(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、物理蒸着法によって硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、１または２以上の層から形成され、そのうちの少なくとも１層は、組成式：（Ａｌ１−ｘ−ｙＴｉｘＳｉｙ）Ｎ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比で、０．３≦ｘ≦０．６、０．０１≦ｙ≦０．１を満足する）で表される平均層厚０．５〜８．０μｍの複合窒化物層からなり、
（ｂ）前記複合窒化物層は、３０原子％以下のＮと、Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉのうち１種または２種以上から選択される元素を含有する粒子が分散分布するとともに、この粒子に接する空隙が存在し、
（ｃ）前記（ｂ）の全粒子数の９０％以上の個数割合の粒子が、組成式：ＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比で、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満足する）で表される組成を有し、かつ、縦断面形状のアスペクト比が１〜１．５であって、であって、
（ｄ）前記（ｂ）の粒子の前記複合窒化物層における縦断面面積比率Ａは、０．５〜２面積％であり、前記空隙の縦断面面積比率Ｂは、２≦Ａ／Ｂ≦５を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記（ｃ）に記載される組成式で表される粒子において、ｃの値が、０．３≦ｃ≦０．４である粒子の個数割合が、全粒子数の１０％以上を占め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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、高硬度鋼等の被削材のミーリング加工において、硬質被覆層の耐チッピング性、耐溶着性を向上させることにより、長期の使用にわたってすぐれた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】
従来、例えば、特許文献１に示されるように、部位に応じた最適な切削性能を付与することを目的として、基体の表面にＴｉａＡｌｂＭｄ（Ｃ１−ｘＮｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３５≦ａ≦０．５５、０．３≦ｂ≦０．６、０≦ｄ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｄ＝１、０≦ｘ≦１）からなる被覆層を被覆し、該被覆層の表面にはドロップレットが存在するとともに、すくい面に存在するドロップレットの組成は、前記すくい面における前記被覆層の組成に比べてＡｌの含有比率を高くし、かつ逃げ面に存在するドロップレットの組成は、前記逃げ面における前記被覆層の組成に比べてＴｉの含有比率を高くした被覆工具が知られている。
【０００３】
また、特許文献２にされるように、耐欠損性、耐摩耗性の向上を目的として、工具基体の表面に、少なくとも、０．５〜１０μｍの層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を被覆形成し、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中には、ポアおよびドロップレットが分散分布し、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の任意の断面におけるポアの占有面積率およびドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５〜１面積％、２〜４面積％であり、さらに、上記ドロップレットのうち、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、全ドロップレット面積の２０面積％以上を占める被覆工具が知られている。
【０００４】
さらに、特許文献３に示されるように、耐欠損性、耐摩耗性の向上を目的として、工具基体の表面に組成式：（Ａｌ１−ｘ−ｙＴｉｘＳｉｙ）（Ｎ１−ｚＣｚ）で表される複合炭窒化物層あるいは複合窒化物層からなる硬質被覆層を形成し、該層は、構成元素のうち９０原子％以上が金属元素である平均断面長径０．０５〜０．５μｍの金属粒子を含有し、該金属粒子は硬質被覆層中に３〜１８％の縦断面面積比率で分散分布し、金属粒子のうち、構成元素に５０原子％以上のＡｌを含み、かつ縦断面形状のアスペクト比が２．０以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が４５°以下などの条件を満たす粒子の縦断面面積比率をＡ％、それ以外の粒子の縦断面面積比率をＢ％としたとき、０．３≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）を満足させるようにした被覆工具が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４９７５１９４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１６６３３３号公報
【特許文献３】特開２０１３−４６９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、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、未だ十分とはいえない。
即ち、前記特許文献１の被覆工具では、硬質被覆層表面のドロップレットの組成を制御することによって、すくい面ではクレーター摩耗が減少し、また、逃げ面では耐欠損性の向上が図られるが、切削開始初期における効果は高いが、長時間切削においては効果が低下し、短寿命である。
また、前記特許文献２に記載される被覆工具は、硬質被覆層が（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる場合には効果的であるが、他の成分系の硬質被覆層においては耐欠損性、耐摩耗性が十分ではない。
さらに、前記特許文献３の被覆工具では、Ａｌが高濃度の金属粒子が存在し、この金属粒子は融点が低いために、切削加工時に低融点金属粒子が溶着を発生し易い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、耐チッピング性、耐溶着性が必要とされるミーリング加工などの切削加工に用いられた場合においても、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
【０００８】
即ち、本発明者らは、硬質被覆層として、少なくとも、ＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層（以下、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで示す）を平均層厚０．５〜８．０μｍで被覆形成した被覆工具において、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層内に所定の成分組成からなる粒子を球状に近い形状で存在させ、同時に、粒子に接して（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層内に空隙を形成し、かつ、層内に形成された粒子の面積率Ａと、層内に形成された空隙の面積率Ｂを適正範囲内に維持することによって、耐チッピング性、耐溶着性が向上することを見出したのである。
なお、本発明でいう「空隙」とは、硬質被覆層内で粒子に接して存在する空隙であって、該空隙を画成する壁面は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる壁面と粒子表面からなる壁面によって形成される空隙をいう。
【０００９】
本発明の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体表面に、例えば、図１にその概略を示すアークイオンプレーティング装置を用いて成膜することができる。
また、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層における粒子の成分組成、アスペクト比が１〜１．５である粒子の個数割合、粒子の面積率Ａ、空隙の面積率Ｂ、粒子と空隙の面積比率Ａ／Ｂは、アーク電流、バイアス電圧、Ｎ２分圧等を制御することで調整できることを見出した。
【００１０】
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からなる工具基体の表面に、物理蒸着法によって硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、１または２以上の層から形成され、そのうちの少なくとも１層は、組成式：（Ａｌ１−ｘ−ｙＴｉｘＳｉｙ）Ｎ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比で、０．３≦ｘ≦０．６、０．０１≦ｙ≦０．１を満足する）で表される平均層厚０．５〜８．０μｍの複合窒化物層からなり、
（ｂ）前記複合窒化物層は、３０原子％以下のＮと、Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉのうち１種または２種以上から選択される元素を含有する粒子が分散分布するとともに、この粒子に接する空隙が存在し、
（ｃ）前記（ｂ）の全粒子数の９０％以上の個数割合の粒子が、組成式：ＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比で、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満足する）で表される組成を有し、かつ、縦断面形状のアスペクト比が１〜１．５であって、
（ｄ）前記（ｂ）の粒子の前記複合窒化物層における縦断面面積比率Ａは、０．５〜２面積％であり、前記空隙の縦断面面積比率Ｂは、２≦Ａ／Ｂ≦５を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）  前記（ｃ）に記載される組成式で表される粒子において、ｃの値が、０．３≦ｃ≦０．４である粒子の個数割合が、全粒子数の１０％以上を占めることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有する。
【００１１】
本発明について、以下に詳細を説明する。
図２に示すように、本発明の被覆工具は、１または２以上の層から形成される硬質被覆層のうち、少なくとも１層は、組成式：（Ａｌ１−ｘ−ｙＴｉｘＳｉｙ）Ｎ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比で、０．３≦ｘ≦０．６、０．０１≦ｙ≦０．１を満足する）で表される（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎからなる複合窒化物層で構成し、かつ、該複合窒化物層中に、組成式：ＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比で、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５、ｄ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満足する）で表される粒子が含有され、かつ、該粒子に接して空隙が形成されている。
【００１２】
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる複合窒化物層：
前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層（ＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層）において、その構成成分であるＡｌ成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、Ｔｉ成分が高温強度を向上させ、また、Ｓｉ成分が耐酸化性を向上させる。さらに、ＡｌとＴｉとが共存することによって高温耐酸化性を向上させる作用がある。ところが、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層において、ＡｌとＴｉとＳｉとの合量に占めるＴｉの含有割合が３０原子％未満であると、溶着性の高い被削材のミーリング切削加工において、被削材および切粉に対する耐溶着性を確保することができず、また、高温強度も低下するため、溶着、欠損を発生しやすくなる。一方、ＡｌとＴｉとＳｉとの合量に占めるＴｉの含有割合が６０原子％を超えると、相対的なＡｌ含有割合の減少により、高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性が低下する。したがって、ＡｌとＴｉとＳｉとの合量に占めるＴｉの含有割合ｘ（但し、原子比）は、０．３≦ｘ≦０．６とする。
また、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層において、ＡｌとＴｉとＳｉとの合量に占める割合でＳｉを１原子％以上含有させることにより耐酸化性が向上し、高温硬さも向上するがため、Ｓｉの含有割合が１０原子％を超えると、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の高温靭性、高温強度が低下するので、ＡｌとＴｉとＳｉとの合量に占めるＳｉの含有割合ｙ（但し、原子比）は、０．０１≦ｙ≦０．１とする。なお金属成分であるＡｌ，Ｔｉ，Ｓｉの合計量と非金属成分であるＮの比は、化学量論比である１：１に限定されず、１：１の場合と同一の結晶構造が維持されていれば本発明の効果を得ることができる。
また、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の層厚が０．５μｍ未満だと粒子を内部に分散させても所望の効果が得ることができず、一方、８．０μｍを越えると切刃部に欠損が生じやすくなるため、平均層厚は０．５〜８．０μｍとした。
【００１３】
粒子の成分組成：
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に形成される粒子の成分組成は、走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＳＥＭ−ＥＤＳ）を用いて測定することができるが、粒子の成分組成を、ＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比。ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）で表した場合、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５の範囲外の個数割合が１０％を超える場合には、形成される粒子が低融点化するため、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の耐溶着性が低下する。
したがって、前記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に形成される粒子の組成は、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５を満足することが必要である。
なお、ここでいう粒子とは、窒素含有割合ｄが０．３以下（即ち、３０原子％以下）の塊を意味する。
【００１４】
粒子のアスペクト比：
本発明では、前記ＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比で、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満足する）で表される成分組成の粒子に接して、所定の縦断面面積比率を有する空隙を形成するために、アスペクト比が１以上である粒子を全粒子の９０％以上形成するが、アスペクト比が１未満あるいは１．５を超える粒子が全粒子の１０％を超えて形成されると、粒子に接して所定の縦断面面積比率を有する空隙が形成されなくなり、空隙を形成することによってもたらされる硬質被覆層全体、特に、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層、における応力緩和効果の向上を期待できなくなる。
したがって、本発明では、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に形成されるＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比で、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満足する）で表される成分組成の粒子を有し、かつ、アスペクト比が１〜１．５である粒子の個数割合を、全粒子の９０％以上と定めた。
なお、本発明では、図３に示すように、個々の粒子について、粒子の短辺の長さをＲ１、また、粒子の長辺の長さをＲ２とした場合に、Ｒ２／Ｒ１の値を個々の粒子のアスペクト比と定義する。
また、上記粒子において、０．３≦ｃ≦０．４を満足する粒子が、全粒子の個数の１０％以上存在する場合には、粒子の低融点化を抑える効果が大きい。
したがって、耐溶着性向上の観点からは、０．３≦ｃ≦０．４を満足する粒子が、全粒子の個数の１０％以上存在することが望ましい。
【００１５】
粒子の縦断面面積比率Ａ：
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の縦断面に占める粒子の縦断面面積比率Ａは、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の断面ＳＥＭ観察画像から求めることができるが、粒子の縦断面面積比率Ａが０．５面積％未満であると、硬さの小さい粒子の割合が少なくなるため、耐チッピング性の向上を期待できなくなるばかりか、粒子に接して形成される空隙の形成割合も低下するため、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の応力緩和効果が少なくなる。一方、粒子の縦断面面積比率Ａが２面積％より大きくなると、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層全体としての硬さが低下するために耐摩耗性が低下する。
したがって、前記組成を有し、かつ、前記アスペクト比を有する粒子は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に、０．５〜２％の縦断面面積比率で分散分布させることが必要である。
【００１６】
粒子の縦断面面積比率Ａと、空隙の縦断面面積比率Ｂの比率Ａ／Ｂ：
（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に形成される粒子の縦断面面積比率Ａと、空隙に露出する粒子の表面からなる壁面と空隙に露出する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面とによって画成され空隙の縦断面面積比率Ｂは、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の断面ＳＥＭ観察画像から求めることができるが、Ａ／Ｂが２未満である場合には、粒子に隣接して形成される空隙の面積割合が大きいため、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層が疎な構造となり、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の硬さが低下する。一方、Ａ／Ｂが５を超える場合には、形成される空隙の面積割合が小さくなるため、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の残留応力低減効果が減少する。
したがって、本発明では、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に形成される前記組成を有し、かつ、前記アスペクト比を有する粒子の縦断面面積比率Ａと、空隙に露出する該粒子の表面からなる壁面と空隙に露出する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面とによって画成され空隙の縦断面面積比率Ｂの比率Ａ／Ｂを、２≦Ａ／Ｂ≦５と定める。
そして、これによって、耐チッピング性と耐摩耗性を両立させることができ、所定の硬さと低減された残留応力を備えた（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を形成することができる。
【００１７】
空隙に露出する粒子の表面からなる壁面のなす最小曲率半径ｒ１と、空隙に露出する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面のなす最小曲率半径ｒ２：
本発明では、前記組成を有し、かつ、前記アスペクト比を有する粒子および該粒子に接して形成される空隙について、空隙に露出する該粒子の表面からなる壁面のなす最小曲率半径ｒ１と、該粒子に接して形成される空隙に露出する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面のなす最小曲率半径ｒ２を、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の縦断面を、ＳＥＭ観察することによって測定したところ、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に形成される前記粒子数の９０％以上の個数割合の粒子が、ｒ１＞ｒ２を満足する空隙に接していることを確認した。
なお、ＳＥＭ観察におけるｒ１、ｒ２の測定は、例えば、以下のとおり行うことができる。
図４に示すように、空隙に露出する粒子及び該粒子に接して存在する空隙を、空隙に露出する粒子を中心にして、層厚方向および基体水平方向に４等分して領域１，領域２，領域３および領域４に区分し、例えば、領域１における空隙に露出する粒子の表面からなる壁面の形状を曲線で近似し、近似した曲線のなす最小曲率半径をｒ１として求め、また、領域１において、粒子左下部に対向して位置し、空隙を介して該粒子左下部に相対する空隙に露出する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面の形状を曲線で近似し、近似した曲線のなす最小曲率半径をｒ２として求める。また、同様にして、粒子右下部の領域４についても、それぞれｒ１，ｒ２を求めることができる。
ただし、図４における領域２（粒子左上部）については、粒子に接して空隙が形成されていないこと、言い換えれば、空隙に露出する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面が、空隙を介して該粒子左上部に相対していないことから、本発明におけるｒ１、ｒ２を測定する対象領域とはしない。また、図４における領域３（粒子右上部）については、そもそも粒子に接する空隙が無いことから、ｒ１、ｒ２の測定対象外の領域である。
また、例えば、図４の領域１における空隙はｒ１＞ｒ２を満たしているが、領域４における空隙がｒ１＞ｒ２を満たしていない場合においては、粒子に接する空隙の少なくとも１つがｒ１＞ｒ２を満たしていれば、その粒子は、ｒ１＞ｒ２を満足する空隙に接している粒子であると判定することとする。これは、粒子に接する空隙の１つの領域でもｒ１＞ｒ２という条件を満たせば、所望の残留応力緩和効果が得られるという理由による。
そして、本発明では、ｒ１＞ｒ２を満足する空隙に接する粒子の個数割合が、前記粒子数の９０％以上であることから、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の硬さ、残留応力値を適正化され、切削加工時における耐チッピング、耐摩耗性がさらに向上する。
【００１８】
そして、本発明で定める前記した粒子のアスペクト比、粒子の縦断面面積比率、粒子の縦断面面積比率Ａと空隙の縦断面面積比率Ｂの比率Ａ／Ｂあるいは粒子の表面からなる壁面のなす最小曲率半径ｒ１と空隙に露出し、かつ、粒子に相対する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面のなす最小曲率半径ｒ２は、いずれも、図１に概略を示すアークイオンプレーティング装置を用いて成膜する際の、特に、アーク電流、バイアス電圧、Ｎ２分圧等を制御することにより得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の被覆工具は、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、物理蒸着法によって少なくとも１層の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を形成した表面被覆切削工具であって、該（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に、ＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比で、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満足する）で表される成分組成を有し、かつ、アスペクト比１〜１．５の粒子を含有させ、該粒子の個数割合、縦断面面積比率を規定するとともに、該粒子の縦断面面積比率Ａと空隙の縦断面面積比率Ｂの比率を規定することによって、例えば、高硬度鋼等の切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐溶着性を発揮し、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
すなわち、所定の成分組成、かつ、所定のアスペクト比の粒子を所定の面積割合で（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層内に分散分布させ、かつ、該粒子に隣接して所定の面積割合の空隙を形成することによって、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層内の残留応力を緩和してすぐれた耐チッピング性、耐溶着性を確保すると同時に、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を所定の硬さに維持することによって、長期の使用にわたる耐摩耗性を確保するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の被覆工具の硬質被覆層を成膜するアークイオンプレーティング装置の概略説明図を示す。
【図２】本発明の被覆工具の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の断面模式図を示す。
【図３】本発明の被覆工具の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に形成される粒子の工具基体表面に垂直な方向に測定した粒子の短辺の長さの最大値Ｒ１と、工具基体表面に平行な方向に測定した粒子の長辺の長さの最大値Ｒ２の説明図である。
【図４】本発明の被覆工具の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に形成される空隙における、空隙に露出する粒子の表面からなる壁面のなす最小曲率半径ｒ１と、空隙に露出し、かつ、粒子の相対する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面のなす最小曲率半径ｒ２の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
つぎに、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】
【００２２】
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５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〜Ｅをそれぞれ製造した。
【００２３】
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｅを、図１に示すアークイオンプレーティング装置に装入し、表２に示す条件で、Ｔｉボンバードを施し、次いで、同じく表２に示す組成のターゲットを用い、同表の成膜条件で、アーク電流、バイアス電圧、Ｎ２分圧等を制御することにより、硬質被覆層として、所定の層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成することにより、表３に示す本発明被覆工具１〜１０を製造した。
【００２４】
上記本発明被覆工具１〜１０の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層について、その断面を、ＳＥＭ−ＥＤＳによって観察し、粒子の成分組成、アスペクト比、測定縦断面に占める粒子の縦断面面積比率Ａ、空隙の縦断面面積比率Ｂを測定し、また、Ａ／Ｂの値を計算によって求めた。
さらに、空隙に露出する粒子の表面からなる壁面の形状および空隙に露出し、かつ、粒子に相対する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面の形状を曲線で近似し、近似した曲線の曲率半径の最小値からｒ１およびｒ２を求めた。さらに、ｒ１＞ｒ２を満足する空隙に接する粒子の個数割合（但し、ＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比で、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満足する）で表される成分組成を有し、かつ、アスペクト比が１〜１．５である粒子数に対する個数割合）を求めた。
【００２５】
具体的なＳＥＭ−ＥＤＳ測定方法を、以下に記述する。
測定法：ＳＥＭ−ＥＤＳマッピング、
加速電圧：７．０ｋＶ、
ＳＥＭ―ＥＤＳスポットサイズ：直径１μｍ、
観察倍率：３００００倍とし、
１視野約４μｍ×３μｍのエリアを３視野用いた。
次いで、同一視野のＳＥＭ像及びＥＤＳマッピング像を用い、粒子の形状および空隙の形状をそれぞれ曲線で近似し、マーキングする。
次いで、３視野合計の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中の合計断面積、マーキングに基づいて３視野の粒子の合計断面積、３視野の空隙合計断面積を算出する。
そして、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中の合計断面積に対する粒子の合計断面積の面積比率をＡ、また、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中の合計断面積に対する空隙合計断面積の面積比率をＢとすることにより、Ａ／Ｂを算出する。
また、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中の粒子と空隙以外の箇所で組成を３箇所抽出し、これを平均して（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の成分組成とする。また、各粒子の組成を３箇所抽出し、これを平均して粒子の成分組成とする。
また、粒子のアスペクト比は、図３に示すように、工具基体表面に垂直な方向に測定した粒子の短辺の長さの最大値をＲ１、また、工具基体表面に平行な方向に測定した粒子の長辺の長さの最大値をＲ２とし、Ｒ２／Ｒ１を算出することによって個々の粒子のアスペクト比を求め、さらに、Ｒ２／Ｒ１が１〜１．５である粒子の全粒子に占める個数割合を測定する。
さらに、マーキングした粒子の形状および空隙の形状に基づき、空隙に露出する粒子の表面からなる壁面の形状を近似した曲線から曲率半径の最小値を算出してこれをｒ１とし、また、この粒子に接する空隙に露出し、かつ、粒子に相対する（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の壁面の形状を近似した曲線から曲率半径を算出してこれをｒ２とすることによって、ｒ１、ｒ２を求めることができ、ついで、ｒ１、ｒ２の大小を判定する。さらに、ｒ１＞ｒ２を満足する空隙に接する粒子の個数割合（但し、ＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比で、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満足する）で表される成分組成を有し、かつ、アスペクト比が１〜１．５である粒子数に対する個数割合）を求めた。
【００２６】
表３に、これらの値をそれぞれ示す。
【００２７】
比較の目的で、前記アークイオンプレーティング装置を用いて、工具基体Ａ〜Ｅの表面に、実施例と同様に、表４に示す条件で、Ｔｉボンバードを施し、次いで、同じく表４に示す条件で、所定の層厚の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成することにより、表５に示される比較被覆工具１〜１０を作製した。
【００２８】
比較被覆工具１〜１０の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層についても、実施例と同様にして、粒子の成分組成、アスペクト比、測定縦断面に占める粒子の縦断面面積比率Ａ、空隙の縦断面面積比率Ｂ、ｒ１およびｒ２を測定し、ｒ１＞ｒ２を満足する空隙に接する粒子の個数割合（但し、ＡｌａＴｉｂＳｉｃＮｄ（但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはいずれも原子比で、ａ≦０．３、ｂ≧０．４、ｃ≦０．５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満足する）で表される成分組成を有し、かつ、アスペクト比が１〜１．５である粒子数に対する個数割合）を求めた。
これらの値を同じく表５にそれぞれ示す。
【００２９】
また、本発明被覆工具１〜１０および比較被覆工具１〜１０の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定したところ、いずれも表３、表５に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
【表２】
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【００３２】
【表３】
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【００３３】
【表４】
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【００３４】
【表５】
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【００３５】
つぎに、前記本発明被覆工具１〜１０および比較被覆工具１〜１０について、以下に示す条件で、ミーリング切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
被削材：    ＪＩＳ・ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）のブロック材                              
回転数：  ５４００  ／ｍｉｎ、
切削速度：    １００  ｍ／ｍｉｎ、
送り：          ５４０ｍｍ／ｍｉｎ
切り込み量：  ａｅ０．２  ｍｍ、ａｐ２．０  ｍｍ、
一刃送り量：  ０．０５  ｍｍ／刃、
切削油剤：  エアーブロー、
切削長：  ２００ｍ、
表６に、前記切削試験の結果を示す。
【００３６】
【表６】
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【００３７】
表３、５、６に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中に、所定の成分組成かつ所定のアスペクト比を有する粒子を含有し、かつ、該粒子の個数割合、縦断面面積比率Ａ、さらに、粒子の縦断面面積比率Ａと空隙の縦断面面積比率Ｂの比率Ａ／Ｂを所定の数値範囲に規定することによって、ミーリング加工においてすぐれた耐チッピング性、耐溶着性を発揮し、その結果、長期にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
【００３８】
これに対して、硬質被覆層の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層中の粒子の成分組成、アスペクト比、個数割合、縦断面面積比率Ａ、さらに、粒子の縦断面面積比率Ａと空隙の縦断面面積比率Ｂの比率Ａ／Ｂのうちのいずれかが本発明で規定する範囲から外れる比較被覆工具１〜１０は、ミーリング加工において、チッピング、溶着等の発生により短時間で寿命にいたることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
前述のように、本発明の被覆工具は、例えば、高硬度鋼の被削材の高速切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐溶着性、耐摩耗性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、他の被削材の切削加工、他の条件での切削加工で使用することも勿論可能である。
また前記実施例では１層の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層について説明したが、硬質被覆層が２層以上からなる場合であっても、少なくとも１層が前記実施例に記載の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層であれば同様の効果を奏するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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