(57)【要約】【課題】 高速高送り切削加工において硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体の表面に、（ａ） 下部層として、窒化チタン層及び縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層、（ｂ）密着性層として、微粒縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層、（ｃ）中間層として、上記密着性層に隣接して形成された縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層、及び、炭窒化チタン層に挟まれた状態で存在し、かつ、微粒縦長成長結晶組織を有する少なくとも一層または複数層の炭化チタン層を含むＴｉ化合物層、（ｄ） 上部層として、酸化アルミニウム層、上記（ａ）〜（ｄ）で構成された硬質被覆層を１５〜３０μｍの全体平均層厚で形成する。【選択図】  なし【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、
（ａ） 下部層として、０．２〜１μｍの平均層厚を有する窒化チタン層及び１〜３μｍの平均層厚および縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層、
（ｂ）密着性層として、０．２〜１μｍの平均層厚および微粒縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層、
（ｃ）中間層として、上記密着性層に隣接して形成された縦長成長結晶組織を有する平均結晶粒径が０．０５〜０．５μｍの炭窒化チタン層を含み、さらに、炭窒化チタン層に挟まれた状態で存在し、かつ、０．２〜１μｍの平均層厚および微粒縦長成長結晶組織を有する少なくとも一層の炭化チタン層を含む、９〜１５μｍの平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｄ）上部層として、０．５〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）〜（ｄ）で構成された硬質被覆層が１５〜３０μｍの全体平均層厚で形成されてなることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
請求項１に記載の表面被覆切削工具において、
上記（ｃ）の中間層は、縦長成長結晶組織を有する平均結晶粒径が０．０５〜０．５μｍの炭窒化チタン層に挟まれた状態で存在し、かつ、０．２〜１μｍの平均層厚および微粒縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層を、複数層含むことを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、例えば、鋼や鋳鉄の高速高送り切削加工において、硬質被覆層がすぐれた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。
【背景技術】
【０００２】
従来、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（以下、工具基体という）の表面に、
（ａ） いずれも０．１〜５μｍの平均層厚および粒状結晶組織を有する、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ） ２〜１５μｍの平均層厚の縦長成長結晶組織を有するＴｉＣＮ（以下、ｌ−ＴｉＣＮという）層、
（ｃ） ０．５〜１０μｍの平均層厚を有するＡｌ2 Ｏ3層、
（ｄ） ２〜１０μｍの平均層厚の縦長成長結晶組織を有するＴｉＣ（以下、ｌ−ＴｉＣという）層、
で構成された硬質被覆層を５〜２５μｍの全体平均層厚で化学蒸着および／または物理蒸着してなる、被覆工具が知られており、この被覆工具が、ｌ−ＴｉＣ層の備えるすぐれた靭性によって、鋼の切削加工に用いられた場合に、すぐれた耐チッピング性及びすぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
また、一般に、上記ｌ−ＴｉＣＮ層は、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成されるものであることも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１５８２０７号公報
【特許文献２】特開平６−８０１０号公報
【特許文献３】特開平７−３２８８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、近年の切削加工に対する省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、切削加工の高速化が求められると同時に、工具の長寿命化も求められており、上記従来被覆工具を通常条件下での切削加工に用いた場合には特段の問題は生じないが、これを、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鋼や鋳鉄の高速高送り条件での切削加工に用いた場合には、切削加工時の高熱および切刃に作用する高負荷により硬質被覆層の摩耗進行が著しく促進されるばかりか、チッピング、欠損等の異常損傷も発生しやすくなり、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、本発明者等は、上述のような観点から、被覆工具の長寿命化を図るべく硬質被覆層の厚膜化を図った場合にも、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
【０００６】
（ａ）上記従来被覆工具における硬質被覆層の一つの構成層であるｌ−ＴｉＣ層は、例えば、通常の化学蒸着装置において、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ4 ：０．５〜２％、ＣＨ4 ：１〜３％、Ｈ2 ：残り、
反応雰囲気温度：１０００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：２００〜４００Ｔｏｒｒ（２６〜５３ｋＰａ）、
の条件で形成することができる。
そして、このｌ−ＴｉＣ層は、その破面組織及び光学顕微鏡組織がｌ−ＴｉＣＮ層と実質的に同じ縦長成長結晶組織を有し、従来の粒状結晶組織のＴｉＣ層に比して一段とすぐれた靭性を備える。
しかし、上記ｌ−ＴｉＣ層は、その結晶粒が粗粒（平均結晶粒径が約１μｍ以上）であるため、例えば、この上にＴｉ化合物（縦長成長結晶組織のｌ−ＴｉＣＮ及び粒状結晶組織のＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯのうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物）層を蒸着形成すると、形成されたＴｉ化合物層の結晶粒も粗粒化されるために、充分な高温強度を備えるとはいえない。
【０００７】
そこで、本発明者等は、工具基体表面に、下部層としてＴｉＮ層及び縦長成長結晶組織を備えるｌ−ＴｉＣ層を蒸着形成した後、例えば、下部層表面にウエットブラストを施すことにより下部層表面を平滑化し、ついで、微粒縦長成長結晶組織を有するｌ−ＴｉＣ（以下、微粒ｌ−ＴｉＣという）層を密着性層として形成し、さらに、該密着性層に隣接して少なくとも炭窒化チタン層を形成し、あるいは、該炭窒化チタン層の上にさらにＴｉ化合物（縦長成長結晶組織のｌ−ＴｉＣＮ及び粒状結晶組織のＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯのうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物）層を形成して中間層を構成したところ、該中間層の少なくとも炭窒化チタン層は、平均結晶粒径が０．０５〜０．５μｍでかつ縦長成長結晶組織を有し、中間層は全体として微粒化された結晶組織を有するようになるため、より一段とすぐれた高温強度を備えるようになり、さらに、密着性層との密着強度も一段と向上することを見出し、これを特願２００８−２４０２７７号として出願した。
【０００８】
つまり、工具基体表面に、窒化チタン層及び縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層からなる下部層、少なくとも縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層を含むＴｉ化合物層からなる中間層、酸化アルミニウム層からなる上部層を化学蒸着で形成した硬質被覆層を備えた被覆工具において、上記下部層と上記中間層との間に、微粒縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層からなる密着性層を介在形成すると、密着性層の上に隣接して形成された縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層は、平均結晶粒径０．０５〜０．５μｍの微粒組織として形成され、その結果、中間層は全体として微粒結晶組織として形成され、また、中間層と密着性層との密着強度も向上するため、このような被覆工具（特願２００８−２４０２７７号。以下、先願工具という。）を、高熱発生を伴うＦｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の高速切削に用いた場合、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を生じることなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
【０００９】
ただ、上記先願工具において、工具寿命の改善を図るべく硬質被覆層の厚膜化（即ち、Ｔｉ化合物層からなる中間層の厚膜化及び／又は酸化アルミニウム層からなる上部層の厚膜化）を図ったところ、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速高送り切削においては、チッピング、欠損、剥離等の発生によって十分に満足できる工具寿命を得ることができなかった。
そして、この原因を調査したところ、Ｔｉ化合物層あるいは酸化アルミニウム層の厚膜化を行った際に、各層における結晶粒の成長とその粗大化によって、各層の強度、靭性の低下が生じ、これが主たる要因となって上記チッピング、欠損、剥離等が発生することが判明した。
そこで、本発明者等は、Ｔｉ化合物層、酸化アルミニウム層の結晶粒の粗大化防止について更に研究を進めたところ、上記先願工具において密着性層として設けた微粒縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層を、中間層を構成する一つの構成層（以下、粗大化防止層という）として一層又は複数層介在形成することによって、中間層の結晶粒粗大化を防止できること、また、さらにその結果として、中間層の表面に形成される上部層の結晶粒粗大化をも抑制できることを見出した。
したがって、下部層、密着性層、中間層及び上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具において、中間層を構成する一つの層として、粗大化防止層を一層又は複数層介在形成することによって、硬質被覆全体としてより一段とすぐれた高温強度を備えるようになるため硬質被覆層の厚膜化が可能となり、その結果として、このような被覆工具を、高熱発生を伴うとともに切刃に高負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速高送り切削に用いた場合にも、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と同時に、被覆工具の長寿命化を図ることができる。
【００１０】
この発明は、上記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、
（ａ） 下部層として、０．２〜１μｍの平均層厚を有する窒化チタン層及び１〜３μｍの平均層厚および縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層、
（ｂ）密着性層として、０．２〜１μｍの平均層厚および微粒縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層、
（ｃ）中間層として、上記密着性層に隣接して形成された縦長成長結晶組織を有する平均結晶粒径が０．０５〜０．５μｍの炭窒化チタン層を含み、さらに、炭窒化チタン層に挟まれた状態で存在し、かつ、０．２〜１μｍの平均層厚および微粒縦長成長結晶組織を有する少なくとも一層の炭化チタン層を含む、９〜１５μｍの平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｄ）上部層として、０．５〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）〜（ｄ）で構成された硬質被覆層が１５〜３０μｍの全体平均層厚で形成されてなることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）  前記（１）に記載の表面被覆切削工具において、
上記（ｃ）の中間層は、縦長成長結晶組織を有する平均結晶粒径が０．０５〜０．５μｍの炭窒化チタン層に挟まれた状態で存在し、かつ、０．２〜１μｍの平均層厚および微粒縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層を、複数層含むことを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１１】
本発明について、以下に詳細に説明する。  
【００１２】
下部層：
下部層を構成するＴｉＮ層及びｌ−ＴｉＣ（縦長成長結晶組織を有する炭化チタン）層のうち、ＴｉＮ層は、通常の化学蒸着条件で形成することができる。
また、ｌ−ＴｉＣ層は、例えば、粒状結晶組織のＴｉＣ層の形成条件（例えば、反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ4 ：１〜６％、ＣＨ4 ：２〜１０％、Ｈ2：残り、反応雰囲気温度：９５０〜１０００℃、反応雰囲気圧力：５０〜１５０Ｔｏｒｒ（６．７〜２０ｋＰａ））に比して、反応ガスにおけるＴｉＣ形成成分の濃度は相対的に低く、反応雰囲気温度および反応雰囲気圧力を高くした条件、即ち、例えば、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ4 ：０．５〜２％、ＣＨ4 ：１〜３％、Ｈ2 ：残り、
反応雰囲気温度：１０００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：２００〜４００Ｔｏｒｒ（２６〜５３ｋＰａ）、
の条件で化学蒸着することにより形成することができる。
下部層のＴｉＮ層は、基体とｌ−ＴｉＣ層との密着強度を高めるが、その平均層厚が０．２μｍ未満では、密着強度向上効果が期待できず、一方、その平均層厚が１μｍ以下であれば、十分な密着強度を確保できることから、下部層のＴｉＮ層の平均層厚は０．２〜１μｍと定めた。
また、下部層のｌ−ＴｉＣ層は、ｌ−ＴｉＣＮ層同様、縦長成長結晶組織を有し、さらに高硬度、高靭性を備え、切削加工時の耐摩耗性、耐チッピング性向上に寄与する。
ただ、その平均層厚が１μｍ未満では、前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その平均層厚が３μｍを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜３μｍと定めた。
【００１３】
密着性層：
ｌ−ＴｉＣ層からなる下部層は、上記のとおり、すぐれた硬さと靭性を有するが、その結晶粒は粗大（平均結晶粒径が約１μｍ以上）であり、この上に中間層を蒸着形成すると、中間層の結晶粒も粗大になり、縦長成長結晶組織を有するｌ−ＴｉＣＮ層を形成したとしても、高温硬さ、靭性というすぐれた特性を十分に発揮することができない。
そこで、結晶組織の微粒化によるより一層の高温硬さ向上、靭性向上を図るため、ｌ−ＴｉＣ層からなる下部層の表面に、例えば噴射研磨材として、水との合量に占める割合で２５〜３５質量％のＡｌ2 Ｏ3微粒を配合した研磨液を、０．１〜０．１５ＭＰａの噴射圧力で噴射してウエットブラストを施すことにより下部層表面を平滑化し、ついで、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ4 ：１〜３％、ＣＨ4 ：０．５〜１．５％、Ｈ2 ：残り、
反応雰囲気温度：９００〜９５０℃、
反応雰囲気圧力：２００〜３００Ｔｏｒｒ（２６〜４０ｋＰａ）、
の蒸着条件で、ｌ−ＴｉＣ層を蒸着し、平均結晶粒径０．０１〜０．３μｍの微粒組織を有しかつ縦長成長結晶組織を有する微粒ｌ−ＴｉＣ層を形成した。
【００１４】
上記微粒ｌ−ＴｉＣ層は、下部層と中間層との密着性を高めるとともに、その上に隣接して形成され、中間層として少なくとも必須の層である縦長成長結晶組織のｌ−ＴｉＣＮ層の平均結晶粒径を０．０５〜０．５μｍに微粒化し、その結果、中間層の硬さ、靭性をより一段と向上させ、硬質被覆層の耐摩耗性向上、耐チッピング性向上に寄与する。
ただ、微粒ｌ−ＴｉＣ層の平均層厚が０．２μｍ未満では、隣接するｌ−ＴｉＣＮ層との密着強度向上を期待できず、一方、その平均層厚が１μｍを超えると、隣接するｌ−ＴｉＣＮ層が粗粒化し、耐摩耗性が低下する傾向がみられることから、微粒ｌ−ＴｉＣ層からなる密着性層の平均層厚は０．２〜１μｍと定めた。
【００１５】
中間層：
中間層は、
（ａ）上記密着性層に隣接して形成され、縦長成長結晶組織を有し、平均結晶粒径が０．０５〜０．５μｍのｌ−ＴｉＣＮ層と、
（ｂ）前記密着層（微粒ｌ−ＴｉＣ層）と同種の層で形成され、平均結晶粒径が０．０５〜０．５μｍの縦長成長結晶組織を有するｌ−ＴｉＣＮ層に挟まれた状態で存在する一層又は複数層からなる粗大化防止層と、
（ｃ）粒状結晶組織のＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、縦長成長結晶組織のｌ−ＴｉＣＮ層のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層、
から形成される。
中間層の合計平均層厚が９μｍ未満では、十分な耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮できないばかりか、厚膜化による長寿命化の効果を発揮することができず、一方、その平均層厚が１５μｍを越えると、耐チッピング性、耐欠損性に低下傾向がみられるようになることから、中間層の合計平均層厚は９〜１５μｍと定めた。
【００１６】
（ａ）ｌ−ＴｉＣＮ層
上記中間層の構成層の一つであるｌ−ＴｉＣＮ層は、微粒ｌ−ＴｉＣ層からなる密着層の直上に、また、粗大化防止層を挟んだ状態で蒸着形成されるため、平均結晶粒径０．０５〜０．５μｍの微粒組織を有し、かつ、縦長成長結晶組織を有する微粒ｌ−ＴｉＣＮ層として形成され、その結果、中間層の硬さ、靭性が一段と向上するばかりか層間密着性にもすぐれるため、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期に亘っての耐摩耗性向上が図られる。
【００１７】
（ｂ）粗大化防止層
この発明では、中間層の層厚が９〜１５μｍになるまで厚膜化することによって、被覆工具の長寿命化を図っているが、厚膜化を行った場合に結晶粒の粗大化が生じるので、これを防止するために、中間層に一層又は複数層の粗大化防止層を介在形成する。
粗大化防止層は、前記密着層を構成する微粒ｌ−ＴｉＣ層と同種の層、即ち、平均結晶粒径０．０１〜０．３μｍの微粒組織を有しかつ縦長成長結晶組織を有する平均層厚０．２〜１μｍの微粒ｌ−ＴｉＣ層、で構成する。
そして、粗大化防止層は、微粒ｌ−ＴｉＣＮ層に挟まれた状態で形成されていること（即ち、少なくとも一層の粗大化防止層を挟んだ状態で微粒ｌ−ＴｉＣＮ層が形成されていること）によって、中間層が厚膜として形成された場合にも、中間層の結晶粒の粗大化を防止し、その結果、中間層は微粒組織が維持され、強度、靭性の低下は生じない。
また、粗大化防止層は、その平均層厚が０．２μｍ未満では、密着性層の場合と同様、隣接して存在する微粒ｌ−ＴｉＣＮ層との密着強度向上を期待できず、一方、その平均層厚が１μｍを超えると、隣接して存在するｌ−ＴｉＣＮ層が粗粒化し、耐摩耗性が低下する傾向がみられることから、微粒ｌ−ＴｉＣ層からなる粗大化防止層の平均層厚は０．２〜１μｍと定めた。
また、粗大化防止層を介在形成したことによって、中間層を厚膜化した場合でも中間層に微粒組織が維持されることから、中間層の上に形成される上部層（Ａｌ2 Ｏ3 層）も微粒組織となり、その結果、上部層（Ａｌ2 Ｏ3 層）についても強度の低下を招くことなく厚膜化が可能であり、硬質被覆層全体としての厚膜化、即ち、工具の長寿命化、が可能となる。
粗大化防止層の形成は、微粒ｌ−ＴｉＣＮ層表面上に、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ4 ：１〜３％、ＣＨ4 ：０．５〜１．５％、Ｈ2 ：残り、
反応雰囲気温度：９００〜９５０℃、
反応雰囲気圧力：２００〜３００Ｔｏｒｒ（２６〜４０ｋＰａ）、
の条件で蒸着することにより、平均結晶粒径０．０１〜０．３μｍの微粒組織を有しかつ縦長成長結晶組織を有する微粒ｌ−ＴｉＣ層からなる粗大化防止層を（一層又は複数層）形成することができる。
なお、微粒ｌ−ＴｉＣＮ層表面に、密着性層形成の場合と同様、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で２５〜３５質量％のＡｌ2 Ｏ3微粒を配合した研磨液を、０．１〜０．１５ＭＰａの噴射圧力で噴射してウエットブラストを施すことにより微粒ｌ−ＴｉＣＮ層表面を平滑化し、ついで、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ4 ：１〜３％、ＣＨ4 ：０．５〜１．５％、Ｈ2 ：残り、
反応雰囲気温度：９００〜９５０℃、
反応雰囲気圧力：２００〜３００Ｔｏｒｒ（２６〜４０ｋＰａ）、
の条件で蒸着することによっても、平均結晶粒径０．０１〜０．３μｍの微粒組織を有しかつ縦長成長結晶組織を有する微粒ｌ−ＴｉＣ層からなる粗大化防止層を（一層又は複数層）形成することができる。
【００１８】
上部層：
Ａｌ2 Ｏ3 層からなる上部層には、硬質被覆層の耐摩耗性を維持する作用があるが、その平均層厚が０．５μｍ未満では、長期の使用に亘っての耐摩耗性を確保することができず、一方、その平均層厚が１５μｍを越えると切刃にチッピング、欠損等の異常損傷が発生し易くなることから、その平均層厚を０．５〜１５μｍと定めた。
【００１９】
なお、切削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、必要に応じ上部層表面に蒸着形成してもよいが、この場合の平均層厚は０．１〜１μｍでよい。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。
【００２０】
硬質被覆層の全体平均層厚を１５〜３０μｍとしたのは、その平均層厚が１５μｍ未満では、長期の使用に亘って所望の耐摩耗性を確保することができないばかりか、厚膜化による工具の長寿命化を期待することはできず、一方、その平均層厚が３０μｍを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由から、硬質被覆層の全体平均層厚を１５〜３０μｍと定めた。
【発明の効果】
【００２１】
この発明の被覆工具は、工具基体表面に、窒化チタン層及び縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層（下部層）、少なくとも縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層を含むＴｉ化合物層（中間層）、酸化アルミニウム層（上部層）を化学蒸着で形成した硬質被覆層を備えた被覆工具において、上記下部層と上記中間層との間に、平均結晶粒径０．０１〜０．３μｍの微粒縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層からなる密着性層を介在形成すると、密着性層の上に隣接して形成された縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層は、平均結晶粒径０．０５〜０．５μｍの微粒組織として形成され、その結果、中間層は全体として微粒結晶組織として形成され、また、中間層と密着性層との密着強度も向上し、さらに、中間層の構成層である縦長成長結晶組織を有する微粒炭窒化チタン層を、一層又は複数層の粗大化防止層を挟んで形成し結晶粒の粗大化を抑制したことによって、硬質被覆層の厚膜化が可能となるため、高熱発生を伴い切刃に高負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速高送り切削に用いた場合、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を生じることなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成されるものである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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】
【００２３】
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、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に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００２４】
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・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ａ〜ｆを形成した。
【００２５】
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
（ａ）硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件かつ表５に示される目標層厚でＴｉＮ層及びｌ−ＴｉＣ層を蒸着形成し、
（ｂ）次いで、上記ＴｉＮ層及びｌ−ＴｉＣ層からなる下部層表面に、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で２５〜３５質量％のＡｌ2 Ｏ3微粒を配合した研磨液を、０．１〜０．１５ＭＰａの噴射圧力という範囲内の条件で、ウエットブラストを施し、下部層表面を平滑化し、
（ｃ）次いで、表４に示される条件かつ表５に示される目標層厚で微粒ｌ−ＴｉＣ層からなる密着性層を蒸着形成し、
（ｄ）次いで、表３に示される条件かつ表６に示される組み合わせ、目標層厚でｌ−ＴｉＣＮ層を蒸着形成し、
（ｅ）次いで、上記（ｄ）で形成したｌ−ＴｉＣＮ層表面に、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で２５〜３５質量％のＡｌ2 Ｏ3微粒を配合した研磨液を、０．１〜０．１５ＭＰａの噴射圧力という範囲内の条件で、ウエットブラストを施し、ｌ−ＴｉＣＮ層表面を平滑化し、
（ｆ）次いで、表４に示される条件かつ表６に示される目標層厚で粗大化防止層を蒸着形成し、
（ｇ）次いで、表３に示される条件かつ表６に示される組み合わせ、目標層厚でｌ−ＴｉＣＮ層を蒸着形成し、
（ｈ）次いで、表３に示される条件かつ表６に示される組み合わせ、目標層厚でＴｉ化合物層を蒸着して中間層を形成し、
（ｉ）次いで、表３に示される条件かつ表６に示される組み合わせ、目標層厚で上部層を蒸着形成することにより、本発明被覆工具１〜１３を製造した。
なお、上記（ｅ）のｌ−ＴｉＣＮ層表面平滑化工程は省略することができ、また、上記（ｆ），（ｇ）の粗大化防止層とｌ−ＴｉＣＮ層の交互積層工程は、目標とする粗大化防止層の形成層数、あるいは、目標とする中間層の層厚に応じて、適宜繰り返し行うことができる。
【００２６】
また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、硬質被覆層の下部層、中間層及び上部層として、それぞれ、表３に示される条件かつ表５に示される組み合わせ、目標層厚でＴｉＮ層およびｌ−ＴｉＣ層からなる下部層を蒸着形成し、次いで、表３に示される条件かつ表７に示される組み合わせ、目標層厚でＴｉ化合物層からなる中間層及びＡｌ2 Ｏ3層からなる上部層を蒸着形成することにより、比較被覆工具１〜１３を製造した。
（比較被覆工具１〜１３は、本発明被覆工具１〜１３と異なり、密着性層及び粗大化防止層の形成を行っていない。）
【００２７】
上記本発明被覆工具１〜１３及び比較被覆工具１〜１３の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも表５〜７に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
また、本発明被覆工具１〜１３のｌ−ＴｉＣ層（下部層）、微粒ｌ−ＴｉＣ層（密着性層）、ｌ−ＴｉＣＮ層（中間層）、微粒ｌ−ＴｉＣ層（粗大化防止層）及び比較被覆工具１〜１３のｌ−ＴｉＣ層（下部層）、ｌ−ＴｉＣＮ層（中間層）について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、工具基体表面に平行な面内での結晶粒の平均結晶粒径を測定した。その値を表５〜７に示す。
なお、この発明における平均結晶粒径の測定は、各層の層厚方向の中央部分に工具基体表面と平行な線を引き、該平行な線の長さを、その線と交差した結晶粒界の交点数で割った値を結晶粒径の値とし、さらに、少なくとも５箇所の位置で結晶粒径の値を求め、それらの平均値を算出して平均結晶粒径の値とした。
【００２８】
つぎに、上記本発明被覆工具１〜１３及び比較被覆工具１〜１３について、以下の切削条件Ａ〜Ｃで切削加工試験を実施した。
《切削条件Ａ》
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の丸棒、
切削速度：  ４００  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．４５  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件での合金鋼乾式高速連続切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ．，０．２５        ｍｍ／ｒｅｖ．）、
《切削条件Ｂ》
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：  ５５０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  ２．０  ｍｍ、
送り：  ０．４５  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件での炭素鋼の湿式高速連続切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３５０ｍ／ｍｉｎ．，０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
《切削条件Ｃ》
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の丸棒、
切削速度：  ５００  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  ２．０  ｍｍ、
送り：  ０．４５  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件でのダクタイル鋳鉄湿式高速連続切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３００ｍ／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８に示した。
【００２９】
【表１】
2010207930.tif 000002
【００３０】
【表２】
2010207930.tif 000003
【００３１】
【表３】
2010207930.tif 000004
【００３２】
【表４】
2010207930.tif 000005
【００３３】
【表５】
2010207930.tif 000006
【００３４】
【表６】
2010207930.tif 000007
【００３５】
【表７】
2010207930.tif 000008
【００３６】
【表８】
2010207930.tif 000009
【００３７】
表５〜８に示される結果から、硬質被覆層として、ＴｉＮ層及びｌ−ＴｉＣ層からなる下部層表面にウエットブラストを施し、下部層表面を平滑化した後、微粒ｌ−ＴｉＣ層（密着性層）を形成し、その上に、密着性層に隣接して形成された縦長成長結晶組織を有する微粒ｌ−ＴｉＣＮ層及び該微粒ｌ−ＴｉＣＮ層に挟まれた状態で存在する少なくとも一層の微粒ｌ−ＴｉＣ層（粗大化防止層）を含む中間層を形成し、さらに、中間層の上に上部層を形成した本発明被覆工具は、密着性層と中間層との密着強度が向上するとともに、粗大化防止層によって、結晶粒の微粒化が図られ、これによって硬質被覆層の厚膜化が可能となることにより、より一段と高温硬さ、高温強度が向上するために、高熱発生を伴い切刃に対して高負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速高送り切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を生じることなく、すぐれた耐摩耗性を発揮し、また、工具寿命の延命化が図られ、長期の使用に亘ってすぐれた切削特性を発揮するのに対して、中間層が粗粒である比較被覆工具においては、チッピング等の異常損傷発生によって工具寿命が短く、また、耐摩耗性にも劣るものであった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
上述のように、この発明の被覆工具は、例えば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対して高負荷が作用する高速高送り切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性等を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるから、切削加工の省力化および省エネ化に十分満足に対応できるものである。