WO2018003789A1 - 被覆切削工具 - Google Patents

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崇昭 中村
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株式会社タンガロイ
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    • B23B2228/10—Coatings

Definitions

  • the present invention relates to a coated cutting tool.
  • a coated cutting tool formed by vapor-depositing a coating layer with a total film thickness of 3 to 20 ⁇ m by chemical vapor deposition on the surface of a substrate made of cemented carbide has been used for cutting of steel or cast iron.
  • the coating layer for example, one single layer selected from the group consisting of Ti carbide, nitride, carbonitride, carbonate and carbonitride oxide, and aluminum oxide, or a coating layer composed of two or more layers It is.
  • Patent Document 1 includes a cemented carbide base material, a coating layer having an inner layer made of TiCN and an outer layer made of ⁇ -type Al 2 O 3 formed on the surface of the base material, and has a (311) plane of TiCN.
  • the value of the orientation index TC (311) is 1.5 or more and 3 or less, and the orientation indices TCa (104) and TCa (116) of the (104) plane and the (116) plane of the ⁇ -type aluminum oxide layer, Are described above, which are 1.3 or more.
  • the present invention has been made to solve these problems, and an object thereof is to provide a coated cutting tool having excellent chipping resistance, chipping resistance, and wear resistance and having a long tool life. .
  • the present inventor has conducted research on extending the tool life of the coated cutting tool.
  • the following configuration is used to ensure chipping resistance and fracture resistance. And the wear resistance can be improved, and as a result, the knowledge that the tool life can be extended has been obtained, and the present invention has been completed.
  • a coated cutting tool having a substrate and a coating layer provided on the substrate, wherein the coating layer is laminated in order from the substrate side toward the surface side of the coating layer.
  • TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 particles including a lower layer containing TiCN and an upper layer containing ⁇ -type Al 2 O 3 , wherein the lower layer and the upper layer satisfy the following condition (I)
  • a coated cutting tool comprising TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 particles satisfying the following condition (II).
  • At least one of the ⁇ 006 ⁇ planes of the O 3 particles is substantially parallel, and at least one of the ⁇ 422 ⁇ planes of the TiCN particles and at least one of the ⁇ 110 ⁇ planes of the ⁇ -type Al 2 O 3 particles are approximately. Parallel.
  • the condition (I) is and TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 particles satisfying, percentage of the total number of the TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 grains satisfying the condition (II) is 100% or less than 50%, (1) Coated cutting tool.
  • the coating layer is at least one selected from the group consisting of carbides, nitrides, oxides, carbonates, nitrides and carbonitrides of Ti elements between the lower layer and the upper layer.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of formulas (1) to (3).
  • the present embodiment a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail, but the present invention is not limited to the present embodiment described below.
  • the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
  • the coated cutting tool of this embodiment has a base material and the coating layer provided on the base material.
  • Specific examples of the coated cutting tool include milling or turning cutting edge exchangeable cutting inserts, drills, and end mills.
  • the base material in this embodiment will not be specifically limited if it can be used as a base material of a coated cutting tool.
  • the base material include cemented carbide, cermet, ceramics, cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, and high-speed steel.
  • the base material is any one of cemented carbide, cermet, ceramics, or cubic boron nitride sintered body because it is further excellent in wear resistance and fracture resistance.
  • the base material may have a modified surface.
  • a de- ⁇ layer may be formed on the surface.
  • a base material consists of cermets
  • the hardened layer may be formed in the surface. Even if the surface of the substrate is modified as described above, the effects of the present invention are exhibited.
  • the coating layer in the present embodiment preferably has an average thickness of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the average thickness is more preferably 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the average thickness of each layer in the coated cutting tool of the present embodiment is obtained by measuring the thickness of each layer and the entire thickness of the coating layer from three or more cross sections and calculating the average value thereof. Can do.
  • the coating layer in the present embodiment includes a lower layer containing TiCN (titanium carbonitride) and an upper layer containing ⁇ -type Al 2 O 3 that are sequentially laminated from the substrate side toward the surface side of the coating layer.
  • Lower layer and the upper layer in this embodiment includes a TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 grains satisfying the following conditions (I), and a TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 particles satisfy the following condition (II) .
  • condition (I) at least one of the ⁇ 422 ⁇ faces of TiCN particles located on the most surface side in the lower layer (hereinafter, the surface of the coating layer is also referred to as “the surface”), and the most base material in the upper layer At least one of the ⁇ 006 ⁇ planes of the ⁇ -type Al 2 O 3 particles located on the side and directly above the TiCN particles, and at least one of the ⁇ 111 ⁇ planes of the TiCN particles, At least one of the ⁇ 110 ⁇ planes of the ⁇ -type Al 2 O 3 particles is in a substantially parallel relationship.
  • the adhesion between the lower layer and the upper layer is mainly improved without reducing the wear resistance of the coated cutting tool.
  • ⁇ -type Al 2 O 3 particles positioned immediately above TiCN particles means ⁇ -type directly contacting TiCN particles when the lower layer and the upper layer are in direct contact. It means Al 2 O 3 particles, and when an intermediate layer (adhesion layer) described later exists between the lower layer and the upper layer, it exists in the stacking direction of those layers with respect to the TiCN particles, and the intermediate layer It means ⁇ -type Al 2 O 3 particles in direct contact with the (adhesion layer).
  • condition (II) at least one of the ⁇ 111 ⁇ planes of the TiCN particles located on the most surface side in the lower layer, and the ⁇ -type Al 2 located on the substrate side and immediately above the TiCN particles in the upper layer. At least one of the ⁇ 006 ⁇ planes of the O 3 particles is substantially parallel, and at least one of the ⁇ 422 ⁇ planes of the TiCN particles, and at least one of the ⁇ 110 ⁇ planes of the ⁇ -type Al 2 O 3 particles, Are in a substantially parallel relationship. When such a condition (II) is satisfied, mainly stronger adhesion between the lower layer and the upper layer can be obtained.
  • the coating layer contains particles satisfying the condition (II), dropout of particles in the upper layer around the particles can be suppressed, so that chipping resistance and chipping resistance are improved. Therefore, when the coating layer contains particles satisfying the above condition (I) and particles satisfying the condition (II), the chipping resistance and fracture resistance are improved without reducing the wear resistance.
  • the ratio RC of the number of combinations of TiCN particles represented by the following formula (1) and ⁇ -type Al 2 O 3 particles is 50% or more and 100% or less, the wear resistance, chipping resistance and resistance This is preferable because it is further excellent in deficiency.
  • TiCN particles represented by the following formula (2) and ⁇ -type Al 2 O 3 particles TiCN particles represented by the following formula (2) and ⁇ -type Al 2 O 3 particles:
  • the ratio RC1 of the number of combinations is preferably 1% or more.
  • a combination of TiCN particles represented by the following formula (3) and ⁇ -type Al 2 O 3 particles The number ratio RC2 is preferably 1% or more.
  • the number of sets for example, whether a certain TiCN particle satisfies the conditions (I) and (II)? When there are two ⁇ -type Al 2 O 3 particles to be judged, the number of sets is two.
  • RS is a condition for the TiCN particles among the TiCN particles located on the most surface side in the lower layer and the ⁇ -type Al 2 O 3 particles located on the most substrate side in the upper layer.
  • R1 represents TiCN particles and ⁇ -type Al 2 satisfying the condition (I).
  • the total number of combinations with O 3 particles is shown, and R2 shows the total number of combinations of TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 particles that satisfy the condition (II).
  • RS is the total of the total number of combinations of TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 particles that do not satisfy R1, R2, and any of the conditions (I) and (II).
  • a region surrounded by a tissue boundary having an azimuth difference of 5 ° or more when evaluated by an electron backscatter diffraction image apparatus is adopted as the “particle”.
  • the TiCN particles located on the most surface side in the lower layer of the present embodiment are, as effective crystal grains, a region surrounded by a tissue boundary having an orientation difference of 5 ° or more when evaluated by EBSD from the surface side.
  • the ⁇ -type Al 2 O 3 particles located closest to the base material in the upper layer of the present embodiment are effective crystal grains and have a structure boundary having an orientation difference of 5 ° or more when evaluated by EBSD from the base material side. The area surrounded by.
  • the relationship between the crystal plane of the particles located on the most surface side of the lower layer and the crystal plane of the particles located on the most substrate side of the upper layer and immediately above the particles is a commercially available It can be obtained from a pole figure and an EBSD map measured using an EBSD attached to a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • TEM transmission electron microscope
  • the coated cutting tool is mirror-polished in a direction orthogonal or substantially orthogonal to the surface of the substrate to expose the cross-sectional texture surface.
  • the method for exposing the cross-sectional texture surface of the coated cutting tool include a method of polishing using diamond paste or colloidal silica, ion milling, and the like.
  • a sample with the cross-sectional texture surface of the coated cutting tool exposed is set in an FE-SEM, and the sample is irradiated with an electron beam at an incident angle of 70 degrees under the conditions of an acceleration voltage of 15 kV and an irradiation current of 0.5 nA.
  • the particle is a region surrounded by a tissue boundary having an orientation difference of 5 ° or more.
  • the measurement is performed in a visual field including the lower layer and the upper layer.
  • pole figures of ⁇ 111 ⁇ plane, ⁇ 422 ⁇ plane, ⁇ 222 ⁇ plane and ⁇ 10-1 ⁇ plane are created and analyzed using EBSD as necessary.
  • the ⁇ 222 ⁇ plane of ⁇ -type Al 2 O 3 in the upper layer can be represented as a ⁇ 006 ⁇ plane depending on how the axis representing the crystal plane is placed.
  • the ⁇ 10-1 ⁇ plane can indicate the ⁇ 110 ⁇ plane.
  • “at least one of the ⁇ 422 ⁇ planes” refers to at least one crystal plane equivalent to the ⁇ 422 ⁇ plane, specifically, the (422) plane, the ( ⁇ 422) plane, ( 4-22) and at least one selected from the group consisting of (42-2) planes.
  • “at least one ⁇ 006 ⁇ plane” refers to at least one crystal plane equivalent to the ⁇ 006 ⁇ plane
  • at least one ⁇ 111 ⁇ plane refers to ⁇ 111 ⁇
  • the term “at least one of ⁇ 110 ⁇ planes” refers to at least one crystal plane equivalent to the ⁇ 110 ⁇ plane.
  • two crystal planes are “substantially parallel” means that the normal lines of the two crystal planes are substantially parallel, and a plot showing the normal lines in the pole figure of the two crystal planes Are present at the same position, it can be said that the two crystal planes are “substantially parallel”. In the range of “substantially parallel”, the angle formed by the normal lines of the two crystal planes is within ⁇ 5 °.
  • R1, R2 and RS in the above formulas (1) to (3) are the measurements when the step size is 0.1 ⁇ m in the measurement range of 50 ⁇ m in the direction parallel to the surface of any substrate by EBSD. It can be derived from the above combinations obtained in points.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the above formulas (1) to (3), showing a part of a region in which the lower layer and the upper layer are in direct contact with each other on the lower layer side.
  • the total number of arrows in the figure (8 in FIG. 1) corresponds to RS
  • the total number of solid arrows (4 in FIG. 1) corresponds to R1
  • the total number of dashed arrows (3 in FIG. 1) A combination of TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 particles that correspond to R2 and whose total number of dashed-dotted arrows (one in FIG. 1) does not satisfy either of the conditions (I) and (II) It corresponds to the total number.
  • RC in Formula (1) is 87.5%
  • RC1 in Formula (2) is 50%
  • RC2 in Formula (3) is 37.5%.
  • the content of TiCN in the lower layer is preferably 95% by mass or more, more preferably 98% by mass or more, based on the total amount of the lower layer, 99 More preferably, it is at least% by mass, and the lower layer is most preferably made of TiCN.
  • the content of ⁇ -type Al 2 O 3 in the upper layer is preferably 95% by mass or more, more preferably 98% by mass or more, and 99% by mass with respect to the total amount of the upper layer. More preferably, the upper layer is made of ⁇ -type Al 2 O 3 .
  • the lower layer and the upper layer may contain unavoidable impurities, and materials other than TiCN and ⁇ -type Al 2 O 3 (for example, elements such as Cl and S) within the range that does not impair the effects of the present invention. ) May be included.
  • the average thickness of the upper layer in this embodiment is preferably 1 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • the average thickness of the upper layer is 1 ⁇ m or more, crater wear resistance on the rake face of the coated cutting tool tends to be further improved, and when it is 15 ⁇ m or less, peeling is further suppressed, and fracture resistance is further improved.
  • the average thickness of the upper layer is more preferably 3 ⁇ m or more and 12 ⁇ m or less.
  • the wear resistance is improved by having the lower layer between the base material and the upper layer.
  • the average thickness of the lower layer is preferably 2 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the wear resistance tends to be improved, and when it is 20 ⁇ m or less, peeling is further suppressed and the fracture resistance tends to be further improved.
  • the average thickness of the lower layer is more preferably 5 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • the coating layer of the present embodiment includes an adhesion layer containing a compound composed of Ti element and at least one element selected from the group consisting of C, N, O and B, between the two layers sandwiching the adhesion layer This is preferable because the adhesion is further improved.
  • the adhesion layer may be provided between the base material and the lower layer as the lowermost layer, and may be provided between the lower layer and the upper layer as the intermediate layer.
  • the adhesion 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 average thickness of the adhesion layer is preferably 0.1 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less.
  • the adhesion layer When the average thickness of the adhesion layer is 0.1 ⁇ m or more, the adhesion layer has a more uniform structure and the adhesion tends to be further improved. On the other hand, when the average thickness of the adhesion layer is 0.5 ⁇ m or less, the adhesion layer is further suppressed from becoming a starting point of peeling, and thus the fracture resistance tends to be further increased.
  • the content of the compound in the adhesion layer is preferably 95% by mass or more, more preferably 98% by mass or more, further preferably 99% by mass or more, based on the total amount of the adhesion layer, and the adhesion layer. Is most preferably composed of the above compounds.
  • the coating layer of the present embodiment includes an intermediate layer containing at least one compound selected from the group consisting of carbides, nitrides, oxides, carbonates, nitrides and carbonitrides of Ti elements, It is preferable from the viewpoint of further improving the adhesion between the lower layer and the upper layer.
  • the average thickness of the intermediate layer is preferably 0.1 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less. When the average thickness of the intermediate layer is 0.1 ⁇ m or more, the intermediate layer has a more uniform structure, and the adhesion tends to be further improved. On the other hand, when the average thickness of the intermediate layer is 0.5 ⁇ m or less, since the ratio RC is suppressed from decreasing, the fracture resistance tends to be further increased.
  • Examples of the method for forming each layer constituting the coating layer in the coated cutting tool of the present invention include the following methods. However, the formation method of each layer is not limited to this.
  • a layer made of TiN that can be used as an adhesion layer or an intermediate 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, and temperature: 850. It can be formed by a chemical vapor deposition method at ⁇ 920 ° C. and pressure: 100 ⁇ 400 hPa.
  • a layer made of TiC that can be used as an adhesion layer or an intermediate 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 100 hPa.
  • the layer made of TiAlCNO that can be used as the adhesion 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 rest, temperature: 975 to 1025 ° C., pressure: 90 to 110 hPa.
  • the layer made of TiAlCO that can be used as the adhesion 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 : the remainder, temperature: 975 to 1025 ° C., pressure: 60 to 100 hPa.
  • the layer made of TiCNO that can be used as an adhesion layer or an intermediate 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%, It can be formed by chemical vapor deposition with H 2 : the rest, temperature: 975 to 1025 ° C., and pressure: 90 to 110 hPa.
  • a layer made of TiCO that can be used as an adhesion layer or an intermediate 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: It can be formed by chemical vapor deposition at 975 to 1025 ° C. and pressure: 60 to 100 hPa.
  • the coated cutting tool in which the orientation relation between the TiCN particles in the lower layer and the ⁇ -type Al 2 O 3 particles in the upper layer is controlled so as to satisfy the conditions (I) and (II) is, for example, It can be obtained by the method.
  • a lower first layer that becomes a part of the lower layer is formed on the surface of the substrate or the adhesion layer.
  • the lower first 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: It is formed by a chemical vapor deposition method of 60 to 80 hPa.
  • the lower second layer has a source gas composition of TiCl 4 : 1 to 5 mol%, CH 3 CN: 0 to 1 mol%, CH 4 : 1 to 4 mol%, N 2 : 0 to 5 mol%, H 2 : remaining, temperature
  • a chemical vapor deposition method is formed with a pressure of 920 to 970 ° C. and a pressure of 100 to 150 hPa.
  • the core of ⁇ -type Al 2 O 3 has a raw material gas composition of AlCl 3 : 1.0 to 4.0 mol%, CO 2 : 1.0 to 3.0 mol%, CO: 0 to 2.0 mol%, HCl: 2 0.0 to 3.0 mol%, H 2 S: 0 to 0.1 mol%, H 2 : remaining, temperature: 920 to 950 ° C., pressure: 60 to 80 hPa.
  • ⁇ -type Al 2 O 3 to be another part of the upper layer is formed on the surface of the lower second layer or intermediate layer and the core of ⁇ -type Al 2 O 3 .
  • ⁇ -type Al 2 O 3 has a raw material gas composition of AlCl 3 : 2.0 to 5.0 mol%, CO 2 : 2.5 to 4.0 mol%, HCl: 2.0 to 3.0 mol%, H 2 S : 0.15 to 0.25 mol%, H 2 : The rest, temperature: 950 to 1000 ° C, pressure: 60 to 80 hPa.
  • the condition (I) can be satisfied.
  • the lower first layer, the lower second layer, the optional intermediate layer, the ⁇ -type Al 2 O 3 nucleus, and the ⁇ -type Al 2 O 3 that is another part of the upper layer are formed as described above.
  • Both of the conditions (I) and (II) can be satisfied. Therefore, for example, by changing the time for forming ⁇ -type Al 2 O 3 nuclei, the ratio of each particle satisfying the condition (I) and each particle satisfying the condition (II) can be controlled. it can.
  • the time for forming ⁇ -type Al 2 O 3 nuclei may be 3 to 15 minutes.
  • the thickness of each layer in the coating layer of the coated cutting tool of the present embodiment is determined 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. Can be measured.
  • the average thickness of each layer in the coated cutting tool of the present embodiment is measured at three or more locations in the vicinity of the position of 50 ⁇ m from the cutting edge toward the center of the rake face of the coated cutting tool. It may be obtained as an average value.
  • composition of each layer can be measured from the cross-sectional structure of the coated cutting tool of the present embodiment 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
  • each layer of the sample was determined as follows. That is, using FE-SEM, measure the thickness at three locations in the cross section in the vicinity of the position of 50 ⁇ m from the cutting edge of the coated cutting tool toward the center of the rake face, and obtain the average value as the average thickness. It was.
  • a cemented carbide cutting insert having a JIS standard CNMA120408 shape and a composition of 93.1WC-6.5Co-0.4Cr 3 C 2 (more than mass%) was prepared as a base material. After round honing was performed on the cutting edge ridge line portion of the base material with a SiC brush, the surface of the base material was washed.
  • a coating layer was formed by chemical vapor deposition.
  • the base material was charged into an external heating chemical vapor deposition apparatus, and the lowest layer shown in Table 2 was set up in Table 2 under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1. It formed in the surface of a base material so that it might become the average thickness shown.
  • the lowermost layer having the lower first layer and the lower second layer shown in Table 4 is adjusted to have the average thickness shown in Table 2. Formed on the surface.
  • the intermediate layer shown in Table 2 has the average thickness shown in Table 2 under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1. Formed on the surface of the lower layer. On the other hand, no intermediate layer was formed for Invention 4. Next, the core of ⁇ -type Al 2 O 3 (part of the upper layer) shown in Table 4 on the surface of the intermediate layer (invention product 4 is the lower layer) under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1 Were formed at the formation times shown in Table 4.
  • ⁇ -type Al 2 O 3 shown in Table 4 is formed on the surface of the lower layer or intermediate layer and the core of ⁇ -type Al 2 O 3 under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1. Is formed so that the upper layer has an average thickness shown in Table 2. Thus, coated cutting tools of Inventions 1 to 11 were obtained.
  • Comparative products 1 to 10 first, the base material was charged into an external heating chemical vapor deposition apparatus, and the lowermost layer shown in Table 3 was displayed under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1. It was formed on the surface of the substrate so as to have an average thickness shown in FIG. Then, for the comparative products 1, 2, 5 to 7 and 9, the lower layer having the lower first layer and the lower second layer shown in Table 5 under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1. Was formed on the surface of the lowermost layer so as to have an average thickness shown in Table 2.
  • the lowermost layer shown in Table 5 is the bottom layer shown in Table 2 under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1, so that the average thickness shown in Table 2 is obtained Formed on the surface.
  • the intermediate layer shown in Table 3 was formed on the surface of the lower layer so as to have the average thickness shown in Table 3.
  • Comparative products 1, 2 and 9 under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1, the core of ⁇ -type Al 2 O 3 shown in Table 5 (one of the upper layers) was formed on the surface of the intermediate layer. Part) were formed at the formation times shown in Table 5.
  • ⁇ -type Al 2 O 3 (upper layer) shown in Table 5 was formed on the surface of the intermediate layer under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1, and Table 3 It formed so that it might become the average thickness shown.
  • ⁇ -type Al 2 O 3 (one of the upper layers) shown in Table 5 was formed on the surface under the conditions of the raw material gas composition, temperature and pressure shown in Table 1. Part) was formed to have an average thickness shown in Table 3. In this way, coated cutting tools of comparative products 1 to 10 were obtained.
  • the obtained coated cutting tool was mirror-polished in a direction orthogonal to the stacking direction of each layer to expose the cross-sectional structure.
  • the cross-sectional texture plane of the upper layer was observed with FE-SEM, and the following (a) and (b) were obtained from information on TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 particles at each orientation difference using EBSD attached to FE-SEM. , (C), (d), (e), (f) and (g) were determined. The results are shown in Table 6.
  • Ratio RC1 (%) of the number of combinations of TiCN particles represented by the above formula (2) and ⁇ -type Al 2 O 3 particles
  • Ratio RC2 (%) of the number of combinations of TiCN particles represented by the above formula (3) and ⁇ -type Al 2 O 3 particles
  • G Ratio RC of the number of combinations of TiCN particles represented by the above formula (1) and ⁇ -type Al 2 O 3 particles (total of (e) and (f) above) (%)
  • a sample in which the cross-sectional structure surfaces of the lower layer and the upper layer are exposed is set in an FE-SEM, and the cross-sectional structure surface is irradiated with an electron beam with an acceleration voltage of 15 kV and an irradiation current of 0.5 nA at an incident angle of 70 degrees.
  • an arbitrary range with a measurement range of 30 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m was set with an EBSD setting of a step size of 0.1 ⁇ m.
  • a region surrounded by a tissue boundary having an orientation difference of 5 ° or more was defined as “particle”, and TiCN particles and ⁇ -type Al 2 O 3 particles were specified.
  • the total number of measurement points was 105.
  • Cutting test 1 and cutting test 2 were performed using the obtained samples.
  • Cutting test 1 is a test for evaluating wear resistance
  • cutting test 2 is a test for evaluating chipping resistance. The results of each cutting test are shown in Table 7.
  • the inventive product had improved wear resistance without deteriorating chipping resistance and fracture resistance. It can be seen that the inventive product has a longer tool life than the comparative product, and the tool life is significantly longer because of the longer machining time and the greater number of impacts.
  • the coated cutting tool of the present invention is excellent in wear resistance without deteriorating chipping resistance and chipping resistance, and can extend the tool life as compared with the prior art. There is a possibility to use on.

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Abstract

基材と基材上に設けられた被覆層とを有する被覆切削工具であって、被覆層は、基材側から被覆層の表面側に向かって順に積層され、「下部層で最も表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと上部層で最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つとα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行」、「下部層で最も表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと上部層で最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つとα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行」という条件をそれぞれ満たす上部層及び下部層を有する。

Description

被覆切削工具
　本発明は、被覆切削工具に関する。
　従来、超硬合金からなる基材の表面に化学蒸着法により３～２０μｍの総膜厚で被覆層を蒸着形成してなる被覆切削工具が、鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることは、よく知られている。被覆層としては、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からなる群より選ばれる１種の単層または２種以上の複層からなる被覆層である。
　特許文献１では、超硬合金の基材と、基材表面に形成されたＴｉＣＮからなる内層とα型Ａｌ２Ｏ３からなる外層とを有する被覆層とを備え、ＴｉＣＮの（３１１）面の配向性指数ＴＣ（３１１）の値が１．５以上３以下であり、α型酸化アルミニウム層の（１０４）面と（１１６）面との各配向性指数ＴＣａ（１０４）とＴＣａ（１１６）とが、各々１．３以上であることを特徴とする切削工具が記載されている。
特開平１１－１２４６７２号公報
　近年の切削加工では高速化、高送り化および深切り込み化がより顕著となり、従来よりも工具の耐欠損性および耐摩耗性の向上が求められている。特に、近年、鋼の重断続切削等の大きな衝撃が切刃にかかるような切削加工が増えており、かかる過酷な切削条件下において、従来の工具では被覆層が大きな衝撃に耐えきれず、チッピングや硬質被覆層の剥離が発生しやすくなる。これが引き金となって、切刃の欠損や異常摩耗の発生等の突発的な工具損傷により工具寿命を長くできないという問題がある。
　このような背景により、上記の特許文献１に開示された工具のように、ＴｉＣＮの（３１１）面の結晶方位およびα型酸化アルミニウム層の（１０４）面と（１１６）面との各結晶方位を制御するだけでは、大きな衝撃がかかる切削条件において、耐チッピング性および耐欠損性が十分ではない。
　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、優れた耐チッピング性、耐欠損性および耐摩耗性を有し、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、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、ＴｉＣＮの結晶方位とα型酸化アルミニウム層の結晶方位に着目して以下の構成にすると、耐チッピング性、耐欠損性および耐摩耗性を向上させることができ、その結果、工具寿命を延長することができるという知見を得て、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明は以下の通りである。
（１）基材と、前記基材上に設けられた被覆層とを有する被覆切削工具であって、前記被覆層は、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって順に積層された、ＴｉＣＮを含有する下部層と、α型Ａｌ２Ｏ３を含有する上部層とを含み、前記下部層及び前記上部層が、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子とを含む、被覆切削工具。
　条件（Ｉ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
　条件（ＩＩ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
（２）前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子と前記上部層において最も前記基材側に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子との合計数に対して、前記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子と、前記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子との合計数の割合が、５０％以上１００％以下である、（１）の被覆切削工具。
（３）前記上部層の平均厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下である、（１）または（２）の被覆切削工具。
（４）前記下部層の平均厚さは、２μｍ以上２０μｍ以下である、（１）～（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）前記被覆層は、前記下部層と前記上部層との間に、Ｔｉ元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含有する中間層を含み、前記中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である、（１）～（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）前記被覆層の平均厚さは、３μｍ以上３０μｍ以下である、（１）～（５）のいずれかの被覆切削工具。
（７）前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、（１）～（６）のいずれかの被覆切削工具。
　本発明によると、優れた耐チッピング性、耐欠損性および耐摩耗性を有し、工具寿命の長い被覆切削工具を提供することができる。
式（１）～（３）の一例を説明するための模式断面図である。
　以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
＜被覆切削工具＞
　本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材上に設けられた被覆層とを有する。被覆切削工具の種類として、具体的には、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリルおよびエンドミルを挙げることができる。
＜基材＞
　本実施形態における基材は、被覆切削工具の基材として用いられる得るものであれば、特に限定されない。基材としては、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、高速度鋼を挙げることができる。それらの中でも、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更に優れるので、好ましい。
　なお、基材は、その表面が改質されたものであってもよい。例えば、基材が超硬合金からなるものである場合、その表面に脱β層が形成されてもよい。また、基材がサーメットからなるものである場合、その表面に硬化層が形成されてもよい。これらのように基材の表面が改質されていても、本発明の作用効果は奏される。
＜被覆層＞
　本実施形態における被覆層は、その平均厚さが、３μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。平均厚さが３μｍ以上であると、耐摩耗性が更に向上する傾向にあり、３０μｍ以下であると、被覆層の基材との密着性および耐欠損性が一層高まる傾向にある。同様の観点から、被覆層の平均厚さは、３μｍ以上２０μｍ以下であるとさらに好ましい。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さは、３箇所以上の断面から、各層の厚さおよび被覆層全体の厚さを測定して、その平均値を計算することで求めることができる。
　本実施形態における被覆層は、基材側から被覆層の表面側に向かって順に積層された、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）を含有する下部層とα型Ａｌ２Ｏ３を含有する上部層とを含む。本実施形態における下部層および上部層は、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子とを含む。条件（Ｉ）では、下部層において最も上記表面側（以下、被覆層の表面を「上記表面」ともいう。）に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつ上記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとは略平行の関係であり、かつ、上記ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、上記α型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行の関係にある。このような条件（Ｉ）を満たすと、主に、被覆切削工具の耐摩耗性を低下させることなく、下部層と上部層との間の密着性が向上する。その結果、被覆切削工具は耐チッピング性および耐欠損性が向上する。なお、本明細書において、「ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子」とは、下部層と上部層が直接接触している場合は、ＴｉＣＮ粒子と直接接触しているα型Ａｌ２Ｏ３粒子を意味し、下部層と上部層との間に後述の中間層（密着層）が存在する場合は、ＴｉＣＮ粒子に対して、それらの層の積層方向に存在し、中間層（密着層）と直接接触しているα型Ａｌ２Ｏ３粒子を意味する。
　さらに、条件（ＩＩ）では、下部層において最も上記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつ上記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行であり、かつ、上記ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、上記α型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行の関係にある。このような条件（ＩＩ）を満たすと、主に、下部層と上部層との間のより強固な密着性を得ることができる。その結果、被覆層が条件（ＩＩ）を満たす粒子を含むと、その粒子の周囲の上部層における粒子の脱落を抑制することができるので、耐チッピング性および耐欠損性が向上する。したがって、被覆層が、上記の条件（Ｉ）を満たす粒子と条件（ＩＩ）を満たす粒子とを含むと、耐摩耗性を低下させることなく、耐チッピング性および耐欠損性が向上する。
　また、下記式（１）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの数の割合ＲＣが、５０％以上１００％以下であると、耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性に更に優れるため、好ましい。さらに、特に下部層と上部層の間の密着性を高めて、耐チッピング性および耐欠損性を向上させる観点から、下記式（２）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ１は、１％以上であることが好ましい。また、特に上部層における粒子の脱落を抑制して、耐チッピング性および耐欠損性を向上させる観点から、下記式（３）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ２は、１％以上であることが好ましい。ここで、ＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの数（以下、「組数」という）について、例えば、あるＴｉＣＮ粒子に対して、条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）を満たすか否かの判断対象となるα型Ａｌ２Ｏ３粒子が２個存在する場合は、その組数は２となる。また、例えば、あるα型Ａｌ２Ｏ３粒子に対して、条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）を満たすか否かの判断対象となるＴｉＣＮ粒子が２個存在する場合も、その組数は２となる。
　ＲＣ＝（Ｒ１＋Ｒ２）／ＲＳ×１００　　　（１）
　ＲＣ１＝Ｒ１／ＲＳ×１００　　　（２）
　ＲＣ２＝Ｒ２／ＲＳ×１００　　　（３）
ここで、各式中、ＲＳは、下部層において最も上記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子と、上部層において最も基材側に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子のうち上記ＴｉＣＮ粒子に対して条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）を満たすか否かの判断対象となるα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの総数を示し、Ｒ１は、そのうち条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの総数を示し、Ｒ２は、そのうち条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの総数を示す。ＲＳは、Ｒ１、Ｒ２、並びに条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）のいずれの条件をも満たさないＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの総数の合計となる。
　なお、本明細書においては、「粒子」として、電子後方散乱回折像装置（ＥＢＳＤ）により評価した場合の方位差５°以上の組織境界で囲まれる領域を採用する。また、本実施形態の下部層において最も上記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子とは、有効な結晶粒として、上記表面側からＥＢＳＤにより評価した場合の方位差５°以上の組織境界で囲まれる領域とする。また、本実施形態の上部層において最も基材側に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子とは、有効な結晶粒として、基材側からＥＢＳＤにより評価した場合の方位差５°以上の組織境界で囲まれる領域とする。
　本実施形態の被覆層において、下部層の最も上記表面側に位置する粒子の結晶面と、上部層の最も基材側かつ上記粒子の直上に位置する粒子の結晶面との関係は、市販の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属したＥＢＳＤを用いて測定した極点図およびＥＢＳＤマップにより、求めることができる。
　より具体的には、以下のようにして求めることができる。まず、被覆切削工具を基材の表面と直交または略直交する方向に鏡面研磨して、その断面組織面を露出させる。被覆切削工具の断面組織面を露出させる方法としては、ダイヤモンドペーストまたはコロイダルシリカを用いて研磨する方法やイオンミリングなどを挙げることができる。被覆切削工具の断面組織面を露出した試料をＦＥ－ＳＥＭにセットし、試料に、７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧および０．５ｎＡ照射電流の条件にて電子線を照射する。基材の表面に平行な方向の５０μｍの測定範囲を０．１μｍのステップサイズというＥＢＳＤの設定で測定するのが望ましい。粒子は、方位差５°以上の組織境界で囲まれる領域とする。このとき、測定は、下部層と上部層とを含む視野にて行う。得られた結晶方位の情報から｛１１１｝面、｛４２２｝面、｛２２２｝面および｛１０－１｝面の極点図を作成し、必要に応じてＥＢＳＤを用いて解析する。なお、上部層におけるα型Ａｌ２Ｏ３の｛２２２｝面は、結晶面を表す軸の置き方により、｛００６｝面と示すことができる。同様に、｛１０－１｝面は、｛１１０｝面を示すことができる。また、「｛４２２｝面の少なくとも１つ」とは、｛４２２｝面と等価な結晶面の少なくとも１つの結晶面を指し、具体的には、（４２２）面、（－４２２）面、（４－２２）面、及び（４２－２）面からなる群より選ばれる少なくとも１つを指す。同様に、「｛００６｝面の少なくとも１つ」とは、｛００６｝面と等価な結晶面の少なくとも１つの結晶面を指し、「｛１１１｝面の少なくとも１つ」とは、｛１１１｝面と等価な結晶面の少なくとも１つの結晶面を指し、「｛１１０｝面の少なくとも１つ」とは、｛１１０｝面と等価な結晶面の少なくとも１つの結晶面を指す。
　本明細書において、２つの結晶面が「略平行である」とは、２つの結晶面の法線が略平行であることを意味し、２つの結晶面の極点図において、法線を示すプロットが互いに同じ位置に存在する場合、２つの結晶面が「略平行である」といえる。なお、「略平行」の範囲は、上記２つの結晶面の法線がなす角度が±５°以内である。
　また、上記式（１）～（３）におけるＲ１、Ｒ２及びＲＳは、ＥＢＳＤによる任意の基材の表面に平行な方向の５０μｍの測定範囲において、ステップサイズを０．１μｍにした場合の各測定点で得られる上記各組み合わせから導くことができる。
　図１は、上記の式（１）～（３）の一例を説明するための模式断面図であり、下部層と上部層とが直接接触した領域の一部を示しており、下部層側にはＴｉＣＮ粒子、上部層側にはα型Ａｌ２Ｏ３粒子が存在している。図中の矢印の総数（図１では８本）がＲＳに該当し、実線の矢印の総数（図１では４本）がＲ１に該当し、破線の矢印の総数（図１では３本）がＲ２に該当し、一点鎖線の矢印の総数（図１では１本）が条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）のいずれの条件をも満たさないＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの総数に該当する。図１では、式（１）におけるＲＣが８７．５％、式（２）におけるＲＣ１が５０％、式（３）におけるＲＣ２が３７．５％となる。
　本発明による効果をより有効かつ確実に奏する観点から、下部層におけるＴｉＣＮの含有量は、下部層の全量に対して９５質量％以上であると好ましく、９８質量％以上であるとより好ましく、９９質量％以上であると更に好ましく、下部層がＴｉＣＮからなると最も好ましい。また、同様の観点から、上部層におけるα型Ａｌ２Ｏ３の含有量は、上部層の全量に対して９５質量％以上であると好ましく、９８質量％以上であるとより好ましく、９９質量％以上であると更に好ましく、上部層がα型Ａｌ２Ｏ３からなると最も好ましい。下部層および上部層には、不可避的不純物が含まれてもよいし、本発明の作用効果を阻害しない範囲において、ＴｉＣＮおよびα型Ａｌ２Ｏ３以外の物質（例えば、ＣｌおよびＳなどの元素）が含まれてもよい。
　本実施形態の上部層の平均厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。上部層の平均厚さが、１μｍ以上であると、被覆切削工具のすくい面における耐クレータ摩耗性が更に向上する傾向にあり、１５μｍ以下であると剥離がより抑制され、耐欠損性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、上部層の平均厚さは、３μｍ以上１２μｍ以下であることがより好ましい。
　本実施形態の被覆層において、基材と上部層との間に下部層を有することで、耐摩耗性が向上する。下部層の平均厚さは、２μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。下部層の平均厚さが、２μｍ以上であると耐摩耗性が向上する傾向にあり、２０μｍ以下であると剥離が更に抑制され、耐欠損性がより向上する傾向にある。同様の観点から、下部層の平均厚さは、５μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましい。
＜密着層＞
　本実施形態の被覆層は、Ｔｉ元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素からなる化合物を含有する密着層を含むと、その密着層を挟む両層間の密着性が更に向上するため、好ましい。密着層は、最下層として基材と下部層との間に設けられてもよく、中間層として下部層と上部層との間に設けられてもよい。密着層には、任意成分として、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉからな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。密着層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。密着層の平均厚さが、０．１μｍ以上であると、密着層がより均一な組織になり、密着性が更に向上する傾向にある。一方、密着層の平均厚さが０．５μｍ以下であると、密着層が剥離の起点となるのをより抑制するので、耐欠損性が更に高まる傾向にある。また、密着層における上記化合物の含有量は、密着層の全量に対して９５質量％以上であると好ましく、９８質量％以上であるとより好ましく、９９質量％以上であると更に好ましく、密着層が上記化合物からなると最も好ましい。
　本実施形態の被覆層は、Ｔｉ元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含有する中間層を含むと、下部層と上部層との間の密着性を更に高める観点から好ましい。また、中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。中間層の平均厚さが、０．１μｍ以上であると、中間層がより均一な組織になり、密着性が更に向上する傾向にある。一方、中間層の平均厚さが０．５μｍ以下であると、割合ＲＣが減少するのを抑制するので、耐欠損性が更に高まる傾向にある。
　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。ただし、各層の形成方法はこれに限定されない。
　例えば、密着層や中間層として用いられ得るＴｉＮからなる層は、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：１００～４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
　密着層や中間層として用いられ得るＴｉＣからなる層は、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。
　密着層として用いられ得るＴｉＡｌＣＮＯからなる層は、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。
　密着層として用いられ得るＴｉＡｌＣＯからなる層は、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。
　密着層や中間層として用いられ得るＴｉＣＮＯからなる層は、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。
　密着層や中間層として用いられ得るＴｉＣＯからなる層は、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。
　本実施形態において、条件（Ｉ）および（ＩＩ）を満たすように、下部層におけるＴｉＣＮ粒子と上部層におけるα型Ａｌ２Ｏ３粒子との各方位関係を制御した被覆切削工具は、例えば、以下の方法によって得ることができる。
　まず、基材または密着層の表面に下部層の一部となる下部第１層を形成する。下部第１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。
　次に、下部第１層の表面に下部層の別の一部となる下部第２層を形成する。下部第２層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：１～５ｍｏｌ％、ＣＨ３ＣＮ：０～１ｍｏｌ％、ＣＨ４：１～４ｍｏｌ％、Ｎ２：０～５ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９２０～９７０℃、圧力：１００～１５０ｈＰａとする化学蒸着法を形成する。
　次いで、必要に応じて下部第２層の表面に上記のようにして中間層を形成した後、下部第２層または中間層の表面に上部層の一部となるα型Ａｌ２Ｏ３の核を形成する。α型Ａｌ２Ｏ３の核は、原料ガス組成をＡｌＣｌ３：１．０～４．０ｍｏｌ％、ＣＯ２：１．０～３．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０～２．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０～３．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０～０．１ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９２０～９５０℃、圧力：６０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成する。
　そして、下部第２層または中間層並びにα型Ａｌ２Ｏ３の核の表面に、上部層の別の一部となるα型Ａｌ２Ｏ３を形成する。α型Ａｌ２Ｏ３は、原料ガス組成をＡｌＣｌ３：２．０～５．０ｍｏｌ％、ＣＯ２：２．５～４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０～３．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０．１５～０．２５ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９５０～１０００℃、圧力：６０～８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成する。
　上記のようにして下部第１層、下部第２層、任意の中間層、および上部層の別の一部となるα型Ａｌ２Ｏ３を形成すると、条件（Ｉ）を満たすことが可能となる。また、上記のようにして下部第１層、下部第２層、任意の中間層、α型Ａｌ２Ｏ３の核、および上部層の別の一部となるα型Ａｌ２Ｏ３を形成すると、条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）の両方を満たすことが可能となる。したがって、例えば、α型Ａｌ２Ｏ３の核を形成する時間を変化させることにより、条件（Ｉ）の関係を満たす各粒子と条件（ＩＩ）の関係を満たす各粒子の割合を制御することができる。例えば、α型Ａｌ２Ｏ３の核を形成する時間は、３分間～１５分間であってもよい。
　本実施形態の被覆切削工具の被覆層における各層の厚さは、被覆切削工具の断面組織から、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、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さは、刃先から被覆切削工具のすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、各層の厚さを３箇所以上測定し、その平均値として求めるとよい。また、各層の組成は、本実施形態の被覆切削工具の断面組織から、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。
　以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　試料の各層の厚さを下記のようにして求めた。すなわち、ＦＥ－ＳＥＭを用いて、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の位置の近傍における断面での３箇所の厚さを測定し、その平均値を平均厚さとして求めた。
　得られた試料の下部層におけるＴｉＣＮ粒子、および上部層におけるα型Ａｌ２Ｏ３粒子の各方位差に関する情報は、ＦＥ－ＳＥＭに付属したＥＢＳＤを用いて求めた。
　基材として、ＪＩＳ規格ＣＮＭＡ１２０４０８形状を有し、９３．１ＷＣ－６．５Ｃｏ－０．４Ｃｒ３Ｃ２（以上質量％）の組成を有する超硬合金製の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。
　基材の表面を洗浄した後、被覆層を化学蒸着法により形成した。発明品１～１１については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表２に示す最下層を表２に示す平均厚さになるよう、基材の表面に形成した。次いで、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表４に示す下部第１層と下部第２層とを有する下部層を表２に示す平均厚さになるよう、最下層の表面に形成した。次に、発明品１～３、発明品５～１１については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表２に示す中間層を表２に示す平均厚さになるよう、下部層の表面に形成した。一方、発明品４については、中間層を形成しなかった。次いで、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、中間層（発明品４は下部層）の表面に表４に示すα型Ａｌ２Ｏ３の核（上部層の一部）を、表４に示す形成時間にて形成した。さらに、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、下部層若しくは中間層およびα型Ａｌ２Ｏ３の核の表面に表４に示す別のα型Ａｌ２Ｏ３（上部層の別の一部）を、上部層が表２に示す平均厚さになるよう形成した。こうして、発明品１～１１の被覆切削工具を得た。
　一方、比較品１～１０については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表３に示す最下層を表３に示す平均厚さになるよう、基材の表面に形成した。次いで、比較品１、２、５～７および９については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表５に示す下部第１層と下部第２層とを有する下部層を表２に示す平均厚さになるよう、最下層の表面に形成した。一方、比較品３、４、８および１０については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表５に示す下部層を表２に示す平均厚さになるよう、最下層の表面に形成した。次に、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表３に示す中間層を表３に示す平均厚さになるよう、下部層の表面に形成した。次いで、比較品１、２および９については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、中間層の表面に表５に示すα型Ａｌ２Ｏ３の核（上部層の一部）を、表５に示す形成時間にて形成した。また、比較品５～７については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、中間層の表面に表５に示すα型Ａｌ２Ｏ３（上部層）を、表３に示す平均厚さになるよう形成した。そして、比較品１～４および８～１０については、それらの表面に、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表５に示すα型Ａｌ２Ｏ３（上部層の一部）を表３に示す平均厚さになるよう形成した。こうして、比較品１～１０の被覆切削工具を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　得られた被覆切削工具を各層の積層方向に直交する方向に鏡面研磨して、その断面組織を露出させた。上部層の断面組織面をＦＥ－ＳＥＭで観察し、ＦＥ－ＳＥＭに付属したＥＢＳＤを用いて各方位差におけるＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子の情報から、下記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）および（ｇ）の事項を求めた。その結果を表６に示す。
（ａ）下部層において最も被覆層の表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行となるような、上記ＴｉＣＮ粒子及びα型Ａｌ２Ｏ３粒子を含むか否か。
（ｂ）下部層において最も被覆層の表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行となるような、上記ＴｉＣＮ粒子及びα型Ａｌ２Ｏ３粒子を含むか否か。
（ｃ）下部層において最も被覆層の表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行となるような、上記ＴｉＣＮ粒子及びα型Ａｌ２Ｏ３粒子を含むか否か。
（ｄ）下部層において最も被覆層の表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行となるような、上記ＴｉＣＮ粒子及びα型Ａｌ２Ｏ３粒子を含むか否か。
（ｅ）上記式（２）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ１（％）
（ｆ）上記式（３）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ２（％）
（ｇ）上記式（１）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ２Ｏ３粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ（上記（ｅ）と（ｆ）の合計）（％）
　測定は、下部層および上部層の断面組織面を露出した試料をＦＥ－ＳＥＭにセットし、その断面組織面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧および０．５ｎＡ照射電流で電子線を照射し、測定範囲が３０μｍ×５０μｍの任意の範囲を０．１μｍのステップサイズというＥＢＳＤの設定で行った。方位差５°以上の組織境界で囲まれた領域を「粒子」とし、ＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子を特定した。測定点の総数は１０５であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　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。切削試験１は耐摩耗性を評価する試験であり、切削試験２は耐欠損性を評価する試験である。各切削試験の結果を表７に示す。
［切削試験１：耐摩耗性試験］
　被削材：Ｓ４５Ｃの丸棒、
　切削速度：３００ｍ／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。この際の損傷形態については、欠損の場合を「欠損」、最大逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至った場合を「正常摩耗」評価した。
［切削試験２：耐欠損性試験］
　被削材：ＳＣＭ４１５の長さ方向に等間隔で２本の溝入り丸棒、
　切削速度：２５０ｍ／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。
　表７に示されるように、発明品は、耐チッピング性および耐欠損性を低下させることなく耐摩耗性が向上していた。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くなったことが分かる。
　本出願は、２０１６年７月１日出願の日本特許出願（特願２０１６－１３１７１７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明の被覆切削工具は、耐チッピング性および耐欠損性を低下させることなく、耐摩耗性にも優れ、従来よりも工具寿命を延長できるので、そのような特性が求められる被覆切削工具として産業上の利用可能性がある。

Claims (7)

  1. 　基材と、前記基材上に設けられた被覆層とを有する被覆切削工具であって、
    　前記被覆層は、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって順に積層された、ＴｉＣＮを含有する下部層と、α型Ａｌ２Ｏ３を含有する上部層とを含み、
    　前記下部層及び前記上部層が、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子とを含む、
    被覆切削工具。
    　条件（Ｉ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
    　条件（ＩＩ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ２Ｏ３粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
  2. 　前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子と前記上部層において最も前記基材側に位置するα型Ａｌ２Ｏ３粒子との合計数に対して、前記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子と、前記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ２Ｏ３粒子との合計数の割合が、５０％以上１００％以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
  3. 　前記上部層の平均厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１または２に記載の被覆切削工具。
  4. 　前記下部層の平均厚さは、２μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
  5. 　前記被覆層は、前記下部層と前記上部層との間に、Ｔｉ元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含有する中間層を含み、前記中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
  6. 　前記被覆層の平均厚さは、３μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
  7. 　前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１～６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
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