JP3982301B2 - 高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層が高強度と高靭性を有し、かつ高温硬さと耐熱性にもすぐれ、したがって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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具という）に関するものである。
【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、さらに切刃が断続切削加工形態をとる面削加工や溝加工、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-(X+Y)ＡｌX ＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）を満足するＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具が提案され、かかる被覆超硬工具が、硬質被覆層を構成する前記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層がすぐれた高温特性（高温硬さおよび耐熱性）を有することから、高熱発生を伴う各種の鋼や鋳鉄などの高速連続切削や高速断続切削加工に用いられることも知られている。
【０００４】
さらに、上記の被覆超硬工具が、例えば図２に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に上記の超硬基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電流：９０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記超硬基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬合金基体の表面に、上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知られている。
【０００５】
【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、切削加工は高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なわれる傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを通常の高速切削加工条件で用いた場合には問題はないが、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は、特に硬質被覆層の強度および靭性不足が原因でチッピング（微小割れ）が発生し易くなり、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００６】
【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で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆超硬工具を開発すべく、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２に示されるアークイオンプレーティング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，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な高温硬さと耐熱性を有するが、例えば図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティング装置、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Ａｌ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側にＡｌ成分不含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金をいずれもカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブルの外周部に沿って複数の超硬基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で超硬基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記超硬基体の表面に（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を形成すると、この結果の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）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Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で層中にＡｌ成分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Ｔｉ−Ｓｉ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＡｌ成分不含有点が形成され、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Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不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Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分含有量が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。
【０００７】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層において、対向配置の一方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金におけるＡｌおよびＳｉ含有量を上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のＡｌおよびＳｉ含有量に相当するものとし、同他方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ｓｉ合金におけるＳｉ含有量を前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のＳｉ含有量と同じくすると共に、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Ａｌ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
上記Ａｌ成分不含有点が、組成式：（Ｔｉ1-YＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μmとすると、
上記Ａｌ成分最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のもつ高温硬さと耐熱性に相当するすぐれた高温硬さと耐熱性（高温特性）を示し、一方上記Ａｌ成分不含有点部分では、実質的にＡｌを含有しない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで構成されるようになるので、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎのもつ高強度と高靭性が確保され、かつこれらＡｌ成分最高含有点とＡｌ成分不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すぐれた高温特性を保持した状態で一段とすぐれた強度と靭性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，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる被覆超硬工具は、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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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。
【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、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Ａｌ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側にＡｌ成分不含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金をカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブルの外周部に沿って複数の超硬基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、前記超硬基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記超硬基体の表面に、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ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して、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不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Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分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Ａｌ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
上記Ａｌ成分不含有点が、組成式：（Ｔｉ1-YＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【０００９】
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）Ａｌ成分最高含有点の組成
Ａｌ成分最高含有点の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）ＮにおけるＡｌ成分は、高強度および高靭性を有するＴｉＮの高温硬さおよび耐熱性（高温特性）を向上させ、同Ｓｉ成分はさらに一段と耐熱性を向上させて、高熱発生を伴う高速切削に適応させる目的で含有するものであり、したがってＡｌおよびＳｉ成分の含有割合が高くなればなるほど高温特性は向上したものになるが、Ａｌの含有割合を示すＸ値がＴｉとＳｉの合量に占める割合（原子比）で０．６５を越えても、またＳｉの含有割合を示すＹ値が同０．１５を越えても、高強度および高靭性を有する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ点が隣接して存在しても層自体の強度および靭性の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方同Ｘ値が同０．４０未満でも、また同Ｙ値が０．０５未満でも前記高温特性に所望の向上効果が得られないことから、Ｘ値を０．４０〜０．６５、Ｙ値を０．０５〜０．１５と定めた。
【００１０】
（ｂ）Ａｌ成分不含有点の組成
Ａｌ成分不含有点の（Ｔｉ，Ｓｉ）ＮにおけるＳｉ成分は、上記の通り高強度および高靭性を有するＴｉＮの耐熱性を向上させ、高熱発生を伴う高速切削に適応させる目的で含有するものであり、したがってＹ値が０．０５未満では所望の耐熱性向上効果が得られず、一方Ｙ値が０．１５を越えるとＡｌ成分不含有点での強度および靭性に低下傾向が現れるようになり、所望の耐チッピング性向上が困難になることから、Ｙ値を０．０５〜０．１５と定めた。
【００１１】
（ｃ）Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点間の間隔
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温特性と強度および靭性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Ａｌ成分最高含有点であれば強度および靭性不足、Ａｌ成分不含有点であれば高温特性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０．０１〜０．１μmと定めた。
【００１２】
（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。
【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、ＶＣ粉末、ＴａＣ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。
【００１４】
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の窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製の超硬基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。
【００１５】
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に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上に外周部にそって装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＡｌ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）としてＡｌ成分不含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ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Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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、カソード電極の前記金属Ｔｉ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Ｔｉ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２Ｐａ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、それぞれのカソード電極(前記Ａｌ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金およびＡｌ成分不含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金)とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって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Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不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Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分含有量が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、図３（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と云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１６】
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、乾燥した状態で、それぞれ図２に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、カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金を装着し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記超硬基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極の前記金属Ｔｉ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Ｔｉ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２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、表５，６に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、同じく図３に示される形状の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。
【００１７】
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・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／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：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式連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７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】
（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８に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種の超硬基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表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の寸法をもった超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００２６】
ついで、これらの超硬基体（エンドミル）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、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表９に示される目標組成のＡｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点とが交互に同じく表９に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分含有量が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９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、図４（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。
【００２７】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（エンドミル）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２に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、上記実施例１と同一の条件で、表１０に示され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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製エンドミル（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。
【００２８】
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・ＳＫＤ１１の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：４．５ｍｍ、
テーブル送り：８５０ｍｍ／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・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：７．５ｍｍ、
テーブル送り：９００ｍｍ／分、
の条件での炭素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・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：８．０ｍｍ、
テーブル送り：１５００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速高送り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９、１０にそれぞれ示した。
【００２９】
【表８】
【００３０】
【表９】
【００３１】
【表１０】
【００３２】
（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）の寸法をもった超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。
【００３３】
ついで、これらの超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図１に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表１１に示される目標組成のＡｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点とが交互に同じく表１１に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分含有量が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１１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、図５（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。
【００３４】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（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２に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、上記実施例１と同一の条件で、表１２に示され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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製ドリル（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。
【００３５】
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×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１の板材、
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ
の条件での工具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・ＦＣＤ４００の板材、
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ
の条件でのダクタイル鋳鉄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・ＦＣ３００の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３２ｍｍ
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、いずれの湿式高速穴あけ切削加工試験（水溶性切削油使用）でも先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表１１、１２にそれぞれ示した。
【００３６】
【表１１】
【００３７】
【表１２】
【００３８】
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Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点の組成、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆超硬チップ１〜１６、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をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、これらの本発明被覆超硬工具の硬質被覆層におけるＡｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点間の間隔、およびこれの全体層厚、並びに従来被覆超硬工具の硬質被覆層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標値と実質的に同じ値を示した。
【００３９】
【発明の効果】
表３〜１２に示される結果から、硬質被覆層が層厚方向に、すぐれた高温硬さと耐熱性を有するＡｌ成分最高含有点と高強度と高靭性を有するＡｌ成分不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Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分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、硬質被覆層がすぐれた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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる従来被覆超硬工具においては、前記硬質被覆層がすぐれた高温硬さと耐熱性を有するものの、強度および靭性に劣るものであるために、チッピングが発生し、これが原因で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、通常の条件での高速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、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性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】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たアークイオンプレーティング装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【図２】従来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【図３】（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４】（ａ）は被覆超硬エンドミル概略正面図、（ｂ）は同切刃部の概略横断面図である。
【図５】（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、硬質被覆層が高強度と高靭性を有し、かつ高温硬さと耐熱性にもすぐれ、したがって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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具という）に関するものである。
【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、さらに切刃が断続切削加工形態をとる面削加工や溝加工、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-(X+Y)ＡｌX ＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）を満足するＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１５μｍの平均層厚で物理蒸着してなる被覆超硬工具が提案され、かかる被覆超硬工具が、硬質被覆層を構成する前記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層がすぐれた高温特性（高温硬さおよび耐熱性）を有することから、高熱発生を伴う各種の鋼や鋳鉄などの高速連続切削や高速断続切削加工に用いられることも知られている。
【０００４】
さらに、上記の被覆超硬工具が、例えば図２に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に上記の超硬基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電流：９０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記超硬基体には、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記超硬合金基体の表面に、上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより製造されることも知られている。
【０００５】
【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、切削加工は高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なわれる傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを通常の高速切削加工条件で用いた場合には問題はないが、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は、特に硬質被覆層の強度および靭性不足が原因でチッピング（微小割れ）が発生し易くなり、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００６】
【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で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆超硬工具を開発すべく、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２に示されるアークイオンプレーティング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，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な高温硬さと耐熱性を有するが、例えば図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造のアークイオンプレーティング装置、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Ａｌ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側にＡｌ成分不含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金をいずれもカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブルの外周部に沿って複数の超硬基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、蒸着形成される硬質被覆層の層厚均一化を図る目的で超硬基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記超硬基体の表面に（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を形成すると、この結果の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）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Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極（蒸発源）に最も接近した時点で層中にＡｌ成分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Ｔｉ−Ｓｉ合金のカソード電極に最も接近した時点で層中にＡｌ成分不含有点が形成され、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Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不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Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分含有量が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。
【０００７】
（ｂ）上記（ａ）の繰り返し連続変化成分濃度分布構造の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層において、対向配置の一方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金におけるＡｌおよびＳｉ含有量を上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のＡｌおよびＳｉ含有量に相当するものとし、同他方側のカソード電極（蒸発源）であるＴｉ−Ｓｉ合金におけるＳｉ含有量を前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のＳｉ含有量と同じくすると共に、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Ａｌ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
上記Ａｌ成分不含有点が、組成式：（Ｔｉ1-YＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μmとすると、
上記Ａｌ成分最高含有点部分では、上記の従来（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のもつ高温硬さと耐熱性に相当するすぐれた高温硬さと耐熱性（高温特性）を示し、一方上記Ａｌ成分不含有点部分では、実質的にＡｌを含有しない（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで構成されるようになるので、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎのもつ高強度と高靭性が確保され、かつこれらＡｌ成分最高含有点とＡｌ成分不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すぐれた高温特性を保持した状態で一段とすぐれた強度と靭性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，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる被覆超硬工具は、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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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。
【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、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Ａｌ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側にＡｌ成分不含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金をカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブルの外周部に沿って複数の超硬基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、前記超硬基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記超硬基体の表面に、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ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して、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不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Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分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Ａｌ成分最高含有点が、組成式：（Ｔｉ1-(X+Y)ＡｌX ＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
上記Ａｌ成分不含有点が、組成式：（Ｔｉ1-YＳｉY）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点の間隔が、０．０１〜０．１μmである、
高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【０００９】
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）Ａｌ成分最高含有点の組成
Ａｌ成分最高含有点の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）ＮにおけるＡｌ成分は、高強度および高靭性を有するＴｉＮの高温硬さおよび耐熱性（高温特性）を向上させ、同Ｓｉ成分はさらに一段と耐熱性を向上させて、高熱発生を伴う高速切削に適応させる目的で含有するものであり、したがってＡｌおよびＳｉ成分の含有割合が高くなればなるほど高温特性は向上したものになるが、Ａｌの含有割合を示すＸ値がＴｉとＳｉの合量に占める割合（原子比）で０．６５を越えても、またＳｉの含有割合を示すＹ値が同０．１５を越えても、高強度および高靭性を有する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ点が隣接して存在しても層自体の強度および靭性の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなり、一方同Ｘ値が同０．４０未満でも、また同Ｙ値が０．０５未満でも前記高温特性に所望の向上効果が得られないことから、Ｘ値を０．４０〜０．６５、Ｙ値を０．０５〜０．１５と定めた。
【００１０】
（ｂ）Ａｌ成分不含有点の組成
Ａｌ成分不含有点の（Ｔｉ，Ｓｉ）ＮにおけるＳｉ成分は、上記の通り高強度および高靭性を有するＴｉＮの耐熱性を向上させ、高熱発生を伴う高速切削に適応させる目的で含有するものであり、したがってＹ値が０．０５未満では所望の耐熱性向上効果が得られず、一方Ｙ値が０．１５を越えるとＡｌ成分不含有点での強度および靭性に低下傾向が現れるようになり、所望の耐チッピング性向上が困難になることから、Ｙ値を０．０５〜０．１５と定めた。
【００１１】
（ｃ）Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点間の間隔
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温特性と強度および靭性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Ａｌ成分最高含有点であれば強度および靭性不足、Ａｌ成分不含有点であれば高温特性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０．０１〜０．１μmと定めた。
【００１２】
（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。
【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、ＶＣ粉末、ＴａＣ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。
【００１４】
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の窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ系サーメット製の超硬基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。
【００１５】
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に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上に外周部にそって装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＡｌ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側のカソード電極（蒸発源）としてＡｌ成分不含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ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Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ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、カソード電極の前記金属Ｔｉ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Ｔｉ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２Ｐａ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、それぞれのカソード電極(前記Ａｌ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金およびＡｌ成分不含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金)とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって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Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不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Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分含有量が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、図３（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と云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１６】
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、乾燥した状態で、それぞれ図２に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、カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金を装着し、またボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、まず、装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記超硬基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極の前記金属Ｔｉ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Ｔｉ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２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれの表面に、表５，６に示される目標組成および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に組成変化のない（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、同じく図３に示される形状の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。
【００１７】
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・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／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：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式断続高速高送り切削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式連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７に示した。
【００１８】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
（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８に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種の超硬基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表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の寸法をもった超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００２６】
ついで、これらの超硬基体（エンドミル）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、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表９に示される目標組成のＡｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点とが交互に同じく表９に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分含有量が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９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、図４（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。
【００２７】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（エンドミル）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２に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、上記実施例１と同一の条件で、表１０に示され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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製エンドミル（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。
【００２８】
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・ＳＫＤ１１の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：４．５ｍｍ、
テーブル送り：８５０ｍｍ／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・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：７．５ｍｍ、
テーブル送り：９００ｍｍ／分、
の条件での炭素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・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：８．０ｍｍ、
テーブル送り：１５００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速高送り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９、１０にそれぞれ示した。
【００２９】
【表８】
【表９】
【表１０】
（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）の寸法をもった超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。
【００３３】
ついで、これらの超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、同じく図１に示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、層厚方向に沿って表１１に示される目標組成のＡｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点とが交互に同じく表１１に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分含有量が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１１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、図５（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。
【００３４】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（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２に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、上記実施例１と同一の条件で、表１２に示され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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製ドリル（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。
【００３５】
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×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＫＤ６１の板材、
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：８ｍｍ
の条件での工具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・ＦＣＤ４００の板材、
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ
の条件でのダクタイル鋳鉄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・ＦＣ３００の板材、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３２ｍｍ
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、いずれの湿式高速穴あけ切削加工試験（水溶性切削油使用）でも先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表１１、１２にそれぞれ示した。
【００３６】
【表１１】
【表１２】
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Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点の組成、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆超硬チップ１〜１６、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をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
また、これらの本発明被覆超硬工具の硬質被覆層におけるＡｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点間の間隔、およびこれの全体層厚、並びに従来被覆超硬工具の硬質被覆層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標値と実質的に同じ値を示した。
【００３９】
【発明の効果】
表３〜１２に示される結果から、硬質被覆層が層厚方向に、すぐれた高温硬さと耐熱性を有するＡｌ成分最高含有点と高強度と高靭性を有するＡｌ成分不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Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分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、硬質被覆層がすぐれた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（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層からなる従来被覆超硬工具においては、前記硬質被覆層がすぐれた高温硬さと耐熱性を有するものの、強度および靭性に劣るものであるために、チッピングが発生し、これが原因で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、通常の条件での高速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、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性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】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たアークイオンプレーティング装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【図２】従来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【図３】（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４】（ａ）は被覆超硬エンドミル概略正面図、（ｂ）は同切刃部の概略横断面図である。
【図５】（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)
- 装置中央部に炭化タングステン基超硬合金基体および炭窒化チタン系サーメット基体のいずれか、または両方の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Ａｌ成分最高含有点形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金、他方側にＡｌ成分不含有点形成用Ｔｉ−Ｓｉ合金をカソード電極（蒸発源）として対向配置したアークイオンプレーティング装置を用い、この装置の前記回転テーブルの外周部に沿って複数の前記基体をリング状に装着し、この状態で装置内雰囲気を窒素雰囲気として前記回転テーブルを回転させると共に、前記基体自体も自転させながら、前記の両側のカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、前記基体の表面に、ＡｌとＴｉとＳｉの複合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して、
上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不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Ａｌ成分最高含有点から前記Ａｌ成分不含有点、前記Ａｌ成分不含有点から前記Ａｌ成分最高含有点へＡｌ成分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Ａｌ成分最高含有点が、組成式：［Ｔｉ1-(X+ Ｙ )ＡｌXＳｉＹ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
上記Ａｌ成分不含有点が、組成式：（Ｔｉ1- ＹＳｉＹ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙ：０．０５〜０．１５を示す）、
を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ成分最高含有点とＡｌ成分不含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍであること、
を特徴とする高速重切削条件で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具。
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