JP6521130B2

JP6521130B2 - 被覆切削工具

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Publication number: JP6521130B2
Application number: JP2018064054A
Authority: JP
Inventors: 慶也川原
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: US20180305823A1; EP3392380A1; JP2018183864A; US10655230B2; CN108723400A; CN108723400B; EP3392380B1

Description

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、鋼や鋳鉄等の切削加工に用いられている。上記の被覆層としては、例えば、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物及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種の単層又は２種以上の複層からなる被覆層が知られている。

特許文献１では、基材と、基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、被膜は、ＴｉＣＮからなる第１被膜と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜とを含み、第１被膜は、引張応力Ｓ１を有し、第２被膜は、圧縮応力Ｓ２を有するとともに、引張応力Ｓ１と圧縮応力Ｓ２とが４００ＭＰａ≦｜Ｓ２−Ｓ１｜≦３５００ＭＰａの関係を満たす表面被覆切削工具が開示されている。

特許文献２では、基材と、基材上に形成された被膜とを備え、被膜は、ＴｉＣＮからなる第１被膜と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜とを含み、第１被膜は、引張応力を有するか、又は引張応力が解放されて実質的に応力を有しておらず、第２被膜は、すくい面において圧縮応力Ｓ１を有し、逃げ面において引張応力Ｓ２を有するとともに、圧縮応力Ｓ１と引張応力Ｓ２とが４４１ＭＰａ≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦３５００ＭＰａの関係を満たす表面被覆切削工具が開示されている。

特許４７３９２３５号公報特許４７３９２３６号公報

近年の切削加工では高速化や高送り化及び深切り込み化がより顕著となり、加工中に工具にかかる負荷により、チッピングに起因した工具の欠損が多々見られるようになっている。

この様な背景により、上記の特許文献１及び特許文献２に開示された工具では、被覆切削工具に大きな負荷が作用する切削加工条件下において、耐欠損性が不十分であり、さらなる寿命向上が求められる。

本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有し、工具寿命を延長できる被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、上述の観点から、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、α型酸化アルミニウム層の残留応力を適切化することを含む以下の構成にすると、耐摩耗性を低下させることなく、チッピングの発生を抑制することにより、工具の耐欠損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可能にな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、本発明は下記のとおりである。
［１］基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、前記被覆切削工具が、すくい面と、逃げ面とを有し、前記被覆層が、α型酸化アルミニウム層を含み、前記α型酸化アルミニウム層が、前記基材とは反対側に、前記すくい面である又は前記すくい面と略平行な面である第１の界面と、前記逃げ面である又は前記逃げ面と略平行な面である第２の界面と、前記第１の界面と前記第２の界面との交差稜線部とを有し、前記α型酸化アルミニウム層が、更に下記（１）及び（２）で表される条件を満足する、被覆切削工具。
（１）前記α型酸化アルミニウム層において測定される残留応力値σｒ（単位：ＧＰａ）は、前記交差稜線部から、前記第１の界面に向かって測定される位置までの距離が１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍと離れるに従って、連続的又は段階的に増加する。
（２）前記α型酸化アルミニウム層において測定される残留応力値σｆ（単位：ＧＰａ）は、前記交差稜線部から、前記第２の界面に向かって測定される位置までの距離が１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍと離れるに従って、連続的又は段階的に増加する。
［２］前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ａ）で表される条件を満足する、［１］の被覆切削工具。
Ｓｆ＞Ｓｒ…（Ａ）
（上記式中、Ｓｆは、前記α型酸化アルミニウム層において、前記交差稜線部から前記第２の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。上記式中、Ｓｒは、前記α型酸化アルミニウム層において、前記交差稜線部から前記第１の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。）
［３］前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ｂ）で表される条件を満足する、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
−０．８００≦Ｓｒ≦０．３００…（Ｂ）
（上記式中、Ｓｒは、前記α型酸化アルミニウム層において、前記交差稜線部から前記第１の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。）
［４］前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ｃ）で表される条件を満足する、［１］〜［３］のいずれか１つの被覆切削工具。
−０．６００≦Ｓｆ≦０．４００…（Ｃ）
（上記式中、Ｓｆは、前記α型酸化アルミニウム層において、前記交差稜線部から前記第２の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。）
［５］前記α型酸化アルミニウム層の平均厚さが、１．０μｍ以上１５．０μｍ以下である、［１］〜［４］のいずれか１つの被覆切削工具。
［６］前記被覆層が、前記基材と前記α型酸化アルミニウム層との間に、炭窒化チタンからなる炭窒化チタン層を含み、前記炭窒化チタン層の平均厚さが、１．０μｍ以上２０．０μｍ以下である、［１］〜［５］のいずれか１つの被覆切削工具。
［７］前記被覆層が、前記炭窒化チタン層と前記α型酸化アルミニウム層との間に、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物及びＴｉ炭窒酸化物からなる群より選択される少なくとも１種の化合物からなる中間層を備える、［６］の被覆切削工具。
［８］前記中間層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下である、［７］の被覆切削工具。
［９］前記被覆層の平均厚さが、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下である、［１］〜［８］のいずれか１つの被覆切削工具。
［１０］前記被覆層が、前記α型酸化アルミニウム層の表面上に最外層として、窒化チタンからなる窒化チタン層を備え、前記最外層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、［１］〜［９］のいずれか１つの被覆切削工具。
［１１］前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、［１］〜［１０］のいずれか１つの被覆切削工具。

本発明によると、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することによって工具寿命を延長できる被覆切削工具を提供することができる。

本発明の被覆切削工具の一例を部分的に示す断面模式図である。発明品２のα型酸化アルミニウム層における残留応力値の測定結果を示す図である。

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。

本実施形態の被覆切削工具は、基材と、基材の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面とを有し、被覆層は、α型酸化アルミニウム層を含み、α型酸化アルミニウム層は、基材とは反対側に、すくい面である又はすくい面と略平行な面である第１の界面と、逃げ面である又は逃げ面と略平行な面である第２の界面と、第１の界面と第２の界面との交差稜線部とを有し、α型酸化アルミニウム層は、更に下記（１）及び（２）で表される条件を満足する。本明細書にいう「略平行」とは、すくい面の面方向と第１の界面の面方向との角度が０〜１°であり、逃げ面の面方向と第２の界面の面方向との角度が０〜１°であることをいう。
（１）残留応力値σｒ（単位：ＧＰａ）は、交差稜線部から、第１の界面に向かって測定される位置までの距離が１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍと離れるに従って、連続的又は段階的に増加する。
（２）残留応力値σｆ（単位：ＧＰａ）は、交差稜線部から、第２の界面に向かって測定される位置までの距離が１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍと離れるに従って、連続的又は段階的に増加する。
なお、本明細書における残留応力値は、２Ｄ法（多軸応力測定法／フルデバイリングフィッティング法）を用いて測定されるものである。

本実施形態の被覆切削工具は、α型酸化アルミニウム層の残留応力を上記のように適正化することにより、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有する。この要因は、以下のように考えられるが、要因は以下のものに限定されない。
残留応力値σｒ及びσｆが連続的又は段階的に増加すると、まず、切れ刃に最も近い側の応力が最も小さくなることに起因して、亀裂（クラック）の進展を抑制できる。それと共に、切り屑が、すくい面と逃げ面とが交差する稜線部に接触した際に生じるチッピングを小さくできる。それらの結果、耐欠損性が向上する。また、切れ刃に最も離れた側の応力が最も大きくなることに起因して、ブラスト等で生じる亀裂が減少し、これにより加工中に亀裂がつながることが抑制され、被覆層の粒子が脱落することによる摩耗の進行を抑制できる。その結果、耐摩耗性が向上する。

図１は、本実施形態の被覆切削工具の一例を部分的に示す断面模式図である。被覆切削工具８は、基材１と、基材１の表面上に形成された被覆層７とを備える。被覆層７では、最下層２、炭窒化チタン層３、中間層４、α型酸化アルミニウム層５及び最外層６がこの順序で基材側から積層されている。

本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材の表面上に形成された被覆層とを備える。被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面とを有する。被覆切削工具の種類としては、具体的には、フライス加工用若しくは旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル及びエンドミルが挙げられる。

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ものであれば、特に限定されない。そのような基材としては、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及び高速度鋼が挙げられる。それらの中でも、基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかであると、耐摩耗性及び耐欠損性に更に優れるので好ましい。同様の観点から、基材が超硬合金であるとより好ましい。

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。

本実施形態における被覆層の平均厚さは、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下であることが好ましい。平均厚さが３．０μｍ以上であると、耐摩耗性が更に向上する傾向にあり、３０．０μｍ以下であると、被覆層の基材との密着性及び耐欠損性が更に向上する傾向にある。同様の観点から、被覆層の平均厚さは、５．０μｍ以上２７．０μｍ以下であるとより好ましく、９．０μｍ以上２５．０μｍ以下であると更に好ましい。

本実施形態における被覆層は、少なくとも１層のα型酸化アルミニウム層を含む。このα型酸化アルミニウム層において、被覆切削工具の残留応力値σｒ及びσｆが連続的又は段階的に増加すると、まず、切れ刃に最も近い側の応力が最も小さくなることに起因して、亀裂（クラック）の進展を抑制できる。それと共に、切り屑が、すくい面と逃げ面とが交差する稜線部に接触した際に生じるチッピングを小さくできる。それらの結果、耐欠損性が向上する。また、切れ刃に最も離れた側の応力が最も大きくなることに起因して、ブラスト等で生じる亀裂が減少し、これにより加工中に亀裂がつながることが抑制され、被覆層の粒子が脱落することによる摩耗の進行を抑制できる。その結果、耐摩耗性が向上する。本明細書にいう「連続的に増加する」とは、残留応力値σｒ及びσｆが、交差稜線部から、それらの残留応力値が測定される位置までの距離が１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍと離れるにしたがって、常に増加することをいう。本明細書にいう「段階的に増加する」とは、交差稜線部から１０μｍ離れた測定位置の残留応力値σｒ及びσｆをＳ１（１０）及びＳ２（１０）、交差稜線部から５０μｍ離れた測定位置の残留応力値σｒ及びσｆをＳ１（５０）及びＳ２（５０）、交差稜線部から１００μｍ離れた測定位置の残留応力値σｒ及びσｆをＳ１（１００）及びＳ２（１００）、交差稜線部から１５０μｍ離れた測定位置の残留応力値σｒ及びσｆをＳ１（１５０）及びＳ２（１５０）、交差稜線部から２００μｍ離れた測定位置の残留応力値σｒ及びσｆをＳ１（２００）及びＳ２（２００）としたとき、Ｓ１（５０）−Ｓ１（１０）（又は、Ｓ２（５０）−Ｓ２（１０））、Ｓ１（１００）−Ｓ１（５０）（又は、Ｓ２（１００）−Ｓ２（５０））、Ｓ１（１５０）−Ｓ１（１００）（又は、Ｓ２（１５０）−Ｓ２（１００））、及びＳ１（２００）−Ｓ１（１５０）（又は、Ｓ２（２００）−Ｓ２（１５０））の任意の１つ〜３つの値が−０．０２０ＧＰａ以上０．０２０ＧＰａ以下であり、残りの１つ以上の値が０．０２０ＧＰａを超えることをいう。

本実施形態におけるα型酸化アルミニウム層は、下記式（Ａ）で表される条件を満足する。
Ｓｆ＞Ｓｒ…（Ａ）
ここで、上記式（Ａ）中、Ｓｆは、α型酸化アルミニウム層において、交差稜線部から第２の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。Ｓｆは、例えば、第２の界面近傍において交差稜線部と平行な方向の残留応力値である。上記式（Ａ）中、Ｓｒは、α型酸化アルミニウム層において、交差稜線部から第１の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。Ｓｒは、例えば、第１の界面近傍において交差稜線部と平行な方向の残留応力値である。

上記式（Ａ）で表される関係を満足すると、すくい面と逃げ面において、すくい面からの欠損が抑制されることに起因して、境界損傷を小さくすることができる。そのため、耐欠損性が更に向上する傾向にあり、耐摩耗性と耐欠損性のバランスに更に優れる。その結果、被覆切削工具の工具寿命が長くなる傾向にある。

本実施形態のα型酸化アルミニウム層は、下記式（Ｂ）で表される条件を満足することが好ましい。
−０．８００≦Ｓｒ≦０．３００…（Ｂ）
ここで、上記式（Ｂ）中、Ｓｒは、上記式（Ａ）におけるＳｒと同義である。

Ｓｒが、−０．８００ＧＰａ以上であると、粒子の脱落によるクレータ摩耗の進行を抑制できるため、耐摩耗性が更に向上する傾向にある。一方、Ｓｒが０．３００ＧＰａ以下であると、切削加工中に発生した亀裂が基材まで進展するのを抑制することができるため、被覆切削工具の耐欠損性が更に向上する傾向にある。同様の観点から、Ｓｒは、−０．７００ＧＰａ以上０．１００ＧＰａ以下であることがより好ましく、−０．７００ＧＰａ以上−０．１００ＧＰａ以下であることが更に好ましい。

本実施形態のα型酸化アルミニウム層は、下記式（Ｃ）で表される条件を満足することが好ましい。
−０．６００≦Ｓｆ≦０．４００…（Ｃ）
ここで、上記式（Ｃ）中、Ｓｆは、上記式（Ａ）におけるＳｆと同義である。

Ｓｆが、−０．６００ＧＰａ以上であると、粒子の脱落による摩耗の進行を抑制できるため、耐摩耗性が更に向上する傾向にある。一方、Ｓｆが０．４００ＧＰａ以下であると、境界損傷を小さくすることができるため、被覆切削工具の耐欠損性が更に向上する傾向にある。同様の観点から、Ｓｆは、−０．５００ＧＰａ以上０．２００ＧＰａ以下であることがより好ましく、−０．５００ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることが更に好ましい。

本実施形態のα型酸化アルミニウム層における各残留応力値（上記の残留応力値σｒ、σｆ、Ｓｒ及びＳｆ）は、上述のとおり、２Ｄ法（多軸応力測定法／フルデバイリングフィッティング法）を用いて測定される。α型酸化アルミニウム層の残留応力値の測定には、Ｘ線回折における（１１６）面のピーク強度を用いる。Ｘ線回折測定の条件としては、Ｘ線の線源として０．０５ｍｍΦのＣｕＫα線を用い、出力＝５０ｋＶ、１．０ｍＡの条件で照射して各残留応力値の測定を行う。各残留応力値は、交差稜線部から第１の界面及び第２の界面に向かって２００μｍまで離れた範囲のα型酸化アルミニウム層を測定することで求められる。このとき、交差稜線部から測定位置までの距離が１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ及び２００μｍであるα型酸化アルミニウム層の５つの測定位置における各残留応力値を２Ｄ法によりそれぞれ測定する。各測定位置における残留応力値は、３点の残留応力の相加平均値を算出することにより求められる。

本実施形態のα型酸化アルミニウム層の平均厚さは、１．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることが好ましい。α型酸化アルミニウム層の平均厚さが、１．０μｍ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、１５．０μｍ以下であると被覆層の剥離がより抑制され、被覆切削工具の耐欠損性が更に向上する傾向にある。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層の平均厚さは、１．５μｍ以上１２．０μｍ以下であることがより好ましく、３．０μｍ以上１０．０μｍ以下であることが更に好ましい。

本実施形態の被覆層は、基材とα型酸化アルミニウム層との間に、炭窒化チタンからなる炭窒化チタン層を備えることにより、耐摩耗性が更に向上するため好ましい。本実施形態の炭窒化チタン層の平均厚さは、１．０μｍ以上２０．０μｍ以下であることが好ましい。炭窒化チタン層の平均厚さが１．０μｍ以上であると、被覆切削工具の耐摩耗性が更に向上する傾向にあり、２０μｍ以下であると被覆層の剥離が更に抑制され、被覆切削工具の耐欠損性が更に向上する傾向にある。同様の観点から、炭窒化チタン層の平均厚さは、５．０μｍ以上１５．０μｍ以下であることがより好ましい。

本実施形態の被覆層は、炭窒化チタン層とα型酸化アルミニウム層との間に、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選択される少なくとも１種の化合物からなる中間層を備えると、密着性が更に向上するため好ましい。中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上１．５μｍ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、密着性が更に向上する傾向にあり、１．５μｍ以下であると被覆切削工具の耐欠損性が更に向上する傾向にある。

本実施形態の被覆層は、α型酸化アルミニウム層の表面上に最外層として、窒化チタンからなる窒化チタン層を備えると、被覆切削工具の使用の有無等の使用状態を確認することができ、視認性に優れるので好ましい。窒化チタン層の平均厚さは、０．２μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。窒化チタン層の平均厚さが０．２μｍ以上であると、α型酸化アルミニウム層の粒子が脱落するのを一層抑制する効果があり、１．０μｍ以下であると被覆切削工具の耐欠損性が向上するので、好ましい。

本実施形態の被覆層は、基材と炭窒化チタン層との間に、被覆層における最下層として窒化チタンからなる窒化チタン層又は炭化チタンからなる炭化チタン層を備えると、密着性が向上するので好ましい。この最下層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。最下層の平均厚さが０．１μｍ以上であると、最下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、最下層の平均厚さが０．５μｍ以下であると、最下層が剥離の起点となることが抑制されるため、耐欠損性が更に高まる傾向にある。

本実施形態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、最下層としての窒化チタンからなる層である窒化チタン層（以下、「ＴｉＮ層」とも表記する。）は、原料組成をＴｉＣｌ₄：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８５０〜９２０℃、圧力を１００〜４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

最下層としての炭化チタンからなる層である炭化チタン層（以下、「ＴｉＣ層」とも表記する。）は、原料組成をＴｉＣｌ₄：２．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＨ₄：４．０〜６．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９８０〜１０２０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

炭窒化チタンからなる層である炭窒化チタン層（以下、「ＴｉＣＮ層」とも表記する。）は、原料組成をＴｉＣｌ₄：８．０〜１８．０ｍｏｌ％、ＣＨ₃ＣＮ：１．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８４０〜８９０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉの炭窒酸化物からなるＴｉＣＮＯ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９７５〜１０２５℃、圧力を９０〜１１０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

Ｔｉの炭酸化物からなるＴｉＣＯ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：０．５〜１．５ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９７５〜１０２５℃、圧力を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、α型酸化アルミニウム層は、以下のようにして形成することができる。まず、基材の表面上に、最下層、炭窒化チタン層、及び中間層を、この順序で形成する。なお、本実施形態において、各層は必ずしも必須の層ではない。次いで、上記の層が形成されている場合には、それらの層のうち、基材から最も離れた層の表面を酸化する。その後、基材から最も離れた層の表面にα型酸化アルミニウム層の核を形成し、その核が形成された状態で、α型酸化アルミニウム層を形成する。さらに、必要に応じてα型酸化アルミニウム層の表面にＴｉＮ層を形成してもよい。

より具体的には、上記基材から最も離れた層の表面の酸化は、原料組成をＣＯ₂：０．１〜１．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９５０〜１０００℃、圧力を５０〜７０ｈＰａとする条件により行われる。このときの酸化処理時間は、５〜１０分であることが好ましい。

α型酸化アルミニウム層は、原料組成を、ＡｌＣｌ₃：２．１〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ₂：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂Ｓ：０．２８〜０．４５ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度：９００〜１０００℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。

最外層としての窒化チタンからなるＴｉＮ層は、原料組成をＴｉＣｌ₄：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ₂：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９８０〜１０２０℃、圧力を１００〜４００ｈＰａ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、被覆層の残留応力値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。

被覆層を形成した後、外熱式化学蒸着装置内をその温度が３００℃に至るまでの冷却時間（以下、「冷却時間」とも表記する。）を調整するとよい。冷却時間を短くすると、交差稜線部に亀裂を導入し、交差稜線部における残留応力値が小さくなる。その結果、交差稜線部から、第１の界面又は第２の界面に沿って残留応力値は連続的又は段階的に増加する傾向にある。冷却時間は、例えば、外熱式化学蒸着装置内に装入する基材の数を調整したり、被覆層を形成した後、冷却時に外熱式化学蒸着装置内に水素（Ｈ₂）ガスを導入したりすることにより制御できる。具体的には、外熱式化学蒸着装置内に装入する基材の数を少なくしたり、被覆層を形成した後、冷却時に外熱式化学蒸着装置内に導入するＨ₂ガスの比率を大きくしたりすると、冷却時間は大きくなる傾向にある。

被覆層を形成した後、乾式ショットブラストを施し、被覆層の残留応力値を制御することができる。乾式ショットブラストの条件は、被覆切削工具のすくい面に対して投射角度が３０°〜５５°程度になるように、投射材を０．８ｂａｒ〜１．５ｂａｒの投射圧力、１．０〜５．０秒の投射時間で投射するとよい。乾式ブラストの投射材は、平均粒径１００〜３００μｍのＡｌ₂Ｏ₃やＺｒＯ₂の粒子であると好ましく、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃などの安定化剤を添加して得られたＺｒＯ₂であるとさらに好ましい。被覆切削工具のすくい面に対し、投射角度が高角度側になるほど、第１の界面の残留応力値が小さくなる傾向にある。このため、投射角度が５０°〜５５°程度であると、残留応力値の関係「Ｓｆ＞Ｓｒ」を満たすことができるので好ましい。また、乾式ショットブラストの条件及び上述した冷却時間を上述した範囲内にすることにより、Ｓｒ及びＳｆを所望の数値範囲内とすることができる。

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及び被覆層全体の平均厚さは、被覆切削工具の断面組織を、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、又はＦＥ−ＳＥＭ等を用いて観察することにより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及び被覆層全体の平均厚さは、交差稜線部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、各層の厚さ又は被覆層全体の厚さを３箇所以上測定し、その相加平均値として求めることができる。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）等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。

基材として、ＪＩＳ規格ＶＮＭＧ１６０４０８形状を有し、９１．５ＷＣ−８．０Ｃｏ−０．５Ｃｒ₃Ｃ₂（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。この基材の刃先稜線部にＳｉＣブラシにより交差稜線部を形成した後、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１〜１０については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入した。このとき、表４に示す冷却時間になるよう、外熱式化学蒸着装置に装入する基材の数を調整した。その後、表１に組成を示す最下層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、基材の表面に形成した。次いで、表１に組成を示す炭窒化チタン層（以下、「ＴｉＣＮ層」とも表記する。）を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、最下層の表面に形成した。次に、表１に組成を示す中間層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、ＴｉＣＮ層の表面に形成した。その後、表３に示す組成を有するガスを用い、表３に示す温度及び圧力の条件の下、中間層の表面に酸化処理を施した。このとき、酸化処理時間を５分とした。次いで、表１に組成を示すα型酸化アルミニウム層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した中間層の表面に形成した。最後に、表１に組成を示す最外層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、α型酸化アルミニウム層の表面に形成した。被覆層を形成した後、表４に示す冷却時間になるよう、外熱式化学蒸着装置内に導入するＨ₂ガスの流量を調整して、その装置内を３００℃まで冷却した。こうして、発明品１〜１０の被覆切削工具を得た。

一方、比較品１〜７については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入した。このとき、表４に示す冷却時間になるよう、外熱式化学蒸着装置に装入する基材の数を調整した。その後、表１に組成を示す最下層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下基材の表面に形成した。次いで、表１に組成を示すＴｉＣＮ層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、最下層の表面に形成した。次に、表１に組成を示す中間層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、ＴｉＣＮ層の表面に形成した。その後、表３に示す組成を有するガスを用い、表３に示す温度及び圧力の条件の下、中間層の表面に酸化処理を施した。このとき、酸化処理時間を５分とした。次いで、表１に組成を示すα型酸化アルミニウム層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、酸化処理を施した中間層の表面に形成した。最後に、表１に組成を示す最外層を、表１に示す平均厚さになるよう、表２に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、α型酸化アルミニウム層の表面に形成した。被覆層を形成した後、表４に示す冷却時間になるよう、外熱式化学蒸着装置内に導入するＨ₂ガスの流量を調整して、その装置内を３００℃まで冷却した。こうして、比較品１〜７の被覆切削工具を得た。

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、被覆切削工具の交差稜線部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、その相加平均値を平均厚さとして求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の交差稜線部からすくい面の中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＥＤＳを用いて測定した。

発明品１〜１０及び比較品１〜７については、基材の表面に被覆層を形成した後、表５に示す投射材を用いて、表５に示す投射条件の下、被覆層表面に向けて乾式ショットブラストを施した。なお、表中の「すくい面に対する投射角度」欄における、「０,９０」とは、乾式ショットブラストを０°と９０°との投射角度にて、各１回施していることを示す。

本実施形態のα型酸化アルミニウム層の各位置における残留応力値は２Ｄ法（多軸応力測定法／フルデバイリングフィッティング法）を用いて測定した。α型酸化アルミニウム層の残留応力値の測定には、Ｘ線回折における（１１６）面のピーク強度を用いた。Ｘ線回折測定の条件としては、Ｘ線の線源として０．０５ｍｍΦのＣｕＫα線を用い、出力＝５０ｋＶ、１．０ｍＡの条件で照射して各残留応力値を測定した。各残留応力値は、交差稜線部から第１の界面及び第２の界面に向かって２００μｍまで離れた範囲のα型酸化アルミニウム層を測定することで求めた。このとき、交差稜線部から測定位置までの距離が１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ及び２００μｍである測定位置における各残留応力値を２Ｄ法によりそれぞれ測定した。各残留応力値は、３点の残留応力の相加平均値として算出した。ここで、交差稜線部と平行な方向の残留応力値をα型酸化アルミニウム層の残留応力値とした。それらの測定結果を表６に示す。また、得られた測定結果から、残留応力値の関係及び残留応力値の態様を求めた。それらの測定結果を表７に示す。ここで、表中の「残留応力値の態様σｒ及びσｆ」欄における、「σｒ及びσｆ：連続的に増加」とは、α型酸化アルミニウム層の残留応力値σｒが、交差稜線部から離れるに従い、連続的に増加し、α型酸化アルミニウム層の残留応力値σｆは、交差稜線部から離れるに従い、連続的に増加することを示す。同様に、「σｒ：一定」、「σｆ：一定」とは、α型酸化アルミニウム層の残留応力値σｒ又はσｆが一定であることを示し、「σｒ：段階的に増加」、「σｆ：段階的に増加」とは、α型酸化アルミニウム層の残留応力値σｒ又はσｆが、段階的に増加することを示す。また、図２に発明品２のα型酸化アルミニウム層における残留応力値の測定結果を示す。

得られた発明品１〜１０及び比較品１〜７を用いて、下記の条件にて切削試験１及び切削試験２を行った。切削試験１は耐摩耗性を評価する摩耗試験であり、切削試験２は耐欠損性を評価する欠損試験である。各切削試験の結果を表８に示す。

［切削試験１］
被削材：Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：２９０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．８ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損に至ったとき又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。なお、欠損に至る前に最大逃げ面摩擦幅が０．２ｍｍに至った場合を「正常摩耗」、欠損に至った場合を「欠損」と評価した。

［切削試験２］
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：１７０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．７ｍｍ、
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、試料が欠損に至っ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相加平均値を求め、工具寿命とした。

切削試験１（摩耗試験）の工具寿命に至るまでの加工時間について、２０分以上を「Ａ」、１５分以上２０分未満を「Ｂ」、１５分未満を「Ｃ」として評価した。また、切削試験２（欠損試験）の工具寿命に至るまでの衝撃回数について、１００００回以上を「Ａ」、５０００回以上１００００回未満を「Ｂ」、５０００回未満を「Ｃ」として評価した。この評価では、「Ａ」が最も優れており、次に「Ｂ」が優れており、「Ｃ」が最も劣っていることを意味し、Ａ又はＢを多く有するほど切削性能に優れることを意味する。得られた評価の結果を表８に示す。

表８に示す結果より、発明品の摩耗試験の評価は、「Ｂ」以上の評価であり、発明品の欠損試験の評価は、全て「Ａ」の評価であった。一方、比較品の評価は、摩耗試験の評価が「Ｂ」以下であり、欠損試験の評価が、「Ｂ」以下であった。よって、発明品の耐摩耗性は比較品と比べて同等以上であり、耐欠損性は、比較品と比べて、より優れていることが分かる。

以上の結果より、発明品は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れる結果、工具寿命が長いことが分かった。

本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性を低下させることなく、優れた耐欠損性を有することにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、そのような観点から、産業上の利用可能性がある。

１…基材、２…最下層、３…炭窒化チタン層、４…中間層、５…α型酸化アルミニウム層、６…最外層、７…被覆層、８…被覆切削工具。

Claims

基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備える被覆切削工具であって、
前記被覆切削工具が、すくい面と、逃げ面とを有し、
前記被覆層が、α型酸化アルミニウム層を含み、
前記α型酸化アルミニウム層が、前記基材とは反対側に、前記すくい面である又は前記すくい面と略平行な面である第１の界面と、前記逃げ面である又は前記逃げ面と略平行な面である第２の界面と、前記第１の界面と前記第２の界面との交差稜線部とを有し、
前記α型酸化アルミニウム層が、更に下記（１）及び（２）で表される条件を満足する、被覆切削工具。
（１）前記α型酸化アルミニウム層において測定される残留応力値σｒ（単位：ＧＰａ）は、前記交差稜線部から、前記第１の界面に向かって測定される位置までの距離が１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍと離れるに従って、連続的又は段階的に増加する。
（２）前記α型酸化アルミニウム層において測定される残留応力値σｆ（単位：ＧＰａ）は、前記交差稜線部から、前記第２の界面に向かって測定される位置までの距離が１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍと離れるに従って、連続的又は段階的に増加する。
前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ａ）で表される条件を満足する、請求項１に記載の被覆切削工具。
Ｓｆ＞Ｓｒ…（Ａ）
（上記式中、Ｓｆは、前記α型酸化アルミニウム層において、前記交差稜線部から前記第２の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。上記式中、Ｓｒは、前記α型酸化アルミニウム層において、前記交差稜線部から前記第１の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。）
前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ｂ）で表される条件を満足する、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
−０．８００≦Ｓｒ≦０．３００…（Ｂ）
（上記式中、Ｓｒは、前記α型酸化アルミニウム層において、前記交差稜線部から前記第１の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。）
前記α型酸化アルミニウム層が、下記式（Ｃ）で表される条件を満足する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
−０．６００≦Ｓｆ≦０．４００…（Ｃ）
（上記式中、Ｓｆは、前記α型酸化アルミニウム層において、前記交差稜線部から前記第２の界面に向かって１００μｍ離れた位置で測定される残留応力値（単位：ＧＰａ）を表す。）
前記α型酸化アルミニウム層の平均厚さが、１．０μｍ以上１５．０μｍ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。
前記被覆層が、前記基材と前記α型酸化アルミニウム層との間に、炭窒化チタンからなる炭窒化チタン層を含み、
前記炭窒化チタン層の平均厚さが、１．０μｍ以上２０．０μｍ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。
前記被覆層が、前記炭窒化チタン層と前記α型酸化アルミニウム層との間に、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物及びＴｉ炭窒酸化物からなる群より選択される少なくとも１種の化合物からなる中間層を備える、請求項６に記載の被覆切削工具。
前記中間層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下である、請求項７に記載の被覆切削工具。
前記被覆層の平均厚さが、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記被覆層が、前記α型酸化アルミニウム層の表面上に最外層として、窒化チタンからなる窒化チタン層を備え、前記最外層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の被覆切削工具。