JP3969282B2 - 高速重切削加工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
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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、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、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、窒化ボロン（以下、ＢＮで示す）層からなる硬質被覆層を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、この被覆超硬工具は、硬質被覆層である前記ＢＮ層がきわめて高い硬さ（ビッカース硬さで５０００）をもつものの、強度の著しく低い（脆性の高い）ものであることから、主に切削速度はきわめて速いが、切り込みや送りなどは著しく小さい切削条件となる、各種の鋼や鋳鉄などの仕上げ加工に用いられることも良く知られるところである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、被覆超硬工具として、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、アノード電極と金属Ｃｒ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、前記超硬合金基体の表面に、窒化クロム（以下、ＣｒＮで示す）層からなる硬質被覆層を０．５〜１０μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具も知られており、これが通常の切削加工条件で、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられることも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５７−９５８８１号公報
【特許文献２】
特開平４−８４０９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、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、上記の硬質被覆層がＢＮ層の従来被覆超硬工具の場合には、上記の通りＢＮ層が高硬度を有するものの、著しく強度の低いものであるために、切刃にチッピング（微少欠け）が容易に発生し、実用に供することができず、また上記の硬質被覆層がＣｒＮ層の従来被覆超硬工具の場合には、前記ＣｒＮ層は高強度を有するものの、硬さの不十分なものであるために、硬質被覆層の摩耗進行が一段と促進し、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、特に硬質被覆層が高速重切削加工で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）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物理蒸着装置、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、一方側に相対的にＢ含有量の高いＢ−Ｃｒ合金を、通電性が小さいのでスパッタリングターゲットとして、他方側に相対的にＣｒ含有量の高いＣｒ−Ｂ合金を、通電性を有するのでカソード電極ターゲットとしてそれぞれ対向配置した装置を用い、この装置の前記回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に偏心して前記超硬基体を装着し、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、前記の相対的にＢ含有量の高いＢ−Ｃｒ合金のスパッタリングターゲットからは、例えばＡｒイオンを用いてＢ−Ｃｒイオンをスパッタさせ、同時に前記の相対的にＣｒ含有量の高いＣｒ−Ｂ合金のカソード電極ターゲットとアノード電極との間にはアーク放電を発生させてＣｒ−Ｂイオンを放出させ、もって前記超硬基体の表面にＣｒとＢの複合窒化物［以下、（Ｃｒ，Ｂ）Ｎで示す］層を形成すると、この結果の（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層においては、回転テーブル上にリング状に配置された前記超硬基体が上記の一方側の相対的にＢ含有量の高いＢ−Ｃｒ合金のスパッタリングターゲットに最も接近した時点で層中にＢ最高含有点が形成され、また前記超硬基体が上記の他方側の相対的にＣｒ含有量の高いＣｒ−Ｂ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＣｒ最高含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向にそって前記Ｂ最高含有点とＣｒ最高含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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もつようになること。
【０００８】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層において、例えば対向配置のスパッタリングターゲットおよびカソード電極ターゲットのそれぞれの組成を調製すると共に、超硬基体が装着されている回転テーブルの回転速度を制御して、
上記Ｂ最高含有点が、組成式：（Ｂ1-XＣｒX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．６０を示す）、
上記Ｃｒ最高含有点が、組成式：（Ｃｒ1-YＢY ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．３０を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｂ最高含有点とＣｒ最高含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μmとすると、
上記Ｂ最高含有点部分では、（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層におけるＢ含有量が相対的に高く、Ｃｒ含有量が低くなることから、より一段と高い硬さを示し、一方上記Ｃｒ最高含有点部分では、前記Ｂ最高含有点部分に比してＢ含有量が低く、Ｃｒ含有量の高いものとなるので、高強度が確保され、かつこれらＢ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高硬度と高強度を兼ね備えるようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる被覆超硬工具は、鋼や鋳鉄などの高速重切削加工で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、（Ｃｒ，Ｂ）Ｎからなる硬質被覆層を０．５〜１０μｍの全体平均層厚で物理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、Ｂ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Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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、
さらに、上記Ｂ最高含有点が、組成式：（Ｂ1-XＣｒX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．６０を示す）、
上記Ｃｒ最高含有点が、組成式：（Ｃｒ1-YＢY ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．３０を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｂ最高含有点とＣｒ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
高速重切削加工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）Ｂ最高含有点の組成
（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層におけるＣｒは、高硬度を有するが、強度の著しく低いＢＮの強度を向上させる目的で含有するものであり、したがってＢ最高含有点でのＣｒの割合（Ｘ）がＢ成分との合量に占める割合（原子比）で０．０５未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その割合が同じく０．６０を越えると、相対的にＢ成分の割合が低くなり過ぎて、急激に硬さが低下し、摩耗が急速に進行するようになることから、その割合を０．０５〜０．６０と定めた。
【００１１】
（ｂ）Ｃｒ最高含有点の組成
上記の通りＢ最高含有点は高硬度を有するものであるが、反面強度の低いものであるため、このＢ最高含有点の強度不足を補う目的で、Ｃｒ含有割合が高く、これによって高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、したがってＢの割合（Ｙ）がＣｒとの合量に占める割合（原子比）で０．３０を越えると、所望の高強度を確保することができず、一方その割合が同じく０．０５未満になると、相対的にＣｒの割合が多くなり過ぎて、Ｃｒ最高含有点に所望の硬さを具備せしめることができなくなることから、その割合を０．０５〜０．３０と定めた。
【００１２】
（ｃ）Ｂ最高含有点とＣｒ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０．１μmを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＢ最高含有点であれば強度不足、Ｃｒ最高含有点であれば硬さ不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃に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０．０１〜０．１μmと定めた。
【００１３】
（ｄ）硬質被覆層の全体平均層厚
その層厚が０．５μｍ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１０μｍを越えると、切刃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１〜１０μｍ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。
（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、ＴａＣ粉末、ＶＣ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：０．０３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Ａ１〜Ａ１０を形成した。
【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（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ＣｒＣＮ系サーメット製の超硬基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。
【００１６】
ついで、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、乾燥した状態で、図１に示される物理蒸着装置内の回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に偏心して装着し、一方側のカソード電極ターゲット（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＣｒ最高含有点形成用Ｃｒ−Ｂ合金、他方側のスパッタリングターゲット（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＢ最高含有点形成用Ｂ−Ｃｒ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバート洗浄用金属Ｃｒも装着し、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て、カソード電極の前記金属Ｃｒ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Ｃｒボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２．５Ｐａ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、かつ前記Ｃｒ最高含有点形成用Ｃｒ−Ｂ合金のカソード電極ターゲットとアノード電極との間には１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、また前記Ｂ最高含有点形成用Ｂ−Ｃｒ合金のスパッタリングターゲットには１ｋＷの電力を印可してスパッタを発生させ、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Ｃｒ最高含有点とＢ最高含有点とが交互に同じく表３，４に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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３，４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、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、これら超硬基体のうち、超硬基体Ａ１〜Ａ５およびＢ１〜Ｂ３を、それぞれ同じく図１に示される物理蒸着装置の回転テーブル上にカソード電極の金属Ｃｒと対向して、すなわち図１（ａ）の下側部分だけに装着し、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、前記回転テーブル上で自転はするが、回転はしない前記超硬基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、カソード電極の前記金属Ｃｒ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Ｃｒボンバート洗浄し、ついで前記超硬基体を時計回りに９０度回転させて、上記のＢ最高含有点形成用Ｂ−Ｃｒ合金のスパッタリングターゲットに対向して配置し、この状態で装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２．５Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記スパッタリングターゲットに１ｋＷの電力を印可してスパッタを発生させ、もって前記超硬基体Ａ１〜Ａ５およびＢ１〜Ｂ３のそれぞれの表面に、表５，６に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層におけるＢ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ（以下、比較被覆超硬チップと云う）１〜５および１１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１８】
さらに、比較の目的で、残りの超硬基体Ａ６〜Ａ１０およびＢ４〜Ｂ６を、それぞれ同じく図１に示される物理蒸着装置の回転テーブル上に、同じくカソード電極の金属Ｃｒと対向して装着し、同じ条件で前記超硬基体表面をＣｒボンバート洗浄し、ついで前記超硬基体を時計反対回りに９０度回転させて、上記のＣｒ最高含有点形成用Ｃｒ−Ｂ合金のカソード電極ターゲットに対向して配置し、この状態で装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２．５Ｐａの反応雰囲気とすると共に、超硬基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ｃｒ−Ｂ合金のカソード電極ターゲットとアノード電極との間には１００Ａ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Ａ６〜Ａ１０およびＢ４〜Ｂ６のそれぞれの表面に、表５，６に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層におけるＣｒ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ（以下、比較被覆超硬チップと云う）６〜１０および１４〜１６をそれぞれ製造した。
【００１９】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１６および比較被覆超硬チップ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・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３．０ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式断続高速高切り込み切削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式連続高速高送り切削加工試験を行い、いずれの旋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３〜６に示した。
【００２０】
【表１】
【００２１】
【表２】
【００２２】
【表３】
【００２３】
【表４】
【００２４】
【表５】
【００２５】
【表６】
【００２６】
（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［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７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枚刃スクエアの形状をもった超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００２７】
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に示される物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表８に示される目標組成のＣｒ最高含有点とＢ最高含有点とが交互に同じく表８に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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８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。
【００２８】
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、前記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−４、Ｃ−５、およびＣ−７については、これを同じく図２の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬エンドミル１、４、５、および７の硬質被覆層におけるＢ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製エンドミル（以下、比較被覆超硬エンドミルと云う）１、４，５、および７をそれぞれ製造した。
さらに、比較の目的で、残りの超硬基体Ｃ−２、Ｃ−３、Ｃ−６、およびＣ−８については、これを同じく図２の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬エンドミル２、３、６、および８の硬質被覆層におけるＣｒ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬エンドミル２、３，６、および８をそれぞれ製造した。
【００２９】
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１〜８および比較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および比較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・ＳＫＤ１１の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：４．０ｍｍ、
テーブル送り：８００ｍｍ／分、
の条件での工具鋼の乾式高速高切り込み溝切削加工試験、本発明被覆超硬エンドミル４〜６および比較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・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：６．５ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験、本発明被覆超硬エンドミル７，８および比較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・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１３ｍｍ、
テーブル送り：６００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速高切り込み溝切削加工試験をそれぞれ行い、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８、９にそれぞれ示した。
【００３０】
【表７】
【００３１】
【表８】
【００３２】
【表９】
【００３３】
（実施例３）
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枚刃形状をもった超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。
【００３４】
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の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表１０に示される目標組成のＣｒ最高含有点とＢ最高含有点とが交互に同じく表１０に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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１０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。
【００３５】
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、前記超硬基体Ｄ−１、Ｄ−４、Ｄ−５、およびＤ−７については、これを同じく図２の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表１１に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬ドリル１、４、５、および７の硬質被覆層におけるＢ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製ドリル（以下、比較被覆超硬ドリルと云う）１、４，５、および７をそれぞれ製造した。
さらに、比較の目的で、残りの超硬基体Ｄ−２、Ｄ−３、Ｄ−６、およびＤ−８については、これを同じく図２の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表１１に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬ドリル２、３、６、および８の硬質被覆層におけるＣｒ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬ドリル２、３，６、および８をそれぞれ製造した。
【００３６】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜８および比較被覆超硬ドリル１〜８のうち、本発明被覆超硬ドリル１〜３および比較被覆超硬ドリル１〜３については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４２０の板材、
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル４〜６および比較被覆超硬ドリル４〜６については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ
の条件での炭素鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル７，８および比較被覆超硬ドリル７，８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３５ｍｍ
の条件での鋳鉄の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速高送り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１０、１１にそれぞれ示した。
【００３７】
【表１０】
【００３８】
【表１１】
【００３９】
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１〜１６、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を構成する硬質被覆層におけるＣｒ最高含有点とＢ最高含有点の組成、並びに比較被覆超硬工具としての比較被覆超硬チップ１〜１６、比較被覆超硬エンドミル１〜８、および比較被覆超硬ドリル１〜８の硬質被覆層について、厚さ方向に沿ってＣｒおよびＢ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、本発明被覆超硬工具の硬質被覆層では、Ｃｒ最高含有点とＢ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、かつ前記Ｃｒ最高含有点から前記Ｂ最高含有点、前記Ｂ最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点へＣｒおよびＢ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。一方前記比較被覆超硬工具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。
【００４０】
【発明の効果】
表３〜１１に示される結果から、硬質被覆層が厚さ方向に、高硬度を有するＢ最高含有点と高強度を有する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Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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する本発明被覆超硬工具は、いずれも各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、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条件で行なった場合にも、切刃にチッピングの発生なく、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる比較被覆超硬工具においては、重切削条件での高速切削加工では、前記硬質被覆層の組成によって、相対的にＢ含有量が高く、Ｃｒ含有量が低く、この結果強度が不足したものとなる場合には、チッピングが発生し、また反対に相対的にＣｒ含有量が高く、Ｂ含有量が低く、この結果硬さが不足したものとなる場合には、摩耗が急速に進行し、いずれの場合にも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高速切削加工を、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条件で行なった場合にも、すぐれた耐摩耗性を示し、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、切削加工装置の高性能化、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の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る物理蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【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、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、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、窒化ボロン（以下、ＢＮで示す）層からなる硬質被覆層を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、この被覆超硬工具は、硬質被覆層である前記ＢＮ層がきわめて高い硬さ（ビッカース硬さで５０００）をもつものの、強度の著しく低い（脆性の高い）ものであることから、主に切削速度はきわめて速いが、切り込みや送りなどは著しく小さい切削条件となる、各種の鋼や鋳鉄などの仕上げ加工に用いられることも良く知られるところである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、被覆超硬工具として、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、アノード電極と金属Ｃｒ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、前記超硬合金基体の表面に、窒化クロム（以下、ＣｒＮで示す）層からなる硬質被覆層を０．５〜１０μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具も知られており、これが通常の切削加工条件で、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられることも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５７−９５８８１号公報
【特許文献２】
特開平４−８４０９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、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、上記の硬質被覆層がＢＮ層の従来被覆超硬工具の場合には、上記の通りＢＮ層が高硬度を有するものの、著しく強度の低いものであるために、切刃にチッピング（微少欠け）が容易に発生し、実用に供することができず、また上記の硬質被覆層がＣｒＮ層の従来被覆超硬工具の場合には、前記ＣｒＮ層は高強度を有するものの、硬さの不十分なものであるために、硬質被覆層の摩耗進行が一段と促進し、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、特に硬質被覆層が高速重切削加工で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）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物理蒸着装置、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、一方側に相対的にＢ含有量の高いＢ−Ｃｒ合金を、通電性が小さいのでスパッタリングターゲットとして、他方側に相対的にＣｒ含有量の高いＣｒ−Ｂ合金を、通電性を有するのでカソード電極ターゲットとしてそれぞれ対向配置した装置を用い、この装置の前記回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に偏心して前記超硬基体を装着し、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、前記の相対的にＢ含有量の高いＢ−Ｃｒ合金のスパッタリングターゲットからは、例えばＡｒイオンを用いてＢ−Ｃｒイオンをスパッタさせ、同時に前記の相対的にＣｒ含有量の高いＣｒ−Ｂ合金のカソード電極ターゲットとアノード電極との間にはアーク放電を発生させてＣｒ−Ｂイオンを放出させ、もって前記超硬基体の表面にＣｒとＢの複合窒化物［以下、（Ｃｒ，Ｂ）Ｎで示す］層を形成すると、この結果の（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層においては、回転テーブル上にリング状に配置された前記超硬基体が上記の一方側の相対的にＢ含有量の高いＢ−Ｃｒ合金のスパッタリングターゲットに最も接近した時点で層中にＢ最高含有点が形成され、また前記超硬基体が上記の他方側の相対的にＣｒ含有量の高いＣｒ−Ｂ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＣｒ最高含有点が形成され、上記回転テーブルの回転によって層中には層厚方向にそって前記Ｂ最高含有点とＣｒ最高含有点が所定間隔をもって交互に繰り返し現れると共に、前記Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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もつようになること。
【０００８】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層において、例えば対向配置のスパッタリングターゲットおよびカソード電極ターゲットのそれぞれの組成を調製すると共に、超硬基体が装着されている回転テーブルの回転速度を制御して、
上記Ｂ最高含有点が、組成式：（Ｂ1-XＣｒX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．６０を示す）、
上記Ｃｒ最高含有点が、組成式：（Ｃｒ1-YＢY ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．３０を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｂ最高含有点とＣｒ最高含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μmとすると、
上記Ｂ最高含有点部分では、（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層におけるＢ含有量が相対的に高く、Ｃｒ含有量が低くなることから、より一段と高い硬さを示し、一方上記Ｃｒ最高含有点部分では、前記Ｂ最高含有点部分に比してＢ含有量が低く、Ｃｒ含有量の高いものとなるので、高強度が確保され、かつこれらＢ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高硬度と高強度を兼ね備えるようになり、したがって、硬質被覆層がかかる構成の（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる被覆超硬工具は、鋼や鋳鉄などの高速重切削加工で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、（Ｃｒ，Ｂ）Ｎからなる硬質被覆層を０．５〜１０μｍの全体平均層厚で物理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、Ｂ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Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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、
さらに、上記Ｂ最高含有点が、組成式：（Ｂ1-XＣｒX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．６０を示す）、
上記Ｃｒ最高含有点が、組成式：（Ｃｒ1-YＢY ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．３０を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｂ最高含有点とＣｒ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
高速重切削加工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）Ｂ最高含有点の組成
（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層におけるＣｒは、高硬度を有するが、強度の著しく低いＢＮの強度を向上させる目的で含有するものであり、したがってＢ最高含有点でのＣｒの割合（Ｘ）がＢ成分との合量に占める割合（原子比）で０．０５未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その割合が同じく０．６０を越えると、相対的にＢ成分の割合が低くなり過ぎて、急激に硬さが低下し、摩耗が急速に進行するようになることから、その割合を０．０５〜０．６０と定めた。
【００１１】
（ｂ）Ｃｒ最高含有点の組成
上記の通りＢ最高含有点は高硬度を有するものであるが、反面強度の低いものであるため、このＢ最高含有点の強度不足を補う目的で、Ｃｒ含有割合が高く、これによって高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、したがってＢの割合（Ｙ）がＣｒとの合量に占める割合（原子比）で０．３０を越えると、所望の高強度を確保することができず、一方その割合が同じく０．０５未満になると、相対的にＣｒの割合が多くなり過ぎて、Ｃｒ最高含有点に所望の硬さを具備せしめることができなくなることから、その割合を０．０５〜０．３０と定めた。
【００１２】
（ｃ）Ｂ最高含有点とＣｒ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０．１μmを越えるとそれぞれの点がもつ欠点、すなわちＢ最高含有点であれば強度不足、Ｃｒ最高含有点であれば硬さ不足が層内に局部的に現れ、これが原因で切刃に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０．０１〜０．１μmと定めた。
【００１３】
（ｄ）硬質被覆層の全体平均層厚
その層厚が０．５μｍ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１０μｍを越えると、切刃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１〜１０μｍ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。
（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、ＴａＣ粉末、ＶＣ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：０．０３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Ａ１〜Ａ１０を形成した。
【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（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ＣｒＣＮ系サーメット製の超硬基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。
【００１６】
ついで、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、乾燥した状態で、図１に示される物理蒸着装置内の回転テーブル上に、前記回転テーブルの中心軸から半径方向に離れた位置に偏心して装着し、一方側のカソード電極ターゲット（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＣｒ最高含有点形成用Ｃｒ−Ｂ合金、他方側のスパッタリングターゲット（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＢ最高含有点形成用Ｂ−Ｃｒ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、またボンバート洗浄用金属Ｃｒも装着し、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て、カソード電極の前記金属Ｃｒ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Ｃｒボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２．５Ｐａ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、かつ前記Ｃｒ最高含有点形成用Ｃｒ−Ｂ合金のカソード電極ターゲットとアノード電極との間には１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、また前記Ｂ最高含有点形成用Ｂ−Ｃｒ合金のスパッタリングターゲットには１ｋＷの電力を印可してスパッタを発生させ、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Ｃｒ最高含有点とＢ最高含有点とが交互に同じく表３，４に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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３，４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、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、これら超硬基体のうち、超硬基体Ａ１〜Ａ５およびＢ１〜Ｂ３を、それぞれ同じく図１に示される物理蒸着装置の回転テーブル上にカソード電極の金属Ｃｒと対向して、すなわち図１（ａ）の下側部分だけに装着し、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、前記回転テーブル上で自転はするが、回転はしない前記超硬基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、カソード電極の前記金属Ｃｒ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Ｃｒボンバート洗浄し、ついで前記超硬基体を時計回りに９０度回転させて、上記のＢ最高含有点形成用Ｂ−Ｃｒ合金のスパッタリングターゲットに対向して配置し、この状態で装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２．５Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記スパッタリングターゲットに１ｋＷの電力を印可してスパッタを発生させ、もって前記超硬基体Ａ１〜Ａ５およびＢ１〜Ｂ３のそれぞれの表面に、表５，６に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層におけるＢ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ（以下、比較被覆超硬チップと云う）１〜５および１１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１８】
さらに、比較の目的で、残りの超硬基体Ａ６〜Ａ１０およびＢ４〜Ｂ６を、それぞれ同じく図１に示される物理蒸着装置の回転テーブル上に、同じくカソード電極の金属Ｃｒと対向して装着し、同じ条件で前記超硬基体表面をＣｒボンバート洗浄し、ついで前記超硬基体を時計反対回りに９０度回転させて、上記のＣｒ最高含有点形成用Ｃｒ−Ｂ合金のカソード電極ターゲットに対向して配置し、この状態で装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２．５Ｐａの反応雰囲気とすると共に、超硬基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ｃｒ−Ｂ合金のカソード電極ターゲットとアノード電極との間には１００Ａ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Ａ６〜Ａ１０およびＢ４〜Ｂ６のそれぞれの表面に、表５，６に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬チップ１〜１６の硬質被覆層におけるＣｒ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ（以下、比較被覆超硬チップと云う）６〜１０および１４〜１６をそれぞれ製造した。
【００１９】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１６および比較被覆超硬チップ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・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３．０ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式断続高速高切り込み切削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式連続高速高送り切削加工試験を行い、いずれの旋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３〜６に示した。
【００２０】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
（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［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７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枚刃スクエアの形状をもった超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００２７】
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に示される物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表８に示される目標組成のＣｒ最高含有点とＢ最高含有点とが交互に同じく表８に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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８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。
【００２８】
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、前記超硬基体Ｃ−１、Ｃ−４、Ｃ−５、およびＣ−７については、これを同じく図２の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬エンドミル１、４、５、および７の硬質被覆層におけるＢ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製エンドミル（以下、比較被覆超硬エンドミルと云う）１、４，５、および７をそれぞれ製造した。
さらに、比較の目的で、残りの超硬基体Ｃ−２、Ｃ−３、Ｃ−６、およびＣ−８については、これを同じく図２の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表９に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬エンドミル２、３、６、および８の硬質被覆層におけるＣｒ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬エンドミル２、３，６、および８をそれぞれ製造した。
【００２９】
つぎに、上記本発明被覆超硬エンドミル１〜８および比較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および比較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・ＳＫＤ１１の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：４．０ｍｍ、
テーブル送り：８００ｍｍ／分、
の条件での工具鋼の乾式高速高切り込み溝切削加工試験、本発明被覆超硬エンドミル４〜６および比較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・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：６．５ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り溝切削加工試験、本発明被覆超硬エンドミル７，８および比較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・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１３ｍｍ、
テーブル送り：６００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速高切り込み溝切削加工試験をそれぞれ行い、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８、９にそれぞれ示した。
【００３０】
【表７】
【表８】
【表９】
（実施例３）
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枚刃形状をもった超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。
【００３４】
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の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表１０に示される目標組成のＣｒ最高含有点とＢ最高含有点とが交互に同じく表１０に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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１０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。
【００３５】
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、前記超硬基体Ｄ−１、Ｄ−４、Ｄ−５、およびＤ−７については、これを同じく図２の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表１１に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬ドリル１、４、５、および７の硬質被覆層におけるＢ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬工具としての比較表面被覆超硬合金製ドリル（以下、比較被覆超硬ドリルと云う）１、４，５、および７をそれぞれ製造した。
さらに、比較の目的で、残りの超硬基体Ｄ−２、Ｄ−３、Ｄ−６、およびＤ−８については、これを同じく図２の物理蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表１１に示される目標組成、すなわち本発明被覆超硬ドリル２、３、６、および８の硬質被覆層におけるＣｒ最高含有点の目標組成に相当する目標組成、および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、比較被覆超硬ドリル２、３，６、および８をそれぞれ製造した。
【００３６】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル１〜８および比較被覆超硬ドリル１〜８のうち、本発明被覆超硬ドリル１〜３および比較被覆超硬ドリル１〜３については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４２０の板材、
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ
の条件での合金鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル４〜６および比較被覆超硬ドリル４〜６については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ
の条件での炭素鋼の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル７，８および比較被覆超硬ドリル７，８については、
被削材：平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＦＣ３００の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３５ｍｍ
の条件での鋳鉄の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式高速高送り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１０、１１にそれぞれ示した。
【００３７】
【表１０】
【表１１】
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１〜１６、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を構成する硬質被覆層におけるＣｒ最高含有点とＢ最高含有点の組成、並びに比較被覆超硬工具としての比較被覆超硬チップ１〜１６、比較被覆超硬エンドミル１〜８、および比較被覆超硬ドリル１〜８の硬質被覆層について、厚さ方向に沿ってＣｒおよびＢ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、本発明被覆超硬工具の硬質被覆層では、Ｃｒ最高含有点とＢ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、かつ前記Ｃｒ最高含有点から前記Ｂ最高含有点、前記Ｂ最高含有点から前記Ｃｒ最高含有点へＣｒおよびＢ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。一方前記比較被覆超硬工具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。
【００４０】
【発明の効果】
表３〜１１に示される結果から、硬質被覆層が厚さ方向に、高硬度を有するＢ最高含有点と高強度を有する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Ｂ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Ｂ最高含有点へＣｒおよびＢ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する本発明被覆超硬工具は、いずれも各種の鋼や鋳鉄などの高速切削加工を、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条件で行なった場合にも、切刃にチッピングの発生なく、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が厚さ方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層からなる比較被覆超硬工具においては、重切削条件での高速切削加工では、前記硬質被覆層の組成によって、相対的にＢ含有量が高く、Ｃｒ含有量が低く、この結果強度が不足したものとなる場合には、チッピングが発生し、また反対に相対的にＣｒ含有量が高く、Ｂ含有量が低く、この結果硬さが不足したものとなる場合には、摩耗が急速に進行し、いずれの場合にも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高速切削加工を、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条件で行なった場合にも、すぐれた耐摩耗性を示し、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、切削加工装置の高性能化、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の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る物理蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
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、ＣｒとＢの複合窒化物からなる硬質被覆層を０．５〜１０μｍの全体平均層厚で物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具にして、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ｂ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Ｂ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Ｂ最高含有点へＢ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、
さらに、上記Ｂ最高含有点が、組成式：（Ｂ1-XＣｒX ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０５〜０．６０を示す）、
上記Ｃｒ最高含有点が、組成式：（Ｃｒ1-YＢY ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．３０を示す）、
をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ｂ最高含有点とＣｒ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmであること、
を特徴とする高速重切削加工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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