JP2014014895A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】焼入れ鋼等の高硬度鋼の切削加工で、硬質被覆層が優れた切削性能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４表面に、工具基体側から順に、下部層３、中間層２および上部層１からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、（ａ）下部層は、ＴｉＮ層６とＴｉＣＮ層７の単層、又は少なくとも２層以上の積層からなるＴｉ化合物層、（ｂ）中間層は、０．１〜２．０μｍの平均層厚を有する硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと酸化ジルコニウムの混合層５からなり、断面の５〜９０面積％を酸化ジルコニウム８が占め、（ｃ）上部層は、０．１〜１０．０μｍの平均層厚を有する立方晶窒化硼素からなり、結晶粒の平均短径が１０〜３００ｎｍの柱状晶組織を有し、Ｃｕ管球を用いた薄膜Ｘ線回折より測定した場合、（１１１）のピークの半価幅が１．５°以下であり、ナノインデンテーション硬さが５０〜７５ＧＰａである。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼入れ鋼等の高硬度鋼の切削加工において、硬質被覆層が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、鋼、鋳鉄等の鉄系被削材の切削加工には、被削材との親和性の低い工具材料として、立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮ）基超高圧焼結材料が用いられているが、ｃＢＮの特性を生かすため、切削工具の基体材料にｃＢＮ層を被覆形成した被覆工具も良く知られている。
例えば、特許文献１に示すように、炭化タングステン基合金等を基体とし、この基体表面に、周期律表の第４族金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、第５族金属（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）、前記第４族金属及び第５族金属の窒化物又は硼化物或いは硼窒化物の内から選ばれるいずれか１種以上の成分よりなる中間層を形成し、中間層の表面に、ｃＢＮを主成分とする表面層を被覆した被覆工具が知られており、この被覆工具は高硬度、耐摩耗性、耐熱性等を備えることが知られている。

また、特許文献２に示すように、超硬合金、サーメット等の基体に、中間層と外層とを被覆した被覆工具において、外層に隣接する中間層上部は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの硼化物、炭化硼素およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種から構成し、また、外層は、ｃＢＮから構成した被覆工具が知られており、この被覆工具は耐剥離性、耐摩耗性に優れることが知られている。

特開２０１０−９９９１６号公報 特開平８−１６５５５８号公報

近年の切削加工装置のＦＡ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、さらに低コスト化が要請される傾向にあるが、上記従来の被覆工具においては、通常条件下での切削加工に用いた場合には特段の問題は生じない。しかし、これを、焼入れ鋼等の高硬度鋼の切削に用いた場合には、工具基体とｃＢＮ層との付着強度が十分でないため、特に切削初期に、これが原因で、チッピング、欠損を発生しやすく、そのため、比較的短時間で使用寿命に至り、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ない。
したがって、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮させるためには、工具基体とｃＢＮからなる硬質被覆層の付着強度を向上させることが大きな課題となっている。

本発明者等は、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を工具基体材料とし、硬質被覆層としてｃＢＮからなる硬質被覆層を形成した被覆工具において、基体と硬質被覆層間の付着強度を確保・向上させるための層構成について鋭意研究したところ、次のような知見を得た。

本発明は、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からなる工具基体表面に、硬質被覆層としてｃＢＮ層を被覆形成するにあたり、工具基体表面とｃＢＮ層との間に、下部層および中間層を介在形成し、かつ、該下部層を、所定の層厚を有する窒化チタン層と炭窒化チタン層の交互積層、あるいは、炭窒化チタン層の単層とし、また、中間層を所定の層厚を有する硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと酸化ジルコニウムの混合層からなる中間層で構成することにより、衝撃により発生する応力を緩和し、工具基体とｃＢＮ層とが強固な付着強度を備えるようになることを見出したのである。
そして、本発明の被覆工具は、上記下部層および中間層を工具基体表面とｃＢＮ層との間に介在形成することによって、焼入れ鋼等の高硬度鋼の切削に用いた場合でも、特に、切削初期にチッピング、欠損等を発生することはなく、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮するとともに、工具寿命の延命化が図られることを見出したのである。

本発明は、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、工具基体側から順に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）下部層は、０．０５〜１．０μｍの一層平均層厚を有する窒化チタン層と０．１〜７μｍの一層平均層厚を有する炭窒化チタン層の少なくとも２層以上の積層からなる０．５〜１０．０μｍの合計平均層厚を有するチタン化合物層、または、０．５〜１０．０μｍの平均層厚を有する炭窒化チタン層の単層からなるチタン化合物層であり、
（ｂ）中間層は、０．１〜２．０μｍの平均層厚を有する硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと酸化ジルコニウムの混合層からなり、該層の断面の５〜９０面積％を酸化ジルコニウムが占め、
（ｃ）上部層は、０．１〜１０．０μｍの平均層厚を有する立方晶窒化硼素層であって、該層は、結晶粒の平均短径が１０〜３００ｎｍの柱状晶組織を有し、
また、Ｃｕ管球を用いた薄膜Ｘ線回折により入射角度０．５°にて測定した場合、（１１１）のピークの半価幅が１．５度以下であり、
さらに、ナノインデンテーション硬さが５０〜７５ＧＰａであることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 上記中間層において、その断面の６０〜９０面積％を、層状の酸化ジルコニウムが占めていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 上記中間層において、その断面の５〜４０面積％を、粒径が０．５μｍ以下の粒状の酸化ジルコニウムが占めていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

本発明について、以下に説明する。
図１、図２に示すように、まず、本発明の被覆工具の硬質被覆層の層構造は、工具基体４側から、下部層３、中間層２、上部層１の順に構成されている。

下部層：
下部層である窒化チタン層と炭窒化チタン層の交互積層、あるいは、炭窒化チタン層の単層からなるチタン化合物層は、工具基体と中間層である硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと酸化ジルコニウムの混合層からなる層との強固な密着性を確保する。

本発明のチタン化合物層からなる下部層は、０．０５〜１．０μｍの一層平均層厚を有する窒化チタン層と０．１〜７μｍの一層平均層厚を有する炭窒化チタン層の少なくとも２層以上の積層からなる下部層の層構成をとることができる。
この場合、窒化チタン層の一層平均層厚が０．０５μｍ未満であると、基体、炭窒化チタン層および中間層との付着強度が低下する。一方、その一層平均層厚が１．０μｍを超えると窒化チタンの硬さが炭窒化チタンより低く、焼入れ鋼の切削においては耐摩耗性が低下することから、窒化チタン層の一層平均層厚は、０．０５〜１．０μｍであることが必要である。また窒化チタン層と炭窒化チタン層を交互積層させた場合、交互積層の窒化チタン層の割合が多くなると、交互積層の耐摩耗性が低下するため、窒化チタン層の合計層厚は１．０μｍを超えないことが望ましい。
また、窒化チタン層との積層を構成する炭窒化チタン層の一層平均層厚が０．１μｍ未満であると、十分な耐摩耗および付着強度を発揮することができず、一方、その一層平均層厚が７μｍを超えると焼き入れ鋼の切削時にチッピングを生じる恐れがあるため、炭窒化チタン層の一層平均層厚は、０．１〜７μｍであることが必要である。
上記所定の一層平均層厚の窒化チタン層と炭窒化チタン層とを少なくとも２層以上積層し、合計平均層厚０．５〜１０．０μｍの下部層を構成すると、積層構造にすることにより炭窒化チタン層の粒成長を抑制し、耐チッピング性が向上する。さらに窒化チタン層の付着強度が炭窒化チタン層よりも優れることから、基体と下部層および下部層と中間層の間に窒化チタン層を介在形成させることにより、基体と下部層および下部層と中間層の付着強度が向上する。
下部層である窒化チタン層と炭窒化チタン層の交互積層の合計平均層厚が０．５μｍ未満の場合には、付着強度の維持ができず、一方、合計平均層厚が１０．０μｍを超える場合には、下部層の焼き入れ鋼の切削加工時にチッピングを生じる恐れがある。
したがって、本発明では、下部層の合計平均層厚を０．５〜１０．０μｍと定めた。

また、本発明のチタン化合物層からなる下部層は、０．５〜１０．０μｍの平均層厚を有する炭窒化チタン層の単層から構成することもできる。
この場合、炭窒化チタン層の平均層厚が０．５μｍ未満であると、十分な耐摩耗および付着強度を発揮することができず、一方、炭窒化チタン層の平均層厚が１０．０μｍを超えると焼き入れ鋼の切削時にチッピングを生じる恐れがあるため、下部層のチタン化合物層を炭窒化チタン層の単層から構成する場合、その平均層厚を０．５〜１０．０μｍとすることが必要である。

中間層：
中間層は硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと酸化ジルコニウムより構成される。中間層中の酸化ジルコニウムは、耐熱性に優れ、衝撃により発生する応力を緩和し、チッピング、欠損の発生を抑制する。酸化ジルコニウムは中間層内に層状または粒状または層状と粒状が含まれる状態で形成される。中間層の断面に占める酸化ジルコニウムの面積割合が５面積％未満の場合、衝撃により発生する応力を緩和する効果が小さく、９０面積％を超えると、中間層の強度が低下するため、中間層の断面に占める酸化ジルコニウムの面積割合を５〜９０面積％とした。
図１に示すように酸化ジルコニウムが層状に形成される場合には、切削時に発生する熱に対する耐熱性が高く、耐摩耗性の向上に効果が強く表れる。ただ、中間層の断面に占める酸化ジルコニウムの面積割合が６０面積％未満では、切削時の耐熱性がわずかではあるが低下するため、耐熱性、耐摩耗性の観点を特に重視した場合には、中間層の断面に占める酸化ジルコニウムの好ましい面積割合は６０〜９０面積％である。
図２に示すように酸化ジルコニウムが粒状に形成される場合には、刃先に断続的な力が働く場合の応力が緩和されることにより、切れ刃にチッピング、欠損の発生を抑制する効果が得られる。ただ、中間層の断面に占める酸化物の面積割合が５面積％未満あるいは４０面積％を超えると応力緩和の効果がわずかではあるが小さくなり、断続切削に用いた場合に刃先にチッピングを生じやすい傾向が現れ、また粒径が０．５μｍを超えた場合も、断続切削時に刃先にチッピングが生じやすい傾向がみられる。このため、耐チッピング性等の耐異常損傷性を重視した場合には、中間層の断面に占める酸化ジルコニウムの好ましい面積割合は５〜４０面積％であり、また、酸化ジルコニウムの粒径は０．５μｍ以下である。
中間層の断面に占める酸化ジルコニウムの面積割合が４０面積％を超え６０面積％未満の場合は、中間層の酸化ジルコニウムの粒径が０．５μｍを超え、粒状の酸化ジルコニウムが層に近い状態として形成される。この状態においても耐摩耗性の向上や断続切削におけるチッピング、欠損の発生を抑制する効果が認められる。

中間層に形成される硼化ジルコニウムは層状または粒状に形成され、中間層の断面に占める硼化ジルコニウムの面積割合は１０面積％以下である。中間層に形成される窒化ジルコニウムは層状に形成され、中間層の断面に占める窒化ジルコニウムの面積割合は９０面積％以下の範囲で形成される。

中間層の層厚が０．１μｍ未満の場合には、下部層と上部層間の付着強度を確保することができず、一方、その層厚が２．０μｍを超える場合には、耐摩耗性が低下する。したがって、本発明では、中間層の層厚を０．１〜２．０μｍと定めた。

下部層および中間層の形成法：
下部層は、例えば、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置を用いて、蒸着すればよい。
中間層は、例えば、微量の酸素を含むＡｒガス雰囲気中で、ＤＣスパッタ法によりＺｒ金属層を下部層の表面に蒸着することで、微量酸素を含むＺｒ金属層を形成した後、この微量酸素を含むＺｒ金属層の表面上へ、例えば、ＤＣアークジェットプラズマ装置でｃＢＮ層を蒸着することによって形成することができる。
即ち、Ｚｒ金属層の表面にｃＢＮ層が蒸着される際に、Ｚｒ金属層の硼化、窒化および酸化が同時に進行することによって形成され、中間層内の酸化ジルコニウムの形態は、中間層蒸着時のＡｒガスに含まれる酸素濃度により制御される。即ち、Ａｒガスに含まれる酸素濃度が高い場合は中間層内の酸化ジルコニウムが層状に形成され、酸素濃度が低い場合は酸化ジルコニウムが粒状に形成した形態となる。

上部層（ｃＢＮ層）：
上部層であるｃＢＮ層は、上記のとおり、Ｚｒ金属層の表面に、例えば、ＤＣアークジェットプラズマ装置によって形成することができるが、形成したｃＢＮ層の層厚が、０．１μｍ未満の場合には、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、その層厚が１０．０μｍを超える場合には、チッピングを発生しやすくなるので、上部層であるｃＢＮ層の層厚は、０．１〜１０．０μｍと定めた。

ｃＢＮ層は、例えば下記のように蒸着される。
下部層および中間層が蒸着された基体を、冷却機構を備えたチャンバー内のホルダーに固定し、真空排気装置にて１０⁻¹Ｐａ以下までチャンバー内を減圧後、Ｈ_２を１５ｓｃｃｍ、Ａｒガスを２０ｓｌｍ導入し、アーク電流およびアーク電圧を制御し、アークジェットプラズマをチャンバー内に発生させ、基体に−６０〜−８０Ｖの高周波バイアスを印加し、基体の表面をプラズマによりクリーニング処理をした後、Ｈｅガスで１０％に希釈されたＢＦ_３ガスを４３〜４８ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスを０．６〜１．０ｓｌｍ導入し、チャンバー内の圧力を６６５０Ｐａに維持する。蒸着時の基体温度を８３０〜１０５０℃の範囲に、より好ましくは８８０〜９７０℃の範囲になるように、アーク電流およびアーク電圧を制御し、基体に印加するバイアスを−６０〜−８０Ｖの範囲で所定時間制御することにより、本発明のｃＢＮ層が中間層上に蒸着される。

図３に本発明で得られた上部層の透過型電子顕微鏡像の模式図を示す。
本発明のｃＢＮ層の結晶の平均短径が１０〜３００ｎｍの柱状晶組織を有することが透過型電子顕微鏡像によって確認できる。またｃＢＮの結晶はｃＢＮより構成されていることを電子線回折像によって確認できる。
基体に印加するバイアスを−３０〜−５０Ｖ、蒸着時の基体の温度を１０５０℃超え１１００℃未満の範囲でｃＢＮ層を蒸着する条件（高温、低バイアス条件）では、ｃＢＮ層の結晶粒の平均短径が３００ｎｍを超え、ｃＢＮ層の剥離、工具基体の変形および切削時にｃＢＮ層の結晶粒の脱落を生じやすい。
また基体に印加するバイアスを−６０〜−８０Ｖ、蒸着時の基体の温度を７５０℃以上８３０℃未満の範囲でｃＢＮ層を蒸着する条件（低温条件）では、ｃＢＮ層の結晶の平均短径が１０ｎｍ未満となるため、ｃＢＮ層の耐摩耗性そのものも低く、切削性能が低下する。このためｃＢＮ層の平均短径を１０〜３００ｎｍとした。
基体に印加するバイアスを−３０〜−５０Ｖ、蒸着時の基体の温度を７５０℃以上８３０℃未満の範囲でｃＢＮ層を蒸着する条件（低温、低バイアス条件）では、ｃＢＮ層について、Ｃｕ管球を用いた薄膜Ｘ線回折により入射角度０．５°にて測定した場合、低温、低バイアス条件におけるｃＢＮの（１１１）のピークの半価幅は１．５度を越え、結晶性が低下し、十分な耐摩耗性を発現しない。このためｃＢＮの（１１１）ピークの半価幅を１．５度以下とした。また低温、低バイアス条件におけるｃＢＮ層のナノインデンテーション硬さは５０ＧＰａ未満となり、十分な耐摩耗性を発現しない。また、ｃＢＮ層のナノインデンテーション硬さが７５ＧＰａを超えるものは、今回の試験では得られていないが、得られたとしても、ｃＢＮ層の残留応力が高いために、チッピングまたは剥離を生じやすくなるため、ｃＢＮ層のナノインデンテーション硬さを５０〜７５ＧＰａとした。

上記のとおり、本発明の被覆工具の硬質被覆層は、下部層と中間層と上部層で構成され、さらに、下部層が窒化チタン層と炭窒化チタン層の少なくとも２層以上の積層あるいは炭窒化チタン層の単層からなり、中間層が硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと酸化ジルコニウムから構成されることによって、工具基体と上部層であるｃＢＮ層の付着強度が高められ、その結果、焼入れ鋼等の高硬度鋼の切削に用いた場合でも、チッピング、欠損等の発生の恐れはなく、長期の使用にわたって、すぐれた切削性能を発揮し、工具寿命の大幅な延長を図ることが可能である。

この発明の被覆工具の硬質被覆層の層構造を示す概略説明図である。 この発明の被覆工具の硬質被覆層の層構造の他の例を示す概略説明図である。 この発明で得られた上部層１の透過型電子顕微鏡像の模式図を示す。

以下に、本発明の被覆工具を実施例に基づいて説明する。
なお、ここでは工具基体材料として超硬合金基体を使用した場合について説明するが、工具基体として、サーメットを使用することももちろん可能である。

（ａ） 原料粉末として、いずれも０．５〜１．０μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ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、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度２５°のホーニング加工を施し、仕上げ研磨を施すことにより、いずれもＷＣ基超硬合金からなり、かつＩＳＯ規格ＳＰＧＮ０９０３０８のインサート形状をもった超硬合金製工具基体１〜１０を製造した。

（ｂ） ついで、上記超硬合金製工具基体１〜１０をＡＩＰ装置に装入し、該超硬合金製工具基体の表面に、窒化チタン層と炭窒化チタン層の積層構造からなる下部層、あるいは、炭窒化チタンの単層からなる下部層を、表２に示す条件で、表３に示す狙い層厚および層構造になるように蒸着して下部層を形成し、
（ｃ） ついで、ＤＣスパッタ装置にて、超硬合金製工具基体の温度を１００〜２００℃に維持し、表４に示す条件、即ち、中間層内に酸化ジルコニウムを層状に形成させる場合は、アルゴン内の酸素ガスの濃度が８０〜１００ｐｐｍ、中間層内に酸化ジルコニウムを粒状に形成させる場合はアルゴンガス内の酸素ガスの濃度が１０〜５０ｐｐｍに調整された混合ガスを導入し、かつ圧力を０．３〜０．４Ｐａに維持して、表５に示す所定時間、微量の酸素を含むＺｒ金属層を蒸着し、
（ｄ） ついで、ＤＣアークジェットプラズマ装置内に装入し、上記（ｃ）で蒸着したＺｒ金属層の表面に、Ａｒ、Ｈ_２混合ガスを流入させて圧力を６６５０Ｐａに維持し、８ｋＷのＤＣアークジェットプラズマでＺｒ金属層の表面をクリーニングし、Ｈｅガスで１０％に希釈されたＢＦ_３ガスを４３〜４８ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスを０．６〜１．０ｓｌｍ導入し、チャンバー内の圧力を６６５０Ｐａに維持する。蒸着時の基体温度を８３０〜１０５０℃の範囲になるように、アーク電流、アーク電圧を制御し、超硬合金製工具基体に−６０〜−８０ＶのＲＦバイアスを印加する、表６の条件で、ｃＢＮ層を形成することにより、所定の層厚のチタン化合物からなる下部層と、硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと酸化ジルコニウムの混合層からなる中間層を形成するとともに、所定層厚のｃＢＮからなる上部層を形成することにより、表７に示す本発明の被覆工具１〜１５（以下、本発明工具１〜１５という）を製造した。

比較のために、
（ａ’） 上記超硬合金製工具基体１〜１０をＡＩＰ装置に装入し、超硬合金製工具基体の表面に、窒化チタン層と炭窒化チタン層の積層構造からなる下部層、あるいは、炭窒化チタンの炭層からなる下部層を、表２に示す条件で、表８に示す狙い層厚および層構造になるように蒸着して下部層を形成し、
（ｂ’） ついで、ＤＣスパッタ装置に装入し、超硬合金製工具基体の温度を１００〜２００℃に維持し、アルゴンガス内の酸素ガスの濃度が１０〜１５０ｐｐｍに調整された混合ガスを導入し、圧力を０．３〜０．４Ｐａ維持する表４に示す条件で、表９に示す所定時間、微量の酸素を含むＺｒ金属層を蒸着し、
（ｃ’） ついで、ＤＣアークジェットプラズマ装置内に装入し、上記で蒸着したＺｒ金属層の表面に、Ａｒ、Ｈ_２混合ガスを流入させて圧力を６６５０Ｐａに維持し、８ｋＷのＤＣアークジェットプラズマでＺｒ金属層の表面をクリーニングし、Ｈｅガスで１０％に希釈されたＢＦ_３ガスを４３〜４８ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスを０．６〜１．０ｓｌｍ導入し、チャンバー内の圧力を６６５０Ｐａに維持する。蒸着時の基体温度を７５０〜１１００℃の範囲になるように、アーク電流、アーク電圧を制御し、超硬合金製工具基体に−３０〜−８０ＶのＲＦバイアスを印加する、表１０の条件で、ｃＢＮ層を形成することにより、表１１に示す比較被覆工具１〜２０（以下、比較例工具１〜２０という）を製造した。
また、参考のため超硬合金製工具基体に対して上記工程（ｂ）〜（ｃ）を行わず、工程（ｄ）を実施したがｃＢＮ層が蒸着終了後に剥離を生じたため、評価は実施されなかった。

本発明工具１〜１５および比較例工具１〜２０のｃＢＮ層において、透過型電子顕微鏡を用いて基体表面に平行な方向に５μｍ、層厚方向に５μｍの領域を観察し、透過型電子顕微鏡で得られた任意の１０個の結晶粒における基体表面に平行な方向の結晶の粒径を測定した結果の相加平均を平均短径とした。ｃＢＮ層の平均短径を測定したところ、本発明工具１〜１５については、所定の平均短径であることを確認した。
本発明工具１〜１５および比較例工具１〜２０のｃＢＮ層において、Ｃｕ管球を用いた薄膜Ｘ線回折により入射角度０．５°にてｃＢＮの（１１１）のピークの半価幅を測定した。
本発明工具１〜１５および比較例工具１〜２０のｃＢＮ層のナノインデンテーション硬さをナノインデンテーションを用い、ｃＢＮ層の層厚に対する押し込み深さが１／１０を超えない荷重で測定し、各試料の２０ヶ所の平均値を示した。
また、本発明工具１〜１５および比較例工具１〜２０の各層の層厚を走査型電子顕微鏡を用いて断面測定し、５ヶ所の相加平均値を層厚とした。
下部層と中間層および上部層の組成は、界面より層厚方向に０．２μｍの領域をオージェ電子分光分析法により測定したところ、所定の層材質で構成されていることを確認した。また、中間層の断面を十分に測定することが可能な領域、例えば基体表面に平行な方向に４μｍ、層厚方向に４μｍの中間層の領域をオージェ電子分光分析法により面分析測定し、測定範囲内の中間層の断面における酸化物、硼化物、窒化物のそれぞれの面積割合を計測し、本発明工具１〜５の中間層の断面における酸化ジルコニウムが層状に形成され、本発明工具６〜１０の断面における酸化ジルコニウムが粒状に形成され、本発明工具１１〜１５の中間層の断面における酸化ジルコニウムが層状および粒状に同時形成されていることを確認した。さらにオージェ電子分光分析法により面分析した領域内の粒状の酸化ジルコニウムの５箇所の相加平均値を粒状の酸化ジルコニウムの粒径とした。
これらの測定値および酸化物の状態を表７、表１１に示す。

上記の本発明工具１〜１５および比較例工具１〜２０を用い、以下の切削条件１、２で切削加工試験を実施した。
《切削条件１》
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０（ＨＲＣ６０．５）の丸棒、
切削速度： １１５ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み： ０．２１ ｍｍ、
切削時間： ３ 分
の条件での、高切り込みの乾式連続切削加工試験（通常の切り込みは、０．１０ ｍｍ）
《切削条件２》
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５（ＨＲＣ５８．０）の４溝スリット入り丸棒、
切削速度： １０５ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ０．２２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み： ０．１３ ｍｍ、
切削時間： ３ 分
の条件での、高送りの乾式断続切削加工試験（通常の送りは、０．１０ｍｍ／ｒｅｖ）を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件１、２による切削加工試験の測定結果を表１２に示した。

表７、表１１、表１２に示される結果から、本発明の被覆工具１〜５は、工具基体の上に、下部層としてＴｉ化合物層、中間層として硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと層状の酸化ジルコニウムの混合層、上部層であるｃＢＮ層を被覆形成していることから、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高切り込みの乾式連続切削加工に用いた場合でも、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮し、工具寿命の大幅な延長が図られている。
本発明の被覆工具６〜１０は、工具基体の上に、下部層としてＴｉ化合物層、中間層として硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと粒状の酸化ジルコニウムの混合層、上部層であるｃＢＮ層を被覆形成していることから、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高送りの乾式断続切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を示し、工具寿命の大幅な延長が図られている。
本発明の被覆工具１１〜１５は、工具基体の上に、下部層としてＴｉ化合物層、中間層として硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと層状および粒状の酸化ジルコニウムの混合層、上部層であるｃＢＮ層を被覆形成していることから、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高切り込みの乾式連続及び高送りの乾式断続切削加工に用いた場合でも、すぐれたチッピング性、耐欠損性を示すとともに、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮し、工具寿命の大幅な延長が図られている。
これに対して、比較例の被覆工具１〜２０においては、工具基体とｃＢＮ層との付着強度が劣るため、チッピング、剥離、欠損等を発生し、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、この発明の被覆工具は、高硬度鋼の切削加工用の切削工具として好適であり、切削加工装置の高性能化、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が、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工にも勿論使用可能である。

１ 上部層
２ 中間層
３ 下部層
４ 工具基体
５ 硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムが混合した層
６ 窒化チタン層
７ 炭窒化チタン層
８ 酸化ジルコニウム
９ ｃＢＮ層の結晶粒
１０ ｃＢＮ層の結晶粒の短径

Claims (3)

1. 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、工具基体側から順に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、
   （ａ）下部層は、０．０５〜１．０μｍの一層平均層厚を有する窒化チタン層と０．１〜７μｍの一層平均層厚を有する炭窒化チタン層の少なくとも２層以上の積層からなる０．５〜１０．０μｍの合計平均層厚を有するチタン化合物層、または、０．５〜１０．０μｍの平均層厚を有する炭窒化チタン層の単層からなるチタン化合物層であり、
   （ｂ）中間層は、０．１〜２．０μｍの平均層厚を有する硼化ジルコニウムと窒化ジルコニウムと酸化ジルコニウムの混合層からなり、該層の断面の５〜９０面積％を酸化ジルコニウムが占め、
   （ｃ）上部層は、０．１〜１０．０μｍの平均層厚を有する立方晶窒化硼素層であって、該層は、結晶粒の平均短径が１０〜３００ｎｍの柱状晶組織を有し、
   また、Ｃｕ管球を用いた薄膜Ｘ線回折により入射角度０．５°にて測定した場合、（１１１）のピークの半価幅が１．５度以下であり、
   さらに、ナノインデンテーション硬さが５０〜７５ＧＰａであることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 上記中間層において、その断面の６０〜９０面積％を、層状の酸化ジルコニウムが占めてい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. 上記中間層において、その断面の５〜４０面積％を、粒径が０．５μｍ以下の粒状の酸化ジルコニウムが占めてい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。