JP2004106107A - 高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高速重切削条件で耐チッピング性、耐摩耗性を有する表面被覆超硬合金製切削工具の提供。
【解決手段】基体表面に、ＡｌとＴｉの複合炭窒酸化物層を２〜２０μｍ厚で蒸着し、層厚方向にそって、Ａｌ及び酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、及び窒素の最高含有点とが交互に存在し、両点間でＡｌと酸素、及びＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化し、原子比で最高含有点が、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）：０．８０〜０．９８、酸素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．８０〜０．９８、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、窒素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、上記Ｔｉ、炭素、及び窒素の最高含有点が、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）：０．８０〜０．９８、炭素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、窒素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、酸素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．０２〜０．２０、を満足する硬質被覆層で構成する。
【選択図】 なし
【解決手段】基体表面に、ＡｌとＴｉの複合炭窒酸化物層を２〜２０μｍ厚で蒸着し、層厚方向にそって、Ａｌ及び酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、及び窒素の最高含有点とが交互に存在し、両点間でＡｌと酸素、及びＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化し、原子比で最高含有点が、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）：０．８０〜０．９８、酸素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．８０〜０．９８、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、窒素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、上記Ｔｉ、炭素、及び窒素の最高含有点が、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）：０．８０〜０．９８、炭素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、窒素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、酸素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．０２〜０．２０、を満足する硬質被覆層で構成する。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層が高強度を有し、かつ高温硬さと耐熱性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を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、被覆超硬工具には、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、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、被覆超硬工具として、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットからなる基体（以下、これらを総称して超硬基体と云う）の表面に、個々の層厚が１μｍ以下のＡｌ酸化物（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層とＴｉ炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層とを交互積層して、２〜２０μｍの全体平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具が提案され、前記硬質被覆層を構成するＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣＮ交互積層が、Ａｌ２Ｏ３層による高温硬さおよび耐熱性と、ＴｉＣＮ層による強度を具備することから、かかる被覆超硬工具を各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いた場合にすぐれた切削性能を発揮することも知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、上記の被覆超硬工具が、例えば図１に概略縦断面図で示される通り、中央部にステンレス鋼製の反応ガス吹き出し管が立設され、前記反応ガス吹き出し管には、図２（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概略平面図で例示される黒鉛製の超硬基体支持パレットが串刺し積層嵌着され、かつこれらがステンレス鋼製のカバーを介してヒーターで加熱される構造を有する化学蒸着装置を用い、超硬基体を前記超硬基体支持パレットの底面に形成された多数の反応ガス通過穴位置に図示される通りに載置した状態で前記化学蒸着装置に装入し、ヒータで装置内を、例えば８００〜１１００℃の範囲内の所定の温度に加熱した後、Ａｌ２Ｏ３層形成には、反応ガスとして、容量％で（以下、反応ガスの％は容量％を示す）、
ＡｌＣｌ３：２〜７％、
ＣＯ２：２〜１０％、
ＨＣｌ：３〜７％、
Ｈ２：残り、
からなる組成を有する反応ガスを用い、また、ＴｉＣＮ層形成には、
ＴｉＣｌ４：１〜３％、
ＣＨ４：５〜２０％、
Ｎ２：４０〜６０％、
Ｈ２：残り、
からなる組成を有する反応ガスを用い、これらの反応ガスを予め真空排気された装置内に前記反応ガス吹き出し管を通して、装置内の反応ガス圧力を７〜４０ｋＰａの範囲内の所定の圧力に保持しながら、交互に導入することによりＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣＮ交互積層からなる硬質被覆層を形成することにより製造されることも知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５２−１０５３９６号公報
【特許文献２】
特開昭５５−１４５１６５号公報
【０００６】
【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、切削加工は高速化の傾向を強め、かつ高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工を余儀なく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、これを高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削を高速で行なうのに用いると、特にＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣＮ交互積層からなる硬質被覆層のＡｌ２Ｏ３層はすぐれた高温硬さおよび耐熱性を有するものの強度が不十分であるために、高速重切削ではこれが破壊の起点となることから、チッピング（微小割れ）発生の原因となり、また同じくＴｉＣＮ層は高強度を有するものの高温硬さおよび耐熱性の低いものであることから、高速重切削では摩耗進行が急速に促進されるようになり、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。
【０００７】
【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、特に高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する被覆超硬工具を開発すべく、研究を行った結果、
（ａ）上記の図１，２に示される化学蒸着装置を用いて、上記の従来被覆超硬工具の硬質被覆層の構成成分であるＡｌ２Ｏ３とＴｉＣＮの複合化合物、すなわちＡｌとＴｉの複合炭窒酸化物（以下、Ａｌ−Ｔｉ炭窒酸化物という）層を形成するに際して、例えば図３に反応ガス組成自動制御システムが概略チャート図で示される通り、反応ガス組成および流量中央制御装置に、前記Ａｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層からなる硬質被覆層に、層厚方向にそって、Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点とを所定間隔をおいて交互に繰り返し形成させる目的で、前記Ａｌおよび酸素の最高含有点、並びにＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点に対応した反応ガス組成、並びに前記両点間のＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の連続変化に対応した反応ガス組成、さらに前記両点間の間隔を、過去の実績データに基づいてインプットし、この反応ガス組成および流量中央制御装置からの制御信号にしたがって、原料ガスボンベからのＨ２ガス、ＣＯ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｎ２ガス、ＣＨ３ＣＮガス、およびＨＣｌガスの流量、さらにＡｌＣｌ３ガスおよびＴｉＣｌ４ガスの流量をそれぞれの原料ガス流量自動制御装置にて制御しながら、化学蒸着装置の反応ガス吹き出し管に導入すると、層厚方向にそって、Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌおよび酸素の最高含有点から前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点から前記Ａｌおよび酸素の最高含有点へＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造をもつたＡｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層からなる硬質被覆層が形成されるようになること。
【０００８】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造のＡｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層において、
上記Ａｌおよび酸素の最高含有点におけるＡｌとＴｉ、および酸素と炭素と窒素の相互含有割合を示すＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、並びに酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）が、それぞれ原子比で、
Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）：０．８０〜０．９８、
酸素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．８０〜０．９８、
炭素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
窒素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点におけるＴｉとＡｌ、および炭素と窒素と酸素の相互含有割合を示すＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）、並びに炭素／（炭素＋窒素＋酸素）、窒素／（炭素＋窒素＋酸素）、および酸素／（炭素＋窒素＋酸素）が、それぞれ原子比で、
Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）：０．８０〜０．９８、
炭素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
窒素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
酸素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．０２〜０．２０、
とし、かつ隣り合う上記Ａｌおよび酸素の最高含有点と、上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．２μｍとすると、
上記Ａｌおよび酸素の最高含有点部分では、Ａｌ２Ｏ３のもつ高温硬さと耐熱性に相当するすぐれた高温硬さと耐熱性を示し、一方上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点部分では、ＴｉＣＮのもつ強度に相当する高強度が確保され、かつこれらＡｌおよび酸素の最高含有点と、上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点の間隔をきわめて小さくしたことから、層全体の特性としてすぐれた高温硬さと耐熱性、および高強度を具備するようになり、さらに前記両点間でＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化（成分濃度分布構造）することにより、破壊の起点が存在しないことになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成のＡｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層からなる被覆超硬工具は、特に各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高速で、かつ高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮するようになること。
以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００９】
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、超硬基体の表面に、Ａｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層からなる硬質被覆層を２〜２０μｍの全体平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具において、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌおよび酸素の最高含有点から前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点から前記Ａｌおよび酸素の最高含有点へＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Ａｌおよび酸素の最高含有点におけるＡｌとＴｉ、および酸素と炭素と窒素の相互含有割合を示すＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、並びに酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）が、それぞれ原子比で、
Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）：０．８０〜０．９８、
酸素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．８０〜０．９８、
炭素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
窒素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点におけるＴｉとＡｌ、および炭素と窒素と酸素の相互含有割合を示すＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）、並びに炭素／（炭素＋窒素＋酸素）、窒素／（炭素＋窒素＋酸素）、および酸素／（炭素＋窒素＋酸素）が、それぞれ原子比で、
Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）：０．８０〜０．９８、
炭素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
窒素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
酸素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．０２〜０．２０、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌおよび酸素の最高含有点と、上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点の間隔が、０．０１〜０．２μｍである、
高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【００１０】
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、これを構成する硬質被覆層の構成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ａｌおよび酸素の最高含有点
Ａｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層のＴｉ、炭素、および窒素成分には強度を向上させ、同Ａｌおよび酸素成分には高温硬さおよび耐熱性を向上させる作用があり、したがってＡｌおよび酸素の最高含有点ではＡｌおよび酸素の含有割合を相対的に高くして高温硬さおよび耐熱性を向上させることにより、高熱発生を伴う高速切削に適合するものとするが、この場合ＡｌとＴｉ、および酸素と炭素と窒素の相互含有割合を示すＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）値、および酸素／（酸素＋炭素＋窒素）値がいずれも原子比で（以下、同じ）０．９８を越えると、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）値：０．０２未満、並びに炭素／（酸素＋炭素＋窒素）値および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）値がいずれも０．０１未満となってしまい、実質的にＡｌ酸化物で構成されるようになることから、高強度を有するＴｉと炭素と窒素の最高含有点が隣接して存在しても層自体の強度の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方同値がそれぞれ０．８０未満になると、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）値が０．２０を越え、かつ炭素／（酸素＋炭素＋窒素）値および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）値がいずれも０．１０を越えて高くなり、反面相対的にＡｌおよび酸素が少なくなり、この結果高温硬さおよび耐熱性が急激に低下し、摩耗促進の原因となることから、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、および酸素／（酸素＋炭素＋窒素）の値をいずれも０．８０〜０．９８、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）の値をいずれも０．０１〜０．１０と定めた。
【００１１】
（ｂ）Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点
上記の通りＡｌおよび酸素の最高含有点は相対的にすぐれた高温硬さおよび耐熱性を有するが、反面相対的に強度が不十分であるため、このＡｌおよび酸素の最高含有点の強度不足を補う目的で、高強度を有するＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものである。しかし、ＴｉとＡｌ、および炭素と窒素と酸素の相互含有割合を示すＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）値が０．９８を越え、かつ炭素／（酸素＋炭素＋窒素）値および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）値が、いずれも０．４９を越えると、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）値が０．０２未満、並びに酸素／（炭素＋窒素＋酸素）値が０．０２未満となってしまい、実質的にＴｉ炭窒化物で構成されるようになることから、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点に所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、これが摩耗促進の原因となり、一方Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）値が０．８０未満、炭素／（炭素＋窒素＋酸素）値および窒素／（炭素＋窒素＋酸素）値がいずれも０．４０未満になると、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）値が０．２０を越え、かつ酸素／（炭素＋窒素＋酸素）値が０．２０を越えて高くなり、相対的にＴｉ、炭素、および窒素の割合が少なくなって、所望の強度を確保することができず、この結果チッピングが発生し易くなることから、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の値を０．８０〜０．９８、炭素／（炭素＋窒素＋酸素）および窒素／（炭素＋窒素＋酸素）の値をいずれも０．４０〜０．４９、酸素／（炭素＋窒素＋酸素）の値を０．０２〜０．２０と定めた。
【００１２】
（ｃ）Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点間の間隔
その間隔が０．０１μｍ未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果層に所望のすぐれた高温硬さおよび耐熱性、さらに高強度を確保することができなくなり、またその間隔が０．２μｍを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＡｌおよび酸素の最高含有点であれば強度不足、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点であれば高温硬さおよび耐熱性不足が層内に局部的に現れ、これが原因でチッピングが発生し易くなったり、摩耗進行が促進されるようになることから、その間隔を０．０１〜０．２μｍと定めた。
【００１３】
（ｄ）硬質被覆層の全体平均層厚
その層厚が２μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を２〜２０μｍと定めた。
【００１４】
【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。
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、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３ Ｃ２ 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、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の超硬基体Ａ１〜Ａ１０を形成した。
【００１５】
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（重量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ２ Ｃ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、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製の超硬基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。
【００１６】
つぎに、上記の超硬基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、図１に示される化学蒸着装置内に、第２図に示される超硬基体支持パレットの位置決め穴に載置した状態で装入し、まず、装置内をヒーターで９００℃に加熱したところで、ＴｉＣｌ４：４．２％、Ｎ２：３０％、Ｈ２：残りからなる組成を有する反応ガスを反応ガス吹き出し管を通して導入して、装置内の反応雰囲気圧力を３０ｋＰａとし、この状態で３０分間保持して下地密着層として０．３μｍの平均層厚をもった窒化チタン（ＴｉＮ）層を形成し、ついで、同じく装置内の雰囲気温度をヒーターにて加熱して１０２０℃とした後、図３に示される反応ガス組成自動制御システムの反応ガス組成および流量中央制御装置に、過去の実績データにしたがって、表３、４に示されるＡｌおよび酸素の最高含有点の目標Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、並びに目標酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、目標炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および目標窒素／（酸素＋炭素＋窒素）、さらにＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点の目標Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）、、並びに目標炭素／（炭素＋窒素＋酸素）、目標窒素／（炭素＋窒素＋酸素）、および目標窒素／（炭素＋窒素＋酸素）に対応する反応ガス組成、前記Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点間のＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量の連続変化に対応する反応ガス組成、さらに表５、６に示される前記両点間の目標間隔および硬質被覆層の目標全体層厚をインプットし、この反応ガス組成および流量中央制御装置からの信号にしたがって作動するコントロールバルブ内蔵の原料ガス流量自動制御装置を通して、原料ガスであるＨ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｎ２ガス、ＣＨ３ＣＮガス、ＣＯ２ガス、およびＨＣｌガス、さらにＡｌＣｌ３ガスおよびＴｉＣｌ４ガス（この場合、ＡｌＣｌ３ガスは、ＡｌＣｌ３ガス発生器で金属Ａｌと流量制御されたＨＣｌガスを反応させることにより形成され、また、ＴｉＣｌ４ガスは、図示の通り流量制御されたＨ２ガスをキャリアガスとしてＴｉＣｌ４ガス発生器に送り、ここで液体から気化されたＴｉＣｌ４ガスと共に原料ガス流量自動制御装置に送られ、さらにＣＨ３ＣＮガスは、ＣＨ３ＣＮ気化器で液体のＣＨ３ＣＮを加熱してガス化したものが原料ガス流量自動制御装置に送られる）を、それぞれのガス流量を制御しながら、図１の化学蒸着装置の反応ガス吹き出し管から装置内に導入し（装置内の反応雰囲気圧力は常に７ｋＰａに保持される）、もって前記超硬基体の表面に、層厚方向に沿って表５、６に示される目標Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、並びに目標酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、目標炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および目標窒素／（酸素＋炭素＋窒素）のＡｌおよび酸素の最高含有点と、目標Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）、目標炭素／（炭素＋窒素＋酸素）、目標窒素／（炭素＋窒素＋酸素）、および目標窒素／（炭素＋窒素＋酸素）のＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点とが交互に同じく表５、６に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌおよび酸素の最高含有点から前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点から前記Ａｌおよび酸素の最高含有点へＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表
５、６に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、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と云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１７】
また、比較の目的で、これら超硬基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、同じくそれぞれ図１，２に示される通常の化学蒸着装置に装入し、Ａｌ２Ｏ３層の形成条件を、
反応ガス組成：ＡｌＣｌ３：３％、ＣＯ２：７％、ＨＣｌ：３％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：１０００℃、
反応雰囲気圧力：７ｋＰａ、
とし、また、ＴｉＣＮ層の形成条件を、
反応ガス組成：ＴｉＣｌ４：２％、ＣＨ４：１２％、Ｎ２：５５％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：１０００℃、
反応雰囲気圧力：１３ｋＰａ、
として、それぞれ表７、８に示される目標層厚のＡｌ２Ｏ３層およびＴｉＣＮ層の交互積層からなる硬質被覆層を、前記超硬基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、同じく表７、８に示される目標全体層厚で蒸着することにより、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と云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１８】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１６および従来被覆超硬チップ１〜１６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・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４．５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式断続高速高切り込み切削加工試験を行い、いずれの切削加工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５〜８に示した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【００２２】
【表４】
【００２３】
【表５】
【００２４】
【表６】
【００２５】
【表７】
【００２６】
【表８】
【００２７】
この結果得られた本発明被覆超硬チップ１〜１６および従来被覆超硬チップ１〜１６を構成する硬質被覆層について、厚さ方向に沿ってＡｌ、Ｔｉ、酸素、炭素、および窒素の含有量をオージェ分光分析装置を用いて測定し、この測定結果から各測定点におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）およびＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の値、さらに酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）の値を算出したところ、本発明被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層では、Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ組成および間隔で交互に繰り返し存在し、かつＡｌおよび酸素の最高含有点からＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点からＡｌおよび酸素の最高含有点へＡｌとＴｉ、および酸素と炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有することが確認され、硬質被覆層の平均層厚も目標全体層厚と実質的に同じ値を示した。また、従来被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層においても目標層厚と実質的に同じ平均層厚のＡｌ２Ｏ３層とＴｉＣＮ層とが交互に、かつ目標全体層厚と実質的に同じ平均層厚で形成されていることが確認された。
【００２８】
【発明の効果】
表５〜８に示される結果から、硬質被覆層が層厚方向に、相対的にすぐれた高温硬さと耐熱性を有するＡｌおよび酸素の最高含有点と，相対的に高強度を有するＴｉ、炭素、および窒素の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および酸素の最高含有点から前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点から前記Ａｌおよび酸素の最高含有点へＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する本発明被覆超硬チップ１〜１６は、いずれも各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高速で、かつ高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層がＡｌ２Ｏ３層とＴｉＣＮ層の交互積層からなる従来被覆超硬チップ１〜１６においては、前記硬質被覆層のＡｌ２Ｏ３層が特に高速重切削条件ではチッピング発生の起点となり、また前記ＴｉＣＮ層の摩耗進行が切削時の高熱発熱により促進されることから、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、通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高速で、かつ高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】被覆超硬工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた化学蒸着装置を例示する概略縦断面図である。
【図２】化学蒸着装置の構造部材である超硬基体支持パレットを示し、（ａ）が概略斜視図、（ｂ）が概略平面図である。
【図３】この発明の被覆超硬工具を構成する硬質被覆層の形成に用いられる反応ガス組成自動制御システムの概略チャート図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層が高強度を有し、かつ高温硬さと耐熱性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を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、被覆超硬工具には、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、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、被覆超硬工具として、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットからなる基体（以下、これらを総称して超硬基体と云う）の表面に、個々の層厚が１μｍ以下のＡｌ酸化物（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層とＴｉ炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層とを交互積層して、２〜２０μｍの全体平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具が提案され、前記硬質被覆層を構成するＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣＮ交互積層が、Ａｌ２Ｏ３層による高温硬さおよび耐熱性と、ＴｉＣＮ層による強度を具備することから、かかる被覆超硬工具を各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いた場合にすぐれた切削性能を発揮することも知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、上記の被覆超硬工具が、例えば図１に概略縦断面図で示される通り、中央部にステンレス鋼製の反応ガス吹き出し管が立設され、前記反応ガス吹き出し管には、図２（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概略平面図で例示される黒鉛製の超硬基体支持パレットが串刺し積層嵌着され、かつこれらがステンレス鋼製のカバーを介してヒーターで加熱される構造を有する化学蒸着装置を用い、超硬基体を前記超硬基体支持パレットの底面に形成された多数の反応ガス通過穴位置に図示される通りに載置した状態で前記化学蒸着装置に装入し、ヒータで装置内を、例えば８００〜１１００℃の範囲内の所定の温度に加熱した後、Ａｌ２Ｏ３層形成には、反応ガスとして、容量％で（以下、反応ガスの％は容量％を示す）、
ＡｌＣｌ３：２〜７％、
ＣＯ２：２〜１０％、
ＨＣｌ：３〜７％、
Ｈ２：残り、
からなる組成を有する反応ガスを用い、また、ＴｉＣＮ層形成には、
ＴｉＣｌ４：１〜３％、
ＣＨ４：５〜２０％、
Ｎ２：４０〜６０％、
Ｈ２：残り、
からなる組成を有する反応ガスを用い、これらの反応ガスを予め真空排気された装置内に前記反応ガス吹き出し管を通して、装置内の反応ガス圧力を７〜４０ｋＰａの範囲内の所定の圧力に保持しながら、交互に導入することによりＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣＮ交互積層からなる硬質被覆層を形成することにより製造されることも知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５２−１０５３９６号公報
【特許文献２】
特開昭５５−１４５１６５号公報
【０００６】
【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、切削加工は高速化の傾向を強め、かつ高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工を余儀なく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、これを高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削を高速で行なうのに用いると、特にＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣＮ交互積層からなる硬質被覆層のＡｌ２Ｏ３層はすぐれた高温硬さおよび耐熱性を有するものの強度が不十分であるために、高速重切削ではこれが破壊の起点となることから、チッピング（微小割れ）発生の原因となり、また同じくＴｉＣＮ層は高強度を有するものの高温硬さおよび耐熱性の低いものであることから、高速重切削では摩耗進行が急速に促進されるようになり、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。
【０００７】
【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、特に高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する被覆超硬工具を開発すべく、研究を行った結果、
（ａ）上記の図１，２に示される化学蒸着装置を用いて、上記の従来被覆超硬工具の硬質被覆層の構成成分であるＡｌ２Ｏ３とＴｉＣＮの複合化合物、すなわちＡｌとＴｉの複合炭窒酸化物（以下、Ａｌ−Ｔｉ炭窒酸化物という）層を形成するに際して、例えば図３に反応ガス組成自動制御システムが概略チャート図で示される通り、反応ガス組成および流量中央制御装置に、前記Ａｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層からなる硬質被覆層に、層厚方向にそって、Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点とを所定間隔をおいて交互に繰り返し形成させる目的で、前記Ａｌおよび酸素の最高含有点、並びにＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点に対応した反応ガス組成、並びに前記両点間のＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の連続変化に対応した反応ガス組成、さらに前記両点間の間隔を、過去の実績データに基づいてインプットし、この反応ガス組成および流量中央制御装置からの制御信号にしたがって、原料ガスボンベからのＨ２ガス、ＣＯ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｎ２ガス、ＣＨ３ＣＮガス、およびＨＣｌガスの流量、さらにＡｌＣｌ３ガスおよびＴｉＣｌ４ガスの流量をそれぞれの原料ガス流量自動制御装置にて制御しながら、化学蒸着装置の反応ガス吹き出し管に導入すると、層厚方向にそって、Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌおよび酸素の最高含有点から前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点から前記Ａｌおよび酸素の最高含有点へＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造をもつたＡｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層からなる硬質被覆層が形成されるようになること。
【０００８】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造のＡｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層において、
上記Ａｌおよび酸素の最高含有点におけるＡｌとＴｉ、および酸素と炭素と窒素の相互含有割合を示すＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、並びに酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）が、それぞれ原子比で、
Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）：０．８０〜０．９８、
酸素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．８０〜０．９８、
炭素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
窒素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点におけるＴｉとＡｌ、および炭素と窒素と酸素の相互含有割合を示すＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）、並びに炭素／（炭素＋窒素＋酸素）、窒素／（炭素＋窒素＋酸素）、および酸素／（炭素＋窒素＋酸素）が、それぞれ原子比で、
Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）：０．８０〜０．９８、
炭素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
窒素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
酸素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．０２〜０．２０、
とし、かつ隣り合う上記Ａｌおよび酸素の最高含有点と、上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．２μｍとすると、
上記Ａｌおよび酸素の最高含有点部分では、Ａｌ２Ｏ３のもつ高温硬さと耐熱性に相当するすぐれた高温硬さと耐熱性を示し、一方上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点部分では、ＴｉＣＮのもつ強度に相当する高強度が確保され、かつこれらＡｌおよび酸素の最高含有点と、上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点の間隔をきわめて小さくしたことから、層全体の特性としてすぐれた高温硬さと耐熱性、および高強度を具備するようになり、さらに前記両点間でＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化（成分濃度分布構造）することにより、破壊の起点が存在しないことになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成のＡｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層からなる被覆超硬工具は、特に各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高速で、かつ高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮するようになること。
以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００９】
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、超硬基体の表面に、Ａｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層からなる硬質被覆層を２〜２０μｍの全体平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具において、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌおよび酸素の最高含有点から前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点から前記Ａｌおよび酸素の最高含有点へＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Ａｌおよび酸素の最高含有点におけるＡｌとＴｉ、および酸素と炭素と窒素の相互含有割合を示すＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、並びに酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）が、それぞれ原子比で、
Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）：０．８０〜０．９８、
酸素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．８０〜０．９８、
炭素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
窒素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点におけるＴｉとＡｌ、および炭素と窒素と酸素の相互含有割合を示すＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）、並びに炭素／（炭素＋窒素＋酸素）、窒素／（炭素＋窒素＋酸素）、および酸素／（炭素＋窒素＋酸素）が、それぞれ原子比で、
Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）：０．８０〜０．９８、
炭素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
窒素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
酸素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．０２〜０．２０、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌおよび酸素の最高含有点と、上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点の間隔が、０．０１〜０．２μｍである、
高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【００１０】
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、これを構成する硬質被覆層の構成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ａｌおよび酸素の最高含有点
Ａｌ−Ｔｉ炭窒酸化物層のＴｉ、炭素、および窒素成分には強度を向上させ、同Ａｌおよび酸素成分には高温硬さおよび耐熱性を向上させる作用があり、したがってＡｌおよび酸素の最高含有点ではＡｌおよび酸素の含有割合を相対的に高くして高温硬さおよび耐熱性を向上させることにより、高熱発生を伴う高速切削に適合するものとするが、この場合ＡｌとＴｉ、および酸素と炭素と窒素の相互含有割合を示すＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）値、および酸素／（酸素＋炭素＋窒素）値がいずれも原子比で（以下、同じ）０．９８を越えると、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）値：０．０２未満、並びに炭素／（酸素＋炭素＋窒素）値および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）値がいずれも０．０１未満となってしまい、実質的にＡｌ酸化物で構成されるようになることから、高強度を有するＴｉと炭素と窒素の最高含有点が隣接して存在しても層自体の強度の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方同値がそれぞれ０．８０未満になると、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）値が０．２０を越え、かつ炭素／（酸素＋炭素＋窒素）値および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）値がいずれも０．１０を越えて高くなり、反面相対的にＡｌおよび酸素が少なくなり、この結果高温硬さおよび耐熱性が急激に低下し、摩耗促進の原因となることから、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、および酸素／（酸素＋炭素＋窒素）の値をいずれも０．８０〜０．９８、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）の値をいずれも０．０１〜０．１０と定めた。
【００１１】
（ｂ）Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点
上記の通りＡｌおよび酸素の最高含有点は相対的にすぐれた高温硬さおよび耐熱性を有するが、反面相対的に強度が不十分であるため、このＡｌおよび酸素の最高含有点の強度不足を補う目的で、高強度を有するＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものである。しかし、ＴｉとＡｌ、および炭素と窒素と酸素の相互含有割合を示すＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）値が０．９８を越え、かつ炭素／（酸素＋炭素＋窒素）値および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）値が、いずれも０．４９を越えると、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）値が０．０２未満、並びに酸素／（炭素＋窒素＋酸素）値が０．０２未満となってしまい、実質的にＴｉ炭窒化物で構成されるようになることから、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点に所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、これが摩耗促進の原因となり、一方Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）値が０．８０未満、炭素／（炭素＋窒素＋酸素）値および窒素／（炭素＋窒素＋酸素）値がいずれも０．４０未満になると、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）値が０．２０を越え、かつ酸素／（炭素＋窒素＋酸素）値が０．２０を越えて高くなり、相対的にＴｉ、炭素、および窒素の割合が少なくなって、所望の強度を確保することができず、この結果チッピングが発生し易くなることから、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の値を０．８０〜０．９８、炭素／（炭素＋窒素＋酸素）および窒素／（炭素＋窒素＋酸素）の値をいずれも０．４０〜０．４９、酸素／（炭素＋窒素＋酸素）の値を０．０２〜０．２０と定めた。
【００１２】
（ｃ）Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点間の間隔
その間隔が０．０１μｍ未満ではそれぞれの点を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果層に所望のすぐれた高温硬さおよび耐熱性、さらに高強度を確保することができなくなり、またその間隔が０．２μｍを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＡｌおよび酸素の最高含有点であれば強度不足、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点であれば高温硬さおよび耐熱性不足が層内に局部的に現れ、これが原因でチッピングが発生し易くなったり、摩耗進行が促進されるようになることから、その間隔を０．０１〜０．２μｍと定めた。
【００１３】
（ｄ）硬質被覆層の全体平均層厚
その層厚が２μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を２〜２０μｍと定めた。
【００１４】
【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。
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、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３ Ｃ２ 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、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の超硬基体Ａ１〜Ａ１０を形成した。
【００１５】
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（重量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ２ Ｃ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、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製の超硬基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。
【００１６】
つぎに、上記の超硬基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、図１に示される化学蒸着装置内に、第２図に示される超硬基体支持パレットの位置決め穴に載置した状態で装入し、まず、装置内をヒーターで９００℃に加熱したところで、ＴｉＣｌ４：４．２％、Ｎ２：３０％、Ｈ２：残りからなる組成を有する反応ガスを反応ガス吹き出し管を通して導入して、装置内の反応雰囲気圧力を３０ｋＰａとし、この状態で３０分間保持して下地密着層として０．３μｍの平均層厚をもった窒化チタン（ＴｉＮ）層を形成し、ついで、同じく装置内の雰囲気温度をヒーターにて加熱して１０２０℃とした後、図３に示される反応ガス組成自動制御システムの反応ガス組成および流量中央制御装置に、過去の実績データにしたがって、表３、４に示されるＡｌおよび酸素の最高含有点の目標Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、並びに目標酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、目標炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および目標窒素／（酸素＋炭素＋窒素）、さらにＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点の目標Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）、、並びに目標炭素／（炭素＋窒素＋酸素）、目標窒素／（炭素＋窒素＋酸素）、および目標窒素／（炭素＋窒素＋酸素）に対応する反応ガス組成、前記Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点間のＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量の連続変化に対応する反応ガス組成、さらに表５、６に示される前記両点間の目標間隔および硬質被覆層の目標全体層厚をインプットし、この反応ガス組成および流量中央制御装置からの信号にしたがって作動するコントロールバルブ内蔵の原料ガス流量自動制御装置を通して、原料ガスであるＨ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｎ２ガス、ＣＨ３ＣＮガス、ＣＯ２ガス、およびＨＣｌガス、さらにＡｌＣｌ３ガスおよびＴｉＣｌ４ガス（この場合、ＡｌＣｌ３ガスは、ＡｌＣｌ３ガス発生器で金属Ａｌと流量制御されたＨＣｌガスを反応させることにより形成され、また、ＴｉＣｌ４ガスは、図示の通り流量制御されたＨ２ガスをキャリアガスとしてＴｉＣｌ４ガス発生器に送り、ここで液体から気化されたＴｉＣｌ４ガスと共に原料ガス流量自動制御装置に送られ、さらにＣＨ３ＣＮガスは、ＣＨ３ＣＮ気化器で液体のＣＨ３ＣＮを加熱してガス化したものが原料ガス流量自動制御装置に送られる）を、それぞれのガス流量を制御しながら、図１の化学蒸着装置の反応ガス吹き出し管から装置内に導入し（装置内の反応雰囲気圧力は常に７ｋＰａに保持される）、もって前記超硬基体の表面に、層厚方向に沿って表５、６に示される目標Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、並びに目標酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、目標炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および目標窒素／（酸素＋炭素＋窒素）のＡｌおよび酸素の最高含有点と、目標Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）、目標炭素／（炭素＋窒素＋酸素）、目標窒素／（炭素＋窒素＋酸素）、および目標窒素／（炭素＋窒素＋酸素）のＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点とが交互に同じく表５、６に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌおよび酸素の最高含有点から前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点から前記Ａｌおよび酸素の最高含有点へＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、かつ同じく表
５、６に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、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と云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１７】
また、比較の目的で、これら超硬基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、同じくそれぞれ図１，２に示される通常の化学蒸着装置に装入し、Ａｌ２Ｏ３層の形成条件を、
反応ガス組成：ＡｌＣｌ３：３％、ＣＯ２：７％、ＨＣｌ：３％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：１０００℃、
反応雰囲気圧力：７ｋＰａ、
とし、また、ＴｉＣＮ層の形成条件を、
反応ガス組成：ＴｉＣｌ４：２％、ＣＨ４：１２％、Ｎ２：５５％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：１０００℃、
反応雰囲気圧力：１３ｋＰａ、
として、それぞれ表７、８に示される目標層厚のＡｌ２Ｏ３層およびＴｉＣＮ層の交互積層からなる硬質被覆層を、前記超硬基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、同じく表７、８に示される目標全体層厚で蒸着することにより、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と云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１８】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１６および従来被覆超硬チップ１〜１６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・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４．５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式断続高速高切り込み切削加工試験を行い、いずれの切削加工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５〜８に示した。
【００１９】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
この結果得られた本発明被覆超硬チップ１〜１６および従来被覆超硬チップ１〜１６を構成する硬質被覆層について、厚さ方向に沿ってＡｌ、Ｔｉ、酸素、炭素、および窒素の含有量をオージェ分光分析装置を用いて測定し、この測定結果から各測定点におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）およびＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の値、さらに酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）の値を算出したところ、本発明被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層では、Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ組成および間隔で交互に繰り返し存在し、かつＡｌおよび酸素の最高含有点からＴｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点からＡｌおよび酸素の最高含有点へＡｌとＴｉ、および酸素と炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有することが確認され、硬質被覆層の平均層厚も目標全体層厚と実質的に同じ値を示した。また、従来被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層においても目標層厚と実質的に同じ平均層厚のＡｌ２Ｏ３層とＴｉＣＮ層とが交互に、かつ目標全体層厚と実質的に同じ平均層厚で形成されていることが確認された。
【００２８】
【発明の効果】
表５〜８に示される結果から、硬質被覆層が層厚方向に、相対的にすぐれた高温硬さと耐熱性を有するＡｌおよび酸素の最高含有点と，相対的に高強度を有するＴｉ、炭素、および窒素の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および酸素の最高含有点から前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点から前記Ａｌおよび酸素の最高含有点へＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有する本発明被覆超硬チップ１〜１６は、いずれも各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高速で、かつ高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層がＡｌ２Ｏ３層とＴｉＣＮ層の交互積層からなる従来被覆超硬チップ１〜１６においては、前記硬質被覆層のＡｌ２Ｏ３層が特に高速重切削条件ではチッピング発生の起点となり、また前記ＴｉＣＮ層の摩耗進行が切削時の高熱発熱により促進されることから、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、通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高速で、かつ高い熱的機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】被覆超硬工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた化学蒸着装置を例示する概略縦断面図である。
【図２】化学蒸着装置の構造部材である超硬基体支持パレットを示し、（ａ）が概略斜視図、（ｂ）が概略平面図である。
【図３】この発明の被覆超硬工具を構成する硬質被覆層の形成に用いられる反応ガス組成自動制御システムの概略チャート図である。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金基体または炭窒化チタン系サーメット基体の表面に、ＡｌとＴｉの複合炭窒酸化物層からなる硬質被覆層を２〜２０μｍの全体平均層厚で蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具において、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌおよび酸素の最高含有点と、Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌおよび酸素の最高含有点から前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点、前記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点から前記Ａｌおよび酸素の最高含有点へＡｌと酸素、およびＴｉと炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Ａｌおよび酸素の最高含有点におけるＡｌとＴｉ、および酸素と炭素と窒素の相互含有割合を示すＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）、並びに酸素／（酸素＋炭素＋窒素）、炭素／（酸素＋炭素＋窒素）、および窒素／（酸素＋炭素＋窒素）が、それぞれ原子比で、
Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）：０．８０〜０．９８、
酸素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．８０〜０．９８、
炭素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
窒素／（酸素＋炭素＋窒素）：０．０１〜０．１０、
上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点におけるＴｉとＡｌ、および炭素と窒素と酸素の相互含有割合を示すＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）、並びに炭素／（炭素＋窒素＋酸素）、窒素／（炭素＋窒素＋酸素）、および酸素／（炭素＋窒素＋酸素）が、それぞれ原子比で、
Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）：０．８０〜０．９８、
炭素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
窒素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．４０〜０．４９、
酸素／（炭素＋窒素＋酸素）：０．０２〜０．２０、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌおよび酸素の最高含有点と、上記Ｔｉ、炭素、および窒素の最高含有点の間隔が、０．０１〜０．２μｍであること、
を特徴とする高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具。
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