JP2018183862A - 被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって工具寿命を延長することができる被覆切削工具の提供。【解決手段】基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備え、すくい面と逃げ面とを有し、被覆層がα型酸化アルミニウム層を含み、α型酸化アルミニウム層が、基材とは反対側に、すくい面である又はすくい面と略平行な面である第１の界面と、逃げ面である又は逃げ面と略平行な面である第２の界面と、第１の界面と第２の界面との交差稜線部とを有し、α型酸化アルミニウム層が、−６００≦σ１１≦３００、−９００≦σ２２≦２５０、及びσ１１＞σ２２を満足する被覆切削工具。（式中、σ１１は交差稜線部と平行な方向の残留応力値（ＭＰａ）を表し、σ２２は交差稜線部と直交する方向の残留応力値（ＭＰａ）を表し、各残留応力値は２Ｄ法により測定された値である。）【選択図】図１

Description

本発明は、被覆切削工具に関する。

従来、超硬合金からなる基材の表面に化学蒸着法により３〜２０μｍの総膜厚で被覆層を蒸着形成してなる被覆切削工具が、鋼や鋳鉄等の切削加工に用いられている。上記の被覆層としては、例えば、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物及び炭窒酸化物並びに酸化アルミニウムからなる群より選ばれる１種の単層又は２種以上の複層からなる被覆層が知られている。

特許文献１では、基材と、基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、被膜は、ＴｉＣＮからなる第１被膜と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜とを含み、第１被膜は、引張応力Ｓ１を有し、第２被膜は、圧縮応力Ｓ２を有するとともに、引張応力Ｓ１と圧縮応力Ｓ２とが４００ＭＰａ≦｜Ｓ２−Ｓ１｜≦３５００ＭＰａの関係を満たす表面被覆切削工具が開示されている。

特許文献２では、基材と、基材上に形成された被膜とを備え、被膜は、ＴｉＣＮからなる第１被膜と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜とを含み、第１被膜は、引張応力を有するか、または引張応力が解放されて実質的に応力を有しておらず、第２被膜は、すくい面において圧縮応力Ｓ１を有し、逃げ面において引張応力Ｓ２を有するとともに、圧縮応力Ｓ１と引張応力Ｓ２とが４４１ＭＰａ≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦３５００ＭＰａの関係を満たす表面被覆切削工具が開示されている。

特許４７３９２３５号公報 特許４７３９２３６号公報

近年の切削加工では高速化や高送り化及び深切り込み化がより顕著となり、加工中に工具にかかる負荷により、切削部と非切削部との境界に生じるチッピングに起因した工具の欠損が多々見られるようになっている。

この様な背景により、上記の特許文献１及び特許文献２に開示された工具では、被覆切削工具に大きな負荷が作用する切削加工条件下において、耐欠損性が不十分であり、さらなる寿命向上が求められる。

本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有し、工具寿命を延長できる被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、上述の観点から、被覆切削工具の工具寿命の延長について研究を重ね、下記の知見を得た。すなわち、α型酸化アルミニウム層の残留応力を所定の値にすることを含む以下の構成にすると、耐摩耗性を低下させることなく、切削部と非切削部との境界におけるチッピングの発生を抑制する。これにより、工具の耐欠損性を向上させることができ、その結果、工具寿命を延長することが可能になる。本発明者は、このような知見を得て、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は下記のとおりである。
［１］基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、前記被覆切削工具が、すくい面と、逃げ面とを有し、前記被覆層が、α型酸化アルミニウム層を含み、前記α型酸化アルミニウム層が、前記基材とは反対側に、前記すくい面である又は前記すくい面と略平行な面である第１の界面と、前記逃げ面である又は前記逃げ面と略平行な面である第２の界面と、前記第１の界面と前記第２の界面との交差稜線部とを有し、前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）で表される条件を満足する、被覆切削工具。
−６００≦σ１１≦３００…（Ａ）
−９００≦σ２２≦２５０…（Ｂ）
σ１１＞σ２２…（Ｃ）
（上記式中、σ１１は、前記交差稜線部と平行な方向の残留応力値（単位：ＭＰａ）を表し、σ２２は、前記交差稜線部と直交する方向の残留応力値（単位：ＭＰａ）を表し、各前記残留応力値は、多軸応力測定法又はフルデバイリングフィッティング法により測定された値である。）
［２］各前記残留応力値が、前記交差稜線部から前記第１の界面に向かって、５０μｍ離れた位置のα型酸化アルミニウム層で測定された値である、上記被覆切削工具。
［３］σ１１が、−６００ＭＰａ以上０ＭＰａ以下であり、σ２２が、−９００ＭＰａ以上−１００ＭＰａ以下である、上記被覆切削工具。
［４］前記α型酸化アルミニウム層において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、４．０以上８．４以下である、上記被覆切削工具。
（式（１）中、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、前記α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（０，１，８）、（２，１，４）、（３，０，０）及び（０，０，１２）の９つの結晶面を指す。）
［５］前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ｄ）で表される条件を満足する、上記被覆切削工具。
σ１１−σ２２＞１００…（Ｄ）
［６］前記α型酸化アルミニウム層の平均厚さが、１．０μｍ以上１５．０μｍ以下である、上記被覆切削工具。
［７］前記被覆層が、前記基材と前記α型酸化アルミニウム層との間に、炭窒化チタンからなる炭窒化チタン層を含み、前記炭窒化チタン層の平均厚さが、１．０μｍ以上２０．０μｍ以下である、上記被覆切削工具。
［８］前記被覆層が、前記炭窒化チタン層と前記α型酸化アルミニウム層との間に、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選択される少なくとも１種の化合物からなる中間層を備える、上記被覆切削工具。
［９］前記中間層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下である、上記被覆切削工具。
［１０］前記被覆層の平均厚さが、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下である、上記被覆切削工具。
［１１］前記被覆層が、前記α型酸化アルミニウム層の表面上に最外層として、窒化チタンからなる窒化チタン層を備える、上記被覆切削工具。
［１２］前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、上記被覆切削工具。

本発明によると、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって工具寿命を延長できる被覆切削工具を提供することができる。

本発明の被覆切削工具の一例を部分的に示す断面模式図である。 本発明の被覆切削工具の一例を示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

本実施形態の被覆切削工具は、基材と、基材の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面とを有し、被覆層は、α型酸化アルミニウム層を含み、α型酸化アルミニウム層は、基材とは反対側に、すくい面である又はすくい面と略平行な面である第１の界面と、逃げ面である又は逃げ面と略平行な面である第２の界面と、第１の界面と第２の界面との交差稜線部とを有し、α型酸化アルミニウム層は、下記式（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）で表される条件を満足する。α型酸化アルミニウム層が最外層である場合の「界面」は、α型酸化アルミニウム層の表面を意味する。よって、第１の界面はすくい面であり、第２の界面は逃げ面である。一方、α型酸化アルミニウム層上に他の層が最外層として形成される場合の「界面」は、α型酸化アルミニウム層と最外層との界面を意味する。よって、第１の界面はすくい面と略平行な面であり、第２の界面は逃げ面と略平行な面である。本明細書にいう「略平行」とは、すくい面の面方向と第１の界面の面方向との角度が０〜１°であり、逃げ面の面方向と第２の界面の面方向との角度が０〜１°であることをいう。
−６００≦σ１１≦３００…（Ａ）
−９００≦σ２２≦２５０…（Ｂ）
σ１１＞σ２２…（Ｃ）
ここで、上記式中、σ１１は、交差稜線部と平行な方向の残留応力値（単位：ＭＰａ）を表し、σ２２は、交差稜線部と直交する方向（σ１１と直交する方向）の残留応力値（単位：ＭＰａ）を表し、各残留応力値は、多軸応力測定法又はフルデバイリングフィッティング法（以下、まとめて「２Ｄ法」とも表記する。）により測定された値である。なお、σ２２は、交差稜線部と直交する方向の残留応力値であるが、ここでいう「直交する方向」は、交差稜線部から第１の界面に向かう方向を意味する。

本実施形態の被覆切削工具は、α型酸化アルミニウム層が式（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）で表される条件を満足することにより、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有する。この要因は、以下のように考えられるが、要因は以下のものに限定されない。
（１）σ１１が−６００ＭＰａ以上であると、α型酸化アルミニウム層の粒子破壊を伴う過度な圧縮応力が抑制されることに起因して、粒子の脱落による摩耗の進行を抑制でき、その結果、耐摩耗性が向上する。また、σ１１が３００ＭＰａ以下であると、亀裂の発生又は進展につながる過度な引張応力が抑制されることに起因して、切削加工中に発生した亀裂が進展するのを抑制でき、その結果、耐欠損性が向上する。
（２）σ２２が−９００ＭＰａ以上であると、α型酸化アルミニウム層の粒子破壊を伴う過度な圧縮応力が抑制されることに起因して、粒子の脱落による摩耗の進行を抑制でき、その結果、耐摩耗性が向上する。また、σ２２が２５０ＭＰａ以下であると、亀裂の発生又は進展につながる過度な引張応力が抑制されることに起因して、チッピングのサイズを小さくすることができ、その結果、耐欠損性が向上する。
（３）σ１１＞σ２２であると、交差稜線部と直交する方向への微小な亀裂の進展を抑制できることに起因して、被覆切削工具における切削部と非切削部との境界に生じる損傷を抑制でき、その結果、耐欠損性が向上する。

図１は、本実施形態の被覆切削工具の一例を部分的に示す断面模式図である。被覆切削工具８は、基材１と、基材１の表面上に形成された被覆層７とを備える。被覆層７では、最下層２、炭窒化チタン層３、中間層４、α型酸化アルミニウム層５及び最外層６がこの順序で基材側から積層されている。図２は、本実施形態の被覆切削工具の一例を示す斜視図である。図２に示す被覆切削工具８は、図１に示す被覆切削工具８と同一であるが、説明の便宜上、最外層６については図示していない。図２の被覆切削工具８は、第１の界面９と、第２の界面１０と、第１の界面９と第２の界面１０との交差稜線部１１とを有する。この例では、説明の便宜上、σ１１が交差稜線部１１と平行な方向と直交する方向の残留応力値を表し、σ２２が交差稜線部１１と直交する方向の残留応力値を表す。

本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材の表面上に形成された被覆層とを備える。被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面とを有する。被覆切削工具の種類としては、具体的には、フライス加工用若しくは旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル及びエンドミルが挙げられる。

本実施形態における基材は、被覆切削工具の基材として用いられるものであれば、特に限定されない。そのような基材としては、例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体及び高速度鋼が挙げられる。それらの中でも、基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかであると、耐摩耗性及び耐欠損性に更に優れるので好ましい。同様の観点から、基材が超硬合金であるとより好ましい。

なお、基材は、その表面が改質されたものであってもよい。例えば、基材が超硬合金からなるものである場合、その表面に脱β層が形成されてもよい。また、基材がサーメットからなるものである場合、その表面に硬化層が形成されてもよい。これらのように基材の表面が改質されていても、本発明の作用効果は奏される。

本実施形態における被覆層の平均厚さは、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下であることが好ましい。平均厚さが３．０μｍ以上であると、耐摩耗性が更に向上する傾向にあり、３０．０μｍ以下であると、被覆層の基材との密着性及び耐欠損性が更に向上する傾向にある。同様の観点から、被覆層の平均厚さは、５．０μｍ以上２７．０μｍ以下であるとより好ましく、９．０μｍ以上２５．０μｍ以下であると更に好ましい。

本実施形態における被覆層は、少なくとも１層のα型酸化アルミニウム層を含む。α型酸化アルミニウム層は、上記式（Ａ）で表される条件を満足する。σ１１が−６００ＭＰａ以上であると、粒子の脱落による摩耗の進行を抑制できるため、耐摩耗性が向上し、σ１１が３００ＭＰａ以下であると、切削加工中に発生した亀裂が進展するのを抑制することができるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。同様の観点から、σ１１は、−６００ＭＰａ以上０ＭＰａ以下であると好ましい。

本実施形態におけるα型酸化アルミニウム層は、上記式（Ｂ）で表される条件を満足する。σ２２は、−９００ＭＰａ以上であると、粒子の脱落による摩耗の進行を抑制できるため、耐摩耗性が向上し、σ２２が２５０ＭＰａ以下であると、チッピングのサイズを小さくすることができるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。同様の観点から、σ２２は、−９００ＭＰａ以上−１００ＭＰａ以下であると好ましい。

本実施形態のα型酸化アルミニウム層は、上記式（Ｃ）で表される条件を満足する。σ１１＞σ２２の関係を満足すると、切削部と非切削部との境界に生じる損傷を抑制することができるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。同様の観点から、本実施形態のα型酸化アルミニウム層は、下記式（Ｄ）で表される条件を満足することが好ましい。
σ１１−σ２２＞１００…（Ｄ）

本実施形態のα型酸化アルミニウム層における各残留応力値σ１１及びσ２２は、多軸応力測定法又はフルデバイリングフィッティング法を用いて測定される。また、α型酸化アルミニウム層の残留応力値の測定には、Ｘ線回折における（１１６）面のピーク強度を用いる。Ｘ線回折測定の条件としては、Ｘ線の線源としてＣｕＫα線を用い、出力＝５０ｋＶ、１．０ｍＡの条件で照射して各残留応力値の測定を行う。このとき、各残留応力値σ１１及びσ２２は、交差稜線部から第１の界面に向かって、５０μｍ離れた位置のα型酸化アルミニウム層で測定された値であることが好ましい。また、α型酸化アルミニウム層の任意の３点における残留応力を２Ｄ法により測定し、これら３点の残留応力の相加平均値を求めることが好ましい。本実施形態では、例えば、上記α型酸化アルミニウム層の第１の界面において、交差稜線部から５０μｍ離れた位置において測定される残留応力値σ１１及びσ２２を所定の数値範囲に定め、かつ、σ１１とσ２２の相互の関係を規定している。

本実施形態のα型酸化アルミニウム層において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が４．０以上８．４以下であることが好ましい。組織係数ＴＣ（０，０，１２）が４．０以上になると、（０，０，１２）面のピーク強度Ｉ（０，０，１２）の比率が高くなり、その結果、粒子の脱落を抑制する傾向にあり、耐摩耗性に優れる傾向にある。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層における組織係数ＴＣ（０，０，１２）は、５．０以上であるとより好ましく、６．０以上であると更に好ましい。また、その組織係数ＴＣ（０，０，１２）は、８．２以下であることがより好ましい。

ここで、式（１）において、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（０，１，８）、（２，１，４）、（３，０，０）及び（０，０，１２）の９つの結晶面を指す。よって、Ｉ（０，０，１２）は、α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（０，０，１２）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（０，０，１２）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（０，０，１２）面の標準回折強度を示す。

本実施形態のα型酸化アルミニウム層の平均厚さは、１．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。α型酸化アルミニウム層の平均厚さが、１．０μｍ以上であると、被覆切削工具のすくい面における耐クレータ摩耗性が更に向上する傾向にあり、１５．０μｍ以下であると被覆層の剥離がより抑制され、被覆切削工具の耐欠損性が更に向上する傾向にある。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層の平均厚さは、１．５μｍ以上１２．０μｍ以下であることがより好ましく、３．０μｍ以上１０．０μｍ以下であることが更に好ましい。

本実施形態の被覆層は、基材とα型酸化アルミニウム層との間に、炭窒化チタンからなる炭窒化チタン層を備えることにより、耐摩耗性が更に向上するため好ましい。本実施形態の炭窒化チタン層の平均厚さは、１．０μｍ以上２０．０μｍ以下であることが好ましい。炭窒化チタン層の平均厚さが１．０μｍ以上であると、被覆切削工具の耐摩耗性が更に向上する傾向にあり、２０μｍ以下であると被覆層の剥離が更に抑制され、被覆切削工具の耐欠損性が更に向上する傾向にある。同様の観点から、炭窒化チタン層の平均厚さは、５．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることがより好ましい。

本実施形態の被覆層は、炭窒化チタン層とα型酸化アルミニウム層との間に、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選択される少なくとも１種の化合物からなる中間層を備えると、密着性が更に向上するため好ましい。中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。中間層の平均厚さが０．１μｍ以上であると、密着性が更に向上する傾向にあり、１．５μｍ以下であるとα型酸化アルミニウム層における（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が更に大きくなる傾向になる。

本実施形態の被覆層は、α型酸化アルミニウム層の表面上に最外層として窒化チタンからなる窒化チタン層を備えると、被覆切削工具の使用の有無等の使用状態を確認することができ、視認性に優れるので好ましい。窒化チタン層の平均厚さは、０．２μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。窒化チタン層の平均厚さが０．２μｍ以上であると、α型酸化アルミニウム層の粒子が脱落するのを一層抑制する効果があり、１．０μｍ以下であると被覆切削工具の耐欠損性が向上するので、好ましい。ただし、本実施形態の被覆層は、最外層を備えなくてもよい。

本実施形態の被覆層は、基材と炭窒化チタン層との間に、被覆層における最下層として窒化チタンからなる窒化チタン層又は炭化チタンからなる炭化チタン層を備えると、密着性が向上するため好ましい。最下層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。最下層の平均厚さが０．１μｍ以上であると、最下層がより均一な組織になり、密着性が更に向上する傾向にある。一方、最下層の平均厚さが０．５μｍ以下であると、最下層が剥離の起点となることが抑制されるため、耐欠損性が更に高まる傾向にある。

本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の形成方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。ただし、各層の形成方法はこれに限定されない。

例えば、最下層としての窒化チタンからなる層であるＴｉＮ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８５０〜９２０℃、圧力を１００〜４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

最下層としての炭化チタンからなる層であるＴｉＣ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：２．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＨ₄：４．０〜６．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９８０〜１０２０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

炭窒化チタンからなる層であるＴｉＣＮ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：８．０〜１８．０ｍｏｌ％、ＣＨ₃ＣＮ：１．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８４０〜８９０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉの炭窒酸化物からなる層であるＴｉＣＮＯ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９７５〜１０２５℃、圧力を９０〜１１０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉの炭酸化物からなる層であるＴｉＣＯ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：０．５〜１．５ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９７５〜１０２５℃、圧力を６０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

最外層としての窒化チタンからなるＴｉＮ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９８０〜１０２０℃、圧力を１００〜４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

本実施形態において、α型酸化アルミニウム層の配向（方位関係）を制御した被覆切削工具は、例えば、以下の方法によって得ることができる。

まず、基材の表面上に、最下層（窒化チタン層又は炭化チタン層）、炭窒化チタン層、及び中間層を、この順序で形成する。なお、本実施形態において、α型酸化アルミニウム層以外の各層は必ずしも必須の層ではない。次いで、上記の層が形成されている場合には、それらの層のうち、基材から最も離れた層の表面を酸化する。その後、基材から最も離れた層の表面にα型酸化アルミニウム層の核を形成し、その核が形成された状態で、α型酸化アルミニウム層を形成する。さらに、必要に応じてα型酸化アルミニウム層の表面にＴｉＮ層を形成してもよい。

α型酸化アルミニウム層の核は、低温でＣＯガスをわずかに流して形成する。これにより、α型酸化アルミニウム層の核が、非常に遅い速度で形成される。また、α型酸化アルミニウム層の核が微細になる。α型酸化アルミニウム層の核を形成する時間は、２分以上５分以下であることが好ましい。これにより、α型酸化アルミニウム層は、（０，０，１２）面に配向しやすくなる。

好ましくは、α型酸化アルミニウム層の核を形成した後に、ＣＯガスを流さない条件でα型酸化アルミニウム層を形成するとよい。このとき、α型酸化アルミニウム層の核を形成する温度よりも成膜温度を高くすることがより好ましい。

より具体的には、上記基材から最も離れた層の表面の酸化は、原料組成をＣＯ₂：０．１〜１．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０〜１０００℃、圧力を５０〜７０ｈＰａとする条件により行われる。このときの酸化処理時間は、５〜１０分であることが好ましい。

その後、α型酸化アルミニウム層の核は、原料組成をＡｌＣｌ₃：１．０〜４．０ｍｏｌ％、ＣＯ₂：１．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．１〜２．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８８０〜９３０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成される。

そして、α型酸化アルミニウム層は、原料組成をＡｌＣｌ₃：２．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ₂：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂Ｓ：０．１５〜０．２５ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９７０〜１０３０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成される。

本実施形態において、被覆層の残留応力値を制御した被覆切削工具は、例えば、以下の方法によって得られる。

被覆層を形成した後、以下のように２段階での乾式ショットブラストを施すと、α型酸化アルミニウム層の残留応力値を制御でき、その結果、上記式（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）で表される条件を満たす傾向にあり、更に（Ｄ）で表される条件を満たす傾向にある。１段階目の乾式ショットブラストの条件は、被覆切削工具の逃げ面に対して投射角度が９０°付近になるように、投射材を０．７ｂａｒ〜１．５ｂａｒの投射圧力、１〜５秒の投射時間で投射するとよい。１段階目の乾式ショットブラストに用いる投射材は、平均粒径８０〜１５０μｍのＡｌ₂Ｏ₃やＺｒＯ₂の粒子であると好ましい。２段階目の乾式ショットブラストの条件は、被覆切削工具のすくい面に対して投射角度が９０°付近になるように、投射材を１．０ｂａｒ〜１．５ｂａｒの投射圧力、１〜５秒の投射時間で投射するとよい。２段階目の乾式ショットブラストの投射材は、平均粒径１００〜２００μｍのＡｌ₂Ｏ₃やＺｒＯ₂の粒子であると好ましい。

本実施形態の被覆切削工具の被覆層における各層の厚さ及び被覆層全体の平均厚さは、被覆切削工具の断面組織を、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、又はＦＥ−ＳＥＭ等を用いて観察することにより測定することができる。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さ及び被覆層全体の平均厚さは、刃先稜線部から被覆切削工具のすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、各層の厚さ又は被覆層全体の厚さを３箇所以上測定し、その相加平均値として求めることができる。また、各層の組成は、本実施形態の被覆切削工具の断面組織から、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＳ）等を用いて測定することができる。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

基材として、ＪＩＳ規格ＶＮＭＧ１６０４０８形状を有し、９１．５ＷＣ−８．０Ｃｏ−０．５Ｃｒ₃Ｃ₂（以上質量％）の組成を有する超硬合金製の切削インサートを用意した。この基材の刃先稜線部にＳｉＣブラシにより丸ホーニングを施した後、基材の表面を洗浄した。

基材の表面を洗浄した後、被覆層を化学蒸着法により形成した。発明品１〜１１については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に組成を示す最下層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、基材の表面に形成した。次いで、表１に組成を示す炭窒化チタン層（以下、「ＴｉＣＮ層」とする。）を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、最下層の表面に形成した。次に、表１に組成を示す中間層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、ＴｉＣＮ層の表面に形成した。その後、表３に示す組成を有するガスを用い、表３に示す温度及び圧力の条件の下、中間層の表面に酸化処理を施した。このとき、酸化処理時間を７分とした。次いで、表４の「α型酸化アルミニウム層の核形成条件」に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した中間層の表面にα型酸化アルミニウムの核を形成した。このとき、α型酸化アルミニウム層の核を形成する時間を４分とした。さらに、表４の「成膜条件」に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、中間層及びα型酸化アルミニウムの核の表面に、表１に組成を示すα型酸化アルミニウム層を、表１に示す平均厚さになるよう形成した。最後に、表１に組成を示す最外層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、α型酸化アルミニウム層の表面に形成した。こうして、発明品１〜１１の被覆切削工具を得た。

一方、比較品１〜９については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に組成を示す最下層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下基材の表面に形成した。次いで、表１に組成を示すＴｉＣＮ層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、最下層の表面に形成した。次に、表１に組成を示す中間層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、ＴｉＣＮ層の表面に形成した。その後、表３に示す組成を有するガスを用い、表３に示す温度及び圧力の条件の下、中間層の表面に酸化処理を施した。このとき、酸化処理時間を７分とした。次いで、表５の「核形成条件」に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した中間層の表面にα型酸化アルミニウム層の核を形成した。このとき、α型酸化アルミニウム層の核を形成する時間を４分とした。さらに、表５の「成膜条件」に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、中間層及びα型酸化アルミニウムの核の表面に、表１に組成を示すα型酸化アルミニウム層を、表１に示す平均厚さになるよう形成した。最後に、表１に組成を示す最外層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、α型酸化アルミニウム層の表面に形成した。こうして、比較品１〜９の被覆切削工具を得た。

試料の各層の厚さを下記のようにして求めた。すなわち、ＦＥ−ＳＥＭを用いて、被覆切削工具の刃先稜線部からすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍における断面での３箇所の厚さを測定し、その相加平均値を平均厚さとして求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の刃先稜線部からすくい面の中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＥＤＳを用いて測定した。

発明品１〜１１、及び比較品１〜９については、基材の表面に被覆層を形成した後、表６に示す投射材を用いて、表６に示す投射条件の下、被覆層表面に向けて乾式ショットブラストを施した。なお、表中の「処理なし」とは、乾式ブラストを施していないことを示す。

得られた発明品１〜１１及び比較品１〜９について、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、２θ測定範囲：２０°〜１５５°とする条件で行った。装置は、株式会社リガク製のＸ線回折装置（型式「ＲＩＮＴ ＴＴＲＩＩＩ」）を用いた。Ｘ線回折図形からα型酸化アルミニウム層の各結晶面のピーク強度を求めた。得られた各結晶面のピーク強度から、α型酸化アルミニウム層における組織係数ＴＣ（０，０，１２）を求めた。その結果を、表７に示す。

得られた試料について、２Ｄ法（多軸応力測定法／フルデバイリングフィッティング法）を用いて、α型酸化アルミニウム層の残留応力値σ１１、σ２２を測定した。また、α型酸化アルミニウム層の残留応力値の測定には、Ｘ線回折における（１１６）面のピーク強度を用いた。Ｘ線回折測定の条件としては、Ｘ線の線源としてＣｕＫα線を用い、出力：５０ｋＶ、１．０ｍＡの条件で照射して各残留応力値を測定した。このとき、各残留応力値σ１１及びσ２２は、交差稜線部から第１の界面に向かって、５０μｍ離れた位置のα型酸化アルミニウム層で測定した。α型酸化アルミニウム層の任意の３点における残留応力値を２Ｄ法により測定し、これら３点の残留応力の相加平均値を求めた。また、得られた測定結果から、σ１１とσ２２との関係を求めた。それらの測定結果を表８に示す。

得られた発明品１〜１１及び比較品１〜９を用いて、下記の条件にて切削試験１及び切削試験２を行った。切削試験１は耐摩耗性を評価する摩耗試験であり、切削試験２は耐欠損性を評価する欠損試験である。各切削試験の結果を表９に示す。

［切削試験１］
被削材：Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：２９０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損に至ったとき又は最大逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。なお、欠損に至る前に最大逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至った場合を「正常摩耗」、欠損に至った場合を「欠損」と評価した。

［切削試験２］
被削材：ＳＣＭ４１５の長さ方向に等間隔で２本の溝入り丸棒、
切削速度：１７０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．５ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損に至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの衝撃回数を測定した。衝撃回数は、試料と被削材とが接触した回数とし、試料が欠損に至った時点で試験を終了した。なお、各試料について、５個のインサートを用意し、それぞれ衝撃回数を測定し、それらの衝撃回数の値から相加平均値を求め、工具寿命とした。

切削試験１（摩耗試験）の工具寿命に至るまでの加工時間について、２０分以上を「Ａ」、１５分以上２０分未満を「Ｂ」、１５分未満を「Ｃ」として評価した。また、切削試験２（欠損試験）の工具寿命に至るまでの衝撃回数について、１００００回以上を「Ａ」、５０００回以上１００００回未満を「Ｂ」、５０００回未満を「Ｃ」として評価した。この評価では、「Ａ」が最も優れており、次に「Ｂ」が優れており、「Ｃ」が最も劣っていることを意味し、Ａ又はＢを多く有するほど切削性能に優れることを意味する。得られた評価の結果を表９に示す。

表９に示す結果より、発明品の摩耗試験の評価は、「Ｂ」以上の評価であり、発明品の欠損試験の評価は、全て「Ａ」の評価であった。一方、比較品の評価は、摩耗試験及び欠損試験の両方又はいずれかが、「Ｃ」であった。よって、発明品の耐摩耗性および耐欠損性は、比較品と比べて、総じて、より優れていることが分かる。

以上の結果より、発明品は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れる結果、工具寿命が長いことが分かった。

本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性を低下させることなく、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、そのような観点から、産業上の利用可能性がある。

１…基材、２…最下層、３…炭窒化チタン層、４…中間層、５…α型酸化アルミニウム層、６…最外層、７…被覆層、８…被覆切削工具、９…第１の界面、１０…第２の界面、１１…交差稜線部。

Claims (12)

1. 基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
   前記被覆切削工具が、すくい面と、逃げ面とを有し、前記被覆層が、α型酸化アルミニウム層を含み、
   前記α型酸化アルミニウム層が、前記基材とは反対側に、前記すくい面である又は前記すくい面と略平行な面である第１の界面と、前記逃げ面である又は前記逃げ面と略平行な面である第２の界面と、前記第１の界面と前記第２の界面との交差稜線部とを有し、
   前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）で表される条件を満足する、被覆切削工具。
   −６００≦σ１１≦３００…（Ａ）
   −９００≦σ２２≦２５０…（Ｂ）
   σ１１＞σ２２…（Ｃ）
   （上記式中、σ１１は、前記交差稜線部と平行な方向の残留応力値（単位：ＭＰａ）を表し、σ２２は、前記交差稜線部と直交する方向の残留応力値（単位：ＭＰａ）を表し、各前記残留応力値は、多軸応力測定法又はフルデバイリングフィッティング法により測定された値である。）
2. 各前記残留応力値が、前記交差稜線部から前記第１の界面に向かって、５０μｍ離れた位置のα型酸化アルミニウム層で測定された値である、請求項１に記載の被覆切削工具。
3. σ１１が、−６００ＭＰａ以上０ＭＰａ以下であり、σ２２が、−９００ＭＰａ以上−１００ＭＰａ以下である、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
4. 前記α型酸化アルミニウム層において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、４．０以上８．４以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
   （式（１）中、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、前記α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（０，１，８）、（２，１，４）、（３，０，０）及び（０，０，１２）の９つの結晶面を指す。）
5. 前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ｄ）で表される条件を満足する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
   σ１１−σ２２＞１００…（Ｄ）
6. 前記α型酸化アルミニウム層の平均厚さが、１．０μｍ以上１５．０μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
7. 前記被覆層が、前記基材と前記α型酸化アルミニウム層との間に、炭窒化チタンからなる炭窒化チタン層を含み、
   前記炭窒化チタン層の平均厚さが、１．０μｍ以上２０．０μｍ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
8. 前記被覆層が、前記炭窒化チタン層と前記α型酸化アルミニウム層との間に、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選択される少なくとも１種の化合物からなる中間層を備える、請求項７に記載の被覆切削工具。
9. 前記中間層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下である、請求項８に記載の被覆切削工具。
10. 前記被覆層の平均厚さが、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
11. 前記被覆層が、前記α型酸化アルミニウム層の表面上に最外層として、窒化チタンからなる窒化チタン層を備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
12. 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の被覆切削工具。