(57)【要約】【課題】高速重切削で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を提供する。【解決手段】サーメット基体の表面に、（ａ）Ｔｉ化合物層のうちの１層または２層以上と、（ｂ）α型酸化アルミニウム層、で構成された硬質被覆層を１０〜３５μｍの全体平均層厚で蒸着形成してなる表面被覆サーメット製切削工具における前記α型酸化アルミニウム層を、平均層厚を５〜２０μｍとし、かつ層厚方向の中間部を、前記α型酸化アルミニウム層の平均層厚に占める割合で、２５〜５５％に相当する厚さを、蒸着形成した状態でκ型またはθ型の結晶構造を有する酸化アルミニウムに加熱変態処理を施して結晶構造をα型結晶構造とした加熱変態α型酸化アルミニウムで構成し、残りの層厚方向上方部および下方部を、蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有する蒸着α型酸化アルミニウムで構成する。【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サーメット基体の表面に、
（ａ）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化合物層と、
（ｂ）結晶構造がα型の酸化アルミニウム層、
で構成された硬質被覆層を１０〜３５μｍの全体平均層厚で蒸着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α型結晶構造の酸化アルミニウム層の平均層厚を５〜２０μｍとし、その層厚方向の中間部を、前記α型酸化アルミニウム層の平均層厚に占める割合で、２５〜５５％に相当する厚さを、蒸着形成した状態でκ型またはθ型の結晶構造を有する酸化アルミニウムに加熱変態処理を施して結晶構造をα型結晶構造とした加熱変態α型酸化アルミニウムで構成し、残りの層厚方向上方部および下方部を、蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有する蒸着α型酸化アルミニウムで構成したこと、
を特徴とする、高速重切削で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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、硬質被覆層を構成するα型結晶構造の酸化アルミニウム（以下、α型Ａｌ２Ｏ３で示す）層における引張残留応力がきわめて小さく、したがって、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、前記α型Ａｌ２Ｏ３層を厚膜化した状態で、高い熱的機械的衝撃を伴なう高速重切削条件で行なった場合にも切刃部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（以下、被覆サーメット工具という）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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サーメット基体の表面に、
（ａ）いずれも０．５〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ蒸着形成された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１層または２層以上からなるＴｉ化合物層（以下、これらを総称してＴｉ化合物層という）と、
（ｂ）１〜５μｍの平均層厚を有し、蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有する蒸着α型酸化アルミニウム層（以下、蒸着α型Ａｌ２Ｏ３層という）、
で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆サーメット工具が知られており、この被覆サーメット工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられていることも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、一般に、上記の被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層や蒸着α型Ａｌ２　Ｏ３　層が粒状結晶組織を有し、さらに、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の靭性向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている（特許文献２、３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３１５０３号公報
【特許文献２】
特開平６−８０１０号公報
【特許文献３】
特開平７−３２８８０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工装置の高性能化と相俟って、硬質被覆層を構成する蒸着α型Ａｌ２Ｏ３層は一段と厚膜化の傾向を深めるばかりでなく、切削加工は高速で、かつ高切り込みや高送りなどの重切削条件で行なわれる傾向にあるが、上記の従来被覆サーメット工具においては、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、これを特に前記蒸着α型Ａｌ２Ｏ３層を厚膜化した状態で、高速重切削加工条件で用いると、前記蒸着α型Ａｌ２Ｏ３層における引張残留応力がきわめて高いために、切削時に発生する高い熱的機械的衝撃によって、切刃部にチッピング（微少欠け）が発生し易くなり、この結果摩耗進行が促進されるようになることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、硬質被覆層のα型Ａｌ２Ｏ３層を厚膜化した状態で、高速重切削加工に用いても、切刃部がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆サーメット工具を開発すべく、研究を行った結果、
被覆サーメット工具の硬質被覆層を構成するα型Ａｌ２Ｏ３層の全体平均層厚を５〜２０μｍに厚膜化した状態で、その層厚方向の上方部および下方部は、通常の条件で蒸着形成した蒸着α型Ａｌ２Ｏ３で構成し、その層厚方向の中間部を、前記α型Ａｌ２Ｏ３層の全体平均層厚に占める割合で、２５〜５５％に相当する厚さに亘って、加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３、すなわち通常の条件で蒸着形成したκ型またはθ型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３に、加熱処理、望ましくはＡｒ雰囲気中、温度：１０００℃以上で所定時間保持の条件で加熱処理を施して、前記κ型またはθ型の結晶構造をα型結晶構造に変態してなる加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３で構成すると、この結果の厚膜化したα型Ａｌ２Ｏ３層は、これを構成する前記加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３によって、引張残留応力が著しく低減したものになり、したがって硬質被覆層のα型Ａｌ２Ｏ３層が前記の加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３と蒸着α型Ａｌ２Ｏ３で構成された被覆サーメット工具においては、前記α型Ａｌ２Ｏ３層を厚膜化した状態で、高速重切削加工条件で用いても切刃部にチッピングの発生が著しく抑制されることから、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するようになる、という研究結果を得たのである。
【０００７】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、サーメット基体の表面に、
（ａ）ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層と、
（ｂ）α型Ａｌ２Ｏ３層、
で構成された硬質被覆層を１０〜３５μｍの全体平均層厚で蒸着形成してなる被覆サーメット工具において、
上記α型Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚を５〜２０μｍとし、その層厚方向の中間部を、前記α型Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚に占める割合で、２５〜５５％に相当する厚さを、蒸着形成した状態でκ型またはθ型の結晶構造を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）に加熱変態処理を施して結晶構造をα型結晶構造とした加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３で構成し、残りの層厚方向上方部および下方部を、蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有する蒸着α型Ａｌ２Ｏ３で構成してなる、
高速重切削ですぐれた耐チッピング性を発揮する被覆サーメット工具に特徴を有するものである。
【０００８】
なお、この発明の被覆サーメット工具の硬質被覆層の構成層の平均層厚を上記の通りに限定したのは以下に示す理由によるものである。
（ａ）α型Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚
その平均層厚が５μｍ未満では、厚膜化が不十分で、満足な使用寿命の延命化を図ることができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を５〜２０μｍと定めた。
【０００９】
（ｂ）加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３のα型Ａｌ２Ｏ３層に占める割合
加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３には、上記の通りこれの存在によって上記α型Ａｌ２Ｏ３層全体を蒸着α型Ａｌ２Ｏ３で構成した場合に比して引張残留応力を低減する作用があるが、その厚さ割合が前記α型Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚に対する割合で、２５％未満では所望のすぐれた引張残留応力低減効果を確保することができず、その厚さ割合が同５５％を越えると、層自体の強度が急激に低下し、これが原因で切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その厚さ割合を前記α型Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚に占める割合で２５〜５５％と定めた。
【００１０】
（ｃ）硬質被覆層の平均層厚
その平均層厚が１０μｍ未満では、十分な使用寿命を確保することができず、一方その平均層厚が３５μｍを越えて厚くなりすぎると、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１０〜３５μｍと定めた。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆サーメット工具を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ（質量比で、以下同じ、ＴｉＣ／ＷＣ＝３０／７０）粉末、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＷＣ＝２４／２０／５６）粉末、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ（ＴａＣ／ＮｂＣ＝９０／１０）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、ボールミルで７２時間湿式混合し、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、１４１０℃に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０８ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金で構成されたサーメット基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００１２】
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、Ｍｏ２　Ｃ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：０．０８ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメットで構成されたサーメット基体ａ〜ｆを形成した。
【００１３】
ついで、これらのサーメット基体Ａ〜Ｆおよびサーメット基体ａ〜ｆの表面に、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、通常の化学蒸着装置を用い、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは例えば特開平６−８００８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、それぞれ表４，５に示される組み合わせで、同じく表４，５に示される目標層厚のＴｉ化合物層、および加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３と蒸着α型Ａｌ２Ｏ３で構成されたα型Ａｌ２Ｏ３層からなる硬質被覆層を蒸着形成（この場合前記加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３は、まず表３に示される条件で結晶構造がκ型またはθ型のＡｌ２Ｏ３を蒸着形成し、これにＡｒ雰囲気中、温度：１０５０℃に１〜８時間の範囲内の所定時間保持の条件で加熱処理を施して、前記κ型またはθ型の結晶構造をα型に変態させることにより形成したものである）することにより本発明被覆サーメット工具１〜１６をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表６，７に示される通り、硬質被覆層のα型Ａｌ２Ｏ３層全体を同じく表６に示される平均層厚の蒸着α型Ａｌ２Ｏ３層とする以外は同一の条件で従来被覆サーメット工具１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１４】
なお、この結果得られた本発明被覆サーメット工具１〜１６および従来被覆サーメット工具１〜１６について、これ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（層の縦断面測定）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。
【００１５】
つぎに、上記の各種の被覆サーメット工具を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、本発明被覆サーメット工具１〜８および従来被覆サーメット工具１〜８については
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：６．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式高速高切り込み連続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．７ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：３分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り断続切削試験を行なった。
【００１６】
さらに、本発明被覆サーメット工具９〜１６および従来被覆サーメット工具９〜１６については、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．７ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件での合金鋼の乾式高速高送り連続切削試験、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：５．５ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：３分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高切り込み断続切削試験を行い、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８，９に示した。
【００１７】
【表１】
2004122269.tif 000002
【００１８】
【表２】
2004122269.tif 000003
【００１９】
【表３】
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【００２０】
【表４】
2004122269.tif 000005
【００２１】
【表５】
2004122269.tif 000006
【００２２】
【表６】
2004122269.tif 000007
【００２３】
【表７】
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【００２４】
【表８】
2004122269.tif 000009
【００２５】
【表９】
2004122269.tif 000010
【００２６】
【発明の効果】
表４〜９に示される結果から、本発明被覆サーメット工具１〜１６は、いずれも硬質被覆層のα型Ａｌ２Ｏ３層を厚膜化した状態で、高い熱的機械的衝撃を伴なう高速重切削加工条件で、鋼や鋳鉄の切削加工を行なっても前記α型Ａｌ２Ｏ３層における加熱変態α型Ａｌ２Ｏ３の存在によって前記α型Ａｌ２Ｏ３層は引張残留応力のきわめて低い状態となっているので、切刃部にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層のα型Ａｌ２Ｏ３層全体が蒸着α型Ａｌ２Ｏ３層で構成された従来被覆サーメット工具１〜１６においては、前記蒸着α型Ａｌ２Ｏ３層が具備する高い引張残留応力によって切刃部にチッピングが発生し易くなり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆サーメット工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削加工は勿論のこと、特に高い熱的機械的衝撃を伴なう高速重切削加工に用いた場合にも、切刃部にチッピングの発生なく、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、切削加工装置の高性能化に十分満足に対応でき、かつ切削加工の一段の省力化および省エネ化、さらに低コスト化にも寄与するものである。