(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主たる成分として周期表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体の少なくとも１種からなる硬質相とＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種からなる超硬合金でなる母材の表面に化学蒸着法により硬質皮膜を形成してなる被覆切削工具において、該硬質皮膜がＴｉの炭窒化物からなる柱状結晶層を有し、該柱状結晶層には硬質皮膜と母材との界面に対して水平方向の結晶粒子径が粗い粒子と細かい粒子が混在し、該粗い粒子の平均粒径と該細かい粒子の平均粒径との比が３以上５０以下であることを特徴とする被覆切削工具
【請求項２】
前記請求項の粗い粒子の水平方向の結晶粒子径が０．４μｍ以上１０μｍ以下であり、細かい粒子の水平方向の結晶粒子径が０．０１μｍ以上０．２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の被覆切削工具
【請求項３】
前記請求項の粗い粒子の２〜２００μｍ平均粒径の凝集部が点在していることを特徴とする請求項１、２記載の被覆切削工具
【請求項４】
前記請求項の凝集部が０．５〜２００μｍの間隔をもって点在することを特徴とする請求項１、２、３記載の被覆切削工具
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は超硬合金、サーメット、セラミックスを基体として、硬質膜を被覆した切削工具において、柱状結晶層の基体に対して水平方向の粒径が粗細混合および凝集部の点在により切削性能を向上させた切削工具ならびにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具などに硬質層を形成するコーティング技術が種々行われているが、近年は被膜中のＴｉ化合物を柱状結晶とする組織に関する技術が開発されており、さらにその粒子径に関する発明が開示されている。例えば特開平７−２８５００１号公報では、ＴｉＣＮの膜厚が４μｍ以下の場合に柱状結晶の平均結晶粒子径が０．１〜１μｍであって、ＴｉＣＮの膜厚が４〜２０μｍの場合は平均結晶粒子径が０．５〜３μｍであることを限定した発明が開示されている。特開平８−７１８１４号公報では柱状結晶がテーパー形状であって膜厚２μｍ以下で平均結晶粒子径０．０１２〜０．５μｍ、膜厚２〜１０μｍで平均結晶粒子径０．０５〜１．３μｍである発明が開示されている。特開平１０−１５７１１号公報では水平方向の平均粒径が０．３〜１．２μｍであって、かつ垂直方向の平均粒径が水平方向の平均粒径の２．５倍以上であって、ＴｉＣＮからなる柱状結晶層の厚さが全膜厚の６０％以上である発明が開示されている。特開平１０−１０９２０６号公報では柱状結晶層中の粒径を界面からの位置により平均粒径が変化することを限定し、かつ平均結晶粒子径を０．１５〜１．５μｍに限定する発明が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発明において、柱状結晶層は、同一面内の皮膜と母材の界面に対して水平方向の粒径は均一であることが前提となっており、その柱状結晶、例えばＴｉＣＮの平均粒径および粒径範囲を限定していた。また、切削性能としては耐摩耗性を極めて重視する観点から、柱状結晶組織の制御により耐熱衝撃性を向上させ、切削工具の工具寿命を伸ばす技術開発は行われていなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決すべく柱状結晶粒径および組織制御に関する種々試験・検討を行った結果得られたものである。主たる成分として周期表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体の少なくとも１種からなる硬質相とＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種からなる超硬合金でなる母材の表面に化学蒸着法により硬質皮膜を形成してなる被覆切削工具において、該硬質皮膜がＴｉの炭窒化物からなる柱状結晶層を有し、該柱状結晶の母材との界面に対して水平方向の結晶粒子径が粗い粒子と細かい粒子が混在し、該粗い粒子の平均粒径と該細かい粒子の平均粒径との比が３以上５０以下であることを特徴とする被覆切削工具が優れた切削性能を有することを見出したものである。なお柱状晶の結晶粒子形状が円に近い場合は最大径、アスペクト比１．２を超える楕円形状粒子の場合は長手方向の粒径とその垂直方向の粒径の平均値を代表値として算出した。
【０００５】
ここで、粗い粒子の水平方向の結晶粒子径は０．４μmより細かい場合は耐熱衝撃性の向上が認められず、１０μmより粗い場合には耐欠損性の低下を招くため０．４μｍ以上１０μｍ以下と限定した。細かい粒子の水平方向の結晶粒子径は０．０１μmより小さい場合は耐摩耗性が低下し、０．２５μmより粗い場合には所望の耐熱衝撃性の向上が得られないため、０．０１μｍ以上０．２５μｍ以下と限定した。さらに、粗い粒子の凝集部が点在することで耐熱衝撃性が向上するが、その中でも細かい粒径の柱状晶に粗い粒径の柱状晶凝集部が適度に点在している組織が望ましい。凝集部粒径は凝集部の最長長さを粒径とした。凝集部の大きさの平均粒径が２μmより細かい場合は所望の効果が認められず、２００μmより粗い場合は粗細混粒とした効果が得られないため、２〜２００μｍ平均粒径の凝集部が点在していることを限定した。また、凝集部間の間隔は０．５μmより狭い場合は単一粒子径の被膜と同等の耐熱衝撃性であり、２００μmより広い場合でも微細粒子の均一粒子径膜と同等になるため、凝集部間の間隔を０．５〜２００μｍで点在すると限定した。
【０００６】
【発明の実施態様】
本発明は、被膜組織を粗細混合の柱状結晶組織にすることで単一粒径の柱状結晶組織よりも、サーマルクラックを生じにくく工具寿命が向上することが明らかとなったものである。具体的な実施形態としては、所望の形状の超硬合金を必要によっては研摩加工を施し、洗浄工程を経て、化学蒸着法に基づく熱CVD炉内に導入する。被膜を形成する際には、少なくとも１種のＴｉの炭窒化物からなる柱状結晶被膜を形成し、その導入ガスのうち炭素元素の供給ガスとしてエタンを主成分とする炭化水素系ガスを用いることによって、本発明品の凝集部を点在させた粗細混合粒の柱状結晶組織を得るものである。エタン以外のガスを混入することによっても被膜組織を制御でき、具体的にはメタン、アセトニトリル、プロパンの少なくとも１種または２種以上を導入する。より粗粒の比率を高くしたい場合はプロパンやメタンが好ましく、より微粒にしたい場合はアセトニトリルを選択することが好ましい。
【０００７】
作製した被覆切削工具の被膜中の柱状結晶の母材界面と水平方向の粒径および凝集部径の評価は次に述べる方法により行なった。試料を柱状結晶縦方向の中央まで母材との界面に対して平行に鏡面研磨する。鏡面研磨したTiCN柱状結晶膜表面をフッ化水素酸、硝酸、水からなる水溶液でエッチングする。柱状結晶の結晶粒界が優先的にエッチングされるため組織観察が容易になる。このように表面処理した試料をＳＥＭ観察し、母材との界面に対して水平方向の柱状結晶粒子径を測定した。特に柱状晶粒径が細かく上記の方法で測定できない場合は，柱状結晶縦方向中央における柱状結晶粒子径をTEMにて測定した。
【０００８】
【実施例】
超硬合金ＷＣ−10%Ｃｏ(wt%)、形状ＳＮＧＮ１２０４１６の母材に下記構成の被膜を被覆した。膜構成は0.5TiN-5.0TiCN-0.5TiCO-1.0Al2O3-0.1TiN（μm）とした。
TiCN柱状結晶膜以外の膜は通常の熱ＣＶＤで被覆した。発明品１〜１０のTiCN膜はTiCl4-H2-C2H6-N2系を用いそれぞれ条件を変えて作製した。比較品１のTiCN膜はTiCl4-H2-Ar-CH3CN系を用い、比較品２〜１０のTiCN膜はTiCl4-H2-C2H6-N2系を用いそれぞれ条件を変えて作製した。表１に作製した試料のTiCN膜粒径とフライス試験により発生したサーマルクラック本数を示す。
【０００９】
フライス切削試験条件
被削材  ＳＣＭ４４０
試料チップ形状：ＳＮＧＮ１２０４１６
切削速度Ｖ＝１５０ｍ／ｍｉｎ
送り    ｆ＝０．３５ｍｍ／Ｔｏｏｔｈ
切り込みｄ＝２．０ｍｍ
水溶性切削油    ｄｒｙ
４０パス時に試料のすくい面にあらわれるサーマルクラックの本数を測定した
【００１０】
【表１】
柱状結晶組織のTiCN膜の粒径、凝集部径およびサーマルクラック本数
0004437353.tif 000002
【００１１】
【発明の効果】
表１に示される結果から、本発明品１〜１０は極めてサーマルクラックが発生し易い切削条件にもかかわらずサーマルクラックの発生数は少ない。それに対し比較品１〜１０は耐熱衝撃性が劣るためサーマルクラックの発生数が多く、チッピングまで至るものもあった。上述のように、この発明の被覆切削工具は該被膜がＴｉの炭窒化物からなる柱状結晶層を有し、該柱状結晶層は硬質皮膜と母材との界面に対して水平方向の結晶粒子径が粗い粒子と細かい粒子が混在し、該粗い粒子の平均粒径と該細かい粒子の平均粒径との比が３以上５０以下であることで耐熱衝撃性を向上させ、さらに凝集部を点在させる組織とすることにより、従来にない高い耐熱衝撃性を有する被覆切削工具が得られたものである。