(57)【要約】【課題】Ａｌ合金等の軟質被削材の切削加工において、すぐれた化学的安定性と潤滑性を発揮する表面被覆切削工具を提供すること。【解決手段】  炭化タングステン基超硬合金製工具基体表面に、  下部層として、平均層厚０．５〜３μmを有するＣｒとＡｌの複合窒化物（組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ）Ｎで表した場合、好ましくは、０．４≦Ｘ（原子比）≦０．７）層、上部層として、平均層厚０．５〜２μmを有するＦｅとＴｉの複合酸化物（組成式：Ｆｅ２ＴｉＹＯ２＋２Ｙで表した場合、好ましくは、０．８≦Ｙ（原子比）≦１．２）層からなる硬質被覆層を蒸着形成する。【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製工具基体表面に、
下部層として、平均層厚０．５〜３μmを有するＣｒとＡｌの複合窒化物層、
上部層として、平均層厚０．５〜２μmを有するＦｅとＴｉの複合酸化物層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具。
【請求項２】
上記の下部層を、
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ）Ｎ
で表した場合、Ｘの値が、０．４≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘは原子比）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層、
上記の上部層を、
組成式：Ｆｅ２ＴｉＹＯ２＋２Ｙ
で表した場合、Ｙの値が、０．８≦Ｙ≦１．２（但し、Ｙは原子比）を満足するＦｅとＴｉの複合酸化物層、
である請求項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】
本発明は、Ａｌ合金等の軟質被削材の切削加工において、すぐれた化学的安定性と潤滑性を発揮する炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金製表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＷＣ基超硬合金製工具基体（以下、工具基体という）の表面に、ＣｒとＡｌの複合窒化物（以下、ＣｒＡｌＮで示す）系硬質膜を被覆することにより、切削工具の耐欠損性、耐摩耗性等を高め、切削工具としての特性向上を図ることが行われている（特許文献１参照）。
また、工具特性をさらに高めるため、硬質被覆層の上部層として、種々の酸化物被膜を形成することも行われている。
例えば、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等の下部層の上に、Ｓｉ，Ｚｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒのうちの一種以上の酸化物からなる上部層を形成して硬質被覆層を構成することにより、被覆工具の潤滑性を高めることが知られている（特許文献２参照）。
また、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＣｒＮ等の下部層の上に、Ａｌ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂのうちの少なくとも一種以上の酸化物からなる上部層を形成して、被覆工具の靭性、耐摩耗性を改善し、工具寿命の延命化を図ることも知られている（特許文献３参照）。
さらに、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の窒化物を下部層として、その上に、（Ｍｅ）αＡｌ２Ｏ３＋α型（但し、Ｍｅは、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｓｎの内の一種以上で、０＜α≦１）のアルミニウム・スピネル化合物からなる上部層を形成して、耐摩耗性を向上させることも知られている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−４１１２７号公報
【特許文献２】特開２０００−２３３３２４号公報
【特許文献３】特開２００５−２６２３５６号公報
【特許文献４】特表２００２−５４３９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工のドライ化等による環境調和に対する要求は強く、これに伴い、多種類の被削材に対応し得る汎用性のある被覆工具が求められているが、上記従来の各種被覆工具においては、鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じないが、これを、Ａｌ合金等の軟質被削材の乾式切削加工に用いた場合には、切刃表面に溶着を生じ、これが原因で、バリが生じ、仕上げ面粗さが悪化してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、軟質被削材の高速切削加工において、長期の使用に亘って優れた耐溶着性を発揮する被覆工具の層構造について鋭意研究した結果、次のような知見を得た。
【０００６】
ＷＣ基超硬合金製工具基体の表面に、下部層として、ＣｒとＡｌの複合窒化物（ＣｒＡｌＮ）を形成し、この上に、上部層として、ウルボスピネルのＦｅとＴｉの複合酸化物（Ｆｅ２ＴｉＯ４）層を蒸着形成した被覆工具は、下部層のＣｒＡｌＮ層によって、所定の高温強度、高温硬さ、耐熱性および耐高温酸化性が確保され、また、上部層のＦｅ２ＴｉＯ４層は、乾式切削加工時に発生する高熱によっても優れた化学的安定性を示すと同時に、軟質被削材との潤滑性に優れ、その結果、被削材との溶着を発生することもなく、バリの発生を抑え、仕上げ面粗さが長期に亘って維持されること。
【０００７】
本発明は、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製工具基体表面に、
下部層として、平均層厚０．５〜３μmを有するＣｒとＡｌの複合窒化物層、
上部層として、平均層厚０．５〜２μmを有するＦｅとＴｉの複合酸化物層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具。
（２）  上記の下部層を、
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ）Ｎ
で表した場合、Ｘの値が、０．４≦Ｘ≦０．７（但し、Ｘは原子比）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物層、
上記の上部層を、
組成式：Ｆｅ２ＴｉＹＯ２＋２Ｙ
で表した場合、Ｙの値が、０．８≦Ｙ≦１．２（但し、Ｙは原子比）を満足するＦｅとＴｉの複合酸化物層、
である前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
【０００８】
本発明について、以下に説明する。
【０００９】
下部層：
硬質被覆層の下部層は、平均層厚０．５〜３μmの高温硬さ、耐熱性および耐高温酸化性に優れたＣｒとＡｌの複合窒化物（ＣｒＡｌＮ）層で形成するが、下部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつ高温硬さ、耐熱性および耐高温酸化性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が３μｍを越えると、欠損が生じ易くなることから、その平均層厚を０．５〜３μｍと定めた。
また、ＣｒＡｌＮ層からなる下部層を、
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ）Ｎ層
で表した場合、Ｘの値が、０．４〜０．７（但し、Ｘは原子比）であることが好ましい。
即ち、Ｃｒ成分は所定の高温強度の維持に寄与し、Ａｌ成分は高温硬さ、耐熱性、耐高温酸化性の向上に寄与するが、Ａｌの含有割合Ｘが０．７を超えると耐高温酸化性は向上するものの、Ｃｒ含有割合の相対的な減少によってＢ１結晶構造を保つことが困難となり、耐摩耗性が著しく低下し、一方、Ａｌの含有割合Ｘが０．４未満になると、高温硬さ、耐熱性が低下し、その結果、耐摩耗性の低下がみられるようになることから、Ａｌの含有割合を示すＸの値は０．４〜０．７とすることが好ましい。
また、ＣｒＡｌＮ層からなる下部層は、所望の組成に応じたＣｒ−Ａｌ合金をカソードとし、通常用いられるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法によって成膜することができる。
【００１０】
上部層：
硬質被覆層の上部層は、平均層厚０．５〜２μmのＦｅとＴｉの複合酸化物層で形成するが、上部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、軟質被削材に対する優れた潤滑性を十分に発揮することができず、一方その平均層厚が２μｍを越えると、耐摩耗性が低下傾向を示すようになることから、その平均層厚を０．５〜２μｍと定めた。
また、上部層のＦｅとＴｉの複合酸化物層は、ウルボスピネルのＦｅとＴｉの複合酸化物が好ましいが、必ずしも、厳密に、Ｆｅ２ＴｉＯ４のような化学量論比を有する必要はなく、上部層を、
組成式：Ｆｅ２ＴｉＹＯ２＋２Ｙ
で表した場合に、Ｙの値は、０．８〜１．２（但し、Ｙは原子比）であれば良い。  
つまり、Ｆｅ２ＴｉＹＯ２＋２Ｙ（但し、０．８≦Ｙ≦１．２）において、Ｙの値が１．２を超えると、ウルボスピネルとウルボスピネルよりも硬度の劣るイルメナイト（ＦｅＴｉＯ３）との混合相となる。また、Ｙの値が０．８未満になると、ウルボスピネルとウルボスピネルよりも硬度の劣るウスタイト（Ｆｅ１−ＺＯ：但し、０≦Ｚ＜０．７５））との混合相となる。そのため、いずれの場合も、高温硬さが低下し、その結果、耐摩耗性が低下してしまうことから、Ｙの値は０．８〜１．２とすることが好ましい。
なお、この発明では、ＦｅとＴｉの複合酸化物、および、Ｆｅ２ＴｉＹＯ２＋２Ｙ（但し、０．８≦Ｙ≦１．２）で示される組成のＦｅとＴｉの複合酸化物を含め、包括的に、Ｆｅ２ＴｉＯ４で表現することとする。
また、Ｆｅ２ＴｉＯ４層は、同組成のターゲットを使用したスパッタリングにより成膜することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上記のとおり、本発明では、ＷＣ基超硬合金製工具基体の上に、下部層としてＣｒＡｌＮ層を、また、上部層としてＦｅ２ＴｉＯ４層を蒸着形成することにより硬質被覆層を構成しているので、Ａｌ合金等の軟質被削材の乾式切削加工において、被削材との溶着発生を防止し得ることにより、バリの発生を抑え、仕上げ面粗さが切削の長期の使用に亘って維持される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の被覆工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置とスパッタリング（ＳＰ）装置を併設した蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の表面被覆切削工具を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１４】
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、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 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、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＣＧＴ０９Ｔ３０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製工具基体（以下、単に、ＷＣ超硬基体という）１〜１０を形成した。
【００１５】
【表１】
2011036933.tif 000002
【００１６】
ついで、図１に示される成膜装置、即ち、Ｆｅ２ＴｉＯ４焼結体ターゲットを備えたスパッタリング装置およびＣｒ−Ａｌ合金ターゲットを備えたアークイオンプレーティング装置を併設した成膜装置の内部にＷＣ超硬基体を装着し、
上記のＷＣ超硬基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、前記装置内に自転公転自在に支持装着し、
（ａ）まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４５０〜６００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入し、１．５ＰａのＡｒガス雰囲気とし、ＷＣ超硬基体に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、前記ＷＣ超硬基体をＡｒガスボンバード洗浄し、
（ｂ）ついで、装置内を５００℃とした状態で、Ｎ２ガスを導入し２．６６ＰａのＮ２ガス雰囲気とし、前記回転テーブル上で自転しながら回転するＷＣ超硬基体に５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ｃｒ−Ａｌ合金カソード電極とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、ＷＣ超硬基体表面に表２に示される目標層厚、目標組成のＣｒＡｌＮ層からなる下部層を蒸着形成し、
（ｃ）ついで、前記装置内の温度を５００℃とした状態で、０．１Ｐａのアルゴンガス雰囲気中で、前記回転テーブル上で自転しながら回転するＷＣ超硬基体に５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ｆｅ２ＴｉＯ４焼結体のターゲットに１ｋＷ出力の高周波電源を用いてスパッタを行うことにより、前記ＷＣ超硬基体の表面に表２に示される目標層厚、所定組成のＦｅ２ＴｉＯ４層からなる上部層を蒸着形成することにより、
本発明被覆工具としての本発明インサート１〜１０を作製した。
【００１７】
比較のため、上記実施例で使用したＷＣ超硬基体１〜１０の表面に、本発明被覆インサート１〜１０と同じ目標層厚、目標組成のＣｒＡｌＮ層からなる下部層を形成した後、スパッタリングにより、表３に示される種々の酸化物からなる上部層を、表３に示される目標層厚で蒸着形成することにより、
比較例被覆工具としての比較例インサート１〜１０を作製した。
【００１８】
上記本発明インサート１〜１０、比較例インサート１〜１０について、下部層（ＣｒＡｌＮ層）および上部層の組成を、オージェ電子分光分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
さらに、本発明インサート１〜１０、比較例インサート１〜１０の各層の層厚を走査型電子顕微鏡を用いて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値（５ヶ所の平均値）を示した。
これらの測定値を、表２、表３に示す。
【００１９】
【表２】
2011036933.tif 000003
【００２０】
【表３】
2011036933.tif 000004
【００２１】
上記の本発明インサート１〜１０と比較例インサート１〜１０を用い、以下の条件で切削加工試験を実施した。
《切削条件１》
被削材：ＪＩＳ・Ａ１０５０の丸棒、
切削速度：７００  ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１  ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：１  ｍｍ、
切削時間：１０  分
の条件での、Ａｌ合金の乾式切削加工試験、
《切削条件２》
被削材：ＪＩＳ・Ａ１０５０の丸棒、
切削速度：５０  ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．０５  ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：６  ｍｍ、
切削時間：１０  分
の条件での、Ａｌ合金の乾式低速切削加工試験、
を行い、被削材の表面粗さを、ＪＩＳ・Ｂ０６３３に従うＲｚ最大高さ粗さにて評価した。
表４に、測定結果を示す。
【００２２】
【表４】
2011036933.tif 000005
【００２３】
表４に示される結果から、本発明のＷＣ基超硬合金製表面被覆切削工具１〜１０は、高温強度、高温硬さ、耐熱性および耐高温酸化性に優れたＣｒＡｌＮ層を下部層として備え、この上に、化学的安定性にすぐれるとともに潤滑性に優れるＦｅ２ＴｉＯ４層を上部層として蒸着形成していることから、Ａｌ合金等の軟質被削材の乾式切削加工において、溶着の発生を防止でき、バリの発生を抑え、仕上げ面粗さが良好であった。
これに対して、比較例のＷＣ基超硬合金製表面被覆切削工具１〜１０においては、上部層の耐溶着性が十分でないことから、要求される仕上げ面粗さが得られないことが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
上述のように、この発明のＷＣ基超硬合金製表面被覆切削工具は、Ａｌ合金等の軟質被削材の乾式切削加工用の切削工具として好適であり、切削加工のドライ化等による環境調和に対する要求に十分満足に対応できるものであるが、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工にも使用可能であることは勿論である。
【図１】
2011036933.tif 000006