耐チッピング性にすぐれた表面被覆切削工具
【課題】高速断続切削加工において、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を提供する。
【解決手段】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表面に、下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ２Ｏ３層）からなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、上記下部層と上記上部層との隣接界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａと上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂとの比率ｂ／ａを切れ刃部においては０．８＜ｂ／ａ＜１．２を満足し、さら上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１μｍ以下であり、逃げ面部およびすくい面部においては、４＜ｂ／ａ＜２０を満足し、さら上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１〜０．５μｍ以下である。
【解決手段】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表面に、下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ２Ｏ３層）からなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、上記下部層と上記上部層との隣接界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａと上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂとの比率ｂ／ａを切れ刃部においては０．８＜ｂ／ａ＜１．２を満足し、さら上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１μｍ以下であり、逃げ面部およびすくい面部においては、４＜ｂ／ａ＜２０を満足し、さら上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１〜０．５μｍ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鋼や鋳鉄などの被削材を、高熱発生かつ切刃に断続的に高負荷を伴い、作用する高速断続切削条件下で切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有するため、切刃にチッピング（微小欠け）の発生なく、長期の使用に亘ってすぐ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）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化タングステン基超硬合金製基体（以下、超硬基体という）あるいはＴｉＣＮ基サーメット基体（以下、サーメット基体という。また、超硬基体とサーメット基体とを総称して、工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着形成された状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が広く知られており（例えば、特許文献１）、この被覆工具は、鋼や鋳鉄などの切削加工において、すぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
また、被覆工具の耐欠損性、耐衝撃性、耐摩耗性等を向上させるため、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉＣＮ層の粒子幅を０．０１〜０．５μｍとした被覆工具も知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭５０−１４２３７号公報
【特許文献２】特開２００７−２６０８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の切削加工の省力化および省エネ化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工はますます高速化、高効率化の傾向にあり、その反面、工具寿命の延命化を図るという点から硬質被覆層の厚膜化も求められているが、下部層としてＴｉ化合物層、上部層としてＡｌ２Ｏ３層からなる硬質被覆層を形成した従来被覆工具を用いて鋼、鋳鉄の高速断続切削加工を行うと、硬質被覆層に微小チッピング、層間剥離等を生じ、これを原因として、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者らは、被覆工具の耐チッピング性、耐剥離性を改善すべく、硬質被覆層の層構造について鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。
【０００６】
被覆工具の硬質被覆層のうち、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上から形成されるＴｉ化合物層からなる下部層は、それ自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与し、また、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、耐酸化性と熱的安定性にすぐれ、さらに高硬度を有するが、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続切削では、下部層−上部層間の密着強度が十分でないため、これが微小チッピング、層間剥離発生の要因となる。
そこで、下部層−上部層の界面密着強度を高めるため、両層の密着界面領域の改質について、数多くの実験を重ねた結果、工具領域を切れ刃部、逃げ面部およびすくい面部からなる３領域に分けた際に、その領域ごとに下部層と上部層とが隣接する界面の結晶粒構造を改善することにより、下部層と上部層の界面密着強度が高められることを見出したのである。
具体的には、切れ刃部においては、Ａｌ２Ｏ３層直下の下部層を構成するＴｉ化合物層の平均粒子径を０．１μｍ以下にすると共に、下部層と上部層とが隣接する界面に存在する下部層側の結晶粒（Ｔｉ化合物）の数ａ１と上部層側の結晶粒（Ａｌ２Ｏ３）の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が、０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足するように下部層および上部層を蒸着形成するとともに、逃げ面部およびすくい面部においては、Ａｌ２Ｏ３層直下の下部層を構成するＴｉ化合物層の平均粒子径を０．１〜０．５μｍにすると共に、下部層と上部層とが隣接する界面に存在する下部層側の結晶粒（Ｔｉ化合物）の数ａ２と上部層側の結晶粒（Ａｌ２Ｏ３）の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が、４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足するように下部層および上部層を蒸着形成することによって、工具領域全体にわたって下部層と上部層との界面に発生する歪みが緩和されることにより、下部層−上部層界面の層間密着性が高められる。
そして、その結果として、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工においても、チッピング、剥離の発生なく、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を発揮することができることを見出したのである。
【０００７】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「 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、下部層と上部層とからなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具領域を切れ刃部、逃げ面部およびすくい面部からなる３領域に分けた際に、
（ａ）切れ刃部においては、
下部層は、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、かつ、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で１〜１５μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａ１と上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１μｍ以下であることを満足し、
（ｂ）逃げ面部およびすくい面部においては、
下部層は、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、かつ、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で１〜１５μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａ２と上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１〜０．５μｍであることを満足する、
以上（ａ）および（ｂ）から構成された硬質被覆層を蒸着形成してなることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【０００８】
以下に、本発明の被覆工具の硬質被覆層について、詳細に説明する。
（ａ）下部層（Ｔｉ化合物層）
Ｔｉの炭化物（ＴｉＣ）層、窒化物（ＴｉＮ）層、炭窒化物（ＴｉＣＮ）層、炭酸化物（ＴｉＣＯ）層および炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層は、硬質被覆層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するが、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、特に高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続切削では熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
また、切れ刃部においては、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径が０．１μｍを超えると、上部層（Ａｌ２Ｏ３層）と下部層Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層と層間密着性が低下し、耐チッピング性が劣化するため、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径は０．１μｍ以下と定めた。一方、逃げ面部およびすくい面部においては、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径が０．５μｍを超えると、上部層（Ａｌ２Ｏ３層）と上部層Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層と層間密着性が低下し、耐チッピング性が劣化し、また、結晶粒が粗大となって高温強度が低下し、耐摩耗性も劣化するために、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径が０．１μｍより小さいと耐欠損性、耐衝撃性、耐摩耗性が低下するため、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径は０．１〜０．５μｍと定めた。
ここで、切れ刃部および逃げ面部、すくい面部を上記範囲内とするために、工具基体に、切れ刃部以外を硬質ウレタンゴムなどでカバーし切れ刃部のみをウエットブラスト処理を施し、工具基体における切れ刃部の表面荒さをＲａ：０．２μｍ以下とした。ウエットブラスト処理の加工条件は、噴射研磨剤として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％の酸化アルミニウム微粒を配合した研磨液を噴射する。
なお、平均粒子径とは、透過型電子顕微鏡の断面観察により超硬基体表面と平行な方向に５０μｍに渡って線を引き、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の結晶粒界との交点を数え、それら線分長さの平均から求めた粒子径である。
【０００９】
（ｂ）上部層（Ａｌ２Ｏ３層）
上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層は、高温硬さおよび耐熱性にすぐれ、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速切削加工において、基本的な役割として耐摩耗性を維持する。
Ｔｉ化合物層からなる下部層表面に、例えば、以下の手順でＡｌ2Ｏ３蒸着前処理を行い、ついで、通常条件でＡｌ2Ｏ３層を成膜することにより、本発明で規定する条件を満足するＡｌ2Ｏ３層を形成することができる。
Ａｌ2Ｏ３蒸着前処理は、以下の４段階からなり、
まず、
《第１段階》
反応ガス（容量％）： ＡｌＣｌ３ ０．５〜２％， 残部Ａｒ、
雰囲気圧力： ３０〜１００Ｔｏｒｒ、
処理温度： ７５０〜１０００℃、
処理時間： １〜３ｍｉｎ．、
の条件で下部層の表面改質を行った後、
《第２段階》
雰囲気圧力： ３０〜１００Ｔｏｒｒ、
雰囲気温度： ７５０〜１０００℃、
に維持した状態で、１〜３分間、Ａｒガスで炉内ガスをパージし、
《第３段階》
反応ガス（容量％）： ＣＯ２ １〜１０％， 残部Ａｒ、
雰囲気圧力： ３０〜１００Ｔｏｒｒ、
処理温度： ７５０〜１０００℃、
処理時間： ５〜２０ｍｉｎ、
の条件（但し、時間の経過とともに、反応ガス中のＣＯ２の含有割合を徐々に減少させる）で酸化処理を行い、
《第４段階》
雰囲気圧力： ３０〜１００Ｔｏｒｒ、
雰囲気温度： ７５０〜１０００℃、
に維持した状態で、１〜３分間、Ａｒガスで炉内ガスをパージする。
【００１０】
上記４段階のＡｌ2Ｏ３蒸着前処理を行った後、通常の成膜法でＡｌ2Ｏ３層を成膜することにより、本発明で規定する条件を満足するＡｌ2Ｏ３層を形成することができる。即ち、切れ刃部において、工具基体表面に垂直方向な断面における下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ2Ｏ３層）とが隣接する界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ１と上部層側のＡｌ2Ｏ３結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１を求めた場合に、ｂ１／ａ１が０．８以上で１．２以下となる界面形態を備えた上部層を蒸着形成することができる。
上記ａ１，ｂ１の比の値ｂ１／ａ１について、ｂ１／ａ１が０．８以下である場合には、切れ刃部の下部層−上部層界面におけるミスフィットを十分に緩和することができなくなり、一方、ｂ１／ａ１が１．２を超えると、Ａｌ２Ｏ３内の粒子間歪みが増大し、すぐれた層間密着性を発揮し得なくなるため、ｂ１／ａ１は、０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２と定めた。
また、逃げ面部およびすくい面部において、工具基体表面に垂直方向な断面における下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ2Ｏ３層）とが隣接する界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ２と上部層側のＡｌ2Ｏ３結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２を求めた場合に、ｂ２／ａ２が４以上で２０以下となる界面形態を備えた上部層を蒸着形成することができる。
上記ａ２，ｂ２の比の値ｂ２／ａ２について、ｂ２／ａ２が４以下である場合には、逃げ面部およびすくい面部の下部層−上部層界面におけるミスフィットを十分に緩和することができなくなり、一方、ｂ２／ａ２が２０を超えると、Ａｌ２Ｏ３内の粒子間歪みが増大し、すぐれた層間密着性を発揮し得なくなるため、ｂ２／ａ２は、４＜ｂ２／ａ２＜２０と定めた。
ここで、下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ２Ｏ３層）とが隣接する界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ１、ａ２と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ１、ｂ２の測定は、下部層−上部層との界面１０箇所について、透過型電子顕微鏡を用い、５００００倍の暗視野観察による断面測定を行い、超硬基体表面に平行な直線距離を測定幅２５μｍとし、その範囲に存在するＡｌ2Ｏ３粒子と界面を有しているＴｉ化合物粒子の数およびＴｉ化合物粒子と界面を有しているＡｌ2Ｏ３粒子の数のそれぞれをカウントすることにより、求めることができる。
この様な界面形態を備えた上部層と下部層からなる本発明の硬質被覆層は、界面歪みが緩和されることによって、すぐれた層間密着性を有するようになり、高速断続切削加工における微小チッピングの発生、剥離の発生を抑制するようになる。
上部層の平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用に亘って耐摩耗性を十分に発揮することができず、工具寿命の短命化を招き、一方、上部層の平均層厚が１５μｍを超えるようになると、切れ刃部にチッピング、欠損、剥離等が発生し易くなることから、上部層の平均層厚は、１〜１５μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層とＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成したものにおいて、切れ刃部においては、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ１と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足する界面構造を構成し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．１μｍ以下とし、逃げ面部およびすくい面部においては、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ２と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足する界面構造を構成し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．１〜０．５μｍとしていることから、特に、下部層と上部層間の層間密着性が高められ、その結果、例えば鋼、鋳鉄などの、高熱発生を伴い、切れ刃部に高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有するため、切れ刃部に微小チッピング、剥離等の発生なく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明被覆工具１の切れ刃部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【図２】本発明被覆工具１の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【図３】従来被覆工具１の切れ刃部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【図４】従来被覆工具１の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【実施例】
【００１４】
原料粉末として、いずれも２〜４μｍ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、切れ刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１６０４１２に規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００１５】
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、切れ刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。
【００１６】
ついで、切れ刃部以外を硬質ウレタンゴム等でカバーし、切れ刃部のみに水との合量に占める割合で１５〜６０質量％の酸化アルミニウム微粒を配合した研磨液を噴射してウエットブラスト処理を施し、
ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表５に示される組み合わせおよび目標層厚でＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成する。
ついで、表４に示される条件にて、下部層の表面にＡｌ2Ｏ３蒸着前処理を施し、
ついで、表３に示される条件にて、表５に示される組み合わせおよび目標層厚で、Ａｌ2 Ｏ3 層を上部層として蒸着形成する、
ことにより本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１７】
また、比較の目的で、工具基体の表面にウエットブラスト処理およびＡｌ2Ｏ３蒸着前処理を施さない以外は、本発明被覆工具１〜１３と全く同様にして、下部層（Ｔｉ化合物層）および上部層（Ａｌ2 Ｏ3 層）を蒸着形成することにより、表６に示される従来被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１８】
次に、上記の本発明被覆工具１〜１３と従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の切れ刃部と逃げ面部において下部層と上部層との界面近傍１０箇所について、透過型電子顕微鏡（５００００倍）による暗視野観察による断面測定を行い、超硬基体表面に平行な直線距離を測定幅２５μｍとし、その範囲に存在するＡｌ2Ｏ３粒子と界面を有しているＴｉ化合物粒子の数ａおよびＴｉ化合物粒子と界面を有しているＡｌ2Ｏ３粒子の数ｂをカウントし、ｂ／ａの値を求めた。
表５および表６に、上記で求めたａ，ｂ，ｂ／ａの値を示す。なお、いずれの被覆工具も逃げ面部とすくい面部のａ，ｂ，ｂ／ａの値は、ほぼ同じ値であることが確認できたので、逃げ面部の値のみを示し、すくい面部の値については、表示を割愛した。
【００１９】
図１には、本発明被覆工具１の切れ刃部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
図２には、本発明被覆工具１の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
図３には、従来被覆工具１の切れ刃部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
図４には、従来被覆工具１の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【００２０】
また、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の下部層のＴｉ化合物について、透過型電子顕微鏡の断面観察により超硬基体表面と平行な方向に５０μｍに渡って線を引き、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の結晶粒界との交点を数え、それら線分長さの平均から平均粒子径を求めた。
表５に、測定した平均粒子径を示す。
【００２１】
さらに、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の各構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（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。
【００２２】
つぎに、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、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、
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４２０の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．９５ｍｍ、
送り： ０．４０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５分、
の条件でのニッケルクロムモリブデン鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ５００の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３４０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．９５ｍｍ、
送り： ０．５０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は１８０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３８５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．９０ｍｍ、
送り： ０．８ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５分、
の条件での炭素鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ．）
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７に示した。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】
【表４】
【００２７】
【表５】
【００２８】
【表６】
【００２９】
【表７】
【００３０】
表５〜７に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、切れ刃部において、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ１と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足する界面構造を構成し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．１μｍ以下としているとともに、逃げ面部およびすくい面部において、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ２と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足する界面構造を構成し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．１〜０．５μｍとしていることから、特に、下部層と上部層間の層間密着性が高められ、その結果、鋼および鋳鉄の高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有するため、切刃に微小チッピング、剥離等の発生なく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
しかるに、硬質被覆層の下部層と上部層との間に本発明のような界面構造が形成されていない従来被覆工具１〜１３においては、高速断続切削条件下では、硬質被覆層の層間密着強度が不十分であるために、硬質被覆層に微小チッピング、欠損、剥離等が発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
上述のように、この発明の被覆工具は、鋼および鋳鉄の特に高い発熱を伴い切刃に対して高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工においてすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を示し、長期の使用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、さらに低コスト化が十分期待できるものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鋼や鋳鉄などの被削材を、高熱発生かつ切刃に断続的に高負荷を伴い、作用する高速断続切削条件下で切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有するため、切刃にチッピング（微小欠け）の発生なく、長期の使用に亘ってすぐ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）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化タングステン基超硬合金製基体（以下、超硬基体という）あるいはＴｉＣＮ基サーメット基体（以下、サーメット基体という。また、超硬基体とサーメット基体とを総称して、工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着形成された状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が広く知られており（例えば、特許文献１）、この被覆工具は、鋼や鋳鉄などの切削加工において、すぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
また、被覆工具の耐欠損性、耐衝撃性、耐摩耗性等を向上させるため、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉＣＮ層の粒子幅を０．０１〜０．５μｍとした被覆工具も知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭５０−１４２３７号公報
【特許文献２】特開２００７−２６０８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の切削加工の省力化および省エネ化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工はますます高速化、高効率化の傾向にあり、その反面、工具寿命の延命化を図るという点から硬質被覆層の厚膜化も求められているが、下部層としてＴｉ化合物層、上部層としてＡｌ２Ｏ３層からなる硬質被覆層を形成した従来被覆工具を用いて鋼、鋳鉄の高速断続切削加工を行うと、硬質被覆層に微小チッピング、層間剥離等を生じ、これを原因として、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者らは、被覆工具の耐チッピング性、耐剥離性を改善すべく、硬質被覆層の層構造について鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。
【０００６】
被覆工具の硬質被覆層のうち、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上から形成されるＴｉ化合物層からなる下部層は、それ自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与し、また、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、耐酸化性と熱的安定性にすぐれ、さらに高硬度を有するが、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続切削では、下部層−上部層間の密着強度が十分でないため、これが微小チッピング、層間剥離発生の要因となる。
そこで、下部層−上部層の界面密着強度を高めるため、両層の密着界面領域の改質について、数多くの実験を重ねた結果、工具領域を切れ刃部、逃げ面部およびすくい面部からなる３領域に分けた際に、その領域ごとに下部層と上部層とが隣接する界面の結晶粒構造を改善することにより、下部層と上部層の界面密着強度が高められることを見出したのである。
具体的には、切れ刃部においては、Ａｌ２Ｏ３層直下の下部層を構成するＴｉ化合物層の平均粒子径を０．１μｍ以下にすると共に、下部層と上部層とが隣接する界面に存在する下部層側の結晶粒（Ｔｉ化合物）の数ａ１と上部層側の結晶粒（Ａｌ２Ｏ３）の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が、０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足するように下部層および上部層を蒸着形成するとともに、逃げ面部およびすくい面部においては、Ａｌ２Ｏ３層直下の下部層を構成するＴｉ化合物層の平均粒子径を０．１〜０．５μｍにすると共に、下部層と上部層とが隣接する界面に存在する下部層側の結晶粒（Ｔｉ化合物）の数ａ２と上部層側の結晶粒（Ａｌ２Ｏ３）の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が、４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足するように下部層および上部層を蒸着形成することによって、工具領域全体にわたって下部層と上部層との界面に発生する歪みが緩和されることにより、下部層−上部層界面の層間密着性が高められる。
そして、その結果として、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工においても、チッピング、剥離の発生なく、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を発揮することができることを見出したのである。
【０００７】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「 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、下部層と上部層とからなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具領域を切れ刃部、逃げ面部およびすくい面部からなる３領域に分けた際に、
（ａ）切れ刃部においては、
下部層は、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、かつ、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で１〜１５μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａ１と上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１μｍ以下であることを満足し、
（ｂ）逃げ面部およびすくい面部においては、
下部層は、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、かつ、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で１〜１５μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａ２と上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１〜０．５μｍであることを満足する、
以上（ａ）および（ｂ）から構成された硬質被覆層を蒸着形成してなることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【０００８】
以下に、本発明の被覆工具の硬質被覆層について、詳細に説明する。
（ａ）下部層（Ｔｉ化合物層）
Ｔｉの炭化物（ＴｉＣ）層、窒化物（ＴｉＮ）層、炭窒化物（ＴｉＣＮ）層、炭酸化物（ＴｉＣＯ）層および炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層は、硬質被覆層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するが、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、特に高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続切削では熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
また、切れ刃部においては、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径が０．１μｍを超えると、上部層（Ａｌ２Ｏ３層）と下部層Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層と層間密着性が低下し、耐チッピング性が劣化するため、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径は０．１μｍ以下と定めた。一方、逃げ面部およびすくい面部においては、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径が０．５μｍを超えると、上部層（Ａｌ２Ｏ３層）と上部層Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層と層間密着性が低下し、耐チッピング性が劣化し、また、結晶粒が粗大となって高温強度が低下し、耐摩耗性も劣化するために、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径が０．１μｍより小さいと耐欠損性、耐衝撃性、耐摩耗性が低下するため、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の平均粒子径は０．１〜０．５μｍと定めた。
ここで、切れ刃部および逃げ面部、すくい面部を上記範囲内とするために、工具基体に、切れ刃部以外を硬質ウレタンゴムなどでカバーし切れ刃部のみをウエットブラスト処理を施し、工具基体における切れ刃部の表面荒さをＲａ：０．２μｍ以下とした。ウエットブラスト処理の加工条件は、噴射研磨剤として、水との合量に占める割合で１５〜６０質量％の酸化アルミニウム微粒を配合した研磨液を噴射する。
なお、平均粒子径とは、透過型電子顕微鏡の断面観察により超硬基体表面と平行な方向に５０μｍに渡って線を引き、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の結晶粒界との交点を数え、それら線分長さの平均から求めた粒子径である。
【０００９】
（ｂ）上部層（Ａｌ２Ｏ３層）
上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層は、高温硬さおよび耐熱性にすぐれ、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速切削加工において、基本的な役割として耐摩耗性を維持する。
Ｔｉ化合物層からなる下部層表面に、例えば、以下の手順でＡｌ2Ｏ３蒸着前処理を行い、ついで、通常条件でＡｌ2Ｏ３層を成膜することにより、本発明で規定する条件を満足するＡｌ2Ｏ３層を形成することができる。
Ａｌ2Ｏ３蒸着前処理は、以下の４段階からなり、
まず、
《第１段階》
反応ガス（容量％）： ＡｌＣｌ３ ０．５〜２％， 残部Ａｒ、
雰囲気圧力： ３０〜１００Ｔｏｒｒ、
処理温度： ７５０〜１０００℃、
処理時間： １〜３ｍｉｎ．、
の条件で下部層の表面改質を行った後、
《第２段階》
雰囲気圧力： ３０〜１００Ｔｏｒｒ、
雰囲気温度： ７５０〜１０００℃、
に維持した状態で、１〜３分間、Ａｒガスで炉内ガスをパージし、
《第３段階》
反応ガス（容量％）： ＣＯ２ １〜１０％， 残部Ａｒ、
雰囲気圧力： ３０〜１００Ｔｏｒｒ、
処理温度： ７５０〜１０００℃、
処理時間： ５〜２０ｍｉｎ、
の条件（但し、時間の経過とともに、反応ガス中のＣＯ２の含有割合を徐々に減少させる）で酸化処理を行い、
《第４段階》
雰囲気圧力： ３０〜１００Ｔｏｒｒ、
雰囲気温度： ７５０〜１０００℃、
に維持した状態で、１〜３分間、Ａｒガスで炉内ガスをパージする。
【００１０】
上記４段階のＡｌ2Ｏ３蒸着前処理を行った後、通常の成膜法でＡｌ2Ｏ３層を成膜することにより、本発明で規定する条件を満足するＡｌ2Ｏ３層を形成することができる。即ち、切れ刃部において、工具基体表面に垂直方向な断面における下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ2Ｏ３層）とが隣接する界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ１と上部層側のＡｌ2Ｏ３結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１を求めた場合に、ｂ１／ａ１が０．８以上で１．２以下となる界面形態を備えた上部層を蒸着形成することができる。
上記ａ１，ｂ１の比の値ｂ１／ａ１について、ｂ１／ａ１が０．８以下である場合には、切れ刃部の下部層−上部層界面におけるミスフィットを十分に緩和することができなくなり、一方、ｂ１／ａ１が１．２を超えると、Ａｌ２Ｏ３内の粒子間歪みが増大し、すぐれた層間密着性を発揮し得なくなるため、ｂ１／ａ１は、０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２と定めた。
また、逃げ面部およびすくい面部において、工具基体表面に垂直方向な断面における下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ2Ｏ３層）とが隣接する界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ２と上部層側のＡｌ2Ｏ３結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２を求めた場合に、ｂ２／ａ２が４以上で２０以下となる界面形態を備えた上部層を蒸着形成することができる。
上記ａ２，ｂ２の比の値ｂ２／ａ２について、ｂ２／ａ２が４以下である場合には、逃げ面部およびすくい面部の下部層−上部層界面におけるミスフィットを十分に緩和することができなくなり、一方、ｂ２／ａ２が２０を超えると、Ａｌ２Ｏ３内の粒子間歪みが増大し、すぐれた層間密着性を発揮し得なくなるため、ｂ２／ａ２は、４＜ｂ２／ａ２＜２０と定めた。
ここで、下部層（Ｔｉ化合物層）と上部層（Ａｌ２Ｏ３層）とが隣接する界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ１、ａ２と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ１、ｂ２の測定は、下部層−上部層との界面１０箇所について、透過型電子顕微鏡を用い、５００００倍の暗視野観察による断面測定を行い、超硬基体表面に平行な直線距離を測定幅２５μｍとし、その範囲に存在するＡｌ2Ｏ３粒子と界面を有しているＴｉ化合物粒子の数およびＴｉ化合物粒子と界面を有しているＡｌ2Ｏ３粒子の数のそれぞれをカウントすることにより、求めることができる。
この様な界面形態を備えた上部層と下部層からなる本発明の硬質被覆層は、界面歪みが緩和されることによって、すぐれた層間密着性を有するようになり、高速断続切削加工における微小チッピングの発生、剥離の発生を抑制するようになる。
上部層の平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用に亘って耐摩耗性を十分に発揮することができず、工具寿命の短命化を招き、一方、上部層の平均層厚が１５μｍを超えるようになると、切れ刃部にチッピング、欠損、剥離等が発生し易くなることから、上部層の平均層厚は、１〜１５μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層とＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成したものにおいて、切れ刃部においては、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ１と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足する界面構造を構成し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．１μｍ以下とし、逃げ面部およびすくい面部においては、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ２と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足する界面構造を構成し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．１〜０．５μｍとしていることから、特に、下部層と上部層間の層間密着性が高められ、その結果、例えば鋼、鋳鉄などの、高熱発生を伴い、切れ刃部に高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有するため、切れ刃部に微小チッピング、剥離等の発生なく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明被覆工具１の切れ刃部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【図２】本発明被覆工具１の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【図３】従来被覆工具１の切れ刃部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【図４】従来被覆工具１の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【実施例】
【００１４】
原料粉末として、いずれも２〜４μｍ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、切れ刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１６０４１２に規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００１５】
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、切れ刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１６０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。
【００１６】
ついで、切れ刃部以外を硬質ウレタンゴム等でカバーし、切れ刃部のみに水との合量に占める割合で１５〜６０質量％の酸化アルミニウム微粒を配合した研磨液を噴射してウエットブラスト処理を施し、
ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表５に示される組み合わせおよび目標層厚でＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成する。
ついで、表４に示される条件にて、下部層の表面にＡｌ2Ｏ３蒸着前処理を施し、
ついで、表３に示される条件にて、表５に示される組み合わせおよび目標層厚で、Ａｌ2 Ｏ3 層を上部層として蒸着形成する、
ことにより本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１７】
また、比較の目的で、工具基体の表面にウエットブラスト処理およびＡｌ2Ｏ３蒸着前処理を施さない以外は、本発明被覆工具１〜１３と全く同様にして、下部層（Ｔｉ化合物層）および上部層（Ａｌ2 Ｏ3 層）を蒸着形成することにより、表６に示される従来被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１８】
次に、上記の本発明被覆工具１〜１３と従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の切れ刃部と逃げ面部において下部層と上部層との界面近傍１０箇所について、透過型電子顕微鏡（５００００倍）による暗視野観察による断面測定を行い、超硬基体表面に平行な直線距離を測定幅２５μｍとし、その範囲に存在するＡｌ2Ｏ３粒子と界面を有しているＴｉ化合物粒子の数ａおよびＴｉ化合物粒子と界面を有しているＡｌ2Ｏ３粒子の数ｂをカウントし、ｂ／ａの値を求めた。
表５および表６に、上記で求めたａ，ｂ，ｂ／ａの値を示す。なお、いずれの被覆工具も逃げ面部とすくい面部のａ，ｂ，ｂ／ａの値は、ほぼ同じ値であることが確認できたので、逃げ面部の値のみを示し、すくい面部の値については、表示を割愛した。
【００１９】
図１には、本発明被覆工具１の切れ刃部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
図２には、本発明被覆工具１の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
図３には、従来被覆工具１の切れ刃部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
図４には、従来被覆工具１の逃げ面部における下部層と上部層との界面の透過型電子顕微鏡写真より作成した界面構造模式図を示す。
【００２０】
また、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の下部層のＴｉ化合物について、透過型電子顕微鏡の断面観察により超硬基体表面と平行な方向に５０μｍに渡って線を引き、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の結晶粒界との交点を数え、それら線分長さの平均から平均粒子径を求めた。
表５に、測定した平均粒子径を示す。
【００２１】
さらに、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の各構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（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。
【００２２】
つぎに、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、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、
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４２０の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．９５ｍｍ、
送り： ０．４０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５分、
の条件でのニッケルクロムモリブデン鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ５００の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３４０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．９５ｍｍ、
送り： ０．５０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は１８０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３８５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．９０ｍｍ、
送り： ０．８ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５分、
の条件での炭素鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ．）
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７に示した。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】
【表４】
【００２７】
【表５】
【００２８】
【表６】
【００２９】
【表７】
【００３０】
表５〜７に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、切れ刃部において、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ１と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足する界面構造を構成し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．１μｍ以下としているとともに、逃げ面部およびすくい面部において、下部層と上部層との隣接界面に存在する下部層側のＴｉ化合物結晶粒の数ａ２と上部層側のＡｌ２Ｏ３結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足する界面構造を構成し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径を０．１〜０．５μｍとしていることから、特に、下部層と上部層間の層間密着性が高められ、その結果、鋼および鋳鉄の高熱発生を伴い、切刃に高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層がすぐれた層間密着強度を有するため、切刃に微小チッピング、剥離等の発生なく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
しかるに、硬質被覆層の下部層と上部層との間に本発明のような界面構造が形成されていない従来被覆工具１〜１３においては、高速断続切削条件下では、硬質被覆層の層間密着強度が不十分であるために、硬質被覆層に微小チッピング、欠損、剥離等が発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
上述のように、この発明の被覆工具は、鋼および鋳鉄の特に高い発熱を伴い切刃に対して高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工においてすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を示し、長期の使用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、さらに低コスト化が十分期待できるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項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、下部層と上部層とからなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具領域を切れ刃部、逃げ面部およびすくい面部からなる３領域に分けた際に、
（ａ）切れ刃部においては、
下部層は、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、かつ、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で１〜１５μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａ１と上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１μｍ以下であることを満足し、
（ｂ）逃げ面部およびすくい面部においては、
下部層は、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、かつ、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で１〜１５μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａ２と上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１〜０．５μｍであることを満足する、
以上（ａ）および（ｂ）から構成された硬質被覆層を蒸着形成してなることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項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、下部層と上部層とからなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具領域を切れ刃部、逃げ面部およびすくい面部からなる３領域に分けた際に、
（ａ）切れ刃部においては、
下部層は、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、かつ、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で１〜１５μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａ１と上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂ１との比率ｂ１／ａ１が０．８＜ｂ１／ａ１＜１．２を満足し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１μｍ以下であることを満足し、
（ｂ）逃げ面部およびすくい面部においては、
下部層は、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、かつ、３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなり、
上部層は、化学蒸着した状態で１〜１５μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
上記下部層と上記上部層とが隣接する界面に存在する上記Ｔｉ化合物層側の結晶粒の数ａ２と上記Ａｌ２Ｏ３層側の結晶粒の数ｂ２との比率ｂ２／ａ２が４＜ｂ２／ａ２＜２０を満足し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３層直下のＴｉ化合物層の結晶粒の平均粒子径が０．１〜０．５μｍであることを満足する、
以上（ａ）および（ｂ）から構成された硬質被覆層を蒸着形成してなることを特徴とする表面被覆切削工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−９６３０３（Ｐ２０１２−９６３０３Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４３７７１（Ｐ２０１０−２４３７７１）
【出願日】平成２２年１０月２９日（２０１０．１０．２９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２９日（２０１０．１０．２９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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