JP4535249B2 - 高速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の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、特に合金鋼や炭素鋼などの各種鋼の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示す表面被覆超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具という）の製造方法に関するものである。

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。

また、上記の被覆超硬工具が、
（ａ）例えば図２（ａ）に概略平面図、同（ｂ）に概略正面図で示される、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、すなわち、中央部に回転テーブルを設け、前記回転テーブルの外側に、カソード電極（蒸発源）として硬質被覆層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金、同じくカソード電極（蒸発源）として潤滑被覆層形成用金属Ｚｒを設けたアークイオンプレーティング装置を用い、
（ｂ）上記回転テーブル上に炭化タングステン（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）基サーメットで構成された超硬基体を装着し、
（ｃ）まず、ヒータで装置内を、例えば５００℃の温度に加熱した状態で、まず、Ａｒガスを装置内に導入して１０ＰａのＡｒガス雰囲気とし、前記超硬基体には、例えば−８００Ｖのバイアス電圧を印加して、前記超硬基体表面をＡｒガスボンバード洗浄処理し、
（ｄ）ついで、硬質被覆層形成用カソード電極（蒸発源）として装着された所定組成を有するＴｉ−Ａｌ合金とアノード電極との間に、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、前記超硬基体の表面に、
組成式：（Ｔｉ_{1- X} Ａｌ_X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．７０を示す）、
を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を１〜１０μｍの平均層厚で蒸着形成し、
（ｅ）さらに、上記超硬基体への直流バイアス電圧（−１００Ｖ）は同じくしたままで、前記潤滑被覆層形成用のカソード電極（蒸発源）として配置した金属Ｚｒとアノード電極との間に、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酸素ガスを導入して、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、上記硬質被覆層に重ねて、酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ_２で示す）層からなる潤滑被覆層を０．５〜５μｍの平均層厚で蒸着形成する、
以上（ａ）〜（ｅ）の工程で製造されることも知られており、前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層が、構成成分であるＡｌによって高温硬さと耐熱性、同Ｔｉによって高温強度を具備し、これに加えてすぐれた潤滑性を有する上記ＺｒＯ_２層と相俟って、この結果製造された被覆超硬工具は、特に合金鋼や炭素鋼などの各種鋼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。
特開２０００−２３３３２４号公報 特開２００２−２５４２０４号公報

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、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、各種鋼の切削加工を通常の切削加工条件で行うのに用いた場合には問題はないが、これを高速切削加工条件で用いると、特に潤滑被覆層であるＺｒＯ_２層の摩耗進行がきわめて速くなり、これが短時間で摩滅することから、以後の切削加工は潤滑効果の伴なわない状態で、硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層単独での切削加工を余儀なくされるようになるため、特に高速切削加工では前記硬質被覆層の摩耗も急激に加速し、この結果使用寿命（切削加工時間）の短縮化は避けられないのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に各種鋼の高速切削加工で硬質被覆層が長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆超硬工具を製造すべく、特に上記の従来被覆超硬工具の製造方法に着目し、研究を行った結果、
（ａ）上記の従来被覆超硬工具の製造方法においては、潤滑被覆層であるＺｒＯ_２層は、例えば図２に示されるアークイオンプレーティング装置を用い、カソード電極（蒸発源）として設置した金属Ｚｒとアノード電極との間に発生させたアーク放電でＺｒイオンを放出し、同時に装置内に反応ガスとして導入した酸素ガスと反応させることにより形成されるが、これをカソード電極（蒸発源）として金属Ｚｒを備えたスパッタリング装置を用い、かつ装置内に反応ガスとして、Ａｒガスと酸素ガスを導入して、装置内雰囲気を、酸素ガスがＡｒガスとの合量に占める割合で１０〜３０容量％を占める混合ガス雰囲気とした条件で形成すると、前記Ａｒガスがスパッタを著しく活性化し、前記金属ＺｒからスパッタされたＺｒイオンはきわめて高い放出密度で、かつ強力なイオンとして放出されるようになり、この結果形成されたＺｒＯ_２層は、著しく強靭化したものとなり、各種鋼の高速切削加工でも摩耗進行が著しく抑制されるようになるので、長期に亘って硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と共存して、すぐれた切削性能を発揮するようになること。

（ｂ）上記の従来被覆超硬工具の製造方法においては、上記超硬基体表面をＡｒガスボンバード洗浄処理していたが、カソード電極として金属Ｃｒを用い、これとアノード電極との間のアーク放電で発生したＣｒイオンで上記超硬基体表面をＣｒボンバード洗浄処理すると、前記超硬基体表面に対する硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の密着性が、前記Ａｒガスボンバード洗浄処理した場合に比して一段と向上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。

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、
（ａ）例えば図１（ａ）に概略平面図、同（ｂ）に概略正面図で示される蒸着装置、すなわち、中央部に回転テーブルを設け、前記回転テーブルの外側に、カソード電極（蒸発源）としてＴｉ−Ａｌ合金を備えた硬質被覆層形成用アーク放電装置およびカソード電極（蒸発源）として金属Ｚｒを備えた潤滑被覆層形成用スパッタリング装置、さらにカソード電極として金属Ｃｒを備えた超硬基体表面ボンバード洗浄用アーク放電装置を設けた蒸着装置を用い、
（ｂ）上記蒸着装置の回転テーブル上に、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された超硬基体を装着し、
（ｃ）まず、上記超硬基体表面ボンバード洗浄用アーク放電装置のカソード電極である金属Ｃｒとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、上記超硬基体表面をＣｒボンバード洗浄処理し、
（ｄ）ついで、上記蒸着装置内の雰囲気を窒素ガス雰囲気とすると共に、上記硬質被覆層形成用アーク放電装置のカソード電極であるＴｉ−Ａｌ合金とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、上記超硬基体の表面に、
組成式：（Ｔｉ_1-X Ａｌ_X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．７０を示す）、
を満足する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層を１〜１０μｍの平均層厚で形成し、
（ｅ）さらに、上記蒸着装置内の雰囲気を、酸素ガスを１０〜３０容量％の割合で含有し、残りがＡｒガスからなる酸化性ガス雰囲気とすると共に、上記潤滑被覆層形成用スパッタリング装置のカソード電極である金属Ｚｒにスパッタを発生させて、上記硬質被覆層に重ねて、ＺｒＯ_２層からなる潤滑被覆層を０．５〜５μｍの平均層厚で形成する、
以上（ａ）〜（ｅ）の工程で、高速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を製造する方法に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆超硬工具の製造方法において、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）硬質被覆層の組成および平均層厚
硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層におけるＡｌ成分には高温硬さと耐熱性を向上させ、一方同Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用があるが、Ａｌの割合を示すＸ値がＴｉとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．４５未満になると、相対的にＴｉの割合が多くなり過ぎて、すぐれた高温硬さと耐熱性を確保することができず、摩耗進行が急激に促進するようになり、一方Ａｌの割合を示すＸ値が同０．７０を越えると、相対的にＴｉの割合が少なくなり過ぎて、高温強度が急激に低下し、摩耗が発生し易くなることから、Ｘ値を０．４５〜０．７０と定めた。
さらに、その平均層厚が１μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方その平均層厚が１０μｍ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１〜１０μｍと定めた。

（ｂ）潤滑被覆層の形成条件
上記の通り、潤滑被覆層を構成するＺｒＯ_２層は、カソード電極（蒸発源）として金属Ｚｒを備えたスパッタリング装置を用い、かつ装置内雰囲気を、酸素ガスがＡｒガスとの合量に占める割合で１０〜３０容量％を占める混合ガス雰囲気とした条件で形成され、かかる条件での形成によって、スパッタ作用が著しく活性化し、この結果層はすぐれた強靭性を具備するようになり、各種鋼の高速切削加工でも摩耗進行が抑制されることから、長期に亘って硬質被覆層である（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と共存して、これの耐摩耗性向上に寄与する作用を発揮するが、この場合前記混合ガス雰囲気における酸素ガスの割合が１０容量％未満になると、Ｚｒイオンに対する酸素の供給が不十分となって、組成的に安定したＺｒＯ_２層の形成が困難となり、これは層特性不均一の原因となり、一方同酸素ガスの割合が３０容量％を越えると、Ａｒガスの割合が７０容量％未満となってしまい、Ａｒガスによるスパッタ作用の活性化が不十分となり、層の十分な強靭化が図れないことから、前記混合ガス雰囲気における酸素ガスの割合を１０〜３０容量％と定めた。

（ｃ）潤滑被覆層の平均層厚
潤滑被覆層を構成するＺｒＯ_２層は、上記の通り各種鋼の高速切削加工でもすぐれた潤滑性を長期に亘って発揮し、硬質被覆層である前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の耐摩耗性向上に寄与する作用を有するが、その平均層厚が０．５μｍ未満では、前記作用を十分に発揮することができず、一方その平均層厚が５μｍを越えて厚くなり過ぎると、偏摩耗の原因となる熱塑性変形を起こし易くなり、摩耗が促進されるようになることから、その平均層厚を０．５〜５μｍと定めた。

この発明の方法によれば、各種鋼の高速切削加工でも潤滑被覆層であるＺｒＯ_２層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆超硬工具を製造することができ、したがってこの結果製造された被覆超硬工具は、硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層のＣｒボンバード洗浄処理による超硬基体表面に対する密着性向上効果と相俟って、特に各種鋼の高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものである。

つぎに、この発明の被覆超硬工具の製造方法を実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃr₃ Ｃ₂ 粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３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Ａ−１〜Ａ−１０を形成した。

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基サーメットの超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−６を形成した。

（ａ）ついで、上記の超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６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に示される蒸着装置、すなわち、中央部に回転テーブルを設け、前記回転テーブルの外側に、一方側にカソード電極（蒸発源）として所定の組成を有する硬質被覆層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金を備えたアーク放電装置に配置し、他方側にカソード電極（蒸発源）として潤滑被覆層形成用金属Ｚｒを備えたスパッタリング装置を対向配置し、さらにカソード電極としてボンバード洗浄用金属Ｃｒを備えたアーク放電装置を配置した蒸着装置の前記回転テーブル上に、中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、
（ｂ）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、かつ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ボンバード洗浄処理し、
（ｃ）上記のボンバード洗浄用金属Ｃｒのカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａ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、かつカソード電極の前記Ｔｉ−Ａｌ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、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として蒸着形成し、
（ｄ）ついで、上記の硬質被覆層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極との間のアーク放電を停止し、超硬基体への直流バイアス電圧（−１００Ｖ）は同じくしたままで、前記スパッタリング装置のカソード電極（蒸発源）として配置した金属Ｚｒに、スパッタ出力：３ｋＷの条件でスパッタリングを開始し、同時に前記蒸着装置内に反応ガスとしてＡｒガスと酸素ガスを導入して、装置内雰囲気を、窒素雰囲気に代って、表３に示される組成を有する３Ｐａの酸化性ガス雰囲気とし、もって同じく表３に示される目標層厚のＺｒＯ_２層を潤滑被覆層として上記硬質被覆層に重ねて蒸着形成することにより、本発明方法１〜１６を実施し、被覆超硬工具としての表面被覆超硬製スローアウエイチップ（以下、本発明被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、
（ａ）上記の超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−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２に示されるアークイオンプレーティング装置、すなわち、中央部に回転テーブルを設け、前記回転テーブルの外側に、一方側にカソード電極（蒸発源）として所定の組成を有する硬質被覆層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金を配置し、他方側にカソード電極（蒸発源）として潤滑被覆層形成用金属Ｚｒを対向配置したアークイオンプレーティング装置の前記回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、
（ｂ）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、Ａｒガスを装置内に導入して１０ＰａのＡｒガス雰囲気とし、前記超硬基体に−８００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって超硬基体表面をＡｒガスボンバード洗浄処理し、
（ｃ）ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａ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Ｔｉ−Ａｌ合金の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Ａ−１〜Ａ−１０およびＢ−１〜Ｂ−６のそれぞれの表面に、表４に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として蒸着形成し、
（ｄ）上記超硬基体への直流バイアス電圧（−１００Ｖ）は同じくしたままで、前記潤滑被覆層形成用のカソード電極（蒸発源）として配置した金属Ｚｒとアノード電極との間に、付加電流：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酸素ガスを導入して、２Ｐａの反応雰囲気とし、一方上記超硬基体には、−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、同じく表３に示される目標層厚のＺｒＯ_２層を潤滑被覆層として上記硬質被覆層に重ねて蒸着形成することにより従来方法１〜１６を実施し、従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬製スローアウエイチップ（以下、従来被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の各種の被覆チップを、いずれも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、本発明被覆チップ１〜１６および従来被覆チップ１〜１６について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ａ）での炭素鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４３５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金鋼の乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４２０の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｃ）での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）を行い、いずれの高速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に示した。

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枚刃スクエア形状をもったＷＣ基超硬合金製の超硬基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。

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に示される蒸着装置に装入し、潤滑被覆層であるＺｒＯ_２層形成時の装置内雰囲気を表７に示される組成の酸化性ガス雰囲気とする以外は、上記実施例１と同一の条件で、表７に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層と、同じく表７に示される目標層厚のＺｒＯ_２層からなる潤滑被覆層を蒸着形成する本発明方法１７〜２４を実施し、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬製エンドミル（以下、本発明被覆エンドミルと云う）１７〜２４をそれぞれ製造した。

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、同じく図２に示される蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、同じく表７に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層と、同じく表７に示される目標層厚のＺｒＯ_２層からなる潤滑被覆層を蒸着形成する従来方法１７〜２４を実施し、従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬製エンドミル（以下、従来被覆エンドミルと云う）１７〜２４をそれぞれ製造した。

つぎに、この結果得られた本発明被覆エンドミル１７〜２４および従来被覆エンドミル１７〜２４のうち、本発明被覆エンドミル１７〜１９および従来被覆エンドミル１７〜１９については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＣＭ４３０の板材、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：２．５ｍｍ、
テーブル送り：９００ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）、本発明被覆エンドミル２０〜２２および従来被覆エンドミル２０〜２２については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：４ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）、本発明被覆エンドミル２３，２４および従来被覆エンドミル２３，２４については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：８ｍｍ、
テーブル送り：４８０ｍｍ／分、
の条件での合金鋼の乾式高速溝切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）をそれぞれ行い、いずれの高速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７にそれぞれ示した。

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ＷＣ基超硬合金製の超硬基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。

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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、表８に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層と、同じく表８に示される目標層厚のＺｒＯ_２層からなる潤滑被覆層を蒸着形成する本発明方法２５〜３２を実施し、本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬製ドリル（以下、本発明被覆ドリルと云う）２５〜３２をそれぞれ製造した。

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、同じく図２に示される蒸着装置に装入し、上記実施例１と同一の条件で、同じく表８に示される目標組成および目標層厚を有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層と、同じく表８に示される目標層厚のＺｒＯ_２層からなる潤滑被覆層を蒸着形成する従来方法２５〜３２を実施し、従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬製ドリル（以下、従来被覆ドリルと云う）２５〜３２をそれぞれ製造した。

つぎに、この結果得られた上記本発明被覆ドリル２５〜３２および従来被覆ドリル２５〜３２のうち、本発明被覆ドリル２５〜２７および従来被覆ドリル２５〜２７については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＣＭ４４０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穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は４０ｍ／ｍｉｎ．）、本発明被覆ドリル２８〜３０および従来被覆ドリル２８〜３０については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＮＣＭ４１５の板材、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は５０ｍ／ｍｉｎ．）、本発明被覆ドリル３１，３２および従来被覆ドリル３１，３２については、
被削材−平面：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：３２ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は６５ｍ／ｍｉｎ．）、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８にそれぞれ示した。

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チップ１〜１６、本発明被覆エンドミル１７〜２４、および本発明被覆ドリル２５〜３２の硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層（硬質被覆層）の組成、並びに従来被覆超硬工具としての従来被覆チップ１〜１６、従来被覆エンドミル１７〜２４、および従来被覆ドリル２５〜３２の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。

また、上記の硬質被覆層および潤滑被覆層の平均層厚を走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

表３〜８に示される結果から、本発明方法１〜３２で製造された本発明被覆超硬工具は、いずれも各種鋼の高速切削加工でも潤滑被覆層であるＺｒＯ_２層がすぐれた耐摩耗性を発揮し、硬質被覆層の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と共存した状態を長期に亘って保持することから、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、従来方法１〜３２で製造された従来被覆超硬工具においては、いずれも潤滑被覆層であるＺｒＯ_２層の摩耗がきわめて速く、硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層単独での切削加工を余儀なくされることから、摩耗進行は著しく加速され、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、この発明の方法によれば、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に合金鋼や炭素鋼などの各種鋼の高速切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示す被覆超硬工具を製造することができ、切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に寄与するものである。

本発明方法を実施するのに用いた蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。 通常の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。

Claims (1)

1. （ａ）中央部に回転テーブルを設け、前記回転テーブルの外側に、カソード電極（蒸発源）としてＴｉ−Ａｌ合金を備えた硬質被覆層形成用アーク放電装置およびカソード電極（蒸発源）として金属Ｚｒを備えた潤滑被覆層形成用スパッタリング装置、さらにカソード電極として金属Ｃｒを備えた超硬基体表面ボンバード洗浄用アーク放電装置を設けた蒸着装置を用い、
   （ｂ）上記蒸着装置の回転テーブル上に炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された超硬基体を装着し、
   （ｃ）まず、上記超硬基体表面ボンバード洗浄用アーク放電装置のカソード電極である金属Ｃｒとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、上記超硬基体表面をＣｒボンバード洗浄処理し、
   （ｄ）ついで、上記蒸着装置内の雰囲気を窒素ガス雰囲気とすると共に、上記硬質被覆層形成用アーク放電装置のカソード電極であるＴｉ−Ａｌ合金とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、上記超硬基体の表面に、
   組成式：（Ｔｉ_1-X Ａｌ_X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．７０を示す）、
   を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる硬質被覆層を１〜１０μｍの平均層厚で形成し、
   （ｅ）さらに、上記蒸着装置内の雰囲気を、酸素ガスを１０〜３０容量％の割合で含有し、残りがＡｒガスからなる酸化性ガス雰囲気とすると共に、上記潤滑被覆層形成用スパッタリング装置のカソード電極である金属Ｚｒにスパッタを発生させて、上記硬質被覆層に重ねて、酸化ジルコニウム層からなる潤滑被覆層を０．５〜５μｍの平均層厚で形成する、
   以上（ａ）〜（ｅ）の工程で構成したことを特徴とする、高速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の製造方法。

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