JP2007038381A - 難削材の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表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】難削材の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または炭窒化チタン基サーメットからなる超硬基体の表面に、（ａ）０．５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ特定の組成式：（Ｔｉ_1-ＺＡｌ_Ｚ）Ｎを満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる基体密着層、（ｂ）１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ特定の組成式：（Ｃｒ_{1-（X＋Ｙ）}Ａｌ_XＳｉ_Ｙ）Ｎを満足する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層、（ｃ）０．１〜１．５μｍの平均層厚を有する窒化バナジウム層からなる層間密着層、（ｄ）１〜５μｍの平均層厚を有し、かつＶＯ_Ｍ（酸化バナジウム）の素地に、前記ＶＯ_Ｍとの合量に占める割合で、０．５〜７原子％の金属Ｖが分散分布した組織を有するＶ分散ＶＯ_Ｍ層からなる上部層、以上（ａ）〜（ｄ）で構成された硬質被覆層を形成してなる。
【選択図】 なし

Description

この発明は、特にステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の切削加工を高切り込みや高送りなどの重切削条件で行った場合に、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。

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、
組成式：（Ｃｒ_{1-（Ｘ＋Ｙ）}Ａｌ_ＸＳｉ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．７０、Ｙは０．０１〜０．２０を示す）、
を満足するＣｒとＡｌとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具が知られており、かつ前記被覆超硬工具の硬質被覆層である（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層が、構成成分であるＣｒによって高温強度、同Ａｌによって高温硬さと耐熱性を具備し、さらにＳｉの含有によって一段と耐熱性の向上したものになっていることから、これを各種の一般鋼や普通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、アノード電極と所定組成を有するＣｒ−Ａｌ−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−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，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。
特開２００２−３３７００７号

近年の切削加工装置のＦＡ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、切削工具には被削材の材種にできるだけ影響を受けない汎用性、すなわち、できるだけ多くの材種の切削加工が可能な切削工具が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、これを低合金鋼や炭素鋼などの一般鋼や、ダクタイル鋳鉄やねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄などの切削加工に用いた場合には問題はないが、特に切粉の粘性が高く、かつ工具表面に溶着し易いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材（被削材）の切削加工を、切刃部に高負荷が局部的にかかる高切り込みや高送りなどの重切削条件で行った場合には、切削時の発熱によって被削材および切粉は高温に加熱されて粘性度が一段と増大し、これに伴なって硬質被覆層表面に対する粘着性および反応性が一段と増すようになるばかりでなく、硬質被覆層である前記（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層の超硬基体表面に対する密着性が十分でないために、前記難削材の重切削条件での切削加工では、切刃部におけるチッピング（微少欠け）の発生が急激に増加し、これが原因で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、特に難削材の切削加工を高切り込みや高送りなどの重切削条件で行った場合に、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に着目し、研究を行った結果、
（ａ）上記従来被覆超硬工具の硬質被覆層である（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を下部層として１〜５μｍの平均層厚で形成し、これの上に上部層として酸化バナジウム（以下、ＶＯ_Ｍで示す。ただし、Ｍは酸素のバナジウムに対する相対含有割合の変化値を示し、原子比で、ＶＯ、Ｖ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_５、およびＶＯ_２などを示す）層を同じく１〜５μｍの平均層厚で形成すると、前記ＶＯ_Ｍ層は表面滑り性にすぐれ、この結果切削時の発熱で被削材（難削材）およびその切粉が高温加熱された状態でも切刃部（すくい面および逃げ面と、これら両面が交わる切刃稜線部）と被削材および切粉との間には常にすぐれた滑り性が確保され、前記被削材および切粉の切刃部表面に対する粘着性および反応性が著しく低減し、前記下部層である（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を十分に保護することから、（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のもつすぐれた特性が長期に亘って十分に発揮されるようになること。

（ｂ）上記（ａ）のＶＯ_Ｍ層を構成するＶＯ_Ｍを素地とし、これに前記ＶＯ_Ｍとの合量に占める割合で０．５〜７原子％の金属バナジウム（以下、金属Ｖで示す）を分散含有させて、ＶＯ_Ｍの素地に金属Ｖが分散分布した組織を有するＶ分散ＶＯ_Ｍ層とすると、この結果のＶ分散ＶＯ_Ｍ層においては、素地に分散分布する金属Ｖが、切削時の高い発熱雰囲気で酸化して、ＶＯ_Ｍとなるが、この生成ＶＯ_Ｍが同じくＶＯ_Ｍからなる素地の摩耗進行を著しく抑制するように作用することから、上記（ａ）のＶＯ_Ｍ層に比してすぐれた耐摩耗性を示すようになること。
さらに、上記のＶ分散ＶＯ_Ｍ層は、例えば金属Ｖ粉末を酸化雰囲気で加熱酸化してＶＯ_Ｍ粉末とし、これに所定量の金属Ｖ粉末を配合し、混合し、圧粉体にプレス成形した後、この圧粉体を、Ａｒ雰囲気中、１４００℃の温度に１時間保持の条件で焼結して、V分散ＶＯ_Ｍ焼結体を製造し、この結果得られたV分散ＶＯ_Ｍ焼結体をスパッタリング装置のカソード電極として用い、Ａｒ雰囲気中でスパッタ蒸着することにより形成できること。、

（ｃ）一方、上部層である上記Ｖ分散ＶＯ_Ｍ層と下部層である（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層との密着性は十分でなく、特に断続切削を行った場合に前記の層間の密着性不足が原因でチッピングが発生し易いが、前記Ｖ分散ＶＯ_Ｍ層と（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層との間に窒化バナジウム（以下、ＶＮで示す）層を０．１〜１．５μｍの平均層厚で介在させると、前記ＶＮ層は前記Ｖ分散ＶＯ_Ｍ層および（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のいずれとも強固に密着することから、これら両層間にはすぐれた密着性が確保されるようになること。

（ｄ）また、上記の通り上記（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層の超硬基体表面に対する密着性は、難削材の重切削条件での切削加工に十分満足に耐えられるものではないが、ＴｉとＡｌの複合窒化物層［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層を、組成式：（Ｔｉ_1-ＺＡｌ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｚは０．３０〜０．７０を示す）を満足した状態で、かつ０．５〜２μｍの平均層厚で介在させると、前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は超硬基体表面および（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のいずれとも強固に密着することから、これら両者間にはすぐれた密着性が確保されるようになること。

（ｅ）上記（ａ）〜（ｄ）で構成された硬質被覆層は、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（以下、ＡＩＰ装置と略記する）とスパッタリング装置（以下、ＳＰ装置と略記する）が共存の蒸着装置、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、一方側に前記ＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）として金属Ｖ、他方側に前記ＳＰ装置のカソード電極（蒸発源）としてＶ分散ＶＯ_Ｍ焼結体を対向配置し、さらに前記回転テーブルに沿って、かつ前記金属ＶおよびＶ分散ＶＯ_Ｍ焼結体のそれぞれから９０度離れた位置の一方側に前記ＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）として所定の組成を有するＣｒ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側に同じくＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）として所定の組成を有するＴｉ−Ａｌ合金を配置した蒸着装置を用い、この装置の前記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、基本的に、まず前記Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極（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、基体密着層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を０．５〜２μｍの平均層厚で蒸着した後、前記Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、引き続いて装置内雰囲気を窒素雰囲気に保持したままで、前記Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極（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、下部層として（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を１〜５μｍの平均層厚で蒸着し、ついで前記Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間のアーク放電を停止し、同じく装置内雰囲気を窒素雰囲気に保持したままで、前記ＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）である金属Ｖとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、層間密着層としてＶＮ層を０．１〜１．５μｍの平均層厚で蒸着した後、前記蒸着装置内の雰囲気をＡｒ雰囲気とすると共に、前記ＳＰ装置のカソード電極（蒸発源）として配置したＶ分散ＶＯ_Ｍ焼結体のスパッタリングを行って前記ＶＮ層に重ねて上部層として１〜５μｍの平均層厚でＶ分散ＶＯ_Ｍ層を蒸着することにより形成することができること。

（ｆ）上記の基体密着層、下部層、層間密着層、および上部層で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬工具は、特に粘性および粘着性の高いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の切削加工を、高負荷のかかる高切り込みや高送りなどの重切削条件で行っても、前記基体密着層を介して超硬基体表面に強固に密着接合した下部層である（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層がすぐれた高温硬さと耐熱性、さらにすぐれた高温強度を有し、かつ層間密着層としてのＶＮ層の介在によって前記下部層との間にすぐれた密着接合性が確保されたＶ分散ＶＯ_Ｍ層の作用で、前記難削材および切粉との間にすぐれた表面滑り性が確保され、前記難削材および切粉の切刃部表面に対する粘着性および反応性は著しく低減された状態で切削加工が行われるようになることから、切刃部におけるチッピングの発生がなくなり、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｆ）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）０．５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｔｉ_1-ＺＡｌ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｚは０．３０〜０．７０を示す）、
を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる基体密着層、
（ｂ）１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｃｒ_{1-（X＋Ｙ）}Ａｌ_XＳｉ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．７０、Ｙは０．０１〜０．２０を示す）、
を満足する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層、
（ｃ）０．１〜１．５μｍの平均層厚を有するＶＮ層からなる層間密着層、
（ｄ）１〜５μｍの平均層厚を有し、かつＶＯ_Ｍの素地に、前記ＶＯ_Ｍとの合量に占める割合で、０．５〜７原子％の金属Ｖが分散分布した組織を有するＶ分散ＶＯ_Ｍ層からなる上部層、
以上（ａ）〜（ｄ）で構成された硬質被覆層を形成してなる、難削材の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の構成層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）基体密着層の組成および平均層厚
上記の下部層である（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層において、Ｓｉ成分には層自体の耐熱性を一段と向上させ、もって耐摩耗性向上に寄与する作用を有する反面、特に超硬基体表面に対する密着性を低下させる成分であり、したがって、基体密着層を（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層で構成し、これの構成成分であるＴｉの作用で超硬基体表面および下部層のいずれにも強固な密着性を確保するようにしたものであり、一方同Ａｌ成分の含有で、下部層におけると同様に層自体の高温硬さおよび耐熱性を向上させて、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するものであるが、Ａｌの割合を示すＺ値がＴｉとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で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、これが耐摩耗性低下の原因となり、一方Ａｌの割合を示すＺ値が同０．７０を越えると、相対的にＴｉの割合が０．３０未満となってしまい、超硬基体表面および下部層間に所望のすぐれた密着性を確保することができなくなることから、Ｚ値を０．３０〜０．７０と定めたものである。
また、その平均層厚が０．５μｍ未満では、超硬基体表面および下部層間に所望のすぐれた密着性を確保することができず、一方その平均層厚が２μｍを越えると、上記の粘性の高い難削材の重切削加工では硬質被覆層の耐摩耗性を低下させる原因となることから、その平均層厚を０．５〜２μｍと定めた。

（ｂ）下部層の組成および平均層厚
下部層を構成する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層におけるＡｌ成分には高温硬さと耐熱性、同Ｃｒ成分には高温強度を向上させ、さらにＳｉ成分には耐熱性を一段と向上させる作用があるが、Ａｌの割合を示すＸ値がＣｒとＳｉの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．４０未満になると、相対的にＣｒの割合が多くなり過ぎて、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、この結果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Ｘ値が同０．７０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、この結果切刃部にチッピングなどが発生し易くなることから、Ｘ値を０．４０〜０．７０と定めたものであり、さらにＳｉの割合を示すＹ値がＣｒとＡｌの合量に占める割合で０．０１未満では所望の耐熱性向上効果が得られず、一方同Ｙ値が０．２０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、Ｙ値を０．０１〜０．２０と定めた。
また、その平均層厚が１μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方その平均層厚が５μｍを越えると、上記の粘性の高い難削材の切削加工では切刃部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１〜５μｍと定めた。

（ｃ）層間密着層の平均層厚
その平均層厚が０．１μｍ未満では、上部層と下部層の間に強固な接合強度を確保することができず、一方その平均層厚が１．５μｍを越えると、硬質被覆層の強度が層間密着層部分で急激に低下するようになり、これがチッピング発生の原因となることから、その平均層厚を０．１〜１．５μｍと定めた。

（ｄ）上部層の平均層厚および分散金属Ｖの含有割合
上部層を構成するＶ分散ＶＯ_Ｍ層は、すぐれた表面滑り性を有し、上記の通り被削材（難削材）および切粉に対する粘着性および反応性がきわめて低く、これは切削時に前記被削材が高温加熱された状態でも変わることなく維持されることから、下部層である（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を前記高温加熱された被削材および切粉から保護し、これのチッピング発生を抑制する作用を発揮するが、その平均層厚が１μｍ未満では、前記作用に所望の効果が得られず、一方その平均層厚が５μｍを越えて厚くなり過ぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜５μｍと定めた。
また、上記のＶ分散ＶＯ_Ｍ層における金属Ｖには、上記の通り切削時の高い発熱雰囲気で酸化して、ＶＯ_Ｍとなり、この結果の生成ＶＯ_Ｍが同じくＶＯ_Ｍからなる素地の摩耗進行を著しく抑制する作用があり、したがって、前記Ｖ分散ＶＯ_Ｍ層は、素地を構成するＶＯ_ＭだけからなるＶＯ_Ｍ層に比してすぐれた耐摩耗性を示すが、金属Ｖの含有割合が、素地のＶＯ_Ｍ層との合量に占める割合で０．５原子％未満では所望の耐摩耗性向上効果が得られず、一方金属Ｖの含有割合が、同７原子％を超えると、層自体の強度が急激に低下し、チッピング発生の原因となることから、その含有割合を０．５〜７原子％と定めた。

この発明の被覆超硬工具は、硬質被覆層を構成する下部層の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層が、基体密着層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の作用で超硬基体表面に強固に密着接合した状態で、すぐれた高温硬さと耐熱性、さらにすぐれた高温強度を有し、かつ同層間密着層としてのＶＮ層によって強固に密着接合した上部層としてのＶ分散ＶＯ_Ｍ層によって、被削材（難削材）および切粉との間にすぐれた表面滑り性が確保されることから、特に粘性および粘着性の高いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の高負荷のかかる重切削加工でも、すぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を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（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：０．０３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。

さらに、硬質被覆層の上部層形成用カソード電極（蒸発源）として、まず、平均粒径：０．８μｍの金属Ｖ粉末を用意し、これを１０Ｐａの酸化雰囲気中、温度：１０００℃に１時間保持の条件で加熱酸化処理して、ＶＯ_Ｍ粉末とし、これに同じく平均粒径：０．８μｍの金属Ｖ粉末を所定量配合し、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Ａｒ雰囲気中、１２００〜１４００℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で焼結することにより、金属Ｖを所定の割合で分散含有したＶ分散ＶＯ_Ｍ焼結体を調製した。

（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に示される蒸着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ＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）として層間密着層形成用金属Ｖ、他方側のＳＰ装置のカソード電極（蒸発源）として上部層形成用Ｖ分散ＶＯ_Ｍ焼結体を対向配置し、さらに前記回転テーブルに沿って、かつ前記金属ＶおよびＶ分散ＶＯ_Ｍ焼結体のそれぞれから９０度離れた位置の一方側にＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）として所定の組成を有する下部層形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側に同じくＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）として所定の組成を有する基体密着層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金を配置し、
（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、かつカソード電極の前記基体密着層形成用Ｔｉ−Ａｌ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Ｔｉ−Ａｌ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４Ｐａ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、かつカソード電極の前記Ｔｉ−Ａｌ合金とアノード電極との間に１２０Ａ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（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層の基体密着層として蒸着形成し、
（ｄ）上記基体密着層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内の雰囲気を同じ４Ｐａの窒素雰囲気に保持すると共に、超硬基体への直流バイアス電圧も同じく−１００Ｖとしたままで、カソード電極の前記Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ合金とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記基体密着層の上に、表３，４に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｅ）上記の下部層形成用Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内の雰囲気を同じく４Ｐａの窒素雰囲気に保持すると共に、超硬基体への直流バイアス電圧も同じく−１００Ｖとした条件で、カソード電極の前記金属Ｖとアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって同じく表３，４に示される目標層厚のＶＮ層を硬質被覆層の層間密着層として蒸着形成し、
（ｆ）上記金属Ｖとアノード電極とのアーク放電を停止し、前記蒸着装置内の雰囲気を０．５ＰａのＡｒ雰囲気とすると共に、前記ＳＰ装置のカソード電極（蒸発源）として配置したＶ分散ＶＯ_Ｍ焼結体に、スパッタ出力：３ｋＷの条件でスパッタリングを開始し、同じく表３，４に示される目標層厚を有し、かつ金属Ｖ目標含有割合に相当する金属Ｖをそれぞれ分散含有したＶ分散ＶＯ_Ｍ層を硬質被覆層の上部層として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）として種々の成分組成をもったＣｒ−Ａｌ−Ｓｉ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−Ｓｉ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−Ｓｉ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４Ｐａ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−Ｓｉ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５，６に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬製スローアウエイチップ（以下、従来被覆チップと云う）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、本発明被覆チップ１〜１６および従来被覆チップ１〜１６について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３１６の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａ）でのステンレス鋼の乾式断続高切り込み切削加工試験（通常の切り込みは１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｂ）での軟鋼の乾式連続高切り込み切削加工試験（通常の切り込みは１．２ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ１の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｃ）での高マンガン鋼の乾式断続高送り切削加工試験（通常の送りは０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．）、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７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８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に示される蒸着装置に装入し、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の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる基体密着層および（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層と、同じく表９に示される目標層厚のＶＮ層からなる層間密着層と、さらに同じく表９に示される目標層厚を有し、かつ金属Ｖ目標含有割合に相当する金属Ｖをそれぞれ分散含有したＶ分散ＶＯ_Ｍ層からなる上部層で構成された硬質被覆層を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１０に示される目標組成および目標層厚の（Ｃｒ，Ａｌ，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製エンドミル（以下、従来被覆エンドミルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明被覆エンドミル１〜８および従来被覆エンドミル１〜８のうち、本発明被覆エンドミル１〜３および従来被覆エンドミル１〜３については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：５．５ｍｍ、
テーブル送り：１２０ｍｍ／分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高切り込み溝切削加工試験（通常の溝深さは３ｍｍ）、本発明被覆エンドミル４〜６および従来被覆エンドミル４〜６については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ１の板材、
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：５ｍｍ、
テーブル送り：２３０ｍｍ／分、
の条件での高マンガン鋼の乾式高送り溝切削加工試験（通常のテーブル送りは１５０ｍｍ／分）、本発明被覆エンドミル７，８および従来被覆エンドミル７，８については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの板材、
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１５ｍｍ、
テーブル送り：１５０ｍｍ／分、
の条件での軟鋼の乾式高切り込み溝切削加工試験（通常の溝深さは１０ｍｍ）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９，１０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に示される蒸着装置に装入し、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の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる基体密着層および（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる下部層と、同じく表１１に示される目標層厚のＶＮ層からなる層間密着層と、さらに同じく表１１に示される目標層厚を有し、かつ金属Ｖ目標含有割合に相当する金属Ｖをそれぞれ分散含有したＶ分散ＶＯ_Ｍ層からなる上部層で構成された硬質被覆層を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１２に示される目標組成および目標層厚を有する（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬製ドリル（以下、従来被覆ドリルと云う）１〜８をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明被覆ドリル１〜８および従来被覆ドリル１〜８のうち、本発明被覆ドリル１〜３および従来被覆ドリル１〜３については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＵＳ３１６の板材、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは０．３５ｍｍ／ｒｅｖ）、本発明被覆ドリル４〜６および従来被覆ドリル４〜６については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ１の板材、
切削速度：１１０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ、
の条件での高マンガン鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは０．３ｍｍ／ｒｅｖ）、本発明被覆ドリル７，８および従来被覆ドリル７，８については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの板材、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．５５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：２８ｍｍ、
の条件での軟鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験（通常の送りは０．３ｍｍ／ｒｅｖ）、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１１，１２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チップ１〜１６、本発明被覆エンドミル１〜８、および本発明被覆ドリル１〜８の硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層（基体密着層）および（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層（下部層）の組成、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆チップ１〜１６、従来被覆エンドミル１〜８、および従来被覆ドリル１〜８の（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層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。
さらに、本発明被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＶ分散ＶＯ_Ｍ層（上部層）の組成を同じく透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、素地に分散する金属Ｖは目標含有割合と実質的に同じ含有割合を示し、さらに、ＶＯ_Ｍの素地は、組成式で、ＶＯを主体とし、これにＶ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_５、およびＶＯ_２などが含有する混合組織を示した。

また、上記の硬質被覆層の構成層の平均層厚を走査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３〜１２に示される結果から、本発明被覆超硬工具は、いずれも特に粘性および粘着性の高いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工でも、硬質被覆層の下部層である（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層が基体密着層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層によって超硬基体表面に強固に密着接合した状態で、すぐれた高温硬さと耐熱性、さらにすぐれた高温強度を有し、かつ層間密着層としてのＶＮ層によって前記下部層に強固に密着したＶ分散ＶＯ_Ｍ層によって、前記被削材および切粉との間にすぐれた表面滑り性が確保されることから、チッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層で構成された従来被覆超硬工具においては、いずれも前記難削材の重切削加工では被削材（難削材）および切粉と前記硬質被覆層との粘着性および反応性が一段と高くなり、かつ、前記硬質被覆層の超硬基体表面に対する密着性も不十分であるために、切刃部にチッピングが発生するようになり、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、一般鋼や普通鋳鉄などの切削加工は勿論のこと、特に上記の難削材の重切削加工で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切削性能を示すものであるから、切削加工装置のＦＡ化、並びに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蒸着装置を示し、（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）０．５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ｔｉ_1-ＺＡｌ_Ｚ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｚは０．３０〜０．７０を示す）、
   を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる基体密着層、
   （ｂ）１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ｃｒ_{1-（X＋Ｙ）}Ａｌ_XＳｉ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．７０、Ｙは０．０１〜０．２０を示す）、
   を満足するＣｒとＡｌとＳｉの複合窒化物層からなる下部層、
   （ｃ）０．１〜１．５μｍの平均層厚を有する窒化バナジウム層からなる層間密着層、
   （ｄ）１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ酸化バナジウムの素地に、前記酸化バナジウムとの合量に占める割合で、０．５〜７原子％の金属バナジウムが分散分布した組織を有する金属バナジウム分散酸化バナジウム層からなる上部層、
   以上（ａ）〜（ｄ）で構成された硬質被覆層を形成してなる、難削材の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表面被覆超硬合金製切削工具。

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