WO2021192327A1 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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WO2021192327A1
WO2021192327A1 PCT/JP2020/022400 JP2020022400W WO2021192327A1 WO 2021192327 A1 WO2021192327 A1 WO 2021192327A1 JP 2020022400 W JP2020022400 W JP 2020022400W WO 2021192327 A1 WO2021192327 A1 WO 2021192327A1
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carbonitride
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tool
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中村　惠滋
光宏 阿部
河野　和弘
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三菱マテリアル株式会社
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    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications

Definitions

  • the present invention relates to a surface-coated cutting tool (hereinafter, may be referred to as a coated tool).
  • a coating tool in which a hard coating layer is coated on the surface of a tool substrate such as tungsten carbide (hereinafter referred to as WC) -based cemented carbide by a vapor deposition method. Is known to exhibit excellent wear resistance.
  • the coating tool formed by coating the conventional hard coating layer has excellent wear resistance, but various proposals have been made for further improvement of the hard coating layer.
  • Patent Document 1 has a TiCN layer, a bonding layer, and an ⁇ -type Al 2 O 3 layer from the tool substrate toward the surface, and the TiCN layer has an average layer thickness of 4 to 20 ⁇ m and is oriented.
  • the sex index TC (220) (hereinafter, may be indicated only by TC) is 0.5 or less, TC (422) is 3 or more, the sum of TC (311) and TC (422) is 4 or more, and the bonding
  • the layer is at least one layer of TiN, TiCN, TiCO, and TiCNO, and the average layer thickness is 0.5 to 2 ⁇ m, and the ⁇ -type Al 2 O 3 layer has an average layer thickness of 2 to 20 ⁇ m.
  • a coating tool having a hard coating layer having a TC (0 0 12) of 7.2 or more and an I (0 0 12) / I (0 0 14) of 1 or more is described.
  • Patent Document 2 toward the surface from the tool substrate, TiCN layer, a bonding layer, alpha type the Al 2 O 3 layer has, the TiCN layer has an average layer thickness of 2 ⁇ 20 [mu] m, the The bonding layer is TiCNO or TiBN having a needle-like structure, and the ⁇ -type Al 2 O 3 layer has a hard coating layer having an average layer thickness of 1 to 15 ⁇ m and a TC (006) of more than 5. Covering tools are listed.
  • an object of the present invention is to provide a covering tool having sufficient durability in a cutting process in which the cutting edge is exposed to a large load.
  • the surface coating cutting tool is It has a tool base and a hard coating layer on the tool base.
  • the hard coating layer has an inner layer, a lower intermediate layer, an upper intermediate layer, a bonding auxiliary layer, and an outer layer in this order from the tool substrate toward the surface.
  • the inner layer is a Ti carbonitride layer having an average layer thickness of 4.0 to 20.0 ⁇ m.
  • the lower intermediate layer is a Tiriden layer having an average layer thickness of 0.1 to 2.0 ⁇ m.
  • the upper intermediate layer is a carbonitride layer of Ti, and has an average layer thickness of 0.1 to 2.5 ⁇ m.
  • the grain boundaries of the carbonitride are continuous from the grain boundaries of the Ti carbonitride in the inner layer.
  • the bond auxiliary layer is a carbon dioxide oxide layer of Ti, and has an average layer thickness of 3 to 80 nm.
  • the outer layer is an ⁇ -type aluminum oxide layer having an average layer thickness of 2.0 to 20.0 ⁇ m.
  • the orientation index TC (422) of Ti carbonitrides in the inner layer and the upper intermediate layer is 3.0 or more, and the orientation index TC (0 0 12) of ⁇ -type aluminum oxide in the outer layer is 5.0 or more.
  • the present inventor has made extensive studies focusing on the ⁇ -type aluminum oxide layer and the bonding auxiliary layer (bonding layer) in order to improve the durability of the coating tool containing the ⁇ -type aluminum oxide layer as a hard coating layer. As a result, it was discovered that the needle-like structure of the bonding layer adversely affects the durability.
  • the bonding layer described in Patent Document 1 is not specified in the document, the bonding layer of Patent Document 2 is obtained in order to obtain an anchor effect in order to strengthen the bonding with the ⁇ -type aluminum oxide layer. Similar to, it has a needle-like structure.
  • this acicular structure is the cause of voids in the interface region of the ⁇ -type aluminum oxide layer with the bonding layer. That is, the raw material gas for forming the ⁇ -type aluminum oxide layer is not sufficiently supplied to the gap formed by the needle-shaped structure, which causes voids, and it is difficult to obtain the anchor effect brought about by the needle-shaped structure. I found out. Further, the chipping resistance is improved by forming the Ti carbonitride layer described in Patent Documents 1 and 2 into three layers of Ti carbonitride layer-Ti nitride layer-Ti carbonitride layer. It was also found that it should be done.
  • the range includes the upper limit value (B) and the lower limit value (A).
  • the unit of the upper limit value (B) and the lower limit value (A) is the same.
  • the numerical values include tolerances.
  • compositions of Ti nitride, Ti carbonitride, Ti carbonitride oxide, Ti carbonitride, Ti oxide layer and ⁇ -type aluminum oxide layer are limited to the chemical quantitative composition. However, it contains the composition of all conventionally known atomic ratios.
  • the covering tool has an inner layer (2), a lower intermediate layer (3), and an upper middle layer on a hard coating layer (1) on a tool substrate (8). It has a layer (4), a binding auxiliary layer (5) and an outer layer (6).
  • the inner layer (2), the lower intermediate layer (3), the upper intermediate layer (4), and the bonding auxiliary layer (5) (hereinafter, these layers are collectively referred to as the main layer) are formed of the film-forming gas. Epitaxial growth is carried out by adjusting the gas composition and reaction atmosphere pressure.
  • the binding auxiliary layer (5) is not a needle-like structure. That is, the binding auxiliary layer (5) is a non-needle-like structure, and is composed of, for example, equiaxed particles.
  • continuous grain boundaries means that when an arbitrary vertical cross section of a hard coating layer, which will be described later, is observed with a scanning electron microscope (SEM), the grain boundaries can be visually recognized as continuous. ..
  • SEM scanning electron microscope
  • the reason why the grain boundaries can be visually recognized as continuous is that the lattice constants of the epitaxially grown Ti nitride and the Ti carbonitride can be regarded as substantially the same.
  • the nitride is the inner Ti carbonitride
  • the upper intermediate Ti carbonitride is the lower intermediate Ti nitride, respectively, in a direction parallel to the surface of the tool substrate.
  • the lattice spacing is maintained even after cooling after film formation, and the surface spacing of the Ti nitride in the inner layer remains the same, while the Ti nitride in the lower intermediate layer and the Ti nitride in the upper intermediate layer It is thought that this is because it is inherited by Ti carbonitride.
  • each layer will be described.
  • the inner layer is a Ti carbonitride layer having columnar particles adjacent to the tool substrate or the innermost layer described later, and the average layer thickness thereof is preferably 4.0 to 20.0 ⁇ m.
  • the reason for setting the average layer thickness in this range is that if it is less than 4.0 ⁇ m, the wear resistance is lowered, while if it exceeds 20.0 ⁇ m, the fracture resistance is lowered.
  • the average layer thickness is more preferably 5.0 to 15.0 ⁇ m, and even more preferably 8.0 to 12.0 ⁇ m.
  • the lower intermediate layer is provided between the inner layer and the upper intermediate layer, and is a Tiriden layer, preferably having an average layer thickness of 0.1 to 2.0 ⁇ m. Since the Ti nitride layer is softer and has a lower Young's modulus than the other main layers, it enhances the toughness of the hard coating layer and improves the chipping resistance. That is, as will be described later, when the adhesion between the carbonitride oxide layer of Ti, which is the bonding auxiliary layer, and the ⁇ -type aluminum oxide layer of the outer layer becomes strong, it is caused by the difference in physical properties such as the coefficient of thermal expansion of those substances.
  • the average layer thickness of the lower intermediate layer is preferably 0.1 to 2.0 ⁇ m, preferably 0.3 to 2.0 ⁇ m. 1.5 ⁇ m is more preferable, and 0.5 to 1.0 ⁇ m is even more preferable.
  • the lower intermediate layer also plays a role of firmly connecting the upper intermediate layer and the inner layer.
  • the upper intermediate layer is a Ti carbonitride layer provided between the lower intermediate layer and the bonding auxiliary layer.
  • the reason for using the Ti carbonitride layer is that the bond auxiliary layer described later is a Ti carbonitride oxide layer and has oxygen, so that it has a high chemical affinity with the ⁇ -type aluminum oxide layer of the outer layer.
  • the bond auxiliary layer described later is a Ti carbonitride oxide layer and has oxygen, so that it has a high chemical affinity with the ⁇ -type aluminum oxide layer of the outer layer.
  • the affinity is high in terms of crystallization.
  • the average layer thickness is more preferably 0.3 to 2.0 ⁇ m, and even more preferably 0.5 to 1.5 ⁇ m.
  • Orientation index TC (422) of Ti carbonitrides in the inner and upper intermediate layers As described above, among the main layers, the inner layer, the lower middle layer, and the upper middle layer, which can be regarded as one large columnar particle, the TC of Ti carbonitride, which is the main constituent phase of these layers ( 422) is preferably 3.0 or more. The reason is that if it is 3.0 or more, the TC (0 0 12) of the ⁇ -type aluminum oxide in the outer layer, which will be described later, becomes 5.0 or more due to the above-mentioned epitaxial growth, and the wear resistance is improved.
  • TC (orientation index TC) is measured by X-ray diffraction of a 2 ⁇ / ⁇ concentrated optical system using CuK ⁇ , and is defined by Harris's equation described below.
  • I (hkl) is the diffraction intensity of the (hkl) plane
  • I 0 (hkl) is the standard intensity described in ICDD file number 00-042-1489 on the same surface
  • n is the total number of reflective surfaces.
  • the planes to be considered as reflective planes are (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (331) plane, (420) plane, (422) plane and (511) plane. ..
  • the bonding auxiliary layer is a layer in contact with the ⁇ -type aluminum oxide layer of the outer layer, which corresponds to the bonding layers of Patent Documents 1 and 2, and has an average layer thickness of 3 to 80 nm for carbon dioxide oxidation of Ti. It is a material layer. Since this layer has oxygen, it has the property of strengthening the adhesion of the outer layer to the ⁇ -type aluminum oxide layer, and this property is exhibited when the average layer thickness is 3 to 80 nm. .. Further, from the viewpoint of exhibiting this characteristic, the average layer thickness is more preferably 3 to 50 nm, and even more preferably 3 to 30 nm.
  • This bond auxiliary layer is a thin layer having an average layer thickness of 3 to 80 nm by adjusting the composition of the film-forming gas and the reaction time, and its structure is not a needle-like structure. Therefore, when the ⁇ -type aluminum oxide layer of the outer layer is formed, voids are not generated in the region near the bond auxiliary layer of the ⁇ -type aluminum oxide layer, and the ⁇ -type aluminum oxide layer of the outer layer is formed through the bond auxiliary layer. It can be firmly bonded to the inner layer, lower intermediate layer, and upper intermediate layer.
  • the outer layer is preferably an ⁇ -type aluminum oxide layer having an average layer thickness of 2.0 to 20.0 ⁇ m and a TC (0 0 12) of 5.0 or more. If the average layer thickness is less than 2.0 ⁇ m, the durability cannot be sufficiently ensured for long-term use because it is thin, while if it exceeds 20.0 ⁇ m, the crystal grains of the ⁇ -type aluminum oxide layer become large. Chipping is likely to occur. When TC (0 0 12) is 5.0 or more, high wear resistance is exhibited.
  • the (104) plane, (110) plane, (113) plane, (024) plane, and (116) plane described in the ICDD file number 00-010-0173 are used.
  • (214) plane, (300) plane, (0 0 12) plane standard strength is used.
  • the innermost layer composed of one or more Ti compound layers of the carbide layer and the nitride layer of Ti and having a total average layer thickness of 0.1 to 2.0 ⁇ m is adjacent to the tool substrate. It may be provided between the inner layer and the inner layer. When this innermost layer is provided, the durability of the covering tool is further exhibited.
  • the total average layer thickness of the innermost layer is less than 0.1 ⁇ m, the effect of providing the innermost layer is not sufficiently exhibited, while if it exceeds 2.0 ⁇ m, the crystal grains tend to be coarsened and chipping occurs. It will be easier.
  • the Ti nitride layer, the carbide layer, and the carbonitride layer are composed of one layer or two or more Ti compound layers, and have a total average layer thickness of 0.1 to 4.0 ⁇ m.
  • the outermost layer may be provided above the outer layer. When this outermost layer is provided, corner identification (identification of used parts) after cutting is facilitated when the covering tool is an insert due to an effect such as exhibiting a clear color.
  • the total average layer thickness is less than 0.1 ⁇ m, the effect of providing the outermost layer is not sufficiently exhibited, while if it exceeds 4.0 ⁇ m, chipping is likely to occur.
  • the tool substrate is a cemented carbide (WC-based cemented carbide: WC and other cemented carbide containing Co and further added with a carbonitride such as Ti, Ta, Nb, etc.), cermet, etc. (Those containing TiC, TiN, TiCN, etc. as the main component, etc.), ceramics (silicon nitride, sialon, aluminum oxide, etc.), or cBN sintered bodies can be used, but the present invention is not limited thereto.
  • a cemented carbide WC-based cemented carbide: WC and other cemented carbide containing Co and further added with a carbonitride such as Ti, Ta, Nb, etc.), cermet, etc.
  • Those containing TiC, TiN, TiCN, etc. as the main component, etc.), ceramics (silicon nitride, sialon, aluminum oxide, etc.), or cBN sintered bodies can be used, but the present invention is not limited thereto.
  • the average layer thickness of each layer constituting the hard coating layer is determined by using, for example, a focused ion beam device (FIB: Focused Ion Beam system), a cross section polisher device (CP: Cross section microscope), or the like.
  • FIB Focused Ion Beam system
  • CP Cross section microscope
  • WC powder, TiC powder, TiN powder, NbC powder, Cr 3 C 2 powder and Co powder having an average particle size of 1 to 3 ⁇ m are prepared, and these raw material powders are blended as shown in Table 1. It was blended into the composition, further added with wax, mixed in a ball mill in acetone for 24 hours, dried under reduced pressure, press-molded into a green compact having a predetermined shape at a pressure of 98 MPa, and the green powder was press-molded into a green compact of a predetermined shape in a vacuum of 5 Pa, 1370. Vacuum sintered at a predetermined temperature within the range of ⁇ 1470 ° C. under the condition of holding for 1 hour, and after sintering, tool bases A to B made of WC-based superhard alloy having an insert shape of ISO standard CNMG120412 are respectively. Manufactured.
  • a main layer was formed on the surfaces of these tool substrates A to B.
  • the inner layer and the outer layer are formed under the film forming conditions shown in Table 2, and the lower intermediate layer, the upper intermediate layer and the bonding auxiliary layer are formed under the film forming conditions shown in Table 3.
  • the oxidation treatment shown in the same table was subsequently carried out to prepare the covering tools 1 to 6 of the present invention shown in Table 6.
  • the innermost layer and / or the outermost layer was formed according to the film forming conditions shown in Table 4.
  • a hard coating layer is formed on the surfaces of the tool substrates A to B under the film forming conditions according to the film forming conditions described in Patent Document 1 shown in Table 2, Table 3 or Table 5.
  • Comparative Example Tools 1 to 6 shown in Table 6 were prepared.
  • the lower intermediate layer does not exist, or the film formation conditions of the coating tool of the present invention are diverted to form a film, but the average thickness of the lower intermediate layer is the embodiment of the present invention.
  • the average layer thickness of the binding auxiliary layer is one of the present invention. It did not satisfy the range specified in the embodiment.
  • Cutting test 1 Target Example tools 1 to 3 and comparative example tools 1 to 3 Work Material: FCD700 Cutting speed: 400 m / min Feed: 0.3 mm / rev Notch: 1.5 mm Cutting time: 1 pass, 1 minute Evaluation: Every 1 minute of cutting time, the cutting edge was observed with a magnifying glass having a magnification of 2 times, and the time until the peeling of the ⁇ -type aluminum oxide layer was confirmed was measured. The results are shown in Table 7.
  • Cutting test 2 Target: Example tools 4 to 6 and comparative example tools 4 to 6 Work Material: SNCM439 Cutting speed: 200 m / min Feed: 0.55 mm / rev Notch: 4 mm Cutting time: 2 minutes Evaluation: Observation of chipping occurrence after 2 minutes of cutting time For each tool, 5 corners were evaluated and evaluated by the number of corners where chipping occurred. The results are shown in Table 8.
  • the tools of the embodiment show good cutting performance even when subjected to a cutting process in which the cutting edge of ductile cast iron or alloy steel is exposed to a heavy load.
  • the ⁇ -type aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer is peeled off in a short time, or a lot of chipping occurs, and the life of the tool is reached in a short time.
  • Hard coating layer 2 Inner layer (Ti carbonitride layer) 3 Lower intermediate layer (Ti nitride layer) 4 Upper middle layer (Ti carbonitride layer) 5 Bonding auxiliary layer (Ti carbon oxide layer) 6 Outer layer ( ⁇ -type aluminum oxide layer) 7 Columnar particles 8 Tool base

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Abstract

【解決手段】工具基体上に硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、 前記硬質被覆層は前記工具基体から表面に向かって、順に、内層、下部中間層、上部中間層、結合補助層および外層を有し、 前記内層はＴｉの炭窒化物層であって平均層厚が４．０～２０．０μｍ、 前記下部中間層はＴｉの窒化物層であって平均層厚が０．１～２．０μｍ、 前記上部中間層はＴｉの炭窒化物層であって平均層厚が０．１～２．５μｍ、 前記下部中間層のＴｉの窒化物の粒界と前記上部中間層のＴｉの炭窒化物の粒界は前記内層のＴｉの炭窒化物の粒界から連続し、 前記結合補助層はＴｉの炭窒酸化物層であって平均層厚が３～８０ｎｍ、 前記外層はα型酸化アルミニウム層であって平均層厚が２．０～２０．０μｍ、 前記内層および前記上部中間層のＴｉの炭窒化物の配向性指数ＴＣ（４２２）が３．０以上、前記外層のα型酸化アルミニウムの配向性指数ＴＣ（０　０　１２）が５．０以上である

Description

表面被覆切削工具
　本発明は、表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。
　切削工具の切削性能の改善を目的として、従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金等の工具基体の表面に、硬質被覆層を蒸着法により被覆形成した被覆工具があり、これは、優れた耐摩耗性を発揮することが知られている。
　前記従来の硬質被覆層を被覆形成した被覆工具は、耐摩耗性に優れものであるが、さらなる硬質被覆層の改善についての種々の提案がなされている。
　例えば、特許文献１には、工具基体から表面に向かって、ＴｉＣＮ層、ボンディング層、α型Ａｌ２Ｏ３層を有し、前記ＴｉＣＮ層は、平均層厚が４～２０μｍであって、配向性指数ＴＣ（２２０）（以下、ＴＣのみで示すことがある）が０．５以下、ＴＣ（４２２）が３以上、ＴＣ（３１１）とＴＣ（４２２）の和が４以上であり、前記ボンディング層は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯの少なくとも一層であって、平均層厚が０．５～２μｍであり、前記α型Ａｌ２Ｏ３層は、平均層厚が２～２０μｍであって、ＴＣ（０　０　１２）が７．２以上、Ｉ（０　０　１２）／Ｉ（０　０　１４）が１以上である、硬質被覆層を有する被覆工具が記載されている。
　また、例えば、特許文献２には、工具基体から表面に向かって、ＴｉＣＮ層、ボンディング層、α型Ａｌ２Ｏ３層を有し、前記ＴｉＣＮ層は平均層厚が２～２０μｍであり、前記ボンディング層は針状組織のＴｉＣＮＯまたはＴｉＢＮであり、前記α型Ａｌ２Ｏ３層は、平均層厚が１～１５μｍであって、ＴＣ（００６）が５を超えている、硬質被覆層を有する被覆工具が記載されている。
特開２０１６－１３７５６４号公報 特許第５８７２７４６号公報
　近年の切削加工における省力化および省エネルギー化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、高効率化の傾向にあり、被覆工具の硬質被覆層には、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、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性が求められている。
　しかし、前記特許文献１および２に記載された被覆工具は、本発明者の検討によれば、刃先が大きな負担にさらされる切削加工において、十分な耐久性を有しているとはいえなかった。
　本発明は、この状況を鑑みて、刃先が大きな負担にさらされる切削加工において、十分な耐久性を有する被覆工具を提供することを目的とする。
　本発明の一実施形態に係る表面被覆切削工具は、
工具基体と、該工具基体上に硬質被覆層を有し、
前記硬質被覆層は、前記工具基体から表面に向かって、順に、内層、下部中間層、上部中間層、結合補助層および外層を有し、
前記内層は、Ｔｉの炭窒化物層であって、平均層厚が４．０～２０．０μｍであり、
前記下部中間層は、Ｔｉの窒化物層であって、平均層厚が０．１～２．０μｍであり、
前記上部中間層は、Ｔｉの炭窒化物層であって、平均層厚が０．１～２．５μｍであり、前記下部中間層のＴｉの窒化物の粒界と前記上部中間層のＴｉの炭窒化物の粒界は、前記内層のＴｉの炭窒化物の粒界から連続しており、
前記結合補助層は、Ｔｉの炭窒酸化物層であって、平均層厚が３～８０ｎｍであり、
前記外層は、α型酸化アルミニウム層であって、平均層厚が２．０～２０．０μｍであり、
前記内層と前記上部中間層のＴｉの炭窒化物の配向性指数ＴＣ（４２２）が３．０以上、前記外層のα型酸化アルミニウムの配向性指数ＴＣ（０　０　１２）が５．０以上である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。」
　前記によれば、刃先が大きな負担にさらされる切削加工において、十分な耐久性を有する。
本発明の一実施形態の被覆工具の内層、下部中間層、上部中間層、結合補助層および外層を示す模式図である。
　本発明者は、α型酸化アルミニウム層を硬質被覆層として含む被覆工具の耐久性の向上を図るべく、α型酸化アルミニウム層と結合補助層（ボンディング層）に着目して鋭意検討を重ねた。その結果、ボンディング層の針状組織が耐久性に悪影響を与えていることを発見した。
　すなわち、前記特許文献１に記載されたボンディング層は、同文献中に明記はされていないものの、α型酸化アルミニウム層との接合を強固にするためアンカー効果を得るべく、特許文献２のボンディング層と同様に、針状組織を有している。
　しかし、本発明者の検討によれば、この針状組織は、α型酸化アルミニウム層のボンディング層との界面領域におけるボイドの発生原因であることが判明した。すなわち、針状組織が形成する隙間にα型酸化アルミニウム層を形成するための原料ガスが十分に供給されず、これによりボイドが発生し、針状組織がもたらすアンカー効果を得ることが困難であると知見した。また、前記特許文献１および２に記載されたＴｉの炭窒化物層をＴｉの炭窒化物層－Ｔｉの窒化物層－Ｔｉの炭窒化物層の３層にすることによって耐チッピング性が向上することも知見した。
　以下では、本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ａ～Ｂ」（Ａ、Ｂは共に数値）で表現するときは、その範囲は上限値（Ｂ）および下限値（Ａ）を含んでおり、上限値（Ｂ）と下限値（Ａ）の単位は同じである。また、数値は公差を含む。
　また、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの炭窒酸化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの酸化物の各層およびα型酸化アルミニウム層の組成は、化学量論的組成に限定されず、従来公知のすべての原子比の組成を含むものである。
　図１に模式的に示すように、本発明の一実施形態の被覆工具は、工具基体（８）上の硬質被覆層（１）に、内層（２）、下部中間層（３）、上部中間層（４）、結合補助層（５）および外層（６）を有する。そして、内層（２）、下部中間層（３）、上部中間層（４）、結合補助層（５）（以下、これらの層を総称して主要層ということがある）は、成膜ガスのガス組成や反応雰囲気圧力を調整してエピタキシャル成長をさせている。そのため、縦断面（工具基体（８）の表面に垂直な断面）で観察した場合、下部中間層（３）のＴｉの窒化物の粒界と上部中間層の（４）Ｔｉの炭窒化物の粒界は、内層の柱状粒子（７）を有するＴｉの炭窒化物の粒界から連続しており、これらを一体としてみたときに、あたかも、ひとつの大きな柱状粒子の一部を構成しているような組織とみることができる。そして、結合補助層（５）は針状組織ではない。すなわち、結合補助層（５）は非針状組織であって、例えば、等軸粒子から構成されている。
　なお、粒界が連続するとは、後述する硬質被覆層の任意の縦断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察したときに、粒界が連続しているように視認できることをいう。
　このように粒界が連続しているように視認できる理由は、エピタキシャル成長したＴｉの窒化物とＴｉの炭窒化物の格子定数は実質的に同一とみることができるため、下部中間層のＴｉの窒化物は内層のＴｉの炭窒化物と、また、上部中間層のＴｉの炭窒化物は下部中間層のＴｉの窒化物と、それぞれ、工具基体の表面に平行な方向において、格子間隔（面間隔）を一致させて成長し、成膜後の冷却を経てもこの格子間隔が保持され、内層のＴｉの炭窒化物の面間隔はそのまま、下部中間層のＴｉの窒化物、上部中間層のＴｉの炭窒化物に受け継がれていくためと考えられる。
　以下、各層について説明する。
内層：
　内層は、工具基体または後述する最内層に隣接する柱状粒子を有するＴｉの炭窒化物層であって、その平均層厚は、４．０～２０．０μｍが好ましい。平均層厚をこの範囲とする理由は、４．０μｍ未満であると、耐摩耗性が低下し、一方、２０．０μｍを超えると耐欠損性が低下するためである。平均層厚は、５．０～１５．０μｍがより好ましく、８．０～１２．０μｍがより一層好ましい。
下部中間層：
　下部中間層は、内層と上部中間層との間に設けられ、Ｔｉの窒化物層であって、平均層厚が０．１～２．０μｍであることが好ましい。Ｔｉの窒化物層は、他の主要層に比して軟らかくヤング率が低いため、硬質被覆層の靭性を高め、耐チッピング性を向上させる。すなわち、後述するように、結合補助層であるＴｉの炭窒酸化物層と外層のα型酸化アルミニウム層との付着が強固となると、それらの物質の熱膨張係数等の物性差に起因して結合補助層に隣接する中間層内に大きな歪みが発生するが、その歪みをヤング率が低いＴｉの窒化物層によって緩和しているものと考えられる。なお、下部中間層の平均層厚が２．０μｍを超えると前述した粒界の連続が損なわれるため、下部中間層の平均層厚は、０．１～２．０μｍが好ましく、０．３～１．５μｍがより好ましく、０．５～１．０μｍがより一層好ましい。
　また、下部中間層は、上部中間層と内層を強固に結合させる役割も担っている。
上部中間層：
　上部中間層は、下部中間層と結合補助層との間に設けられるＴｉの炭窒化物層である。Ｔｉの炭窒化層とする理由は、後述する結合補助層がＴｉの炭窒化酸化物層であって酸素を有しているために外層のα型酸化アルミニウム層との化学的な親和性が高い上、Ｔｉの炭窒化物の（４２２）面の傾きとα型酸化アルミニウムの（０　０　１２）面の傾きを考えると結晶学的な親和性が高いためである。上部中間層の平均層厚が０．１μｍ未満であるとこの親和性の効果が不十分であり、一方、２．５μｍを超えると前述した下部中間層による硬質被覆層の靭性向上効果が発揮されない。平均層厚は、０．３～２．０μｍがより好ましく、０．５～１．５μｍがより一層好ましい。
内層と上部中間層のＴｉの炭窒化物の配向性指数ＴＣ（４２２）：
　前述したように、主要層のうち、ひとつの大きな柱状粒子と見なすことができる内層、下部中間層、上部中間層のうち、これらの層の主要な構成相であるＴｉの炭窒化物のＴＣ（４２２）は３．０以上であることが好ましい。その理由は、３．０以上であれば、前述のエピタキシャル成長によって後述する外層のα型酸化アルミニウムのＴＣ（０　０　１２）が５．０以上となって、耐摩耗性が向上するためである。ここで、ＴＣ（配向性指数ＴＣ）とは、ＣｕＫαを用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折により測定され、次に述べるハリスの式で規定されるものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 
　ここで、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）面の回折強度、Ｉ０（ｈｋｌ）は、同面のＩＣＤＤファイル番号００－０４２－１４８９に記載された標準強度であり、ｎは反射面の総数である。反射面として考慮すべき面は、（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（３３１）面、（４２０）面、（４２２）面および（５１１）面である。
結合補助層：
　結合補助層は、外層のα型酸化アルミニウム層に接する層であって、前記特許文献１および２のボンディング層に対応するものであって、その平均層厚が３～８０ｎｍのＴｉの炭窒酸化物層である。この層は、酸素を有しているため、外層のα型酸化アルミニウム層との付着が強固となる特性を有しており、平均層厚が３～８０ｎｍであるとき、この特性が発揮される。また、この特性の発揮の点から、平均層厚は３～５０ｎｍがより好ましく、３～３０ｎｍがより一層好ましい。
　この結合補助層は、成膜ガスの組成や反応時間を調整することによって、平均層厚が３～８０ｎｍの薄層となっており、その組織は針状組織ではない。そのため、外層のα型酸化アルミニウム層の形成時に、α型酸化アルミニウム層の結合補助層の近傍領域にボイドが発生することがなく、外層のα型酸化アルミニウム層は、結合補助層を介して、内層、下部中間層、上部中間層と強固に結合することができる。
外層：
　外層は、平均層厚が２．０～２０．０μｍであって、ＴＣ（０　０　１２）が５．０以上であるα型酸化アルミニウム層が好ましい。平均層厚は２．０μｍ未満であると、薄いため長期の使用にわたって耐久性を十分に確保することができず、一方、２０．０μｍを超えると、α型酸化アルミニウム層の結晶粒が大きくなってしまいチッピングが発生しやすくなる。ＴＣ（０　０　１２）は、５．０以上であると、高い耐摩耗性を発揮する。
　ここで、ＴＣ（０　０　１２）を求めるに当たっては、ＩＣＤＤファイル番号００－０１０－０１７３に記載された（１０４）面、（１１０）面、（１１３）面、（０２４）面、（１１６）面、（２１４）面、（３００）面、（０　０　１２）面の標準強度を使用する。
その他の層：
　本実施形態では、Ｔｉの炭化物層、窒化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり、０．１～２．０μｍの合計平均層厚を有する最内層を工具基体に隣接して内層との間に設けてもよい。この最内層を設ける場合は、被覆工具の耐久性がより一層発揮される。ここで、最内層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、最内層を設けた効果が十分に奏されず、一方、２．０μｍを超えると結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。
　また、本実施形態では、Ｔｉの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり、０．１～４．０μｍの合計平均層厚を有する最外層を外層の上部に設けてもよい。この最外層を設けると、明瞭な色彩色を呈するなどの効果によって、被覆工具がインサートの場合は切削使用後のコーナー識別（使用済み部位の識別）が容易となる。ここで、合計平均層厚が０．１μｍ未満であると、最外層を設けた効果が十分に発揮されず、一方、４．０μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなる。
工具基体：
　本実施形態において、工具基体は、超硬合金（ＷＣ基超硬合金：ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（窒化珪素、サイアロン、酸化アルミニウムなど）、または、ｃＢＮ焼結体を用いることができるが、これらに限定されない。
平均層厚の測定：
　ここで、硬質被覆層を構成する各層の平均層厚は、例えば、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ　ｓｙｓｔｅｍ）、クロスセクションポリッシャー装置（ＣＰ：Ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）等を用いて、硬質被覆層を任意の位置の縦断面（工具基体の表面に垂直な面で切断したもの）の観察用の試料を作製し、その縦断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、あるいはＳＥＭまたはＴＥＭ付帯のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ－ｒａｙ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置を用いて複数箇所（例えば、５箇所）で観察して、平均することにより得ることができる。
　次に、実施例について説明する。
　ここでは、実施例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、前記したものを用いた場合であっても同様であるし、ドリル、エンドミルに適用し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、ＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２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規格のＣＮＭＧ１２０４１２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～Ｂをそれぞれ製造した。
　次に、これら工具基体Ａ～Ｂの表面に、主要層の成膜を行った。主要層のうち、内層と外層については、表２に示す成膜条件により成膜を行い、下部中間層、上部中間層および結合補助層については、表３に示す成膜条件により成膜を行うとともに、引き続いて同表に示す酸化処理を行い、表６に示す本発明被覆工具１～６を作成した。なお、実施例工具１および４以外は、表４に示す成膜条件により最内層および／または最外層（Ｔｉの窒化物層）を成膜した。
　比較のために、これら工具基体Ａ～Ｂの表面に、表２、表３または表５に示す前記特許文献１に記載された成膜条件に準じた成膜条件により、硬質被覆層を成膜し、表６に示す比較例工具１～６を作成した。この比較被覆工具は、下部中間層が存在しないか、または、本発明被覆工具の成膜条件を転用して成膜しているものの、下部中間層の平均層厚が本発明の一実施形態で規定する範囲を満足しないもの、上部中間層を有しないかその平均層厚が本発明の一実施形態に規定する範囲を満足しないもの、さらには、結合補助層の平均層厚が本発明の一実施形態で規定する範囲を満足しないものであった。また、ＳＥＭ（倍率５００～５０００倍）による観察の結果、本発明の一実施形態の結合補助層に相当するＴｉＣＮＯ層がいずれも針状組織を有していた。なお、実施例と同様に、比較例工具１および４以外は、表４に示す成膜条件により最内層および／または最外層（Ｔｉの窒化物層）を成膜した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　続いて、前記実施例工具１～６および前記比較例工具１～６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クランプした状態で、ダクタイル鋳鉄、合金鋼の乾式旋盤の切削試験１および２を実施し、切削性能を評価した。切削試験は以下のとおりである。
切削試験１
対象：実施例工具１～３および比較例工具１～３
被削材：　ＦＣＤ７００
切削速度：　４００　ｍ／ｍｉｎ
送り：　０．３　ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：　１．５　ｍｍ
切削時間：　１パス１分
評価：切削時間１分毎に切れ刃を拡大率２倍の拡大鏡により観察し、α型酸化アルミニウム層の剥離が確認できるまでの時間を測定した。
　結果を表７に示す。
切削試験２
対象：実施例工具４～６および比較例工具４～６
被削材：　ＳＮＣＭ４３９
切削速度：　２００　ｍ／ｍｉｎ
送り：　０．５５　ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：　４　ｍｍ
切削時間：　２分
評価：切削時間２分後のチッピング発生状況を観察
　各工具について、５コーナーを評価し、チッピングが発生したコーナー数で評価した。
　結果を表８に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　表７および８の結果から明らかなように、実施例工具は、刃先が大きな負担にさらされるダクタイル鋳鉄、合金鋼の刃先が大きな負担にさらされる切削加工に供しても、良好な切削性能を示すが、比較例工具は、短時間でα型酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層が剥離し、あるいは、チッピングが多く発生し、短時間で寿命に至っている。
　前記開示した実施の形態はすべての点で例示にすぎず、制限的なものではない。本発明の範囲は前記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１　硬質被覆層
２　内層（Ｔｉの炭窒化物層）
３　下部中間層（Ｔｉの窒化物層）
４　上部中間層（Ｔｉの炭窒化物層）
５　結合補助層（Ｔｉの炭酸化物層）
６　外層（α型酸化アルミニウム層）
７　柱状粒子
８　工具基体
 

Claims (1)

  1. 　工具基体と、該工具基体上に硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
    前記硬質被覆層は、前記工具基体から表面に向かって、順に、内層、下部中間層、上部中間層、結合補助層および外層を有し、
    前記内層は、Ｔｉの炭窒化物層であって、平均層厚が４．０～２０．０μｍであり、
    前記下部中間層は、Ｔｉの窒化物層であって、平均層厚が０．１～２．０μｍであり、
    前記上部中間層は、Ｔｉの炭窒化物層であって、平均層厚が０．１～２．５μｍであり、
    前記下部中間層のＴｉの窒化物の粒界と前記上部中間層のＴｉの炭窒化物の粒界は、前記内層のＴｉの炭窒化物の粒界から連続しており、
    前記結合補助層は、Ｔｉの炭窒酸化物層であって、平均層厚が３～８０ｎｍであり、
    前記外層は、α型酸化アルミニウム層であって、平均層厚が２．０～２０．０μｍであり、
    前記内層および前記上部中間層のＴｉの炭窒化物の配向性指数ＴＣ（４２２）が３．０以上、前記外層のα型酸化アルミニウムの配向性指数ＴＣ（０　０　１２）が５．０以上である、
    ことを特徴とする表面被覆切削工具。
     
     
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