JP3893804B2 - 耐チッピング性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に硬質被覆層を厚膜化した状態で、各種鋼や鋳鉄などの高速切削に用いた場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具という）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）の表面に、
（ａ）下部層として、それぞれ０．１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、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、酸化物（以下、Ｔｉ２Ｏ３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、窒酸化物（以下、ＴｉＮＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）中間層として、１〜１０μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
（ｃ）上部層として、自体が黄金色の表面色調を有することから、工具の使用前と使用後の識別を容易にする目的で、０．１〜３μｍの平均層厚を有するＴｉ窒化物（以下、ＴｉＮで示す）層、
以上（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を３〜３０μｍの全体平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具が知られており、この被覆超硬工具が、例えば各種鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられていることも知られている。
【０００３】
また、一般に、上記の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層およびＡｌ2 Ｏ3 層が粒状結晶組織を有し、かつ前記Ａｌ2 Ｏ3 層はα型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどが広く実用に供されることも良く知られており、さらに例えば特開平６−８０１０号公報や特開平７−３２８８０８号公報に記載されるように、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の靱性向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより縦長成長結晶組織とすると共に、その層厚を相対的に厚膜とし、３〜２０μｍの平均層厚をもつようにすることも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の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、切削加工は高速化し、かつ使用寿命の延命化を目的として硬質被覆層は厚膜化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、上記の通りこれの硬質被覆層の上部層（最表面層）が使用前後の識別目的で蒸着形成されたＴｉＮ層からなり、このＴｉＮ層は被削材である各種鋼に対する付着性の強いものであるため、特に高い発熱を伴う高速切削では、切粉が高温加熱されることと相まって前記ＴｉＮ層に強力に付着し、前記ＴｉＮ層を硬質被覆層から局部的に剥がし取るように作用するが、この場合前記ＴｉＮ層は他の構成層であるＴｉ化合物層およびＡｌ2Ｏ3層のいずれに対しても密着性のすぐれたものであることから、これらの構成層も前記ＴｉＮ層と一緒に局部的に剥がし取られ、この結果刃先にチッピング（微小欠け）が発生するようになり、また硬質被覆層の厚膜化に際しては、耐摩耗性向上に最も寄与するＡｌ2Ｏ3層の厚膜化は不可欠の要件となるが、Ａｌ2Ｏ3層はこれを平均層厚で１０μｍを越え、２０μｍに至るまで厚膜化すると、層厚に比例して表面粗さが大きくなり、このような表面平滑性の低下もチッピング発生の原因となるものであり、したがって、硬質被覆層を厚膜化した状態で、高速切削に用いた場合、切刃にチッピングの発生は避けられず、比較的短時間で使用寿命に至るものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の硬質被覆層の最表面層がＴｉＮ層で構成された従来被覆超硬工具に着目し、特に硬質被覆層を厚膜化した状態で、高速切削に用いても切刃にチッピングの発生がない被覆超硬工具を開発すべく研究を行った結果、
（ａ）上記の従来被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＡｌ2Ｏ3層に、表面から平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ2Ｏ3との合量に占める割合で、０．１〜１０重量％の酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ2で示す）を分散相として分布させると、この結果のＡｌ2Ｏ3主体層は、１〜１０μｍの通常の平均層厚は勿論のこと、平均層厚で１０〜２０μｍに厚膜化しても、その表面にはすぐれた平滑性が確保され、この平滑性はこれの表面に形成された上部層表面にもそのまま保持されること。
【０００６】
（ｂ）上記（ａ）のＡｌ２Ｏ３主体層の表面部を構成する、Ａｌ２Ｏ３の素地に、ＺｒＯ２相が分散分布してなる表面平滑化帯域は、化学蒸着装置を用い、反応ガス組成を、容量％で、
ＡｌＣｌ３：１〜１０％、
ＺｒＣｌ４：０．０１〜１０％、
ＣＯ２：１〜３０％、
Ｈ２Ｓ：０．０２〜２％、
ＨＣｌ：０．５〜１０％、
Ｎ２：１〜１５％、
Ｈ２：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８５０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：４０〜４００Ｔｏｒｒ、
の条件で形成できること。
【０００７】
（ｃ）上記（ａ）の表面平滑化帯域を形成したＡｌ２Ｏ３層の表面に、まず、下地層として、
反応ガス組成を、容量％で、
ＴｉＣｌ４：０．２〜１０％、
ＣＯ２：０．１〜１０％、
Ａｒ：５〜６０％、
Ｈ２：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：３０〜５００ｔｏｒｒ、
とした条件で、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、Ｔｉに対する酸素の割合が原子比で１．２５〜１．９０、すなわち、
組成式：ＴｉＯＷ、
で表わした場合、
Ｗ：Ｔｉに対する原子比で１．２５〜１．９０、
を満足するＴｉ酸化物層を形成し、このＴｉ酸化物層の上に、最表面層として、通常の条件、すなわち、
反応ガス組成を、容量％で、
ＴｉＣｌ４：０．２〜１０％、
Ｎ２：４〜６０％、
Ｈ２：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：３０〜６５０ｔｏｒｒ、
とした条件で、０．０５〜２μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層を形成すると、この最表面層形成時に上記下地層を構成するＴｉ酸化物層の酸素が拡散してきてＴｉ窒酸化物層が形成されるようになり、この場合前記Ｔｉ窒酸化物層形成後の最表面下地層は、酸素の割合がＴｉに対する原子比で１．２〜１．７、すなわち、
組成式：ＴｉＯＸ、
で表わした場合、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．７、
を満足するＴｉ酸化物層となり、一方前記最表面層は、拡散酸素の割合がＴｉに対する原子比で０．０１〜０．４、すなわち、
組成式：ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ、
で表わした場合（ただし、括弧内のＯは上記最表面下地層からの拡散酸素を示す）、
Ｙ：Ｔｉに対する原子比で０．０１〜０．４、
を満足するＴｉ窒酸化物層となり、この結果の上記Ｔｉ窒酸化物層およびＴｉ酸化物層が硬質被覆層の最表面層および最表面下地層として化学蒸着された被覆超硬工具においては、特に前記Ｔｉ窒酸化物層が、上記ＴｉＮ層と同等の黄金色の表面色調を具備するため、工具の使用前後の識別を可能とし、かつ被削材である各種鋼に対する付着性のきわめて低いものであるため、高熱発生を伴う高速切削にも高温加熱された切粉が付着することがなくなることから、切刃のチッピング発生が著しく抑制され、さらに上記（ａ）のＡｌ２Ｏ３層の表面部に形成した表面平滑化帯域によってもたらされる硬質被覆層の最表面の一段の平滑化によるチッピング発生抑制効果と相俟って、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するようになるという研究結果が得られたのである。
【０００８】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、超硬基体の表面に、下部層、中間層、および上部層からなる硬質被覆層を３〜３０μｍの全体平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具にして、
（ａ）上記下部層を、それぞれ０．１〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、Ｔｉ２Ｏ３層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層で構成し、
（ｂ）上記中間層を、１〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ２Ｏ３の素地に、Ａｌ２Ｏ３との合量に占める割合で、０．１〜１０重量％のＺｒＯ２が分散相として分布した組織を有する表面平滑化帯域が存在し、残りの基体側がＡｌ２Ｏ３からなるＡｌ２Ｏ３主体層で構成し、
（ｃ）上記上部層を、
（ア）０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＯＸ、
で表わした場合、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．７、
を満足するＴｉ酸化物層からなる最表面下地層と、
（イ）０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ、
で表わした場合（ただし、括弧内のＯは上記最表面下地層からの拡散酸素を示す）、
Ｙ：Ｔｉに対する原子比で０．０１〜０．４、
を満足するＴｉ窒酸物層からなる最表面層で構成してなる、耐チッピング性のすぐれた被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【０００９】
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、硬質被覆層に関して、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（１） （）Ａｌ2 Ｏ3主体層（中間層）の表面平滑化帯域の深さ
その深さが、中間層の平均層厚の１０％未満では、前記中間層の表面平滑化が不充分であり、この状態で上部層を形成しても硬質被覆層全体の表面平滑化も不充分なものとなり、硬質被覆層の表面粗さが原因のチッピング発生は避けられず、一方その深さが、同４０％を超えると相対的に基体側のＡｌ2 Ｏ3部分の層厚が薄くなり過ぎてしまい、所望の耐摩耗性を確保するのが困難になることから、その深さを中間層の平均層厚の１０〜４０％、望ましくは１５〜３０％と定めた。
【００１０】
（２）中間層の表面平滑化帯域におけるＺｒＯ2の分布割合
上記の通り中間層の表面部を、Ａｌ2 Ｏ3の素地に微細なＺｒＯ2が分散分布した組織とすることにより前記中間層の表面平滑化を図り、もって硬質被覆層の表面を平滑化して、表面粗さが原因のチッピング発生を防止するものであるが、その分布割合がＡｌ2 Ｏ3との合量に占める割合で０．１重量％未満では、十分な表面平滑化効果を発揮することができず、一方その分布割合が同１０重量％を越えると表面平滑化帯域自体の耐摩耗性が急激に低下するようになることから、その分布割合をＡｌ2 Ｏ3との合量に占める割合で０．１〜１０重量％、望ましくは０．３〜６重量％と定めた。
【００１１】
（３）中間層の平均層厚
中間層を構成するＡｌ2 Ｏ3はすぐれた耐酸化性および熱的安定性、さらに高硬度を有することから、硬質被覆層に所望のすぐれた耐摩耗性を確保するには不可欠なものであるが、その平均層厚が１μｍ未満では所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えて、さらに厚膜化すると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜２０μｍ、望ましくは２〜１５μｍと定めた。
【００１２】
（４）上部層の最表面層を構成するＴｉ窒酸物層の拡散酸素の割合（Ｙ値）
Ｙ値をＴｉに対する原子比で０．０１〜０．４０としたのは、その値が０．０１未満では切粉に対する付着性抑制に所望の効果を確保することができず、一方その値が０．４０を越えると、層中に気孔が形成され易くなり、健全な最表面層の安定的形成が難しくなるという理由によるものである。
【００１３】
（５）上部層の最表面下地層における酸素の割合（Ｗ値およびＸ値）
上記の通り最表面層を構成するＴｉ窒酸物層は、まず、下地層として、酸素の割合をＴｉに対する原子比で１．２５〜１．９０（Ｗ値）としたＴｉ酸化物層を形成し、ついで前記下地層の上に通常の条件でＴｉＮ層を蒸着することにより形成されるものであり、したがって前記ＴｉＮ層形成時における前記下地層からの酸素の拡散が不可欠となるが、前記下地層を構成するＴｉ酸化物層のＷ値が１．２５未満であると、前記ＴｉＮ層への酸素の拡散反応が急激に低下し、最表面層における拡散酸素の割合（Ｙ値）をＴｉに対する原子比で０．０１以上にすることができず、一方同Ｗ値が１．９０を越えると、前記最表面層における拡散酸素の割合がＴｉに対する原子比で０．４０を越えて多くなってしまうことから、Ｗ値を１．２５〜１．９０と定めたものであり、この場合最表面層形成後の最表面下地層における酸素の割合（Ｘ値）はＴｉに対する原子比で１．２〜１．７の範囲内の値をとるようになる、言い換えれば最表面層形成後の最表面下地層のＸ値が１．２〜１．７を満足する場合に、前記最表面層のＹ値は０．０１〜０．４０を満足するものとなるのである。
【００１４】
（６）硬質被覆層の中間層を除く構成層の平均層厚
まず、下部層を構成するＴｉ化合物層には、いずれも共通する性質として構成層のいずれとも強固に密着する性質があり、この結果構成層相互間にすぐれた層間密着性が確保されるようになるが、この場合粒状結晶組織のものでは、その平均層厚が０．１μｍ未満では所望のすぐれた層間密着性を確保することができず、またすぐれた靭性を有する縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層では、所望の靭性を確保するには３μｍ以上の平均層厚が必要であり、一方前記粒状結晶組織のものでは、その平均層厚が５μｍを越え、また前記縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層では、その平均層厚が２０μｍを越えると、いずれも急激に粒成長するようになって、切刃にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を、粒状結晶組織のものでは０．１〜５μｍ、縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層では、３〜２０μｍ、すなわちＴｉ化合物層としての平均層厚を０．１〜２０μｍと定めた。
また、硬質被覆層を構成する最表面層および最表面下地層の平均層厚を、それぞれ０．０５〜２μｍおよび０．１〜３μｍとしたのは、その平均層厚が０．０５μｍ未満および０．１μｍ未満では、前者にあっては所望の表面色調（黄金色）を確保することができず、また後者にあっては最表面層への酸素供給が不十分になり、一方前者の色調付与作用は２μｍ、後者の酸素供給作用は３μｍの平均層厚で十分満足に行うことができるという理由にもとづくものである。
さらに、硬質被覆層の平均層厚を３〜３５μｍとしたのは、その層厚が３μｍでは所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚が３５μｍを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由によるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬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０．５〜４μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ（重量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＷＣ＝３０／７０）粉末、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 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７２時間湿式混合し、乾燥した後、１ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を同じく表１に示される条件で真空焼結することによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状をもった超硬基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００１６】
ついで、これらの超硬基体Ａ〜Ｆの表面に、ホーニングを施した状態で、通常の化学蒸着装置を用い、表２〜４（表２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に示される組成および目標層厚の下部層（Ｔｉ化合物層）および中間層（Ａｌ2Ｏ3主体層）、さらに上部層（拡散酸素含有のＴｉ窒酸化物層からなる最表面層および拡散酸素供給用Ｔｉ酸化物層からなる最表面下地層）で構成された硬質被覆層を形成することにより本発明被覆超硬工具１〜１０をそれぞれ製造するとともに、中間層をＡｌ2Ｏ3層で、上部層をＴｉＮ層で構成する以外は同一の条件で従来被覆超硬工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１７】
なお、この結果得られた本発明被覆超硬工具１〜１０の硬質被覆層について、これの中間層であるＡｌ2Ｏ3主体層における表面平滑化帯域のＺｒＯ２の分布割合を電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定したところ、表３に示される目標値と実質的に同じ値を示し、また、上部層を構成する最表面層および最表面下地層について、酸素の含有割合（Ｙ値およびＸ値）をオージェ発光分光分析装置を用いて測定したところ、表７に示される値を示した。
また、表７に上記の各種被覆超硬工具の表面粗さの測定結果（非接触型装置使用）を合わせて示したが、いずれの被覆超硬工具も黄金色の表面色調を有し、かつ硬質被覆層を構成する構成層もそれぞれ目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００１８】
つぎに、上記本発明被覆超硬工具１〜１０および従来被覆超硬工具１〜１０について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃ（硬さ：ＨB１７５）の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速切削試験、並びに、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９（硬さ：ＨB２４７）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２７ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式断続高速切削試験を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表７に示した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【００２２】
【表４】
【００２３】
【表５】
【００２４】
【表６】
【００２５】
【表７】
【００２６】
【発明の効果】
表５〜７に示される結果から、硬質被覆層の上部層を構成する最表面層がＴｉＮ層の形成時に下地層から拡散してきた酸素と反応して形成されたＴｉ窒酸化物層からなると共に、同中間層が表面部に表面平滑化帯域を形成したＡｌ2Ｏ3主体層で構成された本発明被覆超硬工具１〜１０は、高い発熱を伴う鋼の高速切削でも、前記Ｔｉ窒酸化物層が高温加熱の切粉との親和性がきわめて低く、切粉が前記Ｔｉ窒酸化物層に付着することがないことから、硬質被覆層のうちのＡｌ2Ｏ3層を厚膜化した状態であっても表面平滑性が保持されていることと相俟って、切刃にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層（最表面層）がＴｉＮ層で、かつ中間層がＡｌ2Ｏ3層で構成された従来被覆超硬工具１〜１０においては、いずれも切粉が前記ＴｉＮ層に付着し易く、前記ＴｉＮ層が他の構成層と共に前記切粉によって剥がし取られることから、切刃にチッピングが発生し易く、また特に中間層であるＡｌ2Ｏ3層を厚膜にした場合、すなわちその平均層厚が１０μｍ以上になった場合にはチッピングの発生が加速されるようになり、この結果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、この発明の被覆超硬工具は、通常の条件での連続切削および断続切削は勿論のこと、硬質被覆層のうちのＡｌ2Ｏ3層を厚膜化し、かつ使用前後の識別を可能とした状態で、各種鋼や鋳鉄などの高速切削に供しても、切刃にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものであるから、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。
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に硬質被覆層を厚膜化した状態で、各種鋼や鋳鉄などの高速切削に用いた場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具という）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）の表面に、
（ａ）下部層として、それぞれ０．１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、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、酸化物（以下、Ｔｉ２Ｏ３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、窒酸化物（以下、ＴｉＮＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）中間層として、１〜１０μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
（ｃ）上部層として、自体が黄金色の表面色調を有することから、工具の使用前と使用後の識別を容易にする目的で、０．１〜３μｍの平均層厚を有するＴｉ窒化物（以下、ＴｉＮで示す）層、
以上（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を３〜３０μｍの全体平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具が知られており、この被覆超硬工具が、例えば各種鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられていることも知られている。
【０００３】
また、一般に、上記の被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層およびＡｌ2 Ｏ3 層が粒状結晶組織を有し、かつ前記Ａｌ2 Ｏ3 層はα型結晶構造をもつものやκ型結晶構造をもつものなどが広く実用に供されることも良く知られており、さらに例えば特開平６−８０１０号公報や特開平７−３２８８０８号公報に記載されるように、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の靱性向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより縦長成長結晶組織とすると共に、その層厚を相対的に厚膜とし、３〜２０μｍの平均層厚をもつようにすることも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の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、切削加工は高速化し、かつ使用寿命の延命化を目的として硬質被覆層は厚膜化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、上記の通りこれの硬質被覆層の上部層（最表面層）が使用前後の識別目的で蒸着形成されたＴｉＮ層からなり、このＴｉＮ層は被削材である各種鋼に対する付着性の強いものであるため、特に高い発熱を伴う高速切削では、切粉が高温加熱されることと相まって前記ＴｉＮ層に強力に付着し、前記ＴｉＮ層を硬質被覆層から局部的に剥がし取るように作用するが、この場合前記ＴｉＮ層は他の構成層であるＴｉ化合物層およびＡｌ2Ｏ3層のいずれに対しても密着性のすぐれたものであることから、これらの構成層も前記ＴｉＮ層と一緒に局部的に剥がし取られ、この結果刃先にチッピング（微小欠け）が発生するようになり、また硬質被覆層の厚膜化に際しては、耐摩耗性向上に最も寄与するＡｌ2Ｏ3層の厚膜化は不可欠の要件となるが、Ａｌ2Ｏ3層はこれを平均層厚で１０μｍを越え、２０μｍに至るまで厚膜化すると、層厚に比例して表面粗さが大きくなり、このような表面平滑性の低下もチッピング発生の原因となるものであり、したがって、硬質被覆層を厚膜化した状態で、高速切削に用いた場合、切刃にチッピングの発生は避けられず、比較的短時間で使用寿命に至るものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の硬質被覆層の最表面層がＴｉＮ層で構成された従来被覆超硬工具に着目し、特に硬質被覆層を厚膜化した状態で、高速切削に用いても切刃にチッピングの発生がない被覆超硬工具を開発すべく研究を行った結果、
（ａ）上記の従来被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＡｌ2Ｏ3層に、表面から平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ2Ｏ3との合量に占める割合で、０．１〜１０重量％の酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ2で示す）を分散相として分布させると、この結果のＡｌ2Ｏ3主体層は、１〜１０μｍの通常の平均層厚は勿論のこと、平均層厚で１０〜２０μｍに厚膜化しても、その表面にはすぐれた平滑性が確保され、この平滑性はこれの表面に形成された上部層表面にもそのまま保持されること。
【０００６】
（ｂ）上記（ａ）のＡｌ２Ｏ３主体層の表面部を構成する、Ａｌ２Ｏ３の素地に、ＺｒＯ２相が分散分布してなる表面平滑化帯域は、化学蒸着装置を用い、反応ガス組成を、容量％で、
ＡｌＣｌ３：１〜１０％、
ＺｒＣｌ４：０．０１〜１０％、
ＣＯ２：１〜３０％、
Ｈ２Ｓ：０．０２〜２％、
ＨＣｌ：０．５〜１０％、
Ｎ２：１〜１５％、
Ｈ２：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８５０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：４０〜４００Ｔｏｒｒ、
の条件で形成できること。
【０００７】
（ｃ）上記（ａ）の表面平滑化帯域を形成したＡｌ２Ｏ３層の表面に、まず、下地層として、
反応ガス組成を、容量％で、
ＴｉＣｌ４：０．２〜１０％、
ＣＯ２：０．１〜１０％、
Ａｒ：５〜６０％、
Ｈ２：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：３０〜５００ｔｏｒｒ、
とした条件で、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、Ｔｉに対する酸素の割合が原子比で１．２５〜１．９０、すなわち、
組成式：ＴｉＯＷ、
で表わした場合、
Ｗ：Ｔｉに対する原子比で１．２５〜１．９０、
を満足するＴｉ酸化物層を形成し、このＴｉ酸化物層の上に、最表面層として、通常の条件、すなわち、
反応ガス組成を、容量％で、
ＴｉＣｌ４：０．２〜１０％、
Ｎ２：４〜６０％、
Ｈ２：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：３０〜６５０ｔｏｒｒ、
とした条件で、０．０５〜２μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層を形成すると、この最表面層形成時に上記下地層を構成するＴｉ酸化物層の酸素が拡散してきてＴｉ窒酸化物層が形成されるようになり、この場合前記Ｔｉ窒酸化物層形成後の最表面下地層は、酸素の割合がＴｉに対する原子比で１．２〜１．７、すなわち、
組成式：ＴｉＯＸ、
で表わした場合、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．７、
を満足するＴｉ酸化物層となり、一方前記最表面層は、拡散酸素の割合がＴｉに対する原子比で０．０１〜０．４、すなわち、
組成式：ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ、
で表わした場合（ただし、括弧内のＯは上記最表面下地層からの拡散酸素を示す）、
Ｙ：Ｔｉに対する原子比で０．０１〜０．４、
を満足するＴｉ窒酸化物層となり、この結果の上記Ｔｉ窒酸化物層およびＴｉ酸化物層が硬質被覆層の最表面層および最表面下地層として化学蒸着された被覆超硬工具においては、特に前記Ｔｉ窒酸化物層が、上記ＴｉＮ層と同等の黄金色の表面色調を具備するため、工具の使用前後の識別を可能とし、かつ被削材である各種鋼に対する付着性のきわめて低いものであるため、高熱発生を伴う高速切削にも高温加熱された切粉が付着することがなくなることから、切刃のチッピング発生が著しく抑制され、さらに上記（ａ）のＡｌ２Ｏ３層の表面部に形成した表面平滑化帯域によってもたらされる硬質被覆層の最表面の一段の平滑化によるチッピング発生抑制効果と相俟って、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するようになるという研究結果が得られたのである。
【０００８】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、超硬基体の表面に、下部層、中間層、および上部層からなる硬質被覆層を３〜３０μｍの全体平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具にして、
（ａ）上記下部層を、それぞれ０．１〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、Ｔｉ２Ｏ３層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層で構成し、
（ｂ）上記中間層を、１〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、Ａｌ２Ｏ３の素地に、Ａｌ２Ｏ３との合量に占める割合で、０．１〜１０重量％のＺｒＯ２が分散相として分布した組織を有する表面平滑化帯域が存在し、残りの基体側がＡｌ２Ｏ３からなるＡｌ２Ｏ３主体層で構成し、
（ｃ）上記上部層を、
（ア）０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＯＸ、
で表わした場合、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．７、
を満足するＴｉ酸化物層からなる最表面下地層と、
（イ）０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ、
で表わした場合（ただし、括弧内のＯは上記最表面下地層からの拡散酸素を示す）、
Ｙ：Ｔｉに対する原子比で０．０１〜０．４、
を満足するＴｉ窒酸物層からなる最表面層で構成してなる、耐チッピング性のすぐれた被覆超硬工具に特徴を有するものである。
【０００９】
つぎに、この発明の被覆超硬工具において、硬質被覆層に関して、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（１） （）Ａｌ2 Ｏ3主体層（中間層）の表面平滑化帯域の深さ
その深さが、中間層の平均層厚の１０％未満では、前記中間層の表面平滑化が不充分であり、この状態で上部層を形成しても硬質被覆層全体の表面平滑化も不充分なものとなり、硬質被覆層の表面粗さが原因のチッピング発生は避けられず、一方その深さが、同４０％を超えると相対的に基体側のＡｌ2 Ｏ3部分の層厚が薄くなり過ぎてしまい、所望の耐摩耗性を確保するのが困難になることから、その深さを中間層の平均層厚の１０〜４０％、望ましくは１５〜３０％と定めた。
【００１０】
（２）中間層の表面平滑化帯域におけるＺｒＯ2の分布割合
上記の通り中間層の表面部を、Ａｌ2 Ｏ3の素地に微細なＺｒＯ2が分散分布した組織とすることにより前記中間層の表面平滑化を図り、もって硬質被覆層の表面を平滑化して、表面粗さが原因のチッピング発生を防止するものであるが、その分布割合がＡｌ2 Ｏ3との合量に占める割合で０．１重量％未満では、十分な表面平滑化効果を発揮することができず、一方その分布割合が同１０重量％を越えると表面平滑化帯域自体の耐摩耗性が急激に低下するようになることから、その分布割合をＡｌ2 Ｏ3との合量に占める割合で０．１〜１０重量％、望ましくは０．３〜６重量％と定めた。
【００１１】
（３）中間層の平均層厚
中間層を構成するＡｌ2 Ｏ3はすぐれた耐酸化性および熱的安定性、さらに高硬度を有することから、硬質被覆層に所望のすぐれた耐摩耗性を確保するには不可欠なものであるが、その平均層厚が１μｍ未満では所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えて、さらに厚膜化すると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜２０μｍ、望ましくは２〜１５μｍと定めた。
【００１２】
（４）上部層の最表面層を構成するＴｉ窒酸物層の拡散酸素の割合（Ｙ値）
Ｙ値をＴｉに対する原子比で０．０１〜０．４０としたのは、その値が０．０１未満では切粉に対する付着性抑制に所望の効果を確保することができず、一方その値が０．４０を越えると、層中に気孔が形成され易くなり、健全な最表面層の安定的形成が難しくなるという理由によるものである。
【００１３】
（５）上部層の最表面下地層における酸素の割合（Ｗ値およびＸ値）
上記の通り最表面層を構成するＴｉ窒酸物層は、まず、下地層として、酸素の割合をＴｉに対する原子比で１．２５〜１．９０（Ｗ値）としたＴｉ酸化物層を形成し、ついで前記下地層の上に通常の条件でＴｉＮ層を蒸着することにより形成されるものであり、したがって前記ＴｉＮ層形成時における前記下地層からの酸素の拡散が不可欠となるが、前記下地層を構成するＴｉ酸化物層のＷ値が１．２５未満であると、前記ＴｉＮ層への酸素の拡散反応が急激に低下し、最表面層における拡散酸素の割合（Ｙ値）をＴｉに対する原子比で０．０１以上にすることができず、一方同Ｗ値が１．９０を越えると、前記最表面層における拡散酸素の割合がＴｉに対する原子比で０．４０を越えて多くなってしまうことから、Ｗ値を１．２５〜１．９０と定めたものであり、この場合最表面層形成後の最表面下地層における酸素の割合（Ｘ値）はＴｉに対する原子比で１．２〜１．７の範囲内の値をとるようになる、言い換えれば最表面層形成後の最表面下地層のＸ値が１．２〜１．７を満足する場合に、前記最表面層のＹ値は０．０１〜０．４０を満足するものとなるのである。
【００１４】
（６）硬質被覆層の中間層を除く構成層の平均層厚
まず、下部層を構成するＴｉ化合物層には、いずれも共通する性質として構成層のいずれとも強固に密着する性質があり、この結果構成層相互間にすぐれた層間密着性が確保されるようになるが、この場合粒状結晶組織のものでは、その平均層厚が０．１μｍ未満では所望のすぐれた層間密着性を確保することができず、またすぐれた靭性を有する縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層では、所望の靭性を確保するには３μｍ以上の平均層厚が必要であり、一方前記粒状結晶組織のものでは、その平均層厚が５μｍを越え、また前記縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層では、その平均層厚が２０μｍを越えると、いずれも急激に粒成長するようになって、切刃にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を、粒状結晶組織のものでは０．１〜５μｍ、縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層では、３〜２０μｍ、すなわちＴｉ化合物層としての平均層厚を０．１〜２０μｍと定めた。
また、硬質被覆層を構成する最表面層および最表面下地層の平均層厚を、それぞれ０．０５〜２μｍおよび０．１〜３μｍとしたのは、その平均層厚が０．０５μｍ未満および０．１μｍ未満では、前者にあっては所望の表面色調（黄金色）を確保することができず、また後者にあっては最表面層への酸素供給が不十分になり、一方前者の色調付与作用は２μｍ、後者の酸素供給作用は３μｍの平均層厚で十分満足に行うことができるという理由にもとづくものである。
さらに、硬質被覆層の平均層厚を３〜３５μｍとしたのは、その層厚が３μｍでは所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その層厚が３５μｍを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由によるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬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０．５〜４μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ（重量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＷＣ＝３０／７０）粉末、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 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７２時間湿式混合し、乾燥した後、１ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を同じく表１に示される条件で真空焼結することによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状をもった超硬基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００１６】
ついで、これらの超硬基体Ａ〜Ｆの表面に、ホーニングを施した状態で、通常の化学蒸着装置を用い、表２〜４（表２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に示される組成および目標層厚の下部層（Ｔｉ化合物層）および中間層（Ａｌ2Ｏ3主体層）、さらに上部層（拡散酸素含有のＴｉ窒酸化物層からなる最表面層および拡散酸素供給用Ｔｉ酸化物層からなる最表面下地層）で構成された硬質被覆層を形成することにより本発明被覆超硬工具１〜１０をそれぞれ製造するとともに、中間層をＡｌ2Ｏ3層で、上部層をＴｉＮ層で構成する以外は同一の条件で従来被覆超硬工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１７】
なお、この結果得られた本発明被覆超硬工具１〜１０の硬質被覆層について、これの中間層であるＡｌ2Ｏ3主体層における表面平滑化帯域のＺｒＯ２の分布割合を電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定したところ、表３に示される目標値と実質的に同じ値を示し、また、上部層を構成する最表面層および最表面下地層について、酸素の含有割合（Ｙ値およびＸ値）をオージェ発光分光分析装置を用いて測定したところ、表７に示される値を示した。
また、表７に上記の各種被覆超硬工具の表面粗さの測定結果（非接触型装置使用）を合わせて示したが、いずれの被覆超硬工具も黄金色の表面色調を有し、かつ硬質被覆層を構成する構成層もそれぞれ目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００１８】
つぎに、上記本発明被覆超硬工具１〜１０および従来被覆超硬工具１〜１０について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃ（硬さ：ＨB１７５）の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速切削試験、並びに、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９（硬さ：ＨB２４７）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２７ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式断続高速切削試験を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表７に示した。
【００１９】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【発明の効果】
表５〜７に示される結果から、硬質被覆層の上部層を構成する最表面層がＴｉＮ層の形成時に下地層から拡散してきた酸素と反応して形成されたＴｉ窒酸化物層からなると共に、同中間層が表面部に表面平滑化帯域を形成したＡｌ2Ｏ3主体層で構成された本発明被覆超硬工具１〜１０は、高い発熱を伴う鋼の高速切削でも、前記Ｔｉ窒酸化物層が高温加熱の切粉との親和性がきわめて低く、切粉が前記Ｔｉ窒酸化物層に付着することがないことから、硬質被覆層のうちのＡｌ2Ｏ3層を厚膜化した状態であっても表面平滑性が保持されていることと相俟って、切刃にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層（最表面層）がＴｉＮ層で、かつ中間層がＡｌ2Ｏ3層で構成された従来被覆超硬工具１〜１０においては、いずれも切粉が前記ＴｉＮ層に付着し易く、前記ＴｉＮ層が他の構成層と共に前記切粉によって剥がし取られることから、切刃にチッピングが発生し易く、また特に中間層であるＡｌ2Ｏ3層を厚膜にした場合、すなわちその平均層厚が１０μｍ以上になった場合にはチッピングの発生が加速されるようになり、この結果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、この発明の被覆超硬工具は、通常の条件での連続切削および断続切削は勿論のこと、硬質被覆層のうちのＡｌ2Ｏ3層を厚膜化し、かつ使用前後の識別を可能とした状態で、各種鋼や鋳鉄などの高速切削に供しても、切刃にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものであるから、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。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、下部層、中間層、および上部層からなる硬質被覆層を３〜３５μｍの全体平均層厚で化学蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具にして、
（ａ）上記下部層を、それぞれ０．１〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、酸化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、窒炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層で構成し、
（ｂ）上記中間層を、１〜２０μｍの平均層厚を有し、かつ表面側に、表面から前記１〜２０μｍの平均層厚の１０〜４０％に相当する深さに亘って、酸化アルミニウムの素地に、酸化アルミニウムとの合量に占める割合で、０．１〜１０重量％の酸化ジルコニウムが分散相として分布した組織を有する表面平滑化帯域が存在し、残りの基体側が酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム主体層で構成し、
（ｃ）上記上部層を、
（ア）０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＯＸ、
で表わした場合、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．７、
を満足するＴｉ酸化物層からなる最表面下地層と、
（イ）０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ、
で表わした場合（ただし、括弧内のＯは上記最表面下地層からの拡散酸素を示す）、
Ｙ：Ｔｉに対する原子比で０．０１〜０．４、
を満足するＴｉ窒酸物層からなる最表面層で構成したこと、
を特徴とする耐チッピング性のすぐれた表面被覆超硬合金製切削工具。
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