JP4711177B2 - 潤滑性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

Description

この発明は、各種の鋼や鋳鉄などの鉄鋼材料、さらにＡｌ合金やＣｕ合金などの非鉄材料の切削加工を、特に高速で行なった場合にも、潤滑性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（以下、被覆超硬工具という）に関するものである。

一般に、被覆超硬工具として、各種の鋼や鋳鉄などの鉄鋼材料、さらにＡｌ合金やＣｕ合金などの非鉄材料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。

また、上記の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）系サーメットからなる超硬基体の表面に、潤滑性被覆層として、
（ａ）スパッタリング装置にて、カソード電極（蒸発源）としてＴｉターゲットを用い、窒素とＡｒの混合ガス、または炭化水素の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気で形成された、窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層および炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）層のいずれか、または両方からなり、かつ０．１〜３μｍの平均層厚を有する密着接合層を介して、
（ｂ）スパッタリング装置にて、カソード電極（蒸発源）として、ＷＣターゲットを用い、炭化水素の分解ガスとＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気で形成され、オージェ分光分析装置で測定して、
Ｗ：５〜２０原子％、
を含有し、残りが炭素と不可避不純物からなる組成を有し、かつ１〜１３μｍの平均層厚を有する非晶質炭素系潤滑層からなる表面潤滑層を蒸着形成してなる、被覆超硬工具が知られている。

さらに、上記の従来被覆超硬工具が、例えば図３（ａ）に概略平面図で、同（ｂ）に概略正面図で示される通り、カソード電極（蒸発源）がＴｉターゲットのスパッタリング装置と、カソード電極（蒸発源）がＷＣターゲットのスパッタリング装置を備えた蒸着装置の中央部に設置された回転テーブル上に上記の超硬基体を自転自在に装入し、例えば表１に示される条件で、グロー放電を発生させて、前記超硬基体の表面に、ＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方からなる密着接合層を蒸着形成し、ついで同じく表１に示される条件で、前記密着接合層の上に、上記の非晶質炭素系潤滑層からなる表面潤滑層を蒸着形成することにより製造されることも知られている。

特開平０７−１６４２１１号公報 特表２００２−５１３０８７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も強く、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、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、特に切削加工を高速で行うのに用いた場合には、潤滑性被覆層の表面潤滑層を構成する非晶質炭素系潤滑層の摩耗進行がきわめて速く、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に高速切削加工で潤滑性被覆層の表面潤滑層を構成する非晶質炭素系潤滑層が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、研究を行った結果、
（ａ）例えば図２（ａ）および（ｂ）にそれぞれ概略平面図および概略正面図で示される蒸着装置、すなわち上記の図３に示される従来被覆超硬工具の潤滑性被覆層形成用蒸着装置におけるスパッタリング装置のそれぞれに、電磁コイルを設けてマグネトロンスパッタリング装置とした蒸着装置を用い、前記電磁コイルにより磁場を形成して、例えば表２に示される条件で表面潤滑層（非晶質炭素系潤滑層）の形成を行うと、この結果形成された表面潤滑層は、これの透過型電子顕微鏡による組織観察結果が図１に模式図で例示される通り炭素系非晶質体の素地に、結晶質炭窒化チタン系化合物の微粒［以下、「結晶質Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）系化合物微粒」で示す］が分散分布した組織をもつようになること。

（ｂ）上記（ａ）の表面潤滑層を形成するに際して、蒸着装置内に反応ガスとして導入される炭化水素と窒素とＡｒのそれぞれの流量と、マグネトロンスパッタリング装置のＷＣターゲットとＴｉターゲットに印加されるスパッタ電力を調整して、前記表面潤滑層が、オージェ分光分析装置で測定して、
Ｗ：５〜１５原子％、
Ｔｉ：２１〜３５原子％、
窒素：２１〜３５原子％、
を含有し、残りが炭素と不可避不純物からなる組成を有するものとすると、この結果形成された表面潤滑層は、結晶質Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）系微粒の分散分布効果、および前記電磁コイルによる磁場成膜に際しての細粒化効果で、硬さが著しく向上したものになること。

（ｃ）従来被覆超硬工具の潤滑性被覆層の密着接合層を構成するＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層は、超硬基体表面に対する密着性にはすぐれるものの、表面潤滑層（非晶質炭素系潤滑層）に対する密着性は十分なものとは言えず、特に高い密着性が要求される高速切削加工では前記表面潤滑層の密着性不足が原因で切刃部にチッピングが発生し易いこと。

（ｄ）上記（ａ）のカソード電極（蒸発源）として、ＷＣターゲットとＴｉターゲットを備えたマグネトロンスパッタリング装置を用い、まず、表２示される条件で、密着接合層として、ＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方を形成し、この密着接合層は、電磁コイルによる磁場中成膜で結晶微細化効果がもたらされるので、強度が向上したものになり、ついで、同じく表２に示される条件で炭化水素の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜、すなわち、上記密着接合層形成条件のうち、Ｎ_２ガス流量：２００〜３００ｓｃｃｍおよびＴｉターゲット出力：８〜１５ｋＷを、上記表面潤滑層の形成条件であるＮ_２ガス流量：１００〜１５０ｓｃｃｍおよびＴｉターゲット出力：３〜８ｋＷに連続的または多段階的に減少させ、同時に炭化水素ガス流量、例えばＣ_２Ｈ_２ガス流量は５０〜１２０ｓｃｃｍに、ＷＣターゲット出力は３〜６ｋＷに連続的または多段階的に増加させた条件で非晶質炭素系潤滑層（以下、下地潤滑層という）を形成すると、この下地潤滑層は、Ｔｉ、窒素、炭素、およびＷ成分の含有割合が、層厚に沿って、上記密着接合層の界面部における含有割合から上記表面潤滑層の界面部における含有割合に連続的または多段階的に変化する成分濃度変化構造を有するものとなることから、前記密着接合層および前記表面潤滑層のいずれに対してもすぐれた密着性を示し、したがって、前記の密着接合層、下地潤滑層、および表面潤滑層からなる潤滑性被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬工具は、前記表面潤滑層のＷ成分による強度向上効果と相俟って、高速切削加工でも切刃部にチッピング（微少欠け）の発生なく、一段とすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｄ）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、
ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ系サーメットからなる超硬基体の表面に蒸着形成された潤滑性被覆層が、密着接合層、下地潤滑層、および表面潤滑層からなり、
（ａ）上記密着接合層を、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極（蒸発源）としてＴｉターゲットを用い、窒素とＡｒの混合ガス、または炭化水素の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜された、ＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方、
（ｂ）上記表面潤滑層を、１〜１０μｍの平均層厚を有し、かつ、マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極（蒸発源）として、ＷＣターゲットとＴｉターゲットを用い、炭化水素の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜され、オージェ分光分析装置で測定して、
Ｗ：５〜１５原子％、
Ｔｉ：２１〜３５原子％、
窒素：２１〜３５原子％、
を含有し、残りが炭素と不可避不純物からなる組成を有すると共に、透過型電子顕微鏡による観察で、炭素系非晶質体の素地に、結晶質Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）系化合物微粒が分散分布した組織を有する非晶質炭素系潤滑層、
で構成し、さらに、
（ｃ）上記下地潤滑層を、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極（蒸発源）として、ＷＣターゲットとＴｉターゲットを用い、炭化水素の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜されると共に、Ｔｉ、窒素、炭素、およびＷ成分の含有割合が、層厚に沿って、上記密着接合層の界面部における含有割合から上記表面潤滑層の界面部における含有割合に連続的または多段階的に変化する成分濃度変化構造を有する非晶質炭素系潤滑層、
で構成してなる、潤滑性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。

つぎに、この発明の被覆超硬工具において、これの潤滑性被覆層を構成する密着接合層、下地潤滑層、および表面潤滑層について、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）密着接合層の平均層厚
ＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方からなる密着接合層は、磁場中成膜による結晶粒の微細化効果で強度が向上し、かつ超硬基体表面に対してすぐれた密着性を示し、さらに下地潤滑層の前記密着接合層との界面部におけるＴｉおよび窒素の含有割合が最も高い状態となっているので、前記密着接合層と下地潤滑層との間にもすぐれた密着性が確保され、さらに前記超硬基体表面および下地潤滑層に対する密着接合性は磁場中成膜によって一層向上したものになるが、その平均層厚が０．１μｍ未満では、所望のすぐれた密着接合性を確保することができず、一方その平均層厚が３μｍを越えると、特に高速切削で熱塑性変形を起こし易くなり、これが潤滑性被覆層におけるチッピング発生の原因となることから、その平均層厚が０．１〜３μｍと定めた。

（ｂ）表面潤滑層のＷ含有量
Ｗ成分は、表面潤滑層の素地を形成して、これの強度を向上させる作用があるが、その含有量が５原子％未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その含有量が１５原子％を越えると潤滑性が急激に低下するようになることから、その含有量を５〜１５原子％と定めた。

（ｃ）表面潤滑層のＴｉおよびＮ含有量
Ｔｉ成分とＮ成分、さらにＣ（炭素）成分は磁場成膜下で結合して、炭素系非晶質体の素地に結晶質のＴｉ（Ｃ，Ｎ）系化合物微粒として存在し、表面潤滑層の硬さを著しく向上させる作用があるが、ＴｉおよびＮ成分のいずれかでも、その含有量が２１原子％未満になると、層中にＴｉ（Ｃ，Ｎ）系微粒として存在する割合が少なくなり過ぎて、所望の高硬度を確保することができず、一方ＴｉおよびＮ成分のいずれかでも、その含有量が３５原子％を越えると、強度および潤滑性が急激に低下するようになることから、その含有量をそれぞれＴｉ：２１〜３５原子％、Ｎ：２１〜３５原子％と定めた。

（ｄ）表面潤滑層の平均層厚
その平均層厚が１μｍ未満では、所望の潤滑性および耐摩耗性向上効果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。

（ｅ）下地潤滑層の平均層厚
下地潤滑層は、密着接合層との界面部ではＴｉおよび窒素の含有割合が最も高く、表面潤滑層の界面部ではＷ成分の含有割合が最も高い、すなわち実質的に前記表面潤滑層のもつ成分組成と実質的に同じ成分組成となる成分濃度変化構造を有し、これによって、炭素系非晶質体の素地に分散分布する結晶質Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）系化合物微粒が密着接合層との界面部から表面潤滑層の界面部に向って連続的または多段階的に減少する組織となり、この結果前記密着接合層および表面潤滑層のいずれにも強固に密着接合し、前記潤滑性被覆層の超硬基体表面に対する密着接合性の一段の向上に寄与する作用があるが、その平均層厚が０．１μｍ未満では、前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その平均層厚が３μｍ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０．１〜３μｍと定めた。

この発明の被覆超硬工具は、これの潤滑性被覆層を構成する表面潤滑層が密着接合層および下地潤滑層を介して超硬基体に強固に密着接合し、かつ、その硬さが、炭素系非晶質体の素地に、磁場成膜により超微細となった状態で分散分布する結晶質Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）系化合物微粒によって著しく向上したものになることから、前記炭素系非晶質体の素地がＷ成分の作用で高強度を具備するようになることと相俟って、各種の鋼や鋳鉄などの鉄鋼材料、さらにＡｌ合金やＣｕ合金などの高速切削で、チッピングの発生なく、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０．８〜３μｍ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３示される配合組成に配合し、ボールミルで８４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て、いずれもＷＣ基超硬合金からなる炭素鋼切削用超硬基体素材とＡｌ合金およびＣｕ合金切削用超硬基体素材を製造し、前記炭素鋼切削用超硬基体素材には切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＴＮＭＧ１６０４０８のチップ形状をもった超硬基体Ａ−１〜Ａ−１０とし、また前記Ａｌ合金およびＣｕ合金切削用超硬基体素材には研磨加工を施してＩＳＯ規格・ＴＥＧＸ１６０３０４Ｒのチップ形状をもった超硬基体Ａ−１′〜Ａ−１０′とした。

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（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４に示される配合組成に配合し、ボールミルで８４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て、いずれもＴｉＣＮ系サーメットからなる炭素鋼切削用超硬基体素材とＡｌ合金およびＣｕ合金切削用超硬基体素材を製造し、前記炭素鋼切削用超硬基体素材には切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＴＮＭＧ１６０４０８のチップ形状をもった超硬基体Ｂ−１〜Ｂ−６とし、また前記Ａｌ合金およびＣｕ合金切削用超硬基体素材には研磨加工を施してＩＳＯ規格・ＴＥＧＸ１６０３０４Ｒのチップ形状をもった超硬基体Ｂ−１′〜Ｂ−６′とした。

ついで、上記の超硬基体Ａ−１，１′〜Ａ−１０，１０′およびＢ−１，１′〜Ｂ−６，６′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２に示される蒸着装置内の回転テーブル上に、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リング状に装着し、一方側のマグネトロンスパッタリング装置のカソード電極（蒸発源）として、純度：９９．９質量％のＴｉターゲット、他方側のマグネトロンスパッタリング装置のカソード電極（蒸発源）として、純度：９９．６質量％のＷＣターゲットを前記回転テーブルを挟んで対向配置し、
（ａ）まず、装置内を真空排気して０．０１Ｐａ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０．５Ｐａの圧力のＡｒ雰囲気とし、この状態で前記回転テーブル上で自転しながら回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、
（ｂ）ついで、前記蒸着装置の対向配置の両マグネトロンスパッタリング装置の電磁コイルに、いずれも電圧：５０Ｖ、電流：１０Ａの条件で印加して、前記超硬基体の装着部における磁束密度を１４０Ｇ（ガウス）とした磁場を形成すると共に、前記蒸着装置内の加熱温度を４００℃とした状態で、反応ガスとして窒素とＡｒを、窒素流量：２５０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量：２３０ｓｃｃｍの割合で導入して、１Ｐａの窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気、または反応ガスとしてＣ_２Ｈ_２と窒素とＡｒを、Ｃ_２Ｈ_２流量：４０ｓｃｃｍ、窒素流量：２５０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量：２３０ｓｃｃｍの割合で導入して、１ＰａのＣ_２Ｈ_２の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気とし、Ｔｉターゲットのカソード電極（蒸発源）には出力：１２ｋＷ（周波数：４０ｋＨｚ）のスパッタ電力を印加し、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グロー放電を発生させることにより、前記超硬基体の表面に表５，６に示される目標層厚のＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方からなる密着接合層を形成し、
（ｃ）ついで、蒸着装置内の真空度を０．０１Ｐａ、超硬基体の装着部における磁束密度を１４０Ｇ、蒸着装置内の加熱温度を４００℃、および超硬基体に印加のバイアス電圧を−１００Ｖに保持したままで、反応ガスとしてＣ_２Ｈ_２と窒素とＡｒを、Ｃ_２Ｈ_２流量：４０ｓｃｃｍ、窒素流量：２５０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量：２３０ｓｃｃｍの割合で導入して、１ＰａのＣ_２Ｈ_２の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気とし、このうちＣ_２Ｈ_２流量および窒素流量を表３，４に示される目標層厚に対応して、それぞれＣ_２Ｈ_２流量は１００ｓｃｃｍまで連続的に増加させ、一方窒素流量は１３０ｓｃｃｍまで連続的に減少させ、同時にＴｉターゲットの出力（周波数は同じ４０ｋＨｚを保持）を１２ｋＷから６ｋＷに同じく表５，６に示される目標層厚に対応して連続的に減少させると共に、ＷＣターゲットへの印加を開始して、５ｋＷの出力（周波数は４０ｋＨｚ）まで同じく目標層厚に対応して連続的に増加させることにより、Ｔｉ、窒素、炭素、およびＷ成分の含有割合が、層厚に沿って、上記密着接合層の界面部における含有割合から表面潤滑層の界面部における含有割合に連続的に変化する成分濃度変化構造を有する非晶質炭素系潤滑層からなる下地潤滑層を表５，６に示される目標層厚で形成し、
（ｄ）さらに、蒸着装置内の真空度、超硬基体の装着部における磁束密度、蒸着装置内の加熱温度、および超硬基体に印加のバイアス電圧を同じくしたままで、表２に示される通り、前記蒸着装置内に反応ガスとして、Ｃ_２Ｈ_２（炭化水素）と窒素とＡｒを、Ｃ_２Ｈ_２流量：５０〜１２０ｓｃｃｍ、窒素流量：１００〜１５０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量：２００〜２５０ｓｃｃｍの範囲内の所定の流量で導入して、反応雰囲気を、１ＰａのＣ_２Ｈ_２の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスとすると共に、前記両マグネトロンスパッタリング装置のＷＣターゲットのカソード電極（蒸発源）には、出力：３〜６ｋＷ（周波数：４０ｋＨｚ）の範囲内の所定のスパッタ電力、同Ｔｉターゲットには、出力：３〜８ｋＷ（周波数：４０ｋＨｚ）の範囲内の所定のスパッタ電力を同時に印加した条件で、同じく表５，６に示される目標組成および目標層厚の非晶質炭素系潤滑層からなる表面潤滑層を表３，４に示される目標層厚で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）１，１′〜１６，１６′をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、上記超硬基体Ａ−１，１′〜Ａ−１０，１０′およびＢ−１，１′〜Ｂ−６，６′のそれぞれの表面を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図３に示されるカソード電極（蒸発源）がＴｉターゲットのスパッタリング装置と、カソード電極（蒸発源）がＷＣターゲットのスパッタリング装置を対向配置した蒸着装置の回転テーブル上に、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リング状に装着し、
（ａ）まず、装置内を真空排気して０．０１Ｐａ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０．５Ｐａの圧力のＡｒ雰囲気とし、この状態で前記回転テーブル上で自転しながら回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、
（ｂ）ついで、前記蒸着装置内の加熱温度を４００℃とした状態で、装置内に反応ガスとして窒素とＡｒを、窒素流量：２５０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量：２３０ｓｃｃｍの割合で導入して、１Ｐａの窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気、または反応ガスとしてＣ_２Ｈ_２と窒素とＡｒを、Ｃ_２Ｈ_２流量：４０ｓｃｃｍ、窒素流量：２５０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量：２３０ｓｃｃｍの割合で導入して、１ＰａのＣ_２Ｈ_２の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気とし、Ｔｉターゲットのカソード電極（蒸発源）には出力：１２ｋＷ（周波数：４０ｋＨｚ）のスパッタ電力を印加し、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グロー放電を発生させることにより、前記超硬基体の表面に表７，８に示される目標層厚のＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方からなる密着接合層を蒸着形成し、
（ｃ）ついで、上記蒸着装置内の加熱温度は同じ４００℃、超硬基体に印加するバイアス電圧も同じ−１００Ｖとした状態で、Ｃ_２Ｈ_２とＡｒを、Ｃ_２Ｈ_２流量：５０〜１２０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量：２００〜２５０ｓｃｃｍの範囲内の所定の流量で導入して、１ＰａのＣ_２Ｈ_２の分解ガスとＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気とすると共に、ＷＣターゲットのカソード電極（蒸発源）には出力：３〜６ｋＷ（周波数：４０ｋＨｚ）の範囲内の所定のスパッタ電力を印加した条件で、上記密着接合層の上に、同じく表７，８に示される目標組成および目標層厚の非晶質炭素系潤滑層からなる表面潤滑層を蒸着形成することにより、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）１，１′〜１６，１６′をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１，１′〜１６，１６′および比較被覆超硬チップ１，１′〜１６，１６′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の丸棒、
切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．２ｍｍ、
送り：０．６ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： 分、
の条件（切削条件Ａという）でのＡｌ合金の乾式高速切削加工試験（通常の切削速度は３５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｃ６３０１の丸棒、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ｂという）でのＣｕ合金の乾式高速切削加工試験（通常の切削速度は８０ｍ／ｍｉｎ．）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃの丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１５分、
の条件（切削条件Ｃという）での炭素鋼の湿式高速切削加工試験（通常の切削速度は２２０ｍ／ｍｉｎ．）を行なった。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５〜８に示した。

原料粉末として、平均粒径：４．５μｍ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１．８μｍ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９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７２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９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。

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、表１２に示される目標層厚のＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方からなる密着接合層および非晶質炭素系潤滑層からなる下地潤滑層、さらに同じく表１０に示される目標組成および目標層厚の非晶質炭素系潤滑層からなる表面潤滑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。

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３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１１に示される目標層厚のＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方からなる密着接合層、並びに同じく表１１に示される目標組成および目標層厚の非晶質炭素系潤滑層からなる表面潤滑層を蒸着形成することにより、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。

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・Ａ５０５２の板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：３．５ｍｍ、
径方向切り込み：０．７ｍｍ、
テーブル送り：２４００ｍｍ／分、
の条件でのＡｌ合金の乾式高速側面切削加工試験（通常の切削速度は１８０ｍ／ｍｉｎ．）、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・Ｃ６３０１の板材、
切削速度：１１０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：６ｍｍ、
径方向切り込み：１．５ｍｍ、
テーブル送り：２１００ｍｍ／分、
の条件でのＣｕ合金の乾式高速側面切削加工試験（通常の切削速度は６０ｍ／ｍｉｎ．）、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・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
軸方向切り込み：８ｍｍ、
径方向切り込み：１．５ｍｍ、
テーブル送り：２２００ｍｍ／分、
の条件での炭素鋼の乾式高速側面切削加工試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）をそれぞれ行い、いずれの側面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に至るまでの切削長を測定した。この測定結果を表１０，１１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、表１２に示される目標層厚のＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方からなる密着接合層および非晶質炭素系潤滑層からなる下地潤滑層、さらに同じく表１２に示される目標組成および目標層厚の非晶質炭素系潤滑層からなる表面潤滑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。

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３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１３に示される目標層厚のＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のいずれか、または両方からなる密着接合層、並びに同じく表１３に示される目標組成および目標層厚の非晶質炭素系潤滑層からなる表面潤滑層を蒸着形成することにより、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。

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・ＡＤＣ１２の板材、
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１０ｍｍ、
の条件でのＡｌ合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は８０ｍ／ｍｉｎ．）、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・Ｃ２８０１の板材、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１５ｍｍ、
の条件でのＣｕ合金の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）、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・Ｓ１７Ｃの板材、
切削速度：２１０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．８ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：２２ｍｍ、
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９０ｍ／ｍｉｎ．）、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１２，１３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超硬チップ１，１′〜１６，１６′、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、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１，１′〜１６，１６′、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の表面潤滑層を構成する非晶質炭素系潤滑層について、その組成をオージェ分光分析装置、その層厚を走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも目標組成および目標層厚と実質的に同じ組成および平均層厚（断面５箇所の平均値）を示し、また、その組織を透過型電子顕微鏡を用いて観察したところ、前記本発明被覆超硬工具は、炭素系非晶質体の素地に、結晶質のＴｉ（Ｃ，Ｎ）系化合物微粒が分散分布した組織を示し、一方前記従来被覆超硬工具のそれは、炭素系非晶質体の単一相からなる組織を示した。

表５〜１３に示される結果から、表面潤滑層が、炭素系非晶質体の素地に、結晶質のＴｉ（Ｃ，Ｎ）系化合物微粒が分散分布した組織を有する非晶質炭素系潤滑層からなる本発明被覆超硬工具は、いずれもＡｌ合金やＣｕ合金、さらに鋼の切削加工を、高速条件で行なった場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、表面潤滑層が、炭素系非晶質体の単一相からなる組織を有する従来被覆超硬工具（比較被覆超硬工具）においては、高速切削条件では、前記表面潤滑層の摩耗進行がきわめて速く、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、特に各種の被削材の切削加工を、高速切削条件で行なった場合にも、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。

この発明の被覆超硬工具の表面潤滑層を構成する非晶質炭素系潤滑層を透過型電子顕微鏡を用いて組織観察した結果を示す模式図である。 この発明の被覆超硬工具の潤滑性被覆層（密着接合層、下地潤滑層、および表面潤滑層を形成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。 従来被覆超硬工具（比較被覆超硬工具）の潤滑性被覆層（密着接合層および表面潤滑層を形成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。

Claims (1)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン系サーメットからなる超硬基体の表面に蒸着形成された潤滑性被覆層が、密着接合層、下地潤滑層、および表面潤滑層からなり、
   （ａ）上記密着接合層を、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極（蒸発源）としてＴｉターゲットを用い、窒素とＡｒの混合ガス、または炭化水素の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜された、窒化チタン層および炭窒化チタン層のいずれか、または両方、
   （ｂ）上記表面潤滑層を、１〜１０μｍの平均層厚を有し、かつ、マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極（蒸発源）として、炭化タングステンターゲットとＴｉターゲットを用い、炭化水素の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜され、オージェ分光分析装置で測定して、
   Ｗ：５〜１５原子％、
   Ｔｉ：２１〜３５原子％、
   窒素：２１〜３５原子％、
   を含有し、残りが炭素と不可避不純物からなる組成を有すると共に、透過型電子顕微鏡による観察で、炭素系非晶質体の素地に、結晶質炭窒化チタン系化合物の微粒が分散分布した組織を有する非晶質炭素系潤滑層、
   で構成し、さらに、
   （ｃ）上記下地潤滑層を、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、マグネトロンスパッタリング装置にて、カソード電極（蒸発源）として、炭化タングステンターゲットとＴｉターゲットを用い、炭化水素の分解ガスと窒素とＡｒの混合ガスからなる反応雰囲気で磁場中成膜されると共に、Ｔｉ、窒素、炭素、およびＷ成分の含有割合が、層厚に沿って、上記密着接合層の界面部における含有割合から上記表面潤滑層の界面部における含有割合に連続的または多段階的に変化する成分濃度変化構造を有する非晶質炭素系潤滑層、
   で構成してなる、潤滑性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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