(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、５〜２０μmの全体平均層厚を有する硬質被覆層を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、前記硬質被覆層を、
０．５〜１μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌXＴｉ1-X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．７５を示す）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物層と、
０．１〜０．５μmの平均層厚を有する炭化タングステン層との交互多重積層、
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた放熱性を有し、したがって特に各種の鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴う高速切削加工で、硬質被覆層が過熱されることがなくなることから、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようにな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、組成式：（ＡｌZＴｉ1-Z ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｚは０．４５〜０．７５を示す）を満足するＡｌとＴｉの複合窒化物［以下、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎで示す］層からなる硬質被覆層を５〜２０μｍの平均層厚で蒸着形成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加工に用いられることも良く知られるところである。
【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Ａｌ−Ｔｉ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（Ａｌ，Ｔｉ）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】
切削加工技術分野において、切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化は常に変らぬ課題であり、これに伴って、切削加工装置の高性能化とも相俟って、切削加工は一段と高速化する傾向にあるが、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、これを高い発熱を伴う高速切削条件で用いた場合には、硬質被覆層の熱伝導性が相対的に低いものであるあることから、切削時に発生する高熱によって過熱され、かなりの温度上昇が避けられず、この結果摩耗進行が促進され、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、
例えば図１（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図に示される（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層形成用アークイオンプレーティング装置と炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）層形成用マグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置を用い、超硬基体の表面に、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層とＷＣ層の交互多重積層からなり、かつ前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の個々の平均層厚を０．５〜１μm、前記ＷＣ層の個々の平均層厚を０．１〜０．５μmとした硬質被覆層を蒸着形成すると、この結果の硬質被覆層を蒸着形成した被覆超硬工具においては、前記硬質被覆層が前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性を具備した上で、高熱伝導性を有する前記ＷＣ層により高い放熱性を発揮し、高速切削時に発生する高熱による過熱が防止されることから、硬質被覆層の摩耗進行が著しく抑制され、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するようになる、という研究結果を得たのである。
【０００７】
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、５〜２０μmの全体平均層厚を有する硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬工具において、前記硬質被覆層を、
０．５〜１μmの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（ＡｌXＴｉ1-X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４５〜０．７５を示す）を満足する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と、
０．１〜０．５μmの平均層厚を有するＷＣ層との交互多重積層、
で構成してなる、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被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【０００８】
つぎに、この発明の被覆超硬工具の硬質被覆層の平均層厚、前記硬質被覆層を構成する交互多重積層における（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成および個々の平均層厚、さらにＷＣ層の個々の平均層厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の組成
（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層におけるＡｌは、高靭性を有するＴｉＮ層の高温硬さおよび耐熱性（高温特性）を向上させる目的で含有するものであり、したがってＡｌの割合（Ｘ）がＴｉとの合量に占める割合（原子比）で０．４５未満では所望のすぐれた高温特性を確保することができず、一方その割合が同じく０．７５を越えると、Ｔｉの割合が低くなり過ぎて、急激に靭性が低下し、切刃にチッピング（微小欠け）などが発生し易くなることから、その割合を０．４５〜０．７５と定めた。
【０００９】
（ｂ）交互多重積層の個々の平均層厚
交互多重積層は、上記の通り（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層とＷＣ層の交互多重積層で構成することにより（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層のもつすぐれた高温硬さと耐熱性を具備した上で、高い熱伝導性を有するＷＣ層によるすぐれた放熱性を発揮するようになるが、前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の個々の平均層厚が０．５μm未満では前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層のもつ上記の特性を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、また前記ＷＣ層の個々の平均層厚が０．１μm未満でも硬質被覆層の放熱性は不十分なものとなり、一方前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の個々の平均層厚が１μmを越えると、前記ＷＣ層による硬質被覆層の放熱性に低下傾向が現れるようになり、また前記ＷＣ層の個々の平均層厚が０．５μmを越えると、硬質被覆層の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層によってもたらされる高温硬さと耐熱性が低下し、摩耗進行が促進されるようになることから、それぞれの個々の平均層厚を、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層：０．５〜１μm、ＷＣ層：０．１〜０．５μmと定めた。
【００１０】
（４）硬質被覆層の全体平均層厚
その全体平均層厚が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、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、硬質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５〜２０μｍと定めた。
【００１１】
【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、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Ａ１〜Ａ１０を形成した。
【００１２】
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。
【００１３】
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とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置内の回転テーブル上に外周部に沿って装着し、一方側の前記アークイオンプレーティング装置のカソード電極（蒸発源）として、種々の成分組成をもったＡｌ−Ｔｉ合金、他方側のマグネトロンスパッタリング装置のターゲット（蒸発源）としてＷＣ焼結体を装着し、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、ついで交互多重積層のうちの（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を形成する場合には、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て、カソード電極とアノード電極との間に９０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、また同ＷＣ層を形成する場合には、装置内にＡｒガスを導入して０．３Ｐａの不活性雰囲気とすると共に、ＷＣ焼結体のターゲットにパルス電源を用いて１０Ａ、４３０Ｖのパルス電圧を印加してＷＣをスパッタし、前記（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層とＷＣ層の形成工程の間に排気工程を装入しながら、前記超硬基体の表面に、表３，４に示される目標組成および目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層とＷＣ層の交互多重積層からなり、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、ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆超硬工具１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１４】
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Ａｌ−Ｔｉ合金を装着し、さらにボンバート洗浄用金属Ｔｉも装着し、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て、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９０Ａ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をもった組成的に均一の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、同じく従来被覆超硬工具１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１５】
つぎに、上記本発明被覆超硬工具１〜１６および従来被覆超硬工具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：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、
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：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式高速断続旋削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での鋳鉄の乾式高速断続旋削加工試験を行い、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。
【００１６】
【表１】
0003873276.tif 000002
【００１７】
【表２】
0003873276.tif 000003
【００１８】
【表３】
0003873276.tif 000004
【００１９】
【表４】
0003873276.tif 000005
【００２０】
【表５】
0003873276.tif 000006
【００２１】
【表６】
0003873276.tif 000007
【００２２】
なお、この結果得られた本発明被覆超硬工具１〜１６および従来被覆超硬工具１〜１６の硬質被覆層（交互多重積層）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、これらの被覆超硬工具の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層およびＷＣ層の個々の厚さを、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。
【００２３】
【発明の効果】
表３〜６に示される結果から、本発明被覆超硬工具１〜１６は、いずれも高温硬さと耐熱性にすぐれた（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層と高い熱伝導性を有するＷＣ層の交互多重積層からなる硬質被覆層が高温硬さと耐熱性、さらにすぐれた放熱性を具備するようになるので、高熱発生を伴う高速切削でも硬質被覆層自体の過熱が防止され、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較被覆超硬工具１〜１６は、いずれも高速切削では硬質被覆層が過熱され、摩耗進行が促進され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被削材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、これら被削材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、切削加工の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】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とマグネトロンスパッタリング装置を併設した蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【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１】
0003873276.tif 000008
【図２】
0003873276.tif 000009