(57)【要約】【課題】高速切削加工において、優れた耐熱塑性変形性、層間密着強度を示す表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】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、（ａ）下部層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物のいずれか１種又は２種以上からなるＴｉ化合物層、（ｂ）上部層は、Ｙ（イットリウム）を０．１〜２原子％含有するとともに、該上部層についてＸ線回折を行ったときにＹ２Ｏ３の（８４０）面からの回折強度Ｉ（８４０）の値が最大回折強度を示し、かつ、他のＹ２Ｏ３の結晶面で２番目に大きい回折強度Ｉsecとの比の値Ｉ（８４０）／Ｉsecが１．５以上であるＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層、で構成する。【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、下部層と上部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、
（ａ）下部層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物のいずれか１種又は２種以上からなる３〜２０μｍの合計層厚のＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層は、Ｙ（イットリウム）を０．１〜２原子％含有するとともに、該Ｙ（イットリウム）は、Ｙ２Ｏ３としてＡｌ２Ｏ３相中に分散しており、さらに、該上部層についてＸ線回折を行ったときにＹ２Ｏ３の（８４０）面からの回折強度Ｉ（８４０）の値が最大回折強度を示し、かつ、他のＹ２Ｏ３の結晶面で２番目に大きい回折強度Ｉsecとの比の値Ｉ（８４０）／Ｉsecが１．５以上の値を満足するＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層、
からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた熱遮蔽効果を有するとともにすぐれた層間密着強度を有することから、高熱発生を伴う鋼等の高速切削加工においても、熱塑性変形、チッピングを発生することなく、長期の使用に亘って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】
特許文献１に示すように、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、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）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層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、０．０１〜１０質量％のＹ（イットリウム）を含有し、かつ、該Ｙ（イットリウム）がＡｌ2Ｏ3の粒界に存在してなるＹ含有Ａｌ2Ｏ3層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具（以下、従来被覆工具という）が知られており、この従来被覆工具はＡｌ2Ｏ3の結晶粒界強度が高められているため、結晶粒の脱落がなく、切削耐久特性が向上することが知られている。
【０００３】
また、特許文献２に示すように、耐摩耗性の複合セラミックコーティングを基材に付着させる方法として、酸化アルミニウム、酸化イットリウム或いは酸化ジルコニウムから成る連続金属酸化物相内に酸化アルミニウム、酸化イットリウム或いは酸化ジルコニウムから成る不連続金属酸化物を離散した第二相として分散させ該コーティングを形成することも知られているが、このようなコーティングで切削工具の硬質被覆層を形成した場合には、連続金属酸化物を構成する結晶粒の粒界強度が十分ではないため、厳しい切削条件下では、連続金属酸化物の結晶粒の脱落等により、満足できる工具特性を備えているとはいえない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１５４号公報
【特許文献２】特開昭６３−１９２８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、例えば、上記従来被覆工具においては、これを低合金鋼や炭素鋼などの通常条件の切削加工に用いた場合には特に問題はないが、特にこれを、高熱発生を伴う鋼等の高速切削加工に用いた場合には、硬質被覆層の層間密着強度および耐熱遮蔽効果が満足できるものでないため、切刃部にチッピング（微少欠け）、欠損、剥離を発生しやすくなり、また、耐熱性も十分でないため熱塑性変形による偏摩耗も生じやすくなり、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】
【０００６】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合にも、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
【０００７】
上記の従来被覆工具におけるＹ含有Ａｌ2Ｏ3層は、
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％、ＹＣｌ3：０．００５〜０．５％、ＣＯ2：３〜８％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：  １０００〜１０２０  ℃、
反応雰囲気圧力：  ５〜１０  ｋＰａ、
の条件で蒸着形成することができるが、
同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＹＣｌ3：０．１〜０．６％、ＣＯ2：４〜８％、ＨＣｌ：１〜５％、Ｈ2Ｓ：０．１〜０．５％、Ａｒ：５〜２０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：  ９８０〜１０２０  ℃、
反応雰囲気圧力：  ５〜８  ｋＰａ、
の条件で、下部層であるＴｉ化合物層の表面に化学蒸着をおこなうと、Ｙ（イットリウム）を０．１〜２原子％含有する（但し、Ｙ含有量は、各元素をモルで表した場合、Ｙ／（Ａｌ＋Ｏ＋Ｙ）×１００で表される原子％である）とともに、Ｙ（イットリウム）が、Ｙ２Ｏ３としてＡｌ２Ｏ３相中に分散したＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層が上部層として蒸着形成される。
さらに、Ａｌ２Ｏ３相中に均一に分散する上記Ｙ２Ｏ３について、Ｘ線回折によりその配向性を調査すると、（２２２）、（４０−２）、（００３）、（８４０）面に回折ピークが存在するが、その中で（８４０）面の回折強度が大きく、（８４０）面の回折強度Ｉ（８４０）と、第２ピークの面の回折強度Ｉsecとの回折強度の比Ｉ（８４０）／Ｉsecの値が１．５以上であることから、上記Ｙ２Ｏ３は、（８４０）面、即ち、（２１０）面に高配向性を有することがわかる。
【０００８】
そして、下部層であるＴｉ化合物層上に、上記Ｙ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成することにより硬質被覆層を構成したところ、このような構造の硬質被覆層を有する被覆工具は、高熱発生を伴う高速切削条件下においても、一段とすぐれた層間密着強度と熱遮蔽性を有することにより、すぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮することを見出した。
【０００９】
この発明は、上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、
（ａ）下部層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物のいずれか１種又は２種以上からなる３〜２０μｍの合計層厚のＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層は、Ｙ（イットリウム）を０．１〜２原子％含有するとともに、該Ｙ（イットリウム）は、Ｙ２Ｏ３としてＡｌ２Ｏ３相中に分散しており、さらに、該上部層についてＸ線回折を行ったときにＹ２Ｏ３の（８４０）面からの回折強度Ｉ（８４０）の値が最大回折強度を示し、かつ、他のＹ２Ｏ３の結晶面で２番目に大きい回折強度Ｉsecとの比の値Ｉ（８４０）／Ｉsecが１．５以上の値を満足するＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層、
から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。
【００１０】
以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、より詳細に説明する。
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、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化合物層は、基本的には上部層であるＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた靭性及び耐摩耗性によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、工具基体とＹ２Ｏ３分散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強度向上にも寄与する作用を有するが、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、特に高熱発生を伴う高速切削条件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、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
【００１１】
（ｂ）Ｙ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層（上部層）
Ｙ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、例えば、通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＹＣｌ3：０．１〜０．６％、ＣＯ2：４〜８％、ＨＣｌ：１〜５％、Ｈ2Ｓ：０．１〜０．５％、Ａｒ：５〜２０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：  ９８０〜１０２０  ℃、
反応雰囲気圧力：  ５〜８  ｋＰａ、
の条件で、下部層であるＴｉ化合物層の表面に化学蒸着を行うことにより、形成することができる。
【００１２】
下部層の上に化学蒸着されたＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、その構成成分であるＡｌ成分が、層の高温硬さおよび耐熱性を向上させる。
また、Ｙ換算で０．１〜２原子％（Ｙ（モル）／（Ａｌ（モル）＋Ｏ（モル）＋Ｙ（モル）×１００の値）のＹ２Ｏ３が、層の主体相を構成するＡｌ２Ｏ３相中に均一に分散する組織状態を形成することにより、下部層との層間密着強度が向上するとともに、上部層の耐熱性がより一層向上し、さらに、分散相であるＹ２Ｏ３が（２１０）面に高配向していることにより、上部層の熱遮蔽効果が高まり、熱塑性変形による偏摩耗の発生を防止する。
上部層におけるＹの含有割合が０．１原子％未満では、Ａｌ２Ｏ３相中にＹ２Ｏ３が均一に分散する組織状態を形成することができず、一方、Ｙ含有割合が２原子％を超えると、上部層の主体相を構成するＡｌ２Ｏ３層の高温強度が低下するようになるため、上部層におけるＹの含有割合を０．１〜２原子％と定めた。
また、Ｙ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層の層厚が２μｍ未満では、熱遮蔽効果が十分でないため、熱塑性変形、偏摩耗の発生を防止するに不十分であり、一方、層厚が１５μｍを超えると、チッピングなどの異常損層を発生しやすくなることから、上部層の層厚は２〜１５μｍとすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記のとおり、この発明の被覆工具は、Ｔｉ化合物層からなる下部層上に、Ｙ（イットリウム）を０．１〜２原子％含有するとともに、該Ｙ（イットリウム）は、Ｙ２Ｏ３としてＡｌ２Ｏ３相中に分散しており、さらに、該Ｙ２Ｏ３は（２１０）面に高配向性を有するＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層を上部層として蒸着形成したことにより、下部層−上部層間の層間密着強度が増すとともに、上部層の耐熱性、熱遮蔽効果が向上するため、高熱発生を伴う高速切削加工において、チッピング、欠損、剥離を生じないばかりか、熱塑性変形による偏摩耗を発生することもなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の一層の延命化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明被覆工具１の硬質被覆層の上部層であるＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層について測定したＸ線回折チャートを示す。
【図２】従来被覆工具１の硬質被覆層の上部層であるＹ含有Ａｌ２Ｏ３層について測定したＸ線回折チャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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】
【００１６】
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１．３Ｐａ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・ＣＮＭＧ１２０４０８ＭＡ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〜Ｅをそれぞれ製造した。
【００１７】
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・ＣＮＭＧ１２０４０８ＭＡのチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｅを形成した。
【００１８】
ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅ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、
ついで、表４に示される条件にて、表６に示される目標層厚のＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００１９】
また、比較の目的で、硬質被覆層の下部層を表３に示される条件にて形成し、上部層を表５に示される条件（特許文献１に開示されたＹ含有Ａｌ2Ｏ3層の蒸着条件に相当）にて形成することにより、表７に示される目標層厚のＴｉ化合物層とＹ含有Ａｌ2Ｏ3層からなる硬質被覆層を設けた従来被覆工具１〜１０をそれぞれ製造した。
なお、従来被覆工具１〜１０の工具基体種別、下部層種別及び下部層厚は、それぞれ、本発明被覆工具１〜１０のそれと同じである。
【００２０】
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１０の硬質被覆層の上部層を構成するＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層、および、従来被覆工具１〜１０の硬質被覆層の上部層を構成するＹ含有Ａｌ２Ｏ３層について、Ｘ線回折により、Ｙ２Ｏ３存在の有無と配向性を、また、エネルギー分散型Ｘ線回折装置内蔵の透過型電子顕微鏡により、結晶粒内部と結晶粒界部のＹ量を分析した。
Ｘ線回折の測定条件は次のとおりである。
通常のＸ線回折装置を用い、Ｘ線管中に設置されたＣｕ陽極（ターゲット）に対して、電圧４０ｋＶ、電流３５０ｍＡの条件で金属Ｗフィラメントから発生させた熱電子を加速照射することにより、前記Ｃｕ陽極表面から０．１５４ｎｍの波長を有する特性Ｘ線であるＣｕ−Ｋα線を発生させ、前記特性Ｘ線をＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層表面、Ｙ含有Ａｌ２Ｏ３層表面に照射し、該層から散乱したＸ線のうち、該層表面に対するＸ線入射角度θと等しい角度で回折したＸ線の強度をＸ線検出器にて測定することにより行った。また、このときの測定範囲は、θ＝７．５〜６５°である。
図１に、本発明被覆工具１について測定したＸ線回折チャートを示すが、このチャートから、（２２２）、（４０−２）、（００３）、（８４０）面に回折ピークが存在するが、その中で（８４０）面の回折強度Ｉ（８４０）が一番大きく、Ｉ（８４０）と第２ピークの回折強度Ｉsecとの回折強度比Ｉ（８４０）／Ｉsecの値が１．５以上であることから、Ｙ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層のＹ２Ｏ３相は、（８４０）面、即ち、（２１０）面に高配向性を有することがわかる。
参考のために、従来被覆工具１〜１０のＡｌ２Ｏ３相の粒界に存在するＹ２Ｏ３相についても、Ｘ線回折により、面配向性を調査した。
図２に、従来被覆工具１について測定したＸ線回折チャートを示すが、このチャートでは、Ｙ２Ｏ３回折ピークが存在していなかった。
表６、７に、Ｘ線回折で測定したＹ２Ｏ３相の有する最強面指数を示す。表６、７から、本発明被覆工具の上部層のＹ２Ｏ３相は、（２１０）面への高い配向性を示すのに対して、従来被覆工具の上部層では、Ｙ２Ｏ３相が存在していないことがわかる。
また、前記エネルギー分散型Ｘ線回折装置内蔵の透過型電子顕微鏡による結晶粒内部と結晶粒界部のＹ量の分析結果から、本発明被覆工具の上部層におけるＹ２Ｏ３相の存在個所は、結晶粒界のみではないことがわかる。
【００２１】
ついで、本発明被覆工具１〜１０、従来被覆工具１〜１０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）したが、いずれもの場合も、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１〜１０、従来被覆工具１〜１０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・Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：  ４６０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．３  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式高速連続切削試験（通常の切削速度は、２５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  ４００  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．２  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ｂという）でのクロムモリブデン合金鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は、３００ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の丸棒、
切削速度：  ３５０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．２  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ｃという）でのニッケルクロムモリブデン合金鋼の乾式高速連続切削試験（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８に示した。
【００２３】
【表１】
2010158733.tif 000002
【００２４】
【表２】
2010158733.tif 000003
【００２５】
【表３】
2010158733.tif 000004
【００２６】
【表４】
2010158733.tif 000005
【００２７】
【表５】
2010158733.tif 000006
【００２８】
【表６】
2010158733.tif 000007
【００２９】
【表７】
2010158733.tif 000008
【００３０】
【表８】
2010158733.tif 000009
【００３１】
表８〜１０に示される結果から、本発明被覆工具１〜１０は、硬質被覆層の上部層を構成するＹ２Ｏ３分散Ａｌ２Ｏ３層が、優れた層間密着強度、耐熱性及び熱遮蔽効果を有することから、高熱発生を伴う高速切削加工において、チッピング、欠損、剥離を生じないばかりか、熱塑性変形による偏摩耗を発生することもなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、硬質被覆層の上部層がＹ含有Ａｌ２Ｏ３層からなる従来被覆工具１〜１５においては、チッピング、欠損、剥離の発生あるいは熱塑性変形による偏摩耗の発生によって、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】
【００３２】
上述のように、この発明の被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常条件の切削加工は勿論のこと、高熱発生を伴う高速切削加工でも、チッピング、偏摩耗等の発生なく、すぐれた耐摩耗性を示し、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。
【図１】
2010158733.tif 000010
【図２】
2010158733.tif 000011