JP2004249412A - 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
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Abstract
【課題】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を提供する。
【解決手段】炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層を１〜１０μｍ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の前記非晶質炭素系硬質被覆層を、層厚方向にそって、水素最高含有点と水素最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記両点間で水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、さらに、上記水素最高含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で３０〜４０原子％、上記水素最低含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で０．１〜１０原子％、であり、かつ隣り合う上記水素最高含有点と水素最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである硬質被覆層で構成する。
【選択図】 なし
【解決手段】炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層を１〜１０μｍ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の前記非晶質炭素系硬質被覆層を、層厚方向にそって、水素最高含有点と水素最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記両点間で水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、さらに、上記水素最高含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で３０〜４０原子％、上記水素最低含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で０．１〜１０原子％、であり、かつ隣り合う上記水素最高含有点と水素最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである硬質被覆層で構成する。
【選択図】 なし
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、したがって各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金などの被削材の切削加工を、高速で、かつ大きな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、硬質被覆層にチッピング（微少欠け）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、水素で示す）基超硬合金からなる基体（以下、超硬基体と云う）の表面に、水素を炭素との合量に占める割合で０．１〜４０原子％の割合で含有してなる非晶質炭素系硬質被覆層を１〜１０μｍの全体平均層厚で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、各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金などの被削材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１，２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６２６０５号公報
【特許文献２】
特開平３−１５８４５５号公報
【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、水素含有量によって具備する特性が異なり、例えば水素の低含有側では相対的に高硬度を有するために、高速切削ですぐれた耐摩耗性を示すものの、十分な強度を具備するものでないために、大きな機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削では、チッピングが発生し易く、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るものであり、一方、水素含有量が高含有側では相対的に高強度を有するために、前記の高切り込みや高送りなどの重切削ではすぐれた耐チッピング性を示すものの、硬さの低いものであるために、前記重切削条件では勿論のこと、特に高速切削では摩耗進行が著しく速く、使用寿命の短いものとならざるを得ず、このように上記の従来被覆超硬工具は、高速で、かつ大きな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、すなわち高速重切削条件では満足な切削性能を示さないのが現状である。
【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、特に高速重切削条件での切削加工で硬質被覆層が、チッピングの発生なく、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）上記の従来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な硬さと強度を有するが、例えば図１および図２の（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造の蒸着装置、すなわち装置中央部に超硬基体装着用テーブルを設け、前記テーブルの外周に沿って、いずれも高純度炭素粉末の成形体からなるターゲットを、それぞれスパッタリング装置（図１）およびアークイオンプレーティング装置（図２）のカソード電極（蒸発源）として配置した蒸着装置を用い、この装置の前記テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の超硬基体をそれぞれ前記ターゲットに対面して自転可能に装着し、この状態で装置内の反応雰囲気をＡｒガスと水素ガスの混合ガスとするが、前記Ａｒと水素の混合割合を周期的に変化させる、すなわち水素の割合が最も高く、Ａｒの割合が最も低い、望ましくは水素の割合をＡｒとの合量に占める割合で１５〜２０容量％とした水素高含有混合ガス導入時点と、水素の割合が最も低く、Ａｒの割合が最も高い、望ましくは水素の割合をＡｒとの合量に占める割合で０．１〜５容量％とした水素低含有混合ガス導入時点を設定し、かつ前記水素高含有混合ガス導入時点から前記水素低含有混合ガス導入時点に向けて水素の割合を連続的に減少させ、これに対応してＡｒの割合を連続的に増加させ、一方前記水素低含有混合ガス導入時点から前記水素高含有混合ガス導入時点に向けては反対に水素の割合を連続的に増加させ、これに対応してＡｒの割合を連続的に減少させる周期的割合変化を装置内に導入するＡｒと水素の混合ガスに加えながら、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て、前記のカソード電極（蒸発源）にグロー放電（スパッタリング装置）またはアーク放電（アークイオンプレーティング装置）を発生させて、前記超硬基体の表面に硬質被覆層を形成すると、この結果の硬質被覆層は、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなるが、前記水素高含有混合ガス導入時点では、硬質被覆層に水素最高含有点が形成され、また前記水素低含有混合ガス導入時点では水素最低含有点が形成され、上記装置内に導入される混合ガスのＡｒと水素の混合割合の周期的変化によって層中には層厚方向にそって前記水素最高含有点と水素最低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、前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造をもつようになること。
【０００７】
（ｂ）上記（ａ）の水素の繰り返し連続変化濃度分布構造の非晶質炭素系硬質被覆層の形成において、上記装置内に導入される混合ガスのＡｒと水素の混合割合、並びに混合割合の周期的変化を調整して、
上記水素最高含有点における水素含有量を、炭素との合量に占める割合で３０〜４０原子％、
一方、水素最低含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で０．１〜１０原子％、
とし、かつ隣り合う上記水素最高含有点と水素最低含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μｍとすると、
上記水素最高含有点部分では、水素含有量が相対的にきわめて高く、かつ上記水素最低含有点部分に比して著しく高いものとなるので、一段とすぐれた強度を示し、一方上記水素最低含有点部分では、水素含有量が相対的に低く、反面硬質炭素の含有割合の著しく高いものとなるので、一段と高い硬さを示し、かつこれら水素最高含有点と水素最低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強度を保持した状態で、高硬度も具備するようになり、したがって、かかる構成の硬質被覆層を形成してなる被覆超硬工具は、各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金などの被削材の切削加工を、高速で、かつ大きな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、硬質被覆層にチッピングなどの発生なく、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。
【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、超硬基体の表面に、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層を１〜１０μｍの全体平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具において、
上記非晶質炭素系硬質被覆層が、層厚方向にそって、水素最高含有点と水素最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、
さらに、上記水素最高含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で３０〜４０原子％、
上記水素最低含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で０．１〜１０原子％、
であり、かつ隣り合う上記水素最高含有点と水素最低含有点の間隔が、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。
【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）水素最高含有点の水素含有量
上記に通り、硬質被覆層を構成する非晶質炭素には層自体の硬さを向上させ、一方同水素には強度を向上させる作用があり、したがって相対的に水素の含有割合が高い水素最高含有点では一段とすぐれた強度を示し、大きな機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削で、すぐれた耐チッピング性を発揮するが、水素の含有割合が硬質炭素との合量に占める割合でで３０原子％（以下、％は原子％を示す）未満では、すぐれた強度を確保することができず、一方同割合が４０％を越えると、高硬度を有する水素最低含有点が隣接して存在しても層自体の硬さ低下は避けられず、この結果摩耗が加速されるようになることから、水素最高含有点の水素含有量を３０〜４０％と定めた。
【００１０】
（ｂ）水素最低含有点の水素含有量
上記の通り水素最低含有点には、相対的に高い含有割合の硬質炭素によって、層の硬さを著しく向上させる作用があるが、反面強度の低いものであるため、この水素最低含有点の強度不足を補う目的で、上記の水素最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであり、したがって水素最低含有点の水素の含有割合が１０％を越えると、層自体に所望の高硬度を確保することができなくなり、一方同含有割合が０．１％未満になると、高強度を有する水素最高含有点が隣接して存在しても層自体の強度低下は避けられず、チッピングが発生し易くなることから、水素最低含有点の水素含有量を０．１〜１０％と定めた。
【００１１】
（ｃ）水素最高含有点と水素最低含有点間の間隔
その間隔が０．０１μｍ未満ではそれぞれの点を上記の水素含有割合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強度と高硬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、すなわち水素最高含有点であれば硬さ不足、水素最低含有点であれば強度不足が層内に局部的に現れ、これが原因で摩耗進行が促進されるようになったり、チッピングが発生し易くなったりすることから、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１０μｍを越えると、切刃部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。
【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、切刃のすくい面部分にラップ加工を施して鏡面仕上げ面とすることによりＩＳＯ規格・ＳＰＧＮ１２０３０８のチップ形状をもった超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０を形成した。
【００１４】
ついで、上記の超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０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、すなわち装置内中央部に超硬基体装着用テーブルを設け、前記テーブルの外周に沿って、いずれも純度：９９．９８質量％の高純度炭素粉末の成形体からなる４枚のターゲットを、それぞれカソード電極（蒸発源）として配置した蒸着装置を用い、この装置の前記テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の超硬基体をそれぞれ前記ターゲットに対面して自転可能に装着し、まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を２００℃に加熱した後、Ａｒガスを装置内に導入して３０Ｐａの圧力のＡｒ雰囲気とし、この状態で前記テーブル上で自転する前記超硬基体に−８００Ｖのバイアス電圧を印加して前記超硬基体表面を２０分間Ａｒガスボンバード洗浄し、ついで前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−５０Ｖ、前記ターゲット（カソード電極）のそれぞれに付加されるスパッタ電力を出力：４ｋｗ、周波数：４０ｋＨｚとした条件で、前記カソード電極（蒸発源）のスパッタ表面部分にグロー放電を発生させて、前記カソード電極（蒸発源）から炭素をスパッタすると共に、装置内にＡｒと水素の混合ガスを、装置内雰囲気の圧力を常に１Ｐａに保持した状態で、かつ前記Ａｒと水素の混合割合を周期的に変化させながら導入し、もって前記テーブル上で自転する超硬基体の表面に、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなり、かつ層厚方向に沿って表２に示される目標水素含有量の水素最高含有点と水素最低含有点とが交互に同じく表２に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、かつ同じく表２に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、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）１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１５】
また、比較の目的で、上記の蒸着装置に導入されるＡｒと水素の混合ガスにおけるＡｒと水素の混合割合を硬質被覆層形成開始から終了まで一定にする以外は同一の条件で、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０のそれぞれの表面に、表３に示される目標水素含有量および目標層厚を有し、かつ水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなるが、層厚方向に沿って実質的に水素含有量に変化のない硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具に相当する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）１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１６】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１０および比較被覆超硬チップ１〜１０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・Ａ４０３２（Ｓｉ：１２％、Ｃｕ：１％、Ｍｇ：１％、Ｎｉ：０．８％、残：Ａｌ、以上質量％、以下同じ）の丸棒、
切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：８ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：６０分、
の条件（通常の条件での切削速度および切り込みは６００ｍ／ｍｉｎ．および４ｍｍ）でのＡｌ合金の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｃ２１００（Ｚｎ：５％、残：Ｃｕ）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：８ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：６０分、
の条件（通常の条件での切削速度および切り込みは３００ｍ／ｍｉｎ．および４ｍｍ）でのＣｕ合金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・ＡＤＣ１２（Ｃｕ：２．５％、Ｓｉ：１０％、残：Ａｌ）の丸棒、
切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．８ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３０分、
の条件（通常の条件での切削速度および送りは６００ｍ／ｍｉｎ．および０．４ｍｍ／ｒｅｖ．）でのＡｌ合金の乾式連続高速高送り切削加工試験を行ない、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。なお、この切削加工試験では前記逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至った時点をもって使用寿命とした。この測定結果を表２，３に示した。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【表２】
【００１９】
【表３】
【００２０】
（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４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４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）Ｂ−１〜Ｂ−８をそれぞれ製造した。
【００２１】
ついで、これらの超硬基体（エンドミル）Ｂ−１〜Ｂ−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に示される蒸着装置、すなわち装置内中央部に超硬基体装着用テーブルを設け、前記テーブルの外周に沿って、いずれも純度：９９．９８質量％の高純度炭素粉末の成形体からなる４枚のターゲットを、それぞれカソード電極（蒸発源）として配置した蒸着装置を用い、この装置の前記テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の上記超硬基体をそれぞれ前記ターゲットに対面して自転可能に装着し、まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を２００℃に加熱した後、Ａｒガスを装置内に導入して３０Ｐａの圧力のＡｒ雰囲気とし、この状態で前記テーブル上で自転する前記超硬基体に−８００Ｖのバイアス電圧を印加して前記超硬基体表面を２０分間Ａｒガスボンバード洗浄し、ついで前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−５０Ｖ、前記ターゲット（カソード電極）のそれぞれに８０Ａのアーク電流を付加して、アーク放電を発生させ、このアーク放電によって前記カソード電極（蒸発源）から炭素を蒸発させると共に、装置内にＡｒと水素の混合ガスを、装置内雰囲気の圧力を常に３Ｐａに保持した状態で、かつ前記Ａｒと水素の混合割合を周期的に変化させながら導入し、もって前記テーブル上で自転する超硬基体の表面に、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなり、かつ層厚方向に沿って表５に示される目標水素含有量の水素最高含有点と水素最低含有点とが交互に同じく表５に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、かつ同じく表５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。
【００２２】
また、比較の目的で、上記の蒸着装置に導入されるＡｒと水素の混合ガスにおけるＡｒと水素の混合割合を硬質被覆層形成開始から終了まで一定にする以外は同一の条件で、上記の超硬基体（エンドミル）Ｂ−１〜Ｂ−８のそれぞれの表面に、表６に示される目標水素含有量および目標層厚を有し、かつ水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなるが、層厚方向に沿って実質的に水素含有量に変化のない硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具に相当する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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００２３】
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・Ａ２０２４（Ｃｕ：４％、Ｍｎ：０．６％、Ｍｇ：１．５％、残：Ａｌ）の板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１２ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、
の条件（以下、切削条件１という。ただし、通常条件での切削速度および切り込みは１５０ｍ／ｍｉｎ．および６ｍｍ）でのＡｌ合金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・ＡＣ４Ｂ（Ｃｕ：３％、Ｓｉ：８．５％、残：Ａｌ）の板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１０ｍｍ、
テーブル送り：２０００ｍｍ／分、
の条件（以下、切削条件２という。ただし、通常の条件での切削速度およびテーブル送りは１５０ｍ／ｍｉｎ．および１０００ｍｍ／分）でのＡｌ合金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・Ｃ１０２０（純度：９９．９８％の純銅）の板材、
切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：３０ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、
の条件（以下、切削条件３という。ただし、通常の条件での切削速度は８０ｍ／ｍｉｎ．、同溝深さは１５ｍｍ、同テーブル送りは５００ｍｍ／分）での純銅の乾式高速高切り込みおよび高送り溝切削加工試験をそれぞれ行い、使用寿命に至るまでの切削溝長を測定した。なお、上記の溝切削加工試験おける使用寿命は、切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅で評価し、それぞれ前記逃げ面摩耗幅が上記の切削条件１では０．１ｍｍ、同切削条件２では０．２ｍｍ、および同切削条件３では０．１ｍｍに至った時点をもって使用寿命とした。この測定結果を表５，６にそれぞれ示した。
【００２４】
【表４】
【００２５】
【表５】
【００２６】
【表６】
【００２７】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−３形成用）、１３ｍｍ（超硬基体Ｂ−４〜Ｂ−６形成用）、および２６ｍｍ（超硬基体Ｂ−７、Ｂ−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Ｃ−１〜Ｃ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｃ−４〜Ｃ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（超硬基体Ｃ−７、Ｃ−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）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００２８】
ついで、これらの超硬基体（ドリル）Ｃ−１〜Ｃ−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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例２と同一の条件で、層厚方向に沿って表７に示される目標水素含有量の水素最高含有点と水素最低含有点とが交互に同じく表７に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最低含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、かつ同じく表７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。
【００２９】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（ドリル）Ｃ−１〜Ｃ−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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例２と同一の条件で、表８に示される目標水素含有量および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に水素含有量に変化のない硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具に相当する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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００３０】
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・ＡＣ４Ｂ（Ｃｕ：３％、Ｓｉ：８．５％、残：Ａｌ）の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１０ｍｍ、
の条件（以下、切削条件１という。ただし、通常の条件での切削速度および送りは８０ｍ／ｍｉｎ．および０．２ｍｍ／ｒｅｖ．）でのＡｌ合金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・Ｃ２１００（Ｚｎ：５％、残：Ｃｕ）の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ、
の条件（以下、切削条件２という。ただし、通常の条件での切削速度および送りは９０ｍ／ｍｉｎ．および０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）での銅合金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・Ａ４０３２（Ｓｉ：１２％，Ｃｕ：１％、Ｍｇ：１％、Ｎｉ：０．８％、残：Ａｌ）の板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．７ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：４０ｍｍ、
の条件（以下、切削条件３という。ただし、通常の条件での切削速度および送りは１１０ｍ／ｍｉｎ．および０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）でのＡｌ合金の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式穴あけ切削加工試験（水溶性切削油使用）でも使用寿命に至るまでの穴あけ加工数を測定した。なお、上記の湿式穴あけ切削加工試験おける使用寿命は、先端切刃面の逃げ面摩耗幅で評価し、それぞれ前記逃げ面摩耗幅が上記の切削条件１では０．３ｍｍ、同切削条件２では０．２ｍｍ、および同切削条件３では０．２ｍｍに至った時点をもって使用寿命とした。この測定結果を表７、８にそれぞれ示した。
【００３１】
【表７】
【００３２】
【表８】
【００３３】
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１〜１０、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、並びに従来被覆超硬工具に相当する比較被覆超硬チップ１〜１０、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を構成する硬質被覆層について、厚さ方向に沿って水素含有量を高周波グロー放電分光分析装置を用いて測定したところ、前記本発明被覆超硬工具の硬質被覆層では、水素最高含有点と水素最低含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ水素含有量および間隔で交互に繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有することが確認され、さらに硬質被覆層の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、前記従来被覆超硬工具の硬質被覆層では、目標水素含有量と実質的に同じ水素含有量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ものの、厚さ方向に沿った水素含有量に変化は見られず、層全体に亘って均質な水素含有量を示すものであった。
【００３４】
【発明の効果】
表２〜８に示される結果から、硬質被覆層が層厚方向に、すぐれた強度を有する水素最高含有点と、高硬度を有する水素最低含有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有する本発明被覆超硬工具は、いずれも各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金の切削加工を、高速重条件で行なった場合にも、硬質被覆層が前記水素最高含有点によってすぐれた強度を発揮し、前記硬質被覆層にチッピングが発生するのを抑制し、さらに硬質炭素を高含有の前記水素最低含有点によって層自体が著しく高い硬さを具備することと相俟って、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、層厚方向に沿って実質的に水素含有量に変化がない硬質被覆層を蒸着してなる従来被覆超硬工具（比較被覆超硬工具）においては、高速重切削条件では、硬質被覆層の水素含有量が高くなればなるほど、前記硬質被覆層の強度は比例的に上昇するが、硬さが低下するようになることから、摩耗進行が促進され、一方硬質被覆層の水素含有量が低くなればなるほど、前記硬質被覆層の硬さは比例的に上昇するが、強度が低下するようになることから、チッピングが発生し易くなり、いずれの場合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、各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金などの被削材の切削加工を、高速で、かつ大きな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スパッタリング装置を適用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】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適用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。
【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、したがって各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金などの被削材の切削加工を、高速で、かつ大きな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、硬質被覆層にチッピング（微少欠け）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、水素で示す）基超硬合金からなる基体（以下、超硬基体と云う）の表面に、水素を炭素との合量に占める割合で０．１〜４０原子％の割合で含有してなる非晶質炭素系硬質被覆層を１〜１０μｍの全体平均層厚で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、各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金などの被削材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１，２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６２６０５号公報
【特許文献２】
特開平３−１５８４５５号公報
【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、水素含有量によって具備する特性が異なり、例えば水素の低含有側では相対的に高硬度を有するために、高速切削ですぐれた耐摩耗性を示すものの、十分な強度を具備するものでないために、大きな機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削では、チッピングが発生し易く、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るものであり、一方、水素含有量が高含有側では相対的に高強度を有するために、前記の高切り込みや高送りなどの重切削ではすぐれた耐チッピング性を示すものの、硬さの低いものであるために、前記重切削条件では勿論のこと、特に高速切削では摩耗進行が著しく速く、使用寿命の短いものとならざるを得ず、このように上記の従来被覆超硬工具は、高速で、かつ大きな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、すなわち高速重切削条件では満足な切削性能を示さないのが現状である。
【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、特に高速重切削条件での切削加工で硬質被覆層が、チッピングの発生なく、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）上記の従来被覆超硬工具を構成する硬質被覆層は、層厚全体に亘って実質的に均一な組成を有し、したがって均質な硬さと強度を有するが、例えば図１および図２の（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される構造の蒸着装置、すなわち装置中央部に超硬基体装着用テーブルを設け、前記テーブルの外周に沿って、いずれも高純度炭素粉末の成形体からなるターゲットを、それぞれスパッタリング装置（図１）およびアークイオンプレーティング装置（図２）のカソード電極（蒸発源）として配置した蒸着装置を用い、この装置の前記テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の超硬基体をそれぞれ前記ターゲットに対面して自転可能に装着し、この状態で装置内の反応雰囲気をＡｒガスと水素ガスの混合ガスとするが、前記Ａｒと水素の混合割合を周期的に変化させる、すなわち水素の割合が最も高く、Ａｒの割合が最も低い、望ましくは水素の割合をＡｒとの合量に占める割合で１５〜２０容量％とした水素高含有混合ガス導入時点と、水素の割合が最も低く、Ａｒの割合が最も高い、望ましくは水素の割合をＡｒとの合量に占める割合で０．１〜５容量％とした水素低含有混合ガス導入時点を設定し、かつ前記水素高含有混合ガス導入時点から前記水素低含有混合ガス導入時点に向けて水素の割合を連続的に減少させ、これに対応してＡｒの割合を連続的に増加させ、一方前記水素低含有混合ガス導入時点から前記水素高含有混合ガス導入時点に向けては反対に水素の割合を連続的に増加させ、これに対応してＡｒの割合を連続的に減少させる周期的割合変化を装置内に導入するＡｒと水素の混合ガスに加えながら、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て、前記のカソード電極（蒸発源）にグロー放電（スパッタリング装置）またはアーク放電（アークイオンプレーティング装置）を発生させて、前記超硬基体の表面に硬質被覆層を形成すると、この結果の硬質被覆層は、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなるが、前記水素高含有混合ガス導入時点では、硬質被覆層に水素最高含有点が形成され、また前記水素低含有混合ガス導入時点では水素最低含有点が形成され、上記装置内に導入される混合ガスのＡｒと水素の混合割合の周期的変化によって層中には層厚方向にそって前記水素最高含有点と水素最低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、前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造をもつようになること。
【０００７】
（ｂ）上記（ａ）の水素の繰り返し連続変化濃度分布構造の非晶質炭素系硬質被覆層の形成において、上記装置内に導入される混合ガスのＡｒと水素の混合割合、並びに混合割合の周期的変化を調整して、
上記水素最高含有点における水素含有量を、炭素との合量に占める割合で３０〜４０原子％、
一方、水素最低含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で０．１〜１０原子％、
とし、かつ隣り合う上記水素最高含有点と水素最低含有点の厚さ方向の間隔を０．０１〜０．１μｍとすると、
上記水素最高含有点部分では、水素含有量が相対的にきわめて高く、かつ上記水素最低含有点部分に比して著しく高いものとなるので、一段とすぐれた強度を示し、一方上記水素最低含有点部分では、水素含有量が相対的に低く、反面硬質炭素の含有割合の著しく高いものとなるので、一段と高い硬さを示し、かつこれら水素最高含有点と水素最低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強度を保持した状態で、高硬度も具備するようになり、したがって、かかる構成の硬質被覆層を形成してなる被覆超硬工具は、各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金などの被削材の切削加工を、高速で、かつ大きな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、硬質被覆層にチッピングなどの発生なく、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。
【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、超硬基体の表面に、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層を１〜１０μｍの全体平均層厚で蒸着してなる被覆超硬工具において、
上記非晶質炭素系硬質被覆層が、層厚方向にそって、水素最高含有点と水素最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、
さらに、上記水素最高含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で３０〜４０原子％、
上記水素最低含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で０．１〜１０原子％、
であり、かつ隣り合う上記水素最高含有点と水素最低含有点の間隔が、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。
【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）水素最高含有点の水素含有量
上記に通り、硬質被覆層を構成する非晶質炭素には層自体の硬さを向上させ、一方同水素には強度を向上させる作用があり、したがって相対的に水素の含有割合が高い水素最高含有点では一段とすぐれた強度を示し、大きな機械的衝撃を伴う高切り込みや高送りなどの重切削で、すぐれた耐チッピング性を発揮するが、水素の含有割合が硬質炭素との合量に占める割合でで３０原子％（以下、％は原子％を示す）未満では、すぐれた強度を確保することができず、一方同割合が４０％を越えると、高硬度を有する水素最低含有点が隣接して存在しても層自体の硬さ低下は避けられず、この結果摩耗が加速されるようになることから、水素最高含有点の水素含有量を３０〜４０％と定めた。
【００１０】
（ｂ）水素最低含有点の水素含有量
上記の通り水素最低含有点には、相対的に高い含有割合の硬質炭素によって、層の硬さを著しく向上させる作用があるが、反面強度の低いものであるため、この水素最低含有点の強度不足を補う目的で、上記の水素最高含有点を厚さ方向に交互に介在させるものであり、したがって水素最低含有点の水素の含有割合が１０％を越えると、層自体に所望の高硬度を確保することができなくなり、一方同含有割合が０．１％未満になると、高強度を有する水素最高含有点が隣接して存在しても層自体の強度低下は避けられず、チッピングが発生し易くなることから、水素最低含有点の水素含有量を０．１〜１０％と定めた。
【００１１】
（ｃ）水素最高含有点と水素最低含有点間の間隔
その間隔が０．０１μｍ未満ではそれぞれの点を上記の水素含有割合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強度と高硬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、すなわち水素最高含有点であれば硬さ不足、水素最低含有点であれば強度不足が層内に局部的に現れ、これが原因で摩耗進行が促進されるようになったり、チッピングが発生し易くなったりすることから、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１０μｍを越えると、切刃部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。
【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、切刃のすくい面部分にラップ加工を施して鏡面仕上げ面とすることによりＩＳＯ規格・ＳＰＧＮ１２０３０８のチップ形状をもった超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０を形成した。
【００１４】
ついで、上記の超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０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、すなわち装置内中央部に超硬基体装着用テーブルを設け、前記テーブルの外周に沿って、いずれも純度：９９．９８質量％の高純度炭素粉末の成形体からなる４枚のターゲットを、それぞれカソード電極（蒸発源）として配置した蒸着装置を用い、この装置の前記テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の超硬基体をそれぞれ前記ターゲットに対面して自転可能に装着し、まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を２００℃に加熱した後、Ａｒガスを装置内に導入して３０Ｐａの圧力のＡｒ雰囲気とし、この状態で前記テーブル上で自転する前記超硬基体に−８００Ｖのバイアス電圧を印加して前記超硬基体表面を２０分間Ａｒガスボンバード洗浄し、ついで前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−５０Ｖ、前記ターゲット（カソード電極）のそれぞれに付加されるスパッタ電力を出力：４ｋｗ、周波数：４０ｋＨｚとした条件で、前記カソード電極（蒸発源）のスパッタ表面部分にグロー放電を発生させて、前記カソード電極（蒸発源）から炭素をスパッタすると共に、装置内にＡｒと水素の混合ガスを、装置内雰囲気の圧力を常に１Ｐａに保持した状態で、かつ前記Ａｒと水素の混合割合を周期的に変化させながら導入し、もって前記テーブル上で自転する超硬基体の表面に、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなり、かつ層厚方向に沿って表２に示される目標水素含有量の水素最高含有点と水素最低含有点とが交互に同じく表２に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、かつ同じく表２に示される目標全体層厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、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）１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１５】
また、比較の目的で、上記の蒸着装置に導入されるＡｒと水素の混合ガスにおけるＡｒと水素の混合割合を硬質被覆層形成開始から終了まで一定にする以外は同一の条件で、上記超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０のそれぞれの表面に、表３に示される目標水素含有量および目標層厚を有し、かつ水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなるが、層厚方向に沿って実質的に水素含有量に変化のない硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具に相当する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）１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１６】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１０および比較被覆超硬チップ１〜１０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・Ａ４０３２（Ｓｉ：１２％、Ｃｕ：１％、Ｍｇ：１％、Ｎｉ：０．８％、残：Ａｌ、以上質量％、以下同じ）の丸棒、
切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：８ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：６０分、
の条件（通常の条件での切削速度および切り込みは６００ｍ／ｍｉｎ．および４ｍｍ）でのＡｌ合金の乾式連続高速高切り込み切削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｃ２１００（Ｚｎ：５％、残：Ｃｕ）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：８ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：６０分、
の条件（通常の条件での切削速度および切り込みは３００ｍ／ｍｉｎ．および４ｍｍ）でのＣｕ合金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・ＡＤＣ１２（Ｃｕ：２．５％、Ｓｉ：１０％、残：Ａｌ）の丸棒、
切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４ｍｍ、
送り：０．８ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３０分、
の条件（通常の条件での切削速度および送りは６００ｍ／ｍｉｎ．および０．４ｍｍ／ｒｅｖ．）でのＡｌ合金の乾式連続高速高送り切削加工試験を行ない、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。なお、この切削加工試験では前記逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至った時点をもって使用寿命とした。この測定結果を表２，３に示した。
【００１７】
【表１】
【表２】
【表３】
（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４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４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）Ｂ−１〜Ｂ−８をそれぞれ製造した。
【００２１】
ついで、これらの超硬基体（エンドミル）Ｂ−１〜Ｂ−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に示される蒸着装置、すなわち装置内中央部に超硬基体装着用テーブルを設け、前記テーブルの外周に沿って、いずれも純度：９９．９８質量％の高純度炭素粉末の成形体からなる４枚のターゲットを、それぞれカソード電極（蒸発源）として配置した蒸着装置を用い、この装置の前記テーブル上に、これの中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に複数の上記超硬基体をそれぞれ前記ターゲットに対面して自転可能に装着し、まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を２００℃に加熱した後、Ａｒガスを装置内に導入して３０Ｐａの圧力のＡｒ雰囲気とし、この状態で前記テーブル上で自転する前記超硬基体に−８００Ｖのバイアス電圧を印加して前記超硬基体表面を２０分間Ａｒガスボンバード洗浄し、ついで前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−５０Ｖ、前記ターゲット（カソード電極）のそれぞれに８０Ａのアーク電流を付加して、アーク放電を発生させ、このアーク放電によって前記カソード電極（蒸発源）から炭素を蒸発させると共に、装置内にＡｒと水素の混合ガスを、装置内雰囲気の圧力を常に３Ｐａに保持した状態で、かつ前記Ａｒと水素の混合割合を周期的に変化させながら導入し、もって前記テーブル上で自転する超硬基体の表面に、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなり、かつ層厚方向に沿って表５に示される目標水素含有量の水素最高含有点と水素最低含有点とが交互に同じく表５に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、かつ同じく表５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。
【００２２】
また、比較の目的で、上記の蒸着装置に導入されるＡｒと水素の混合ガスにおけるＡｒと水素の混合割合を硬質被覆層形成開始から終了まで一定にする以外は同一の条件で、上記の超硬基体（エンドミル）Ｂ−１〜Ｂ−８のそれぞれの表面に、表６に示される目標水素含有量および目標層厚を有し、かつ水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層からなるが、層厚方向に沿って実質的に水素含有量に変化のない硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具に相当する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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００２３】
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・Ａ２０２４（Ｃｕ：４％、Ｍｎ：０．６％、Ｍｇ：１．５％、残：Ａｌ）の板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１２ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、
の条件（以下、切削条件１という。ただし、通常条件での切削速度および切り込みは１５０ｍ／ｍｉｎ．および６ｍｍ）でのＡｌ合金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・ＡＣ４Ｂ（Ｃｕ：３％、Ｓｉ：８．５％、残：Ａｌ）の板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：１０ｍｍ、
テーブル送り：２０００ｍｍ／分、
の条件（以下、切削条件２という。ただし、通常の条件での切削速度およびテーブル送りは１５０ｍ／ｍｉｎ．および１０００ｍｍ／分）でのＡｌ合金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・Ｃ１０２０（純度：９９．９８％の純銅）の板材、
切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：３０ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／分、
の条件（以下、切削条件３という。ただし、通常の条件での切削速度は８０ｍ／ｍｉｎ．、同溝深さは１５ｍｍ、同テーブル送りは５００ｍｍ／分）での純銅の乾式高速高切り込みおよび高送り溝切削加工試験をそれぞれ行い、使用寿命に至るまでの切削溝長を測定した。なお、上記の溝切削加工試験おける使用寿命は、切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅で評価し、それぞれ前記逃げ面摩耗幅が上記の切削条件１では０．１ｍｍ、同切削条件２では０．２ｍｍ、および同切削条件３では０．１ｍｍに至った時点をもって使用寿命とした。この測定結果を表５，６にそれぞれ示した。
【００２４】
【表４】
【表５】
【表６】
（実施例３）
上記の実施例２で製造した直径が８ｍｍ（超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−３形成用）、１３ｍｍ（超硬基体Ｂ−４〜Ｂ−６形成用）、および２６ｍｍ（超硬基体Ｂ−７、Ｂ−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Ｃ−１〜Ｃ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（超硬基体Ｃ−４〜Ｃ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（超硬基体Ｃ−７、Ｃ−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）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００２８】
ついで、これらの超硬基体（ドリル）Ｃ−１〜Ｃ−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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例２と同一の条件で、層厚方向に沿って表７に示される目標水素含有量の水素最高含有点と水素最低含有点とが交互に同じく表７に示される目標間隔で繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最低含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、かつ同じく表７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。
【００２９】
また、比較の目的で、上記の超硬基体（ドリル）Ｃ−１〜Ｃ−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に示される蒸着装置に装入し、上記実施例２と同一の条件で、表８に示される目標水素含有量および目標層厚を有し、かつ層厚方向に沿って実質的に水素含有量に変化のない硬質被覆層を蒸着することにより、従来被覆超硬工具に相当する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）１〜８をそれぞれ製造した。
【００３０】
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・ＡＣ４Ｂ（Ｃｕ：３％、Ｓｉ：８．５％、残：Ａｌ）の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１０ｍｍ、
の条件（以下、切削条件１という。ただし、通常の条件での切削速度および送りは８０ｍ／ｍｉｎ．および０．２ｍｍ／ｒｅｖ．）でのＡｌ合金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・Ｃ２１００（Ｚｎ：５％、残：Ｃｕ）の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１６ｍｍ、
の条件（以下、切削条件２という。ただし、通常の条件での切削速度および送りは９０ｍ／ｍｉｎ．および０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）での銅合金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・Ａ４０３２（Ｓｉ：１２％，Ｃｕ：１％、Ｍｇ：１％、Ｎｉ：０．８％、残：Ａｌ）の板材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．７ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：４０ｍｍ、
の条件（以下、切削条件３という。ただし、通常の条件での切削速度および送りは１１０ｍ／ｍｉｎ．および０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）でのＡｌ合金の湿式高速高送り穴あけ切削加工試験、をそれぞれ行い、いずれの湿式穴あけ切削加工試験（水溶性切削油使用）でも使用寿命に至るまでの穴あけ加工数を測定した。なお、上記の湿式穴あけ切削加工試験おける使用寿命は、先端切刃面の逃げ面摩耗幅で評価し、それぞれ前記逃げ面摩耗幅が上記の切削条件１では０．３ｍｍ、同切削条件２では０．２ｍｍ、および同切削条件３では０．２ｍｍに至った時点をもって使用寿命とした。この測定結果を表７、８にそれぞれ示した。
【００３１】
【表７】
【表８】
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１〜１０、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、並びに従来被覆超硬工具に相当する比較被覆超硬チップ１〜１０、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を構成する硬質被覆層について、厚さ方向に沿って水素含有量を高周波グロー放電分光分析装置を用いて測定したところ、前記本発明被覆超硬工具の硬質被覆層では、水素最高含有点と水素最低含有点とがそれぞれ目標値と実質的に同じ水素含有量および間隔で交互に繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有することが確認され、さらに硬質被覆層の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、前記従来被覆超硬工具の硬質被覆層では、目標水素含有量と実質的に同じ水素含有量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ものの、厚さ方向に沿った水素含有量に変化は見られず、層全体に亘って均質な水素含有量を示すものであった。
【００３４】
【発明の効果】
表２〜８に示される結果から、硬質被覆層が層厚方向に、すぐれた強度を有する水素最高含有点と、高硬度を有する水素最低含有点とが交互に所定間隔をおいて繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有する本発明被覆超硬工具は、いずれも各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金の切削加工を、高速重条件で行なった場合にも、硬質被覆層が前記水素最高含有点によってすぐれた強度を発揮し、前記硬質被覆層にチッピングが発生するのを抑制し、さらに硬質炭素を高含有の前記水素最低含有点によって層自体が著しく高い硬さを具備することと相俟って、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、層厚方向に沿って実質的に水素含有量に変化がない硬質被覆層を蒸着してなる従来被覆超硬工具（比較被覆超硬工具）においては、高速重切削条件では、硬質被覆層の水素含有量が高くなればなるほど、前記硬質被覆層の強度は比例的に上昇するが、硬さが低下するようになることから、摩耗進行が促進され、一方硬質被覆層の水素含有量が低くなればなるほど、前記硬質被覆層の硬さは比例的に上昇するが、強度が低下するようになることから、チッピングが発生し易くなり、いずれの場合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、各種の被削材、特にＡｌ合金やＣｕ合金などの被削材の切削加工を、高速で、かつ大きな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スパッタリング装置を適用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】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適用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。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、水素含有の非晶質炭素系硬質被覆層を１〜１０μｍ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、
上記非晶質炭素系硬質被覆層が、層厚方向にそって、水素最高含有点と水素最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記水素最高含有点から前記水素最低含有点、前記水素最低含有点から前記水素最高含有点へ、水素含有量が連続的に変化する濃度分布構造を有し、
さらに、上記水素最高含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で３０〜４０原子％、
上記水素最低含有点における水素含有量が、炭素との合量に占める割合で０．１〜１０原子％、
であり、かつ隣り合う上記水素最高含有点と水素最低含有点の間隔が、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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