JP2020151794A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】ダクタイル鋳鉄等の高速高送り加工等でも、長期間、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具の提供【解決手段】工具基体の硬質被覆層が、平均層厚１．０〜２０．０μｍのＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒を有するＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を含み、工具基体に平行な切断面について、結晶粒Ａ群の組成は（Ｔｉ１−ＸＡＡｌＸＡ）（ＣＹＡＮ１−ＹＡ）で、ＸＡの平均ＸＡａｖｇが０．７５≦ＸＡａｖｇ≦０．９５、ＹＡの平均ＹＡａｖｇが０．００００≦ＹＡａｖｇ≦０．０１５０、結晶粒Ｂ群を組成は（Ｔｉ１−ＸＢＡｌＸＢ）（ＣＹＢＮ１−ＹＢ）で、ＸＢの平均ＸＢａｖｇが０．７０≦ＸＢａｖｇ≦０．９０、０．０５≦ＸＡａｖｇ−ＸＢａｖｇ≦０．２５、ＹＢの平均ＹＢａｖｇが０．００００≦ＹＢａｖｇ≦０．０１５０で、結晶粒Ａ群の面積割合が２０〜８０％の表面被覆切削工具。【選択図】図１

Description

本発明は、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して強い衝撃的な負荷が作用する高速高送り断続切削加工において、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えることにより、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。

従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金等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蒸着法により被覆形成した被覆工具があり、これらは、優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、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速高送り断続切削条件で用いた場合に異常損耗を発生しやすいことから、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、工具基体の表面に、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層（但し、Ａｌの平均含有割合ｘ_ａｖｇおよびＣの平均含有割合ｙ_ａｖｇは、０．６０≦ｘ_ａｖｇ≦０．９５、０≦ｙ_ａｖｇ≦０．００５を満たす）を被覆形成した被覆工具であって、該層のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒は｛１１１｝配向を有し、該ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する個々の結晶粒の平均粒子幅Ｗは０．１〜２．０μｍ、平均アスペクト比Ａは２〜１０である柱状組織を有し、また、該ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する個々の結晶粒内に、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在し、周期的に変化するｘの極大値の平均と極小値の平均の差Δｘが０．０３〜０．２５であ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、工具基体と、ＣＶＤプロセスにより適用され３μｍ〜２５μｍの範囲内の厚みの単層または多層の摩耗保護コーティングと、を有し、
該摩耗保護コーティングは、１．５μｍ〜１７μｍの厚みの少なくとも１つのＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜０．２５、０．７５≦ｚ＜１．１５）層であって、前記Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ層が１５０ｎｍ以下複数の層を備える層状構造であって、同じ結晶構造（結晶相）を有し、Ｔｉ及びＡｌの化学量論的割合が交互に異なる周期的に交番する領域で形成されていること、および、少なくとも９０ｖｏｌ％の面心立方結晶構造を有すること、を特徴とする被覆工具が記載されている。

特開２０１６−６４４８５号公報 特表２０１７−５０８６３２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。

そこで、本発明はこのような状況をかんがみてなされたもので、ダクタイル鋳鉄等の高速高送り切削加工等に供した場合であっても、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者は、ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層（以下、これらを総称して、「ＴｉＡｌＣＮ層」ということがある）を含む被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性の向上をはかるべく、鋭意検討を重ねた。

その結果、工具基体に平行なＴｉＡｌＣＮ層の切断面において、Ａｌ含有割合の所定の差を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の２つの群が特定の割合で存在するとき、Ａｌの含有割合の違いに起因する熱膨張係数の差がＴｉＡｌＣＮ層内に局所的な歪みを発生させ、耐欠損性を向上させるという新規な知見を得た。

本発明は、この知見に基づくもので以下のとおりのものである。
「（１）工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具であって、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒を少なくとも含み、
（ｃ）前記工具基体の表面に垂直な方向から、前記工具基体に平行な切断面について解析した場合、ＴｉとＡｌの組成が異なる前記ＮａＣｌ型の面心立法構造の結晶粒が複数存在し、ぞれぞれを、結晶粒Ａ群と結晶粒Ｂ群と区分するとき、
前記結晶粒Ａ群を組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡＡｌ_ＸＡ）（Ｃ_ＹＡＮ_１−ＹＡ）で表すとき、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合Ｘ_Ａの平均Ｘ_Ａａｖｇ、および、ＣのＣとＮの合量に占める含有割合Ｙ_Ａの平均Ｙ_Ａａｖｇ（但し、Ｘ_Ａａｖｇ、Ｙ_Ａａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．７５≦Ｘ_Ａａｖｇ≦０．９５、０．００００≦Ｙ_Ａａｖｇ≦０．０１５０を満足し、
前記結晶粒Ｂ群を組成式：（Ｔｉ_１−ＸＢＡｌ_ＸＢ）（Ｃ_ＹＢＮ_１−ＹＢ）で表すとき、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合Ｘ_Ｂの平均Ｘ_Ｂａｖｇ、および、ＣのＣとＮの合量に占める含有割合Ｙ_Ｂの平均Ｙ_Ｂａｖｇ（但し、Ｘ_Ｂａｖｇ、Ｙ_Ｂａｖｇはいずれも原子比）が、０．７０≦Ｘ_Ｂａｖｇ≦０．９０、０．０５≦Ｘ_Ａａｖｇ−Ｘ_Ｂａｖｇ≦０．２５、０．００００≦Ｙ_Ｂａｖｇ≦０．０１５０を満足し、
（ｄ）前記切断面において、前記結晶粒Ａ群の占める面積割合が２０〜８０％である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記結晶粒Ａ群の結晶粒内に、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が該結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、周期的に変化するＸ_Ａの極大値の平均値と極小値の平均値との差ΔＸ_Ａが０．０３〜０．２５であ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）前記結晶粒Ｂ群の結晶粒内に、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が該結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、周期的に変化するＸ_Ｂの極大値の平均値と極小値の平均値との差ΔＸ_Ｂが０．０３〜０．２５であ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。
（４）前記工具基体と前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層との間に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層以上からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層が存在することを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で存在することを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」

本発明の切削工具は、ダクタイル鋳鉄等の高速高送り切削加工等に供した場合であっても、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する。

本発明のＴｉＡｌＣＮ層の工具基体に平行な切断面における組織を示す模式図であり、各組織の形状や寸法は、実際の焼結組織を模写したものではない。 ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期、極大値、局所値を示す模式図である。 ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在するＮａＣｌ型の面心立法構造を有する結晶粒子において組成変化を示す模式図である。

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、特許請求の範囲において、数値範囲を「〜」を用いて表現する場合、その範囲は上限および下限の数値を含むものとする。

１．硬質被覆層の平均層厚：
硬質被覆層は、ＴｉＡｌＣＮ層を少なくとも含む。このＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層は、硬さが高く、優れた耐摩耗性を有するが、特に平均層厚が１．０〜２０．０μｍ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１．０μｍ未満では、平均層厚が薄いため長期の使用にわたって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２０．０μｍを超えると、ＴｉＡｌＣＮ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ためである。

２．ＴｉＡｌＣＮ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒
ＴｉＡｌＣＮ層においてＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒が含まれていなければ本発明の目的を達成することは困難である。この目的を達成するためには、工具基体表面に平行な断面において、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の占める面積割合が６０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは、１００％（全ての結晶粒がＮａＣｌ型の面心立方構造）であるとよい。

３．硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＣＮ層の組成：
硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＣＮ層は、Ａｌ含有割合が異なる結晶粒Ａ群と結晶粒Ｂ群を含む。
結晶粒Ａ群の組成は、組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡＡｌ_ＸＡ）（Ｃ_ＹＡＮ_１−ＹＡ）で表すとき、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合Ｘ_Ａの平均Ｘ_ＡａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める含有割合Ｙ_Ａの平均Ｙ_Ａａｖｇ（但し、Ｘ_Ａａｖｇ、Ｙ_Ａａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．７５≦Ｘ_Ａａｖｇ≦０．９５、０．００００≦Ｙ_Ａａｖｇ≦０．０１５０を満足し、
結晶粒Ｂ群の組成は、組成式：（Ｔｉ_１−ＸＢＡｌ_ＸＢ）（Ｃ_ＹＢＮ_１−ＹＢ）で表すとき、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合Ｘ_Ｂの平均Ｘ_ＢａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める含有割合Ｙ_Ｂの平均Ｙ_Ｂａｖｇ（但し、Ｘ_Ｂａｖｇ、Ｙ_Ｂａｖｇはいずれも原子比）が、０．７０≦Ｘ_Ｂａｖｇ≦０．９０、０．０５≦Ｘ_Ａａｖｇ−Ｘ_Ｂａｖｇ≦０．２５、０．００００≦Ｙ_Ｂａｖｇ≦０．０１５０を満足することが好ましい。

次に、結晶粒Ａ群および結晶粒Ｂ群の組成を前記範囲を好ましいとする理由について説明する。
（１）Ａｌの平均含有割合
Ａｌの平均含有割合が、結晶粒Ａ群では、０．７５≦Ｘ_Ａａｖｇ≦０．９５、結晶粒Ｂ群では、０．７０≦Ｘ_Ｂａｖｇ≦０．９０を満足することより、ＴｉＡｌＣＮ層は硬さを確保し、ダクタイル鋳鉄等の高速高送り切削に供した場合に、耐摩耗性が十分となり、しかも、相対的にＴｉの含有割合が減少させることがないため、脆化を招くことなく、耐チッピング性確保できるためである。
そして、結晶粒Ａ群と結晶粒Ｂ群のＡｌ含有割合が０．０５≦Ｘ_Ａａｖｇ−Ｘ_Ｂａｖｇ≦０．２５を満足することにより、結晶粒Ａ群と結晶粒Ｂ群との間で熱膨張係数の差が適切となって、適度な局所的な歪みが入り、耐欠損性が向上する。

（２）Ｃの平均含有割合
結晶粒Ａ群および結晶粒Ｂ群のＣの平均含有割合Ｙ_ＡａｖｇとＹ_Ｂａｖｇが共に、０．００００以上、０．０１５０以下の範囲の微量であるとき、ＴｉＡｌＣＮ層と工具基体もしくは後述する下部層との密着性が向上し、かつ、潤滑性が向上することによって切削時の衝撃を緩和し、結果としてＴｉＡｌＣＮ層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、Ｃの平均含有割合がこの範囲を逸脱すると、ＴｉＡｌＣＮ層の靭性が低下するため耐欠損性および耐チッピング性が逆に損なわれるため好ましくない。

ここで、ＴｉＡｌＣＮ層のＡｌの平均含有割合Ｘ_Ａａｖｇ、Ｘ_Ｂａｖｇ、Ｃの平均含有割合Ｙ_Ａａｖｇ、Ｙ_Ｂａｖｇは、以下のように求めた。工具基体の表面に垂直な方向から、工具基体に平行な表面研磨面に対して、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｐｒｏｂｅ−Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｅｒ）を用い、電子線を試料表面側から照射し、マッピング分析を行う。前記マッピング分析結果よりそれぞれの結晶粒毎に平均組成を求め、Ａｌ含有量が相対的に高い結晶粒群と相対的に低い結晶粒群に分けられ、Ａｌ含有量が相対的に高い結晶粒群（結晶粒Ａ群）のＡｌの平均含有割合Ｘ_Ａａｖｇ、Ｃの平均含有割合Ｙ_Ａａｖｇ、Ａｌ含有量が相対的に低い結晶粒群（結晶粒Ｂ群）のＡｌの平均含有割合Ｘ_Ｂａｖｇ、Ｃの平均含有割合Ｙ_Ｂａｖｇを求めた。

４．結晶粒Ａ群と結晶粒Ｂ群との鑑別
前記に記載の通り、結晶粒Ａ群と結晶粒Ｂ群との鑑別を行う。結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在する試料等について、前記手法で鑑別が困難な場合、下記手法を追加で用いることで鑑別する。工具基体の表面に垂直な方向から、工具基体に平行な表面研磨面に対して、透過型電子顕微鏡を用いて、エネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＳ）により、マッピング分析を行う。前記マッピング分析結果よりそれぞれの結晶粒毎に平均組成を求めと、Ａｌ含有量が相対的に高い結晶粒群と相対的に低い結晶粒群に分けられ、Ａｌ含有量が相対的に高い結晶粒群を結晶粒Ａ群とし、Ａｌ含有量が相対的に低い結晶粒群を結晶粒Ｂ群とする。

５．結晶粒Ａ群の占める面積割合
工具基体に平行な断面において結晶粒Ａ群の占める面積割合は、２０〜８０面積％であることが好ましい。この範囲とする理由は、２０面積％未満であると、相対的に結晶粒Ｂ群の面積割合が増えて、結晶粒Ａ群との熱膨張係数差に起因して生じる局所的なひずみの発生が小さくなり、一方、８０面積％を超えると相対的に結晶粒Ａ群の面積割合が支配的となり、結晶粒Ｂ群との熱膨張係数差に起因して生じる局所的なひずみの発生が小さくなるためである。より好ましい面積割合は、４０〜６０面積％である。

６．結晶粒Ａ群内および結晶粒Ｂ群内の組成変化
（１）結晶粒Ａ群
結晶粒Ａ群の結晶粒内に、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が、その結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在することが好ましい。
ここで、周期的な組成変化とは、結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って、ライン分析を行い、Ａｌの含有割合Ｘ_Ａの変化をグラフ化したとき、Ｘ_Ａの値がある間隔で繰り返されることを云う。図２に示すように、Ｘ_Ａの変化を直線（Ｘｍ）で近似する。この直線は、直線と繰り返し変化を示す曲線に囲まれた領域の面積が直線の上側と下側とで等しくなるように引いたものである。この繰り返し変化をこの直線が横切る領域毎に、極大値（Ｐ_ｍａｘ）と極小値（Ｐ_ｍｉｎ）を求め、この極大値の平均値と極小値の平均値との差ΔＸ_Ａが０．０３〜０．２５であることが好ましい。ΔＸ_Ａがこの範囲にあると、十分な硬度や耐欠損性がより一層向上する。
なお、グラフ化に当たり公知の測定ノイズ除去方法（例えば、移動平均法）を行うことはいうまでもない。

（２）結晶粒Ｂ郡
結晶粒Ｂ群の結晶粒内に、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が、その結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在することが好ましい。
ここで、周期的な組成変化は、結晶粒Ａ群と同じようにして求めるものであって、この極大値の平均値と極小値の平均値との差ΔＸ_Ｂが０．０３〜０．２５であることが好ましい。ΔＸ_Ｂがこの範囲にあると、十分な硬度や耐欠損性がより一層向上する。

（３）ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の測定
ＴｉとＡｌの周期的な組成変化は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：例えば、倍率２０００００倍）を用いたＴｉＡｌＣＮ層の観察にてその存在を確認する。その後、例えば、ＥＤＳを用いて、工具基体表面に平行な断面における４００ｎｍ×４００ｎｍの領域について面分析を行い、ＮａＣｌ型の面心立方構造の立方晶の結晶粒において縞状に色の濃淡の変化が見られたとき（図３を参照）、前記立方晶の結晶粒内に、ＴｉＡｌＣＮにおけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在すると判断する。そして、当該結晶粒について、電子線解析を行うことにより周期的な組成変化がＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在することを確認し、その方位に沿った、前記面分析の結果に基づいて濃淡から１０周期分程度の組成変化が測定範囲に入る様に倍率を設定した上で、工具基体表面の法線方向に沿ってＥＤＳによる線分析を５周期分の範囲で行い、その変化をグラフにプロットし、Ａｌの含有割合の変化を直線近似した直により画定される領域ごとに、Ａｌの含有割合の変化の極大値と極小値を求め、その差の平均値の差を算出する。

７．下部層
ＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層は、それだけでも十分な耐チッピング性、耐摩耗性を奏するが、Ｔｉの炭化物層、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化合物層からなり、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚を有する下部層を設けた場合には、この層が奏する効果と相俟って、より一層優れた耐チッピング性、耐摩耗性が発揮される。ただし、Ｔｉの炭化物層、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設ける場合、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奏されず、一方、２０．０μｍ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。

８．上部層
ＴｉＡｌＣＮ層の上部に、酸化アルミニウムを含む層を１．０〜２５．０μｍの合計平均層厚で上部層を設けると、より一層優れた耐チッピング性、耐摩耗性が発揮されて好ましい。ここで、合計平均層厚が１．０μｍ未満であると、上部層を設けた効果が十分に発揮されず、一方、２５μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなる。

９．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、あるいは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）、ｃＢＮ焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。

１０．製造方法
ＴｉＡｌＣＮ層は、例えば、工具基体もしくは当該工具基体上にある前記下部層の上に、
特定組成の反応ガスを所定条件でＣＶＤ装置に供給することにより得ることができる。
すなわち、反応ガスは、ＮＨ_３、Ｎ_２、Ｈ_２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３、ＴｉＣｌ_４、Ｎ_２、Ｈ_２とからなガス群Ｂを別々にＣＶＤ装置に供給して、被成膜体の直前で混合する。

反応ガスの組成は、例えば、
ガス群Ａ：ＮＨ_３：０．８〜１．６％、Ｎ_２：０．０〜２．０％、Ｈ_２：３０．０〜３５．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ_３：０．５〜０．７％、Ａｌ（ＣＨ_３）_３：０．００〜０．０８％、
ＴｉＣｌ_４：０．１〜０．３％、Ｎ_２：０．０〜６．０％、Ｈ_２：残り
（ガス群Ａとガス群Ｂの％は、ガス群Ａとガス群Ｂガスの合計に対する体積％である）
であり、
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７５０〜８００℃
である。

具体的なガス群Ａとガス群Ｂの供給は、特開２０１６−１１７９３４号公報、または、特開２０１７−２０１１１号公報の記載に従い、ガス供給管の回転速度、およびガス供給管の噴出孔角度を所定の値とする。

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明被覆工具の実施例として、工具基体としてＷＣ基超高圧焼結体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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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、三菱マテリアル社製ＪＯＭＵ１４０７１５ＺＺＥＲ−Ｍ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〜Ｃをそれぞれ製造した。

次に、これら工具基体Ａ〜Ｃの表面に、特開２０１６−１１７９３４号公報に記載されたＣＶＤ装置を用いて、表２に示される条件により、ＴｉＡｌＣＮ層をＣＶＤにより形成し、表５に示される本発明被覆工具１〜１０を得た。

ＴｉＡｌＣＮ層を成膜するためのガス組成等は概ね以下のとおりである。
ガス群Ａ：ＮＨ_３：０．８〜１．６％、Ｎ_２：０．０〜２．０％、Ｈ_２：３０．０〜３５．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ_３：０．５〜０．７％、Ａｌ（ＣＨ_３）_３：０．００〜０．０８％、
ＴｉＣｌ_４：０．１〜０．３％、Ｎ_２：０．０〜６．０％、Ｈ_２：残り
（ガス群Ａとガス群Ｂの％は、ガス群Ａとガス群Ｂガスの合計に対する体積％である）
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７５０〜８００℃

ここで、ガス群Ａとガス群Ｂは、それぞれ、前記特開２０１６−１１７９３４号公報に記載されたＣＶＤ装置の、原料ガスＡ、原料ガスＢとして供給され、ガス供給管の回転速度、ガス供給管の噴出孔角度は以下のとおりである。
ガス供給管の回転速度：１０〜３０ｒｐｍ
ガス供給管の噴出孔角度：
α：６０〜９０°
β１およびβ２：９０〜１２０°
γ１およびγ２：１８０°

なお、本発明被覆工具は４〜１０は、表３に記載された成膜条件により、表４に示された下部層および／または上部層を形成した。

また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表２に示される条件によりＣＶＤを行うことにより、表５に示されるＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層を蒸着形成して比較被覆工具１〜１０を製造した。
なお、比較被覆工具４〜１０については、表３に示される形成条件により、表４に示された下部層および／または上部層を形成した。

また、本発明被覆工具１〜１０、比較被覆工具１〜１０の硬質被覆層の工具基体に垂直な方向の断面を、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて測定し、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に示される平均層厚を示した。
前記本発明被覆工具１〜１０、比較被覆工具１〜１０の硬質被覆層について、前述した方法を用いて、平均Ａｌ含有割合Ｘ_Ａａｖｇ、Ｘ_Ｂａｖｇと平均Ｃ含有割合Ｙ_Ａａｖｇ、Ｙ_Ｂａｖｇを算出した。また、ＴｉとＡｌの組成変化の＜００１＞で表される等価の方位に沿った周期の有無とＡｌ含有割合の極大値の平均値と極小値の平均との差ΔＸ_Ａ、ΔＸ_Ｂを求めた。
これらの結果を表５にまとめた。なお、表５には記載していないが、発明被覆工具１〜１０、比較被覆工具１〜１０のいずれも、ＮａＣｌ型面心立方構造の面積率は６０％以上であることを確認している。

続いて、前記本発明被覆工具１〜１０および比較被覆工具１〜１０について、いずれもカッタ径６３ｍｍ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、ダクタイル鋳鉄の湿式正面フライス切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。

切削試験は以下のとおりである。
切削試験：湿式正面フライス切削加工
被削材：ダクタイル鋳鉄ＦＣＤ４５０：幅 ４５ｍｍ
切削速度： ２００ｍ／ｍｉｎ
切り込み： １．０ｍｍ
一刃送り量： １．０ｍｍ／刃
切削時間： ７分
（通常の切削速度： １５０ｍ／ｍｉｎ）
表６に切削試験の結果を示す。なお、比較被覆工具１〜１０については、チッピング発生が原因で寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。

表６に示される結果から、本発明被覆工具１〜１０は、いずれも硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐剥離性を有しているため、ダクタイル鋳鉄等の高速高送り切削加工に用いた場合であってもチッピングの発生がなく、長期にわたって優れた耐摩耗性を発揮する。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、ダクタイル鋳鉄等の高速高送り切削加工に用いた場合チッピングが発生し、短時間で使用寿命に至っている。

前述のように、本発明の被覆工具は、ダクタイル鋳鉄の高速高送り切削加工の被覆工具として用いることができ、しかも、長期にわたって優れた耐チッピング性、耐剥離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及び省エネルギー化、さらには低コスト化に十分に満足できる対応が可能である。

Claims (5)

1. 工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具であって、
   （ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、
   （ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒を少なくとも含み、
   （ｃ）前記工具基体の表面に垂直な方向から、前記工具基体に平行な切断面について解析した場合、ＴｉとＡｌの組成が異なる前記ＮａＣｌ型の面心立法構造の結晶粒が複数存在し、ぞれぞれを、結晶粒Ａ群と結晶粒Ｂ群と区分するとき、
   前記結晶粒Ａ群を組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡＡｌ_ＸＡ）（Ｃ_ＹＡＮ_１−ＹＡ）で表すとき、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合Ｘ_Ａの平均Ｘ_Ａａｖｇ、および、ＣのＣとＮの合量に占める含有割合Ｙ_Ａの平均Ｙ_Ａａｖｇ（但し、Ｘ_Ａａｖｇ、Ｙ_Ａａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．７５≦Ｘ_Ａａｖｇ≦０．９５、０．００００≦Ｙ_Ａａｖｇ≦０．０１５０を満足し、
   前記結晶粒Ｂ群を組成式：（Ｔｉ_１−ＸＢＡｌ_ＸＢ）（Ｃ_ＹＢＮ_１−ＹＢ）で表すとき、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合Ｘ_Ｂの平均Ｘ_Ｂａｖｇ、および、ＣのＣとＮの合量に占める含有割合Ｙ_Ｂの平均Ｙ_Ｂａｖｇ（但し、Ｘ_Ｂａｖｇ、Ｙ_Ｂａｖｇはいずれも原子比）が、０．７０≦Ｘ_Ｂａｖｇ≦０．９０、０．０５≦Ｘ_Ａａｖｇ−Ｘ_Ｂａｖｇ≦０．２５、０．００００≦Ｙ_Ｂａｖｇ≦０．０１５０を満足し、
   （ｄ）前記切断面において、前記結晶粒Ａ群の占める面積割合が２０〜８０％である、
   ことを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記結晶粒Ａ群の結晶粒内に、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が該結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、周期的に変化するＸ_Ａの極大値の平均値と極小値の平均値との差ΔＸ_Ａが０．０３〜０．２５であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記結晶粒Ｂ群の結晶粒内に、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が該結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、周期的に変化するＸ_Ｂの極大値の平均値と極小値の平均値との差ΔＸ_Ｂが０．０３〜０．２５であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記工具基体と前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層との間に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層以上からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層が存在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 前記複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で存在することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。

Images