JP3829324B2 - 耐摩耗被覆層がすぐれた密着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、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）例えば通常の化学蒸着装置を用い、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層以上の複層からなり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する下側被覆層、
（ｂ）同じく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、または両方で構成され、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する上側被覆層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された耐摩耗被覆層を蒸着してなる、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）を高切り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、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を図るべく研究を行った結果、
（ａ）上記の超硬基体を、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被覆層の下側被覆層を形成し、さらに同じく上側被覆層を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、前記下側被覆層の蒸着形成時に、これと反応して前記超硬基体表面と前記下側被覆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下側被覆層と前記上側被覆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）ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上の複層（以下、これらを総称してＴｉ化合物層という）からなり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する下側被覆層、
（２）Ａｌ2Ｏ3層、およびＡｌ2Ｏ3の素地にＺｒＯ2相が分散分布してなるＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層のいずれか、または両方で構成され、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する上側被覆層、
以上（１）および（２）で構成された耐摩耗被覆層を化学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（下側被覆層）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確保することができず、一方超硬基体表面に対する下側被覆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）下側被覆層
下側被覆層を構成するＴｉ化合物層には、基本的に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０．５μｍ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１５μｍ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０．５〜１５μｍと定めた。
【００１１】
（３）上側被覆層
下側硬質層を構成するＡｌ2Ｏ3層、およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層には、耐摩耗被覆層に硬さと耐熱性を付与せしめ、もって上記下側被覆層との共存においてチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮せしめる作用があるが、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】
【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０．５〜４μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ（質量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＷＣ＝３０／７０）粉末、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）粉末、Ｃｒ3Ｃ2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の圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、１４１０℃に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃稜線部にＲ：０．０５のホーニング加工を施すことにより、ＩＳＯ・ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状をもった超硬基体Ａ−１〜Ａ−６をそれぞれ製造した。
【００１３】
ついで、これら超硬基体Ａ−１〜Ａ−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〜Ｆ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〜Ｆ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。
また、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−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３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。
【００１４】
ついで、これらの超硬基体Ａ−１〜Ａ−６の表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表２（表中の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る）に示される条件にて、表３に示される組成および目標層厚のＴｉ化合物層（下側被覆層）と、Ａｌ2Ｏ3層および／またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（上側被覆層）からなる耐摩耗被覆層を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と云う）１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１５】
また、比較の目的で、表４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−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Ａ−１〜Ａ−６の表面部に非晶質化層の形成を行わない以外は、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と云う）１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１６】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１０および従来被覆超硬チップ１〜１０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・ＳＣＭ４４０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：５．３ｍｍ、
送り：０．１８ｍｍ／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・Ｓ２０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１３５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．４ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式高送り断続切削試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：７ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での球状黒鉛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５に示した。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【表２】
【００１９】
【表３】
【００２０】
【表４】
【００２１】
【表５】
【００２２】
（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６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６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−８をそれぞれ製造した。
【００２３】
ついで、これらの超硬基体Ｂ−１〜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−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−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７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。
【００２４】
引き続いて、通常の化学蒸着装置を用い、これらの表面に、表２に示される条件にて、表７に示される組成および目標層厚のＴｉ化合物層（下側被覆層）と、Ａｌ2Ｏ3層および／またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（上側被覆層）からなる耐摩耗被覆層を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）１〜８をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表８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−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−８の表面部に非晶質化層の形成を行わない以外は、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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００２５】
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・ＦＣ２５０の板材、
回転速度：５５００ｍｉｎ-1、
軸方向切り込み：１２ｍｍ、
径方向切り込み：１．６ｍｍ、
送り：５９０ｍｍ／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４〜６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・Ｓ１０Ｃの板材、
回転速度：２２００ｍｉｎ-1、
軸方向切り込み：２０ｍｍ、
径方向切り込み：２．５ｍｍ、
送り：２６０ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での炭素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・ＳＫＤ６１（硬さ：ＨＲＣ５２）の板材、
回転速度：６７０ｍｉｎ-1、
軸方向切り込み：２６ｍｍ、
径方向切り込み：１．４ｍｍ、
送り：７０ｍｍ／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７，８にそれぞれ示した。
【００２６】
【表６】
【００２７】
【表７】
【００２８】
【表８】
【００２９】
（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−３形成用）、１３ｍｍ（超硬基体Ｂ−４〜Ｂ−６形成用）、および２６ｍｍ（超硬基体Ｂ−７、Ｂ−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Ｃ−１〜Ｃ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｃ−４〜Ｃ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（超硬基体Ｃ−７、Ｃ−８）の寸法をもったドリル用超硬基体Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００３０】
ついで、これらの超硬基体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、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−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Ｃ−１〜Ｃ−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９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。
【００３１】
引き続いて、通常の化学蒸着装置を用い、これらの表面に、表２に示される条件にて、表９に示される組成および目標層厚のＴｉ化合物層（下側被覆層）と、Ａｌ2Ｏ3層および／またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（上側被覆層）からなる耐摩耗被覆層を形成することにより、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）１〜８をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表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Ｃ−１〜Ｃ−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Ｃ−１〜Ｃ−８の表面部に非晶質化層の形成を行わない以外は、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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００３２】
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×２５０厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ２５０の板材、
切削速度：４８ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４１ｍｍ／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・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３６ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件での炭素鋼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・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度：６５ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４２ｍｍ／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９，１０にそれぞれ示した。
【００３３】
【表９】
【００３４】
【表１０】
【００３５】
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１〜２０、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１〜２０、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３〜１０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。
【００３６】
【発明の効果】
表３〜１０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ることから、前記耐摩耗被覆層に密着性不足が原因の剥離の発生はなく、耐摩耗被覆層はすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、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、切刃は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、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、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）例えば通常の化学蒸着装置を用い、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層以上の複層からなり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する下側被覆層、
（ｂ）同じく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、または両方で構成され、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する上側被覆層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された耐摩耗被覆層を蒸着してなる、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）を高切り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、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を図るべく研究を行った結果、
（ａ）上記の超硬基体を、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被覆層の下側被覆層を形成し、さらに同じく上側被覆層を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、前記下側被覆層の蒸着形成時に、これと反応して前記超硬基体表面と前記下側被覆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下側被覆層と前記上側被覆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）ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上の複層（以下、これらを総称してＴｉ化合物層という）からなり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する下側被覆層、
（２）Ａｌ2Ｏ3層、およびＡｌ2Ｏ3の素地にＺｒＯ2相が分散分布してなるＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層のいずれか、または両方で構成され、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する上側被覆層、
以上（１）および（２）で構成された耐摩耗被覆層を化学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（下側被覆層）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確保することができず、一方超硬基体表面に対する下側被覆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）下側被覆層
下側被覆層を構成するＴｉ化合物層には、基本的に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０．５μｍ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１５μｍ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０．５〜１５μｍと定めた。
【００１１】
（３）上側被覆層
下側硬質層を構成するＡｌ2Ｏ3層、およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層には、耐摩耗被覆層に硬さと耐熱性を付与せしめ、もって上記下側被覆層との共存においてチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮せしめる作用があるが、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】
【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０．５〜４μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ（質量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＷＣ＝３０／７０）粉末、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）粉末、Ｃｒ3Ｃ2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の圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、１４１０℃に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃稜線部にＲ：０．０５のホーニング加工を施すことにより、ＩＳＯ・ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状をもった超硬基体Ａ−１〜Ａ−６をそれぞれ製造した。
【００１３】
ついで、これら超硬基体Ａ−１〜Ａ−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〜Ｆ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〜Ｆ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。
また、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−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３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。
【００１４】
ついで、これらの超硬基体Ａ−１〜Ａ−６の表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表２（表中の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る）に示される条件にて、表３に示される組成および目標層厚のＴｉ化合物層（下側被覆層）と、Ａｌ2Ｏ3層および／またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（上側被覆層）からなる耐摩耗被覆層を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と云う）１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１５】
また、比較の目的で、表４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−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Ａ−１〜Ａ−６の表面部に非晶質化層の形成を行わない以外は、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と云う）１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１６】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１０および従来被覆超硬チップ１〜１０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・ＳＣＭ４４０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：５．３ｍｍ、
送り：０．１８ｍｍ／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・Ｓ２０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１３５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．４ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式高送り断続切削試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：７ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での球状黒鉛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５に示した。
【００１７】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
（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６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６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−８をそれぞれ製造した。
【００２３】
ついで、これらの超硬基体Ｂ−１〜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−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−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７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。
【００２４】
引き続いて、通常の化学蒸着装置を用い、これらの表面に、表２に示される条件にて、表７に示される組成および目標層厚のＴｉ化合物層（下側被覆層）と、Ａｌ2Ｏ3層および／またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（上側被覆層）からなる耐摩耗被覆層を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）１〜８をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表８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−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−８の表面部に非晶質化層の形成を行わない以外は、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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００２５】
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・ＦＣ２５０の板材、
回転速度：５５００ｍｉｎ-1、
軸方向切り込み：１２ｍｍ、
径方向切り込み：１．６ｍｍ、
送り：５９０ｍｍ／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４〜６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・Ｓ１０Ｃの板材、
回転速度：２２００ｍｉｎ-1、
軸方向切り込み：２０ｍｍ、
径方向切り込み：２．５ｍｍ、
送り：２６０ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での炭素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・ＳＫＤ６１（硬さ：ＨＲＣ５２）の板材、
回転速度：６７０ｍｉｎ-1、
軸方向切り込み：２６ｍｍ、
径方向切り込み：１．４ｍｍ、
送り：７０ｍｍ／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７，８にそれぞれ示した。
【００２６】
【表６】
【表７】
【表８】
（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−３形成用）、１３ｍｍ（超硬基体Ｂ−４〜Ｂ−６形成用）、および２６ｍｍ（超硬基体Ｂ−７、Ｂ−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Ｃ−１〜Ｃ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｃ−４〜Ｃ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（超硬基体Ｃ−７、Ｃ−８）の寸法をもったドリル用超硬基体Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００３０】
ついで、これらの超硬基体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、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−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Ｃ−１〜Ｃ−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９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。
【００３１】
引き続いて、通常の化学蒸着装置を用い、これらの表面に、表２に示される条件にて、表９に示される組成および目標層厚のＴｉ化合物層（下側被覆層）と、Ａｌ2Ｏ3層および／またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（上側被覆層）からなる耐摩耗被覆層を形成することにより、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）１〜８をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表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Ｃ−１〜Ｃ−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Ｃ−１〜Ｃ−８の表面部に非晶質化層の形成を行わない以外は、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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００３２】
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×２５０厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ２５０の板材、
切削速度：４８ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４１ｍｍ／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・Ｓ１０Ｃの板材、
切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３６ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件での炭素鋼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・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度：６５ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４２ｍｍ／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９，１０にそれぞれ示した。
【００３３】
【表９】
【表１０】
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１〜２０、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１〜２０、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３〜１０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。
【００３６】
【発明の効果】
表３〜１０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ることから、前記耐摩耗被覆層に密着性不足が原因の剥離の発生はなく、耐摩耗被覆層はすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、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、切刃は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、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）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層以上の複層からなり、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する下側被覆層、
（２）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いずれか、または両方で構成され、かつ０．５〜１５μｍの平均層厚を有する上側被覆層、
以上（１）および（２）で構成された耐摩耗被覆層を化学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を有する表面被覆超硬合金製切削工具。
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