JP3900526B2 - 高速重切削条件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
高速重切削条件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 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層が高硬度と高強度を兼ね備え、したがって各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、特に高速で、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、硬質被覆層がチッピング（微小欠け）などの発生なく、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（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、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、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、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、
組成式：（Ｔｉ1-(D+E)ＺｒDＡｌE）Ｃ1-KＮK、
（ただし、原子比で、Ｄ：０．３５〜０．５５、Ｅ：０．０１〜０．１０、Ｋ：０．４０〜０．６０）、
を満足するＴｉとＺｒとＡｌの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具が提案され、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（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、上記の被覆超硬工具が、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、
反応ガス組成を、容量％で、
ＴｉＣｌ4：０．１〜６％、
ＺｒＣｌ4：０．０５〜５％、
ＡｌＣｌ3：０．０５〜１％、
ＣＨ4：０．１〜１０％、
Ｎ2：０．５〜４０％、
Ｈ2：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：９００〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：５〜５０ｋＰａ、
とした条件で（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮからなる硬質被覆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。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２９５２０４号公報
【０００６】
【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も強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向を深め、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が強く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、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、特に切削加工を高速で、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は、硬質被覆層の強度および硬さ不足が原因で、硬質被覆層の摩耗進行が一段と促進し、かつチッピングも発生し易くなることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００７】
【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、特に高速重切削加工条件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）上記の図１，２に示される化学蒸着装置を用いて形成された従来被覆超硬工具を構成する（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層は、厚さ全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な硬さと強度を有するが、（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層を形成するに際して、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、反応ガス組成および流量中央制御装置に、前記（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層からなる硬質被覆層に層厚方向にそってＴｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の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、前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点並びにＺｒおよび窒素の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Ｔｉと炭素およびＺｒと窒素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および硬質被覆層の全体層厚を、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Ｈ2ガス、ＣＨ4ガス、Ｎ2ガス、およびＨＣｌガスの流量、さらにＴｉＣｌ4ガス、ＺｒＣｌ4ガス、およびＡｌＣｌ３ガスの流量をそれぞれの原料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、Ｔｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の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Ｔｉおよび炭素の最高含有点から前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点から前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点へＴｉと炭素およびＺｒと窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造をもつた（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層からなる硬質被覆層が形成されるようになること。
【０００８】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層において、
上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点が、
組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＺｒXＡｌY）Ｃ1-ZＮZ、
（ただし、原子比で、Ｘ：０．１５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１０、Ｚ：０．０２〜０．２０）、
上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点が、
組成式：（Ｚｒ1-(A+B)ＴｉAＡｌB）ＣMＮ1-M、
（ただし、原子比で、Ａ：０．１５〜０．３０、Ｂ：０．０１〜０．１０、Ｍ：０．０２〜０．２０）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点と上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．２μmとすると、
上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点部分では、Ｔｉおよび炭素が主体を占め、これら両成分の作用によってきわめて高い硬さを示し、一方上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点部分では、Ｚｒおよび窒素が主体を占め、これら両成分の作用によって高い強度を示すようになり、かつこれらＴｉおよび炭素の最高含有点と上記Ｚｒおよび窒素の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、Ａｌ含有による高温硬さ向上効果と相俟って、高硬度と高強度を具備するようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層からなる被覆超硬工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、特に高い機械的衝撃を伴う高速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の発生なく、すぐれた耐摩耗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。
【０００９】
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、（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの全体平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具において、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ｔｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の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Ｔｉおよび炭素の最高含有点から前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点から前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点へＴｉとＺｒおよび炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点が、
組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＺｒXＡｌY）Ｃ1-ZＮZ、
（ただし、原子比で、Ｘ：０．１５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１０、Ｚ：０．０２〜０．２０）、
上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点が、
組成式：（Ｚｒ1-(A+B)ＴｉAＡｌB）ＣMＮ1-M、
（ただし、原子比で、Ａ：０．１５〜０．３０、Ｂ：０．０１〜０．１０、Ｍ：０．０２〜０．２０）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点と上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点の間隔が、０．０１〜０．２μmである、
高速重切削条件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。
【００１０】
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および炭素の最高含有点
上記の通り硬質被覆層である（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層の厚さ方向に沿ってＴｉおよび炭素成分の相対的に高い部分を繰り返し形成して層自体の硬さを向上させ、同じくＺｒよび窒素成分の相対的に高い部分を繰り返し形成して層自体の強度を向上させるものであり、したがってＴｉおよび炭素の最高含有点では、Ａｌ成分含有による高温硬さ向上効果と相俟って、硬さが著しく向上したものになるので、すぐれた耐摩耗性を発揮するようになるが、この場合Ｚｒ成分の割合を示すＸ値およびＮ成分の割合を示すＺ値が、原子比（以下、同じ）で、それぞれＸ値：０．１５未満およびＺ値：０．０２未満になると、実質的にＴｉと炭素で構成されることになることから、強度低下は避けられず、高強度を有するＺｒと窒素の最高含有点が隣接して存在しても、高い機械的衝撃を伴なう高速重切削ではチッピングが発生し易くなり、一方Ｘ値が０．３０、Ｚ値が０．２０を越えると、相対的にＴｉおよび炭素の含有割合が少なくなることから、硬さに低下傾向が現れ、層自体の摩耗が促進するようになることから、Ｘ値を０．１５〜０．３０、Ｚ値を０．０２〜０．２０と定めた。
また、上記の通りＡｌ成分には、高温硬さを向上させ、もって層の耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その割合を示すＹ値が、０．０１未満では所望の耐摩耗性向上効果が得られず、一方Ｙ値が、０．１０を越えると、層の強度に低下傾向が現れ、チッピングが発生し易くなることから、Ｙ値を０．０１〜０．１０と定めた。
【００１１】
（ｂ）Ｚｒおよび窒素の最高含有点
上記の通りＴｉおよび炭素の最高含有点は相対的にすぐれた硬さを有するが、反面相対的に強度が不十分であるため、このＴｉおよび炭素の最高含有点の強度不足を補う目的で、高強度を有するＺｒおよび窒素の最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものである。しかし、Ｔｉ成分の割合を示すＡ値およびＣ成分の割合を示すＭ値が、それぞれＡ値：０．１５未満およびＭ値：０．０２未満になると、実質的にＺｒと窒素で構成され、Ｚｒおよび窒素の最高含有点に所定の硬さを確保することができなくなり、高硬度を有するＴｉおよび炭素窒素の最高含有点が隣接して存在しても、摩耗進行が促進するようになり、一方Ａ値が０．３０、Ｍ値が０．２０を越えると、相対的にＴｉおよび炭素の含有割合が多くなり過ぎ、強度が急激に低下して、高い機械的衝撃を伴なう高速重切削ではチッピングが発生し易くなることから、Ａ値を０．１５〜０．３０、Ｍ値を０．０２〜０．２０と定めた。
また、Ａｌ成分は、上記の通り高温硬さを向上させる目的で含有するものであり、したがって、その割合を示すＢ値が、０．０１未満では所望の高温硬さ向上効果が得られず、一方Ｂ値が、０．１０を越えると、層の強度が低下するようになって、チッピングが発生し易くなることから、Ｂ値を０．０１〜０．１０と定めた。
と定めた。
【００１２】
（ｃ）Ｔｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の最高含有点間の間隔
その間隔が０．０１μm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硬度と高強度を確保することができなくなり、またその間隔が０．２μmを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＴｉおよび炭素の最高含有点であれば強度不足、Ｚｒおよび窒素の最高含有点であれば硬さ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０．０１〜０．２μmと定めた。
【００１３】
（ｄ）硬質被覆層の全体平均層厚
その層厚が１μｍ未満では、所望の耐摩耗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、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。
【００１４】
【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。
原料粉末として、平均粒径：６．５μｍを有する粗粒ＷＣ粉末、同３．５μｍを有する中粒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１．０μｍの（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（質量比で、ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）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１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、表面部にＣｏ富化層を形成するものについては１３．３Ｐａ、そして全体に亘って均一組織を有するものについては６．７Ｐａの真空中、温度：１４３０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０８のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６１２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。なお、超硬基体Ａ−１、Ａ−３、Ａ−４、Ａ−６、Ａ−７、およびＡ−９の表面部にＣｏ富化層の形成が見られた。
【００１５】
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の炭素雰囲気中、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：０．１０のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６１２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。
【００１６】
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、装置内をヒーターで９００℃に加熱したところで、ＴｉＣｌ4：４．２％、Ｎ2：３０％、Ｈ2：残りからなる組成を有する反応ガスを反応ガス吹き出し管を通して導入して、装置内の反応雰囲気圧力を３０ｋＰａとし、この状態で２０分間保持して前記超硬基体表面に、下地密着層として０．３μmの平均層厚をもった窒化チタン（ＴｉＮ）層を形成し、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３，４に示されるＴｉおよび炭素の最高含有点：Ｔｉ／Ｃ−１〜Ｔｉ／Ｃ−１０の目標組成、さらにＺｒおよび窒素の最高含有点：Ｚｒ／Ｎ−１〜Ｚｒ／Ｎ−１０の目標組成に対応する反応ガス組成、前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の最高含有点間のＴｉとＺｒおよび炭素と窒素の含有量の連続変化に対応する反応ガス組成、さらに表５，６に示される前記両点間の目標間隔および硬質被覆層の目標全体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、Ｎ2ガス、ＣＨ4ガス、ＺｒＣｌ4ガス、およびＴｉＣｌ4ガス、およびＡｌＣｌ3ガス（この場合、前記ＴｉＣｌ4ガスは図示の通り流量制御されたＨ2ガスをキャリアガスとしてＴｉＣｌ4ガス気化器に送り、ここで液体から気化されたＴｉＣｌ4と共に原料ガス流量自動制御装置に送られ、また前記ＺｒＣｌ4ガスおよびＡｌＣｌ3ガスは、それぞれＺｒＣｌ4発生器およびＡｌＣｌ3発生器で金属Ｚｒおよび金属Ａｌと流量制御されたＨＣｌガスを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自動制御しながら、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７ｋＰａ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３，４に示される目標組成のＴｉおよび炭素の最高含有点と、目標組成のＺｒおよび窒素の最高含有点とが交互に表５，６に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点から前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点から前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点へＴｉとＺｒおよび炭素と窒素の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５，６に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、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。
【００１７】
また、比較の目的で、上記の超硬基体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、上記したＴｉＮ層形成条件と同じ条件で下地密着層として０．３μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層を形成し、ついで反応雰囲気温度を１０２０℃に加熱した後、それぞれ表７に示される目標組成の（Ｔｉ／Ｚｒ）Ｃ／Ｎ−１〜（Ｔｉ／Ｚｒ）Ｃ／Ｎ−９に対応した組成の反応ガスを反応ガス吹き出し管から導入し、反応雰囲気圧力を７ｋＰａに一定とした条件で、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８，９に示される目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ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。
【００１８】
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・ＳＵＪ２の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件でのベアリング鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での合金鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験、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：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５．０ｍｍ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式断続高速高切り込み切削加工試験を行い、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５，６および８，９に示した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【００２２】
【表４】
【００２３】
【表５】
【００２４】
【表６】
【００２５】
【表７】
【００２６】
【表８】
【００２７】
【表９】
【００２８】
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について、厚さ方向に沿ってＴｉ、Ｚｒ、Ａｌ、炭素、および窒素の含有量をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、本発明被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層では、Ｔｉおよび炭素の最高含有点と、Ｚｒおよび窒素の最高含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ組成および間隔で交互に繰り返し存在し、かつＴｉおよび炭素の最高含有点からＺｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点からＴｉおよび炭素の最高含有点へＴｉとＺｒおよび炭素と窒素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、また、硬質被覆層の全体平均層厚も目標全体層厚と実質的に同じ値を示した。一方前記従来被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層では厚さ方向に沿って組成変化が見られず、かつ目標組成と実質的に同じ組成および目標全体層厚と実質的に同じ全体平均層厚を示すことが確認された。
【００２９】
【発明の効果】
表３〜９に示される結果から、硬質被覆層が層厚方向に、相対的にすぐれた高硬度を有するＴｉおよび炭素の最高含有点と相対的に高強度を有するＺｒおよび窒素の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Ｔｉおよび炭素の最高含有点から前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点から前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点へＴｉとＺｒおよび炭素と窒素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、Ａｌ含有による高温硬さ向上効果と相俟って、すぐれた耐摩耗性および耐チッピング性を発揮するのに対して、硬質被覆層が層厚方向に沿って実質的に組成変化のない従来被覆超硬チップ１〜１６においては、特に高い機械的衝撃を伴う高速重切削条件では強度不足が原因でチッピングが発生し、さらに硬さ不足による摩耗促進と相俟って、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、すぐれた耐摩耗性と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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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られている化学蒸着装置を例示する概略縦断面図である。
【図２】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。
【図３】この発明の被覆超硬工具を構成する硬質被覆層の形成に用いられる反応ガス組成自動制御システムの概略チャート図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層が高硬度と高強度を兼ね備え、したがって各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、特に高速で、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、硬質被覆層がチッピング（微小欠け）などの発生なく、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（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、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、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、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、
組成式：（Ｔｉ1-(D+E)ＺｒDＡｌE）Ｃ1-KＮK、
（ただし、原子比で、Ｄ：０．３５〜０．５５、Ｅ：０．０１〜０．１０、Ｋ：０．４０〜０．６０）、
を満足するＴｉとＺｒとＡｌの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具が提案され、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（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、上記の被覆超硬工具が、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、
反応ガス組成を、容量％で、
ＴｉＣｌ4：０．１〜６％、
ＺｒＣｌ4：０．０５〜５％、
ＡｌＣｌ3：０．０５〜１％、
ＣＨ4：０．１〜１０％、
Ｎ2：０．５〜４０％、
Ｈ2：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：９００〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：５〜５０ｋＰａ、
とした条件で（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮからなる硬質被覆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。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２９５２０４号公報
【０００６】
【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も強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向を深め、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が強く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、これを通常の切削加工条件で用いた場合には問題はないが、特に切削加工を高速で、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は、硬質被覆層の強度および硬さ不足が原因で、硬質被覆層の摩耗進行が一段と促進し、かつチッピングも発生し易くなることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００７】
【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、特に高速重切削加工条件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）上記の図１，２に示される化学蒸着装置を用いて形成された従来被覆超硬工具を構成する（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層は、厚さ全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な硬さと強度を有するが、（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層を形成するに際して、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、反応ガス組成および流量中央制御装置に、前記（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層からなる硬質被覆層に層厚方向にそってＴｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の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、前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点並びにＺｒおよび窒素の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Ｔｉと炭素およびＺｒと窒素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および硬質被覆層の全体層厚を、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Ｈ2ガス、ＣＨ4ガス、Ｎ2ガス、およびＨＣｌガスの流量、さらにＴｉＣｌ4ガス、ＺｒＣｌ4ガス、およびＡｌＣｌ３ガスの流量をそれぞれの原料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、Ｔｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の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Ｔｉおよび炭素の最高含有点から前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点から前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点へＴｉと炭素およびＺｒと窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造をもつた（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層からなる硬質被覆層が形成されるようになること。
【０００８】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層において、
上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点が、
組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＺｒXＡｌY）Ｃ1-ZＮZ、
（ただし、原子比で、Ｘ：０．１５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１０、Ｚ：０．０２〜０．２０）、
上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点が、
組成式：（Ｚｒ1-(A+B)ＴｉAＡｌB）ＣMＮ1-M、
（ただし、原子比で、Ａ：０．１５〜０．３０、Ｂ：０．０１〜０．１０、Ｍ：０．０２〜０．２０）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点と上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．２μmとすると、
上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点部分では、Ｔｉおよび炭素が主体を占め、これら両成分の作用によってきわめて高い硬さを示し、一方上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点部分では、Ｚｒおよび窒素が主体を占め、これら両成分の作用によって高い強度を示すようになり、かつこれらＴｉおよび炭素の最高含有点と上記Ｚｒおよび窒素の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、Ａｌ含有による高温硬さ向上効果と相俟って、高硬度と高強度を具備するようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層からなる被覆超硬工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、特に高い機械的衝撃を伴う高速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の発生なく、すぐれた耐摩耗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。
【０００９】
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、（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの全体平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具において、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ｔｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の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Ｔｉおよび炭素の最高含有点から前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点から前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点へＴｉとＺｒおよび炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点が、
組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＺｒXＡｌY）Ｃ1-ZＮZ、
（ただし、原子比で、Ｘ：０．１５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１０、Ｚ：０．０２〜０．２０）、
上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点が、
組成式：（Ｚｒ1-(A+B)ＴｉAＡｌB）ＣMＮ1-M、
（ただし、原子比で、Ａ：０．１５〜０．３０、Ｂ：０．０１〜０．１０、Ｍ：０．０２〜０．２０）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点と上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点の間隔が、０．０１〜０．２μmである、
高速重切削条件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。
【００１０】
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および炭素の最高含有点
上記の通り硬質被覆層である（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ層の厚さ方向に沿ってＴｉおよび炭素成分の相対的に高い部分を繰り返し形成して層自体の硬さを向上させ、同じくＺｒよび窒素成分の相対的に高い部分を繰り返し形成して層自体の強度を向上させるものであり、したがってＴｉおよび炭素の最高含有点では、Ａｌ成分含有による高温硬さ向上効果と相俟って、硬さが著しく向上したものになるので、すぐれた耐摩耗性を発揮するようになるが、この場合Ｚｒ成分の割合を示すＸ値およびＮ成分の割合を示すＺ値が、原子比（以下、同じ）で、それぞれＸ値：０．１５未満およびＺ値：０．０２未満になると、実質的にＴｉと炭素で構成されることになることから、強度低下は避けられず、高強度を有するＺｒと窒素の最高含有点が隣接して存在しても、高い機械的衝撃を伴なう高速重切削ではチッピングが発生し易くなり、一方Ｘ値が０．３０、Ｚ値が０．２０を越えると、相対的にＴｉおよび炭素の含有割合が少なくなることから、硬さに低下傾向が現れ、層自体の摩耗が促進するようになることから、Ｘ値を０．１５〜０．３０、Ｚ値を０．０２〜０．２０と定めた。
また、上記の通りＡｌ成分には、高温硬さを向上させ、もって層の耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その割合を示すＹ値が、０．０１未満では所望の耐摩耗性向上効果が得られず、一方Ｙ値が、０．１０を越えると、層の強度に低下傾向が現れ、チッピングが発生し易くなることから、Ｙ値を０．０１〜０．１０と定めた。
【００１１】
（ｂ）Ｚｒおよび窒素の最高含有点
上記の通りＴｉおよび炭素の最高含有点は相対的にすぐれた硬さを有するが、反面相対的に強度が不十分であるため、このＴｉおよび炭素の最高含有点の強度不足を補う目的で、高強度を有するＺｒおよび窒素の最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものである。しかし、Ｔｉ成分の割合を示すＡ値およびＣ成分の割合を示すＭ値が、それぞれＡ値：０．１５未満およびＭ値：０．０２未満になると、実質的にＺｒと窒素で構成され、Ｚｒおよび窒素の最高含有点に所定の硬さを確保することができなくなり、高硬度を有するＴｉおよび炭素窒素の最高含有点が隣接して存在しても、摩耗進行が促進するようになり、一方Ａ値が０．３０、Ｍ値が０．２０を越えると、相対的にＴｉおよび炭素の含有割合が多くなり過ぎ、強度が急激に低下して、高い機械的衝撃を伴なう高速重切削ではチッピングが発生し易くなることから、Ａ値を０．１５〜０．３０、Ｍ値を０．０２〜０．２０と定めた。
また、Ａｌ成分は、上記の通り高温硬さを向上させる目的で含有するものであり、したがって、その割合を示すＢ値が、０．０１未満では所望の高温硬さ向上効果が得られず、一方Ｂ値が、０．１０を越えると、層の強度が低下するようになって、チッピングが発生し易くなることから、Ｂ値を０．０１〜０．１０と定めた。
と定めた。
【００１２】
（ｃ）Ｔｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の最高含有点間の間隔
その間隔が０．０１μm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硬度と高強度を確保することができなくなり、またその間隔が０．２μmを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＴｉおよび炭素の最高含有点であれば強度不足、Ｚｒおよび窒素の最高含有点であれば硬さ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０．０１〜０．２μmと定めた。
【００１３】
（ｄ）硬質被覆層の全体平均層厚
その層厚が１μｍ未満では、所望の耐摩耗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、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。
【００１４】
【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。
原料粉末として、平均粒径：６．５μｍを有する粗粒ＷＣ粉末、同３．５μｍを有する中粒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１．０μｍの（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（質量比で、ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）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１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、表面部にＣｏ富化層を形成するものについては１３．３Ｐａ、そして全体に亘って均一組織を有するものについては６．７Ｐａの真空中、温度：１４３０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０８のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６１２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。なお、超硬基体Ａ−１、Ａ−３、Ａ−４、Ａ−６、Ａ−７、およびＡ−９の表面部にＣｏ富化層の形成が見られた。
【００１５】
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の炭素雰囲気中、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：０．１０のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０６１２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。
【００１６】
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、装置内をヒーターで９００℃に加熱したところで、ＴｉＣｌ4：４．２％、Ｎ2：３０％、Ｈ2：残りからなる組成を有する反応ガスを反応ガス吹き出し管を通して導入して、装置内の反応雰囲気圧力を３０ｋＰａとし、この状態で２０分間保持して前記超硬基体表面に、下地密着層として０．３μmの平均層厚をもった窒化チタン（ＴｉＮ）層を形成し、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３，４に示されるＴｉおよび炭素の最高含有点：Ｔｉ／Ｃ−１〜Ｔｉ／Ｃ−１０の目標組成、さらにＺｒおよび窒素の最高含有点：Ｚｒ／Ｎ−１〜Ｚｒ／Ｎ−１０の目標組成に対応する反応ガス組成、前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の最高含有点間のＴｉとＺｒおよび炭素と窒素の含有量の連続変化に対応する反応ガス組成、さらに表５，６に示される前記両点間の目標間隔および硬質被覆層の目標全体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、Ｎ2ガス、ＣＨ4ガス、ＺｒＣｌ4ガス、およびＴｉＣｌ4ガス、およびＡｌＣｌ3ガス（この場合、前記ＴｉＣｌ4ガスは図示の通り流量制御されたＨ2ガスをキャリアガスとしてＴｉＣｌ4ガス気化器に送り、ここで液体から気化されたＴｉＣｌ4と共に原料ガス流量自動制御装置に送られ、また前記ＺｒＣｌ4ガスおよびＡｌＣｌ3ガスは、それぞれＺｒＣｌ4発生器およびＡｌＣｌ3発生器で金属Ｚｒおよび金属Ａｌと流量制御されたＨＣｌガスを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自動制御しながら、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７ｋＰａ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３，４に示される目標組成のＴｉおよび炭素の最高含有点と、目標組成のＺｒおよび窒素の最高含有点とが交互に表５，６に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点から前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点から前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点へＴｉとＺｒおよび炭素と窒素の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５，６に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着することにより、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。
【００１７】
また、比較の目的で、上記の超硬基体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、上記したＴｉＮ層形成条件と同じ条件で下地密着層として０．３μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層を形成し、ついで反応雰囲気温度を１０２０℃に加熱した後、それぞれ表７に示される目標組成の（Ｔｉ／Ｚｒ）Ｃ／Ｎ−１〜（Ｔｉ／Ｚｒ）Ｃ／Ｎ−９に対応した組成の反応ガスを反応ガス吹き出し管から導入し、反応雰囲気圧力を７ｋＰａに一定とした条件で、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８，９に示される目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）ＣＮ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。
【００１８】
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・ＳＵＪ２の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件でのベアリング鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での合金鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験、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：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：５．０ｍｍ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式断続高速高切り込み切削加工試験を行い、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５，６および８，９に示した。
【００１９】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
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について、厚さ方向に沿ってＴｉ、Ｚｒ、Ａｌ、炭素、および窒素の含有量をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、本発明被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層では、Ｔｉおよび炭素の最高含有点と、Ｚｒおよび窒素の最高含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ組成および間隔で交互に繰り返し存在し、かつＴｉおよび炭素の最高含有点からＺｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点からＴｉおよび炭素の最高含有点へＴｉとＺｒおよび炭素と窒素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、また、硬質被覆層の全体平均層厚も目標全体層厚と実質的に同じ値を示した。一方前記従来被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層では厚さ方向に沿って組成変化が見られず、かつ目標組成と実質的に同じ組成および目標全体層厚と実質的に同じ全体平均層厚を示すことが確認された。
【００２９】
【発明の効果】
表３〜９に示される結果から、硬質被覆層が層厚方向に、相対的にすぐれた高硬度を有するＴｉおよび炭素の最高含有点と相対的に高強度を有するＺｒおよび窒素の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Ｔｉおよび炭素の最高含有点から前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点から前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点へＴｉとＺｒおよび炭素と窒素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、Ａｌ含有による高温硬さ向上効果と相俟って、すぐれた耐摩耗性および耐チッピング性を発揮するのに対して、硬質被覆層が層厚方向に沿って実質的に組成変化のない従来被覆超硬チップ１〜１６においては、特に高い機械的衝撃を伴う高速重切削条件では強度不足が原因でチッピングが発生し、さらに硬さ不足による摩耗促進と相俟って、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、すぐれた耐摩耗性と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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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られている化学蒸着装置を例示する概略縦断面図である。
【図２】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。
【図３】この発明の被覆超硬工具を構成する硬質被覆層の形成に用いられる反応ガス組成自動制御システムの概略チャート図である。
Claims (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、ＴｉとＺｒとＡｌの複合炭窒化物層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの全体平均層厚で蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具において、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ｔｉおよび炭素の最高含有点とＺｒおよび窒素の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Ｔｉおよび炭素の最高含有点から前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点、前記Ｚｒおよび窒素の最高含有点から前記Ｔｉおよび炭素の最高含有点へＴｉとＺｒおよび炭素と窒素の含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、
さらに、上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点が、
組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＺｒXＡｌY）Ｃ1-ZＮZ、
（ただし、原子比で、Ｘ：０．１５〜０．３０、Ｙ：０．０１〜０．１０、Ｚ：０．０２〜０．２０）、
上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点が、
組成式：（Ｚｒ1-(A+B)ＴｉAＡｌB）ＣMＮ1-M、
（ただし、原子比で、Ａ：０．１５〜０．３０、Ｂ：０．０１〜０．１０、Ｍ：０．０２〜０．２０）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ｔｉおよび炭素の最高含有点と上記Ｚｒおよび窒素の最高含有点の間隔が、０．０１〜０．２μmであること、
を特徴とする高速重切削条件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。
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