JP2004338058A - 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を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】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を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具を提供する。
【解決手段】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、ＴｉとＳｉとＹ（イットリウム）の複合窒化物層からなる硬質被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具にして、前記硬質被覆層を、層厚方向にそって、Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記両点間でＳｉ含有割合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Ｓｉ最高含有点及び最低含有点が、特定な組成式を満足し、かつ隣り合う上記Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである硬質被覆層で構成する。
【選択図】 図１
【解決手段】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、ＴｉとＳｉとＹ（イットリウム）の複合窒化物層からなる硬質被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具にして、前記硬質被覆層を、層厚方向にそって、Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記両点間でＳｉ含有割合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Ｓｉ最高含有点及び最低含有点が、特定な組成式を満足し、かつ隣り合う上記Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである硬質被覆層で構成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層が一段とすぐれた高温強度を有し、かつ高温硬さと耐熱性、さらに耐熱塑性変形性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高い発熱を伴なう高速切削加工を、高い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、
組成式：（Ｔｉ１− ＡＳｉＡ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．４５〜０．６０を示す）、
を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具が提案され、かかる被覆超硬工具が、硬質被覆層を構成する前記（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層がＳｉによるすぐれた高温硬さおよび耐熱性、さらにＴｉによるすぐれた高温強度を有することから、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられ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２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に上記の超硬基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば４００℃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−Ｓｉ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を導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記超硬基体には、例えば−２００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬基体の表面に、上記（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１１８１０６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、切削速度は高速化し、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が強く求められる傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、高い発熱を伴なう高速切削加工を機械的衝撃の高い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は、特に硬質被覆層の高温強度不足が原因でチッピング（微小割れ）が発生し易く、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を発揮する被覆超硬工具を開発すべく、上記の従来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、
（ａ）上記の図２に示されるアークイオンプレーティング装置を用いて形成された従来被覆超硬工具を構成する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は、厚さ全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な性質を有するが、例えば図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティング装置、すなわち装置中央部に超硬基体装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に上記の従来（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の形成にカソード電極（蒸発源）として用いられたＴｉ−Ｓｉ合金に、さらにＹ成分を合金成分として含有させてなるＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金を配置し、他方側には前記Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金に比して相対的にＳｉ含有割合の低いＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金をいずれもカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブル上に、中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って複数の超硬基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で超硬基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記超硬基体の表面に（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ層を形成すると、この結果の（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ層においては、回転テーブル上にリング状に配置された前記超硬基体が上記の一方側のＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金のカソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で層中にＳｉ最高含有点が形成され、また前記超硬基体が上記の他方側の相対的にＳｉ含有割合の低いＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＳｉ最低含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には厚さ方向にそって前記Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造をもつようになること。
【０００８】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ層において、対向配置の一方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金におけるＳｉ含有割合を上記の従来（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金のＳｉ含有割合に相当するものとし、同他方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金におけるＳｉ含有割合を上記の従来Ｔｉ−Ｓｉ合金のＳｉ含有割合に比して相対的に低いものとすると共に、超硬基体が装着されている回転テーブルの回転速度を制御して、
上記Ｓｉ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ１−（ Ａ ＋ Ｚ ）ＳｉＡ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．４５〜０．６０、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
上記Ｓｉ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ１−（ Ｂ ＋ Ｚ ）ＳｉＢ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｂは０．０３〜０．２５、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μｍとすると、
上記Ｓｉ最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の具備する高温硬さおよび耐熱性に相当するすぐれた高温硬さおよび耐熱性を有し、かつＹ成分含有によって耐熱塑性変形性も向上し、さらにＴｉ成分による高温強度も具備し、一方上記Ｓｉ最低含有点部分では、前記Ｓｉ最高含有点部分に比してＳｉ含有割合が低く、相対的にＴｉ含有割合の高いものとなるので、一段と高い高温強度を有するようになり、しかもこれらＳｉ最高含有点とＳｉ最低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、および耐熱塑性変形性を保持した状態で、さらに一段とすぐれた高温強度を具備するようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ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、高い発熱を伴なう速い切削速度で、かつ高い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、（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具にして、上記硬質被覆層を、層厚方向にそって、Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低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Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合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Ｓｉ最高含有点が、
組成式：（Ｔｉ１−（ Ａ ＋ Ｚ ）ＳｉＡ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．４５〜０．６０、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
上記Ｓｉ最低含有点が、
組成式：（Ｔｉ１−（ Ｂ ＋ Ｚ ）ＳｉＢ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｂは０．０３〜０．２５、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである、
硬質被覆層で構成してなる、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）Ｓｉ最高含有点の組成
Ｓｉ最高含有点の（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎにおいて、Ｔｉ成分は高温強度を向上させ、同Ｓｉは高温硬さと耐熱性、さらにＹ成分は耐熱塑性変形性を向上させる作用があり、したがってＳｉの含有割合が高くなればなるほど高温硬さおよび耐熱性は向上したものになり、高熱発生を伴う高速切削に適応したものになるが、Ｓｉの含有割合を示すＡ値がＴｉとＹの合量に占める割合（原子比）で０．６０を越えると、相対的にＴｉ成分の含有割合が少なくなり過ぎて、すぐれた高温強度を有するＳｉ最低含有点が隣接して存在しても層自体の高温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Ａ値が同０．４５未満になると、所定のすぐれた高温硬さと耐熱性を確保することが困難になり、摩耗が急速に進行するようになることから、Ａ値を０．４５〜０．６０と定めた。さらに、Ｙ成分には上記の通り耐熱塑性変形性を向上させる作用があるが、Ｙの含有割合を示すＺ値がＳｉとＴｉの合量に占める割合（原子比）で０．０５未満では所望の耐熱塑性変形性向上効果が得られず、さらに同Ｚ値が０．１５を超えると、高温強度が低下するようになることから、Ｚ値を０．０３〜０．１０と定めた。
【００１１】
（ｂ）Ｓｉ最低含有点の組成
上記の通りＳｉ最高含有点はＳｉ成分の高含有によりすぐれた高温硬さと耐熱性を有するが、反面高い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の高速切削加工では高温強度不足が避けられず、このＳｉ最高含有点の高温強度不足を補う目的で、Ｔｉ含有割合が相対的に高く、一方Ｓｉ含有割合が低く、これによって一段とすぐれた高温強度を有するようになるＳｉ最低含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであり、したがってＳｉの割合を示すＢ値がＴｉおよびＹ成分との合量に占める割合（原子比）で０．２５を越えると、相対的にＴｉの含有割合が少なくなり過ぎて、所望のすぐれた高温強度を確保することができず、一方同Ｂ値が０．０３未満になると、所定の高温硬さおよび耐熱性の確保が困難になり、これが原因で高温硬さおよび耐熱性のすぐれたＳｉ最高含有点が隣接して存在しても層自体の摩耗進行が促進するようになることから、Ｓｉ最低含有点でのＳｉの含有割合を示すＢ値を０．０３〜０．２５と定めた。
さらに、Ｓｉ最低含有点におけるＹ成分も、上記の通り耐熱塑性変形性を向上させ、もって高熱発生を伴う高速切削に適応させる目的で含有するものであり、したがってＺ値が０．０５未満では所望の耐熱塑性変形性向上効果が得られず、一方Ｚ値が０．１５を越えると高温強度が低下するようになって、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、Ｚ値を０．０３〜０．１０と定めた。
【００１２】
（ｃ）Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点間の間隔
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Ｓｉ最高含有点によるすぐれた高温硬さと耐熱性と、Ｓｉ最低含有点による一段とすぐれた高温強度を確保することができなくなり、またその間隔が０．１μｍを越えると重切削条件での高速切削加工でそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＳｉ最高含有点であれば高温強度不足、Ｓｉ最低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０．０１〜０．１μｍと定めた。
【００１３】
（ｄ）硬質被覆層の平均層厚
その層厚が０．５μｍ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１５μｍ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０．５〜１５μｍ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。
（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、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４８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：１４２０℃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・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０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２ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５２０℃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・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製の超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。
【００１６】
ついで、上記の超硬基体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に、中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って複数の超硬基体をリング状に装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＳｉ最高含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）としてＳｉ最低含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバード洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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超硬基体に−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金属Ｔｉ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、もって超硬基体表面をＴｉボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａ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超硬基体に−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつそれぞれのカソード電極（前記Ｓｉ最高含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金およびＳｉ最低含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金）とアノード電極との間に１５０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体の表面に、厚さ方向に沿って表３，４に示される目標組成のＳｉ最高含有点とＳｉ最低含有点とが交互に同じく表３，４に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合が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３，４に示される目標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、それぞれ図２に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、カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ｓｉ合金を装着し、またボンバード洗浄用金属Ｔｉも装置し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４００℃に加熱した後、前記超硬基体に−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金属Ｔｉとアノード電極との間に９０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって超硬基体表面をＴｉボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−２００Ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれの表面に、表５に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を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・Ｓ５０Ｃの丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での炭素鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金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の丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での鋳鉄の乾式連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６に示した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【００２２】
【表４】
【００２３】
【表５】
【００２４】
【表６】
【００２５】
（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２．３μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍ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７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５０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、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７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×４５ｍｍの寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の６枚刃スクエア形状をもった超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００２６】
ついで、これらの超硬基体（エンドミル）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、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表８に示される目標組成のＳｉ最高含有点とＳｉ最低含有点とが交互に同じく表８に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合が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８に示される目標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エンドミル（以下、本発明被覆超硬エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００２７】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（エンドミル）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２に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、上記実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を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エンドミル（以下、従来被覆超硬エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００２８】
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１〜８および従来被覆超硬エンドミル１〜８のうち、本発明被覆超硬エンドミル１〜３および従来被覆超硬エンドミル１〜３については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ１１の板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：５ｍｍ、
径方向切り込み：０．６ｍｍ、
テーブル送り：４５００ｍｍ／分、
の条件での工具鋼の乾式高速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および従来被覆超硬エンドミル４〜６については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１０ｍｍ、
径方向切り込み：０．８ｍｍ、
テーブル送り：５０００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速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および従来被覆超硬エンドミル７，８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１５ｍｍ、
径方向切り込み：０．５ｍｍ、
テーブル送り：３２００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速高送り側面切削加工試験をそれぞれ行い、いずれの乾式側面切削加工試験でも切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅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８，９にそれぞれ示した。
【００２９】
【表７】
【００３０】
【表８】
【００３１】
【表９】
【００３２】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（超硬基体Ｃ−１〜Ｃ−３形成用）、１３ｍｍ（超硬基体Ｃ−４〜Ｃ−６形成用）、および２６ｍｍ（超硬基体Ｃ−７、Ｃ−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Ｄ−１〜Ｄ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｄ−４〜Ｄ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（超硬基体Ｄ−７、Ｄ−８）の寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の２枚刃形状をもった超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。
【００３３】
ついで、これらの超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、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、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、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表１０に示される目標組成のＳｉ最高含有点とＳｉ最低含有点とが交互に同じく表１０に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合が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１０に示される目標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ドリル（以下、本発明被覆超硬ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００３４】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、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、同じく図２に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、上記実施例１と同一の条件で、表１１に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を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ドリル（以下、従来被覆超硬ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００３５】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜８および従来被覆超硬ドリル１〜８のうち、本発明被覆超硬ドリル１〜３および従来被覆超硬ドリル１〜３については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１６ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ
の条件での鋳鉄の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル４〜６および従来被覆超硬ドリル４〜６については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１５ｍｍ
の条件での炭素鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル７，８および従来被覆超硬ドリル７，８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４３５の板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：２５ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速穴あけ切削加工試験（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１０，１１にそれぞれ示した。
【００３６】
【表１０】
【００３７】
【表１１】
【００３８】
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１〜１６、本発明被覆超硬エンドミル１〜８、および本発明被覆超硬ドリル１〜８、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆超硬チップ１〜１６、従来被覆超硬エンドミル１〜８、および従来被覆超硬ドリル１〜８を構成する硬質被覆層について、厚さ方向に沿ってＴｉ、Ｓｉ、およびＹの含有割合をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、前記本発明被覆超硬工具の硬質被覆層では、Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低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、かつ前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉの含有割合がそれぞれ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、さらに硬質被覆層の平均層厚も目標層厚と実質的に同じ値を示した。一方、前記従来被覆超硬工具の硬質被覆層では、目標組成と実質的に同じ組成および目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示すものの、厚さ方向に沿った組成変化は見られず、層全体に亘って均質な組成を示すものであった。
【００３９】
【発明の効果】
表３〜１１に示される結果から、硬質被覆層が層全体に亘ってすぐれた耐熱塑性変形性を具備した状態で、厚さ方向にすぐれた高温硬さと耐熱性を有するＳｉ最高含有点と一段とすぐれた高温強度を有するＳｉ最低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Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合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工具は、いずれも各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、高い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を発揮するのに対して、硬質被覆層が厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる従来被覆超硬工具においては、重切削条件での高速切削加工では前記硬質被覆層の高温強度不足が原因で、チッピングが発生し、これが原因で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高速切削加工を、高い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を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性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】この発明の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。
【図２】従来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通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層が一段とすぐれた高温強度を有し、かつ高温硬さと耐熱性、さらに耐熱塑性変形性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高い発熱を伴なう高速切削加工を、高い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、
組成式：（Ｔｉ１− ＡＳｉＡ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．４５〜０．６０を示す）、
を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具が提案され、かかる被覆超硬工具が、硬質被覆層を構成する前記（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層がＳｉによるすぐれた高温硬さおよび耐熱性、さらにＴｉによるすぐれた高温強度を有することから、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられ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２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に上記の超硬基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば４００℃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−Ｓｉ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を導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記超硬基体には、例えば−２００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬基体の表面に、上記（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１１８１０６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、切削速度は高速化し、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が強く求められる傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、高い発熱を伴なう高速切削加工を機械的衝撃の高い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は、特に硬質被覆層の高温強度不足が原因でチッピング（微小割れ）が発生し易く、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を発揮する被覆超硬工具を開発すべく、上記の従来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、
（ａ）上記の図２に示されるアークイオンプレーティング装置を用いて形成された従来被覆超硬工具を構成する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は、厚さ全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な性質を有するが、例えば図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティング装置、すなわち装置中央部に超硬基体装着用回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側に上記の従来（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の形成にカソード電極（蒸発源）として用いられたＴｉ−Ｓｉ合金に、さらにＹ成分を合金成分として含有させてなるＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金を配置し、他方側には前記Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金に比して相対的にＳｉ含有割合の低いＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金をいずれもカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブル上に、中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って複数の超硬基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で超硬基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記超硬基体の表面に（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ層を形成すると、この結果の（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ層においては、回転テーブル上にリング状に配置された前記超硬基体が上記の一方側のＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金のカソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で層中にＳｉ最高含有点が形成され、また前記超硬基体が上記の他方側の相対的にＳｉ含有割合の低いＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＳｉ最低含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には厚さ方向にそって前記Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合が連続的に変化する成分濃度分布構造をもつようになること。
【０００８】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ層において、対向配置の一方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金におけるＳｉ含有割合を上記の従来（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金のＳｉ含有割合に相当するものとし、同他方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ｓｉ−Ｙ合金におけるＳｉ含有割合を上記の従来Ｔｉ−Ｓｉ合金のＳｉ含有割合に比して相対的に低いものとすると共に、超硬基体が装着されている回転テーブルの回転速度を制御して、
上記Ｓｉ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ１−（ Ａ ＋ Ｚ ）ＳｉＡ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．４５〜０．６０、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
上記Ｓｉ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ１−（ Ｂ ＋ Ｚ ）ＳｉＢ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｂは０．０３〜０．２５、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μｍとすると、
上記Ｓｉ最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の具備する高温硬さおよび耐熱性に相当するすぐれた高温硬さおよび耐熱性を有し、かつＹ成分含有によって耐熱塑性変形性も向上し、さらにＴｉ成分による高温強度も具備し、一方上記Ｓｉ最低含有点部分では、前記Ｓｉ最高含有点部分に比してＳｉ含有割合が低く、相対的にＴｉ含有割合の高いものとなるので、一段と高い高温強度を有するようになり、しかもこれらＳｉ最高含有点とＳｉ最低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、および耐熱塑性変形性を保持した状態で、さらに一段とすぐれた高温強度を具備するようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ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、高い発熱を伴なう速い切削速度で、かつ高い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、（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層を０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具にして、上記硬質被覆層を、層厚方向にそって、Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低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Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合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Ｓｉ最高含有点が、
組成式：（Ｔｉ１−（ Ａ ＋ Ｚ ）ＳｉＡ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．４５〜０．６０、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
上記Ｓｉ最低含有点が、
組成式：（Ｔｉ１−（ Ｂ ＋ Ｚ ）ＳｉＢ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｂは０．０３〜０．２５、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである、
硬質被覆層で構成してなる、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）Ｓｉ最高含有点の組成
Ｓｉ最高含有点の（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｙ）Ｎにおいて、Ｔｉ成分は高温強度を向上させ、同Ｓｉは高温硬さと耐熱性、さらにＹ成分は耐熱塑性変形性を向上させる作用があり、したがってＳｉの含有割合が高くなればなるほど高温硬さおよび耐熱性は向上したものになり、高熱発生を伴う高速切削に適応したものになるが、Ｓｉの含有割合を示すＡ値がＴｉとＹの合量に占める割合（原子比）で０．６０を越えると、相対的にＴｉ成分の含有割合が少なくなり過ぎて、すぐれた高温強度を有するＳｉ最低含有点が隣接して存在しても層自体の高温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Ａ値が同０．４５未満になると、所定のすぐれた高温硬さと耐熱性を確保することが困難になり、摩耗が急速に進行するようになることから、Ａ値を０．４５〜０．６０と定めた。さらに、Ｙ成分には上記の通り耐熱塑性変形性を向上させる作用があるが、Ｙの含有割合を示すＺ値がＳｉとＴｉの合量に占める割合（原子比）で０．０５未満では所望の耐熱塑性変形性向上効果が得られず、さらに同Ｚ値が０．１５を超えると、高温強度が低下するようになることから、Ｚ値を０．０３〜０．１０と定めた。
【００１１】
（ｂ）Ｓｉ最低含有点の組成
上記の通りＳｉ最高含有点はＳｉ成分の高含有によりすぐれた高温硬さと耐熱性を有するが、反面高い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の高速切削加工では高温強度不足が避けられず、このＳｉ最高含有点の高温強度不足を補う目的で、Ｔｉ含有割合が相対的に高く、一方Ｓｉ含有割合が低く、これによって一段とすぐれた高温強度を有するようになるＳｉ最低含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであり、したがってＳｉの割合を示すＢ値がＴｉおよびＹ成分との合量に占める割合（原子比）で０．２５を越えると、相対的にＴｉの含有割合が少なくなり過ぎて、所望のすぐれた高温強度を確保することができず、一方同Ｂ値が０．０３未満になると、所定の高温硬さおよび耐熱性の確保が困難になり、これが原因で高温硬さおよび耐熱性のすぐれたＳｉ最高含有点が隣接して存在しても層自体の摩耗進行が促進するようになることから、Ｓｉ最低含有点でのＳｉの含有割合を示すＢ値を０．０３〜０．２５と定めた。
さらに、Ｓｉ最低含有点におけるＹ成分も、上記の通り耐熱塑性変形性を向上させ、もって高熱発生を伴う高速切削に適応させる目的で含有するものであり、したがってＺ値が０．０５未満では所望の耐熱塑性変形性向上効果が得られず、一方Ｚ値が０．１５を越えると高温強度が低下するようになって、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、Ｚ値を０．０３〜０．１０と定めた。
【００１２】
（ｃ）Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点間の間隔
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Ｓｉ最高含有点によるすぐれた高温硬さと耐熱性と、Ｓｉ最低含有点による一段とすぐれた高温強度を確保することができなくなり、またその間隔が０．１μｍを越えると重切削条件での高速切削加工でそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＳｉ最高含有点であれば高温強度不足、Ｓｉ最低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０．０１〜０．１μｍと定めた。
【００１３】
（ｄ）硬質被覆層の平均層厚
その層厚が０．５μｍ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１５μｍ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０．５〜１５μｍ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。
（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、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４８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：１４２０℃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・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０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２ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５２０℃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・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製の超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。
【００１６】
ついで、上記の超硬基体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に、中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って複数の超硬基体をリング状に装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＳｉ最高含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）としてＳｉ最低含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバード洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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超硬基体に−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金属Ｔｉ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、もって超硬基体表面をＴｉボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａ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超硬基体に−３０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつそれぞれのカソード電極（前記Ｓｉ最高含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金およびＳｉ最低含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ−Ｙ合金）とアノード電極との間に１５０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体の表面に、厚さ方向に沿って表３，４に示される目標組成のＳｉ最高含有点とＳｉ最低含有点とが交互に同じく表３，４に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合が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３，４に示される目標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、それぞれ図２に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、カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ｓｉ合金を装着し、またボンバード洗浄用金属Ｔｉも装置し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４００℃に加熱した後、前記超硬基体に−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金属Ｔｉとアノード電極との間に９０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって超硬基体表面をＴｉボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−２００Ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれの表面に、表５に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を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・Ｓ５０Ｃの丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での炭素鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金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の丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での鋳鉄の乾式連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６に示した。
【００１９】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
（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２．３μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍ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７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５０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、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７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×４５ｍｍの寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の６枚刃スクエア形状をもった超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００２６】
ついで、これらの超硬基体（エンドミル）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、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表８に示される目標組成のＳｉ最高含有点とＳｉ最低含有点とが交互に同じく表８に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合が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８に示される目標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エンドミル（以下、本発明被覆超硬エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００２７】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（エンドミル）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２に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、上記実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を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エンドミル（以下、従来被覆超硬エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００２８】
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１〜８および従来被覆超硬エンドミル１〜８のうち、本発明被覆超硬エンドミル１〜３および従来被覆超硬エンドミル１〜３については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ１１の板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：５ｍｍ、
径方向切り込み：０．６ｍｍ、
テーブル送り：４５００ｍｍ／分、
の条件での工具鋼の乾式高速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および従来被覆超硬エンドミル４〜６については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１０ｍｍ、
径方向切り込み：０．８ｍｍ、
テーブル送り：５０００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速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および従来被覆超硬エンドミル７，８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：１５ｍｍ、
径方向切り込み：０．５ｍｍ、
テーブル送り：３２００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速高送り側面切削加工試験をそれぞれ行い、いずれの乾式側面切削加工試験でも切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅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８，９にそれぞれ示した。
【００２９】
【表７】
【表８】
【表９】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（超硬基体Ｃ−１〜Ｃ−３形成用）、１３ｍｍ（超硬基体Ｃ−４〜Ｃ−６形成用）、および２６ｍｍ（超硬基体Ｃ−７、Ｃ−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Ｄ−１〜Ｄ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｄ−４〜Ｄ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（超硬基体Ｄ−７、Ｄ−８）の寸法、並びにいずれもねじれ角：３０度の２枚刃形状をもった超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。
【００３３】
ついで、これらの超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、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、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、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表１０に示される目標組成のＳｉ最高含有点とＳｉ最低含有点とが交互に同じく表１０に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合が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１０に示される目標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ドリル（以下、本発明被覆超硬ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００３４】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、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、同じく図２に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、上記実施例１と同一の条件で、表１１に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を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ドリル（以下、従来被覆超硬ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。
【００３５】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜８および従来被覆超硬ドリル１〜８のうち、本発明被覆超硬ドリル１〜３および従来被覆超硬ドリル１〜３については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１６ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ
の条件での鋳鉄の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル４〜６および従来被覆超硬ドリル４〜６については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１５ｍｍ
の条件での炭素鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル７，８および従来被覆超硬ドリル７，８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４３５の板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：２５ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速穴あけ切削加工試験（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１０，１１にそれぞれ示した。
【００３６】
【表１０】
【表１１】
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１〜１６、本発明被覆超硬エンドミル１〜８、および本発明被覆超硬ドリル１〜８、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆超硬チップ１〜１６、従来被覆超硬エンドミル１〜８、および従来被覆超硬ドリル１〜８を構成する硬質被覆層について、厚さ方向に沿ってＴｉ、Ｓｉ、およびＹの含有割合をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、前記本発明被覆超硬工具の硬質被覆層では、Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低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、かつ前記Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉの含有割合がそれぞれ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、さらに硬質被覆層の平均層厚も目標層厚と実質的に同じ値を示した。一方、前記従来被覆超硬工具の硬質被覆層では、目標組成と実質的に同じ組成および目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示すものの、厚さ方向に沿った組成変化は見られず、層全体に亘って均質な組成を示すものであった。
【００３９】
【発明の効果】
表３〜１１に示される結果から、硬質被覆層が層全体に亘ってすぐれた耐熱塑性変形性を具備した状態で、厚さ方向にすぐれた高温硬さと耐熱性を有するＳｉ最高含有点と一段とすぐれた高温強度を有するＳｉ最低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Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合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工具は、いずれも各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、高い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を発揮するのに対して、硬質被覆層が厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる従来被覆超硬工具においては、重切削条件での高速切削加工では前記硬質被覆層の高温強度不足が原因で、チッピングが発生し、これが原因で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高速切削加工を、高い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を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性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】この発明の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。
【図２】従来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通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
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、ＴｉとＳｉとＹ（イットリウム）の複合窒化物層からなる硬質被覆層を０．５〜１５μｍの全体平均層厚で物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具にして、
上記硬質被覆層を、層厚方向にそって、Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低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Ｓｉ最高含有点から前記Ｓｉ最低含有点、前記Ｓｉ最低含有点から前記Ｓｉ最高含有点へＳｉ含有割合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Ｓｉ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ１−（ Ａ ＋ Ｚ ）ＳｉＡ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．４５〜０．６０、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
上記Ｓｉ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ１−（ Ｂ ＋ Ｚ ）ＳｉＢ ＹＺ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｂは０．０３〜０．２５、Ｚ：０．０３〜０．１０を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｓｉ最高含有点とＳｉ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである、
硬質被覆層で構成した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を発揮する
表面被覆超硬合金製切削工具。
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