JP2006334740A - 高反応性被削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高反応性被削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗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】 表面被覆超硬合金製切削工具が、超硬基体の表面に、（ａ）いずれも（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は０．５〜１．５μｍ、前記下部層は２〜６μｍの層厚をそれぞれ有し、（ｂ）上記上部層は、いずれも５〜２０ｎｍ（ナノメ−タ−）の層厚を有する薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、上記薄層Ａ及び上記薄層Ｂは、特定な組成式を満足する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、からなり、（ｃ）上記下部層は、単一相構造を有し、組成式：［Ｃｒ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＴａ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．４５〜０．６５、Ｆは０．０１〜０．０９を示す）を満足する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる。
【選択図】なし

Description

この発明は、特にＴｉ合金や高Ｓｉ含有Ａｌ合金、さらに快削鋼などのきわめて反応性の高い被削材の高い発熱を伴う高速切削加工に用いた場合にも、硬質被覆層が前記高反応性被削材に対してきわめて低い反応性を示し、この結果すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようにな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。

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、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。

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）基サーメットで構成された超硬基体の表面に、単一相構造を有し、かつ、
組成式：［Ｃｒ_1-X Ａｌ_X ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．６５を示す）、
を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を２〜８μｍの平均層厚で蒸着形成してなる被覆超硬工具が知られており、かかる従来被覆超硬工具においては、硬質被覆層を構成する前記（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層が、構成成分であるＡｌによって高温硬さ、同Ｃｒによって高温強度、さらにＣｒとＡｌの共存含有によって耐熱性を具備することから、切削時に相対的に高い発熱を伴うＮｉ合金、Ｃｏ合金、Ｔｉ合金などの耐熱合金、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐摩耗性を示すことも知られている。

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５００℃の温度に加熱した状態で、硬質被覆層である（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層の組成に対応した組成を有するＣｒ−Ａｌ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に、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−１００Ｖ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（Ｃｒ，Ａｌ）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。
特許第３０２７５０２号明細書

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にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを切削時に相対的に高い発熱を伴う前記耐熱合金、高硬度鋼の切削加工を通常の切削加工条件で行うのに用いた場合には、良好な耐摩耗性を発揮し、通常の切削性能を示し問題はないが、特にＴｉ合金や高Ｓｉ含有Ａｌ合金、さらに快削鋼などのきわめて反応性の高い被削材の切削加工を、高熱発生を伴なう高速切削加工条件で行うのに用いた場合には、特に硬質被覆層と前記高反応性被削材との反応が、高熱発生に伴って促進されることと相俟って、急速に進行するようになり、この結果比較的短時間で摩耗寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に上記高反応性被削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗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の硬質被覆層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層に着目し、研究を行った結果、
（ａ）上記の従来被覆層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層において、これにＴａ成分を含有させて、ＣｒとＡｌとＴａの複合窒化物［以下、（Ｃｒ, Ａｌ,Ｔａ）Ｎで示す］層とすると、Ｔａ成分の割合を多くすればするほど高反応性被削材との反応性は低下するようになるが、上記の従来（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層における１〜９原子％程度のＴａ含有割合では、前記高反応性被削材との反応を、高熱発生を伴う高速切削加工で満足に抑制することはできず、高速切削加工で前記高反応性被削材との反応を満足抑制するには前記１〜９原子％をはるかに越えた５０〜７０原子％のＴａ含有が必要であり、一方５０〜７０原子％のＴａ成分を含有した（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層を硬質被覆層として実用に供するには、所定量のＣｒを含有させて所定の高温強度を確保する必要があるが、この場合Ａｌ成分の含有割合は著しく低い状態となるのが避けられず、この結果高温硬さおよび耐熱性のきわめて低いものとなること。

（ｂ）上記（ａ）の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層において、Ｔａ含有割合をきわめて高く、一方Ｔａ成分の含有割合を高めた分、Ａｌ含有割合を低くして、

組成式：[Ｃｒ_{1-（Ａ＋Ｂ）}Ａｌ_ＡＴａ_Ｂ]Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．０１〜０．１０、Ｂは０．５０〜０．７０を示す）を満足する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層と、
Ａｌ含有割合を相対的に高くし、一方Ｔａ含有割合を相対的に低くして、
組成式：[Ｃｒ_{1-（Ｃ＋Ｄ）}Ａｌ_ＣＴａ_Ｄ]Ｎ（ただし、原子比で、Ｃは０．３０〜０．４５、Ｄは０．２０〜０．３５を示す）を満足する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、
を、それぞれの一層平均層厚を５〜２０ｎｍ（ナノメーター）の薄層とした状態で、交互積層すると、この結果の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層は、薄層の交互積層構造によって、上記の高Ｔａ含有の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層（以下、薄層Ａという）のもつすぐれた被削材反応抑制効果と、前記薄層Ａに比して相対的にＴａ含有割合を低く、かつＡｌ含有割合を高くした（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層（以下、薄層Ｂという）のもつ相対的に高い高温硬さおよび耐熱性とを具備するようになるので、硬質被覆層として実用に供することができるようになること。

（ｃ）上記（ｂ）の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層は、高反応性被削材の高速切削加工で要求される、被削材反応抑制効果を有するものの、十分満足な高温硬さおよび耐熱性を有するものではないので、これを硬質被覆層の上部層として設け、一方同下部層として、被削材反応抑制効果は不十分であるが、相対的にＡｌ成分の含有割合が高く、すぐれた高温硬さと耐熱性を具備する上記の従来硬質被覆層に相当する組成を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、すなわち、
組成式：［Ｃｒ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＴａ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．４５〜０．６５、Ｆは０．０１〜０．０９を示す）を満足する、単一相構造の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、
を設けた構造にすると、この結果の硬質被覆層は、一段とすぐれた被削材反応抑制効果に加えて、高温硬さと耐熱性、さらに高温強度を備えたものとなるので、この硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬工具は、上記の高反応性被削材の高い高熱発生を伴う高速切削加工でも、前記高反応性被削材と硬質被覆層との反応摩耗が著しく抑制された状態で切削が行われ、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。

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、
（ａ）いずれも（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は０．５〜１．５μｍ、前記下部層は２〜６μｍの層厚をそれぞれ有し、
（ｂ）上記上部層は、いずれも５〜２０ｎｍ（ナノメ−タ−）の層厚を有する薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
上記薄層Ａは、
組成式：［Ｃｒ_{1-（Ａ＋Ｂ）}Ａｌ_ＡＴａ_Ｂ］Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．０１〜０．１０、Ｂは０．５０〜０．７０を示す）を満足する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、
上記薄層Ｂは、
組成式：［Ｃｒ_{1-（Ｃ＋Ｄ）}Ａｌ_ＣＴａ_Ｄ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｃは０．３０〜０．４５、Ｄは０．２０〜０．３５を示す）を満足する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、からなり、
（ｃ）上記下部層は、単一相構造を有し、
組成式：［Ｃｒ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＴａ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．４５〜０．６５、Ｆは０．０１〜０．０９を示す）を満足する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、高反応性被削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた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。

つぎに、この発明の被覆超硬工具の硬質被覆層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）下部層の組成式および層厚
上記の通り、硬質被覆層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層におけるＡｌ成分には高温硬さ,同Ｃｒ成分には高温強度を向上させると共に、ＡｌおよびＣｒが共存含有した状態で耐熱性を向上させ、さらに同Ｔａ成分には被削材との反応性を著しく低減させる作用があり、下部層ではＡｌ成分の含有割合を全体的に多くして、高い高温硬さおよび耐熱性を具備せしめるが、Ａｌの含有割合を示すＥ値がＣｒとＴａとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．４５未満では、高速切削加工に要求されるすぐれた高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、摩耗進行が急激に促進するようになり、一方Ａｌの割合を示すＥ値が同０．６５を越えると、相対的にＣｒの割合が少なくなり過ぎて、高温強度が急激に低下し、この結果チッピング（微少欠け）などが発生し易くなることから、Ｅ値を０．４５〜０．６５と定めた。
また、Ｔａの割合を示すＦ値がＣｒとＡｌとの合量に占める割合で、０．０１未満では、所定の被削材反応抑制効果を確保することができず、一方同Ｆ値が０．０９を超えると、高温強度が急激に低下するようになることから、Ｆ値を０．０１〜０．０９と定めた。
さらに、その層厚が２μｍ未満では、自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その層厚が６μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その層厚を２〜６μｍと定めた。

（ｂ）上部層の薄層Ａの組成式
上部層の薄層Ａの（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）ＮにおけるＴａ成分は、上記の通りその含有割合をできるだけ高くして、被削材反応抑制効果を一段と向上させ、もって高熱発生を伴う高反応性被削材の高速切削加工での反応摩耗低減を図る目的で含有するものであり、したがってＢ値が０．５０未満では所望のすぐれた被削材反応抑制効果を確保することができず、一方Ｂ値が０．７０を越えると、相対的にＣｒ成分の含有割合が少なくなり過ぎて、層自体が具備すべき高温強度を確保することができなくなることから、Ｂ値を０．５０〜０．７０と定めた。
また、Ａｌの割合を示すＡ値がＣｒとＴａとの合量に占める割合で、０．０１未満では、最低限の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、摩耗促進の原因となり、一方同Ａ値が０．１０を超えると、高温強度が低下するようになり、チッピング発生の原因となることから、Ａ値を０．０１〜０．１０と定めた。

（ｃ）上部層の薄層Ｂの組成式
上部層の薄層Ｂにおいては、上記薄層Ａに比してＴａ成分の含有割合を相対的に低くし、かつＡｌ成分の含有割合を相対的に高く維持することで、前記薄層Ａに不足する高温硬さおよび耐熱性を具備せしめ、隣接する薄層Ａの高温硬さおよび耐熱性不足を補強し、もって、前記薄層Ａの有するすぐれた被削材反応抑制効果と、前記薄層Ｂの有する相対的に高い高温硬さおよび耐熱性を具備した上部層を形成するものであるが、組成式におけるＡｌの含有割合を示すＣ値が０．３０未満になると、所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、摩耗進行が促進するようになり、一方同Ｃ値が０．４５を越えると、上部層全体の高温強度低下は避けられず、チッピング発生の原因となることから、Ｃ値を０．３０〜０．４５と定めた。
また、Ｔａの割合を示すＤ値がＣｒとＡｌとの合量に占める割合で、０．２０未満では、上部層全体の被削材反応抑制効果の低下が避けられず、一方同Ｄ値が０．３５を超えると、上部層全体の高温強度が急激に低下するようになることから、Ｄ値を０．２０〜０．３５と定めた。

（ｄ）上部層の薄層Ａと薄層Ｂの層厚
それぞれの層厚が５ｎｍ未満ではそれぞれの薄層を上記の組成で明確に形成することが困難であり、この結果上部層に所望のすぐれた被削材反応抑制効果、さらに所定の高温硬さと耐熱性を確保することができなくなり、またそれぞれの層厚が２０ｎｍを越えるとそれぞれの薄層がもつ欠点、すなわち薄層Ａであれば高温硬さと耐熱性不足、薄層Ｂであれば被削材反応抑制効果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、摩耗進行が促進するようになることから、それぞれの層厚を５〜２０ｎｍと定めた。

（ｅ）上部層の層厚
その層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつすぐれた被削材反応抑制効果および所定の高温硬さと耐熱性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その層厚が１．５μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その層厚を０．５〜１．５μｍと定めた。

この発明の被覆超硬工具は、硬質被覆層が（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなるが、硬質被覆層の上部層を薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造とすることによって、所定の高温硬さと耐熱性を保持した状態で、すぐれた被削材反応抑制効果を具備せしめ、同単一相構造の下部層が相対的にすぐれた高温硬さと耐熱性を有することから、特にＴｉ合金や高Ｓｉ含有Ａｌ合金、さらに快削鋼などのきわめて反応性の高い被削材の高い発熱を伴う高速切削加工でも、前記硬質被覆層の反応摩耗が著しく抑制されるようになり、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものである。

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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃr₃ Ｃ₂ 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、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８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。

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・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。

（ａ）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、一方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表３，４に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ａ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）として、同じくそれぞれ表３，４に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ｂ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、また前記両Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金から９０度ずれた位置に前記回転テーブルに沿ってカソード電極（蒸発源）として下部層形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金を装着し、
（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超硬基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記下部層形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ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、もって超硬基体表面を前記Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金によってボンバード洗浄し、
（ｃ）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−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記下部層形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ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、もって前記超硬基体の表面に、表３，４に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）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、前記回転テーブル上で自転しながら回転する超硬基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層Ａ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金のカソード電極とアノード電極との間に５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記超硬基体の表面に所定層厚の薄層Ａを形成し、前記薄層Ａ形成後、アーク放電を停止し、代って前記薄層Ｂ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金のカソード電極とアノード電極間に同じく５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、所定層厚の薄層Ｂを形成した後、アーク放電を停止し（この場合薄層Ｂの形成から開始してもよい）、再び前記薄層Ａ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ａの形成と、前記薄層Ｂ形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ｂの形成を交互に繰り返し行い、もって前記超硬基体の表面に、層厚方向に沿って表３，４に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を同じく表３，４に示される全体目標層厚で蒸着形成することにより、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。

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、それぞれ表５に示される目標組成に対応した成分組成をもったＣｒ−Ａｌ−Ｔａ合金を装着し、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Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ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、もって超硬基体表面を前記Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金でボンバード洗浄し、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、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ｃｒ−Ａｌ−Ｔａ合金の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の単一相構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、従来被覆超硬工具に相当する比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬製スローアウエイチップ（以下、比較被覆超硬チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の各種の被覆チップを、いずれも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、本発明被覆超硬チップ１〜１６および比較被覆超硬チップ１〜１６について、

被削材：ＪＩＳ・ＡＣ９Ｂ（組成、質量％で、Ａｌ−１９％Ｓｉ−１％Ｃｕ−１％Ｍｇ−１％Ｎｉ）の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ａ）での高Ｓｉ含有Ａｌ合金の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、

被削材：ＪＩＳ・６０種（組成、質量％で、Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．２ｍｍ、
送り ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｂ）でのＴｉ合金の乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は４０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＭ２２（組成、質量％で、Ｆｅ−１％Ｍｎ−０．３％Ｓ−０．１％Ｐ）の丸棒、
切削速度：４２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｃ）での快削鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）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。

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、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４枚刃スクエア形状をもったＷＣ基超硬合金製の超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらの超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８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、上記実施例１と同一の条件で、表８に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる下部層と、同じく層厚方向に沿って表８に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を同じく表８に示される全体目標層厚で蒸着形成することにより、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。

また、比較の目的で、上記の超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８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２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、同じく表９に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具に相当する比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬製エンドミル（以下、比較被覆超硬エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１〜８および比較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および比較被覆超硬エンドミル１〜３については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもった上記組成（質量％で、Ｆｅ−１％Ｍｎ−０．３％Ｓ−０．１％Ｐ）のＪＩＳ・ＳＵＭ２２の板材、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１．８ｍｍ、
テーブル送り：８００ｍｍ／分、
の条件での快削鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）、本発明被覆超硬エンドミル４〜６および比較被覆超硬エンドミル４〜６ については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもった上記組成（質量％で、Ａｌ−１９％Ｓｉ−１％Ｃｕ−１％Ｍｇ−１％Ｎｉ）のＪＩＳ・ＡＣ９Ｂの板材、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：４ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、

の条件での高Ｓｉ含有Ａｌ合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）、本発明被覆超硬エンドミル７〜８および比較被覆超硬エンドミル７〜８については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもった上記組成（質量％で、Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ）のＪＩＳ・６０種の板材、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：８ｍｍ、
テーブル送り：２５０ｍｍ／分、
の条件でのＴｉ合金の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は４０ｍ／ｍｉｎ．）、
をそれぞれ行い、いずれの溝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に至るまでの切削溝長を測定した。この測定結果を表８，９にそれぞれ示した。

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ＷＣ基超硬合金製の超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。

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、表１０に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる下部層と、同じく層厚方向に沿って表１０に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を同じく表１０に示される全体目標層厚で蒸着形成することにより、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。

また、比較の目的で、上記の超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の表面に、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、同じく表１１に示される目標組成および目標層厚の単一相構造を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具に相当する比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬製ドリル（以下、比較被覆超硬ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜８および比較被覆超硬ドリル１〜８のうち、本発明被覆超硬ドリル１〜３および比較被覆超硬ドリル１〜３については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０、厚さ：５０ｍｍの寸法をもった上記組成（質量％で、Ｆｅ−１％Ｍｎ−０．３％Ｓ−０．１％Ｐ）のＪＩＳ・ＳＵＭ２２の板材、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：６ｍｍ、
の条件での快削鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は４５ｍ／ｍｉｎ．）、

本発明被覆超硬ドリル４〜６および比較被覆超硬ドリル４〜６については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもった上記組成（質量％で、Ａｌ−１９％Ｓｉ−１％Ｃｕ−１％Ｍｇ−１％Ｎｉ）のＪＩＳ・ＡＣ９Ｂの板材、
切削速度：１４０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１０ｍｍ、

の条件での高Ｓｉ含有Ａｌ合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は７０ｍ／ｍｉｎ．）、

本発明被覆超硬ドリル７〜８および比較被覆超硬ドリル７〜８については、

被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもった上記組成（質量％で、Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ）のＪＩＳ・６０種の板材、
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：２０ｍｍ、
の条件でのＴｉ合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は３０ｍ／ｍｉｎ．）、
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。

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の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる硬質被覆層を構成する上部層の薄層Ａおよび薄層Ｂ、さらに同下部層の組成、並びに従来被覆超硬工具に相当する比較被覆超硬工具としての比較被覆超硬チップ１〜１６、比較被覆超硬エンドミル１〜８、および比較被覆超硬ドリル１〜８の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる硬質被覆層の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。

また、上記の硬質被覆層の構成層の平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

表３〜１１に示される結果から、本発明被覆超硬工具は、いずれも硬質被覆層がそれぞれ組成の異なる、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎからなる単一相構造の下部層と、層厚がそれぞれ５〜２０ｎｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有する上部層で構成され、前記下部層がすぐれた高温硬さおよび耐熱性、さらに前記上部層がすぐれた被削材反応抑制効果を有し、硬質被覆層はこれらのすぐれた特性を兼ね備えたものとなるので、特にＴｉ合金や高Ｓｉ含有Ａｌ合金、さらに快削鋼などのきわめて反応性の高い被削材の高い発熱を伴う高速切削加工に用いた場合にも、前記硬質被覆層と高反応性被削材との間で反応摩耗が著しく抑制された状態で切削が行われるので、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が単一相構造の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｔａ）Ｎ層からなる比較被覆超硬工具は、前記高反応性被削材の高速切削加工では、特に前記硬質被覆層と高反応性被削材との間の反応摩耗が著しく、この結果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、特に各種の炭素鋼や低合金鋼、さらに普通鋳鉄などの高速切削条件での切削加工は勿論のこと、特に上記の高反応性被削材の高熱発生を伴なう高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであり、被削材に対して汎用性を有するものであるから、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。

本発明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。 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)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された超硬基体の表面に、
   （ａ）いずれもＣｒとＡｌとＴａの複合窒化物からなる上部層と下部層で構成し、前記上部層は０．５〜１．５μｍ、前記下部層は２〜６μｍの層厚をそれぞれ有し、
   （ｂ）上記上部層は、いずれも５〜２０ｎｍ（ナノメ−タ−）の層厚を有する薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
   上記薄層Ａは、
   組成式：［Ｃｒ_{1-（Ａ＋Ｂ）}Ａｌ_ＡＴａ_Ｂ］Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．０１〜０．１０、Ｂは０．５０〜０．７０を示す）を満足するＣｒとＡｌとＴａの複合窒化物層、
   上記薄層Ｂは、
   組成式：［Ｃｒ_{1-（Ｃ＋Ｄ）}Ａｌ_ＣＴａ_Ｄ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｃは０．３０〜０．４５、Ｄは０．２０〜０．３５を示す）を満足するＣｒとＡｌとＴａの複合窒化物層、からなり、
   （ｃ）上記下部層は、単一相構造を有し、
   組成式：［Ｃｒ_{1-（Ｅ＋Ｆ）}Ａｌ_ＥＴａ_Ｆ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｅは０．４５〜０．６５、Ｆは０．０１〜０．０９を示す）を満足するＣｒとＡｌとＴａの複合窒化物層、
   からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、高反応性被削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具。

Images