JP7029106B2

JP7029106B2 - 被覆切削工具

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Publication number: JP7029106B2
Application number: JP2017241411A
Authority: JP
Inventors: 直幸福島
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2037-12-18
Also published as: JP2019107720A

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、基材の表面に形成された被覆層を備える被覆切削工具であり、被覆層は、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の（１１６）面における残留応力値は、０より大きく、α型酸化アルミニウム層の（０１２）面における残留応力値は、０より小さい、被覆切削工具が提案されている。

国際公開第２０１５／０６８７９２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ている。特に、工具寿命の延長を達成するため、酸化アルミニウム層の厚膜化も求められている。しかしながら、従来の厚膜化を図った酸化アルミニウム層を含有する被覆切削工具を衝撃的負荷が作用する高速断続切削で用いると、その酸化アルミニウム層の靭性及び密着性が十分とはいえない。その結果、被覆切削工具の切刃にチッピングが発生しやすく、これが引き金となって、工具寿命を長くし難くなる。

また、特許文献１では、α型酸化アルミニウム層の表面に圧縮応力を付与することで、内部に引張応力を付与している。しかしながら、α型酸化アルミニウム層と下部層との界面における歪の状態に関して、特許文献１では考慮されていない。そのような被覆切削工具を、衝撃的負荷が作用する高速断続切削の条件に用いると、α型酸化アルミニウム層と下部層との界面での剥離が生じ、その結果、耐チッピング性が不十分となる傾向にある。

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、α型酸化アルミニウム層の表面側と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］基材と、該基材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、前記被覆層は、前記基材側から順に、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するＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層及び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、前記上部層は、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下の平均厚さを有する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り、前記上部層において、前記基材側から前記基材とは反対側に向かって１．０μｍまでの領域を内部領域とし、前記内部領域よりも前記反対側の領域を表面領域としたとき、前記内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が前記表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも大きく、前記内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が、０．４０°以上１．００°以下である、被覆切削工具。
［２］前記内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が、前記表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも０．１０°以上大きい、［１］に記載の被覆切削工具。
［３］前記表面領域におけるＫＡＭ値の平均値が、０．２０°以上０．６０°以下である、［１］又は［２］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［４］前記被覆層は、前記上部層の前記下部層とは反対側の表面上に、Ｔｉの窒化物からなる層を更に含み、前記Ｔｉの窒化物からなる層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下である、［１］～［３］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［５］前記被覆層の平均厚さは、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下である、［１］～［４］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［６］前記基材は、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］～［５］のいずれか１つ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、基材と、該基材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、被覆層は、基材側から順に、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、下部層が、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下の平均厚さを有するＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層及び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、上部層は、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下の平均厚さを有する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り、上部層において、基材側から基材とは反対側に向かって１．０μｍまでの領域を内部領域とし、内部領域よりも上記反対側の領域を表面領域としたとき、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも大きいものである。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り、被覆切削工具６は、基材１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。まず、被覆層が基材側に上述の所定の平均厚さを有するＴｉ化合物層である下部層を備えることにより、その下層（例えば基材）との密着性が高くなるので、耐欠損性及び耐チッピング性、特に耐チッピング性に優れたものとなる。また、被覆層が基材とは反対側に上述の所定の平均厚さを有するα型酸化アルミニウム層である上部層を備えることにより、被覆層が耐摩耗性にある程度優れたものとなり、欠損やチッピングが生じる前に被覆切削工具が過剰に摩耗してしまい切削が困難になることを防ぐことができる。被覆切削工具がこのような上部層を備えると、衝撃的負荷が作用する高速断続切削の条件において、亀裂の発生をより有効かつ確実に抑制する効果が得られる。

さらに、上部層において、上記の内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも大きくなることにより、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が表面領域におけるＫＡＭ値の平均値以下となる場合と比較して、耐欠損性及び耐チッピング性に優れたものとなる。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。上部層の内部領域におけるＫＡＭ値の平均値を表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも大きくすると、表面領域における塑性変形（歪み）が内部領域におけるものよりも小さくなり、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、被覆層の表面領域における靱性が高まるため、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。

（基材）
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。

（被覆層）
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、５．０μｍ以上２７．０μｍ以下であるとより好ましく、７．０μｍ以上２５．０μｍ以下であると更に好ましい。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）
本実施形態の被覆層における下部層は、Ｔｉの炭化物層（以下、単に「ＴｉＣ層」とも表記する。）、窒化物層（以下、単に「ＴｉＮ層」とも表記する。）、炭窒化物層（以下、単に「ＴｉＣＮ層」とも表記する。）、炭酸化物層（以下、単に「ＴｉＣＯ層」とも表記する。）及び炭窒酸化物層（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。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。同様の観点から、下部層の平均厚さは、３．０μｍ以上１３．０μｍ以下であると好ましく、４．０μｍ以上１２．０μｍ以下であるとより好ましく、５．０μｍ以上１０．０μｍ以下であるとさらに好ましい。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）
本実施形態の被覆層における上部層は、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。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。

本実施形態の上部層において、基材側からその基材とは反対側に向かって１．０μｍまでの領域を内部領域とし、内部領域よりも上記反対側を表面領域としたとき、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも大きい。これにより、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が表面領域におけるＫＡＭ値の平均値以下となる場合と比較して、耐欠損性及び耐チッピング性に優れたものとなる。これは、上部層の内部領域におけるＫＡＭ値の平均値を表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも大きくすると、表面領域における塑性変形（歪み）が内部領域におけるものよりも小さくなる、その結果、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、被覆層の表面領域における靱性が高まるため、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。ただし、本実施形態の被覆切削工具が耐欠損性及び耐チッピング性に優れる要因はこれに限定されない。

内部領域及び表面領域のＫＡＭ値の平均値は、上部層を形成するときに２段階の温度で形成したり、一旦形成した上部層に対して乾式ショットブラストを施したりすることにより調整することができる。例えば、上部層を形成するときに、まず１０７０℃以上１１３０℃以下の温度で形成することにより、ＫＡＭ値の平均値が比較的大きな内部領域を形成することができる。次いで、９５０℃以上１０５０℃以下の温度で形成することにより、ＫＡＭ値の平均値が比較的小さな表面領域を形成することができる。このとき、内部領域を形成する際の温度から表面領域を形成する際の温度への降温速度は、０．３℃／分以上であると好ましい。また、上部層を形成した後に、その上部層に対して１．７ｂａｒ以上１．９ｂａｒ以下（すなわち１７０ｋＰａ以上１９０ｋＰａ以下）の投射圧力、２０秒以上４０秒以下の投射時間の条件で乾式ショットブラストを施すことにより、表面領域の塑性変形を緩和して、ＫＡＭ値の平均値を更に低下させることができる。こうして、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値を表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも大きくすることができる。

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、上部層における断面について、基材側から基材とは反対側に向かって１μｍまでの領域を内部領域とし、内部領域よりも上記反対側の領域を表面領域とする。ＥＢＳＤ（ＴＳＬ社製）を用いて、内部領域及び表面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、内部領域を基材側から１μｍの厚さ分、表面領域を残りの上部層の厚さ分とし、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ＫＡＭ値の計算から除外する。つまり、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ＫＡＭ値を平均する。なお、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ＫＡＭ値を平均したものを更に平均して求めた数値とする。

上記の作用効果をより有効かつ確実に奏する観点から、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値は、表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも０．１０°以上大きいと好ましく、０．１２°以上大きいとより好ましい。このＫＡＭ値の平均値の差の上限は特に限定されないが、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値は、表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも０．５０以下大きいと好ましく、０．４０以下大きいとより好ましく、０．３０以下大きいと更に好ましい。

本実施形態の上部層において、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値は、０．３０°以上１．５０°以下であると好ましい。このＫＡＭ値の平均値が１．５０°以下であると、被覆層における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、このＫＡＭ値の平均値が０．３０°以上であると、上部層とその下層との近傍における被覆後のショットピーニングの影響が小さくなる。その結果、ショットピーニングによる損傷（亀裂等）がより小さくなるため、上部層とその下層との間の密着性が向上し、耐チッピング性に更に優れるものとなる。同様の観点から、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値は、０．４０°以上１．００°以下であるとより好ましい。

本実施形態の上部層において、表面領域におけるＫＡＭ値の平均値は、０．１０°以上１．３０°以下であると好ましい。このＫＡＭ値の平均値が１．３０°以下であると、被覆層における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、このＫＡＭ値の平均値が０．１０°以上であると、ショットピーニングによる損傷（亀裂等）が、加工中に生じた亀裂とつながることを抑制できるので、耐チッピング性に更に優れるものとなる。同様の観点から、内部領域におけるＫＡＭ値の平均値は、０．１５°以上１．００°以下であるとより好ましく、０．１５°以上０．８０°以下であると更に好ましく、０．２０°以上０．６０°以下であると特に好ましい。

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。同様の観点から、上部層の平均厚さは、３．０μｍ以上１３．０μｍ以下であると好ましく、３．５μｍ以上１２．０μｍ以下であるとより好ましく、５．０μｍ以上９．０μｍ以下であるとさらに好ましい。

本実施形態に係る被覆層は、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。

本実施形態において、α－Ａｌ₂Ｏ₃層である上部層での塑性変形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、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。この際、内部領域及び表面領域のＫＡＭ値の平均値を上述のようにして調整すればよい。乾式ショットブラストを施す場合の、投射圧力及び投射時間の条件は上述のとおりであり、投射角度が４０～５０°、特に好ましくは４５°になるように、投射材を投射すればよい。乾式ショットブラストにおける投射材（メディア）は、所望のＫＡＭ値の平均値を容易に得る観点から、平均粒径１００～１５０μｍ、より好ましくは１２０～１３０μｍであって、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。

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）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、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２形状を有し、８８．５ＷＣ－８．２Ｃｏ－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。

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１～１２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に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表２に組成を示す下部層を、第１層、第２層、第３層の順で、表２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５５ｈＰａ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１に示す原料ガス組成及び圧力、並びに表３に示す温度及び条件の下、表２に組成を示す上部層を、表２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。この際、まずは表３に示す第１段階の温度及び時間の条件で上部層を形成した後、表３に示す第２段階の温度まで０．３℃／分の速度で降温した後、更にその温度で上部層の形成を続けた。その後、表４に示す投射材を用いて、表４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１に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表２に組成を示す最上層を、表２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１～１２の被覆切削工具を得た。

一方、比較品１～７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に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表２に組成を示す下部層を、第１層、第２層、第３層の順で、表２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５５ｈＰａ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１に示す原料ガス組成及び圧力、並びに表３に示す温度及び条件の下、表２に組成を示す上部層を、表２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。この際、比較例４及び５について、まずは表３に示す第１段階の温度及び時間の条件で上部層を形成した後、表３に示す第２段階の温度まで０．３℃／分の速度で降温した後、更にその温度で上部層の形成を続けた。また、比較例１、２、３、６及び７について、表３に示す温度で、上部層を形成した。その後、表４に示す投射材を用いて、表４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１に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、表２に組成を示す最上層を、表２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１～７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。

上部層の内部領域及び表面領域でのＫＡＭ値の平均値は、以下のようにして測定した。まず、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、上部層における断面について、基材側から基材とは反対側に向かって１μｍまでの内部領域、及び内部領域よりも上記反対側の表面領域を、ＥＢＳＤ（ＴＳＬ社製）を用いて、正六角形の領域（ピクセル）に区切った。次に、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。そして、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、内部領域を基材側から１μｍの厚さ分、表面領域を残りの上部層の厚さ分とし、隣接するピクセル間の距離（ステップサイズ）を０．１μｍとし、隣接するピクセル間の距離（ステップサイズ）は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ＫＡＭ値の計算から除外した。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ＫＡＭ値を平均した。なお、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、内部領域及び表面領域におけるＫＡＭ値の平均値の関係を求めた。結果を表５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を行った。各切削試験の結果を表６に示す。

［切削試験条件］
被削材：Ｓ４５Ｃの１本溝入り丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
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、加工開始から１０分を経過したときの損傷状態を観察した。

切削試験の工具寿命に至るまでの加工時間について、２５分以上を「Ａ」、２０分以上２５分未満を「Ｂ」、２０分未満を「Ｃ」として評価した。得られた評価の結果を表６に示す。

表６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１０分経過後の損傷状態は、発明品ではいずれも正常摩耗であったのに対して、比較品ではチッピングが認められるか、あるいは、そもそも１０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。また、欠損試験においては、衝撃回数３０００回毎に被覆切削工具の試料を目視にて観察したところ、欠損に至ったいずれの試料も、欠損に至る前に亀裂が発生したことを確認した。さらに、亀裂の発生が早期に観察された試料ほど、工具寿命に至るのが早いことも確認した。このような亀裂の発生は、高速切削加工においてクーラントを用いたことによる熱衝撃を原因とするものと考えられる。

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、２…下部層、３…上部層、４…最上層、５…被覆層、６…被覆切削工具。

Claims

基材と、該基材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、
前記被覆層は、前記基材側から順に、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するＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層及び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、
前記上部層は、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下の平均厚さを有する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り、
前記上部層において、前記基材側から前記基材とは反対側に向かって１．０μｍまでの領域を内部領域とし、前記内部領域よりも前記反対側の領域を表面領域としたとき、前記内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が前記表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも大きく、
前記内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が、０．４０°以上１．００°以下である、被覆切削工具。
前記内部領域におけるＫＡＭ値の平均値が、前記表面領域におけるＫＡＭ値の平均値よりも０．１０°以上大きい、請求項１に記載の被覆切削工具。
前記表面領域におけるＫＡＭ値の平均値が、０．２０°以上０．６０°以下である、請求項１又は２のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記被覆層は、前記上部層の前記下部層とは反対側の表面上に、Ｔｉの窒化物からなる層を更に含み、前記Ｔｉの窒化物からなる層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．５μｍ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。
前記被覆層の平均厚さは、３．０μｍ以上３０．０μｍ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。
前記基材は、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１～５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。