲットのＴｉ／Ｓｉ比率を、またメタル／ガス成分の比率はメタル蒸発量／ガス導入量を調節したり、基板電圧を変化させることにより制御する。また最外層のＴｉＮ層は、必要に応じて前記下層のＴｉＮ層と同様にして形成することができる。
【００１１】
この発明の硬質層被覆切削工具の硬質層をマグネトロンスパッタリング法により形成するには、複数の偶数個の蒸発源機構を持つマグネトロンスパッタリング装置内にＴｉターゲット２枚と、ＴｉとＳｉの混合物のターゲット複数枚をそれぞれ試料を挾んで対向させる。つぎに非金属ガス（窒素ガスおよび炭化水素ガス）を装置内に導入し、対向ターゲット間にグロー放電をさせると同時にＴｉをスパッタリングイオン化させることにより負の基板電圧をかけた切削工具基板上に下層のＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層を形成する。
【００１２】
次に、ＴｉとＳｉをスパッタリングイオン化させることにより負の基板電圧をかけて、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層の上にさらに（Ｔｉ１−ｘ  Ｓｉｘ  ）（Ｃ１−ｙ  Ｎｙ  ）ｚ  ［ただし、０．５５≦ｘ≦０．９９、０．０１≦ｙ≦１．０  、０．５  ≦ｚ≦１．３４］からなる硬質層を形成する。この場合、ＴｉとＳｉの比率はターゲットのＴｉ／Ｓｉ比率を、またメタル／ガス成分の比率はメタル蒸発量／ガス導入量を調節したり、基板電圧を変化させることにより制御する。また最外層のＴｉＮ層は、必要に応じて前記下層のＴｉＮ層と同様にして形成することができる。
【００１３】
【実施例】
ＩＳＯ規格Ｐ３０相当、ＳＰＧＮ１２０３０８の形状を有するＷＣ基超硬合金製チップ、ＴｉＣＮ−１２％ＷＣ−８％Ｃｏ−８％ＭｏＣ−７％Ｎｉ−５％ＴａＣの組成を有するＩＳＯ規格ＳＰＧＮ１２０３０８の形状のＴｉＣＮ基サーメット製チップ、Ｔｉターゲット、および表１〜表２に示される比率のＴｉとＳｉの混合物ターゲットを用意した。
【００１４】
実施例１
ＷＣ基超硬合金製チップとＴｉターゲットおよび表１〜表２に示される比率のＴｉとＳｉの混合物ターゲットをイオンプレーティング装置内に装着し、かかる状態で前記イオンプレーティング装置内を排気して１×１０−５Ｔｏｒｒの真空に保持し、昇温速度：６℃／ｍｉｎ．で７００℃に昇温させ、つづいて、この温度に保持しながら、５×１０−２ＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気に保持してイオンクリーニングした。
【００１５】
その後、Ｔｉターゲット上にアーク放電を発生させてＴｉを加熱蒸発させイオン化させ、同時に窒素ガスおよび／またはアセチレンガスを装置内に導入し、任意の負の基板電圧をかける通常の方法によりＷＣ基超硬合金製チップ基体表面に表３〜表４に示される膜厚のＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層からなる下層を形成した。
【００１６】
次に表１〜表２に示される比率のＴｉとＳｉの混合物ターゲット上にアーク放電を発生させてＴｉとＳｉを加熱蒸発させイオン化させるとともに、供給口より表１〜表２に示される比率の窒素ガスおよびアセチレンガスを導入し、表１〜表２に示される負の基板電圧をかけることにより、前記下層の上に表３〜表４に示される膜厚を有しさらに表３〜表４に示されるＴｉとＳｉの複合硬質層を被覆し、さらに必要に応じて中間層の上にＴｉＮ層を形成してＷＣ基超硬合金製チップを基体とした発明硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製チップ（以下、本発明被覆チップという）１〜１０、比較硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製チップ（以下、比較被覆チップという）１〜１０および従来硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製チップ（以下、従来被覆チップという）１〜２を作製した。前記下層、ＴｉとＳｉの複合硬質層の組成（原子比）および最外層のＴｉＮはいずれもＥＰＭＡ分析により特定した。
【００１７】
【表１】
0003572732.tif 000002
【００１８】
【表２】
0003572732.tif 000003
【００１９】
【表３】
0003572732.tif 000004
【００２０】
【表４】
0003572732.tif 000005
【００２１】
これら本発明被覆チップ１〜１０比較被覆チップ１〜１０および従来被覆チップ１〜２を用いて、下記の条件の湿式フライス切削試験を実施した。
湿式フライス切削試験条件
被削材：ＪＩＳ規格ＳＣＭ４４０の角材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切込み：２．０ｍｍ、
の条件で湿式フライス切削し、切刃の逃げ面の最大摩耗幅が０．３ｍｍになったところを寿命とし、寿命に至る時間（分）および摩耗形態を測定し、それらの測定結果を表５に示した。
【００２２】
【表５】
0003572732.tif 000006
【００２３】
表３〜表５に示される結果から、本発明被覆チップ１〜１０は比較被覆チップ１〜１０および従来被覆チップ１〜２に比べて切削特性が優れていることが分かる。
【００２４】
実施例２
ＴｉＣＮ−１２％ＷＣ−８％Ｃｏ−８％ＭｏＣ−７％Ｎｉ−５％ＴａＣの組成を有するＩＳＯ規格ＳＰＧＮ１２０３０８の形状のＴｉＣＮ基サーメット製チップとＴｉターゲットおよび表６〜表７に示される比率のＴｉとＳｉの混合物ターゲットをイオンプレーティング装置内に装着し、かかる状態で前記イオンプレーティング装置内を排気して１×１０−５Ｔｏｒｒの真空に保持し、昇温速度：６℃／ｍｉｎ．で７００℃に昇温させ、つづいて、この温度に保持しながら、５×１０−２ＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気に保持してイオンクリーニングした。
【００２５】
その後、Ｔｉターゲット上にアーク放電を発生させてＴｉを加熱蒸発させイオン化させ、同時に窒素ガスおよび／またはアセチレンガスを装置内に導入し、任意の負の基板電圧をかける通常の方法によりＴｉＣＮ基サーメット製チップ基体表面に表８〜表９に示されるＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮの内の１種の単層または２種以上の複層からなる膜厚の下層を形成した。
【００２６】
次に表６〜表７に示される比率のＴｉとＳｉの混合物ターゲット上にアーク放電を発生させてＴｉとＳｉを加熱蒸発させイオン化させるとともに、供給口より表６〜表７に示される比率の窒素ガスおよびアセチレンガスを導入し、表６〜表７に示される負の基板電圧をかけることにより、前記下層の上に表８〜表９に示される膜厚を有しさらに表８〜表９に示されるＴｉとＳｉの複合硬質層を被覆し、さらに必要に応じて中間層の上にＴｉＮ層を形成してＴｉＣＮ基サーメット製チップを基体とした本発明被覆チップ１１〜２０、比較被覆チップ１１〜２０および従来被覆チップ３〜４を作製した。前記下層、ＴｉとＳｉの複合硬質層の組成（原子比）および最外層のＴｉＮはいずれもＥＰＭＡ分析により特定した。
【００２７】
【表６】
0003572732.tif 000007
【００２８】
【表７】
0003572732.tif 000008
【００２９】
【表８】
0003572732.tif 000009
【００３０】
【表９】
0003572732.tif 000010
【００３１】
これら本発明被覆チップ１１〜２０比較被覆チップ１１〜２０および従来被覆チップ３〜４を用いて、下記の条件の湿式フライス切削試験を実施した。
湿式フライス切削試験条件
被削材：ＪＩＳ規格ＳＣＭ４４０の角材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切込み：１．５ｍｍ、
の条件で湿式転削加工し、切刃の逃げ面の最大摩耗幅が０．３ｍｍになったところを寿命とし、寿命に至る時間（分）および摩耗形態を測定し、それらの測定結果を表１０に示した。
【００３２】
【表１０】
0003572732.tif 000011
【００３３】
表８〜表１０に示される結果から、本発明被覆チップ１１〜２０は比較被覆チップ１１〜２０および従来被覆チップ３〜４に比べて切削特性が優れていることが分かる。
【００３４】
実施例３
ＷＣ−９％Ｃｏの組成を有し、直径：１０ｍｍで３０度の捩じれ角を持つＷＣ基微粒超硬合金製４枚刃エンドミル（以下、ＷＣ基微粒超硬合金製エンドミルという）および表１１〜表１２に示される比率のＴｉとＳｉの混合物ターゲットを用意した。
【００３５】
このＷＣ基微粒超硬合金製エンドミルをマグネトロンスパッタリング装置内の中央に装着し、さらに、表１１〜表１２に示される比率のＴｉとＳｉの混合物ターゲットをエンドミルを挟んで対向させて配置し、かかる状態で前記マグネトロンスパッタリング装置内を排気して１×１０−５Ｔｏｒｒの真空に保持し、昇温速度：６℃／ｍｉｎ．で７００℃に昇温させ、続いて、この温度に保持しながら、１．５×１０−４ＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気に保持してイオンクリーニングした。
【００３６】
その後、表１１〜表１２に示される比率の窒素ガスおよびアセチレンガスを導入すると共に、表１１〜表１２に示される比率のＴｉとＳｉの混合物ターゲット上にグロー放電を発生させてＴｉとＳｉをスパッタリングイオン化させた。同時に、表１１〜表１２に示される負の基板電圧をかけることにより、前記ＷＣ基微粒超硬合金製エンドミル基体表面に表１３〜表１４に示される膜厚を有しさらに表１３〜表１４に示される複合硬質層を被覆した本発明ＷＣ基微粒超硬合金製エンドミル（以下、本発明被覆エンドミルという）１〜１０、比較ＷＣ基微粒超硬合金製エンドミル（以下、比較被覆エンドミルという）１〜１０および従来ＷＣ基微粒超硬合金製エンドミル（以下、従来被覆エンドミルという）１〜２を作製した。
【００３７】
【表１１】
0003572732.tif 000012
【００３８】
【表１２】
0003572732.tif 000013
【００３９】
【表１３】
0003572732.tif 000014
【００４０】
【表１４】
0003572732.tif 000015
【００４１】
これら本発明被覆エンドミル１〜１０、比較被覆エンドミル１〜１０および従来被覆エンドミル１〜２を用いて、下記の条件の湿式肩削り試験を実施した。
湿式肩削り試験条件
被削材：ＪＩＳ規格ＳＣＭ４４０の角材、
回転数：１２００ｒ．ｐ．ｍ．、
送り：２８０ｍｍ／ｍｉｎ．、
深さ方向の切込み：１５ｍｍ、
横方向の切込み：１ｍｍ、
の条件で湿式肩削りを行った。外周刃の最大摩耗幅が０．２ｍｍになったところを寿命とし、寿命に至る時間（分）および摩耗形態を測定し、それらの測定結果を表１５に示した。
【００４２】
【表１５】
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【００４３】
表１５に示される結果から、本発明被覆エンドミル１〜１０は、比較被覆エンドミル１〜１０および従来被覆エンドミル１〜２に比べて切削性能が優れていることが分かる。
【００４４】
【発明の効果】
前記実施例１〜３に示される結果から、この発明の硬質層被覆切削工具は、従来の硬質層被覆切削工具に比べて一層優れた性能を有し、工業上優れた効果をもたらすものである。