WO2017142058A1 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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翔 龍岡
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    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/36—Carbonitrides

Definitions

  • the invention of the present application has excellent plastic deformation resistance that the hard coating layer has excellent even when the hard coating layer is subjected to cutting under high load and low speed conditions in which the hard coating layer easily causes plastic deformation.
  • the present invention relates to a surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as a coated tool) that exhibits excellent wear resistance over the use of the above.
  • a coated tool a surface-coated cutting tool
  • a substrate (hereinafter collectively referred to as a tool substrate) composed of a tungsten carbide (hereinafter referred to as WC) -based cemented carbide or titanium carbonitride (hereinafter referred to as TiCN) -based cermet.
  • the lower layer is a Ti carbide (hereinafter referred to as TiC) layer, a nitride (hereinafter also referred to as TiN) layer, a carbonitride (hereinafter referred to as TiCN) layer, a carbon oxide (hereinafter referred to as TiCO).
  • TiCNO carbonitride oxide
  • Al 2 O 3 layer aluminum oxide layer
  • a composite hard layer composed of a titanium compound inner layer including at least one titanium carbonitride layer and an aluminum oxide outer layer is coated on the surface of a WC-based cemented carbide substrate.
  • at least one titanium carbonitride layer constituting the titanium compound inner layer is a TiCN layer in which a maximum peak by X-ray diffraction appears on the (220) plane
  • the aluminum oxide outer layer is a ⁇ type Occurrence of abnormal damage due to exfoliation, wear, etc. by using an aluminum oxide layer that is mainly composed of crystals and has a maximum peak on the surface defined as 2.79 angstroms of ⁇ -Al 2 O 3 in ASTM. It has been proposed to prevent tooling and improve tool life.
  • the TiCN layer is oriented in the (220) plane, the adhesion with the substrate or the underlying layer is increased, and peeling from the interface is less likely to occur. be able to. Further, on the TiCN layer oriented in the (220) plane, an oxidation in which a maximum peak appears on a plane mainly composed of ⁇ -type crystals and defined as a plane having a plane spacing of 2.79 ⁇ in ⁇ -Al 2 O 3 in ASTM. When the aluminum layer is coated, the surface of the ⁇ -Al 2 O 3 having an orientation of 2.79 angstroms between the surfaces is smooth and the surface of the coating layer is smooth, so that abnormal damage due to friction between the chips and the tool is less likely to occur.
  • the aluminum oxide layer is resistant to abnormal damage and exhibits stable wear resistance.
  • the inner layer has a multilayer structure having a titanium carbonitride layer having a thickness of 10 ⁇ m or more and having a columnar structure
  • the outer layer is at least The layer includes an ⁇ -type aluminum oxide layer, and the orientation index TC (422) and TC (311) of the (422) plane and the (311) plane are both 1.3 or more and 3 or less for the titanium carbonitride layer.
  • the peel resistance and wear resistance of the coated tool It has been proposed to improve crater resistance and breaking strength.
  • the orientation index TC (422) and TC (311) of the titanium carbonitride layer are both 1.3 or more, and the structure is a columnar structure, so that the fracture resistance of the film can be improved even with a film thickness of 10 ⁇ m or more. It is possible to greatly improve the wear resistance, and the progress of wear due to chipping during cutting can be suppressed, and the welding of the work material during cutting is less likely to occur. Since the increase in stress can be prevented, the peel resistance is also greatly improved.
  • Patent Document 3 discloses that in a coated tool in which a hard coating layer including at least one titanium carbonitride layer is formed on a substrate surface, an orientation index out of the texture coefficient TC (hkl) of the titanium carbonitride layer.
  • TC (220) is the maximum
  • the indentation hardness of the hardness reference piece is Hs
  • the indentation hardness of the titanium carbonitride layer is Ht, (average value of Ht) / Hs ⁇ 3 and the titanium carbonitride layer
  • the maximum value of the indentation hardness is Htmax and the minimum value is Htmin, (Htmax ⁇ Htmin) / (average value of Ht) ⁇ 0.5
  • the crystal orientation of the titanium carbonitride layer is controlled, and the carbon It has been proposed to improve the wear resistance and fracture resistance of the coated tool by eliminating variations in the hardness of the titanium nitride layer.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 8-300203 A) Japanese Patent No. 11-140647 (A) Japanese Patent No. 5729777 (B)
  • the inventors of the present invention have a high load acting on the cutting edge, and even when the hard coating layer is used under a high load / low speed cutting process condition in which plastic deformation easily occurs, As a result of diligent research on the structure of the hard coating layer that is unlikely to cause abnormal damage, a hard coating layer including at least a Ti compound layer is formed on the surface of the tool base, and at least one TiCN layer is formed as the Ti compound layer.
  • a hard coating layer including at least a Ti compound layer is formed on the surface of the tool base, and at least one TiCN layer is formed as the Ti compound layer.
  • the TiCN layer is formed as a columnar vertically long structure having an aspect ratio of 5 or more, in addition to excellent plastic deformation resistance, it exhibits excellent wear resistance provided by the columnar vertically long structure. I found it.
  • This invention is made
  • A The hard coating layer is composed of one layer or two or more layers selected from a Ti carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbonate layer, and a carbonitride layer, and at least one of them Comprises a Ti compound layer composed of Ti carbonitride layers and having a total average layer thickness of 2 to 15 ⁇ m
  • the coated tool of the present invention a hard coating layer including a Ti compound layer is formed on the tool base surface, the Ti compound layer includes at least one TiCN layer, and at least one of the TiCN layers has a (200) orientation degree. It consists of a high TiCN layer.
  • the hard coating layer of the coated tool of the present invention includes a Ti compound layer (for example, a TiC layer, a TiN layer, a TiCN layer, a TiCO layer, and a TiCNO layer), and the Ti compound layer itself has excellent high-temperature strength, and the tool The adhesion strength with the substrate surface is excellent, but when the total average layer thickness of the Ti compound layer is less than 2 ⁇ m, the above effect cannot be sufficiently exhibited. On the other hand, when the total average layer thickness of the Ti compound layer exceeds 15 ⁇ m, it becomes easy to cause plastic deformation due to a high load acting at the time of cutting.
  • a Ti compound layer for example, a TiC layer, a TiN layer, a TiCN layer, a TiCO layer, and a TiCNO layer
  • the total average layer thickness of the lower layer made of the Ti compound layer is set to 2 to 15 ⁇ m.
  • the Ti compound layer of the hard coating layer of the coated tool of the present invention includes at least one TiCN layer, and the layer is configured as a TiCN layer having (200) orientation. That is, for the crystal grains constituting the at least one TiCN layer, when the diffraction peak intensity from each lattice plane is measured by X-ray diffraction, the maximum diffraction peak intensity appears on the (200) plane (200) orientation
  • FIG. 1 shows an example of a chart of diffraction peak intensity from each lattice plane measured by X-ray diffraction for the TiCN layer of the hard coating layer of the coated tool of the present invention. As is clear from FIG.
  • the TiCN layer of the coated tool of the present invention shows the maximum peak intensity of the diffraction peak intensity for the (200) plane compared to the diffraction peak intensity from other lattice planes.
  • X-ray diffraction was measured by the 2 ⁇ - ⁇ method using CuK ⁇ rays using a Spectris PANalytical Empire as an X-ray diffractometer, and measurement conditions (measurement range (2 ⁇ ): 30 to 130 degrees, X-ray output: The measurement was performed under the conditions of 45 kV, 40 mA, divergent slit: 0.5 degree, scan step: 0.013 degree, measurement time per step: 0.48 sec / step.
  • the coated tool of the present invention has a value of Tc (200) of 2.0 or more, preferably 3.0 or more. It has the (200) orientation shown.
  • the orientation index Tc (hkl) is defined by the following formula.
  • I (hkl) represents the peak intensity (diffraction intensity) of the measured (hkl) plane
  • I 0 (hkl) is a JCPDS card (Joint Committee on Powder Diffraction Standards (powder X-ray diffraction standard)).
  • the average value of the powder diffraction intensity of TiC and TiN constituting the (hkl) plane represented is shown.
  • (hkl) is the eight faces of (111), (200), (220), (311), (222), (331), (420), (422) Indicates the average value of 8 surfaces.
  • At least one TiCN layer of the coated tool of the present invention shows the maximum peak intensity by X-ray diffraction on the (200) plane, and the orientation index Tc (200) ⁇ 2.0 (200). Due to the orientation, even when a large shearing force is applied to the TiCN layer during cutting, the TiCN layer has plastic deformation resistance. The occurrence of peeling or the occurrence of abnormal damage such as the progression of uneven wear can be suppressed, and the wear resistance can be improved thereby. However, when the X-ray diffraction peak intensity for the (200) plane cannot be said to be the maximum compared to the diffraction peak intensities from other lattice planes, or the orientation index Tc (200) is less than 4.0.
  • the X-ray diffraction peak intensity of the (200) plane measured for at least one TiCN layer of the Ti compound layers is maximum as compared with the peak intensity of other crystal lattice planes.
  • the orientation index Tc (200) was determined to be 2.0 or more, preferably 3.0 or more.
  • At least one TiCN layer in the Ti compound layer has a columnar longitudinal structure.
  • the area ratio occupied by columnar longitudinal TiCN crystal grains having an aspect ratio of 5 or more determined from the maximum grain width W of TiCN crystal grains and the maximum grain length L in the layer thickness direction is 70 areas of the longitudinal sectional area of the TiCN layer.
  • the maximum grain width W and the maximum grain length L are the columnar vertically grown TiCN crystal grains, when one crystal grain in the longitudinal section of the TiCN layer is measured, the crystal grains in the direction perpendicular to the layer thickness direction.
  • the largest value of the width (short side) is called the maximum particle width W, while the largest value of the crystal grain height (long side) in the layer thickness direction is called the maximum particle length L.
  • the thickness of the TiCN layer is not particularly limited, but the thickness of all the TiCN layers constituting the Ti compound layer is preferably 4 to 13 ⁇ m. This indicates that when the thickness of the TiCN layer is 4 ⁇ m or more, the value of Tc (200) tends to increase, and the plastic deformation resistance in high-load cutting is improved, and the flank wear amount is also reduced, resulting in wear resistance. On the other hand, if the thickness of the TiCN layer exceeds 13 ⁇ m, plastic deformation is likely to occur, and abnormal damage due to the progress of uneven wear occurs.
  • the lower Ti compound layer in this invention is formed as follows, for example. That is, various Ti compound layers comprising one or more of TiC layer, TiN layer, TiCN layer, TiCO layer, TiCNO layer and TiAlN layer are formed by vapor deposition using a normal chemical vapor deposition apparatus. Among them, a (200) highly oriented TiCN layer, or a TiCN layer in which columnar vertically elongated grains having an aspect ratio of 5 or more occupy 70 area% or more of the longitudinal section of the Ti compound layer, It can be formed by the following vapor deposition method.
  • Reaction gas composition (volume%): TiCl 4 1-5%, CH 3 CN 0.5-1.5%, N 2 25-40%, balance H 2 , Reaction atmosphere temperature: 750 to 850 ° C.
  • Reaction atmosphere pressure 5 to 10 kPa
  • Reaction gas composition volume%: NH 3 0.5-2.0%, TiCl 4 0.1-0.3%, N 2 0-10%, balance H 2 , Reaction atmosphere temperature: 750 to 850 ° C.
  • Reaction atmosphere pressure 5 to 8 kPa By creating under such conditions, it becomes easy to form crystal grains having a columnar longitudinal structure having an aspect ratio of 5 or more.
  • the hard coating layer including the Ti compound layer formed on the surface of the tool base includes at least one TiCN layer as the Ti compound layer, and at least one of the TiCN layers.
  • the two layers have a (200) orientation in which the maximum diffraction peak intensity due to X-ray diffraction appears on the (200) plane and the orientation index Tc (200) is 2.0 or more.
  • Tc orientation index
  • the area ratio of the crystal grains having a columnar longitudinal structure having an aspect ratio of 5 or more is 70 area% or more of the longitudinal section of the lower layer, whereby the wear resistance can be further improved. It is possible to extend the life of the cutting tool.
  • Embodiments of the coated tool of the present invention will be specifically described based on examples.
  • WC powder, TiC powder, ZrC powder, NbC powder, Cr 3 C 2 powder, TiN powder, and Co powder all having an average particle diameter of 1 to 3 ⁇ m were prepared. Then, after adding wax, ball mill mixing in acetone for 24 hours, drying under reduced pressure, press-molding into a green compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa. In a vacuum, vacuum sintering is performed at a predetermined temperature within a range of 1370 to 1470 ° C. for 1 hour, and after sintering, a tool base a to WC-base cemented carbide having an ISO standard CNMG120408 insert shape is used. Each d was produced.
  • ZrC powder ZrC powder
  • TaC powder Mo 2 C powder
  • WC powder Co powder all having an average particle diameter of 0.5 to 2 ⁇ m
  • Ni powder these raw material powders are blended in the blending composition shown in Table 2, wet mixed by a ball mill for 24 hours, dried, and then pressed into a compact at a pressure of 98 MPa.
  • the body was sintered in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa at a temperature of 1500 ° C. for 1 hour, and after sintering, a tool base e made of TiCN-based cermet having an insert shape of ISO standard CNMG120212 was produced.
  • each of the tool bases a to d and the tool base e is charged into a normal chemical vapor deposition apparatus, and a Ti compound layer having a target layer thickness shown in Table 6 under the conditions shown in Tables 3 and 4
  • the coated tools 1 to 13 of the present invention shown in Table 6 were produced respectively by vapor deposition.
  • the HT-TiCN layer shown in Table 3 is a TiCN layer manufactured at a higher reaction atmosphere temperature than the TiCN layer shown in paragraph 0016.
  • the TiN layer-1 (first layer) and the TiAlN layer are the deposition conditions for the Ti compound layer in which columnar vertically oriented crystal grains having an aspect ratio of 5 or more are likely to be formed.
  • each of the tool bases a to d and the tool base e is loaded into a normal chemical vapor deposition apparatus, and the target layer thicknesses shown in Table 7 are set under the conditions shown in Tables 3 and 5.
  • Comparative example-coated tools 1 to 13 shown in Table 7 were produced by depositing a Ti compound layer.
  • the diffraction peak intensity from each lattice plane was measured by X-ray diffraction.
  • FIG. 1 the chart calculated
  • X-ray diffraction was measured by the 2 ⁇ - ⁇ method using CuK ⁇ rays using Spectris PANalytical Empirean as an apparatus. Measurement conditions are measurement range (2 ⁇ ): 30 to 130 degrees, X-ray output: 45 kV, 40 mA, diverging slit: 0.5 degrees, scan step: 0.013 degrees, measurement time per step: 0.48 sec / step It is. From the chart obtained above, it was determined whether or not the diffraction peak intensity from the (200) plane was the maximum with respect to the diffraction peak intensities from other lattice planes. Tables 6 and 7 show the determination results.
  • orientation index Tc (200) was determined based on the measurement result of the diffraction peak intensity.
  • the orientation index Tc (200) was calculated by the following formula.
  • I (hkl) represents the measured diffraction peak intensity of the (hkl) plane
  • I 0 (hkl) is represented by a JCPDS card (Joint Committee on Powder Diffraction Standards (powder X-ray diffraction standard))
  • hkl The average value of the powder diffraction intensities of TiC and TiN constituting the surface is shown.
  • (hkl) is the eight surfaces (111), (200), (220), (311), (222), (331), (420), and (422).
  • Tables 6 and 7 show the values of the orientation index Tc (200) calculated above.
  • the longitudinal section of the TiCN layer of the lower layer of the coated tools 1 to 13 of the present invention and the comparative coated tools 1 to 13 is 10 ⁇ m in a direction parallel to the tool base using a scanning electron microscope (5000 times magnification).
  • the maximum grain width W and the maximum grain length L are measured for each TiCN crystal grain existing in the region of the height of the TiCN layer in the direction perpendicular to the substrate, and the value of the aspect ratio L / W is set.
  • the area ratio of crystal grains having an aspect ratio L / W of 5 or more in the longitudinal section of the TiCN layer was determined. Tables 6 and 7 show the area ratios obtained above.
  • the thicknesses of the constituent layers of the hard coating layers of the inventive coated tools 1 to 13 and comparative example coated tools 1 to 13 were measured using a scanning electron microscope (longitudinal cross section measurement). The average layer thickness (average value of 5-point measurement) substantially the same as the thickness was shown.
  • ⁇ Cutting condition B Work material: SUS304, Cutting speed: 200 m / min, Cutting depth: 2.0mm Feed: 0.3mm / rev, Cutting time: Dry interrupted cutting test of four stainless steel slit materials under conditions of 5 minutes. The flank wear width of the cutting edge in the above cutting test was measured, and the occurrence of abnormal damage such as chipping, chipping and peeling was observed with the naked eye. Tables 8 and 9 show the test results.
  • the coated tools 1 to 13 of the present invention have a TiCN layer having excellent plastic deformation resistance as the Ti compound layer of the hard coating layer, the TiCN crystal grains fall off. Excellent wear resistance with no chipping, chipping or peeling caused by In contrast, the comparative example coated tools 1 to 13 have a relatively short service life due to abnormal damage such as dropping, chipping, chipping and peeling of TiCN crystal grains in high load / low speed cutting. It is clear that
  • the coated tool of the present invention exhibits excellent cutting performance in high-load / low-speed cutting in which a high load (a large shearing force) acts on the cutting edge, but the normal conditions such as various steel and cast iron Of course, it can also be used for continuous cutting and intermittent cutting.

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Abstract

工具基体表面に、硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、前記硬質被覆層は、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層から選ばれる１層または２層以上からなり、その内の少なくとも１層はＴｉＣＮ層で構成された２～１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含み、該Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉＣＮ層は、（２００）面にＸ線回折による最大回折ピーク強度が現れ、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上であり、好ましくは、Ｔｉ化合物層において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が、Ｔｉ化合物層の縦断面に占める面積割合は、７０面積％以上である表面被覆切削工具。

Description

表面被覆切削工具
　本願発明は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、硬質被覆層が塑性変形を起こしやすい高負荷かつ低速条件で行った場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐塑性変形性を有し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関する。
　本願は、２０１６年２月１７日に日本に出願された特願２０１６－０２７７２６号及び２０１７年２月１６日に日本に出願された特願２０１７－０２６５７４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
　（ａ）下部層が、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
　（ｂ）上部層が、酸化アルミニウム層（以下、Ａｌ２Ｏ３層で示す）、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層が蒸着形成された被覆工具が知られているが、被削材の種類、切削条件に応じて、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、耐摩耗性等の工具性能を高めるため、各種の提案がなされている。
　例えば、特許文献１には、ＷＣ基超硬合金基体の表面に、少なくとも１層のチタンの炭窒化物層を含むチタン化合物内層と、酸化アルミニウム外層とで構成された複合硬質層を被覆してなる切削工具において、前記チタン化合物内層を構成する少なくとも１層のチタンの炭窒化物層は、（２２０）面にＸ線回折による最大ピークが現れるＴｉＣＮ層であり、前記酸化アルミニウム外層は、κ型結晶を主体とし、かつＡＳＴＭにおいてκ－Ａｌ２Ｏ３の面間隔２．７９オングストロームの面として定義される面に最大ピークが現れる酸化アルミニウム層とすることにより、剥離、摩耗等による異常損傷の発生を防止し、工具寿命の向上を図ることが提案されている。
　即ち、ＴｉＣＮ層は（２２０）面に配向することで、基体または下の層との密着力を増し、界面からの剥離が起きにくくなるため、剥離に起因する異常損傷の発生や寿命低下を抑えることができる。また、（２２０）面に配向したＴｉＣＮ層の上に、κ型結晶を主体としかつＡＳＴＭにおいてκ－Ａｌ２Ｏ３の面間隔２．７９オングストロームの面として定義される面に最大ピークが現れる酸化アルミニウム層を被覆すると、前記面間距離２．７９オングストロームに配向性を示すκ－Ａｌ２Ｏ３は被覆層表面が平滑であるために、切り屑と工具間の摩擦による異常損傷が生じにくくなり、この酸化アルミニウム層が異常損傷を起しにくく安定した耐摩耗性を示すというものである。
　また、特許文献２には、工具基体表面に内層および外層を被覆形成した被覆工具において、内層を１０μｍ以上の厚みを有し柱状組織からなる炭窒化チタン層を有する多層構造とし、外層を、少なくともα型酸化アルミニウム層を含む層とし、前記炭窒化チタン層について、（４２２）面と（３１１）面との配向性指数ＴＣ（４２２）、ＴＣ（３１１）をともに１．３以上３以下とする配向性をもたせ、また、配向性指数ＴＣ（４２２）とＴＣ（３１１）とを除く配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）がすべて１．５以下とすることによって、被覆工具の耐剥離性、耐摩耗性、耐クレータ性、また、破壊強度を向上させることが提案されている。
　ここで、炭窒化チタン層の配向性指数ＴＣ（４２２）、ＴＣ（３１１）をともに１．３以上とし、その組織を柱状組織とすることにより、１０μｍ以上の膜厚でも膜の耐破壊性を大きく向上させ耐摩耗性を向上させることが可能となり、また、切削中のチッピングによる摩耗の進行が抑制し得るとともに、切削中の被削材の溶着が起こりにくくなり、その結果、膜にかかる切削応力の増大が防げることから耐剥離性も大幅に向上するとされている。
　また、特許文献３には、基体表面に、少なくとも１層の炭窒化チタン層を含む硬質被覆層を形成した被覆工具において、前記炭窒化チタン層の組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）のうちの配向性指数ＴＣ（２２０）を最大とし、また、硬度基準片の押し込み硬度をＨｓとし、炭窒化チタン層の押し込み硬度をＨｔとした場合、（Ｈｔの平均値）／Ｈｓ≧３、かつ、炭窒化チタン層の押し込み硬度の最大値をＨｔmax、最小値をＨｔminとした場合、（Ｈｔmax－Ｈｔmin）／（Ｈｔの平均値）＜０．５とし、炭窒化チタン層の結晶配向性を制御するとともに、該炭窒化チタン層の硬度のばらつきをなくすことにより、被覆工具の耐摩耗性および耐欠損性の向上を図ることが提案されている。
日本国特開平８－３００２０３号公報（Ａ） 日本国特許平１１－１４０６４７号公報（Ａ） 日本国特許第５７２９７７７号公報（Ｂ）
　近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強い。これに伴い、切削加工は一段と高能率化すると共に、高切り込みや高送りなどの重切削、断続切削等で切れ刃に高負荷が作用する傾向にある。前述した従来の被覆工具を鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削、高速切削に用いた場合には問題はないが、従来の被覆工具を、高負荷が作用することにより、硬質被覆層が塑性変形を起こすような高負荷・低速切削加工条件に用いた場合には、硬質被覆層の塑性変形により、硬質被覆層を構成する結晶粒の脱落等が生じやすく、また、これに起因する異常摩耗が進行しやすく、これを原因として比較的短時間で工具寿命に至るという問題がある。
　そこで、本願発明者らは、前述のような観点から、切れ刃に高負荷が作用し、硬質被覆層が塑性変形を起こしやすい高負荷・低速切削加工条件で使用した場合でも、硬質被覆層の異常損傷が発生しにくい硬質被覆層の構造について鋭意研究を行ったところ、工具基体表面に、少なくともＴｉ化合物層を含む硬質被覆層を形成し、さらに、Ｔｉ化合物層として、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含む層を形成し、該ＴｉＣＮ層の（２００）配向性を高めた場合には、高負荷（特に、ＴｉＣＮ層表面への大きなせん断力）が作用したとしても、ＴｉＣＮ層がすぐれた耐塑性変形性を有するため、ＴｉＣＮ層を構成する結晶粒の脱落等による異常損傷の発生を抑制し得ること、また、これにより耐摩耗性の向上を図り得ることを見出したのである。
　また、前記ＴｉＣＮ層を、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織として形成した場合には、すぐれた耐塑性変形性に加え、柱状縦長組織によりもたらされる一段とすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。
　本願発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、以下の態様を有する。
　（１）炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
　（ａ）前記硬質被覆層は、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層から選ばれる１層または２層以上からなり、その内の少なくとも１層はＴｉの炭窒化物層で構成された２～１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含み、
　（ｂ）前記Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、（２００）面にＸ線回折による最大回折ピーク強度が現れ、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。
　（２）前記Ｔｉ化合物層の縦断面において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が占める面積割合は、７０面積％以上であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
　（３）前記Ｔｉ化合物層において、すべてのＴｉの炭窒化物層の層厚が４～１３μｍであることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
　次に、本願発明の一態様の被覆工具（以下、「本願発明の被覆工具」と称する）について詳細に説明する。
　本願発明の被覆工具は、工具基体表面にＴｉ化合物層を含む硬質被覆層が形成され、Ｔｉ化合物層は少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、該ＴｉＣＮ層の少なくとも１層は、（２００）配向度の高いＴｉＣＮ層からなっている。
　硬質被覆層：
　本願発明の被覆工具の硬質被覆層は、Ｔｉ化合物層（例えば、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層）を含み、Ｔｉ化合物層それ自身がすぐれた高温強度を有するとともに、工具基体表面との密着強度に優れるが、Ｔｉ化合物層の合計平均層厚が２μｍ未満の場合、前記作用を十分に発揮させることができない。
　一方、Ｔｉ化合物層の合計平均層厚が１５μｍを越えるような場合には、切削加工時に作用する高負荷によって塑性変形を起し易くなり、その結果、結晶粒の脱落の発生、これによるチッピング、欠損、剥離の発生、あるいは偏摩耗の進行等の異常損傷発生の原因となる。
　したがって、本願発明の被覆工具では、Ｔｉ化合物層からなる下部層の合計平均層厚は２～１５μｍと定めた。
　ＴｉＣＮ層：
　本願発明の被覆工具の硬質被覆層のＴｉ化合物層は、少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、該層は、（２００）配向性を有するＴｉＣＮ層として構成される。
　すなわち、前記少なくとも１層のＴｉＣＮ層を構成する結晶粒について、Ｘ線回折により各格子面からの回折ピーク強度を測定した場合、（２００）面に最大の回折ピーク強度が現れる（２００）配向性を有する。
　図１に、本願発明の被覆工具の硬質被覆層のＴｉＣＮ層について、Ｘ線回折により測定した各格子面からの回折ピーク強度のチャートの一例を示す。
　図１からも明らかなように、本願発明の被覆工具のＴｉＣＮ層は、（２００）面についての回折ピーク強度が、他の格子面からの回折ピーク強度に比べると最大のピーク強度を示していることがわかる。
　なお、Ｘ線回折は、Ｘ線回折装置としてスペクトリス社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｅｍｐｙｒｅａｎを用いて、ＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定し、測定条件として、測定範囲（２θ）：３０～１３０度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐという条件で測定した。
　さらに、前記少なくとも１層のＴｉＣＮ層について、配向性指数Ｔｃ（ｈｋｌ）を求めた場合、本願発明の被覆工具ではＴｃ（２００）の値が２．０以上、好ましくは、３．０以上、を示す（２００）配向性を有する。
　なお、配向性指数Ｔｃ（ｈｋｌ）とは、以下の式で定義されるものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記式中、Ｉ（ｈｋｌ）は測定された（ｈｋｌ）面のピーク強度（回折強度）を示し、Ｉ０（ｈｋｌ）はＪＣＰＤＳカード（Ｊｏｉｎｔ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ　ｏｎ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ（粉末Ｘ線回折標準））で表される（ｈｋｌ）面を構成するＴｉＣとＴｉＮの粉末回折強度の平均値を示す。また、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（２２２）、（３３１）、（４２０）、（４２２）の８面であり、上記式の中括弧内は８面の平均値を示す。
　本願発明の被覆工具の少なくとも１層のＴｉＣＮ層は、前記したように(２００)面にＸ線回折による最大ピーク強度を示し、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）≧２．０という（２００）配向性を有することによって、切削加工時にＴｉＣＮ層に大きなせん断力が作用した場合でも、ＴｉＣＮ層は耐塑性変形性を有するため、該層を構成する結晶粒の脱落の発生、これによるチッピング、欠損、剥離の発生、あるいは、偏摩耗の進行等の異常損傷の発生を抑制することができ、また、これにより耐摩耗性を向上させることができる。
　しかし、(２００)面についてのＸ線回折ピーク強度が、他の格子面からの回折ピーク強度に比して最大であるといえない場合、あるいは、配向性指数Ｔｃ（２００）が４．０未満であるような場合には、（２００）面配向性が十分でないため、耐塑性変形性向上効果が十分でなく、その結果、高負荷（高せん断力）が作用した場合の粒子の脱落防止、チッピング・欠損の発生、偏摩耗の発生を抑制することができない。
　したがって、本願発明では、Ｔｉ化合物層の内の少なくとも１層のＴｉＣＮ層について測定した（２００）面のＸ線回折ピーク強度が、他の結晶格子面のピーク強度に比して最大であることとし、また、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上、好ましくは、３．０以上であると定めた。
　Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉＣＮ層は、柱状縦長組織を有していることが好ましい。
　特に、ＴｉＣＮ結晶粒の最大粒子幅Ｗと層厚方向の最大粒子長さＬから求められるアスペクト比が５以上である柱状縦長ＴｉＣＮ結晶粒の占める面積割合が、ＴｉＣＮ層の縦断面面積の７０面積％以上を占める場合には、柱状縦長組織の特徴である耐摩耗性向上効果を期待することができる。
　なお、前記最大粒子幅Ｗ、最大粒子長さＬとは、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶粒について、ＴｉＣＮ層の縦断面における１つの結晶粒を計測したとき、層厚方向に垂直な方向の結晶粒の幅（短辺）で最も大きい値を最大粒子幅Ｗと呼び、一方、層厚方向の結晶粒の高さ（長辺）で最も大きい値を最大粒子長さＬと呼ぶ。
　また、ＴｉＣＮ層の層厚について特に限定するものではないが、Ｔｉ化合物層を構成するすべてのＴｉＣＮ層の層厚が４～１３μｍであることが望ましい。
　これは、ＴｉＣＮ層の層厚が４μｍ以上になると、Ｔｃ（２００）の値が大きくなる傾向を示し、高負荷切削加工における耐塑性変形性が向上するとともに、逃げ面摩耗量も減少し耐摩耗性が向上するからであり、一方、ＴｉＣＮ層の層厚が１３μｍを超えると、塑性変形を起し易くなり、偏摩耗の進行による異常損傷が発生するという理由による。
　Ｔｉ化合物層の成膜：
　この発明における下部層のＴｉ化合物層は、例えば、以下のようにして形成する。即ち、通常の化学蒸着装置を使用して、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層およびＴｉＡｌＮ層のうちの１層または２層以上からなる種々のＴｉ化合物層を蒸着形成する。
　その中で、（２００）配向性の高いＴｉＣＮ層、あるいは、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が、Ｔｉ化合物層の縦断面の７０面積％以上を占めるＴｉＣＮ層は、例えば、以下の蒸着方法によって形成することができる。
　反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ４　１～５％、ＣＨ３ＣＮ　０．５～１．５％、Ｎ２　２５～４０％、残部Ｈ２、
　反応雰囲気温度：７５０～８５０℃、
　反応雰囲気圧力：５～１０ｋＰａ
　反応雰囲気温度を低温にし、ＴｉＣＮ層の原料となるガス濃度比を低くすることで、（２００）配向性の高い結晶組織が形成しやすくなり、またその組織は柱状縦長組織を有しやすくなる。
　また、ＴｉＮ層の形成時に、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＮＨ３　０．５～２．０％，ＴｉＣｌ４　０．１～０．３％、Ｎ２　０～１０％、残部Ｈ２、
　反応雰囲気温度：７５０～８５０℃、
　反応雰囲気圧力：５～８ｋＰａ
のような条件で作成することで、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒を形成しやすくなる。
　本願発明の被覆工具によれば、工具基体の表面に形成されたＴｉ化合物層を含む硬質被覆層は、Ｔｉ化合物層として少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、かつ、該ＴｉＣＮ層の内の少なくとも１つの層は、（２００）面にＸ線回折による最大回折ピーク強度が現れ、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上である（２００）配向性を有するため、すぐれた耐塑性変形性を備える。
　その結果、ＴｉＣＮ層表面への大きなせん断力が作用する高負荷・低速切削加工条件で使用した場合でも、本願発明の被覆工具は、ＴｉＣＮ層の備えるすぐれた耐塑性変形性によって、結晶粒の脱落、チッピング・欠損・剥離等の異常損傷の発生を抑制することができ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
　さらに、Ｔｉ化合物層において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒の面積割合が、下部層の縦断面の７０面積％以上であることによって、耐摩耗性をより向上させることができ、切削工具の長寿命化を図ることができる。
本願発明の被覆工具のＴｉＣＮ層について、Ｘ線回折により測定した各結晶格子面から得られた回折ピーク強度の一例を示す。
　本願発明の被覆工具の実施形態について、実施例に基づいて具体的に説明する。
　原料粉末として、いずれも１～３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０～１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体ａ～ｄをそれぞれ製造した。
　また、原料粉末として、いずれも０．５～２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、Ｍｏ2Ｃ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ｅを作製した。
　ついで、これらの工具基体ａ～ｄおよび工具基体ｅのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、表３、表４に示される条件で、表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層を蒸着形成することにより、表６に示される本発明被覆工具１～１３をそれぞれ製造した。
　なお、表３で示すＨＴ－ＴｉＣＮ層は、段落００１６で示したＴｉＣＮ層よりも反応雰囲気温度が高温で作製したＴｉＣＮ層を示す。
また、表３において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織の結晶粒が形成されやすいＴｉ化合物層の成膜条件は、ＴｉＮ層－１（第１層）とＴｉＡｌＮ層である。
　また、比較の目的で、工具基体ａ～ｄおよび工具基体ｅのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、表３、表５に示される条件で、表７に示される目標層厚のＴｉ化合物層を蒸着形成することにより、表７に示される比較例被覆工具１～１３をそれぞれ製造した。
　本発明被覆工具１～１３および比較被覆工具１～１３のＴｉ化合物層のＴｉＣＮ層について、Ｘ線回折により、各格子面からの回折ピーク強度を測定した。
図１に、本発明被覆工具１について求めたチャートを示す。
　なお、Ｘ線回折は、装置としてスペクトリス社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｅｍｐｙｒｅａｎを用い、ＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定した。
　測定条件は、測定範囲（２θ）：３０～１３０度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐである。
　上記で求めたチャートから、（２００）面からの回折ピーク強度が、他の格子面からの回折ピーク強度に対して最大であるか否かを判定した。
　表６、表７に、その判定結果を示す。
　また、上記回折ピーク強度の測定結果に基づき、配向性指数Ｔｃ（２００）を求めた。
　配向性指数Ｔｃ（２００）は、下記式によって算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ｉ（ｈｋｌ）は測定された（ｈｋｌ）面の回折ピーク強度を示し、Ｉ０（ｈｋｌ）はＪＣＰＤＳカード（Ｊｏｉｎｔ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ　ｏｎ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ（粉末Ｘ線回折標準））で表される（ｈｋｌ）面を構成するＴｉＣとＴｉＮの粉末回折強度の平均値を示す。また、（ｈｋｌ）は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（２２２）、（３３１）、（４２０）、（４２２）の８面である。
　表６、表７に、上記で算出した配向性指数Ｔｃ（２００）の値を示す。
　また、本発明被覆工具１～１３および比較被覆工具１～１３の下部層のＴｉＣＮ層の縦断面について、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて、工具基体と平行な方向に１０μｍ、工具基体と垂直な方向にＴｉＣＮ層の層厚分の高さの領域内に存在するＴｉＣＮ結晶粒のそれぞれについて最大粒子幅Ｗ、最大粒子長さＬを測定するとともに、アスペクト比Ｌ／Ｗの値を求め、アスペクト比Ｌ／Ｗが５以上である結晶粒が、ＴｉＣＮ層の縦断面に占める面積割合を求めた。
　表６、表７に、上記で求めた面積割合を示す。
　また、本発明被覆工具１～１３、比較例被覆工具１～１３の硬質被覆層の各構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　つぎに、本発明被覆工具１～１３、比較例被覆工具１～１３の各種の被覆工具について、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、次の切削条件Ａ、切削条件Ｂで切削試験を実施した。
≪切削条件Ａ≫
　被削材：ＳＵＳ６３０，
　切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ，
　切り込み：３．０ｍｍ
　送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
　切削時間：５分間
の条件でのステンレス鋼丸棒の乾式連続高切り込み切削試験。
≪切削条件Ｂ≫
　被削材：ＳＵＳ３０４，
　切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ，
　切り込み：２．０ｍｍ
　送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ，
　切削時間：５分間
の条件でのステンレス鋼４本スリット材の乾式断続切削試験。
　上記の切削試験における切れ刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷の発生状況を肉眼で観察した。
　表８、表９に、この試験結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　表８、表９に示される結果から、本発明被覆工具１～１３は、硬質被覆層のＴｉ化合物層として、耐塑性変形性にすぐれるＴｉＣＮ層が存在するため、ＴｉＣＮ結晶粒の脱落、これを原因とするチッピング、欠損、剥離の発生もなく、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
　これに対して、比較例被覆工具１～１３は、高負荷・低速切削加工においては、ＴｉＣＮ結晶粒の脱落、チッピング・欠損・剥離等の異常損傷の発生により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
　前述のように、本願発明の被覆工具は、切れ刃に高負荷(大きなせん断力)が作用する高負荷・低速切削において特にすぐれた切削性能を発揮するが、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削にも勿論用いることができる。

Claims (3)

  1. 　炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
    　（ａ）前記硬質被覆層は、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層から選ばれる１層または２層以上からなり、その内の少なくとも１層はＴｉの炭窒化物層で構成された２～１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含み、
    　（ｂ）前記Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、（２００）面にＸ線回折による最大回折ピーク強度が現れ、かつ、配向性指数Ｔｃ（２００）は２．０以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。
  2. 　前記Ｔｉ化合物層の縦断面において、アスペクト比が５以上である柱状縦長組織を有する結晶粒が占める面積割合は、７０面積％以上であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
  3. 　前記Ｔｉ化合物層において、すべてのＴｉの炭窒化物層の層厚が４～１３μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
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