JP6999383B2

JP6999383B2 - 被覆切削工具

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Publication number: JP6999383B2
Application number: JP2017229127A
Authority: JP
Inventors: 欣也高橋; 直幸福島
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
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Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2022-01-18
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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（Ａｌ₂Ｏ₃）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。

特許文献１では、炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、チタン化合物層からなる下部層と酸化アルミニウム層（Ａｌ₂Ｏ₃層）からなる上部層を硬質被覆層として蒸着形成した表面被覆切削工具において、酸化アルミニウム層（Ａｌ₂Ｏ₃層）からなる上部層は、（００６）面配向係数ＴＣ（００６）が１．８以上であり、かつ、（１０４）面のピーク強度Ｉ（１０４）と（１１０）面のピーク強度Ｉ（１１０）の比Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）が０．５～２．０であり、酸化アルミニウム層（Ａｌ₂Ｏ₃層）内の残留応力値の絶対値が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具が記載されている。

特開２０１３－１３２７１７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、従来よりも工具の耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが求められている。特に、近年、鋼の高速切削等、被覆切削工具に負荷が作用するような切削加工が増えており、かかる過酷な切削条件下において、従来の工具では被覆層の粒子の脱落を起因としたクレーター摩耗及び欠損が生じる。これが引き金となって、工具寿命を長くできないという問題がある。

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、優れた耐摩耗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Ａｌ₂Ｏ₃層及びＴｉＣＮ層をこの順で積層し、α型Ａｌ₂Ｏ₃層及びＴｉＣＮ層の所定領域内において、それぞれ、所定の結晶方位を示す粒子の割合が特定値以上であり、被覆層の平均厚さが所定範囲内であることを含む以下の構成にすると、粒子の脱落を抑制することにより耐摩耗性を向上させることができると共に耐欠損性も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可能にな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、本発明は下記のとおりである。
（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、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種の元素とのＴｉ化合物からなるＴｉ化合物層を１層以上有する下部層と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなるα型Ａｌ₂Ｏ₃層を有する中間層と、ＴｉＣＮからなるＴｉＣＮ層を有する上部層とを含み、
前記各層が、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって、この順序で積層されており、
前記被覆層の平均厚さが、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下であり、
前記中間層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、前記基材の表面と平行な断面において、方位差Ａが下記式（１）で表される条件を満たし、
前記上部層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、前記基材の表面と平行な断面において、方位差Ｂが下記式（２）で表される条件を満たす、被覆切削工具。
ＲＳＡ≧４０（１）
（式中、ＲＳＡは、方位差Ａが０度以上４５度以下である粒子の断面積に対する、方位差Ａが０度以上１０度未満である粒子の断面積の割合（単位：面積％）であり、方位差Ａは、前記断面の法線と前記中間層におけるα型Ａｌ₂Ｏ₃層の粒子の（００１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
ＲＳＢ≧４０（２）
（式中、ＲＳＢは、方位差Ｂが０度以上４５度以下である粒子の断面積に対する、方位差Ｂが０度以上１０度未満である粒子の断面積の割合（単位：面積％）であり、方位差Ｂは、前記断面の法線と前記上部層におけるＴｉＣＮ層の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
（２）
前記ＲＳＡが、５０面積％以上である、（１）の被覆切削工具。
（３）
前記ＲＳＢが、５０面積％以上である、（１）又は（２）の被覆切削工具。
（４）
前記上部層の平均厚さが、１．０μｍ以上６．０μｍ以下である、（１）～（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）
前記中間層の平均厚さが、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下である、（１）～（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）
前記下部層の平均厚さが、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下である、（１）～（５）のいずれかの被覆切削工具。
（７）
前記下部層が、ＴｉＮからなるＴｉＮ層、ＴｉＣからなるＴｉＣ層、ＴｉＣＮからなるＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯからなるＴｉＣＮＯ層、ＴｉＯＮからなるＴｉＯＮ層、及びＴｉＢ₂からなるＴｉＢ₂層からなる群より選ばれる少なくとも１種の層を含む、（１）～（６）のいずれかの被覆切削工具。
（８）
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）～（７）のいずれかの被覆切削工具。

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できる。

本発明の被覆切削工具の一例を示す模式断面図である。

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、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、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、被覆層は、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種の元素とのＴｉ化合物からなるＴｉ化合物層を１層以上有する下部層と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなるα型Ａｌ₂Ｏ₃層を有する中間層と、ＴｉＣＮからなるＴｉＣＮ層を有する上部層とを含み、各層が、基材側から被覆層の表面側に向かって、この順序で積層されており、被覆層の平均厚さは、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下であり、中間層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、基材の表面と平行な断面において、方位差Ａが下記式（１）で表される条件を満たし、上部層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、基材の表面と平行な断面において、方位差Ｂが下記式（２）で表される条件を満たす。
ＲＳＡ≧４０（１）
（式中、ＲＳＡは、基材の表面と平行な断面において、方位差Ａが０度以上４５度以下である粒子の断面積に対する、方位差Ａが０度以上１０度未満である粒子の断面積の割合（単位：面積％）であり、方位差Ａは、断面の法線と中間層におけるα型Ａｌ₂Ｏ₃層の粒子の（００１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
ＲＳＢ≧４０（２）
（式中、ＲＳＢは、基材の表面と平行な断面において、方位差Ｂが０度以上４５度以下である粒子の断面積に対する、方位差Ｂが０度以上１０度未満である粒子の断面積の割合（単位：面積％）であり、方位差Ｂは、断面の法線と上部層におけるＴｉＣＮ層の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）

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。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。ただし、本発明は、以下の要因により何ら限定されない。すなわち、まず、本実施形態の被覆層の平均厚さが５．０μｍ以上であることにより、耐摩耗性が向上し、平均厚さが３０．０μｍ以下であることにより、被覆層の基材との密着性及び耐欠損性が向上する。本実施形態の被覆層の中間層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃層を有しており、α型Ａｌ₂Ｏ₃層は、（００１）面に配向している。このように、（００１）面に配向したα型Ａｌ₂Ｏ₃層を有すると、優れた耐熱性を有することに主に起因して、耐クレーター摩耗性に優れるため、耐摩耗性に優れる。ただし、（００１）面に配向したα型Ａｌ₂Ｏ₃層を有する中間層は、密着性に劣るため、被覆切削工具に負荷が作用するような切削条件下において粒子の脱落が生じる問題がある。これに対し、本実施形態の被覆切削工具は、α型Ａｌ₂Ｏ₃層を有する中間層の表面に、（１１１）面に配向したＴｉＣＮ層を有する上部層を含むことに主に起因して、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の粒子の脱落を抑制することができ、その結果、耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。また、ＲＳＡが特定値以上であることにより、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の耐熱性がより高まることに主に起因して、耐クレーター摩耗性が向上するため、その結果、耐摩耗性が向上する。また、ＲＳＢが特定値以上であることにより、ＴｉＣＮ層とα型Ａｌ₂Ｏ₃層の密着性が良好であることに主に起因して、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の粒子の脱落を抑制することができ、その結果、耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。そして、これらの構成が組み合わされることにより、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性が向上し、その結果、工具寿命を延長することができるものと考えられる。

図１は、本実施形態の被覆切削工具の一例を示す断面模式図である。被覆切削工具６は、基材１と、基材１の表面に被覆層５が形成されており、被覆層５には、下部層２、中間層３、及び上部層４がこの順序で上方向に積層されている。

本実施形態の被覆切削工具は、基材とその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。そのような基材として、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及び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、同様の観点から、基材が超硬合金であるとより好ましい。

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、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下である。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向上する。同様の観点から、被覆層の平均厚さは、８．０μｍ以上２７．０μｍ以下であるとより好ましく、１０．０μｍ以上２５．０μｍ以下であることが更に好ましい。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層及び被覆層全体の平均厚さは、各層又は被覆層全体における３箇所以上の断面から、各層の厚さ又は被覆層全体の厚さを測定して、その相加平均値を計算することで求めることができる。

［下部層］
本実施形態の下部層は、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種の元素とのＴｉ化合物からなるＴｉ化合物層を１層以上有する。被覆切削工具が、基材とα型酸化アルミニウム（α型Ａｌ₂Ｏ₃）を含有する中間層との間に、下部層を備えると、耐摩耗性及び密着性が向上する。

Ｔｉ化合物層としては、例えば、ＴｉＣからなるＴｉＣ層、ＴｉＮからなるＴｉＮ層、ＴｉＣＮからなるＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯからなるＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯからなるＴｉＣＮＯ層、ＴｉＯＮからなるＴｉＯＮ層、及びＴｉＢ₂からなるＴｉＢ₂層が挙げられる。

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。下部層は、耐摩耗性及び密着性がより一層向上する観点から、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＯＮ層、及びＴｉＢ₂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く、下部層の少なくとも１層がＴｉＣＮ層であると、耐摩耗性が一層向上するため好ましい。下部層が３層で構成されている場合には、基材の表面に、ＴｉＣ層又はＴｉＮ層を第１層として形成し、第１層の表面に、ＴｉＣＮ層を第２層として形成し、第２層の表面に、ＴｉＣＮＯ層又はＴｉＣＯ層を第３層として形成してもよい。それらの中では、下部層が基材の表面にＴｉＮ層を第１層として形成し、第１層の表面に、ＴｉＣＮ層を第２層として形成し、第２層の表面に、ＴｉＣＮＯ層を第３層として形成してもよい。

本実施形態の下部層の平均厚さは、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。平均厚さが３．０μｍ以上であることにより、耐摩耗性が向上する。一方、下部層の平均厚さが１５．０μｍ以下であることにより、被覆層の剥離が抑制されることに主に起因して耐欠損性が向上する。同様の観点から、下部層の平均厚さは、３．５μｍ以上１３．０μｍ以下であることがより好ましく、４．０μｍ以上１２．０μｍ以下であることが更に好ましく、４．５μｍ以上１１．０μｍ以下であることが特に好ましい。

ＴｉＣ層又はＴｉＮ層の平均厚さは、耐摩耗性及び耐欠損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。同様の観点から、平均厚さは、０．１０μｍ以上０．５μｍ以下であることがより好ましく、０．１５μｍ以上０．３μｍ以下であることが更に好ましい。

ＴｉＣＮ層の平均厚さは、耐摩耗性及び耐欠損性を一層向上する観点から、２．０μｍ以上２０．０μｍ以下であることが好ましい。同様の観点から、平均厚さは、２．５μｍ以上１５．０μｍ以下であることがより好ましく、３．０μｍ以上１２．０μｍ以下であることが更に好ましい。

ＴｉＣＮＯ層又はＴｉＣＯ層の平均厚さは、耐摩耗性及び耐欠損性を一層向上する観点から、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。同様の観点から、平均厚さは、０．２μｍ以上０．５μｍ以下であることがより好ましい。

Ｔｉ化合物層は、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種の元素とのＴｉ化合物からなる層であるが、下部層による作用効果を奏する限りにおいて、上記元素以外の成分を微量含んでもよい。

［中間層］
本実施形態の中間層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなるα型Ａｌ₂Ｏ₃層を有する。本実施形態の中間層は、中間層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、基材の表面と平行な断面において、方位差Ａが下記式（１）で表される条件を満たす。
ＲＳＡ≧４０（１）
（式中、ＲＳＡは、方位差Ａが０度以上４５度以下である粒子の断面積に対する、方位差Ａが０度以上１０度未満である粒子の断面積の割合（単位：面積％）であり、方位差Ａは、前記断面の法線と前記中間層におけるα型Ａｌ₂Ｏ₃層の粒子の（００１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）

本実施形態の被覆切削工具は、ＲＳＡが４０面積％以上であることにより、耐クレーター摩耗性に優れるので、耐摩耗性を向上できる。同様の観点から、ＲＳＡは、５０面積％以上（例えば、５０面積％以上８０面積％以下）であることが好ましく、６０面積％以上であることがより好ましい。

ＲＳＡは、以下の方法により求めることができる。中間層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、基材の表面と平行な断面において、断面の法線と、中間層におけるα型Ａｌ₂Ｏ₃層の粒子の（００１）面の法線とがなす角度の方位差Ａが０度以上４５度以下である粒子断面の面積の合計（ＲＳＡ_Total）を１００面積％とし、方位差Ａが０度以上１０度未満である粒子断面の面積の合計が、ＲＳＡ_Totalに対して何面積％を占めるかを求めて、これをＲＳＡとすればよい。ＲＳＡ（面積％）を求めるに際して、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電解放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）等に付属した電子後方散乱解析像装置（ＥＢＳＤ）を用いて、各粒子の断面の面積を測定できる。ＥＢＳＤを用いて、粒子の各結晶の結晶方位を特定し、特定した各結晶方位の粒子断面の面積を、例えば、５度のピッチ毎の区分に割り振り、区分毎の粒子断面の面積を求める。その後、例えば、０度以上１０度未満の区分、１０度以上２０度未満の区分、２０度以上３０度未満の区分、及び３０度以上４５度以下の区分のそれぞれの区分の粒子断面の面積の合計を求める。尚、この場合、０度以上４５度以下の粒子断面の面積の合計は１００面積％となる。そして、これらの各区分における粒子断面の面積の合計ＲＳＡ_Total（１００面積％）に対する比率を求めて、これをＲＳＡとすればよい。なお、上記式（１）で表される条件は、必ずしも基材側に向かって１μｍまでの範囲全てで満たされる必要はなく、上記範囲内にある任意の断面で満たされていればよい。

より具体的には、以下の方法で求めることができる。まず、試料をＦＥ－ＳＥＭにセットする。試料に７０度の入射角度で、１５ｋＶの加速電圧及び１．０ｎＡの照射電流で電子線を照射する。３０μｍ×５０μｍの測定範囲について、０．１μｍのステップサイズというＥＢＳＤの設定で、当該範囲に存在する粒子断面の方位差を求めるのが望ましい。

本実施形態のα型Ａｌ₂Ｏ₃層の平均厚さは、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。α型Ａｌ₂Ｏ₃層の平均厚さが、３．０μｍ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ー摩耗性が一層向上する傾向にあり、１５．０μｍ以下であると被覆層の剥離がより抑制され、被覆切削工具の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Ａｌ₂Ｏ₃層の平均厚さは、１．５μｍ以上１２．０μｍ以下であることがより好ましく、３．５μｍ以上１２．０μｍ以下であることが好ましく、４．０μｍ以上１０．０μｍ以下であることが更に好ましい。

中間層は、α型酸化アルミニウム（α型Ａｌ₂Ｏ₃）からなる層を有していればよく、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、α型酸化アルミニウム（α型Ａｌ₂Ｏ₃）以外の成分を含んでもよく、含まなくてもよい。

［上部層］
本実施形態の上部層は、ＴｉＣＮからなるＴｉＣＮ層を有する。本実施形態の上部層は、上部層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、基材の表面と平行な断面において、断面の法線と、上部層におけるＴｉＣＮ層の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度の方位差Ｂが下記式（２）で表される条件を満たす。
ＲＳＢ≧４０（２）
（式中、ＲＳＢは、方位差Ｂが０度以上４５度以下である粒子の断面積に対する、方位差Ｂが０度以上１０度未満である粒子の断面積の割合（単位：面積％）であり、方位差Ｂは、前記断面の法線と前記上部層におけるＴｉＣＮ層の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）

本実施形態の被覆切削工具は、ＲＳＢが４０面積％以上であることにより、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の粒子の脱落を抑制することができるので、耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。同様の観点から、ＲＳＢは、５０面積％以上（例えば、５０面積％以上７０面積％以下）であることが好ましく、６０面積％以上であることがより好ましい。

ＲＳＢは、以下の方法により求めることができる。上部層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、基材の表面と平行な断面において、断面の法線と、上部層におけるＴｉＣＮ層の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度の方位差Ｂが０度以上４５度以下である粒子断面の面積の合計（ＲＳＢ_Total）を１００面積％とし、方位差Ｂが０度以上１０度未満である粒子断面の面積の合計が、ＲＳＢ_Totalに対して何面積％を占めるかを求めて、これをＲＳＢとすればよい。ＲＳＢ（面積％）を求めるに際して、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電解放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）等に付属した電子後方散乱解析像装置（ＥＢＳＤ）を用いて、各粒子の断面の面積を測定できる。ＥＢＳＤを用いて、粒子の各結晶の結晶方位を特定し、特定した各結晶方位の粒子断面の面積を、例えば、５度のピッチ毎の区分に割り振り、区分毎の粒子断面の面積を求める。その後、例えば、０度以上１０度未満の区分、１０度以上２０度未満の区分、２０度以上３０度未満の区分、及び３０度以上４５度以下の区分のそれぞれの区分の粒子断面の面積の合計を求める。尚、この場合、０度以上４５度以下の粒子断面の面積の合計は１００面積％となる。そして、これらの各区分における粒子断面の面積の合計ＲＳＢ_Total（１００面積％）に対する比率を求めて、これをＲＳＢとすればよい。なお、上記式（２）で表される条件は、必ずしも基材側に向かって１μｍまでの範囲全てで満たされる必要はなく、上記範囲内にある任意の断面で満たされていればよい。

本実施形態の上部層の平均厚さは、１．０μｍ以上６．０μｍ以下であることが好ましい。平均厚さが１．０μｍ以上であることにより、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の粒子の脱落を抑制する効果が一層向上する傾向にあり、平均厚さが６．０μｍ以下であることにより、耐欠損性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、１．５μｍ以上５．０μｍ以下であることがより好ましい。

上部層は、ＴｉＣＮからなる層を有していればよく、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、ＴｉＣＮ以外の成分を含んでもよく、含まなくてもよい。

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、Ｔｉの窒化物層（以下、「ＴｉＮ層」ともいう。）からなるＴｉ化合物層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：５．０～１０．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：２０～６０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８５０～９５０℃、圧力を３００～４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉの炭化物層（以下、「ＴｉＣ層」ともいう。）からなるＴｉ化合物層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：１．５～３．５ｍｏｌ％、ＣＨ₄：３．５～５．５ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を７０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉの炭窒化物層（以下、「ＴｉＣＮ層」ともいう。）からなるＴｉ化合物層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：５．０～７．０ｍｏｌ％、ＣＨ₃ＣＮ：０．５～１．５ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８００～９００℃、圧力を６０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉの炭窒酸化物層（以下、「ＴｉＣＮＯ層」ともいう。）からなるＴｉ化合物層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：３．０～４．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．５～１．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：３０～４０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を５０～１５０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉの炭酸化物層（以下、「ＴｉＣＯ層」ともいう。）からなるＴｉ化合物層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：１．０～２．０ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０～３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を５０～１５０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

α型Ａｌ₂Ｏ₃層（以下、単に「Ａｌ₂Ｏ₃層」ともいう。）からなる中間層は、例えば、以下の方法により形成される。

まず、基材の表面に、１層以上のＴｉ化合物層からなる下部層を形成する。次いで、それらの層のうち、基材から最も離れた層の表面を酸化する。その後、基材から最も離れた層の表面にα型Ａｌ₂Ｏ₃層の核を形成し、その核が形成された状態で、α型Ａｌ₂Ｏ₃層を形成する。

より具体的には、上記基材から最も離れた層の表面の酸化は、ガス組成をＣＯ：０．１～０．３ｍｏｌ％、ＣＯ₂：０．３～１．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を５０～６０ｈＰａとする条件により行われる（酸化工程）。このときの酸化処理時間は、１～３分であることが好ましい。

その後、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の核は、原料ガス組成をＡｌＣｌ₃：１．０～４．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．０５～２．０ｍｏｌ％、ＣＯ₂：１．０～３．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０～３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８８０～９３０℃、圧力を６０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成される（核形成工程）。

そして、α型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：０．１５～０．２５ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０～１０００℃、圧力を６０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成される（成膜工程）。

ＲＳＡ（面積％）を特定値以上とするためには、酸化工程における酸化処理時間を制御したり、酸化工程及び／又は核形成工程におけるガス組成中のＣＯの割合を制御したり、成膜工程における成膜温度を制御したりすればよい。より具体的には、酸化工程における酸化処理時間を大きくしたり、酸化工程及び／又は核形成工程におけるガス組成中のＣＯの割合を大きくしたり、成膜工程における成膜温度を、核形成工程における核形成温度よりも大きくしたりすることにより、角度の方位差Ａが特定範囲内である粒子の割合（面積％）を大きくすることで、ＲＳＡを高くすることができる。

さらに、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面にＴｉの炭窒化物層（以下、「ＴｉＣＮ層」ともいう）からなる上部層を形成する。

ＴｉＣＮ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：４．０～８．０ｍｏｌ％、ＣＨ₃ＣＮ：０．５～２．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：０．０～１５．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０～１０５０℃、圧力を６０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる（上部層形成工程）。

ＲＳＢ（面積％）を特定値以上とするためには、上部層形成工程において、温度を制御したり、原料組成中のＣＨ₃ＣＮの割合を制御したりすればよい。より具体的には、上部層形成工程における温度を大きくしたり、原料組成中のＣＨ₃ＣＮの割合を大きくしたりすることにより、ＲＳＢ（面積％）を大きくすることができる。

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を、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、又はＦＥ－ＳＥＭ等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おけ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）等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ＣＮＭＡ１２０４１２形状を有し、８８．７ＷＣ－８．０Ｃｏ－１．５ＴｉＮ－１．５ＮｂＣ－０．３Ｃｒ₃Ｃ₂（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。

［発明品１～１３及び比較品１～８］
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。まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表６に組成を示す第１層を、表６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１に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表６に組成を示す第２層を、表６に示す平均厚さになるよう、第１層の表面に形成した。次に、表１に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表６に組成を示す第３層を、表６に示す平均厚さになるよう、第２層の表面に形成した。これにより、３層から構成された下部層を形成した。その後、表２に示す組成、温度及び圧力の条件の下、表２に示す時間にて、第３層の表面に酸化処理を施した。次いで、表３に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した第３層の表面にα型酸化アルミニウム（α型Ａｌ₂Ｏ₃）の核を形成した。さらに、表４に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、第３層及びα型酸化アルミニウム（α型Ａｌ₂Ｏ₃）の核の表面に、表６に組成を示す中間層（α型Ａｌ₂Ｏ₃層）を、表６に示す平均厚さになるよう形成した。最後に、表５に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表６に組成を示す上部層を、表６に示す平均厚さになるよう、α型Ａｌ₂Ｏ₃層の表面に形成した。こうして、発明品１～１３及び比較品１～８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までの位置の近傍の断面において、ＥＤＳを用いて測定した。

得られた試料の中間層における、中間層の表面から、基材側に向かって０．５μｍにあり、基材の表面と平行な断面をＦＥ－ＳＥＭで観察し、ＦＥ－ＳＥＭに付属したＥＢＳＤを用いて、方位差Ａが０度以上４５度以下の範囲内にある各層の粒子断面の面積の合計（ＲＳＡ_Total）を測定した。そして、方位差Ａが０度以上４５度以下の範囲内にある粒子の断面積を５度のピッチ毎に区分して、区分毎の粒子断面の面積を求めた。次に、方位差Ａが０度以上１０度未満の区分、１０度以上２０度未満の区分、２０度以上３０度未満の区分、及び３０度以上４５度以下の区分のそれぞれの区分の粒子断面の面積の合計を求めた。尚、０度以上４５度以下の粒子断面の面積の合計は１００面積％となる。これら各区分の内、方位差Ａが０度以上１０度未満の範囲内にある粒子の断面積の合計を、ＲＳＡ_Totalに対する比率として表したものをＲＳＡとした。以上の測定結果を下記表７に示す。なお、ＥＢＳＤによる測定は、以下のようにして行った。試料をＦＥ－ＳＥＭにセットした。試料に７０度の入射角度で、１５ｋＶの加速電圧及び１．０ｎＡ照射電流で電子線を照射した。測定範囲３０μｍ×５０μｍにて、０．１μｍのステップサイズというＥＢＳＤの設定で、各粒子の方位差及び断面積の測定を行った。測定範囲内における中間層の粒子断面の面積は、その面積に対応するピクセルの総和とした。すなわち、各層の粒子の、方位差Ａに基づいた１０度又は１５度のピッチ毎の各区分おける粒子断面の面積の合計は、各区分に該当する粒子断面が占めるピクセルを集計し、面積に換算して求めた。

得られた試料の上部層における、上部層の表面から、基材側に向かって０．５μｍにあり、基材の表面と平行な断面をＦＥ－ＳＥＭで観察し、ＦＥ－ＳＥＭに付属したＥＢＳＤを用いて、方位差Ｂが０度以上４５度以下の範囲内にある各層の粒子断面の面積の合計（ＲＳＢ_Total）を測定した。そして、方位差Ｂが０度以上４５度以下の範囲内にある粒子の断面積を５度のピッチ毎に区分して、区分毎の粒子断面の面積を求めた。次に、方位差Ｂが０度以上１０度未満の区分、１０度以上２０度未満の区分、２０度以上３０度未満の区分、及び３０度以上４５度以下の区分のそれぞれの区分の粒子断面の面積の合計を求めた。尚、０度以上４５度以下の粒子断面の面積の合計は１００面積％となる。これら各区分の内、方位差Ｂが０度以上１０度未満の範囲内にある粒子の断面積の合計を、ＲＳＢ_Totalに対する比率として表したものをＲＳＢとした。以上の測定結果を下記表７に示す。なお、ＥＢＳＤによる測定は、以下のようにして行った。試料をＦＥ－ＳＥＭにセットした。試料に７０度の入射角度で、１５ｋＶの加速電圧及び１．０ｎＡ照射電流で電子線を照射した。測定範囲３０μｍ×５０μｍにて、０．１μｍのステップサイズというＥＢＳＤの設定で、各粒子の方位差及び断面積の測定を行った。測定範囲内における上部層の粒子断面の面積は、その面積に対応するピクセルの総和とした。すなわち、各層の粒子の、方位差Ｂに基づいた１０度又は１５度のピッチ毎の各区分おける粒子断面の面積の合計は、各区分に該当する粒子断面が占めるピクセルを集計し、面積に換算して求めた。

得られた発明品１～１３及び比較品１～８を用いて、下記の条件にて切削試験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摩耗試験であり、切削試験２は耐欠損性を評価する欠損試験である。各切削試験の結果を表８に示す。

［切削試験１］
被削材：Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：２３０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．５ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損に至ったとき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。また、切削加工開始から１５分経過時における損傷状態をＳＥＭで確認した。

［切削試験２］
被削材：Ｓ４５Ｃの２本の溝入り丸棒、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．５ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損又は最大逃げ面摩擦幅が０．２ｍｍ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。また、衝撃回数が５０００回になった時における損傷状態をＳＥＭで確認した。衝撃回数は、１５０００回までとした。

切削試験１（摩耗試験）の工具寿命に至るまでの加工時間について、４０分以上を「Ａ」、３０分以上４０分未満を「Ｂ」、３０分未満を「Ｃ」として評価した。また、切削試験２（欠損試験）の工具寿命に至るまでの衝撃回数について、１３０００回以上を「Ａ」、１１０００回以上１２９９９回以下を「Ｂ」、１０９９９回以下を「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を多く有するほど切削性能に優れることを意味する。得られた評価の結果を表８に示す。

表８に示す結果より、発明品の摩耗試験及び欠損試験の評価は、どちらも「Ａ」又は「Ｂ」の評価であった。一方、比較品の評価は、摩耗試験及び欠損試験の両方又はいずれかが、「Ｃ」であった。特に、摩耗試験において、発明品の評価はいずれも「Ｂ」以上であり、比較品の評価はいずれも「Ｃ」であった。よって、発明品の耐摩耗性は、比較品と比べて、総じて、より優れていることが分かる。

以上の結果より、発明品は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れる結果、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、耐欠損性を低下させることなく、しかも優れた耐摩耗性を有することにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、そのような観点から、産業上の利用可能性がある。

１…基材、２…下部層、３…中間層、４…上部層、５…被覆層、６…被覆切削工具。

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、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種の元素とのＴｉ化合物からなるＴｉ化合物層を１層以上有する下部層と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなるα型Ａｌ₂Ｏ₃層を有する中間層と、ＴｉＣＮからなるＴｉＣＮ層を有する上部層とを含み、
前記各層が、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって、この順序で積層されており、
前記被覆層の平均厚さが、１０．５μｍ以上２２．５μｍ以下であり、
前記中間層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、前記基材の表面と平行な断面において、方位差Ａが下記式（１）で表される条件を満たし、ＲＳＡが、７０面積％以下であり、
前記上部層の表面から、基材側に向かって１μｍまでの範囲内であって、前記基材の表面と平行な断面において、方位差Ｂが下記式（２）で表される条件を満たし、ＲＳＢが、６９面積％以下である、被覆切削工具。
ＲＳＡ≧４０（１）
（式中、ＲＳＡは、方位差Ａが０度以上４５度以下である粒子の断面積に対する、方位差Ａが０度以上１０度未満である粒子の断面積の割合（単位：面積％）であり、方位差Ａは、前記断面の法線と前記中間層におけるα型Ａｌ₂Ｏ₃層の粒子の（００１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
ＲＳＢ≧４０（２）
（式中、ＲＳＢは、方位差Ｂが０度以上４５度以下である粒子の断面積に対する、方位差Ｂが０度以上１０度未満である粒子の断面積の割合（単位：面積％）であり、方位差Ｂは、前記断面の法線と前記上部層におけるＴｉＣＮ層の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
前記ＲＳＡが、５０面積％以上である、請求項１に記載の被覆切削工具。
前記ＲＳＢが、５０面積％以上である、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
前記上部層の平均厚さが、１．０μｍ以上６．０μｍ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。
前記中間層の平均厚さが、４．０μｍ以上１０．０μｍ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。
前記下部層の平均厚さが、３．０μｍ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。
前記下部層が、ＴｉＮからなるＴｉＮ層、ＴｉＣからなるＴｉＣ層、ＴｉＣＮからなるＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯからなるＴｉＣＮＯ層、ＴｉＯＮからなるＴｉＯＮ層、及びＴｉＢ₂からなるＴｉＢ₂層からなる群より選ばれる少なくとも１種の層を含む、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。