JP5158560B2 - 重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具 Download PDFInfo
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Description
この発明は、切刃部に対して、特に高い熱的・機械的負荷が加わる鋼や鋳鉄などの重切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。
従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられていることも知られている。
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層、および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられていることも知られている。
また、上記の被覆工具において、下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の強度向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
特開平６−３１５０３号公報
特開平６−８０１０号公報
近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、特にこれを切刃部に大きな熱的・機械的負荷がかかる高送り、高切り込みの重切削条件に用いた場合、これを構成する硬質被覆層は下部層のＴｉ化合物層による高温強度、同上部層のＡｌ２Ｏ３層による高温硬さおよび耐熱性を具備するものの、前記Ｔｉ化合物層による高温強度が不十分であるために、硬質被覆層にはチッピング（微小欠け）が発生し易くなり、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の被覆工具の硬質被覆層の耐チッピング性向上をはかるべく、これの下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層、特に、Ｔｉ化合物層のうちで相対的に高い高温硬さと高温強度を有し、かつ図１（ａ）に模式図で示される通り、格子点にＴｉ、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造（なお、図１（ｂ）は（０１１）面で切断した状態を示す）を有する縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層（以下、ｌ−ＴｉＣＮ層という）に着目し、研究を行った結果、
（ａ）従来被覆工具の硬質被覆層を構成する下部層としてのｌ−ＴｉＣＮ層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件（通常条件という）で蒸着形成されるが、この蒸着条件を変更し、
まず、第１ステップとして、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：５〜１５％、Ｃ３Ｈ３Ｎ：０．７〜２．５％、Ｎ２：７〜２０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件で、蒸着層の層厚が目標層厚の約２０％の層厚となるまで蒸着し、
その後、第２ステップとして、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：３〜１２％、ＣＨ３ＣＮ：０．２〜２％、Ｃ３Ｈ３Ｎ：０．１〜０．５％、Ａｒ：１０〜３０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件で、目標層厚になるまで蒸着形成すると、このような第１ステップ及び第２ステップの条件で順次形成されたｌ−ＴｉＣＮ層（以下、「改質ＴｉＣＮ層」という）は、切削加工時に層に発生する応力を緩和・吸収する作用を有し、高温強度が一段と向上することから、硬質被覆層の上部層が前記Ａｌ２Ｏ３層で構成され、また、下部層がＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ｌ−ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの２層以上のＴｉ化合物層からなり、かつ前記Ｔｉ化合物層のうちの少なくとも一つの層が前記改質ＴｉＣＮ層で構成された被覆工具は、特に大きな熱的・機械的負荷がかかる重切削加工でも、前記硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すようになること。
（ａ）従来被覆工具の硬質被覆層を構成する下部層としてのｌ−ＴｉＣＮ層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件（通常条件という）で蒸着形成されるが、この蒸着条件を変更し、
まず、第１ステップとして、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：５〜１５％、Ｃ３Ｈ３Ｎ：０．７〜２．５％、Ｎ２：７〜２０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件で、蒸着層の層厚が目標層厚の約２０％の層厚となるまで蒸着し、
その後、第２ステップとして、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：３〜１２％、ＣＨ３ＣＮ：０．２〜２％、Ｃ３Ｈ３Ｎ：０．１〜０．５％、Ａｒ：１０〜３０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件で、目標層厚になるまで蒸着形成すると、このような第１ステップ及び第２ステップの条件で順次形成されたｌ−ＴｉＣＮ層（以下、「改質ＴｉＣＮ層」という）は、切削加工時に層に発生する応力を緩和・吸収する作用を有し、高温強度が一段と向上することから、硬質被覆層の上部層が前記Ａｌ２Ｏ３層で構成され、また、下部層がＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ｌ−ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの２層以上のＴｉ化合物層からなり、かつ前記Ｔｉ化合物層のうちの少なくとも一つの層が前記改質ＴｉＣＮ層で構成された被覆工具は、特に大きな熱的・機械的負荷がかかる重切削加工でも、前記硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すようになること。
（ｂ）上記の従来被覆工具の硬質被覆層の下部層を構成するｌ−ＴｉＣＮ層（以下、「従来ＴｉＣＮ層」という）と上記（ａ）の改質ＴｉＣＮ層について、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図２（ａ），（ｂ）に概略説明図で例示される通り、縦断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角（図２(ａ)には前記結晶面のうち（００１）面の傾斜角が０度、（０１１）面の傾斜角が４５度の場合、同（ｂ）には（００１）面の傾斜角が４５度、（０１１）面の傾斜角が０度の場合を示しているが、これらの角度を含めて前記結晶粒個々のすべての傾斜角）を測定し、この場合前記結晶粒は、上記の通り格子点にＴｉ、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求めた場合に、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定し、その上で電界放出型査電子顕微鏡を用い、上記改質ＴｉＣＮ層の縦断面研磨面を、例えば、高さ１５μｍ×幅３０μｍの範囲で測定し、粒界として識別される部分のうち前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界の長さ（μｍ。以下、ＧＢＬという）を求め、さらに、このＧＢＬと改質ＴｉＣＮ層の層厚（μｍ。以下、Ｔで示す）の比（即ち、ＧＢＬ／Ｔ）を求めると、前記従来ＴｉＣＮ層は、表５に示される通り、ＧＢＬ／Ｔは小さな値であるのに対して、前記改質ＴｉＣＮ層は、表４に示される通り、ＧＢＬ／Ｔが２９５〜５２０という大きな値を示し、この高いＧＢＬ／Ｔの値は、成膜時の反応ガス組成、反応雰囲気温度、反応雰囲気圧力の組み合わせによって変化すること。
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図２（ａ），（ｂ）に概略説明図で例示される通り、縦断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角（図２(ａ)には前記結晶面のうち（００１）面の傾斜角が０度、（０１１）面の傾斜角が４５度の場合、同（ｂ）には（００１）面の傾斜角が４５度、（０１１）面の傾斜角が０度の場合を示しているが、これらの角度を含めて前記結晶粒個々のすべての傾斜角）を測定し、この場合前記結晶粒は、上記の通り格子点にＴｉ、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求めた場合に、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定し、その上で電界放出型査電子顕微鏡を用い、上記改質ＴｉＣＮ層の縦断面研磨面を、例えば、高さ１５μｍ×幅３０μｍの範囲で測定し、粒界として識別される部分のうち前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界の長さ（μｍ。以下、ＧＢＬという）を求め、さらに、このＧＢＬと改質ＴｉＣＮ層の層厚（μｍ。以下、Ｔで示す）の比（即ち、ＧＢＬ／Ｔ）を求めると、前記従来ＴｉＣＮ層は、表５に示される通り、ＧＢＬ／Ｔは小さな値であるのに対して、前記改質ＴｉＣＮ層は、表４に示される通り、ＧＢＬ／Ｔが２９５〜５２０という大きな値を示し、この高いＧＢＬ／Ｔの値は、成膜時の反応ガス組成、反応雰囲気温度、反応雰囲気圧力の組み合わせによって変化すること。
（ｃ）上記の改質ＴｉＣＮ層は、ＴｉＣＮ自体が具備する高温硬さと高温強度に加えて、切削加工時に改質ＴｉＣＮ層に発生する応力の緩和・吸収作用を有するので、上記従来ＴｉＣＮ層に比して一段と高い高温強度を有し、そして、これを硬質被覆層の下部層として蒸着形成してなる被覆工具は、同上部層であるＡｌ２Ｏ３層が具備するすぐれた高温硬さおよび耐熱性と相俟って、特に切刃部に対して大きな熱的・機械的負荷がかかる高送りや高切り込みなどの重切削条件に用いた場合にも、同じく前記従来ＴｉＣＮ層を蒸着形成してなる従来被覆工具に比して、硬質被覆層が一段とすぐれた耐チッピング性を発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
上記（ａ）のＴｉ化合物層のうちの少なくとも一つの層を、２．５〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記層の縦断面研磨面の幅３０μｍの測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、また、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型査電子顕微鏡を用い、層の縦断面研磨面における測定領域について、粒界として識別される部分のうち前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界の長さ（μｍ）を求め、この粒界の長さ（μｍ）と測定したＴｉ化合物層の層厚（μｍ）との比の値が２９５〜５２０を示す縦長成長結晶組織をもつ炭窒化チタン層、
で構成したことを特徴とする重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具（被覆工具）、
に特徴を有するものである。
ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
上記（ａ）のＴｉ化合物層のうちの少なくとも一つの層を、２．５〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記層の縦断面研磨面の幅３０μｍの測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、また、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型査電子顕微鏡を用い、層の縦断面研磨面における測定領域について、粒界として識別される部分のうち前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界の長さ（μｍ）を求め、この粒界の長さ（μｍ）と測定したＴｉ化合物層の層厚（μｍ）との比の値が２９５〜５２０を示す縦長成長結晶組織をもつ炭窒化チタン層、
で構成したことを特徴とする重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具（被覆工具）、
に特徴を有するものである。
つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、上記の通りに数値限定した理由を以下に説明する。
（ａ）下部層（Ｔｉ化合物層）
ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層（ｌ−ＴｉＣＮ層も含む）、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層と後記改質ＴｉＣＮ層からなるＴｉ化合物層は、自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と上部層であるＡｌ２Ｏ３層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつが、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴う高速断続切削でチッピングを起し易くなることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
（ａ）下部層（Ｔｉ化合物層）
ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層（ｌ−ＴｉＣＮ層も含む）、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層と後記改質ＴｉＣＮ層からなるＴｉ化合物層は、自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と上部層であるＡｌ２Ｏ３層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつが、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴う高速断続切削でチッピングを起し易くなることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
（ｂ）下部層の改質ＴｉＣＮ層
下部層の改質ＴｉＣＮ層を構成する結晶粒は、格子点にＴｉ、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を有しているが、改質ＴｉＣＮ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、縦断面研磨面の測定範囲内に存在する改質ＴｉＣＮ層の結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、さらに、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型査電子顕微鏡により、改質ＴｉＣＮ層の縦断面研磨面を、測定領域、例えば、高さ１５μｍ×幅３０μｍの範囲、で測定し、粒界として識別される部分のうちで前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界についてその粒界の長さＧＢＬ（μｍ）を求め、そして、ＧＢＬ（μｍ）と、改質ＴｉＣＮ層の層厚Ｔ（μｍ）との比を求めると、ＧＢＬ／Ｔは２９５〜５２０という値を示し、そして、ＧＢＬ／Ｔが２９５〜５２０という大きな値を示す改質ＴｉＣＮ層は、重切削加工により、切刃部に対して大きな熱的・機械的負荷が加わったとしても、その際に生じる応力を緩和・吸収する作用を有し、一段とすぐれた高温強度を備えるようになるため、硬質被覆層にチッピングが発生する危険性を大幅に低減することができるが、ＧＢＬ／Ｔ値が２９５未満の小さな値では、上記応力の緩和・吸収作用を期待することはできず、一方、ＧＢＬ／Ｔ値が５２０を超えるものについては、改質ＴｉＣＮ層自体に脆化傾向がみられるようになるため、ＧＢＬ／Ｔの値を２９５〜５２０と定めた。
なお、従来ＴｉＣＮ層におけるＧＢＬ／Ｔの値は、１００〜２００程度の小さな値（表５参照）であって、応力の緩和・吸収作用を有さないＴｉＣＮ層であるため、重切削加工においては硬質被覆層にチッピングの発生が見られた（表６参照）。
また、前記改質ＴｉＣＮ層は、上記の通りＴｉＣＮ自体のもつ高温硬さと高温強度に加えて、さらに一段とすぐれた高温強度を有するようになるが、その平均層厚が２．５μｍ未満では所望のすぐれた応力の緩和・吸収作用、高温強度向上効果を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を２．５〜１５μｍと定めた。
下部層の改質ＴｉＣＮ層を構成する結晶粒は、格子点にＴｉ、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を有しているが、改質ＴｉＣＮ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、縦断面研磨面の測定範囲内に存在する改質ＴｉＣＮ層の結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、さらに、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型査電子顕微鏡により、改質ＴｉＣＮ層の縦断面研磨面を、測定領域、例えば、高さ１５μｍ×幅３０μｍの範囲、で測定し、粒界として識別される部分のうちで前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界についてその粒界の長さＧＢＬ（μｍ）を求め、そして、ＧＢＬ（μｍ）と、改質ＴｉＣＮ層の層厚Ｔ（μｍ）との比を求めると、ＧＢＬ／Ｔは２９５〜５２０という値を示し、そして、ＧＢＬ／Ｔが２９５〜５２０という大きな値を示す改質ＴｉＣＮ層は、重切削加工により、切刃部に対して大きな熱的・機械的負荷が加わったとしても、その際に生じる応力を緩和・吸収する作用を有し、一段とすぐれた高温強度を備えるようになるため、硬質被覆層にチッピングが発生する危険性を大幅に低減することができるが、ＧＢＬ／Ｔ値が２９５未満の小さな値では、上記応力の緩和・吸収作用を期待することはできず、一方、ＧＢＬ／Ｔ値が５２０を超えるものについては、改質ＴｉＣＮ層自体に脆化傾向がみられるようになるため、ＧＢＬ／Ｔの値を２９５〜５２０と定めた。
なお、従来ＴｉＣＮ層におけるＧＢＬ／Ｔの値は、１００〜２００程度の小さな値（表５参照）であって、応力の緩和・吸収作用を有さないＴｉＣＮ層であるため、重切削加工においては硬質被覆層にチッピングの発生が見られた（表６参照）。
また、前記改質ＴｉＣＮ層は、上記の通りＴｉＣＮ自体のもつ高温硬さと高温強度に加えて、さらに一段とすぐれた高温強度を有するようになるが、その平均層厚が２．５μｍ未満では所望のすぐれた応力の緩和・吸収作用、高温強度向上効果を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を２．５〜１５μｍと定めた。
（ｃ）上部層（Ａｌ２Ｏ３層）
Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が１μｍ未満では、硬質被覆層に十分な耐摩耗性を発揮せしめることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。
Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が１μｍ未満では、硬質被覆層に十分な耐摩耗性を発揮せしめることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。
なお、切削工具の使用前後の識別を目的として、黄金色の色調を有するＴｉＮ層を、必要に応じて蒸着形成してもよいが、この場合の平均層厚は０．１〜１μｍでよく、これは０．１μｍ未満では、十分な識別効果が得られず、一方前記ＴｉＮ層による前記識別効果は１μｍまでの平均層厚で十分であるという理由からである。
この発明の被覆工具は、大きな発熱を伴うとともに、切刃部に対して大きな機械的負荷がかかる鋼や鋳鉄などの重切削加工でも、硬質被覆層の下部層のうちの少なくとも一つの層を構成する改質ＴｉＣＮ層が、応力の緩和・吸収作用を有し、一段とすぐれた高温強度を備えることから、硬質被覆層にチッピングの発生がなく、すぐれた耐摩耗性を示すものである。
つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ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、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ2Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、硬質被覆層の下部層として、改質ＴｉＣＮ層を除くＴｉ化合物層を表３に示される条件で蒸着形成し、
ついで、前記改質ＴｉＣＮ層を、
まず、第１ステップとして、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：５〜１５％の範囲内の所定量、Ｃ３Ｈ３Ｎ：０．７〜２．５％の範囲内の所定量、Ｎ２：７〜２０％の範囲内の所定量、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃の範囲内の所定温度、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａの範囲内の所定圧力、
の条件で、目標層厚の約２０％の層厚となるまで蒸着成膜し、
その後、第２ステップとして、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：３〜１２％の範囲内の所定量、ＣＨ３ＣＮ：０．２〜２％の範囲内の所定量、Ｃ３Ｈ３Ｎ：０．１〜０．５％の範囲内の所定量、Ａｒ：１０〜３０％の範囲内の所定量、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃の範囲内の所定温度、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａの範囲内の所定圧力、
の条件で、表４に示される組み合わせで、かつ同じく表４に示される目標層厚で蒸着形成し、その後同じく表３に示される条件にて、上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を同じく表４に示される組み合わせで、かつ目標層厚で蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
ついで、前記改質ＴｉＣＮ層を、
まず、第１ステップとして、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：５〜１５％の範囲内の所定量、Ｃ３Ｈ３Ｎ：０．７〜２．５％の範囲内の所定量、Ｎ２：７〜２０％の範囲内の所定量、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃の範囲内の所定温度、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａの範囲内の所定圧力、
の条件で、目標層厚の約２０％の層厚となるまで蒸着成膜し、
その後、第２ステップとして、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：３〜１２％の範囲内の所定量、ＣＨ３ＣＮ：０．２〜２％の範囲内の所定量、Ｃ３Ｈ３Ｎ：０．１〜０．５％の範囲内の所定量、Ａｒ：１０〜３０％の範囲内の所定量、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃の範囲内の所定温度、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａの範囲内の所定圧力、
の条件で、表４に示される組み合わせで、かつ同じく表４に示される目標層厚で蒸着形成し、その後同じく表３に示される条件にて、上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を同じく表４に示される組み合わせで、かつ目標層厚で蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、硬質被覆層の下部層として、従来ＴｉＣＮ層を除くＴｉ化合物層を表３に示される条件で、また、前記従来ＴｉＣＮ層を、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：２〜１０％の範囲内の所定量、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％の範囲内の所定量、Ｎ２：１０〜３０％の範囲内の所定量、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃の範囲内の所定温度、
反応雰囲気圧力：６ｋＰａ、
の条件で、表５に示される組み合わせで、かつ同じく表５に示される目標層厚で蒸着形成し、さらに上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を、表３に示される条件で、かつ目標層厚で蒸着形成することにより従来被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：２〜１０％の範囲内の所定量、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％の範囲内の所定量、Ｎ２：１０〜３０％の範囲内の所定量、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃の範囲内の所定温度、
反応雰囲気圧力：６ｋＰａ、
の条件で、表５に示される組み合わせで、かつ同じく表５に示される目標層厚で蒸着形成し、さらに上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を、表３に示される条件で、かつ目標層厚で蒸着形成することにより従来被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
ついで、上記の本発明被覆工具と従来被覆工具の硬質被覆層を構成する改質ＴｉＣＮ層および従来ＴｉＣＮ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、上記各層の縦断面研磨面のＧＢＬ（μｍ）を測定し、そして、ＧＢＬ（μｍ）と、改質ＴｉＣＮ層の層厚（μｍ）の比を求めた。
すなわち、上記の改質ＴｉＣＮ層および従来ＴｉＣＮ層の縦断面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記縦断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、所定測定領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、さらに、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型走査電子顕微鏡により、改質ＴｉＣＮ層の縦断面研磨面の測定領域（高さ１５μｍ×幅３０μｍの範囲の領域）を走査し、該測定領域内で、粒界として識別される部分のうちで前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界についてその粒界の長さＧＢＬ（μｍ）を求めた。そして、ＧＢＬ（μｍ）と、改質ＴｉＣＮ層の層厚Ｔ（μｍ）との比の値（改質ＴｉＣＮ層の単位層厚当たりの粒界の長さに相当）を求めた。
すなわち、上記の改質ＴｉＣＮ層および従来ＴｉＣＮ層の縦断面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記縦断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、所定測定領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、さらに、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型走査電子顕微鏡により、改質ＴｉＣＮ層の縦断面研磨面の測定領域（高さ１５μｍ×幅３０μｍの範囲の領域）を走査し、該測定領域内で、粒界として識別される部分のうちで前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界についてその粒界の長さＧＢＬ（μｍ）を求めた。そして、ＧＢＬ（μｍ）と、改質ＴｉＣＮ層の層厚Ｔ（μｍ）との比の値（改質ＴｉＣＮ層の単位層厚当たりの粒界の長さに相当）を求めた。
この結果得られた各種の改質ＴｉＣＮ層および従来ＴｉＣＮについてのＧＢＬ，Ｔ，ＧＢＬ／Ｔの値を、それぞれ表４、５に示した。
表４、５にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具の改質ＴｉＣＮ層は、いずれもＧＢＬ／Ｔの値が２９５〜５２０の範囲内の数値であるのに対して、従来被覆工具の従来ＴｉＣＮ層は、いずれもＧＢＬ／Ｔの値が２９５未満であった。
さらに、上記の本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３について、これの硬質被覆層の構成層を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）およびオージェ分光分析装置を用いて観察（層の縦断面を観察）したところ、前者および後者とも目標組成と実質的に同じ組成を有するＴｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層からなることが確認された。
また、これらの被覆工具の硬質被覆層の構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（同じく縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
また、これらの被覆工具の硬質被覆層の構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（同じく縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
つぎに、上記の各種の被覆工具をいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ４００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： １．０ ｍｍ、
送り： ０．５５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）での炭素鋼の乾式高送り断続切削試験（通常の切削速度、送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ２２０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ４．０ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金鋼の乾式高切り込み断続切削試験（通常の切削速度、切り込みは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ４５０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での鋳鉄の乾式高送り断続切削試験（通常の切削速度、送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、０．３ｍｍ／ｒｅｖ）を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表６に示した。
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ４００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： １．０ ｍｍ、
送り： ０．５５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）での炭素鋼の乾式高送り断続切削試験（通常の切削速度、送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ２２０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ４．０ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金鋼の乾式高切り込み断続切削試験（通常の切削速度、切り込みは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ４５０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での鋳鉄の乾式高送り断続切削試験（通常の切削速度、送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、０．３ｍｍ／ｒｅｖ）を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表６に示した。
表４〜６に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、いずれも硬質被覆層の下部層のうちの少なくとも一つの層が、ＧＢＬ／Ｔ＝２９５〜５２０である改質ＴｉＣＮ層で構成され、熱的・機械的負荷がきわめて高い鋼や鋳鉄の重切削加工でも、前記改質ＴｉＣＮ層が応力の緩和・吸収作用を有し、一段とすぐれた高温強度を備えることから、すぐれた耐チッピング性を発揮し、硬質被覆層のチッピング発生が著しく抑制され、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層の下部層のうちのＴｉＣＮ層が、ＧＢＬ／Ｔ値が２９５未満である従来ＴｉＣＮ層で構成された従来被覆工具１〜１３においては、硬質被覆層の熱的・機械的負荷に対する耐性がいずれも不十分であるために、重切削加工では硬質被覆層にチッピングが発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆工具は、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、高い熱的・機械的負荷がかかり一段と優れた高温強度が要求される重切削加工でも硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
Claims (1)
- 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具において、
上記（ａ）のＴｉ化合物層のうちの少なくとも一つの層を、２．５〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記層の縦断面研磨面の幅３０μｍの測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、また、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型査電子顕微鏡を用い、層の縦断面研磨面における測定領域について、粒界として識別される部分のうち前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界の長さ（μｍ）を求め、この粒界の長さ（μｍ）と測定したＴｉ化合物層の層厚（μｍ）との比の値が２９５〜５２０を示す縦長成長結晶組織をもつ炭窒化チタン層、
で構成したことを特徴とする重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具。
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