JP5187573B2 - 高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗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、下部層と上部層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、硬質被覆層の上部層として、切刃稜線部にはκ型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム（以下、κ型Ａｌ２Ｏ３で示す）層を、また、切刃稜線部以外のすくい面および逃げ面にα型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム（以下、α型Ａｌ２Ｏ３で示す）層を蒸着形成することにより、例えば、鋼や鋳鉄の高い発熱を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削加工に用いた場合にも、硬質被覆層が、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗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、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、工具基体という）の表面に、
下部層として、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１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
上部層として、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層からなり、かつ、すくい面はα型結晶構造を主体とするＡｌ２Ｏ３（以下、α−Ａｌ２Ｏ３で示す）層、また、逃げ面はκ型結晶構造を主体とするＡｌ２Ｏ３（以下、κ−Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
上記各層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具（以下、従来被覆工具１という）が知られており、この従来被覆工具１は、逃げ面に形成されたκ−Ａｌ２Ｏ３層表面が平滑性を有するため、例えば仕上切削加工において滑らかな被削面を得られることが知られている。
下部層として、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１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
上部層として、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層からなり、かつ、すくい面はα型結晶構造を主体とするＡｌ２Ｏ３（以下、α−Ａｌ２Ｏ３で示す）層、また、逃げ面はκ型結晶構造を主体とするＡｌ２Ｏ３（以下、κ−Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
上記各層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具（以下、従来被覆工具１という）が知られており、この従来被覆工具１は、逃げ面に形成されたκ−Ａｌ２Ｏ３層表面が平滑性を有するため、例えば仕上切削加工において滑らかな被削面を得られることが知られている。
また、工具基体という）の表面に、
下部層として、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなる改質Ｔｉ化合物層、
上部層として、化学蒸着形成された状態でα型の結晶構造を有する改質α−Ａｌ２Ｏ３層からなり、さらに、上記改質α−Ａｌ２Ｏ３層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、上記傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在する改質α−Ａｌ２Ｏ３層、
上記各層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具（以下、従来被覆工具２という）も知られており、この従来被覆工具２は、鋼や鋳鉄の切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮することが知られている。
特開平７−１１２３０６号公報
特開２００６−３１５１５４号公報
下部層として、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなる改質Ｔｉ化合物層、
上部層として、化学蒸着形成された状態でα型の結晶構造を有する改質α−Ａｌ２Ｏ３層からなり、さらに、上記改質α−Ａｌ２Ｏ３層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、上記傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在する改質α−Ａｌ２Ｏ３層、
上記各層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具（以下、従来被覆工具２という）も知られており、この従来被覆工具２は、鋼や鋳鉄の切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮することが知られている。
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・高能率化する傾向にあるが、上記従来の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、特にこれを高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削加工で用いた場合には、例えば、従来被覆工具１においては、切刃稜線部のすくい面側から、α−Ａｌ２Ｏ３部にチッピングが発生しやすくなるとともに、逃げ面のκ型Ａｌ２Ｏ３層の摩耗が急速に進行するようになり、また、従来被覆工具２においても、切刃稜線部の耐チッピング性が不十分であるため、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、特に高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件における硬質被覆層の耐チッピング性、耐摩耗性をさらに改善すべく研究を行った結果、以下の知見を得た。
（ａ）上記従来の被覆工具の硬質被覆層の上部層を構成するα−Ａｌ２Ｏ３層は、基体表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層およびＴｉＣＮＯ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所定条件で蒸着形成した後、その表面に、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：３〜７％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａ、
の条件で蒸着することによって形成される（上記の蒸着条件を、以下、通常条件という）。しかし、下部層表面に上部層であるα−Ａｌ2Ｏ3層を蒸着する前に、例えば、表３に示される条件にてＴｉ酸化物（以下、ＴｉＯで示す）層を蒸着形成し、その後特定の条件で還元処理を施した場合には、切刃稜線部の形状特異性により、工具の切刃稜線部はその他の領域に比して優先的に還元反応が促進されることになり、さらに、上記ＴｉＯ層蒸着後に還元処理を施した下部層表面に、例えば、上記通常条件でＡｌ２Ｏ３層を蒸着すると、切刃稜線部以外の領域には、α型結晶構造を主体とするＡｌ２Ｏ３（以下、α型Ａｌ２Ｏ３で示す）層が蒸着形成されるが、切刃稜線部にはκ型結晶構造を主体とするＡｌ２Ｏ３（以下、κ型Ａｌ２Ｏ３で示す）層が蒸着形成される。そして、κ型Ａｌ２Ｏ３層はα型Ａｌ２Ｏ３層に比してすぐれた熱遮蔽性を有し、熱塑性変形を起こりにくくすると同時に、表面平滑性を有しチッピングの発生を抑える。
したがって、切刃稜線部にκ型Ａｌ２Ｏ３層が形成され、また、切刃稜線部以外の領域（すくい面および逃げ面）に上記α型Ａｌ２Ｏ３層が形成された被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削加工で、すくい面および逃げ面がすぐれた耐摩耗性を示すと同時に、切刃稜線部の耐熱塑性変形性および耐チッピング性が一段と向上すること。
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：３〜７％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａ、
の条件で蒸着することによって形成される（上記の蒸着条件を、以下、通常条件という）。しかし、下部層表面に上部層であるα−Ａｌ2Ｏ3層を蒸着する前に、例えば、表３に示される条件にてＴｉ酸化物（以下、ＴｉＯで示す）層を蒸着形成し、その後特定の条件で還元処理を施した場合には、切刃稜線部の形状特異性により、工具の切刃稜線部はその他の領域に比して優先的に還元反応が促進されることになり、さらに、上記ＴｉＯ層蒸着後に還元処理を施した下部層表面に、例えば、上記通常条件でＡｌ２Ｏ３層を蒸着すると、切刃稜線部以外の領域には、α型結晶構造を主体とするＡｌ２Ｏ３（以下、α型Ａｌ２Ｏ３で示す）層が蒸着形成されるが、切刃稜線部にはκ型結晶構造を主体とするＡｌ２Ｏ３（以下、κ型Ａｌ２Ｏ３で示す）層が蒸着形成される。そして、κ型Ａｌ２Ｏ３層はα型Ａｌ２Ｏ３層に比してすぐれた熱遮蔽性を有し、熱塑性変形を起こりにくくすると同時に、表面平滑性を有しチッピングの発生を抑える。
したがって、切刃稜線部にκ型Ａｌ２Ｏ３層が形成され、また、切刃稜線部以外の領域（すくい面および逃げ面）に上記α型Ａｌ２Ｏ３層が形成された被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削加工で、すくい面および逃げ面がすぐれた耐摩耗性を示すと同時に、切刃稜線部の耐熱塑性変形性および耐チッピング性が一段と向上すること。
（ｂ）また、Ａｌ２Ｏ３層を蒸着する上記通常条件において、反応ガス組成、反応雰囲気温度および反応雰囲気圧力を変更し、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：０．１〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．５〜１％、Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
という条件（以下、改質条件という）で、Ａｌ２Ｏ３層を蒸着すると、切刃稜線部にはκ型Ａｌ２Ｏ３層が蒸着形成されることは前記と同様であるが、切刃稜線部以外の領域（すくい面および逃げ面）に蒸着形成されたα型Ａｌ２Ｏ３層について、図１に示すように、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、上記傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在するα型Ａｌ２Ｏ３層（以下、改質α型Ａｌ２Ｏ３層という）が形成され、上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層は、α型Ａｌ２Ｏ３層に比して、一段とすぐれた耐チッピング性を有する。
したがって、硬質被覆層の上部層として、切刃稜線部にκ型Ａｌ２Ｏ３層が形成され、また、切刃稜線部以外の領域（すくい面および逃げ面）に上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層が形成された被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削加工ですぐれた耐チッピング性、耐熱塑性変形性およびすぐれた耐摩耗性を示すこと。
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：０．１〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．５〜１％、Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
という条件（以下、改質条件という）で、Ａｌ２Ｏ３層を蒸着すると、切刃稜線部にはκ型Ａｌ２Ｏ３層が蒸着形成されることは前記と同様であるが、切刃稜線部以外の領域（すくい面および逃げ面）に蒸着形成されたα型Ａｌ２Ｏ３層について、図１に示すように、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、上記傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在するα型Ａｌ２Ｏ３層（以下、改質α型Ａｌ２Ｏ３層という）が形成され、上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層は、α型Ａｌ２Ｏ３層に比して、一段とすぐれた耐チッピング性を有する。
したがって、硬質被覆層の上部層として、切刃稜線部にκ型Ａｌ２Ｏ３層が形成され、また、切刃稜線部以外の領域（すくい面および逃げ面）に上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層が形成された被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削加工ですぐれた耐チッピング性、耐熱塑性変形性およびすぐれた耐摩耗性を示すこと。
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（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、硬質被覆層として、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、窒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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層及び１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層からなる上部層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記表面被覆切削工具の切刃稜線部に蒸着形成された上部層はκ型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなり、一方、前記切刃稜線部以外のすくい面および逃げ面に蒸着形成された上部層は実質的にα型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記（１）記載の表面被覆切削工具において、
上記α型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、上記α型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層は、上記傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在する酸化アルミニウム層である前記（１）記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
「（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、硬質被覆層として、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、窒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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層及び１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層からなる上部層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記表面被覆切削工具の切刃稜線部に蒸着形成された上部層はκ型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなり、一方、前記切刃稜線部以外のすくい面および逃げ面に蒸着形成された上部層は実質的にα型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記（１）記載の表面被覆切削工具において、
上記α型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、上記α型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層は、上記傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在する酸化アルミニウム層である前記（１）記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、詳細に説明する。
（ａ）Ｔｉ化合物層(下部層)
Ｔｉ化合物層は、基本的には上部層であるＡｌ２Ｏ３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が高温強度を具備するようにするほか、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有するが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重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。
Ｔｉ化合物層は、基本的には上部層であるＡｌ２Ｏ３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が高温強度を具備するようにするほか、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有するが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速重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。
（ｂ）α型Ａｌ２Ｏ３層（上部層）
被覆工具の切刃稜線部以外の領域、即ち、すくい面および逃げ面、に、通常条件でＡｌ２Ｏ３層を蒸着することによって形成されるが、κ型Ａｌ２Ｏ３層に比して、相対的に高温硬さおよび耐熱性に優れることから、被覆工具のすくい面および逃げ面（即ち、切刃稜線部以外の領域）に蒸着形成することによって、被覆工具全体としてのすぐれた耐摩耗性が担保される。
被覆工具の切刃稜線部以外の領域、即ち、すくい面および逃げ面、に、通常条件でＡｌ２Ｏ３層を蒸着することによって形成されるが、κ型Ａｌ２Ｏ３層に比して、相対的に高温硬さおよび耐熱性に優れることから、被覆工具のすくい面および逃げ面（即ち、切刃稜線部以外の領域）に蒸着形成することによって、被覆工具全体としてのすぐれた耐摩耗性が担保される。
（ｃ）改質α型Ａｌ２Ｏ３層（上部層）
通常条件で蒸着形成した上記α型Ａｌ２Ｏ３層は耐摩耗性に優れるが、蒸着条件を、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：０．１〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．５〜１％、Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
という改質条件、即ち、通常条件に比して、反応ガス組成、反応雰囲気温度、反応雰囲気圧力を変更した蒸着条件によって、傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置が、０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に存在する改質α型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成することができる。
つまり、図１に示すように、上記改質条件により蒸着形成した改質α型Ａｌ２Ｏ３層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層は、例えば、図２に示されるように、上記傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在する。
そして、上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層は、前記通常条件で形成したα型Ａｌ２Ｏ３層に比べ、さらに一段とすぐれた高温硬さを有することから、すくい面および逃げ面に改質α型Ａｌ２Ｏ３層が蒸着形成された被覆工具（請求項２の発明）はさらに一段とすぐれた耐摩耗性を示す。
通常条件で蒸着形成した上記α型Ａｌ２Ｏ３層は耐摩耗性に優れるが、蒸着条件を、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：０．１〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．５〜１％、Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
という改質条件、即ち、通常条件に比して、反応ガス組成、反応雰囲気温度、反応雰囲気圧力を変更した蒸着条件によって、傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置が、０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に存在する改質α型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成することができる。
つまり、図１に示すように、上記改質条件により蒸着形成した改質α型Ａｌ２Ｏ３層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層は、例えば、図２に示されるように、上記傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在する。
そして、上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層は、前記通常条件で形成したα型Ａｌ２Ｏ３層に比べ、さらに一段とすぐれた高温硬さを有することから、すくい面および逃げ面に改質α型Ａｌ２Ｏ３層が蒸着形成された被覆工具（請求項２の発明）はさらに一段とすぐれた耐摩耗性を示す。
（ｄ）κ型Ａｌ２Ｏ３層（上部層）
κ型Ａｌ２Ｏ３層は、α型Ａｌ２Ｏ３層あるいは改質α型Ａｌ２Ｏ３層に比して、平滑性、熱遮蔽性にすぐれているため、被削材の仕上面粗さを向上させるばかりか、被覆工具の耐熱塑性変形性、耐チッピング性を向上させ、特に、高速重切削においては、最も切削負荷のかかる切刃稜線部にκ型Ａｌ２Ｏ３層を形成することによって、被覆工具の耐摩耗性を特段低下させることなく耐チッピング性を大幅に向上させることができる。
κ型Ａｌ２Ｏ３層は、α型Ａｌ２Ｏ３層あるいは改質α型Ａｌ２Ｏ３層に比して、平滑性、熱遮蔽性にすぐれているため、被削材の仕上面粗さを向上させるばかりか、被覆工具の耐熱塑性変形性、耐チッピング性を向上させ、特に、高速重切削においては、最も切削負荷のかかる切刃稜線部にκ型Ａｌ２Ｏ３層を形成することによって、被覆工具の耐摩耗性を特段低下させることなく耐チッピング性を大幅に向上させることができる。
κ型Ａｌ２Ｏ３層を切刃稜線部に蒸着形成させる方法は、例えば、以下の手順で行なうことができる。
まず、工具基体表面の少なくとも切刃稜線部を含む領域に、下部層のＴｉ化合物層として例えば所定層厚のＴｉＣＮＯ層を蒸着形成した後、ＴｉＣＮＯ層の表面に、極薄（例えば、０．１〜０．５μｍの層厚）のＴｉＯ層を蒸着形成する。
ついで、ＴｉＣＮＯ層の表面に形成された極薄のＴｉＯ層を、
反応雰囲気ガス組成（容量％）：ＣＨ４ ０．３〜０．８％、残部Ｈ２
反応雰囲気温度：９００〜１０００℃、
反応雰囲気圧力：３〜８ｋＰａ、
の条件で還元処理すると、切刃稜線部のＴｉＯ層は、他の領域のＴｉＯ層と比べて優先的に還元処理されてＴｉＣが形成される。
その後、通常条件でα型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成、あるいは、改質条件で改質α型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成すると、優先的にＴｉＣが形成された切刃稜線部には、κ型Ａｌ２Ｏ３層が形成され、その一方、切刃稜線部以外の領域（すくい面および逃げ面）には、その条件に応じたα型Ａｌ２Ｏ３層あるいは改質α型Ａｌ２Ｏ３層が蒸着形成され、その結果、切刃稜線部のみにκ型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなる上部層が、また、切刃稜線部以外のすくい面および逃げ面にα型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなる上部層が蒸着された被覆工具が形成される。
まず、工具基体表面の少なくとも切刃稜線部を含む領域に、下部層のＴｉ化合物層として例えば所定層厚のＴｉＣＮＯ層を蒸着形成した後、ＴｉＣＮＯ層の表面に、極薄（例えば、０．１〜０．５μｍの層厚）のＴｉＯ層を蒸着形成する。
ついで、ＴｉＣＮＯ層の表面に形成された極薄のＴｉＯ層を、
反応雰囲気ガス組成（容量％）：ＣＨ４ ０．３〜０．８％、残部Ｈ２
反応雰囲気温度：９００〜１０００℃、
反応雰囲気圧力：３〜８ｋＰａ、
の条件で還元処理すると、切刃稜線部のＴｉＯ層は、他の領域のＴｉＯ層と比べて優先的に還元処理されてＴｉＣが形成される。
その後、通常条件でα型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成、あるいは、改質条件で改質α型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成すると、優先的にＴｉＣが形成された切刃稜線部には、κ型Ａｌ２Ｏ３層が形成され、その一方、切刃稜線部以外の領域（すくい面および逃げ面）には、その条件に応じたα型Ａｌ２Ｏ３層あるいは改質α型Ａｌ２Ｏ３層が蒸着形成され、その結果、切刃稜線部のみにκ型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなる上部層が、また、切刃稜線部以外のすくい面および逃げ面にα型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなる上部層が蒸着された被覆工具が形成される。
なお、本発明では、「α型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層」あるいは「α型Ａｌ２Ｏ３層」とは、α型結晶構造が１００％を占める場合は勿論であるが、全体の中で、少なくとも８０％以上がα型結晶構造の酸化アルミニウムで構成されている場合に、これを「α型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層」あるいは「α型Ａｌ２Ｏ３層」という。同様に、「κ型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層」あるいは「κ型Ａｌ２Ｏ３層」についても、全体の中で、少なくとも８０％以上がκ型結晶構造の酸化アルミニウムで構成されている場合には、これを「κ型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層」あるいは「κ型Ａｌ２Ｏ３層」という。
（ｅ）上部層の層厚
α型Ａｌ２Ｏ３層、κ型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、その平均層厚が１μｍ未満では、すくい面、逃げ面におけるα型Ａｌ２Ｏ３層の耐摩耗性向上効果、切刃稜線部におけるκ型Ａｌ２Ｏ３層の熱遮蔽効果、耐チッピング性向上効果を十分に確保することができず、一方、その平均層厚が１５μｍを越えると、チッピング、欠損等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。
α型Ａｌ２Ｏ３層、κ型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、その平均層厚が１μｍ未満では、すくい面、逃げ面におけるα型Ａｌ２Ｏ３層の耐摩耗性向上効果、切刃稜線部におけるκ型Ａｌ２Ｏ３層の熱遮蔽効果、耐チッピング性向上効果を十分に確保することができず、一方、その平均層厚が１５μｍを越えると、チッピング、欠損等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、被覆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、必要に応じて硬質被覆層の最表面層とし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、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件で行っても、硬質被覆層の上部層の切刃稜線部をκ型Ａｌ２Ｏ３層で、また、切刃稜線部以外のすくい面、逃げ面の上部層をα型Ａｌ２Ｏ３層、改質α型Ａｌ２Ｏ３層で構成することによって、耐摩耗性の低下を招くことなく耐チッピング性を改善したものであって、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。
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、Ｃｒ3 Ｃ2 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、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。
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、Ｍｏ2 Ｃ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。
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に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
ついで、同じく表３に示されるＴｉＯ層を表５に示される目標層厚で蒸着形成し、その後、表４に示される条件で還元処理を施し、
ついで、表３に示される条件にて、同じく表５に示される目標層厚でα型Ａｌ２Ｏ３層または改質α型Ａｌ２Ｏ３層を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に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
ついで、同じく表３に示されるＴｉＯ層を表５に示される目標層厚で蒸着形成し、その後、表４に示される条件で還元処理を施し、
ついで、表３に示される条件にて、同じく表５に示される目標層厚でα型Ａｌ２Ｏ３層または改質α型Ａｌ２Ｏ３層を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、表３に示される条件にて、表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、その後、ＴｉＯ層の蒸着形成および還元処理を施さずに、表３に示される条件にて、表６に示される目標層厚でα型Ａｌ２Ｏ３層、改質α型Ａｌ２Ｏ３層またはκ型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成することにより、比較被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１３と比較被覆工具１〜１３のうちの、硬質被覆層の上部層として改質α型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成した被覆工具について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の改質α型Ａｌ２Ｏ３層について、表面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、それぞれの前記研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有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、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の改質α型Ａｌ２Ｏ３層について、表面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、それぞれの前記研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有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、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより作成した。
この結果得られた改質α型Ａｌ２Ｏ３層の傾斜角度数分布グラフにおいて、表５、６にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具および比較被覆工具の改質α型Ａｌ２Ｏ３層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が、０〜４５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れる傾斜角度数分布グラフを示した。また、表５、６には、改質α型Ａｌ２Ｏ３層の傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜４５度の範囲内の傾斜角区分に存在する全傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体に占める割合を示した。
なお、図２は、本発明被覆工具１１の改質α型Ａｌ２Ｏ３層の０〜４５度の傾斜角区分を示す傾斜角度数分布グラフである。
なお、図２は、本発明被覆工具１１の改質α型Ａｌ２Ｏ３層の０〜４５度の傾斜角区分を示す傾斜角度数分布グラフである。
また、本発明被覆工具１〜１３および比較被覆工具１〜１３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（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、上記の本発明被覆工具１〜１３および比較被覆工具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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４３２の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ４００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．４５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａという）での合金鋼の乾式断続高速重切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ．、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃの長さ方向等間隔２本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．０ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式断続高速重切削試験（通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ．、１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃという）でのダクタイル鋳鉄の乾式断続高速重切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１８０ｍ／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７に示した。
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４３２の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ４００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．４５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａという）での合金鋼の乾式断続高速重切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ．、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３５Ｃの長さ方向等間隔２本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．０ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式断続高速重切削試験（通常の切削速度および切り込みは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ．、１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入の丸棒、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃという）でのダクタイル鋳鉄の乾式断続高速重切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１８０ｍ／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７に示した。
表５〜７に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、切刃稜線部の硬質被覆層の上部層がκ型Ａｌ２Ｏ３層で構成され、それ以外の領域（すくい面、逃げ面）の上部層がα型Ａｌ２Ｏ３層あるいは改質α型Ａｌ２Ｏ３層で構成されていることから、鋼や鋳鉄の切削加工を、高熱発生を伴い切刃に高負荷が作用する高速重切削条件で行っても、すぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を示す。
これに対して、切刃稜線部を含め全ての領域において上部層がα型Ａｌ２Ｏ３層あるいは改質α型Ａｌ２Ｏ３層で構成されている比較被覆工具１、２、５、６、８〜１３においては、切刃稜線部で発生したチッピング、欠損が原因で寿命が短く、また、切刃稜線部を含め全ての領域において上部層がκ型Ａｌ２Ｏ３層で構成されている比較被覆工具３、４、７においては、耐摩耗性に劣り、いずれの比較被覆工具も短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
これに対して、切刃稜線部を含め全ての領域において上部層がα型Ａｌ２Ｏ３層あるいは改質α型Ａｌ２Ｏ３層で構成されている比較被覆工具１、２、５、６、８〜１３においては、切刃稜線部で発生したチッピング、欠損が原因で寿命が短く、また、切刃稜線部を含め全ての領域において上部層がκ型Ａｌ２Ｏ３層で構成されている比較被覆工具３、４、７においては、耐摩耗性に劣り、いずれの比較被覆工具も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、特に高熱発生を伴い切刃に高負荷が作用する高速重切削でも、すぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を示し、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 (2)
- 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、硬質被覆層として、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、窒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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層及び１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層からなる上部層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記表面被覆切削工具の切刃稜線部に蒸着形成された上部層はκ型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなり、一方、前記切刃稜線部以外のすくい面および逃げ面に蒸着形成された上部層は実質的にα型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 請求項１記載の表面被覆切削工具において、
上記α型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合、上記α型結晶構造を主体とする酸化アルミニウム層は、上記傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在する酸化アルミニウム層である請求項１記載の表面被覆切削工具。
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