JP4432097B2 - 粘性の高い難削材の高速切削で切粉に対してすぐれた表面潤滑性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具の製造方法 - Google Patents
粘性の高い難削材の高速切削で切粉に対してすぐれた表面潤滑性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、切粉に対する表面潤滑性にすぐれ、したがって特にステンレス鋼や軟鋼などのきわめて粘性が高く、かつ切粉が切刃表面に溶着し易い難削材の高速切削加工に用いた場合にも、切刃に欠けやチッピング（微小欠け）などの発生なく、すぐれた切削性能を長期に亘って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）の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、切削工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、また前記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。
さらに、従来、一般に、上記の切削工具として、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、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種または２種以上からなるＴｉ化合物層と、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2Ｏ3で示す）層、および例えば特開昭５７−３９１６８号公報や特開昭６１−２０１７７８号公報に記載されるＡｌ2Ｏ3の素地に酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ2で示す）相が分散分布してなるＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（以下、Ａｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層と云う）のいずれか、または両方で構成された硬質被覆層を３〜３０μｍの平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具が知られている。
【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Ａｌ2Ｏ3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ており、さらにこれらＡｌ2Ｏ3層について、例えば１．５オングストロームの波長を有するＣｕｋα線を線源として用いてＸ線回折を行うと、α―Ａｌ2 Ｏ3 層であれば、これの形成条件によって、いずれも２θで、２５．６度（０１２結晶面配向）、３５．１度（１０４結晶面配向）、３７．８度（１１０結晶面配向）、４３．４度（１１３結晶面配向）、５２．６度（０２４結晶面配向）、５７．５度（１１６結晶面配向）、６６．５度（１２４結晶面配向）、および６８．２度（０３０結晶面配向）のうちのいずれかの回折角に最高回折ピーク高さが現れるＸ線回折パターンを示すα―Ａｌ2 Ｏ3 層を形成することができ、またκ―Ａｌ2 Ｏ3 層であると、同じくこれの形成条件によって、いずれも２θで、１９．７度、２９．４度、３２．１度、３４．９度、３７．３ど、４３．９度、５２．６度、５６．０度、６２．３度、および６５．２度のうちのいずれかの回折角に最高回折ピーク高さが現れるＸ線回折パターンを示すκ―Ａｌ2 Ｏ3 層を形成することができることも良く知られている。
【０００４】
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、上記被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層のうちのＴｉＣＮ層を、層自身の靭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形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削工具には１種類の工具できるだけ多くの材種の被削材を切削加工できる汎用性が求められると共に、切削加工も高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、これをきわめて粘性の高いステンレス鋼や軟鋼などの被削材の高速切削に用いた場合には、これら被削材の切粉は、硬質被覆層を構成するＡｌ2Ｏ3層やＴｉ化合物層に対する親和性が高いために、切刃表面に溶着し易く、この溶着現象は切削加工が高速化すればするほど顕著に現れるようになり、この溶着現象が原因で切刃に欠けやチッピングが発生し、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００６】
【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、特にステンレス鋼や軟鋼などの高速切削加工に用いた場合にも、切刃表面に切粉の溶着し難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表面に、
反応ガス組成を、体積％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：４〜７０ｋＰａ（３０〜５２５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、０．１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、Ｔｉに対する酸素の割合が原子比で１．２〜１．９、即ち、
組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．９、
を満足するＴｉ酸化物層を、最表面層として化学蒸着すると、この結果の上記Ｔｉ酸化物層が通常の硬質被覆層の表面に最表面層として化学蒸着された被覆超硬工具においては、前記最表面層を構成するＴｉ酸化物層の被削材、特にステンレス鋼や軟鋼などの粘性の高い難削材に対する親和性がきわめて低く、これは高い発熱を伴う高速切削加工でも変わらず、この結果切刃に切粉が溶着することがない、すなわち前記Ｔｉ酸化物層がすぐれた表面潤滑性を発揮することから、切刃に欠けやチッピングの発生がなくなり、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するようになること。
【０００７】
（ｂ）上記（ａ）の被覆超硬工具の硬質被覆層の最表面層を構成するＴｉ酸化物層をＸ線回折により観察したところ、組成式：ＴｉＯＸのＸ値に対応して、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ3Ｏ5、Ｔｉ4Ｏ7、およびＴｉ5Ｏ9などのうちの少なくともいずれかに主要ピークが現れる回折パターンを示し、これらの回折結果から前記Ｔｉ酸化物層はＭａｇｎｅｌｉ相と呼ばれるものからなり、一般的にＴｉnＯ2n-1で表わされるものであること。
【０００８】
（ｃ）上記（ａ）において、従来被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＡｌ2Ｏ3層またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層の表面に、上記Ｔｉ酸化物層を最表面層として形成した場合で、そのＸ値が１．２〜１．９の範囲内の低い側、例えば１．２〜１．４の範囲内にある条件や、その平均層厚が０．１〜５μｍの範囲内の薄い側、例えば０．１〜１μｍの範囲内にある条件で形成した場合には、Ａｌ2Ｏ3層およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層との間に十分な層間密着性が得られない場合がある（勿論、Ｔｉ酸化物層の形成条件によってはこの場合でも十分な層間密着性が得られるものである）ので、この場合には、上記Ｔｉ酸化物層形成後に、下記の雰囲気、即ち、
雰囲気ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ4：０．０５〜１０％、
不活性ガス：残り、
とし、かつ、
雰囲気温度：８００〜１１００℃、
雰囲気圧力：４〜９０ｋＰａ、（３０〜６７５ｔｏｒｒ）
とした雰囲気中に所定時間、例えば５分〜５時間程度保持して、上記Ｔｉ酸化物層と上記Ａｌ2Ｏ3層またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層との界面部に、望ましくは０．０５〜２μｍの平均層厚で相互拡散層を形成し、これによって層間密着性を向上させるのが望ましく、さらにこの層間密着性向上処理は、上記Ｔｉ酸化物層のＸ値および平均層厚が上記の低い側および薄い側の値以外の値である場合であっても層間密着性のより一層の向上を図る目的で行ってもよいこと。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００９】
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、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層と、Ａｌ2Ｏ3層およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層のいずれか、または両方で構成された硬質被覆層を３〜３０μｍの平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具における前記硬質被覆層の表面に、さらに最表面層として、
（ａ）反応ガス組成を、体積％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：４〜７０ｋＰａ（３０〜５２５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、
（ｂ）組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．９、
を満足すると共に、Ｘ線回折による観察で、組成式：ＴｉＯＸのＸ値に対応して、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ3Ｏ5、Ｔｉ4Ｏ7、およびＴｉ5Ｏ9のうちの少なくともいずれかに主要ピークが現れる回折パターンを示すＴｉ酸化物層を０．１〜５μｍの平均層厚で化学蒸着し、
（ｃ）さらに、引き続いて、雰囲気ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ4：０．０５〜１０％、
不活性ガス：残り、
とし、かつ、
雰囲気温度：８００〜１１００℃、
雰囲気圧力：４〜９０ｋＰａ、（３０〜６７５ｔｏｒｒ）
とした雰囲気中に５分〜５時間保持して、上記Ｔｉ酸化物層と、Ａｌ2Ｏ3層およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層のいずれか、または両方との界面部に０．０５〜２μｍの平均層厚で相互拡散層を形成し、層間密着性を向上してなる、
粘性の高い難削材の高速切削で切粉に対してすぐれた表面潤滑性を発揮する被覆超硬工具の製造方法に特徴を有するものである。
【００１０】
なお、この発明の被覆超硬工具の製造方法において、最表面層を構成するＴｉ酸化物層における酸素（Ｏ）のＴｉに対する原子比（Ｘ値）を１．２〜１．９としたのは、その値が１．２未満では所望のすぐれた表面潤滑性を確保することができず、一方その値が１．９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。
また、同じく上記最表面層の平均層厚を、０．１〜５μｍとしたのは、その平均層厚が０．１μｍ未満では、所望の表面潤滑性を確保することができず、一方この表面潤滑性付与作用は５μｍ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３〜３０μｍ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３０μｍ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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬工具の製造方法を実施例により具体的に説明する。
（実施例１）
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、Ｃｒ3Ｃ2粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、質量％で、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ：４％，（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ：４％，（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ：５％，Ｃｒ 3 Ｃ 2 ：０．５％，Ｃｏ：８％，およびＷＣ：残りの配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ（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６Ｐａ（０．０５ｔｏｒｒ）の真空中、１４１０℃に１時間保持の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（チップ）Ｄを製造した。
【００１２】
ついで、上記超硬基体（チップ）Ｄ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１（表１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。また表２中のκ―Ａｌ2 Ｏ3の「目標回折角」はＸ線回折パターンで最高回折ピーク高さが現れる目標回折角（２θ）を示すものである）に示される条件にて、第１層：ＴｉＣ層（目標層厚：０．５μｍ），第２層：ｌ−ＴｉＣＮ層（同：６μｍ），第３層：ＴｉＣＯ層（同：０．４μｍ），第４層：κ−Ａｌ 2 Ｏ 3 層（同：７μｍ）で構成されたＴｉ化合物層およびＡｌ 2 Ｏ 3 層からなる硬質被覆層を形成し、引き続いて前記Ａｌ 2 Ｏ 3 層の表面に、最表面層として、反応ガス組成（体積％で）：ＴｉＣｌ ４ ：１％，ＣＯ ２ ：８％，Ａｒ：１０％，Ｈ ２ ：残り、反応雰囲気圧力：７ｋＰａ、反応雰囲気温度：９５０℃の条件で、同じく目標層厚：０．５μｍのＴｉＯ Ｘ （Ｘは酸素のＴｉに対する含有割合の目標値（原子比）で１．７５）層からなるＴｉ酸化物層を形成し、さらに雰囲気ガス組成を、体積％で、ＴｉＣｌ4：０．２体積％，Ａｒ：残りとし、雰囲気温度を１０００℃、雰囲気圧力を２０ｋＰａ（１５０Ｔｏｒｒ）とした雰囲気中に２時間保持の条件で、Ａｌ2 Ｏ3 層とＴｉ酸化物層の界面部に相互拡散層を形成する層間密着性向上処理を施すことにより、本発明法を実施し、図１（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概略縦断面図で示される形状を有する本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ（以下、本発明被覆超硬チップと云う）を製造した。
【００１３】
また、比較の目的で、上記最表面層としてのＴｉ酸化物層を形成しない以外は同一の条件で同じく従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ（以下、従来被覆超硬チップと云う）を製造した。
この結果の従来被覆超硬チップの硬質被覆層を構成するκ―Ａｌ2 Ｏ3層について、１．５オングストロームの波長を有するＣｕｋα線を線源として用いたＸ線回折で観察したところ、目標回折角（２θ）と実質的に同じ回折角に最高回折ピーク高さが現れるＸ線回折パターンを示した。
【００１４】
さらに上記の本発明被覆超硬チップにおける相互拡散層の厚さを走査型電子顕微鏡およびオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、５点測定の平均値で、０．５μｍの平均層厚をそれぞれ示した。
【００１５】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップおよび従来被覆超硬チップについて、これを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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速連続旋削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ｍｍ、
送り：０．１７ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速断続旋削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃ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：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での軟鋼の乾式高速断続旋削加工試験を行い、いずれの旋削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この結果、上記本発明被覆超硬チップは、
被削材がステンレス鋼の高速連続旋削加工では０．３１ｍｍ、
被削材がステンレス鋼の高速断続旋削加工では０．３１ｍｍ、
被削材が軟鋼の高速断続旋削加工では０．２８ｍｍ、
の逃げ面摩耗幅を示したのに対して、上記従来被覆超硬チップは、いずれも以下に示す切削時間、すなわち、
被削材がステンレス鋼の高速連続旋削加工では１．１分、
被削材がステンレス鋼の高速断続旋削加工では１．１分、
被削材が軟鋼の高速断続旋削加工では１．８分、
で使用寿命（いずれも切刃に発生したチッピングが原因）に至るものであった。
【００１６】
【表１】
【００１７】
なお、この結果得られた本発明被覆超硬チップの最表面層について、その厚さ方向中央部の酸素含有割合（Ｘ値）をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、上記の目標値と実質的に同じ値を示した。また、本発明被覆超硬チップおよび従来被覆超硬チップの硬質被覆層の構成層およびＴｉ酸化物層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて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。
【００１８】
【発明の効果】
以上の結果から、最表面層としてＴｉ酸化物層を形成した本発明被覆超硬チップは、いずれもステンレス鋼や軟鋼の切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、前記Ｔｉ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酸化物層に溶着することがなく、切刃は常にすぐれた表面潤滑性を維持することから、切刃への切粉溶着が原因のチッピングが切刃に発生することがなく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記Ｔｉ酸化物層の形成のない従来被覆超硬チップにおいては、切粉が硬質被覆層に溶着し易く、これが原因で硬質被覆層が局部的に剥がし取られることから、切刃にチッピングが発生し、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、この発明の方法で製造された被覆超硬工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に粘性が高く、切粉が切刃表面に溶着し易いステンレス鋼や軟鋼などの高速切削加工でも切粉に対してすぐれた表面潤滑性を発揮し、汎用性のある切削性能を示すものであるから、切削加工装置のＦＡ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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は被覆超硬チップの概略斜視図、（ｂ）は被覆超硬チップの概略縦断面図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、切粉に対する表面潤滑性にすぐれ、したがって特にステンレス鋼や軟鋼などのきわめて粘性が高く、かつ切粉が切刃表面に溶着し易い難削材の高速切削加工に用いた場合にも、切刃に欠けやチッピング（微小欠け）などの発生なく、すぐれた切削性能を長期に亘って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）の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、切削工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、また前記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。
さらに、従来、一般に、上記の切削工具として、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、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種または２種以上からなるＴｉ化合物層と、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ2Ｏ3で示す）層、および例えば特開昭５７−３９１６８号公報や特開昭６１−２０１７７８号公報に記載されるＡｌ2Ｏ3の素地に酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ2で示す）相が分散分布してなるＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層（以下、Ａｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層と云う）のいずれか、または両方で構成された硬質被覆層を３〜３０μｍの平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具が知られている。
【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Ａｌ2Ｏ3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ており、さらにこれらＡｌ2Ｏ3層について、例えば１．５オングストロームの波長を有するＣｕｋα線を線源として用いてＸ線回折を行うと、α―Ａｌ2 Ｏ3 層であれば、これの形成条件によって、いずれも２θで、２５．６度（０１２結晶面配向）、３５．１度（１０４結晶面配向）、３７．８度（１１０結晶面配向）、４３．４度（１１３結晶面配向）、５２．６度（０２４結晶面配向）、５７．５度（１１６結晶面配向）、６６．５度（１２４結晶面配向）、および６８．２度（０３０結晶面配向）のうちのいずれかの回折角に最高回折ピーク高さが現れるＸ線回折パターンを示すα―Ａｌ2 Ｏ3 層を形成することができ、またκ―Ａｌ2 Ｏ3 層であると、同じくこれの形成条件によって、いずれも２θで、１９．７度、２９．４度、３２．１度、３４．９度、３７．３ど、４３．９度、５２．６度、５６．０度、６２．３度、および６５．２度のうちのいずれかの回折角に最高回折ピーク高さが現れるＸ線回折パターンを示すκ―Ａｌ2 Ｏ3 層を形成することができることも良く知られている。
【０００４】
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、上記被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層のうちのＴｉＣＮ層を、層自身の靭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形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削工具には１種類の工具できるだけ多くの材種の被削材を切削加工できる汎用性が求められると共に、切削加工も高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、これをきわめて粘性の高いステンレス鋼や軟鋼などの被削材の高速切削に用いた場合には、これら被削材の切粉は、硬質被覆層を構成するＡｌ2Ｏ3層やＴｉ化合物層に対する親和性が高いために、切刃表面に溶着し易く、この溶着現象は切削加工が高速化すればするほど顕著に現れるようになり、この溶着現象が原因で切刃に欠けやチッピングが発生し、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００６】
【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、特にステンレス鋼や軟鋼などの高速切削加工に用いた場合にも、切刃表面に切粉の溶着し難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表面に、
反応ガス組成を、体積％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：４〜７０ｋＰａ（３０〜５２５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、０．１〜５μｍの平均層厚を有し、かつ、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、Ｔｉに対する酸素の割合が原子比で１．２〜１．９、即ち、
組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．９、
を満足するＴｉ酸化物層を、最表面層として化学蒸着すると、この結果の上記Ｔｉ酸化物層が通常の硬質被覆層の表面に最表面層として化学蒸着された被覆超硬工具においては、前記最表面層を構成するＴｉ酸化物層の被削材、特にステンレス鋼や軟鋼などの粘性の高い難削材に対する親和性がきわめて低く、これは高い発熱を伴う高速切削加工でも変わらず、この結果切刃に切粉が溶着することがない、すなわち前記Ｔｉ酸化物層がすぐれた表面潤滑性を発揮することから、切刃に欠けやチッピングの発生がなくなり、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するようになること。
【０００７】
（ｂ）上記（ａ）の被覆超硬工具の硬質被覆層の最表面層を構成するＴｉ酸化物層をＸ線回折により観察したところ、組成式：ＴｉＯＸのＸ値に対応して、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ3Ｏ5、Ｔｉ4Ｏ7、およびＴｉ5Ｏ9などのうちの少なくともいずれかに主要ピークが現れる回折パターンを示し、これらの回折結果から前記Ｔｉ酸化物層はＭａｇｎｅｌｉ相と呼ばれるものからなり、一般的にＴｉnＯ2n-1で表わされるものであること。
【０００８】
（ｃ）上記（ａ）において、従来被覆超硬工具の硬質被覆層を構成するＡｌ2Ｏ3層またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層の表面に、上記Ｔｉ酸化物層を最表面層として形成した場合で、そのＸ値が１．２〜１．９の範囲内の低い側、例えば１．２〜１．４の範囲内にある条件や、その平均層厚が０．１〜５μｍの範囲内の薄い側、例えば０．１〜１μｍの範囲内にある条件で形成した場合には、Ａｌ2Ｏ3層およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層との間に十分な層間密着性が得られない場合がある（勿論、Ｔｉ酸化物層の形成条件によってはこの場合でも十分な層間密着性が得られるものである）ので、この場合には、上記Ｔｉ酸化物層形成後に、下記の雰囲気、即ち、
雰囲気ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ4：０．０５〜１０％、
不活性ガス：残り、
とし、かつ、
雰囲気温度：８００〜１１００℃、
雰囲気圧力：４〜９０ｋＰａ、（３０〜６７５ｔｏｒｒ）
とした雰囲気中に所定時間、例えば５分〜５時間程度保持して、上記Ｔｉ酸化物層と上記Ａｌ2Ｏ3層またはＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層との界面部に、望ましくは０．０５〜２μｍの平均層厚で相互拡散層を形成し、これによって層間密着性を向上させるのが望ましく、さらにこの層間密着性向上処理は、上記Ｔｉ酸化物層のＸ値および平均層厚が上記の低い側および薄い側の値以外の値である場合であっても層間密着性のより一層の向上を図る目的で行ってもよいこと。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００９】
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、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層と、Ａｌ2Ｏ3層およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層のいずれか、または両方で構成された硬質被覆層を３〜３０μｍの平均層厚で化学蒸着してなる被覆超硬工具における前記硬質被覆層の表面に、さらに最表面層として、
（ａ）反応ガス組成を、体積％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：４〜７０ｋＰａ（３０〜５２５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、
（ｂ）組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．９、
を満足すると共に、Ｘ線回折による観察で、組成式：ＴｉＯＸのＸ値に対応して、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ3Ｏ5、Ｔｉ4Ｏ7、およびＴｉ5Ｏ9のうちの少なくともいずれかに主要ピークが現れる回折パターンを示すＴｉ酸化物層を０．１〜５μｍの平均層厚で化学蒸着し、
（ｃ）さらに、引き続いて、雰囲気ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ4：０．０５〜１０％、
不活性ガス：残り、
とし、かつ、
雰囲気温度：８００〜１１００℃、
雰囲気圧力：４〜９０ｋＰａ、（３０〜６７５ｔｏｒｒ）
とした雰囲気中に５分〜５時間保持して、上記Ｔｉ酸化物層と、Ａｌ2Ｏ3層およびＡｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2混合層のいずれか、または両方との界面部に０．０５〜２μｍの平均層厚で相互拡散層を形成し、層間密着性を向上してなる、
粘性の高い難削材の高速切削で切粉に対してすぐれた表面潤滑性を発揮する被覆超硬工具の製造方法に特徴を有するものである。
【００１０】
なお、この発明の被覆超硬工具の製造方法において、最表面層を構成するＴｉ酸化物層における酸素（Ｏ）のＴｉに対する原子比（Ｘ値）を１．２〜１．９としたのは、その値が１．２未満では所望のすぐれた表面潤滑性を確保することができず、一方その値が１．９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。
また、同じく上記最表面層の平均層厚を、０．１〜５μｍとしたのは、その平均層厚が０．１μｍ未満では、所望の表面潤滑性を確保することができず、一方この表面潤滑性付与作用は５μｍ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３〜３０μｍ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３０μｍ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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬工具の製造方法を実施例により具体的に説明する。
（実施例１）
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、Ｃｒ3Ｃ2粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、質量％で、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ：４％，（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ：４％，（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ：５％，Ｃｒ 3 Ｃ 2 ：０．５％，Ｃｏ：８％，およびＷＣ：残りの配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ（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６Ｐａ（０．０５ｔｏｒｒ）の真空中、１４１０℃に１時間保持の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（チップ）Ｄを製造した。
【００１２】
ついで、上記超硬基体（チップ）Ｄ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１（表１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。また表２中のκ―Ａｌ2 Ｏ3の「目標回折角」はＸ線回折パターンで最高回折ピーク高さが現れる目標回折角（２θ）を示すものである）に示される条件にて、第１層：ＴｉＣ層（目標層厚：０．５μｍ），第２層：ｌ−ＴｉＣＮ層（同：６μｍ），第３層：ＴｉＣＯ層（同：０．４μｍ），第４層：κ−Ａｌ 2 Ｏ 3 層（同：７μｍ）で構成されたＴｉ化合物層およびＡｌ 2 Ｏ 3 層からなる硬質被覆層を形成し、引き続いて前記Ａｌ 2 Ｏ 3 層の表面に、最表面層として、反応ガス組成（体積％で）：ＴｉＣｌ ４ ：１％，ＣＯ ２ ：８％，Ａｒ：１０％，Ｈ ２ ：残り、反応雰囲気圧力：７ｋＰａ、反応雰囲気温度：９５０℃の条件で、同じく目標層厚：０．５μｍのＴｉＯ Ｘ （Ｘは酸素のＴｉに対する含有割合の目標値（原子比）で１．７５）層からなるＴｉ酸化物層を形成し、さらに雰囲気ガス組成を、体積％で、ＴｉＣｌ4：０．２体積％，Ａｒ：残りとし、雰囲気温度を１０００℃、雰囲気圧力を２０ｋＰａ（１５０Ｔｏｒｒ）とした雰囲気中に２時間保持の条件で、Ａｌ2 Ｏ3 層とＴｉ酸化物層の界面部に相互拡散層を形成する層間密着性向上処理を施すことにより、本発明法を実施し、図１（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概略縦断面図で示される形状を有する本発明被覆超硬工具としての本発明表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ（以下、本発明被覆超硬チップと云う）を製造した。
【００１３】
また、比較の目的で、上記最表面層としてのＴｉ酸化物層を形成しない以外は同一の条件で同じく従来被覆超硬工具としての従来表面被覆超硬合金製スローアウエイチップ（以下、従来被覆超硬チップと云う）を製造した。
この結果の従来被覆超硬チップの硬質被覆層を構成するκ―Ａｌ2 Ｏ3層について、１．５オングストロームの波長を有するＣｕｋα線を線源として用いたＸ線回折で観察したところ、目標回折角（２θ）と実質的に同じ回折角に最高回折ピーク高さが現れるＸ線回折パターンを示した。
【００１４】
さらに上記の本発明被覆超硬チップにおける相互拡散層の厚さを走査型電子顕微鏡およびオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、５点測定の平均値で、０．５μｍの平均層厚をそれぞれ示した。
【００１５】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップおよび従来被覆超硬チップについて、これを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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速連続旋削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１ｍｍ、
送り：０．１７ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３分、
の条件でのステンレス鋼の乾式高速断続旋削加工試験、さらに、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃ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：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件での軟鋼の乾式高速断続旋削加工試験を行い、いずれの旋削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この結果、上記本発明被覆超硬チップは、
被削材がステンレス鋼の高速連続旋削加工では０．３１ｍｍ、
被削材がステンレス鋼の高速断続旋削加工では０．３１ｍｍ、
被削材が軟鋼の高速断続旋削加工では０．２８ｍｍ、
の逃げ面摩耗幅を示したのに対して、上記従来被覆超硬チップは、いずれも以下に示す切削時間、すなわち、
被削材がステンレス鋼の高速連続旋削加工では１．１分、
被削材がステンレス鋼の高速断続旋削加工では１．１分、
被削材が軟鋼の高速断続旋削加工では１．８分、
で使用寿命（いずれも切刃に発生したチッピングが原因）に至るものであった。
【００１６】
【表１】
なお、この結果得られた本発明被覆超硬チップの最表面層について、その厚さ方向中央部の酸素含有割合（Ｘ値）をオージェ分光分析装置を用いて測定したところ、上記の目標値と実質的に同じ値を示した。また、本発明被覆超硬チップおよび従来被覆超硬チップの硬質被覆層の構成層およびＴｉ酸化物層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて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。
【００１８】
【発明の効果】
以上の結果から、最表面層としてＴｉ酸化物層を形成した本発明被覆超硬チップは、いずれもステンレス鋼や軟鋼の切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、前記Ｔｉ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酸化物層に溶着することがなく、切刃は常にすぐれた表面潤滑性を維持することから、切刃への切粉溶着が原因のチッピングが切刃に発生することがなく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記Ｔｉ酸化物層の形成のない従来被覆超硬チップにおいては、切粉が硬質被覆層に溶着し易く、これが原因で硬質被覆層が局部的に剥がし取られることから、切刃にチッピングが発生し、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、この発明の方法で製造された被覆超硬工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に粘性が高く、切粉が切刃表面に溶着し易いステンレス鋼や軟鋼などの高速切削加工でも切粉に対してすぐれた表面潤滑性を発揮し、汎用性のある切削性能を示すものであるから、切削加工装置のＦＡ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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は被覆超硬チップの概略斜視図、（ｂ）は被覆超硬チップの概略縦断面図である。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、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のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層と、酸化アルミニウム層および酸化アルミニウムの素地に酸化ジルコニウム相が分散分布してなる酸化アルミニウム−酸化ジルコニウム混合層のいずれか、または両方で構成された硬質被覆層を３〜３０μｍの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おける前記硬質被覆層の表面に、さらに最表面層として、
（ａ）反応ガス組成を、体積％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：４〜７０ｋＰａ（３０〜５２５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、
（ｂ）組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、
Ｘ：Ｔｉに対する原子比で１．２〜１．９、
を満足すると共に、Ｘ線回折による観察で、組成式：ＴｉＯＸのＸ値に対応して、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ3Ｏ5、Ｔｉ4Ｏ7、およびＴｉ5Ｏ9のうちの少なくともいずれかに主要ピークが現れる回折パターンを示すＴｉ酸化物層を０．１〜５μｍの平均層厚で化学蒸着し、
（ｃ）さらに、引き続いて、雰囲気ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ4：０．０５〜１０％、
不活性ガス：残り、
とし、かつ、
雰囲気温度：８００〜１１００℃、
雰囲気圧力：４〜９０ｋＰａ、（３０〜６７５ｔｏｒｒ）
とした雰囲気中に５分〜５時間保持して、上記Ｔｉ酸化物層と、上記酸化アルミニウム層および酸化アルミニウムの素地に酸化ジルコニウム相が分散分布してなる酸化アルミニウム−酸化ジルコニウム混合層のいずれか、または両方との界面部に、０．０５〜２μｍの平均層厚で相互拡散層を形成し、層間密着性の向上を図ること、
を特徴とする粘性の高い難削材の高速切削で切粉に対してすぐれた表面潤滑性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具の製造方法。
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