JP6708261B2

JP6708261B2 - 被覆切削工具

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Publication number: JP6708261B2
Application number: JP2018550082A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　博之; 博之佐藤; 雄亮平野
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: US20190262906A1; JPWO2018088114A1; US11020803B2; WO2018088114A1; CN109952169B; CN109952169A

Description

本発明は、被覆切削工具に関する。

従来、超硬合金からなる基材の表面に化学蒸着法により３〜２０μｍの総膜厚で被覆層を蒸着形成してなる被覆切削工具が、鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることは、よく知られている。被覆層としては、例えば、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物及び炭窒酸化物並びに酸化アルミニウムからなる群より選ばれる１種の単層又は２種以上の複層からなる被覆層である。

特許文献１では、基材表面に硬質被覆層を含み、硬質被覆層の少なくとも１つ以上がα−Ａｌ_２Ｏ_３層であり、α−Ａｌ_２Ｏ_３層の集合組織係数ＴＣ（００１２）が５以上であり、α−Ａｌ_２Ｏ_３層の残留応力を０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下とし、基材の残留応力を−２０００ＭＰａ以上−４００ＭＰａ以下とする切削インサートが開示されている。

特表２０１４−５３０１１２号公報

近年の切削加工では、高速化、高送り化及び深切り込み化がより顕著となり、加工中に刃先にかかる負荷により、工具表面から発生したクラックが基材へと進展したり、刃先温度の急激な増減により基材から発生したクラックが被覆層中に進展したりすることがある。そして、これらに起因した工具の欠損が多々見られるようになっている。

このような背景により、上記の特許文献１に開示された工具では、耐摩耗性に優れるものの、被覆切削工具に大きな負荷が作用する切削加工条件下において、耐欠損性が不十分であり、さらなる寿命向上が求められる。

本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有し、工具寿命の長い被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明者らは、上述の観点から、被覆切削工具の工具寿命の延長について研究を重ねたところ、α型酸化アルミニウム層の結晶方位を適正化することを含む以下の構成にすると、耐欠損性を向上させることができ、その結果、工具寿命を延長することができるという知見を得て、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
［１］
基材と、該基材の表面に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
前記被覆層が、少なくとも１層のα型酸化アルミニウム層を含み、
前記α型酸化アルミニウム層において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、４．０以上８．４以下であり、下記式（２）で表される（１，１，９）面の組織係数ＴＣ（１，１，９）が、０．５以上３．０以下である、被覆切削工具（ただし、前記α型酸化アルミニウム層は、アルミニウムとジルコニウムの複合酸化物層であってアルミニウムとジルコニウムの合計量に対するジルコニウムの含有量が原子比で０．０００１〜０．００３であるものを除く。）。

（式（１）及び式（２）中、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、前記α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（２，１，４）、（３，０，０）、（１，１，９）、及び（０，０，１２）の９の結晶面を指す。）
［２］
前記α型酸化アルミニウム層において、前記組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、５．０以上８．２以下である、［１］の被覆切削工具。
［３］
前記α型酸化アルミニウム層において、前記組織係数ＴＣ（１，１，９）が、０．７以上２．５以下である、［１］又は［２］の被覆切削工具。
［４］
前記α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値が、少なくとも一部において、−３００ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である、［１］〜［３］のいずれかの被覆切削工具。
［５］
前記α型酸化アルミニウム層の平均粒径が、０．１μｍ以上３．０μｍ以下である、［１］〜［４］のいずれかの被覆切削工具。
［６］
前記α型酸化アルミニウム層の平均厚さが、１．０μｍ以上１５．０μｍ以下である、［１］〜［５］のいずれかの被覆切削工具。
［７］
前記被覆層が、前記基材と前記α型酸化アルミニウム層との間に、Ｔｉと、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素とのＴｉ化合物からなるＴｉ化合物層を備える、［１］〜［６］のいずれかの被覆切削工具。
［８］
前記Ｔｉ化合物層が、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、前記ＴｉＣＮ層の平均厚さが、２．０μｍ以上２０．０μｍ以下である、［７］の被覆切削工具。
［９］
前記被覆層の平均厚さが、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下である、［１］〜［８］のいずれかの被覆切削工具。
［１０］
前記基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、［１］〜［９］のいずれかの被覆切削工具。

本発明によると、耐摩耗性及び耐欠損性を向上でき、その結果、工具寿命の長い被覆切削工具を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

本実施形態の被覆切削工具は、基材と、基材の表面に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、被覆層が、少なくとも１層のα型酸化アルミニウム層を含み、α型酸化アルミニウム層において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、４．０以上８．４以下であり、下記式（２）で表される（１，１，９）面の組織係数ＴＣ（１，１，９）が、０．５以上３．０以下である。

ここで、式（１）及び式（２）において、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウム層の（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ_０（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（２，１，４）、（３，０，０）、（１，１，９）、及び（０，０，１２）の９の結晶面を指す。

本実施形態の被覆切削工具は、上記の構成を備えることにより、耐摩耗性及び耐欠損性を向上でき、その結果、工具寿命を延長できる。本実施形態の被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する要因は、以下のように考えられる。但し、要因は以下のものに限定されない。すなわち、まず、本実施形態のα型酸化アルミニウム層において、上記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が４．０以上８．４以下であることにより、（０，０，１２）面のピーク強度Ｉ（０，０，１２）の比率が高いことを示し、（０，０，１２）面により優先的に配向していることを示す。これに起因して、クレータ摩耗を抑制でき、その結果、耐摩耗性が向上する。一方、本実施形態のα型酸化アルミニウム層において、上記式（２）で表される（１，１，９）面の組織係数ＴＣ（１，１，９）が０．５以上３．０以下であることにより、（１，１，９）面のピーク強度Ｉ（１，１，９）の比率が高いことを示し、（１，１，９）面が、（０，０，１２）面に配向していることを示す。これに起因して、亀裂の発生を抑制でき、特に、高温となる切削加工条件下においても亀裂の発生を抑制できる結果、耐欠損性が向上する。そして、それらの組織係数ＴＣ（０，０，１２）及びＴＣ（１，１，９）の合計は４．５以上となり、他の結晶面の組織係数の合計よりも同等かそれ以上になり、（０．０，１２）面及び（１，２，１１）面が他の結晶面よりも優先的に配向しているので、上記の耐摩耗性及び耐欠損性の向上を確実に達成することができる。

本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材上に設けられた被覆層とを有する。被覆切削工具の種類として、具体的には、フライス加工用又は旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル及びエンドミルを挙げることができる。

本実施形態における基材は、被覆切削工具の基材として用いられ得るものであれば、特に限定されない。基材としては、例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、高速度鋼を挙げることができる。それらの中でも、基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかであると、耐摩耗性及び耐欠損性に更に優れるので、好ましく、基材が、超硬合金であると、さらに好ましい。

なお、基材は、その表面が改質されたものであってもよい。例えば、基材が超硬合金からなるものである場合、その表面に脱β層が形成されてもよい。また、基材がサーメットからなるものである場合、その表面に硬化層が形成されてもよい。これらのように基材の表面が改質されていても、本発明の作用効果は奏される。

本実施形態における被覆層は、その平均厚さが、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下であることが好ましい。平均厚さが３．０μｍ以上であると、耐摩耗性が更に向上する傾向にあり、３０．０μｍ以下であると、被覆層の基材との密着性及び耐欠損性が一層高まる傾向にある。同様の観点から、被覆層の平均厚さは、３．０μｍ以上２０．０μｍ以下であるとより好ましく、５．０μｍ以上２０．０μｍ以下であるとさらに好ましい。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さは、３箇所以上の断面から、各層の厚さ及び被覆層全体の厚さを測定して、その平均値を計算することで求めることができる。

本実施形態における被覆層は、少なくとも１層のα型酸化アルミニウム層を含む。α型酸化アルミニウム層は、前記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、４．０以上８．４以下である。組織係数ＴＣ（０，０，１２）が高くなると、（０，０，１２）面のピーク強度Ｉ（０，０，１２）の比率が高くなり、その結果、クレータ摩耗を抑制することにより、耐摩耗性が向上する。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層における組織係数ＴＣ（０，０，１２）は、５．０以上８．２以下であることが好ましく、５．５以上８．１以下であることがより好ましい。

α型酸化アルミニウム層は、前記式（２）で表される（１，１，９）面の組織係数ＴＣ（１，１，９）が、０．５以上３．０以下である。組織係数ＴＣ（１，１，９）が高くなると、（１，１，９）面のピーク強度Ｉ（１，１，９）の比率が高くなり、その結果、亀裂の発生を抑制することができるため、耐欠損性に優れる。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層における組織係数ＴＣ（１，１，９）は、０．７以上２．５以下であることが好ましい。

本実施形態のα型酸化アルミニウム層の平均厚さは、１．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。α型酸化アルミニウム層の平均厚さが、１．０μｍ以上であると、被覆切削工具のすくい面における耐クレータ摩耗性が更に向上する傾向にある。一方、α型酸化アルミニウム層の平均厚さが１５．０μｍ以下であると剥離がより抑制され、耐欠損性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層の平均厚さは、３．０μｍ以上１２．０μｍ以下であることがより好ましい。

α型酸化アルミニウム層の各面指数のピーク強度は、市販のＸ線回折装置を用いることにより、測定することができる。例えば、株式会社リガク製Ｘ線回折装置ＲＩＮＴＴＴＲIIIを用いて、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、２θ測定範囲：２０〜１５５°という条件で行うと、ＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３において示されている全ての各面指数のピーク強度を測定することができる。Ｘ線回折図形から各面指数のピーク強度を求めるときに、Ｘ線回折装置付属の解析ソフトウェアを用いてもよい。解析ソフトウェアでは、三次式近似を用いてバックグラウンド処理及びＫα２ピーク除去を行い、Ｐｅａｒｓｏｎ−VII関数を用いてプロファイルフィッティングを行い、各ピーク強度を求めることができる。なお、α型酸化アルミニウム層よりも基材側に各種被覆層が形成されている場合には、各種被覆層の影響を受けないように、薄膜Ｘ線回折装法により、各ピーク強度を測定することができる。また、α型酸化アルミニウム層よりも外側に各種被覆層が形成されている場合には、バフ研磨により、各種被覆層を除去し、その後、Ｘ線回折測定を行うとよい。

本実施形態において、α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値は、少なくとも一部において、−３００ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下であることが好ましい。上記残留応力値が、−３００ＭＰａ以上であるとα型酸化アルミニウム層が有する粒子の脱落を起点とする摩耗の進行を一層抑制することができるため、耐摩耗性が向上する傾向にある。また、上記残留応力値が３００ＭＰａ以下であると、α型酸化アルミニウム層における亀裂の発生を一層抑制することができるため、被覆切削工具の耐欠損性がより向上する傾向にある。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値は、−３００ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であることがより好ましい。

ここで、「少なくとも一部において」とは、α型酸化アルミニウム層全体において、α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における上記残留応力値の範囲を満たす必要はなく、すくい面などの特定の領域におけるα型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面において、上記残留応力値の範囲を満たせばよいことを示す。

α型酸化アルミニウム層の残留応力値は、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ^２ψ法により測定することができる。例えば、被覆層中の任意の３点における残留応力をｓｉｎ^２ψ法により測定し、これら３点の残留応力の平均値を求める。測定箇所となる被覆層中の任意の３点は、例えば、互いに０．１ｍｍ以上離れるように選択される。

α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値を測定するためには、測定対象となるα型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面を選択する。具体的には、α型酸化アルミニウム層が形成された試料を、Ｘ線回折装置によって分析する。そして、試料面法線と格子面法線のなす角度ψを変えた時の（１，１，６）面の回折角の変化を調べる。

本実施形態の被覆切削工具において、α型酸化アルミニウム層の平均粒径が０．１μｍ以上であると、耐欠損性が更に向上する傾向がみられる。一方、α型酸化アルミニウム層の平均粒径が３．０μｍ以下であると、逃げ面における耐摩耗性が更に向上する傾向がみられる。そのため、α型酸化アルミニウム層の平均粒径は、０．１μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。その中でも、上記と同様の観点から、α型酸化アルミニウム層の平均粒径は０．３μｍ以上１．５μｍ以下であるとより好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、α型酸化アルミニウム層の平均粒径は、市販の電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）又は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属した電子後方散乱回折像装置（ＥＢＳＤ）を用いて求めることができる。以下に具体例を示す。被覆切削工具を基材の表面と平行又は略平行する方向に鏡面研磨して、α型酸化アルミニウム層の断面組織を露出させる。α型酸化アルミニウム層の断面組織を露出させる方法としては、ダイヤモンドペースト又はコロイダルシリカを用いて研磨する方法、イオンミリングなどを挙げることができる。α型酸化アルミニウム層の断面組織を露出した試料をＦＥ−ＳＥＭにセットし、試料に、７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧及び０．５ｎＡ照射電流の条件にて電子線を照射する。測定範囲が３０μｍ×５０μｍの範囲を０．１μｍのステップサイズというＥＢＳＤの設定で測定する。粒子は、方位差５°以上の組織境界で囲まれる領域とする。粒子の面積と等しい面積の円の直径をその粒子の粒径とする。α型酸化アルミニウム層の断面組織から粒径を求めるときに画像解析ソフトを用いてもよい。３０μｍ×５０μｍの範囲におけるα型酸化アルミニウム層の粒径をそれぞれ求め、平均した値をα型酸化アルミニウム層の平均粒径とする。

本実施形態の被覆層において、基材とα型酸化アルミニウム層との間に、Ｔｉと、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素とのＴｉ化合物からなるＴｉ化合物層を備えると、耐摩耗性及び密着性が一層向上するため好ましい。Ｔｉ化合物層は、同様の観点から、Ｔｉと、Ｃ、Ｎ、及びＯからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素とのＴｉ化合物からなることが好ましい。

本実施形態のＴｉ化合物層は、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含むと、耐摩耗性が一層向上するため、好ましい。

本実施形態のＴｉＣＮ層の平均厚さは、２．０μｍ以上２０．０μｍ以下であることが好ましい。ＴｉＣＮ層の平均厚さが、２．０μｍ以上であると耐摩耗性が一層向上する傾向にあり、２０．０μｍ以下であると剥離が更に抑制され、耐欠損性がより向上する傾向にある。同様の観点から、ＴｉＣＮ層の平均厚さは、５．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることがより好ましい。

ＴｉＣＮ層は、ＴｉＣＮからなる層であるが、上述の構成を備え、ＴｉＣＮ層による作用効果を奏する限りにおいて、ＴｉＣＮ以外の成分を微量含んでもよい。

本実施形態のＴｉ化合物層は、基材とＴｉＣＮ層との間に、ＴｉＮからなる最下層を備えると、密着性が向上するため好ましい。最下層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。最下層の平均厚さが、０．１μｍ以上であると、最下層がより均一な組織になり、密着性が更に向上する傾向にある。一方、最下層の平均厚さが０．５μｍ以下であると、最下層が剥離の起点となるのをより抑制するので、耐欠損性が更に高まる傾向にある。

本実施形態の被覆層において、基材とは反対側に、ＴｉＮからなる最外層を備えると、被覆切削工具の使用状態を確認することができ、視認性に優れるため好ましい。最外層の平均厚さは、０．２μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。最外層の平均厚さが、０．２μｍ以上であるとα型酸化アルミニウム層の粒子が脱落するのを一層抑制する効果があり、１．０μｍ以下であると耐欠損性が一層向上するため、好ましい。

最外層及び最下層は、ＴｉＮからなる層であるが、上述の構成を備え、最外層及び最下層としての上記作用効果を奏する限りにおいて、ＴｉＮ以外の成分を微量含んでもよい。

本実施形態のＴｉ化合物層は、ＴｉＣＮ層とα型酸化アルミニウム層との間に、ＴｉＣＮＯ又はＴｉＣＯからなる中間層を備えると、密着性が一層向上するため好ましい。中間層の平均厚さは、０．２μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。平均厚さが、０．２μｍ以上であると密着性が一層向上する傾向にあり、１．５μｍ以下であるとα型酸化アルミニウム層における組織係数ＴＣ（０，０，１２）が一層大きくなる傾向にあるため、好ましい。

中間層は、ＴｉＣＮＯ又はＴｉＣＯからなる層であるが、上述の構成を備え、中間層による作用効果を奏する限りにおいて、上記化合物以外の成分を微量含んでもよい。

本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の形成方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。ただし、各層の形成方法はこれに限定されない。

例えば、ＴｉＮ層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ_４：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ_２：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：８５０〜９２０℃、圧力：１００〜４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

ＴｉＣ層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ_４：１．５〜３．５ｍｏｌ％、ＣＨ_４：３．０〜７．０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９５０〜１０５０℃、圧力：６５〜８５ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

ＴｉＣＮ層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ_４：４．０〜１８．０ｍｏｌ％、ＣＨ_３ＣＮ：０．５〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：８４０〜８９０℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

ＴｉＣＮＯ層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ_４：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ_２：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：９０〜１１０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

ＴｉＣＯ層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ_４：０．５〜１．５ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：６０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

本実施形態において、α型酸化アルミニウム層の方位関係を制御した被覆切削工具は、例えば、以下の方法によって得ることができる。

まず、被覆切削工具の基材の表面に最下層（ＴｉＮ層）、ＴｉＣＮ層又は中間層を形成する。次いで、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層又は中間層の表面を酸化する。その後、２種類の酸化アルミニウムの核を形成し、それらの核が形成された状態で、α型酸化アルミニウム層を形成する。さらに、必要に応じて最外層を形成してもよい。

第１の酸化アルミニウムの核は、低温でＣＯガスをわずかに流して形成する。これにより、第１の酸化アルミニウムの核が、非常に遅い速度で形成される。また、第１の酸化アルミニウムの核が微細になる。第１の酸化アルミニウムの核を形成する時間は、２分以上５分以下であることが好ましい。これにより、α型酸化アルミニウム層は、（０，０，１２）面に配向しやすくなる。

次いで、第２の酸化アルミニウムの核を形成する。第２の酸化アルミニウムの核は、高温でＣ_３Ｈ_６ガスをわずかに流して形成する。また、第２の酸化アルミニウムの核を第１の酸化アルミニウムの核の間又は表面に形成することができる。第２の酸化アルミニウムの核を形成する時間は、２分以上５分以下であることが好ましい。酸化処理の工程との組合せにより、α型酸化アルミニウム層は、（１，１，９）面に配向しやすくなる。

ＴＣ（０，０，１２）及びＴＣ（１，１，９）を満たすα型酸化アルミニウム層を得るには、２種類の酸化アルミニウムの核を形成した後に、ＣＯガスを流さない条件でα型酸化アルミニウム層を形成するとよい。このとき、第１の酸化アルミニウムの核を形成する温度よりも成膜温度を高くすることが好ましい。

具体的には、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層又は中間層の表面の酸化は、原料ガス組成をＣＯ_２：０．１〜１．０ｍｏｌ％、Ｈ_２Ｓ：０．０５〜０．１５ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９００〜９５０℃、圧力：５０〜７０ｈＰａとする条件で施す。このとき、１〜３分の酸化を施すことが好ましい。

その後、第１の酸化アルミニウムの核は、原料ガス組成をＡｌＣｌ_３：１．０〜４．０ｍｏｌ％、ＣＯ_２：１．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．０５〜２．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：８８０〜９３０℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成する。

次いで、第２の酸化アルミニウムの核は、原料ガス組成をＡｌＣｌ_３：２．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ_２：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｃ_３Ｈ_６：０．０５〜０．２ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９７０〜１０３０℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成する。

そして、α型酸化アルミニウム層は、原料ガス組成をＡｌＣｌ_３：２．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ_２：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ_２Ｓ：０．１５〜０．２５ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９７０〜１０３０℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成する。

上記のように、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層又は中間層の表面を酸化し、その後、２種類の酸化アルミニウムの核を形成する。その後、通常の条件でα型酸化アルミニウム層を形成するとＴＣ（０，０，１２）が４．０以上であり、ＴＣ（１，１，９）が０．５以上となるα型酸化アルミニウム層を得ることができる。このとき、２種類の酸化アルミニウムの核の存在比率を調整することにより、α型酸化アルミニウム層の方位関係を制御することができる。

被覆層を形成した後、乾式ブラスト、湿式ブラスト又はショットピーニングを施すと、α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値を制御することができる。例えば、乾式ショットブラストの条件は、被覆層の表面に対して投射角度が３０〜７０°になるように、投射材を５０〜８０ｍ／ｓｅｃの投射速度、０．５〜３分の投射時間で投射するとよい。乾式ショットブラストのメディアは、平均粒径１００〜１５０μｍのＡｌ_２Ｏ_３やＺｒＯ_２などの材質であると好ましい。

本実施形態の被覆切削工具の被覆層における各層の厚さは、被覆切削工具の断面組織から、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、ＦＥ−ＳＥＭなどを用いて測定することができる。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さは、刃先から被覆切削工具のすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、各層の厚さを３箇所以上測定し、その平均値として求めるとよい。また、各層の組成は、本実施形態の被覆切削工具の断面組織から、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

基材として、ＪＩＳ規格ＣＮＭＡ１２０４０８形状を有し、９３．０ＷＣ−６．５Ｃｏ−０．５Ｃｒ_３Ｃ_２（以上質量％）の組成を有する超硬合金製の切削インサートを用意した。この基材の切れ刃稜線部にＳｉＣブラシにより丸ホーニングを施した後、基材の表面を洗浄した。

基材の表面を洗浄した後、被覆層を化学蒸着法により形成した。発明品１〜１１については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に示す最下層を表１に示す平均厚さになるよう、基材の表面に形成した。このとき、表２に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件で最下層を形成した。次いで、表２に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表１に示すＴｉＣＮ層を表１に示す平均厚さになるよう、最下層の表面に形成した。次に、表２に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表１に示す中間層を表１に示す平均厚さになるよう、ＴｉＣＮ層の表面に形成した。その後、表３に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表３に示す時間にて酸化処理を施した。次いで、表４に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した中間層の表面に第１の酸化アルミニウムの核を形成した。第１の酸化アルミニウムの核を形成した時間は４分とした。さらに、表４に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、第２の酸化アルミニウムの核を第１の酸化アルミニウムの核の間又はまたは表面に形成した。第２の酸化アルミニウムの核を形成した時間は４分とした。その後、表５に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、２種類の酸化アルミニウムの核の表面に表１に示すα型酸化アルミニウム層（以下、α型Ａｌ_２Ｏ_３層とする）を、表１に示す平均厚さになるよう形成した。最後に、表２に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表１に示す最外層を表１に示す平均厚さになるよう、α型Ａｌ_２Ｏ_３層の表面に形成した。こうして、発明品１〜１１の被覆切削工具を得た。

一方、比較品１〜１０については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表２に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表１に示す最下層を表１に示す平均厚さになるよう、基材の表面に形成した。次いで、表２に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表１に示すＴｉＣＮ層を表１に示す平均厚さになるよう、最下層の表面に形成した。次に、表２に示す原料ガス組成、温度及びおよび圧力の条件の下、表１に示す中間層を表１に示す平均厚さになるよう、ＴｉＣＮ層の表面に形成した。その後、表３に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表３に示す時間にて酸化処理を施した。次いで、表６に示すガス組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した中間層の表面に１種類又は２種類の酸化アルミニウムの核を形成した。ここで、表６における「工程なし」とは、２種類目の酸化アルミニウムの核を形成するための工程がないことを示す。さらに、表７に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、中間層及び酸化アルミニウムの核の表面に表１に示すα型Ａｌ_２Ｏ_３層を、表１に示す平均厚さになるよう形成した。最後に、表２に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表１に示す最外層を表１に示す平均厚さになるよう、α型Ａｌ_２Ｏ_３層の表面に形成した。こうして、比較品１〜１０の被覆切削工具を得た。

試料の各層の厚さを下記のようにして求めた。すなわち、ＦＥ−ＳＥＭを用いて、被覆切削工具の刃先からすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍における断面での３箇所の厚さを測定し、その平均値を平均厚さとして求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の刃先からすくい面の中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＥＤＳを用いて測定した。

発明品１〜１１、比較品１〜１０については、基材の表面に被覆層を形成した後、表８に示す投射材を用いて、表８に示す投射条件の下、乾式ショットブラストを施した。

得られた試料について、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、２θ測定範囲：２０°〜１５５°とする条件で行った。装置は、株式会社リガク製Ｘ線回折装置ＲＩＮＴＴＴＲIIIを用いた。Ｘ線回折図形からα型Ａｌ_２Ｏ_３層の各面指数のピーク強度を求めた。得られた各面指数のピーク強度から、ＴＣ（０，０，１２）及びＴＣ（１，１，９）を求めた。その結果を、表９に示す。

得られた試料のα型Ａｌ_２Ｏ_３層の残留応力は、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ^２ψ法により測定した。その測定結果を表１０に示す。

得られた試料のα型Ａｌ_２Ｏ_３層の平均粒径は、ＥＢＳＤにより測定した。その測定結果を表１１に示す。

得られた試料を用いて、切削試験１及び切削試験２を行った。切削試験１は耐摩耗性を評価する試験であり、切削試験２は耐欠損性を評価する試験である。各切削試験の結果を表１２に示す。

［切削試験１］
被削材：Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：３１０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．２ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損又は最大逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。

［切削試験２］
被削材：ＳＣＭ４１５の長さ方向に等間隔で２本の溝入り丸棒、
切削速度：２４０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．７ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損に至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの衝撃回数を測定した。衝撃回数は、試料と被削材とが接触した回数とし、接触回数が最大で２００００回に到達した時点で試験を終了した。なお、各試料について、５個のインサートを用意し、それぞれ衝撃回数を測定し、それらの衝撃回数の値から平均値を求め、工具寿命とした。

なお、耐摩耗性試験の工具寿命に至るまでの加工時間について、３０分以上をＡ、２０分以上３０分未満をＢ、２０分未満をＣとして評価した。また、耐欠損性試験の工具寿命に至るまでの衝撃回数について、１５０００回以上をＡ、１２０００回以上１５０００回未満をＢ、１２０００回未満をＣとして評価した。この評価では、「Ａ」が最も優れており、次に「Ｂ」が優れており、「Ｃ」が最も劣っていることを意味し、Ａ又はＢの評価を有するほど切削性能が優れる。得られた総合評価の結果を表１２に示す。

表１２の結果より、発明品の耐摩耗性試験及び耐欠損性の評価は、どちらもＡ又はＢの評価であった。一方、比較品の評価は、耐摩耗性試験又は耐欠損性試験のいずれかが、Ｃであった。特に、発明品の耐欠損性試験の評価はＡ又はＢの評価であり、比較品の評価はＢ又はＣであった。よって、発明品の耐欠損性は、比較品と比べ、同等以上であることが分かる。

以上の結果より、発明品は、耐摩耗性と耐欠損性に優れるため、工具寿命が長いことが分かる。

本出願は、２０１６年１１月１４日出願の日本特許出願（特願２０１６−２２１１０７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性を低下させることなく、優れた耐欠損性を向上させることにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、産業上の利用可能性が高い。

Claims

基材と、該基材の表面に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
前記被覆層が、少なくとも１層のα型酸化アルミニウム層を含み、
前記α型酸化アルミニウム層において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、４．０以上８．４以下であり、下記式（２）で表される（１，１，９）面の組織係数ＴＣ（１，１，９）が、０．５以上３．０以下である、被覆切削工具（ただし、前記α型酸化アルミニウム層が、アルミニウムとジルコニウムの複合酸化物層であってアルミニウムとジルコニウムの合計量に対するジルコニウムの含有量が原子比で０．０００１〜０．００３であるものは除く。）。

（式（１）及び式（２）中、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、前記α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（２，１，４）、（３，０，０）、（１，１，９）、及び（０，０，１２）の９の結晶面を指す。）
前記α型酸化アルミニウム層において、前記組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、５．０以上８．２以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
前記α型酸化アルミニウム層において、前記組織係数ＴＣ（１，１，９）が、０．７以上２．５以下である、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
前記α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値が、少なくとも一部において、−３００ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記α型酸化アルミニウム層の平均粒径が、０．１μｍ以上３．０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記α型酸化アルミニウム層の平均厚さが、１．０μｍ以上１５．０μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記被覆層が、前記基材と前記α型酸化アルミニウム層との間に、Ｔｉと、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素とのＴｉ化合物からなるＴｉ化合物層を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記Ｔｉ化合物層が、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、前記ＴｉＣＮ層の平均厚さが、２．０μｍ以上２０．０μｍ以下である、請求項７に記載の被覆切削工具。
前記被覆層の平均厚さが、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の被覆切削工具。