JP7256978B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐溶着性と耐異常損傷性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、切刃に対して衝撃的な高負荷が作用する鋼の高送り断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐溶着性および耐異常損傷性を備えることにより、長期の使用に亘り、すぐれた切削性能を有する表面被覆工具に関するものである。

従来、一般に、各種の鋼の切削加工においては、炭化タングステン基等の超硬合金基体表面に、下部層として化学蒸着形成されたＴｉの炭窒化物（ＴｉＣＮ）層等のＴｉ化合物層を有し、上部層として化学蒸着形成された酸化アルミニウム層を有する硬質被覆層が形成された被覆工具が用いられている。
しかしながら、近年、鋼の断続切削においては、高能率化が求められる中、従来の前記被覆工具では、溶着や異常損傷による工具寿命の短命化が問題となっている。

これに対して、例えば、特許文献１では、切削工具等において、スパッタリング法あるいはプラズマＣＶＤ法を用いて高硬度で耐摩耗性に優れたＴｉＺｒＮ硬質被覆層を形成させることにより、長寿命化を図ることが提案されている。
また、特許文献２では、鋼管の切断時に用いるカッターとして、硬質相がＷＣ、金属結合相がＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒからなる超硬合金母材にＴｉＺｒＮなどからなるセラミックス被覆層を設けることにより、被加工物とカッターとの拡散を防止し、従来、鋼管の切断時において刃先に発生していた溶着や刃こぼれなどによる生産性や製品の品質の低下を改善することが提案されている。
また、特許文献３では、基体にＣＶＤ法によりｆｃｃ構造のＴｉＺｒＮ、ＴｉＨｆＮ、ＴｉＺｒＨｆＮを成膜された切削工具を用いることにより、特に、工具寿命が延びることが提案されている。

特開平３－２６７３６１号公報 特開平７－２３７０３０号公報 米国特許公開第２０１６／０２９８２３３号明細書

近年の切削加工における省力化および省エネ化への要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下にて使用されるようになってきているため、鋼の高送り断続切削においても、すぐれた耐溶着性と耐異常損傷性を有することが求められている。
しかしながら、前記特許文献１乃至特許文献３にて提案されている、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＨｆＮやＴｉＺｒＨｆＮを有する被覆層からなる被覆工具を鋼の高送り断続切削に用いた場合においても、これらの被覆層が塑性変形に耐えられず、被覆層から粒子が脱落するため、異常摩耗が進行し、依然として、早期に寿命に至るという問題を有していた。

そこで、本発明者らは、前述の観点から、前記被覆工具において、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する鋼の高送り断続切削に用いた場合であっても、長期の使用にわたり、すぐれた耐溶着性と耐異常損傷性を兼ね備え、工具寿命の向上をもたらす、被覆工具について、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
すなわち、本発明者らは、限定された条件にて、ＴｉＺｒＨｆＮからなる窒化物層を成膜することにより、縦長結晶組織を有する窒化物層が得られ、かかる窒化物層では、基体と並行な方向の粒界が少なくなるため、結晶粒の脱落が生じにくくなること、さらに、窒化物中の塩素量をきわめて微少量、例えば、その上限を０．０３０ａｔ％程度に限定して含有させることにより、被覆層の脆化を生じることなく、潤滑効果を発揮でき、切削中の摩擦による発熱を抑制できるため、被覆層の塑性変形を生じ難くし、前記結晶粒の脱落を一層抑制できることを見出したものである。
そして、かかる窒化物層を硬質被覆層として有する被覆切削工具は、すぐれた耐溶着性と耐異常損傷性を兼ね備えているため、鋼の高送り断続切削加工用として、長期の使用にわたり、工具寿命の向上をもたらすことを見出したものである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に少なくとも一層の硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
１）前記硬質被覆層は、組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）Ｎにて表わした場合、
ＺｒとＨｆとの合量のＴｉとＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合ｘ、および、ＺｒのＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合ｙ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比）が、それぞれ、０．０５≦ｘ≦０．９５、および、０＜ｙ＜１．０を満足する複合窒化物層を少なくとも一層含み、
２）前記複合窒化物層は、０．００１～０．０３０原子％の塩素を含有し、
３）前記複合窒化物層は、縦断面にてアスペクト比２以上の縦長結晶粒が占める面積率が５０％以上であり、
４）前記複合窒化物層は、ナノインデンテーション押込硬さが、押込荷重２００ｍｇｆのとき、２６００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上３８１０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下であり、その膜厚が１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

つぎに、本発明の被覆工具について、詳細に説明する。

硬質被覆層：
本発明は、工具基体の表面に少なくとも一層の硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であり、前記硬質被覆層は、ＴｉＺｒＨｆＮ複合窒化物層を含み、必要に応じ、下部層および／または上部層を有するものである。

ＴｉＺｒＨｆＮ複合窒化物層：
（１）成分組成
本発明に係るＴｉＺｒＨｆＮ複合窒化物層を構成するＴｉＺｒＨｆＮ複合窒化物は、組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）Ｎにて表した場合、０．０５≦ｘ≦０．９５、および、０＜ｙ＜１．０をそれぞれ満足する。
ここで、ｘは、ＺｒとＨｆとの合量のＴｉとＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合を表し、ｙはＺｒのＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合ｙを表す。但し、ｘ、ｙはいずれも原子比である。
以下、前記複合窒化物層を、ＴｉＺｒＨｆＮ窒化物層、あるいは、ＴｉＺｒＨｆＮ層ともいう。
さらに、ＴｉＺｒＨｆＮ層は、０．００１～０．０３０原子％のきわめて微量の塩素を含有させることにより、塩素の潤滑効果によって、切削中の摩耗による発熱が低減され、塑性変形を生じ難くする。
なお、ここで塩素の原子％とは、ＴｉＺｒＨｆＮ層における塩素（Ｃｌ）のＴｉとＺｒとＨｆとＮとＯ（前記複合窒化物層は不可避不純物として１．５原子％以下の酸素を含有している）とＣｌの合量に対して占める原子％をいい、０．０３０原子％を超える場合には、被覆層の脆化の原因となるため、０．０３０原子％以下と限定した。
（２）縦長結晶組織
前記のとおり、本発明に係る硬質被覆層を構成するＴｉＺｒＨｆＮ
層は、縦長結晶組織を有するものである。ＴｉＺｒＨｆＮ層を縦長結晶組織とすることにより、被覆層からの粒子の脱落が抑制され、前述のきわめて微量の塩素を含有させた効果を併せて、耐溶着性および耐異常損傷性にすぐれた特性を発揮する。なお、ここでいう縦長結晶組織とは、窒化物層の縦断面にてアスペクト比が２以上の縦長結晶粒の占める面積率が５０％以上である組織を指すものとする。
ここでいうアスペクト比とは、具体的には、窒化物層の縦断面について、層中の個々の結晶粒の粒子幅および粒子長さを測定し、最大粒子幅Ｗと最大粒子長さＬを求めた場合のＬ／Ｗをいう。
アスペクト比が２未満の場合、十分な縦長組織となっておらず、アスペクト比の小さな等軸結晶の脱落を招き、その結果、十分な耐摩耗性を発揮することができないため、２以上と規定した。
そして、アスペクト比が２以上となるものについての面積率が５０％以上であるものと規定することにより、靱性および耐摩耗性が向上する効果を発揮させることができる。
（３）平均層厚および硬度
ＴｉＺｒＨｆＮ窒化物層は、硬さが高く、すぐれた耐摩耗性
を有するが、特に、平均層厚が０．２μｍ～２０μｍであるときに硬度および耐摩耗性の観点からすぐれた効果を発揮する。
さらに、その平均層厚が１μｍ～２０μｍ、かつナノインデンテーション押込硬さ（押込荷重２００ｍｇｆ）が２６００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上の場合、よりすぐれた効果を発揮することができる。
なお、窒化物層の平均層厚は、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて、工具基体に垂直な方向の断面の観察視野内の５点の層厚を測り、これらを平均して平均層厚を求めることができる。
また、ナノインデンテーション硬さについては、ナノインデンテーション試験法（ＩＳＯ １４５７７）に基づき、前記ＴｉＺｒＨｆＮ層の表面を研磨し、ダイヤモンド製のBerkovich圧子を用いて、押込荷重２００ｍｇｆで測定を行なった。

ＴｉＺｒＨｆＮ層の成膜方法：
本発明にて規定する成分組成を有し、特定の縦長組織を有するＴｉＺｒＨｆＮ層は、例えば、以下の化学蒸着法を用い、以下の各工程に示す条件にて順次処理を行うことにより形成することができる。
すなわち、ＴｉＺｒＨｆＮ層の成膜方法は、第１工程（初期核形成工程）、すなわち、ＴｉＺｒＨｆＮ膜を形成するための初期核となるＴｉＺｒＨｆＮ膜を形成する工程と、第２工程（結晶成長工程）すなわち、ＴｉＺｒＨｆＮ膜の初期核を成長させ、ＴｉＺｒＨｆＮ膜を形成するための工程とからなり、さらに、前記第１工程は、順に、ａ工程、すなわち、種膜であるＺｒＨｆＮ膜を短時間にて成膜する種膜形成工程、および、ｂ工程、すなわち、ａ工程にて、成膜されたＺｒＨｆＮ膜の表面を均一にエッチングして微細な凹凸を形成するとともに、Ｚｒの一部をＴｉに置換し、微細なＴｉＺｒＨｆＮ初期核を得るエッチング工程の二つの工程からなるものである。
以下に、各成膜工程における成膜条件の概要を示すが、特に、前述のａ工程とｂ工程からなる第１工程における、微細なＴｉＺｒＨｆＮ初期核の形成工程はきわめて重要な工程であり、引き続いて実施する第２工程において、初期核の結晶成長により、縦長結晶組織が成長するとともに、被覆層への適量の塩素の導入がなされる。
他方、縦長結晶組織を有するＴｉＺｒＨｆＮ層を得るためには、気相中にて粒成長が生じるような気相反応を抑制することがきわめて重要であり、例えば、第１工程のａ工程などにおいて、ＺｒＣｌ_４とＮ_２が混合された状態で長時間高温に曝されると、気相中にて粒成長した粒が基体上に堆積し、縦長結晶組織の成長に対し阻害要因となる。このため、ＣＶＤ装置としては、ＺｒＣｌ_４およびＨｆＣｌ_４とＮ_２との反応時間を短くするために、例えば、ＺｒＣｌ_４およびＨｆＣｌ_４とＮ_２とを周期供給し、基体表面近傍で混合させるようなＣＶＤ装置、もしくはこれらのガスを基体に十分近い位置（ガス流速の値にもよるが、長くとも３０ｃｍ）まで分離して供給し、基体表面近傍で混合させるようなＣＶＤ装置を用いたものとする等の対応が必要である。
また、気相反応を促進させるようなプラズマＣＶＤ法では塩素の含有量が高くなりやすく、縦長結晶の組織を得にくいため、本発明の被覆層を作製することは困難である。
また、ＮＨ_３ガスを用いた場合には、低温では塩素の含有量が高くなりすぎ、高温では気相反応が活発になりすぎるために縦長組織を得にくく、本発明の被覆層を作製することは困難である。本発明の被覆層を得るには、Ｎ源としてＮ_２ガスのみを用いた熱ＣＶＤ法を用いることが好ましい。
［成膜条件］
１）第１工程（初期核形成工程）
ａ）種膜（ＺｒＨｆＮ膜）形成工程
処理方法：ＣＶＤ法を用いた成膜
反応ガス組成（容量％）：
ガス群Ａ：ＺｒＣｌ_４：０．１～２．０、ＨｆＣｌ_４：０．０～２．０、
ただし、ＺｒＣｌ_４＋ＨｆＣｌ_４：１．０～２．０、
ＨＣｌ：０．１～０．４、Ｈ_２：４０～８５、
ガス群Ｂ：Ｎ_２：残、
（ここで、ガス群Ａおよびガス群Ｂのガス組成は、１周期あたりに供給される、ガス群Ａとガス群Ｂの合計容量を１００％とした場合の個々のガス成分の容量％を示す。）
反応雰囲気圧力：１６ｋＰａ以上３５ｋＰａ未満
反応雰囲気温度：１０００℃以上１１００℃未満
供給周期 ：２～１０秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．６０秒
ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差：０．１５～０．６０秒
ｂ）エッチング工程
処理方法：乾式エッチング
反応ガス組成（容量％）：
ガス群Ｃ：ＴｉＣｌ_４：２．０～４．０、Ｈ_２：残、
反応雰囲気圧力：６ｋＰａ以上１２ｋＰａ未満
反応雰囲気温度：１０００℃以上１１００℃未満
処理時間 ：１００～２５０秒
２）第２工程（結晶成長工程）
処理方法：ＣＶＤ法を用いた成膜
反応ガス組成（容量％）：
ガス群Ｄ：ＴｉＣｌ_４：０．２～０．７、
ＺｒＣｌ_４：０．１～２．０、ＨｆＣｌ_４：０．０～２．０、
ただし、ＺｒＣｌ_４＋ＨｆＣｌ_４：１．０～２．０、
ＨＣｌ：０．１～０．４、
Ｈ_２：４０～８５、
ガス群Ｅ：Ｎ_２：残、
（ここで、ガス群Ｄおよびガス群Ｅのガス組成は、１周期あたりに供給される、ガス群Ｄとガス群Ｅの合計容量を１００％とした場合の個々のガス成分の容量％を示す。）
反応雰囲気圧力：１６ｋＰａ以上３５ｋＰａ未満
反応雰囲気温度：１０００℃以上１０８０℃未満
供給周期 ：２～１０秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．６０秒
ガス群Ｄの供給とガス群Ｅの供給の位相差：０．１５～０．６０秒

下部層および上部層：
本発明に係る硬質被覆層は、前記ＴｉＺｒＨｆＮからなる窒化物層を有することにより十分な効果を奏するものであるが、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層等のうちの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た場合、工具基体と前記ＴｉＺｒＨｆＮからなる窒化物層の密着性を高めることができるため、より欠損、剥離等の異常損傷の発生を抑制することができる。
なお、前記Ｔｉ化合物層からなる下部層の合計平均層厚は、０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に奏されず、一方、２０μｍ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ので、０．１～２０μｍとすることが望ましい。
一方、前記ＴｉＺｒＨｆＮからなる窒化物層の上にＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層等のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層、もしくは前記Ｔｉ化合物層とＡｌ酸化物層からなる上部層を設けた場合には、耐摩耗性を向上させることができる。
なお、前記Ｔｉ化合物層とＡｌ酸化物層からなる上部層の合計平均膜厚は、０．５μｍ未満では、耐摩耗性向上の効果が十分に奏されず、一方、２０μｍ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ので、０．５～２０μｍとすることが望ましい。
また、下部層と上部層の両方を設ける場合には、下部層の合計平均膜厚と上部層の合計平均膜厚の和は２５μｍ以下とすることが望ましい。２５μｍ以上の膜厚の場合には、工具基体と表面被覆層の間の密着力が不足し、剥離を生じやすくなるためである。

本発明に係る表面被覆切削工具は、工具基体の表面に形成されている硬質被覆層として、縦長結晶組織を有し、塩素を０．０３０原子％までの範囲にて含有するＴｉＺｒＨｆＮ層からなる窒化物層を有することから、高硬度であり、耐溶着性にすぐれ、耐異常損傷性が付与されたことで、鋼の高送り断続切削加工において、すぐれた特性を発揮し、工具寿命の向上をもたらすものである。

本発明の表面被覆層の断面組織ＳＥＭ写真の全体模式図を示す。

つぎに、本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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＴｉＮ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ＣＮＭＧ１２０４０８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。

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、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ₂Ｃ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：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８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Ｄ～Ｅを作製した。

ついで、これらの工具基体Ａ～Ｅのそれぞれを、化学蒸着装置に装入し、以下の手順で本発明被覆工具２、３、５、１０、１２、参考例被覆工具１、４、６～９、１１、１３、１４をそれぞれ製造した。
（ａ）まず、工具基体に下部層を設ける本発明被覆工具１０、１２については、表３に示される条件にて、表４に示される目標層厚の下部層としてのＴｉ化合物層および／またはＡｌ酸化物層を蒸着形成した。
（ｂ）次に、表６に基づいて、工具基体記号に示される表１もしくは表２の工具基体に対し、表５に示される本発明成膜工程のＴｉＺｒＮ層・ＴｉＺｒＨｆＮ層の形成記号の成膜条件により成膜を行い、得られた、本発明被覆工具２、３、５、１０、１２、参考例被覆工具１、４、６～９、１１、１３、１４のＴｉＺｒＮ層・ＴｉＺｒＨｆＮ層の成分組成、アスペクト比、膜厚、および、ナノインデンテーション硬さを表６に示す。
（ｃ）さらに、本発明被覆工具１０については、ＴｉＺｒＨｆＮ層の上に上部層を設けた。表３に示される条件にて、表６に示される目標層厚の上部層としてのＡｌ酸化物層を蒸着形成した。

また、比較の目的で、本発明被覆工具２、３、５、１０、１２、参考例被覆工具１、４、６～９、１１、１３、１４と同様の手順で比較例被覆工具１～１６をそれぞれ製造した。すなわち、
（ａ）工具基体に下部層を設ける比較例被覆工具６～１６については、表３に示される条件にて、表４に示される目標層厚の下部層としてのＴｉ化合物層および／またはＡｌ酸化物層を蒸着形成した。（比較例被覆工具１５、１６は、下部層については、参考例被覆工具９および比較例被覆工具９と同一成膜条件、同一膜厚）
（ｂ）次に、表７に基づいて、工具基体記号に示される表１もしくは表２の工具基体に対し、表５に示される比較例成膜工程のＴｉＺｒＮ層・ＴｉＺｒＨｆＮ層の形成記号の成膜条件により成膜を行い、得られた、比較例被覆工具１～１６のＴｉＺｒＮ層・ＴｉＺｒＨｆＮ層の成分組成、アスペクト比、膜厚、および、ナノインデンテーション硬さを表７に示す。（ここで、比較例被覆工具１５、１６と参考例被覆工具９を対比すると、同一基体かつ同一の成膜条件であるが、ＴｉＺｒＨｆＮ膜の成膜時間が異なっている。）
（ｃ）さらに、比較例被覆工具１０、１１については、ＴｉＺｒＮ層・ＴｉＺｒＨｆＮ層の上に上部層を設けた。表３に示される条件にて、表７に示される目標層厚の上部層としてＴｉ化合物層および／またはＡｌ酸化物層を蒸着形成した。

なお、ここで、本発明被覆工具２、３、５、１０、１２、参考例被覆工具１、４、６～９、１１、１３、１４および、比較例被覆工具１～１６のＴｉＺｒＮ層およびＴｉＺｒＨｆＮ層の膜厚の測定は、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いた。まず、刃先近傍のすくい面のうち、刃先から１００μｍ離れた位置において、工具基体に垂直な方向の断面が露出するように研磨を施した。次に刃先近傍のすくい面の刃先から１００μｍ離れた位置を含むように、５０００倍の視野でＴｉＺｒＮ層およびＴｉＺｒＨｆＮ層を観察し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して平均層厚とし、表６および表７に示した。
また、本発明被覆工具２、３、５、１０、１２、参考例被覆工具１、４、６～９、１１、１３、１４、および、比較例被覆工具１～１６における、ＴｉＺｒＮ層およびＴｉＺｒＨｆＮ層の全金属元素（すなわちＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に占めるＺｒの平均含有割合、Ｈｆの平均含有割合、および、Ｔｉの平均含有割合については、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｐｒｏｂｅ－Ｍｉｃｒｏ－Ａｎａｌｙｓｅｒ）を用い、前述の研磨した面において、刃先近傍のすくい面の刃先から９０から１１０μｍ離れた位置で１０点測定し、その平均から求めた。
次に、全金属元素（すなわちＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に占めるＺｒの平均含有割合、Ｈｆの平均含有割合、および、Ｔｉの平均含有割合から前記組成式
（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）Ｎ
におけるｘおよびｙを求めた。さらに、電子線マイクロアナライザによってＴｉＺｒＮ層およびＴｉＺｒＨｆＮ層における塩素（Ｃｌ）について、ＴｉとＺｒとＨｆとＮとＯとＣｌとの合量に対して占める割合（原子％）を測定した。

また、本発明被覆工具２、３、５、１０、１２、参考例被覆工具１、４、６～９、１１、１３、１４、および、比較例被覆工具１～１６の前記ＴｉＺｒＮ層またはＴｉＺｒＨｆＮ層について、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用い、刃先近傍のすくい面において、刃先から幅１００μｍにわたって、ＴｉＺｒＮ層またはＴｉＺｒＨｆＮ層全体を含む範囲でＴｉＺｒＮ層またはＴｉＺｒＨｆＮ層の縦断面観察を行い、工具基体表面と垂直な縦断面側から観察し、個々の結晶粒について、基体表面と平行な方向の結晶粒の最大粒子幅Ｗと基体表面に垂直な方向の最大粒子長さＬを測定し、Ｌ／Ｗにより、アスペクト比を算出した。
また、本発明被覆工具２、３、５、１０、１２、参考例被覆工具１、４、６～９、１１、１３、１４、および、比較例被覆工具１～１６の前記ＴｉＺｒＮ層またはＴｉＺｒＨｆＮ層のナノインデンテーション硬さについては、ＩＳＯ １４５７７に基づき、前記ＴｉＺｒＮ層またはＴｉＺｒＨｆＮ層の表面を研磨し、ダイヤモンド製のBerkovich圧子を用いて、押込荷重２００ｍｇｆで測定をおこない、表６および表７に示した。

つぎに、前記各種の被覆工具を工具鋼製バイト先端部に固定治具にてクランプした状態で、本発明被覆工具２、３、５、１０、１２、参考例被覆工具１、４、６～９、１１、１３、１４、比較例工具１～１６について、以下に示す、高速高送り断続切削試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに、溶着の発生等の有無について観察を行い、結果を表８に示す。

≪切削条件Ａ≫
切削試験：合金鋼乾式高速高送り断続切削試験
被削材： ＪＩＳ・ＳＣＭ４３９の長さ方向等間隔８本縦溝入り丸棒
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
一刃送り量：０．７５ｍｍ／刃、
切削時間：５分、
≪切削条件Ｂ≫
切削試験：炭素鋼乾式高速高送り断続切削試験
被削材： ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向２本縦溝入り丸棒
切削速度：２７５ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
一刃送り量：０．７５ｍｍ／刃、
切削時間：１０分、

表８の切削加工試験結果からも明らかなように、本発明被覆工具は、表６において示す、塩素を含む所望組成および縦長結晶組織を有するＴｉＺｒＨｆＮ複合窒化物から成る複合窒化物層を硬質被覆層として含むことにより、鋼の高速高送り断続切削加工において、剥離、チッピングの発生はなく、逃げ面最大摩耗幅も小さく、すぐれた耐剥離性、耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する。
これに対し、比較例被覆工具は、硬質被覆層として含まれる複合窒化物層が、所望の組成を満たしていない、あるいは、縦長結晶組織を有していないなどの理由により、所望の特性を有しておらず、摩耗の進展、溶着の発生、チッピングの発生等により、短時間で寿命に至るものであった。

前述のとおり、本発明の被覆工具は、高能率の高速高送り断続切削条件による鋼の切削加工にすぐれ、耐溶着性、耐チッピング性、耐摩耗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および省エネ化、さらに、低コスト化に十分満足するものである。

Claims (1)

1. ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に少なくとも一層の硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
   １）前記硬質被覆層は、組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）Ｎにて表わした場合、
   ＺｒとＨｆとの合量のＴｉとＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合ｘ、および、ＺｒのＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合ｙ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比）が、それぞれ、０．０５≦ｘ≦０．９５、および、０＜ｙ＜１．０を満足する複合窒化物層を少なくとも一層含み、
   ２）前記複合窒化物層は、０．００１～０．０３０原子％の塩素を含有し、
   ３）前記複合窒化物層は、縦断面にてアスペクト比２以上の縦長結晶粒が占める面積率が５０％以上であり、
   ４）前記複合窒化物層は、ナノインデンテーション押込硬さが、押込荷重２００ｍｇｆのとき、２６００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上３８１０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下であり、その膜厚が１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。

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