WO2017150533A1 - 硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性と耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents

硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性と耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具およびその製造方法 Download PDF

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WO2017150533A1
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layer
tialn
hard coating
cutting tool
outermost
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龍 市川
翔太 近藤
斉 功刀
千津子 永山
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三菱マテリアル株式会社
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C5/00—Milling-cutters
    • B23C5/16—Milling-cutters characterised by physical features other than shape
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/34—Nitrides

Definitions

  • the present invention provides a surface-coated cutting tool that has a hard coating layer with excellent chipping resistance and excellent wear resistance over a long period of use in steel cutting under high-efficiency high-speed or high-feed conditions ( Hereinafter, it is related to a coated tool) and a manufacturing method thereof.
  • WC tungsten carbide
  • TiCN titanium carbonitride
  • cBN cubic boron nitride
  • the conventional coated tool with the Ti-Al composite nitride layer is relatively excellent in wear resistance, but causes abnormal wear such as chipping when used under high-speed or high-feed cutting conditions. It's easy to do. Accordingly, various proposals for improving the hard coating layer have been made.
  • a hard coating layer formed of a Ti—Al based composite nitride layer is formed by a chemical vapor deposition method, whereby the composition formula: (Ti 1 ⁇ in x Al x) N, the content ratio x of Al, has also been proposed a technique for increasing to about 0.9.
  • Patent Document 1 discloses that the value of the Al content ratio x is 0.65 to 0.6 by performing chemical vapor deposition in a temperature range of 650 to 900 ° C. in a mixed reaction gas of TiCl 4 , AlCl 3 , and NH 3.
  • a (Ti 1-x Al x ) N layer having a thickness of 0.95 can be formed by vapor deposition
  • this reference further describes an Al 2 O 3 layer on the (Ti 1-x Al x ) N layer.
  • the cutting performance is improved by forming a (Ti 1-x Al x ) N layer in which the value of the Al content ratio x is increased to 0.65 to 0.95. It has not been clarified as to what kind of influence it has.
  • Patent Document 2 a TiCN layer and an Al 2 O 3 layer are used as an inner layer, and a cubic structure (Ti 1-x Al) including a cubic structure or a hexagonal structure is formed thereon by chemical vapor deposition.
  • x ) N layer (wherein x is 0.65 to 0.90 in atomic ratio) is coated as an outer layer, and a compressive stress of 100 to 1100 MPa is applied to the outer layer, whereby the heat resistance and fatigue strength of the coated tool It has been proposed to improve.
  • Patent Document 3 discloses a coated tool including at least a composite nitride or a composite carbonitride layer represented by a composition formula: (Ti 1-x Al x ) (C y N 1-y ) as a hard coating layer.
  • the average content ratio x avg of Al and the average content ratio y avg of C are 0.60 ⁇ x avg ⁇ 0.95 and 0 ⁇ y avg ⁇ 0.005, respectively, in terms of atomic ratio, and composite nitride
  • it is proposed to improve chipping resistance and fracture resistance by forming a predetermined in-grain average orientation difference and inclination angle number distribution in the cubic grains constituting the composite carbonitride layer. Has been.
  • the coated tool described in Patent Document 2 has a predetermined hardness and excellent wear resistance, but is inferior in toughness, so when it is used for high-speed intermittent cutting of alloy steel, etc.
  • abnormal damage such as chipping, chipping and peeling is likely to occur, and it cannot be said that satisfactory cutting performance is exhibited.
  • wear resistance is satisfactory, but in steel cutting under high-efficiency high-speed or high-feed conditions, abnormal damage such as chipping and chipping is caused. There was a problem that the suppression of the generation was not sufficient.
  • the present invention provides excellent chipping resistance and excellent wear resistance over a long period of use even when subjected to steel cutting under high-efficiency high-speed or high-feed conditions. It is an object of the present invention to provide a coated tool and a manufacturing method thereof.
  • the inventor has developed a coating formed by chemical vapor deposition of a hard coating layer containing at least a composite nitride of Ti and Al (hereinafter, sometimes referred to as “TiAlN” or “(Ti 1-x Al x ) N”).
  • TiAlN a composite nitride of Ti and Al
  • the component composition of the TiAlN layer is expressed by the composition formula: (Ti 1-x Al x ) N.
  • the average content ratio x avg (where x avg is an atomic ratio) of the total amount of Ti and Al in Al can be increased to 0.70 ⁇ x avg ⁇ 0.90, and the average content ratio x of Al
  • the TiAlN layer can be formed as a NaCl-type face-centered cubic structure, and the structure of the TiAlN layer can be formed as a columnar structure extending in a direction parallel to the layer thickness direction.
  • the present inventors have found that the hardness of the TiAlN layer can be improved by the high Al content ratio, crystal structure and crystal structure of the TiAlN layer, and as a result, the wear resistance can be improved.
  • the present inventor performs blasting on the cutting edge ridge line and the rake face in the coated tool having the hard coating layer to reduce the surface roughness Ra of the cutting edge ridge line and the rake face, thereby achieving surface smoothing. It has been found that the concave portions existing between the columnar particles on the outermost surface of the coating, which are the starting points of the fracture, can be removed, and as a result, the chipping resistance of the coated tool can be improved.
  • the coated tool of the present invention having the high Al content ratio, the crystal structure and the crystal structure, and further forming at least a TiAlN layer having a cutting edge ridge line and a rake face with high surface smoothness, Even when subjected to steel cutting under high-efficiency high-speed or high-feed conditions, it exhibits excellent chipping resistance and wear resistance.
  • the present invention has been made based on the above findings, “(1) In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is formed on the surface of a tool base made of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet, (A) The hard coating layer is formed with a composite nitride layer of Ti and Al having an average layer thickness of at least 1.5 to 15 ⁇ m as an outermost layer, (B) the Ti and Al composite nitride layer, Composition formula: (Ti 1-x Al x ) When expressed by N, the average content ratio x avg (where x avg is an atomic ratio) in the total amount of Ti and Al in Al is 0.70 ⁇ x avg ⁇ 0.90 is satisfied, (C) The composite nitride layer of Ti and Al has a columnar structure, and is composed of a composite nitride of Ti and Al mainly composed of a NaCl type face centered cubic structure, (D) The surface
  • the outermost layer of the hard coating layer of the present invention is a TiAlN layer represented by a chemical vapor deposition composition formula: (Ti 1-x Al x ) N (however, in the composition formula, the total amount of Ti of Ti and Al The average content ratio x avg occupies 0.70 ⁇ x avg ⁇ 0.90 in terms of atomic ratio.
  • This TiAlN layer has high hardness and excellent wear resistance, but the effect is particularly remarkable when the average layer thickness is 1.5 to 15 ⁇ m.
  • the average layer thickness is set to 1.5 to 15 ⁇ m.
  • the TiAlN layer constituting the outermost layer is determined such that the average content ratio x avg in the total amount of Ti and Al in Al satisfies 0.70 ⁇ x avg ⁇ 0.90 in atomic ratio.
  • the reason is that if the average content ratio x avg of Al is less than 0.70, the TiAlN layer is inferior in hardness, so when it is subjected to steel cutting under high-efficiency high-speed or high-feed conditions, Abrasion is not enough.
  • the average Al content ratio x avg exceeds 0.90, the Ti content ratio is relatively decreased, leading to embrittlement and lowering of chipping resistance. Therefore, the average content ratio x avg of Al was determined as 0.70 ⁇ x avg ⁇ 0.90.
  • the outermost TiAlN layer is formed as a columnar structure extending in a direction parallel to the layer thickness direction, and TiAlN crystal grains constituting the layer mainly have a NaCl-type crystal structure.
  • the outermost TiAlN layer is a columnar structure with excellent toughness, and is composed of TiAlN crystal grains mainly composed of NaCl-type crystal structure with excellent hardness, and each of the cutting edge ridgeline and rake face
  • the outermost layer of the present invention is surface-smoothed by blasting described later, so that the coated tool of the present invention has an outermost layer having excellent toughness and wear resistance. As a result, the coated tool of the present invention has a high efficiency. Excellent chipping and wear resistance in steel cutting at high speed or high feed conditions.
  • the columnar structure of the outermost TiAlN layer is not particularly limited.
  • the average particle width of the TiAlN crystal grains is determined for the outermost TiAlN crystal grains of the outermost layer, the average particle width is 100 nm. It is preferably ⁇ 1000 nm. This is because, when the average particle width is less than 100 nm, the proportion of atoms belonging to the TiAlN crystal grain boundary in the atoms exposed on the outermost layer surface becomes relatively large, thereby increasing the reactivity with the work material.
  • the average particle width is preferably 100 nm to 1000 nm.
  • the average particle width referred to in the present invention refers to the observation of the outermost surface of the outermost layer using a scanning electron microscope, and draws a line segment having a length of at least 100 ⁇ m along the outermost surface of the outermost layer. This is a value obtained by dividing the length by the number of grain boundaries intersecting the line segment.
  • the average of TiAlN crystal grains is obtained in the direction perpendicular to the tool base surface (layer thickness direction) with respect to the longitudinal section of the outermost layer in the direction perpendicular to the tool base surface, the average of TiAlN crystal grains
  • the aspect ratio ie, average length / average particle width
  • the average aspect ratio of the TiAlN crystal grains is less than 2, since the columnar structure is not sufficient, the equiaxed crystal having a small aspect ratio is dropped, and as a result, sufficient wear resistance cannot be exhibited.
  • the average aspect ratio exceeds 20, the strength of the crystal grains themselves cannot be maintained, and on the contrary, chipping resistance is lowered, which is not preferable.
  • the average aspect ratio is preferably 2-20.
  • the average aspect ratio as used in the present invention refers to the particle diameter of each crystal grain when a longitudinal section of the outermost layer is observed in a range including a width of 100 ⁇ m and a height including the entire outermost layer using a scanning electron microscope.
  • the longest length of the long axis is taken as the long axis, the length of the long axis and the maximum length in the direction orthogonal to the long axis are obtained, and the length of the long axis is divided by the maximum length in the direction orthogonal to the long axis.
  • the average value obtained by calculating the aspect ratio of each crystal grain and averaging the calculated aspect values is referred to as the average aspect ratio.
  • TiAlN layer mainly composed of NaCl type face centered cubic structure The TiAlN layer of the present invention is mainly composed of TiAlN crystal grains having a NaCl-type face-centered cubic structure, but the presence of a minute amount of TiAlN crystal grains having other crystal structures is particularly advantageous for chipping resistance and wear resistance. Since it does not have an adverse effect, its inclusion is allowed. Specifically, even if TiAlN crystal grains having a hexagonal crystal structure with an area ratio of less than 20% are present in the TiAlN layer, there is no particular adverse effect on chipping resistance and wear resistance.
  • TiAlN layer mainly composed of a NaCl-type face-centered cubic structure is a TiAlN layer in which TiAlN crystal grains having a NaCl-type face-centered cubic structure having an area ratio of 80% or more are present.
  • the TiAlN layer of the present invention can be formed by, for example, the following chemical vapor deposition method.
  • a gas group A composed of NH 3 and H 2 and a gas group B composed of TiCl 4 , AlCl 3 , N 2 , and H 2 are supplied into the reactor from respective separate gas supply pipes.
  • the gas group A and the gas group B are supplied into the reaction apparatus, for example, at a constant time interval so that the gas flows for a time shorter than the cycle.
  • the reaction gas composition on the surface of the tool base is changed to (a) a gas group A, (b) a mixed gas of the gas group A and the gas group B, (C)
  • the gas group B can be changed with time.
  • the gas supply is continuously performed in time, and the tool is rotated by rotating the gas supply port, rotating the tool base, or reciprocating the tool base.
  • the reaction gas composition on the substrate surface is defined by (a) a mixed gas mainly composed of gas group A, (b) a mixed gas composed of gas group A and gas group B, (c) a mixed gas mainly composed of gas group B, and time. It can also be realized by changing it.
  • the reaction gas composition (volume% with respect to the total of the gas group A and the gas group B) is set as the gas group A, NH 3 : 0.8 to 1.6%, H 2 : 45 to 55%, As gas group B, AlCl 3 : 0.5 to 0.7%, TiCl 4 : 0.1 to 0.3%, N 2 : 0.0 to 10.0%, H 2 : remaining, reaction atmosphere pressure: 4 0.0 to 5.0 kPa, reaction atmosphere temperature: 700 to 900 ° C., supply cycle 1 to 5 seconds, gas supply time per cycle 0.15 to 0.25 seconds, phase difference 0 between gas supply A and gas supply B
  • the outermost layer composed of the TiAlN layer having the composition, structure and crystal structure defined in the present invention can be formed by performing the thermal CVD method for .10 to 0.20 seconds for a predetermined time.
  • the surface roughness Ra of the outermost layer surface of the rake face and the cutting edge ridge line is reduced to 0.30 ⁇ m or less by performing a smoothing process such as a blast process, for example.
  • the surface roughness Ra of the outermost layer surface of the cutting edge ridge line is set to 0.25 ⁇ m or less.
  • the surface roughness Ra of the outermost layer surface of the rake face exceeds 0.30 ⁇ m, the effect of improving the welding resistance and the effect of improving the chipping resistance due to this are small.
  • the surface roughness Ra is set to 0.30 ⁇ m or less.
  • the outermost surface of the outermost layer of the cutting edge ridgeline is required to have even greater resistance to welding and chipping as well as the outermost surface of the outermost layer.
  • the surface roughness Ra is 0.25 ⁇ m or less.
  • a wet blast process is preferable and can be performed under the following conditions.
  • Blasting solution Abrasive grains + water, Abrasive: Al 2 O 3 powder, Abrasive grain size: 170-500 (mesh), Abrasive grain concentration: 15-60% by mass, Blasting pressure: 0.08 to 0.30 MPa, Projection time: 6-60 seconds, Projection angle: 30-60 degrees with respect to the rake face normal,
  • the surface roughness Ra of the outermost layer of the rake face and the cutting edge ridge line can be adjusted by adjusting the blast pressure, the projection time, and the projection angle.
  • the TiAlN layer of the present invention constituting the outermost layer preferably further has a crystal structure described below in addition to the composition, structure, crystal structure and the like described above.
  • X-ray diffraction is performed on the flank face of the TiAlN layer constituting the outermost layer, and the diffraction peak intensity I (111) from the (111) plane, the diffraction peak intensity I (200) from the (200) plane, and from the (220) plane
  • I (111) is preferably larger than I (200) and I (220). This is because the (111) plane is a dense surface, and therefore the wear resistance can be improved by having a relatively high degree of orientation to the (111) plane.
  • the half width 2 ⁇ is 0.2. It is preferable that it is more than degree. This is because when the half width 2 ⁇ is large, the grain boundaries of the columnar structure are strengthened by the distortion of the TiAlN crystal grains, and the chipping resistance can be improved.
  • X-ray diffraction is measured under the following conditions: measurement conditions: Cu tube, measurement range (2 ⁇ ): 30 to 80 degrees, scan step: 0.013 degrees, measurement time per step: 0.48 sec / step. Can do.
  • the hard coating layer of the present invention exhibits a sufficient effect only with the TiAlN layer, but one of Ti carbide layer, nitride layer, carbonitride layer, carbonate layer and carbonitride oxide layer or
  • the lower layer composed of two or more Ti compound layers is formed with a total average layer thickness of 0.1 to 20 ⁇ m, the adhesion between the tool base and the TiAlN layer is improved, so that abnormalities such as chipping, chipping and peeling are observed. The occurrence of damage can be suppressed.
  • the total average layer thickness of the lower layer is less than 0.1 ⁇ m, the effect of the lower layer is not sufficiently exhibited. On the other hand, if it exceeds 20 ⁇ m, the crystal grains are likely to be coarsened and chipping is likely to occur.
  • the total average layer thickness of the layers is preferably 0.1 to 20 ⁇ m.
  • the coated tool of the present invention is a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is formed on the surface of a tool base, and the outermost layer of the hard coating layer is composed of a TiAlN layer, and the TiAlN layer contains an average content of Al.
  • the ratio x avg is 0.70 ⁇ x avg ⁇ 0.90, and it is composed mainly of crystal grains having a columnar-structured NaCl type face-centered cubic structure. Since the surface roughness Ra of the outermost layer of the edge line and the rake face is smoothed to 0.25 ⁇ m or less and 0.30 ⁇ m or less, respectively, it is excellent in steel cutting by high-efficiency high-speed or high-feed conditions. Excellent chipping resistance and wear resistance.
  • the coated tool of the present invention will be specifically described with reference to examples.
  • a case where a WC-based cemented carbide is used as a tool base will be described, but the same applies to a case where a TiCN-based cermet is used as a tool base.
  • WC powder and Co powder each having an average particle diameter of 1 to 3 ⁇ m are prepared. These raw material powders are blended so as to be WC-9 mass% Co, and further added with wax in acetone. After 24 hours of ball mill mixing and drying under reduced pressure, the green compact was pressed into a green compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa, and this green compact was subjected to a predetermined temperature in the range of 1370 to 1470 ° C. for 1 hour in a vacuum of 5 Pa. Vacuum sintering was performed under the holding conditions, and after sintering, a tool base made of a WC-base cemented carbide having an ISO standard SEEN1203AFSN insert shape was manufactured.
  • a chemical vapor deposition apparatus is used on the surface of the tool base, (A) Formation conditions A to G shown in Table 1, that is, a gas group A composed of NH 3 and H 2 , a gas group B composed of TiCl 4 , AlCl 3 , N 2 , and H 2 , and supply of each gas
  • the reaction gas composition (capacity% with respect to the total of the gas group A and the gas group B) is set as the gas group A: NH 3 : 0.8 to 1.6%, H 2 : 45 to 55%, gas group As B, AlCl 3 : 0.5 to 0.7%, TiCl 4 : 0.1 to 0.3%, N 2 : 0.0 to 10.0%, H 2 : remaining, reaction atmosphere pressure: 4.0 -5.0 kPa, reaction atmosphere temperature: 700-900 ° C., supply cycle 1-5 seconds, gas supply time per cycle 0.15-0.25 seconds, phase difference 0.10 between gas supply A and gas supply B
  • the thermal CVD method is performed for a predetermined period
  • the inventive coated tools 1 to 13 having the average layer thickness, composition, structure, crystal structure, surface roughness and the like shown in Table 4 were produced.
  • the lower layer shown in Table 4 was formed under the formation conditions shown in Table 3.
  • a TiAlN layer is formed on the surface of the tool base under the conditions shown in Table 1, and then wet blasting is performed under the conditions shown in Table 2, whereby the average layer thickness shown in Table 5 is obtained.
  • Comparative coated tools 11 to 13 having outermost layers composed of a TiAlN layer having a composition, a structure, a crystal structure, a surface roughness and the like were prepared. At this time, the TiAlN layer was formed during the TiAlN layer forming process so that the reaction gas composition on the surface of the tool base did not change with time (see Table 1). As with the inventive coated tools 11 to 13, the comparative coated tools 11 to 13 were formed with the lower layer shown in Table 5 under the forming conditions shown in Table 3.
  • the average Al content x avg of the TiAlN layers of the inventive coated tools 1 to 13 and the comparative coated tools 1 to 13 was measured using an electron beam microanalyzer (Electron-Probe-Micro-Analyzer: EPMA).
  • EPMA electron beam microanalyzer
  • an electron beam was irradiated from the sample surface side, and an average content ratio x avg of Al was obtained from an average of 10 points of the analysis result of the obtained characteristic X-ray.
  • an X-ray diffractometer is used and the measurement range (2 ⁇ ) is 30 to 80 degrees with a Cu—K ⁇ ray as a radiation source, the scan step is 0.013 degrees, and the measurement time per step is:
  • the measurement range (2 ⁇ ) is 30 to 80 degrees with a Cu—K ⁇ ray as a radiation source
  • the scan step is 0.013 degrees
  • the measurement time per step is:
  • a mirror of a field emission scanning electron microscope with a hard coating layer composed of a composite nitride layer of Ti and Al in a direction perpendicular to the tool base is a polished surface.
  • Electron beam backscatter diffraction images were measured at intervals of 0.01 ⁇ m / step for the hard coating layer over a length of 50 ⁇ m in the horizontal direction and less than the thickness of the composite nitride layer in the normal direction.
  • the surface roughness Ra of the surface of the cutting edge ridge line and the rake face of the TiAlN layer of the inventive coated tools 1 to 13 and comparative coated tools 1 to 13 is based on JIS B0601'01, and the cut-off value is 0.08 mm.
  • the measurement was performed using a stylus type surface roughness measuring instrument at a reference length of 0.8 mm and a scanning speed of 0.1 mm / second.
  • the outermost surface of the TiAlN layer is observed using a scanning electron microscope, and a line segment having a length of at least 100 ⁇ m is drawn along the outermost surface of the TiAlN layer.
  • a vertical cross-sectional observation of the TiAlN layer was performed using a scanning electron microscope in a range including a width of 100 ⁇ m and a height including the entire TiAlN layer.
  • the longest particle diameter measured in the vertical direction is taken as the major axis, the length of the major axis and the maximum length in the direction perpendicular to the major axis are determined, and the length of the major axis is perpendicular to the major axis
  • the aspect ratio of each crystal grain was calculated, and the average aspect ratio was obtained from the average of the calculated values.
  • the diffraction intensities I (111), I (200), and I (220) of the (111) plane, (200) plane, and (220) plane of the TiAlN layer on the flank face are used.
  • the half width of the diffraction intensity I (111) of the (111) plane of the rake face TiAlN layer was determined.
  • coated tools 1 to 13 and the comparative coated tools 1 to 13 according to the present invention are described below with each of the various coated tools clamped to the tip of a tool steel cutter having a cutter diameter of 125 mm by a fixing jig.
  • Cutting test dry high-speed face milling, center cutting, Work material: JIS / SCM440 block material with a width of 100 mm and a length of 400 mm, Rotational speed: 968 min ⁇ 1 Cutting speed: 380 m / min, Cutting depth: 1.0 mm, Single blade feed rate: 0.4 mm / tooth, Cutting time: 5 minutes
  • the normal cutting speed is 220 m / min, and the single blade feed amount is 0.2 mm / tooth.
  • the TiAlN layer constituting the outermost layer of the hard coating layer has high hardness, and the surface of the outermost layer of the cutting edge and the rake face is smoothed. Therefore, it exhibits excellent chipping resistance and wear resistance in steel cutting under high-efficiency high-speed or high-feed conditions.
  • the average Al content ratio x avg of the TiAlN layer constituting the hard coating layer is outside the range of 0.70 ⁇ x avg ⁇ 0.90, or the columnar structure NaCl. It is not composed mainly of crystal grains having a face-centered cubic structure of the mold, or the surface roughness Ra of the outermost layer of the cutting edge ridge line and rake face exceeds 0.25 ⁇ m or 0.30 ⁇ m, respectively. It is clear that the life is reached in a short time due to progress, occurrence of welding, occurrence of chipping and the like.
  • the coated tool of the present invention can be used not only for steel cutting under high-efficiency high-speed or high-feed conditions, but also as a coated tool for various work materials. Because it exhibits excellent welding resistance, chipping resistance, and wear resistance, it can fully satisfy the high performance of cutting equipment, labor saving and energy saving of cutting, and cost reduction. is there.

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Abstract

硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。　硬質被覆層の最外層として、組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎで表されるＴｉＡｌＮ層が形成され、Ａｌの平均含有割合ｘavg（原子比）は０．７０≦ｘavg≦０．９０を満足し、ＴｉＡｌＮ層は立方晶構造を主体とする柱状組織の結晶粒から構成され、すくい面および切れ刃稜線のＴｉＡｌＮ層表面は、すくい面の法線に対して３０～６０度の投射角度でブラスト処理を施されることにより、切れ刃稜線の最外層の面粗さＲａが０．２５μｍ以下およびすくい面の最外層の面粗さＲａが０．３０μｍ以下となるように平滑化されている表面被覆切削工具。

Description

硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性と耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具およびその製造方法
　本発明は、高能率の高速または高送り条件による鋼の切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を備え、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）およびその製造方法に関するものである。
　従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットあるいは立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結体で構成された工具基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、硬質被覆層として、Ｔｉ－Ａｌ系の複合窒化物層を物理蒸着法により被覆形成した被覆工具が知られており、これらは、すぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
　ただ、前記従来のＴｉ－Ａｌ系の複合窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性にすぐれるものの、高速または高送り切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすい。
　そこで、硬質被覆層の改善についての種々の提案がなされており、例えば、Ｔｉ－Ａｌ系の複合窒化物層からなる硬質被覆層を化学蒸着法で形成することで、組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎにおいて、Ａｌの含有割合ｘを、０．９程度にまで高める技術も提案されている。
　例えば、特許文献１には、ＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、ＮＨ３の混合反応ガス中で、６５０～９００℃の温度範囲において化学蒸着を行うことにより、Ａｌの含有割合ｘの値が０．６５～０．９５である（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層を蒸着形成できることが記載されているが、この文献では、この（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層の上にさらにＡｌ２Ｏ３層を被覆し、これによって断熱効果を高めることを目的としており、Ａｌの含有割合ｘの値を０．６５～０．９５まで高めた（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層の形成によって、切削性能にどのような影響を及ぼしているかについては明らかにされていない。
　また、例えば、特許文献２には、ＴｉＣＮ層、Ａｌ２Ｏ３層を内層として、その上に、化学蒸着法により、立方晶構造あるいは六方晶構造を含む立方晶構造の（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層（ただし、原子比で、ｘは０．６５～０．９０）を外層として被覆するとともに該外層に１００～１１００ＭＰａの圧縮応力を付与することにより、被覆工具の耐熱性と疲労強度を改善することが提案されている。
　さらに、特許文献３には、硬質被覆層として、組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）で表される複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み被覆工具において、Ａｌの平均含有割合ｘavgおよびＣの平均含有割合ｙavgを、それぞれ原子比で、０．６０≦ｘavg≦０．９５、０≦ｙavg≦０．００５とし、また、複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する立方晶構造を有する結晶粒内に所定の結晶粒内平均方位差および傾斜角度数分布を形成することにより、耐チッピング性、耐欠損性を改善することが提案されている。
特表２０１１－５１６７２２号公報 特表２０１１－５１３５９４号公報 特開２０１６－５８６３号公報
　近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、高能率化の傾向にあり、被覆工具には、より一層、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の耐異常損傷性が求められるとともに、長期の使用に亘ってのすぐれた耐摩耗性が求められている。
　しかし、前記特許文献１に記載されている化学蒸着法で蒸着形成した（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層については、Ａｌの含有割合ｘを高めることができ、また、立方晶構造を形成させることができることから、所定の硬さを有し耐摩耗性にすぐれた硬質被覆層が得られるものの、工具基体との密着強度は十分でなく、また、靭性に劣るという課題があった。
　また、前記特許文献２に記載されている被覆工具は、所定の硬さを有し耐摩耗性にはすぐれるものの、靭性に劣ることから、合金鋼の高速断続切削加工等に供した場合には、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生しやすく、満足できる切削性能を発揮するとは言えないという課題があった。
　さらに、前記特許文献３に記載されている被覆工具においては、耐摩耗性は満足できるものであるが、高能率の高速または高送り条件による鋼の切削加工においては、チッピング、欠損等の異常損傷の発生抑制が十分ではないという課題があった。
　そこで、本発明は、高能率の高速または高送り条件による鋼の切削加工に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性を備え、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することおよびその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明者は、少なくともＴｉとＡｌの複合窒化物（以下、「ＴｉＡｌＮ」あるいは「（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ」で示すことがある）を含む硬質被覆層を化学蒸着法で形成した被覆工具の耐チッピング性と耐摩耗性の向上を図るべく、鋭意研究を重ねたところ、次のような知見を得た。
　まず、硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＮ層を特定の成膜法からなる化学蒸着によって形成することにより、ＴｉＡｌＮ層の成分組成を、組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎで表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘavg（但し、ｘavgは原子比）を、０．７０≦ｘavg≦０．９０まで高めることができ、しかも、Ａｌの平均含有割合ｘavgが高いにもかかわらず、ＴｉＡｌＮ層をＮａＣｌ型の面心立方構造として形成し得ること、さらに、ＴｉＡｌＮ層の組織を層厚方向に平行な方向にのびる柱状組織として形成し得ることを見出した。
　そして、ＴｉＡｌＮ層の前記高Ａｌ含有割合、結晶構造及び結晶組織によって、ＴｉＡｌＮ層の硬さ向上することができ、その結果、耐摩耗性の向上が図られることを見出した。
　さらに、本発明者は、前記硬質被覆層を有する被覆工具において、切れ刃稜線とすくい面にブラスト処理を施し、切刃稜線とすくい面の表面粗さＲａを低下させ表面平滑化を図ることにより、破壊の起点となる、皮膜最表面の柱状粒子間に存在する凹部を除去することができ、その結果、被覆工具の耐チッピング性を向上させ得ることを見出したのである。
　したがって、硬質被覆層として、前記の高Ａｌ含有割合、結晶構造及び結晶組織を備え、さらに、表面平滑性の高い切れ刃稜線とすくい面を有するＴｉＡｌＮ層を少なくとも形成した本発明の被覆工具は、高能率の高速または高送り条件による鋼の切削加工に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するのである。
　本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（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からなる工具基体の表面に、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、最外層として、少なくとも１．５～１５μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの複合窒化物層が形成されており、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層を、
組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎで表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘavg（但し、ｘavgは原子比）は、０．７０≦ｘavg≦０．９０を満足し、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、柱状組織を有し、また、ＮａＣｌ型の面心立方構造を主体とするＴｉとＡｌの複合窒化物から構成され、
（ｄ）すくい面の前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の表面の面粗さＲａは０．３０μｍ以下、また、切れ刃稜線の前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の表面の面粗さＲａは０．２５μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記工具基体と前記最外層の間に、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のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなる下部層が、０．１～２０μｍの合計平均層厚で形成されていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具の製造方法において、前記工具基体に、最外層である前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層を化学蒸着法で形成した後、すくい面に対して３０～６０度の投射角度でブラスト処理液を投射し、切れ刃稜線の最外層の面粗さＲａが０．２５μｍ以下およびすくい面の最外層の面粗さＲａが０．３０μｍ以下となるように平滑化することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具の製造方法。」
に特徴を有するものである。
　本発明について、以下に詳細に説明する。
硬質被覆層の最外層を構成するＴｉＡｌＮ層の平均層厚：
　本発明の硬質被覆層の最外層は、化学蒸着された組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎで表されるＴｉＡｌＮ層（ただし、前記組成式において、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘavgは、原子比で０．７０≦ｘavg≦０．９０を満足する）からなる。
　このＴｉＡｌＮ層は、硬さが高く、すぐれた耐摩耗性を有するが、特に平均層厚が１．５～１５μｍのとき、その効果が際立って発揮される。その理由は、平均層厚が１．５μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用に亘っての耐摩耗性を十分確保することができず、一方、その平均層厚が１５μｍを越えると、ＴｉＡｌＮ層の結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。
　したがって、その平均層厚を１．５～１５μｍと定めた。
硬質被覆層の最外層を構成するＴｉＡｌＮ層の組成：
　最外層を構成するＴｉＡｌＮ層は、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘavgは、原子比で０．７０≦ｘavg≦０．９０を満足するように定める。
　その理由は、Ａｌの平均含有割合ｘavgが０．７０未満であると、ＴｉＡｌＮ層は硬さに劣るため、高能率の高速または高送り条件による鋼の切削加工に供した場合には、耐摩耗性が十分でない。
　一方、Ａｌの平均含有割合ｘavgが０．９０を超えると、相対的にＴｉの含有割合が減少するため、脆化を招き、耐チッピング性が低下する。
　したがって、Ａｌの平均含有割合ｘavgは、０．７０≦ｘavg≦０．９０と定めた。
硬質被覆層の最外層を構成するＴｉＡｌＮ層の組織と結晶構造：
　最外層のＴｉＡｌＮ層は、層厚方向に平行な方向にのびる柱状組織として形成され、また、該層を構成するＴｉＡｌＮ結晶粒は主としてＮａＣｌ型の結晶構造を有する。
　最外層のＴｉＡｌＮ層は、靭性にすぐれる柱状組織であって、しかも、硬さにすぐれるＮａＣｌ型の結晶構造を主体とするＴｉＡｌＮ結晶粒で構成され、さらに、切れ刃稜線およびすくい面のそれぞれの最外層は後記するブラスト処理により表面平滑化されることによって、本発明の被覆工具は、靭性および耐摩耗性にすぐれる最外層を備え、その結果、本発明の被覆工具は、高能率の高速または高送り条件による鋼の切削加工において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する。
　本発明では、前記最外層のＴｉＡｌＮ層の柱状組織について特に限定するものではないが、最外層の最表面のＴｉＡｌＮ結晶粒について、ＴｉＡｌＮ結晶粒の平均粒子幅を求めた場合、平均粒子幅は１００ｎｍ～１０００ｎｍであることが好ましい。
　これは、平均粒子幅が１００ｎｍ未満では、最外層表面に露出した原子におけるＴｉＡｌＮ結晶粒界に属する原子の占める割合が相対的に大きくなることにより、被削材との反応性が増し、その結果、耐摩耗性が低下傾向を示し、一方、平均粒子幅が１０００ｎｍを超えると最外層全体におけるＴｉＡｌＮ結晶粒界に属する原子の占める割合が相対的に小さくなるため、靭性が低下傾向を示し、耐チッピング性向上効果が低減するからである。
　したがって、平均粒子幅は１００ｎｍ～１０００ｎｍとすることが好ましい。
　なお、本発明でいう平均粒子幅とは、走査型電子顕微鏡を用い最外層の最表面の観察を行い、最外層の最表面に沿って少なくとも１００μｍの長さの線分を描き、その線分長を、該線分と交差する結晶粒界の数で除した値である。
　また、工具基体表面に垂直な方向の最外層の縦断面について、工具基体表面に対して垂直な方向（層厚方向）に、ＴｉＡｌＮ結晶粒の平均長さを求めた場合、ＴｉＡｌＮ結晶粒の平均アスペクト比（即ち、平均長さ／平均粒子幅）の値は、２～２０であることが好ましい。
　ＴｉＡｌＮ結晶粒の平均アスペクト比が２未満の場合、十分な柱状組織となっていないため、アスペクト比の小さな等軸結晶の脱落を招き、その結果、十分な耐摩耗性を発揮することができない。
　一方、平均アスペクト比が２０を超えると結晶粒そのものの強度を保つ事ができず、かえって、耐チッピング性が低下するため好ましくない。
　したがって、平均アスペクト比は２～２０とすることが好ましい。
　なお、本発明でいう平均アスペクト比とは、走査型電子顕微鏡を用い、幅１００μｍ、高さが最外層全体を含む範囲で最外層の縦断面観察を行った際に、各結晶粒について粒子径の最も長い長さを長軸とし該長軸の長さおよび前記長軸と直交する方向の最大長さを求め、長軸の長さを長軸と直交する方向の最大長さで除することにより、各結晶粒のアスペクト比を算出し、算出したアスペクト値を平均することによって求めた平均値を平均アスペクト比という。
ＮａＣｌ型の面心立方構造を主体とするＴｉＡｌＮ層：
　本発明のＴｉＡｌＮ層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＮ結晶粒を主体として構成するが、微量の他の結晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の存在は、耐チッピング性、耐摩耗性に特段の悪影響を与えないことから、その含有が許容される。
　具体的には、ＴｉＡｌＮ層中に、面積割合で２０％未満の六方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒が存在しても、耐チッピング性、耐摩耗性に特段の悪影響はないことから、本発明でいう「ＮａＣｌ型の面心立方構造を主体とするＴｉＡｌＮ層」とは、面積割合で、８０％以上のＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＮ結晶粒が存在するＴｉＡｌＮ層である。
硬質被覆層の最外層を構成するＴｉＡｌＮ層の成膜方法：
　本発明のＴｉＡｌＮ層は、例えば、以下の化学蒸着法によって成膜することができる。
　用いる化学蒸着反応装置へは、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、Ｎ２、Ｈ２からなるガス群Ｂがおのおの別々のガス供給管から反応装置内へ供給され、ガス群Ａとガス群Ｂの反応装置内への供給は、例えば、一定の周期の時間間隔で、その周期よりも短い時間だけガスが流れるように供給し、ガス群Ａとガス群Ｂのガス供給にはガス供給時間よりも短い時間の位相差が生じるようにして、工具基体表面における反応ガス組成を、（イ）ガス群Ａ、（ロ）ガス群Ａとガス群Ｂの混合ガス、（ハ）ガス群Ｂと時間的に変化させることができる。ちなみに、本発明においては、厳密なガス置換を意図した長時間の排気工程を導入する必要は無い。従って、ガス供給方法としては、例えば、ガス供給は時間的に連続して供給し、かつ、ガス供給口を回転させたり、工具基体を回転させたり、工具基体を往復運動させたりして、工具基体表面における反応ガス組成を、（イ）ガス群Ａを主とする混合ガス、（ロ）ガス群Ａとガス群Ｂの混合ガス、（ハ）ガス群Ｂを主とする混合ガス、と時間的に変化させることでも実現する事が可能である。
　工具基体表面に、反応ガス組成（ガス群Ａおよびガス群Ｂを合わせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ３：０．８～１．６％、Ｈ２：４５～５５％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．５～０．７％、ＴｉＣｌ４：０．１～０．３％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残、反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１～５秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、ガス供給Ａとガス供給Ｂの位相差０．１０～０．２０秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行うことによって、本発明で定めた組成、組織、結晶構造を有するＴｉＡｌＮ層からなる最外層を成膜することができる。
すくい面および切れ刃稜線の最外層表面の面粗さＲａ：
　本発明では、前記ＴｉＡｌＮ層からなる最外層を形成した後、例えば、ブラスト処理のような平滑化処理を施すことにより、すくい面の最外層表面の面粗さＲａを０．３０μｍ以下に、また、切れ刃稜線の最外層表面の面粗さＲａを０．２５μｍ以下とする。
　これは、すくい面および切れ刃稜線を平滑化することによって、破壊の起点となる、皮膜最表面の柱状粒子間に存在する凹部を除去することと同時に、耐溶着性を向上させ、溶着を起因とするチッピング発生を抑制するためである。
　すくい面の最外層表面の面粗さＲａがそれぞれ０．３０μｍを超えるような場合には、耐溶着性の向上効果、および、これによる耐チッピング性の向上効果が少ないことから、平滑化処理による表面粗さＲａは０．３０μｍ以下とする。
　また、切れ刃稜線には、切削加工時の高負荷が作用するため、耐溶着性、耐チッピング性とともに最外層表面の平滑性がより一段と必要とされることから、切れ刃稜線の最外層表面の面粗さＲａは０．２５μｍ以下とする。
　具体的な平滑化処理としては、例えば、ウエットブラスト処理が好ましく、以下の条件で行うことができる。
　　ブラスト処理液：砥粒＋水、
　　砥粒：Ａｌ２Ｏ３粉粒、
　　砥粒サイズ：　　１７０～５００（メッシュ）、
　　砥粒濃度：　１５～６０質量％、
　　ブラスト圧力：　　０．０８～０．３０ＭＰａ、
　　投射時間：　　６～６０秒、
　　投射角度：　すくい面の法線に対して３０～６０度、
　上記の条件で、ブラスト処理を施すに際し、特に、ブラスト圧力、投射時間、投射角度を調整することで、すくい面および切れ刃稜線の最外層の表面粗さＲａを調整することができる。
　最外層を構成する本発明のＴｉＡｌＮ層は、前記で述べた組成、組織、結晶構造等に加え、以下に述べる結晶構造をさらに有することが好ましい。
　最外層を構成するＴｉＡｌＮ層の逃げ面についてＸ線回折を行い、（１１１）面からの回折ピーク強度Ｉ（１１１）、（２００）面からの回折ピーク強度Ｉ（２００）、（２２０）面からの回折ピーク強度Ｉ（２２０）を求めた場合、Ｉ（１１１）が、Ｉ（２００）およびＩ（２２０）に比して大きいことが好ましい。
　これは、（１１１）面が稠密面であることから、（１１１）面への配向度が相対的に高いことによって耐摩耗性の向上を図ることができるからである。
　また、最外層を構成するＴｉＡｌＮ層のすくい面についてＸ線回折を行い、（１１１）面からの回折ピーク強度Ｉ（１１１）の半価幅２θを求めた場合、半価幅２θが０．２度以上であることが好ましい。
　これは、半価幅２θが大きいことによって、ＴｉＡｌＮ結晶粒の歪みにより柱状組織の粒界が強化され、耐チッピング性の向上を図ることができるからである。
　なお、Ｘ線回折は、測定条件:Ｃｕ管球、測定範囲（２θ）：３０～８０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という条件で測定することができる。
下部層：
　本発明の硬質被覆層は、前記ＴｉＡｌＮ層だけで十分な効果を発揮するが、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のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなる下部層を、０．１～２０μｍの合計平均層厚で形成した場合、工具基体とＴｉＡｌＮ層の密着性が向上することによって、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る。
　ただ、下部層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に発揮されず、一方、２０μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなるから、下部層の合計平均層厚は、０．１～２０μｍとすることが好ましい。
　本発明の被覆工具は、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であって、硬質被覆層の最外層はＴｉＡｌＮ層で構成され、該ＴｉＡｌＮ層は、Ａｌの平均含有割合ｘavgが０．７０≦ｘavg≦０．９０であり、また、柱状組織のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を主体として構成されているため高硬度を有し、さらに、切れ刃稜線およびすくい面の最外層の表面粗さＲａは、それぞれ、０．２５μｍ以下、０．３０μｍ以下に平滑化されているため、高能率の高速または高送り条件による鋼の切削加工において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する。
　つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
　実施例では、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いた場合について説明するが、工具基体としてＴｉＣＮ基サーメットを用いた場合も同様である。
　原料粉末として、いずれも１～３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、ＷＣ－９質量％Ｃｏとなるように配合し、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ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体を製造した。
　ついで、前記工具基体の表面に、化学蒸着装置を用い、
（ａ）表１に示される形成条件Ａ～Ｇ、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、Ｎ２、Ｈ２からなるガス群Ｂ、およびおのおのガスの供給方法として、反応ガス組成（ガス群Ａおよびガス群Ｂを合わせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ３：０．８～１．６％、Ｈ２：４５～５５％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．５　～０．７％、ＴｉＣｌ４：０．１～０．３％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残、反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００　℃、供給周期１　～５秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、ガス供給Ａとガス供給Ｂの位相差０．１０～０．２０秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行い、ＴｉＡｌＮ層からなる最外層を形成した。
　ついで、表２に示される条件で、すくい面に対して３０～６０度の範囲内の投射角度で、ウエットブラスト処理を施すことにより、すくい面および切れ刃稜線の平滑化処理を施すことにより、表４に示される平均層厚、組成、組織、結晶構造、表面粗さ等を有する本発明被覆工具１～１３を作製した。
　なお、本発明被覆工具１１～１３については、表３に示される形成条件で、表４に示される下部層を形成した。
　また、比較の目的で、前記工具基体の表面に、表１に示す条件でＴｉＡｌＮ層を形成し、その後、表２に示す条件でウエットブラスト処理を施すことにより、表５に示される平均層厚、組成、組織、結晶構造、表面粗さ等を有するＴｉＡｌＮ層からなる最外層を有する比較被覆工具１１～１３を作製した。
　この時に、ＴｉＡｌＮ層の成膜工程中に工具基体表面における反応ガス組成が時間的に変化しない様にＴｉＡｌＮ層を形成した（表１参照）。
　なお、本発明被覆工具１１～１３と同様に、比較被覆工具１１～１３については、表３に示される形成条件で、表５に示される下部層を形成した。
　本発明被覆工具１～１３、比較被覆工具１～１３について、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて、工具基体に垂直な方向の各構成層の断面の観察視野内の５点の層厚を測って平均して平均層厚を求めたところ、いずれも表４および表５に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
　また、本発明被覆工具１～１３、比較被覆工具１～１３のＴｉＡｌＮ層のＡｌの平均含有割合ｘavgについては、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｐｒｏｂｅ－Ｍｉｃｒｏ－Ａｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）を用い、表面を研磨した試料において、電子線を試料表面側から照射し、得られた特性Ｘ線の解析結果の１０点平均からＡｌの平均含有割合ｘavgを求めた。
　また、ＴｉＡｌＮ層の結晶構造については、Ｘ線回折装置を用い、Ｃｕ－Ｋα線を線源として測定範囲（２θ）：３０～８０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Ｘ線回折を行った場合、ＪＣＰＤＳ００－０３８－１４２０立方晶ＴｉＮとＪＣＰＤＳ００－０４６－１２００立方晶ＡｌＮ、各々に示される同一結晶面の回折角度の間（例えば、３６．６６～３８．５３°、４３．５９～４４．７７°、６１．８１～６５．１８°）に回折ピークが現れることを確認することによって調査した。
　また、電子線後方散乱回折装置を用いて、ＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる硬質被覆層の工具基体に垂直な方向の断面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射し、工具基体と水平方向に長さ５０μｍ、法線方向に該複合窒化物層の膜厚未満に亘り硬質被覆層について０．０１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、電子線後方散乱回折像を測定し、個々の結晶粒の結晶構造を解析することでＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒からなる柱状組織の粒界部に存在する微粒結晶粒が六方晶構造であることを同定し、立方晶構造と六方晶構造に属する全ピクセル数に占める六方晶構造に属するピクセル数の割合を求めることで、その六方晶構造の占める面積割合を求めた。
　また、本発明被覆工具１～１３、比較被覆工具１～１３の切れ刃稜線およびすくい面のＴｉＡｌＮ層の表面の表面粗さＲａを、ＪＩＳ Ｂ０６０１’０１に準拠し、カットオフ値：０．０８ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて触針式表面粗さ測定器を用いて測定した。
　また、ＴｉＡｌＮ層の平均粒子幅については、走査型電子顕微鏡を用いＴｉＡｌＮ層の最表面の観察を行い、ＴｉＡｌＮ層の最表面に沿って少なくとも１００μｍの長さの線分を描き、その線分長を、該線分と交差する結晶粒界の数で除した値を平均粒子幅として求めた。
　ＴｉＡｌＮ層の柱状組織の平均アスペクト比については、走査型電子顕微鏡を用い、幅１００μｍ、高さがＴｉＡｌＮ層全体を含む範囲でＴｉＡｌＮ層の縦断面観察を行い、各結晶粒について、工具基体表面と垂直方向に測定した粒子径の最も長い長さを長軸とし、該長軸の長さおよび前記長軸と直交する方向の最大長さを求め、長軸の長さを長軸と直交する方向の最大長さで除することにより、各結晶粒のアスペクト比を算出し、算出値の平均から平均アスペクト比を求めた。
　さらに、前記Ｘ線回折装置を用い、逃げ面のＴｉＡｌＮ層の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面について、それぞれの回折強度Ｉ（１１１）、Ｉ（２００）、Ｉ（２２０）を測定し、Ｉ（１１１）が最大ピーク強度であるか否かを確認した。
　また、すくい面のＴｉＡｌＮ層の（１１１）面の回折強度Ｉ（１１１）の半価幅を求めた。
　表４および表５に、これらの測定結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　つぎに、前記各種の被覆工具をいずれもカッタ径１２５ｍｍの工具鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、本発明被覆工具１～１３、比較被覆工具１～１３について、以下に示す、高速断続切削の一種である合金鋼の乾式高速高送り正面フライス、センターカット切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに、溶着の発生の有無等を観察した。
　表６に、その結果を示す。
　切削試験：乾式高速正面フライス、センターカット切削加工、
　被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
　回転速度：９６８ｍｉｎ－１、
　切削速度：３８０ｍ／ｍｉｎ、
　切り込み：１．０ｍｍ、
　一刃送り量：０．４ｍｍ／刃、
　切削時間：５分、
　なお、通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ、また、一刃送り量は０．２ｍｍ／刃である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表６に示される結果から、本発明被覆工具は、硬質被覆層の最外層を構成するＴｉＡｌＮ層が、高硬度を有し、かつ、切れ刃稜線およびすくい面の最外層の表面が平滑化されているため、高能率の高速または高送り条件による鋼の切削加工において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する。
　これに対して、比較例被覆工具は、硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＮ層のＡｌの平均含有割合ｘavgが０．７０≦ｘavg≦０．９０の範囲外であり、あるいは、柱状組織のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒主体で構成されておらず、あるいは、切れ刃稜線、すくい面の最外層の表面粗さＲａが、それぞれ０．２５μｍあるいは０．３０μｍを超えるため、摩耗の進展、溶着の発生、チッピングの発生等によって短時間で寿命にいたることが明らかである。
　前述のように、本発明の被覆工具は、高能率の高速または高送り条件による鋼の切削加工ばかりでなく、各種の被削材の被覆工具として用いることができ、しかも、長期の使用に亘ってすぐれた耐溶着性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

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からなる工具基体の表面に、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、最外層として、少なくとも１．５～１５μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの複合窒化物層が形成されており、
    （ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層を、
    組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎで表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘavg（但し、ｘavgは原子比）は、０．７０≦ｘavg≦０．９０を満足し、
    （ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、柱状組織を有し、また、ＮａＣｌ型の面心立方構造を主体とするＴｉとＡｌの複合窒化物から構成され、
    （ｄ）すくい面の前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の表面の面粗さＲａは０．３０μｍ以下、また、切れ刃稜線の前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の表面の面粗さＲａは０．２５μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
  2. 前記工具基体と前記最外層の間に、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のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなる下部層が、０．１～２０μｍの合計平均層厚で形成されてい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. 請求項１または２に記載の表面被覆切削工具の製造方法において、前記工具基体に、最外層である前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層を化学蒸着法で形成した後、すくい面の法線に対して３０～６０度の投射角度でブラスト処理液を投射し、切れ刃稜線の最外層の面粗さＲａが０．２５μｍ以下およびすくい面の最外層の面粗さＲａが０．３０μｍ以下となるように平滑化す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の製造方法。
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