硬質被覆層がすぐれた初期なじみ性を発揮する表面被覆超硬合金製スローアウエイ切削チップ
【課題】 硬質被覆層がすぐれた初期なじみ性を発揮する表面被覆超硬合金製切削チップを提供する。
【解決手段】 表面被覆超硬合金製切削チップが、ＷＣ基超硬合金基体の表面に、（ａ）１．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、Ｔｉ2 Ｏ3 層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ）１〜２０μｍの平均層を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ2 Ｏ3 の素地に、Ａｌ2 Ｏ3 との合量に占める割合で、１〜１５重量％のＺｒＯ2 と同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、ＺｒＯ2 と遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が存在し、残りの基体側が実質的にＡｌ2 Ｏ3 からなる外層と、（ｃ）必要に応じて０．１〜５μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層の最外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる。
【解決手段】 表面被覆超硬合金製切削チップが、ＷＣ基超硬合金基体の表面に、（ａ）１．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、Ｔｉ2 Ｏ3 層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ）１〜２０μｍの平均層を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ2 Ｏ3 の素地に、Ａｌ2 Ｏ3 との合量に占める割合で、１〜１５重量％のＺｒＯ2 と同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、ＺｒＯ2 と遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が存在し、残りの基体側が実質的にＡｌ2 Ｏ3 からなる外層と、（ｃ）必要に応じて０．１〜５μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層の最外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、切削開始時に最初に被削材と当接する硬質被覆層の外層である酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2 Ｏ3 で示す）層の被削材との初期なじみ性にすぐれ、これによって切刃にチッピング（微小欠け）が発生するのが防止され、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するようになる表面被覆超硬合金製スローアウエイ切削チップ（以下、被覆超硬チップという）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、一般に、炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）の表面に、（ａ） １．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ炭化チタン（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化チタン（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）層、酸化チタン（以下、Ｔｉ2 Ｏ3 で示す）層、炭酸化チタン（以下、ＴｉＣＯで示す）層、窒酸化チタン（以下、ＴｉＮＯで示す）層、および炭窒酸化チタン（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ） １〜２０μｍの平均層厚を有するＡｌ2 Ｏ3 層の外層と、（ｃ） さらに必要に応じて自身のもつ黄金色の色調を利用して被覆超硬チップの使用前後を識別する目的で形成される、０．１〜５μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層の最外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる被覆超硬チップが知られており、またこの被覆超硬チップが鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることも知られている。また、一般に上記の被覆超硬チップの硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層およびＡｌ2 Ｏ3 層が粒状結晶組織を有し、かつ前記Ａｌ2 Ｏ3 層はα型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどが広く実用に供されることも良く知られており、さらに例えば特開平６−８０１０号公報や特開平７−３２８８０８号公報に記載されるように、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の靭性向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削加工に対する省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆超硬チップには切削条件に影響されない汎用性が求められる傾向にある。しかし上記の従来被覆超硬チップにおいては、これを構成する硬質被覆層の外層であるＡｌ2 Ｏ3 層は、耐酸化性および熱的安定性にすぐれ、さらに高硬度を有することから、所定の耐摩耗性を確保するには硬質被覆層の構成層として不可欠であるが、反面脆い性質をもつものであるため、これを特に断続切削を高送りや高切り込みなどの重切削条件で行う切削に用いると、切削開始直後、切刃に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のが現状である。
【０００４】
【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、上記の従来被覆超硬チップを構成する硬質被覆層の外層であるＡｌ2 Ｏ3 層に着目し、特にこれの切削開始初期の耐チッピング性向上を図るべく研究を行った結果、（ａ）被覆超硬チップの硬質被覆層を構成するＡｌ2 Ｏ3 層に、表面から層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ2 Ｏ3 の素地に、Ａｌ2 Ｏ3 との合量に占める割合で、１〜１５重量％の酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ2 で示す）と同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、ＺｒＯ2 と遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する帯域を形成すると、前記ＺｒＯ2による靭性化効果と前記遊離炭素による潤滑化効果とが相まって、この靭性化潤滑化帯域が切削開始直後における被削材との当接に伴って生じる強い衝撃を著しく緩和し、かつ被削材に対する初期なじみ性を発揮し、切刃のチッピング発生が抑制されるようになること。
（ｂ）上記の被覆超硬チッブの硬質被覆層を構成するＡｌ2 Ｏ3 層は、通常の化学蒸着装置にて、例えば、反応ガス組成（容量％で、以下同じ）、ＡｌＣｌ3 ：１〜１０％、ＣＯ2 ：０．５〜１０％、Ｈ2 Ｓ：０．０２〜２％、ＨＣｌ：０．５〜５％、Ｈ2 ：残り、反応雰囲気温度：９５０〜１０５０℃、反応雰囲気圧力：４０〜４００Ｔｏｒｒ、の条件で形成されるが、上記の反応ガスにＺｒＣｌ4 と、ＣＨ4 およびＣＨ3 ＣＮのいずれか、または両方を加えて、反応ガス組成を、例えば、ＡｌＣｌ3 ：１〜１０％、ＣＯ2 ：０．５〜１０％、Ｈ2 Ｓ：０．０２〜２％、ＨＣｌ：０．５〜５％、ＺｒＣｌ4 ：０．０５〜４％、ＣＨ4 ：０．５〜１０％および／またはＣＨ3 ＣＮ：０．１〜５％、Ｈ2 ：残り、とし、反応雰囲気温度および反応雰囲気圧力は同じ条件として化学蒸着を行うと、Ａｌ2 Ｏ3 の素地に、ＺｒＯ2 と遊離炭素が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が形成されるようになり、この場合ＺｒＯ2 と遊離炭素の割合は上記の条件を調整することにより所望の割合に設定できること。以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００５】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、（ａ） １．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、Ｔｉ2 Ｏ3 層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ） １〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ2 Ｏ3 の素地に、Ａｌ2 Ｏ3 との合量に占める割合で、１〜１５重量％のＺｒＯ2 と同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、ＺｒＯ2 と遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が存在し、残りの基体側が実質的にＡｌ2 Ｏ3 からなる外層と、（ｃ） 必要に応じて０．１〜５μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層の最外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた初期なじみ性を発揮する被覆超硬チップに特徴を有するものである。
【０００６】つぎに、この発明の被覆超硬チップにおいて、硬質被覆層に関して、上記の通りに数値限定した理由を以下に説明する。
（ａ） 靭性化潤滑化帯域の深さその深さが、外層の平均層厚の１０％未満では、所望のすぐれた初期なじみ性を確保することができず、この結果重切削条件での断続切削では切刃にチッピングが発生するのが避けられず、一方その深さが、同４０％を越えると、相対的に基体側のＡｌ2 Ｏ3 部分の層厚が薄くなり過ぎてしまい、所望の耐摩耗性を確保することができなくなることから、その深さを外層の平均層厚の１０〜４０％、望ましくは１５〜３０％と定めた。
【０００７】（ｂ） 靭性化潤滑化帯域おけるＺｒＯ2 および遊離炭素の分布割合上述の通りＡｌ2 Ｏ3 の素地にＺｒＯ2 と遊離炭素が共存した状態で分散分布した靭性化潤滑化帯域を外層の表面側に形成することによって硬質被覆層はすぐれた初期なじみ性を具備するようになり、特に断続切削を重切削条件で行った場合にも、切削開始直後、切刃にチッピングが発生するのが著しく抑制されるようようになるが、所望のすぐれた初期なじみ性を確保するためには、その分布割合がいずれも１重量％以上の割合で存在する必要があり、さらに言い換えればＺｒＯ2 および遊離炭素のいずれかでも１重量％未満になると、これら成分の共存によって得られるすぐれた初期なじみ性を確保することができず、一方その分布割合がそれぞれ１５重量％（合量で２０重量％）を越えると、切刃面における切削開始直後における摩耗進行が急激になるばかりでなく、局部的摩耗進行も促進されるようになり、この結果凹凸の大きな切刃面の形成が避けられず、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなることから、その分布割合をそれぞれ１〜１５重量％（合量で２０重量％以下）、望ましくは３〜１０重量％（合量で１５重量％以下）と定めた。
【０００８】（ｃ） 外層の平均層厚外層には、上記の通り表面側の靭性化潤滑化帯域によってすぐれた初期なじみ性を確保し、残りの基体側のＡｌ2 Ｏ3 によってすぐれた耐酸化性および熱的安定性、さらに高硬度を確保し、もって硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その層厚が１μｍ未満では、前記作用に所望の効果が得られず、一方その層厚が２０μｍを越えると、切刃にチッピングが発生し易くなることから、その層厚を１〜２０μｍ、望ましくは３〜１２μｍと定めた。
【０００９】（ｄ） 内層であるＴｉ化合物層の平均層厚Ｔｉ化合物層には、硬質被覆層の構成層相互間の密着性を向上させると共に、靭性を向上させ、さらに前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層が縦長成長結晶組織をもつ場合には、硬質被覆層の一段の靭性向上に寄与するが、その層厚が１．５μｍ未満では、前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その層厚が２０μｍを越えると、耐摩耗性が急激に低下するようになることから、その層厚を１．５〜２０μｍ、望ましくは５〜１２μｍと定めた。
【００１０】（ｅ） 硬質被覆層の全体平均層厚その層厚が３μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚が３５μｍを越えると、切刃にチッピングが発生し易くなることから、その層厚を３〜３５μｍ、望ましくは８〜２０μｍと定めた。
【００１１】（ｆ） 最外層であるＴｉＮ層の平均層厚最外層であるＴｉＮ層は、上記の通り自身が黄金色の色調をもつことから、被覆超硬チップの使用前後を識別するのに必要に応じて適用されるが、前記着色には０．１μｍ以上の層厚が必要であり、しかし５μｍまでの層厚で十分であることから、その層厚を０．１〜５μｍ、望ましくは０．３〜２μｍと定めた。
【００１２】
【発明の実施の形態】つぎに、この発明の被覆超硬チップを実施例により具体的に説明する。原料粉末として、平均粒径：１．５μｍ有する細粒ＷＣ粉末、同３μｍの中粒ＷＣ粉末、同１．２μｍの（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（重量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、同１．３μｍの（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）粉末、同１μｍのＣｒ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、および同１．２μｍの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、この混合粉末をＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１５０６１２に則した形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を同じく表１に示される条件で真空焼結することにより超硬基体Ａ〜Ｅをそれぞれ製造した。さらに、上記超硬基体Ｅに対して、５０ＴｏｒｒのＣＨ4 ガス雰囲気中、温度：１４００℃に１時間保持後、徐冷の滲炭処理を施し、処理後、超硬基体表面に付着するカーボンとＣｏを酸およびバレル研磨で除去することにより、表面から８μｍの位置で最大Ｃｏ含有量：１４．２重量％、深さ：３２μｍのＣｏ富化帯域を基体表面部に形成した。また、いずれも焼結したままで、上記超硬基体Ｃには、表面部に表面から１８μｍの位置で最大Ｃｏ含有量：９．３重量％、深さ：２２μｍのＣｏ富化帯域、超硬基体Ｄには、表面部に表面から２０μｍの位置で最大Ｃｏ含有量：１３．５重量％、深さ：２７μｍのＣｏ富化帯域がそれぞれ形成されており、残りの超硬基体ＡおよびＢには、前記Ｃｏ富化帯域の形成がなく、全体的に均質な組織をもつものであった。なお、表１には、上記超硬基体Ａ〜Ｅの内部硬さ（ロックウエル硬さＡスケール）をそれぞれ示した。
【００１３】ついで、これらの超硬基体Ａ〜Ｅの表面に、ホーニング加工を施した状態で、通常の化学蒸着装置を用い、表２、３（表２におけるｌ−ＴｉＣＮは、縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外の条件で形成された層はいずれも粒状結晶組織をもつものである）に示される条件にて、表４、５に示される組成および目標層厚（切刃の逃げ面）の硬質被覆層を形成することにより本発明被覆超硬チップ１〜１０および従来被覆超硬チップ１〜１０をそれぞれ製造した。なお、この結果得られた本発明被覆超硬チップ１〜１０の硬質被覆層を構成する外層における靭性化潤滑化帯域について、ＺｒＯ2 および遊離炭素の分布割合を電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定したところ、表３に示される目標値に相当する値を示した。また、硬質被覆層を構成する構成層もそれぞれ目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００１４】つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１０および従来被覆超硬チップ１〜１０について、被削材：Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、切り込み：５ｍｍ、送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、切削時間：１０分、の条件での炭素鋼の乾式高切り込み断続切削試験、並びに、被削材：ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、切り込み：３．５ｍｍ、送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、切削時間：１０分、の条件での合金鋼の乾式高送り断続切削試験を行い、いずれの切削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６に示した。
【００１５】
【表１】
【００１６】
【表２】
【００１７】
【表３】
【００１８】
【表４】
【００１９】
【表５】
【００２０】
【表６】
【００２１】
【発明の効果】表４〜６に示される結果から、硬質被覆層の外層における表面側に靭性化潤滑化帯域が存在する本発明被覆超硬チップ１〜１０は、いずれも前記靭性化潤滑化帯域が切削開始時の被削材とのなじみ性を促進することから、きわめて苛酷な条件での切削となる高切り込みおよび高送りの断続切削でも、切刃にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層が実質的にＴｉ化合物層の内層とＡｌ2 Ｏ3 層の外層で構成された従来被覆超硬チップ１〜１０においては、特に外層であるＡｌ2 Ｏ3 層の初期なじみ性不足が原因で、上記の苛酷な切削条件では、いずれも切削開始直後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チップは、被削材に対する初期なじみ性にすぐれているので、例えば鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特にこれらの切削のうちの断続切削をきわめて苛酷な切削条件となる高切り込みおよび高送りなどの重切削条件で行っても、切刃にチッピングの発生なく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するものであり、切削加工の省力化および省エネ化に十分満足に対応できるものである。
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、切削開始時に最初に被削材と当接する硬質被覆層の外層である酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2 Ｏ3 で示す）層の被削材との初期なじみ性にすぐれ、これによって切刃にチッピング（微小欠け）が発生するのが防止され、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するようになる表面被覆超硬合金製スローアウエイ切削チップ（以下、被覆超硬チップという）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、一般に、炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）の表面に、（ａ） １．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ炭化チタン（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化チタン（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）層、酸化チタン（以下、Ｔｉ2 Ｏ3 で示す）層、炭酸化チタン（以下、ＴｉＣＯで示す）層、窒酸化チタン（以下、ＴｉＮＯで示す）層、および炭窒酸化チタン（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ） １〜２０μｍの平均層厚を有するＡｌ2 Ｏ3 層の外層と、（ｃ） さらに必要に応じて自身のもつ黄金色の色調を利用して被覆超硬チップの使用前後を識別する目的で形成される、０．１〜５μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層の最外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる被覆超硬チップが知られており、またこの被覆超硬チップが鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることも知られている。また、一般に上記の被覆超硬チップの硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層およびＡｌ2 Ｏ3 層が粒状結晶組織を有し、かつ前記Ａｌ2 Ｏ3 層はα型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどが広く実用に供されることも良く知られており、さらに例えば特開平６−８０１０号公報や特開平７−３２８８０８号公報に記載されるように、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の靭性向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削加工に対する省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆超硬チップには切削条件に影響されない汎用性が求められる傾向にある。しかし上記の従来被覆超硬チップにおいては、これを構成する硬質被覆層の外層であるＡｌ2 Ｏ3 層は、耐酸化性および熱的安定性にすぐれ、さらに高硬度を有することから、所定の耐摩耗性を確保するには硬質被覆層の構成層として不可欠であるが、反面脆い性質をもつものであるため、これを特に断続切削を高送りや高切り込みなどの重切削条件で行う切削に用いると、切削開始直後、切刃に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のが現状である。
【０００４】
【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、上記の従来被覆超硬チップを構成する硬質被覆層の外層であるＡｌ2 Ｏ3 層に着目し、特にこれの切削開始初期の耐チッピング性向上を図るべく研究を行った結果、（ａ）被覆超硬チップの硬質被覆層を構成するＡｌ2 Ｏ3 層に、表面から層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ2 Ｏ3 の素地に、Ａｌ2 Ｏ3 との合量に占める割合で、１〜１５重量％の酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ2 で示す）と同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、ＺｒＯ2 と遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する帯域を形成すると、前記ＺｒＯ2による靭性化効果と前記遊離炭素による潤滑化効果とが相まって、この靭性化潤滑化帯域が切削開始直後における被削材との当接に伴って生じる強い衝撃を著しく緩和し、かつ被削材に対する初期なじみ性を発揮し、切刃のチッピング発生が抑制されるようになること。
（ｂ）上記の被覆超硬チッブの硬質被覆層を構成するＡｌ2 Ｏ3 層は、通常の化学蒸着装置にて、例えば、反応ガス組成（容量％で、以下同じ）、ＡｌＣｌ3 ：１〜１０％、ＣＯ2 ：０．５〜１０％、Ｈ2 Ｓ：０．０２〜２％、ＨＣｌ：０．５〜５％、Ｈ2 ：残り、反応雰囲気温度：９５０〜１０５０℃、反応雰囲気圧力：４０〜４００Ｔｏｒｒ、の条件で形成されるが、上記の反応ガスにＺｒＣｌ4 と、ＣＨ4 およびＣＨ3 ＣＮのいずれか、または両方を加えて、反応ガス組成を、例えば、ＡｌＣｌ3 ：１〜１０％、ＣＯ2 ：０．５〜１０％、Ｈ2 Ｓ：０．０２〜２％、ＨＣｌ：０．５〜５％、ＺｒＣｌ4 ：０．０５〜４％、ＣＨ4 ：０．５〜１０％および／またはＣＨ3 ＣＮ：０．１〜５％、Ｈ2 ：残り、とし、反応雰囲気温度および反応雰囲気圧力は同じ条件として化学蒸着を行うと、Ａｌ2 Ｏ3 の素地に、ＺｒＯ2 と遊離炭素が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が形成されるようになり、この場合ＺｒＯ2 と遊離炭素の割合は上記の条件を調整することにより所望の割合に設定できること。以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００５】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、（ａ） １．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、Ｔｉ2 Ｏ3 層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ） １〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ2 Ｏ3 の素地に、Ａｌ2 Ｏ3 との合量に占める割合で、１〜１５重量％のＺｒＯ2 と同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、ＺｒＯ2 と遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が存在し、残りの基体側が実質的にＡｌ2 Ｏ3 からなる外層と、（ｃ） 必要に応じて０．１〜５μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層の最外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた初期なじみ性を発揮する被覆超硬チップに特徴を有するものである。
【０００６】つぎに、この発明の被覆超硬チップにおいて、硬質被覆層に関して、上記の通りに数値限定した理由を以下に説明する。
（ａ） 靭性化潤滑化帯域の深さその深さが、外層の平均層厚の１０％未満では、所望のすぐれた初期なじみ性を確保することができず、この結果重切削条件での断続切削では切刃にチッピングが発生するのが避けられず、一方その深さが、同４０％を越えると、相対的に基体側のＡｌ2 Ｏ3 部分の層厚が薄くなり過ぎてしまい、所望の耐摩耗性を確保することができなくなることから、その深さを外層の平均層厚の１０〜４０％、望ましくは１５〜３０％と定めた。
【０００７】（ｂ） 靭性化潤滑化帯域おけるＺｒＯ2 および遊離炭素の分布割合上述の通りＡｌ2 Ｏ3 の素地にＺｒＯ2 と遊離炭素が共存した状態で分散分布した靭性化潤滑化帯域を外層の表面側に形成することによって硬質被覆層はすぐれた初期なじみ性を具備するようになり、特に断続切削を重切削条件で行った場合にも、切削開始直後、切刃にチッピングが発生するのが著しく抑制されるようようになるが、所望のすぐれた初期なじみ性を確保するためには、その分布割合がいずれも１重量％以上の割合で存在する必要があり、さらに言い換えればＺｒＯ2 および遊離炭素のいずれかでも１重量％未満になると、これら成分の共存によって得られるすぐれた初期なじみ性を確保することができず、一方その分布割合がそれぞれ１５重量％（合量で２０重量％）を越えると、切刃面における切削開始直後における摩耗進行が急激になるばかりでなく、局部的摩耗進行も促進されるようになり、この結果凹凸の大きな切刃面の形成が避けられず、これが原因で切刃にチッピングが発生し易くなることから、その分布割合をそれぞれ１〜１５重量％（合量で２０重量％以下）、望ましくは３〜１０重量％（合量で１５重量％以下）と定めた。
【０００８】（ｃ） 外層の平均層厚外層には、上記の通り表面側の靭性化潤滑化帯域によってすぐれた初期なじみ性を確保し、残りの基体側のＡｌ2 Ｏ3 によってすぐれた耐酸化性および熱的安定性、さらに高硬度を確保し、もって硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その層厚が１μｍ未満では、前記作用に所望の効果が得られず、一方その層厚が２０μｍを越えると、切刃にチッピングが発生し易くなることから、その層厚を１〜２０μｍ、望ましくは３〜１２μｍと定めた。
【０００９】（ｄ） 内層であるＴｉ化合物層の平均層厚Ｔｉ化合物層には、硬質被覆層の構成層相互間の密着性を向上させると共に、靭性を向上させ、さらに前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層が縦長成長結晶組織をもつ場合には、硬質被覆層の一段の靭性向上に寄与するが、その層厚が１．５μｍ未満では、前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その層厚が２０μｍを越えると、耐摩耗性が急激に低下するようになることから、その層厚を１．５〜２０μｍ、望ましくは５〜１２μｍと定めた。
【００１０】（ｅ） 硬質被覆層の全体平均層厚その層厚が３μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚が３５μｍを越えると、切刃にチッピングが発生し易くなることから、その層厚を３〜３５μｍ、望ましくは８〜２０μｍと定めた。
【００１１】（ｆ） 最外層であるＴｉＮ層の平均層厚最外層であるＴｉＮ層は、上記の通り自身が黄金色の色調をもつことから、被覆超硬チップの使用前後を識別するのに必要に応じて適用されるが、前記着色には０．１μｍ以上の層厚が必要であり、しかし５μｍまでの層厚で十分であることから、その層厚を０．１〜５μｍ、望ましくは０．３〜２μｍと定めた。
【００１２】
【発明の実施の形態】つぎに、この発明の被覆超硬チップを実施例により具体的に説明する。原料粉末として、平均粒径：１．５μｍ有する細粒ＷＣ粉末、同３μｍの中粒ＷＣ粉末、同１．２μｍの（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（重量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、同１．３μｍの（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）粉末、同１μｍのＣｒ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、および同１．２μｍの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、この混合粉末をＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１５０６１２に則した形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を同じく表１に示される条件で真空焼結することにより超硬基体Ａ〜Ｅをそれぞれ製造した。さらに、上記超硬基体Ｅに対して、５０ＴｏｒｒのＣＨ4 ガス雰囲気中、温度：１４００℃に１時間保持後、徐冷の滲炭処理を施し、処理後、超硬基体表面に付着するカーボンとＣｏを酸およびバレル研磨で除去することにより、表面から８μｍの位置で最大Ｃｏ含有量：１４．２重量％、深さ：３２μｍのＣｏ富化帯域を基体表面部に形成した。また、いずれも焼結したままで、上記超硬基体Ｃには、表面部に表面から１８μｍの位置で最大Ｃｏ含有量：９．３重量％、深さ：２２μｍのＣｏ富化帯域、超硬基体Ｄには、表面部に表面から２０μｍの位置で最大Ｃｏ含有量：１３．５重量％、深さ：２７μｍのＣｏ富化帯域がそれぞれ形成されており、残りの超硬基体ＡおよびＢには、前記Ｃｏ富化帯域の形成がなく、全体的に均質な組織をもつものであった。なお、表１には、上記超硬基体Ａ〜Ｅの内部硬さ（ロックウエル硬さＡスケール）をそれぞれ示した。
【００１３】ついで、これらの超硬基体Ａ〜Ｅの表面に、ホーニング加工を施した状態で、通常の化学蒸着装置を用い、表２、３（表２におけるｌ−ＴｉＣＮは、縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外の条件で形成された層はいずれも粒状結晶組織をもつものである）に示される条件にて、表４、５に示される組成および目標層厚（切刃の逃げ面）の硬質被覆層を形成することにより本発明被覆超硬チップ１〜１０および従来被覆超硬チップ１〜１０をそれぞれ製造した。なお、この結果得られた本発明被覆超硬チップ１〜１０の硬質被覆層を構成する外層における靭性化潤滑化帯域について、ＺｒＯ2 および遊離炭素の分布割合を電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定したところ、表３に示される目標値に相当する値を示した。また、硬質被覆層を構成する構成層もそれぞれ目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００１４】つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１０および従来被覆超硬チップ１〜１０について、被削材：Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、切り込み：５ｍｍ、送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．、切削時間：１０分、の条件での炭素鋼の乾式高切り込み断続切削試験、並びに、被削材：ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、切り込み：３．５ｍｍ、送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、切削時間：１０分、の条件での合金鋼の乾式高送り断続切削試験を行い、いずれの切削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６に示した。
【００１５】
【表１】
【００１６】
【表２】
【００１７】
【表３】
【００１８】
【表４】
【００１９】
【表５】
【００２０】
【表６】
【００２１】
【発明の効果】表４〜６に示される結果から、硬質被覆層の外層における表面側に靭性化潤滑化帯域が存在する本発明被覆超硬チップ１〜１０は、いずれも前記靭性化潤滑化帯域が切削開始時の被削材とのなじみ性を促進することから、きわめて苛酷な条件での切削となる高切り込みおよび高送りの断続切削でも、切刃にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層が実質的にＴｉ化合物層の内層とＡｌ2 Ｏ3 層の外層で構成された従来被覆超硬チップ１〜１０においては、特に外層であるＡｌ2 Ｏ3 層の初期なじみ性不足が原因で、上記の苛酷な切削条件では、いずれも切削開始直後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チップは、被削材に対する初期なじみ性にすぐれているので、例えば鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特にこれらの切削のうちの断続切削をきわめて苛酷な切削条件となる高切り込みおよび高送りなどの重切削条件で行っても、切刃にチッピングの発生なく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するものであり、切削加工の省力化および省エネ化に十分満足に対応できるものである。
【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の表面に、（ａ） １．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、酸化チタン層、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ） １〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、酸化アルミニウムの素地に、酸化アルミニウムとの合量に占める割合で、１〜１５重量％の酸化ジルコニウムと同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、酸化ジルコニウムと遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が存在し、残りの基体側が実質的に酸化アルミニウムからなる外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた初期なじみ性を発揮する表面被覆超硬合金製スローアウエイ切削チップ。
【請求項２】 炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、（ａ） １．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、酸化チタン層、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ） １〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、酸化アルミニウムの素地に、酸化アルミニウムとの合量に占める割合で、１〜１５重量％の酸化ジルコニウムと同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、酸化ジルコニウムと遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が存在し、残りの基体側が実質的に酸化アルミニウムからなる外層と、（ｃ） ０．１〜５μｍの平均層厚を有する窒化チタン層の最外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた初期なじみ性を発揮する表面被覆超硬合金製スローアウエイ切削チップ。
【請求項１】 炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、（ａ） １．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、酸化チタン層、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ） １〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、酸化アルミニウムの素地に、酸化アルミニウムとの合量に占める割合で、１〜１５重量％の酸化ジルコニウムと同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、酸化ジルコニウムと遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が存在し、残りの基体側が実質的に酸化アルミニウムからなる外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた初期なじみ性を発揮する表面被覆超硬合金製スローアウエイ切削チップ。
【請求項２】 炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、（ａ） １．５〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ炭化チタン層、窒化チタン層、炭窒化チタン層、酸化チタン層、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層、および炭窒酸化チタン層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層の内層と、（ｂ） １〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、酸化アルミニウムの素地に、酸化アルミニウムとの合量に占める割合で、１〜１５重量％の酸化ジルコニウムと同じく１〜１５重量％の遊離炭素（ただし、酸化ジルコニウムと遊離炭素の合量で２０重量％以下）が分散分布した組織を有する靭性化潤滑化帯域が存在し、残りの基体側が実質的に酸化アルミニウムからなる外層と、（ｃ） ０．１〜５μｍの平均層厚を有する窒化チタン層の最外層と、で構成された硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる、硬質被覆層がすぐれた初期なじみ性を発揮する表面被覆超硬合金製スローアウエイ切削チップ。
【公開番号】特開２０００−２４６５０８（Ｐ２０００−２４６５０８Ａ）
【公開日】平成１２年９月１２日（２０００．９．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−５３４８２
【出願日】平成１１年３月２日（１９９９．３．２）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年９月１２日（２０００．９．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年３月２日（１９９９．３．２）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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