JP2014140929A - 高速断続切削加工においてすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質難削材の高速断続切削加工において、硬質被覆層が、すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】 工具基体の表面に、硬質被覆層の表面層として酸化アルミニウム主体層を形成した表面被覆切削工具において、酸化アルミニウム主体層中には、Ｓｉ、Ｃｒの微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体が５〜５０面積％分散含有され、酸化物結晶体断面の真円換算した平均粒径は０．０３〜０．５μｍの範囲内にあり、かつ、酸化物結晶体の平均粒子径が０．０３〜０．１μｍの微粒子群と０．２〜０．５μｍの粗粒子群とからなり、上記酸化アルミニウム主体層を縦断面観察した場合に、層中に含有される所定観察範囲内の全ての酸化物結晶体の占める面積を１とした場合に、微粒子群の占める面積が０．２５〜０．７５である。
【選択図】 図１

Description

この発明は、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を備えることから、ステンレス鋼、鋳鉄等の難削材の高速断続切削加工に用いた場合でも、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、「被覆工具」という）に関する。

従来から、工具基体表面に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜を被覆形成することにより、切削工具の耐摩耗性向上を図ることが知られている。
そして、硬質皮膜のうちでも、α型酸化アルミニウム層は、熱安定性に優れ、反応性が低く、かつ、高硬度であるという点から、上記周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜の最表面層として、α型酸化アルミニウム層が被覆形成された被覆工具が知られているが、切削条件が厳しくなるにしたがって、それに耐え得る切削性能を備えた被覆工具が求められており、そのため、硬質皮膜の最表面層を構成するα型酸化アルミニウム層についても種々の改良・提案がなされている。

例えば、特許文献１に示すように、切削工具の基体表面に、プラズマＣＶＤ法により硬質被覆層を形成するにあたり、硬質被覆層を酸化アルミニウムとＴｉＣ，ＴｉＮ，ＡｌＮ，ＺｒＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＴｉＯ，ＺｒＯ_２等との混合相からなる酸化アルミニウム主体層として構成することにより、被覆工具の靭性および耐摩耗性を改善することが提案されている。

酸化アルミニウム層の被覆形成方法としては、特許文献１にも示されるように、通常、化学蒸着（ＣＶＤ）法が採用されているが、その他に、物理蒸着（ＰＶＤ）法、ゾル−ゲル法によって酸化アルミニウム層を形成することも知られている。

例えば、特許文献２に示すように、機械特性、耐久性がある酸化アルミニウム被覆構造体を製造するにあたり、母材上に、結晶構造がアモルファス構造、又はγ型のアルミナ、又はそれらの混合物からなる第１のアルミナ層をゾル−ゲル法で被覆した後、スパッタリングにより、γ型を主体とする第２のアルミナ層を被覆形成することが提案されている。

特開昭５９−２５９７２号公報 特開２００６−２０５５５８号公報

硬質被覆層として酸化アルミニウム層をＣＶＤ法により被覆形成した被覆工具においては、ステンレス鋼、鋳鉄等の切削加工に際し、被覆工具のすくい面での耐摩耗性向上が挙げられるが、これは、特に、形成されるα型アルミナの熱安定性、非反応性が高いことによるものである。

上記特許文献１において提案されている被覆工具は、通常条件下での切削加工では、ある程度の靭性、耐摩耗性を発揮するが、例えば、ステンレス鋼、鋳鉄等の難削材の高速断続切削加工、即ち、高熱発生を伴い、溶着しやすく、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する切削加工、に用いた場合には、チッピング、欠損が発生しやすく、これが原因となり、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮し得ないという問題があった。

また、上記特許文献２において提案されている酸化アルミニウム被覆構造体を被覆工具とした場合には、形成される酸化アルミニウムはγアルミナであるため、高温での安定性に乏しく、また、特に、溶着しやすいステンレス鋼、鋳鉄等の難削材の高速切削加工においては、該酸化アルミニウム被覆構造体の潤滑性が乏しく、刃先にて著しく高温となるために満足できる切削性能を発揮し得ないという問題があった。

そこで、本発明者等は、ゾル−ゲル法により、工具基体表面に耐摩耗性に優れた酸化アルミニウム層を形成すべく鋭意検討したところ、ゾル−ゲル法で形成した酸化アルミニウム層中に、Ｃｒ、Ｓｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体の微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体を分散含有せしめるとともに、これらの結晶体の平均面積割合、平均粒径、上記分散含有した酸化物結晶体全体に占める酸化物微粒子結晶体の割合を規定した酸化アルミニウム主体層を形成することによって、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用するステンレス鋼、鋳鉄等の高速断続切削加工に供した場合でも、チッピング、欠損等を発生することがなくすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を得られることを見出したのである。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層の表面層が酸化アルミニウム主体層で構成されるとともに、該酸化アルミニウム主体層が、Ｃｒ、Ｓｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体の微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体を分散含有し、さらに、縦断面観察した際に、これらの結晶体が該酸化アルミニウム主体層に占める平均面積割合、平均粒径、上記分散含有した酸化物結晶体全体に占める酸化物微粒子結晶体の割合を規定することによって、かかる硬質被覆層を備えた被覆工具は、ステンレス鋼、鋳鉄等の高熱発生を伴うとともに、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、チッピング、欠損等を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
（ａ）上記硬質被覆層の表面層として、０．２〜５．０μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム主体層を備え、
（ｂ）上記酸化アルミニウム主体層中には、Ｃｒ、Ｓｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体が、層中に占める面積割合で５〜５０面積％分散含有され、
（ｃ）上記酸化物結晶体のそれぞれの断面の面積を、真円の面積として換算した際の直径を粒径とし、該粒径の平均値を平均粒径とした場合、上記酸化物結晶体の平均粒径は０．０３〜０．５μｍの範囲内にあり、
（ｄ）上記酸化アルミニウム主体層中の含有酸化物結晶体の平均粒子径が０．０３μｍ〜０．１μｍの微粒子群と０．２〜０．５μｍの粗粒子群とからなり、上記酸化アルミニウム主体層を縦断面観察した場合に、層中に含有される所定観察範囲内の全ての酸化物結晶体の占める面積を１とした場合に、微粒子群の占める面積が０．２５〜０．７５であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのＣｏの平均含有量が、２．０質量％未満であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのＣｏ及びＮｉの合計平均含有量が、２．０質量％未満であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

以下、本発明について、詳細に説明する。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層の表面層として、例えば、ゾル−ゲル法により成膜した厚さ０．２〜５．０μｍの酸化アルミニウム主体層を備えるが、酸化アルミニウム主体層の層厚が０．２μｍ未満であると、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、層厚が５．０μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなるため、酸化アルミニウム主体層の層厚は０．２〜５．０μｍと定めた。

また、この発明の被覆工具は、炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に直接上述した結晶体が分散含有される酸化アルミニウム主体層を形成することができることは勿論であるが、工具基体表面と該酸化アルミニウム主体層との間に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物を含有する下地層を、物理蒸着法（ＰＶＤ法）、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、またはゾル−ゲル法により形成した後、該下地層硬質皮膜の表面に上記酸化アルミニウム主体層を被覆形成することもできる。
下地層の具体例としては、例えば、化学蒸着によって形成したＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層等のＴｉ化合物層を挙げることができ、また、物理蒸着によって形成したＴｉとＡｌの複合窒化物層、ＣｒとＡｌの複合窒化物層等を挙げることができる。

なお、例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）法による上記下地層の形成に際して、酸化アルミニウム主体層との密着性を高めるという観点から、該下地層中にＡｌを含有しており、かつ、該下地層の金属成分に占めるＡｌの含有割合が４０原子％以上である窒化物層（例えば、ＴｉＡｌＮ層、ＡｌＣｒＮ層等）を形成することが望ましい。

これは、下地層中の金属成分に占めるＡｌの含有割合が４０原子％以上の窒化物層であると、窒化物層と酸化アルミニウム主体層との界面にアルミニウム濃度の高い酸化物を形成し、この酸化物が窒化物皮膜と酸化アルミニウム主体層を強固に接着する作用を有するよう、という理由による。

この発明の被覆工具の表面層を構成する酸化アルミニウム主体層は、例えば、後記するゾル−ゲル法により成膜することにより、その主体は酸化アルミニウムから構成され、該層中には、Ｃｒ、Ｓｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体の微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体が、層中に占める面積割合で５〜５０面積％分散含有されている。

上記の酸化物結晶体は、酸化アルミニウム主体層を視野領域１×１μｍの範囲として透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した場合に、該酸化物結晶体の平均粒径が０．０３〜０．５μｍの分散組織として観察され、さらに、酸化アルミニウム主体層中に占める該酸化物結晶体の平均面積割合を、例えば、視野領域５×７μｍの縦断面ＴＥＭ観察を５視野行い、各視野における値の平均値としてより求めると、５〜５０面積％を占めることが分かる。
なお、本発明でいう上記結晶体の平均粒径とは、該酸化アルミニウム主体層を視野領域１×１μｍの範囲にて、５視野断面ＴＥＭ観察した場合に、観察視野内に存在する各々の酸化物結晶体の断面の面積を測定し、これを真円の面積として換算した際の該真円の直径を求め、該直径をそれぞれの結晶体の粒径とした場合に、全ての酸化物結晶体について、該粒径を平均した値を本発明では平均粒径とよぶ。

上記酸化物結晶体はＳｉまたはＣｒと酸素の結合力が強いために酸化物として非常に安定な物質であるとともに、鉄との親和性が低いために摩擦抵抗が小さく、酸化アルミニウム主体層中に含有させ、結晶体分散組織とすることで、酸化アルミニウム主体層の耐酸化性や潤滑性が向上し、元来高い耐摩耗性を有する酸化アルミニウム主体層にさらに耐摩耗性を上乗せすることができる。

さらに、潤滑性を向上させるためには切削時に工具と被削材との接触面、つまり、硬質被覆層の摩耗面に現れる各々の酸化物結晶体の露出面積が大きい方が、酸化物結晶体と被削材が摺動する際の１回１回の摺動距離が長く、より刃先の温度が上がりにくくなり、高い発熱抑制効果が得られることから、平均粒径が大きい酸化物結晶体を含有させることが望ましい。また、高速切削時には刃先がより高温となることにより、大気中の酸素及び上記酸化アルミニウム主体層中の酸素が下地層や基体中へと拡散することで、硬質被覆層や基体が酸化され、工具の摩耗が進行しやすくなると考えられるが、上記酸化アルミニウム主体層中に酸化物結晶体を含有させると、高温での化学的安定性に優れるとともに酸化アルミニウムとは異なる結晶構造及び格子定数を有する部分が点在するために、膜中に酸素が拡散されにくくなり、結果的に硬質被覆層や基体の酸化が抑制される。また、本効果を十分に発揮するためには、上記酸化アルミニウム主体層中に平均粒径の小さい酸化物結晶体を分散させ、層中に満遍なく分散させることが望ましい。ゆえに、平均粒径が大きい結晶体と小さい結晶体の両方を分散させることで潤滑性と耐酸化性を両立させることができる。

また、酸化アルミニウム主体層中に占める上記結晶体の平均面積割合が、５０面積％を超えると、結晶体の分散組織を固定している酸化アルミニウムの割合が少なくなるため、酸化アルミニウム主体層に脆化傾向があらわれる。
一方、平均面積割合が５面積％未満である場合には、潤滑性、耐酸化性向上に寄与する結晶体が少なくなるため、酸化アルミニウム主体層の耐摩耗性が低下する。
したがって、本発明では、酸化アルミニウム主体層中に占める上記結晶体の平均面積割合を５〜５０面積％と定めた。

上記酸化物結晶体からなる結晶体のそれぞれについて、該結晶体の面積と等しい面積を有する真円の直径を該結晶体の粒径として求め、さらに、求めた粒径の平均値を平均粒径とした場合、上記結晶体の平均粒径が０．０３μｍ未満では、酸化アルミニウム主体層における耐酸化性向上効果が少なく、一方、平均粒径が０．５μｍを超えると、粗大な結晶体の分散組織となるため、クラックの起点となり易く耐チッピング性の低下を招くこととなる。
したがって、上記結晶体の平均粒径は、０．０３〜０．５μｍと定めた。
また、酸化物結晶体は微粒子群と粗粒子群からなるが、酸素が膜中に拡散しにくくするためには、層中に含有できる限度内の範囲で、均一に分散させることが望ましいが、微粒子群の平均粒子径が０．１μｍより大きいと、層中に満遍なく分散できず、粗粒子群の平均粒子径が０．２μｍ未満であると、切削時に酸化物結晶体と被削材が摺動する際の１回１回の摺動距離が短くなるために、発熱抑制の効果が小さく、下地層や基体の酸化による摩耗進行、溶着等の発生により工具寿命が短くなることから上記酸化アルミニウム主体層中の含有酸化物結晶体の平均粒子径は０．０３μｍ〜０．１μｍの微粒子群と０．２〜０．５μｍの粗粒子群からなると定めた。
さらに、全酸化物結晶体の占める面積を１とした場合に、微粒子群の占める面積が０．２５未満であると微粒子が相対的に少なくなるために微粒子による耐酸化性の向上効果が希薄になってしまい、０．７５を超えると粗粒子が相対的に少なくなるために粗粒子による潤滑性の向上効果が発揮されない。
したがって、全ての酸化物結晶体の占める面積を１とした場合に、微粒子群の占める面積を０．２５〜０．７５として定めた。

なお、上記酸化アルミニウム主体層は、工具基体に直接成膜することで、その性能を発揮することは可能であるが、炭窒化チタンを含む超硬合金を基体とする場合は窒素雰囲気中での焼成により、工具基体表面付近に、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒのうち、少なくとも１種の耐摩耗性の高い炭窒化物を多く含有させ、基体表面硬化層を形成させるとともに、酸化アルミニウム主体層と工具基体との密着強度を向上させ、工具寿命を延長することが可能となる。なお、該基体表面硬化層形成後の超硬合金基体の硬さはビッカース硬さ（Ｈｖ）で２２００以上、２８００以下であることが好ましい。その際、炭窒化物を多く含有させることで基体表面付近におけるＣｏは相対的に減ることとなり、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの断面観察を行い、分析視野領域１×１μｍの範囲にて波長分散型Ｘ線分光法による定量分析により、結合相金属としてのＣｏの含有量を検出した場合に、Ｃｏの含有量を２．０質量％未満にすれば、基体の表面硬化の要因となる炭窒化物が十分に形成され、耐摩耗性がより向上する。
基体表面硬化層の平均層厚は０．５μｍ以下であると耐摩耗性が十分発揮できないまま比較的すぐに磨滅してしまい、３．０μｍ以上であるとチッピングしやすくなる。

また、炭窒化チタン基サーメットを基体とする場合には、焼結工程において昇温及び最高温度で保持する際の雰囲気を所定の窒素雰囲気とし、保持の途中もしくは降温する際に減圧することにより、全焼結工程を一定圧力の窒素雰囲気中で実施した場合よりも表面を硬化させることができる。これは、最高温度で保持するまでの工程を一定の窒素圧力下で実施すると、基体内部に均一に硬さの高い炭窒化物が分散形成されるが、これを昇温、または保持の途中までは比較的高い窒素圧力下で処理し、保持の途中もしくは降温時から、より減圧された窒素雰囲気にして処理すると、基体のごく表面のみ脱窒されることにより、ＮｉやＣｏ金属結合相へのＴｉやＮｂなどの溶解及び内部から基体表面への拡散が活発となり、ＴｉやＮｂなどの炭窒化物の形成が表面にて促進され、基体表面硬化層が形成されるためである。なお、該基体表面硬化層形成後のサーメット基体の硬さはビッカース硬さ（Ｈｖ）で２０００以上、２６００以下であることが好ましい。また、その際は上記超硬基体と同様に、基体表面付近におけるＮｉ及びＣｏは相対的に減ることとなり、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの断面観察を行い、分析視野領域１×１μｍの範囲にて波長分散型Ｘ線分光法による定量分析した場合に、結合相金属としてのＮｉ及びＣｏの合計含有量を２．０質量％未満にすれば、基体の表面硬化の要因となる炭窒化物が十分に形成され、耐摩耗性がより向上する。

本発明の被覆工具の表面層を構成する酸化アルミニウム主体層は、例えば、以下に示すゾル−ゲル法によって形成することができる。
酸化物結晶体の準備：
本発明では、ゾル−ゲル法によって酸化アルミニウム主体層を形成する際、アルミナゾルに添加する酸化物結晶体として、ＣｒおよびＳｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体を用いるが、最終的に形成される酸化アルミニウム主体層において、層中に存在する該結晶体の平均面積割合を所定値にするため、さらに、該結晶体の平均粒径を所定値にするために、添加する結晶体には、以下のような調整を行う。
該酸化物結晶体を転動流動層を有する風力装置へ搬入し、層内圧力を−４００ｍｍＡｑに保持して、加熱しながらロータ回転数１００〜５００ｒｐｍで転動流動させ、一次エア量５５〜７０Ｌ／分で空気を吹き込みながら該風力装置の上部に設けられたメッシュクロスにより風力分級を５分間行うことで所定サイズの酸化物結晶体を得ることができる。
アルミナゾルの調製：
まず、アルミニウムのアルコキシド（例えば、アルミニウムセカンダリブトキシド、アルミニウムイソプロポキシド）にアルコール（例えば、エタノール、１−ブタノール）を添加し、次いで、酸（例えば、塩酸、硝酸）を添加し、所定量、所定サイズのＣｒ、Ｓｉの酸化物結晶体を添加した後、さらに、所定濃度の酸（例えば、塩酸）を添加した後、１０〜４０℃の温度範囲にて１〜３時間攪拌することによってアルミナゾルを調製する。なお、該結晶体を含有させる方法としては、前駆体ゾル調製時の加水分解及び縮重合反応にて形成されるＡｌとＯのネットワーク中に該結晶体が均一に分散し、取り込まれていることが望ましいため、塩酸を添加し、加水分解及び縮重合が始まる前に該結晶体が添加されていることが望ましい。なお、アルミニウムのアルコキシドは粘性が高く、撹拌しにくいため、例えば、アルコール中に結晶体を添加、撹拌して分散させておくことが望ましい。

また、添加する酸の濃度は、０．０１〜１．０Ｎが望ましく、アルコールに対する酸の添加量は、０．１〜２倍（容量）が望ましい。
なお、酸として塩酸を添加した場合、最終的に形成される酸化アルミニウム素地中に塩素が混入残留するが、塩素は鉄などの金属と反応し、潤滑性の高い塩化物を形成することで、結果的に、酸化アルミニウム主体層の潤滑性、耐溶着性向上に寄与するため、酸化アルミニウム主体層中における濃度として、１．０〜１０原子％の範囲の含有が許容される。

アルミナゾルの保持：
次いで、上記アルミナゾルについて、ゾル中で起きている加水分解・縮合反応が平衡状態に至るまで待つ目的で２０〜４０℃の温度範囲にて１２時間以上保持する。

乾燥・焼成：
工具基体あるいは下地層を被覆した工具基体を、上記で調製したアルミナゾル中へ浸漬処理し、その後、０．５ｍｍ／ｓｅｃの速度でアルミナゾル中からこれを引き上げ、それに続き１５０〜３００℃で１０分間乾燥処理、この浸漬処理と乾燥処理を所要の層厚になるまで繰り返し行い、次いで、６００〜１１００℃の温度範囲で焼成処理を行う。

上記乾燥処理によって、酸化物結晶体を分散含有するアルミナの乾燥ゲルが形成され、次いで行う焼成処理によって、酸化アルミニウム相中に、所定面積割合かつ所定平均粒径の酸化物結晶体を分散含有する酸化アルミニウム主体層が形成される。

上記酸化アルミニウム主体層の膜厚は、アルミナゾルへの浸漬回数に依存するが、被覆形成された上記酸化アルミニウム主体層の膜厚が０．２μｍ未満では、長期の使用にわたって被覆工具としてすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、膜厚が５．０μｍを越えると酸化アルミニウム主体層が剥離を生じやすくなることから、上記酸化アルミニウム主体層の膜厚は０．２〜５．０μｍとする。

また、酸化アルミニウム主体層に分散含有される酸化物結晶体の平均面積割合は、アルミナゾルの形成に当たって添加する酸化物結晶体の大きさと添加量によって影響される。

また、乾燥処理の温度範囲を１５０〜３００℃としているのは、それぞれ、乾燥温度については、１５０℃未満では十分な乾燥が行えず、３００℃を超えるとゲルの体積収縮が急激に進行してクラック等を発生し、皮膜が剥離等を生じやすくなるためであり、焼成温度については、６００℃未満では断続切削に効果のある、十分な高温硬さを有する酸化アルミニウム主体層が形成されないため耐チッピング性が十分でなく、一方、１１００℃を越える温度で焼成した場合、 該結晶体と酸化アルミニウム主体層の熱膨張差に起因するクラックが起きやすいというという理由による。

本発明の被覆工具は、工具基体の表面に、Ｃｒ、Ｓｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体の微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体を５〜５０面積％分散含有し、しかも、該結晶体の平均粒径は０．０３〜０．５μｍであり、さらに、含有酸化物結晶体の平均粒子径が０．０３μｍ〜０．１μｍの微粒子群と０．２〜０．５μｍの粗粒子群とからなり、上記酸化アルミニウム主体層を縦断面観察した場合に、層中に含有される所定観察範囲内の全ての酸化物結晶体の占める面積を１とした場合に、微粒子群の占める面積が０．２５〜０．７５である酸化アルミニウム主体層を被覆形成するものであるから、高熱発生を伴うために溶着しやすく、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用するステンレス鋼、鋳鉄等の高速断続切削加工に用いた場合でも、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。

本発明工具について、その酸化アルミニウム主体層の縦断面模式図を示す。

つぎに、この発明を実施例により具体的に説明する。

（ａ） 原料粉末として、平均粒径０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、平均粒径２〜３μｍの中粒ＷＣ粉末といずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示す所定の配合組成に配合し、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、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１４００℃の温度にて１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０５ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ（工具基体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉという）を製造した。
但し、１４００℃にて１時間保持後１３２０℃までの冷却を、超硬基体Ｆについては、３．３ｋＰａの窒素雰囲気中にて４０分間行い、超硬基体Ｇについては、１ｋＰａの窒素雰囲気中にて４０分間、超硬基体Ｈについては、２ｋＰａの窒素雰囲気中にて１０分間、超硬基体Ｉについては、３．３ｋＰａの窒素雰囲気中にて１２０分間かけて冷却することで基体表面を硬化処理した。

（ｂ） ついで、上記工具基体Ａ〜Ｉに対して、下層を形成した。
なお、下層の形成にあたり、上記工具基体Ａ及びＢについては、化学蒸着装置に装入し、表２に示す成膜条件を用いて、粒状結晶組織を有するＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層、縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層（以下、ｌ−ＴｉＣＮで示す）からなるＴｉ化合物層を表５、７に示す皮膜構成にて下地層を予め形成した。一方、上記工具基体Ｃについては、物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、表５、７に示す膜厚のＴｉ_０．５Ａｌ_０．５Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
また、上記工具基体Ｄについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、表５、７に示す膜厚のＡｌ_０．７Ｃｒ_０．３Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
一方、上記工具基体Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉについては、下地層の形成を特に行わなかった。

（ｃ） 一方、硬質被覆層の最表面層としての酸化アルミニウム主体層をゾル−ゲル法で被覆形成するためのアルミナゾルの調製を、次のように行った。
表１に示す所定量のアルミニウムのアルコキシドであるアルミニウムセカンダリブトキシドに、同じく表４に示す所定量のエタノールをＣｒ、Ｓｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体の微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体を、表３に示す所定量を添加した後、恒温槽中１５〜３０℃で攪拌を行い、さらに、所定量の水を添加した塩酸を滴下により１時間かけて添加した。

（ｄ） これを、表４に示すように恒温槽中１５〜３０℃に保持したまま、１時間以上攪拌を継続し、さらに、２０℃でゾル中の加水分解・縮重合反応が安定するまで所定時間保持することにより、アルミナゾルを調製した。
最終的な溶液組成は、モル比で、
（アルミニウムセカンダリブトキシド）：（水）：（エタノール）：（塩酸）
＝１：（８０〜１２０）：２０：（０．１〜１）
になるように調整を行った。

（ｅ） ついで、上記工具基体Ａ〜Ｉを、上記アルミナゾル中に浸漬した。

（ｆ） 次いで、上記超硬基体Ａ〜Ｉをアルミナゾル中から引き上げ速度０．５ｍｍ／ｓｅｃで引き上げ、表４に示す所定条件の乾燥処理を行い、さらに、浸漬、引き上げ、乾燥を繰り返した後、大気中８００℃で１時間の焼成処理を行い、本発明酸化アルミニウム主体層を最表面に被覆形成することにより、表５、６に示す本発明の被覆工具１〜１８（本発明工具１〜１８という）を製造した。

上記本発明工具１〜１８について、酸化アルミニウム主体層の縦断面について、１×１μｍの視野範囲にて、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察を行ったところ、酸化アルミニウム相中にＣｒ、Ｓｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体の微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体が含有されていることが確認された。

図１に、一例として、本発明工具１の酸化アルミニウム主体層の縦断面模式図を示す。

上記本発明工具１〜１８について、５×７μｍの視野範囲にて、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で５視野観察し、その結果を平面と仮定して、該酸化アルミニウム主体層に占める酸化物結晶体の面積割合を各観察視野ごとに求め、その平均値を平均面積割合とするとともに、１×１μｍでこれも５視野観察し、その観察視野範囲における全ての該酸化物結晶体を対象として、その面積を真円の面積として算出した場合の近似円の直径を各々の酸化物結晶体の粒径として算出した。その値を平均したものを平均粒径とし、さらに、上記酸化物結晶体粒子について、平均粒径が０．０３μｍ〜０．１μｍの微粒子群と０．２〜０．５μｍの粗粒子群に分類した上で、観察視野範囲内の酸化物結晶体の占める面積を１とした場合の微粒子群が占める面積を求めた。
また、同時に酸化アルミニウム主体層の平均層厚を透過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６に、測定・算出した観察視野範囲内における酸化物結晶体の平均面積割合（面積％）と平均粒径（μｍ）、観察視野範囲内中の全ての酸化物結晶体の占める面積を１とした場合の微粒子群が占める面積、表面硬化層中の結合相金属量（質量％）の値を示す。

[比較例１] 比較のため、以下の製造方法で被覆工具を製造した。

（イ）まず、反応原料における各成分の溶液組成はモル比で、
（アルミニウムセカンダリブトキシド）：（水）：（エタノール）：（塩酸）
＝１：（８０〜１２０）：２０：（０．１〜１）
になるように調整し、表４に示す条件でアルミナゾルを調製した。また、その際、実施例１で使用したものとは異なるサイズ、量の上記酸化物結晶体をあらかじめエタノールに添加し、実施例１と同様に撹拌しておいた。
（ロ）次いで、前記化学蒸着法によるＴｉ化合物層及び物理蒸着法によるＴｉＡｌＮ層、ＡｌＣｒＮ層をそれぞれ形成した上記超硬基体Ａ〜Ｄおよび特別な表面処理を施していない超硬基体Ｅ〜Ｉの表面に、上記アルミナゾルを塗布した。
（ハ）ついで、上記塗布したアルミナゾルを、表４に示す条件で大気中で乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、大気中８００℃で１時間の焼成処理を行うことにより、表７、８に示す比較例の被覆工具１〜９（比較例工具１〜９という）を製造した。

比較例工具１〜９についても、断面ＴＥＭ観察を行い、酸化物結晶体の平均面積割合（面積％）と平均粒径（μｍ）、観察視野範囲内中の全ての酸化物結晶体の占める面積を１とした場合の微粒子群が占める面積、表面硬化層中の結合相金属量（質量％）の値を求めた。
表８にその結果を示す。

[参考例１] 参考のため、上記酸化物結晶体のいずれをも含有しないアルミナゾルを用いて、前記工具基体Ａ〜Ｉに対して、前記（イ）〜（ハ）の工程にしたがって、所定の層厚の酸化アルミニウム主体層を被覆形成することにより、表７、８に示す参考例の被覆工具１〜９（参考例工具１〜９という）を製造した。

つぎに、上記本発明工具１〜１８、比較例工具１〜９および参考例工具１〜９について、次の条件でＳＵＳ３０４の乾式高速断続切削加工試験を行った。

被削材： ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．２ｍｍ、
送り：０．２２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件での乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は１２０ ｍ／ｍｉｎ．）、後の、それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行った。

これらの結果を表９に示す。

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、Ｍｏ₂Ｃ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これらを表１０に示す所定の配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒ（工具基体Ｊ〜Ｒという）を製造した。但し、工具基体Ｏについては１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、昇温速度を２℃／ｍｉｎとし、室温より１５４０℃まで昇温させ３０分保持した後、１３Ｐａの真空とし、さらに、１５４０℃にて３０分保持後降温させて表面硬化させた。工具基体Ｐについては、常に１３Ｐａの真空中にて昇温および１５４０℃にて６０分保持、工具基体Ｑについては１．３ｋＰａの窒素雰囲気中で室温より１５４０℃まで昇温させ３０分保持した後、１３Ｐａの真空とし、さらに、１５４０℃にて５分保持、工具基体Ｒについては１．３ｋＰａの窒素雰囲気中で室温より１５４０℃まで昇温させ３０分保持した後、１３Ｐａの真空とし、さらに、１５４０℃にて９０分保持後降温させて表面硬化させた。

ついで、上記工具基体Ｊ〜Ｒに対して、下層を形成した。
なお、下層の形成にあたり、上記工具基体Ｊ及びＫについては、化学蒸着装置に装入し、表２に示す成膜条件を用いて、表１１、１３のＴｉ化合物からなる皮膜構成にて下地層を予め形成した。一方、上記工具基体Ｌについては、物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、表１１、１３に示す膜厚のＴｉ_０．５Ａｌ_０．５Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
また、上記工具基体Ｍについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、表１１、１３に示す膜厚のＡｌ_０．７Ｃｒ_０．３Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
一方、上記工具基体Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒについては、下地層の形成を特に行わなかった。

ついで、下地層を形成した上記工具基体Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍおよび、下地層を形成していない上記工具基体Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒのいずれに対しても、実施例１と同様に表４の調製条件及び乾燥条件、表１２の塗布回数におけるゾル−ゲル法により、酸化アルミニウム主体層を成膜した。

ついで、大気中８００℃で１時間の焼成処理を行うことにより、表１１、１２に示す本発明の被覆工具１９〜３６（本発明工具１９〜３６という）を製造した。

本発明工具１９〜３６について実施例１と同様に酸化物結晶体の平均面積割合（面積％）と平均粒径（μｍ）、観察視野範囲内中の全ての酸化物結晶体の占める面積を１とした場合の微粒子群が占める面積、表面硬化層中の結合相金属量（質量％）を測定・算出した。
表１１、１２に、その結果を示す。

[比較例２]
前記実施例２で用いたのと同じ工具基体Ｊ〜Ｒを用いて、実施例２と同様に、ゾル−ゲル法により、表１４に示す所定目標層厚になるまで酸化アルミニウム主体層を成膜し、ついで、大気中８００℃で１時間の焼成処理を行うことにより、表１４に示す比較例の被覆工具１０〜１８（比較例工具１０〜１８という）を製造した。

酸化物結晶体の平均面積割合（面積％）、平均断面径（μｍ）、表面硬化層層厚（μｍ）、表面硬化層中の結合相金属量（質量％）を表１３に示す。

[参考例２]
参考のため、表３に示すＳｉまたはＣｒの微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体を含有しないアルミナゾルを用いて、前記工具基体Ｊ〜Ｒに対して、前記（イ）〜（ハ）の工程にしたがって、所定の層厚の酸化アルミニウム主体層を被覆形成することにより、表１３、１４に示す参考例の被覆工具１０〜１８（参考例工具１０〜１８という）を製造した。

表面硬化層層厚（μｍ）、表面硬化層中の結合相金属量（質量％）を表１３に示す。

つぎに、上記本発明工具１９〜３６、比較例工具１０〜１８、参考例工具１０〜１８について、次の条件で乾式高速断続切削加工試験を行った。
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： ３３０ ｍ／ｍｉｎ、
切込み： １．３ ｍｍ、
送り： ０．２３ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分
切削加工試験（通常の切削速度は２５０ ｍ／ｍｉｎ．）後の、それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行うとともに、硬質被覆層の損傷状況を観察した。
これらの結果を表１５に示す。

表５〜９、表１１〜表１５に示される結果から、この発明の被覆工具１〜３６は、工具基体の表面層として被覆形成された酸化アルミニウム主体層には、ＳｉまたはＣｒの微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体が５〜５０面積％分散含有され、酸化物結晶体の平均粒子径が０．０３μｍ〜０．１μｍの微粒子群と０．２〜０．５μｍの粗粒子群とからなり、上記酸化アルミニウム主体層を縦断面観察した場合に、層中に含有される酸化物結晶体の占める面積を１とした場合に、微粒子群の占める面積が０．２５〜０．７５であり、これを、ステンレス鋼、鋳鉄等の高速断続切削加工に用いた場合、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。

これに対して、表面の酸化アルミニウム主体層に上記結晶体を含有しないもの、あるいは、含有したとしても、その平均面積割合、平均粒径、層中に含有される酸化物結晶体の占める面積を１とした場合の微粒子群の占める面積が本発明で規定する範囲外である比較例の被覆工具１〜１８、参考例の被覆工具１〜１８は、耐異常損傷性、特に溶着によるチッピングが発生しやすく、短時間で工具寿命に至ることは明らかである。なお、前記実施例では、インサート形状の工具を用いて硬質被覆層の性能を評価したが、ドリル、エンドミルなどでも同様の結果が得られることはいうまでもない。

この発明の被覆工具によれば、表面に、例えば、ゾル−ゲル法によって酸化アルミニウム主体層が被覆形成され、該酸化アルミニウム主体層は高い高温硬さを有するとともに優れた潤滑性と耐酸化性を有するＣｒ、Ｓｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体の微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体を含有するため、ステンレス鋼、鋳鉄等の難削材の高速断続切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものであり、工具寿命の長寿命化を図ることができ、実用上の効果が大である。

Claims (3)

1. 炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
   （ａ）上記硬質被覆層の表面層として、０．２〜５．０μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム主体層を備え、
   （ｂ）上記酸化アルミニウム主体層中には、Ｃｒ、Ｓｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の酸化物結晶体が、層中に占める面積割合で５〜５０面積％分散含有され、
   （ｃ）上記酸化物結晶体のそれぞれの断面の面積を、真円の面積として換算した際の直径を粒径とし、該粒径の平均値を平均粒径とした場合、上記酸化物結晶体の平均粒径は０．０３〜０．５μｍの範囲内にあり、
   （ｄ）上記酸化アルミニウム主体層中の含有酸化物結晶体の平均粒子径が０．０３μｍ〜０．１μｍの微粒子群と０．２〜０．５μｍの粗粒子群とからなり、上記酸化アルミニウム主体層を縦断面観察した場合に、層中に含有される所定観察範囲内の全ての酸化物結晶体の占める面積を１とした場合に、微粒子群の占める面積が０．２５〜０．７５であることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
   上記工具基体の表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのＣｏの平均含有量が、２．０質量％未満であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
   上記工具基体の表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのＣｏ及びＮｉの合計平均含有量が、２．０質量％未満であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。