WO2015025903A1 - 被覆切削工具 - Google Patents

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佐藤　博之
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株式会社タンガロイ
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation

Definitions

  • the present invention relates to a coated cutting tool.
  • a coated cutting tool in which a coating layer composed of layers is formed by vapor deposition with a total film thickness of 3 to 20 ⁇ m by chemical vapor deposition is used for cutting of steel, cast iron and the like.
  • a cutting tool having a high-density crack in the coating on the lower part on the substrate side and a coating low-density crack on the upper part on the surface side is known (for example, see Patent Document 2).
  • the present invention has been made in order to solve these problems, and has excellent chipping resistance, wear resistance and chipping resistance by devising a crack generation mode of a coated cutting tool, and has a tool life.
  • An object of the present invention is to provide a long coated cutting tool.
  • the present inventor has conducted research on extending the tool life of the coated cutting tool.
  • the chip resistance and wear resistance are not impaired, and the chipping resistance is improved.
  • the tool life can be extended.
  • the gist of the present invention is as follows.
  • a coated cutting tool comprising a substrate and a coating layer formed on the surface of the substrate,
  • the coating layer includes at least one Ti compound layer,
  • the Ti compound layer is a compound containing Ti element and at least one element selected from the group consisting of C, N, O and B,
  • the Ti compound layer when the polished surface substantially parallel to the surface of the substrate is viewed from above, the Ti compound layer has a region surrounded by cracks, Inside the region, there is an intermittent crack where one or both ends of the crack does not contact the crack constituting the region,
  • a coated cutting tool in which the relationship between the average number density A of the region and the average number density B of the intermittent cracks satisfies 0.7 ⁇ B / A ⁇ 2.
  • the Ti compound layer is a compound further including at least one element selected from the group consisting of Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, and Si.
  • the aluminum oxide layer is a compound further containing at least one element selected from the group consisting of Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and Si (1) to (4) Any coated cutting tool.
  • the coating layer has at least one element selected from the group consisting of Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and Si on the surface of the aluminum oxide layer and C, N, O and B
  • the base material is one of cemented carbide, cermet, ceramics, or cubic boron nitride sintered body.
  • the coated cutting tool of the present invention comprises a substrate and a coating layer formed on the surface of the substrate.
  • Specific examples of the coated cutting tool include a cutting edge exchangeable cutting insert for milling or turning, a drill, an end mill, and the like.
  • the substrate of the present invention examples include cemented carbide, cermet, ceramics, cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, high speed steel and the like.
  • the base material is one of cemented carbide, cermet, ceramics, or cubic boron nitride sintered body because of excellent wear resistance and fracture resistance.
  • these base materials may have a modified surface.
  • a de- ⁇ layer may be formed on the surface, and in the case of cermet, a surface hardened layer may be formed. Even if the surface is modified in this way, The effect is shown.
  • the total layer thickness of the entire coating layer of the present invention is preferably 3 to 30 ⁇ m in average layer thickness. If it is less than 3 ⁇ m, the abrasion resistance may be inferior, and if it exceeds 30 ⁇ m, the adhesion to the substrate and the fracture resistance may be reduced. Among these, the thickness is more preferably 3 to 20 ⁇ m.
  • the coating layer of the present invention includes at least one Ti compound layer.
  • the Ti compound layer means a compound layer containing Ti element as an essential component and further containing at least one element selected from the group consisting of C, N, O and B.
  • the Ti compound layer may contain at least one element selected from the group consisting of Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, and Si as an optional component.
  • the Ti compound layer of the present invention is formed on the surface of the base material because adhesion between the base material and the coating layer is improved.
  • the average thickness of the Ti compound layer of the present invention is preferably 2 to 20 ⁇ m. This is because when the average thickness of the Ti compound layer is less than 2 ⁇ m, the wear resistance tends to decrease. On the other hand, when the average thickness of the Ti compound layer exceeds 20 ⁇ m, the fracture resistance tends to decrease. Because it is seen.
  • the Ti compound layer of the present invention has a region surrounded by cracks in the Ti compound layer when the polished surface substantially parallel to the surface of the substrate is viewed from above, and one end of the crack or Both ends have intermittent cracks that do not contact the cracks that make up the region.
  • “seen from the top surface” means that the polished surface is viewed from the direction of the normal to the surface. In other words, it does not exist because it has been polished, but when viewed from the surface side of the coating layer, that is, when viewed from the opposite side of the substrate.
  • the relationship between the average number density A of the region and the average number density B of the intermittent cracks satisfies 0.7 ⁇ B / A ⁇ 2
  • the effect of stopping the cracks generated in the coating layer during the cutting by the intermittent cracks is obtained.
  • chipping resistance and chipping resistance are excellent.
  • the particles of the coating layer that fall off during cutting can be suppressed to a minimum, so that wear resistance can be maintained.
  • the relationship B / A between the average number density A of the region and the average number density B of the intermittent cracks is 0.7 or less, the distribution of the intermittent cracks is insufficient, so that cracks generated in the coating layer during cutting The effect of stopping the progress with intermittent cracks cannot be obtained, and chipping resistance and chipping resistance are reduced.
  • the relationship B / A between the average number density A of the region and the average number density B of the intermittent cracks is 2 or more, the distribution of the intermittent cracks is large, so that the cracks constituting the region and the intermittent cracks are easily connected. The chipping resistance decreases.
  • the polished surface of the Ti compound layer is the surface of the Ti compound layer obtained by polishing the coated cutting tool until the Ti compound layer is exposed in a direction substantially parallel to the surface of the substrate. At this time, it is preferable to obtain a polished surface at a position having a thickness of 50% or more of the average thickness of the Ti compound layer.
  • the coated cutting tool in which the Ti compound layer having a plurality of compositions is formed measures the region of the layer having the thickest average layer thickness and intermittent cracks.
  • the region observed on the polished surface of the Ti compound layer of the present invention is a crack generated in the coating layer upon cooling after forming the coating layer and a crack generated in the coating layer by processing such as dry blasting or shot peening. It is an enclosed range. Regarding the number of regions, a minimum area surrounded by cracks is defined as one region. If there is a smaller area in the area, it is assumed that there are two areas.
  • the average number density of the region of the present invention can be obtained by the following method.
  • the number of regions observed on the polished surface of the Ti compound layer is measured. By dividing the number of the regions by the measured area of the Ti compound layer, the number density of the regions can be obtained. When the number density is divided by the number of measured fields, the average number density can be obtained.
  • the intermittent crack of the present invention is a crack in which one end or both ends of the crack are not in contact with the crack constituting the region.
  • the mode of the intermittent crack is, for example, a mode in which no crack is in contact with the area, a crack progresses from the crack constituting the area toward the inside of the area, but progresses in the middle without crossing the area The mode etc. which are stopped can be mentioned.
  • the average number density of the intermittent cracks of the present invention can be obtained by the following method.
  • the number of intermittent cracks observed on the polished surface of the Ti compound layer is measured. By dividing the number of the intermittent cracks by the measured area of the Ti compound layer, the number density of the intermittent cracks can be obtained.
  • the average number density can be determined by summing the number densities of the measured fields and dividing the sum of the number densities by the number of fields measured.
  • the coating layer of the present invention preferably contains an aluminum oxide layer (hereinafter referred to as Al 2 O 3 layer) on the surface of the Ti compound layer, since the progress of wear due to reaction with the work material can be suppressed.
  • the crystal type of the Al 2 O 3 layer is not particularly limited, and examples include ⁇ -type, ⁇ -type, ⁇ -type, ⁇ -type, ⁇ -type, ⁇ -type, pseudo- ⁇ -type, ⁇ -type, and ⁇ -type.
  • the crystalline form of the Al 2 O 3 layer is preferably a ⁇ type excellent adhesion to the high temperature stable ⁇ -type, or Ti compound layer and the Al 2 O 3 layer.
  • the Al 2 O 3 layer is an ⁇ -type Al 2 O 3 layer, chipping and chipping are less likely to occur.
  • the average layer thickness of the Al 2 O 3 layer is preferably 1 to 15 ⁇ m. When the average layer thickness of the Al 2 O 3 layer is less than 1 ⁇ m, the crater wear resistance on the rake face may be reduced, and when it exceeds 15 ⁇ m, peeling tends to occur and the fracture resistance may be reduced.
  • FIG. 1 shows an example of a photograph of the polished surface substantially parallel to the surface of the substrate in the Ti compound layer of the present invention viewed from above, and the surface of the conventional Ti compound layer is substantially parallel to the surface of the substrate.
  • An example of a photograph of a polished surface viewed from above is shown in FIG.
  • Method of forming coating layer examples include the following methods.
  • the TiN layer has a raw material gas composition of TiCl 4 : 5.0 to 10.0 mol%, N 2 : 20 to 60 mol%, H 2 : remaining, temperature: 850 to 920 ° C., pressure: 100 to 350 hPa. It can be formed by chemical vapor deposition.
  • the TiCN layer has a raw material gas composition of TiCl 4 : 10 to 15 mol%, CH 3 CN: 1 to 3 mol%, N 2 : 0 to 20 mol%, H 2 : remaining, temperature: 850 to 920 ° C., pressure: 60 It can be formed by a chemical vapor deposition method of up to 80 hPa.
  • the TiC layer has a raw material gas composition of TiCl 4 : 1.0 to 3.0 mol%, CH 4 : 4.0 to 6.0 mol%, H 2 : remaining, temperature: 990 to 1030 ° C, pressure: 50 to It can be formed by a chemical vapor deposition method of 100 hPa.
  • the ⁇ -type Al 2 O 3 layer has a raw material gas composition of AlCl 3 : 2.1 to 5.0 mol%, CO 2 : 2.5 to 4.0 mol%, HCl: 2.0 to 3.0 mol%, H 2 S: 0.28 to 0.45 mol%, H 2 : remaining, temperature: 900 to 1000 ° C., pressure: 60 to 80 hPa.
  • the ⁇ -type Al 2 O 3 layer has a raw material gas composition of AlCl 3 : 2.1 to 5.0 mol%, CO 2 : 3.0 to 6.0 mol%, CO: 3.0 to 5.5 mol%, HCl : 3.0 to 5.0 mol%, H 2 S: 0.3 to 0.5 mol%, H 2 : remaining, temperature: 900 to 1000 ° C., pressure: 60 to 80 hPa. Can do.
  • the TiAlCNO layer has a raw material gas composition of TiCl 4 : 3.0 to 5.0 mol%, AlCl 3 : 1.0 to 2.0 mol%, CO: 0.4 to 1.0 mol%, N 2 : 30 to 40 mol%. %, H 2 : the remainder, temperature: 975 to 1025 ° C., pressure: 90 to 110 hPa.
  • the TiAlCO layer has a raw material gas composition of TiCl 4 : 0.5 to 1.5 mol%, AlCl 3 : 3.0 to 5.0 mol%, CO: 2.0 to 4.0 mol%, H 2 : remaining, It can be formed by a chemical vapor deposition method at a temperature of 975 to 1025 ° C. and a pressure of 60 to 100 hPa.
  • the TiCNO layer has a raw material gas composition of TiCl 4 : 3.0 to 5.0 mol%, CO: 0.4 to 1.0 mol%, N 2 : 30 to 40 mol%, H 2 : remaining, temperature: 975 to It can be formed by chemical vapor deposition at 1025 ° C. and pressure: 90 to 110 hPa.
  • the TiCO layer has a raw material gas composition of TiCl 4 : 0.5 to 1.5 mol%, CO: 2.0 to 4.0 mol%, H 2 : remaining, temperature: 975 to 1025 ° C., pressure: 60 to 100 hPa. It can be formed by the chemical vapor deposition method.
  • a coated cutting tool in which the average number density A of regions and the average number density B of intermittent cracks in the Ti compound layer satisfy 0.7 ⁇ B / A ⁇ 2 is obtained, for example, by the following method.
  • the average number density B of intermittent cracks in the Ti compound layer can be easily controlled.
  • the projection material has a sharp convex part.
  • dry shot blasting conditions are such that the projection material is projected at a projection speed of 80 to 100 m / sec and a projection time of 0.5 to 1 minute so that the projection angle is 30 to 90 ° with respect to the surface of the coating layer. It is good to project.
  • the shot material for dry shot blasting is preferably made of a material such as Al 2 O 3 or ZrO 2 having an average particle size of 160 to 200 ⁇ m.
  • the layer thickness of each layer can be measured from the cross-sectional structure of the coated cutting tool using an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM), a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), or the like.
  • the layer thickness of the coated cutting tool may be determined by measuring three or more layer thicknesses of each layer at a position in the vicinity of 50 ⁇ m from the cutting edge toward the rake face of the coated cutting tool, and obtaining an average value thereof.
  • the composition of each layer can be measured from the cross-sectional structure of the coated cutting tool of the present invention using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS), a wavelength dispersive X-ray spectrometer (WDS), or the like.
  • EDS energy dispersive X-ray spectrometer
  • WDS wavelength dispersive X-ray spectrometer
  • Examples of the method for measuring the region of the Ti compound layer and the intermittent cracks include the following methods.
  • the coated cutting tool is polished until the Ti compound layer is exposed in a direction substantially parallel to the surface of the substrate to obtain a polished surface of the Ti compound layer.
  • the polished surface is etched with hydrofluoric acid, cracks can be easily observed.
  • the polished surface is observed at 300 to 750 times using an optical microscope, and a photograph of the polished surface is taken. Using this photograph of the polished surface, the number of Ti compound layer regions and the number of intermittent cracks are measured. By dividing the number of measured regions and the number of intermittent cracks by the measured area, the number density of the regions and intermittent cracks can be obtained.
  • the average number density A and the average number density B of the intermittent cracks can be obtained by summing the measured areas of each visual field and the number density of the intermittent cracks and dividing each by the number of measured visual fields. It is preferable to measure a range of 0.2 mm 2 or more using a photograph of the polished surface. Note that when the number of regions was measured using a photograph of the polished surface, the region in which it was not possible to confirm whether or not the region was formed because cracks were interrupted at the edge of the photograph was set to 0.5 regions.
  • the coated cutting tool of the present invention maintains wear resistance and is excellent in chipping resistance and fracture resistance, it has an effect that the tool life can be extended as compared with the prior art.
  • a cemented carbide cutting insert of 86.0WC-1.0TiCN-1.3TaC-0.2NbC-0.5ZrC-11.0Co (more than mass%) composition of JIS standard CNMG120212 shape was prepared.
  • the surface of the base material was cleaned after round honing was performed on the cutting edge ridge line portion of the base material with a SiC brush.
  • the base material was inserted into an external heating chemical vapor deposition apparatus, and a coating layer was formed on the surface of the base material so as to have the configuration and average layer thickness of the coating layer shown in Table 1.
  • Ten samples were prepared each.
  • ⁇ in the crystal form of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 layer) represents an ⁇ -type Al 2 O 3 layer
  • ⁇ represents a ⁇ -type Al 2 O 3 layer.
  • the dry shot blasting conditions of Inventions 1 to 10 are such that the projection material is projected at a projection speed of 90 m / sec and a projection time of 0.5 to 1 minute so that the projection angle is 45 ° with respect to the surface of the coating layer. Projected.
  • the dry shot blasting projection material Al 2 O 3 having an average aspect ratio of 2 to 4 and an average particle diameter of 50 ⁇ m when measured at the position where the diameter of the projection material is the smallest was used.
  • Comparative product 3 was dry shot blasted using a steel ball projection material having an average particle size of 150 ⁇ m.
  • the dry shot blasting was performed by projecting the projection material at a projection speed of 120 m / sec and a projection time of 1 minute so that the projection angle was 45 ° with respect to the surface of the coating layer.
  • the dry shot blasting conditions of comparative products 4, 5, 7, and 8 are as follows. Projected with a projection time of. Al 2 O 3 having an average particle size of 150 ⁇ m was used as a projection material for dry shot blasting.
  • Comparative product 6 was wet shot blasted.
  • the projection material was projected at a projection speed of 120 m / sec and a projection time of 1 minute so that the projection angle was 45 ° with respect to the surface of the coating layer.
  • Al 2 O 3 having an average particle size of 30 ⁇ m was used as a projection material for wet shot blasting.
  • the layer thickness of each layer of the obtained sample was determined by measuring three cross sections near the position of 50 ⁇ m from the cutting edge of the coated cutting tool toward the center of the rake face with an SEM, and obtaining an average value thereof.
  • the obtained sample was polished until the Ti compound layer was exposed in a direction substantially parallel to the surface of the substrate.
  • the polished surface of the Ti compound layer was adjusted so that the average layer thickness was 70%, and the polished surface of the Ti compound was etched with hydrofluoric acid.
  • the polished surface of the Ti compound layer was observed at 300 times using an optical microscope, and a photograph of the polished surface in the range of 0.33 mm 2 was taken.
  • three inserts were prepared, and the number of Ti compound layer regions and the number of intermittent cracks were determined using photographs of the polished surfaces, and the average number density A of the Ti compound layer regions was determined from these values.
  • the average number density B of intermittent cracks was determined. Table 2 shows the average number density A of the Ti compound layer region and the average number density B of the intermittent cracks.
  • Cutting test 1 and cutting test 2 were performed using the obtained samples. Table 3 shows the working distance to the end of the tool life.
  • the cutting test 1 evaluates abrasion resistance
  • the cutting test 2 is a test which evaluates fracture resistance.
  • the inventive product takes longer to complete the tool life and the number of impacts than the comparative product. It can be seen that the lifetime is significantly longer.

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Abstract

　優れた耐チッピング性、耐摩耗性および耐欠損性を持ち、工具寿命の長い被覆切削工具を得るため、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、少なくとも１層のＴｉ化合物層を含み、Ｔｉ化合物層は、Ｔｉ元素と、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であり、Ｔｉ化合物層における、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、クラックの一端または両端が領域を構成するクラックと接しない断続クラックを有し、領域の平均数密度Ａと断続クラックの平均数密度Ｂとの関係が０．７＜Ｂ／Ａ＜２を満たす被覆切削工具を提供する。

Description

被覆切削工具
　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により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）。
　さらに、基材側下方部分の被膜に高密度クラックを有し、表面側上方部分の被膜低密度クラックを有した切削工具が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平５－１１６００３号公報 特開平６－２４６５１２号公報
　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が見られるようになってきた。この様な背景により上記特許文献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が低下するという問題があった。また、特許文献２で開示された工具は、上方部分の耐摩耗性は改善されるものの、下方部分の耐摩耗性は不十分であるという問題があった。さらに、下方部分の高密度クラックが起点となり、被膜の剥離が生じる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、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、以下の構成にすると、耐チッピング性および耐摩耗性を損なうことなく、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、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、
前記被覆層は、少なくとも１層のＴｉ化合物層を含み、
　前記Ｔｉ化合物層は、Ｔｉ元素と、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化合物層にはクラックによって囲まれた領域を有し、
　前記領域の内側には、クラックの一端または両端が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し、
　前記領域の平均数密度Ａと前記断続クラックの平均数密度Ｂとの関係が０．７＜Ｂ／Ａ＜２を満たす被覆切削工具。
（２）前記Ｔｉ化合物層は前記基材の表面に形成され、平均層厚が２～２０μｍである（１）の被覆切削工具。
（３）前記被覆層は、前記Ｔｉ化合物層の表面に、平均層厚が１～１５μｍの酸化アルミニウム層を有する（１）または（２）のいずれかの被覆切削工具。
（４）前記Ｔｉ化合物層は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含む化合物である（１）～（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）前記酸化アルミニウム層は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含む化合物である（１）～（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）前記被覆層は、酸化アルミニウム層の表面にＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素とＣ、Ｎ、ＯおよびＢから成る群より選ばれる少なくとも１種とからなる最外層を含む（１）～（５）のいずれかの被覆切削工具。
（７）前記被覆層全体の合計層厚は、平均層厚で３～３０μｍである（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。
＜被覆切削工具＞
　本発明の被覆切削工具は、基材とその基材の表面に形成された被覆層とからなる。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、エンドミルなどを挙げることができる。
＜基材＞
　本発明の基材は、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、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、セラミックスまたは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。
　なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。例えば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
　＜被覆層＞
　本発明の被覆層全体の合計層厚は、平均層厚で３～３０μｍであることが好ましい。３μｍ未満であると、耐摩耗性に劣る場合があり、３０μｍを超えると、基材との密着性および耐欠損性が低下する場合がある。その中でも、３～２０μｍであるとさらに好ましい。
＜Ｔｉ化合物層＞
　本発明の被覆層は、少なくとも１層のＴｉ化合物層を含む。Ｔｉ化合物層とは、Ｔｉ元素を必須成分として含み、さらに、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素を含む化合物層を意味する。Ｔｉ化合物層には、任意成分としてＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素を含んでもよい。
　本発明のＴｉ化合物層は、基材の表面に形成されると、基材と被覆層との密着性が向上するため好ましい。本発明のＴｉ化合物層の平均層厚は、２～２０μｍであると好ましい。これは、Ｔｉ化合物層の平均層厚が２μｍ未満になると、耐摩耗性が低下する傾向がみられ、一方、Ｔｉ化合物層の平均層厚が２０μｍを超えると、耐欠損性が低下する傾向がみられるためである。
　本発明の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、クラックの一端または両端が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。ここで、「上面から見た」とは、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、研磨したため存在しないが、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。また、領域の平均数密度Ａと断続クラックの平均数密度Ｂとの関係が０．７＜Ｂ／Ａ＜２を満たすことにより、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。また、断続クラックを有することにより、切削時に脱落する被覆層の粒子を最小限に抑制できるため、耐摩耗性を維持することができる。領域の平均数密度Ａと断続クラックの平均数密度Ｂとの関係Ｂ／Ａが０．７以下であると、断続クラックの分布が不十分であるため、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ず、耐チッピング性および耐欠損性が低下する。一方、領域の平均数密度Ａと断続クラックの平均数密度Ｂとの関係Ｂ／Ａが２以上であると、断続クラックの分布が多いため、領域を構成するクラックと断続クラックとがつながりやすくなり、耐欠損性は低下する。
　Ｔｉ化合物層の研磨面とは、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化合物層の平均層厚の５０％以上の層厚の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、最も平均層厚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。
　本発明の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、クラックで囲まれた最小面積を１つの領域とする。領域の中にさらに小さい領域が存在する場合には、２つの領域とする。
　本発明の領域の平均数密度は、以下の方法で求めることができる。Ｔｉ化合物層の研磨面に観察される領域の個数を測定する。その領域の個数を、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。その数密度を、測定した視野の数で割ると、平均数密度を求めることができる。
　本発明の断続クラックとは、クラックの一端または両端が領域を構成するクラックと接しないクラックである。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、領域を構成する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などを挙げることができる。
　本発明の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。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する。その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を求めることができる。測定した視野の各数密度を合計し、その数密度の合計を測定した視野の数で割ると、平均数密度を求めることができる。
　本発明の被覆層は、Ｔｉ化合物層の表面に酸化アルミニウム層（以下、Ａｌ２Ｏ３層）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。Ａｌ２Ｏ３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、ρ型等が挙げられる。これらの中でも、Ａｌ２Ｏ３層の結晶型は、高温で安定なα型、またはＴｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層との密着性に優れるκ型であると好ましい。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、Ａｌ２Ｏ３層がα型Ａｌ２Ｏ３層であると、欠損やチッピングを起こしにくくなる。Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚は、１～１５μｍであることが好ましい。Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚が、１μｍ未満では、すくい面における耐クレータ摩耗性が低下する場合があり、１５μｍを超えると、剥離が生じやすくなり、耐欠損性が低下する場合がある。
　ここで、本発明のＴｉ化合物層における、基材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１に示し、従来品のＴｉ化合物層における、基材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２に示す。
〔被覆層の形成方法〕
　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。
　例えば、ＴｉＮ層は、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ４：５．０～１０．０ｍｏｌ％、Ｎ２：２０～６０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、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。
　ＴｉＣＮ層は、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ４：１０～１５ｍｏｌ％、ＣＨ３ＣＮ：１～３ｍｏｌ％、Ｎ２：０～２０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、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。
　ＴｉＣ層は、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ４：１．０～３．０ｍｏｌ％、ＣＨ４：４．０～６．０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、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。
　α型Ａｌ２Ｏ３層は、原料ガス組成を、ＡｌＣｌ３：２．１～５．０ｍｏｌ％、ＣＯ２：２．５～４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０～３．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０．２８～０．４５ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、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。
　κ型Ａｌ２Ｏ３層は、原料ガス組成を、ＡｌＣｌ３：２．１～５．０ｍｏｌ％、ＣＯ２：３．０～６．０ｍｏｌ％、ＣＯ：３．０～５．５ｍｏｌ％、ＨＣｌ：３．０～５．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０．３～０．５ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、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。
　ＴｉＡｌＣＮＯ層は、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ４：３．０～５．０ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ３：１．０～２．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４～１．０ｍｏｌ％、Ｎ２：３０～４０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、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。
　ＴｉＡｌＣＯ層は、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ４：０．５～１．５ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ３：３．０～５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０～４．０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、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。
　ＴｉＣＮＯ層は、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ４：３．０～５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４～１．０ｍｏｌ％、Ｎ２：３０～４０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、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。
　ＴｉＣＯ層は、原料ガス組成を、ＴｉＣｌ４：０．５～１．５ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０～４．０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、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化合物層における、領域の平均数密度Ａと断続クラックの平均数密度Ｂとが０．７＜Ｂ／Ａ＜２を満たした被覆切削工具は、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。投射材の形状が鋭利な凸部を有していると、さらに好ましい。例えば、乾式ショットブラストの条件は、被覆層の表面に対して投射角度が３０～９０°になるように、投射材を８０～１００ｍ／ｓｅｃの投射速度、０．５～１分の投射時間で投射するとよい。乾式ショットブラストの投射材は、平均粒径１６０～２００μｍのＡｌ２Ｏ３やＺｒＯ２などの材質であると好ましい。
　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）、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、被覆切削工具の層厚は、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、各層の層厚を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、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、０．２ｍｍ２以上の範囲を測定するのが好ましい。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個の領域とした。
　本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性を維持し、耐チッピング性および耐欠損性に優れるので、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Ｔｉ化合物層における、基材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。 従来品のＴｉ化合物層における、基材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、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら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－１．３ＴａＣ－０．２ＮｂＣ－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。この基材の切れ刃稜線部に、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に示す被覆層の構成と平均層厚になるように基材表面に被覆層を形成した。試料は各１０個作製した。なお、表１の酸化アルミニウム層（Ａｌ２Ｏ３層）の結晶型におけるαはα型Ａｌ２Ｏ３層を表し、κはκ型Ａｌ２Ｏ３層を表す。
　得られた試料については、被覆層を形成した後、乾式ショットブラストを施した。発明品１～１０の乾式ショットブラストの条件は、被覆層の表面に対して投射角度が４５°になるように、投射材を９０ｍ／ｓｅｃの投射速度、０．５～１分の投射時間で投射した。乾式ショットブラストの投射材は、アスペクト比の平均が２～４で、投射材の直径が最も小さい位置で測定した時の平均粒径が５０μｍのＡｌ２Ｏ３を用いた。
　比較品１および２については、乾式ショットブラスト、湿式ショットブラストいずれも施さなかった。
　比較品３については、平均粒径が１５０μｍの鋼球の投射材を用いて乾式ショットブラストを施した。乾式ショットブラストの条件は、被覆層の表面に対して投射角度が４５°になるように、投射材を１２０ｍ／ｓｅｃの投射速度、１分の投射時間で投射した。
　比較品４、５、７、８の乾式ショットブラストの条件は、被覆層の表面に対して投射角度が４５°になるように、投射材を９０ｍ／ｓｅｃの投射速度、０．５～１分の投射時間で投射した。乾式ショットブラストの投射材は、平均粒径１５０μｍのＡｌ２Ｏ３を用いた。
　比較品６については、湿式ショットブラストを施した。被覆層の表面に対して投射角度が４５°になるように、投射材を１２０ｍ／ｓｅｃの投射速度、１分の投射時間で投射した。湿式ショットブラストの投射材は、平均粒径３０μｍのＡｌ２Ｏ３を用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　得られた試料の各層の層厚は、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。Ｔｉ化合物層の研磨面は、平均層厚が７０％の層厚の位置となるように調整し、Ｔｉ化合物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、０．３３ｍｍ２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。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、表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　得られた試料を用いて、切削試験１および切削試験２を行った。工具寿命に至るまでの加工距離は表３に示した。なお、切削試験１は耐摩耗性を評価し、切削試験２は耐欠損性を評価する試験である。
［切削試験１］
被削材：Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損また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。
［切削試験２］
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：２００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．４０ｍｍ／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を求め、工具寿命とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３に示されるように、耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性が向上したことにより、発明品は比較品よりも工具寿命に至るまでの加工時間が長く、衝撃回数が多いため、工具寿命が大幅に長いことが分かる。
 

Claims (8)

  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、
    前記被覆層は、少なくとも１層のＴｉ化合物層を含み、
    　前記Ｔｉ化合物層は、Ｔｉ元素と、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化合物層にはクラックによって囲まれた領域を有し、
    　前記領域の内側には、クラックの一端または両端が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し、
    　前記領域の平均数密度Ａと前記断続クラックの平均数密度Ｂとの関係が０．７＜Ｂ／Ａ＜２を満たす被覆切削工具。
  2. 　前記Ｔｉ化合物層は前記基材の表面に形成され、平均層厚が２～２０μｍである請求項１に記載の被覆切削工具。
  3. 　前記被覆層は、前記Ｔｉ化合物層の表面に、平均層厚が１～１５μｍの酸化アルミニウム層を有する請求項１または２のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
  4. 　前記Ｔｉ化合物層は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含む化合物である請求項１～３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
  5. 　前記酸化アルミニウム層は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含む化合物である請求項１～４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
  6. 　前記被覆層は、酸化アルミニウム層の表面にＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉから成る群より選ばれる少なくとも１種の元素とＣ、Ｎ、ＯおよびＢから成る群より選ばれる少なくとも１種とからなる最外層を含む請求項１～５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
  7. 　前記被覆層全体の合計層厚は、平均層厚で３～３０μｍ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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