(57)【要約】【課題】  ステンレス鋼の高速ミーリング切削加工において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】  炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、（ａ）下部層として、１〜７μｍの合計平均層厚を有する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層以上からなるＴｉ化合物層、（ｂ）上部層として、（１１０）面の配向性指数ＴＣ（１１０）の値が２.０以上、かつ、（００６）面の配向性指数ＴＣ（００６）の値が１．５以上である０．５〜５μｍの平均層厚を有する柱状組織のＡｌ２Ｏ３層、以上（ａ）および（ｂ）からなる硬質被覆層が、１．５〜１０μｍの全体平均層厚で被覆形成された表面被覆切削工具【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で構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、１〜７μｍの合計平均層厚を有する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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、（１１０）面の配向性指数ＴＣ（１１０）の値が２.０以上、かつ、（００６）面の配向性指数ＴＣ（００６）の値が１．５以上である０．５〜５μｍの平均層厚を有する柱状組織のＡｌ２Ｏ３層、
以上（ａ）および（ｂ）からなる硬質被覆層が、１．５〜１０μｍの全体平均層厚で被覆形成された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、高熱発生を伴うステンレス鋼等の高速ミーリング加工において、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、一般に、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）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有するα型酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることも知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、Ｔｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層を被覆形成した被覆工具において、＜００１＞成長方向の柱状のαＡｌ２Ｏ３粒を含むと共に、Ａｌ２Ｏ３層の組織係数ＴＣについて、ＴＣ（００６）を１．４より大きくし、さらに、最も好ましくは４．０より大きくすることにより、硬質被覆層の密着性、硬さ、靭性を改善することが提案されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２に示すように、工具基体表面に、Ｔｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層を被覆形成した被覆工具において、Ａｌ２Ｏ３層の配向性指数ＴＣについて、ＴＣ（００６）を２より大きくし、さらに、二番目に大きい配向性指数ＴＣ（１０４）を、２＞ＴＣ（１０４）＞０．５とした被覆工具が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２５６８６号公報
【特許文献２】特開２００９−２８８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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するとともに、切削時の工具への熱的・機械的負荷も益々増加する傾向にある。
上記の従来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、例えば、これを、ステンレス鋼の高速ミーリング切削加工に用いた場合には、高温時にＡｌ２Ｏ３結晶粒の塑性変形（粒界すべり）が発生し、そのため耐摩耗性が不十分となり、工具寿命が短命であるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の被覆工具の硬質被覆層の耐摩耗性の改善をはかるべく、硬質被覆層の上部層であるＡｌ２Ｏ３層の層構造について鋭意研究を行った結果、高負荷で高熱発生を伴うステンレス鋼の高速ミーリング切削加工において、チッピング、欠損等の発生の恐れがなく、しかも、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の層構造についての知見を得たのである。
【０００８】
つまり、前記特許文献１、２で組織係数あるいは配向性指数と呼ばれているＴＣ値（本発明では、ＴＣ値を、以下、「配向性指数」と呼ぶ。）について検討したところ、ＴＣ（１１０）の値が２．０以上で、かつ、ＴＣ（００６）の値が１．５以上となるようなＡｌ２Ｏ３層を上部層として形成することによって、チッピング、欠損等の発生の恐れがなく、しかも、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を備えた被覆工具を提供し得ることを見出したのである。
【０００９】
硬質被覆層の上部層を構成する従来の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％、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（以下、通常条件という）で形成されている。
【００１０】
しかし、本発明者らは、この蒸着条件を変更し、
まず、第１段階として、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：１〜５％、ＣＯ２：０．５〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ２Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：２０〜３０ｋＰａ、
の条件（通常条件に比して、ＣＯ２ガス含有割合が相対的に低く、反応雰囲気圧を相対的に高くした条件）で、Ａｌ２Ｏ３層の目標層厚の２５〜５０％の層厚になるまで蒸着を行い、
その後、第２段階として、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：１〜５％、ＣＯ２：３〜７％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ２Ｓ：０．５〜１％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａ、
の条件（通常条件に比して、Ｈ2Ｓガスの含有割合が相対的に高い条件）で、目標層厚になるまで蒸着形成することによって、ＴＣ（１１０）の値が２．０以上で、かつ、ＴＣ（００６）の値が１．５以上となるようなＡｌ２Ｏ３層を上部層として蒸着形成することができること、そして、このような第１段階及び第２段階の条件で順次形成された柱状組織のＡｌ２Ｏ３層（以下、このＡｌ２Ｏ３層を「改質Ａｌ２Ｏ３層」という）は、粒界すべりに起因する耐塑性変形性に優れるため、偏摩耗等の発生もなくすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。
【００１１】
本発明の被覆工具は、Ｔｉ化合物層からなる下部層と、前記改質Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を備えることにより、ステンレス鋼の高速切削において、チッピング、欠損等の発生の恐れがなく、しかも、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のである。
【００１２】
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、
「  炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、１〜７μｍの合計平均層厚を有する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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、（１１０）面の配向性指数ＴＣ（１１０）の値が２.０以上、かつ、（００６）面の配向性指数ＴＣ（００６）の値が１．５以上である０．５〜５μｍの平均層厚を有する柱状組織のＡｌ２Ｏ３層、
以上（ａ）および（ｂ）からなる硬質被覆層が、１．５〜１０μｍの全体平均層厚で被覆形成された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。
【００１３】
つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、詳細に説明する。
下部層：
ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層（ｌ−ＴｉＣＮを含む）ＴｉＣＯ層、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、自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、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もつが、その合計平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方その合計平均層厚が７μｍを越えると、ステンレス鋼の高速切削加工でチッピングを起し易くなることから、その合計平均層厚を１〜７μｍと定めた。
【００１４】
上部層（改質Ａｌ２Ｏ３層）：
改質Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、さらに、粒界すべりに起因する塑性変形性にすぐれることによって、偏摩耗の発生もなく、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与する。
改質Ａｌ２Ｏ３層は、既に述べたように、例えば、以下の方法によって成膜することができる。
例えば、通常の化学蒸着装置にて、
まず、≪第１段階≫として、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：１〜５％、ＣＯ２：０．５〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ２Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：２０〜３０ｋＰａ、
の条件（通常条件に比して、ＣＯ２ガス含有割合が相対的に低く、反応雰囲気圧を相対的に高くした条件）で、Ａｌ２Ｏ３層の目標層厚の２５〜５０％の層厚になるまで蒸着を行い、
その後、≪第２段階≫として、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：１〜５％、ＣＯ２：３〜７％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ２Ｓ：０．５〜１％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａ、
の条件（通常条件に比して、Ｈ2Ｓガスの含有割合が相対的に高い条件）で、目標層厚になるまで蒸着形成することによって、ＴＣ（１１０）の値が２．０以上で、かつ、ＴＣ（００６）の値が１．５以上となるような改質Ａｌ２Ｏ３層を上部層として蒸着形成することができる。
この改質Ａｌ２Ｏ３層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を示すばかりでなく、粒界すべりに起因する耐塑性変形性に優れるため、高負荷で高熱発生を伴うステンレス鋼の高速ミーリング切削加工でも、偏摩耗等の発生もなくすぐれた耐摩耗性を発揮する。
【００１５】
また、上記改質Ａｌ２Ｏ３層について、Ｘ線回折により、（０１２）面、（１０４）面、（１１０）面、（００６）面、（１１３）面、（２０２）面、（０２４）面及び（１１６）面の反射強度を求め、これらの値から、（１１０）面の配向性指数ＴＣ（１１０）および（００６）面の配向性指数ＴＣ（００６）の値を求めたところ、改質Ａｌ２Ｏ３層ではＴＣ（１１０）の値が２．０以上で、かつ、ＴＣ（００６）の値は１．５以上であった。
なお、従来Ａｌ２Ｏ３層では、ＴＣ（１１０）およびＴＣ（００６）の値は、それぞれ、
０．１〜０．８、２.８〜５.７であった（表７参照）。
なお、本発明でいう（１１０）面の配向性指数ＴＣ（１１０）および（００６）面の配向性指数ＴＣ（００６）は、上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層についてＸ線回折を行った際の（ｈｋｌ）面から得られるＸ線回折のピーク強度値をＩ（ｈｋｌ）、ＪＣＰＤＳカードＮｏ．４６−１２１２記載の（ｈｋｌ）面の標準回折強度をＩ０（ｈｋｌ）とした場合、
2014166657.tif 000002
2014166657.tif 000003
であるとして定義される。ここで、（ｈｋｌ）は（０１２）、（１０４）、（１１０）、（００６）、（１１３）、（２０２）、（０２４）、（１１６）の８面である。
【００１６】
上記改質Ａｌ２Ｏ３層の配向性指数ＴＣ（１１０）およびＴＣ（００６）について、ＴＣ（１１０）が２未満である場合には、Ａｌ２Ｏ３結晶粒の粒界すべりを抑制するには十分でないため、偏摩耗の発生を防止することができず、そのため、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、また、ＴＣ（００６）が１．５未満である場合には、Ａｌ２Ｏ３層の靭性が不足するため、十分な耐チッピング性、耐欠損性を発揮することができない。
したがって、本発明では、上部層の改質Ａｌ２Ｏ３層の配向性指数ＴＣ（１１０）およびＴＣ（００６）を、それぞれ、２.０以上、１．５以上と定めた。
【００１７】
上部層である改質Ａｌ２Ｏ３層の層厚は、０．５μｍ未満では長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することはできず、一方、５μｍを超えると耐チッピング性が低下するため、改質Ａｌ２Ｏ３層の層厚は０．５〜５μｍと定めた。
また、下部層と上部層からなる硬質被覆層の全体平均層厚は、１．５μｍ未満では長期の使用に亘っての十分な耐摩耗性を発揮し得ず、一方、全体平均層厚が１０μｍを超えると、チッピング、欠損が発生し易くなることから、硬質被覆層の全体平均層厚は、１．５〜１０μｍと定めた。
【００１８】
また、本発明は、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。
さらに、本発明は、改質Ａｌ２Ｏ３層の表面に、表面の平滑化等の目的で、機械的処理（例えば、ウエットブラスト処理、ブラシ処理、弾性砥石処理）等を施すことを何ら制限するものではない。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の被覆工具は、高負荷で高熱発生を伴うステンレス鋼の高速ミーリング切削加工に供した場合でも、硬質被覆層の上部層の改質Ａｌ２Ｏ３層が、すぐれた硬度と耐熱性に加え、すぐれた耐塑性変形性を示すことから、チッピング、欠損、偏摩耗等の発生もなく、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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】
【００２１】
原料粉末として、いずれも２〜５μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2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、表面を研磨し、切刃部にホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３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〜Ｃをそれぞれ製造した。
【００２２】
（ａ）  つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｃ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として、Ｔｉ化合物層を表２に示される条件で、表５に示される組み合わせで、かつ同じく表５に示される目標層厚で蒸着形成し、
（ｂ）ついで、改質Ａｌ２Ｏ３層を、表３に示す条件、即ち、
まず、第１段階として、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：１〜５％の範囲内の所定量、ＣＯ２：０．５〜２％の範囲内の所定量、ＨＣｌ：０．３〜３％の範囲内の所定量、Ｈ２Ｓ：０．０２〜０．４％の範囲内の所定量、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃の範囲内の所定温度、
反応雰囲気圧力：２０〜３０ｋＰａの範囲内の所定圧力、
の条件で、目標層厚の約２５〜５０％の層厚となるまで蒸着し、
その後、第２段階として、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：１〜５％の範囲内の所定量、ＣＯ２：３〜７％の範囲内の所定量、ＨＣｌ：０．３〜３％の範囲内の所定量、Ｈ２Ｓ：０．５〜１％の範囲内の所定量、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃の範囲内の所定温度、
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａの範囲内の所定圧力、
の条件で、表６に示される目標層厚になるまで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。
【００２３】
また、比較の目的で、硬質被覆層の下部層として、Ｔｉ化合物層を表２に示される条件で、表５に示される組み合わせで、かつ同じく表５に示される目標層厚で蒸着形成し、さらに上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を、表４に示される条件で、かつ表７に示される目標層厚で蒸着形成することにより、従来被覆工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２４】
上記本発明被覆工具および従来被覆工具のＡｌ２Ｏ３層についてＸ線回折を行い、（０１２）,（１０４）,（１１０）,（００６）,（１１３）,（２０２）,（０２４）,（１１６）の各面からのＸ線回折強度を測定することにより、ＴＣ（１１０）、ＴＣ（００６）をそれぞれ求めた。
表６、７にこれらの値を示す。
【００２５】
さらに、上記の本発明被覆工具１〜１０および従来被覆工具１〜１０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（同じく縦断面測定）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。
【００２６】
つぎに、上記本発明被覆工具１〜１０及び従来被覆工具１〜１０について、以下に示す条件で、乾式高速ミーリング切削加工試験を実施し、加工パス数をカウントした。（加工する面を1回切削することを１パスとしている）
加工パス数のカウントは、切れ刃逃げ面の摩耗量が基準摩耗量である０．３ｍｍに達した時点における加工パス数を基本とするが、加工の途中で切れ刃の欠損が生じた場合には、その時点で終了している加工パス数をカウントすることとする。なお、加工途中については、加工パス数としてカウントしない。
【００２７】
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４のブロック材（幅５０ｍｍ  長さ２００ｍｍ）
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：ａｅ  ５０ｍｍ、ａｐ  １．５ｍｍ、
一刃送り量：０．２ｍｍ／刃、
（通常の切削速度は、２００ｍ/ｍｉｎ）、
表８に、上記切削試験の結果を示す。
【００２８】
【表１】
2014166657.tif 000004
【００２９】
【表２】
2014166657.tif 000005
【００３０】
【表３】
2014166657.tif 000006
【００３１】
【表４】
2014166657.tif 000007
【００３２】
【表５】
2014166657.tif 000008
【００３３】
【表６】
2014166657.tif 000009
【００３４】
【表７】
2014166657.tif 000010
【００３５】
【表８】
2014166657.tif 000011
【００３６】
表６〜８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が、ＴＣ（１１０）の値が２.０以上、かつ、ＴＣ（００６）の値が１．５以上である柱状組織の改質Ａｌ２Ｏ３層で構成されていることから、高熱発生を伴うステンレス鋼の高速ミーリング切削加工でも、前記改質Ａｌ２Ｏ３層が、粒界すべりの発生に起因する塑性変形による偏摩耗の発生を抑制するとともに、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮することにより、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、ＴＣ（１１０）の値が０.１〜０.８、あるいは、ＴＣ（００６）の値が２．８〜５．７である硬質被覆層の上部層が従来Ａｌ２Ｏ３層である従来被覆工具１〜１０においては、特に、上部層のチッピング、欠損、偏摩耗発生によって、耐摩耗性が劣り、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】
【００３７】
上述のように、この発明の被覆工具は、ステンレス鋼の高速ミーリング切削加工においてすぐれた特性を示し、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。