JP2017144548A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】硬質被覆層に大きなせん断力が作用する高負荷・低速切削加工において、すぐれた耐塑性変形性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体表面に、硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、前記硬質被覆層は、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層から選ばれる１層または２層以上からなり、その内の少なくとも１層はＴｉＣＮ層で構成された２〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含み、該Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉＣＮ層は、（２００）面にＸ線回折による最大回折ピーク強度が現れ、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上であり、好ましくは、Ｔｉ化合物層において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が、Ｔｉ化合物層の縦断面に占める面積割合は、７０面積％以上である表面被覆切削工具。【選択図】図１
Description
本発明は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、硬質被覆層が塑性変形を起こしやすい高負荷かつ低速条件で行った場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐塑性変形性を有し、長期の使用に亘って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）に関する。
従来、一般に、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た基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、酸化アルミニウム層（以下、Ａｌ２Ｏ３層で示す）、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層が蒸着形成された被覆工具が知られているが、被削材の種類、切削条件に応じて、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、耐摩耗性等の工具性能を高めるため、各種の提案がなされている。
（ａ）下部層が、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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、酸化アルミニウム層（以下、Ａｌ２Ｏ３層で示す）、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層が蒸着形成された被覆工具が知られているが、被削材の種類、切削条件に応じて、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、耐摩耗性等の工具性能を高めるため、各種の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、ＷＣ基超硬合金基体の表面に、少なくとも１層のチタンの炭窒化物層を含むチタン化合物内層と、酸化アルミニウム外層とで構成された複合硬質層を被覆してなる切削工具において、前記チタン化合物内層を構成する少なくとも１層のチタンの炭窒化物層は、（２２０）面にＸ線回折による最大ピークが現れるＴｉＣＮ層であり、前記酸化アルミニウム外層は、κ型結晶を主体とし、かつＡＳＴＭにおいてκ−Ａｌ２Ｏ３の面間隔２．７９オングストロームの面として定義される面に最大ピークが現れる酸化アルミニウム層とすることにより、剥離、摩耗等による異常損傷の発生を防止し、工具寿命の向上を図ることが提案されている。
即ち、ＴｉＣＮ層は（２２０）面に配向することで、基体または下の層との密着力を増し、界面からの剥離が起きにくくなるため、剥離に起因する異常損傷の発生や寿命低下を抑えることができる。また、（２２０）面に配向したＴｉＣＮ層の上に、κ型結晶を主体としかつＡＳＴＭにおいてκ−Ａｌ２Ｏ３の面間隔２．７９オングストロームの面として定義される面に最大ピークが現れる酸化アルミニウム層を被覆すると、前記面間距離２．７９オングストロームに配向性を示すκ−Ａｌ２Ｏ３は被覆層表面が平滑であるために、切り屑と工具間の摩擦による異常損傷が生じにくくなり、この酸化アルミニウム層が異常損傷を起しにくく安定した耐摩耗性を示すというものである。
即ち、ＴｉＣＮ層は（２２０）面に配向することで、基体または下の層との密着力を増し、界面からの剥離が起きにくくなるため、剥離に起因する異常損傷の発生や寿命低下を抑えることができる。また、（２２０）面に配向したＴｉＣＮ層の上に、κ型結晶を主体としかつＡＳＴＭにおいてκ−Ａｌ２Ｏ３の面間隔２．７９オングストロームの面として定義される面に最大ピークが現れる酸化アルミニウム層を被覆すると、前記面間距離２．７９オングストロームに配向性を示すκ−Ａｌ２Ｏ３は被覆層表面が平滑であるために、切り屑と工具間の摩擦による異常損傷が生じにくくなり、この酸化アルミニウム層が異常損傷を起しにくく安定した耐摩耗性を示すというものである。
また、特許文献２には、工具基体表面に内層および外層を被覆形成した被覆工具において、内層を１０μｍ以上の厚みを有し柱状組織からなる炭窒化チタン層を有する多層構造とし、外層を、少なくともα型酸化アルミニウム層を含む層とし、前記炭窒化チタン層について、（４２２）面と（３１１）面との配向性指数ＴＣ（４２２）、ＴＣ（３１１）をともに１．３以上３以下とする配向性をもたせ、また、配向性指数ＴＣ（４２２）とＴＣ（３１１）とを除く配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）がすべて１．５以下とすることによって、被覆工具の耐剥離性、耐摩耗性、耐クレータ性、また、破壊強度を向上させることが提案されている。
ここで、炭窒化チタン層の配向性指数ＴＣ（４２２）、ＴＣ（３１１）をともに１．３以上とし、その組織を柱状組織とすることにより、１０μｍ以上の膜厚でも膜の耐破壊性を大きく向上させ耐摩耗性を向上させることが可能となり、また、切削中のチッピングによる摩耗の進行が抑制し得るとともに、切削中の被削材の溶着が起こりにくくなり、その結果、膜にかかる切削応力の増大が防げることから耐剥離性も大幅に向上するとされている。
ここで、炭窒化チタン層の配向性指数ＴＣ（４２２）、ＴＣ（３１１）をともに１．３以上とし、その組織を柱状組織とすることにより、１０μｍ以上の膜厚でも膜の耐破壊性を大きく向上させ耐摩耗性を向上させることが可能となり、また、切削中のチッピングによる摩耗の進行が抑制し得るとともに、切削中の被削材の溶着が起こりにくくなり、その結果、膜にかかる切削応力の増大が防げることから耐剥離性も大幅に向上するとされている。
また、特許文献３には、基体表面に、少なくとも１層の炭窒化チタン層を含む硬質被覆層を形成した被覆工具において、前記炭窒化チタン層の組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）のうちの配向性指数ＴＣ（２２０）を最大とし、また、硬度基準片の押し込み硬度をＨｓとし、炭窒化チタン層の押し込み硬度をＨｔとした場合、（Ｈｔの平均値）／Ｈｓ≧３、かつ、炭窒化チタン層の押し込み硬度の最大値をＨｔmax、最小値をＨｔminとした場合、（Ｈｔmax−Ｈｔmin）／（Ｈｔの平均値）＜０．５とし、炭窒化チタン層の結晶配向性を制御するとともに、該炭窒化チタン層の硬度のばらつきをなくすことにより、被覆工具の耐摩耗性および耐欠損性の向上を図ることが提案されている。
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い。これに伴い、切削加工は一段と高能率化すると共に、高切り込みや高送りなどの重切削、断続切削等で切れ刃に高負荷が作用する傾向にある。前述した従来の被覆工具を鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削、高速切削に用いた場合には問題はないが、従来の被覆工具を、高負荷が作用することにより、硬質被覆層が塑性変形を起こすような高負荷・低速切削加工条件に用いた場合には、硬質被覆層の塑性変形により、硬質被覆層を構成する結晶粒の脱落等が生じやすく、また、これに起因する異常摩耗が進行しやすく、これを原因として比較的短時間で工具寿命に至るという問題がある。
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、切れ刃に高負荷が作用し、硬質被覆層が塑性変形を起こしやすい高負荷・低速切削加工条件で使用した場合でも、硬質被覆層の異常損傷が発生しにくい硬質被覆層の構造について鋭意研究を行ったところ、工具基体表面に、少なくともＴｉ化合物層を含む硬質被覆層を形成し、さらに、Ｔｉ化合物層として、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含む層を形成し、該ＴｉＣＮ層の（２００）配向性を高めた場合には、高負荷（特に、ＴｉＣＮ層表面への大きなせん断力）が作用したとしても、ＴｉＣＮ層がすぐれた耐塑性変形性を有するため、ＴｉＣＮ層を構成する結晶粒の脱落等による異常損傷の発生を抑制し得ること、また、これにより耐摩耗性の向上を図り得ることを見出したのである。
また、前記ＴｉＣＮ層を、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織として形成した場合には、すぐれた耐塑性変形性に加え、柱状縦長組織によりもたらされる一段とすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。
また、前記ＴｉＣＮ層を、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織として形成した場合には、すぐれた耐塑性変形性に加え、柱状縦長組織によりもたらされる一段とすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。
本発明は、前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、硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、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から選ばれる１層または２層以上からなり、その内の少なくとも１層はＴｉの炭窒化物層で構成された２〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含み、
（ｂ）前記Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、（２００）面にＸ線回折による最大回折ピーク強度が現れ、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記Ｔｉ化合物層の縦断面において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が占める面積割合は、７０面積％以上であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記Ｔｉ化合物層において、すべてのＴｉの炭窒化物層の層厚が４〜１３μｍであることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
「（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、硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、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から選ばれる１層または２層以上からなり、その内の少なくとも１層はＴｉの炭窒化物層で構成された２〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含み、
（ｂ）前記Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、（２００）面にＸ線回折による最大回折ピーク強度が現れ、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記Ｔｉ化合物層の縦断面において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が占める面積割合は、７０面積％以上であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記Ｔｉ化合物層において、すべてのＴｉの炭窒化物層の層厚が４〜１３μｍであることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
次に、本発明の被覆工具について詳細に説明する。
本発明の被覆工具は、工具基体表面にＴｉ化合物層を含む硬質被覆層が形成され、Ｔｉ化合物層は少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、該ＴｉＣＮ層の少なくとも１層は、（２００）配向度の高いＴｉＣＮ層からなっている。
本発明の被覆工具は、工具基体表面にＴｉ化合物層を含む硬質被覆層が形成され、Ｔｉ化合物層は少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、該ＴｉＣＮ層の少なくとも１層は、（２００）配向度の高いＴｉＣＮ層からなっている。
硬質被覆層：
本発明被覆工具の硬質被覆層は、Ｔｉ化合物層（例えば、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層）を含み、Ｔｉ化合物層それ自身がすぐれた高温強度を有するとともに、工具基体表面との密着強度に優れるが、Ｔｉ化合物層の合計平均層厚が２μｍ未満の場合、前記作用を十分に発揮させることができない。
一方、Ｔｉ化合物層の合計平均層厚が１５μｍを越えるような場合には、切削加工時に作用する高負荷によって塑性変形を起し易くなり、その結果、結晶粒の脱落の発生、これによるチッピング、欠損、剥離の発生、あるいは偏摩耗の進行等の異常損傷発生の原因となる。
したがって、本発明では、Ｔｉ化合物層からなる下部層の合計平均層厚は２〜１５μｍと定めた。
本発明被覆工具の硬質被覆層は、Ｔｉ化合物層（例えば、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層）を含み、Ｔｉ化合物層それ自身がすぐれた高温強度を有するとともに、工具基体表面との密着強度に優れるが、Ｔｉ化合物層の合計平均層厚が２μｍ未満の場合、前記作用を十分に発揮させることができない。
一方、Ｔｉ化合物層の合計平均層厚が１５μｍを越えるような場合には、切削加工時に作用する高負荷によって塑性変形を起し易くなり、その結果、結晶粒の脱落の発生、これによるチッピング、欠損、剥離の発生、あるいは偏摩耗の進行等の異常損傷発生の原因となる。
したがって、本発明では、Ｔｉ化合物層からなる下部層の合計平均層厚は２〜１５μｍと定めた。
ＴｉＣＮ層：
本発明被覆工具の硬質被覆層のＴｉ化合物層は、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、該層は、（２００）配向性を有するＴｉＣＮ層として構成される。
すなわち、前記少なくとも１層のＴｉＣＮ層を構成する結晶粒について、Ｘ線回折により各格子面からの回折ピーク強度を測定した場合、（２００）面に最大の回折ピーク強度が現れる（２００）配向性を有する。
図１に、本発明被覆工具のＴｉＣＮ層について、Ｘ線回折により測定した各格子面からの回折ピーク強度のチャートの一例を示す。
図１からも明らかなように、本発明被覆工具のＴｉＣＮ層は、（２００）面についての回折ピーク強度が、他の格子面からの回折ピーク強度に比べると最大のピーク強度を示していることがわかる。
なお、Ｘ線回折は、Ｘ線回折装置としてスペクトリス社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｅｍｐｙｒｅａｎを用いて、ＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定し、測定条件として、測定範囲（２θ）：３０〜１３０度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐという条件で測定した。
本発明被覆工具の硬質被覆層のＴｉ化合物層は、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、該層は、（２００）配向性を有するＴｉＣＮ層として構成される。
すなわち、前記少なくとも１層のＴｉＣＮ層を構成する結晶粒について、Ｘ線回折により各格子面からの回折ピーク強度を測定した場合、（２００）面に最大の回折ピーク強度が現れる（２００）配向性を有する。
図１に、本発明被覆工具のＴｉＣＮ層について、Ｘ線回折により測定した各格子面からの回折ピーク強度のチャートの一例を示す。
図１からも明らかなように、本発明被覆工具のＴｉＣＮ層は、（２００）面についての回折ピーク強度が、他の格子面からの回折ピーク強度に比べると最大のピーク強度を示していることがわかる。
なお、Ｘ線回折は、Ｘ線回折装置としてスペクトリス社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｅｍｐｙｒｅａｎを用いて、ＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定し、測定条件として、測定範囲（２θ）：３０〜１３０度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐという条件で測定した。
さらに、前記少なくとも１層のＴｉＣＮ層について、配向性指数Ｔｃ（ｈｋｌ）を求めた場合、本発明被覆工具ではＴｃ（２００）の値が２．０以上、好ましくは、３．０以上、を示す（２００）配向性を有する。
なお、配向性指数Ｔｃ（ｈｋｌ）とは、以下の式で定義されるものである。
上記式中、Ｉ（ｈｋｌ）は測定された（ｈｋｌ）面のピーク強度（回折強度）を示し、Ｉ０（ｈｋｌ）はＪＣＰＤＳカード（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ（粉末Ｘ線回折標準））で表される（ｈｋｌ）面を構成するＴｉＣとＴｉＮの粉末回折強度の平均値を示す。また、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（２２２）、（３３１）、（４２０）、（４２２）の８面であり、上記式の中括弧内は８面の平均値を示す。
なお、配向性指数Ｔｃ（ｈｋｌ）とは、以下の式で定義されるものである。
上記式中、Ｉ（ｈｋｌ）は測定された（ｈｋｌ）面のピーク強度（回折強度）を示し、Ｉ０（ｈｋｌ）はＪＣＰＤＳカード（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ（粉末Ｘ線回折標準））で表される（ｈｋｌ）面を構成するＴｉＣとＴｉＮの粉末回折強度の平均値を示す。また、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（２２２）、（３３１）、（４２０）、（４２２）の８面であり、上記式の中括弧内は８面の平均値を示す。
本発明被覆工具の少なくとも１層のＴｉＣＮ層は、前記したように(２００)面にＸ線回折による最大ピーク強度を示し、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）≧２．０という（２００）配向性を有することによって、切削加工時にＴｉＣＮ層に大きなせん断力が作用した場合でも、ＴｉＣＮ層は耐塑性変形性を有するため、該層を構成する結晶粒の脱落の発生、これによるチッピング、欠損、剥離の発生、あるいは、偏摩耗の進行等の異常損傷の発生を抑制することができ、また、これにより耐摩耗性を向上させることができる。
しかし、(２００)面についてのＸ線回折ピーク強度が、他の格子面からの回折ピーク強度に比して最大であるといえない場合、あるいは、配向性指数Ｔｃ（２００）が４．０未満であるような場合には、（２００）面配向性が十分でないため、耐塑性変形性向上効果が十分でなく、その結果、高負荷（高せん断力）が作用した場合の粒子の脱落防止、チッピング・欠損の発生、偏摩耗の発生を抑制することができない。
したがって、本発明では、Ｔｉ化合物層の内の少なくとも１層のＴｉＣＮ層について測定した（２００）面のＸ線回折ピーク強度が、他の結晶格子面のピーク強度に比して最大であることとし、また、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上、好ましくは、３．０以上であると定めた。
しかし、(２００)面についてのＸ線回折ピーク強度が、他の格子面からの回折ピーク強度に比して最大であるといえない場合、あるいは、配向性指数Ｔｃ（２００）が４．０未満であるような場合には、（２００）面配向性が十分でないため、耐塑性変形性向上効果が十分でなく、その結果、高負荷（高せん断力）が作用した場合の粒子の脱落防止、チッピング・欠損の発生、偏摩耗の発生を抑制することができない。
したがって、本発明では、Ｔｉ化合物層の内の少なくとも１層のＴｉＣＮ層について測定した（２００）面のＸ線回折ピーク強度が、他の結晶格子面のピーク強度に比して最大であることとし、また、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上、好ましくは、３．０以上であると定めた。
Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉＣＮ層は、柱状縦長組織を有していることが好ましい。
特に、ＴｉＣＮ結晶粒の最大粒子幅Ｗと層厚方向の最大粒子長さＬから求められるアスペクト比が５以上である柱状縦長ＴｉＣＮ結晶粒の占める面積割合が、ＴｉＣＮ層の縦断面面積の７０面積％以上を占める場合には、柱状縦長組織の特徴である耐摩耗性向上効果を期待することができる。
なお、前記最大粒子幅Ｗ、最大粒子長さＬとは、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶粒について、ＴｉＣＮ層の縦断面における１つの結晶粒を計測したとき、層厚方向に垂直な方向の結晶粒の幅（短辺）で最も大きい値を最大粒子幅Ｗと呼び、一方、層厚方向の結晶粒の高さ（長辺）で最も大きい値を最大粒子長さＬと呼ぶ。
また、ＴｉＣＮ層の層厚について特に限定するものではないが、Ｔｉ化合物層を構成するすべてのＴｉＣＮ層の層厚が４〜１３μｍであることが望ましい。
これは、ＴｉＣＮ層の層厚が４μｍ以上になると、Ｔｃ（２００）の値が大きくなる傾向を示し、高負荷切削加工における耐塑性変形性が向上するとともに、逃げ面摩耗量も減少し耐摩耗性が向上するからであり、一方、ＴｉＣＮ層の層厚が１３μｍを超えると、塑性変形を起し易くなり、偏摩耗の進行による異常損傷が発生するという理由による。
特に、ＴｉＣＮ結晶粒の最大粒子幅Ｗと層厚方向の最大粒子長さＬから求められるアスペクト比が５以上である柱状縦長ＴｉＣＮ結晶粒の占める面積割合が、ＴｉＣＮ層の縦断面面積の７０面積％以上を占める場合には、柱状縦長組織の特徴である耐摩耗性向上効果を期待することができる。
なお、前記最大粒子幅Ｗ、最大粒子長さＬとは、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶粒について、ＴｉＣＮ層の縦断面における１つの結晶粒を計測したとき、層厚方向に垂直な方向の結晶粒の幅（短辺）で最も大きい値を最大粒子幅Ｗと呼び、一方、層厚方向の結晶粒の高さ（長辺）で最も大きい値を最大粒子長さＬと呼ぶ。
また、ＴｉＣＮ層の層厚について特に限定するものではないが、Ｔｉ化合物層を構成するすべてのＴｉＣＮ層の層厚が４〜１３μｍであることが望ましい。
これは、ＴｉＣＮ層の層厚が４μｍ以上になると、Ｔｃ（２００）の値が大きくなる傾向を示し、高負荷切削加工における耐塑性変形性が向上するとともに、逃げ面摩耗量も減少し耐摩耗性が向上するからであり、一方、ＴｉＣＮ層の層厚が１３μｍを超えると、塑性変形を起し易くなり、偏摩耗の進行による異常損傷が発生するという理由による。
Ｔｉ化合物層の成膜：
この発明における下部層のＴｉ化合物層は、例えば、以下のようにして形成する。即ち、通常の化学蒸着装置を使用して、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層およびＴｉＡｌＮ層のうちの１層または２層以上からなる種々のＴｉ化合物層を蒸着形成する。
その中で、（２００）配向性の高いＴｉＣＮ層、あるいは、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が、Ｔｉ化合物層の縦断面の７０面積％以上を占めるＴｉＣＮ層は、例えば、以下の蒸着方法によって形成することができる。
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ４ １〜５％、ＣＨ３ＣＮ ０．５〜１．５％、Ｎ２ ２５〜４０％、残部Ｈ２、
反応雰囲気温度：７５０〜８５０℃、
反応雰囲気圧力：５〜１０ｋＰａ
反応雰囲気温度を低温にし、ＴｉＣＮ層の原料となるガス濃度比を低くすることで、（２００）配向性の高い結晶組織が形成しやすくなり、またその組織は柱状縦長組織を有しやすくなる。
また、ＴｉＮ層の形成時に、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＮＨ３ ０．５〜２．０％，ＴｉＣｌ４ ０．１〜０．３％、Ｎ２ ０〜１０％、残部Ｈ２、
反応雰囲気温度：７５０〜８５０℃、
反応雰囲気圧力：５〜８ｋＰａ
のような条件で作成することで、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒を形成しやすくなる。
この発明における下部層のＴｉ化合物層は、例えば、以下のようにして形成する。即ち、通常の化学蒸着装置を使用して、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層およびＴｉＡｌＮ層のうちの１層または２層以上からなる種々のＴｉ化合物層を蒸着形成する。
その中で、（２００）配向性の高いＴｉＣＮ層、あるいは、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が、Ｔｉ化合物層の縦断面の７０面積％以上を占めるＴｉＣＮ層は、例えば、以下の蒸着方法によって形成することができる。
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ４ １〜５％、ＣＨ３ＣＮ ０．５〜１．５％、Ｎ２ ２５〜４０％、残部Ｈ２、
反応雰囲気温度：７５０〜８５０℃、
反応雰囲気圧力：５〜１０ｋＰａ
反応雰囲気温度を低温にし、ＴｉＣＮ層の原料となるガス濃度比を低くすることで、（２００）配向性の高い結晶組織が形成しやすくなり、またその組織は柱状縦長組織を有しやすくなる。
また、ＴｉＮ層の形成時に、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＮＨ３ ０．５〜２．０％，ＴｉＣｌ４ ０．１〜０．３％、Ｎ２ ０〜１０％、残部Ｈ２、
反応雰囲気温度：７５０〜８５０℃、
反応雰囲気圧力：５〜８ｋＰａ
のような条件で作成することで、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒を形成しやすくなる。
本発明の被覆工具によれば、工具基体の表面に形成されたＴｉ化合物層を含む硬質被覆層は、Ｔｉ化合物層として少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、かつ、該ＴｉＣＮ層の内の少なくとも１つの層は、（２００）面にＸ線回折による最大回折ピーク強度が現れ、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上である（２００）配向性を有するため、すぐれた耐塑性変形性を備える。
その結果、ＴｉＣＮ層表面への大きなせん断力が作用する高負荷・低速切削加工条件で使用した場合でも、本発明被覆工具は、ＴｉＣＮ層の備えるすぐれた耐塑性変形性によって、結晶粒の脱落、チッピング・欠損・剥離等の異常損傷の発生を抑制することができ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
さらに、Ｔｉ化合物層において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒の面積割合が、下部層の縦断面の７０面積％以上であることによって、耐摩耗性をより向上させることができ、切削工具の長寿命化を図ることができる。
その結果、ＴｉＣＮ層表面への大きなせん断力が作用する高負荷・低速切削加工条件で使用した場合でも、本発明被覆工具は、ＴｉＣＮ層の備えるすぐれた耐塑性変形性によって、結晶粒の脱落、チッピング・欠損・剥離等の異常損傷の発生を抑制することができ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
さらに、Ｔｉ化合物層において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒の面積割合が、下部層の縦断面の７０面積％以上であることによって、耐摩耗性をより向上させることができ、切削工具の長寿命化を図ることができる。
本発明の被覆工具の実施形態について、実施例に基づいて具体的に説明する。
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、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、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体ａ〜ｄ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、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、Ｍｏ2Ｃ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：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ｅを作製した。
ついで、これらの工具基体ａ〜ｄおよび工具基体ｅのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、表３、表４に示される条件で、表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層を蒸着形成することにより、表６に示される本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
なお、表３で示すＨＴ−ＴｉＣＮ層は、段落００１６で示したＴｉＣＮ層よりも反応雰囲気温度が高温で作製したＴｉＣＮ層を示す。
また、表３において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織の結晶粒が形成されやすいＴｉ化合物層の成膜条件は、ＴｉＮ層−１（第１層）とＴｉＡｌＮ層である。
なお、表３で示すＨＴ−ＴｉＣＮ層は、段落００１６で示したＴｉＣＮ層よりも反応雰囲気温度が高温で作製したＴｉＣＮ層を示す。
また、表３において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織の結晶粒が形成されやすいＴｉ化合物層の成膜条件は、ＴｉＮ層−１（第１層）とＴｉＡｌＮ層である。
また、比較の目的で、工具基体ａ〜ｄおよび工具基体ｅのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、表３、表５に示される条件で、表７に示される目標層厚のＴｉ化合物層を蒸着形成することにより、表７に示される比較例被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
本発明被覆工具１〜１３および比較被覆工具１〜１３のＴｉ化合物層のＴｉＣＮ層について、Ｘ線回折により、各格子面からの回折ピーク強度を測定した。
図１に、本発明被覆工具１について求めたチャートを示す。
なお、Ｘ線回折は、装置としてスペクトリス社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｅｍｐｙｒｅａｎを用い、ＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定した。
測定条件は、測定範囲（２θ）：３０〜１３０度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐである。
上記で求めたチャートから、（２００）面からの回折ピーク強度が、他の格子面からの回折ピーク強度に対して最大であるか否かを判定した。
表６、表７に、その判定結果を示す。
図１に、本発明被覆工具１について求めたチャートを示す。
なお、Ｘ線回折は、装置としてスペクトリス社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｅｍｐｙｒｅａｎを用い、ＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定した。
測定条件は、測定範囲（２θ）：３０〜１３０度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐである。
上記で求めたチャートから、（２００）面からの回折ピーク強度が、他の格子面からの回折ピーク強度に対して最大であるか否かを判定した。
表６、表７に、その判定結果を示す。
また、上記回折ピーク強度の測定結果に基づき、配向性指数Ｔｃ（２００）を求めた。
配向性指数Ｔｃ（２００）は、
の式によって算出した。
ここで、Ｉ（ｈｋｌ）は測定された（ｈｋｌ）面の回折ピーク強度を示し、Ｉ０（ｈｋｌ）はＪＣＰＤＳカード（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ（粉末Ｘ線回折標準））で表される（ｈｋｌ）面を構成するＴｉＣとＴｉＮの粉末回折強度の平均値を示す。また、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（２２２）、（３３１）、（４２０）、（４２２）の８面である。
表６、表７に、上記で算出した配向性指数Ｔｃ（２００）の値を示す。
配向性指数Ｔｃ（２００）は、
の式によって算出した。
ここで、Ｉ（ｈｋｌ）は測定された（ｈｋｌ）面の回折ピーク強度を示し、Ｉ０（ｈｋｌ）はＪＣＰＤＳカード（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ（粉末Ｘ線回折標準））で表される（ｈｋｌ）面を構成するＴｉＣとＴｉＮの粉末回折強度の平均値を示す。また、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（２２２）、（３３１）、（４２０）、（４２２）の８面である。
表６、表７に、上記で算出した配向性指数Ｔｃ（２００）の値を示す。
また、本発明被覆工具１〜１３および比較被覆工具１〜１３の下部層のＴｉＣＮ層の縦断面について、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて、工具基体と平行な方向に１０μｍ、工具基体と垂直な方向にＴｉＣＮ層の層厚分の高さの領域内に存在するＴｉＣＮ結晶粒のそれぞれについて最大粒子幅Ｗ、最大粒子長さＬを測定するとともに、アスペクト比Ｌ／Ｗの値を求め、アスペクト比Ｌ／Ｗが５以上である結晶粒が、ＴｉＣＮ層の縦断面に占める面積割合を求めた。
表６、表７に、上記で求めた面積割合を示す。
表６、表７に、上記で求めた面積割合を示す。
また、本発明被覆工具１〜１３、比較例被覆工具１〜１３の硬質被覆層の各構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（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、本発明被覆工具１〜１３、比較例被覆工具１〜１３の各種の被覆工具について、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、次の切削条件Ａ、切削条件Ｂで切削試験を実施した。
≪切削条件Ａ≫
被削材：ＳＵＳ６３０，
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ，
切り込み：３．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切削時間：５分間
の条件でのステンレス鋼丸棒の乾式連続高切り込み切削試験、
≪切削条件Ｂ≫
被削材：ＳＵＳ３０４，
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ，
切り込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ，
切削時間：５分間
の条件でのステンレス鋼４本スリット材の乾式断続切削試験、
上記の切削試験における切れ刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷の発生状況を肉眼で観察した。
表８、表９に、この試験結果を示す。
≪切削条件Ａ≫
被削材：ＳＵＳ６３０，
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ，
切り込み：３．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切削時間：５分間
の条件でのステンレス鋼丸棒の乾式連続高切り込み切削試験、
≪切削条件Ｂ≫
被削材：ＳＵＳ３０４，
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ，
切り込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ，
切削時間：５分間
の条件でのステンレス鋼４本スリット材の乾式断続切削試験、
上記の切削試験における切れ刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷の発生状況を肉眼で観察した。
表８、表９に、この試験結果を示す。
表８、表９に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、硬質被覆層のＴｉ化合物層として、耐塑性変形性にすぐれるＴｉＣＮ層が存在するため、ＴｉＣＮ結晶粒の脱落、これを原因とするチッピング、欠損、剥離の発生もなく、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、比較例被覆工具１〜１３は、高負荷・低速切削加工においては、ＴｉＣＮ結晶粒の脱落、チッピング・欠損・剥離等の異常損傷の発生により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
これに対して、比較例被覆工具１〜１３は、高負荷・低速切削加工においては、ＴｉＣＮ結晶粒の脱落、チッピング・欠損・剥離等の異常損傷の発生により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
前述のように、本発明の被覆工具は、切れ刃に高負荷(大きなせん断力)が作用する高負荷・低速切削において特にすぐれた切削性能を発揮するが、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削にも勿論用いることができる。
Claims (3)
- 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、硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、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から選ばれる１層または２層以上からなり、その内の少なくとも１層はＴｉの炭窒化物層で構成された２〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含み、
（ｂ）前記Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、（２００）面にＸ線回折による最大回折ピーク強度が現れ、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記Ｔｉ化合物層の縦断面において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が占める面積割合は、７０面積％以上であ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。
- 前記Ｔｉ化合物層において、すべてのＴｉの炭窒化物層の層厚が４〜１３μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
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