JP7141601B2 - 被覆切削工具 - Google Patents

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Description

本発明は、被覆切削工具に関する。
従来、超硬合金からなる基材の表面に化学蒸着法により３～２０μｍの総膜厚で被覆層を蒸着形成してなる被覆切削工具が、鋼や鋳鉄等の切削加工に用いられていることは、よく知られている。上記の被覆層としては、例えば、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物及び炭窒酸化物並びに酸化アルミニウムからなる群より選ばれる１種の単層又は２種以上の複層からなる被覆層が知られている。
特許文献１には、炭化タングステン基超硬合金又は炭窒化チタン基サーメットからなるサーメット基体の表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物及び炭窒酸化物、並びに酸化アルミニウムのうちの２種以上の複層からなる硬質被覆層を化学蒸着法にて形成してなる表面被覆サーメット製切削工具において、硬質被覆層のうちの基体表面に接する第１層を除く構成層のうちの少なくとも１層を炭窒化チタンで構成し、かつこの炭窒化チタン層のうちの少なくとも１層を、Ｘ線回折における（４２２）面に最高ピーク強度を示す炭窒化チタンで構成したことを特徴とする硬質被覆層の耐摩耗性が向上した表面被覆サーメット製切削工具が記載されている。
特許文献２には、基材と基材上に形成された被膜とを含み、被膜は、少なくとも一層のＴｉＣＮ層を含み、ＴｉＣＮ層は、柱状晶領域を有し、柱状晶領域は、ＴｉＣxＮy（ただし０．６５≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．９０）という組成を有し、（４２２）面の面間隔が０．８７６５～０．８７８０Åであり、かつ配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（４２２）が最大となる、表面被覆切削工具が記載されている。
特許文献３には、基材と基材上に形成された被膜とを含み、被膜は、少なくとも一層のＴｉＣＮ層を含み、ＴｉＣＮ層は、柱状晶領域を有し、柱状晶領域は、ＴｉＣxＮy（ただし０．６５≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．９０）という組成を有し、（４２２）面の面間隔が０．８７６５～０．８７９０Åであり、かつ配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（２２０）が最大となる、表面被覆切削工具が記載されている。
特開平６－１５８３２５号公報 特許第５７６８３０８号公報 特許第５８８４１３８号公報
近年の切削加工では、高速化、高送り化及び深切り込み化がより顕著となり、また、被削材の高強度化により、従来よりも工具の耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが求められている。特に、近年、鋳鉄は薄肉化を達成するために強度が向上し、切削加工においては、鋳鉄の高速切削等、被覆切削工具に負荷が作用するような切削加工が増えている。かかる過酷な切削条件下において、特許文献１～３に記載のような従来の被覆切削工具では、摩耗の進行が早いため工具寿命を長くできない場合があったり、靭性が不十分なためチッピング及び欠損が生じる場合があったりする。
このような背景の下、特許文献１に記載の表面被覆サーメット製切削工具は、被覆層における炭素の含有量が低いことから、硬さが低く、耐摩耗性が不十分となる場合がある。また、特許文献２に記載の表面被覆切削工具は、被覆層におけるＴｉの炭窒化物層を形成する温度が低いことから密着性が不十分な場合があったり、耐摩耗性が不十分な場合があったりする。特許文献３に記載の表面被覆切削工具は、被覆層におけるＴｉの炭窒化物層の耐摩耗性には一定の効果が認められるものの、靭性が不十分である場合があり、この結果、耐チッピング性及び耐欠損性が不十分な場合がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって工具寿命を延長することができる被覆切削工具を提供することを目的とする。
本発明者は、上述の観点から、被覆切削工具の工具寿命の延長について研究を重ねたところ、被覆層が少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、Ｔｉの炭窒化物層における（３３１）面の組織係数を所定の範囲とすることを含む以下の構成にすると、Ｔｉの炭窒化物層における炭素の原子比が０．６５を超え０．９０以下の範囲であっても、耐摩耗性及び耐欠損性のバランスに優れ、その結果、工具寿命を延長することが可能になるという知見を得て、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は下記のとおりである。
［１］
基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
前記被覆層が、下部層と、該下部層の表面上に形成された上部層とを含み、
前記下部層が、Ｔｉの炭化物層、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭窒化物層、Ｔｉの炭酸化物層及びＴｉの炭窒酸化物層からなる群より選択される１種以上の層からなるＴｉ化合物層であり、
前記下部層の平均厚さが、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下であり、
前記上部層が、α型酸化アルミニウム層からなり、
前記上部層の平均厚さが、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下であり、
前記Ｔｉ化合物層が、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、
前記Ｔｉの炭窒化物層が下記式（ｉ）で表される組成からなり、
Ｔｉ（ＣxＮ1-x） （ｉ）
（式中、ｘは、前記Ｔｉの炭窒化物層において、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．６５＜ｘ≦０．９０を満足する。）
前記Ｔｉの炭窒化物層において、下記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）が、１．５以上４．０以下である、被覆切削工具。
Figure 0007141601000001
 （式（１）中、Ｉ（ｈｋｌ）は、前記Ｔｉの炭窒化物層のＸ線回折における（ｈｋｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ0（ｈｋｌ）は、Ｔｉの炭化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１３８３における（ｈｋｌ）面の標準回折強度と、Ｔｉの窒化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１４２０における（ｈｋｌ）面の標準回折強度との平均値を示し、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）及び（５１１）の８つの結晶面を指す。）
［２］
前記Ｔｉの炭窒化物層において、前記組織係数ＴＣ（３３１）が、２．０以上４．０以下である、［１］に記載の被覆切削工具。
［３］
前記Ｔｉの炭窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、０．３μｍ以上２．０μｍ以下である、［１］又は［２］に記載の被覆切削工具。
［４］
前記被覆層が、前記上部層の表面に形成された外層を含み、
前記外層が、Ｔｉの窒化物層及び／又はＴｉの炭窒化物層からなり、
前記外層の平均厚さが、０．１μｍ以上５．０μｍ以下である、［１］～［３］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［５］
前記被覆層全体の平均厚さが、７．５μｍ以上２５．０μｍ以下である、［１］～［４］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［６］
前記基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、［１］～［５］のいずれかに記載の被覆切削工具。
本発明によると、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって工具寿命を延長することができる被覆切削工具を提供することができる。
本発明の被覆切削工具の一例を示す模式断面図である。
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。なお、図面中、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
本実施形態の被覆切削工具は、基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、被覆層が、下部層と、該下部層の表面上に形成された上部層とを含み、下部層が、Ｔｉの炭化物層、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭窒化物層、Ｔｉの炭酸化物層及びＴｉの炭窒酸化物層からなる群より選択される１種以上の層からなるＴｉ化合物層であり、下部層の平均厚さが、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下であり、上部層が、α型酸化アルミニウム層からなり、上部層の平均厚さが、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下であり、Ｔｉ化合物層が、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、Ｔｉの炭窒化物層が下記式（ｉ）で表される組成からなり、Ｔｉの炭窒化物層において、下記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）が、１．５以上４．０以下である。
Ｔｉ（ＣxＮ1-x） （ｉ）
（式中、ｘは、Ｔｉの炭窒化物層において、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．６５＜ｘ≦０．９０を満足する。）
Figure 0007141601000002
 （式（１）中、Ｉ（ｈｋｌ）は、前記Ｔｉの炭窒化物層のＸ線回折における（ｈｋｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ0（ｈｋｌ）は、Ｔｉの炭化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１３８３における（ｈｋｌ）面の標準回折強度と、Ｔｉの窒化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１４２０における（ｈｋｌ）面の標準回折強度との平均値を示し、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）及び（５１１）の８つの結晶面を指す。ここで、Ｉ0（１１１）の平均値は、７６であり、Ｉ0（２００）の平均値は、１００であり、Ｉ0（２２０）の平均値は、５２．５であり、Ｉ0（３１１）の平均値は、２４．５であり、Ｉ0（３３１）の平均値は、９．５であり、Ｉ0（４２０）の平均値は、１９．５であり、Ｉ0（４２２）の平均値は、１８．５であり、Ｉ0（５１１）の平均値は、１１．５である。）
本実施形態の被覆切削工具は、上記の構成を備えることにより、高強度の被削材を加工する切削条件、負荷が作用するような切削加工条件下でも耐摩耗性及び耐欠損性のバランスに優れるので、工具寿命を延長することができる。本実施形態の被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する要因は、以下のように考えられる。ただし、要因は以下のものに限定されない。まず、本実施形態の被覆切削工具は、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層がＴｉ（ＣxＮ1-x）で表される組成からなり、該組成Ｔｉ（ＣxＮ1-x）において、ｘが０．６５を超えると、硬さが向上することにより、耐摩耗性が向上し、ｘが０．９０以下であると、硬さが高くなることによる靭性の低下を抑制し、耐欠損性が向上する。また、本実施形態の被覆切削工具は、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層において、上記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）が、１．５以上であると、組成Ｔｉ（ＣxＮ1-x）中のｘを特定の大きい範囲としても、Ｔｉの炭窒化物層を構成する粒子の粒径を大きくすることができ、この結果、靭性が向上する。これにより、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。一方、本実施形態の被覆切削工具は、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層において、上記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）が、４．０以下であると、容易に製造することができる。また、本実施形態の被覆切削工具は、上部層が、α型酸化アルミニウム層からなることにより、下部層のＴｉ化合物層の酸化による反応摩耗を抑制することができ、この結果、耐摩耗性が向上する。これらの効果が相俟って、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性のバランスに優れ、工具寿命を延長することができる。
図１は、本実施形態の被覆切削工具の一例を示す断面模式図である。被覆切削工具６は、基材１と、基材１の表面に被覆層５が形成されている。被覆層５では、基材１側から、下部層２、上部層３、及び外層４がこの順序で上方向に積層されている。
本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材の表面上に形成された被覆層とを備える。被覆切削工具の種類として、具体的には、フライス加工用若しくは旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル及びエンドミルを挙げることができる。
本実施形態における基材は、被覆切削工具の基材として用いられ得るものであれば、特に限定されない。そのような基材として、例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体及び高速度鋼を挙げることができる。それらの中でも、基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかであると、耐摩耗性及び耐欠損性に更に優れるので好ましく、同様の観点から、基材が超硬合金であるとより好ましい。
なお、基材は、その表面が改質されたものであってもよい。例えば、基材が超硬合金からなるものである場合、その表面に脱β層が形成されてもよい。また、基材がサーメットからなるものである場合、その表面に硬化層が形成されてもよい。これらのように基材の表面が改質されていても、本発明の作用効果は奏される。
本実施形態における被覆層全体の平均厚さは、７．５μｍ以上２５．０μｍ以下であると好ましい。平均厚さが７．５μｍ以上であると、耐摩耗性が向上し、２５．０μｍ以下であると、被覆層の基材との密着性及び耐欠損性が向上する。同様の観点から、被覆層の平均厚さは、８．０μｍ以上２４．０μｍ以下であるとより好ましく、１０．０μｍ以上２３．０μｍ以下であることが更に好ましい。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層及び被覆層全体の平均厚さは、各層又は被覆層全体における３箇所以上の断面から、各層の厚さ又は被覆層全体の厚さを測定して、その相加平均値を計算することで求めることができる。
［下部層］
本実施形態の下部層は、Ｔｉの炭化物層（以下、「ＴｉＣ層」とも表記する。）、Ｔｉの窒化物層（以下、「ＴｉＮ層」とも表記する。）、Ｔｉの炭窒化物層（以下、「ＴｉＣＮ層」とも表記する。）、Ｔｉの炭酸化物層（以下、「ＴｉＣＯ層」とも表記する。）及びＴｉの炭窒酸化物層（以下、「ＴｉＣＮＯ層」とも表記する。）からなる群より選択される１種以上の層からなるＴｉ化合物層である。被覆切削工具が、基材とα型酸化アルミニウム（以下、「α型Ａｌ2Ｏ3」とも表記する。）を含有する上部層との間に、下部層を備えると、耐摩耗性及び密着性が向上する。
下部層は、１層で構成されていてもよく、複層（例えば、２層又は３層）で構成されてもよいが、複層で構成されていることが好ましく、２層又は３層で構成されていることがより好ましく、３層で構成されていることが更に好ましい。下部層が３層で構成されている場合には、基材の表面上に、ＴｉＣ層又はＴｉＮ層を第１層として有し、第１層の表面上に、ＴｉＣＮ層を第２層として有し、第２層の表面上に、ＴｉＣＮＯ層又はＴｉＣＯ層を第３層として有してもよい。それらの中では、下部層が基材の表面上にＴｉＮ層を第１層として有し、第１層の表面上に、ＴｉＣＮ層を第２層として有し、第２層の表面上に、ＴｉＣＮＯ層を第３層として有してもよい。
本実施形態の下部層の平均厚さは、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下である。平均厚さが３．０μｍ以上であることにより、耐摩耗性が向上する。一方、下部層の平均厚さが１５．０μｍ以下であることにより、被覆層の剥離が抑制されることに主に起因して耐欠損性が向上する。同様の観点から、下部層の平均厚さは、４．０μｍ以上１４．５μｍ以下であることがより好ましく、５．０μｍ以上１４．０μｍ以下であることが更に好ましい。
第１層（ＴｉＣ層又はＴｉＮ層）の平均厚さは、耐摩耗性及び耐欠損性を一層向上する観点から、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。同様の観点から、第１層（ＴｉＣ層又はＴｉＮ層）の平均厚さは、０．１０μｍ以上０．５０μｍ以下であることがより好ましく、０．１５μｍ以上０．３０μｍ以下であることが更に好ましい。
第２層（ＴｉＣＮ層）の平均厚さは、耐摩耗性及び耐欠損性を一層向上する観点から、２．０μｍ以上１４．５μｍ以下であることが好ましい。同様の観点から、第２層（ＴｉＣＮ層）の平均厚さは、３．０μｍ以上１４．０μｍ以下であることがより好ましく、４．５μｍ以上１３．５μｍ以下であることが更に好ましい。
第３層（ＴｉＣＮＯ層又はＴｉＣＯ層）の平均厚さは、耐摩耗性及び耐欠損性を一層向上する観点から、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。同様の観点から、第３層（ＴｉＣＮＯ層又はＴｉＣＯ層）の平均厚さは、０．２μｍ以上０．５μｍ以下であることがより好ましい。
下部層のＴｉ化合物層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、該Ｔｉの炭窒化物層が下記式（ｉ）で表される組成からなる。
Ｔｉ（ＣxＮ1-x） （ｉ）
（式中、ｘは、前記Ｔｉの炭窒化物層において、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．６５＜ｘ≦０．９０を満足する。）
組成Ｔｉ（ＣxＮ1-x）において、ｘが０．６５を超えると、硬さが向上することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、ｘが０．９０以下であると、硬さが高くなることによる靭性の低下を抑制し、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。同様の観点から、ｘは、０．６６以上０．８９以下が好ましく、０．６７以上０．８９以下がより好ましい。
下部層のＴｉの炭窒化物層において、上記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）は、１．５以上４．０以下である。
Figure 0007141601000003
 （式（１）中、Ｉ（ｈｋｌ）は、前記Ｔｉの炭窒化物層のＸ線回折における（ｈｋｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ0（ｈｋｌ）は、Ｔｉの炭化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１３８３における（ｈｋｌ）面の標準回折強度と、Ｔｉの窒化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１４２０における（ｈｋｌ）面の標準回折強度との平均値を示し、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）及び（５１１）の８つの結晶面を指す。）
本実施形態の被覆切削工具は、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層において、上記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）が、１．５以上であると、組成Ｔｉ（ＣxＮ1-x）中のｘを特定の大きい範囲としても、Ｔｉの炭窒化物層を構成する粒子の粒径を大きくすることができ、この結果、靭性が向上する。これにより、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。一方、本実施形態の被覆切削工具は、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層において、上記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）が、４．０以下であると、容易に製造することができる。同様の観点から、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層において、上記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）は、２．０以上４．０以下であることが好ましく、２．２以上３．８以下であることがより好ましい。
なお、従来は、炭素の原子比が０．７を超えたＴｉの炭窒化物層を製造するには、炭素源となるＣ2Ｈ4等の分圧を大きくする必要があるため、Ｔｉの炭窒化物層を構成する粒子が微粒化する傾向があり、その結果、被覆切削工具は、靭性が不十分となる場合がある。本実施形態の被覆切削工具では、上述のとおり（３３１）面に配向したＴｉの炭窒化物層を有するので、Ｔｉの炭窒化物層を構成する粒子が微粒化することを抑制でき、その結果、被覆切削工具は、靭性が向上し、耐欠損性に優れる。また、従来技術として（３３１）面に配向したＴｉの炭窒化物層は得られておらず、（３３１）面に配向したＴｉの炭窒化物層は、（２２０）面に対して耐欠損性が優位であり、（４２２）面に対して耐摩耗性が優位である。
本実施形態において、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層の組織係数ＴＣ（３３１）は、以下のとおり算出できる。得られた試料について、Ｃｕ－Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、２θ測定範囲：２０°～１５５°とする条件で行う。装置は、株式会社リガク製のＸ線回折装置（型式「ＳｍａｒｔＬａｂ」）を用いることができる。Ｘ線回折図形からＴｉの炭窒化物層の各結晶面のピーク強度を求める。得られた各結晶面のピーク強度から、Ｔｉの炭窒化物層における（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）を上記式（１）より算出する。
下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層の平均厚さは、２．５μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層の平均厚さが、２．５μｍ以上であると、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する傾向にある。さらに、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層における組織整数ＴＣ（３３１）が大きくなる傾向にあり、上述の効果がさらに高まる傾向にある。一方、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層の平均厚さが、１５．０μｍ以下であると、密着性が向上するため、被覆切削工具の耐欠損性に優れる傾向にある。同様の観点から、下部層に含まれるＴｉの炭窒化物層の平均厚さは、３．５μｍ以上１４．０μｍ以下であることがより好ましく、４．５μｍ以上１３．５μｍ以下であることが更に好ましい。
下部層のＴｉの炭窒化物層を構成する粒子の平均粒径は、０．３μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましい。下部層のＴｉの炭窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、０．３μｍ以上であると、靭性が向上するため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する傾向にあり、一方、下部層のＴｉの炭窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、２．０μｍ以下であると、上部層との密着性が向上することにより、剥離を抑制できるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する傾向にある。同様の観点から、下部層のＴｉの炭窒化物層を構成する粒子の平均粒径は、０．４μｍ以上１．９μｍ以下であることがより好ましく、０．４μｍ以上１．８μｍ以下であることが更に好ましい。
なお、本実施形態において、下部層のＴｉの炭窒化物層を構成する粒子の平均粒径については、下部層のＴｉの炭窒化物層の断面組織を市販の電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）、又は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属した電子後方散乱回折像装置（ＥＢＳＤ）を用いて観察することにより求めることができる。具体的には、被覆切削工具におけるＴｉの炭窒化物層の断面を鏡面研磨し、得られた鏡面研磨面を断面組織とする。Ｔｉの炭窒化物層を鏡面研磨する方法としては、特に限定されないが、例えば、ダイヤモンドペースト及び／又はコロイダルシリカを用いて研磨する方法及びイオンミリングを挙げることができる。被覆切削工具の断面組織を有する試料をＦＥ－ＳＥＭにセットし、試料の断面組織に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧及び０．５ｎＡ照射電流で電子線を照射する。ＥＢＳＤにより被覆切削工具のＴｉの炭窒化物層における断面組織を、測定範囲が（Ｔｉの炭窒化物層の平均厚さ－０．５μｍ）×５０μｍの範囲、０．１μｍのステップサイズで測定することが好ましい。このとき、方位差が５°以上の境界を粒界とみなし、この粒界によって囲まれる領域を粒子とする。ここで、平均粒径を求める際の粒径は、被覆層の膜厚方向に直交する方向における粒径を意味する。この際、Ｔｉの炭窒化物層の平均厚さの５０％の位置において各粒子の粒径を求めることが好ましい。具体的には、まず、Ｔｉの炭窒化物層の平均厚さの５０％の位置に膜厚方向に直交する方向に直線を引く。次に、直線の範囲に含まれる粒子の数を求める。直線の長さを求めた粒子の数で除した値を平均粒径とすることができる。この際、Ｔｉの炭窒化物層の断面組織から粒径を求めるときに、画像解析ソフトを用いてもよい。上記のようにして特定した各粒子の平均粒径を求めることができる。
下部層のＴｉ化合物層は、上記の１種以上の層からなる層であるが、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、上記元素以外の成分を微量含んでもよい。
［上部層］
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、下部層と、該下部層の表面上に形成された上部層とを含む。本実施形態に用いる上部層は、α型酸化アルミニウム層からなる。α型酸化アルミニウム層は、α型酸化アルミニウムからなる。本実施形態の被覆切削工具は、α型酸化アルミニウム層からなる上部層を含むことにより、下部層のＴｉ化合物層の酸化による反応摩耗を抑制することができる。この結果、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性が向上する。
本実施形態に用いる上部層の平均厚さは、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下である。上部層の平均厚さが、３．０μｍ以上であると、被覆切削工具のすくい面における耐クレーター摩耗性が一層向上する傾向にあり、１５．０μｍ以下であると被覆層の剥離がより抑制され、被覆切削工具の耐欠損性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、上部層の平均厚さは、３．０μｍ以上１４．０μｍ以下であることがより好ましく、３．０μｍ以上１３．０μｍ以下であることが好ましく、３．０μｍ以上１２．０μｍ以下であることが更に好ましい。
上部層は、α型酸化アルミニウム層からなる層であるが、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、α型酸化アルミニウム（α型Ａｌ2Ｏ3）以外の成分を微量含んでもよい。
［外層］
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、上部層の表面に形成された外層を含むことが好ましい。外層は、Ｔｉの窒化物層及び／又はＴｉの炭窒化物層からなる。
また、外層の平均厚さは、０．１μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましい。外層の平均厚さが０．１μｍ以上であることにより、α型酸化アルミニウム層の粒子の脱落を抑制する効果が向上し、外層の平均厚さが５．０μｍ以下であることにより、耐欠損性が向上する。同様の観点から、外層の平均厚さは、０．２μｍ以上３．５μｍ以下であることがより好ましく、０．３μｍ以上３．０μｍ以下であることが更に好ましい。
外層は、Ｔｉの窒化物及び／又はＴｉの炭窒化物からなる層であるが、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、Ｔｉの窒化物及び／又はＴｉの炭窒化物以外の成分を微量含んでもよい。
本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の形成方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。ただし、各層の形成方法はこれに限定されない。
まず、基材の表面上に特定のＴｉの化合物層である下部層を形成する。
下部層のうち、上記式（ｉ）で表される組成からなり、上記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）が上記特定の範囲のＴｉの炭窒化物層（以下、「ＴｉＣＮ層」とも表記する。）を形成する方法としては、例えば、以下の工程（１）と工程（２）とを順に行う方法が挙げられる。
〔工程１〕
原料組成をＴｉＣｌ4：３．５～８．０ｍｏｌ％、ＣＨ3ＣＮ：０．８～２．０ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を８００～８５０℃、圧力を７０～１２０ｈＰａとする化学蒸着法でＴｉＣＮ層の一部を形成する。工程１の時間は、３～１５分とする。
〔工程２〕
原料組成をＴｉＣｌ4：３．５～８．０ｍｏｌ％、ＣＨ3ＣＮ：０．３～１．０ｍｏｌ％、Ｃ2Ｈ4：１．０～３．０ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を９００～９５０℃、圧力を７０～１２０ｈＰａとする化学蒸着法でＴｉＣＮ層の全部を形成する。
上記ＴｉＣＮ層の形成において、工程１の時間を長くすると、組織係数ＴＣ（３３１）を大きくすることができる。また、工程１の温度を高くすると、組織係数ＴＣ（３３１）を大きくすることができる。また、工程２において、原料のＣ2Ｈ4の量を大きくすると、Ｃ元素の原子比を大きくすることができる。また、工程１において、原料のＴｉＣｌ4とＣＨ3ＣＮとの比（ＴｉＣｌ4／ＣＨ3ＣＮ）を小さくすると、ＴｉＣＮ層を構成する粒子の平均粒径を大きくすることができる。また、工程２の温度を高くすると、ＴｉＣＮ層を構成する粒子の平均粒径を大きくすることができる。また、ＴｉＣＮ層の平均厚さを大きくすると、ＴｉＣＮ層を構成する粒子の平均粒径が大きくなる傾向がある。
その他の下部層は、例えば、以下の方法により形成される。
例えば、Ｔｉの窒化物層（以下、「ＴｉＮ層」とも表記する。）からなるＴｉ化合物層は、原料組成をＴｉＣｌ4：５．０～１０．０ｍｏｌ％、Ｎ2：２０～６０ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を８５０～９５０℃、圧力を３００～４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
Ｔｉの炭化物層（以下、「ＴｉＣ層」とも表記する。）からなるＴｉ化合物層は、原料組成をＴｉＣｌ4：１．５～３．５ｍｏｌ％、ＣＨ4：３．５～５．５ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を７０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
Ｔｉの炭窒酸化物層（以下、「ＴｉＣＮＯ層」とも表記する。）からなるＴｉ化合物層は、原料組成をＴｉＣｌ4：３．０～４．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．５～１．０ｍｏｌ％、Ｎ2：３０～４０ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を５０～１５０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
Ｔｉの炭酸化物層（以下、「ＴｉＣＯ層」とも表記する。）からなるＴｉ化合物層は、原料組成をＴｉＣｌ4：１．０～２．０ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０～３．０ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を５０～１５０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
次に、下部層の表面上にα型酸化アルミニウム層からなる上部層を形成する。上部層は、例えば、以下の方法により形成される。
まず、基材の表面上に、１層以上のＴｉ化合物層からなる下部層を形成する。その後、基材から最も離れた層の表面を酸化する（以下、この工程を「酸化処理工程」とも表記する。）。その後、酸化処理を施した層の表面上にα型酸化アルミニウム層を形成する（以下、この工程を「成膜工程」とも表記する。）。
酸化処理工程において、基材から最も離れた層の表面の酸化は、原料組成をＣＯ：０．１～０．５ｍｏｌ％、ＣＯ2：０．１～１．０ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を４５～６５ｈＰａとする条件により行われる。このときの酸化処理時間は、１～５分であることが好ましい。
そして、成膜工程において、α型酸化アルミニウム層は、原料組成をＡｌＣｌ3：２．０～４．０ｍｏｌ％、ＣＯ2：１．０～５．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：１．５～３．０ｍｏｌ％、Ｈ2Ｓ：０．０５～０．２ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を６０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成される。
α型酸化アルミニウム層からなる上部層の表面上にＴｉＮ層及び／又はＴｉＣＮ層からなる外層を形成する。外層は、例えば、以下の方法により形成される。
ＴｉＮ層は、原料組成をＴｉＣｌ4：５．０～１０．０ｍｏｌ％、Ｎ2：２０～６０ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を３００～４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
ＴｉＣＮ層は、原料組成をＴｉＣｌ4：４．０～８．０ｍｏｌ％、ＣＨ3ＣＮ：０．５～２．０ｍｏｌ％、Ｎ2：３．０～７．０ｍｏｌ％、Ｈ2：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を６０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
本実施形態の被覆切削工具の被覆層における各層の厚さは、被覆切削工具の断面組織を、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、又はＦＥ－ＳＥＭ等を用いて観察することにより測定することができる。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さは、刃先稜線部から被覆切削工具のすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、各層の厚さを３箇所以上測定し、その相加平均値として求めることができる。また、各層の組成は、本実施形態の被覆切削工具の断面組織から、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＳ）等を用いて測定することができる。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
基材として、インサート形状：ＣＮＭＧ１２０４０８（ＩＳＯ）を有し、９３．４ＷＣ－６．２Ｃｏ－０．４Ｃｒ3Ｃ2（以上質量％）の組成を有する超硬合金製の切削インサートを用意した。この基材の刃先稜線部にＳｉＣブラシにより丸ホーニングを施した後、基材の表面を洗浄した。
基材の表面を洗浄した後、被覆層を化学蒸着法により形成した。まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表５に組成を示す第１層（ＴｉＮ層又はＴｉＣ層）を、表５に示す平均厚さになるよう、基材の表面に形成した。次に、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表２に示す時間、第２層（ＴｉＣＮ層）の一部を第１層の表面に形成し、続けて、表３に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表５に組成を示す第２層（ＴｉＣＮ層）の残りの一部を、表５に示す平均厚さになるよう、第１層の表面に形成した。次に、表１に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表５に組成を示す第３層（ＴｉＣＮＯ層又はＴｉＣＯ層）を、表５に示す平均厚さになるよう、第２層の表面に形成した。これにより、３層から構成された下部層を形成した。次に、表４に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した。酸化処理時間は２分であった。次いで、表１に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した第３層の表面に、表５に組成を示す上部層（α型酸化アルミニウム層）を、表５に示す平均厚さになるよう形成した。最後に、表１に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表５に組成を示す外層（ＴｉＮ層又はＴｉＣＮ層）を、表５に示す平均厚さになるよう、上部層（α型酸化アルミニウム層）の表面に形成した。こうして、発明品１～１４及び比較品１～７の被覆切削工具を得た。
試料の各層の厚さを下記のようにして求めた。すなわち、ＦＥ－ＳＥＭを用いて、被覆切削工具の刃先稜線部からすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍における断面での３箇所の厚さを測定し、その相加平均値を平均厚さとして求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の刃先稜線部からすくい面の中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＥＤＳを用いて測定した。
Figure 0007141601000004
Figure 0007141601000005
Figure 0007141601000006
Figure 0007141601000007
Figure 0007141601000008
〔組織係数〕
得られた発明品１～１４及び比較品１～７ついて、Ｃｕ－Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、２θ測定範囲：２０°～１５５°とする条件で行った。装置は、株式会社リガク製のＸ線回折装置（型式「ＳｍａｒｔＬａｂ」）を用いた。Ｘ線回折図形から、得られた発明品１～１４及び比較品１～７における下部層のＴｉＣＮ層の各結晶面のピーク強度を求めた。得られた各結晶面のピーク強度から、下部層のＴｉＣＮ層における（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）、（２２０）面の組織係数ＴＣ（２２０）及び（４２２）面の組織係数ＴＣ（４２２）を順に下記式（１）～（３）より算出した。結果を表６に示す。
Figure 0007141601000009
 （式（１）～（３）中、Ｉ（ｈｋｌ）は、ＴｉＣＮ層のＸ線回折における（ｈｋｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ0（ｈｋｌ）は、Ｔｉの炭化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１３８３における（ｈｋｌ）面の標準回折強度と、Ｔｉの窒化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１４２０における（ｈｋｌ）面の標準回折強度との平均値を示し、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）、及び（５１１）の８つの結晶面を指す。）
〔平均粒径〕
得られた発明品１～１４及び比較品１～７ついて、下部層のＴｉＣＮ層を構成する粒子の平均粒径は、ＦＥ－ＳＥＭに付属したＥＢＳＤを用いて測定した。具体的には、ダイヤモンドペーストを用いて被覆切削工具を研磨した後、コロイダルシリカを用いて仕上げ研磨を行い、被覆切削工具の断面組織を得た。被覆切削工具の断面組織を有する試料をＦＥ－ＳＥＭにセットし、試料の断面組織に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧及び０．５ｎＡ照射電流で電子線を照射した。ＥＢＳＤにより被覆切削工具の下部層のＴｉＣＮ層における断面組織を、測定範囲が（ＴｉＣＮ層の平均厚さ－０．５μｍ）×５０μｍの範囲、０．１μｍのステップサイズで測定した。このとき、方位差が５°以上の境界を粒界とみなし、この粒界によって囲まれる領域を粒子とした。ここで、平均粒径を求める際の粒径は、被覆層の膜厚方向に直交する方向における粒径とした。この際、ＴｉＣＮ層の平均厚さの５０％の位置において各粒子の粒径を求めた。具体的には、まず、ＴｉＣＮ層の平均厚さの５０％の位置に膜厚方向に直交する方向に直線を引いた。次に、直線の範囲に含まれる粒子の数を求めた。直線の長さを粒子の数で除した値を平均粒径とした。この際、ＴｉＣＮ層の断面組織から、画像解析ソフトを用いて粒径を求めた。ＴｉＣＮ層について、特定した各粒子の平均粒径をそれぞれ求めた。結果を、表６に示す。
Figure 0007141601000010
得られた発明品１～１４及び比較品１～７を用いて、下記の条件にて切削試験を行った。
＜切削試験１：耐摩耗性試験＞
被削材：ＦＣＤ６００の円盤形状、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み深さ：２．０ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損、最大逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。
切削試験１（耐摩耗性試験）の工具寿命に至るまでの加工時間について、３０分以上を「Ａ」、２５分以上３０分未満を「Ｂ」、２５分未満を「Ｃ」として評価した。この評価では、「Ａ」が最も優れており、次に「Ｂ」が優れており、「Ｃ」が最も劣っていることを意味し、「Ａ」又は「Ｂ」であれば切削性能に優れることを意味する。得られた評価の結果を表７に示す。
Figure 0007141601000011
＜切削試験２：耐欠損性試験＞
被削材：ＦＣＤ６００の２本溝入り丸棒、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み深さ：２．０ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損、最大逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。
切削試験２（耐欠損性試験）の工具寿命に至るまでの加工時間について、１３分以上を「Ａ」、１０分以上１３分未満を「Ｂ」、１０分未満を「Ｃ」として評価した。この評価では、「Ａ」が最も優れており、次に「Ｂ」が優れており、「Ｃ」が最も劣っていることを意味し、「Ａ」又は「Ｂ」であれば切削性能に優れることを意味する。得られた評価の結果を表８に示す。
Figure 0007141601000012
表７及び８に示す結果より、発明品の耐摩耗性試験及び耐欠損性試験の評価は、いずれも「Ｂ」以上の評価であった。一方、比較品の評価は、耐摩耗性試験及び耐欠損性試験の両方若しくはいずれか一方が、「Ｃ」であった。よって、発明品の耐摩耗性及び耐欠損性は、比較品と比べて、総じて、より優れていることが分かる。以上の結果より、発明品は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れる結果、工具寿命が長いことが分かった。
本発明の被覆切削工具は、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、そのような観点から、産業上の利用可能性がある。
１…基材、２…下部層、３…上部層、４…外層、５…被覆層、６…被覆切削工具。

Claims (5)

  1. 基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
    前記被覆層が、下部層と、該下部層の表面上に形成された上部層とを含み、
    前記下部層が、Ｔｉの炭化物層、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭窒化物層、Ｔｉの炭酸化物層及びＴｉの炭窒酸化物層からなる群より選択される１種以上の層からなるＴｉ化合物層であり、
    前記下部層の平均厚さが、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下であり、
    前記上部層が、α型酸化アルミニウム層からなり、
    前記上部層の平均厚さが、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下であり、
    前記Ｔｉ化合物層が、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、
    前記Ｔｉの炭窒化物層が下記式（ｉ）で表される組成からなり、
    Ｔｉ（ＣxＮ1-x） （ｉ）
    （式中、ｘは、前記Ｔｉの炭窒化物層において、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．６５＜ｘ≦０．９０を満足する。）
    前記Ｔｉの炭窒化物層において、下記式（１）で表される（３３１）面の組織係数ＴＣ（３３１）が、２．０以上４．０以下である、被覆切削工具（ただし、前記Ｔｉの炭窒化物層において、下記式（２）で表される（２２０）面の組織係数ＴＣ（２２０）が最大になるものを除く）。
    Figure 0007141601000013
     （式（１）及び（２）中、Ｉ（ｈｋｌ）は、前記Ｔｉの炭窒化物層のＸ線回折における（ｈｋｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ0（ｈｋｌ）は、Ｔｉの炭化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１３８３における（ｈｋｌ）面の標準回折強度と、Ｔｉの窒化物のＪＣＰＤＳカード番号３２－１４２０における（ｈｋｌ）面の標準回折強度との平均値を示し、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）及び（５１１）の８つの結晶面を指す。）
  2. 前記Ｔｉの炭窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、０．３μｍ以上２．０μｍ以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
  3. 前記被覆層が、前記上部層の表面に形成された外層を含み、
    前記外層が、Ｔｉの窒化物層及び／又はＴｉの炭窒化物層からなり、
    前記外層の平均厚さが、０．１μｍ以上５．０μｍ以下である、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
  4. 前記被覆層全体の平均厚さが、７．５μｍ以上２５．０μｍ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
  5. 前記基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１～４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
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