JP3784318B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた耐チッピング性および耐摩耗性を有する複数の硬質被覆層を表面に被着形成した表面被覆切削工具に関し、特に炭素鋼、合金鋼などの鋼や鋳鉄のみならず、ステンレス鋼等の難削材の切削に際しても、優れた切削特性を有する表面被覆切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の少なくとも１種、特にＷＣ（炭化タングステン）を主体とする硬質相と、Ｃｏ（コバルト）やＮｉ（ニッケル）等の鉄族金属の結合相からなる超硬合金やサーメット等の硬質合金の表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層およびＡｌ2Ｏ3層等の硬質被覆層を単層または複数層被着形成した表面被覆切削工具が用いられており、中でもＴｉＮ層は耐酸化性、耐食性に優れるとともに、金色の色調を有していることから切刃の状態を識別しやすく、これを最外層として用いた切削工具が多用されている。
【０００３】
これら表面被覆切削工具は、主に鋳鉄や炭素鋼等の切削に利用されており、最近ではステンレス鋼等の難削材の切削への利用も進められているが、硬質被覆層の最外層として多用されているＴｉＮ層は切削時に被削材から排出される高温の切粉が付着しやすく、ＴｉＮ層の切粉が付着した部分は局所的に剥がし取られて耐欠損性が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、特開２００１−２３９４０４号には、硬質被覆層として、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ層を複数層形成し、次にＴｉＣＮＯまたはＴｉＣＯ層を介してＡｌ2Ｏ3層を形成し、その直上にＴｉＯx層を介してＴｉＮ（Ｏ）層を配設することによって、最外層であるＴｉＮ層への切粉の付着を防止でき、耐チッピング性を向上させることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−２３９４０４号に記載されるように、内層−Ａｌ2Ｏ3層−ＴｉＯx層−ＴｉＮ（Ｏ）層の順に硬質被覆層を形成すると、硬質被覆層への切粉の付着は抑制されるものの、Ａｌ2Ｏ3（熱膨張係数約６×１０-6／℃）と、ＴｉＮ（熱膨張係数約９×１０-6／℃）との間に、ＴｉＮより熱膨張係数が大きいＴｉＯx層（熱膨張係数１０×１０-6／℃以上）が介在するために、難削材の切削する場合のように、工具の温度が急激に高温となったり、急激に低下したりして大きな熱サイクルが発生する場合には、上記熱膨張係数差に伴って硬質被覆層間に大きな熱応力がかかる結果、ＴｉＮ層がＴｉＯx層ごと剥離しやすく、耐チッピング性の向上には限界があった。
【０００６】
また、ＴｉＮ層の直下にＴｉＮ層よりも熱膨張係数の大きなＴｉＯx層を配設するためにＴｉＮ層側に引っ張り応力がかかってしまい、ＴｉＮ層自体の付着力も低下して容易に剥離または摩耗してしまうという恐れも生じた。
【０００７】
したがって、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、特に工具表面が高温となるような過酷な条件で切削する場合においても、切削時の切粉の付着を抑制できるとともに硬質被覆層の密着性を高めることができ、優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する長寿命の切削工具を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対して検討した結果、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる炭化物、窒化物および炭窒化物からなる硬質相と、少なくとも１種の鉄族金属からなる結合相とで構成される硬質合金表面を、複数層の硬質被覆層で順次被覆してなる表面被覆切削工具において、前記硬質被覆層の最外層を酸素添加ＴｉＮ層とし、かつ該酸素添加ＴｉＮ層の直下にＡｌ２Ｏ３層を配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層の深さ方向における酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）が、０．２２≦ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．４１を満足するように制御することによって、切削時に工具表面に切粉が付着することを抑制できるとともに、過酷な条件で切削して工具の切刃部分に大きな熱サイクルが付加されるような場合においても硬質被覆層の強固な密着性を維持できることから、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する切削工具が得られることを知見した。
【０００９】
ここで、前記硬質被覆層として、前記Ａｌ２Ｏ３層の直下にＴｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃｒ、ＳｉおよびＭｇの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかからなり酸素を添加した内層を少なくとも１層配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、前記内層の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏｉｎ）とが、０．０５≦Ｏｉｎ／ＯＴｉＮ≦０．３０であることが重要である。
【００１０】
また、前記内層の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏｉｎ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層の酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）とが、０．０２≦Ｏｉｎ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．０８を満足することが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の表面被覆切削工具について、その一例についての模式図である図１を基に説明する。
【００１２】
図１によれば、表面被覆切削工具１は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄族金属から成る結合相にて結合させた超硬合金や、サーメット等の硬質合金からなる所定形状の母材２の表面に複数の硬質被覆層３を被着形成したものからなる。
【００１３】
本発明によれば、硬質被覆層３は、その要部拡大図である図２に示すように、最表面層を酸素添加ＴｉＮ層（以下、最外層ＴｉＮ層と称す。）５とし、かつこの最外層ＴｉＮ層５の直下にＡｌ２Ｏ３層６を配するとともに、図３のオージェ電子顕微鏡測定における硬質被覆層３の酸素分布に示すように、最外層ＴｉＮ層５の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、Ａｌ２Ｏ３層６の深さ方向における酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）が、０．２２≦ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．４１を満足することが大きな特徴であり、これによって、硬質被覆層３の表面に切削によって生じる切粉が付着することを抑制できるとともに、最外層ＴｉＮ層５の剥離を防止し、かつＴｉＮ層５自体の付着力を高めて耐摩耗性を向上できる結果、鋳鉄や炭素鋼・合金鋼のみならず、ステンレス鋼等の難削材の切削や連続長時間切削、さらにはドライ切削等の過酷な条件での切削に対しても優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する長寿命の切削工具が得られる。
【００１４】
すなわち、ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．２２よりも小さい場合には、過酷な切削によって切刃部の硬質被覆層３での温度が急激に著しく上昇した際に硬質被覆層３の表面に切粉が付着して部分的に剥離しやすくなり、工具の耐欠損性が低下する。逆に、ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．４１よりも大きい場合、Ａｌ２Ｏ３層との熱膨張係数差が大きくなりＴｉＮとの密着性が低下する結果、表面被覆切削工具１の耐チッピング性が低下して工具損傷が大きくなる恐れがあるとともに、最外層ＴｉＮ層５の色調が鈍くなり外観によって切刃の摩耗状態を識別することが困難となる。
【００１５】
また、本発明によれば、最外層であるＴｉＮ層５の直下にＡｌ2Ｏ3層６を配設することから、両者間の熱膨張係数差が過酷な熱サイクルに耐え得るとともに最外層であるＴｉＮ層５に所定の圧縮応力を付与することができ、ＴｉＮ層５を剥離しにくく耐摩耗性に優れたものとすることができる。
【００１６】
また、Ａｌ２Ｏ３層６の内側には、被膜の耐欠損性を向上させるために、Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかからなり酸素を添加した内層８を少なくとも１層介層することが重要であり、また、母材２から炭素が拡散して母材表面付近における脱炭による脆化相の生成を防止するとともに、内層８の靱性を高めてＡｌ２Ｏ３層６および最外層ＴｉＮ層５の耐欠損性を向上させるために、最外層のＴｉＮ層５の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、内層８の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏｉｎ）とが、０．０５≦Ｏｉｎ／ＯＴｉＮ≦０．３０であることが重要であり、また、内層８の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏｉｎ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層６の深さ方向における酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）とが、０．０２≦Ｏｉｎ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．０８を満足することが望ましい。
【００１７】
ここで、内層８が複数層からなる場合には、内層８中の酸素量Ｏinはそれらの平均値を取ればよい。
【００１８】
また、本発明によれば、最外層であるＴｉＮ層５とＡｌ2Ｏ3層６の付着性を向上させ、耐摩耗性を改善し、さらに、被膜全体の耐欠損性を維持するという点で、最外層であるＴｉＮ層５の膜厚が０．５〜３μｍ、Ａｌ2Ｏ3層６の膜厚が１〜５μｍ、内層８の総膜厚が２〜１０μｍであることが望ましい。さらに、表面被覆切削工具１のすくい面側の硬質被覆層３の総厚みは逃げ面側の硬質被覆層３の総厚みとが膜厚ばらつき１μｍ以内の厚みで均一であることが望ましい。
【００１９】
また、最外層ＴｉＮ層５との密着性を向上させるという点で、Ａｌ2Ｏ3層６の表面粗さＲAl2O3は７〜１２μｍ、さらに、切粉との付着性を改善するという点で、最外層ＴｉＮ層５の表面粗さＲTiNは２〜６μｍであることが望ましい。なお、本発明における前記表面粗さとは、図４に示すような表面被覆切削工具１の断面ＳＥＭ像において観察される各層表面の凹凸の最大幅Ｒを意味する。
【００２０】
さらに、最外層であるＴｉＮ層５とＡｌ2Ｏ3層６との酸素量は、両者間の熱疲労をより抑制するために、測定ノイズを除いて漸次連続的に変化することが望ましい。
【００２１】
（製造方法）
また、上述した表面被覆切削工具を製造するには、まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形した後、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金母材２を作製する。
【００２２】
そして、上記母材２を所望により研磨加工した後、表面に化学気相蒸着法によって硬質被覆層３を成膜する。各層の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積％でＴｉＣｌ4ガス、ＡｌＣｌ3ガス、ＺｒＣｌ4ガスおよびＳｉＣｌ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを０〜６０ｖｏｌ％、ＣＨ4ガスを０〜０．１ｖｏｌ％、ＣＨ3ＣＮガスを０〜０．１ｖｏｌ％、ＣＯ2ガスを０．０１〜０．１ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａとして内層を少なくとも１層成膜する。
【００２３】
引き続き、ＡｌＣｌ3ガスを３〜２０ｖｏｌ％、ＨＣｌガスを０．５〜３．５ｖｏｌ％、ＣＯ2ガスを０．５〜２．５ｖｏｌ％、Ｈ2Ｓガスを０〜０．０１ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａの条件でＡｌ2Ｏ3層６を被覆する。
【００２４】
そして、ＴｉＣｌ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを２０〜６０ｖｏｌ％、ＣＯ2ガスを０．０５〜０．５ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを用い、８００〜１１００℃、５０〜９０ｋＰａの条件で最外層ＴｉＮ層５を被覆することによって本発明の表面被覆切削工具を作製することができる。
【００２５】
なお、上記ＣＶＤ法において、通常行われている各層を成膜した後に不活性ガスを流通させてチャンバ内を洗浄する工程をＡｌ2Ｏ3層６を成膜した後に省いてそのままＴｉＮ層５を成膜することによって、Ａｌ2Ｏ3層６−最外層ＴｉＮ層５との酸素量を連続的に変化させることができる。また、各硬質被覆層５、６、８の膜厚は成膜時間によって制御すればよい。
【００２６】
【実施例】
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径２．０μｍの表１に示す金属元素（Ｍ）の無機化合物粉末を表１に示す比率で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、さらに、１０００℃以上を３℃／分の速度で昇温して、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。
【００２７】
得られた超硬合金の表面にＣＶＤ法により表１に示す条件で各種の硬質被覆層を形成して表２の切削工具を作製した。
【００２８】
【表１】
【００２９】
得られた表面被覆切削工具に対して、オージェ電子分光分析により硬質被覆層の表面から内部に向かって、２０μｍの任意領域における酸素濃度分布を測定した。なお、オージェ分析は、破断面において、表面から母材との界面までを連続的に測定した。また、その酸素濃度分布から図３に示すような濃度分布のマッピングをし、各層の酸素濃度の比を算出した。結果は表２に示した。
【００３０】
【表２】
【００３１】
そして、この切削工具を用いて下記の条件により合金鋼の切削を２５分間行い、切削工具の切刃の観察を行うとともにフランク摩耗量および先端摩耗量を測定した。なお、切削試験中にフランク摩耗量あるいは先端摩耗量が０．２ｍｍに達した場合にはその切削時間を測定した。さらに、溝付き鋼材により断続試験を行い、欠損したときの衝撃回数を比較した。結果は表３に示した。
【００３２】
（摩耗試験）
被削材 ：合金鋼（ＳＣＭ４３５）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２５０ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
（断続試験）
被削材 ：合金鋼（ＳＣＭ４４０）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
【００３３】
【表３】
【００３４】
表２、３の結果より、ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．２２より小さい試料Ｎｏ．１では、切粉の付着が多量に発生し、微細なチッピングが多く発生して切削性能が低下した。また、Ａｌ２Ｏ３層とＴｉＮ層の間にＴｉＯｘ（Ｘ＝１．５）層を介層した試料Ｎｏ．６では、ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．４１より大きくなり、Ａｌ２Ｏ３層との密着性が低下して剥離が発生し切削性能が低下した。
【００３５】
これに対して、本発明に従い、Ａｌ２Ｏ３層の上に酸素を含有するＴｉＮ層を直接付着し、Ａｌ２Ｏ３層の深さ方向における酸素濃度分布の最大値と最外層ＴｉＮ層の酸素含有量の最小値との比ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．２２≦ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．４１の範囲内にあり、かつ０．０５≦Ｏ ｉｎ ／Ｏ ＴｉＮ ≦０．３０であった試料Ｎｏ．２〜５では、いずれも切粉の付着がなく、硬質被覆層の剥離も発生せず優れた切削性能を有するものであった。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の表面被覆切削工具によれば、最外層として酸素添加ＴｉＮ層と、該最外層の酸素添加ＴｉＮ層の直下にＡｌ２Ｏ３層とをともに配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層の深さ方向における酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）が、０．２２≦ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．４１を満足するように制御し、かつ前記Ａｌ ２ Ｏ ３ 層の直下にＴｉ、Ａｌ、ＺｒおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかからなり酸素を添加した内層を少なくとも１層配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（Ｏ ＴｉＮ ）と、前記内層の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏ ｉｎ ）とが、０．０５≦Ｏ ｉｎ ／Ｏ ＴｉＮ ≦０．３０であることによって、切削時に工具表面に切粉が付着することを抑制できるとともに、過酷な条件で切削して工具の切刃部分に大きな熱サイクルが付加されるような場合においても硬質被覆層の強固な密着性を維持できることから、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有するとともに、母材から炭素が拡散して母材表面付近における脱炭による脆化相の生成を防止するとともに、内層の靱性を高めてＡｌ ２ Ｏ ３ 層および最外層ＴｉＮ層の耐欠損性を向上させた切削工具が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の概略断面図である。
【図２】図１の表面被覆切削工具の要部拡大図である。
【図３】本発明の表面被覆切削工具（実施例４）の硬質被覆層中の酸素含有分布を説明するための図である。
【図４】本発明の表面被覆切削工具の硬質被覆層の表面粗さの測定法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 表面被覆切削工具
２ 母材
３ 硬質被覆層
５ 硬質被覆層の最外層をなすＴｉＮ層（最外層ＴｉＮ層）
６ Ａｌ2Ｏ3層
８ 内層
ＯTiN ：最外層ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値
ＯAl2O3：Ａｌ2Ｏ3層の深さ方向における酸素濃度分布の最大値
Ｏin ：内層の深さ方向における酸素濃度分布の平均値
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた耐チッピング性および耐摩耗性を有する複数の硬質被覆層を表面に被着形成した表面被覆切削工具に関し、特に炭素鋼、合金鋼などの鋼や鋳鉄のみならず、ステンレス鋼等の難削材の切削に際しても、優れた切削特性を有する表面被覆切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の少なくとも１種、特にＷＣ（炭化タングステン）を主体とする硬質相と、Ｃｏ（コバルト）やＮｉ（ニッケル）等の鉄族金属の結合相からなる超硬合金やサーメット等の硬質合金の表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層およびＡｌ2Ｏ3層等の硬質被覆層を単層または複数層被着形成した表面被覆切削工具が用いられており、中でもＴｉＮ層は耐酸化性、耐食性に優れるとともに、金色の色調を有していることから切刃の状態を識別しやすく、これを最外層として用いた切削工具が多用されている。
【０００３】
これら表面被覆切削工具は、主に鋳鉄や炭素鋼等の切削に利用されており、最近ではステンレス鋼等の難削材の切削への利用も進められているが、硬質被覆層の最外層として多用されているＴｉＮ層は切削時に被削材から排出される高温の切粉が付着しやすく、ＴｉＮ層の切粉が付着した部分は局所的に剥がし取られて耐欠損性が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、特開２００１−２３９４０４号には、硬質被覆層として、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ層を複数層形成し、次にＴｉＣＮＯまたはＴｉＣＯ層を介してＡｌ2Ｏ3層を形成し、その直上にＴｉＯx層を介してＴｉＮ（Ｏ）層を配設することによって、最外層であるＴｉＮ層への切粉の付着を防止でき、耐チッピング性を向上させることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−２３９４０４号に記載されるように、内層−Ａｌ2Ｏ3層−ＴｉＯx層−ＴｉＮ（Ｏ）層の順に硬質被覆層を形成すると、硬質被覆層への切粉の付着は抑制されるものの、Ａｌ2Ｏ3（熱膨張係数約６×１０-6／℃）と、ＴｉＮ（熱膨張係数約９×１０-6／℃）との間に、ＴｉＮより熱膨張係数が大きいＴｉＯx層（熱膨張係数１０×１０-6／℃以上）が介在するために、難削材の切削する場合のように、工具の温度が急激に高温となったり、急激に低下したりして大きな熱サイクルが発生する場合には、上記熱膨張係数差に伴って硬質被覆層間に大きな熱応力がかかる結果、ＴｉＮ層がＴｉＯx層ごと剥離しやすく、耐チッピング性の向上には限界があった。
【０００６】
また、ＴｉＮ層の直下にＴｉＮ層よりも熱膨張係数の大きなＴｉＯx層を配設するためにＴｉＮ層側に引っ張り応力がかかってしまい、ＴｉＮ層自体の付着力も低下して容易に剥離または摩耗してしまうという恐れも生じた。
【０００７】
したがって、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、特に工具表面が高温となるような過酷な条件で切削する場合においても、切削時の切粉の付着を抑制できるとともに硬質被覆層の密着性を高めることができ、優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する長寿命の切削工具を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対して検討した結果、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる炭化物、窒化物および炭窒化物からなる硬質相と、少なくとも１種の鉄族金属からなる結合相とで構成される硬質合金表面を、複数層の硬質被覆層で順次被覆してなる表面被覆切削工具において、前記硬質被覆層の最外層を酸素添加ＴｉＮ層とし、かつ該酸素添加ＴｉＮ層の直下にＡｌ２Ｏ３層を配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層の深さ方向における酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）が、０．２２≦ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．４１を満足するように制御することによって、切削時に工具表面に切粉が付着することを抑制できるとともに、過酷な条件で切削して工具の切刃部分に大きな熱サイクルが付加されるような場合においても硬質被覆層の強固な密着性を維持できることから、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する切削工具が得られることを知見した。
【０００９】
ここで、前記硬質被覆層として、前記Ａｌ２Ｏ３層の直下にＴｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃｒ、ＳｉおよびＭｇの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかからなり酸素を添加した内層を少なくとも１層配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、前記内層の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏｉｎ）とが、０．０５≦Ｏｉｎ／ＯＴｉＮ≦０．３０であることが重要である。
【００１０】
また、前記内層の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏｉｎ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層の酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）とが、０．０２≦Ｏｉｎ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．０８を満足することが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の表面被覆切削工具について、その一例についての模式図である図１を基に説明する。
【００１２】
図１によれば、表面被覆切削工具１は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄族金属から成る結合相にて結合させた超硬合金や、サーメット等の硬質合金からなる所定形状の母材２の表面に複数の硬質被覆層３を被着形成したものからなる。
【００１３】
本発明によれば、硬質被覆層３は、その要部拡大図である図２に示すように、最表面層を酸素添加ＴｉＮ層（以下、最外層ＴｉＮ層と称す。）５とし、かつこの最外層ＴｉＮ層５の直下にＡｌ２Ｏ３層６を配するとともに、図３のオージェ電子顕微鏡測定における硬質被覆層３の酸素分布に示すように、最外層ＴｉＮ層５の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、Ａｌ２Ｏ３層６の深さ方向における酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）が、０．２２≦ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．４１を満足することが大きな特徴であり、これによって、硬質被覆層３の表面に切削によって生じる切粉が付着することを抑制できるとともに、最外層ＴｉＮ層５の剥離を防止し、かつＴｉＮ層５自体の付着力を高めて耐摩耗性を向上できる結果、鋳鉄や炭素鋼・合金鋼のみならず、ステンレス鋼等の難削材の切削や連続長時間切削、さらにはドライ切削等の過酷な条件での切削に対しても優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する長寿命の切削工具が得られる。
【００１４】
すなわち、ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．２２よりも小さい場合には、過酷な切削によって切刃部の硬質被覆層３での温度が急激に著しく上昇した際に硬質被覆層３の表面に切粉が付着して部分的に剥離しやすくなり、工具の耐欠損性が低下する。逆に、ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．４１よりも大きい場合、Ａｌ２Ｏ３層との熱膨張係数差が大きくなりＴｉＮとの密着性が低下する結果、表面被覆切削工具１の耐チッピング性が低下して工具損傷が大きくなる恐れがあるとともに、最外層ＴｉＮ層５の色調が鈍くなり外観によって切刃の摩耗状態を識別することが困難となる。
【００１５】
また、本発明によれば、最外層であるＴｉＮ層５の直下にＡｌ2Ｏ3層６を配設することから、両者間の熱膨張係数差が過酷な熱サイクルに耐え得るとともに最外層であるＴｉＮ層５に所定の圧縮応力を付与することができ、ＴｉＮ層５を剥離しにくく耐摩耗性に優れたものとすることができる。
【００１６】
また、Ａｌ２Ｏ３層６の内側には、被膜の耐欠損性を向上させるために、Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかからなり酸素を添加した内層８を少なくとも１層介層することが重要であり、また、母材２から炭素が拡散して母材表面付近における脱炭による脆化相の生成を防止するとともに、内層８の靱性を高めてＡｌ２Ｏ３層６および最外層ＴｉＮ層５の耐欠損性を向上させるために、最外層のＴｉＮ層５の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、内層８の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏｉｎ）とが、０．０５≦Ｏｉｎ／ＯＴｉＮ≦０．３０であることが重要であり、また、内層８の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏｉｎ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層６の深さ方向における酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）とが、０．０２≦Ｏｉｎ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．０８を満足することが望ましい。
【００１７】
ここで、内層８が複数層からなる場合には、内層８中の酸素量Ｏinはそれらの平均値を取ればよい。
【００１８】
また、本発明によれば、最外層であるＴｉＮ層５とＡｌ2Ｏ3層６の付着性を向上させ、耐摩耗性を改善し、さらに、被膜全体の耐欠損性を維持するという点で、最外層であるＴｉＮ層５の膜厚が０．５〜３μｍ、Ａｌ2Ｏ3層６の膜厚が１〜５μｍ、内層８の総膜厚が２〜１０μｍであることが望ましい。さらに、表面被覆切削工具１のすくい面側の硬質被覆層３の総厚みは逃げ面側の硬質被覆層３の総厚みとが膜厚ばらつき１μｍ以内の厚みで均一であることが望ましい。
【００１９】
また、最外層ＴｉＮ層５との密着性を向上させるという点で、Ａｌ2Ｏ3層６の表面粗さＲAl2O3は７〜１２μｍ、さらに、切粉との付着性を改善するという点で、最外層ＴｉＮ層５の表面粗さＲTiNは２〜６μｍであることが望ましい。なお、本発明における前記表面粗さとは、図４に示すような表面被覆切削工具１の断面ＳＥＭ像において観察される各層表面の凹凸の最大幅Ｒを意味する。
【００２０】
さらに、最外層であるＴｉＮ層５とＡｌ2Ｏ3層６との酸素量は、両者間の熱疲労をより抑制するために、測定ノイズを除いて漸次連続的に変化することが望ましい。
【００２１】
（製造方法）
また、上述した表面被覆切削工具を製造するには、まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形した後、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金母材２を作製する。
【００２２】
そして、上記母材２を所望により研磨加工した後、表面に化学気相蒸着法によって硬質被覆層３を成膜する。各層の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積％でＴｉＣｌ4ガス、ＡｌＣｌ3ガス、ＺｒＣｌ4ガスおよびＳｉＣｌ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを０〜６０ｖｏｌ％、ＣＨ4ガスを０〜０．１ｖｏｌ％、ＣＨ3ＣＮガスを０〜０．１ｖｏｌ％、ＣＯ2ガスを０．０１〜０．１ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａとして内層を少なくとも１層成膜する。
【００２３】
引き続き、ＡｌＣｌ3ガスを３〜２０ｖｏｌ％、ＨＣｌガスを０．５〜３．５ｖｏｌ％、ＣＯ2ガスを０．５〜２．５ｖｏｌ％、Ｈ2Ｓガスを０〜０．０１ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａの条件でＡｌ2Ｏ3層６を被覆する。
【００２４】
そして、ＴｉＣｌ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを２０〜６０ｖｏｌ％、ＣＯ2ガスを０．０５〜０．５ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを用い、８００〜１１００℃、５０〜９０ｋＰａの条件で最外層ＴｉＮ層５を被覆することによって本発明の表面被覆切削工具を作製することができる。
【００２５】
なお、上記ＣＶＤ法において、通常行われている各層を成膜した後に不活性ガスを流通させてチャンバ内を洗浄する工程をＡｌ2Ｏ3層６を成膜した後に省いてそのままＴｉＮ層５を成膜することによって、Ａｌ2Ｏ3層６−最外層ＴｉＮ層５との酸素量を連続的に変化させることができる。また、各硬質被覆層５、６、８の膜厚は成膜時間によって制御すればよい。
【００２６】
【実施例】
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径２．０μｍの表１に示す金属元素（Ｍ）の無機化合物粉末を表１に示す比率で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、さらに、１０００℃以上を３℃／分の速度で昇温して、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。
【００２７】
得られた超硬合金の表面にＣＶＤ法により表１に示す条件で各種の硬質被覆層を形成して表２の切削工具を作製した。
【００２８】
【表１】
得られた表面被覆切削工具に対して、オージェ電子分光分析により硬質被覆層の表面から内部に向かって、２０μｍの任意領域における酸素濃度分布を測定した。なお、オージェ分析は、破断面において、表面から母材との界面までを連続的に測定した。また、その酸素濃度分布から図３に示すような濃度分布のマッピングをし、各層の酸素濃度の比を算出した。結果は表２に示した。
【００３０】
【表２】
そして、この切削工具を用いて下記の条件により合金鋼の切削を２５分間行い、切削工具の切刃の観察を行うとともにフランク摩耗量および先端摩耗量を測定した。なお、切削試験中にフランク摩耗量あるいは先端摩耗量が０．２ｍｍに達した場合にはその切削時間を測定した。さらに、溝付き鋼材により断続試験を行い、欠損したときの衝撃回数を比較した。結果は表３に示した。
【００３２】
（摩耗試験）
被削材 ：合金鋼（ＳＣＭ４３５）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２５０ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
（断続試験）
被削材 ：合金鋼（ＳＣＭ４４０）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
【００３３】
【表３】
表２、３の結果より、ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．２２より小さい試料Ｎｏ．１では、切粉の付着が多量に発生し、微細なチッピングが多く発生して切削性能が低下した。また、Ａｌ２Ｏ３層とＴｉＮ層の間にＴｉＯｘ（Ｘ＝１．５）層を介層した試料Ｎｏ．６では、ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．４１より大きくなり、Ａｌ２Ｏ３層との密着性が低下して剥離が発生し切削性能が低下した。
【００３５】
これに対して、本発明に従い、Ａｌ２Ｏ３層の上に酸素を含有するＴｉＮ層を直接付着し、Ａｌ２Ｏ３層の深さ方向における酸素濃度分布の最大値と最外層ＴｉＮ層の酸素含有量の最小値との比ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３が０．２２≦ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．４１の範囲内にあり、かつ０．０５≦Ｏ ｉｎ ／Ｏ ＴｉＮ ≦０．３０であった試料Ｎｏ．２〜５では、いずれも切粉の付着がなく、硬質被覆層の剥離も発生せず優れた切削性能を有するものであった。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の表面被覆切削工具によれば、最外層として酸素添加ＴｉＮ層と、該最外層の酸素添加ＴｉＮ層の直下にＡｌ２Ｏ３層とをともに配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層の深さ方向における酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）が、０．２２≦ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．４１を満足するように制御し、かつ前記Ａｌ ２ Ｏ ３ 層の直下にＴｉ、Ａｌ、ＺｒおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかからなり酸素を添加した内層を少なくとも１層配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（Ｏ ＴｉＮ ）と、前記内層の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏ ｉｎ ）とが、０．０５≦Ｏ ｉｎ ／Ｏ ＴｉＮ ≦０．３０であることによって、切削時に工具表面に切粉が付着することを抑制できるとともに、過酷な条件で切削して工具の切刃部分に大きな熱サイクルが付加されるような場合においても硬質被覆層の強固な密着性を維持できることから、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有するとともに、母材から炭素が拡散して母材表面付近における脱炭による脆化相の生成を防止するとともに、内層の靱性を高めてＡｌ ２ Ｏ ３ 層および最外層ＴｉＮ層の耐欠損性を向上させた切削工具が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の概略断面図である。
【図２】図１の表面被覆切削工具の要部拡大図である。
【図３】本発明の表面被覆切削工具（実施例４）の硬質被覆層中の酸素含有分布を説明するための図である。
【図４】本発明の表面被覆切削工具の硬質被覆層の表面粗さの測定法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 表面被覆切削工具
２ 母材
３ 硬質被覆層
５ 硬質被覆層の最外層をなすＴｉＮ層（最外層ＴｉＮ層）
６ Ａｌ2Ｏ3層
８ 内層
ＯTiN ：最外層ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値
ＯAl2O3：Ａｌ2Ｏ3層の深さ方向における酸素濃度分布の最大値
Ｏin ：内層の深さ方向における酸素濃度分布の平均値
Claims (2)
- 周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる炭化物、窒化物および炭窒化物からなる硬質相と、少なくとも１種の鉄族金属からなる結合相とで構成される硬質合金表面を、複数層の硬質被覆層で順次被覆してなる表面被覆切削工具であって、前記硬質被覆層の最外層を酸素添加ＴｉＮ層とし、かつ該酸素添加ＴｉＮ層の直下にＡｌ２Ｏ３層を配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（ＯＴｉＮ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層の深さ方向における酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）が、０．２２≦ＯＴｉＮ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．４１を満足しており、さらに前記Ａｌ ２ Ｏ ３ 層の直下にＴｉ、Ａｌ、ＺｒおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかからなり酸素を添加した内層を少なくとも１層配するとともに、前記最外層の酸素添加ＴｉＮ層の深さ方向における酸素濃度分布の最小値（Ｏ ＴｉＮ ）と、前記内層の深さ方向における酸素濃度分布の平均値（Ｏ ｉｎ ）とが、０．０５≦Ｏ ｉｎ ／Ｏ ＴｉＮ ≦０．３０であることを特徴とする表面被覆切削工具。
- 前記内層の深さ方向における前記酸素濃度分布の平均値（Ｏｉｎ）と、前記Ａｌ２Ｏ３層の酸素濃度分布の最大値（ＯＡｌ２Ｏ３）とが、０．０２≦Ｏｉｎ／ＯＡｌ２Ｏ３≦０．０８を満足することを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
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