JP2004114268A

JP2004114268A - 被覆切削工具

Info

Publication number: JP2004114268A
Application number: JP2002284413A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Okada; 岡田　吉生; Minoru Ito; 伊藤　実; Hideki Moriguchi; 森口　秀樹
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: EP1413648B1; CN1500582A; DE60300927D1; EP1413648A1; JP4022865B2; US20040106016A1; DE60300927T2; CN100560257C

Abstract

【課題】高速・高能率加工において刃先が高温状態にさらされる使用環境下であっても、優れた耐摩耗性を有して使用寿命が長い被覆切削工具を提供する。
【解決手段】硬質合金基材表面に被覆層を具える被覆切削工具において、前記被覆層が以下の条件を満たす周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭窒酸化物からなる第一化合物層を具える。
（１）　炭素、窒素、酸素の原子比をそれぞれｘ、ｙ、ｚとするとき、
ｘ＞ｙ＞ｚかつｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．７４＞ｘ＞０．３５、０．４５＞ｙ＞０．２０、０．３０＞ｚ＞０．０６
（２）　平均膜厚が０．５μｍ以上２０μｍ以下で被覆層全体の平均膜厚の１／２以上を占める
（３）　柱状組織結晶を有する
（４）　Ｘ線回折の強度のうち、（２２０）面、（３１１）面、及び（４２２）面のいずれかに最強ピーク強度が存在する
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材表面に被覆層を具える被覆切削工具に関するものである。特に、高速・高能率加工の際、刃先が高温となるような切削環境下において優れた耐摩耗性能と寿命の延命化の向上とが可能な被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられる切削工具として、超硬合金やサーメットからなる基材の表面に化学蒸着法や物理蒸着法にて平均膜厚３〜２０μｍの被覆層を形成した被覆超硬合金工具や被覆サーメット合金工具が知られている。具体的には、基材として、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金や炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットが知られている。被覆層として、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）、Ｔｉの窒化物（以下、ＴｉＮで示す）、Ｔｉの炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）、Ｔｉの炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）及びＴｉの炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）から選択される少なくとも１種のＴｉ化合物層からなる下層と、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）からなる上層とを具えるものが知られている。
【０００３】
上記ＴｉＣＮ層では、この層自身の耐摩耗性向上を目的として反応ガスに有機炭窒化物を使用し、通常の化学蒸着装置にて中温化学蒸着して柱状結晶組織とすることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、上記ＴｉＣＮＯ層では、断続切削加工性の向上を目的として、Ｘ線回折の（１１１）面に最強ピークを示すように、かつＴｉＣ_ｕＮ_ｖＯ_ｗの原子比がｕ≧ｖ＞ｗ＞０、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０．０５≧ｗ＞０となるようにＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ_２、Ｈ_２ガスを用いて、形成することが提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
別のＴｉＣＮＯ層として、Ｘ線回折の（４２２）面又は（３１１）面に最強ピークを示し、層中の酸素含有量が０．０５〜３質量％のものが提案されている（特許文献３参照）。
【０００６】
また、別のＴｉＣＮＯ層として、ＴｉＣ_ｘＯ_ｙＮ_ｚの原子比が０．７≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１．３、０．４＜ｙ＜０．６のものが提案されている（特許文献４参照）。
【０００７】
更に、別のＴｉＣＮＯ層として、層中の酸素が最表面下地層ＴｉＯ_ｖ（ｖはＴｉに対する原子比で１．２〜１．７）からの拡散酸素であるＴｉＣ_ｘＮ_ｙ（Ｏ_ｚ）（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ：０．２５〜０．６５、ｙ：０．２５〜０．６５、ｚ：０．０１〜０．４）が提案されている（特許文献５参照）
【０００８】
【特許文献１】
特許第２９７４２８４号公報
【特許文献２】
特開平８−２５７８０８号公報
【特許文献３】
特開２０００−１５８２０９号公報
【特許文献４】
特開平８−４７９９９号公報
【特許文献５】
特開２００１−７１２０３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、切削加工装置の高性能化及び高出力化に加え、切削加工の省力化及び省エネ化の面から、切削加工は、高速化の傾向にある。また、環境問題の観点から切削油を使用しない乾式加工の傾向が高まりつつあり、加工の際、切削工具の刃先は、１０００℃程度の高温状態にさらされる状況にある。上記従来の被覆切削工具では、特に、ＴｉＣＮＯ層を被覆することで、断続切削加工に伴う機械的強度の向上や、密着力の向上、潤滑性の向上などを図っている。しかし、上記のような加工方法の変化により、従来の被覆切削工具では、工具摩耗の進行を抑制することが困難であり、比較的短時間で使用寿命に至るという問題がある。
【００１０】
具体的には、特許文献２記載の技術では、ＴｉＣＮＯ層の酸素含有量が０．０５≧ｗ＞Ｏと極めて少なく、高速・高能率加工において刃先が高温状態にさらされる使用環境下で優れた切削性能（耐摩耗性や耐欠損性）を発揮することができない。
【００１１】
特許文献３記載の技術では、ＴｉＣＮＯ層において炭窒酸化物に対する酸素の含有比率（原子比）を質量から求めると０．００１〜０．０６となり、上記特許文献２で規定する酸素含有量とほぼ同一範囲であり、酸素含有量が少ない構造である。また、炭素及び窒素の含有量（原子比）も明確にしていない。そのため、上記特許文献２と同様にこのＴｉＣＮＯ層は、高速・高能率加工において比較的短時間で使用寿命に至っている。
【００１２】
特許文献４記載の技術では、ＴｉＣＮＯ層をこの層の下層（第１層）と、この層の上層（第３層）の接着層として作用させると共に、基材から被覆層に基材中のＣｏが拡散するのを防止する層として作用させるため、第３層よりも薄くしている。このように薄く、また酸素含有量も多いＴｉＣＮＯ層では、特に、耐摩耗性の向上が期待できないのが現状である。
【００１３】
特許文献５記載の技術では、ＴｉＣＮＯ層の膜厚を０．０５〜２μｍと比較的薄くし、かつ拡散酸素により形成して潤滑機能性を持たせているため、耐摩耗性の向上が困難である。
【００１４】
そこで、本発明の主目的は、高速・高能率加工において刃先が高温状態にさらされる使用環境下であっても、優れた耐摩耗性を有して使用寿命が長い被覆切削工具を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＴｉＣＮＯ層において、炭素、窒素、酸素の原子比、膜厚、被覆層全体に対する占有割合に加えて、結晶構造、Ｘ線回折の最強ピークを規定することで上記目的を達成する。
【００１６】
即ち、本発明は、硬質合金基材表面に被覆層を具える被覆切削工具において、前記被覆層が以下の条件を満たす周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭窒酸化物からなる第一化合物層を具えることを特徴とする。
（１）　炭素、窒素、酸素の原子比をそれぞれｘ、ｙ、ｚとするとき、
ｘ＞ｙ＞ｚかつｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．７４＞ｘ＞０．３５、０．４５＞ｙ＞０．２０、０．３０＞ｚ＞０．０６
（２）　平均膜厚が０．５μｍ以上２０μｍ以下で被覆層全体の平均膜厚の１／２以上を占める
（３）　柱状構造の膜組織を有する
（４）　第一化合物の結晶において、（２２０）面、（３１１）面、（４２２）面の各配向性指数ＴＣ（２２０）、ＴＣ（３１１）、ＴＣ（４２２）のいずれかが配向性指数の最大値をとる
【００１７】
本発明者らは、連続切削や断続切削において、高速・高能率で環境対策を考慮した切削加工を行っても優れた切削性能と長期に亘る寿命の向上を発揮する被覆切削工具を開発すべく、特に、被覆層の耐摩耗性に着目し、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。即ち、従来知られているＴｉＣＮＯはもとより、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭窒酸化物層の炭素（ｘ）、窒素（ｙ）、酸素（ｚ）の原子比を特定の範囲に規定すると共に、上記（２）〜（４）の条件を規定することで、従来のＴｉＣＮＯ層と比較して、加工の際、刃先がより高温状態となる切削条件下であっても耐摩耗性の向上が図れ、工具寿命の更なる延命化が可能であるとの知見を得た。本発明は、この知見に基づき、規定するものである。以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１８】
本発明において第一化合物層の炭素（ｘ）、窒素（ｙ）、酸素（ｚ）の原子比をｘ＞ｙ＞ｚかつｘ＋ｙ＋ｚ＝１と規定するのは、この範囲外では、被覆層の原子構造に歪が生じ易く、目的とする高速・高能率加工での耐摩耗性の向上が発揮しにくいからである。
【００１９】
また、０．７４＞ｘ＞０．３５、０．４５＞ｙ＞０．２０、０．３０＞ｚ＞０．０６と規定するのは、以下の理由による。即ち、炭素原子比を０．７４以上、窒素原子比を０．２０以下にすると被覆層の硬度が高くなるが、高硬度化により靭性が低下して欠損が生じ易く、短寿命になる。炭素原子比を０．３５以下、窒素原子比を０．４５以上にすると摩耗の進行が著しく早く、短寿命になる。酸素素原子比を０．３０以上にすると、原子構造の歪が極端に大きくなって被覆層が脆くなり易く、０．０６以下にすると目的とする刃先が高温状態となる切削加工下での摩耗の進行を抑制できない。特に、０．６２＞ｘ＞０．４０、０．４０＞ｙ＞０．２５、０．２０＞ｚ＞０．１３とすることで、更に耐摩耗性の向上を図ることができる。
【００２０】
上記のように第一化合物層の炭素（ｘ）、窒素（ｙ）、酸素（ｚ）の原子比を所定の範囲とし、かつ原子構造の歪が生じないようにするためには、以下の条件で製造するとよい。まず、原料ガスとして、液体の有機炭窒化物（例えば、ＣＨ_３ＣＮ）を気化したものと、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の塩化物（例えば、ＶＣｌ_４、ＺｒＣｌ_４、ＴｉＣｌ_４）と、水素と、窒素とを用いる。その他、Ａｒ、ＣＯ、ＣＯ_２などを適宜用いてもよい。そして、上記液体原料の有機炭窒化物に対するＨ_２Ｏの容量比を０．０１以上５．００以下に制御してＨ_２Ｏを含有させる。このＨ_２Ｏは、有機炭窒化物に含ませて有機炭窒化物を供給源としてもよいし、上記他のガス種に含ませてそのガス種を供給源としてもよい。他のガス種に含ませた場合でも、Ｈ_２Ｏは、有機炭窒化物に対する容量比を０．０１以上５．００以下に制御する。上記Ｈ_２Ｏの制御に加えて、反応雰囲気温度を７００℃以上１０００℃以下、反応雰囲気圧力を５ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下に制御する。このようにＨ_２Ｏの容量比、反応雰囲気温度及び圧力を上記規定の範囲に制御することで、第一化合物層の炭素、窒素、酸素の原子比を上記の所定の範囲に制御する。なお、成膜装置は、従来と同様の化学蒸着装置やガス種を使用した物理蒸着装置を用いるとよい。
【００２１】
原子比の測定は、公知のＸ線光電子分光法、２次イオン質量分析法、オージェ電子分光法などにより測定するとよい。なお、本発明では、測定の際、０．５原子％以下の非金属元素（例えば、塩素など）は不純物として取り扱う。
【００２２】
本発明は、上記の方法に基づき被覆層（第一化合物層）に酸素の供給を図ることで、一層過酷な切削条件や切削環境下であっても、従来の被覆切削工具よりも耐摩耗性の向上を図ることができるとの知見により、まず、被覆層の原子比を規定する。更に、本発明者らが検討した結果、当該炭窒酸化物層（第一化合物層）は、平均膜厚が０．５μｍ以上２０μｍ以下で被覆層全体の平均膜厚の１／２以上を占め（占有割合０．５以上）、かつ柱状構造の膜組織を有することで耐摩耗性をより向上することができるとの知見により、膜厚、占有割合、結晶構造を上記のように規定する。
【００２３】
本発明において平均膜厚とは、第一化合物層を複数層具える場合（原子比が異なるものでも、同一のものでもよい）、合計膜厚とする。第一化合物層の平均膜厚が０．５μｍ未満では、高温切削条件下での耐摩耗性の向上ができず、２０μｍ以上では、厚くなることで耐摩耗性の向上はできるが耐欠損性の向上ができなくなり、工具寿命を低下させる。また、被覆層全体の平均膜厚の１／２未満（第一化合物層の占有割合０．５未満）、かつ粒状構造の膜組織では、目的とする耐摩耗性の向上が図られない。
【００２４】
第一化合物層の結晶構造を柱状構造の膜組織とするためには、柱状構造が得られ易いＣＨ_３ＣＮなどの有機炭窒化物を原料ガスに用いるとよい。そして、上記の反応雰囲気温度（７００℃以上１０００℃以下）及び圧力（５ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下）に制御することで、柱状構造の膜組織を得ることができる。また、有機炭窒化物以外のガス種を使用する場合などは、膜の成膜速度を上げる、膜の成膜温度を高くする、原料ガスの濃度を濃くするなどの方法が挙げられる。
【００２５】
加えて、本発明者らが検討した結果、当該炭窒酸化物層（第一化合物層）が特定の結晶配向を有することで、刃先が高温となるような厳しい切削環境下において、耐摩耗性を向上できるだけでなく、膜の強度の向上も可能であるとの知見により、結晶配向を規定する。具体的には、第一化合物の結晶において、（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（３３１）面、（４２０）面、（４２２）面、（５１１）面のうち、（２２０）面、（３１１）面、（４２２）面方向の結晶成長配向のいずれかに配向性指数（配向性強度係数）ＴＣが最大値を有することを規定する。配向性指数ＴＣは、以下のように定義される。
【００２６】
【数１】

【００２７】
結晶成長配向において（２２０）面、（３１１）面及び（４２２）面の配向性指数のいずれかに最大値を存在させるには、第一化合物層の成膜条件（成膜温度、成膜圧力、ガス組成、ガスの流速、ガスの流量など）を適宜変更させる方法が挙げられる。また、第一化合物層の直下にある基材の表面状態、又は第一化合物層の直下にある被覆層の表面状態を適宜変化させる方法も挙げられる。具体的には、例えば、基材の表面を表面粗さＺｍａｘで０．０５μｍ以上１．５μｍ以下に制御させた状態でこの基材上に、成膜条件を適宜変更させて第一化合物層を成膜してもよい。或いは、ある被覆層の表面粗さや粒子の化学的状態、粒子径などを制御させた状態でこの被覆層の上に、成膜条件を適宜変更させて第一化合物層を成膜してもよい。
【００２８】
回折強度は、基材の断面において、基材の凹凸により反射などが生じないように基材がフラットな部分（平滑な部分）で測定することが好ましい。なお、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭窒酸化物において、Ｘ線の回折強度の同定は、ＪＣＰＤＳファイル（Ｐｏｗｄｅｒ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｆｉｌｅ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ＪＣＰＤＳ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｄａｔａ）に記載がない。そのため、当該炭窒酸化物（第一化合物層）の回折強度の同定は、当該金属である周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物の回折データ、同窒化物の回折データ、及び実測した周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭窒酸化物の回折データより、それぞれの面指数を推定し、その面指数の回折強度を測定することで得るとよい。
【００２９】
なお、第一化合物層において、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属は、１種類に限るものでなく、ある金属元素を主元素とし、その他の金属元素を副元素として添加したものでもよい。このとき、副元素は、主元素に対して、原子比が４０％以下になるように添加することが好ましい。例えば、（Ｔｉ_７０Ｗ_３０）ＣＮＯなどが挙げられる（数字は原子比）。
【００３０】
耐摩耗性の更なる向上を図る、引いては工具寿命の延命化を図るためには、第一化合物層の組織は、アスペクト比が３以上の柱状構造の膜組織を有していることが好ましい。アスペクト比が３未満であると、高温切削条件下での耐摩耗性が低下する傾向にある。また、第一化合物層は、平均粒径が０．０５μｍ以上１．５μｍ以下の結晶構造であることが好ましい。平均粒径が０．０５μｍ未満では、第一化合物層の結晶性が低く膜を構成する粒子同士の結合が弱くなることで膜が崩れながら摩耗し易く、１．５μｍ超では、第一化合物層の膜表面の凹凸が大きくなり、被削材との摩擦抵抗が高くなることで切削温度が異常に高温になり易く、優れた耐摩耗性が得られにくい。
【００３１】
上記規定のアスペクト比及び結晶粒径を得るには、基本的に平均粒径を小さくすると共に、柱状構造の膜組織を成長させるとよい。その方法として、第一化合物層の成膜条件（成膜温度、成膜圧力、ガス組成、ガスの流速、ガスの流量など）を適宜変更させる方法が挙げられる。また、第一化合物層の直下にある基材の表面状態、又は第一化合物層の直下にある被覆層の表面状態を適宜変化させる方法も挙げられる。具体的には、例えば、基材の表面を表面粗さＺｍａｘで０．０５μｍ以上１．５μｍ以下に制御させた状態でこの基材上に、成膜条件を適宜変更させて第一化合物層を成膜してもよい。或いは、ある被覆層の表面粗さや粒子の化学的状態、粒子径（特に０．０１μｍ以上１．０μｍ以下）などを制御させた状態でこの被覆層の上に、成膜条件を適宜変更させて第一化合物層を成膜してもよい。
【００３２】
上記アスペクト比の測定は、例えば、以下のように求めるとよい。即ち、被覆層の断面を鏡面加工して、柱状構造の膜組織を有する第一化合物層の粒界をエッチングする。そして、第一化合物層の膜厚の１／２にあたる箇所で、基材と水平方向にある各結晶の幅を粒径とし、各結晶の粒径を測定して平均値を求める（平均値は平均粒径となる）。膜厚を得られた平均粒径で割って、膜厚に対する平均粒径の割合を算出し、この算出値をアスペクト比とするとよい。
【００３３】
被覆層は、単層又は複数層の第一化合物層のみからなるものでもよいが、第一化合物層の他に、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼窒炭化物、硼窒酸化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物（ただし、第一化合物と重複する原子比のものは除く）、酸化アルミニウム及びこれらの固溶体から選択される第二化合物層を少なくとも１層具えてもよい。そして、第一化合物層と第二化合物層とからなる被覆層全体の平均膜厚は、１．０μｍ以上３０．０μｍ以下とすることが好ましい。この構成により、より一層耐摩耗性の向上が可能となる。被覆層全体の平均膜厚が１．０μｍ未満の場合、耐摩耗性の向上効果が得られにくい。３０．０μｍ超の場合、被覆層が厚くなることで耐摩耗性の向上は実現できるが、高硬度となるために欠損が生じ易く、実質的に短寿命となり易い。なお、第二化合物層における炭窒酸化物層とは、主に粒状構造の膜組織を有するものである。
【００３４】
更に、硬質合金基材表面の最内層として窒化チタン層、この窒化チタン層の外層として原子組成が異なる第一化合物層を２層以上、更にその外層として第二化合物層を少なくとも１層具えてもよい。窒化チタンは、基材との密着性が高いため、最内層に好ましい。このような被覆層を具えることで、一層過酷な切削条件や切削環境下においても耐摩耗性の向上を図ることができ、長期に亘り寿命の向上が発揮できる。この被覆層において第一化合物層は、窒化チタン層の直上に設けてもよいし、別の被覆層を介して設けてもよい。また、第二化合物層も同様に、第一化合物層の直上に設けてもよいし、別の被覆層を介して設けてもよい。
【００３５】
更に、第一化合物層の直上に硼窒化チタン層及び硼窒酸化チタン層から選択されるチタン化合物層を少なくとも１層設け、このチタン化合物層の直上に酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム及びこれらの固溶体から選択される酸化物層を少なくとも１層設け、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物（ただし、第一化合物と重複する原子比のものは除く）から選択される化合物層を最外層に設けた構成でもよい。
【００３６】
上記チタン化合物層は、第一化合物層と酸化物層との密着性を向上させるため、第一化合物層と接するようにその直上に設けることが好ましい。また、上記酸化物層は、膜の酸化を抑制し、かつ熱的安定性にも優れるなど膜の化学的安定性を向上させるため、チタン化合物層と接するようにその直上に設けることが好ましい。更に、上記化合物層は、使用済みコーナーの識別、装飾などに使用されると共に化学的安定性も兼ね備えるため、最外層に好ましく、例えば、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＨｆＮなどが挙げられる。特に、ＴｉＮ層は、鉄などの被削材との反応性が低く、耐溶着性に優れるだけでなく、金色の着色層としての機能を有しており、工具の使用済みの箇所（コーナー）の識別を容易にする。このような構成の被覆層とすることで、各層間の密着力を強化することができる。そのため、より過酷な切削条件や切削環境においても、耐摩耗性の向上に加えて、層間の耐剥離性を向上することができ、長期に亘る寿命が発揮できる。
【００３７】
上記第二化合物層、窒化チタン層、チタン化合物層、酸化物層、化合物層などは、公知の化学蒸着法、物理蒸着法により成膜するとよい。具体的には、熱フィラメントＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、反応マグネトロンスパッタ法、イオンプレーティング法などの公知の方法を適用するとよい。
【００３８】
本発明において硬質合金基材は、公知の硬質合金基材からなるものを適用することができ、例えば、炭化タングステン基超硬合金、サーメット合金、セラミック、ｃＢＮなどからなる切削用の合金基材が挙げられる。このような基材の表面に上記被覆層を成膜後、従来と同様に切れ刃稜線部に研磨処理やレーザー処理などの表面処理を施してももちろんよい。本発明工具は、このような表面処理によって被覆層の特性を著しく損なうことはない。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
硬質合金基材として、重量％でＷＣ８７％、ＴｉＣ１％、ＮｂＣ３％、ＺｒＣ１％、Ｃｏ８％の組成の原料粉末を配合し、ボールミルで７２時間湿式混合して乾燥した後、ＩＳＯ・ＳＮＭＧ１２０４０８の形状でブレーカ形状が施された圧粉体にプレス成型した。この圧粉体を焼結炉にて、真空雰囲気中で１４００℃、２時間保持して焼結を行い、超硬合金基体を得た。得られた超硬合金基体にホーニング処理を施して超硬合金基材を得た。この基材に化学蒸着装置を用いて表１に示されるコーティング条件にて周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭窒酸化物層（第一化合物層）を形成した。また、第一化合物層以外の被覆層のコーティング条件を表２に示す。更に、被覆層の構成、各層の平均膜厚、被覆層全体の平均膜厚（全膜厚）、被覆層全体の平均膜厚に対する第一化合物層の平均膜厚の占有割合、アスペクト比、結晶の平均粒径（粒径）、第一化合物層において配向性指数の最大値が存在する面（最大値面）を表３に示す。表１において、Ｈ_２Ｏ量とは、ＣＨ_３ＣＮに対する容量比を示す。表３においてａ〜ｌは、表１中の第一化合物層を示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
【表２】

【００４２】
【表３】

【００４３】
本例において試料Ｎｏ．１、２及び１１〜１３は、基材表面の表面粗さをＺｍａｘで０．０５μｍ〜１．５μｍと変化させ、試料Ｎｏ．３〜１０及び１４〜１８は第一化合物層の直下にある被覆層または基材の表面粗さをＺｍａｘで０．０１μｍ〜１．０μｍと変化させることで、配向性指数が最大値をとる面やアスペクト比を変化させた。また、表１に示す炭窒酸化物層（第一化合物層）は、いずれも柱状構造の膜組織を有していた。
【００４４】
表３に示す切削工具を用いて、下記の切削条件にて切削加工を行い、切削性能を評価した。切削性能は、工具寿命までの加工時間をそれぞれ測定して評価した。工具寿命は、工具基材に欠損が生じたとき、又は逃げ面摩耗量が０．３ｍｍ超となったときを寿命とした。試験の結果を表３に示す。
【００４５】
（切削条件）
被削材：ＳＣＭ４３５　丸棒（連続切削）
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：１．８ｍｍ
切削時間：工具寿命までの加工時間
切削油：使用せず
【００４６】
その結果、表３に示すように▲１▼ｘ＞ｙ＞ｚかつｘ＋ｙ＋ｚ＝１（０．７４＞ｘ＞０．３５、０．４５＞ｙ＞０．２０、０．３０＞ｚ＞０．０６）、▲２▼平均膜厚が０．５μｍ以上２０μｍで占有割合０．５以上、▲３▼柱状構造の膜組織、▲４▼配向性指数の最大値が（２２０）面、（３１１）面、（４２２）面のいずれかに存在する試料Ｎｏ．１〜１０は、従来の成膜条件で製造された試料Ｎｏ．１９〜２１と比較して、工具寿命が極めて長いことがわかる。また、上記の条件▲１▼〜▲４▼のいずれかを満たしていない試料Ｎｏ．１１〜１８と比較しても、工具寿命が長いことがわかる。このような結果が得られたのは、試料Ｎｏ．１〜１０が上記の条件▲１▼〜▲４▼を満たす第一化合物層を具えることで、特に、耐摩耗性が向上したためであると思われる。従って、本発明工具は、高速・高能率切削や、乾式切削といった刃先に高い発熱を伴う切削加工を実施しても、優れた耐摩耗性を示し、かつ欠けや切れ刃欠損が生じずに工具寿命が延命できる。
【００４７】
特に、０．６２＞ｘ＞０．４０、０．４０＞ｙ＞０．２５、０．２０＞ｚ＞０．１３を満たす試料Ｎｏ．２は、条件▲１▼を満たす試料Ｎｏ．１よりも耐摩耗性に優れていた。また、第一化合物層に加えて、第二化合物層を具える試料Ｎｏ．３〜１０は、より優れた耐摩耗性を有して、長寿命になった。特に、最内層に窒化チタン層、その外層に原子組成が異なる第一化合物層を２層、その外層に第二化合物層を具える試料Ｎｏ．１０や、最内層に窒化チタン層、その上に第一化合物層、第一化合物層の直上に硼窒化チタン層、硼窒化チタン層の直上に酸化アルミニウム層、最外層にＴｉＮ層を具える試料Ｎｏ．９は、より優れた耐摩耗性により長寿命が得られた。
【００４８】
（実施例２）
サーメット合金基材（試料Ｎｏ．２−１）、セラミック合金基材（試料Ｎｏ．２−２）、ｃＢＮ合金基材（試料Ｎｏ．２−３）の表面に、上記実施例１の試料Ｎｏ．９の被覆層を同様の条件で成膜した切削工具を用いて、下記の切削条件にて切削加工を行い、切削性能を評価した。切削性能は、実施例１と同様の評価とした。なお、比較として、実施例１の試料Ｎｏ．２０においても同様に切削加工を行い、切削性能を評価した。
【００４９】
試料Ｎｏ．２−１の基材は、以下のようにして得た。重量％でＴｉＣＮ２２％、ＴａＣ５％、ＮｂＣ４％、Ｃｏ７％、Ｎｉ１０％、残部ＴｉＣの組成の原料粉末を配合し、ボールミルで１０時間湿式混合して乾燥した後、ＩＳＯ・ＳＮＭＧ１２０４０８の形状でブレーカ形状が施された圧粉体にプレス成型した。この圧粉体を焼結炉にて、真空雰囲気中で１５００℃、１時間保持して焼結を行い、サーメット基体を得え、この基体にホーニング処理を施してサーメット基材を得た。
【００５０】
試料Ｎｏ．２−２の基材は、以下のようにして得た。重量％でＡｌ_２Ｏ_３：７４％、ＺｒＯ_２：２４％、ＭｇＯ：１％、ＣａＯ：１％の組成の原料粉末を配合し、高分子電解質を含む溶媒を使用し、回転ミル中で７２時間混合粉砕した。この混合スラリーに更にバインダーを添加して混合し乾燥させた後、ＩＳＯ・ＳＮＭＧ１２０４０８の形状の圧粉体にプレス成型した。この圧粉体を１６００℃の大気中で常圧にて２６０分間焼結した。その後、不活性ガス中で１５５０℃、１５０ＭＰａ、２時間のＨＩＰ処理を行い、セラミック基体を得て、この基体にホーニング処理を施してセラミック合金基材を得た。
【００５１】
試料Ｎｏ．２−３の基材は、以下のようにして得た。超硬合金製ポット及びボールを用いて、ＴｉＮ：４０重量％、Ａｌ：１０重量％からなる結合材粉末と平均粒径２．５μｍのｃＢＮ粉末：５０重量％とを混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で６０分焼結し、このｃＢＮ焼結体を加工して、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削用チップを得た。
【００５２】
（切削条件）
被削材：ＪＩＳ　ＳＣＭ４３５　二つ溝棒（断続切削）
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：２．５ｍｍ
切削時間：工具寿命までの加工時間
切削油：使用せず
【００５３】
その結果、試料Ｎｏ．２０は、工具寿命までの加工時間が０．５分であるのに対し、試料Ｎｏ．２−１〜２−３は、いずれも１０分以上であり、高速で高送りの断続切削というより過酷な使用条件下であっても優れた耐摩耗性を有して、工具寿命が長いことが確認された。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明被覆切削工具によれば、高速・高能率加工において刃先が高温状態にさらされる使用環境下であっても、優れた耐摩耗性を有するという特有の効果を奏する。そのため、本発明切削工具は、工具寿命をより延命化することができる。

Claims

硬質合金基材表面に被覆層を具える被覆切削工具において、
前記被覆層は、以下の条件を満たす周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭窒酸化物からなる第一化合物層を具えることを特徴とする被覆切削工具。
（１）　炭素、窒素、酸素の原子比をそれぞれｘ、ｙ、ｚとするとき、
ｘ＞ｙ＞ｚかつｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．７４＞ｘ＞０．３５、０．４５＞ｙ＞０．２０、０．３０＞ｚ＞０．０６
（２）　平均膜厚が０．５μｍ以上２０μｍ以下で被覆層全体の平均膜厚の１／２以上を占める
（３）　柱状構造の膜組織を有する
（４）　第一化合物の結晶において、（２２０）面、（３１１）面、（４２２）面の各配向性指数ＴＣ（２２０）、ＴＣ（３１１）、ＴＣ（４２２）のいずれかが配向性指数の最大値をとる
前記第一化合物層は、ｘ＞ｙ＞ｚかつｘ＋ｙ＋ｚ＝１（０．６２＞ｘ＞０．４０、０．４０＞ｙ＞０．２５、０．２０＞ｚ＞０．１３）を満たすことを特徴とする請求項１記載の被覆切削工具。
前記第一化合物層は、アスペクト比が３以上である柱状構造の膜組織を有し、この結晶の平均粒径が０．０５μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の被覆切削工具。
被覆層は、更に、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼窒炭化物、硼窒酸化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物（ただし、第一化合物と重複する原子比のものは除く）、酸化アルミニウム及びこれらの固溶体から選択される第二化合物層を少なくとも１層具え、
被覆層全体の平均膜厚が１．０μｍ以上３０．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の被覆切削工具。
硬質合金基材表面の最内層として窒化チタン層、
前記窒化チタン層の外層として原子組成が異なる第一化合物層を２層以上、
更にその外層として第二化合物層を少なくとも１層具えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の被覆切削工具。
第一化合物層の直上層として硼窒化チタン層及び硼窒酸化チタン層から選択されるチタン化合物層を少なくとも１層、
前記チタン化合物層の直上層として酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム及びこれらの固溶体から選択される酸化物層を少なくとも１層、
最外層として周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物（ただし、第一化合物と重複する原子比のものは除く）から選択される化合物層を具えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の被覆切削工具。