JP5854321B2 - 高速断続切削加工で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切削工具 - Google Patents
高速断続切削加工で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切削工具 Download PDFInfo
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Description
この発明は、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して衝撃的な負荷が作用する高速断続切削加工で、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層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３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良く知られている。
そして、上記の従来被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の構造についての種々の提案がなされている。
（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層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３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良く知られている。
そして、上記の従来被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の構造についての種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、Ｔｉ化合物層からなる下部層と、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を被覆した被覆切削工具において、該Ａｌ２Ｏ３層について、測定角度４５〜９０度の範囲内で（０００１）面の法線の傾斜角度数分布を測定した場合、８３〜８９度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、８３〜９０度の範囲内に存在する度数合計が、度数全体の４５〜７７％の割合を占めるような配向性を示すＡｌ２Ｏ３層を形成することにより、耐チッピング性を改善することが提案されている。
また、特許文献２に示すように、工具基体の表面に、Ｔｉ化合物層からなる下部層と、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を被覆した被覆切削工具において、Ａｌ２Ｏ３層を下位層と上位層からなる上下２層構造とし、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、下位層については測定角度４５〜９０度の範囲内で、また、上位層については測定角度０〜４５度の範囲内で、（０００１）面の法線の傾斜角度数分布を測定した場合、上位層は、０〜１５度の範囲内に存在する度数合計が、度数全体の５０％以上の割合を占め、また、下位層は、７５〜９０度の範囲内に存在する度数合計が、度数全体の５０％以上の割合を占めるような配向性を示すＡｌ２Ｏ３層を形成することにより、高速重切削における耐チッピング性を改善することが提案されている。
近年の切削装置の高性能化はめざましく、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、切削加工は一段と高速化、高効率化の傾向にある。また、工具寿命の延命化を図るという観点から、硬質被覆層の厚膜化も求められているが、例えば、硬質被覆層（例えば、上部層のＡｌ２Ｏ３層）の厚膜化を図った場合、上記従来の被覆工具においては、特にこれを厳しい切削条件の高速断続切削、すなわち、高熱発生を伴うとともに、切刃部にきわめて短いピッチで繰り返し断続的、衝撃的負荷が作用する高速断続切削で用いると、上部層のＡｌ２Ｏ３層は、高温強度、靭性、密着性が十分とはいえないため、切刃部にチッピングが発生しやすく、これが原因で、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、被覆工具の硬質被覆層の耐チッピング性向上をはかるべく、上部層を構成するＡｌ２Ｏ３結晶粒の結晶方位差に着目し、鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得た。
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、下部層として、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する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（ＴｉＣＮＯ）物層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層を形成した後、上部層の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層を蒸着形成するにあたり、Ａｌ２Ｏ３層の蒸着を、下部領域、中間領域および上部領域の３領域で条件を異ならせて蒸着すること、即ち、下部領域では基体表面の法線に対して（０００１）面の法線がなす傾斜角が８０〜９０度の範囲内に存在する割合を高め、中間領域では上記７０〜８０度の範囲内に存在する割合を高め、、上部領域では上記０〜１０度の範囲内に存在する割合を高めるような条件で蒸着することによって、上部層の各領域間における膜厚方向の結晶方位差が徐々に緩和された上部層を形成し得ることを見出したのである。
そして、このような硬質被覆層を備えた被覆切削工具は、その上部層が下部層との密着性に優れるばかりか、結晶方位差に起因する上部層内部での脆化も抑制でき、さらに、厚膜化してもすぐれた高温強度、靭性を備えるものであることから、これを、例えば、鋼や鋳鉄などの、高熱発生を伴い、切刃に断続的、衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合であっても、切刃部でのチッピングの発生を伴うことなく、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮することができるのである。
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、
「 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）下部層が、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する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層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、２〜２５μｍの平均層厚を有し、六方晶の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記酸化アルミニウム層は、それぞれ、平均領域厚さが０．５〜３μｍ、０．５〜３μｍおよび１〜２０μｍの下部領域、中間領域および上部領域の３領域から構成され、
（ｄ）上記酸化アルミニウム層のそれぞれの領域について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、
上記下部領域は、８０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、該下部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
上記中間領域は、７０〜８０度の範囲内に存在する度数の合計が、該中間領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
上記上部領域は、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、該上部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
「 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）下部層が、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する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層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、２〜２５μｍの平均層厚を有し、六方晶の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記酸化アルミニウム層は、それぞれ、平均領域厚さが０．５〜３μｍ、０．５〜３μｍおよび１〜２０μｍの下部領域、中間領域および上部領域の３領域から構成され、
（ｄ）上記酸化アルミニウム層のそれぞれの領域について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、
上記下部領域は、８０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、該下部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
上記中間領域は、７０〜８０度の範囲内に存在する度数の合計が、該中間領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
上記上部領域は、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、該上部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、より具体的に説明する。
下部層（Ｔｉ化合物層）：
Ｔｉ化合物層は、自体が高温強度を有し、これ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、工具基体と上部層であるＡｌ2Ｏ3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が、その合計平均層厚が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、特に高熱発生を伴う高速断続切削で熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
Ｔｉ化合物層は、自体が高温強度を有し、これ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、工具基体と上部層であるＡｌ2Ｏ3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が、その合計平均層厚が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、特に高熱発生を伴う高速断続切削で熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
上部層（Ａｌ２Ｏ３層）：
上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層は、一般的に、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が２μｍ未満では、硬質被覆層に十分な耐摩耗性を発揮せしめることができない。一方、この発明によれば、工具寿命の延命化のため、その平均層厚２５μｍまでの厚膜化は可能であるが、平均層厚が２５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を２〜２５μｍと定めた。
上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層は、一般的に、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が２μｍ未満では、硬質被覆層に十分な耐摩耗性を発揮せしめることができない。一方、この発明によれば、工具寿命の延命化のため、その平均層厚２５μｍまでの厚膜化は可能であるが、平均層厚が２５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を２〜２５μｍと定めた。
膜厚方向の結晶方位差が徐々に緩和される下部領域、中間領域および上部領域の３領域からなる本発明のＡｌ２Ｏ３層は、例えば、以下に示す三段階の蒸着方法によって成膜することができる。
即ち、Ｔｉ化合物層からなる下部層を通常の化学蒸着法で形成した後、該下部層の上に、例えば、通常の化学蒸着装置を用いて、
≪下部領域の成膜≫
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３ ５〜８％、ＣＯ２ ３〜８％、ＨＣｌ ６〜１０％、ＴｉＣｌ４ ０．１〜０．６％、残りＨ２、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で、膜厚が０．５〜３μｍになるまで下部領域を成膜し、
≪中間領域の成膜≫
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３ １〜５％、ＣＯ２ ３〜８％、ＨＣｌ ２〜５％、ＴｉＣｌ４ ０．４〜１．０％、Ｈ２Ｓ ０．０５〜０．１０％、残りＨ２、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で、膜厚が０．５〜３μｍになるまで中間領域を成膜し、
≪上部領域の成膜≫
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３ ２〜５％、ＣＯ２ ３〜８％、ＨＣｌ ６〜１０％、Ｈ２Ｓ ０．２５〜０．６％、残りＨ２、
反応雰囲気温度：９６０〜１０２０℃、
反応雰囲気圧力：３〜１０ｋＰａ、
の条件で、膜厚が１〜２０μｍになるまで上部領域を成膜する。
上記の三段階で、Ａｌ２Ｏ３を成膜することによって、膜厚方向の結晶方位差が徐々に緩和される下部領域、中間領域および上部領域の３領域からなる本発明のＡｌ２Ｏ３層を形成することができる。
即ち、Ｔｉ化合物層からなる下部層を通常の化学蒸着法で形成した後、該下部層の上に、例えば、通常の化学蒸着装置を用いて、
≪下部領域の成膜≫
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３ ５〜８％、ＣＯ２ ３〜８％、ＨＣｌ ６〜１０％、ＴｉＣｌ４ ０．１〜０．６％、残りＨ２、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で、膜厚が０．５〜３μｍになるまで下部領域を成膜し、
≪中間領域の成膜≫
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３ １〜５％、ＣＯ２ ３〜８％、ＨＣｌ ２〜５％、ＴｉＣｌ４ ０．４〜１．０％、Ｈ２Ｓ ０．０５〜０．１０％、残りＨ２、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で、膜厚が０．５〜３μｍになるまで中間領域を成膜し、
≪上部領域の成膜≫
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３ ２〜５％、ＣＯ２ ３〜８％、ＨＣｌ ６〜１０％、Ｈ２Ｓ ０．２５〜０．６％、残りＨ２、
反応雰囲気温度：９６０〜１０２０℃、
反応雰囲気圧力：３〜１０ｋＰａ、
の条件で、膜厚が１〜２０μｍになるまで上部領域を成膜する。
上記の三段階で、Ａｌ２Ｏ３を成膜することによって、膜厚方向の結晶方位差が徐々に緩和される下部領域、中間領域および上部領域の３領域からなる本発明のＡｌ２Ｏ３層を形成することができる。
そして、この上部層は、上部層の下部領域が、下部層との密着性に優れ、また、上部層はすぐれた高温強度と靭性を備え、さらに、中間領域は、下部領域と上部領域の急激な結晶方位差の変化を緩和し、下部領域と上部領域間の急激な結晶方位差によるＡｌ２Ｏ３層内部の脆化を抑制することから、本発明の上部層を備えた被覆工具は、高速断続切削加工においてすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する。
上記で成膜した上部層のＡｌ２Ｏ３層について、層厚方向に形成された下部領域、中間領域および上部領域の３領域のそれぞれの結晶配向性を調べるため、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、断面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成したところ、
（イ）下部領域においては、８０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、該下部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
（ロ）中間領域においては、７０〜８０度の範囲内に存在する度数の合計が、該中間領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
（ハ）上部領域においては、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、該上部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占めた。
つまり、上部層の各領域間において膜厚方向の結晶方位差が徐々に緩和されていることが分かる。
（イ）下部領域においては、８０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、該下部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
（ロ）中間領域においては、７０〜８０度の範囲内に存在する度数の合計が、該中間領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
（ハ）上部領域においては、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、該上部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占めた。
つまり、上部層の各領域間において膜厚方向の結晶方位差が徐々に緩和されていることが分かる。
図１に、（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定した傾斜角度数分布グラフの一例を示す。
図１（ａ）は下部領域、（ｂ）は中間領域、（ｃ）は上部領域について測定した傾斜角度数分布グラフである。
図１（ａ）は下部領域、（ｂ）は中間領域、（ｃ）は上部領域について測定した傾斜角度数分布グラフである。
上記上部層のＡｌ２Ｏ３層において、その下部領域、中間領域、上部領域のそれぞれの膜厚が、０．５μｍ、０．５μｍ、１μｍ未満では、上部層の厚膜化による工具寿命の長寿命化を期待することができず、一方、上記各領域の膜厚が、それぞれ、３μｍ、３μｍ、２０μｍを超えると、切れ刃部にチッピングが発生しやすくなることから、上部層の下部領域の膜厚は０．５〜３μｍ、中間領域の膜厚は０．５〜３μｍ、また、上部領域の膜厚は１〜２０μｍと、それぞれ定めた。
また、上記下部領域において、８０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、該下部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％未満では、下部層との十分な密着性を確保することができず、また、中間領域において、７０〜８０度の範囲内に存在する度数の合計が、該中間領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％未満では、下部領域と上部領域間の結晶方位差の緩和を十分に図ることができないため、下部領域と上部領域間の密着性の向上、層内脆化の緩和を図ることができず、さらに、上部領域において、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、該上部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％未満では、Ａｌ２Ｏ３層の具備する耐摩耗性を十分に発揮することができない。
したがって、本発明では、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層の下部領域は、８０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、該下部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を、また、中間領域は、７０〜８０度の範囲内に存在する度数の合計が、該中間領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を、さらに、上部領域は、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、該上部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占めるように、上部層各領域におけるＡｌ２Ｏ３結晶粒の配向割合を定めた。
したがって、本発明では、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層の下部領域は、８０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、該下部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を、また、中間領域は、７０〜８０度の範囲内に存在する度数の合計が、該中間領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を、さらに、上部領域は、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、該上部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占めるように、上部層各領域におけるＡｌ２Ｏ３結晶粒の配向割合を定めた。
硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層とＡｌ２Ｏ３層からなる上部層が形成されたこの発明の被覆工具は、上部層のＡｌ２Ｏ３層が、下部領域、中間領域、上部領域の３領域から形成され、各領域におけるＡｌ２Ｏ３結晶粒の配向性を徐々に変化させ、下部領域では、下部層との密着性が高められ、上部領域では、すぐれた高温強度、高温硬さ、靭性を具備し、さらに、中間領域において、下部領域と上部領域間の結晶方位差変化が緩和され、もって、層内密着性を高められるとともに、層内脆化を抑制されることにより、高熱発生を伴うとともに、切刃部に断続的、衝撃的負荷が作用する高速断続切削に用いた場合でも、チッピング等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
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、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・ＣＮＭＧ１２０４０８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〜Ｆ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・ＣＮＭＧ１２０４１２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〜ｆを形成した。
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆ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に示される条件で、かつ、表５に示される組み合わせ及び目標層厚でＴｉ化合物層を蒸着形成し、
ついで、上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を、表４に示される条件にて、かつ、表６に示される目標層厚で蒸着形成することにより、
本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
ついで、上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を、表４に示される条件にて、かつ、表６に示される目標層厚で蒸着形成することにより、
本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件で、かつ、表５に示される組み合わせ及び目標層厚で、本発明被覆工具１〜１３と同じＴｉ化合物層を蒸着形成し、
ついで、上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を、表４に示される条件にて、かつ、表７に示される目標層厚で蒸着形成することにより、
比較例被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
ついで、上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を、表４に示される条件にて、かつ、表７に示される目標層厚で蒸着形成することにより、
比較例被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
ついで、上記の本発明被覆工具と比較例被覆工具の硬質被覆層の上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用いて、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
まず、傾斜角度数分布グラフは、上部層のＡｌ２Ｏ３層の縦断面(下部領域、中間領域、上部領域のいずれかの縦断面)を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記縦断面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、工具基体の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。
また、上記測定は、Ａｌ２Ｏ３層の下部領域、中間領域、上部領域のそれぞれの領域について行った。
なお、比較例被覆工具については、Ａｌ２Ｏ３層は単一の領域であって、上記各領域が形成されていないことから、Ａｌ２Ｏ３層の層厚を、層厚方向に８等分し、それぞれ工具基体の側から、第１領域、第２領域、第３領域、第４領域、第５領域、第６領域、第７領域、第８領域とし、第１領域が本発明の下部領域に対応する領域、第２領域が本発明の中間領域に対応する領域、第３〜第８領域が本発明の上部領域に対応する領域であるとして、各領域における傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
まず、傾斜角度数分布グラフは、上部層のＡｌ２Ｏ３層の縦断面(下部領域、中間領域、上部領域のいずれかの縦断面)を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記縦断面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、工具基体の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。
また、上記測定は、Ａｌ２Ｏ３層の下部領域、中間領域、上部領域のそれぞれの領域について行った。
なお、比較例被覆工具については、Ａｌ２Ｏ３層は単一の領域であって、上記各領域が形成されていないことから、Ａｌ２Ｏ３層の層厚を、層厚方向に８等分し、それぞれ工具基体の側から、第１領域、第２領域、第３領域、第４領域、第５領域、第６領域、第７領域、第８領域とし、第１領域が本発明の下部領域に対応する領域、第２領域が本発明の中間領域に対応する領域、第３〜第８領域が本発明の上部領域に対応する領域であるとして、各領域における傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
表６、表７に、上記で求めた傾斜角度数分布グラフにおいて、度数全体に占める８０〜９０度（下部領域）、７０〜８０度（中間領域）および０〜１０度(上部領域)の範囲内の傾斜角区分に存在する度数割合を示す。
図１（ａ）〜（ｃ）に、一例として、本発明被覆工具１について作成した傾斜角度数分布グラフを示す。
図１（ａ）〜（ｃ）に、一例として、本発明被覆工具１について作成した傾斜角度数分布グラフを示す。
表６、表７にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具のＡｌ２Ｏ３層は、下部領域では８０〜９０度の度数割合が高いことを、また、中間領域においては、７０〜８０度の度数割合が高いことを、さらに、上部領域においては、０〜１０度の度数割合が高いことを示している。
これに対して、比較例被覆工具においては、各領域の度数割合が６０％以下であり、また領域間で傾斜構造とはなっていないことを示した。
これに対して、比較例被覆工具においては、各領域の度数割合が６０％以下であり、また領域間で傾斜構造とはなっていないことを示した。
なお、本発明被覆工具１〜１３の下部層の層厚、上部層の各領域の膜厚、さらには、比較例被覆工具１〜１３の下部層、上部層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定（同じく縦断面測定）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。
つぎに、上記の各種の被覆工具をいずれも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、本発明被覆工具１〜１３および比較例被覆工具１〜１３について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．３ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａ）での炭素鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．３２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金鋼の湿式高速断続高送り切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．４ｍｍ、
送り：０．３２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｃ）でのダクタイル鋳鉄の乾式高速断続高送り切削試験（通常の切削速度は、１８０ｍ／ｍｉｎ）、
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。
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．３ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａ）での炭素鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．３２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金鋼の湿式高速断続高送り切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．４ｍｍ、
送り：０．３２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｃ）でのダクタイル鋳鉄の乾式高速断続高送り切削試験（通常の切削速度は、１８０ｍ／ｍｉｎ）、
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。
表６〜８に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、上部層のＡｌ２Ｏ３層が、下部領域、中間領域、上部領域の３領域から形成され、各領域におけるＡｌ２Ｏ３結晶粒の配向性を徐々に変化させ、下部領域では、下部層との密着性を高め、上部領域では、すぐれた高温強度、高温硬さ、靭性を具備し、さらに、中間領域において、下部領域と上部領域間の結晶方位差変化を緩和し、もって、層内密着性を高めるとともに、層内脆化を抑制したことにより、高熱発生を伴うとともに、切刃部に断続的、衝撃的負荷が作用する高速断続切削に用いた場合でも、チッピング等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
これに対して、比較例被覆工具１〜１３については、いずれも、高速断続切削加工では硬質被覆層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。
これに対して、比較例被覆工具１〜１３については、いずれも、高速断続切削加工では硬質被覆層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、この発明の被覆工具は、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特に高熱発生を伴い、切刃部に断続的、衝撃的負荷が作用する高速断続切削に用いた場合でも、すぐれた耐チッピング性を示し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、切削装置の高性能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。
Claims (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）下部層が、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する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層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、２〜２５μｍの平均層厚を有し、六方晶の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記酸化アルミニウム層は、それぞれ、平均領域厚さが０．５〜３μｍ、０．５〜３μｍおよび１〜２０μｍの下部領域、中間領域および上部領域の３領域から構成され、
（ｄ）上記酸化アルミニウム層のそれぞれの領域について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、
上記下部領域は、８０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、該下部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
上記中間領域は、７０〜８０度の範囲内に存在する度数の合計が、該中間領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占め、
上記上部領域は、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、該上部領域について作成した傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
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