(57)【要約】【課題】高速切削条件でＮｉ基合金、Ｔｉ合金等の難切削材を切削した場合においても、優れた耐熱性と耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供する。【解決手段】基材表面に硬質皮膜が形成された切削工具であって、該硬質皮膜が０．５〜１０．０μｍの平均膜厚を有し、かつ組成式（Ａｌ１-α-βＴｉαＲｅβ）Ｎ（但し、αはＴｉの含有割合を示し、原子比で０．０５≦α≦０．７５、βはＲｅの含有割合を示し、原子比で０．００１≦β≦０．１００である）を満足するＡｌとＴｉとＲｅとの複合窒化物層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面に硬質皮膜が形成された切削工具であって、該硬質皮膜が０．５〜１０．０μｍの平均膜厚を有し、かつ組成式（Ａｌ１-α-βＴｉαＲｅβ）Ｎ（但し、αはＴｉの含有割合を示し、原子比で０．０５≦α≦０．７５、βはＲｅの含有割合を示し、原子比で０．００１≦β≦０．１００である）を満足するＡｌとＴｉとＲｅとの複合窒化物層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面被覆切削工具（以下、「被覆工具」ということがある）に関し、より詳細には、高速切削条件でＮｉ基合金、Ｔｉ合金等の難切削材を切削した場合においても、優れた耐熱性と耐摩耗性を発揮する被覆工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被覆工具として、バイト先端部に着脱自在に取付けられているスローアウエイチップ、ドリル、ミニチュアドリル、ソリッドタイプのエンドミル、さらにはスローアウエイチップを着脱自在に取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スローアウエイエンドミル工具が知られている。
【０００３】
また、被覆工具の硬質被覆層としてＴｉ−Ａｌ系の複合窒化物層を蒸着形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速切削条件で使用された場合にチッピング等の異常摩耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の改善について種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｎz Ｃ1-z ）但し、０．０５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、０．６≦ｚ≦１で示される化学組成からなる耐摩耗性に優れた硬質皮膜を基材表面に形成した被覆工具が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７９３７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献１に記載された被覆工具の被覆膜は、ＴｉとＡｌとの複合窒化物（以下、（Ａｌ、Ｔｉ）Ｎということがある）において、さらにＳｉを添加した被覆膜であり、このようなＳｉを含む被覆膜は、その表面にＳｉを含有する緻密な酸化保護膜が形成されることから、（Ａｌ、Ｔｉ）Ｎからなる被覆膜よりも耐熱性が優れるという利点がある。しかし、その一方で、被覆膜の硬度および靭性の性能が十分ではないという問題があり、この被覆膜を有する被覆工具は、高速切削条件でＮｉ基合金、Ｔｉ合金等の難切削材を切削した場合には、優れた耐熱性と耐摩耗性を有するとはいえないものであった。
【０００７】
そこで、本発明は、高速切削条件でＮｉ基合金、Ｔｉ合金等の難切削材を切削した場合においても、優れた耐熱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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、（Ａｌ、Ｔｉ）Ｎ被覆層について、種々の元素を添加してその特性の向上について検討を加えた。その結果、Ｒｅを少量加えると、高温硬さや強度が上昇し、酸化開始温度も向上することを見出し、このＲｅを含む（Ａｌ、Ｔｉ）Ｎ皮膜を有する被覆工具により、Ｎｉ基合金、Ｔｉ合金等の難切削材を高速切削条件で切削しても十分な寿命を有するという驚くべき知見を得た。
【０００９】
すなわち、本発明は、
「基材表面に硬質皮膜が形成された切削工具であって、該硬質皮膜が０．５〜１０．０μｍの平均膜厚を有し、かつ組成式（Ａｌ１−α−βＴｉαＲｅβ）Ｎ（但し、αはＴｉの含有割合を示し、原子比で０．０５≦α≦０．７５、βはＲｅの含有割合を示し、原子比で０．００１≦β≦０．１００である）を満足するＡｌとＴｉとＲｅとの複合窒化物層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。」
である。
【００１０】
次に、本発明の被覆工具の硬質被覆層に関し、前記のとおりに数値限定した理由を説明する。
【００１１】
硬質被膜層の組成および平均層厚
硬質被膜層を構成する（Ａｌ、Ｔｉ、Ｒｅ）Ｎ層の構成成分であるＡｌ成分には高温強度を向上させ、同Ｔｉ成分には高温硬さを向上させる作用があり、さらに、Ｒｅには酸素の内部拡散を抑制し、高温酸化時にＡｌ、Ｔｉの酸化を抑制するとともに、Ａｌ酸化皮膜等の保護膜が緻密化する作用があるが、Ｔｉの割合を示すα値がＡｌとＲｅの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．０５未満になると、所定の高温硬さを確保することができず、これが耐摩耗性低下の原因となり、一方、Ｔｉの割合を示すα値が同０．７５を超えると、相対的にＡｌの含有割合が減少し、高速切削加工で必要とされる高温強度を確保することができず、チッピングの発生を防止することが困難になり、さらに、Ｒｅ成分の含有割合を示すβ値がＡｌとＴｉの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．００１未満では、Ｒｅ成分を含有させたことによる高温硬さ、強度等の特性向上が期待できず、一方同β値が０．１００を超えると、六方晶の生成や高温強度・酸化開始温度に低下傾向が現れるようになることから、それぞれ、α値を０．０５〜０．７５、β値を０．００１〜０．１０と定めた。
【００１２】
また、その平均層厚が０．５μｍ未満では、硬質被覆層自体のもつすぐれた耐摩耗性を長期にわたって発揮するには不十分であり、一方、その平均層厚が１０μｍを超えると、前記高速切削では切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜１０μｍと定めた。
【００１３】
そして、前記（Ａｌ、Ｔｉ、Ｒｅ）Ｎ層は、例えば、図１に概略説明図で示されるＰＶＤ装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃の温度に加熱した状態で、装置内に所定組成のＡｌ−Ｔｉ−Ｒｅ合金からなるカソード電極（蒸発源）を配置し、アノード電極とＡｌ−Ｔｉ−Ｒｅ合金からなるカソード電極（蒸発源）との間に、例えば、電流：１２０Ａの条件で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て、例えば、４Ｐａの反応雰囲気とし、一方、前記基体には、例えば、−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で蒸着することにより、（Ａｌ、Ｔｉ、Ｒｅ）Ｎ層を蒸着形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、（Ａｌ、Ｔｉ）Ｎ層中にＲｅをＡｌ、Ｔｉ、Ｒｅの合量に対する割合（原子比）として０．００１〜０．１００添加することにより、高温硬さ、強度が上昇し、酸化開始温度も向上する。その結果、Ｎｉ基合金やＴｉ合金等の難削材を高速切削したときに十分な寿命を有するという顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の被覆工具および比較被覆工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例１】
【００１７】
原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ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、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ−１〜Ａ−１０を形成した。
【００１８】
【表１】
2018149659.tif 000002
【００１９】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比で、ＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ２Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を２ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。
【００２０】
【表２】
2018149659.tif 000003
【００２１】
（ａ）次いで、前記工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６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１に示されるアークイオンプレーティング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し、前記回転テーブルを挟んで相対向する両側にカソード電極（蒸発源）として所定組成の硬質被覆層形成用のＡｌ−Ｔｉ−Ｒｅ合金を配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ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、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、カソード電極の前記硬質被覆層形成用Ａｌ−Ｔｉ−Ｒｅ合金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ることにより、工具基体表面を前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｒｅ合金によってボンバード洗浄し、
（ｃ）次に、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して４Ｐａ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に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｒｅ合金とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に、表３に示される目標組成、目標層厚の硬質被覆層としての（Ａｌ、Ｔｉ、Ｒｅ）Ｎ層を０．５〜５μｍの平均層厚で蒸着形成する。
前記（ａ）〜（ｃ）により硬質被覆層を蒸着形成し、本発明被覆工具としての表面被覆スローアウエイチップ（以下、本発明被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００２２】
（ｄ）また、比較の目的で、これら工具基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング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し、前記回転テーブルを挟んで相対向する両側にカソード電極（蒸発源）として所定組成の硬質被覆層形成用のＡｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｔｉ−Ｒｅ合金、及びＡｌ−Ｔｉ合金と並んで一般的な組成であるＡｌ−Ｃｒ合金にＲｅを添加したＡｌ−Ｃｒ−Ｒｅ合金を配置し、
（ｅ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ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、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、カソード電極の前記硬質被覆層形成用Ａｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｔｉ−Ｒｅ合金、Ａｌ−Ｃｒ−Ｒｅ合金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ることにより、工具基体表面を前記Ａｌ−Ｔｉ合金、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｒｅ合金、前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｒｅ合金によってボンバード洗浄し、
（ｆ）次に、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して４Ｐａ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に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、カソード電極の前記Ａｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｃｒ−Ｒｅ合金とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に、表４に示される目標組成、目標層厚の硬質被覆層としての（Ａｌ、Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ、Ｔｉ、Ｒｅ）Ｎ層（Ａｌ、Ｃｒ、Ｒｅ）Ｎ層を０．５〜５μｍの平均層厚で蒸着形成する。
前記（ｄ）〜（ｆ）により硬質被覆層を蒸着形成し、比較被覆工具としての表面被覆スローアウエイチップ（以下、比較被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
なお、表４において、硬質被覆層組成は、（Ａｌ１−α−βＭαＲｅβ）Ｎ、但し、Ｍ＝ＴｉまたはＣｒである。
ここで、表３および４に示す被覆チップの硬質被覆層組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光(ＥＤＳ)分析法で測定したものであり、膜厚は、硬質被覆層の複数箇所を蛍光Ｘ線膜厚測定器により測定した平均値であって、膜厚は目標層厚と同じであることを確認した。
【００２３】
【表３】
2018149659.tif 000004
【００２４】
【表４】
2018149659.tif 000005
【００２５】
本発明被覆チップ１〜１６および比較被覆チップ１〜１６について、以下２種の高速切削条件で切削試験を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表５に示した。
（切削条件（Ａ））
被削材：質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．５％Ｆｅ−５．２％Ｃｄ−５％Ｔａ−３％Ｍｏ−０．９％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．３％Ｓｉ−０．２％Ｍｎ−０．０５％Ｃｕ−０．０４％Ｃの組成を有するＮｉ基合金の丸棒、
切削速度：    ６０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．８  ｍｍ、
送り：    ０．２２  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：      ６  分
の条件でのＮｉ基合金の湿式連続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３５ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
（切削条件（Ｂ））
被削材：質量％で、Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖの組成を有するＴｉ合金の丸棒、
切削速度：  １２０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  ２．２  ｍｍ、
送り：      ０．２８  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  １１  分、
の条件でのＴｉ合金の湿式連続高速高切込切削加工試験（通常の切削速度、切り込みおよび送りは、それぞれ、１００ ｍ／ｍｉｎ．、２．０ｍｍ．、０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．）
【００２６】
【表５】
2018149659.tif 000006
【実施例２】
【００２７】
実施例１と同様に、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末からなる原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、直径が１３ｍｍ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１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度の４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）Ａ−１〜Ａ−１０をそれぞれ製造した。
【００２８】
次いで、これらの工具基体（エンドミル）Ａ−１〜Ａ−１０の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図１に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、前記実施例１と同一の条件で、表６に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ、Ｔｉ、Ｒｅ）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本発明表面被覆超硬製エンドミル（以下、本発明被覆エンドミルと云う）１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２９】
また、比較の目的で、前記工具基体（エンドミル）Ａ−１〜Ａ−１０の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図１に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、前記実施例１と同一の条件で、表７に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ、Ｃｒ）Ｎ層、（Ａｌ、Ｔｉ、Ｒｅ）Ｎ層、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｒｅ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆工具としての表面被覆超硬製エンドミル（以下、比較被覆エンドミルと云う）１〜１０をそれぞれ製造した。
なお、表７において、硬質被覆層組成は、（Ａｌ１−α−βＭαＲｅβ）Ｎ、但し、Ｍ＝ＴｉまたはＣｒである。
【００３０】
【表６】
2018149659.tif 000007
【００３１】
【表７】
2018149659.tif 000008
【００３２】
次に、本発明被覆エンドミル１〜１０および比較被覆エンドミル１〜１０について、以下の高速切削条件で切削試験を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。その結果を表８に示した。
（切削条件（Ｃ））
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１４％Ｃｏ−４．５％Ｍｏ−２．５％Ｔｉ−２％Ｆｅ−１．２％Ａｌ−０．７％Ｍｎ−０．４％Ｓｉの組成を有するＮｉ基合金の板材、
切削速度：          ６５  ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：  １．８  ｍｍ、
テーブル送り：      １４０ｍｍ／分、
の条件でのＮｉ基合金の湿式高速溝切削加工試験（通常の切削速度および溝深さは、それぞれ、５０  ｍ／ｍｉｎ．および１．０  ｍｍ）
【００３３】
【表８】
2018149659.tif 000009
【００３４】
表５および８に示される結果から、本発明被覆工具は、Ｎｉ基合金、Ｔｉ合金等の難切削材の高速切削加工でも、硬質被覆層である（Ａｌ、Ｔｉ、Ｒｅ）Ｎ層が工具基体表面に強固に密着接合した状態で、すぐれた高温強度、耐酸化性、高硬度、あるいは、これに加えてさらにすぐれた耐摩耗性、耐熱性を有することによって、チッピングの発生なく、長期にわってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が、本発明で規定した成分組成を有しない（Ａｌ、Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ、Ｔｉ、Ｒｅ）Ｎ層や（Ａｌ、Ｃｒ、Ｒｅ）Ｎ層で構成された比較被覆工具においては、特に硬質被覆層の高温強度不足、高温硬さ不足が原因で切刃部にチッピングが発生するようになり、本発明に比してきわめて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】
【００３５】
本発明の被覆工具は、Ｎｉ基合金、Ｔｉ合金等の難切削材をはじめ、一般鋼、高硬度鋼等の高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性と耐熱性を発揮し、長期にわた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。
【図１】
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