(57)【要約】【課題】ステンレス鋼等の高速連続切削加工に供した場合であっても、優れた靭性を備え、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗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、硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、  硬質被覆層は、刃先稜線部近傍における平均層厚が１．０〜２０．０μｍであるＴｉとＺｒの複合炭窒化物を有し、該複合炭窒化物を組成式：（Ｔｉ１−ｘＺｒｘ）ＣＮで表した場合、ＺｒのＴｉおよびＺｒの合量に対する含有割合ｘ（原子比）は、（ａ）最上部において、０．０２≦ｘ≦０．２５、（ｂ）最下部において、ｘ≦０．０１、（ｃ）前記最下部から前記最上部に向かって、漸次増加している、ことを特徴とする、表面被覆切削工具。【選択図】図２
2019166584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン超硬合金，炭窒化チタン基サーメットまたは立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体のいずれかで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、刃先稜線部近傍における平均層厚が１．０〜２０．０μｍであるＴｉとＺｒの複合炭窒化物を有し、該複合炭窒化物を組成式：（Ｔｉ１−ｘＺｒｘ）ＣＮで表した場合、
ＺｒのＴｉおよびＺｒの合量に対する含有割合ｘ（原子比）は、
（ａ）最上部において、０．０２≦ｘ≦０．２５、
（ｂ）最下部において、ｘ≦０．０１、
（ｃ）前記最下部から前記最上部に向かって、漸次増加している、
ことを特徴とする、表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記工具基体と前記複合炭窒化物層の間に、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層以上のＴｉ化合物層からなる下部層が、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記複合炭窒化物層の上部に、Ａｌの酸化物層または窒化物層、またはＴｉの窒化物層または炭化物層または炭窒化物層または炭酸化物層または炭窒酸化物層のいずれかが１層または２層以上で、１．０〜２０．０μｍの合計層厚で形成されていることを特徴とする請求項１または２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、ステンレス鋼等を、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する高速連続切削加工した場合に、硬質被覆層が優れた耐チッピング性を備え、長期の使用にわって優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】
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、これらを総称して工具基体ということがある）の表面に、硬質被覆層として、Ｔｉ−Ａｌ系の複合窒化物層や複合炭窒化物層など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−Ａｌ系の複合窒化物層や複合炭窒化物層など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、高速切削条件で用いた場合に、高温強度が不足し、チッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の高温強度の改善について、ＴｉＣＮ被膜に他の元素を添加する提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種、すなわち、ＴｉＣ、ＴｉＣＮの単層皮膜または二種以上の多層皮膜を有する被覆工具において、その少なくとも一層が引っ張り残留応力を有するとともにジルコニウムを含有し、塩素量が２質量％以下であることを特徴とするジルコニウム含有膜被覆工具が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１１６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削加工では、ステンレス鋼等の難切削材に対しても省力化および省エネ化の要求は強く、被覆工具に対する加工時の負荷が一段と高まっており、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が求められるとともに、長期の使用にわって優れた耐摩耗性が求められている。
しかし、前記特許文献１に記載された被覆工具では、高温強度を向上させる目的で、硬質被覆層のＴｉＣＮにジルコニウム（以下、Ｚｒと表記することがある）が添加されているものの、ステンレス鋼の高速連続切削加工に供した際には、耐摩耗性が低下するという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、ステンレス鋼等の高速連続切削加工に供した場合であっても、優れた靭性を備え、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗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】
【０００７】
本発明者は、前記特許文献１に記載された切削工具において、高温強度を向上させるＺｒが添加されているにもかかわらず、ステンレス鋼の高速連続切削加工に供した際には、耐摩耗性が低下するという問題点について、鋭意検討したところ、硬質被覆層の結晶組織が粒状になるために耐摩耗性が低下することが判明し、単にＺｒを添加するだけでは、解決策として不十分であることを見出した。そこで、本発明者はＺｒの添加について鋭意検討した結果、硬質被覆層の上部にかけて被覆層中のＺｒの含有割合を漸次増加させることにより、結晶組織が粒状晶になることなく、耐摩耗性に優れる柱状晶を有する硬質被覆層を作製することが可能となり、その結果、高温強度と耐摩耗性が維持されるのみならず、硬質被覆層と被削材との反応が抑制され、この硬質被覆層を工具基体に被覆すれば、耐摩耗性が向上した表面被覆工具を得ることができるという、知見を得た。
【０００８】
本発明は、この知見に基づいてなされたものであって、
「（１）炭化タングステン超硬合金，炭窒化チタン基サーメットまたは立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体のいずれかで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、刃先稜線部近傍における平均層厚が１．０〜２０．０μｍであるＴｉとＺｒの複合炭窒化物を有し、該複合炭窒化物を組成式：（Ｔｉ１−ｘＺｒｘ）ＣＮで表した場合、
ＺｒのＴｉおよびＺｒの合量に対する含有割合ｘ（原子比）は、
（ａ）最上部において、０．０２≦ｘ≦０．２５、
（ｂ）最下部において、ｘ≦０．０１、
（ｃ）前記最下部から前記最上部に向かって、漸次増加している、
ことを特徴とする、表面被覆切削工具。
（２）前記工具基体と前記複合炭窒化物層の間に、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層以上のＴｉ化合物層からなる下部層が、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚で形成されていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記複合炭窒化物層の上部に、Ａｌの酸化物層または窒化物層、またはＴｉの窒化物層または炭化物層または炭窒化物層または炭酸化物層または炭窒酸化物層のいずれかが１層または２層以上で、１．０〜２０．０μｍの合計層厚で形成されていることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、被削材と接する被覆層上部に、被削材成分との反応性を抑制するＺｒの含有割合が高く、その結果、耐摩耗性に優れている組織を有する複合炭窒化物の被覆層を形成することができ、ステンレス鋼の高速連続加工においても、被削材成分と複合炭窒化物の被覆層成分との反応による耐摩耗性の低下が抑制され、工具の長寿命化に寄与できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の刃先稜線部近傍を説明する図である（複合炭窒化物の被覆層、上部層、下部層を一体にして図示している）。
【図２】本発明の被覆工具の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について詳述する。
【００１２】
硬質被覆層の平均層厚：
本発明において、硬質被覆層の平均層厚は、刃先稜線部近傍において、１．０〜２０．０μｍのとき、特に、優れた耐摩耗性を有する。その理由は、平均層厚が１．０μｍ未満では、層厚が薄いために長期の使用にわたって耐摩耗性を十分に確保することができず、一方、平均層厚が２０．０μｍを超えると、硬質被覆層の結晶粒が粗大化してしまい耐チッピング性が低下してしまうためである。
ここで、刃先稜線部近傍とは、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を求め、この交点から、それぞれの直線に沿って３００μｍの範囲をいう。
なお、刃先稜線部近傍以外の硬質被覆層が前記平均層厚を満足していても何ら問題はなく、本発明の範囲内である。
【００１３】
硬質被覆層の組成：
本発明の硬質被覆層は、ＴｉとＺｒの複合炭窒化物（ＴｉＺｒＣＮということがある）を有し、該複合炭窒化物を組成式：（Ｔｉ１−ｘＺｒｘ）ＣＮで表した場合、
ＺｒのＴｉおよびＺｒの合量に対する含有割合ｘ（但し、原子比）は、
最上部において、０．０２≦ｘ≦０．２５、
最下部において、ｘ≦０．０２、
前記最下部から前記最上部に向かって、ｘが漸次増加しているものである（図２を参照）。
ここで、ｘがこのような変化と値をとることについて説明する。
ｘが、硬質被覆層の最下部から最上部に向かって漸次増加することにより、硬質被覆層が粒状晶を含むことを抑制し柱状晶とすることができ、耐摩耗性が向上する。さらに、前記最上部におけるｘを、０．０２≦ｘ≦０．２５とする理由は、０．０２未満であるとＺｒを添加したことによって硬質被覆層と被削材成分との反応を抑制が不十分であり、一方、０．２５を超えると粒状組織が出現してしまい耐摩耗性が低下するためである。また、前記最下部におけるｘを、０．０１以下とする理由は、初期核形成工程における柱状組織化を促すためであり、ｘ≦０．０１であれば、この効果が損なわれることはないが、ｘは少ない方がよく、ｘ＝０．００が望ましい。
なお、前記最上部とは、硬質皮膜の最上面から硬質皮膜の厚さ方向に最下面に向かって０．１μｍの範囲をいい、最下部とは硬質皮膜の最下面から硬質皮膜の厚さ方向に最上面に向かって０．１μｍの範囲をいう。
また、ｘが、硬質被覆層の最下部から最上部に向かって漸次増加しているとは、最下部から最上部に向かってＺｒの含有割合を１０点程度測定し（例えば、硬質被覆層の平均層厚が５．０μｍの場合、硬質被覆層の最下部より０．５μｍごとにＺｒの含有割合を測定することになる。）、その測定値を層厚方向に最小自乗法により近似したとき、硬質被覆層の最下部から最上部に向かって正の傾き（増加）していることをいう。
【００１４】
下部層・上部層：
本発明では、硬質被覆層として前記ＴｉＺｒＣＮ層を設けることによって十分な耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、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層以上からなり、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含む下部層を設けた場合、および／または、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１．０〜２０．０μｍの合計平均層厚で設けられた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層優れた特性を発揮することができる。
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層以上からなり、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含む下部層を設ける場合、下部層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に奏されず、一方、２０．０μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。また、酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１．０μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２０．０μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。
【００１５】
製造方法：
本発明の硬質被覆層を成膜するための成膜条件を示すと、例えば、以下のとおりである。
（１）反応ガス組成（％は、容量％）
Ｉ．ｘ≦０．０１（硬質被覆層最下部：成膜開始時）における反応ガス組成
ＴｉＣｌ４：１５．０％、ＺｒＣｌ４：０．０〜０．３％、ＣＨ３ＣＮ：３．０〜８．０％、Ｎ２：２０．０〜４０．０％、ＨＣｌ：０．０〜２．０％、Ｈ２：残
ＩＩ．ｘ＞０（成膜初期工程が終わり、ｘの値を漸次増加せる段階：成膜終了時のガス組成もこの範囲にある）における反応ガス組成
ＴｉＣｌ４：１０．０〜１５．０％、ＺｒＣｌ４：０．５〜３．５％、ＣＨ３ＣＮ：３．０〜８．０％、Ｎ２：２０．０〜４０．０％、ＨＣｌ：０．５〜２．０％、Ｈ２：残
（２）反応雰囲気圧力：５〜２０ｋＰａ
（３）反応雰囲気温度：８００〜９００℃
（４）ＺｒのＴｉおよびＺｒの合量に対する含有割合ｘを、硬質皮膜の最下部から最上部に向かって漸次増加させるために、ＴｉＣｌ４とＺｒＣｌ４の流量を成膜中に連続的に変化させる。
【実施例】
【００１６】
次に、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
なお、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基サーメットおよびｃＢＮ基超高圧焼結体を工具基体として用いた場合も同様である。また、被覆工具としてはインサートに限らず、ドリル、メタルソー、リーマー、タップなどの切削工具に、本発明の被覆工具は好適に使用できることは言うまでもない。
【００１７】
原料粉末として、いずれも０．１〜３．０μｍ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ＣＮＭＧ１２０４１２の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を製造した。
【００１８】
次に、これらの工具基体Ａ〜Ｃの表面に、ＣＶＤ装置を用い、ＴｉＺｒＣＮ層を形成した。
成膜条件は、表３に示す形成記号Ｐ〜Ｔ、すなわち、反応ガス組成（％は、容量％）：ＴｉＣｌ４：１０．０〜１５．０％、ＺｒＣｌ４：０．０〜３．５％、ＣＨ３ＣＮ：３．０〜８．０％、Ｎ２：２０．０〜４０．０％、Ｈ２：残、反応雰囲気圧力：５〜２０ｋＰａ、反応雰囲気温度：８００〜９００℃、ＺｒのＴｉおよびＺｒの合量に対する含有割合ｘを、硬質皮膜の最下部から最上部に向かって漸次増加させるために、ＴｉＣｌ４とＺｒＣｌ４の流量を成膜中に連続的に変化させ、すなわち、表３に示す、成膜開始時から成膜終了時になるようにガス組成を連続的に変化させる成膜を行い、表５に記載する本発明被覆切削工具１〜９を製造した。
なお、本発明被覆切削工具１〜８については、表２に示される条件で表４に記載された下部層および／または上部層を形成した。
【００１９】
さらに、比較の目的で、同じく工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表３に示す形成記号ｐ〜ｔに示される成膜条件で、ＣＶＤ装置を用い、ＴｉＺｒＣＮ層を形成し、表６に示す比較被覆工具１〜９を製造した。
なお、本発明被覆切削工具１〜８と同様に、比較被覆工具１〜８については、表２に示される条件で表４に記載された下部層および／または上部層を形成した。
【００２０】
本発明被覆工具１〜９、比較被覆工具１〜９について、各層の平均層厚は、工具基体に垂直な方向の断面（層厚方向の断面、縦断面）を、走査型電子顕微鏡を用いて、倍率５００００倍で観察し、刃先稜線部近傍の観察視野内５点の層厚を測定し、平均して求めた。
【００２１】
ここで、上記の本発明被覆工具１〜９、比較被覆工具１〜９について、これの硬質被覆層におけるＺｒのＴｉおよびＺｒの合計量に対する含有割合ｘ、またｘが漸次増加していることの確認は、ＴｉＺｒＣＮ層の縦断面を研磨し、該縦断面の1箇所の層厚方向において、最上部・最下部の層厚方向のそれぞれの中心位置、および、最上部・最下部それぞれの境界の間を８等分した各位置において電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）およびオージェ分光分析装置による観察し行った。
【００２２】
【表１】
2019166584.tif 000003
【００２３】
【表２】
2019166584.tif 000004
【００２４】
【表３】
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【００２５】
【表４】
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【００２６】
【表５】
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【００２７】
【表６】
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【００２８】
次に、前記各種の被覆工具をいずれもカッタ径１２５ｍｍの工具鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、本発明被覆工具１〜９、比較被覆工具１〜９について、以下に示す、ステンレス鋼の連続切削の一種である乾式高速正面フライス、センターカット切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
【００２９】
切削試験１
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４  外径１００ｍｍの丸棒材
切削速度：２００  ｍ／秒
切り込み：１．５  ｍｍ
１回転あたり送り量：０．３  ｍｍ
湿式切削
切削時間：１５  分、
切削試験２
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３１６  外径１００ｍｍの丸棒材
切削速度：１５０  ｍ／秒
切り込み：２．０  ｍｍ
１回転あたり送り量：０．２  ｍｍ
湿式切削
切削時間：１５  分
切削試験３
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ６３０  外径１００ｍｍの丸棒材
切削速度：１５０  ｍ／秒
切り込み：２．０  ｍｍ
１回転あたり送り量：０．１５  ｍｍ
湿式切削
切削時間：８  分
切削試験１〜３の結果を表７に示す。
【００３０】
【表７】
2019166584.tif 000009
【００３１】
表７に示される結果から、本発明被覆工具１〜９は、刃先稜線部近傍における平均層厚が１．０〜２０．０μｍであるＴｉとＺｒの複合炭窒化物（ＴｉＺｒＣＮ）を有し、ＺｒのＴｉおよびＺｒの合量に対する含有割合ｘ（原子比）は、（ａ）最上部において、０．０２≦ｘ≦０．２５、（ｂ）最下部において、ｘ≦０．０１、（ｃ）前記最下部から前記最上部に向かって、漸次増加しているため、ステンレス鋼の高速連続切削加工において優れた耐チッピング性を発揮する。
これに対して、本発明の発明特定事項を満足しない比較被覆工具１〜９は、いずれも、ステンレス鋼の高速連続切削加工においてチッピングが発生し、比較的短時間で使用寿命に至っている。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
この発明の被覆工具は、ステンレス鋼の高速連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使用することができ、しかも、長期の使用にわたって耐チッピング性を有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、さらには、低コスト化にも十分満足に対応できるものである。
【図１】
2019166584.tif 000010
【図２】
2019166584.tif 000011