(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、すくい面における硬質被覆層でのＴｉＣＮ層付近でチッピングや硬質被覆層の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るとともに、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】超硬合金、サーメットまたはセラミックスからなる母材２の表面に、少なくともＴｉＣＮ層７を１層具備する硬質被覆層３を被着形成し、すくい面４と逃げ面５の交差稜を切刃６として用い、ＴｉＣＮ層７を含む断面における走査型顕微鏡写真において、ＴｉＣＮ層７が母材２に対して垂直な方向に成長した筋状結晶からなるとともに、すくい面４表面に位置する筋状結晶の平均幅ｗ１が、逃げ面５表面に位置する筋状結晶の平均幅ｗ２よりも狭い表面被覆切削工具１を作製する。【選択図】  図２
2004216488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金、サーメットまたはセラミックスからなる母材の表面に、少なくともＴｉＣＮ層を１層具備する硬質被覆層を被着形成し、すくい面と逃げ面の交差稜を切刃として用いる表面被覆切削工具であって、前記表面被覆切削工具の前記ＴｉＣＮ層を含む断面における走査型顕微鏡写真において、前記ＴｉＣＮ層が前記母材に対して垂直な方向に成長した筋状結晶からなるとともに、前記すくい面表面に位置する前記筋状結晶の平均幅が、前記逃げ面表面に位置する前記筋状結晶の平均幅よりも狭いことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記ＴｉＣＮ層の表面にＡｌ２Ｏ３層を形成す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】
前記すくい面に位置するＴｉＣＮ層のクラック密度が、前記逃げ面に位置するＴｉＣＮ層のクラック密度より低いことを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記すくい面に位置するＴｉＣＮ層の厚みが、前記逃げ面に位置するＴｉＣＮ層の厚みより薄いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記すくい面のＡｌ２Ｏ３層の厚みが前記逃げ面のＡｌ２Ｏ３層の厚みより薄いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【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硬質被覆層を表面に被着形成した表面被覆切削工具に関し、特に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、超硬合金やサーメット、セラミックス等の母材の表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、Ａｌ２Ｏ３層およびＴｉＣＮ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乃至３には、ＴｉＣＮ層中のＴｉＣＮ粒子を母材表面に対して垂直に成長した柱状とし、かつこの結晶粒径を微細化することが記載され、工具の耐欠損性および耐摩耗性を高めることができることが記載されている。
【０００４】
一方、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おいては、従来の工具では硬質被覆層が大きな衝撃に耐えきれずすくい面においてチッピングや硬質被覆層の剥離から切刃の欠損や急激な摩耗の進行が起こることにより工具寿命が延びないという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２８５００１号公報
【特許文献２】
特開平１０−１０９２０６号公報
【特許文献３】
特開２００２−１９２４０４号公報
【０００６】
【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乃至３に記載されたＴｉＣＮ層の構成によっても鋳鉄の断続切削等の大きな衝撃がかかるような切削においてはチッピングや硬質被覆層の剥離を防止することができず、特にすくい面側においてＴｉＣＮ層付近で硬質被覆層の剥離が発生しやすいという問題があった。また、この硬質被覆層のチッピングや硬質被覆層の剥離を防止する目的で硬質被覆層の膜厚を薄くすると逃げ面摩耗が著しくなって、やはり工具寿命を延ばすことができなかった。
【０００７】
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、すくい面における硬質被覆層でのＴｉＣＮ層付近でチッピングや硬質被覆層の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るとともに、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。
【０００８】
【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、前記表面被覆切削工具のＴｉＣＮ層を母材に対して垂直な方向に成長した筋状結晶にて形成するとともに、工具のすくい面表面に位置する前記筋状結晶を前記逃げ面表面に位置する前記筋状結晶よりも細くする、つまりすくい面表面に位置する前記筋状結晶の平均幅を前記逃げ面表面に位置する前記筋状結晶の平均幅よりも狭くすることによって、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、すくい面側でのＴｉＣＮ層付近のチッピングや層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とともに、逃げ面においてはＴｉＣＮ層が耐摩耗性に優れた組織に制御することができることから、過酷な切削条件においても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。
【０００９】
すなわち本発明の表面被覆切削工具は、超硬合金、サーメットまたはセラミックスからなる母材の表面に、少なくともＴｉＣＮ層を１層具備する硬質被覆層を被着形成し、すくい面と逃げ面の交差稜を切刃として用いる表面被覆切削工具であって、前記表面被覆切削工具の前記ＴｉＣＮ層を含む断面における走査型顕微鏡写真において、前記ＴｉＣＮ層が前記母材に対して垂直な方向に成長した筋状結晶からなるとともに、前記すくい面表面に位置する前記筋状結晶の平均幅が、前記逃げ面表面に位置する前記筋状結晶の平均幅よりも狭いことを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記ＴｉＣＮ層の表面にＡｌ２Ｏ３層を形成することによって、硬質被覆層の耐摩耗性をさらに高めることができるとともに、ＴｉＣＮ層とＡｌ２Ｏ３層間の剥離を防止することができる。
【００１１】
また、前記すくい面に位置するＴｉＣＮ層のクラック密度が、前記逃げ面に位置するＴｉＣＮ層のクラック密度より低いこと、前記すくい面に位置するＴｉＣＮ層の厚みが、前記逃げ面に位置するＴｉＣＮ層の厚みより薄いこと、または前記すくい面のＡｌ２Ｏ３層の厚みが前記逃げ面のＡｌ２Ｏ３層の厚みより薄いことによって、硬質被覆層の耐欠損性および耐摩耗性をさらに高めることができる。
【００１２】
【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。
【００１３】
図１によれば、表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す。）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、すくい面４と逃げ面５の交差稜を切刃６として用いたものからなる。
【００１４】
本発明によれば、図１のＴｉＣＮ層７の要部拡大図である図２（（ａ）すくい面におけるＴｉＣＮ層７の結晶性状、（ｂ）逃げ面におけるＴｉＣＮ層７の結晶性状）に示すように、母材２の表面に形成される硬質被覆層３が、少なくともＴｉＣＮ層７を１層具備するとともに、工具１のＴｉＣＮ層７を含む断面における走査型顕微鏡写真において、ＴｉＣＮ層７が母材２に対して垂直な方向に成長した筋状結晶からなるとともに、すくい面４表面に位置する前記筋状結晶の平均幅ｗ１が、逃げ面５表面に位置する前記筋状結晶の平均幅ｗ２よりも狭い（小さい）ことが大きな特徴であり、これによって、特に鋳鉄の断続切削等の工具１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、すくい面４側でのＴｉＣＮ層７付近のチッピングや層剥離が発生することなく硬質被覆層３の強固な密着性を維持できるとともに、逃げ面５においてはＴｉＣＮ層７が耐摩耗性に優れた組織に制御することができることから、耐摩耗性および耐欠損性を有する工具１が得られる。
【００１５】
すなわち、すくい面４表面に位置するＴｉＣＮ層７中の前記筋状結晶の平均幅ｗ１が、逃げ面５表面に位置するＴｉＣＮ層７中の前記筋状結晶の平均幅ｗ２と同じか、または広い（大きい）と、工具１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、すくい面４側でのＴｉＣＮ層７付近のチッピングや層剥離が発生するか、または、逃げ面５においてＴｉＣＮ層７の耐摩耗性が低下して工具全体の寿命が短くなってしまう。
【００１６】
なお、本発明において、すくい面４表面に位置する前記筋状結晶の平均幅ｗ１、および逃げ面５表面に位置する前記筋状結晶の平均幅ｗ２は、工具１のＴｉＣＮ層７を含む破断面または鏡面における走査型顕微鏡写真において、ＴｉＣＮ層７の層方向（筋状結晶を横切る方向）で厚み３０％、５０％、７０％の位置に引いた３本の直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の長さを横切る粒界の数で除した値の平均値を指す（図２参照）。
【００１７】
ここで、すくい面４表面に位置するＴｉＣＮ層７中の前記筋状結晶の平均幅ｗ１と逃げ面５表面に位置するＴｉＣＮ層７中の前記筋状結晶の平均幅ｗ２との比（ｗ２／ｗ１）が０．４〜０．９、特に０．５〜０．８５、さらには０．５５〜０．８であることが耐チッピング性および耐摩耗性のバランスを最適化する上で望ましい。
【００１８】
また、本発明によれば、硬質被覆層３の耐摩耗性を高めるために、ＴｉＣＮ層７の表面にＡｌ２Ｏ３層９を形成することが望ましく、また、本発明における上記ＴｉＣＮ層７の構成によれば、すくい面４および逃げ面５のＡｌ２Ｏ３層９いずれについても層間剥離することなく良好な付着力を得ることができる。
【００１９】
さらに、本発明によれば、すくい面４側でのＴｉＣＮ層７付近のチッピングや層剥離が発生することなく硬質被覆層３の強固な密着性を維持するとともに、逃げ面５においてＴｉＣＮ層７が耐摩耗性に優れた組織に制御するために、すくい面４に位置するＴｉＣＮ層７のクラック密度が、逃げ面５に位置するＴｉＣＮ層７のクラック密度より低い（少ない）ことが望ましい。
【００２０】
なお、本発明におけるクラック密度とは工具１の表面を２０ｍｍφの超硬合金製ボールに平均粒径１μｍのダイヤ砥粒を塗布して硬質被覆層３の表面を研磨して、ＴｉＣＮ層７部分を金属顕微鏡写真にて観察した際ＴｉＣＮ層７部分に生成するクラックによって囲まれる部分の平均面積を算出することによって求めることができ、平均面積が大きいとクラック密度が低く、平均面積が小さいとクラック密度が高くなることを指す。
【００２１】
さらに、本発明によれば、すくい面４側でのＴｉＣＮ層７付近のチッピングや層剥離が発生することなく硬質被覆層３の強固な密着性を維持するとともに、逃げ面５においてＴｉＣＮ層７が耐摩耗性に優れた組織に制御するために、すくい面４に位置するＴｉＣＮ層７の厚みｔ１が、逃げ面５に位置するＴｉＣＮ層７の厚みｔ２より薄いこと、またはすくい面の被覆層の総厚みＴ１が逃げ面の被覆層の総厚みＴ２より薄いことが望ましい。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、すくい面４におけるＴｉＣＮ層７の膜厚：５〜９μｍ、逃げ面５におけるＴｉＣＮ層７の膜厚：６〜１０μｍであることが望ましい。なお、すくい面４におけるＡｌ２Ｏ３層９は１〜４μｍ、逃げ面５におけるＡｌ２Ｏ３層９は３〜６μｍであることが切刃の耐欠損性および耐摩耗性を高める点で望ましい。
【００２２】
また、すくい面４の切刃６における硬質被覆層６の剥離によるチッピングの発生を防止するために、予め、切刃６のすくい面４側のみＡｌ２Ｏ３層９を除去し、逃げ面５側のみＡｌ２Ｏ３層９を形成したものであっても良い。
【００２３】
さらに、本発明によれば、ＴｉＣＮ層７と母材２との間に母材２から硬質被覆層３中への炭素の拡散、すなわち、脱炭を防止し、さらに母材２表面における脆化相、いわゆる、迹鰍フ形成を抑制するために、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。
【００２４】
また、本発明によれば、切削工具として、図４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４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４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。
【００２５】
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。
【００２６】
（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。
【００２７】
次に、本発明によれば、硬質合金母材２のすくい面４表面について、前記結合金属の含有比率が少ない領域が除去されるように研磨加工を施すことによって、母材２のすくい面４表面に存在する焼肌面を除去するとともにすくい面の平滑性を高めた後に、硬質合金母材２を１〜２０Ｐａの真空中、１０００〜１３００℃にて０．５〜２時間熱処理することにより、硬質合金母材２表面の結合金属成分を蒸発、揮散させて、硬質合金母材２表面に結合金属の含有比率が少ない領域を形成せしめることが重要であり、これによって、後述するＴｉＣＮ層７を成膜する際に、すくい面４側および逃げ面５側のＴｉＣＮ層７の結晶成長状態を制御することができる。
【００２８】
その後、上記母材２の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。ＴｉＣＮ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０．１〜１０体積％、Ｎ２ガスを０〜６０体積％、ＣＨ４ガスを０〜０．１体積％、ＣＨ３ＣＮガスを０．０１〜１体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを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にて成膜する。
【００２９】
ここで、上記成膜条件のうち、ＣＨ３ＣＮガスの流量が０．０１体積％より少ないとＴｉＣＮ層７を筋状結晶に成長させることができず、逆にＣＨ３ＣＮガスの流量が１体積％を超えるとＴｉＣＮ層７の筋状結晶の平均幅を制御することができない。
【００３０】
また、本発明によれば、引き続き、ＡｌＣｌ３ガスを３〜２０体積％、ＨＣｌガスを０．５〜３．５体積％、ＣＯ２ガスを０．０１〜５．０体積％、Ｈ２Ｓガスを０〜０．０１体積％、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を被覆することが望ましい。
【００３１】
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０．１〜１０体積％、Ｎ２ガスを０〜６０体積％、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０．１〜１０体積％、Ｎ２ガスを０〜６０体積％、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。
【００３２】
【実施例】
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径２．０μｍ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。
【００３３】
そして、上記超硬合金に対して、表１に示すようにすくい面表面に研磨加工を施した後、表１に示す条件で熱処理を施した。なお、熱処理の真空度は２０Ｐａ以下とした。その後、ＣＶＤ法により表２に示す条件で各種の硬質被覆層を形成して表１の切削工具を作製した。
【００３４】
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５分間行い、切削工具の切刃の観察を行うとともに逃げ面のフランク摩耗量および先端摩耗量を測定した。結果は表２に示した。
【００３５】
（摩耗試験）
被削材  ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ４５０）
工具形状：ＣＮＭＡ１２０４１２
切削速度：４５０ｍ／分
送り速度：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他  ：水溶性切削液使用
また、上記工具の表面をカロテスターにより２０ｍｍφの超硬合金製ボールに平均粒径１μｍのダイヤ砥粒を塗布して硬質被覆層の表面を研磨して、ＴｉＣＮ層７部分を金属顕微鏡写真にて観察した際ＴｉＣＮ層７部分に生成するクラックによって囲まれる部分の平均面積を算出することによってすくい面および逃げ面のクラック密度を算出し比較した。
【００３６】
【表１】
2004216488.tif 000003
【００３７】
【表２】
2004216488.tif 000004
【００３８】
表２の結果より、すくい面と逃げ面のＴｉＣＮ結晶平均幅比が同じか、またはすくい面側が広い試料Ｎｏ．５〜９では、すくい面側にチッピングが生じやすく、または逃げ面摩耗が発生しやすいものであった。
【００３９】
これに対して、本発明に従い、逃げ面のＴｉＣＮ結晶の平均幅が広い試料Ｎｏ．１〜４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。
【００４０】
【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、ＴｉＣＮ層を母材に対して垂直な方向に成長した筋状結晶にて形成するとともに、工具のすくい面表面に位置する前記筋状結晶の平均幅を逃げ面表面に位置する前記筋状結晶の平均幅よりも狭くすることによって、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、すくい面側でのＴｉＣＮ層付近のチッピングや層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とともに、逃げ面においてはＴｉＣＮ層が耐摩耗性に優れた組織に制御することができ、過酷な切削条件においても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。
【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硬質被覆層部分についての要部拡大図である。
【図３】本発明の表面被覆切削工具のクラック密度の測定データの一例である。
【図４】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
４      すくい面
５      逃げ面
６      切刃
７      ＴｉＣＮ層
９      Ａｌ２Ｏ３層
１０    上層（硬質被覆層の最外層をなすＴｉＮ層）
１２    下層（硬質被覆層の最内層をなす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】
2004216488.tif 000005
【図２】
2004216488.tif 000006
【図３】
2004216488.tif 000007
【図４】
2004216488.tif 000008