JP5636971B2

JP5636971B2 - 硬質被覆層がすぐれた靭性、耐チッピング性を備える表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP5636971B2
Application number: JP2011002835A
Authority: JP
Inventors: 翔龍岡; 興平冨田; 長田　晃; 晃長田; 中村　惠滋; 惠滋中村
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2031-01-11
Also published as: CN102581322A; JP2012143828A; CN102581322B

Description

この発明は、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に高負荷が作用する各種の鋼や鋳鉄の高速重切削加工において、硬質被覆層がすぐれた靭性と耐チッピング性を備えることにより、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

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、いずれも化学蒸着形成された、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２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることが知られている。

ただ、上記の被覆工具の切削性能は、特に、下部層の組織構造によって大きな影響を受けることから、下部層の結晶粒組織構造について、従来からいくつかの提案がなされている。

例えば、引用文献１には、下部層として、ＴｉＮ層、この上の第２層として、ＴｉＣＮ層、さらにこの上に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層等を形成した被覆工具において、上記第２層のＴｉＣＮを柱状結晶粒から構成し、該ＴｉＣＮの平均結晶粒径が、第２層の膜厚が４．０μｍ以下のときには０．１〜１μｍの範囲であり、第２層の膜厚が４．０μｍを越え、２０μｍ以下のときには０．５〜３．０μｍの範囲とし、第２層の硬度を１６００〜２４００ｋｇ／ｍｍ^２とすることにより、硬質被覆層と母材との密着性を強固にし、硬質被覆層の靭性、耐剥離性、耐摩耗性を高めることが提案されている。

また、引用文献２には、基体と接する第１層がＴｉＮ、第２層がＴｉＣＮからなる下部層において、第２層の膜厚を全膜厚に対して６０％以上で、かつ、その粒子の水平方向の平均粒径が０．３〜１．２μｍであり、垂直方向の平均粒径を水平方向の平均粒径の２．５倍以上とすることにより、被覆工具の耐剥離性、耐チッピング性、耐摩耗性を高めることが提案されている。

また、引用文献３には、下部層のＴｉ化合物層として、少なくとも、柱状晶のＴｉＣＮ層を形成し、該ＴｉＣＮ層の上端から該ＴｉＣＮ層の厚さの１／５の距離の位置におけるＴｉＣＮ柱状結晶粒の水平方向の平均粒径ｄ１と、該ＴｉＣＮ層の下端から該ＴｉＣＮ層の厚さの２／５の距離の位置におけるＴｉＣＮ柱状結晶粒の水平方向の平均粒径ｄ２の比を１≦ｄ１／ｄ２≦１．３とし、さらに、ｄ１＝０．２〜１．５μｍすることにより、耐摩耗性、耐欠損性の両方に優れ、断続切削を含む長時間の切削加工における耐欠損性と耐摩耗性の改善を図ることが提案されている。

さらに、引用文献４には、硬質被覆層として、少なくともＴｉＣＮ層とＡｌ_２Ｏ_３層を有する被覆工具において、該ＴｉＣＮ層は、下部ＴｉＣＮ層と上部ＴｉＣＮ層とからなり、下部ＴｉＣＮ層の膜厚ｔ１は１μｍ≦ｔ１≦１０μｍ、上部ＴｉＣＮ層の膜厚ｔ２は０．５μｍ≦ｔ２≦５μｍであって、かつ、１＜ｔ１／ｔ２≦５の関係を満足し、さらに、上部ＴｉＣＮ層のＴｉＣＮ粒子の平均結晶幅ｗ２は０．２〜１．５μｍであって、下部ＴｉＣＮ層のＴｉＣＮ粒子の平均結晶幅ｗ１はｗ２の０．７倍以下とすることによって、硬質被覆層の密着性を高め、層間剥離を防止し、断続切削加工等における耐欠損性、耐摩耗性の改善を図ることが提案されている。

特開平７−２８５００１号公報特開平１０−１５７１１号公報特開平１０−１０９２０６号公報特開２００５−１８６２２１号公報

近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下で使用されるようになってきているが、例えば、前記特許文献１〜３に示される被覆工具においても、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に高負荷が作用する高速重切削加工に用いられた場合には、下部層の靭性が十分ではないために、切削加工時の高負荷によって切れ刃にチッピングが発生しやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に高負荷が作用する高速重切削加工に用いられた場合でも、硬質被覆層がすぐれた靭性、耐チッピング性を備え、しかも、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得たのである。

即ち、本発明者等は、被覆工具の硬質被覆層、特に、下部層を構成するＴｉ化合物のうちのＴｉの炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層の結晶粒組織構造を、柱状組織と微粒組織の混合組織として構成し、しかも、該柱状組織と微粒組織が、層厚方向に周期的に交互に現出するような結晶粒組織構造として構成することにより、Ｔｉ化合物層からなる下部層の本来有する特性を何ら損なうことなく、下部層と上部層からなる硬質被覆層の靭性及び耐チッピング性を向上させ得ることを見出したのである。

そして、上記結晶粒組織構造を有するＴｉＣＮ層（以下、改質ＴｉＣＮ層という）は、例えば、以下の化学蒸着法によって成膜することができる。

例えば、工具基体表面に、下部層を構成するＴｉ化合物層の一つとして、ＴｉＮ層を蒸着形成した後、
（ａ）上記ＴｉＮ層の上に、ＴｉＣｌ_４−ＣＨ_３ＣＮ−Ｎ_２−Ｈ_２系反応ガスを用いてＴｉＣＮ層を蒸着形成し、
（ｂ）上記（ａ）の成膜過程で、上記反応ガスの導入を停止すると同時に、ＳＦ_６系ガスを導入してＳＦ_６エッチングを行い、
（ｃ）次いで、上記（ａ）の工程と上記（ｂ）の工程を繰り返し行ない、目標厚さのＴｉＣＮ層を形成する。

上記（ａ）〜（ｃ）によって、下部層を構成するＴｉ化合物層の一つの層として改質ＴｉＣＮ層が形成されるが、該改質ＴｉＣＮ層について透過型電子顕微鏡で組織観察を行うと、柱状組織と微粒組織の混合組織からなり、しかも、該柱状組織と微粒組織が、層厚方向に周期的に交互に現出するような結晶粒組織構造が形成されていることが確認される。

そして、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉ化合物層の少なくとも一つの層として、上記結晶粒組織構造を有する改質ＴｉＣＮ層を蒸着形成したこの発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に高負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速重切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた靭性、耐チッピング性を備え、しかも、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。

この発明は、上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、
（ａ）下部層は、少なくともＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層は、１〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を化学蒸着した表面被覆切削工具において、
上記（ａ）の下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を、工具基体表面と平行に０．０２μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する粒界の数を測定し、１μｍ当たりの粒界の数の逆数を平均粒径Ｄとして、膜厚方向に沿う各厚み幅領域の平均粒径Ｄの変化を求めた場合に、
平均粒径Ｄが０．５〜１．５μｍである厚み幅領域と、平均粒径Ｄが０．０５〜０．３μｍである厚み幅領域とが、該層の膜厚方向に沿って、交互に少なくとも複数領域形成されていることによって、上記下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層の平均粒径Ｄが膜厚方向に沿って０．５μｍ〜５μｍの周期で周期的に変化する結晶粒組織構造を有することを特徴とする表面被覆切削工具。

（２）上記（ａ）のＴｉ化合物層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層と、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上とからなることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

本発明について、以下に詳細に説明する。
下部層のＴｉ化合物層：
Ｔｉの炭化物（ＴｉＣ）層、窒化物（ＴｉＮ）層、炭窒化物（ＴｉＣＮ）層、炭酸化物（ＴｉＣＯ）層および炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなる下部層は、通常の化学蒸着条件で形成することができる。

上記のＴｉ化合物からなる下部層は、それ自体が高温強度を有するため、下部層の存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体とＡｌ_２Ｏ_３からなる上部層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつ。

ただ、下部層の合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が２０μｍを越えると、チッピングを発生しやすくなることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
下部層の改質ＴｉＣＮ層：
この発明では、上記下部層を構成するＴｉ化合物層のうち、少なくとも一つの層を、柱状組織と微粒組織が周期的に交互に現出するような結晶粒組織構造を備える前記改質ＴｉＣＮ層として形成する。

なお、改質ＴｉＣＮ層は、下部層中に１層だけ形成するのではなく、下部層中に複数層形成することも勿論可能である。

本発明の改質ＴｉＣＮ層は、その層厚方向に沿って結晶粒組織構造を観察した場合、改質ＴｉＣＮ層の平均粒径Ｄが層厚方向に沿って０．５μｍ〜５μｍの周期で周期的に変化する結晶粒組織構造を有しており、さらに具体的には、改質ＴｉＣＮ層を、工具基体表面と平行に０．０２μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する粒界の数を測定し、１μｍ当たりの粒界の数の逆数を平均粒径Ｄとして、層厚方向に沿う各厚み幅領域の平均粒径Ｄの変化を求めた場合に、平均粒径Ｄが０．５〜１．５μｍである厚み幅領域と、平均粒径Ｄが０．０５〜０．３μｍである厚み幅領域とが、改質ＴｉＣＮ層の層厚方向に沿って、交互に少なくとも複数領域形成されている結晶粒組織構造を有している。

そして、このような結晶粒組織構造を有している改質ＴｉＣＮ層を、少なくとも一層、Ｔｉ化合物からなる下部層に形成することによって、硬質被覆層全体としての靭性が向上し、その結果、硬質被覆層の耐チッピング性、耐摩耗性の向上が図られる。
改質ＴｉＣＮ層の成膜：
この発明の改質ＴｉＣＮ層は、通常の化学蒸着条件で成膜するＴｉ化合物層からなる下部層の少なくとも一つの層として、成膜することができる。
例えば、通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成（容量％）：
ＴｉＣl_４：４〜５％，
Ｎ_２：３０〜４０％，
Ｈ_２：残
反応雰囲気温度：１０２０〜１０６０℃、
反応雰囲気圧力：１０〜３０ｋＰａ、
の条件で所定膜厚のＴｉＮ層を蒸着形成した後、
（ａ）上記ＴｉＮ層の表面に、
反応ガス組成（容量％）：
ＴｉＣl_４：１〜３％，
ＣＨ_３ＣＮ：０．５〜１．０％，
Ｎ_２：５〜１５％，
Ｈ_２：残
反応雰囲気温度：９００〜９５０℃、
反応雰囲気圧力：５〜２０ｋＰａ、
の条件で所定膜厚のＴｉＣＮ層を蒸着形成し
（ｂ）ついで、上記反応ガスの導入を停止し、その代わりに、０．１〜２容量％のガス組成となるようにＳＦ_６ガスを添加したＨ_２ガスを導入し、このＳＦ_６ガスにより以下の条件、即ち、
反応ガス組成（容量％）：
ＳＦ_６：０．１〜２％，
Ｈ_２：残
反応雰囲気温度：８００〜１０５０ ℃、
反応雰囲気圧力：５〜２０ｋＰａ、
の条件で５〜３０分間ＳＦ_６エッチングを行う。
（ｃ）ついで、上記ＳＦ_６系ガスの導入を停止し、装置内に、上記（ａ）の反応ガスを導入し、上記（ａ）と同じ条件で、再度ＴｉＣＮ層を蒸着形成する。

上記（ｂ）と（ｃ）を繰り返し行ない、最終的に目標層厚の改質ＴｉＣＮ層を蒸着形成する。

この後、下部層として必要とするＴｉ化合物層の成膜を行い、目標層厚の下部層を形成し、この上に上部層であるＡｌ_２Ｏ_３層を目標膜厚となるように蒸着形成することによって、硬質被覆層を形成する。
改質ＴｉＣＮ層の結晶粒組織構造：
図１に、上記の化学蒸着条件で形成されたこの発明の改質ＴｉＣＮ層の結晶粒組織構造の概略模式図を示す。

図１に示されるように、この発明の改質ＴｉＣＮ層では、柱状組織のＴｉＣＮ粒が層厚方向に複数段に形成され、しかも、各段の上下の柱状組織のＴｉＣＮ粒の境界には、微粒組織のＴｉＣＮ粒が集積形成された組織構造を備えている。

図２には、上記の化学蒸着条件で形成されたこの発明の結晶粒組織構造を有する改質ＴｉＣＮ層における、平均粒径の分布図を示す。

この平均粒径の分布図は、以下の方法で求めることができる。

まず、改質ＴｉＣＮ層を、工具基体表面と平行に０．０２μｍの厚み幅領域に夫々区分し（図３において、工具基体表面に平行に引かれた複数の平行線で仕切られた区画が、０．０２μｍの厚み幅領域に相当する。）、区分された各厚み幅領域に存在する粒界の数ｎを透過型電子顕微鏡（倍率５００００倍）にて合計１０μｍにわたって測定し、このｎを１μｍ当たりの粒界の数Ｎ（＝ｎ／１０）に換算し、その換算値の逆数を平均粒径Ｄ（＝１／Ｎ）として求め、各厚み幅領域で求められた平均粒径Ｄを層厚方向に沿ってグラフ化することにより、図２として示される層厚方向平均粒径分布図を作成する。

そして、この発明の改質ＴｉＣＮ層の結晶粒組織構造によれば、該層厚方向平均粒径分布図において、平均粒径Ｄの値が０．５〜１．５μｍの範囲内である厚み幅領域と、平均粒径Ｄの値が０．０５〜０．３μｍの範囲内である厚み幅領域とが、改質ＴｉＣＮ層の層厚方向に沿って、周期的かつ交互に少なくとも複数領域形成される。

例えば、図２においては、平均粒径Ｄの値が０．５〜１．５μｍの範囲内である厚み幅領域が、層厚方向に４領域形成され、また、平均粒径Ｄの値が０．０５〜０．３μｍの範囲内である厚み幅領域が、層厚方向に３領域形成されている。

そしてこの層厚方向平均粒径分布図から、この発明の改質ＴｉＣＮ層では、層厚方向に沿ってＴｉＣＮ結晶粒の平均粒径が周期的に変化する結晶粒組織構造が形成されていることがわかる。

この発明で、ＴｉＣＮの平均粒径の変化の周期を０．５μｍ〜５μｍとしたのは、上記周期が０．５μｍ未満になると周期が短すぎるために周期構造の有するすぐれた靭性とすぐれた耐チッピング性の特徴を十分に発揮できなくなるためであり、一方、上記周期が５μｍ以上になると周期が長くなり過ぎてしまい周期構造の有する上記特徴を十分に発揮できなくなるため、という理由による。

また、この発明で、平均粒径Ｄの値の上限範囲を０．５〜１．５μｍの範囲内と定めたのは、０．５μｍ未満になると下限範囲の平均粒径Ｄとの差が小さくなりすぎて周期構造の有する特徴を十分に発揮しえなくなり、一方、１．５μｍ以上になると粗粒になり高い靭性を維持できなくなるからである。

また、平均粒径Ｄの値の下限範囲を０．０５〜０．３μｍの範囲内と定めたのは、０．０５μｍ未満になると該厚み幅領域でのＴｉＣＮの粒子間歪みが増大し改質ＴｉＣＮ層中の粒子の密着性が低下することによりＴｉＣＮ層の高い靭性を維持できなくなり、一方、０．３μｍ以上になると粗粒になることにより高い靭性を維持できなくなるという理由による。

この発明では、硬質被覆層の下部層中に、少なくとも一層の改質ＴｉＣＮ層として、平均粒径Ｄが上記の上限範囲内と上記の下限範囲内にある厚み幅領域が周期的に交互に現出する結晶粒組織構造を備えていることから、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に高負荷が作用する高速重切削加工においても、上部層のＡｌ_２Ｏ_３層が有する本来の高温硬さと耐熱性とを損なうことなく、硬質被覆層全体としてのすぐれた靭性、耐チッピング性を発揮するようになる。
上部層のＡｌ_２Ｏ_３層：
上部層を構成するＡｌ_２Ｏ_３層が、高温硬さと耐熱性を備えることは既に良く知られているが、この発明のＡｌ_２Ｏ_３層からなる上部層は、その平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用に亘って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２５μｍを越えるとＡｌ_２Ｏ_３結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、高速重切削加工時の耐チッピング性が低下するようになることから、その平均層厚を１〜２５μｍと定めた。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層とＡｌ_２Ｏ_３層からなる上部層を被覆形成し、かつ、下部層の少なくとも一つの層として、ＴｉＣＮの平均粒径が層厚方向に沿って周期的に変化する結晶粒組織構造を有している改質ＴｉＣＮ層を形成することにより、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合でも、靭性、耐チッピング性にすぐれ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成されるものである。

この発明の改質ＴｉＣＮ層の結晶粒組織構造の概略模式図を示す。この発明の結晶粒組織構造を有する改質ＴｉＣＮ層についての層厚方向の平均粒径分布図を示す。この発明の改質ＴｉＣＮ層を、工具基体表面に平行に引かれた複数の（仮想）平行線で、０．０２μｍの厚み幅領域に仕切り、区画した状態の模式図を示す。

つぎに、この発明の被覆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１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ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、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１９０６１２に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｅ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、Ｍｏ₂Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ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：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１９０６１２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ａ〜ｅを形成した。

つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件かつ表５に示される目標層厚でＴｉ化合物層を蒸着形成する。

ただ、Ｔｉ化合物層を形成するにあたり、そのうちの少なくとも一つの層は、表４に示す条件で、改質ＴｉＣＮ層を蒸着形成する。

改質ＴｉＣＮ層は、
（ａ）まず、表４に示す成膜条件でＴｉＣＮ層を形成し、
（ｂ）次いで、表４に示される条件で、成膜したＴｉＣＮ層を所定時間ＳＦ_６エッチングし、
（ｃ）上記（ａ）、（ｂ）を所定膜厚の改質ＴｉＣＮ層が得られるまで繰り返し行なうことにより形成する。

所定膜厚の下部層を蒸着形成した後、硬質被覆層の上部層であるＡｌ_２Ｏ_３層を、表３に示される条件で表５に示される目標層厚で蒸着形成する。

上記蒸着によって、表５に示される下部層および上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１５を製造した。

上記本発明被覆工具１〜１５の改質ＴｉＣＮ層について、透過型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて複数視野に渡って観察したところ、図１の概略摸式図に示される結晶粒組織構造が観察された。

また、同じく透過型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて、上記本発明被覆工具１〜１５の改質ＴｉＣＮ層について、図３に示されるように層厚方向に０．０２μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する粒界の数を測定し、１μｍ当たりの粒界の数の逆数を平均粒径Ｄとして、層厚方向に沿う各厚み幅領域の平均粒径Ｄの変化を求め、横軸を平均粒径Ｄ、縦軸を層厚方向深さとして、図２に示される平均粒径分布図を作成した。

上記図２において、平均粒径Ｄが０．５〜１．５μｍの間にある厚み幅領域における平均粒径Ｄの最大の値を平均粒径の極大値Ｄｍａｘとし、一方、平均粒径Ｄが０．０５〜０．３μｍの間にある厚み幅領域における平均粒径Ｄの最小の値を平均粒径の極小値Ｄｍｉｎとし、図２として作成した平均粒径分布図から、ＤｍａｘとＤｍｉｎを求め、さらに、層厚方向に沿って、周期的に現れるＤｍａｘ間の距離を平均粒径が変化する周期Ｃとして求めた。

表６に、改質ＴｉＣＮ層について、上記極大値Ｄｍａｘ、極小値Ｄｍｉｎ及び周期Ｃの値を示す。

また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、表３に示される条件かつ表７に示される目標層厚で、硬質被覆層の下部層としてのＴｉ化合物層および上部層としてのＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成することにより、表７に示すＴｉＣＮ層を有する比較被覆工具１〜１０を作製した。（比較被覆工具１〜１０では、改質ＴｉＣＮ層の形成を行っていない。）
また、表３に示される条件かつ表７に示される目標層厚で、硬質被覆層の下部層としてのＴｉ化合物層および上部層としてのＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成するとともに、下部層の一部に、表４に示される条件でＴｉＣＮの平均粒径が変化する改質ＴｉＣＮ層を形成することにより、表７に示すＴｉＣＮ層を有する比較被覆工具１１〜１５を作製した。

比較被覆工具１〜１０のＴｉＣＮ層及び比較被覆工具１１〜１５の改質ＴｉＣＮ層について、透過型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて、ＴｉＣＮの平均粒径を測定した。

比較被覆工具１〜１０については、ＴｉＣＮの平均粒径は層厚方向に有意な差は認められず、ほぼ均一平均粒径であった。

表８には、比較被覆工具１〜１０についての層厚方向全体にわたり均一な平均粒径の値を示す。

比較被覆工具１１〜１５については、本発明被覆工具１〜１５の場合と同様に層厚方向にわたる平均粒径の変化を測定した。

表８に、比較被覆工具１１〜１５について求めた極大値Ｄｍａｘ、極小値Ｄｍｉｎ及び周期Ｃの値を示す。

また、本発明被覆工具１〜１５及び比較被覆工具１〜１５の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも表５，表７に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。

つぎに、上記本発明被覆工具１〜１５及び比較被覆工具１〜１５について、表９に示す条件で切削加工試験を実施し、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。

表１０に、この測定結果を示した。

表５〜１０に示される結果から、この発明の被覆工具は、硬質被覆層の下部層として、少なくとも一層の改質ＴｉＣＮの平均粒径が層厚方向に沿って０．５μｍ〜５μｍの周期で周期的に変化する結晶粒組織構造を有していることにより、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合でも、靭性、耐チッピング性にすぐれ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することが明らかである。

これに対して、下部層のＴｉＣＮがほぼ均一平均粒径である比較被覆工具１〜１０、また、本発明範囲外の結晶粒組織構造を有する比較被覆工具１１〜１５については、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合、チッピング、欠損等の発生により短時間で寿命にいたることが明らかである。

上述のように、この発明の被覆工具は、例えば鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に高負荷が作用する高速重切削加工において、すぐれた靭性、耐チッピング性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、高速重切削加工条件ばかりでなく、高速切削加工条件、高速断続切削加工条件等で使用することも勿論可能である。

Claims

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、
（ａ）下部層は、少なくともＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層は、１〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を化学蒸着した表面被覆切削工具において、
上記（ａ）の下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を、工具基体表面と平行に０．０２μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する粒界の数を測定し、１μｍ当たりの粒界の数の逆数を平均粒径Ｄとして、膜厚方向に沿う各厚み幅領域の平均粒径Ｄの変化を求めた場合に、
平均粒径Ｄが０．５〜１．５μｍである厚み幅領域と、平均粒径Ｄが０．０５〜０．３μｍである厚み幅領域とが、該層の膜厚方向に沿って、交互に少なくとも複数領域形成されていることによって、上記下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層の平均粒径Ｄが膜厚方向に沿って０．５μｍ〜５μｍの周期で周期的に変化する結晶粒組織構造を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
上記（ａ）のＴｉ化合物層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層と、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上とからな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。