JPWO2017204141A1 - 被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

基材と、前記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、
前記被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面との間に切刃稜線部とを有し、
前記被覆層が、少なくとも１層のＴｉ化合物層を含み、
前記Ｔｉ化合物層が、ＴｉまたはＴｉおよびＡｌと、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物層であり、
前記Ｔｉ化合物層における、前記基材の表面と略平行な研磨面を上面から見たとき、前記Ｔｉ化合物層はクラックによって囲まれた領域を有し、
前記領域の内側に、前記領域を囲む前記クラックと、一端または両端で接しない断続クラックを有し、
前記すくい面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｒと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｒとが０．７＜Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＜４．０を満たし、
前記逃げ面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｆと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｆとが０．１＜Ｂ_ｆ／Ａ_ｆ＜１．５を満たし、
かつ、Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＞Ｂ_ｆ／Ａ_ｆである、被覆切削工具。

Description

本発明は、被覆切削工具に関するものである。

従来、超硬合金からなる基材の表面に、例えばＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物、並びに酸化アルミニウムの中の１種の単層または２種以上の複層からなる被覆層を、化学蒸着法により３〜２０μｍの総膜厚で蒸着形成してなる被覆切削工具が、鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることは良く知られている。

通常、炭化タングステン基超硬合金の表面に被膜を形成すると、被膜に引張応力が残留するために、被覆切削工具の破壊強度が低下して欠損し易くなるとされている。これまで、被膜形成後ショットピーニング等を行い、クラックを発生させることにより、引張残留応力を開放することが提案され、かなりの効果が得られている（例えば、特許文献１参照）。

Ｔｉ化合物層において、クラックに囲まれた領域と、前記領域の内側に、クラックの一端または前記領域を構成するクラックと接しない断続クラックを有する切削工具が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−１１６００３号公報 国際公開２０１５／０２５９０３号

近年の切削加工では、高速化、高送り化および深切込み化が顕著となり、従来よりも工具寿命が低下する傾向にある。このような背景において、特許文献１に開示された工具であっても、単純に被膜のクラックを増加させると、耐欠損性は向上するが、クラックを起点とした被膜の耐剥離性、耐チッピング性および耐摩耗性は低下する。また、特許文献２で開示された被覆切削工具については、このような背景によりさらなる耐摩耗性の向上が求められる。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、被覆切削工具のクラック発生形態を工夫することにより、優れた耐チッピング性、耐摩耗性および耐欠損性を有し、工具寿命の長い被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明者らは、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、逃げ面における断続クラックの数密度が高いと、加工時の被削材と被覆切削工具とのこすれによるこすれ摩耗が生じることを見出した。そして、そのこすれ摩耗に起因して、逃げ面のＴｉ化合物層の粒子が脱落する結果、耐摩耗性が十分ではないことを見出した。本発明者らは、この知見を踏まえて、以下の構成にすると、耐チッピング性および耐欠損性を損なうことなく、耐摩耗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という知見を得た。

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とを備える被覆切削工具であって、
前記被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面との間に切刃稜線部とを有し、
前記被覆層が、少なくとも１層のＴｉ化合物層を含み、
前記Ｔｉ化合物層が、ＴｉまたはＴｉおよびＡｌと、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物層であり、
前記Ｔｉ化合物層における、前記基材の表面と略平行な研磨面を上面から見たとき、前記Ｔｉ化合物層はクラックによって囲まれた領域を有し、
前記領域の内側に、前記領域を囲む前記クラックと、一端または両端で接しない断続クラックを有し、
前記すくい面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｒと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｒとが０．７＜Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＜４．０を満たし、
前記逃げ面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｆと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｆとが０．１＜Ｂ_ｆ／Ａ_ｆ＜１．５を満たし、
かつ、Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＞Ｂ_ｆ／Ａ_ｆである、被覆切削工具。
（２）
前記すくい面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｒと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｒとが１．２＜Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＜３．０を満たし、
前記逃げ面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｆと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｆとが０．１＜Ｂ_ｆ／Ａ_ｆ＜１．２を満たす、（１）に記載の被覆切削工具。
（３）
前記Ｔｉ化合物層が、前記基材の表面に形成され、平均厚さが２．０μｍ以上２０．０μｍ以下である、（１）または（２）のいずれかの被覆切削工具。
（４）
前記Ｔｉ化合物層が、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、
前記ＴｉＣＮ層の平均粒径は、０．３μｍ以上２．０μｍ以下である、（１）〜（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）
前記ＴｉＣＮ層に含まれる炭素と窒素との合計に対する炭素の原子比［Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）］が０．５０以上０．７５以下である、（４）の被覆切削工具。
（６）
前記被覆層が、前記Ｔｉ化合物層の表面に、平均厚さが１．０μｍ以上１５．０μｍ以下の酸化アルミニウム層を有する、（１）〜（５）のいずれかの被覆切削工具。
（７）
前記被覆層の全体の平均厚さが３．０μｍ以上３０．０μｍ以下である、（１）〜（６のいずれかの被覆切削工具。
（８）
前記基材が、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。

本発明の被覆切削工具は、耐チッピング性および耐欠損性を損なうことなく、耐摩耗性を向上させることができるので、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の一態様を示す模式断面図である。 本発明のクラックに囲まれた領域の一態様を示す模式図である。 本発明のクラックに囲まれた領域の別の一態様を示す模式図である。 本発明のＴｉ化合物層における、基材のすくい面の表面と略平行な研磨面を上面から見た写真の一例である。 本発明のＴｉ化合物層における、基材の逃げ面の表面と略平行な研磨面を上面からみた写真の一例である。

以下、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。

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含む。被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面との間に切刃稜線部とを有する。被覆切削工具の種類として具体的には、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル、及びエンドミルが挙げられる。

図１は、本実施形態の被覆切削工具の一態様を示す模式断面図である。被覆切削工具１００は、基材１と、基材１の表面に形成された被覆層２とを含み、すくい面３と、逃げ面４と、すくい面３と逃げ面４との間に切刃稜線部５とを有する。被覆層２は、後述するＴｉ化合物層１１及び酸化アルミニウム層１２がこの順序で基材１の表面に積層された二層である。

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。基材としては、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、および高速度鋼からなる群より選択される少なくとも１種が挙げられる。これらの中でも、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からなる群より選択される少なくとも１種であると、被覆切削工具の耐摩耗性および耐欠損性がより一層優れるので、さらに好ましい。

これらの基材は、基材の表面が改質されたものであってもよい。例えば、基材が超硬合金である場合には、基材の表面に脱β層が形成されていてもよく、基材がサーメットである場合には、表面硬化層が形成されていてもよい。このように基材の表面が改質されていても、本発明の作用効果が発揮できる。

本実施形態の被覆切削工具において、被覆層全体の平均厚さが３．０μｍ以上であると、耐摩耗性がより一層向上する傾向にある。一方、被覆層全体の平均厚さが３０．０μｍ以下であると、耐欠損性がより一層向上する傾向にある。このため、耐摩耗性および耐欠損性をバランスよくより一層向上する観点から、被覆層の全体の平均厚さは、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下であることが好ましく、同様の観点から、３．２μｍ以上２５．０μｍ以下であることがより好ましく、３．４μｍ以上２２．０μｍ以下であることがさらに好ましく、３．５μｍ以上１８．０μｍ以下であることが特に好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、被覆層は、少なくとも１層のＴｉ化合物層を含む。Ｔｉ化合物層は、Ｔｉ元素またはＴｉ元素とＡｌ元素とを含み、さらに、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む化合物層であり、Ｔｉ元素またはＴｉ元素とＡｌ元素とを含み、さらに、Ｃ、Ｎ、およびＯからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。Ｔｉ化合物層としては、例えば、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＡｌＣＯ層及びＴｉＡｌＣＮＯ層が挙げられる。Ｔｉ化合物層は、１層で構成されてもよく、複層（例えば、２層又は３層）で構成されてもよい。Ｔｉ化合物層が２層で構成されている場合には、基材の表面に、ＴｉＣ層またはＴｉＮ層を第１層として形成し、第１層の表面に、ＴｉＣＮ層を第２層として形成してもよい。Ｔｉ化合物層が３層で構成されている場合には、上記第１層および第２層に加えて、第２層の表面に、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＡｌＣＯ層、またはＴｉＡｌＣＮＯ層を第３層として形成してもよい。

本実施形態の被覆切削工具において、Ｔｉ化合物層が基材の表面に形成されると、基材と被覆層との密着性がより一層向上するため好ましい。また、Ｔｉ化合物層の平均厚さが２．０μｍ以上であると、耐摩耗性がより一層向上する傾向にある。一方、Ｔｉ化合物層の平均厚さが２０．０μｍ以下であると、耐欠損性がより一層向上する傾向にある。このため、Ｔｉ化合物層の平均厚さは、２．０μｍ以上２０．０μｍ以下であることが好ましく、同様の観点から、３．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることがより好ましく、４．０μｍ以上１４．０μｍ以下であることがさらに好ましい。なお、ここでいう「Ｔｉ化合物層の平均厚さ」とは、Ｔｉ化合物層が１層で構成されている場合には、１層の平均厚さをいい、Ｔｉ化合物層が複層で構成されている場合には、Ｔｉ化合物層全体の平均厚さをいう。

本実施形態の被覆切削工具において、Ｔｉ化合物層は、基材の表面と略平行な研磨面を上面から見たとき、Ｔｉ化合物層にはクラックによって囲まれた領域を有し、領域の内側には、領域を囲むクラックと、一端または両端で接しない断続クラックを有する。ここで、「上面から見た」とは、Ｔｉ化合物層の研磨面を面の略法線方向から見たことを意味する。別の言い方をすれば、被覆層表面を研磨する前において被覆層の表面側から見た場合、つまり基材の反対側から見た場合を意味する。

本実施形態の被覆切削工具において、すくい面の少なくとも一部における、領域の平均数密度Ａ_ｒと断続クラックの平均数密度Ｂ_ｒとが０．７＜Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＜４．０を満たすことにより、切削中に被覆層に発生した亀裂の進展を断続クラックで止める効果が得られるので、耐チッピング性および耐欠損性が優れる。Ｂ_ｒ／Ａ_ｒが０．７を超えると、断続クラックが十分に分布しているため、切削中に被覆層に発生した亀裂の進展を断続クラックで止める効果が得られる。これにより、耐チッピング性および耐欠損性が向上する。一方、Ｂ_ｒ／Ａ_ｒが４．０未満であると、領域を囲むクラックと断続クラックとがつながりやすくなるのを防ぐことができる。これにより、被覆切削工具は、耐欠損性の低下を抑制することができる。同様の観点から、Ｂ_ｒ／Ａ_ｒは、０．９＜Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＜３．５であることがより好ましく、１．２＜Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＜３．０であることがさらに好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、逃げ面の少なくとも一部における、領域の平均数密度Ａ_ｆと断続クラックの平均数密度Ｂ_ｆとが０．１＜Ｂ_ｆ／Ａ_ｆ＜１．５を満たすことにより、逃げ面のＴｉ化合物層の粒子が脱落することを抑制できる。これにより、切削時の被削材と被覆切削工具とのこすれによるこすれ摩耗を抑制できるので、被覆切削工具は、耐摩耗性に優れる。Ｂ_ｆ／Ａ_ｆが０．１を超えると、断続クラックが適度に分布することに起因して、切削中に被覆層に発生した亀裂の進展を断続クラックで止める効果が得られる。これにより、被覆切削工具の耐チッピング性および耐欠損性が向上する。一方、Ｂ_ｆ／Ａ_ｆが１．５未満であると、逃げ面のこすれ摩耗を抑制することができるので、被覆切削工具は、耐摩耗性に優れる。同様の観点から、Ｂ_ｆ／Ａ_ｆは、０．１＜Ｂ_ｆ／Ａ_ｆ＜１．３であることがより好ましく、０．１＜Ｂ_ｆ／Ａ_ｆ＜１．２であることがさらに好ましい。

本実施形態の被覆切削工具は、Ｂ_ｒ／Ａ_ｒと、Ｂ_ｆ／Ａ_ｆとが、Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＞Ｂ_ｆ／Ａ_ｆの関係にあると、切削中に被覆層に発生した亀裂を断続クラックで止める効果と、逃げ面のこすれ摩耗を抑制する効果とのバランスに優れる。これにより、被覆切削工具は、耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性に優れる。

上記と同様の観点から、すくい面の少なくとも一部における、領域の平均数密度Ａ_ｒと断続クラックの平均数密度Ｂ_ｒとが１．２＜Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＜３．０を満たし、逃げ面の少なくとも一部における、領域の平均数密度Ａ_ｆと断続クラックの平均数密度Ｂ_ｆとが０．１＜Ｂ_ｆ／Ａ_ｆ＜１．２を満たすことが好ましい。

Ｔｉ化合物層の研磨面とは、例えば、被覆切削工具において、すくい面または逃げ面の少なくとも一部における、基材の表面と略平行な方向にＴｉ化合物層の表面又は内部が露出するまで研磨して得られたＴｉ化合物層の面である。このとき、Ｔｉ化合物層の平均厚さの５０％以上の厚さが残るような位置で研磨面を得るのが好ましい。なお、複数の組成のＴｉ化合物層が形成されている被覆切削工具は、最も平均厚さが厚い組成の層の領域および断続クラックを測定するのが好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、すくい面または逃げ面における、Ｔｉ化合物層の研磨面に観察される領域とは、被覆層を形成した後の冷却時に被覆層中に発生するクラックおよび乾式ブラストやショットピーニングなどの加工によって被覆層中に生じるクラックによって囲まれた範囲である。「領域の個数」は、例えば、「クラックで囲まれた領域」であって、この領域の中に、クラックで囲まれた領域がさらに形成されていない小単位を１つの領域とする。但し、「クラックで囲まれた領域」の中に、クラックを共有しない小さい領域がｎ個存在する場合には、（ｎ＋１）個の領域とする。具体的には、図２に示す領域２０の場合には、領域２０の中に、クラックで囲まれた小単位２１〜２３が３つ存在しているので、この例における「領域の個数」は３つである。なお、この例では、小単位２１と２２（もしくは２２と２３、又は２１、２２、及び２３）とで１つの領域を形成しているともいえるが、これらの領域は小単位ではないため、本実施形態にいう「領域の個数」に含まれない。一方、図３に示す領域３０の場合には、領域３０を囲むクラックを共有しない２個の小さい領域３１，３２が存在しているため、この例における「領域の個数」は３つである。

本実施形態の被覆切削工具において、すくい面または逃げ面における、領域の平均数密度は、以下の方法で求めることができる。すなわち、Ｔｉ化合物層の研磨面に観察される領域の個数を測定し、測定した領域の個数を、測定したＴｉ化合物層の面積で割ると、領域の数密度を求めることができる。そして、測定した視野の各領域の数密度を合計し、各領域の数密度の合計を、測定した視野の数で割ると、平均数密度が求められる。すくい面における、Ｔｉ化合物層の研磨面に観察される領域の平均数密度をＡ_ｒとし、逃げ面における、Ｔｉ化合物層の研磨面に観察される領域の平均数密度をＡ_ｆとし、以下、Ａ_ｒおよびＡ_ｆをまとめてＡとする。

本明細書にいう「断続クラック」とは、領域を囲むクラックと、一端または両端で接しないクラックをいう。断続クラックの態様は、例えば、領域の中にいずれのクラックとも接していない態様、領域を囲むクラックから領域の内側に向かってクラックが進展しているが、領域を横断せずに途中で進展が停止している態様が挙げられる。

本実施形態の被覆切削工具において、すくい面または逃げ面における、断続クラックの平均数密度は、以下の方法で求めることができる。すなわち、Ｔｉ化合物層の研磨面に観察される断続クラックの個数を測定し、測定した断続クラックの個数を、測定したＴｉ化合物層の面積で割ると、断続クラックの数密度が求められる。測定した視野の各数密度を合計し、各数密度の合計を、測定した視野の数で割ると、平均数密度が求められる。すくい面における、Ｔｉ化合物層の研磨面に観察される断続クラックの平均数密度をＢ_ｒとし、逃げ面における、Ｔｉ化合物層の研磨面に観察される断続クラックの平均数密度をＢ_ｆとし、Ｂ_ｒおよびＢ_ｆをまとめてＢとする。

本実施形態の被覆切削工具において、Ｔｉ化合物層は、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含むと、耐摩耗性がより一層向上するため、好ましい。ＴｉＣＮ層の平均粒径が０．３μｍ以上であると、耐欠損性がより一層向上する傾向にある。一方、ＴｉＣＮ層の平均粒径が２．０μｍ以下であると、逃げ面における耐摩耗性がより一層向上する傾向がみられる。このため、ＴｉＣＮ層の平均粒径は、耐欠損性および耐摩耗性をバランスよくより一層向上する観点から、０．３μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましい。同様の観点から、ＴｉＣＮ層の平均粒径は０．３μｍ以上１．５μｍ以下であることがより好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、ＴｉＣＮ層の平均粒径は、以下の方法により、求めることができる。すなわち、被覆切削工具を真空中にて１２００℃で１０分間保持して加熱処理し、ＴｉＣＮ層の結晶粒界に超硬合金基材の結合相の成分を拡散させる。その後、被覆切削工具の直交方向の断面の鏡面研磨面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、写真を撮影する。このとき、５０００倍〜２００００倍の反射電子像を観察するとよい。撮影したＴｉＣＮ層の写真の中央部分で超硬合金の基材と被覆層との界面に対して、平行な方向に直線を引き、この直線を横切るＴｉＣＮ層の粒界の数を測定して、ＴｉＣＮ層の平均粒径を算出する。直線は、ＴｉＣＮ層の平均厚さの４０％以上６０％の位置に引くとよい。

本実施形態の被覆切削工具において、ＴｉＣＮ層に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比［Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）］が、０．５０以上であると、耐摩耗性がより一層向上する傾向にある。一方、原子比［Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）］が０．７５以下であると、耐欠損性がより一層向上する傾向にある。このため、耐摩耗性および耐欠損性をバランスよくより一層向上する観点から、原子比［Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）］は、０．５０以上０．７５以下であることが好ましい。同様の観点から、原子比［Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）］は０．５０以上０．７０以下であることがより好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、ＴｉＣＮ層に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比［Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）］は、例えば、電子プローブ微小分析器（ＥＰＭＡ）によりＴｉＣＮ層中のＣ量とＮ量を定量することにより得られる。

本実施形態の被覆切削工具において、被覆層は、Ｔｉ化合物層の表面に酸化アルミニウム層（以下、「Ａｌ_２Ｏ_３層」という。）を含むと、被削材との反応による摩耗の進行を抑制することができるため好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３層の結晶型は特に限定されず、α型、β型、δ型、γ型、κ型、χ型、擬τ型、η型、およびρ型が挙げられる。これらの中でも、Ａｌ_２Ｏ_３層の結晶型は、高温でもより一層安定である観点からα型であることが好ましく、Ｔｉ化合物層とＡｌ_２Ｏ_３層との密着性がより一層優れる観点からκ型であることが好ましい。特に、高速切削など切削に関与する領域が高温になる場合において、Ａｌ_２Ｏ_３層がα型Ａｌ_２Ｏ_３層であると、欠損やチッピングを起こしにくくなるため好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３層の平均厚さが１．０μｍ以上であると、すくい面における耐クレータ摩耗性がより一層向上する傾向にある。一方、Ａｌ_２Ｏ_３層の平均厚さが１５．０μｍ以下であると、耐欠損性がより一層向上する傾向にある。このため、耐クレータ摩耗性および耐欠損性をバランスよくより一層向上する観点から、Ａｌ_２Ｏ_３層の平均厚さは、１．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましく、同様の観点から、３．０μｍ以上１２．０μｍ以下であることがより好ましく、５．０μｍ以上１２．０μｍ以下であることがさらに好ましい。

本実施形態のＴｉ化合物層における、基材のすくい面の表面と略平行な研磨面を上面から見た写真の一例を図４に示し、本実施形態のＴｉ化合物層における、基材の逃げ面表面と略平行な研磨面を上面から見た写真の一例を図５に示す。

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。

Ｔｉ化合物層にＴｉＮ層が含まれる場合、ＴｉＮ層は、例えば、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ_４：３．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ_２：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：８５０〜９２０℃、圧力：１００〜３５０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉ化合物層にＴｉＣＮ層が含まれる場合、ＴｉＣＮ層は、例えば、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ_４：１０〜１５ｍｏｌ％、ＣＨ_３ＣＮ：１〜３ｍｏｌ％、Ｎ_２：０〜２０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：８５０〜９２０℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

なお、上記の方法では、ＴｉＣＮ層中のＣ／（Ｃ＋Ｎ）を０．６５未満までしか調整することができない。ＴｉＣＮ層のＣ／（Ｃ＋Ｎ）を０．６５〜０．７５にするために、例えば、原料ガス組成をＴｉＣｌ_４：１．０〜８．０ｍｏｌ％、ＣＨ_３ＣＮ：１．０〜２．０ｍｏｌ％、Ｃ_３Ｈ_６：１．０〜２．０ｍｏｌ％、Ｎ_２：１０〜５０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：７００〜９００℃、圧力：５０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

このとき、ＴｉＣｌ_４に対するＣＨ_３ＣＮの原料ガス組成比[ＣＨ_３ＣＮ／ＴｉＣｌ_４]を小さくすると、ＴｉＣＮ層の平均粒径を小さくすることができる。また、温度を低くすると、ＴｉＣＮ層の平均粒径を小さくすることができる。

Ｔｉ化合物層にＴｉＣ層が含まれる場合、ＴｉＣ層は、例えば、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ_４：１．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＨ_４：４．０〜６．０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９９０〜１０３０℃、圧力：５０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ａｌ_２Ｏ_３層がα型Ａｌ_２Ｏ_３層である場合、α型Ａｌ_２Ｏ_３層は、例えば、原料ガス組成を、ＡｌＣｌ_３：２．１〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ_２：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ_２Ｓ：０．２８〜０．４５ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９００〜１０００℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ａｌ_２Ｏ_３層がκ型Ａｌ_２Ｏ_３層である場合、κ型Ａｌ_２Ｏ_３層は、例えば、原料ガス組成を、ＡｌＣｌ_３：２．１〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ_２：２．０〜６．０ｍｏｌ％、ＣＯ：３．０〜５．５ｍｏｌ％、ＨＣｌ：３．０〜５．０ｍｏｌ％、Ｈ_２Ｓ：０．３〜０．５ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９００〜１０００℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉ化合物層にＴｉＡｌＣＮＯ層が含まれる場合、ＴｉＡｌＣＮＯ層は、例えば、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ_４：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ_３：１．０〜２．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ_２：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：９０〜１２０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉ化合物層にＴｉＡｌＣＯ層が含まれる場合、ＴｉＡｌＣＯ層は、例えば、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ_４：０．５〜１．５ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ_３：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：６０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉ化合物層にＴｉＣＮＯ層が含まれる場合、ＴｉＣＮＯ層は、例えば、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ_４：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ_２：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：９０〜１１０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉ化合物層にＴｉＣＯ層が含まれる場合、ＴｉＣＯ層は、例えば、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ_４：０．５〜１．５ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ_２：残部とし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：６０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

すくい面と逃げ面の各Ｔｉ化合物層における、領域の平均数密度および断続クラックの平均数密度の関係を満たす被覆切削工具は、例えば、以下の方法によって得られる。

被覆層を形成した後、従来よりもアスペクト比が大きい形状を有する投射材を用いて乾式ショットブラストを施すと、Ｔｉ化合物層中の断続クラックの平均数密度Ｂを容易に制御できる。投射材のアスペクト比が、１．５以上３．０以下であることが好ましく、投射材の形状が鋭利な凸部を有していることがさらに好ましい。すくい面のＴｉ化合物層における、クラックの形態を制御する場合、乾式ショットブラストの条件は、すくい面の被覆層の表面に対して投射角度を８０°〜９０°とし、投射材を８０ｍ／ｓｅｃ〜１００ｍ／ｓｅｃの投射速度、０．５分〜１．０分の投射時間で投射するとよい。この場合の乾式ショットブラストの投射材は、平均粒径１６０μｍ〜２００μｍのＡｌ_２Ｏ_３やＺｒＯ_２などの材質であると好ましい。逃げ面のＴｉ化合物層における、クラック形態を制御する場合、乾式ショットブラストの条件は、逃げ面の被覆層の表面に対して投射角度を８０°〜９０°とし、投射材を４０〜６０ｍ／ｓｅｃの投射速度、０．５〜１．０分の投射時間で投射するとよい。この場合の乾式ショットブラストの投射材は、平均粒径１００〜１４０μｍのＡｌ_２Ｏ_３やＺｒＯ_２などの材質であると好ましい。このとき、乾式ショットブラストを施さない面には、マスキングを施すことにより、クラックの形態を容易に制御することができる。

ここで投射材のアスペクト比とは、投射材において最大の直径の値を、最小の直径の値で除した値である。また、投射材の平均粒径とは、投射材において最大の直径の値と最小の直径の値との平均値である。投射角度とは、被覆層の表面と投射材を投射する角度とのなす角度である。よって、すくい面に乾式ショットブラストを施す場合には、すくい面の被覆層の表面と投射材を投射する角度とのなす角度を指し、逃げ面に乾式ショットブラストを施す場合には、逃げ面の被覆層の表面と投射材を投射する角度とのなす角度を指す。

各層の厚さは、被覆切削工具の断面組織から光学顕微鏡、ＳＥＭ、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）などを用いて測定することができる。なお、被覆切削工具の厚さは、刃先から被覆切削工具のすくい面に向かって５０μｍの近傍の位置において、各層の厚さを３箇所以上測定し、その平均値を求めるとよい。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。

Ｔｉ化合物層の領域および断続クラックにおける平均数密度を測定する方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。被覆切削工具を基材の表面と略平行な方向にＴｉ化合物層の表面又は内部が露出するまで研磨し、Ｔｉ化合物層の研磨面を得る。その研磨面をフッ硝酸にてエッチングすると、クラックを容易に観察することができる。その研磨面を、光学顕微鏡を用いて３００倍〜７５０倍で観察し、研磨面の写真を撮影する。この研磨面の写真を用いて、Ｔｉ化合物層の領域の個数および断続クラックの個数を測定する。測定した領域の個数および断続クラックの個数を、測定した面積でそれぞれ割ると、領域および断続クラックの数密度を求めることができる。測定した各視野の領域および断続クラックの数密度をそれぞれ合計し、測定した視野の数でそれぞれ割ると、領域の平均数密度Ａおよび断続クラックの平均数密度Ｂを求めることができる。研磨面の写真を用いて、０．２ｍｍ^２以上の範囲を測定することが好ましく、０．２５ｍｍ^２以上の範囲を測定することがより好ましく、０．３ｍｍ^２以上の範囲を測定することがさらに好ましい。なお、研磨面の写真を用いて領域の個数を測定する場合、クラックが写真の端で途切れていることにより、領域が形成されているか確認できない範囲については、０．５個の領域とする。上述の測定方法により、すくい面および逃げ面における、領域の平均数密度Ａおよび断続クラックの平均数密度Ｂを求めることができる。

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、ＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４１２形状の８６．０ＷＣ−１．０ＴｉＣＮ−１．０ＴａＣ−０．５ＮｂＣ−０．５ＺｒＣ−１１．０Ｃｏ（以上質量％）組成の超硬合金製切削インサートを用意した。この基材の切刃稜線部に、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。次に、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に示す成膜条件で、表３に示す被覆層の構成と平均厚さになるように基材の表面に被覆層を形成した。このとき、各試料のＴｉＣＮ層は、表２に示す成膜条件で形成した。なお、表２に示すＴｉＣＮ層の成膜条件は、表１に示す被覆層の種類に対応している。試料は各１０個作製した。表３に示す酸化アルミニウム層（Ａｌ_２Ｏ_３層）の結晶型におけるαはα型Ａｌ_２Ｏ_３層を表し、κはκ型Ａｌ_２Ｏ_３層を表す。

得られた試料については、被覆層を形成した後、表４に示す条件で乾式ショットブラストまたは湿式ショットブラストを施した。このとき、発明品１〜１０、比較品４、５、７〜９については、投射材として、アスペクト比が１．５であるＡｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２の粒子を使用した。比較品３、６については、投射材として、アスペクト比が１．０である鋼またはＡｌ_２Ｏ_３の粒子を使用した。

得られた試料の各層の厚さは、被覆切削工具の刃先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をＳＥＭで３箇所測定し、その平均値（相加平均値）を求めた。

Ｔｉ化合物層の領域および断続クラックを測定するため、得られた試料を基材の表面と略平行な方向にＴｉ化合物層が露出するまで研磨した。このとき、すくい面および逃げ面の研磨面をそれぞれ作製した。Ｔｉ化合物層の研磨面は、Ｔｉ化合物層の平均厚さの７０％の厚さが残るような位置となるように調整し、Ｔｉ化合物層の研磨面をフッ硝酸にてエッチングした。そのＴｉ化合物層の研磨面を、光学顕微鏡を用いて３００倍で観察し、０．３３ｍｍ^２の範囲の研磨面の写真を撮影した。各試料について、３個のインサートを用意し、それぞれ研磨面の写真を用いて、Ｔｉ化合物層の領域の個数および断続クラックの個数を求め、それらの値からＴｉ化合物層の領域の平均数密度Ａおよび断続クラックの平均数密度Ｂを求めた。すくい面における、平均数密度をＡ_ｒとし、断続クラックの平均数密度をＢ_ｒとした。逃げ面における、平均数密度をＡ_ｆとし、断続クラックの平均数密度をＢ_ｆとした。それらの結果を表５に示す。

得られた試料のＴｉＣＮ層に含まれるＣとＮの合計に対するＣの原子比[Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）]については、被覆切削工具の刃先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からＥＰＭＡを用いて測定した。得られた結果を表６に示す。

得られた試料を真空中にて１２００℃で１０分間保持して加熱処理し、ＴｉＣＮ層の結晶粒界に超硬合金基材の結合相の成分を拡散させたのち、被覆切削工具の垂直断面の鏡面研磨面をＳＥＭで観察し、写真を撮影した。撮影したＴｉＣＮ層の写真の中央部分で超硬合金の基材と被覆層との界面に対して、平行な方向に直線を引き、この直線上を横切るＴｉＣＮ層の粒界の数を測定して、ＴｉＣＮ層の平均粒径を算出した。このとき、ＴｉＣＮ層の平均厚さの５０％の位置に直線を引いた。得られた結果を表７に示す。

得られた試料を用いて、以下の切削試験を行い、評価した。その結果を表８に示す。

［切削試験１：耐摩耗性試験］
被削材：Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損（表中、「欠損」と記載。）または欠損およびチッピングが生じることなく最大逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至ったとき（表中、「正常摩耗」と記載。）を工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。

［切削試験２：耐欠損性試験］
被削材：Ｓ４５Ｃの長さ方向に等間隔で２本の溝入り丸棒、
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３５ｍｍ／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を工具寿命とし、工具寿命までの衝撃回数を測定した。衝撃回数は、試料と被削材とが接触した回数とし、接触回数が最大で２００００回に到達した時点で試験を終了した。なお、各試料について、５個のインサートを用意し、それぞれ衝撃回数を測定し、それらの衝撃回数の値から平均値（相加平均値）を求め、工具寿命とした。

なお、耐摩耗性試験の工具寿命に至るまでの加工時間について、３５分以上をＡ、２５分以上３５分未満をＢ、２５分未満をＣとして評価した。また、耐欠損性試験の工具寿命に至るまでの衝撃回数について、２００００回をＡ、１００００回以上２００００回未満をＢ、１００００回未満をＣとして評価した。この評価では、（優）Ａ＞Ｂ＞Ｃ（劣）という順位になり、ＡまたはＢを有するほど切削性能が優れる。

表８の結果より、発明品の耐摩耗性試験および耐欠損性試験の評価は、どちらもＢ以上の評価であった。一方、比較品は、耐摩耗性試験および耐欠損性試験のいずれかの試験において、評価が、Ｃであった。また、比較品５および比較品９の耐欠損性試験の評価は、Ａであったが、耐摩耗性試験の評価がＣであった。よって、発明品は、耐チッピング性および耐欠損性を低下させずに耐摩耗性を向上させたことが分かる。

以上の結果より、耐チッピング性および耐欠損性を低下させずに耐摩耗性を向上させたことにより、発明品の工具寿命が長くなっていることが分かる。

本出願は、２０１６年５月２４日出願の日本特許出願（特願２０１６−１０３０２７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明の被覆切削工具は、耐チッピング性および耐欠損性を損なうことなく、耐摩耗性を向上させることができ、従来よりも工具寿命を延長できるので、そのような要求がある分野において、産業上の利用可能性が高い。

１…基材、２…被覆層、３…すくい面、４…逃げ面、５…切刃稜線部、１１…Ｔｉ化合物層、１２…酸化アルミニウム層、２０，３０…領域、２１〜２３…小単位、３１，３２…小さい領域、１００…被覆切削工具。

Claims (8)

1. 基材と、前記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、
   前記被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面との間に切刃稜線部とを有し、
   前記被覆層が、少なくとも１層のＴｉ化合物層を含み、
   前記Ｔｉ化合物層が、ＴｉまたはＴｉおよびＡｌと、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物層であり、
   前記Ｔｉ化合物層における、前記基材の表面と略平行な研磨面を上面から見たとき、前記Ｔｉ化合物層はクラックによって囲まれた領域を有し、
   前記領域の内側に、前記領域を囲む前記クラックと、一端または両端で接しない断続クラックを有し、
   前記すくい面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｒと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｒとが０．７＜Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＜４．０を満たし、
   前記逃げ面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｆと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｆとが０．１＜Ｂ_ｆ／Ａ_ｆ＜１．５を満たし、
   かつ、Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＞Ｂ_ｆ／Ａ_ｆである、被覆切削工具。
2. 前記すくい面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｒと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｒとが１．２＜Ｂ_ｒ／Ａ_ｒ＜３．０を満たし、
   前記逃げ面の少なくとも一部において、前記領域の平均数密度Ａ_ｆと前記断続クラックの平均数密度Ｂ_ｆとが０．１＜Ｂ_ｆ／Ａ_ｆ＜１．２を満たす、請求項１に記載の被覆切削工具。
3. 前記Ｔｉ化合物層が、前記基材の表面に形成され、平均厚さが２．０μｍ以上２０．０μｍ以下である、請求項１または２に記載の被覆切削工具。
4. 前記Ｔｉ化合物層が、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、
   前記ＴｉＣＮ層の平均粒径は、０．３μｍ以上２．０μｍ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ＴｉＣＮ層に含まれる炭素と窒素との合計に対する炭素の原子比［Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）］が０．５０以上０．７５以下である、請求項４に記載の被覆切削工具。
6. 前記被覆層が、前記Ｔｉ化合物層の表面に、平均厚さが１．０μｍ以上１５．０μｍ以下の酸化アルミニウム層を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
7. 前記被覆層の全体の平均厚さが３．０μｍ以上３０．０μｍ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。
8. 前記基材が、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。