JP2007260786A

JP2007260786A - 難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ

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Publication number: JP2007260786A
Application number: JP2006085001A
Authority: JP
Inventors: Keiji Nakamura; 惠滋中村; Akira Osada; 晃長田; Hisashi Honma; 尚志本間
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP4844872B2

Abstract

【課題】難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削チップを提供する。
【解決手段】硬質被覆層の１層を、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて作成した傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０度の傾斜角区分内に最高ピークが存在し、かつ前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す改質（Ａｌ、Ｃｒ）_２Ｏ_３層で構成し、かつ、同改質（Ａｌ、Ｃｒ）_２Ｏ_３層の表面を研磨して、その表面粗さをＲａ：０．２μｍ以下とすると共に、前記研磨面に硬質被覆層残留応力低減模様を形成してなる。
【選択図】図４

Description

この発明は、特に難削材、すなわちステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの相対的に粘性が高く、かつ軟質の被削材の切削加工を、高い発熱を伴い、この結果前記被削材および切粉の粘着性が一段と増すようになる高速切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ（以下、被覆切削チップという）に関するものである。

従来、一般に、例えば図１３に概略斜視図に例示される通り、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）基サーメットで構成され、かつ中心部に工具取り付け用ボルト貫通孔（取り付けがクランプ駒による挟み締めで行われる形式の場合には、前記ボルト貫通孔が存在しない形状となる）を有するサーメット基体（以下、これらを総称してチップ基体という）の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
（１）下部層として、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（２）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚、および化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、さらに、
組成式：（Ａｌ_１−ＺＣｒ_Ｚ）_２Ｏ_３、（ただし、原子比で、Ｚ：０．０１〜０．１）、
を満足するＡｌとＣｒの複合酸化物層（以下、単に複合酸化物層という）、
以上（１）および（２）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆切削チップが知られており、この被覆切削チップが、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に、必要に応じて、上記硬質被覆層の上部層を構成する複合酸化物層の表面を切削性能を向上させる目的でウエットブラスト処理を施して、平滑化した状態で用いられることも知られている。

また、上記の被覆切削チップにおいて、これの硬質被覆層の構成層は、一般に粒状結晶組織を有し、さらに、下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の強度向上を目的として、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知られている。
特開昭５２−６６５０８号公報特開平６−８０１０号公報

近年の切削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は強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆切削チップにおいては、これを炭素鋼や低合金鋼などの一般鋼や、ねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄などの被削材を通常の条件で切削加工するのに用いた場合には問題はないが、特に被削材が相対的に粘性が高く、かつ軟質のステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の切削加工を、高い発熱を伴い、これによって前記被削材による粘着抵抗が一段と増大するようになる高速条件で行なった場合、硬質被覆層が十分な高温強度を具備するものでないために、前記硬質被覆層にチッピング（微少欠け）が発生し易くなり、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、上記被覆切削チップの硬質被覆層の耐チッピング性向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ−１）上記従来被覆切削チップの硬質被覆層を構成する上部層としての複合酸化物層（以下、従来複合酸化物層という）は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ_３：２．３〜４％、ＣｒＣｌ_３：０．０４〜０．２６％、ＣＯ_２：６〜８％、ＨＣｌ：１．５〜３％、Ｈ₂Ｓ：０．０５〜０．２％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件（以下、通常条件という）で蒸着形成されるが、前記従来複合酸化物層の形成に先立って、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ_３：２．３〜４％、ＣｒＣｌ_３：０．０４〜０．２６％、ＣＯ_２：６〜８％、ＨＣｌ：１．５〜３％、Ｈ₂Ｓ：０．０５〜０．２％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で、下部層であるＴｉ化合物層の表面に、
組成式：（Ａｌ_１−ＺＣｒ_Ｚ）_２Ｏ_３、（ただし、原子比で、Ｚ０．０１〜０．１）、
を満足するＡｌとＣｒの複合酸化物核（以下、単に複合酸化物核という）を形成し、この場合前記複合酸化物核は２０〜２００ｎｍ（０．０２〜０．２μｍ）の平均層厚を有する複合酸化物核薄膜であるのが望ましく、引き続いて、加熱雰囲気を圧力：３〜１３ｋＰａの水素雰囲気に変え、かつ加熱雰囲気温度を１１００〜１２００℃に昇温した条件で前記複合酸化物核薄膜に加熱処理を施した状態で、硬質被覆層の上部層として、上記の通常条件と同じ条件、すなわち、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ_３：２．３〜４％、ＣｒＣｌ_３：０．０４〜０．２６％、ＣＯ_２：６〜８％、ＨＣｌ：１．５〜３％、Ｈ₂Ｓ：０．０５〜０．２％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で、
同じく組成式：（Ａｌ_１−ＺＣｒ_Ｚ）_２Ｏ_３、（ただし、原子比で、Ｚ：０．０１〜０．１）、
を満足する複合酸化物層を形成すると、この結果の前記複合酸化物核薄膜上に蒸着形成された複合酸化物層（以下、改質複合酸化物層という）は、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、かつ上記従来複合酸化物層に比して一段と高温強度が向上し、硬質被覆層の耐チッピング性向上効果を発揮するようになること。

（ａ−２）改質複合酸化物層は、上記の従来複合酸化物層と同じコランダム型六方最密晶の結晶構造、すなわち格子点にＡｌ、Ｃｒ、および酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方最密晶の結晶構造を有する結晶粒で構成されること。

（ａ−３）上記の従来被覆切削チップの硬質被覆層の上部層を構成する従来複合酸化物層と上記（ａ）の改質複合酸化物層について、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に概略説明図で示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、前記従来複合酸化物層は、図３に例示される通り、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、前記改質複合酸化物層は、図２に例示される通り、０〜１０度の範囲内にシャープな最高ピークが現れる傾斜角度数分布グラフを示すこと。

（ａ−４）上記改質複合酸化物層の形成に際して、層中のＣｒ含有割合および加熱処理複合酸化物核薄膜の平均層厚を、上記の通りそれぞれ１〜１０原子％および２０〜２００ｎｍとすることによって、傾斜角度数分布グラフでの上記シャープな最高ピークが傾斜角区分の０〜１０度の範囲内に現れると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計（この度数合計と前記最高ピークの高さは比例関係にある）が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになり、したがって、層中のＣｒ含有割合および加熱処理複合酸化物核薄膜の平均層厚のいずれかでも上記の範囲から外れると、傾斜角度数分布グラフで０〜１０度の範囲内の傾斜角度数の割合が４５％未満になってしまい、所望の高温強度向上効果が得られなくなること。

（ｂ−１）上記の被覆切削チップにおける硬質被覆層の上部層を構成する改質複合酸化物層および従来複合酸化物層の蒸着表面の平滑性は十分満足するものでなく、また、前記蒸着表面に、ウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％の酸化アルミニウム微粒（以下、Ａｌ₂Ｏ₃微粒で示す）を配合した研磨液を噴射して、研磨すると、前記複合酸化物層は、いずれも準拠規格ＪＩＳ・Ｂ０６０１−１９９４に基いた測定（以下の表面粗さは全てかかる準拠規格に基いた測定値を示す）で、Ｒａ：０．３〜０．６μｍの表面粗さを示すようになるが、この結果の前記複合酸化物層の平滑化表面が、Ｒａ：０．３〜０．６μｍ程度の表面粗さでは、硬質被覆層の耐チッピング性向上に顕著な効果は現れないこと。

（ｂ−２）一方、図１１に概略斜視図で例示される通り、硬質被覆層の上部層を構成する複合酸化物層の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
（ｂ−２−１）まず、下側層として、反応ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ₄：０．２〜１０％、
ＣＯ₂：０．１〜１０％、
Ａｒ：５〜６０％、
Ｈ₂：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：４〜７０ｋＰａ（３０〜５２５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、オージェ分光分析装置で測定して、Ｔｉに対する酸素の割合が原子比で１．２５〜１．９０、即ち、
組成式：ＴｉＯ_W 、
で表わした場合、
Ｗ：原子比で１．２５〜１．９０、
を満足する酸化チタン層を形成し、
（ｂ−２−２）ついで、上記酸化チタン層（下側層）の上に、上側層として、通常の条件、即ち、反応ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ₄：０．２〜１０％、
Ｎ₂：４〜６０％、
Ｈ₂：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：４〜９０ｋＰａ（３０〜６７５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、０．０５〜２μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層を形成すると、
（ｂ−２−３）上記ＴｉＮ層（上側層）形成時に、上記下側層を構成する酸化チタン層の酸素が拡散してきて前記上側層（ＴｉＮ層）が、窒酸化チタン層で構成されるようになるが、この場合上記上側層（前記窒酸化チタン層）形成後の上記下側層である酸化チタン層は、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、酸素の割合がＴｉに対する原子比で１．２〜１．７、すなわち、
組成式：ＴｉＯ_X 、
で表わした場合、
Ｘ：原子比で１．２〜１．７、
を満足する酸化チタン層となり、
（ｂ−２−４）また、上記窒酸化チタン層で構成された上側層は、同じく厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、拡散酸素の割合が窒素（Ｎ）に対する原子比で０．０１〜０．４、即ち、
組成式：ＴｉＮ_1-Y（Ｏ）_Y、
で表わした場合（ただし、（Ｏ）は上記下側研磨材層からの拡散酸素を示す）、
Ｙ：原子比で０．０１〜０．４、
を満足する窒酸化チタン層となること。

（ｂ−３）上記窒酸化チタン層（上側層）および酸化チタン層（下側層）を蒸着形成した状態で、
上記（ｂ−１）におけると同じくウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％のＡｌ₂Ｏ₃微粒を配合した研磨液を噴射すると、前記窒酸化チタン層および酸化チタン層は、前記Ａｌ₂Ｏ₃微粒によって粉砕微粒化し、窒酸化チタン微粒および酸化チタン微粒となって前記Ａｌ₂Ｏ₃微粒の共存下で研磨材として作用し、図１２に概略斜視図で例示される通り、硬質被覆層の上部層を構成する複合酸化物層の表面を研磨することになり、この結果研磨後の前記複合酸化物層の表面は、Ｒａ：０．２μｍ以下の表面粗さにまで平滑化されるようになり、前記複合酸化物層の表面がＲａ：０．２μｍ以下の表面粗さに平滑化されると、硬質被覆層の耐チッピング性に顕著な向上効果が現れるようになること。

（ｃ−１）一方、上記の硬質被覆層は、化学蒸着装置で、約１０００℃前後の反応温度でチップ基体表面に蒸着され、常温に冷却されることにより形成されるが、常温への冷却過程で、前記チップ基体の熱膨張係数に比して前記硬質被覆層の熱膨張係数の方が相対的に大きいので、前記硬質被覆層には引張の応力が残留するようになり、この硬質被覆層中の残留引張応力は高速切削加工ではチッピング発生を促進するように作用すること。

（ｃ−２）これに対して、単一基本形状マーク、例えば円形や三角形および四角形、さらにこれらの類似形などの単一基本形状マークを、上記の被覆切削チップのすくい面および逃げ面のいずれか、またはこれら両面の全面に亘って、レーザービームを用いて、例えば図４〜１０に前記単一基本形状マークを円形とした場合の実施例が概略斜視図で示される通り、前記単一基本形状マークおよび前記単一基本形状マークの集合マークのいずれか、または両方が分散分布し（この場合、図４〜６に例示のものは硬質被覆層の層厚が相対的に薄く、図７，８および図９，１０に例示されるに従って層厚が厚くなる場合の分布態様を示す）、かつ前記単一基本形状マークを、上記硬質被覆層の構成層のうちのいずれかの層が露出した掘下げ面とした条件（この場合の前記単一基本形状マークの露出面の掘下げ深さは前記硬質被覆層の層厚に対応して個々に調整されるが、残留応力の効率的低減を図るには層厚の５〜２０％に相当する深さが目安とされる）でレーザービーム照射模様を形成すると、前記硬質被覆層の残留応力が著しく低減するようになり、この硬質被覆層残留応力低減模様の形成によって、特に難削材の高速切削加工に際しての硬質被覆層のチッピング発生が著しく抑制されるようになること。

（ｄ）上記の硬質被覆層の上部層を構成する改質複合酸化物層は、複合酸化物層自体が具備する高温硬さおよび耐熱性に加えて、上記従来複合酸化物層に比して一段と高い高温強度を有するものであり、かつ硬質被覆層の上部層である複合酸化物層の表面をＲａ：０．２μｍ以下の表面粗さに平滑化すると共に、硬質被覆層残留応力低減模様の形成によって、硬質被覆層の耐チッピング性が著しく向上するようになることから、かかる構成の硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削チップは、難削材の切削加工を、高熱発生によって粘着抵抗の一段と高いものとなる高速条件で行なっても、硬質被覆層にチッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた切削性能を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基サーメットで構成されたチップ基体の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
（１）下部層として、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（２）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ａｌ_１−ＺＣｒ_Ｚ）_２Ｏ_３、（ただし、原子比で、Ｚ：０．０１〜０．１）、
を満足する複合酸化物層、
以上（１）および（２）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆切削チップにおいて、
（ａ）上記上部層の複合酸化物層を、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す改質複合酸化物層、
で構成し、
（ｂ）上記硬質被覆層の上部層である改質複合酸化物層の全面に、
（ｂ−１）下側層として、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＯ_X 、
で表わした場合、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、
Ｘ：原子比で１．２〜１．７、
を満足する酸化チタン層、
（ｂ−２）上側層として、０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＮ_1-Y（Ｏ）_Y、
で表わした場合（ただし、（Ｏ）は上記Ｔｉ酸化物層からの拡散酸素を示す）、同じく厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、
Ｙ：原子比で０．０１〜０．４、
を満足する窒酸化チタン層、
以上（ｂ−１）および（ｂ−２）で構成された研磨材層を蒸着形成した状態で、
（ｂ−３）ウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％のＡｌ₂Ｏ₃微粒を配合した研磨液を噴射し、
上記の下側層の粉砕化酸化チタン微粒、上側層の粉砕化窒酸化チタン微粒、および噴射研磨材としてのＡｌ₂Ｏ₃微粒の共存下で、上記硬質被覆層の上部層を構成する改質複合酸化物層の少なくとも切刃稜線部を含むすくい面部分および逃げ面部分を研磨して、これら研磨面の表面粗さをＲａ：０．２μｍ以下とし、
（ｃ）さらに、上記研磨面のすくい面および逃げ面のいずれか、またはこれら両面の全面に亘って、単一基本形状マークおよび前記単一基本形状マークの集合マークのいずれか、または両方が分散分布してなると共に、前記単一基本形状マークを、上記硬質被覆層の構成層のうちのいずれかの層が露出した掘下げ面とした硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成してなる、
難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削チップに特徴を有するものである。

以下に、この発明の被覆切削チップの硬質被覆層および研磨材層、さらにウエットブラストで用いられる研磨液のＡｌ₂Ｏ₃微粒に関して、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）硬質被覆層
（ａ−１）下部層のＴｉ化合物層
Ｔｉ化合物層は、自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、チップ基体と上部層である改質複合酸化物層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層のチップ基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつが、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速切削加工では熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。

（ａ−２）上部層の改質複合酸化物層
上記の改質複合酸化物層において、これの構成成分であるＡｌは層の高温硬さおよび耐熱性を向上させ、同Ｃｒ成分には、上記の通り加熱処理複合酸化物核薄膜中のＣｒ成分との共存において、傾斜角度数分布グラフの０〜１０度の範囲内に存在する度数の分布割合を高め、これを４５％以上のきわめて高い分布割合にして、層の高温強度を向上させる作用を有するが、この場合Ｃｒの含有割合を示すＺ値が原子比で０．０１未満では前記作用に所望の向上効果を確保することができず、一方同Ｚ値が０．１を越えると傾斜角度数分布グラフの０〜１０度の範囲内に存在する度数の分布割合が４５％未満となってしまい、所望の高温強度の確保が困難になることから、前記Ｚ値を０．０１〜０．１と定めた。
また、上記の通り加熱処理複合酸化物核薄膜の平均層厚も改質複合酸化物層の傾斜角度数分布グラフの０〜１０度の範囲内に存在する度数の分布割合に影響を及ぼし、その平均層厚が２０ｎｍでは傾斜角度数分布グラフの０〜１０度の範囲内に存在する度数の分布割合を４５％以上にすることができず、この結果所望のすぐれた高温強度が得られず、一方その平均層厚が２００ｎｍを越えても０〜１０度の範囲内に存在する度数の分布割合は４５％未満となってしまうことから、その平均層厚を２０〜２００ｎｍとするのが望ましい。
さらに、上記改質複合酸化物層は、上記の通り複合酸化物層自体のもつすぐれた高温硬さと耐熱性に加えて、さらに一段とすぐれた高温強度を有するが、その平均層厚が１μｍ未満では前記改質複合酸化物層の有する前記の特性を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると、偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し易くなり、摩耗が加速するようになることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。

（ｂ）研磨材層
上側層を構成する窒酸化チタン層は、上記の通り、まず、酸素の割合をＴｉに対する原子比で１．２５〜１．９０（Ｗ値）とした酸化チタン層を形成し、ついで、前記酸化チタン層の上に通常の条件でＴｉＮ層を蒸着することにより形成されるものであり、したがって前記ＴｉＮ層形成時における前記酸化チタン層からの酸素の拡散が不可欠となるが、前記酸化チタン層のＷ値が１．２５未満であると、前記ＴｉＮ層への酸素の拡散反応が急激に低下し、上側層における拡散酸素の割合（Ｙ値）を原子比で０．０１以上にすることができず、一方同Ｗ値が１．複合酸化物層９０を越えると、前記上側層における拡散酸素の割合（Ｙ値）が原子比で０．４０を越えて多くなってしまうことから、Ｗ値を１．２５〜１．９０と定めたものであり、この場合上側層形成後の下側層（酸化チタン層）における酸素の割合（Ｘ値）は原子比で１．２〜１．７の範囲内の値をとるようになる、言い換えれば上側層形成後の下側層のＸ値が１．２〜１．７を満足する場合に、前記上側層のＹ値は０．０１〜０．４０を満足するものとなる。
また、この場合、下側層のＸ値および上側層のＹ値をそれぞれ１．２〜１．７および０．０１〜０．４０と定めたのは、前記Ｘ値およびＹ値が前記の値をとった場合に、これら研磨材層のウエットブラスト時における粉砕微粒化が好適な状態で行なわれ、すぐれた研磨機能を十分に発揮することが多くの試験結果から得られ、これらの試験結果に基いて定めたものである。したがって、前記Ｘ値およびＹ値がそれぞれ１．２〜１．７および０．０１〜０．４０の範囲から外れると、前記研磨材層のウエットブラスト時における粉砕微粒化が満足に行なわれず、すぐれた研磨機能を期待することができない。
さらに、上側層および下側層の平均層厚を、それぞれ０．０５〜２μｍおよび０．１〜３μｍとしたのは、その平均層厚が０．０５μｍ未満および０．１μｍ未満では、ウエットブラスト時における下側層の粉砕化酸化チタン微粒、上側層の粉砕化窒酸化チタン微粒の割合が少な過ぎて、研磨機能を十分に発揮することができず、一方、その平均層厚がそれぞれ２μｍおよび３μｍを越えても、研磨機能が急激に低下するようになり、いずれの場合も複合酸化物層の表面をＲａ：０．２μｍ以下の表面粗さに研磨することができなくなるという理由にもとづくものである。

（ｃ）研磨液のＡｌ₂Ｏ₃微粒の割合
研磨液のＡｌ₂Ｏ₃微粒には、ウエットブラスト時に研磨材層を構成する下側層の粉砕化酸化チタン微粒および上側層の粉砕化窒酸化チタン微粒と共存した状態で、改質複合酸化物層の表面を研磨する作用があるが、その割合が水との合量に占める割合で１５質量％未満でも、また６０質量％を越えても研磨機能が急激に低下するようになることから、その割合を１５〜６０質量％と定めた。

この発明の被覆切削チップは、硬質被覆層の上部層を構成する改質複合酸化物層が、複合酸化物層自体が具備する高温硬さおよび耐熱性に加えて、従来複合酸化物層に比して一段と高い高温強度を有するものであり、さらに硬質被覆層の上部層である改質複合酸化物層の少なくとも切刃稜線部を含むすくい面部分および逃げ面部分が、Ｒａ：０．２μｍ以下の表面粗さに研磨されると共に、前記研磨面のすくい面および逃げ面のいずれか、またはこれら両面の全面に亘って、レーザービーム照射形成された硬質被覆層残留応力低減模様によって、硬質被覆層の耐チッピング性が著しく向上し、特にステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの相対的に粘性が高く、かつ軟質の難削材の切削加工を高速条件で行うのに用いた場合にも、硬質被覆層にチッピングが発生することなく、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。

つぎに、この発明の被覆切削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、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、および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、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、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製のチップ基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。

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、Ｍｏ₂Ｃ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２に示される配合組成に配合し、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基サーメット製のチップ基体ａ〜ｆを形成した。

ついで、これらのチップ基体Ａ〜Ｆおよびチップ基体ａ〜ｆのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
（ａ）まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される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、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表８に示される組み合わせおよび目標層厚でＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、ついで、表４に示される条件で、表８に示される組み合わせおよび目標層厚で複合酸化物核薄膜［表４，８では核薄膜で示す］（ａ）〜（ｈ）を蒸着形成した後、前記複合酸化物核薄膜に圧力：８ｋＰａの水素雰囲気中、１１５０℃に１０〜６０分の範囲内の所定時間保持の条件で加熱処理を施し、この状態で、同じく表４に示される条件で、表８に組み合わせおよび目標層厚で改質複合酸化物層［表４，８では改質層で示す］（Ａ）〜（Ｈ）を硬質被覆層の上部層として蒸着形成し、
（ｂ）ついで、上記硬質被覆層の上部層を構成する改質複合酸化物層の全面に、研磨材層の下側層形成用酸化チタン層［ＴｉＯ_Ｗ（１）〜（６）のいずれか］を表６に示される条件で形成した後、上側層形成用窒化チタン層（ＴｉＮ層）を同じく表６に示される条件で、表９に示される目標層厚で蒸着形成して、同じく表９に示される組成、すなわち厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、それぞれ表９に示されるＸ値およびＹ値の下側層および上側層からなる研磨材層を形成し（図１１参照）、
（ｃ）引き続いて、上記の下側層および上側層からなる研磨材層形成の被覆切削チップに、表７に示されるブラスト条件で、かつ表９に示される組み合わせでウエットブラストを施して、工具取り付け孔周辺部に研磨材層を存在させた状態で、前記改質複合酸化物層の切刃稜線部を含むすくい面部分および逃げ面部分を、同じく表７に示される表面粗さに研磨し（図１２参照）、
（ｄ）さらに、レーザービーム照射装置を用い、上記表面研磨の硬質被覆層に、
レーザービーム出力：１０Ｗ、
単一基本形状マークの形状：直径が０．８ｍｍの円形、
硬質被覆層残留応力低減模様：図４〜１０に示される実施模様のうちのいずれかを表９に示される組み合わせで適用、
単一基本形状マークの露出面の掘下げ深さ：表９に硬質被覆層の全目標層厚に対する割合で示される深さ、
の条件で硬質被覆層残留応力低減模様を形成することにより本発明被覆切削チップ１〜１３をそれぞれ製造した。

（ａ）また、比較の目的で、表１０に示される通り、本発明被覆切削チップ１〜１３のそれぞれの下部層と同じ条件で、Ｔｉ化合物層を蒸着形成し、さらに表５に示される条件で、表１０に示される組み合わせおよび目標層厚で、上部層としての従来複合酸化物層［表５，１０では従来層で示す］を蒸着形成し（図１３参照）、
（ｂ）引き続いて、上記研磨材層の形成を行なうことなく、表７に示されるブラスト条件で、かつ表１０に示される組み合わせでウエットブラストを施して、前記従来複合酸化物層の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面を、同じく表１０に示される表面粗さに研磨し、一方硬質被覆層残留応力低減模様の形成を行なわずに従来被覆切削チップ１〜１３をそれぞれ製造した。

ついで、上記の本発明被覆切削チップ１〜１３および従来被覆切削チップ１〜１３の硬質被覆層の上部層を構成する改質複合酸化物層および従来複合酸化物層のそれぞれについて、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の改質複合酸化物層および従来複合酸化物層の表面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。

この結果得られた各種の改質複合酸化物層および従来複合酸化物層の傾斜角度数分布グラフにおいて、（０００１）面が最高ピークを示す傾斜角区分、並びに０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体の傾斜角度数に占める割合をそれぞれ表８，１０にそれぞれ示した。

上記の各種の傾斜角度数分布グラフにおいて、表８，１０にそれぞれ示される通り、本発明被覆切削チップの改質複合酸化物層は、いずれも（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れ、かつ０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の割合が４５％以上である傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、従来被覆切削チップの従来複合酸化物層は、いずれも（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在せず、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の割合も３０％以下である傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
なお、図２は、本発明被覆切削チップ４の改質複合酸化物層の傾斜角度数分布グラフ、図３は、従来被覆切削チップ４の従来複合酸化物層の傾斜角度数分布グラフをそれぞれ示すものである。

さらに、上記の本発明被覆切削チップ１〜１３および従来被覆切削チップ１〜１３について、これの硬質被覆層の構成層を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）およびオージェ分光分析装置を用いて観察（層の縦断面を観察）したところ、前者ではいずれも目標組成と実質的に同じ組成を有するＴｉ化合物層と改質複合酸化物層からなることが確認された。一方後者でも、いずれも同じく目標組成と実質的に同じ組成を有するＴｉ化合物層と従来複合酸化物層からなることが確認された。また、これらの被覆切削チップの硬質被覆層の構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（同じく縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。

つぎに、上記の本発明被覆切削チップ１〜１３および従来被覆切削チップ１〜１３各種の被覆切削チップについて、いずれも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・ＳＳ４００の丸棒、
切削速度：３９０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件（切削条件Ａという）での軟鋼の乾式高速連続切削試験（通常の切削速度は２８０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ４０５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３２０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件（切削条件Ｂという）でのステンレス鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は１７０ｍ／ｍｉｎ）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭｎＨ１の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２４０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
の条件（切削条件Ｃという）での高マンガン鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は１２０
ｍ／ｍｉｎ）を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅が、一般に切削工具の使用寿命の目安とされている０．３ｍｍに至るまでの切削時間を測定した。この測定結果を表１１に示した。

表８〜１１に示される結果から、本発明被覆切削チップ１〜１３は、いずれも硬質被覆層の上部層が、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す改質複合酸化物層で構成され、前記改質複合酸化物層は自身の具備するすぐれた高温硬さおよび耐熱性に加えて、一段とすぐれた高温強度を有し、さらに前記改質複合酸化物層の少なくとも切刃稜線部を含むすくい面部分および逃げ面部分が、Ｒａ：０．２μｍ以下の表面粗さに研磨されると共に、前記研磨面全体に亘ってレーザービーム照射形成された硬質被覆層残留応力低減模様によって、前記硬質被覆層における残留引張応力が著しく低減されることと相俟って、ステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材の切削加工を、高熱発生によって粘着抵抗が一段と増大するようになる高速条件で行なっても、硬質被覆層にチッピングの発生なく、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層が、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の分布割合が３０％以下の傾斜角度数分布グラフを示す従来複合酸化物層で構成され、前記従来複合酸化物層の表面粗さが、Ｒａ：０．３〜０．６μｍを示し、かつ、硬質被覆層残留応力低減模様の形成がない従来被覆切削チップ１〜１３においては、いずれも上記の難削材の高速切削加工では、前記硬質被覆層にチッピングが発生し、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、この発明の被覆切削チップは、各種の低合金鋼や炭素鋼などの一般鋼、さらにねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄などの高速切削加工は勿論のこと、特に難削材の高速切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに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。

硬質被覆層を構成する複合酸化物層における結晶粒の（０００１）面の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。本発明被覆切削チップ４の硬質被覆層を構成する改質複合酸化物層の傾斜角度数分布グラフである。従来被覆切削チップ４の硬質被覆層を構成する従来複合酸化物層の傾斜角度数分布グラフである。実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図４以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図４，５以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図４〜６以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図４〜７以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図４〜８以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。図４〜９以外の実施例としての硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成した本発明被覆切削チップの概略斜視図である。硬質被覆層の全面に研磨材層を形成した状態を示す概略斜視図である。研磨材層を形成した状態でウエットブラストを施した後の状態を示す概略斜視図である。従来被覆切削チップの概略斜視図である。

Claims

炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成されたサーメット基体の切刃稜線部を含むすくい面および逃げ面の全面に、
（１）下部層として、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（２）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚、および化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、さらに、
組成式：（Ａｌ_１−ＺＣｒ_Ｚ）_２Ｏ_３、（ただし、原子比で、Ｚ：０．０１〜０．１）、
を満足するＡｌとＣｒの複合酸化物層、
以上（１）および（２）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップにおいて、
（ａ）上記上部層の複合酸化物層を、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す改質複合酸化物層、
で構成し、
（ｂ）上記硬質被覆層の上部層である改質複合酸化物層の全面に、
（ｂ−１）下側層として、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＯ_X 、
で表わした場合、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、
Ｘ：１．２〜１．７、
を満足する酸化チタン層、
（ｂ−２）上側層として、０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＮ_1-Y（Ｏ）_Y、
で表わした場合（ただし、（Ｏ）は上記酸化チタン層からの拡散酸素を示す）、同じく厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、同じく原子比で、
Ｙ：０．０１〜０．４、
を満足する窒酸化チタン層、
以上（ｂ−１）および（ｂ−２）で構成された研磨材層を蒸着形成した状態で、
（ｂ−３）ウエットブラストにて、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％の酸化アルミニウム微粒を配合した研磨液を噴射し、
上記の下側層の粉砕化酸化チタン微粒、上側層の粉砕化窒酸化チタン微粒、および噴射研磨材としての酸化アルミニウム微粒の共存下で、上記硬質被覆層の上部層を構成する改質複合酸化物層の少なくとも切刃稜線部を含むすくい面部分および逃げ面部分を研磨して、これら研磨面の表面粗さを準拠規格ＪＩＳ・Ｂ０６０１−１９９４に基いた測定で、Ｒａ：０．２μｍ以下とし、
（ｃ）さらに、上記改質複合酸化物層研磨面のすくい面および逃げ面のいずれか、またはこれら両面の全面に亘って、単一基本形状マークおよび前記単一基本形状マークの集合マークのいずれか、または両方が分散分布してなると共に、前記単一基本形状マークを、上記硬質被覆層の構成層のうちのいずれかの層が露出した掘下げ面とした硬質被覆層残留応力低減模様をレーザービーム照射形成したこと、
を特徴とする難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削スローアウエイチップ。