JP6748379B2

JP6748379B2 - 被覆切削工具

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Inventors: 直幸福島
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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、鋼や鋳鉄等の切削加工に用いられていることは、よく知られている。上記の被覆層としては、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が知られている。

例えば、特許文献１には、超硬合金からなる基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを有し、該被覆層は、基体に接するとともに、Ｔｉ（Ｃ_xＮ_1-x）（０≦ｘ≦１）を含有する第１層を有し、基体の表面から５μｍまでの深さの領域におけるＷＣ粒子の後方散乱電子回折像システム付きの走査電子顕微鏡による後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）法にて測定されたＫＡＭ平均値が１°以下である、被覆工具が提案されている。

国際公開第２０１７／０３８７６２号

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、従来よりも工具の耐チッピング性及び耐欠損性を向上させることが求められ、特に大量に工具を生産した場合であっても、突発的な欠損が生じることのない安定した性能を有する工具が求められている。

化学蒸着法により超硬合金の表面上に被覆層を蒸着形成した場合、被覆層と超硬合金との熱膨張係数の差が大きいため、超硬合金の上記表面付近には、歪が残留する。
また、特許文献１の被覆工具では、基体表面から５μｍまでの深さの領域の炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ平均値しか考慮されていない。このため、基材の表面側と表面から離れた側とにおいて、炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値（以下、単に「ＫＡＭ値」とも記す。）の絶対値の差が大きいと考えられる。これは、化学蒸着法で被覆層を形成していることから推定される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた耐チッピング性及び耐欠損性を有することによって、工具寿命を延長することができる被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、被覆切削工具において、超硬合金の表面側及び内部側における歪を制御することにより、被覆切削工具が優れた耐チッピング性及び耐欠損性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は下記のとおりである。
［１］
超硬合金と、該超硬合金の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
前記被覆層の平均厚さが、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下であり、
前記超硬合金において、前記超硬合金の前記表面から前記被覆層とは反対側に向かって２０．０μｍまでの領域を表面領域とし、前記表面領域の前記被覆層とは反対側の領域を内部領域としたとき、前記表面領域におけるＫＡＭ値の平均値と前記内部領域におけるＫＡＭ値の平均値とが、下記式（１）で表される条件を満たす、被覆切削工具。
０．００°≦｜ＫＡＭ_s−ＫＡＭ_i｜≦０．１０°・・・（１）
（式（１）中、ＫＡＭ_sは、前記表面領域におけるＫＡＭ値の平均値を表し、ＫＡＭ_iは、前記内部領域におけるＫＡＭ値の平均値を表す。）
［２］
前記ＫＡＭ_sは、０．３５°以上０．５５°以下である、［１］に記載の被覆切削工具。
［３］
前記ＫＡＭ_iは、０．３５°以上０．５５°以下である、［１］又は［２］に記載の被覆切削工具。
［４］
前記超硬合金は、結合相を５．０質量％以上１２．０質量％以下含む、［１］〜［３］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［５］
前記超硬合金は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ及びＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とから構成される化合物の１種以上を含む化合物相を含み、
前記化合物相を３．０質量％以上６．０質量％以下含む、［１］〜［４］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［６］
前記被覆層が、前記超硬合金側から順に、下部層と、該下部層の表面上に形成された上部層とを含み、
前記下部層が、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下の平均厚さを有し、
前記下部層が、Ｔｉの炭化物層、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭窒化物層、Ｔｉの炭酸化物層及びＴｉの炭窒酸化物層からなる群より選ばれる１種又は２種以上の層からなるＴｉ化合物層であり、
前記上部層が、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下の平均厚さを有し、
前記上部層が、α型酸化アルミニウムからなるα型酸化アルミニウム層である、［１］〜［５］のいずれかに記載の被覆切削工具。

本発明によれば、優れた耐チッピング性及び耐欠損性を有することによって、工具寿命を延長することができる被覆切削工具を提供することが可能となる。

本発明の被覆切削工具の一例を示す模式図である。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、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。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

本実施形態の被覆切削工具は、超硬合金と、該超硬合金の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、被覆層の平均厚さが、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下であり、超硬合金において、超硬合金の表面から被覆層とは反対側に向かって２０．０μｍまでの領域を表面領域とし、表面領域の被覆層とは反対側の領域を内部領域としたとき、表面領域におけるＫＡＭ値の平均値と内部領域におけるＫＡＭ値の平均値とが、下記式（１）で表される条件を満たす。
０．００°≦｜ＫＡＭ_s−ＫＡＭ_i｜≦０．１０°・・・（１）
（式（１）中、ＫＡＭ_sは、表面領域におけるＫＡＭ値の平均値を表し、ＫＡＭ_iは、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値を表す。）
図１は、本実施形態の被覆切削工具の一例を示す模式断面図である。被覆切削工具６は、基材１（超硬合金）と、その基材１の表面上に形成された被覆層５とを備え、更に基材１は表面領域１ａ、内部領域１ｂからなる。また、被覆層５は、基材１の表面上に形成された下部層２と、下部層２の基材１とは反対側の表面上に形成された上部層３と、上部層３の下部層２とは反対側の表面上に形成された最表面の層４とを備える。

本実施形態の被覆切削工具は、上記のような構成を備えることで下記のような作用効果を奏するものである。ただし、作用は下記のように考えられるものの、これらに限定されない。
本実施形態の被覆切削工具は、基材である超硬合金において、表面領域のＫＡＭ値の平均値と内部領域のＫＡＭ値の平均値との差の絶対値が、０．１０°以下であると、被覆切削工具の破壊の起点となる箇所が減少し、切削加工における負荷が分散されやすいため、耐欠損性に優れる。

ＫＡＭ値は、走査型電子顕微鏡を利用した電子線後方散乱回折像（以下、「ＥＢＳＤ」という。）法に基づく結晶方位解析において、隣接する測定点の間の結晶方位の差である局所方位差を示す数値であり、塑性変形を定量的に評価するパラメータである。このＫＡＭ値が大きいほど、隣接する測定点の間での結晶方位の差が大きいことを示し、このことは塑性変形が大きくなっていることを意味する。超硬合金において、表面領域のＫＡＭ値の平均値と内部領域のＫＡＭ値の平均値との差の絶対値が、０．１０°以下であると、表面領域における塑性変形（歪み）と内部領域における塑性変形（歪み）との差が小さくなり、表面領域において塑性変形に起因する亀裂の発生を抑制すると共に、亀裂が発生してもその進展を抑制することができる。つまり、超硬合金の表面領域における靱性が高まる。また、被覆層の平均厚さが５．０μｍ以上であると、被覆層としての機能を有効かつ確実に発揮できるので耐摩擦性が向上する。被覆層の平均厚さが３０．０μｍ以下であると、切削加工時の被覆層の歪み方向での応力が大きくなるのを抑制できるので、被覆層の超硬合金との密着性及び耐欠損性が高まる。これらの結果、本実施形態の被覆切削工具は耐チッピング性及び耐欠損性の両方、特に耐欠損性に優れたものとなる。また、本実施形態の被覆切削工具は特に大量に工具を生産した場合であっても、突発的な欠損が生じることのない安定した性能を有する。ただし、本実施形態の被覆切削工具が耐チッピング性及び耐欠損性に優れる要因はこれに限定されない。

（基材）
本実施形態の被覆切削工具は、基材である超硬合金と、該超硬合金の表面上に形成された被覆層とを備える。被覆切削工具の種類として、具体的には、フライス加工用若しく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。

本実施形態の被覆切削工具に用いる基材は、超硬合金である。本実施形態の被覆切削工具は、基材が超硬合金であるので、耐摩耗性及び耐欠損性に更に優れる。

超硬合金は、下記式（１）で表される条件を満たす。
０．００°≦｜ＫＡＭ_s−ＫＡＭ_i｜≦０．１０°・・・（１）
（式（１）中、ＫＡＭ_sは、表面領域におけるＫＡＭ値の平均値を表し、ＫＡＭ_iは、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値を表す。）
本実施形態の被覆切削工具は、超硬合金において、表面領域のＫＡＭ値の平均値と内部領域のＫＡＭ値の平均値との差の絶対値が、０．１０°以下であると、切削加工における負荷が分散されやすいため耐欠損性に優れる。
上記の作用効果をより有効かつ確実に奏する観点から、超硬合金において、表面領域のＫＡＭ値の平均値と内部領域のＫＡＭ値の平均値との差の絶対値は、０．０８°以下であることが好ましく、０．０６°以下であることがより好ましく、０．０４°以下であることが更に好ましい。超硬合金において、表面領域のＫＡＭ値の平均値と内部領域のＫＡＭ値の平均値との差の絶対値がこのような範囲内であると、切削加工における負荷が更に分散されやすいため耐欠損性に一層優れる。

化学蒸着法で被覆層を形成した場合であっても、超硬合金における表面領域のＫＡＭ値の平均値と内部領域のＫＡＭ値の平均値との差の絶対値は、例えば、後述の乾式ショットブラストの条件を制御することにより調整することができる。より具体的には、例えば、乾式ショットブラストにおいて、投射角度を９０°とし、投射圧力を１．７ｂａｒ以上１．９ｂａｒ以下の範囲に調整すると共に、投射材の平均粒径を１２０μｍ以上１５０μｍ以下（投射材の材質が、鋼の場合は、３８０μｍ以上４２０μｍ以下）の範囲に調整すれば、上記絶対値を０．００°以上０．１０°以下に制御することができる。

炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値及びその平均値は以下のようにして測定される。被覆切削工具の試料を、その表面に対して直交する方向に研磨し断面を露出させる。そのうち、超硬合金における断面について、超硬合金の表面から被覆層とは反対側に向かって２０．０μｍまでの領域を表面領域とし、表面領域よりもさらに内部の領域を内部領域とする。ＥＢＳＤ（ＴＳＬ社製）を用いて、表面領域及び内部領域の各測定領域を正六角形の領域（ピクセル）に区切る。区切られた各領域について、試料の研磨面に入射させた電子線の反射電子から菊地パターンを得てピクセルの方位を測定する。得られた方位データを上記ＥＢＳＤの解析ソフトを用いて解析し、各種パラメータを算出する。測定条件は、加速電圧１５ｋＶ、測定領域の寸法は、幅を５０μｍとし、表面領域を超硬合金の表面から２０．０μｍの厚さ分、内部領域を表面領域よりもさらに超硬合金内部に向かって２０．０μｍの厚さ分とし、隣接するピクセル間の距離（ステップサイズ）を０．１μｍとする。測定中心のピクセルとの方位差が５°以上である隣接するピクセルは、測定中心のピクセルが位置する単結晶から粒界を超えたものとして炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値の計算から除外する。つまり、炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値は、結晶粒内のあるピクセルと、その結晶粒から粒界を超えない範囲に存在する隣接するピクセルとの方位差の平均値として求める。そして、測定領域の全面積を構成する全ピクセルにおける炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値を平均する。なお、炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値の平均値は、任意の３箇所の測定領域について、上述のようにして炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値を平均したものを更に平均して求めた数値とする。

超硬合金において、表面領域のＫＡＭ値の平均値（ＫＡＭ_s）は、０．３５°以上０．５５°以下であると好ましい。ＫＡＭ_sが０．５５°以下であると、超硬合金の表面において、歪が小さくなり破壊の起点を抑制できるため、亀裂の発生及びその進展を更に抑制し、その結果、耐欠損性及び耐チッピング性、特に耐欠損性に更に優れた被覆切削工具を得ることができる。また、製造容易性の観点から、ＫＡＭ_sが０．３５°以上であることが好ましい。同様の観点から、ＫＡＭ_sは、０．３５°以上０．５０°以下であるとより好ましく、０．３５°以上０．４５°以下であると更に好ましい。

超硬合金において、表面領域のＫＡＭ値の平均値（ＫＡＭ_s）は、例えば、投射材、投射材の平均粒径、投射圧力及びノズルのピッチ間隔を調整することにより、制御できる。

超硬合金において、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値（ＫＡＭ_i）は、０．３５°以上０．５５°以下であると好ましい。ＫＡＭ_iが０．５５°以下であると、超硬合金の内部において、歪が小さくなり破壊の起点を抑制できるため、亀裂の発生及びその進展を更に抑制し、その結果、耐欠損性及び耐チッピング性、特に耐欠損性に更に優れた被覆切削工具を得ることができる。また、製造容易性の観点から、ＫＡＭ_iが０．３５°以上であることが好ましい。同様の観点から、ＫＡＭ_iは、０．３５°以上０．５０°以下であるとより好ましく、０．３５°以上０．４５°以下であると更に好ましい。

超硬合金において、内部領域のＫＡＭ値の平均値（ＫＡＭ_i）は、例えば、投射材、投射材の平均粒径、投射圧力及びノズルのピッチ間隔を調整することにより、制御できる。

本実施形態の被覆切削工具において、超硬合金は、結合相と硬質相とを含むことが好ましい。本実施形態において、結合相とは、硬質相を結合している相を意味し、硬質相とは、超硬合金の変形抵抗を高め、高温における弾性率、強さ、耐摩耗性およびクリープ特性を改善する目的で導入された高硬度の析出物または添加物の相を意味する。

超硬合金において、結合相の含有量は、超硬合金の全量に対して、５．０質量％以上１２．０質量％以下であることが好ましく、５．０質量％以上１１．０質量％以下であることがより好ましく、６．０質量％以上１０．０質量％以下であることが更に好ましい。また、超硬合金において、硬質相の含有量は、超硬合金の全量に対して、８８．０質量％以上９５．０質量％以下であることが好ましく、８９．０質量％以上９５．０質量％以下であることがより好ましく、９０．０質量％以上９４．０質量％以下であることが更に好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、このような構成の超硬合金であると、耐摩耗性、耐欠損性及び耐チッピング性に一層優れる。

本実施形態に用いる超硬合金において、硬質相は、例えば、炭化タングステンからなる相と、その他の化合物からなる化合物相とから構成されることが好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、超硬合金は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｒ（クロム）及びＭｏ（モリブデン）からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）及びＢ（硼素）からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とから構成される化合物の１種以上を含む化合物相を含むことが好ましい。また、超硬合金において、化合物相の含有量は、３．０質量％以上６．０質量％以下であることが好ましく、３．０質量％以上５．０質量％以下であることがより好ましく、４．０質量％以上５．０質量％以下であることが更に好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、このような構成の超硬合金であると、耐欠損性及び耐チッピング性に一層優れる。

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、超硬合金の表面に脱β層が形成されてもよい。こ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。

（被覆層）
本実施形態の被覆切削工具に用いる被覆層は、その平均厚さが、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下である。被覆層の平均厚さが５．０μｍ以上であると、耐摩耗性が向上し、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高まる。同様の観点から、被覆層の平均厚さは、７．０μｍ以上２９．０μｍ以下であると好ましく、８．０μｍ以上１８．０μｍ以下であるとより好ましく、１０．０μｍ以上１８．０μｍ以下であると更に好ましい。

（下部層）
本実施形態の被覆切削工具に用いる被覆層は、超硬合金側から順に、下部層と、該下部層の表面上に形成された上部層とを含むことが好ましい。
下部層は、Ｔｉの炭化物層（以下、単に「ＴｉＣ層」とも表記する。）、Ｔｉの窒化物層（以下、単に「ＴｉＮ層」とも表記する。）、Ｔｉの炭窒化物層（以下、単に「ＴｉＣＮ層」とも表記する。）、Ｔｉの炭酸化物層（以下、単に「ＴｉＣＯ層」とも表記する。）及びＴｉの炭窒酸化物層（以下、単に「ＴｉＣＮＯ層」とも表記する。）からなる群より選ばれる１種又は２種以上の層からなるＴｉ化合物層であることが好ましい。被覆層がこのような下部層を備えると、基材と被覆層との間の密着性が一層向上するので好ましい。下部層は、１層で構成されていてもよく、複層（例えば、２層又は３層）で構成されてもよいが、複層で構成されていることが好ましく、２層又は３層で構成されていることがより好ましく、３層で構成されていることが更に好ましい。また、下部層は、上記の各種の層のうち、同じ種類の層を単層でのみ有していてもよく、複層で有していてもよい。下部層は、耐チッピング性及び耐欠損性がより一層向上する観点から、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層及びＴｉＣＮＯ層からなる群より選ばれる少なくとも１種の層を含むことが好ましい。同様の観点から、下部層は、最も基材に近い層（最下層）としてＴｉＮ層又はＴｉＣ層を有し、最も上部層に近い層としてＴｉＣＮＯ層又はＴｉＣＯ層を有し、それらの層の間にＴｉＣＮ層を有することがなおも更に好ましく、最も基材に近い層（最下層）としてＴｉＮ層を有し、最も上部層に近い層としてＴｉＣＮＯ層を有し、それらの層の間にＴｉＣＮ層を有することが特に好ましい。

本実施形態において、被覆層と、その下層（例えば基材）との密着性を一層高める観点から、下部層の平均厚さは１．５μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。同様の観点から、下部層の平均厚さは、３．０μｍ以上１４．０μｍ以下であるとより好ましく、４．０μｍ以上１２．０μｍ以下であると更に好ましく、５．０μｍ以上１０．０μｍ以下であると特に好ましい。下部層が複層で構成されている場合、最も基材に近い層の平均厚さは、特にその下層（例えば基材）との間の密着性を一層向上する観点から、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。下部層が複層で構成されている場合、最も上部層に近い層の平均厚さは、特にその上層（例えば上部層）との間の密着性を更に高める観点から、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。

（上部層）
上部層は、α型酸化アルミニウムからなるα型酸化アルミニウム層（以下、単に「α−Ａｌ₂Ｏ₃層」とも表記する。）であることが好ましい。被覆層がこのような上部層を備えると、被覆層及び被覆切削工具の耐摩耗性が高くなる。上部層は、１層で構成されていてもよく、複層（例えば、製造工程の異なる２層又は３層）で構成されてもよい。

本実施形態において、被覆切削工具の耐摩擦性をより十分に高め、耐欠損性及び耐チッピング性を優れたものとする観点から、上部層の平均厚さは１．５μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。同様の観点から、上部層の平均厚さは、３．０μｍ以上１４．０μｍ以下であるとより好ましく、３．５μｍ以上１２．０μｍ以下であると更に好ましく、５．０μｍ以上１０．０μｍ以下であると特に好ましい。

被覆層は、上部層の下部層とは反対側の表面上に、Ｔｉの窒化物からなる層（ＴｉＮ層）を更に含むと好ましい。これにより、被覆層及び被覆切削工具の耐摩耗性が更に高まる。また、未使用の切れ刃と使用済みの切れ刃との視認性に更に優れる。この層が、被覆層の最表面の層（以下、「最上層」ともいう。）であると、被覆層及び被覆切削工具が耐摩耗性により一層優れたものとなる。この層の平均厚さは、耐摩耗性に優れるという効果をより有効かつ確実に奏する観点から、０．１μｍ以上２．５μｍ以下であると好ましく、０．１μｍ以上２．０μｍ以下であるとより好ましく、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であると更に好ましい。その平均厚さが２．５μｍ以下であることにより、被覆切削工具の耐欠損性が更に高まる傾向にある。

本実施形態の被覆切削工具は、特に限定されないが、例えば、以下の方法によって得ることができる。

まず、超硬合金（基材）の表面に、下部層であるＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層及びＴｉＣＮＯ層からなる群より選ばれる１種又は２種以上の層を形成する。次いで、下部層の表面（下部層が複層である場合は、基材から最も離れた層）の表面を酸化する。その後、酸化処理した下部層の表面にα−Ａｌ₂Ｏ₃層である上部層を形成する。さらに、必要に応じて上部層の表面にＴｉＮ層である最上層を形成してもよい。

より具体的には、下部層であるＴｉＮ層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ₄：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８５０〜９２０℃、圧力を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ＴｉＣｌ₄：１．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＨ₄：４．０〜６．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９９０〜１０３０℃、圧力を５０〜１００ｈＰａ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ＴｉＣｌ₄：５．０〜７．０ｍｏｌ％、ＣＨ₃ＣＮ：０．５〜１．５ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８４０〜８９０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａ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ＴｉＣｌ₄：０．５〜１．５ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９７５〜１０２５℃、圧力を６０〜１００ｈＰａ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ＴｉＣｌ₄：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９７５〜１０２５℃、圧力を９０〜１１０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

下部層の表面の酸化は、ガス組成をＣＯ：０．１〜１．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９７０〜１０２０℃、圧力を５０〜７０ｈＰａとする条件により行われる。このときの酸化の時間は、０．５〜２分であることが好ましい。

上部層であるα−Ａｌ₂Ｏ₃層は、原料ガス組成をＡｌＣｌ₃：２．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ₂：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂Ｓ：０．２５〜０．４５ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０〜１１３０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成される。

本実施形態において、所望の被覆切削工具を得るために、上部層を形成した後の被覆層に対して乾式ショットブラストを施すことが好ましい。乾式ショットブラストの条件は、投射圧力が１．７ｂａｒ以上１．９ｂａｒ以下であり、投射角度が９０°であると好ましい。また、乾式ショットブラストに用いるブラスト装置において、ノズルが所定の方向に移動しながら投射材を噴射する場合、そのノズルの移動方向に直交する方向におけるノズルのピッチ間隔は３ｍｍ以上５ｍｍ以下であると好ましい。また、ノズルの速度（移動速度）は、６０００ｍｍ／分以上７０００ｍｍ／分以下であると好ましい。乾式ショットブラストにおける投射材（メディア）は、好ましくは平均粒径１２０〜４００μｍ（投射材の材質が、鋼の場合は、３８０〜４２０μｍ）、より好ましくは１２０〜１５０μｍ、さらに好ましくは１２０〜１４０μｍであって、ＳｉＣ、鋼（Ｓｔｅｅｌ）、Ａｌ₂Ｏ₃及びＺｒＯ₂からなる群より選ばれる１種以上の材質であると好ましい。なお、乾式ショットブラストを施さない場合、被覆層を形成した後の超硬合金の表面領域における塑性変形が大きくなるため、表面領域におけるＫＡＭ値の平均値と内部領域におけるＫＡＭ値の平均値との差は、上記式（１）で表される条件を満たし難くなる。

最上層であるＴｉＮ層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ₄：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０〜１０００℃、圧力を３００〜４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

本実施形態の被覆切削工具に用いる被覆層における各層の厚さは、被覆切削工具の断面組織を、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、又はＦＥ−ＳＥＭなどを用いて観察することにより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用いる各層の平均厚さは、刃先稜線部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、その相加平均値として求めることができる。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、実施例によっ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、表１に示す配合組成の原料から、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２形状を有し、表２に示す組成を有するＰ１５相当の超硬合金（発明品１〜１５、比較品１〜７）及びＰ２５相当の超硬合金（発明品１６、１７、比較品８、９）の切削インサートを用意した。この基材の刃先稜線部に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１〜１７については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表３に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表４に組成を示す下部層を、第１層、第２層、第３層の順で、表４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、ＣＯ：０．５ｍｏｌ％、Ｈ₂：９９．５ｍｏｌ％のガス組成、１０００℃の温度、及び７０ｈＰａの圧力の条件の下、１分間、下部層の表面に酸化処理を施した。次に、表３に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、α型酸化アルミニウムからなる上部層を、表４に示す平均厚さになるよう、酸化処理を施した後の下部層の表面に形成した。その後、表５に示す投射材を用いて、表５に示す投射条件の下、上部層に対して乾式ショットブラストを施した。最後に、表３に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表４に組成を示す最上層を、表４に示す平均厚さになるよう、上部層の表面に形成した。こうして、発明品１〜１７の被覆切削工具を得た。

一方、比較品１〜９については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表３に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表４に組成を示す下部層を、第１層、第２層、第３層の順で、表４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、ＣＯ：０．５ｍｏｌ％、Ｈ₂：９９．５ｍｏｌ％のガス組成、１０００℃の温度、及び７０ｈＰａの圧力の条件の下、１分間、下部層の表面に酸化処理を施した。次に、表３に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表４に組成を示す上部層を、表４に示す平均厚さになるよう、酸化処理を施した後の下部層の表面に形成した。その後、表５に示す投射材を用いて、表５に示す投射条件の下、上部層に対して乾式ショットブラストを施した。最後に、表３に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表４に組成を示す最上層を、表４に示す平均厚さになるよう、上部層の表面に形成した。こうして、比較品１〜９の被覆切削工具を得た。

試料の各層の厚さは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稜線部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、その相加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稜線部からすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍の断面において、ＥＤＳを用いて測定した。

超硬合金の表面領域及び内部領域での炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値及びその平均値は以下のようにして測定した。被覆切削工具の試料を、その表面に対して直交する方向に研磨し断面を露出させた。そのうち、超硬合金における断面について、超硬合金の表面から被覆層とは反対側に向かって２０．０μｍまでの領域を表面領域とし、表面領域よりもさらに内部の領域を内部領域とした。ＥＢＳＤ（ＴＳＬ社製）を用いて、表面領域及び内部領域の各測定領域を正六角形の領域（ピクセル）に区切った。区切られた各領域について、試料の研磨面に入射させた電子線の反射電子から菊地パターンを得てピクセルの方位を測定した。得られた方位データを上記ＥＢＳＤの解析ソフトを用いて解析し、各種パラメータを算出した。測定条件は、加速電圧１５ｋＶ、測定領域の寸法は、幅を５０μｍとし、表面領域を超硬合金の表面から２０．０μｍの厚さ分、内部領域を残りの超硬合金の厚さ分とし、隣接するピクセル間の距離（ステップサイズ）を０．１μｍとした。測定中心のピクセルとの方位差が５°以上である隣接するピクセルは、測定中心のピクセルが位置する単結晶から粒界を超えたものとして炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値の計算から除外した。つまり、炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値は、結晶粒内のあるピクセルと、その結晶粒から粒界を超えない範囲に存在する隣接するピクセルとの方位差の平均値として求めた。そして、測定領域の全面積を構成する全ピクセルにおける炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値を平均した。なお、炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値の平均値は、任意の３箇所の測定領域について、上述のようにして炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値を平均したものを更に平均して求めた数値とした。この結果に基づいて、表面領域及び内部領域における炭化タングステン（ＷＣ）のＫＡＭ値の平均値（順にＫＡＭ_s及びＫＡＭ_i）の関係を求めた。結果を表６に示す。

得られた試料を用いて、下記の条件にて耐欠損性及び耐チッピング性を評価する切削試験１及び２を行った。各切削試験の結果を表７に示す。

［切削試験１］
基材：Ｐ１５相当の超硬合金（発明品１〜１５、比較品１〜７）
被削材：ＳＣＭ４１５の２本の溝入り丸棒、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．０ｍｍ、
クーラント：使用、
評価項目：試料が欠損、または最大逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍ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。また、加工時間が５分における損傷状態を確認した。

［切削試験２］
基材：Ｐ２５相当の超硬合金（発明品１６、１７、比較品８、９）
被削材：ＳＣＭ４１５の２本の溝入り丸棒、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：使用、
評価項目：試料が欠損、または最大逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍ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。また、加工時間が５分における損傷状態を確認した。

切削試験の工具寿命に至るまでの加工時間について、１３分以上を「Ａ」、８分以上１３分未満を「Ｂ」、８分未満を「Ｃ」として評価した。得られた評価の結果を表７に示す。

表７に示す結果より、発明品の切削試験の評価は「Ｂ」以上であった。一方、比較品の切削試験の評価は、いずれも「Ｃ」であった。また、加工開始から５分における損傷状態は、発明品ではいずれも正常摩耗であったのに対して、比較品８ではチッピングが認められ、比較例１〜４、６、７及び９では５分経過する前に欠損してしまい、それ以上の加工はできなかった。

以上の結果より、発明品は、耐欠損性及び耐チッピング性に優れる結果、工具寿命が長いことが分かった。

本発明の被覆切削工具は、優れた耐チッピング性及び耐欠損性を有することによって、工具寿命を延長することができるので、そのような観点から、産業上の利用可能性がある。

１…基材、１ａ…表面領域、１ｂ…内部領域、２…下部層、３…上部層、４…最上層、５…被覆層、６…被覆切削工具。

Claims

超硬合金と、該超硬合金の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
前記被覆層の平均厚さが、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下であり、
前記超硬合金において、前記超硬合金の前記表面から前記被覆層とは反対側に向かって２０．０μｍまでの領域を表面領域とし、前記表面領域の前記被覆層とは反対側の領域を内部領域としたとき、前記表面領域における炭化タングステンのＫＡＭ値の平均値と前記内部領域における炭化タングステンのＫＡＭ値の平均値とが、下記式（１）で表される条件を満たす、被覆切削工具。
０．００°≦｜ＫＡＭ_s−ＫＡＭ_i｜≦０．１０°・・・（１）
（式（１）中、ＫＡＭ_sは、前記表面領域における炭化タングステンのＫＡＭ値の平均値を表し、ＫＡＭ_iは、前記内部領域における炭化タングステンのＫＡＭ値の平均値を表す。）
前記ＫＡＭ_sは、０．３５°以上０．５５°以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
前記ＫＡＭ_iは、０．３５°以上０．５５°以下である、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
前記超硬合金は、結合相を５．０質量％以上１２．０質量％以下含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記超硬合金は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ及びＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とから構成される化合物の１種以上を含む化合物相を含み、
前記化合物相を３．０質量％以上６．０質量％以下含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記被覆層が、前記超硬合金側から順に、下部層と、該下部層の表面上に形成された上部層とを含み、
前記下部層が、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下の平均厚さを有し、
前記下部層が、Ｔｉの炭化物層、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭窒化物層、Ｔｉの炭酸化物層及びＴｉの炭窒酸化物層からなる群より選ばれる１種又は２種以上の層からなるＴｉ化合物層であり、
前記上部層が、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下の平均厚さを有し、
前記上部層が、α型酸化アルミニウムからなるα型酸化アルミニウム層である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。