JP2009072837A

JP2009072837A - 高速ミーリング加工で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およびその製造方法

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Publication number: JP2009072837A
Application number: JP2007241961A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shinozaki; 和夫篠崎; Naoki Wakitani; 尚樹脇谷; Akira Osada; 晃長田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-09-19
Also published as: JP5035979B2

Abstract

【課題】高速ミーリング切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具およびその製造方法を提供する。
【解決手段】工具基体表面に、Ｔｉ化合物層あるいは（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層を形成し、その上に、ダイナミックオーロラＰＬＤ法により、（００１）面配向のＹＳＺからなる密着層を形成し、さらに、該密着層上に、（０００１）面配向の（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３あるいはＣｒ_２Ｏ_３からなる上部層を形成した表面被覆切削工具。
【選択図】図１

Description

この発明は、鋼や鋳鉄等の高速ミーリング加工において、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（以下、被覆工具という）およびその製造方法に関する。

従来、被覆工具として、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）基サーメットからなる基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）化学蒸着で形成されたチタンの炭化物（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０．５〜１５μｍの全体平均層厚を有するチタン化合物層からなる下部層、
（ｂ）化学蒸着で形成された、０．５〜１３μｍの平均層厚を有し、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ａｌ＋Ｃｒ））が０．０５〜０．３５（但し、原子比）であるクロムとアルミニウムの酸化物固溶体［以下、（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３で示す］層からなる上部層、
で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られている。

そして、上記被覆工具は、前記Ｔｉ化合物層からなる下部層を化学蒸着で形成した後、例えば、通常の化学蒸着装置を用いて、
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ_３１．４３〜２．０９％、ＣｒＣｌ_２０．１１〜０．７７％、ＣＯ_２５〜６％、ＨＣｌ２〜３％、Ｈ_２：残り、
反応雰囲気温度：９８０〜１０５０ ℃、
反応雰囲気圧力：１０〜２０ｋＰａ、
の条件で上部層を化学蒸着で形成することにより製造されることが知られている。

また、工具基体の表面に、硬質被覆層として、チタン化合物層、チタンとアルミニウムの窒化物固溶体［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層からなる下部層、酸化アルミニウム［以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す］からなる上部層を蒸着形成してなる被覆工具も知られており、そして、上記下部層の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は、通常のアークイオンプレーティング装置にて、装置内を例えば５００℃に加熱した状態で、所定組成のＴｉ−Ａｌ合金からなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に例えば１００Ａの電流を印加してアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方工具基体には例えば−５０Ｖのバイアス電圧を印加するという条件で、物理蒸着することにより形成されることも知られている。

さらに、工具基体の表面に、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）による物理蒸着法にて（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成し、その上に、アンバランスドマグネトロンスパッタ（ＵＢＭＳ）による物理蒸着法にてクロム酸化物[以下、Ｃｒ_２Ｏ_３で示す]層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層を形成してなる被覆工具も知られている。

上記のごとき従来の被覆工具においては、その硬質被覆層は、通常、ＣＶＤ法、アークイオンプレーティング、マグネトロンスパッタリング、アンバランスドマグネトロンスパッタ等のＰＶＤ法によって形成されていたが、近時、ダイナミックオーロラＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法による薄膜の成膜法が注目されている。
ダイナミックオーロラＰＬＤ法に用いられる装置の概要を図１に示すが、このダイナミックオーロラＰＬＤ法によれば、ターゲットにエキシマレーザーを照射し、ターゲット−基板間に配置した電磁石で磁場を印加・調整して成膜すると、成膜に関与するプルーム（電子、イオン、中性の原子や分子、多原子分子やクラスタ等の集合体）を高い電子温度や運動エネルギーを維持した状態で用いることができるため、成膜の結晶構造や特性を制御できる上、多種類のターゲットを使用することができ、さらに、ターゲットと膜組成のズレが少なく、コンタミネーションも少なくできることが知られている。
特開昭５４−１５３７５８号公報特許第２６４４７１０号明細書特開平９−２９１３５３号公報特開２００２−５３９４６号公報セラミックデータブック２００４，工業と製品， Vol．３２，No．８６，ｐ．１１１〜１１５

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、切削加工は一段と厳しい条件下で行われる傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、特にこれを切削条件の厳しい高速ミーリング加工に用いた場合は、硬質被覆層の層間付着強度が不十分である場合には欠損・剥離を生じたり、また、硬質被覆層の耐摩耗性が不十分である場合には摩耗損傷が大となり、いずれの場合にも、比較的短時間で使用寿命に至るという問題点があった。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、硬質被覆層を構成する各層間の付着強度を高めるとともに、硬質被覆層の耐摩耗性をも高めるべく鋭意研究を行った結果、硬質被覆層の層構造および硬質被覆層の形成方法について、以下の知見を得た。
（ａ）例えば、従来被覆工具の硬質被覆層の層構造において、化学蒸着で形成されたＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層あるいは物理蒸着で形成された（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層等のＴｉ化合物層の上面に、（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層あるいはＣｒ_２Ｏ_３層を物理蒸着で形成した場合には、硬質被覆層は所定の耐摩耗性をそなえるものの、このような層構造の硬質被覆層は特に層間付着強度が不十分なために、層間剥離、欠損、チッピングの発生が避けられない。

（ｂ）しかし、ダイナミックオーロラＰＬＤ法により硬質被覆層の成膜を行った場合、成膜した各層の層間付着強度を向上させることができ、また、硬質被覆層を構成する各層の結晶性、結晶構造を制御することによって、硬質被覆層全体としての高温強度の改善が図れるとともに、切削条件に適った結晶構造、結晶性の層を形成することができるので、耐チッピング性の向上とともに耐摩耗性の向上を図ることもできる。
すなわち、ダイナミックオーロラＰＬＤ法によれば、例えば、工具基体の温度を５００〜８５０℃に保持し、酸素分圧を１×１０^−２〜１０Ｐａとした真空雰囲気中で、２０００Ｇａ以下の磁場を印加した状態で、ターゲットにレーザー、望ましくはエキシマレーザー、を照射することにより、所望の特性を備えた硬質被覆層の成膜を行うことができる。

（ｃ）本発明の被覆工具の場合、まず、工具基体表面に、Ｔｉ化合物からなる下部層を化学蒸着および／または物理蒸着で形成する。
次に、イットリウム安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺで示す）焼結体をターゲットとし、前記（ｂ）の温度条件、雰囲気条件、磁場条件の範囲内の条件で、前記ＹＳＺターゲットにレーザーを照射し、化学蒸着および／または物理蒸着で形成された下部層の上に、（００１）面配向性を有するＹＳＺ層からなる密着層を形成する。
ついで、同じく前記（ｂ）の温度条件、雰囲気条件、磁場条件の範囲内の条件で、クロム酸化物（以下、Ｃｒ_２Ｏ_３で示す）からなるターゲット、あるいは、Ｃｒ_２Ｏ_３およびα−アルミナ（以下、α−Ａｌ_２Ｏ_３で示す）の混合体からなるターゲットにレーザーを照射し、（０００１）面配向性を有するＣｒ_２Ｏ_３層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層からなる上部層を形成する。
なお、使用するレーザーはエキシマレーザーであることが望ましい。
上記のように、通常のＣＶＤ法、ＰＶＤ法により基体上に下部層を形成した後、ダイナミックオーロラＰＬＤ法により、所定の面配向性を有する密着層、上部層を形成することができる。

（ｄ）上記（ｃ）のダイナミックオーロラＰＬＤ法による成膜において、磁場を印加した状態で、下部層と上部層の間に、（００１）面配向性を有するＹＳＺからなる密着層を介在形成することにより、上部層の面配向度が高まると同時に、上部層−下部層間の付着強度が向上し、その結果、硬質被覆層全体としての高温強度、耐摩耗性が大幅に改善される。

（ｅ）また、上記（ｃ）のダイナミックオーロラＰＬＤ法によるＣｒ_２Ｏ_３層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層からなる上部層の成膜にあたり、α−Ａｌ_２Ｏ_３およびＣｒ_２Ｏ_３の混合体ターゲットのα−Ａｌ_２Ｏ_３とＣｒ_２Ｏ_３の混合比率、レーザー照射条件（照射量、照射時間）、印加磁場条件等の成膜条件を調整することにより、上部層に含有されるＡｌとＣｒの含有割合および配向度を変化させることができ、その結果として、上部層として形成される（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層あるいはＣｒ_２Ｏ_３層の配向度、上部層に含有されるＡｌとＣｒの含有割合を制御することができ、上部層に所望のすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を付与することができる。
例えば、上部層におけるＣｒ含有割合（Ｃｒ／（Ａｌ＋Ｃｒ））が０．１５以上となるように成膜条件を調整すると、上部層としては、（０００１）面配向性を有する（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層が優先的に形成されるようになる。
なお、上部層におけるＣｒ含有割合（Ｃｒ／（Ａｌ＋Ｃｒ））＝１とは、上部層がＣｒ_２Ｏ_３層で構成されていることであるから、この場合は、Ｃｒ_２Ｏ_３ターゲットへのレーザー照射を行い上部層を形成するということに他ならない。
また、上部層は、一つの層にて形成する必要はなく、例えば、上部層がＣｒ_２Ｏ_３層と（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層の複層構造として形成されていても、本発明の目的を何ら損なうものではない。

（ｆ）前記（ｃ）、（ｄ）においては、密着層として、（００１）配向性を有するＹＳＺ層を形成したが、ＹＳＺ層自体、（００１）配向性を有さなくても所定の高温強度を備えていること、また、ＹＳＺ層が（００１）配向性を有さないでも、上部層である程度の（０００１）面配向性が得られることから、被覆工具として、特にすぐれた高温強度、耐摩耗性を必要としないような場合、例えば、過酷な条件下での切削加工を行わないような場合、には、上記ＹＳＺ層が（００１）配向性を有していなくても、硬質被覆層全体としては、ある程度の層間密着強度、耐摩耗性を備えているので、（００１）面配向性を有するＹＳＺ層に替えて、（００１）面配向性を有さないＹＳＺ層を密着層として設けることも可能である。

この発明は、上記の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（ＷＣ）基超硬合金または炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、０．３〜３μｍの合計層厚を有するチタンの炭化物（ＴｉＣ）層、チタンの窒化物（ＴｉＮ）層、チタンの炭窒化物（ＴｉＣＮ）層およびチタンとアルミニウムの複合窒化物（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ）層のうちの１層または２層以上からなるチタン化合物層、
（ｂ）密着層として、０．０２〜０．２μｍの層厚を有し、かつ、（００１）面配向性を有するイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）層、
（ｃ）上部層として、０．３〜３μｍの層厚を有し、さらに、（０００１）面配向性を有し、かつ、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｃｒ＋Ａｌ））が０．１５以上（但し、原子比）である六方晶の結晶構造を有するクロムとアルミニウムの酸化物固溶体（（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３）層、あるいは、クロム酸化物（Ｃｒ_２Ｏ_３）層、
上記（ａ）〜（ｃ）の下部層、密着層および上部層からなる硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具。
（２）炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金または炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）化学蒸着又は物理蒸着により、チタンの炭化物（ＴｉＣ）層、チタンの窒化物（ＴｉＮ）層、チタンの炭窒化物（ＴｉＣＮ）層およびチタンとアルミニウムの複合窒化物（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ）層のうちの１層または２層以上からなるチタン化合物層を、０．３〜３μｍの合計層厚になるまで蒸着して下部層を形成し、
（ｂ）次に、工具基体の温度を５００〜８５０℃に保持し、雰囲気中の酸素分圧を１×１０^−２〜１０Ｐａとした真空雰囲気中で、２０００Ｇａ以下の磁場を印加した状態で、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなるターゲットにレーザーを照射して、前記下部層表面に、０．０２〜０．２μｍの層厚の（００１）面配向性を有するイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）層からなる密着層を形成し、
（ｃ）次いで、クロム酸化物（Ｃｒ_２Ｏ_３）またはクロム酸化物（Ｃｒ_２Ｏ_３）とα−アルミナ（α−Ａｌ_２Ｏ_３）の混合体からなるターゲットに、上記（ｂ）と同様な条件でレーザーを照射し、前記密着層表面に、０．３〜３μｍの層厚を有し、かつ、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｃｒ＋Ａｌ））が０．１５以上（但し、原子比）である六方晶の結晶構造を有するクロムとアルミニウムの酸化物固溶体（（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３）層、あるいは、クロム酸化物（Ｃｒ_２Ｏ_３）層からなる上部層を形成する、
ことを特徴とする下部層、密着層および上部層からなる硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具の製造方法。」
に特徴を有するものである。

以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層および被覆工具の製造方法について、詳細に説明する。

（１）下部層（Ｔｉ化合物層）
通常のＣＶＤ法、ＰＶＤ法等により形成されるＴｉ化合物層からなる下部層は、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層に高温強度を保持せしめるほか、工具基体とＹＳＺ層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用を有するが、その合計平均層厚が０．３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計層厚が３μｍを越えると、特に高熱発生を伴う高速ミーリングのような高速切削加工では熱疲労を起し易くなり、これが熱亀裂の原因となることから、その合計層厚を０．３〜３μｍと定めた。

（２）密着層（ＹＳＺ層）
密着層を構成する（００１）面配向性を有するイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）層は、ダイナミックオーロラＰＬＤ法により、例えば、下部層を設けた工具基体の温度を５００〜８５０℃に保持し、雰囲気中の酸素分圧を１×１０^−２〜１０Ｐａとした真空雰囲気中で、２０００Ｇａ以下の磁場を印加した状態で、ターゲットにレーザーを照射することにより形成できるが、下部層および上部層のいずれとも強固な密着性を有し硬質被覆層の高温強度を改善するため、高速切削加工において、硬質被覆層にチッピングが発生することを防止する。
また、ＹＳＺ層が（００１）面配向性を有することによって、この上に蒸着形成される上部層の（０００１）面配向度も高められることから、高速ミーリングのような厳しい条件下での高速切削加工において、硬質被覆層の耐摩耗性が一段と向上する。
ただ、ＹＳＺ層の層厚が０．０２μｍ未満では、層間接合強度の向上の効果は少なく、また、層厚が０．２μｍを超えるとＹＳＺ結晶が粒成長しやすくなり、その結果、ＹＳＺ層の強度が低下するため、密着層としてのＹＳＺ層の層厚は０．０２〜０．２μｍと定めた。
なお、既に述べたように、ＹＳＺ層が（００１）面配向性を持たない場合でも、硬質被覆層は所定の耐チッピング性、耐摩耗性を備えているので、高速ミーリング加工ほどに耐チッピング性、耐摩耗性が要求されない穏やかな切削条件であれば、（００１）面配向性を持たないＹＳＺ層を密着層として設けることも可能である。

（３）上部層
ダイナミックオーロラＰＬＤ法により、ＹＳＺ層の上に上部層を形成すると、成膜に用いるターゲットの種類に応じた上部層が形成されるが、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｃｒ＋Ａｌ））が０．１５以上（但し、原子比）である（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層、あるいは、Ｃｒ_２Ｏ_３層を上部層として形成した場合、いずれの場合にも、（０００１）面配向性を有する上部層が形成され、すぐれた耐摩耗性を備えるようになる。
上部層を形成するターゲットとしては、Ｃｒ_２Ｏ_３あるいはＣｒ_２Ｏ_３とα−Ａｌ_２Ｏ_３との混合体を使用することができるが、例えば、Ｃｒ_２Ｏ_３とα−Ａｌ_２Ｏ_３との混合体ターゲットを用い、密着層を設けた工具基体の温度を５００〜８５０℃に保持し、雰囲気中の酸素分圧を１×１０^−２〜１０Ｐａの真空雰囲気という条件の下で、ターゲットにレーザー照射を行い、２０００Ｇａ以下の磁場を印加した状態で成膜することによって、（０００１）面配向性を有し、しかも、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｃｒ＋Ａｌ））が０．１５以上（但し、原子比）である（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層を上部層として形成することができ、そして、この上部層は、高速ミーリングという厳しい切削条件下でも、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
なお、上部層形成用ターゲットにおいて、クロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｃｒ＋Ａｌ））が１とは、即ち、Ｃｒ_２Ｏ_３ターゲットを使用することであるが、このターゲットを用いて上部層を形成した場合にも、磁場が印加された状態で成膜されることによって、密着層上には、（０００１）面に配向したＣｒ_２Ｏ_３層からなるすぐれた高温強度を有する上部層が形成される。
また、（０００１）面配向性を有する（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層あるいは（０００１）面配向性を有するＣｒ_２Ｏ_３層からなる上部層は、密着層との付着強度にも優れているため、硬質被覆層全体としての高温強度を大幅に改善する。
したがって、上部層として、（０００１）面配向性を有する（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層あるいは（０００１）面配向性を有するＣｒ_２Ｏ_３層を蒸着形成した本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、高速ミーリングという厳しい切削条件で用いられた場合であっても、すぐれた耐チッピング性とともにすぐれた耐摩耗性を示し、工具特性が格段に改善されたものとなる。
ただ、上部層の層厚が０．３μｍ未満では、すぐれた工具特性を十分発揮することはできず、一方、層厚が３μｍを超えると、切刃部に欠損・チッピングを発生しやすくなるので、上部層の層厚は０．３〜３μｍと定めた。

（４）ダイナミックオーロラＰＬＤ法による成膜条件
本発明では、従来から知られているＣＶＤ法、ＰＶＤ法により、まず、工具基体表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層および（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層のうちの１層または２層以上からなるチタン化合物層を、０．３〜３μｍの合計層厚になるまで蒸着して下部層を形成した後、ダイナミックオーロラＰＬＤ法により、密着層および上部層を成膜形成する。
ダイナミックオーロラＰＬＤ法は、永久磁石を用い磁場を発生させていた従来のＰＬＤ法に比べて、基板温度を高めることが可能であり、磁場の強弱を自由にコントロールでき、さらに、ターゲットあるいは基板に印加する磁場を調整して、成膜の結晶構造、特性を自由に制御できるという利点を有するが、本発明は、ダイナミックオーロラＰＬＤ法によるこれらの利点を生かしつつ、同時に、工具基体（基板）に成膜する、密着層および上部層の種類、成膜条件を特定することにより、被覆工具の硬質被覆層に要求される耐チッピング性および耐摩耗性という特有の課題の解決を図ったものである。
すなわち、ダイナミックオーロラＰＬＤ法による成膜にあたり、ターゲットにレーザーを照射して密着層および上部層を形成する際に、成膜速度および結晶配向性を高めるためには、工具基体の温度を５００〜８５０℃に保持する必要があり、また、各層、酸化物の酸素量を適正範囲に制御するためには、雰囲気条件を、Ｏ_２分圧が１×１０^−２〜１０Ｐａの真空雰囲気とする必要があり、さらに、各層の結晶配向性や結晶構造、結晶粒の成長を制御するためには、印加磁場を２０００Ｇ以下の範囲で調節することが必要である。
そして、通常のＣＶＤ法、ＰＶＤ法により工具基体に下部層を形成した後、前記温度条件、雰囲気条件および磁場条件の下で、ダイナミックオーロラＰＬＤ法により密着層としての（００１）面配向性を有するＹＳＺ層を成膜し、ついで、Ｃｒ_２Ｏ_３あるいはＣｒ_２Ｏ_３とα−Ａｌ_２Ｏ_３の混合体からなるターゲットにレーザーを照射して、（０００１）面配向性を有する（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層あるいはＣｒ_２Ｏ_３層からなる上部層を形成するが、このように成膜した各層は強固な付着強度を有しており、また、ターゲットの種類、レーザーの照射条件、磁場の印加条件等を調整することによって、各層の膜組成、結晶構造、結晶配向性を制御することができ、その結果として、すぐれた耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性を備えた硬質被覆層を形成することができる。
したがって、上記のような方法で製造した被覆工具は、高い発熱を伴う高速ミーリングという厳しい条件下での切削加工においても、長期に亘ってすぐれた耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性を発揮する。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層を構成する層としてＴｉ化合物層からなる下部層、（００１）面配向性を有するＹＳＺ層からなる密着層、（０００１）面配向性を有する（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層あるいはＣｒ_２Ｏ_３層からなる上部層が形成され、このような層構造によって各層間の付着強度が高められ、硬質被覆層が全体としてすぐれた高温強度を具備し、また、特に、上部層が、（０００１）面配向性が高められた（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層あるいはＣｒ_２Ｏ_３層で構成されることによって、上部層がすぐれた高温強度を高温硬さを具備することから、この発明の被覆工具は、例えば、鋼や鋳鉄等の高速ミーリング加工において、すぐれた耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた工具特性を示すとともに、工具寿命の延命化が図られる。
また、この発明による被覆工具の製造方法は、予め、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法により所定の下部層が形成された工具基体に対して、ダイナミックオーロラＰＬＤ法を利用し、ターゲットの種類、組成、成膜条件等を選定することにより、所望の密着層と上部層を形成することができ、また、上部層には、所望の結晶構造、結晶配向性を具備せしめることができるので、耐チッピング性および耐摩耗性にすぐれた被覆工具を、簡易かつ確実に製造することができる。

つぎに、この発明の被覆工具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、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：０．０６ｍｍのホーニング加工を施すことにより、ＩＳＯ規格にＳＰＭＮ１２０３０８として規定され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〜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：０．０６ｍｍのホーニング加工を施すことにより、ＩＳＯ規格にＳＰＭＮ１２０３０８として規定されるインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。

ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆのそれぞれを、通常の化学蒸着装置またはアークイオンプレーティング装置に装入し、
（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５、６に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した。
ついで、下部層を形成した上記工具基体をダイナミックオーロラＰＬＤ装置に装入し、
（ｂ）まず、表４に示される成膜条件で、ＹＳＺターゲットに対してエキシマレーザーを照射し、工具基体の下部層の上に、表５、６に示される目標層厚の（００１）配向性を有する密着層（ＹＳＺ層）を形成し、
（ｃ）ついで、同じく表４に示される条件で、各種のターゲットに対してエキシマレーザーを照射し、密着層の上に、表５，６に示される目標層厚の、かつ、（０００１）面配向性を有する上部層（（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層、Ｃｒ_２Ｏ_３層）を形成することにより、本発明被覆工具１〜１６を製造した。

また、比較の目的で、特開２００２−５３９４６号公報（特許文献４に同じ）に示されるアークイオンプレーティング法および／またはアンバランスドマグネトロンスパッタ法により、表７に示されるような（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層（本発明の下部層に相当）、（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層あるいはＣｒ_２Ｏ_３層（本発明の上部層に相当）という層構造の硬質被覆層を形成し、比較被覆工具１〜８をそれぞれ製造した。
つまり、工具基体表面に対して、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いたアークイオンプレーティング法で層厚３μｍの（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層を形成する。
上部層として、（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層を形成する場合には、引き続き、Ｃｒ−Ａｌターゲットを用い、窒素雰囲気下にてアークイオンプレーティング法で（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層を形成した後に、酸化雰囲気下にて４５０℃で酸化することにより（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層を形成する。
また、上部層として、Ｃｒ_２Ｏ_３層を形成する場合には、上記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる下部層をアークイオンプレーティング法で形成した後、アルゴンと酸素の混合雰囲気下でＣｒターゲットを用いたＵＢＭＳ法でＣｒ_２Ｏ_３層を形成する。

ついで、上記の本発明被覆工具１〜１６および比較被覆工具１〜８について、これらの硬質被覆層の構成層を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、目標組成と実質的に同じ組成を有することが確認され、また、これらの被覆工具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。
また、本発明被覆工具１〜１６の硬質被覆層を構成する密着層、上部層および比較被覆工具１〜８の硬質被覆層の上部層について、Ｘ線回折によりその結晶構造を同定するとともに、結晶配向度を評価した。
その結果を表５〜７に示す。

ここで、密着層ＹＳＺの配向性は、２θが２０〜８０°の範囲において（００２）面の回折ピークが最強ピークであるときを（００１）配向であるとした。
また、Ｃｒ_２Ｏ_３、（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層の配向性は、下式により算出したＴＣ（００６）の値が２以上であるときを（０００１）配向であるとした。
ＴＣ（ｈｋｌ）＝Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ_０（ｈｋｌ）×[１／ｎ×ΣＩ（ｈｋｌ）／Ｉ_０（ｈｋｌ）]
Ｉ（ｈｋｌ）＝（ｈｋｌ）面の回折強度の測定値
Ｉ_０（ｈｋｌ）＝ＡＳＴＭによる（ｈｋｌ）面の標準強度
ｎ＝計算に使用した回折面の数（７）
使用した回折面：（０１２），（１０４），（１１０），（００６），（１１３），（０２４），（１１６）

つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１６および比較被覆工具１〜８について、次の切削条件Ａ〜Ｃにより、単刃での高速ミーリング加工を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ４００のブロック材、
切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ｍｍ、
切削幅：１０ｍｍ（センターカット）
一刃送り量：０．１８ｍｍ／刃、
切削時間：１０分、
の条件での軟鋼の乾式高速切削試験（通常の切削速度は、２８０ｍ／ｍｉｎ）。
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃのブロック材、
切削速度：４７０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
切削幅：３ｍｍ（ダウンカット）
一刃送り量：０．１８ｍｍ／刃、
切削時間：５分、
の条件での炭素鋼の乾式高速切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）。
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０のブロック、
切削速度：４８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ｍｍ、
切削幅：５ｍｍ（センターカット）
一刃送り量：０．１８ｍｍ／刃、
切削時間：１０分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の湿式高速切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）。
そして、上記の各切削試験における切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、この測定結果を表８に示した。

表５〜８に示される結果から、本発明被覆工具１〜１６はいずれも、下部層と上部層の間に、（００１）面配向性を有する密着層が介在形成され、さらに、上部層は、（０００１）面配向性を有する（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層あるいは（０００１）面配向性を有するＣｒ_２Ｏ_３層で形成されているため、硬質被覆層各層間の密着強度が大で、硬質被覆層全体としての高温強度も高いため、高速ミーリング切削においてすぐれた耐チッピング性を示している。
また、本発明被覆工具１〜１６の製造方法は、通常のＣＶＤ法あるいはＰＶＤ法により硬質被覆層の下部層を形成し、ついで、所定条件下でのダイナミックオーロラＰＬＤ法により、硬質被覆層の密着層および上部層を形成するものであるが、ターゲットの種類、組成を選択し、所定の条件下で、ターゲットにレーザーを照射して、結晶配向性の高められた所定の結晶構造の層からなる硬質被覆層を形成することができるので、高速ミーリングという厳しい切削条件下で要求される工具特性を備えた被覆工具を、簡易な方法でかつ確実に製造することができる。

これに対して、硬質被覆層の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層（本発明の下部層に相当）がアークイオンプレーティング法で形成され、Ｃｒ_２Ｏ_３層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層（本発明の上部層に相当）がアークイオンプレーティング法および／またはアンバランスドマグネトロンスパッタ法で形成された比較被覆工具１〜８においては、（００１）配向性を有するＹＳＺ層が設けられておらず、Ｃｒ_２Ｏ_３層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３層からなる上部層の（０００１）面配向度が低いため、硬質被覆層の各層間の密着強度が十分でなく、硬質被覆層全体としての耐摩耗性も不十分であり、高速ミーリング加工において層間剥離、欠損、チッピングを発生しやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るものであった。

上述のように、この発明の被覆工具およびその製造方法は、鋼や鋳鉄などの各種被削材の高速ミーリング加工のような厳しい切削条件下でも、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示し、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。

ダイナミックオーロラＰＬＤ法に用いられる装置の概要説明図である。

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工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、０．３〜３μｍの合計層厚を有するチタンの炭化物層、チタンの窒化物層、チタンの炭窒化物層およびチタンとアルミニウムの複合窒化物層のうちの１層または２層以上からなるチタン化合物層、
（ｂ）密着層として、０．０２〜０．２μｍの層厚を有し、かつ、（００１）面配向性を有するイットリウム安定化ジルコニア層、
（ｃ）上部層として、０．３〜３μｍの層厚を有し、さらに、（０００１）面配向性を有し、かつ、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｃｒ＋Ａｌ））が０．１５以上（但し、原子比）である六方晶の結晶構造を有するクロムとアルミニウムの酸化物固溶体層、あるいは、クロム酸化物層、
上記（ａ）〜（ｃ）の下部層、密着層および上部層からなる硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具。
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工具基体の表面に、
（ａ）化学蒸着又は物理蒸着により、チタンの炭化物層、チタンの窒化物層、チタンの炭窒化物層およびチタンとアルミニウムの複合窒化物層のうちの１層または２層以上からなるチタン化合物層を、０．３〜３μｍの合計層厚になるまで蒸着して下部層を形成し、
（ｂ）次に、工具基体の温度を５００〜８５０℃に保持し、雰囲気中の酸素分圧を１×１０^−２〜１０Ｐａとした真空雰囲気中で、２０００Ｇａ以下の磁場を印加した状態で、イットリウム安定化ジルコニアからなるターゲットにレーザーを照射して、前記下部層表面に、０．０２〜０．２μｍの層厚の（００１）面配向性を有するイットリウム安定化ジルコニア層からなる密着層を形成し、
（ｃ）次いで、クロム酸化物またはクロム酸化物とα−アルミナの混合体からなるターゲットに、上記（ｂ）と同様な条件でレーザーを照射し、前記密着層表面に、０．３〜３μｍの層厚を有し、かつ、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｃｒ＋Ａｌ））が０．１５以上（但し、原子比）である六方晶の結晶構造を有するクロムとアルミニウムの酸化物固溶体層、あるいは、クロム酸化物層からなる上部層を形成する、
ことを特徴とする下部層、密着層および上部層からなる硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具の製造方法。