JP2006346763A - 高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性および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

Abstract

【課題】 高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性および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】表面被覆超硬合金製切削工具の硬質被覆層を、（Ａ）下部層として１層または２種以上で構成され、かつ０．５〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層と、（Ｂ）上部層として、３〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、（ａ）層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＣｒ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、かつ前記両点間でＡｌおよびＣｒ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、（ｂ）上記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点におけるＡｌとＣｒとＺｒの相互含有割合が特定の組成式を満足し、（ｃ）さらに、隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点の間隔が、０．１〜０．５μmであること、以上（ａ）〜（ｃ）を満足するＡｌとＣｒとＺｒの複合酸化物層からなる上部層、で構成する。
【選択図】なし

Description

この発明は、硬質被覆層がすぐれた高温硬さと耐熱性に加えて、すぐれた高温強度を有し、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高い発熱を伴なう高速条件に加えて、高い機械的衝撃が負荷される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、硬質被覆層にチッピング（微少欠け）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。

一般に、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、
（ａ）下部層として、いずれも化学蒸着形成されたＴｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなり、かつ０．５〜１５μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、３〜１５μｍの平均層厚を有し、かつＡｌとＣｒの相互含有割合を示す組成式：（Ａｌ_１−ＭＣｒ_Ｍ）（ただし、原子比で、Ｍは０．３５〜０．６５を示す）を満足し、かつ酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）と酸化クロム（以下、Ｃｒ_２Ｏ_３で示す）の固溶体組織を有するＡｌとＣｒの複合酸化物［以下、（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３で示す］層、
上記の下部層と上部層で構成された硬質被覆層を化学蒸着形成してなる、被覆超硬工具が知られている。
また、上記の従来被覆超硬工具の硬質被覆層を構成する上部層である（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３層が、Ａｌによる高温硬さおよび耐熱性と、Ｃｒによる高温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。

さらに、上記の従来被覆超硬工具が、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８５０〜１０５０℃の範囲内の所定の温度に加熱した後、まず、硬質被覆層の下部層として、例えば表３に示される形成条件でＴｉ化合物層を形成し、ついで、反応ガスとして、容量％で（以下、反応ガスの％は容量％を示す）、
ＡｌＣｌ₃：３．３６〜４．１２％、
ＣｒＣｌ_２：０．０３〜０．２６％、
ＣＯ₂：１１．７０〜１１．９７％、
ＨＣｌ：３．６５〜４．８４％、
Ｈ₂：残り、
からなる組成を有する反応ガスを用い、こ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導入し、装置内の反応ガス圧力を、６〜３０ｋＰａの範囲内の所定の圧力に所定時間保持することにより（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３層からなる同上部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。

また、一般に、上記の従来被覆超硬工具の硬質被覆層の下部層を構成するＴｉ化合物層や（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３層が粒状結晶組織を有し、さらに、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の強度向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
特開昭５４−１５３７５８号公報 特開平６−８０１０号公報

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、これを高い機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削加工を高速で行なうのに用いた場合には、特に硬質被覆層の上部層を構成する層厚方向に沿って一定の組成を有する（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３層の高温硬さおよび耐熱性不足、さらに高温強度不足が原因で、摩耗進行が速くなるばかりでなく、チッピング（微小割れ）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。

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摩耗性および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）上記の化学蒸着装置を用いて形成された従来被覆超硬工具の硬質被覆層の上部層を構成する（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成および固溶体組織を有し、したがって均質な高温硬さと耐熱性、さらに高温強度を有するが、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、前記（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３層に、ＡｌとＣｒの合量に占める割合で、１〜１０原子％のＺｒを含有させた状態で、これに層厚方向にそってＡｌ最高含有点とＣｒ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、反応ガス組成および流量中央制御装置に、前記Ａｌ最高含有点およびＣｒ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およびＣｒ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ＡｌＣｌ_３ガス、ＣｒＣｌ_２ガス、ＺｒＣｌ_４ガス、Ｈ₂ガス、ＣＯ₂ガス、およびＨＣｌ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最高含有点とＣｒ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最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点へＡｌおよびＣｒ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造、およびＡｌ_２Ｏ_３とＣｒ_２Ｏ_３の固溶体素地に酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ_２で示す）が分散分布した組織を有するＡｌとＣｒとＺｒの複合酸化物［以下、（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２で示す］層からなる上部層が形成されるようになること。

（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２層において、
上記Ａｌ最高含有点におけるＡｌとＣｒとＺｒの相互含有割合を示す組成式：［Ａｌ_{１−（Ａ＋Ｂ）}Ｃｒ_ＡＺｒ_Ｂ］（ただし、原子比で、Ａは０．０２〜０．１５、Ｂは０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ｃｒ最高含有点におけるＣｒとＡｌとＺｒの相互含有割合を示す組成式：［Ｃｒ_{１−（Ｘ＋Ｙ）}Ａｌ_ＸＺｒ_Ｙ］（ただし、原子比で、Ｘは０．０２〜０．１５、Ｙは０．０１〜０．１０を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点の厚さ方向の間隔を０．１〜０．５μmとすると、
上記Ａｌ最高含有点部分では、上記の従来（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３層に比してＡｌの含有割合が相対的に高く、Ｃｒのそれはきわめて低いものとなるので、これのもつ高温硬さおよび耐熱性に比して一段とすぐれた高温硬さおよび耐熱性を具備する反面、一方高温強度は低いものとなり、また、上記Ｃｒ最高含有点部分では、前記Ａｌ最高含有点部分に比してＡｌ含有量が低く、相対的にＣｒ含有量の高いものとなるので、一段と高い高温強度を具備する反面、高温硬さおよび耐熱性の低いものとなるが、これらＡｌ最高含有点とＣｒ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一段とすぐれた高温硬さと耐熱性を保持した状態で、一段とすぐれた高温強度を具備するようになり、さらにＺｒＯ_２の分散含有によって層自体の高温強度が一層向上するようになり、したがって、硬質被覆層の上部層がかかる構成の（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２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摩耗性および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。

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）下部層として、いずれも化学蒸着形成された、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２種以上で構成され、かつ０．５〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（Ｂ）上部層として、３〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
（ａ）化学蒸着形成され、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＣｒ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最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＣｒ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
（ｂ）上記Ａｌ最高含有点におけるＡｌとＣｒとＺｒの相互含有割合を示す組成式：［Ａｌ_{１−（Ａ＋Ｂ）}Ｃｒ_ＡＺｒ_Ｂ］（ただし、原子比で、Ａは０．０２〜０．１５、Ｂは０．０１〜０．１０を示す）、
上記Ｃｒ最高含有点におけるＣｒとＡｌとＺｒの相互含有割合を示す組成式：［Ｃｒ_{１−（Ｘ＋Ｙ）}Ａｌ_ＸＺｒ_Ｙ］（ただし、原子比で、Ｘは０．０２〜０．１５、Ｙは０．０１〜０．１０を示す）、
を満足し、
（ｃ）さらに、隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点の間隔が、０．１〜０．５μmであること、
以上（ａ）〜（ｃ）を満足する（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２層からなる上部層、
上記の下部層と上部層で構成された硬質被覆層を化学蒸着形成してなる、高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性および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。

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）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉ化合物層は、基本的には（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、超硬基体と（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の超硬基体に対する密着性を向上させる作用を有するが、その平均層厚が０．５μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると、切削時の発生熱によって偏摩耗の原因となる熱塑性変形を起し易くなることから、その平均層厚を０．５〜１５μｍと定めた。

（Ｂ）（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２層（上部層）
（ａ）Ａｌ最高含有点の組成
上記した通り（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２層におけるＡｌ成分は高温硬さおよび耐熱性（高温特性）、Ｃｒ成分は高温強度を向上させ、さらにＺｒ成分は一段と高温強度を向上させる作用があり、したがってＡｌ最高含有点では、Ａｌ成分の含有割合を高くして高温硬さおよび耐熱性を一段と向上させ、高熱発生を伴う高速切削に適合したものにしているが、ＡｌとＣｒとＺｒ成分の相互含有割合を示す組成式：［Ａｌ_{１−（Ａ＋Ｂ）}Ｃｒ_ＡＺｒ_Ｂ］で、Ａ値が原子比で（以下同じ）０．１５を越えたり、同Ｂ値が０．１０を越えたりすると、相対的にＡｌの含有割合が低くなることから、層自体の高温硬さおよび耐熱性の低下は避けられず、これが摩耗促進の原因となり、一方、Ａ値が０．０２未満であったり、Ｂ値が０．０１未満であったりすると、すぐれた高温強度を有するＣｒ最高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ることから、Ａｌ最高含有点の組成式：［Ａｌ_{１−（Ａ＋Ｂ）}Ｃｒ_ＡＺｒ_Ｂ］におけるＡ値を０．０２〜０．１５、同Ｂ値を０．０１〜０．１０と定めた。

（ｂ）Ｃｒ最高含有点の組成
上記の通りＡｌ最高含有点は高温特性（高温硬さおよび耐熱性）のすぐれたものであるが、反面高温強度の劣るものであるため、このＡｌ最高含有点の高温強度不足を補う目的で、Ｃｒの含有割合を高くし、さらに高温強度向上効果の著しいＺｒを含有させることによってすぐれた高温強度を有するようになるＣｒ最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであり、しかしＡｌとＣｒとＺｒ成分の相互含有割合を示す組成式：［Ｃｒ_{１−（Ｘ＋Ｙ）}Ａｌ_ＸＺｒ_Ｙ］で、Ａｌの割合を示すＸ値がＣｒとＺｒの合量に占める割合（原子比）で０．０２未満では、所定の高温特性を確保することができず、この結果すぐれた高温特性を有するＡｌ最高含有点が隣接して存在しても層自体の高温特性の低下が避けられなくなり、これが摩耗促進の原因となり、一方同Ｘ値が０．１５を越えると、相対的にＣｒの割合が低くなり過ぎて、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ることから、Ｘ値を０．０２〜０．１５と定めたものであり、同Ｚｒの割合を示すＹ値が０．１０を越えると、層自体の高温特性の低下は避けられず、これが摩耗促進の原因となり、一方、Ｙ値が０．０１未満では、所望の高温強度向上効果が得られないことから、Ｃｒ最高含有点の組成式：［Ｃｒ_{１−（Ｘ＋Ｙ）}Ｃｒ_ＸＺｒ_Ｙ］におけるＸ値を０．０２〜０．１５、同Ｙ値を０．０１〜０．１０と定めた。

（ｃ）Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点間の間隔
その間隔が０．１μm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０．５μmを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＡｌ最高含有点であれば高温強度不足、Ｃｒ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０．１〜０．５μmと定めた。

（ｄ）平均層厚
その平均層厚が３μｍ未満では、所望の耐摩耗性を長期に亘って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３〜１５μｍと定めた。

この発明の被覆超硬工具は、硬質被覆層の上部層が層厚方向にすぐれた高温硬さと耐熱性を有するＡｌ最高含有点と高温強度のすぐれたＣｒ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、かつ前記両点間でＡｌおよびＣｒ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、これによって前記硬質被覆層が下部層であるＴｉ化合物層の具備するすぐれた層間密着性および高温強度と相俟って、すぐれた高温硬さと耐熱性、さらに一段とすぐれた高温強度を有するようになるので、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高速で、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摩耗性および耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのである。

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、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：０．０７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Ａ１〜Ａ１０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（質量比で、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：０．０７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系サーメット製の超硬基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。

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、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される通常の条件にて、表７に示される組み合わせおよび目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、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にデータにしたがって、表４，５に示されるＡｌ最高含有点のＡｌとＣｒとＺｒの相互含有割合を示す目標組成式、およびＣｒ最高含有点のＣｒとＡｌとＺｒの相互含有割合を示す目標組成と反応ガス組成の関係、前記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点間のＡｌとＣｒ含有量の連続変化に対応する反応ガス組成、さらに同じく表７に示される前記両点間の目標間隔および硬質被覆層の上部層としての目標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、ＣＯ₂ガス、およびＨＣｌガス（なお、同じく原料ガスであるＡｌＣｌ₃ガス、ＣｒＣｌ_２、およびＺｒＣｌ₄ガスは、それぞれＡｌＣｌ₃ガス発生器、ＣｒＣｌ_２ガス発生器、およびＺｒＣｌ₄ガス発生器で金属Ａｌ、金属Ｃｒ、および金属ＺｒとＨＣｌガスをそれぞれ反応させることにより形成される）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１０ｋＰａ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４，５に示される上記目標組成式のＡｌ最高含有点とＣｒ最高含有点とが交互に同じく表７に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＣｒ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７に示される目標層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２層を硬質被覆層の上部層として蒸着することにより、本発明被覆超硬工具である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。

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、硬質被覆層の上部層形成に際して、反応ガス吹き出し管から導入される反応ガスを、それぞれ表６に示されるＡｌとＣｒの相互含有割合を示す目標組成式に対応した組成の反応ガスとする以外は同一の条件で、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８に示されるび目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３層を硬質被覆層の上部層として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。

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・ＳＣｒ４２０Ｈの丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａという）での合金鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは２５０ｍ／ｍｉｎ．および２ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは２００ｍ／ｍｉｎ．および０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２５０の丸棒、
切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式連続高速高切り込み切削加工試験（通常の切削速度および切り込みは２５０ｍ／ｍｉｎ．および２．５ｍｍ）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９に示した。

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の上部層について、厚さ方向に沿ってＡｌ、Ｃｒ、およびＺｒ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、Ｃｒ、およびＺｒの含有量を算出したところ、本発明被覆超硬チップ１〜１６の上部層では、Ａｌ最高含有点と、Ｃｒ最高含有点とがそれぞれ実質的に目標組成式を満足する組成および目標間隔と実質的に同じ間隔で交互に繰り返し存在し、かつＡｌ最高含有点からＣｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点からＡｌ最高含有点へＡｌとＣｒ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、一方前記従来被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層の上部層では、実質的に目標組成式を満足する組成を示したが、厚さ方向に沿って組成変化が見られなかった。
また、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉ化合物層の組成についても同様に測定したところ、いずれも目標組成と実質的に同じ組成を示し、さらに、硬質被覆層を構成する上部層および下部層の平均層厚も目標層厚と実質的に同じ値を示した。

表７〜９に示される結果から、硬質被覆層の上部層が層厚方向に、相対的にすぐれた高温硬さと耐熱性を有するＡｌ最高含有点と相対的にすぐれた高温強度を有するＣｒ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最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＣｒ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し、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層が、層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ａｌ−Ｃｒ）_２Ｏ_３層からなる従来被覆超硬チップ１〜１６においては、特に前記硬質被覆層の上部層が、前記本発明被覆超硬チップ１〜１６の上部層の具備する高温硬さおよび耐熱性、さらに高温強度に比して相対的に劣るものであるために、チッピングが発生し易く、かつ摩耗進行の速いものであるために、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。

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示す概略縦断面図である。 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。 この発明の被覆超硬工具を構成する硬質被覆層の上部層の形成に用いられる反応ガス組成自動制御システムである。

Claims (1)

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、
   （Ａ）下部層として、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１層または２種以上で構成され、かつ０．５〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
   （Ｂ）上部層として、３〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
   （ａ）化学蒸着形成され、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＣｒ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最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点、前記Ｃｒ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＣｒ含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
   （ｂ）上記Ａｌ最高含有点におけるＡｌとＣｒとＺｒの相互含有割合を示す組成式：［Ａｌ_{１−（Ａ＋Ｂ）}Ｃｒ_ＡＺｒ_Ｂ］（ただし、原子比で、Ａは０．０２〜０．１５、Ｂは０．０１〜０．１０を示す）、
   上記Ｃｒ最高含有点におけるＣｒとＡｌとＺｒの相互含有割合を示す組成式：［Ｃｒ_{１−（Ｘ＋Ｙ）}Ａｌ_ＸＺｒ_Ｙ］（ただし、原子比で、Ｘは０．０２〜０．１５、Ｙは０．０１〜０．１０を示す）、
   を満足し、
   （ｃ）さらに、隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＣｒ最高含有点の間隔が、０．１〜０．５μmであること、
   以上（ａ）〜（ｃ）を満足するＡｌとＣｒとＺｒの複合酸化物層からなる上部層、
   上記の下部層と上部層で構成された硬質被覆層を化学蒸着形成してなる、高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性および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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