JP6973026B2

JP6973026B2 - 被覆切削工具

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Publication number: JP6973026B2
Application number: JP2017243607A
Authority: JP
Inventors: 慶也川原
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-12-20
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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ことは、よく知られている。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。

例えば、特許文献１では、基材表面に硬質被覆層を含み、硬質被覆層の少なくとも１つ以上がα−Ａｌ₂Ｏ₃層であり、α−Ａｌ₂Ｏ₃層において、下記式（Ｉ）で表される集合組織係数ＴＣ（００１２）が５以上であり、α−Ａｌ₂Ｏ₃層の残留応力（固有応力）が０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下であり、基材表面から所定範囲内の領域にある基材の残留応力（固有応力）の最小値が−２０００ＭＰａ以上−４００ＭＰａ以下である切削インサートが開示されている。

特表２０１４−５３０１１２号公報

近年の切削加工では、高速化、高送り化及び深切り込み化がより顕著となっている。その結果、加工中に刃先にかかる負荷により工具表面から発生したクラックが基材へと進展したり、刃先温度の急激な増減により基材から発生したクラックが被覆層中に進展したりすることに起因して工具の欠損が多々見られることがある。

このような背景により、特許文献１に開示された工具では、耐摩耗性に優れるものの、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することにより、工具寿命の長い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所定の面における結晶方位を適正化し、且つ、α型酸化アルミニウム層の残留応力を所定の値にすることを含む以下の構成にすると、耐摩耗性を向上させることができると共に、亀裂の進展を抑制することに起因して、耐欠損性も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、
前記被覆層は、少なくとも１層の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において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、４．０以上８．４以下であり、
前記α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面を選択して測定した時の残留応力値が、少なくとも一部において−５６９ＭＰａ以上７８ＭＰａ以下であり、前記α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面を選択して測定した時の残留応力値が、少なくとも一部において１３ＭＰａ以上１１３ＭＰａ以下である、被覆切削工具。

（式（１）中、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、前記α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（０，１，８）、（２，１，４）、（３，０，０）及び（０，０，１２）の９つの結晶面を指す。）
（２）前記被覆層は、前記基材と前記α型酸化アルミニウム層との間に、炭窒化チタン層を含み、
前記α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面を選択して測定した時の残留応力値Ｓ１と、前記炭窒化チタン層の（４，２，２）面を選択して測定した時の残留応力値Ｓ２との差の絶対値［｜Ｓ１−Ｓ２｜］が０ＭＰａ以上４００ＭＰａ以下である、（１）に記載の被覆切削工具。
（３）前記炭窒化チタン層の（４，２，２）面を選択して測定した時の残留応力値が、少なくとも一部において０ＭＰａ以上４００ＭＰａ以下である、（２）に記載の被覆切削工具。
（４）前記炭窒化チタン層の平均厚さは、１．０μｍ以上２０．０μｍ以下である、（２）又は（３）に記載の被覆切削工具。
（５）前記被覆層は、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、窒酸化物及び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、（２）〜（４）のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
（６）前記中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上１．５μｍ以下である、（５）に記載の被覆切削工具。
（７）前記α型酸化アルミニウム層において、前記組織係数ＴＣ（０，０，１２）が５．０以上８．２以下である、（１）〜（６）のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
（８）前記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、（１）〜（７）のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
（９）前記被覆層の平均厚さは、３．０μｍ以上３０．０μｍ以下である、（１）〜（８）のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
（１０）前記被覆層は、前記α型酸化アルミニウム層の上に最外層として、ＴｉＮ層を備える、（１）〜（９）のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
（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つに記載の被覆切削工具。

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することが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示す模式図である。

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、被覆層は、少なくとも１層の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において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、４．０以上８．４以下であり、α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値は、少なくとも一部において−８００ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であり、α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における残留応力値は、少なくとも一部において０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である。

（式（１）中、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、前記α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（０，１，８）、（２，１，４）、（３，０，０）及び（０，０，１２）の９つの結晶面を指す。）

本実施形態の被覆切削工具が上記の構成を備えることにより、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、被覆切削工具の工具寿命を延長することができる。本実施形態の被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する要因は、以下のように考えられる。ただし、本発明は以下の要因により何ら限定されない。
（１）α型酸化アルミニウム層において、式（１）で表される（０，０，１２）面の組成係数ＴＣ（０，０，１２）が４．０以上であることにより、（０，０，１２）面のピーク強度Ｉ（０，０，１２）の比率が高くなる。これに起因して、粒子の脱落を抑制でき、その結果、耐摩耗性に優れる。一方、式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が８．４を超えることは、製造上困難である。
（２）α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値は、−８００ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である。（１，１，６）面における残留応力値は、α型酸化アルミニウム層の表面側の残留応力を表していると考えられる。α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値が、少なくとも一部において、−８００ＭＰａ以上であることにより、α型酸化アルミニウム層（特にα型酸化アルミニウム層の表面側）が有する粒子の脱落を起点とする摩耗の進行を抑制でき、その結果、耐摩耗性に優れる。一方、α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値が、少なくとも一部において、１００ＭＰａ以下であることにより、α型酸化アルミニウム層（特にα型酸化アルミニウム層の表面側）における亀裂の発生を抑制でき、その結果、耐欠損性に優れる。
（３）α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における残留応力値は、０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である。（４，０，１０）面における残留応力値は、α型酸化アルミニウム層の内部側の残留応力を表していると考えられる。α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における残留応力値が、少なくとも一部において、０ＭＰａ以上であることにより、α型酸化アルミニウム層（特にα型酸化アルミニウム層の内部側）が有する粒子の脱落を起点とする摩耗の進行を抑制でき、その結果、耐摩耗性に優れる。一方、α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における残留応力値が、少なくとも一部において、３００ＭＰａ以下であることにより、α型酸化アルミニウム層（特にα型酸化アルミニウム層の内部側）における亀裂の発生を抑制でき、その結果、耐欠損性に優れる。

図１は、本実施形態の被覆切削工具の一例を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の表面上に被覆層７が形成されており、被覆層７には、最下層２、炭窒化チタン層（ＴｉＣＮ層）３、中間層４、α型酸化アルミニウム層５、及び最外層６がこの順序で上方向に積層されている。被覆層７を構成する各層については後述する。

本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材の上に形成された被覆層とを備える。被覆切削工具の種類として、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を挙げることができる。

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得るものであれば、特に限定されない。そのような基材として、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を挙げることができる。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く、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は、その平均厚さが、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一層高まる傾向にある。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、７．５μｍ以上２５．０μｍ以下であると更に好ましく、８．０μｍ以上２３．５μｍ以下であると特に好ましい。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層及び被覆層全体の平均厚さは、各層又は被覆層全体における３箇所以上の断面から、各層の厚さ又は被覆層全体の厚さを測定して、その相加平均値を計算することで求めることができる。

（α型酸化アルミニウム層）
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。α型酸化アルミニウム層において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が４．０以上８．４以下である。組織係数ＴＣ（０，０，１２）が４．０以上であると、（０，０，１２）面のピーク強度Ｉ（０，０，１２）の比率が高くなり、粒子の脱落を抑制することができることに起因して、耐摩耗性に優れたものとなる。組織係数ＴＣ（０，０，１２）が８．４を超えることは、製造上困難である。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層における組織係数ＴＣ（０，０，１２）は、４．５以上であると好ましく、５．０以上であるとより好ましく、６．０以上であると更に好ましい。また、その組織係数ＴＣ（０，０，１２）は、８．２以下であることが好ましく、８．０以下であることがより好ましく、７．８以下であることが更に好ましい。

ここで、式（１）において、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（０，１，８）、（２，１，４）、（３，０，０）及び（０，０，１２）の９つの結晶面を指す。よって、Ｉ（０，０，１２）は、α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（０，０，１２）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（０，０，１２）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（０，０，１２）面の標準回折強度を示す。

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一層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。

本実施形態において、α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値は、少なくとも一部において、−８００ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である。上記残留応力値が−８００ＭＰａ以上であると、α型酸化アルミニウム層が有する粒子の脱落を起点とする摩耗の進行を抑制することができるため、耐摩耗性が向上する。また、上記残留応力値が１００ＭＰａ以下であると、α型酸化アルミニウム層における亀裂の発生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向上する。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値は、−６００ＭＰａ以上−３００ＭＰａ以下であることが更に好ましい。

ここで、「少なくとも一部において」とは、α型酸化アルミニウム層全体において、α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における上記残留応力値の範囲を満たす必要はなく、すくい面などの特定の領域におけるα型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面において、上記残留応力値の範囲を満たせばよいことを示す。

本実施形態において、α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における残留応力値は、少なくとも一部において、０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である。上記残留応力値が０ＭＰａ以上であると、α型酸化アルミニウム層が有する粒子の脱落を起点とする摩耗の進行をより抑制することができることに起因して、耐摩耗性が向上する。また、上記残留応力値が３００ＭＰａ以下であると、α型酸化アルミニウム層における亀裂の発生を抑制できることに起因して、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。同様の観点から、α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における残留応力値は、０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下であることが更に好ましい。

ここで、「少なくとも一部において」とは、α型酸化アルミニウム層全体において、α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における上記残留応力値の範囲を満たす必要はなく、すくい面などの特定の領域におけるα型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面において、上記残留応力値の範囲を満たせばよいことを示す。

α型酸化アルミニウム層の残留応力値は、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定することができる。被覆層中の任意の３点における残留応力をｓｉｎ²ψ法により測定し、これら３点の残留応力の相加平均値を求めることが好ましい。測定箇所となるα型酸化アルミニウム層中の任意の３点は、互いに０．１ｍｍ以上離れるように選択されることが好ましい。

α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面における残留応力値を測定するためには、測定対象となるα型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面を選択して測定する。具体的には、α型酸化アルミニウム層が形成された試料を、Ｘ線回折装置によって分析する。そして、試料面法線と格子面法線とのなす角度ψを変えた時の（１，１，６）面の回折角の変化を調べる。同様の方法により、α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における残留応力値を測定することができる。

α型酸化アルミニウム層の測定する結晶の面によって、Ｘ線の入射角が異なる。α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面を選択して測定した時の残留応力値は、相対的にα型酸化アルミニウム層の表面側の残留応力を示していると推測される。α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面を選択して測定した時の残留応力値は、相対的にα型酸化アルミニウム層の内部側の残留応力を示していると推測される。ただし、これらの推測により、本発明は何ら限定されない。

α型酸化アルミニウム層は、α型酸化アルミニウムからなる層であるが、本実施形態の構成を備え、本発明の作用効果を奏する限りにおいて、α型酸化アルミニウム以外の成分を微量含んでもよい。

（炭窒化チタン層）
本実施形態の被覆層は、耐摩耗性がより向上する観点から、基材とα型酸化アルミニウム層との間に炭窒化チタン層（ＴｉＣＮ層）を備えることが好ましい。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より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。

本実施形態において、炭窒化チタン層の（４，２，２）面における残留応力値が、少なくとも一部において、０ＭＰａ以上４００ＭＰａ以下であることが好ましい。上記残留応力値が０ＭＰａ以上であると、炭窒化チタン層が有する粒子の脱落を起点とする摩耗の進行をより抑制することができるため、耐摩耗性がより向上する傾向にある。また、上記残留応力値が４００ＭＰａ以下であると、炭窒化チタン層における亀裂の発生を更に抑制することができるため、被覆切削工具の耐欠損性がより向上する傾向にある。同様の観点から、炭窒化チタン層の（４，２，２）面における残留応力値は、０ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下であることがより好ましい。

ここで、「少なくとも一部において」とは、炭窒化チタン層全体において、炭窒化チタン層の（４，２，２）面における上記残留応力値の範囲を満たす必要はなく、すくい面などの特定の領域における炭窒化チタン層の（４，２，２）面において、上記残留応力値の範囲を満たせばよいことを示す。

炭窒化チタン層の残留応力値は、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定することができる。被覆層中の任意の３点における残留応力をｓｉｎ²ψ法により測定し、これら３点の残留応力の相加平均値を求めることが好ましい。測定箇所となる炭窒化チタン層中の任意の３点は、互いに０．１ｍｍ以上離れるように選択されることが好ましい。

炭窒化チタン層の（４，２，２）面における残留応力値を測定するためには、測定対象となる炭窒化チタン層の（４，２，２）面を選択して測定する。具体的には、炭窒化チタン層が形成された試料を、Ｘ線回折装置によって分析する。そして、試料面法線と格子面法線とのなす角度ψを変えた時の（４，２，２）面の回折角の変化を調べる。

炭窒化チタン層は、炭窒化チタン層からなる層であるが、上述の構成を備え、炭窒化チタン層による作用効果を奏する限りにおいて、炭窒化チタン以外の成分を微量含んでもよい。

本実施形態の被覆層は、下記式（Ａ）：
０≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦４００…（Ａ）
で表される条件を満たすことが好ましい。式中、Ｓ１は、α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における残留応力値（単位：ＭＰａ）を表し、Ｓ２は、炭窒化チタン層の（４，２，２）面における残留応力値（単位：ＭＰａ）を表す。Ｓ１とＳ２との差の絶対値［｜Ｓ１−Ｓ２｜］が、４００ＭＰａ以下であると、被覆切削工具の耐欠損性がより向上する傾向にある。同様の観点から、差の絶対値｜Ｓ１−Ｓ２｜は、０ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下であることがより好ましく、０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下であることが更に好ましい。

差の絶対値｜Ｓ１−Ｓ２｜が４００ＭＰａ以下でると、被覆切削工具の耐欠損性がより向上する要因は以下のように考えられる。ただし、この要因により、本発明は何ら限定されない。上述のとおり、α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面における残留応力値は、相対的にα型酸化アルミニウム層の内部側の残留応力を示していると考えられる。そのため、炭窒化チタン層により近いα型酸化アルミニウム層の内部側の残留応力値と炭窒化チタン層との残留応力値との差が小さいことにより、α型酸化アルミニウム層と炭窒化チタン層との間の密着性が向上する傾向にある。これに起因して、被覆層における亀裂が基材まで進展するので更に抑制でき、その結果、被覆切削工具の耐欠損性がより向上する傾向にある。

（中間層）
本実施形態の被覆層は、密着性を更に向上する観点から、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、窒酸化物及び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ことが好ましい。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一層向上する傾向にあり、１．５μｍ以下であるとα型酸化アルミニウム層における（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が更に大きくなる傾向にあるので好ましい。同様の観点から、中間層の平均厚さは、０．２μｍ以上１．０μｍ以下であることがより好ましく、０．４μｍ以上０．６μｍ以下であることが更に好ましい。

中間層は、Ｔｉの炭酸化物、窒酸化物及び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層であるが、上述の構成を備え、中間層による作用効果を奏する限りにおいて、上記化合物以外の成分を微量含んでもよい。

本実施形態の被覆層は、α型酸化アルミニウム層の上に最外層としてＴｉＮ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。ＴｉＮ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。ＴｉＮ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。同様の観点から、ＴｉＮ層の平均厚さは、０．３μｍ以上０．９μｍ以下であることが好ましい。

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ＴｉＮ層を備えると、密着性がより向上するので好ましい。このＴｉＮ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。このＴｉＮ層の平均厚さが０．１μｍ以上であると、ＴｉＮ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、このＴｉＮ層の平均厚さが０．５μｍ以下であると、最下層としてのＴｉＮ層が剥離の起点となるのをより抑制するので、耐欠損性が更に高まる傾向にある。

最外層及び最下層としてのＴｉＮ層は、ＴｉＮからなる層であるが、上述の構成を備え、最外層及び最下層としての上記作用効果を奏する限りにおいて、ＴｉＮ以外の成分を微量含んでもよい。

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ＴｉＮ層は、原料ガス組成を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。

例えば、最下層としてのＴｉＣ層は、原料ガス組成を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ＴｉＣＮ層は、原料ガス組成を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。

例えば、中間層として、Ｔｉの炭窒酸化物からなる層であるＴｉＣＮＯ層は、原料ガス組成を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。

例えば、中間層として、Ｔｉの炭酸化物からなる層であるＴｉＣＯ層は、原料ガス組成を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。

例えば、最外層としてのＴｉＮ層は、原料ガス組成を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、α型酸化アルミニウム層の配向（方位関係）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。

まず、基材の表面上に、必要に応じて炭窒化チタン層、更に必要に応じてＴｉＮ層及び上記中間層からなる群より選ばれる１種以上の層を形成する。次いで、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上に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上にＴｉＮ層を形成してもよい。

α型酸化アルミニウム層の核は、低温でＣＯガスをわずかに流して形成してもよい。これにより、α型酸化アルミニウム層の核が、非常に遅い速度で形成されるとともに、α型酸化アルミニウム層の核が微細になる傾向にある。α型酸化アルミニウム層の核を形成する時間は、２分以上５分以下であることが好ましい。これにより、α型酸化アルミニウム層は、（０，０，１２）面に配向しやすくなる。

好ましくは、α型酸化アルミニウム層の核を形成した後に、ＣＯガスを流さない条件でα型酸化アルミニウム層を形成するとよい。このとき、α型酸化アルミニウム層の核を形成する温度よりも成膜温度を高くすることがより好ましい。

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、原料ガス組成を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。このときの酸化の時間は、５〜１０分であることが好ましい。

その後、α型酸化アルミニウム層の核は、原料ガス組成をＡｌＣｌ₃：１．０〜４．０ｍｏｌ％、ＣＯ₂：１．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．１〜２．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を８８０〜９３０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成される。

そして、α型酸化アルミニウム層は、原料ガス組成をＡｌＣｌ₃：２．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ₂：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ₂Ｓ：０．１５〜０．２５ｍｏｌ％、Ｈ₂：残部とし、温度を９７０〜１０３０℃、圧力を６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成される。

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、２条件の乾式ブラストを施すと、被覆層の残留応力値を制御することができる。１条件目の乾式ブラストの条件は、被覆層の表面に対して投射角度が３０°〜５５°になるように、投射材を０．２ｂａｒ〜０．５ｂａｒの投射圧力、０．５〜３分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１００〜２００μｍのＡｌ₂Ｏ₃やＺｒＯ₂などの材質であると好ましい。２条件目の乾式ブラストの条件は、被覆層の表面に対して投射角度が１０°〜２０°になるように、投射材を１．０ｂａｒ〜１．５ｂａｒの投射圧力、０．５〜１分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１００〜１５０μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）の材質であると好ましい。

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は、刃先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、９２．０ＷＣ−７．５Ｃｏ−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ブラシにより丸ホーニングを施した後、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１〜１１については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、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、基材の表面上に形成した。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、最下層の表面上に形成した。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層の表面上に形成した。その後、表３に示す原料組成、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７分とした。次いで、表４の「α型酸化アルミニウム層の核形成条件」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上にα型酸化アルミニウムの核を形成した。このとき、α型酸化アルミニウム層の核を形成する時間を４分とした。さらに、表４の「成膜条件」に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、中間層及びα型酸化アルミニウムの核の表面上に、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上に形成した。こうして、発明品１〜１１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、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、基材の表面上に形成した。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に示す原料組成、温度及び圧力の条件の下、最下層の表面上に形成した。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に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、ＴｉＣＮ層の表面上に形成した。その後、表３に示す原料組成、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７分とした。次いで、表５の「核形成条件」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上にα型酸化アルミニウム層の核を形成した。このとき、α型酸化アルミニウム層の核を形成する時間を４分とした。さらに、表５の「成膜条件」に示す原料ガス組成、温度及び圧力の条件の下、中間層及びα型酸化アルミニウムの核の表面上に、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上に形成した。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、被覆切削工具の刃先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、被覆切削工具の刃先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１〜１１、比較品１〜７については、基材の表面上に被覆層を形成した後、表６に示す投射材を用いて、表６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「処理なし」とは、乾式ブラストを施していないことを示す。

得られた発明品１〜１１及び比較品１〜７について、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、２θ測定範囲：２０°〜１５５°とする条件で行った。装置は、株式会社リガク製のＸ線回折装置（型式「ＲＩＮＴＴＴＲＩＩＩ」）を用いた。Ｘ線回折図形からα型酸化アルミニウム層の各結晶面のピーク強度を求めた。得られた各結晶面のピーク強度から、α型酸化アルミニウム層における組織係数ＴＣ（０，０，１２）を求めた。その結果を、表７に示す。

得られた試料におけるα型酸化アルミニウム層の残留応力値及び炭窒化チタン層の残留応力値は、Ｘ線応力測定装置（株式会社リガク製、型式「ＲＩＮＴＴＴＲＩＩＩ」）を用いたｓｉｎ²ψ法によりすくい面の任意の部分を測定した。また、得られた測定結果から、残留応力値の差の絶対値［｜Ｓ１−Ｓ２｜］を求めた。それらの測定結果を表８に示す。

得られた発明品１〜１１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９に示す。

［切削試験１］
被削材：Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：３１０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
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。

［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：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．５ｍｍ、
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、１５分以上を「Ａ」、１０分以上１５分未満を「Ｂ」、１０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９に示す。

表９に示す結果より、発明品の摩耗試験及び欠損試験の評価は、どちらも「Ｂ」以上の評価であった。一方、比較品の評価は、摩耗試験及び欠損試験の両方又はいずれかが、「Ｃ」であった。よって、発明品の耐摩耗性及び耐欠損性は、比較品と比べて、総じて、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、優れた耐摩耗性及び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
３ＴｉＣＮ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、
前記被覆層は、少なくとも１層の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において、下記式（１）で表される（０，０，１２）面の組織係数ＴＣ（０，０，１２）が、４．０以上８．４以下であり、
前記α型酸化アルミニウム層の（１，１，６）面を選択して測定した時の残留応力値が、少なくとも一部において−５６９ＭＰａ以上７８ＭＰａ以下であり、前記α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面を選択して測定した時の残留応力値が、少なくとも一部において１３ＭＰａ以上１１３ＭＰａ以下である、被覆切削工具。

（式（１）中、Ｉ（ｈ，ｋ，ｌ）は、前記α型酸化アルミニウム層のＸ線回折における（ｈ，ｋ，ｌ）面のピーク強度を示し、Ｉ₀（ｈ，ｋ，ｌ）は、α型酸化アルミニウムのＪＣＰＤＳカード番号１０−０１７３における（ｈ，ｋ，ｌ）面の標準回折強度を示し、（ｈ，ｋ，ｌ）は、（０，１，２）、（１，０，４）、（１，１，０）、（１，１，３）、（１，１，６）、（０，１，８）、（２，１，４）、（３，０，０）及び（０，０，１２）の９つの結晶面を指す。）
前記被覆層は、前記基材と前記α型酸化アルミニウム層との間に、炭窒化チタン層を含み、
前記α型酸化アルミニウム層の（４，０，１０）面を選択して測定した時の残留応力値Ｓ１と、前記炭窒化チタン層の（４，２，２）面を選択して測定した時の残留応力値Ｓ２との差の絶対値［｜Ｓ１−Ｓ２｜］が０ＭＰａ以上４００ＭＰａ以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
前記炭窒化チタン層の（４，２，２）面を選択して測定した時の残留応力値が、少なくとも一部において０ＭＰａ以上４００ＭＰａ以下である、請求項２に記載の被覆切削工具。
前記炭窒化チタン層の平均厚さは、１．０μｍ以上２０．０μｍ以下である、請求項２又は３に記載の被覆切削工具。
前記被覆層は、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、窒酸化物及び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２〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上１．５μｍ以下である、請求項５に記載の被覆切削工具。
前記α型酸化アルミニウム層において、前記組織係数ＴＣ（０，０，１２）が５．０以上８．２以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記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、請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記被覆層の平均厚さは、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。
前記被覆層は、前記α型酸化アルミニウム層の上に最外層として、ＴｉＮ層を備える、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。