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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-12
(45)【発行日】2023-12-20
(54)【発明の名称】表面被覆切削工具
(51)【国際特許分類】
B23B 27/14 20060101AFI20231213BHJP
C23C 16/36 20060101ALI20231213BHJP
C23C 16/34 20060101ALI20231213BHJP
C23C 14/06 20060101ALI20231213BHJP
【ＦＩ】
B23B27/14 A
C23C16/36
C23C16/34
C23C14/06 H
C23C14/06 A
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2020048657
(22)【出願日】2020-03-19
(65)【公開番号】P2021146442
(43)【公開日】2021-09-27
【審査請求日】2023-02-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100208568
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 孔一
(74)【代理人】
【識別番号】100204526
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 靖
(74)【代理人】
【識別番号】100139240
【弁理士】
【氏名又は名称】影山 秀一
(72)【発明者】
【氏名】山口 亮介
(72)【発明者】
【氏名】杉山 醇
【審査官】増山 慎也
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１５９４０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２６０８５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１７７４２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１１４６１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１７９５０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／１４６７８５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１３６７８６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｂ ２７／１４
Ｂ２３Ｃ ５／１６
Ｂ２３Ｂ ５１／００
Ｂ２３Ｐ １５／２８
Ｂ２３Ｄ ４３／００
Ｃ２３Ｃ １６／３４、３６
Ｃ２３Ｃ １４／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
工具基体と該工具基体の表面上に工具表面に向かって、順に、下層、中間層、上層を含む被覆層を有する表面被覆切削工具であって、前記下層は、２．０～２０．０μｍの平均層厚で、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を有し、
前記中間層は０．１～１．５μｍの平均層厚で、前記下層側にＴｉの窒化物である下部層と、前記上層側にＴｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物である上部層とを有し、前記上部層の前記Ｔｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物は、前記工具基体の表面に平行な方向の結晶粒の平均幅が０．２０μｍ以下であって、
前記上層は、１．０～１０．０μｍの平均層厚であって、組成を組成式：Ｔｉ１－ｘＡｌｘＮで表したとき（但し、ｘは原子比で平均組成を表す）、０．６０≦ｘ≦０．９５を満足して、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒が主である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、特に、球状黒鉛鋳鉄の高速旋削加工に用いても、硬質皮膜層が優れた耐溶着性、耐チッピング性を有し、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサート、被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
従来から、被覆工具としては、例えば、ＷＣ基超硬合金等の工具基体に硬質皮膜層を形成したものが知られており、工具基体と硬質皮膜層との界面に注目して、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。
従来から、被覆工具としては、例えば、ＷＣ基超硬合金等の工具基体に硬質皮膜層を形成したものが知られており、工具基体と硬質皮膜層との界面に注目して、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。
【0003】
例えば、特許文献１には、工具基体上に接合層としての機能を果たすＴｉＮ被覆層を設け、その上に中間層となるＴｉＣＮ（ＭＴ－ＴｉＣＮ）被覆層を介してＴｉＡｌＮ層（ＴｉとＡｌの複合窒化物層）を被覆した被覆工具が記載されている。
【0004】
また、例えば、特許文献２には、工具基体表面に平均層厚０．１～１．０μｍのＴｉＮ層、該ＴｉＮ層の上に、平均層厚１．５～５．０μｍの下部層としてのＴｉＣｘＮ１－ｘ（但し、０．３０≦ｘ≦０．８０）層および平均層厚０．１～１．０μｍの上部層としてのＴｉＣｙＮ１－ｙ（但し、０．８５≦ｙ≦１．００）を含む中間層、および、該中間層の上に、平均層厚１．５～６．０μｍである（ＡｌｚＴｉ１－ｚ）Ｎ層（但し、０．７０≦ｚ≦０．９５）、を有することを特徴とする被覆工具が記載され、この被覆工具は鋼のミーリングの高速高送り断続加工に対しても優れた耐チッピング性を有すると説明されている。
【0005】
さらに、例えば、特許文献３には、工具基体表面に下部層としてＴｉＣＮ層、上部層としてＴｉＡｌＣＮ層を有し、前記下部層のうちの合計平均層厚の５０％以上の平均層厚の結晶粒および上部層の結晶粒の｛４２２｝面の法線が前記工具基体表面となす角が０～１０度の傾斜区分に３０％以上となる度数分布をし、かつ、前記下部層の前記結晶粒は前記上部層の前記結晶粒の５０％以上の面積割合を有する被覆工具が記載され、この被覆工具は鋼や鋳鉄の高速断続切削加工に対しても優れた耐チッピング性を有すると説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１５－５０９８５８号公報
【文献】特開２０１８－１６４９５０号公報
【文献】特開２０１６－１２４０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１～３に記載された硬質皮膜層を有する被覆工具は、それぞれの特許文献に記載された切削加工では満足する性能発揮するものの、引張強度の高い球状黒鉛鋳鉄などに対して、高速かつ高負荷な切削条件での加工に用いた場合には、硬質皮膜層の剥離やチッピングの発生が起こり、十分な寿命を有していないことが判明した。
【0008】
そこで、本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであって、球状黒鉛鋳鉄の高速旋削加工に供しても、優れた耐剥離性、耐チッピング性を示し、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者は、前記課題を解決すべく、球状黒鉛鋳鉄の高速旋削加工における硬質皮膜の剥離やチッピングの発生について鋭意検討したところ、剥離やチッピングの発生の原因はＴｉＡｌＮの異常成長結晶が起点となっていること、このＴｉＡｌＮの異常成長は工具基体の凹凸を起点とする結晶成長に起因するものであって、ＴｉＣＮ層とＴｉＡｌＮ層との界面領域付近で生じやすいとの新規な知見を得た。
【0010】
本発明は、この知見に基づくものであって、次のとおりのものである。
「（１）工具基体と該工具基体の表面上に工具表面に向かって、順に、下層、中間層、上層を含む被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記下層は、２．０～２０．０μｍの平均層厚で、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を有し、
前記中間層は０．１～１．５μｍの平均層厚で、前記下層側にＴｉの窒化物である下部層と、前記上層側にＴｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物である上部層とを有し、前記上部層の前記Ｔｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物は、前記工具基体の表面に平行な方向の結晶粒の平均幅が０．２０μｍ以下であって、
前記上層は、１．０～１０．０μｍの平均層厚であって、組成を組成式：Ｔｉ１－ｘＡｌｘＮで表したとき（但し、ｘは原子比で平均組成を表す）、０．６０≦ｘ≦０．９５を満足して、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒が主である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。」
「（１）工具基体と該工具基体の表面上に工具表面に向かって、順に、下層、中間層、上層を含む被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記下層は、２．０～２０．０μｍの平均層厚で、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を有し、
前記中間層は０．１～１．５μｍの平均層厚で、前記下層側にＴｉの窒化物である下部層と、前記上層側にＴｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物である上部層とを有し、前記上部層の前記Ｔｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物は、前記工具基体の表面に平行な方向の結晶粒の平均幅が０．２０μｍ以下であって、
前記上層は、１．０～１０．０μｍの平均層厚であって、組成を組成式：Ｔｉ１－ｘＡｌｘＮで表したとき（但し、ｘは原子比で平均組成を表す）、０．６０≦ｘ≦０．９５を満足して、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒が主である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。」
【発明の効果】
【0011】
本発明の表面被覆切削工具は、球状黒鉛鋳鉄の高速旋削加工等の高温発生を伴う高負荷切削において、優れた耐摩耗性、耐剥離性、および、耐チッピング性を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の表面被覆切削工具における硬質皮膜層の縦断面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の被覆工具について、より詳細に説明する。なお、本明細書、特許請求の範囲の記載において、数値範囲を「Ａ～Ｂ」（Ａ、Ｂはともに数値）を用いて表現する場合、その範囲は上限（Ｂ）および下限（Ａ）の数値を含むものである。また、上限（Ｂ）および下限（Ａ）は同じ単位である。
【0014】
ここで、本明細書において、Ｔｉの窒化物、炭化物、窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物、または、炭窒化物のように、化合物を組成式で表さないときは、その組成は、必ずしも化学量論的範囲のものに限定されない。
【0015】
硬質皮膜層の構造と組成：
硬質皮膜層は、図１に模式的に示すように、工具基体から工具表面に向かって、順に、下層、中間層、上層の３層を有しており、中間層は上部層と下部層を有している。
以下、各層について説明する。
硬質皮膜層は、図１に模式的に示すように、工具基体から工具表面に向かって、順に、下層、中間層、上層の３層を有しており、中間層は上部層と下部層を有している。
以下、各層について説明する。
【0016】
（１）下層
下層は、少なくとも１層のＴｉ炭窒化物層を有し、さらに、少なくとも１層のＴｉの炭化物、窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物のいずれかを含んでもよい。Ｔｉ炭窒化物層は、柱状粒子から構成されることが好ましい。
少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を有することにより、中間層を介して形成される上層と工具基体を強固に結合することができる。また、少なくとも１層のＴｉ炭窒化物層の他に、例えば、工具基体直上に下地層として、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭化物層を有することが好ましい。
下層は、少なくとも１層のＴｉ炭窒化物層を有し、さらに、少なくとも１層のＴｉの炭化物、窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物のいずれかを含んでもよい。Ｔｉ炭窒化物層は、柱状粒子から構成されることが好ましい。
少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を有することにより、中間層を介して形成される上層と工具基体を強固に結合することができる。また、少なくとも１層のＴｉ炭窒化物層の他に、例えば、工具基体直上に下地層として、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭化物層を有することが好ましい。
【0017】
（２）中間層
中間層は、下層側にＴｉの窒化物である下部層と、上層側にＴｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒化物である上部層とを有している。このような２層構造とすることにより、工具基体の凹凸を起点とした下層のＴｉ炭窒化物の成長方向の乱れを下部層のＴｉＮで分断し、上部層の結晶成長を工具基体の表面に垂直な方向とし、後述する上層であるＴｉＡｌＮの異常成長を抑制することができる。
そして、前記上部層であるＴｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物の層は、前記工具基体の表面と平行な方向の結晶粒の平均幅を０．２０μｍ以下とすることにより、確実に、下層のＴｉ炭窒化物の成長方向の乱れ分断し、中間層と上層との界面領域における上層のＴｉＡｌＮの異常成長を抑制することができる。なお、この平均幅の下限値は特段の制約はないが、後述する実施例の製造方法に従って製造した場合は、０．０２μｍ程度が下限になる。
中間層は、下層側にＴｉの窒化物である下部層と、上層側にＴｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒化物である上部層とを有している。このような２層構造とすることにより、工具基体の凹凸を起点とした下層のＴｉ炭窒化物の成長方向の乱れを下部層のＴｉＮで分断し、上部層の結晶成長を工具基体の表面に垂直な方向とし、後述する上層であるＴｉＡｌＮの異常成長を抑制することができる。
そして、前記上部層であるＴｉの炭窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物の層は、前記工具基体の表面と平行な方向の結晶粒の平均幅を０．２０μｍ以下とすることにより、確実に、下層のＴｉ炭窒化物の成長方向の乱れ分断し、中間層と上層との界面領域における上層のＴｉＡｌＮの異常成長を抑制することができる。なお、この平均幅の下限値は特段の制約はないが、後述する実施例の製造方法に従って製造した場合は、０．０２μｍ程度が下限になる。
【0018】
ここで、工具基体の表面と平行な方向の結晶粒の平均幅は、以下のようにして求めるものである。すなわち、硬質皮膜層の縦断面（工具基体の表面に垂直な断面）の研磨面を透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）の２００００倍視野にて複数視野観察し、得られた顕微鏡写真中の５箇所において、前記上部層の上端と下端の中央に位置する基材と平行な５μｍの直線と交わる粒界数を計測し、直線１μｍ当りの平均粒界数の逆数を平均粒子幅とする。
【0019】
（３）上層
上層は、その組成を組成式：Ｔｉ１－ｘＡｌｘＮで表したとき（但し、ｘは原子比で平均組成を表す）、０．６０≦ｘ≦０．９５を満足するＴｉＡｌＮ層である。ｘをこの範囲とした理由は、０．６０未満であると耐摩耗性が十分でなく、一方、０．９５を超えると六方晶の析出量が増大して硬さが低下して耐摩耗性が低下するためである。
上層は、その組成を組成式：Ｔｉ１－ｘＡｌｘＮで表したとき（但し、ｘは原子比で平均組成を表す）、０．６０≦ｘ≦０．９５を満足するＴｉＡｌＮ層である。ｘをこの範囲とした理由は、０．６０未満であると耐摩耗性が十分でなく、一方、０．９５を超えると六方晶の析出量が増大して硬さが低下して耐摩耗性が低下するためである。
【0020】
また、上層を形成する前記ＴｉＡｌＮ層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を主とすることが好ましい。ここで、ＮａＣｌ型の面心立方構造を主とするとは、被覆層の縦断面おいて、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶の面積率が５０％以上であることをいい、この面積率は７０％以上がさらに好ましく、８０％以上がより好ましく、１００％であってもよい。
【0021】
各層の平均膜厚：
硬質皮膜を構成する各層の平均膜厚は、それぞれ、下層が２．０～２０．０μｍ、中間層が０．１～１．５μｍ、上層が１．０～１０．０μｍである。
上層および下層の平均層厚を前記範囲とした理由は、それぞれの下限値未満であると、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮することができず、一方、それぞれの上限値を超えると、硬質皮膜の結晶粒が粗大化しやすくなり、被覆層全体の厚さが厚くなって耐チッピング性向上効果が得られなくなるからである。
中間層の平均層厚を前記範囲とした理由は、下限値未満であると、下層のＴｉ炭窒化物の成長方向の乱れを分断する十分な効果が得られず、一方、上限値を超えると中間層の結晶粒の粗大化により前述の平均幅が０．２μｍを超えてしまうためである。なお、上部層と下部層のそれぞれの平均層厚は、中間層の層厚が前記範囲にあり、かつ、上部層の平均幅が０．２μｍ以下となれば、特に制約はない。
なお、より好ましい各層の平均層厚は、それぞれ、下層が６．０～１５．０μｍ、中間層が０．３～１．０μｍ、上層が３．０～６．０μｍである。
硬質皮膜を構成する各層の平均膜厚は、それぞれ、下層が２．０～２０．０μｍ、中間層が０．１～１．５μｍ、上層が１．０～１０．０μｍである。
上層および下層の平均層厚を前記範囲とした理由は、それぞれの下限値未満であると、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮することができず、一方、それぞれの上限値を超えると、硬質皮膜の結晶粒が粗大化しやすくなり、被覆層全体の厚さが厚くなって耐チッピング性向上効果が得られなくなるからである。
中間層の平均層厚を前記範囲とした理由は、下限値未満であると、下層のＴｉ炭窒化物の成長方向の乱れを分断する十分な効果が得られず、一方、上限値を超えると中間層の結晶粒の粗大化により前述の平均幅が０．２μｍを超えてしまうためである。なお、上部層と下部層のそれぞれの平均層厚は、中間層の層厚が前記範囲にあり、かつ、上部層の平均幅が０．２μｍ以下となれば、特に制約はない。
なお、より好ましい各層の平均層厚は、それぞれ、下層が６．０～１５．０μｍ、中間層が０．３～１．０μｍ、上層が３．０～６．０μｍである。
【0022】
平均層厚、平均組成、結晶構造の測定方法：
平均膜厚については、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）を用いた硬質皮膜層の縦断面の観察により求めることができる。
前記ＴｉＡｌＮ層の平均組成については、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏ ｎ－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点平均を平均組成とする。
ＴｉＡｌＮ層の結晶構造については、電子線後方散乱回折装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）を用いて、硬質皮膜層の研磨した縦断の測定範囲内に存在する個々の結晶粒に対して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、０．０１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で照射する。そして、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し、結晶構造が同定された全ピクセル数に占めるＮａＣｌ型面心立方構造に属するピクセル数の割合を求めることで、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の面積割合を求める。なお、測定範囲は、工具基体の表面に平行な方向に５０μｍ、垂直方向は硬質皮膜層の厚さ全体を含む範囲とする。
平均膜厚については、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）を用いた硬質皮膜層の縦断面の観察により求めることができる。
前記ＴｉＡｌＮ層の平均組成については、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏ ｎ－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点平均を平均組成とする。
ＴｉＡｌＮ層の結晶構造については、電子線後方散乱回折装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）を用いて、硬質皮膜層の研磨した縦断の測定範囲内に存在する個々の結晶粒に対して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、０．０１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で照射する。そして、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し、結晶構造が同定された全ピクセル数に占めるＮａＣｌ型面心立方構造に属するピクセル数の割合を求めることで、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の面積割合を求める。なお、測定範囲は、工具基体の表面に平行な方向に５０μｍ、垂直方向は硬質皮膜層の厚さ全体を含む範囲とする。
【0023】
工具基体：
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例を挙げるならば、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（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、または、ｃＢＮ焼結体のいずれかであることが好ましい。
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例を挙げるならば、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（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、または、ｃＢＮ焼結体のいずれかであることが好ましい。
【0024】
その他の層（最上層）
本発明の硬質皮膜は、球状黒鉛鋳鉄の高速旋削加工においても十分な耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐剥離性を有するが、少なくとも酸化アルミニウム層を含む層が１．０～２５．０μｍの合計平均層厚で最上層として、前記ＴｉＡlＣＮ層の上に設けられた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、より一層優れた耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐剥離性を発揮することができる。ここで、少なくとも酸化アルミニウム層を含む層の合計平均層厚が１．０μｍ未満では、該層の効果が十分に奏されず、一方、２５．０μｍを超えると該層の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。
本発明の硬質皮膜は、球状黒鉛鋳鉄の高速旋削加工においても十分な耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐剥離性を有するが、少なくとも酸化アルミニウム層を含む層が１．０～２５．０μｍの合計平均層厚で最上層として、前記ＴｉＡlＣＮ層の上に設けられた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、より一層優れた耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐剥離性を発揮することができる。ここで、少なくとも酸化アルミニウム層を含む層の合計平均層厚が１．０μｍ未満では、該層の効果が十分に奏されず、一方、２５．０μｍを超えると該層の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。
【0025】
製造方法：
本発明の被覆工具の皮膜は、化学蒸着装置を使用して、例えば、以下の工程により行う。以下の％は、体積％（容量％）であり、上層の成膜工程ではガス群Ａとガス群Ｂの和を１００容量％としている。
本発明の被覆工具の皮膜は、化学蒸着装置を使用して、例えば、以下の工程により行う。以下の％は、体積％（容量％）であり、上層の成膜工程ではガス群Ａとガス群Ｂの和を１００容量％としている。
【0026】
（１）下層（ＴｉＣＮ層）の成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：２．０～２．５％、ＣＨ３ＣＮ：０．６～１．０％、
Ｎ２：２０～４０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８００～９４０℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
なお、ＴｉＣＮ層の他に、下地層として、Ｔｉ化合物層、すなわち、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物のいずれかを成膜する場合は、公知の成膜条件を適宜採用すればよい。
反応ガス ＴｉＣｌ４：２．０～２．５％、ＣＨ３ＣＮ：０．６～１．０％、
Ｎ２：２０～４０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８００～９４０℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
なお、ＴｉＣＮ層の他に、下地層として、Ｔｉ化合物層、すなわち、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭酸化物、または、炭窒酸化物のいずれかを成膜する場合は、公知の成膜条件を適宜採用すればよい。
【0027】
（２）中間層の成膜工程
中間層の成膜工程は、エッチング工程、下部層成膜工程と上部層成膜工程からなる。
ａ エッチング工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：４．０～６．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８００～９８０℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
ｂ 下部層（ＴｉＮ層）成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：１．５～２．５％、Ｎ２：４５～６５％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８８０～１０００℃
反応雰囲気圧力：１２．０～２０．０ｋＰａ
ｃ 上部層（例：ＴｉＣＮ層）成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：２．０～２．５％、ＣＨ３ＣＮ：０．４～０．６％、
Ｎ２：２０．０～４０．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：７００～８００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
中間層の成膜工程は、エッチング工程、下部層成膜工程と上部層成膜工程からなる。
ａ エッチング工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：４．０～６．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８００～９８０℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
ｂ 下部層（ＴｉＮ層）成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：１．５～２．５％、Ｎ２：４５～６５％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８８０～１０００℃
反応雰囲気圧力：１２．０～２０．０ｋＰａ
ｃ 上部層（例：ＴｉＣＮ層）成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：２．０～２．５％、ＣＨ３ＣＮ：０．４～０．６％、
Ｎ２：２０．０～４０．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：７００～８００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
【0028】
（３）上層（ＴｉＡｌＮ層）の成膜工程
反応ガス群Ａ ＮＨ３：０．８～１．６％、Ｈ２：４５～５５％
反応ガス群Ｂ ＡｌＣｌ３：０．５～０．７％、ＴｉＣｌ４：０．１～０．３％、
Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：７００～９００℃
反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ
反応ガス供給周期：１～５秒
１周期当りのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガスＡ群の供給とガスＢ群の供給の位相差：０．１０～０．２０秒
反応ガス群Ａ ＮＨ３：０．８～１．６％、Ｈ２：４５～５５％
反応ガス群Ｂ ＡｌＣｌ３：０．５～０．７％、ＴｉＣｌ４：０．１～０．３％、
Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：７００～９００℃
反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ
反応ガス供給周期：１～５秒
１周期当りのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガスＡ群の供給とガスＢ群の供給の位相差：０．１０～０．２０秒
【実施例】
【0029】
次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明の被覆工具の具体例として、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、工具基体は前述のとおりＷＣ基超硬合金に限定されることはなく、また、工具としてドリル、エンドミル等に適用した場合も同様である。
ここでは、本発明の被覆工具の具体例として、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、工具基体は前述のとおりＷＣ基超硬合金に限定されることはなく、また、工具としてドリル、エンドミル等に適用した場合も同様である。
【0030】
まず、原料粉末として、Ｃｏ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、および、ＷＣ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ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力でプレス成形し、これらの圧粉成形体を焼結し、所定寸法となるように加工して、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～Ｅを作製した。
【0031】
次に、この工具基体Ａ～Ｅ上に、下層、中間層、上層を表２～表４に示す条件により、表７に示す本発明被覆工具１～１０を得た。これら各層の成膜条件は、概ね次のとおりである。
【0032】
下層（ＴｉＣＮ層）の成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：２．０～２．５％、ＣＨ３ＣＮ：０．６～１．０％、
Ｎ２：２０～４０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８００～９４０℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
反応ガス ＴｉＣｌ４：２．０～２．５％、ＣＨ３ＣＮ：０．６～１．０％、
Ｎ２：２０～４０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８００～９４０℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
【0033】
中間層の成膜工程
ａ エッチング工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：４．０～６．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８００～９８０℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
ｂ 下部層（ＴｉＮ層）の成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：１．５～２．５％、Ｎ２：４５～６５％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８８０～１０００℃
反応雰囲気圧力：１２．０～２０．０ｋＰａ
ｃ 上部層（ＴｉＣＮ層）の成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：２．０～２．５％、ＣＨ３ＣＮ：０．４～０．６％、
Ｎ２：２０．０～４０．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：７００～８００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
ａ エッチング工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：４．０～６．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８００～９８０℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
ｂ 下部層（ＴｉＮ層）の成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：１．５～２．５％、Ｎ２：４５～６５％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８８０～１０００℃
反応雰囲気圧力：１２．０～２０．０ｋＰａ
ｃ 上部層（ＴｉＣＮ層）の成膜工程
反応ガス ＴｉＣｌ４：２．０～２．５％、ＣＨ３ＣＮ：０．４～０．６％、
Ｎ２：２０．０～４０．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：７００～８００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
【0034】
（３）上層（ＴｉＡｌＮ層）成膜工程
反応ガス群Ａ ＮＨ３：０．８～１．６％、Ｈ２：４５～５５％
反応ガス群Ｂ ＡｌＣｌ３：０．５～０．７％、ＴｉＣｌ４：０．１～０．３％、
Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：７００～９００℃
反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ
反応ガス供給周期：１～５秒
１周期当りのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガスＡ群の供給とガスＢ群の供給の位相差：０．１０～０．２０秒
反応ガス群Ａ ＮＨ３：０．８～１．６％、Ｈ２：４５～５５％
反応ガス群Ｂ ＡｌＣｌ３：０．５～０．７％、ＴｉＣｌ４：０．１～０．３％、
Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：７００～９００℃
反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ
反応ガス供給周期：１～５秒
１周期当りのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガスＡ群の供給とガスＢ群の供給の位相差：０．１０～０．２０秒
【0035】
なお、本発明被覆工具７、１０は、表５に記載された成膜条件により酸化アルミニウムを含む最上層を形成した。
【0036】
また、比較の目的で、工具基体Ａ～Ｅの表面に、表２に示される成膜条件により、表７に示された比較例１～１０を製造した。比較被覆工具２、４および８は、中間層の成膜条件は、実施例と同じ形成記号のものを使用したが、平均層厚を本発明で規定する範囲外にした。
なお、比較例７、１０については、表５に記載された成膜条件により酸化アルミニウムを含む最上層を形成した。
なお、比較例７、１０については、表５に記載された成膜条件により酸化アルミニウムを含む最上層を形成した。
【0037】
また、本発明被覆工具１～１０、比較被覆工具１～１０の被覆層の縦断面を、ＳＥＭ（倍率５０００倍）用いて測定し、観察視野内の５点で各層の層厚を測定して、各層の平均層厚とし、その結果を表６および表７に示す。
さらに、本発明被覆工具１～１０、比較被覆工具１～１０の被覆層について、前述した方法により、組成および結晶構造（ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の面積割合）を測定し表７に記載した。
さらに、本発明被覆工具１～１０、比較被覆工具１～１０の被覆層について、前述した方法により、組成および結晶構造（ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の面積割合）を測定し表７に記載した。
【0038】
【表1】
【0039】
【表2】
【0040】
【表3】
【0041】
【表4】
【0042】
【表5】
【0043】
【表6】
【0044】
【表7】
【0045】
続いて、本発明被覆工具１～１０、比較被覆工具１～１０について、以下の切削試験を行った。
【0046】
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ７００の丸棒
切削速度：３８０ｍ／ｍｉｎ
切込み：３．０ｍｍ
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５ｍｉｎ
結果を表８に示す。
切削速度：３８０ｍ／ｍｉｎ
切込み：３．０ｍｍ
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５ｍｉｎ
結果を表８に示す。
【0047】
【表8】
【0048】
表８に示す切削試験の結果から明らかなように、本発明被覆工具１～１０は、いずれも、優れた耐摩耗性、耐剥離性、および、耐チッピング性を有しているため、球状黒鉛鋳鉄の高速旋削加工においも、長期にわたって優れた切削性能を発揮する。これに対して、本発明の被覆工具に規定される事項を満足していない比較被覆工具１～１０は、球状黒鉛鋳鉄の高速旋削加工に供した場合、チッピングが発生して短時間で寿命に至っている。
【産業上の利用可能性】
【0049】
本発明の表面被覆切削工具は、各種の鋼などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して大きな負荷がかかる球状黒鉛鋳鉄等の高速旋削加工において、優れた耐摩耗性、耐剥離性、および、耐チッピング性を発揮し、長期にわたって優れた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の高性能化、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。
【図1】