JP7055761B2 - 被覆切削工具 - Google Patents

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。当該被覆層としては、例えば、チタン化合物、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の単層又はこれらの２種以上の複層を有す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進み、従来よりも被覆切削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。さらに近年、例えば、鋼の高速切削等といった、切削工具に高い負荷がかかる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、従来の被覆切削工具では被覆層の粒子の脱落に起因したクレーター摩耗及び溶着を起因とした欠損が生じる。これが、工具寿命が短くなるという問題の引き金となる。
また、被覆切削工具は、切削に実際に関与する部位に、被切削材の切削物等が溶着すると、被切削材の加工面を傷つけ、白濁させるといった加工面品位の課題が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、長い工具寿命を示し、優れた加工面品位を示す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と、加工面品位との両立について研究を重ねた。
そして、被覆切削工具の被覆層が、所定の材料を含む、下部層、中間層及び上部層を含み、中間層における後述のＲＳＡ、及び上部層における後述のＲＳＢを所定の範囲内とし、被覆層の平均厚さを所定範囲内とし、被覆切削工具のホーニング部で中間層を露出させることで、長い工具寿命を示し、優れた加工面品位を示す被覆切削工具が得られるという知見を得た。

すなわち、本発明は下記のとおりである。
［１］
基材と、前記基材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、
前記被覆切削工具は、少なくとも１つの逃げ面と、少なくとも１つのすくい面と、前記逃げ面と前記すくい面とをつなぐ、丸み付けられたホーニング部と、を有し、
前記被覆層は、下部層と、中間層と、上部層とを、前記基材側からこの順で含み、
前記下部層は、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層又は２層以上含み、
前記中間層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃を含有し、
前記上部層は、下記式（１）：
Ｔｉ（Ｃ_1-x-yＮ_xＯ_y） （１）
（式中、ｘは、Ｃ、Ｎ及びＯの合計に対するＮの原子比であり、ｙは、Ｃ、Ｎ及びＯの合計に対するＯの原子比であり、０．１５≦ｘ≦０．６５、０≦ｙ≦０．２０を満足する。）
で表される化合物を含有し、
前記被覆層の前記逃げ面側における平均厚さは、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下であり、
前記中間層の前記上部層側の界面から前記基材側に向かって１μｍまでの距離に位置し、且つ、前記基材と前記下部層との界面と平行な第１の断面が、下記式（ｉ’）で表される条件を満たし、
８０≧ＲＳＡ≧４０ （ｉ’）
（式中、ＲＳＡは、前記第１の断面において、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、前記第１の断面の法線と前記中間層におけるα型Ａｌ₂Ｏ₃の粒子の（００１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
前記上部層の前記中間層側の界面からその反対側の界面に向かって１μｍまでの距離に位置し、且つ、前記基材と前記下部層との界面と平行な第２の断面が、下記式（ｉｉ’）で表される条件を満たし、
７５≧ＲＳＢ≧４０ （ｉｉ’）
（式中、ＲＳＢは、前記第２の断面において、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、前記第２の断面の法線と前記上部層における式（１）で表される化合物の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
前記中間層が、少なくとも前記ホーニング部において、露出している、被覆切削工具。
［２］
前記中間層は、前記すくい面の前記ホーニング部との境界から３ｍｍまでの領域においても、露出し、前記上部層の平均厚さが、前記逃げ面側において、１．０μｍ以上６．０μｍ以下である、［１］に記載の被覆切削工具。
［３］
前記第１の断面において前記ＲＳＡが５０以上であり、前記第２の断面において前記ＲＳＢが４５以上である、［１］又は［２］に記載の被覆切削工具。
［４］
前記中間層の平均厚さが、前記逃げ面側において、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下である、［１］～［３］のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
［５］
前記下部層の平均厚さが、前記逃げ面側において、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下である、［１］～［４］のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
［６］
前記Ｔｉ化合物層における前記Ｔｉ化合物は、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＯＮ及びＴｉＢ₂からなる群より選ばれる少なくとも１種である、［１］～［５］のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
［７］
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体である、［１］～［６］のいずれか１項に記載の被覆切削工具。

本発明は、長い工具寿命を示し、優れた加工面品位を示す被覆切削工具を提供できる。

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る。 図２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。 図３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。

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。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

［被覆切削工具］
本実施形態の被覆切削工具は、基材と、前記基材上に形成された被覆層とを備える。
そして、前記被覆切削工具は、少なくとも１つの逃げ面と、少なくとも１つのすくい面と、前記逃げ面と前記すくい面とをつなぐ、丸み付けられたホーニング部と、を有する。
さらに、前記被覆層は、下部層と、中間層と、上部層とを、前記基材側からこの順で含む。
前記下部層は、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層又は２層以上含み、前記中間層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃を含有し、前記上部層は、下記式（１）：
Ｔｉ（Ｃ_1-x-yＮ_xＯ_y） （１）
（式中、ｘは、Ｃ、Ｎ及びＯの合計に対するＮの原子比であり、ｙは、Ｃ、Ｎ及びＯの合計に対するＯの原子比であり、０．１５≦ｘ≦０．６５、０≦ｙ≦０．２０を満足する。）
で表される化合物を含有する。
前記被覆層の前記逃げ面側における平均厚さは、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下である。
前記中間層の前記上部層側の界面から前記基材側に向かって１μｍまでの距離に位置し、且つ、前記基材と前記下部層との界面と平行な第１の断面が、下記式（ｉ）で表される条件を満たす。
ＲＳＡ≧４０ （ｉ）
（式中、ＲＳＡは、前記第１の断面において、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、前記第１の断面の法線と前記中間層におけるα型Ａｌ₂Ｏ₃の粒子の（００１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
また、前記上部層の前記中間層側の界面からその反対側の界面に向かって１μｍまでの距離に位置し、且つ、前記基材と前記下部層との界面と平行な第２の断面が、下記式（ｉｉ）で表される条件を満たす。
ＲＳＢ≧４０ （ｉｉ）
（式中、ＲＳＢは、前記第２の断面において、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、前記第２の断面の法線と前記上部層における式（１）で表される化合物の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
そして、前記中間層は、少なくとも前記ホーニング部において、露出している。

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、長い工具寿命を示し、優れた加工面品位を示す被覆切削工具を提供できる。
本実施形態の被覆切削工具の効果が得られる要因は、定かではないが、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。
本実施形態の被覆切削工具が、長い工具寿命を示す要因としては、耐摩耗性の向上と、耐クレーター摩耗性の向上によるものと考えられる。
本実施形態の被覆切削工具は、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、被覆層の平均厚さが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と考えられる。
中間層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃を含有する。そして、後述のＲＳＡが所定値以上であると、中間層中には、（００１）面に配向しているα型Ａｌ₂Ｏ₃粒子が多く含まれる。このような構成を有する中間層は、優れた耐熱性を示すため、被覆切削工具は、耐クレーター摩耗性に優れ、耐摩耗性が向上すると考えられる。
（００１）面に配向しているα型Ａｌ₂Ｏ₃粒子が多く含まれると、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おそれがある。そこで、本実施形態の被覆切削工具は、中間層の表面に、後述のＲＳＢが所定値以上である、（１１１）面に配向している式（１）〔Ｔｉ（Ｃ_1-x-yＮ_xＯ_y）〕で表される化合物の粒子を多く含有する上部層を有する。そのため、上部層と中間層の密着性が良好になることによって、α型Ａｌ₂Ｏ₃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と考えられる。
さらに、本実施形態の被覆切削工具は、中間層が、少なくとも前記ホーニング部において、露出している。切削時に、被切削材に接触する部分において、中間層が露出することで、被切削材の溶着が少なくなり、加工面品位が向上することが明らかとなった。

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の表面に形成された被覆層５とを備え、被覆層５には、下部層２、中間層３、及び上部層４が基材側からこの順序で表面側に積層されている。
図２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、すくい面７、逃げ面８、及びホーニング部９を備える。ホーニング部９は、逃げ面７とすくい面８とをつなぎ、丸み付けられている。
基材１の表面には、被覆層５が形成されており、ホーニング部９において、中間層３が露出している。すくい面７、及び逃げ面８において、被覆層５は、下部層２、中間層３、及び上部層４を有する。本実施形態の中間層７は、α型Ａｌ₂Ｏ₃を含有することで、例えば、上部層４に用いられるＴｉＣＮやＴｉＣＮＯに比べ、被削材との反応が抑制される。このため、中間層７がホーニング部９で露出していると、溶着を抑制できると考えられる。また、ホーニング部９に被削材が溶着すると、加工面と溶着した被削材が接触することにより、加工面に傷がつくと考えられ、加工面が白濁する。従って、ホーニング部９において、中間層７が露出することで、加工面品位が向上する。
中間層３は、すくい面７のホーニング部９との境界から３ｍｍまでの領域においても、露出している。実際、溶着は、ホーニング部９のみならず、すくい面７のホーニング部９との境界から３ｍｍまででも発生するため、当該範囲で、中間層７が露出すると加工面品位が向上する。
被覆切削工具６は、すくい面７及びホーニング部９を被切削材に対して接触させ、切削された被切削材は、逃げ面８から外部へと放出される。
図３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。図３に示されるように、被覆切削工具６は、すくい面７において、中間層３が露出していてもよい。

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られる。

＜基材＞
本実施形態に用いる基材は、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られる。それらの中でも、基材は、耐摩耗性及び耐欠損性にさらに優れるので、好ましくは、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体であり、より好ましくは超硬合金である。

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、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＞
本実施形態に用いる被覆層は、逃げ面側における平均厚さが、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下である。本実施形態の被覆切削工具は、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、被覆層の平均厚さが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、好ましくは１０．０μｍ以上２７．０μｍ以下であり、より好ましくは１２．０μｍ以上２５．５μｍ以下であり、さらに好ましくは１３．０μｍ以上２０．０μｍ以下であり、よりさらに好ましくは１４．９μｍ以上１９．３μｍ以下である。
なお、本実施形態の被覆切削工具における被覆層全体の平均厚さは、逃げ面側における３箇所以上の断面から、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）
本実施形態に用いる下部層は、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層又は２層以上含む。被覆切削工具が、基材と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、特に限定されないが、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さらに好ましい。下部層に含まれるＴｉ化合物層を構成するＴｉ化合物としては、耐摩耗性及び密着性がより一層向上する観点から、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＯＮ及びＴｉＢ₂からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。また、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。

本実施形態に用いる下部層の平均厚さは、逃げ面側において、好ましくは、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下である。本実施形態の被覆切削工具は、下部層の平均厚さが３．０μｍ以上であることにより、耐摩耗性が向上する。一方、本実施形態の被覆切削工具は、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、逃げ面側において、好ましくは、３．５μｍ以上１３．０μｍ以下であり、より好ましくは、４．０μｍ以上１２．５μｍ以下であり、よりさらに好ましくは、５．０μｍ以上１１．０μｍ以下である。
下部層の平均厚さは、すくい面側及びホーニング部側においても、上記範囲であることが好ましい。以下説明する各材料における厚さも同様に、逃げ面側、すくい面側及びホーニング部側で同様の範囲が好ましい。

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、好ましくは、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下である。同様の観点から、ＴｉＣ層又はＴｉＮ層の平均厚さは、好ましくは、０．１０μｍ以上０．５μｍ以下であり、より好ましくは、０．１５μｍ以上０．３μｍ以下である。

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、好ましくは、２．０μｍ以上２０．０μｍ以下である。同様の観点から、ＴｉＣＮ層の平均厚さは、より好ましくは、２．５μｍ以上１５．０μｍ以下であり、さらに好ましくは、４．５μｍ以上１２．０μｍ以下である。

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、好ましくは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。同様の観点から、ＴｉＣＮＯ層又はＴｉＣＯ層の平均厚さは、より好ましくは０．２μｍ以上０．５μｍ以下である。

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）
本実施形態に用いる中間層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃を含有する。
そして、本実施形態に用いる中間層において、中間層の上部層側の界面から前記基材側に向かって１μｍまでの距離に位置し、且つ、基材と下部層との界面と平行な第１の断面が、下記式（ｉ）で表される条件を満たす。
ＲＳＡ≧４０ （ｉ）
（式中、ＲＳＡは、前記第１の断面において、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、前記第１の断面の法線と前記中間層におけるα型Ａｌ₂Ｏ₃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、好ましくは５０面積％以上であり、より好ましくは６０面積％以上である。ＲＳＡの上限値は、特に限定されないが、例えば、８０面積％以下であってもよい。

ＲＳＡは、実施例に記載の方法により求めることができる。

本実施形態に用いる中間層の平均厚さは、逃げ面側において、好ましくは３．０μｍ以上１５．０μｍ以下である。中間層の平均厚さが、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、中間層の平均厚さが、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、中間層の平均厚さは、逃げ面側において、より好ましくは３．０μｍ以上１２．０μｍ以下であり、さらに好ましくは３．０μｍ以上１０．０μｍ以下である。
中間層の平均厚さは、すくい面側及びホーニング部側においても、上記範囲であることが好ましい。すくい面の上部層を除去する処理をした場合、すくい面側の中間層の平均厚さは、逃げ面側の中間層の平均厚さよりも薄くなっていてもよい。

中間層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃（α型酸化アルミニウム）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）
本実施形態に用いる上部層は、下記式（１）：
Ｔｉ（Ｃ_1-x-yＮ_xＯ_y） （１）
（式中、ｘは、Ｃ、Ｎ及びＯの合計に対するＮの原子比であり、ｙは、Ｃ、Ｎ及びＯの合計に対するＯの原子比であり、０．１５≦ｘ≦０．６５、０≦ｙ≦０．２０を満足する。）
で表される化合物を含有する。
そして、本実施形態に用いる上部層において、前記上部層の前記中間層側の界面からその反対側の界面に向かって１μｍまでの距離に位置し、且つ、前記基材と前記下部層との界面と平行な第２の断面が、下記式（ｉｉ）で表される条件を満たす。
ＲＳＢ≧４０ （ｉｉ）
（式中、ＲＳＢは、前記第２の断面において、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、前記第２の断面の法線と前記上部層における式（１）で表される化合物の粒子の（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、好ましくは、４５面積％以上であり、より好ましくは、５０面積％以上である。ＲＳＢの上限は、特に限定されないが、例えば、７５面積％以下である。

ＲＳＢは、実施例に記載の方法により求めることができる。

本実施形態に用いる上部層の平均厚さは、逃げ面側において、好ましくは、１．０μｍ以上６．０μｍ以下である。平均厚さが１．０μｍ以上であることにより、α型Ａｌ₂Ｏ₃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、上部層の平均厚さが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、上部層の平均厚さは、逃げ面側において、より好ましくは、１．４μｍ以上５．８μｍ以下である。
すくい面側に上部層を有する場合、上部層の平均厚さは、すくい面側においても、上記範囲であることが好ましい。

上部層に用いる、式（１）で表される化合物は、ｘが０．１５以上であると、靭性が向上するため、耐欠損性が一層向上する傾向にあり、一方、ｘが０．６５以下であると、相対的にＣ及びＯの含有量が高くなるので、硬さが高くなり、かつ反応摩耗を抑制することができるため、耐摩耗性及び耐酸化性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、上記式（１）中のｘは、好ましくは、０．１８以上０．５０以下であり、より好ましくは、０．２０以上０．４０以下である。
上部層に用いる、式（１）で表される化合物は、ｙが０．２０以下であると、相対的にＣ及びＮの含有量が高くなるので、硬さが高くなり、かつ靭性が向上するため、耐摩耗性及び耐欠損性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、上記式（１）中のｙは、好ましくは、０．０１以上０．１８以下であり、より好ましくは、０．０３以上０．１５以下である。ｙが０．０１以上であると、密着性が良好にな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。

上部層は、式（１）で表される化合物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、式（１）で表される化合物とは異なる成分を含んでもよく、含まなくてもよい。

（最外層）
本実施形態に用いる被覆層は、上部層の基材とは反対側（すなわち、上部層の表面）に最外層を含んでいてもよい。最外層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹ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（好ましくはＮ元素）とからなる化合物の層であると、耐摩耗性に一層優れるため好ましい。同様の観点から、最外層は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ａｌ、及びＳｉ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（好ましくはＮ元素）とからなる化合物の層であることがより好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物の層であることがさらに好ましく、ＴｉＮからなるＴｉＮ層であることがよりさらに好ましい。

本実施形態において、最外層の平均厚さは、逃げ面側において、好ましくは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。最外層の平均厚さが上記範囲内であることにより、耐摩耗性に一層優れる傾向にある。同様の観点から、最外層の平均厚さは、好ましくは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。
すくい面側に最外層を有する場合、最外層の平均厚さは、すくい面側においても、上記範囲であることが好ましい。

（被覆層の形成方法）
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、以下の方法を挙げられる。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８５０～１０５０℃、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。

下部層における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を含む中間層は、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の核を形成し、その核が形成された状態で、α型Ａｌ₂Ｏ₃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、原料組成を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、好ましくは１～３分である。

その後、α型Ａｌ₂Ｏ₃の核は、原料組成を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は、原料組成を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、中間層の表面にＴｉの炭窒酸化物層（以下、「ＴｉＣＮＯ層」ともいう）からなる上部層を形成する。

上部層におけるＴｉＣＮＯ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：４．０～８．０ｍｏｌ％、ＣＨ₃ＣＮ：０．３～２．５ｍｏｌ％、Ｃ₂Ｈ₄：０～２．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０～３．５ｍｏｌ％、Ｎ₂：１．０～２５．０ｍｏｌ％、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。

また、上記式（１）で表される化合物の原子組成を制御するためには、原料組成を適宜調整すればよい。より具体的には、上記式（１）で表される化合物の原子組成のうち、例えば、炭素（Ｃ）の割合を大きくするためには、原料組成のＣＯの割合を大きくする方法が挙げられる。

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逃げ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さら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］
以下の基材に対して、その刃先稜線部に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、使用した。
＜基材１＞
形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
材質：超硬合金（８４．４ＷＣ－１０．８Ｃｏ－１．９ＴｉＣ－０．２ＴｉＮ－２．４ＮｂＣ－０．３ＺｒＣ（以上質量％））
＜基材２＞
形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
材質：超硬合金（９３．５ＷＣ－６．１Ｃｏ－０．４Ｃｒ₃Ｃ₂（以上質量％））

［ＲＳＡ及びＲＳＢの測定方法］
ＲＳＡ及びＲＳＢについて下記の条件で、それぞれ下記の断面を電解放射型走査電子顕微鏡（以下、「ＦＥ－ＳＥＭ」ともいう）で観察し、ＦＥ－ＳＥＭに付属した電子後方散乱解析像装置（以下、「ＥＢＳＤ」ともいう）を用いて下記の＜特定の方位差を有する粒子断面の測定方法＞により、方位差が０度以上４５度以下の範囲内にある断面の粒子断面の面積の合計（ＲＳＡ_Total又はＲＳＢ_Total）を測定した。
そして、方位差が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。
方位差が０度以上４５度以下の範囲内にある断面の粒子断面の面積の合計に対して、方位差が０度以上１０度未満の範囲内にある粒子の断面積の割合をＲＳＡ、ＲＳＢとした。以上の測定結果を下記表７に示す。
（条件）
・ＲＳＡ
測定平面：第１の平面（中間層の上部層側の界面から基材側に向かって０．５μｍの距離に位置し、基材の下部層側の界面と平行な面）
測定面の削り出し方法：上記測定平面が露出するまでダイヤモンドペーストにより研磨し、鏡面研磨面を得た。
方位差：方位差Ａ（第１の断面の法線とα型Ａｌ₂Ｏ₃の粒子の（００１）面の法線とがなす角度（単位：度））
・ＲＳＢ
測定平面：第２の平面（上部層の中間層側の界面からその反対側の界面に向かって０．５μｍの距離に位置し、基材の下部層側の界面と平行な面）
測定面の削り出し方法：上記測定平面が露出するまでダイヤモンドペーストにより研磨し、鏡面研磨面を得た。
方位差：方位差Ｂ（第２の断面の法線と第２の断面における式（１）で表される化合物の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度（単位：度））
（特定の方位差を有する粒子断面の測定方法）
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に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。

［層の厚さの測定方法］
ＦＥ－ＳＥＭを用いて、被覆切削工具の刃先稜線部から逃げ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逃げ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１～２０及び比較品１～１１］
基材１及び基材２に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。次いで、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。さらに、発明品１～５、１２～１４、及び１６～２０、並びに比較品１～２及び９～１１については、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、表６に組成を示す最外層を、表６に示す平均厚さになるよう、上部層の表面に形成した。なお、基材の各面及び部においては、露出するのが表８に記載の層となるように、被覆層を形成した。こうして、発明品１～２０及び比較品１～１１の被覆切削工具を得た。

得られた発明品１～２０及び比較品１～１１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。各切削試験の結果を表９に示す。

［切削試験１］
基材：基材１
被削材：Ｓ４５Ｃの４本の溝入り丸棒
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み深さ：１．５ｍｍ
クーラント：有り
評価項目：試料の少なくとも１部が欠損又は逃げ面の最大摩耗幅が０．３ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの衝撃回数を測定し、表９に示した。衝撃回数１００００回での損傷状態を確認し、表９に示した。なお、衝撃回数は、１７０００回までとした。
なお、発明品１～２０においては、衝撃回数は、１００００回までチッピングは発生していなかった。

［切削試験２］
基材：基材２
被削材：ＦＣＤ４００の丸棒
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み深さ：１．０ｍｍ
加工時間：１０分
クーラント：有り
評価項目：加工後のホーニング部への被切削材の溶着状態及び被切削材の加工面の状態をそれぞれ観察した。さらに、加工後の試料の逃げ面の摩耗幅を測定した。

なお比較品３では、１００００回に達する前に欠損していたので、工具寿命時の損傷状態を表中に示した。
以上の結果より、発明品は、欠損性に優れる結果、工具寿命が長いことが分かった。そして、発明品は、加工後のホーニング部の被切削剤の溶着を防ぐことができるため、被削材の加工面が良好になることが分かった。

本発明の被覆切削工具は、長い工具寿命を示し、優れた加工面品位を示すので、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、７…すくい面、８…逃げ面、９…ホーニング部

Claims (7)

1. 基材と、前記基材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、
   前記被覆切削工具は、少なくとも１つの逃げ面と、少なくとも１つのすくい面と、前記逃げ面と前記すくい面とをつなぐ、丸み付けられたホーニング部と、を有し、
   前記被覆層は、下部層と、中間層と、上部層とを、前記基材側からこの順で含み、
   前記下部層は、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層又は２層以上含み、
   前記中間層は、α型Ａｌ₂Ｏ₃を含有し、
   前記上部層は、下記式（１）：
   Ｔｉ（Ｃ_1-x-yＮ_xＯ_y） （１）
   （式中、ｘは、Ｃ、Ｎ及びＯの合計に対するＮの原子比であり、ｙは、Ｃ、Ｎ及びＯの合計に対するＯの原子比であり、０．１５≦ｘ≦０．６５、０≦ｙ≦０．２０を満足する。）
   で表される化合物を含有し、
   前記被覆層の前記逃げ面側における平均厚さは、５．０μｍ以上３０．０μｍ以下であり、
   前記中間層の前記上部層側の界面から前記基材側に向かって１μｍまでの距離に位置し、且つ、前記基材と前記下部層との界面と平行な第１の断面が、下記式（ｉ’）で表される条件を満たし、
   ８０≧ＲＳＡ≧４０ （ｉ’）
   （式中、ＲＳＡは、前記第１の断面において、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、前記第１の断面の法線と前記中間層におけるα型Ａｌ₂Ｏ₃の粒子の（００１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
   前記上部層の前記中間層側の界面からその反対側の界面に向かって１μｍまでの距離に位置し、且つ、前記基材と前記下部層との界面と平行な第２の断面が、下記式（ｉｉ’）で表される条件を満たし、
   ７５≧ＲＳＢ≧４０ （ｉｉ’）
   （式中、ＲＳＢは、前記第２の断面において、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、前記第２の断面の法線と前記上部層における式（１）で表される化合物の粒子の（１１１）面の法線とがなす角度（単位：度）である。）
   前記中間層が、少なくとも前記ホーニング部において、露出している、被覆切削工具。
2. 前記中間層は、前記すくい面の前記ホーニング部との境界から３ｍｍまでの領域においても、露出し、
   前記上部層の平均厚さが、前記逃げ面側において、１．０μｍ以上６．０μｍ以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
3. 前記第１の断面において前記ＲＳＡが５０以上であり、
   前記第２の断面において前記ＲＳＢが４５以上である、
   請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
4. 前記中間層の平均厚さが、前記逃げ面側において、３．０μｍ以上１５．０μｍ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。
5. 前記下部層の平均厚さが、前記逃げ面側において、３．０μｍ以上１５．０μｍ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。
6. 前記Ｔｉ化合物層における前記Ｔｉ化合物は、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＯＮ及びＴｉＢ₂からなる群より選ばれる少なくとも１種である、請求項１～５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
7. 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体である、請求項１～６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。

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