JP2003145317A - 耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッ
ピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具。 【解決手段】 アークイオンプレーティング表面処理
で、表面から１〜５０ｎｍの範囲内に非晶質化層を形成
した炭化ＷＣ基超硬合金基体の表面に、（ａ）窒化チタ
ン層からなり、０．１〜５μｍの平均層厚を有する下地
靭性層、（ｂ）組成式：（Ｔｉ _1-XＡｌ_X）Ｎおよび同
（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｃ_1-YＮ_Y、（但し、原子比で、Ｘは
０．１５〜０．６５、Ｙは０．５〜０．９９を示す）、
を満足する複合窒化物層及び複合炭窒化物層の単層、ま
たは複層からなり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を
有する表面硬質層、（ｃ）酸化Ａｌ層、及び酸化Ａｌの
素地に酸化ジルコニウム相が分散分布してなる酸化Ａｌ
−酸化ジルコニウム混合層のうちの単層、または複層か
らなり、０．５〜１０μｍの平均層厚を有する上側硬質
層、（ａ）〜（ｃ）で構成された耐摩耗被覆層を物理蒸
着してなる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、耐摩耗被覆層
が、炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体
という）表面に対する密着性にすぐれると共に、耐チッ
ピング性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄な
どの断続切削を、高い機械的および熱的衝撃の加わる高
切込みおよび高送りなどの重切削条件で行った場合に
も、前記耐摩耗被覆層に剥離やチッピング（微小欠け）
の発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮する
表面被覆超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具とい
う）に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】一般に、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】また、一般に、上記の切削工具として、上
記超硬基体の表面に、（ａ）耐摩耗被覆層の下側硬質層
として、例えば図１に概略説明図で示される物理蒸着装
置の１種であるアークイオンプレーティング装置を用
い、ヒータで装置内を、例えば雰囲気を０．５Ｐａの真
空として、５００℃の温度に加熱した状態で、アノード
電極と所定組成を有するＴｉ−Ａｌ合金がセットされた
カソード電極（蒸発源）との間に、例えば電圧：３５
Ｖ、電流：９０Ａ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、または窒素ガスと
メタンガスを導入し、一方超硬基体には、例えば−２０
０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、例えば特開昭６
２−５６５６５号公報に記載されるように、組成式：
（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｎおよび同（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｃ_1-YＮ_Y
（ただし、原子比で、Ｘは０．１５〜０．６５、Ｙは
０．５〜０．９９を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合
窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層および複合
炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮで示す］層のうち
のいずれかの単層、あるいは両方の複層を、０．５〜１
５μｍの平均層厚で物理蒸着し、（ｂ）さらに、同上側
硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、酸化アルミ
ニウム（以下、Ａｌ₂Ｏ₃で示す）層、および例えば特開
昭５７−３９１６８号公報や特開昭６１−２０１７７８
号公報に記載されるＡｌ₂Ｏ₃の素地に酸化ジルコニウム
（以下、ＺｒＯ₂で示す）相が分散分布してなるＡｌ₂Ｏ
₃−ＺｒＯ₂混合層（以下、Ａｌ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂混合層と
云う）のいずれか、または両方を、０．５〜１０μｍの
平均層厚で化学蒸着してなる、被覆超硬工具が知られて
おり、これが各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削
に用いられることもよく知られるところである。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】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、切削工具には切削条件にできるだけ影響を受け
ない汎用性が要求される傾向にあるが、上記の従来被覆
超硬工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件
での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はない
が、これを切刃が断続切削形態をとるエンドミルやドリ
ルによる切削加工、さらにスローアウエイチップにあっ
ては断続旋削加工など（以下、これらを総称して「断続
切削」という）を高切込みおよび高送りなどの重切削条
件で行なう切削加工に用いた場合には、切削時に発生す
る高い機械的および熱的衝撃によって、前記耐摩耗被覆
層が超硬基体表面から剥離し易くなり、また前記耐摩耗
被覆層を構成する下側硬質層および上側硬質層とも、き
わめて硬質であるために高い機械的および熱的衝撃を伴
う重切削条件での断続切削では、前記耐摩耗被覆層にチ
ッピングも発生し易く、この結果比較的短時間で使用寿
命に至るのが現状である。 【０００５】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、上記の従来被覆超硬工具を構成
する耐摩耗被覆層の超硬基体表面に対する一段の密着性
向上および靭性向上を図るべく研究を行った結果、 （ａ）上記の超硬基体をアークイオンプレーティング装
置に装着し、まず、カソード電極を用いずに、 装置内雰囲気温度（超硬基体温度）：３００〜５００
℃、 雰囲気ガス：Ａｒ、 雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、 アーク放電電流：（アーク電源−ＯＦＦ）、 超硬基体印加バイアス電圧：−８００〜−１０００Ｖ、 処理時間：２〜１０分、 の条件で上記超硬基体の表面を前処理した後で、さらに
超硬基体表面に、カソード電極として、例えば金属Ｔｉ
を用い、 装置内雰囲気温度：４５０〜５５０℃、 雰囲気ガス：Ａｒ、 雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、 アーク放電電流：１００〜２００Ａ、 超硬基体印加バイアス電圧：−９００〜１２００Ｖ、 の条件でアークイオンプレーティング表面処理を施す
と、上記超硬基体の表面上には、蒸着層としての金属Ｔ
ｉ層の形成はなく、前記超硬基体自体の表面部に、透過
型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果に基く判別で、
非晶質化層の形成が確認されること。なお、アークイオ
ンプレーティング装置を用いての金属Ｔｉ層の蒸着形成
は、 装置内雰囲気温度：３００〜５００℃、 雰囲気ガス：（使用せず）、 雰囲気圧力：０．１Ｐａ以下の真空、 カソード電極：金属Ｔｉ、 アーク放電電流：５０〜１００Ａ、 超硬基体印加バイアス電圧：−３０〜−１００Ｖ、 の条件で一般に行われていること。 【０００６】（ｂ）上記の表面部に非晶質化層が形成さ
れた超硬基体表面に、前記非晶質化層を表面から１〜５
０ｎｍの範囲内の平均深さに亘って形成した状態で、上
記の従来被覆超硬工具の耐摩耗硬質層の下側硬質層を構
成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層
を、同じくアークイオンプレーティング装置を用いて、
きわめて靭性に富んだ窒化チタン（以下、ＴｉＮで示
す）層を介して形成し、さらに同じく上側硬質層のＡｌ
₂Ｏ₃層および／またはＡｌ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂混合層を、例
えば化学蒸着法にて形成すると、前記非晶質化層は高い
活性を有し、反応性の高いものであることから、前記Ｔ
ｉＮ層の蒸着形成時に、これと反応して前記超硬基体表
面と前記ＴｉＮ層との間にはきわめて強固な密着性が確
保され、この強固な密着性は前記ＴｉＮ層と前記下側硬
質層、および前記下側硬質層と前記上側硬質層の間にも
確保されること。 【０００７】（ｃ）したがって、この結果形成された被
覆超硬工具においては、これを高い機械的および熱的衝
撃を伴なう、重切削条件での断続切削加工に用いた場合
にも、前記耐摩耗被覆層には剥離の発生がなくなり、か
つ前記耐摩耗被覆層自体の靭性が前記ＴｉＮ層の介在に
よって著しく向上し、耐摩耗被覆層のチッピング発生も
抑制できることから、前記耐摩耗被覆層のもつすぐれた
耐摩耗性が十分に発揮されるようになること。以上
（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。 【０００８】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、アークイオンプレーティング表面
処理で、表面から１〜５０ｎｍの範囲内の平均深さに亘
って非晶質化層を形成してなる超硬基体の表面に、
（ａ）ＴｉＮ層からなり、かつ０．１〜５μｍの平均層
厚を有する下地靭性層、 （ｂ）組成式：（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｎおよび同（Ｔｉ_1-X
Ａｌ_X）Ｃ_1-YＮ_Y、 （但し、原子比で、Ｘは０．１５〜０．６５、Ｙは０．
５〜０．９９を示す）、を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層
および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層のうちのいずれかの単層、
または両方の複層からなり、かつ０．５〜１５μｍの平
均層厚を有する下側硬質層、（ｃ）Ａｌ₂Ｏ₃層、および
Ａｌ₂Ｏ₃の素地にＺｒＯ₂相が分散分布してなるＡｌ₂Ｏ
₃−ＺｒＯ₂混合層のうちのいずれかの単層、または両方
の複層からなり、かつ０．５〜１０μｍの平均層厚を有
する上側硬質層、以上（ａ）〜（ｃ）で構成された耐摩
耗被覆層を物理蒸着および／または化学蒸着してなる、
耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を
有する被覆超硬工具に特徴を有するものである。 【０００９】つぎに、この発明の被覆超硬工具におい
て、超硬基体の表面部に形成された非晶質化層、並びに
耐摩耗被覆層について、上記の通り数値限定した理由を
説明する。 （１）超硬基体の表面部の非晶質化層 非晶質化層には、上記の通り耐摩耗被覆層（下地靭性
層）との間にすぐれた密着性を形成する作用があるが、
その深さが１ｎｍ未満では所望のすぐれた密着性を下地
靭性層であるＴｉＮ層との間に確保することができず、
一方超硬基体表面に対するＴｉＮ層の密着性向上効果は
表面からの平均深さが５０ｎｍで十分であることから、
その平均深さを１〜５０ｎｍと定めた。 【００１０】（２）下地靭性層 下地靭性層には、上記の通り耐摩耗被覆層の靭性を向上
させ、高い機械的および熱的衝撃を伴う重切削条件での
断続切削でも、前記耐摩耗被覆層にチッピングが発生す
るのを著しく抑制する作用があるが、その平均層厚が
０．１μｍ未満では耐摩耗被覆層に所望の靭性を確保す
ることができず、一方その平均層厚が５μｍを越える
と、重切削条件での断続切削では前記耐摩耗被覆層に偏
摩耗の原因となる塑性変形が発生し易くなることから、
その平均層厚を０．１〜５μｍと定めた。 【００１１】（３）下側硬質層 下側硬質層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔ
ｉ，Ａｌ）ＣＮ層には、耐摩耗被覆層に硬さと靭性を付
与せしめ、もってチッピングの発生なく、すぐれた耐摩
耗性を上側硬質層との共存において発揮する作用があ
る。すなわち前記下側硬質層におけるＡｌは高靭性を有
するＴｉＮに対して硬さを高め、もって耐摩耗性を向上
させるために固溶するものであり、したがって組成式：
（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｎおよび同（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｃ_1-YＮ_Y
のＸ値が０．１５未満では所望の硬さ向上効果が得られ
ず、一方その値が０．６５を越えると、耐摩耗被覆層に
チッピングが発生し易くなると云う理由によりＸ値を
０．１５〜０．６５（原子比）と定めたものであり、ま
た、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層におけるＣ成分には、さらに
硬さを向上させる作用があるので、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ
層は上記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層に比して相対的に高い硬さ
をもつが、この場合Ｃ成分の割合が０．０１未満、すな
わちＹ値が０．９９を越えると所定の硬さ向上効果が得
られず、一方Ｃ成分の割合が０．５を越える、すなわち
Ｙ値が０．５未満になると靭性が急激に低下するように
なることから、Ｙ値を０．５〜０．９９、望ましくは
０．５５〜０．９と定めたのである。また、この場合そ
の平均層厚が０．５μｍ未満では所望のすぐれた耐摩耗
性を確保することができず、一方その層厚が１５μｍを
越えると、耐摩耗被覆層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０．５〜１５μｍと定めた。 【００１２】（４）上側硬質層 上側硬質層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層およびＡｌ₂Ｏ₃−Ｚｒ
Ｏ₂混合層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、上記
の下側硬質層と共存した状態で耐摩耗被覆層の耐摩耗性
を一段と向上させる作用があるが、その平均層厚が０．
５μｍでは所望のすぐれた耐摩耗性を確保することがで
きず、一方その平均層厚が１０μｍを越えると、耐摩耗
被覆層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】 【発明の実施の形態】つぎに、この発明の被覆超硬工具
を実施例により具体的に説明する。 （実施例１）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、Ｖ
Ｃ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 粉末、Ｔ
ｉＮ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、１００ＭＰ
ａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐ
ａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼
結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０５のホーニング加
工を施して、いずれもスローアウエイチップ形状をもっ
たＩＳＯ規格・ＳＮＧＡ１２０４１２の超硬基体Ａ−１
〜Ａ−１０をそれぞれ形成した。 【００１４】ついで、これら超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０
を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それ
ぞれ図１に例示される通常のアークイオンプレーティン
グ装置に装入し、前記超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０のそれ
ぞれの表面に、まず、 装置内雰囲気温度（超硬基体温度）：４００℃、 雰囲気ガス：Ａｒ、 雰囲気圧力：３Ｐａ、 カソード電極：（使用せず）、 アーク放電電流：（アーク電源−ＯＦＦ）、 超硬基体印加バイアス電圧：−９００Ｖ、 処理時間：３分、 の条件で前処理した後で、さらに、 装置内雰囲気温度：５００℃、 雰囲気ガス：Ａｒ、 雰囲気圧力：３Ｐａ、 カソード電極：金属Ｔｉ、 アーク放電電流：１５０Ａ、 超硬基体印加バイアス電圧：−１０００Ｖ、 の条件でアークイオンプレーティング表面処理を施すこ
とにより、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０の表面部に非
晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面から
の形成深さは上記の条件でのアークイオンプレーティン
グ表面処理の処理時間を調整することにより行った。さ
らに、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０の表面部に形成さ
れた非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察
（倍率：５０万倍）し、この観察結果に基づいて判別お
よび測定したところ、それぞれ表３，５に示される表面
からの平均深さ（５点測定の平均値）を示した。 【００１５】引き続いて、同じアークイオンプレーティ
ング装置にて、まず、（ａ）まず、下地靭性層として、 装置内雰囲気温度：５００℃、 雰囲気ガス：窒素ガス、 雰囲気圧力：６Ｐａ、 カソード電極：金属Ｔｉ、 アーク放電電流：７０Ａ、 超硬基体印加バイアス電圧：−５０Ｖ、 の条件で、上記の表面部に非晶質化層が形成された超硬
基体Ａ−１〜Ａ−１０のそれぞれの表面に、表３，５に
示される目標層厚のＴｉＮ層を蒸着形成し、（Ｂ）つい
で、下側硬質層として、 装置内雰囲気温度：５００℃、 雰囲気ガス：窒素ガス、または窒素ガスとメタンガスの
所定割合の混合ガス、 雰囲気圧力：６Ｐａ、 カソード電極：種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合
金、 アーク放電電流：７０Ａ、 超硬基体印加バイアス電圧：−９０Ｖ、 の条件で、上記のＴｉＮ層の表面に、それぞれ表３，５
に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ
層および（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層のうちのいずれかの単
層、または両方の複層を蒸着形成し、（Ｃ）さらに、上
記下側硬質層の表面に、上側硬質層として、通常の化学
蒸着装置を用い、表２に示される条件で同じく表４、６
に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のＡｌ₂
Ｏ₃層、またはＡｌ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂混合層を蒸着形成する
ことにより、図２（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概
略縦断面図で示される形状を有する本発明被覆超硬工具
としての本発明表面被覆超硬合金製スローアウエイチッ
プ（以下、本発明被覆超硬チップ）１〜２０をそれぞれ
製造した。 【００１６】また、比較の目的で、表７〜１０に示され
る通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬
基体Ａ−１〜Ａ−１０の表面に対する上記条件での前処
理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わ
ず、したがって、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０の表面
部に非晶質化層の形成を行わず、さらに下地靭性層であ
るＴｉＮ層の形成も行なわない以外は、同一の条件で従
来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製スロー
アウエイチップ（以下、従来被覆超硬チップ）１〜２０
をそれぞれ製造した。 【００１７】つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜２
０および従来被覆超硬チップ１〜２０について、これを
工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状
態で、 被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の長さ方向等間隔４本
縦溝入り丸棒、 切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：５ｍｍ、 送り：０．１９ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件での合金鋼の乾式高切り込み断続切削試験、 被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１の長さ方向等間隔４本縦溝
入り丸棒、 切削速度：３５ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：１．６ｍｍ、 送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件でのダイス鋼の乾式高送り断続切削試験、さら
に、 被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ５００の長さ方向等間隔４本縦
溝入り丸棒、 切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ．、 切り込み：７ｍｍ、 送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、 切削時間：５分、 の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式高切り込み断続切削試
験を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を
測定した。この測定結果を表４，６，８，１０に示し
た。 【００１８】 【表１】 【００１９】 【表２】【００２０】 【表３】【００２１】 【表４】【００２２】 【表５】【００２３】 【表６】【００２４】 【表７】 【００２５】 【表８】【００２６】 【表９】【００２７】 【表１０】【００２８】（実施例２）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２．３μ
ｍのＣｒ₃Ｃ₂粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０
μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ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１１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、１
００ＭＰａ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、１３ｍｍ、および２６ｍｍ
の３種の超硬基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前
記の３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表８に示さ
れる組合せで、切刃部の直径×長さがそれぞれ６ｍｍ×
１３ｍｍ、１０ｍｍ×２２ｍｍ、および２０ｍｍ×４５
ｍｍの寸法をもったエンドミル用超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−
８をそれぞれ製造した。 【００２９】ついで、これらの超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−８
を、それぞれ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、これらの表面に上記実施例１と同一の条
件で、前処理およびアークイオンプレーティング表面処
理を施して、上記超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−８の表面部に非
晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面から
の形成深さは同じくアークイオンプレーティング表面処
理の処理時間を調整することにより行なった。また、上
記超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−８の表面部に形成された非晶質
化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察（倍率：５
０万倍）し、この観察結果に基づいて判別および測定し
たところ、それぞれ表１２，１４に示される表面からの
平均深さ（５点測定の平均値）を示した。 【００３０】引き続いて、同じアークイオンプレーティ
ング装置にて、これらの表面に、いずれも上記実施例１
と同一の条件で、まず、下地靭性層として表１２，１４
に示される目標層厚のＴｉＮ層を蒸着形成し、ついで下
側硬質層として同じく表１２，１４に示される目標組成
および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａ
ｌ）ＣＮ層のうちのいずれかの単層、または両方の複層
を蒸着形成し、さらに前記下側硬質層の表面に、上側硬
質層として、通常の化学蒸着装置を用い、同じく表２に
示される条件で同じく表１３，１５に示される目標層厚
のα型またはκ型結晶構造のＡｌ₂Ｏ₃層、またはＡｌ₂
Ｏ₃−ＺｒＯ₂混合層を蒸着形成することにより、図３
（ａ）に概略正面図で、同（ｂ）に切刃部の概略横断面
図で示される形状を有する本発明被覆超硬工具としての
本発明表面被覆超硬合金製エンドミル（以下、本発明被
覆超硬エンドミルと云う）１〜１６をそれぞれ製造し
た。また、比較の目的で、表１６〜１９に示される通
り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体
Ｂ−１〜Ｂ−８の表面に対する上記条件での前処理およ
びアークイオンプレーティング表面処理を行わず、した
がって、上記超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−８の表面部に非晶質
化層が存在せず、さらに下地靭性層であるＴｉＮ層の形
成も行なわない以外は、同一の条件で従来被覆超硬工具
としての従来表面被覆超硬合金製エンドミル（以下、従
来被覆超硬エンドミルと云う）１〜１６をそれぞれ製造
した。 【００３１】つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１
〜１６および従来被覆超硬エンドミル１〜１６のうち、
本発明被覆超硬エンドミル１〜３および９〜１１、従来
被覆超硬エンドミル１〜３および９〜１１については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、 回転速度：５３００ｍｉｎ^-1、 軸方向切り込み：１２ｍｍ、 径方向切り込み：１．６ｍｍ、 送り：５８５ｍｍ／ｍｉｎ、 の条件での鋳鉄の湿式高切り込み側面切削加工試験、本
発明被覆超硬エンドミル４〜６および１２〜１４、従来
被覆超硬エンドミル４〜６および１２〜１４について
は、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の板材、 回転速度：２１００ｍｉｎ^-1、 軸方向切り込み：２０ｍｍ、 径方向切り込み：２．６ｍｍ、 送り：２５０ｍｍ／ｍｉｎ、 の条件での合金鋼の湿式高切り込み側面切削加工試験、
本発明被覆超硬エンドミル７，８および１５，１６、従
来被覆超硬エンドミル７，８および１５，１６について
は、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１（硬さ：ＨＲＣ５２）の板
材、 回転速度：６５０ｍｉｎ^-1、 軸方向切り込み：２６ｍｍ、 径方向切り込み：１．４ｍｍ、 送り：６８ｍｍ／ｍｉｎ、 の条件での焼入れ鋼の湿式高切り込み側面切削加工試
験、をそれぞれ行い、いずれの側面切削加工試験（いず
れの試験も水溶性切削油使用）でも外周刃の逃げ面摩耗
量が使用寿命の目安とされる０．１ｍｍに至るまでの切
削長を測定した。この測定結果を表１３，１５にそれぞ
れ示した。 【００３２】 【表１１】 【００３３】 【表１２】【００３４】 【表１３】【００３５】 【表１４】【００３６】 【表１５】【００３７】 【表１６】 【００３８】 【表１７】 【００３９】 【表１８】【００４０】 【表１９】 【００４１】（実施例３）上記の実施例２で製造した直
径が８ｍｍ（超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−３形成用）、１３ｍ
ｍ（超硬基体Ｂ−４〜Ｂ−６形成用）、および２６ｍｍ
（超硬基体Ｂ−７、Ｂ−８形成用）の３種の丸棒焼結体
を用い、この３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝
形成部の直径×長さがそれぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ（超硬
基体Ｃ−１〜Ｃ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｃ
−４〜Ｃ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（超硬基体
Ｃ−７、Ｃ−８）の寸法をもったドリル用超硬基体Ｃ−
１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。 【００４２】ついで、これらの超硬基体Ｃ−１〜Ｃ−８
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、これら超硬基体の表面に、これらの表面に上記実
施例１と同一の条件で、前処理およびアークイオンプレ
ーティング表面処理を施して、上記超硬基体Ｃ−１〜Ｃ
−８の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶
質化層の表面からの形成深さは同じくアークイオンプレ
ーティング表面処理の処理時間を調整することにより行
なった。また、上記超硬基体Ｃ−１〜Ｃ−８の表面部に
形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組
織観察（倍率：５０万倍）し、この観察結果に基づいて
判別および測定したところ、それぞれ表２０，２２に示
される表面からの平均深さ（５点測定の平均値）を示し
た。 【００４３】引き続いて、同じアークイオンプレーティ
ング装置にて、これらの表面に、いずれも上記実施例１
と同一の条件で、まず、下地靭性層として表２０，２２
に示される目標層厚のＴｉＮ層を蒸着形成し、ついで下
側硬質層として同じく表２０，２２に示される目標組成
および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａ
ｌ）ＣＮ層のうちのいずれかの単層、または両方の複層
を蒸着形成し、さらに上側硬質層として、通常の化学蒸
着装置を用い、同じく表２に示される条件で同じく表２
１，２３に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造
のＡｌ₂Ｏ₃層、またはＡｌ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂混合層を蒸着
形成することすることにより、図４（ａ）に概略正面図
で、同（ｂ）に溝形成部の概略横断面図で示される形状
を有する本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超
硬合金製ドリル（以下、本発明被覆超硬ドリルと云う）
１〜１６をそれぞれ製造した。また、比較の目的で、表
２４〜２７に示される通り、アークイオンプレーティン
グ装置での上記超硬基体Ｃ−１〜Ｃ−８の表面に対する
上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング
表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体Ｃ−１〜
Ｃ−８の表面部に非晶質化層が存在せず、さらに下地靭
性層であるＴｉＮ層の形成も行なわない以外は、同一の
条件で従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金
製ドリル（以下、従来被覆超硬ドリルと云う）１〜１６
をそれぞれ製造した。 【００４４】つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜１
６および従来被覆超硬ドリル１〜１６のうち、本発明被
覆超硬ドリル１〜３および９〜１１、従来被覆超硬ドリ
ル１〜３および９〜１１については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０厚さ：５０ｍｍ
のＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、 切削速度：４８ｍ／ｍｉｎ．、 送り：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ、 の条件での鋳鉄の湿式高送り穴あけ切削加工試験、本発
明被覆超硬ドリル４〜６および１２〜１４、従来被覆超
硬ドリル４〜６および１２〜１４については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の板材、 切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ．、 送り：０．３８ｍｍ／ｒｅｖ、 の条件での合金鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験、本
発明被覆超硬ドリル７，８および１５，１６、従来被覆
超硬ドリル７，８および１５，１６については、 被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５
０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１（硬さ：ＨＲＣ５３）の板
材、 切削速度：３０ｍ／ｍｉｎ．、 送り：０．３４ｍｍ／ｒｅｖ、 の条件での焼入れ鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの湿式高送り穴あけ切削加工試
験（いずれの試験も水溶性切削油使用）でも先端切刃面
の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍ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２１、２３、２５、およ
び２７にそれぞれ示した。 【００４５】 【表２０】【００４６】 【表２１】【００４７】 【表２２】【００４８】 【表２３】【００４９】 【表２４】【００５０】 【表２５】【００５１】 【表２６】【００５２】 【表２７】【００５３】また、この結果得られた本発明被覆超硬工
具としての本発明被覆超硬チップ１〜２０、本発明被覆
超硬エンドミル１〜１６、および本発明被覆超硬ドリル
１〜１６、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆超
硬チップ１〜２０、従来被覆超硬エンドミル１〜１６、
および従来被覆超硬ドリル１〜１６の硬質被覆層の組成
および層厚を、エネルギー分散型Ｘ線測定装置およびオ
ージェ分光分析装置、さらに走査型電子顕微鏡を用いて
測定したところ、表３〜２７の目標組成および目標層厚
と実質的に同じ組成および平均層厚（任意５ヶ所測定の
平均値との比較）を示した。 【００５４】 【発明の効果】表３〜２７に示される結果から、本発明
被覆超硬工具は、いずれもきわめて高い熱的および機械
的衝撃を伴なう鋼および鋳鉄の重切削条件での断続切削
加工でも、超硬基体表面部に形成された非晶質化層によ
って前記超硬基体表面と耐摩耗被覆層の間には強固な密
着性が確保され、かつ前記耐摩耗被覆層自体がすぐれた
靭性を具備することから、前記耐摩耗被覆層に密着性お
よび靭性不足が原因の剥離やチッピングの発生はなく、
耐摩耗被覆層は上側硬質層および下側硬質層の共存と相
俟ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記非
晶質化層および下地靭性層の形成がない従来被覆超硬工
具においては、前記重切削条件での断続切削では耐摩耗
被覆層の密着性および靭性不足が原因で剥離やチッピン
グが発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明ら
かである。上述のように、この発明の被覆超硬工具は、
各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切
削加工は勿論のこと、特に高い機械的および熱的衝撃を
伴なう、重切削条件での断続切削加工に用いた場合に
も、耐摩耗被覆層が超硬基体表面に対してすぐれた密着
性を示し、かつすぐれた靭性も保持し、長期に亘ってす
ぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削加工の
汎用性に十分満足に対応でき、切削加工のさらに一段の
省力化および省エネ化、さらに低コスト化を可能とする
ものである。

【図面の簡単な説明】 【図１】アークイオンプレーティング装置の概略説明図
である。 【図２】（ａ）は被覆超硬チップの概略斜視図、（ｂ）
は被覆超硬チップの概略縦断面図である。 【図３】（ａ）は被覆超硬エンドミルの概略正面図、
（ｂ）は同切刃部の概略横断面図である。 【図４】（ａ）は被覆超硬ドリルの概略正面図、（ｂ）
は同溝形成部の概略横断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２３Ｃ 14/08 Ｃ２３Ｃ 14/08 Ｆ 14/16 14/16 Ｂ 16/36 16/36 (72)発明者 中村 惠滋 埼玉県大宮市北袋町１−297 三菱マテリ アル株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 3C037 CC02 CC04 CC09 3C046 FF03 FF10 FF13 FF16 FF19 FF22 FF25 4K029 AA02 BA03 BA17 BA43 BA44 BA54 BA60 BB02 BC02 BD05 CA03 EA01 EA05 4K030 BA02 BA18 BA22 BA38 BA41 BA43 BB12 CA03 JA01 JA06 LA22

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 アークイオンプレーティング表面処理
   で、表面から１〜５０ｎｍの範囲内の平均深さに亘って
   非晶質化層を形成してなる炭化タングステン基超硬合金
   基体の表面に、 （ａ）窒化チタン層からなり、かつ０．１〜５μｍの平
   均層厚を有する下地靭性層、 （ｂ）組成式：（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｎおよび同（Ｔｉ_1-X
   Ａｌ_X）Ｃ_1-YＮ_Y、（但し、原子比で、Ｘは０．１５〜
   ０．６５、Ｙは０．５〜０．９９を示す）、を満足する
   ＴｉとＡｌの複合窒化物層およびＴｉとＡｌの複合炭窒
   化物層のうちのいずれかの単層、または両方の複層から
   なり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する下側硬
   質層、 （ｃ）酸化アルミニウム層、および酸化アルミニウムの
   素地に酸化ジルコニウム相が分散分布してなる酸化アル
   ミニウム−酸化ジルコニウム混合層のうちのいずれかの
   単層、または両方の複層からなり、かつ０．５〜１０μ
   ｍの平均層厚を有する上側硬質層、 以上（ａ）〜（ｃ）で構成された耐摩耗被覆層を物理蒸
   着および／または化学蒸着してなる、耐摩耗被覆層がす
   ぐれた密着性および耐チッピング性を有する表面被覆超
   硬合金製切削工具。