(57)【要約】【課題】特に鋳鉄の断続切削等の工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、ＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層との間で剥離が発生することなく硬質被覆層の密着性を高めることができ、優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する長寿命の切削工具を提供する。【解決手段】周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる炭化物、窒化物および炭窒化物からなる硬質相と、少なくとも１種の鉄属金属からなる結合相とで構成される硬質合金２の表面に、厚み方向に垂直な筋状結晶からなるＴｉＣＮ層５−粒状結晶からなるＴｉＣＮ層６−ＴｉＣＮＯ層７−Ａｌ2Ｏ3層８を順次積層してなる硬質被覆層３を具備する表面被覆切削工具１を作製する。【選択図】  図１
2004195564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる炭化物、窒化物および炭窒化物からなる硬質相と、少なくとも１種の鉄属金属からなる結合相とで構成される硬質合金表面に、厚み方向に垂直な筋状結晶からなるＴｉＣＮ層−粒状結晶からなるＴｉＣＮ層−ＴｉＣＮＯ層−Ａｌ2Ｏ3層を順次積層してなる硬質被覆層を具備することを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記ＴｉＣＮＯ層とＡｌ2Ｏ3層との間にＡｌＯＮ層を介装してなることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
略平板状をなし多角形状をなす２つの主面がすくい面と着座面を、側面が逃げ面をなし、前記両主面と前記逃げ面の交差稜線に切刃を有した両面使用可能なスローアウェイチップであって、該スローアウェイチップが請求項１または２記載の硬質合金表面に硬質被覆層を具備した表面被覆切削工具の構成からなるとともに、前記両主面の周縁部にランド面を、該ランド面から内側にブレーカ部をはさんで中央面を設けるとともに、前記中央面と前記ランド面とを同じ高さとすることを特徴とするスローアウェイチップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた耐チッピング性および耐摩耗性を有する複数の硬質被覆層を表面に被着形成した表面被覆切削工具とスローアウェイチップに関し、特に炭素鋼、合金鋼などの鋼のみならず、鋳鉄の断続切削等の大きな衝撃が切刃にかかるような切削に際しても、優れた耐欠損性および切削特性を有する表面被覆切削工具とスローアウェイチップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の少なくとも１種、特にＷＣ（炭化タングステン）を主体とする硬質相と、Ｃｏ（コバルト）やＮｉ（ニッケル）等の鉄族金属の結合相からなる超硬合金やサーメット等の硬質合金の表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層およびＡｌ2Ｏ3層等の硬質被覆層を単層または複数層被着形成した表面被覆切削工具が多用されている。
【０００３】
上記硬質被覆層として、後述の特許文献１には、（粒状のＴｉＣＮ層）−柱状ＴｉＣＮ層−粒状ＴｉＣＮ層−ＴｉＣＯ層−Ａｌ2Ｏ3層の順に積層したもの（表３のＮｏ．１）、粒状のＴｉＣＮ層−柱状ＴｉＣＮ層−ＴｉＣＮＯ層−Ａｌ2Ｏ3層の順に積層したもの（表３のＮｏ．６）が記載され、工具の耐チッピング性が向上することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−８００８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された層構成によっても耐チッピング性は不十分であり、特に鋳鉄の断続切削を行う場合にはＴｉＣＮ層からＡｌ2Ｏ3層間にかけて硬質被覆層の剥離が発生しやすいという問題があった。
【０００６】
したがって、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、特に鋳鉄の断続切削等の工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、ＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層との間で剥離が発生することなく硬質被覆層の密着性を高めることができ、優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する長寿命の切削工具を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対し、工具の耐欠損性を高める方法について検討した結果、硬質被覆層を、厚み方向に垂直な筋状結晶からなるＴｉＣＮ層−粒状結晶からなるＴｉＣＮ層−ＴｉＣＮＯ層−Ａｌ2Ｏ3層の順に積層した構成とすることによって、特に鋳鉄の断続切削等の工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、ＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層との間で剥離が発生することなく硬質被覆層の強固な密着性を維持できることから、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する切削工具が得られることを知見した。
【０００８】
すなわち本発明の表面被覆切削工具は、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる炭化物、窒化物および炭窒化物からなる硬質相と、少なくとも１種の鉄属金属からなる結合相とで構成される硬質合金表面に、厚み方向に垂直な筋状結晶からなるＴｉＣＮ層−粒状結晶からなるＴｉＣＮ層−ＴｉＣＮＯ層−Ａｌ2Ｏ3層を順次積層してなる硬質被覆層を具備することを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記ＴｉＣＮＯ層とＡｌ2Ｏ3層との間にＡｌＯＮ層を介装してなることが望ましい。
【００１０】
また、本発明のスローアウェイチップは、前述したような硬質合金表面に硬質被覆層を具備した表面被覆切削工具の構成からなり、略平板状をなし多角形状をなす２つの主面がすくい面と着座面を、側面が逃げ面をなし、前記両主面と前記逃げ面の交差稜線に切刃を有した両面使用可能なスローアウェイチップであって、前記両主面の周縁部にランド面を、該ランド面から内側にブレーカ部をはさんで中央面（すわり面）を設けるとともに、前記中央面と前記ランド面とを同じ高さにする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の表面被覆切削工具とスローアウェイチップについて、その一例についての模式図である図１を基に説明する。
【００１２】
図１によれば、表面被覆切削工具１は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）の鉄属金属から成る結合相にて結合させた超硬合金や、炭化チタン（ＴｉＣ）や炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を主体として周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）の鉄属金属から成る結合相にて結合させたサーメット等の硬質合金からなる所定形状の母材２の表面に複数の硬質被覆層３を被着形成したものからなる。
【００１３】
本発明によれば、図１に示すように、硬質被覆層３が、厚み方向に垂直な筋状結晶からなるＴｉＣＮ層（以下、単に筋状ＴｉＣＮ層と略す。）５−粒状結晶からなるＴｉＣＮ層（以下、単に粒状ＴｉＣＮ層と略す。）６−ＴｉＣＮＯ層７−Ａｌ2Ｏ3層８を順次積層してなることが大きな特徴であり、これによって、特に鋳鉄の切削、さらに鋳鉄の断続切削等の工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、ＴｉＣＮ層５とＡｌ2Ｏ3層８との間で剥離が発生することなく硬質被覆層の強固な密着性を維持できることから、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する切削工具１が得られる。
【００１４】
すなわち、硬質被覆層３の構成として、筋状ＴｉＣＮ層５を設けることによって硬質被覆層３の靭性を高め、Ａｌ2Ｏ3層８を設けることによって硬質被覆層３の耐摩耗性を高めることができるとともに、筋状ＴｉＣＮ層５とＡｌ2Ｏ3層８との間に粒状ＴｉＣＮ層６−ＴｉＣＮＯ層７を順に介装することによって筋状のＴｉＣＮ層５とＡｌ2Ｏ3層８との間に発生しやすい硬質被覆層３の剥離を防止することができる。
【００１５】
また、本発明によれば、上述のＴｉＣＮＯ層７とＡｌ2Ｏ3層８の間にＡｌＯＮ層１０を介装して、筋状ＴｉＣＮ層−粒状ＴｉＣＮ層−ＴｉＣＮＯ層−ＡｌＯＮ層−Ａｌ2Ｏ3層の構成とすることがＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層との間の密着力をより高める点で望ましい。
【００１６】
さらに、本発明によれば、上述した筋状ＴｉＣＮ層−粒状ＴｉＣＮ層−ＴｉＣＮＯ層−（ＡｌＯＮ層）−Ａｌ2Ｏ3層の硬質被覆層と母材との間に母材から被覆層中への炭素の拡散、すなわち、脱炭を防止し、さらに母材表面における脆化相、いわゆる、？相の形成を抑制するのために、下層１１としてＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＮＯ層、ＴｉＣ層から選ばれる少なくとも１層を介装してもよく、また、硬質被覆層３の表面に切削時における被削材との耐溶着性を向上させ、かつ、使用コーナーの識別を明確にするために、上層１２としてＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＮＯ層、ＴｉＣ層から選ばれる少なくとも１層を積層してもよい。
【００１７】
また、硬質被覆層３の各層の膜厚は、硬質被覆層３の耐チッピング性および耐摩耗性を向上させる点で、筋状ＴｉＣＮ層５：２〜１２オｍ−粒状ＴｉＣＮ層６：０．５〜２．５オｍ−ＴｉＣＮＯ層７：０．１〜１．５オｍ−ＡｌＯＮ層１０：０．１〜１．５オｍ−Ａｌ2Ｏ3層８：２〜７オｍであることが望ましい。
【００１８】
また、本発明によれば、切削工具として、図２に示すような略平板状をなし多角形状をなす２つの主面２１，２２がすくい面２１と着座面２２を、側面が逃げ面２３をなし、両主面２１，２２と逃げ面２３の交差稜線に切刃２４を有した両面使用可能なスローアウェイチップ２０を用いる場合には、特に鋳鉄切削において優れた耐チッピング性を実現するために、図２に示すような形状、すなわち、両主面２１，２２の周縁部にランド面２５を、ランド面２５から内側にブレーカ部２６をはさんで中央面（すわり面）２７を設けるとともに、中央面２７とランド面２５とを同じ高さとすることが望ましく、これによってチップのすわりの安定性が高くなるので加工時にチップ自体が微振動して硬質被覆層３がより強い衝撃を受けて硬質被覆層３が剥離することを防止できる。なお、図２によれば、スローアウェイチップ２０の中央部にはスローアウェイチップ２０をチップホルダ（図示せず）にクランプするためのクランプ穴２８を設けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、クランプ穴２８を設けずクランプオン方式でチップ２０を固定するものであっても良い。
【００１９】
また、この場合、硬質被覆層３の耐チッピング性を高めるために、図１に示すように、切刃２４にＲホーニング２９をつけること、さらにＲホーニング部２９の硬質被覆層３表面を微小研磨して（微小研磨部３０）硬質被覆層３内に内在する残留応力を低減することが望ましい。
【００２０】
（製造方法）
また、上述した表面被覆切削工具を製造するには、まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形した後、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金母材２を作製する。
【００２１】
そして、上記母材２を所望により研磨加工した後、表面に化学気相蒸着法によって硬質被覆層３を成膜する。各層の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積％でＴｉＣｌ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを０〜６０ｖｏｌ％、ＣＨ4ガスを０〜０．１ｖｏｌ％、ＣＨ3ＣＮガスを０〜０．１ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００？、５〜８５ｋＰａとして筋状のＴｉＣＮ層を少なくとも１層成膜する。
【００２２】
粒状のＴｉＣＮ層の成膜条件は、反応ガス組成としてＴｉＣｌ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを０〜６０ｖｏｌ％、ＣＨ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００？、５〜８５ｋＰａとして粒状のＴｉＣＮ層を成膜する。
【００２３】
ＴｉＣＮＯ層の成膜条件は、反応ガス組成としてＴｉＣｌ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを０〜６０ｖｏｌ％、ＣＨ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、ＣＯ2ガスを０．０１〜０．１ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００？、５〜８５ｋＰａとしてＴｉＣＮＯ層を成膜する。
【００２４】
ＡｌＯＮ層の成膜条件は、ＡｌＣｌ3ガスを３〜２０ｖｏｌ％、ＨＣｌガスを０．５〜３．５ｖｏｌ％、ＣＯ2ガスを０．０１〜２．５ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを０．１〜２０ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００？、５〜１０ｋＰａの条件でＡｌＯＮ層を被覆する。
【００２５】
引き続き、ＡｌＣｌ3ガスを３〜２０ｖｏｌ％、ＨＣｌガスを０．５〜３．５ｖｏｌ％、ＣＯ2ガスを０．０１〜５．０ｖｏｌ％、Ｈ2Ｓガスを０〜０．０１ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００？、５〜１０ｋＰａの条件でＡｌ2Ｏ3層６を被覆する。
【００２６】
なお、上記硬質被覆層に、下層を成膜する場合、例えば下層としてＴｉＮ層を成膜するには、反応ガス組成としてＴｉＣｌ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを０〜６０ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００？、５〜８５ｋＰａとすればよい。また、上層を成膜する場合、例えば上層としてＴｉＮ層を成膜するには、反応ガス組成としてＴｉＣｌ4ガスを０．１〜１０ｖｏｌ％、Ｎ2ガスを０〜６０ｖｏｌ％、残りがＨ2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００？、５〜８５ｋＰａとすればよい。
【００２７】
【実施例】
平均粒径１．５オｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径１．２オｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径２．０オｍの表１に示す金属元素（Ｍ）の無機化合物粉末を表１に示す比率で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、さらに、１０００？以上を３？／分の速度で昇温して、０．０１Ｐａの真空中、１５００？で１時間焼成して超硬合金を作製した。
【００２８】
得られた超硬合金の表面にＣＶＤ法により表１に示す条件で各種の硬質被覆層を形成して表２の切削工具を作製した。
【００２９】
【表１】
2004195564.tif 000003
【００３０】
【表２】
2004195564.tif 000004
【００３１】
そして、この切削工具を用いて下記の条件によりダクタイル鋳鉄の切削を２５分間行い、切削工具の切刃の観察を行うとともにフランク摩耗量および先端摩耗量を測定した。さらに、溝付き鋼材により断続試験を行い、欠損したときの衝撃回数を比較した。結果は表３に示した。
【００３２】
（摩耗試験）
被削材  ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ４５０）
工具形状：ＣＮＭＡ１２０４１２
切削速度：３５０ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他  ：水溶性切削液使用
（断続試験）
被削材  ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ７００）
工具形状：ＣＮＭＡ１２０４１２
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
その他  ：水溶性切削液使用
【００３３】
【表３】
2004195564.tif 000005
【００３４】
表２、３の結果より、（ＴｉＮ層−）粒状ＴｉＣＮ層（ＴｉＣＮ＜ｐ＞）−筋状ＴｉＣＮ層（ＴｉＣＮ＜ｃ＞）−ＴｉＣＯ層−Ａｌ2Ｏ3層の構成からなる試料Ｎｏ．１では、切刃部の硬質被覆層のうち筋状ＴｉＣＮ層とＴｉＣＯ層との間で層剥離が発生して切削性能が低下した。また、（ＴｉＮ層−）筋状ＴｉＣＮ層−ＴｉＣＮＯ層−Ａｌ2Ｏ3層（−ＴｉＮ層）の構成からなる試料Ｎｏ．６では、切刃部の硬質被覆層のうち筋状ＴｉＣＮ層とＴｉＣＮＯ層との間で層剥離が発生して切削性能が低下した。
【００３５】
これに対して、本発明に従い、硬質被覆層を、（ＴｉＮ層−）筋状ＴｉＣＮ層−粒状晶のＴｉＣＮ層−ＴｉＣＮＯ層−Ａｌ2Ｏ3層（−ＴｉＮ層）の構成とした試料Ｎｏ．２〜５では、いずれも硬質被覆層の剥離が発生せず優れた切削性能を有するものであった。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の表面被覆切削工具によれば、筋状ＴｉＣＮ層、粒状晶のＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層、Ａｌ2Ｏ3層の順に積層した構成の硬質被覆層を具備することによって、特に鋳鉄の切削等の工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、ＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層との間で剥離が発生することなく硬質被覆層の強固な密着性を維持できることから優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する切削工具が得られる。
【００３７】
また、本発明のスローアウェイチップによれば、両主面の周縁部に設けられたランド面と該ランド面から内側にブレーカ部をはさんで設けられた中央面とを同じ高さにすることに加え、筋状ＴｉＣＮ層、粒状晶のＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層、Ａｌ2Ｏ3層の順に積層した構成の硬質被覆層を具備することによって、チップのすわりの安定性が高くなり加工時にチップ自体が微振動して硬質被覆層がより強い衝撃を受けて硬質被覆層が剥離することを防止できるとともに、硬質被覆層自体もＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層との間で剥離が発生することなく硬質被覆層の強固な密着性を維持できることから優れた耐摩耗性および耐欠損性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の概略断面図である。
【図２】図１の表面被覆切削工具の一例であるスローアウェイチップの好適な形状を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１      表面被覆切削工具
２      母材
３      硬質被覆層
５      厚み方向に垂直な筋状結晶からなるＴｉＣＮ層（筋状ＴｉＣＮ層）
６      粒状結晶からなるＴｉＣＮ層（粒状ＴｉＣＮ層）
７      ＴｉＣＮＯ層
８      Ａｌ2Ｏ3層
１０    ＡｌＯＮ層
１１    下層（硬質被覆層の最内層をなすＴｉＮ層）
１２    上層（硬質被覆層の最外層をなすＴｉＮ層）
２１    すくい面（着座面）
２２    着座面（すくい面）
２３    逃げ面
２４    切刃
２５    ランド面
２６    ブレーカ部
２７    中央面（すわり面）
２８    クランプ穴
２９    ホーニングＲ部
３０    微小研磨部
【図１】
2004195564.tif 000006
【図２】
2004195564.tif 000007