(57)【要約】【課題】硬質被覆層と工具基体との密着性を向上させ、鋼、鋳鉄の旋削高送り加工において、優れた耐剥離性および耐チッピング性を発揮する被覆工具を提供する。【解決手段】工具基体の表面に下部層と上部層とを含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具において、前記下部層は平均層厚が５．０〜１５．０μｍのＴｉＣＮ層であり、前記上部層は平均層厚が３．０〜１０．０μｍのＡｌ２Ｏ３層であり、前記工具基体の表面近傍には、８００ＭＰａ以上の圧縮応力が残留し、前記ＴｉＣＮ層において、ホーニング加工部を有する刃先稜線部近傍には、１００〜３００ＭＰａの引張応力が残留し、ランダム粒界比率が７０〜８７％であること、を特徴とする表面被覆切削工具。【選択図】図１
2019171486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具基体の表面に下部層と上部層とを含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具において、
前記下部層は平均層厚が５．０〜１５．０μｍのＴｉＣＮ層であり、
前記上部層は平均層厚が３．０〜１０．０μｍのＡｌ２Ｏ３層であり、
前記工具基体の表面近傍には、８００ＭＰａ以上の圧縮応力が残留し、
前記ＴｉＣＮ層において、ホーニング加工部を有する刃先稜線部近傍には、１００〜３００ＭＰａの引張応力が残留し、ランダム粒界比率が７０〜８７％であること、
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、鋼・鋳鉄の旋削高送り断続加工において硬質被覆層が優れた耐チッピング性および優れた工具基体との密着性を発揮する、長寿命の表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削工具の切削性能の改善を目的として、従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットあるいは立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結体で構成された工具基体（以下、これらを総称して基体ということがある）の表面に、硬質被覆層として、Ｔｉの複合窒化物層等を蒸着法により被覆形成した被覆工具があり、これらは、優れた耐摩耗性を発揮することが知られている。
前記従来のＴｉの複合窒化物層等を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高送り切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいため硬質被覆層の改善や基材との密着性の向上についての種々の提案がなされている。
【０００３】
例えば、工具基体と硬質被覆層に存在する応力に着目して、特許文献１には、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物，窒化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の硬質相と、Ｎｉ、Ｃｏ又はＮｉ−Ｃｏ合金を主成分とする結合相からなる焼結合金の基体の表面に化学蒸着法により被膜を被覆してなる被覆工具において、該結合相は２〜１２重量％からなり、該基体の表面部に存在する該硬質相は３０〜８０ｋｇ／ｍｍ2の圧縮応力が付与されており、該被膜は２０ｋｇ／ｍｍ2以下の圧縮応力が付与されているか、もしくは応力が付与されてないことを特徴とする被覆工具が記載されている。
【０００４】
また、例えば、硬質被覆層の結晶構造に注目して、特許文献２には、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）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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酸化アルミニウム層、
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表面被覆サーメット製切削工具において、
上記（ａ）のＴｉ化合物層のうちの１層を、反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：０．１〜０．８％、ＣＨ３ＣＮ：０．０５〜０．３％、Ａｒ：１０〜３０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：９３０〜１０００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件で、２．５〜１５μｍの平均層厚に化学蒸着形成してなると共に、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、所定領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記表面研磨面の法線に対する、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にＴｉ、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出すると共に、前記構成原子共有格子点間に存在する構成原子を共有しない格子点の数：Ｎ（この場合、ＮはＮａＣｌ型立方晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮ：２８を上限とする）毎に定めたΣＮ＋１で表される構成原子共有格子点形態（単位形態）のそれぞれの分布割合を算出し、Σ３〜Σ２９のそれぞれの単位形態の分布割合を、前記Σ３〜Σ２９の単位形態全体の合計分布割合に占める割合で示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークが存在し、かつ前記Σ３の分布割合が前記単位形態全体の合計分布割合の６５〜８０％を占める構成原子共有格子点分布グラフを示す炭窒化チタン層、
で構成したことを特徴とする高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１０８２５８号公報
【特許文献２】特許第４５１８２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、高速高送り加工をすることが望まれ、被覆工具には、より一層、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の耐異常損傷性の向上、強いては工具としての長寿命が求められている。
【０００７】
しかし、特許文献１に記載された被覆工具のように硬質被覆層に圧縮応力が付与されていると、切削時の衝撃で発生したクラックの進展を抑止することができず、被覆層が剥離し早期に工具寿命になってしまう。
【０００８】
また、特許文献２に記載された切削工具では、ＴｉＣＮ膜のΣ３の分布割合が高いため耐摩耗性に優れるものの、加工時に発生したクラックを抑止することができずチッピングが発生し、早期に工具寿命になってしまうことがある。
【０００９】
そこで、硬質被覆層と工具基体との密着性を向上させ、鋼、鋳鉄の旋削高送り断続加工において、優れた耐剥離性および耐チッピング性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者が、工具基体と硬質被覆層との密着性について鋭意検討を行ったところ、工具基体に適正な範囲の圧縮応力、硬質被覆層には適正な範囲の引張応力が作用し、Σ３の分布割合を所定値以下（ランダム粒界の割合を所定値以上）にすることにより、切削加工時に発生したクラックがＴｉＣＮ膜のランダム粒界に沿って伝播するとともに粒界に吸収され、仮に、ＴｉＣＮ膜内でクラック伝播を抑止できなかったときでも、圧縮応力が付与された母材表面でクラック伝播は抑止され、硬質被覆層の欠損には至らないという新規な知見を得て、本発明を導出したのである。
【００１１】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「工具基体の表面に下部層と上部層とを含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具において、
前記下部層は平均層厚が５．０〜１５．０μｍのＴｉＣＮ層であり、
前記上部層は平均層厚が３．０〜１０．０μｍのＡｌ２Ｏ３層であり、
前記工具基体の表面近傍には、８００ＭＰａ以上の圧縮応力が残留し、
前記ＴｉＣＮ層において、ホーニング加工部を有する刃先稜線部近傍には、１００〜３００ＭＰａの引張応力が残留し、ランダム粒界比率が７０〜８７％であること、
を特徴とする表面被覆切削工具。」
である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の表面被覆切削工具は、切削加工時に発生したクラックをランダム粒界に沿って伝搬させて吸収し、仮に、ＴｉＣＮ膜内でクラック伝播を抑止できなかったときでも、圧縮応力が付与された母材表面でクラック伝播は抑止され、硬質被覆層の欠損には至らないため、鋼・鋳鉄の旋削高送り断続加工において硬質被覆層が優れた耐チッピング性および優れた基体との密着性を有するという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の刃先稜線部近傍を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の表面被覆切削工具について、より詳細に説明する。
【００１５】
工具基体：
本発明の表面被覆切削工具に用いる工具基体は、表面被覆切削工具の工具基体としてごく普通に使用されている、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットあるいはｃＢＮ基超高圧焼結体で構成された工具基体を用いることができる。
本発明でいう「工具基体の表面近傍」とは、工具基体表面から工具内部側に深さ５μmまでの範囲をいう。
【００１６】
本発明において、工具基体表面近傍には、８００ＭＰａ以上の圧縮応力が残留している。圧縮応力の下限値を８００ＭＰａとした理由は、８００ＭＰａよりも小さいと耐欠損性が十分ではないためである。なお、上限値は特に規定されないが、１３００ＭＰａを超える圧縮応力の付与は、実質的に困難である。なお、この工具基体表面近傍の圧縮応力は、上記範囲の最大値をいう。
【００１７】
硬質被覆層：
本発明の硬質被覆層は、工具基体の表面から順に、下部層、上部層を含む。
下部層は、ＴｉＣＮ層であり、その平均層厚は５〜１５μｍである。平均層厚をこの範囲とした理由は、５μｍ未満であると耐摩耗性が十分ではなく、１５μｍを超えると耐チッピング性が低下するためである。
上部層は、Ａｌ２Ｏ３層であり、その平均層厚は３〜１０μｍである。平均層厚をこの範囲とした理由は、３μｍ未満であると耐摩耗性が十分ではなく、１０μｍを超えると耐チッピング性が低下するためである。
【００１８】
本発明において、硬質被覆層の刃先稜線部近傍は、ホーニング加工を施している。ここで、刃先稜線近傍とは、図１に示すように、すくい面と逃げ面とをそれぞれ直線で近似し、それらの直線を延長したときの両直線が交差する交点から、それぞれの直線に沿ってすくい面側に０．３ｍｍ、逃げ面側に０．３ｍｍの範囲をいい、ＴｉＣＮ層に残留するの引張応力とは、この範囲ににおけるＡｌ２Ｏ３層に接する側から工具基体側へ５μｍ範囲内の最大値をいう。
【００１９】
そして、ホーニング加工が施された硬質被覆層の刃先稜線部近傍には、１００〜３００ＭＰａの引張応力が残留している。残留する引張応力の範囲をこの範囲とした理由は、１００ＭＰａ未満であると硬質被覆層と工具基体との密着性が十分ではなく、３００ＭＰａを超えると耐チッピング性が損なわれるためである。
ここで、残留する応力（圧縮残留応力、引張残留応力）の測定は、Ｘ線応力測定法（ｓｉｎ２Ψ法）を用いる。
【００２０】
さらに、本発明において、ホーニング加工が施された硬質被覆層のランダム粒界比率、すなわち、（ランダム粒界／測定領域の全粒界）×１００、が７０〜８７％でなくてはならない。その理由は、７０％未満ではクラックの伝搬を防止できずにチッピングが発生し、８７％を超えると、粒界強度が十分ではなく耐摩耗性が低下するためである。
ここで、ランダム粒界比率は以下のように測定する。
すなわち、ＴｉＣＮ層の表面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記表面研磨面の法線に対する、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出すると共に、前記構成原子共有格子点間に存在する構成原子を共有しない格子点の数：Ｎ（この場合、ＮはＮａＣｌ型立方晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮ：２８を上限とする）毎に定めたΣＮ＋１で表される構成原子共有格子点形態（単位形態）のそれぞれの分布割合を算出し、Σ３〜Σ２９のそれぞれの単位形態の分布割合を、前記Σ３〜Σ２９の単位形態全体の合計分布割合を求め、これを１から引いたもの（１−（Σ３〜Σ２９の単位形態全体の合計分布割合））である。
【００２１】
製造方法：
本発明の表面被覆切削工具は、以下の（１）〜（４）の手順により製造することできる。
（１）工具基体表面へのブラスト処理
工具基体表面近傍に圧縮応力を残留させるために、湿式ブラスト処理を行う。湿式ブラスト処理の一例としては、次のものが挙げられる。
投射圧力：０．２５〜０．３０ＭＰａ
投射角度：４５°
投射時間：３０〜１５０秒
砥粒：Ａｌ２Ｏ３（粒度＃３２０）
（２）硬質被覆層（下部層：ＴｉＣＮ層）の成膜
硬質被覆層（下部層：ＴｉＣＮ層）の成膜条件の一例として、次のものが挙げられる。
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％、
Ｈ２：残り
反応雰囲気温度：７００〜７４０℃
反応雰囲気圧力：５０〜６０ｋＰａ
（３）硬質被覆層（上部層：Ａｌ２Ｏ３）の成膜
硬質被覆層（上部層：Ａｌ２Ｏ３）の成膜条件の一例として、次のものが挙げられる。
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３：１．０〜５．０％、ＣＯ２：３．０〜７．０％、
ＨＣｌ：０．３〜３．０％、Ｈ２Ｓ：０．０２〜０．４０％、
Ｈ２：残り
反応雰囲気温度：８００〜８５０℃
反応雰囲気圧力：４５〜５５ｋＰａ
（４）刃先稜線部近傍への湿式ブラシ加工
砥粒を含有したナイロンブラシを使用
【実施例】
【００２２】
次に、本発明の表面被覆切削工具を実施例によって説明する。
以下の実施例では、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いた場合について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメットやｃＢＮ基超硬合金を工具基体として用いた場合も同様である。
【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、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、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の基体Ａ〜Ｃをそれぞれ製造した。
【００２４】
【表１】
2019171486.tif 000003
【００２５】
次に、これら工具基体Ａ〜Ｃの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、表２に記載したブラスト処理条件で処理した工具基体に対して、表３に記載する成膜条件により、本発明被覆工具１〜８、比較被覆工具１〜８を製造した。これら工具の残留応力、平均層厚、ランダム粒界比率を表４に示す。
ここで、硬質被覆層の厚さ方向の断面を縦断面と呼び、各層の平均層厚はこの縦断面をＳＥＭ（５０００倍）によって複数箇所測定した結果の平均値である。
また、残留圧力、ランダム粒界比率は、前記の方法により測定した。
【００２６】
【表２】
2019171486.tif 000004
【００２７】
【表３】
2019171486.tif 000005
【００２８】
【表４】
2019171486.tif 000006
【００２９】
次に、本発明被覆工具１〜８および比較被覆工具１〜８について、以下の切削試験を実施し、その結果を表５に示す。
切削試験：  湿式旋削高送り断続加工
＜切削試験１＞
被削材：  鋼（ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒
切削速度：  ３８０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：  １．８ｍｍ
送り：  ０．７ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：  ２０分
＜切削試験２＞
被削材：  鋳鉄（ＪＩＳ・ＦＣＤ７００）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒
切削速度：  ２７０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：  ２．０ｍｍ/
送り：  ０．６５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：  １５分
【００３０】
【表５】
2019171486.tif 000007
【００３１】
表５に示される結果から、本発明被覆工具１〜８は、いずれも硬質被覆層が優れた耐チッピング性を有しているため、鋼、鋳鉄の旋削高送り断続加工に用いた場合であってチッピングの発生がないか発生までの時間が長く、長期にわたって優れた耐摩耗性を発揮する。これに対して、本発明の被覆工具に規定される事項を満足していない比較被覆工具１〜８は、鋼、鋳鉄の旋削高送り断続加工用いた場合にチッピングが短時間発生して、使用寿命に至っている。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の被覆工具は、鋼、鋳鉄の旋削高送り断続切削加工ばかりでなく、各種の被削材の被覆工具として用いることができ、しかも、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性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】
2019171486.tif 000008