(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなる工具基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆工具において、
（ａ）前記粒径組成制御層のＡｌの含有割合ｘの値が、
０．１以上０．６以下の範囲であり、ｘの値が０．２以下となる層状のＴｉ高含有領域と、ｘの値が０．３以上となる層状のＡｌ高含有領域が、前記粒径組成制御層の中に各々少なくとも一層以上含まれ、かつ、
（ｂ）前記Ｔｉ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、
（ｃ）前記Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であり、かつ、
（ｄ）酸素含有割合ｙが０〜０．０８の間に存在し、かつ、
（ｅ）前記Ａｌ高含有領域におけるｙの最小値が０．０４〜０．０８であり、かつ、前記Ｔｉ高含有領域におけるｙの最大値が０．０３未満であることを特徴とする長期に亘り高い耐酸化性と耐摩耗性を維持する表面被覆工具。
【請求項２】
前記Ｔｉ高含有領域の厚みＸＴｉが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、前記Ａｌ高含有領域の厚みＸＡｌが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆工具。
【請求項３】
前記中間層が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの中から選ばれる１種類または２種類の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる層厚０．５〜２．０μｍの硬質被膜層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面被覆工具。
【請求項４】
前記工具基体がドリル基体であって、ドリルマージン部におけるＸＴｉが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の表面被覆ドリル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面被覆工具に関し、さらに詳しくは、ドリル本体の先端部外周に切屑排出溝が形成されるとともに、この切屑排出溝のドリル回転方向を向く内周面の先端に切刃が設けられ、主として炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）よりなる加工物に乾式高速切削または湿式穴明け加工をするのに用いられる長期間に亘りすぐれた耐酸化性と耐摩耗性を維持する表面被覆切削工具および表面被覆ドリルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
このようなドリルとしては、軸線を中心として該軸線回りにドリル回転方向に回転される概略円柱状のドリル本体の先端側が切刃部とされ、この切刃部の外周に一対の切屑排出溝が、軸線に関して互いに対称となるように、該切刃部の先端面、すなわちドリル本体の先端逃げ面から後端側に向かうに従い軸線回りにドリル回転方向の後方側に捩れる螺旋状に形成され、これらの切屑排出溝の内周面のうちドリル回転方向を向く部分の先端側の前記先端逃げ面との交差稜線部に切刃が形成された、いわゆる２枚刃のソリッドドリルが知られている。従って、このようなソリッドドリルでは、前記切屑排出溝内周面のドリル回転方向を向く部分の先端側がこの切刃のすくい面となり、切刃によって生成された切屑は、このすくい面から切屑排出溝の内周面を摺接しつつ、該切屑排出溝の捩れによって後端側に送り出されて排出されることとなる。そして、さらにこのようなドリルでは、ドリル本体の耐摩耗性の向上のために種々の方法が採用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、厚さ方向にＡｌ最高含有点（Ｔｉ最低含有点）とＡｌ最低含有点（Ｔｉ最高含有点）とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点からＡｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点からＡｌ最高含有点へＡｌ（Ｔｉ）含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する硬質被覆層を形成することによって、耐摩耗性を向上させた表面被覆ドリルが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２においては、硬質被膜を切刃の外周端から後端側に向けて切刃の外径Ｄに対して３×Ｄ以内の長さＭの範囲までに被覆したことによって、切屑詰りの発生を防いで折損等の生じることのない表面被覆ドリルが開示されている。
【０００５】
また、特許文献３においては、切屑排出溝の内周面には硬質被膜を被覆した後にポリッシュ加工を施したことによって、切屑詰りの発生を防いで折損等の生じることのない表面被覆ドリルが開示されている。
【０００６】
また、特許文献４においては、基材表面に最外層と内層とからなる被覆層を備え、最外層は、窒化アルミニウム又は炭窒化アルミニウムからなり、最外層中に塩素を０超０．５原子％以下含有することによって、すぐれた潤滑性を有して使用寿命が長い表面被覆ドリルが開示されている。
【０００７】
また、特許文献５においては、最表層がＣｒＯｙ（原子比で０．３≦ｙ≦１．５）で構成され、その膜厚が０．０１〜２．０μｍである硬質被覆層を備えたことにより耐凝着性又は耐溶着性を向上させた表面被覆ドリルが開示されている。
【０００８】
また、特許文献６においては、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が蒸着形成された表面被覆切削工具において、該硬質被覆層は、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され、薄層Ａおよび薄層Ｂはそれぞれ０．１〜２μｍの層厚を有し、さらに、前記薄層Ａを構成する粒状晶の平均結晶粒径は３０ｎｍ以下、また、前記薄層Ｂを構成する柱状晶の平均結晶粒径は５０〜５００ｎｍであることを特徴とする表面被覆切削工具、および前記ＣｒとＡｌの複合窒化物は、組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ）Ｎで表した場合に、０．５５≦Ｘ≦０．７５（但し、Ｘは原子比）を満足することを特徴とする表面被覆工具が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３２６４０２号公報
【特許文献２】特開２００３−２７５９０９号公報
【特許文献３】特開２００３−２７５９１０号公報
【特許文献４】特開２００５−２９７１４４号公報
【特許文献５】特開平８−１３２３１０号公報
【特許文献６】特開２０１０−９４７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年のドリル加工装置のＦＡ化はめざましく、加えてドリル加工に対する省力化、省エネ化、低コスト化さらに効率化の要求も強く、これに伴い、高送り、高切り込みなどより高効率の深穴用ドリル加工が要求される傾向にあるが、前記従来表面被覆ドリルにおいては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下でドリル加工した場合に特段の問題は生じないが、潤滑性とともに耐酸化性と耐摩耗性が必要とされるとともに切屑がドリルの切屑排出溝につまり易い湿式高速の深穴用ドリル加工に用いた場合には、切屑排出溝に切屑がつまり易く、これが原因で、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】
【００１１】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、湿式高速の深穴用ドリル加工に用いられた場合にも長期間に亘りすぐれた潤滑性と耐摩耗性を維持する表面被覆ドリルを提供すべく、ドリルの最表面層に粒径組成制御層として（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆ドリルの粒径組成制御層の構造に着目し鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。
【００１２】
（ａ）粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘが、ｘの値が０．１から０．６の範囲に存在し、ｘの値が０．２以下となる層状のＴｉ高含有領域とｘの値が０．３以上となる層状のＡｌ高含有領域が、前記粒径組成制御層の中に各々少なくとも一層以上含まれ、かつ
（ｂ）Ｔｉ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが１〜５であり、
（ｃ）Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが１０〜７０であり、かつ、
（ｄ）酸素含有割合ｙが０〜０．０８の間に存在し、かつ、
（ｅ）前記Ａｌ高含有領域におけるｙの最小値が０．０４〜０．０８であり、かつ、前記Ｔｉ高含有領域におけるｙの最大値が０．０３未満である場合、このような硬質被覆層を備えた表面被覆ドリルは、従来の表面被覆ドリルに比して、湿式高速の深穴加工において、すぐれた潤滑性と耐摩耗性を示すことを見出した。
また、中間層として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの中から選ばれる１種類または２種類の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる層厚０．５〜２．０μｍの硬質被膜層を備える場合には、ドリル深穴加工において、力学的負荷が高くまた同時に高い潤滑性、耐摩耗性が要求される場合であっても、長期に亘り高い潤滑性と耐摩耗性を維持することを見出した。
さらに、Ｔｉ高含有領域の厚みＸＴｉが３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、Ａｌ高含有領域の厚みＸＡｌが３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＴｉが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少するという構成を併せ持つことにより、すぐれた潤滑性を維持したまま耐酸化性および耐摩耗性が一層向上することを見出した。
【００１３】
前述したような硬質被覆層は、図１の概略説明図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置にドリル基体を装着し、工具基体温度を４００〜４３０℃とした状態で、中間層として、
蒸発源１：金属Ｔｉまたは金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：１０ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８ｋＷ、
反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス  それぞれ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−３０Ｖ、
という条件のもと表２に示される特定の中間層の形成を行い、更に、
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：８〜１２ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
工具基体位置が蒸発源１近傍の時の反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス  ０ｓｃｃｍ
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口１の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｓｃｃｍ、
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス  ８０〜８５ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス  ５〜９ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス  それぞれ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−１５〜−１２Ｖ、
という特定の条件下で成膜を行うことで作製することができ、この結果形成された硬質被覆層を備えた表面被覆ドリルは、従来の表面被覆ドリルに比して、湿式高速の深穴加工において、潤滑性を維持したまますぐれた耐酸化性と耐摩耗性を示すことを見出した。更に、上記の条件に加えて、工具基体の先端を回転中心に向けた方法で固定して、回転軸をハース積載面の法線から３５〜５５度傾けて回転させ、回転速度が、Ｔｉのハースに最も接近する位置に最大、Ａｌのハースに最も接近する位置で最小となる、三角波形状の速度制御パターンとし、Ａｌのハースに近づいているときのみ酸素ガスを流入させることで、よりすぐれた潤滑特性および耐摩耗特性を示すことを見出した。
さらに、前記知見は、ドリルのみに限らず、他の切削工具、例えば、エンドミルにおいても適用可能であることも確認できた。
【００１４】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）  超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなる工具基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆工具において、
（ａ）前記粒径組成制御層のＡｌの含有割合ｘの値が、
０．１以上０．６以下の範囲であり、ｘの値が０．２以下となる層状のＴｉ高含有領域と、ｘの値が０．３以上となる層状のＡｌ高含有領域が、前記粒径組成制御層の中に各々少なくとも一層以上含まれ、かつ、
（ｂ）前記Ｔｉ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、
（ｃ）前記Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であり、かつ、
（ｄ）酸素含有割合ｙが０〜０．０８の間に存在し、かつ、
（ｅ）前記Ａｌ高含有領域におけるｙの最小値が０．０４〜０．０８であり、かつ、前記Ｔｉ高含有領域におけるｙの最大値が０．０３未満であることを特徴とする長期に亘り高い潤滑性と耐摩耗性を維持する表面被覆工具。
（２）  前記Ｔｉ高含有領域の厚みＸＴｉが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、前記Ａｌ高含有領域の厚みＸＡｌが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在することを特徴とする（１）に記載の表面被覆工具。
（３）  前記中間層が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの中から選ばれる１種類または２種類の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる層厚０．５〜２．０μｍの硬質被膜層であることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆工具。
（４）  前記工具基体がドリル基体であって、ドリルマージン部におけるＸＴｉが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆ドリル。」
に特徴を有するものである。
【００１５】
本発明について、以下に説明する。
【００１６】
本発明の表面被覆工具の工具基体の上に、直接または、中間層を介して、（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層を形成する。ここで、硬質被膜層の層厚が０．３μｍ未満では、所望の耐摩耗性が維持できず、一方、５．０μｍを超えると皮膜のチッピングなどが生じる。したがって、硬質被覆層の層厚は０．３〜５．０μｍと定めた。
また、硬質被覆層の組成（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）において、Ａｌの含有割合ｘの値が、０．１未満ではＡｌの耐摩耗性が十分でなく、０．６を超えると六方晶組織へと変化するためＮａＣｌ型結晶が持つ強度を維持できない。したがって、Ａｌの含有割合ｘの値は０．１〜０．６と定めた。
また、硬質被覆層の組成（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）において、酸素の含有割合ｙの値が、０．０８を超えると、切削加工中に脆弱なＴｉ酸化物の形成が促され皮膜の強度を維持できない。したがって、酸素の含有割合ｙの値は０〜０．０８と定めた。また、Ａｌ高含有領域における酸素含有割合ｙの値が０．０４未満であると安定なＡｌ酸化物の形成を促すことが出来ず、また、Ｔｉ高含有領域におけるｙの値が０．０３以上であると、脆性なＴｉ酸化物の形成が促され強度が低下するため、Ａｌ高含有領域における酸素含有割合ｙの値を０．０４〜０．０８、Ｔｉ高含有領域における酸素含有割合ｙの値を０．０３未満と定めた。
【００１７】
また、Ｔｉ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａの値は、５を超えると粒状組織が持つ安定的な切削性能が実現できない。一方、アスペクト比Ａの値は、長辺を短辺で除した値であるため、１未満にはならない。したがって、アスペクト比Ａの値は、１〜５と定めた。
また、Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂの値は、１０未満では、柱状組織が持つ耐摩耗性が実現できない。一方、アスペクト比Ｂの値は、７０を超えるとせん断力に対する抗折力が維持できない。したがって、アスペクト比Ｂの値は、１０〜７０と定めた。
なお、本発明でいう「アスペクト比」とは、個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分である長辺の値を、長辺に対して垂直方向の最小径を示す短辺の値で除した値である。
【００１８】
中間層の層厚が０．５μｍ以下では皮膜の耐摩耗性が十分でないばかりか、剥離の起点となりうる界面が増加するのみであるため工具の耐欠損性が向上せず、また、中間層の層厚が２．０μｍを超えると、残留応力によるチッピングが生じやすくなるため工具の耐摩耗性が向上しない。したがって、中間層の層厚は０．５〜２．０μｍと定めた。
【００１９】
Ｔｉ高含有領域の厚みＸＴｉおよびＡｌ高含有領域の厚みＸＡｌの値は、３０ｎｍを下回るとそれぞれが持つ潤滑特性および耐酸化性、耐摩耗性が発揮できない。一方、ＸＴｉが２００ｎｍを超えると、Ａｌ高含有領域に比べて耐摩耗性の劣るＴｉ高含有領域の割合が相対的に大きくなり、Ｔｉ高含有領域中での破壊が生じやすくなるために所望の工具性能を維持できず、また、ＸＡｌが２００ｎｍを超えると、Ａｌ高含有領域に導入された圧縮応力の積算値が大きくなりすぎ、皮膜のチッピングの原因となる。したがって、ＸＴｉおよびＸＡｌの値は、３０〜２００ｎｍと定めた。
さらに、工具基体がドリル基体である場合、すなわち、表面被覆工具が表面被覆ドリルである場合、ドリルマージン部におけるＸＴｉが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少するように構成することにより、湿式高速の深穴用ドリル加工条件においても、長期間に亘り高い耐摩耗性を維持するものである。
ここで、「ドリル先端から、ドリル外径の５倍の距離までの領域」とは、ドリルの中心軸と平行にドリル切れ刃部先端を起点に後方すなわちシャンクの方向へ計測して、ドリルの中心軸に垂直な平面内の最大直径の５倍の長さまでの領域をいう。
また、同一の測定領域に、膜厚方向に複数のＴｉ高含有領域、あるいは複数のＡｌ高含有領域が存在する場合は、それぞれの平均値をＸＴｉ、ＸＡｌとする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の表面被覆工具は、超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなる工具基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在する表面被覆工具において、（ａ）粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘの値が、０．１以上０．６以下の範囲に存在し、ｘの値が０．２以下となる層状のＴｉ高含有領域と、ｘの値が０．３以上となる層状のＡｌ高含有領域が存在し、かつ、（ｂ）前記Ｔｉ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、（ｃ）前記Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であることによって、長期に亘り高い潤滑特性、耐チッピング性および耐酸化性、耐摩耗性を維持する表面被覆工具に特徴を有するものである。
さらに、Ｔｉ高含有領域の厚みＸＴｉが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、Ａｌ高含有領域の厚みＸＡｌが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在するときに、耐酸化性と耐摩耗性をより一層向上させることができる。
また、工具基体がドリル基体である場合、ドリルマージン部におけるＸＴｉが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少するように形成することによって、耐摩耗性をより一層向上させることができる。
すなわち、一般的な深穴加工において、力学的負荷が高くまた同時に高い耐熱性が要求される先端部においては、高いＡｌ含有割合を有するＡｌ高含有領域をＴｉ高含有領域に対して大きい割合で、柱状組織にて構成することにより、長期に亘り高い耐摩耗性を維持する。一方、力学的負荷よりも滑り特性や安定的な摩耗形態が要求される切屑排出溝やドリル後方のマージン部においては、ＴｉＮのもつ潤滑特性をさらに生かすために高いＴｉ含有割合を有するＴｉ高含有領域を、アスペクト比の低い粒状組織で構成することにより、最低限の耐摩耗性を維持したまま長期に亘り高い潤滑特性を維持することができる。また同時に、それらの領域が膜厚方向に層状に積層されていることで、主として柱状組織で構成されるＡｌ高含有領域において発生した膜厚方向へ進展するクラックの進展方向がＴｉ高含有領域の微細粒状組織により分散され、皮膜の耐衝撃性を向上させることが出来る。
さらに、ＸＴｉが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少することで、耐摩耗性が要求される先端部近傍から、潤滑特性が要求される工具後方にかけて、両者の効果をバランスよく発現し、更にこと工具寿命を延長することが出来る。
さらに、本発明によれば、膜厚方向へ組成比率とアスペクト比が連続的に変化する、あるいは、ドリル軸方向へＸＡｌ、ＸＴｉが漸次変化することで、ブラスト後処理やマスキングによる、不連続的に処理がなされた従来技術よりもきわめて安定的な切削を実現し、長寿命化を実現するものである。一般的な製造方法によれば、Ａｌの含有割合ｘを変化させたとしても、粒状組織・柱状組織はＡｌの含有割合ｘにより被支配的に変化するものではないが、本製法によれば、基板回転機構およびＴｉ蒸発源、Ａｌ蒸発源を極めて特異な配置とし、特定の成膜速度分布および、ＴｉイオンやＡｌイオンの密度分布を実現することで、本発明の表面被覆ドリルを制御可能な状態で製造することが出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の表面被覆工具の硬質被覆層（粒径組成制御層）を蒸着形成するための圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置の平面概略図を示す。
【図２】本発明の表面被覆工具の硬質被覆層（粒径組成制御層）の断面模式図を示す。
【図３】従来被覆工具を蒸着形成するためのアークイオンプレーティング装置の平面外略図を表す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
つぎに、本発明の表面被覆工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２３】
原料粉末として、平均粒径０．８μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．５μｍのＶＣ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、工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが１０ｍｍ×８０ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度の２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製のドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４と、同じく前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが６ｍｍ×４８ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度、先端Ｒ３ｍｍの２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製のエンドミル基体Ｅ−１〜Ｅ−４をそれぞれ製造した。
【００２４】
ついで、これらのドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４およびエンドミル基体Ｅ−１〜Ｅ−４の切刃に、ホーニングを施し、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４とエンドミル基体Ｅ−１〜Ｅ−４をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１の概略図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に装着し、工具基体温度を４００〜４３０℃とした状態で、中間層として、
蒸発源１：金属Ｔｉまたは金属Ｃｒ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：１０ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８ｋＷ、
反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス  それぞれ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−３０Ｖ、
という条件のもと表２に示される特定の中間層の形成を行い、更に、
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：８〜１２ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
工具基体位置が蒸発源１近傍の時の反応ガス流入口１および２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス  ０ｓｃｃｍ
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口１の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｓｃｃｍ、
工具基体位置が蒸発源２近傍の時の反応ガス流入口２の反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス  ８０〜８５ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ２）ガス  ５〜９ｓｃｃｍ
プラズマガン用放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス  それぞれ４０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−１５〜−１２Ｖ、
という表２に示される特定の条件下で成膜を行った。更に、前記の条件に加えて、ドリル基体の先端を回転中心に向けた方法で固定して、回転軸をハース積載面の法線から３５〜５５度傾けて回転させ、回転速度が、Ｔｉのハースに最も接近する位置に最大、Ａｌのハースに最も接近する位置で最小となる、三角波形状の速度制御パターンとし、Ａｌのハースに近づいているときのみ酸素ガスを流入させる状態で反応性蒸着をして、表２に示される組成および表４、５に示される目標平均膜厚、平均アスペクト比を有する粒径組成制御層を形成した本発明表面被覆ドリル１〜３０並びに表２に示される組成および表７に示される目標平均膜厚、平均アスペクト比を有する粒径組成制御層を形成した本発明表面被覆エンドミル１〜４をそれぞれ製造した。
【００２５】
また、比較の目的で、前記ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４とエンドミル基体Ｅ−１〜Ｅ−４の表面に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、
図３に示される、Ｔｉ−Ａｌ合金をターゲットとして取り付けたアークイオンプレーティング装置内にドリル基体を垂直方向に固定した状態で保持し自転させると同時に、該鉛直方向の軸を回転中心軸として公転させながら、工具基体温度を４１０〜４３０℃とした状態で、
ターゲット３：Ｔｉ−Ａｌ合金またはＣｒ-Ａｌ合金
ターゲット３に対するアーク放電電流：１３０Ａ、
チャンバー内のガス圧力：６Ｐａ、
窒素（Ｎ２）ガス割合：１００％、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−５０Ｖ、
という条件のもと表２に示される特定の中間層の形成を行い、更に、
ターゲット１：Ｔｉ−Ａｌ合金、
ターゲット１に対するアーク放電電流：５０〜１３０Ａ、
ターゲット２：Ｔｉ−Ａｌ合金、
ターゲット２に対するアーク放電電流：５０〜１１０Ａ、
チャンバー内のガス圧力：５〜８Ｐａ、
うち、酸素（Ｏ２）ガス割合：５〜１０％、
窒素（Ｎ２）ガス割合：残り
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−２５Ｖ、
という表３に示される特定の条件のもと、従来被覆層を蒸着形成して、ドリル基体Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表３に示される組成、および、表６に示されるアスペクト比、平均膜厚を有する従来層を形成した比較表面被覆ドリル１〜８並びに表３に示される組成および表７に示される目標平均膜厚、平均アスペクト比を有する粒径組成制御層を形成した比較表面被覆エンドミル１〜４をそれぞれ製造した。
【００２６】
つぎに、前記本発明表面被覆ドリル１〜３０および比較表面被覆ドリル１〜８について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：８０ｍｍの、ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃ（ＨＢ２６０）の板材、
切削速度：  １００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：  ０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ：  ５０ｍｍ、
の条件での合金鋼の湿式高速深穴あけ切削加工試験（通常の、加工穴深さ５Ｄの切削速度および送りは、それぞれ、９０ｍ／ｍｉｎ．および０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまで、若しくは工具の欠損に至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表４、５、６にそれぞれ示した。
つぎに、前記本発明表面被覆エンドミル１〜４および比較表面被覆エンドミル１〜４について、
被削材−平面寸法：２００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１００ｍｍの、ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃ（ＨＢ２４０）の板材、
切削速度：  ２８０ｍ／ｍｉｎ．（工具回転数：１５０００回転）、
テーブル送り：  ０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
深さ切り込み量：０．３０ｍｍ
送り切り込み量：１．０ｍｍ
の条件での炭素鋼の湿式高速エンドミル切削加工試験（通常の切削速度およびテーブル送りは、それぞれ、２４５ｍ／ｍｉｎ．（工具回転数１３０００回転）および０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）を行い、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至るまで、若しくは工具の欠損に至るまでの切削長を測定した。この測定結果を表７にそれぞれ示した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
0005861983.tif 000003
【００２９】
【表３】
0005861983.tif 000004
【００３０】
【表４】
0005861983.tif 000005
【００３１】
【表５】
0005861983.tif 000006
【００３２】
【表６】
0005861983.tif 000007
【００３３】
【表７】
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【００３４】
この結果得られた本発明表面被覆ドリル１〜３０、本発明表面被覆エンドミル１〜４の硬質被覆層を構成する改質粒径組成制御層、さらに、比較表面被覆ドリル１〜８、比較表面被覆エンドミル１〜４の硬質被覆層を構成する従来層の平均層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。
【００３５】
さらに、本発明表面被覆ドリル１〜３０、比較表面被覆ドリル１〜８、本発明表面被覆エンドミル１〜４、比較表面被覆エンドミル１〜４を集束イオンビーム加工装置により、層厚方向に
高さ：層厚の２倍相当×幅：５μｍ×厚さ：１００ｎｍ
の薄片に加工した後、透過型電子顕微鏡（ＪＥＭ−２０１０Ｆ）を用いて、観察加速電圧２００ｋＶの条件のもと、本発明表面被覆ドリル１〜３０の硬質被覆層を構成する改質粒径組成制御層、比較表面被覆ドリル１〜８の硬質被覆層を構成する従来層の粒径組織を観測したのち、薄片の幅方向における中心線と工具基体の交差点から、工具基体に略垂直に皮膜の表面の方向へ向かって、１０ｎｍの間隔で組成を測定し、各点での組成が表２、３に示す目標組成範囲と実質的に同じ組成範囲を有していることを確認するとともに、さらに、Ａｌの含有割合ｘが０．１以上０．２以下となるＴｉ高含有領域の平均厚みＸＴｉおよび、Ｔｉ高含有領域に含まれる（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる結晶粒の長辺および短辺を測定し、アスペクト比Ａを算出し、同じく、Ａｌの含有割合ｘが０．３以上０．６以下となるＡｌ高含有領域の平均厚みＸＡｌおよび、Ａｌ高含有領域に含まれる（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる結晶粒の長辺および短辺を測定し、アスペクト比Ｂを算出し、それぞれの結果を表４、５、６、７に示した。なお、ここで言う長辺とは結晶粒中の最大の長さを示す線分の長さを表し、短辺とは、長辺に垂直な線分のうち最小の長さもつ線分の長さを表し、アスペクト比とは前記長辺を前記短辺で除した値である。
【００３６】
表２、４、５、７に示される結果から、本発明表面被覆ドリルおよび本発明表面被覆エンドミルは、最表面に（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる粒径組成制御層が形成されており、その層厚が０．３〜５．０μｍであり、粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘが、０．１〜０．６の範囲に存在し、ｘの値が０．２以下となる層状のＴｉ高含有領域とｘの値が０．３以上となる層状のＡｌ高含有領域が存在し、かつ、Ｔｉ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であり、Ｔｉ高含有領域の厚みＸＴｉが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在し、かつ、Ａｌ高含有領域の厚みＸＡｌが、３０〜２００ｎｍの範囲に存在していることから、長期に亘りすぐれた耐酸化性と耐摩耗性を維持する表面被覆ドリルおよび表面被覆エンドミルが得られることが明らかである。
また、ドリルマージン部におけるＸＴｉが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次増加し、かつ、ドリルマージン部におけるＸＡｌが、ドリル先端からドリル外径の５倍の距離までの領域にかけて漸次減少していることにより、長期に亘りすぐれた潤滑性と耐摩耗性を維持する表面被覆ドリルが得られることが明らかである。
これに対して、表３、６、７に示される結果から、硬質被覆層のＴｉとＡｌそれぞれの高含有領域がない、あるいは、ＴｉとＡｌそれぞれの高含有領域のアスペクト比および層厚が所定の範囲内に制御されていない従来層を有する比較表面被覆ドリルおよび比較表面被覆エンドミルにおいては、耐酸化性および耐摩耗性が十分でないために、チッピング、欠損、剥離の発生等により、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】
【００３７】
前述のように、本発明の表面被覆工具は、超硬合金焼結体あるいは高速度鋼からなる工具基体の上に、直接または中間層を介し、最表面に粒径組成制御層として（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｎ１−ｙＯｙ）の成分系からなる層厚０．３〜５．０μｍの硬質被覆層が存在し、粒径組成制御層の膜断面でのＡｌの含有割合ｘの値が、０．１以上０．６以下の範囲に存在し、ｘの値が０．２以下となる層状のＴｉ高含有領域と、ｘの値が０．３以上となる層状のＡｌ高含有領域が、粒径組成制御層の中に各々少なくとも一層以上含まれ、かつ、Ｔｉ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ａが、１〜５であり、かつ、Ａｌ高含有領域における結晶粒のアスペクト比Ｂが、１０〜７０であることにより、すぐれた潤滑性とともにすぐれた耐酸化性を備えており、そして、このすぐれた耐酸化性は、湿式高速の深穴用ドリル加工条件においても、長期間に亘り高い耐摩耗性を維持するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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