JP6759536B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
本発明は、被覆切削工具に関するものである。
切削加工の高能率化の需要の高まりに伴い、従来よりも工具寿命の長い切削工具が求められている。このため、工具材料の要求特性として、切削工具の寿命に関係する耐摩耗性の向上および耐欠損性の向上が一段と重要になっている。そこで、これらの特性を向上させるため、超硬合金、サーメット、ｃＢＮなどからなる基材表面にＴｉＮ層、ＴｉＡｌＮ層などの被覆層を１層または２層以上含む被覆切削工具が広く用いられている。
加工能率を上げるため従来よりも切削条件が厳しくなる傾向の中で、これまでより工具寿命を長くすることが求められてきた。しかしながら、鉄系材料を高速、且つ、高送りの条件で加工する場合は、切削加工時の発熱によって切れ刃における被覆層が分解および酸化する。そのため、耐酸化性および耐熱安定性に優れる層として、酸化物層が広く用いられている。
たとえば特許文献１には、基体表面に周期律表のIVａ、Ｖａ、VIａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上からなる多層皮膜、並びに少なくとも一層のα型酸化アルミニウムを主とする酸化物層が形成されている酸化アルミニウム被覆工具が提案されている。
また、特許文献２には、（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３結晶体よりなる酸化物層を形成した切削工具が提案されている。
近年、切削加工の高速化および高送り化がより顕著になっている。このため、工具の欠損が発生することが多くなった。例えば、加工中に刃先の温度が高くなることにより、被覆層が酸化する。この際、酸化によるクレーター摩耗が進行すると、被覆層に亀裂が発生しやすくなる。その結果、工具の欠損が発生する傾向にある。
この様な背景により上記特許文献１の酸化アルミニウム層は、化学蒸着法により、形成されているため、被覆層中に引張応力が残留する。そのため、特許文献１の被覆工具では、耐欠損性が劣るという問題があった。
また、特許文献２の（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３結晶体よりなる硬質層を形成した切削工具では、耐摩耗性が不十分であるため、クレーター摩耗が進行しやすい。そのため、切削工具の耐チッピング性および耐欠損性が十分でないという問題があった。
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、より過酷な切削加工を施しても、耐チッピング性および耐欠損性に優れ、長期間にわたって加工できる被覆切削工具を提供することにある。
本発明者は、被覆切削工具の工具寿命の延長について研究を重ねた。本発明者は、以下の構成によって、被覆切削工具の耐チッピング性および耐欠損性を向上させることができた。その結果、被覆切削工具の工具寿命を延長することができた。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）基材と前記基材の表面に形成された被覆層を含む被覆切削工具であって、
前記被覆層は少なくとも１層の硬質層を含み、
前記硬質層は、Ｍ元素の酸化物層または酸窒化物層［但し、Ｍ元素は、ＷまたはＴａのいずれかの元素を表す］であり、
前記硬質層の平均厚さが、０．００５μｍ以上１．０μｍ以下である被覆切削工具。
（２）前記硬質層の平均粒径は、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である（１）の被覆切削工具。
（３）前記硬質層は、Ｗの酸化物または酸窒化物のいずれかである（１）または（２）のいずれかの被覆切削工具。
（４）前記硬質層は、ＷＯ２、ＷＯ３、Ｗ０．６２（Ｎ，Ｏ）、ＴａＯ、ＴａＯ２、Ｔａ２Ｏ３、ＴａＯＮからなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物層である（１）または（２）のいずれかの被覆切削工具。
（５）前記被覆層は、前記基材と前記硬質層との間に下部層を含み、
前記下部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物（但し、Ｗの酸化物層、Ｔａの酸化物層、Ｗの酸窒化物層、Ｔａの酸窒化物層を除く）の単層または多層である（１）〜（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）前記下部層は、（ＡｌｘＴｉ１−ｘ-ｙＬｙ）（Ｃ１−ｕＮｕ）［但し、Ｌ元素はＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｘはＡｌとＴｉとＬ元素との合計に対するＡｌの原子比を表し、ｙはＡｌとＴｉとＬ元素との合計に対するＬ元素の原子比を表し、ｕはＣとＮとの合計に対するＮの原子比を表し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｘ+ｙ≦１、０≦ｕ≦１を満足する。］を満たす化合物層である（１）〜（５）のいずれかの被覆切削工具。
（７）前記硬質層は、最外層である（１）〜（６）の被覆切削工具。
（８）前記下部層の平均厚さは、１．５μｍ以上１１．９μｍ以下である（１）〜（７）の被覆切削工具。
（９）前記被覆層全体の平均厚さが０．５μｍ以上１２．０μｍ以下である（１）〜（８）のいずれかの被覆切削工具。
（１０）前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは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。
（１）基材と前記基材の表面に形成された被覆層を含む被覆切削工具であって、
前記被覆層は少なくとも１層の硬質層を含み、
前記硬質層は、Ｍ元素の酸化物層または酸窒化物層［但し、Ｍ元素は、ＷまたはＴａのいずれかの元素を表す］であり、
前記硬質層の平均厚さが、０．００５μｍ以上１．０μｍ以下である被覆切削工具。
（２）前記硬質層の平均粒径は、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である（１）の被覆切削工具。
（３）前記硬質層は、Ｗの酸化物または酸窒化物のいずれかである（１）または（２）のいずれかの被覆切削工具。
（４）前記硬質層は、ＷＯ２、ＷＯ３、Ｗ０．６２（Ｎ，Ｏ）、ＴａＯ、ＴａＯ２、Ｔａ２Ｏ３、ＴａＯＮからなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物層である（１）または（２）のいずれかの被覆切削工具。
（５）前記被覆層は、前記基材と前記硬質層との間に下部層を含み、
前記下部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物（但し、Ｗの酸化物層、Ｔａの酸化物層、Ｗの酸窒化物層、Ｔａの酸窒化物層を除く）の単層または多層である（１）〜（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）前記下部層は、（ＡｌｘＴｉ１−ｘ-ｙＬｙ）（Ｃ１−ｕＮｕ）［但し、Ｌ元素はＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｘはＡｌとＴｉとＬ元素との合計に対するＡｌの原子比を表し、ｙはＡｌとＴｉとＬ元素との合計に対するＬ元素の原子比を表し、ｕはＣとＮとの合計に対するＮの原子比を表し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｘ+ｙ≦１、０≦ｕ≦１を満足する。］を満たす化合物層である（１）〜（５）のいずれかの被覆切削工具。
（７）前記硬質層は、最外層である（１）〜（６）の被覆切削工具。
（８）前記下部層の平均厚さは、１．５μｍ以上１１．９μｍ以下である（１）〜（７）の被覆切削工具。
（９）前記被覆層全体の平均厚さが０．５μｍ以上１２．０μｍ以下である（１）〜（８）のいずれかの被覆切削工具。
（１０）前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは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。
本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性に優れる耐酸化層を有することにより、耐チッピング性および耐欠損性を向上させることができる。そのため、従来よりも工具寿命を延長できるという効果を奏する。
本発明の被覆切削工具は、基材と基材の表面に形成された被覆層とを含む。本発明における基材は被覆切削工具の基材として用いられるものであれば特に限定はされないが、その例として、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、高速度鋼などを挙げることができる。その中でも、基材が超硬合金、サーメット、セラミックスおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかであると、耐摩耗性および耐欠損性に優れるので、さらに好ましい。
本発明の被覆切削工具における被覆層全体の平均厚さは、０．５μｍ未満であると耐摩耗性が低下する傾向がみられ、被覆層全体の平均厚さが、１２μｍを超えると耐欠損性が低下する傾向がみられる。そのため、被覆層全体の平均厚さは、０．５μｍ以上１２μｍ以下であると好ましい。その中でも、被覆層全体の平均厚さは、１．５μｍ以上８．０μｍ以下であるとさらに好ましい。
本発明の被覆層は、少なくとも１層の硬質層を含む。本発明の硬質層は、Ｍ元素の酸化物層または酸窒化物層である。但し、Ｍ元素は、ＷまたはＴａのいずれかの元素を表す。本発明の被覆層は、硬質層を有すると、酸化によるクレーター摩耗を抑制することができる。そのため、クレーター摩耗を起因としたクラックの進展を抑制することができるので、耐欠損性に優れる。その中でも、硬質層は、Ｗの酸化物または酸窒化物のいずれかであるとクレーター摩耗を抑制する効果が高いため、好ましい。
本発明の硬質層は、具体的に、ＷＯ２、ＷＯ３、Ｗ０．６２（Ｎ，Ｏ）、ＴａＯ、ＴａＯ２、Ｔａ２Ｏ３、ＴａＯＮなどを挙げることができる。
本発明の硬質層の平均厚さは、０．００５μｍ未満であると、酸化によるクレーター摩耗を抑制する効果を発揮することができない。一方、硬質層の平均厚さが１．０μｍを超えると耐欠損性が低下する。そのため、硬質層の平均厚さは０．００５μｍ以上１．０μｍ以下とした。
本発明の硬質層の平均粒径は、５ｎｍ未満であると、酸化によるクレーター摩耗を抑制する効果を発揮することができない場合がある。一方、硬質層の平均粒径が３００ｎｍを超えると耐欠損性が低下する場合がある。そのため、硬質層の平均粒径は５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であると好ましい。
本発明の硬質層は、最外層であると、酸化によるクレーター摩耗を抑制する効果が大きいので、好ましい。
本発明の被覆層は、硬質層のみからなる単層であってもよいが、基材と硬質層との間に下部層を含むと、耐摩耗性が向上するため、好ましい。本発明の下部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物（但し、Ｗの酸化物層、Ｔａの酸化物層、Ｗの酸窒化物層、Ｔａの酸窒化物層を除く）より選択された少なくとも１種の単層または多層構成であると、耐摩耗性が向上するので好ましい。
本発明の下部層は、（ＡｌｘＴｉ１−ｘ-ｙＬｙ）（Ｃ１−ｕＮｕ）［但し、Ｌ元素はＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｘはＡｌとＴｉとＬ元素との合計に対するＡｌの原子比を表し、ｙはＡｌとＴｉとＬ元素との合計に対するＬ元素の原子比を表し、ｕはＣとＮとの合計に対するＮの原子比を表し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｘ+ｙ≦１、０≦ｕ≦１を満足する。］を満たす化合物の単層または多層構成であると、さらに好ましい。
下部層を構成する化合物として具体的には、（Ａｌ０．５０Ｔｉ０．５０）Ｎ、（Ａｌ０．６５Ｔｉ０．３５）Ｎ、（Ａｌ０．３５Ｔｉ０．６５）Ｎ、（Ａｌ０．６７Ｔｉ０．３３）ＣＮ、（Ａｌ０．４５Ｔｉ０．４５Ｓｉ０．１０）Ｎ、（Ａｌ０．４５Ｔｉ０．４５Ｙ０．１０）Ｎ、（Ａｌ０．５０Ｔｉ０．３０Ｃｒ０．２０）Ｎ、（Ａｌ０．５０Ｔｉ０．４５Ｎｂ０．０５）Ｎ、（Ａｌ０．５０Ｔｉ０．４５Ｔａ０．０５）Ｎ、（Ａｌ０．５０Ｔｉ０．４５Ｗ０．０５）Ｎなどを挙げることができる。
本発明の下部層の平均厚さは、１．５μｍ未満であると、長期に亘り、耐摩耗性を発揮することができないため、短寿命になる傾向がみられる。一方、下部層の平均厚さが１１．９μｍを超えると耐欠損性が低下する傾向がみられる。そのため、下層の平均厚さは１．５μｍ以上１１．９μｍ以下であることが好ましい。
本発明の硬質層は、最外層であると、酸化によるクレーター摩耗を抑制する効果が大きいので、好ましい。最外層として硬質層を有すると、下部層のクレーター摩耗の進行を遅らせることができる。
なお、本発明の下部層を（ＭａＬｂ）Ｎと表記する場合は、金属元素全体に対するＭ元素の原子比がａ、Ｌ元素の原子比がｂであることを意味する。例えば、（Ａｌ０．５５Ｔｉ０．４５）Ｎは、金属元素全体に対するＡｌの原子比が０．５５、金属元素全体に対するＴｉの原子比が０．４５、すなわち、金属元素全体に対するＡｌ元素量が５５原子％、金属元素全体に対するＴｉ元素量が４５原子％であることを意味する。
本発明の被覆切削工具における被覆層の製造方法は特に限定されるものではないが、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、イオンミキシング法などの物理蒸着法を使用して、形成することができる。その中でもアークイオンプレーティング法は被覆層と基材の密着性に優れるので、さらに好ましい。
本発明の被覆切削工具の製造方法について、具体例を用いて説明する。なお、本発明の被覆切削工具の製造方法は、当該被覆切削工具の構成を達成し得る限り特に制限されるものではない。
工具形状に加工した基材を物理蒸着装置の反応容器内に入れ、反応容器内を圧力１×１０−２Ｐａ以下の真空になるまで真空引きする。真空引きした後、反応容器内のヒーターで基材の温度が２００〜８００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にアルゴン（以下、Ａｒとする）ガスを導入して圧力を０．５〜５．０Ｐａとする。圧力０．５〜５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−２００〜−１０００Ｖのバイアス電圧を印加し、反応容器内のタングステンフィラメントに５〜２０Ａの電流を流して、基材の表面をＡｒガスによるイオンボンバードメント処理をする。基材の表面をイオンボンバードメント処理した後、圧力１×１０−２Ｐａ以下の真空になるまで真空引きする。
基材と硬質層との間に下部層を形成する場合には、イオンボンバードメント処理し、真空引きした後、窒素ガスなどの反応ガスを反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を０．５〜５．０Ｐａにして、基材に−１０〜−１５０Ｖのバイアス電圧を印加し、各層の金属成分に応じた金属蒸発源をアーク放電により蒸発させて基材の表面に各層を形成することができる。
本発明の硬質層を形成するには、イオンボンバードメント処理後、または下部層を形成した後、反応容器内を真空引きし、基材の温度が２００℃〜８００℃になるまで加熱する。その後、ＷまたはＴａの酸化物層を形成する場合には、酸素ガス（以下、Ｏ２とする）とＡｒガスとを反応容器内に２：８〜８：２の体積比率で導入する。ＷまたはＴａの酸窒化物層を形成する場合には、Ｏ２ガスと窒素ガス（以下、Ｎ２とする）とを反応容器内に４：６〜６：４の体積比率で導入する。ガスを導入し、反応容器内の圧力を０．５〜５．０Ｐａにして、基材に−５０〜−３５０Ｖのバイアス電圧を印加し、アーク電流１５０〜２００Ａのアーク放電によりＷまたはＴａの金属蒸発源を蒸発させて基材の表面または内層の表面に硬質層を形成することができる。反応容器内における混合ガスの比率と、アーク電流の値を調整することにより、硬質層の組成を制御することができる。具体的には、ＷまたはＴａの蒸発量に対し、Ｏ２ガスの流量を変化させると酸化物層の組成に影響を及ぼす。Ｗの蒸発量に対し、Ｏ２ガスの流量を小さくすると、ＷＯ２が形成され、Ｗの蒸発量に対し、Ｏ２ガスの流量を大きくすると、ＷＯ３が形成される。Ｔａの蒸発量に対し、Ｏ２ガスの流量を小さくすると、ＴａＯが形成され、Ｏ２ガスの流量を大きくすると、Ｔａ２Ｏ３が形成され、さらにＯ２ガスの流量を大きくすると、ＴａＯ２が形成される。なお、ＷまたはＴａの蒸発量を大きくするには、アーク電流を大きくするとよい。
本発明の硬質層の平均粒径を制御するには、基材に印加する負のバイアス電圧を高くするとよい。すなわち、−５０Ｖよりも−３５０Ｖの方が硬質層の平均粒径は小さくなる。但し、基材に印加する負のバイアス電圧を−３５０Ｖよりも高くすると、アモルファス酸化タングステンを形成するため、好ましくない。
本発明の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の層厚は、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）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを用いて測定することができる。なお、本発明の被覆切削工具における各層の平均層厚は、金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所以上の断面から各層の層厚および各積層構造の厚さを測定して、その平均値を計算することで求めることができる。
また、本発明の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の組成は、本発明の被覆切削工具の断面組織からエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。
また、本発明の硬質層の組成は、市販のＸ線回折装置を用いて特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ＲＩＮＴ ＴＴＲIII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：２０〜１４０°という条件で行うと、得られたＸ線回折図形を得ることができる。該Ｘ線回折図形から、各組成のＪＣＰＤＳカードにより、硬質層の組成を特定することができる。
本発明の硬質層の平均粒径は、以下の方法により、求めることができる。本発明の交硬質層の平均粒径は、被覆切削工具における基材の表面に対して、垂直な方向の断面組織から透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定することができる。被覆切削工具の断面組織をＴＥＭで観察し、１００００倍〜８００００倍に拡大した画像を撮影する。撮影した画像に、基材の表面に対して平行な直線を引く。このとき、硬質層の組織を横切るように直線を引く。この直線に含まれる粒子の長さを硬質層の粒子の数で割った値を硬質層の粒径とする。５箇所以上で引いた直線から硬質層の粒径をそれぞれ測定し、得られた値の平均値を硬質層の平均値と定義する。
本発明の被覆切削工具の種類として具体的には、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル、エンドミルなどを挙げることができる。
基材としてＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８形状の９０％ＷＣ−１０％Ｃｏ（以上体積％）組成の超硬合金製インサートとを用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に表１、表２および表３に示す各層の組成になる金属蒸発源を配置した。用意した基材を反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。
反応容器内の圧力が５．０×１０−３Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。真空引き後、反応容器内のヒーターで基材の温度が４００℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内の圧力が５．０ＰａになるようにＡｒガスを導入した。
圧力５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−９００Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに１０Ａの電流を流して、基材の表面にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間行った。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内の圧力が５．０×１０−３Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。
発明品１〜５、７〜１６、１８〜２７については、真空引き後、窒素ガスを反応容器内に導入し、圧力２．７Ｐａの窒素ガス雰囲気にした。基材には−５０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流２００Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて下部層を形成した。
発明品１７については、真空引き後、反応容器内の雰囲気を窒素ガス（Ｎ２）とメタンガス（ＣＨ４）の分圧比がＮ２：ＣＨ４＝１：１となるように混合した混合ガスとし、圧力２．７Ｐａの混合ガス雰囲気にした。基材には−５０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流２００Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて下部層を形成した。
発明品１〜５、７〜２７については、下部層を形成した後、反応容器内の圧力が５．０×１０-３Ｐａ以下の真空になるまで真空引きし、表４に示す条件で、硬質層を形成した。発明品６については、表４に示す条件で、基材の表面に硬質層を形成した。
比較品１〜５については、真空引き後、窒素ガスを反応容器内に導入し、圧力２．７Ｐａの窒素ガス雰囲気にした。基材には−５０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流２００Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて被覆層を形成した。
比較品６については、真空引き後、反応容器内の雰囲気をＮ２ガスとメタンガス（ＣＨ４）の分圧比がＮ２：ＣＨ４＝１：１となるように混合した混合ガスとし、圧力２．７Ｐａの混合ガス雰囲気にした。基材には−５０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流２００Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて被覆層を形成した。
比較品７、８、１０については、真空引き後、窒素ガスを反応容器内に導入し、圧力２．７Ｐａの窒素ガス雰囲気にした。基材には−５０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流２００Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて第１層を形成した。第１層を形成した後、反応容器内の圧力が５．０×１０−３Ｐａ以下の真空になるまで真空引きし、表５に示す条件で、酸化物層を形成した。
基材の表面に表１、表２および表３に示す所定の層厚まで各層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。
比較品１１については、通常の化学蒸着法により、被覆層を形成した。所定の厚さまで各層を形成した後、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。
得られた試料の各層の平均厚さは、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所の断面をＴＥＭ観察し、各層の厚さを測定し、その平均値を計算することで求めた。比較品１１については、被覆切削工具の刃先から逃げ面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所の断面をＴＥＭ観察し、各層の厚さを測定し、その平均値を計算することで求めた。
なお、得られた試料の硬質層または酸化物層の組成は、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：２０〜１４０°とするＸ線回折測定を行った。Ｘ線回折図形から組成を特定した。各層の組成および厚さを表１、表２および表３に示した。
なお、得られた試料の硬質層または酸化物層の組成は、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：２０〜１４０°とするＸ線回折測定を行った。Ｘ線回折図形から組成を特定した。各層の組成および厚さを表１、表２および表３に示した。
比較品１１の組成は、被覆切削工具の刃先から逃げ面の中心部に向かって５０μｍまでの位置の断面でＥＤＳを用いて測定した。また、酸化物層の組成については、それらの結果を、表１および表３に示す。なお、表１および表３の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示した。
本発明の硬質層の平均粒径は、以下の方法により、求めた。本発明の交硬質層の平均粒径は、被覆切削工具における基材の表面に対して、垂直な方向の断面組織から透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定した。被覆切削工具の断面組織をＴＥＭで観察し、３００００倍に拡大した画像を撮影した。撮影した画像に、基材の表面に対して平行な直線を引いた。このとき、硬質層の組織を横切るように直線を引いた。この直線に含まれる粒子の長さを硬質層の粒子の数で割った値を硬質層の粒径とした。１０箇所で引いた直線から硬質層の粒径をそれぞれ測定し、得られた値の平均値を硬質層の平均値とした。その結果を、表６および表７に示した。
得られた試料を用いて、以下の切削試験を行い、耐欠損性および耐摩耗性を評価した。その評価結果を表７および表８に示した。
［切削試験１］
被削材：Ｓ４５Ｃ、
被削材形状：φ１２０ｍｍ×４００ｍｍの円柱（外周に１本の溝が入っている。）、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：使用、
評価項目：試料が欠損（試料の切れ刃部に欠けが生じる）したとき、または逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工時間を測定した。
被削材：Ｓ４５Ｃ、
被削材形状：φ１２０ｍｍ×４００ｍｍの円柱（外周に１本の溝が入っている。）、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：使用、
評価項目：試料が欠損（試料の切れ刃部に欠けが生じる）したとき、または逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工時間を測定した。
表８および表９の結果より、発明品の損傷形態は、正常摩耗であり、耐チッピング性および耐欠損性に優れることが分かる。また、発明品の加工時間は、３０ｍｉｎ以上であり、比較品よりも工具寿命が長くなっていることが分かる。
本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性に優れる耐酸化層を有することにより、耐チッピング性および耐欠損性を向上させることができる。そのため、従来よりも工具寿命を延長できるので、産業上の利用可価値が高い。
Claims (8)
- 基材と前記基材の表面に形成された被覆層を含む被覆切削工具であって、
前記被覆層は少なくとも１層の硬質層を含み、
前記硬質層は、Ｍ元素の酸化物層または酸窒化物層［但し、Ｍ元素は、ＷまたはＴａのいずれかの元素を表す］であり、
前記硬質層の平均厚さが、０．００５μｍ以上０．７μｍ以下であり、
前記被覆層は、前記基材と前記硬質層との間に下部層を含み、
前記下部層は、（ＡｌｘＴｉ１-ｘ-ｙＬｙ）（Ｃ１-ｕＮｕ）［但し、Ｌ元素はＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｘはＡｌとＴｉとＬ元素との合計に対するＡｌの原子比を表し、ｙはＡｌとＴｉとＬ元素との合計に対するＬ元素の原子比を表し、ｕはＣとＮとの合計に対するＮの原子比を表し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｘ+ｙ≦１、０≦ｕ≦１を満足する。］を満たす化合物層であり、
前記下部層の直上に前記硬質層を有する、
被覆切削工具。 - 前記硬質層の平均粒径は、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である請求項１に記載の被覆切削工具。
- 前記硬質層は、Ｗの酸化物層または酸窒化物層のいずれかである請求項１または２のいずれかに記載の被覆切削工具。
- 前記硬質層は、ＷＯ２、ＷＯ３、Ｗ０．６２（Ｎ，Ｏ）、ＴａＯ、ＴａＯ２、Ｔａ２Ｏ３、ＴａＯＮからなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物層である請求項１または２のいずれかに記載の被覆切削工具。
- 前記硬質層は、最外層である請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記下部層の平均厚さは、１．５μｍ以上１１．９μｍ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。
- 前記被覆層全体の平均厚さが０．５μｍ以上１２．０μｍ以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
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