JP3829322B2 - 耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐摩耗被覆層が、炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）表面に対する密着性にすぐれると共に、耐チッピング性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの断続切削を、高い機械的および熱的衝撃の加わる高切込みおよび高送りなどの重切削条件で行った場合にも、前記耐摩耗被覆層に剥離やチッピング（微小欠け）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。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、切削工具には、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。
【０００３】
また、一般に、上記の切削工具として、上記超硬基体の表面に、
（ａ）耐摩耗被覆層の下側硬質層として、例えば図１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を用い、ヒータで装置内を、例えば雰囲気を０．５Ｐａの真空として、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Ｔｉ−Ａｌ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電圧：３５Ｖ、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、または窒素ガスとメタンガスを導入し、一方超硬基体には、例えば−２００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、例えば特開昭６２−５６５６５号公報に記載されるように、組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎおよび同（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｃ１−ＹＮＹ（ただし、原子比で、Ｘは０．１５〜０．６５、Ｙは０．５〜０．９９を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層および複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮで示す］層のうちのいずれかの単層、あるいは両方の複層を、０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着し、
（ｂ）さらに、同上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2Ｏ3で示す）層、および例えば特開昭５７−３９１６８号公報や特開昭６１−２０１７７８号公報に記載されるＡｌ2Ｏ3の素地に酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ2で示す）相が分散分布してなるＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（以下、Ａｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層と云う）のいずれか、または両方を、０．５〜１０μｍの平均層厚で化学蒸着してなる、被覆超硬工具が知られており、これが各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることもよく知られるところである。
【０００４】
【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、切削工具には切削条件にできるだけ影響を受けない汎用性が要求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、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、これを切刃が断続切削形態をとるエンドミルやドリルによる切削加工、さらにスローアウエイチップにあっては断続旋削加工など（以下、これらを総称して「断続切削」という）を高切込みおよび高送りなどの重切削条件で行なう切削加工に用いた場合には、切削時に発生する高い機械的および熱的衝撃によって、前記耐摩耗被覆層が超硬基体表面から剥離し易くなり、また前記耐摩耗被覆層を構成する下側硬質層および上側硬質層とも、きわめて硬質であるために高い機械的および熱的衝撃を伴う重切削条件での断続切削では、前記耐摩耗被覆層にチッピングも発生し易く、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。
【０００５】
【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、上記の従来被覆超硬工具を構成する耐摩耗被覆層の超硬基体表面に対する一段の密着性向上および靭性向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）上記の超硬基体をアークイオンプレーティング装置に装着し、まず、カソード電極を用いずに、
装置内雰囲気温度（超硬基体温度）：３００〜５００℃、
雰囲気ガス：Ａｒ、
雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、
アーク放電電流：（アーク電源−ＯＦＦ）、
超硬基体印加バイアス電圧：−８００〜−１０００Ｖ、
処理時間：２〜１０分、
の条件で上記超硬基体の表面を前処理した後で、さらに超硬基体表面に、カソード電極として金属Ｔｉを用い、
装置内雰囲気温度：４５０〜５５０℃、
雰囲気ガス：Ａｒ、
雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、
アーク放電電流：１００〜２００Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−９００〜１２００Ｖ、
の条件でアークイオンプレーティング表面処理を施すと、上記超硬基体の表面上には、蒸着層としての金属Ｔｉ層の形成はなく、前記超硬基体自体の表面部に、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果に基く判別で、非晶質化層の形成が確認されること。
なお、アークイオンプレーティング装置を用いての金属Ｔｉ層の蒸着形成は、
装置内雰囲気温度：３００〜５００℃、
雰囲気ガス：（使用せず）、
雰囲気圧力：０．１Ｐａ以下の真空、
カソード電極：金属Ｔｉ、
アーク放電電流：５０〜１００Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−３０〜−１００Ｖ、
の条件で一般に行われていること。
【０００６】
（ｂ）上記の表面部に非晶質化層が形成された超硬基体表面に、前記非晶質化層を表面から１〜５０ｎｍの範囲内の平均深さに亘って形成した状態で、上記の従来被覆超硬工具の耐摩耗硬質層の下側硬質層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を、同じくアークイオンプレーティング装置を用いて、きわめて靭性に富んだ窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層を介して形成し、さらに同じく上側硬質層のＡｌ2Ｏ3層および／またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層を、例えば化学蒸着法にて形成すると、前記非晶質化層は高い活性を有し、反応性の高いものであることから、前記ＴｉＮ層の蒸着形成時に、これと反応して前記超硬基体表面と前記ＴｉＮ層との間にはきわめて強固な密着性が確保され、この強固な密着性は前記ＴｉＮ層と前記下側硬質層、および前記下側硬質層と前記上側硬質層の間にも確保されること。
【０００７】
（ｃ）したがって、この結果形成された被覆超硬工具においては、これを高い機械的および熱的衝撃を伴なう、重切削条件での断続切削加工に用いた場合にも、前記耐摩耗被覆層には剥離の発生がなくなり、かつ前記耐摩耗被覆層自体の靭性が前記ＴｉＮ層の介在によって著しく向上し、耐摩耗被覆層のチッピング発生も抑制できることから、前記耐摩耗被覆層のもつすぐれた耐摩耗性が十分に発揮されるようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００８】
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、
（１）アークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成されたＴｉＮ層からなり、かつ０．１〜５μｍの平均層厚を有する下地靭性層、
（２）同じくアークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成された、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（但し、原子比で、Ｘは０．１５〜０．６５を示す）、
を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の単層、または複層からなり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する下側硬質層、
（３）いずれも化学蒸着装置を用いて蒸着形成された、Ａｌ2Ｏ3層、およびＡｌ2Ｏ3の素地にＺｒＯ2相が分散分布してなるＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層のうちのいずれかの単層、または両方の複層からなり、かつ０．５〜１０μｍの平均層厚を有する上側硬質層、
以上（１）〜（３）で構成された耐摩耗被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬工具において、
上記超硬基体の表面部に、アークイオンプレーティング装置を用い、表面から１〜５０ｎｍの範囲内の平均深さに亘って、
（ａ）Ａｒガス雰囲気で、カソード電極を用いずに、前記超硬基体へのバイアス電圧印加のみの条件で前記超硬基体表面を前処理した状態で、
（ｂ）同じくＡｒガス雰囲気とし、カソード電極として設けた金属Ｔｉを用いて発生させたアーク放電雰囲気で、前記超硬基体表面を処理するアークイオンプレーティング表面処理を施して、前記超硬基体表面上に蒸着層としての金属Ｔｉ層の形成なく、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果に基く判別による非晶質化層を形成してなる、
耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を有する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【０００９】
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、超硬基体の表面部に形成された非晶質化層、並びに耐摩耗被覆層について、上記の通り数値限定した理由を説明する。
（１）超硬基体の表面部の非晶質化層
非晶質化層には、上記の通り耐摩耗被覆層（下地靭性層）との間にすぐれた密着性を形成する作用があるが、その深さが１ｎｍ未満では所望のすぐれた密着性を下地靭性層であるＴｉＮ層との間に確保することができず、一方超硬基体表面に対するＴｉＮ層の密着性向上効果は表面からの平均深さが５０ｎｍで十分であることから、その平均深さを１〜５０ｎｍと定めた。
【００１０】
（２）下地靭性層
下地靭性層には、上記の通り耐摩耗被覆層の靭性を向上させ、高い機械的および熱的衝撃を伴う重切削条件での断続切削でも、前記耐摩耗被覆層にチッピングが発生するのを著しく抑制する作用があるが、その平均層厚が０．１μｍ未満では耐摩耗被覆層に所望の靭性を確保することができず、一方その平均層厚が５μｍを越えると、重切削条件での断続切削では前記耐摩耗被覆層に偏摩耗の原因となる塑性変形が発生し易くなることから、その平均層厚を０．１〜５μｍと定めた。
【００１１】
（３）下側硬質層
下側硬質層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層には、耐摩耗被覆層に硬さと靭性を付与せしめ、もってチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を上側硬質層との共存において発揮する作用がある。すなわち前記下側硬質層におけるＡｌは高靭性を有するＴｉＮに対して硬さを高め、もって耐摩耗性を向上させるために固溶するものであり、したがって組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）ＮのＸ値が０．１５未満では所望の硬さ向上効果が得られず、一方その値が０．６５を越えると、耐摩耗被覆層にチッピングが発生し易くなると云う理由によりＸ値を０．１５〜０．６５（原子比）と定めたものである。
また、この場合その平均層厚が０．５μｍ未満では所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚が１５μｍを越えると、耐摩耗被覆層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０．５〜１５μｍと定めた。
【００１２】
（４）上側硬質層
上側硬質層を構成するＡｌ2Ｏ3層およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、上記の下側硬質層と共存した状態で耐摩耗被覆層の耐摩耗性を一段と向上させる作用があるが、その平均層厚が０．５μｍでは所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が１０μｍを越えると、耐摩耗被覆層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０．５〜１０μｍと定めた。
【００１３】
【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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2 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：０．０５のホーニング加工を施して、いずれもスローアウエイチップ形状をもったＩＳＯ規格・ＳＮＧＡ１２０４１２の超硬基体Ａ−１〜Ａ−５をそれぞれ形成した。
【００１４】
ついで、これら超硬基体Ａ−１〜Ａ−５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１に例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、前記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５のそれぞれの表面に、まず、
装置内雰囲気温度（超硬基体温度）：４００℃、
雰囲気ガス：Ａｒ、
雰囲気圧力：３Ｐａ、
カソード電極：（使用せず）、
アーク放電電流：（アーク電源−ＯＦＦ）、
超硬基体印加バイアス電圧：−９００Ｖ、
処理時間：３分、
の条件で前処理した後で、さらに、
装置内雰囲気温度：５００℃、
雰囲気ガス：Ａｒ、
雰囲気圧力：３Ｐａ、
カソード電極：金属Ｔｉ、
アーク放電電流：１５０Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−１０００Ｖ、
の条件でアークイオンプレーティング表面処理を施すことにより、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面からの形成深さは上記の条件でのアークイオンプレーティング表面処理の処理時間を調整することにより行った。
さらに、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５の表面部に形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察（倍率：５０万倍）し、この観察結果に基づいて判別および測定したところ、それぞれ表３，５に示される表面からの平均深さ（５点測定の平均値）を示した。
【００１５】
引き続いて、同じアークイオンプレーティング装置にて、まず、
（ａ）まず、下地靭性層として、
装置内雰囲気温度：５００℃、
雰囲気ガス：窒素ガス、
雰囲気圧力：６Ｐａ、
カソード電極：金属Ｔｉ、
アーク放電電流：７０Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−５０Ｖ、
の条件で、上記の表面部に非晶質化層が形成された超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０のそれぞれの表面に、表３，５に示される目標層厚のＴｉＮ層を蒸着形成し、
（Ｂ）ついで、下側硬質層として、
装置内雰囲気温度：５００℃、
雰囲気ガス：窒素ガス、
雰囲気圧力：６Ｐａ、
カソード電極：種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金、
アーク放電電流：７０Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−９０Ｖ、
の条件で、上記のＴｉＮ層の表面に、それぞれ表３，５に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の単層、または複層を蒸着形成し、
（Ｃ）さらに、上記下側硬質層の表面に、上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、表２に示される条件で同じく表４、６に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のＡｌ2Ｏ3層、またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層を蒸着形成することにより、図２（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概略縦断面図で示される形状を有する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）１〜５、１１、１２、１４をそれぞれ製造した。
【００１６】
また、比較の目的で、表７〜１０に示される通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５の表面に対する上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５の表面部に非晶質化層の形成を行わず、さらに下地靭性層であるＴｉＮ層の形成も行なわない以外は、同一の条件で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）１〜５、１１、１２、１４をそれぞれ製造した。
【００１７】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜５、１１、１２、１４および従来被覆超硬チップ１〜５、１１、１２、１４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・ＳＮＣＭ４３９の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５ｍｍ、
送り：０．１９ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式高切り込み断続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．６ｍｍ、
送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのダイス鋼の乾式高送り断続切削試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ５００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：７ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式高切り込み断続切削試験を行い、いずれの切削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４，６，８，１０に示した。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【表２】
【００２０】
【表３】
【００２１】
【表４】
【００２２】
【表５】
【００２３】
【表６】
【００２４】
【表７】
【００２５】
【表８】
【００２６】
【表９】
【００２７】
【表１０】
【００２８】
（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１１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８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の寸法をもったエンドミル用超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−６、Ｂ−８をそれぞれ製造した。
【００２９】
ついで、これらの超硬基体のうち、Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８を、それぞれ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、これらの表面に上記実施例１と同一の条件で、前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を施して、上記超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面からの形成深さは同じくアークイオンプレーティング表面処理の処理時間を調整することにより行なった。
また、上記超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８の表面部に形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察（倍率：５０万倍）し、この観察結果に基づいて判別および測定したところ、それぞれ表１２，１４に示される表面からの平均深さ（５点測定の平均値）を示した。
【００３０】
引き続いて、同じアークイオンプレーティング装置にて、これらの表面に、いずれも上記実施例１と同一の条件で、まず、下地靭性層として表１２，１４に示される目標層厚のＴｉＮ層を蒸着形成し、ついで下側硬質層として同じく表１２，１４に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の単層、または複層を蒸着形成し、さらに前記下側硬質層の表面に、上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、同じく表２に示される条件で同じく表１３，１５に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のＡｌ2Ｏ3層、またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層を蒸着形成することにより、図３（ａ）に概略正面図で、同（ｂ）に切刃部の概略横断面図で示される形状を有する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、２、４、８、９、１２をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表１６〜１９に示される通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８の表面に対する上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８の表面部に非晶質化層が存在せず、さらに下地靭性層であるＴｉＮ層の形成も行なわない以外は、同一の条件で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、２、４、８、９、１２をそれぞれ製造した。
【００３１】
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１、２、４、８、９、１２および従来被覆超硬エンドミル１、２、４、８、９、１２のうち、本発明被覆超硬エンドミル１、２、９、従来被覆超硬エンドミル１、２、９については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、
回転速度：５３００ｍｉｎ−１、
軸方向切り込み：１２ｍｍ、
径方向切り込み：１．６ｍｍ、
送り：５８５ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での鋳鉄の湿式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、１２、従来被覆超硬エンドミル４、１２については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の板材、
回転速度：２１００ｍｉｎ−１、
軸方向切り込み：２０ｍｍ、
径方向切り込み：２．６ｍｍ、
送り：２５０ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での合金鋼の湿式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８、従来被覆超硬エンドミル８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１（硬さ：ＨＲＣ５２）の板材、
回転速度：６５０ｍｉｎ−１、
軸方向切り込み：２６ｍｍ、
径方向切り込み：１．４ｍｍ、
送り：６８ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での焼入れ鋼の湿式高切り込み側面切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの側面切削加工試験（いずれの試験も水溶性切削油使用）でも外周刃の逃げ面摩耗量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１３，１５にそれぞれ示した。
【００３２】
【表１１】
【００３３】
【表１２】
【００３４】
【表１３】
【００３５】
【表１４】
【００３６】
【表１５】
【００３７】
【表１６】
【００３８】
【表１７】
【００３９】
【表１８】
【００４０】
【表１９】
【００４１】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２形成用）、１３ｍｍ（超硬基体Ｂ−４、Ｂ−６形成用）の２種の丸棒焼結体を用い、この２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Ｃ−１、Ｃ−２）、８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｃ−４、Ｃ−６）の寸法をもったドリル用超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６をそれぞれ製造した。
【００４２】
ついで、これらの超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６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、これら超硬基体の表面に、これらの表面に上記実施例１と同一の条件で、前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を施して、上記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面からの形成深さは同じくアークイオンプレーティング表面処理の処理時間を調整することにより行なった。
また、上記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６の表面部に形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察（倍率：５０万倍）し、この観察結果に基づいて判別および測定したところ、それぞれ表２０，２２に示される表面からの平均深さ（５点測定の平均値）を示した。
【００４３】
引き続いて、同じアークイオンプレーティング装置にて、これらの表面に、いずれも上記実施例１と同一の条件で、まず、下地靭性層として表２０，２２に示される目標層厚のＴｉＮ層を蒸着形成し、ついで下側硬質層として同じく表２０，２２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の単層、または複層を蒸着形成し、さらに上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、同じく表２に示される条件で同じく表２１，２３に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のＡｌ2Ｏ3層、またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層を蒸着形成することすることにより、図４（ａ）に概略正面図で、同（ｂ）に溝形成部の概略横断面図で示される形状を有する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、２、４、６、９、１０、１２をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表２４〜２７に示される通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６の表面に対する上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６の表面部に非晶質化層が存在せず、さらに下地靭性層であるＴｉＮ層の形成も行なわない以外は、同一の条件で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、２、４、６、９、１０、１２をそれぞれ製造した。
【００４４】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜１６および従来被覆超硬ドリル１、２、４、６、９、１０、１２のうち、本発明被覆超硬ドリル１、２、９、１０、従来被覆超硬ドリル１、２、９、１０については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、
切削速度：４８ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件での鋳鉄の湿式高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル４、６、１２、従来被覆超硬ドリル４、６、１２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：５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３８ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件での合金鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高送り穴あけ切削加工試験（いずれの試験も水溶性切削油使用）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２１、２３、２５、および２７にそれぞれ示した。
【００４５】
【表２０】
【００４６】
【表２１】
【００４７】
【表２２】
【００４８】
【表２３】
【００４９】
【表２４】
【００５０】
【表２５】
【００５１】
【表２６】
【００５２】
【表２７】
【００５３】
また、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１〜５、１１、１２、１４、本発明被覆超硬エンドミル１、２、４、８、９、１２、および本発明被覆超硬ドリル１、２、４、６、９、１０、１２、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆超硬チップ１〜５、１１、１２、１４、従来被覆超硬エンドミル、２、４、８、９、１２、および従来被覆超硬ドリル１、２、４、６、９、１０、１２の硬質被覆層の組成および層厚を、エネルギー分散型Ｘ線測定装置およびオージェ分光分析装置、さらに走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、表３〜２７の目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成および平均層厚（任意５ヶ所測定の平均値との比較）を示した。
【００５４】
【発明の効果】
表３〜２７に示される結果から、本発明被覆超硬工具は、いずれもきわめて高い熱的および機械的衝撃を伴なう鋼および鋳鉄の重切削条件での断続切削加工でも、超硬基体表面部に形成された非晶質化層によって前記超硬基体表面と耐摩耗被覆層の間には強固な密着性が確保され、かつ前記耐摩耗被覆層自体がすぐれた靭性を具備することから、前記耐摩耗被覆層に密着性および靭性不足が原因の剥離やチッピングの発生はなく、耐摩耗被覆層は上側硬質層および下側硬質層の共存と相俟ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記非晶質化層および下地靭性層の形成がない従来被覆超硬工具においては、前記重切削条件での断続切削では耐摩耗被覆層の密着性および靭性不足が原因で剥離やチッピングが発生し、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、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削加工は勿論のこと、特に高い機械的および熱的衝撃を伴なう、重切削条件での断続切削加工に用いた場合にも、耐摩耗被覆層が超硬基体表面に対してすぐれた密着性を示し、かつすぐれた靭性も保持し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削加工の汎用性に十分満足に対応でき、切削加工のさらに一段の省力化および省エネ化、さらに低コスト化を可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【図２】（ａ）は被覆超硬チップの概略斜視図、（ｂ）は被覆超硬チップの概略縦断面図である。
【図３】（ａ）は被覆超硬エンドミルの概略正面図、（ｂ）は同切刃部の概略横断面図である。
【図４】（ａ）は被覆超硬ドリルの概略正面図、（ｂ）は同溝形成部の概略横断面図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐摩耗被覆層が、炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）表面に対する密着性にすぐれると共に、耐チッピング性にもすぐれ、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの断続切削を、高い機械的および熱的衝撃の加わる高切込みおよび高送りなどの重切削条件で行った場合にも、前記耐摩耗被覆層に剥離やチッピング（微小欠け）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。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、切削工具には、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。
【０００３】
また、一般に、上記の切削工具として、上記超硬基体の表面に、
（ａ）耐摩耗被覆層の下側硬質層として、例えば図１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を用い、ヒータで装置内を、例えば雰囲気を０．５Ｐａの真空として、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Ｔｉ−Ａｌ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電圧：３５Ｖ、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、または窒素ガスとメタンガスを導入し、一方超硬基体には、例えば−２００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、例えば特開昭６２−５６５６５号公報に記載されるように、組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎおよび同（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｃ１−ＹＮＹ（ただし、原子比で、Ｘは０．１５〜０．６５、Ｙは０．５〜０．９９を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層および複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮで示す］層のうちのいずれかの単層、あるいは両方の複層を、０．５〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着し、
（ｂ）さらに、同上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2Ｏ3で示す）層、および例えば特開昭５７−３９１６８号公報や特開昭６１−２０１７７８号公報に記載されるＡｌ2Ｏ3の素地に酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ2で示す）相が分散分布してなるＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（以下、Ａｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層と云う）のいずれか、または両方を、０．５〜１０μｍの平均層厚で化学蒸着してなる、被覆超硬工具が知られており、これが各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることもよく知られるところである。
【０００４】
【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、切削工具には切削条件にできるだけ影響を受けない汎用性が要求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、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、これを切刃が断続切削形態をとるエンドミルやドリルによる切削加工、さらにスローアウエイチップにあっては断続旋削加工など（以下、これらを総称して「断続切削」という）を高切込みおよび高送りなどの重切削条件で行なう切削加工に用いた場合には、切削時に発生する高い機械的および熱的衝撃によって、前記耐摩耗被覆層が超硬基体表面から剥離し易くなり、また前記耐摩耗被覆層を構成する下側硬質層および上側硬質層とも、きわめて硬質であるために高い機械的および熱的衝撃を伴う重切削条件での断続切削では、前記耐摩耗被覆層にチッピングも発生し易く、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。
【０００５】
【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、上記の従来被覆超硬工具を構成する耐摩耗被覆層の超硬基体表面に対する一段の密着性向上および靭性向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）上記の超硬基体をアークイオンプレーティング装置に装着し、まず、カソード電極を用いずに、
装置内雰囲気温度（超硬基体温度）：３００〜５００℃、
雰囲気ガス：Ａｒ、
雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、
アーク放電電流：（アーク電源−ＯＦＦ）、
超硬基体印加バイアス電圧：−８００〜−１０００Ｖ、
処理時間：２〜１０分、
の条件で上記超硬基体の表面を前処理した後で、さらに超硬基体表面に、カソード電極として金属Ｔｉを用い、
装置内雰囲気温度：４５０〜５５０℃、
雰囲気ガス：Ａｒ、
雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、
アーク放電電流：１００〜２００Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−９００〜１２００Ｖ、
の条件でアークイオンプレーティング表面処理を施すと、上記超硬基体の表面上には、蒸着層としての金属Ｔｉ層の形成はなく、前記超硬基体自体の表面部に、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果に基く判別で、非晶質化層の形成が確認されること。
なお、アークイオンプレーティング装置を用いての金属Ｔｉ層の蒸着形成は、
装置内雰囲気温度：３００〜５００℃、
雰囲気ガス：（使用せず）、
雰囲気圧力：０．１Ｐａ以下の真空、
カソード電極：金属Ｔｉ、
アーク放電電流：５０〜１００Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−３０〜−１００Ｖ、
の条件で一般に行われていること。
【０００６】
（ｂ）上記の表面部に非晶質化層が形成された超硬基体表面に、前記非晶質化層を表面から１〜５０ｎｍの範囲内の平均深さに亘って形成した状態で、上記の従来被覆超硬工具の耐摩耗硬質層の下側硬質層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を、同じくアークイオンプレーティング装置を用いて、きわめて靭性に富んだ窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層を介して形成し、さらに同じく上側硬質層のＡｌ2Ｏ3層および／またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層を、例えば化学蒸着法にて形成すると、前記非晶質化層は高い活性を有し、反応性の高いものであることから、前記ＴｉＮ層の蒸着形成時に、これと反応して前記超硬基体表面と前記ＴｉＮ層との間にはきわめて強固な密着性が確保され、この強固な密着性は前記ＴｉＮ層と前記下側硬質層、および前記下側硬質層と前記上側硬質層の間にも確保されること。
【０００７】
（ｃ）したがって、この結果形成された被覆超硬工具においては、これを高い機械的および熱的衝撃を伴なう、重切削条件での断続切削加工に用いた場合にも、前記耐摩耗被覆層には剥離の発生がなくなり、かつ前記耐摩耗被覆層自体の靭性が前記ＴｉＮ層の介在によって著しく向上し、耐摩耗被覆層のチッピング発生も抑制できることから、前記耐摩耗被覆層のもつすぐれた耐摩耗性が十分に発揮されるようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００８】
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、
（１）アークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成されたＴｉＮ層からなり、かつ０．１〜５μｍの平均層厚を有する下地靭性層、
（２）同じくアークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成された、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（但し、原子比で、Ｘは０．１５〜０．６５を示す）、
を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の単層、または複層からなり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する下側硬質層、
（３）いずれも化学蒸着装置を用いて蒸着形成された、Ａｌ2Ｏ3層、およびＡｌ2Ｏ3の素地にＺｒＯ2相が分散分布してなるＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層のうちのいずれかの単層、または両方の複層からなり、かつ０．５〜１０μｍの平均層厚を有する上側硬質層、
以上（１）〜（３）で構成された耐摩耗被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬工具において、
上記超硬基体の表面部に、アークイオンプレーティング装置を用い、表面から１〜５０ｎｍの範囲内の平均深さに亘って、
（ａ）Ａｒガス雰囲気で、カソード電極を用いずに、前記超硬基体へのバイアス電圧印加のみの条件で前記超硬基体表面を前処理した状態で、
（ｂ）同じくＡｒガス雰囲気とし、カソード電極として設けた金属Ｔｉを用いて発生させたアーク放電雰囲気で、前記超硬基体表面を処理するアークイオンプレーティング表面処理を施して、前記超硬基体表面上に蒸着層としての金属Ｔｉ層の形成なく、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果に基く判別による非晶質化層を形成してなる、
耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を有する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【０００９】
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、超硬基体の表面部に形成された非晶質化層、並びに耐摩耗被覆層について、上記の通り数値限定した理由を説明する。
（１）超硬基体の表面部の非晶質化層
非晶質化層には、上記の通り耐摩耗被覆層（下地靭性層）との間にすぐれた密着性を形成する作用があるが、その深さが１ｎｍ未満では所望のすぐれた密着性を下地靭性層であるＴｉＮ層との間に確保することができず、一方超硬基体表面に対するＴｉＮ層の密着性向上効果は表面からの平均深さが５０ｎｍで十分であることから、その平均深さを１〜５０ｎｍと定めた。
【００１０】
（２）下地靭性層
下地靭性層には、上記の通り耐摩耗被覆層の靭性を向上させ、高い機械的および熱的衝撃を伴う重切削条件での断続切削でも、前記耐摩耗被覆層にチッピングが発生するのを著しく抑制する作用があるが、その平均層厚が０．１μｍ未満では耐摩耗被覆層に所望の靭性を確保することができず、一方その平均層厚が５μｍを越えると、重切削条件での断続切削では前記耐摩耗被覆層に偏摩耗の原因となる塑性変形が発生し易くなることから、その平均層厚を０．１〜５μｍと定めた。
【００１１】
（３）下側硬質層
下側硬質層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層には、耐摩耗被覆層に硬さと靭性を付与せしめ、もってチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を上側硬質層との共存において発揮する作用がある。すなわち前記下側硬質層におけるＡｌは高靭性を有するＴｉＮに対して硬さを高め、もって耐摩耗性を向上させるために固溶するものであり、したがって組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）ＮのＸ値が０．１５未満では所望の硬さ向上効果が得られず、一方その値が０．６５を越えると、耐摩耗被覆層にチッピングが発生し易くなると云う理由によりＸ値を０．１５〜０．６５（原子比）と定めたものである。
また、この場合その平均層厚が０．５μｍ未満では所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚が１５μｍを越えると、耐摩耗被覆層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０．５〜１５μｍと定めた。
【００１２】
（４）上側硬質層
上側硬質層を構成するＡｌ2Ｏ3層およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、上記の下側硬質層と共存した状態で耐摩耗被覆層の耐摩耗性を一段と向上させる作用があるが、その平均層厚が０．５μｍでは所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が１０μｍを越えると、耐摩耗被覆層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０．５〜１０μｍと定めた。
【００１３】
【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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2 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：０．０５のホーニング加工を施して、いずれもスローアウエイチップ形状をもったＩＳＯ規格・ＳＮＧＡ１２０４１２の超硬基体Ａ−１〜Ａ−５をそれぞれ形成した。
【００１４】
ついで、これら超硬基体Ａ−１〜Ａ−５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１に例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、前記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５のそれぞれの表面に、まず、
装置内雰囲気温度（超硬基体温度）：４００℃、
雰囲気ガス：Ａｒ、
雰囲気圧力：３Ｐａ、
カソード電極：（使用せず）、
アーク放電電流：（アーク電源−ＯＦＦ）、
超硬基体印加バイアス電圧：−９００Ｖ、
処理時間：３分、
の条件で前処理した後で、さらに、
装置内雰囲気温度：５００℃、
雰囲気ガス：Ａｒ、
雰囲気圧力：３Ｐａ、
カソード電極：金属Ｔｉ、
アーク放電電流：１５０Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−１０００Ｖ、
の条件でアークイオンプレーティング表面処理を施すことにより、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面からの形成深さは上記の条件でのアークイオンプレーティング表面処理の処理時間を調整することにより行った。
さらに、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５の表面部に形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察（倍率：５０万倍）し、この観察結果に基づいて判別および測定したところ、それぞれ表３，５に示される表面からの平均深さ（５点測定の平均値）を示した。
【００１５】
引き続いて、同じアークイオンプレーティング装置にて、まず、
（ａ）まず、下地靭性層として、
装置内雰囲気温度：５００℃、
雰囲気ガス：窒素ガス、
雰囲気圧力：６Ｐａ、
カソード電極：金属Ｔｉ、
アーク放電電流：７０Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−５０Ｖ、
の条件で、上記の表面部に非晶質化層が形成された超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０のそれぞれの表面に、表３，５に示される目標層厚のＴｉＮ層を蒸着形成し、
（Ｂ）ついで、下側硬質層として、
装置内雰囲気温度：５００℃、
雰囲気ガス：窒素ガス、
雰囲気圧力：６Ｐａ、
カソード電極：種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金、
アーク放電電流：７０Ａ、
超硬基体印加バイアス電圧：−９０Ｖ、
の条件で、上記のＴｉＮ層の表面に、それぞれ表３，５に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の単層、または複層を蒸着形成し、
（Ｃ）さらに、上記下側硬質層の表面に、上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、表２に示される条件で同じく表４、６に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のＡｌ2Ｏ3層、またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層を蒸着形成することにより、図２（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概略縦断面図で示される形状を有する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）１〜５、１１、１２、１４をそれぞれ製造した。
【００１６】
また、比較の目的で、表７〜１０に示される通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５の表面に対する上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−５の表面部に非晶質化層の形成を行わず、さらに下地靭性層であるＴｉＮ層の形成も行なわない以外は、同一の条件で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）１〜５、１１、１２、１４をそれぞれ製造した。
【００１７】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜５、１１、１２、１４および従来被覆超硬チップ１〜５、１１、１２、１４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・ＳＮＣＭ４３９の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５ｍｍ、
送り：０．１９ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式高切り込み断続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．６ｍｍ、
送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのダイス鋼の乾式高送り断続切削試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ５００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：７ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式高切り込み断続切削試験を行い、いずれの切削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４，６，８，１０に示した。
【００１８】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
【表１０】
（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１１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８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の寸法をもったエンドミル用超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−６、Ｂ−８をそれぞれ製造した。
【００２９】
ついで、これらの超硬基体のうち、Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８を、それぞれ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、これらの表面に上記実施例１と同一の条件で、前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を施して、上記超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面からの形成深さは同じくアークイオンプレーティング表面処理の処理時間を調整することにより行なった。
また、上記超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８の表面部に形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察（倍率：５０万倍）し、この観察結果に基づいて判別および測定したところ、それぞれ表１２，１４に示される表面からの平均深さ（５点測定の平均値）を示した。
【００３０】
引き続いて、同じアークイオンプレーティング装置にて、これらの表面に、いずれも上記実施例１と同一の条件で、まず、下地靭性層として表１２，１４に示される目標層厚のＴｉＮ層を蒸着形成し、ついで下側硬質層として同じく表１２，１４に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の単層、または複層を蒸着形成し、さらに前記下側硬質層の表面に、上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、同じく表２に示される条件で同じく表１３，１５に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のＡｌ2Ｏ3層、またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層を蒸着形成することにより、図３（ａ）に概略正面図で、同（ｂ）に切刃部の概略横断面図で示される形状を有する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、２、４、８、９、１２をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表１６〜１９に示される通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８の表面に対する上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８の表面部に非晶質化層が存在せず、さらに下地靭性層であるＴｉＮ層の形成も行なわない以外は、同一の条件で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、２、４、８、９、１２をそれぞれ製造した。
【００３１】
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１、２、４、８、９、１２および従来被覆超硬エンドミル１、２、４、８、９、１２のうち、本発明被覆超硬エンドミル１、２、９、従来被覆超硬エンドミル１、２、９については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、
回転速度：５３００ｍｉｎ−１、
軸方向切り込み：１２ｍｍ、
径方向切り込み：１．６ｍｍ、
送り：５８５ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での鋳鉄の湿式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、１２、従来被覆超硬エンドミル４、１２については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の板材、
回転速度：２１００ｍｉｎ−１、
軸方向切り込み：２０ｍｍ、
径方向切り込み：２．６ｍｍ、
送り：２５０ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での合金鋼の湿式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８、従来被覆超硬エンドミル８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１（硬さ：ＨＲＣ５２）の板材、
回転速度：６５０ｍｉｎ−１、
軸方向切り込み：２６ｍｍ、
径方向切り込み：１．４ｍｍ、
送り：６８ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での焼入れ鋼の湿式高切り込み側面切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの側面切削加工試験（いずれの試験も水溶性切削油使用）でも外周刃の逃げ面摩耗量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１３，１５にそれぞれ示した。
【００３２】
【表１１】
【表１２】
【表１３】
【表１４】
【表１５】
【表１６】
【表１７】
【表１８】
【表１９】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（超硬基体Ｂ−１、Ｂ−２形成用）、１３ｍｍ（超硬基体Ｂ−４、Ｂ−６形成用）の２種の丸棒焼結体を用い、この２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Ｃ−１、Ｃ−２）、８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｃ−４、Ｃ−６）の寸法をもったドリル用超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６をそれぞれ製造した。
【００４２】
ついで、これらの超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６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、これら超硬基体の表面に、これらの表面に上記実施例１と同一の条件で、前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を施して、上記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６の表面部に非晶質化層を形成した。なお、前記非晶質化層の表面からの形成深さは同じくアークイオンプレーティング表面処理の処理時間を調整することにより行なった。
また、上記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６の表面部に形成された非晶質化層を、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察（倍率：５０万倍）し、この観察結果に基づいて判別および測定したところ、それぞれ表２０，２２に示される表面からの平均深さ（５点測定の平均値）を示した。
【００４３】
引き続いて、同じアークイオンプレーティング装置にて、これらの表面に、いずれも上記実施例１と同一の条件で、まず、下地靭性層として表２０，２２に示される目標層厚のＴｉＮ層を蒸着形成し、ついで下側硬質層として同じく表２０，２２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の単層、または複層を蒸着形成し、さらに上側硬質層として、通常の化学蒸着装置を用い、同じく表２に示される条件で同じく表２１，２３に示される目標層厚のα型またはκ型結晶構造のＡｌ2Ｏ3層、またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層を蒸着形成することすることにより、図４（ａ）に概略正面図で、同（ｂ）に溝形成部の概略横断面図で示される形状を有する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、２、４、６、９、１０、１２をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表２４〜２７に示される通り、アークイオンプレーティング装置での上記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６の表面に対する上記条件での前処理およびアークイオンプレーティング表面処理を行わず、したがって、上記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−４、Ｃ−６の表面部に非晶質化層が存在せず、さらに下地靭性層であるＴｉＮ層の形成も行なわない以外は、同一の条件で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、２、４、６、９、１０、１２をそれぞれ製造した。
【００４４】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜１６および従来被覆超硬ドリル１、２、４、６、９、１０、１２のうち、本発明被覆超硬ドリル１、２、９、１０、従来被覆超硬ドリル１、２、９、１０については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、
切削速度：４８ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件での鋳鉄の湿式高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル４、６、１２、従来被覆超硬ドリル４、６、１２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：５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３８ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件での合金鋼の湿式高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高送り穴あけ切削加工試験（いずれの試験も水溶性切削油使用）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２１、２３、２５、および２７にそれぞれ示した。
【００４５】
【表２０】
【表２１】
【表２２】
【表２３】
【表２４】
【表２５】
【表２６】
【表２７】
また、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１〜５、１１、１２、１４、本発明被覆超硬エンドミル１、２、４、８、９、１２、および本発明被覆超硬ドリル１、２、４、６、９、１０、１２、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆超硬チップ１〜５、１１、１２、１４、従来被覆超硬エンドミル、２、４、８、９、１２、および従来被覆超硬ドリル１、２、４、６、９、１０、１２の硬質被覆層の組成および層厚を、エネルギー分散型Ｘ線測定装置およびオージェ分光分析装置、さらに走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、表３〜２７の目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成および平均層厚（任意５ヶ所測定の平均値との比較）を示した。
【００５４】
【発明の効果】
表３〜２７に示される結果から、本発明被覆超硬工具は、いずれもきわめて高い熱的および機械的衝撃を伴なう鋼および鋳鉄の重切削条件での断続切削加工でも、超硬基体表面部に形成された非晶質化層によって前記超硬基体表面と耐摩耗被覆層の間には強固な密着性が確保され、かつ前記耐摩耗被覆層自体がすぐれた靭性を具備することから、前記耐摩耗被覆層に密着性および靭性不足が原因の剥離やチッピングの発生はなく、耐摩耗被覆層は上側硬質層および下側硬質層の共存と相俟ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記非晶質化層および下地靭性層の形成がない従来被覆超硬工具においては、前記重切削条件での断続切削では耐摩耗被覆層の密着性および靭性不足が原因で剥離やチッピングが発生し、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、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削加工は勿論のこと、特に高い機械的および熱的衝撃を伴なう、重切削条件での断続切削加工に用いた場合にも、耐摩耗被覆層が超硬基体表面に対してすぐれた密着性を示し、かつすぐれた靭性も保持し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削加工の汎用性に十分満足に対応でき、切削加工のさらに一段の省力化および省エネ化、さらに低コスト化を可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【図２】（ａ）は被覆超硬チップの概略斜視図、（ｂ）は被覆超硬チップの概略縦断面図である。
【図３】（ａ）は被覆超硬エンドミルの概略正面図、（ｂ）は同切刃部の概略横断面図である。
【図４】（ａ）は被覆超硬ドリルの概略正面図、（ｂ）は同溝形成部の概略横断面図である。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金基体（超硬基体）の表面に、
（１）アークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成された窒化チタン層からなり、かつ０．１〜５μｍの平均層厚を有する下地靭性層、
（２）同じくアークイオンプレーティング装置を用いて蒸着形成された、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（但し、原子比で、Ｘは０．１５〜０．６５を示す）、
を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層の単層、または複層からなり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する下側硬質層、
（３）いずれも化学蒸着装置を用いて蒸着形成された、酸化アルミニウム層、および酸化アルミニウムの素地に酸化ジルコニウム相が分散分布してなる酸化アルミニウム−酸化ジルコニウム混合層のうちのいずれかの単層、または両方の複層からなり、かつ０．５〜１０μｍの平均層厚を有する上側硬質層、
以上（１）〜（３）で構成された耐摩耗被覆層を蒸着形成してなる表面被覆超硬合金製切削工具において、
上記超硬基体の表面部に、アークイオンプレーティング装置を用い、表面から１〜５０ｎｍの範囲内の平均深さに亘って、
（ａ）Ａｒガス雰囲気で、カソード電極を用いずに、前記超硬基体へのバイアス電圧印加のみの条件で前記超硬基体表面を前処理した状態で、
（ｂ）同じくＡｒガス雰囲気とし、カソード電極として設けた金属Ｔｉを用いて発生させたアーク放電雰囲気で、前記超硬基体表面を処理するアークイオンプレーティング表面処理を施して、前記超硬基体表面上に蒸着層としての金属Ｔｉ層の形成なく、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果に基く判別による非晶質化層を形成したこと、
を特徴とする耐摩耗被覆層がすぐれた密着性および耐チッピング性を有する表面被覆超硬合金製切削工具。
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