(57)【要約】【課題】高硬度鋼の高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】表面被覆切削工具の硬質被覆層を、下部層と上部層とで構成し、（ａ）下部層としては、０．５〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、（ｂ）上部層としては、化学蒸着形成した状態で、ＡｌとＣｒの複合酸化物の素地に、ＡｌとＣｒとＹの複合酸化物からなる分散相が分散分布した組織を有し、かつ、Ｃｒの含有割合は、上部層中に含有されるＡｌとＣｒの合量に対する割合（原子比）で、０．０５〜０．３５を満足し、また、Ｙの含有割合は、上部層中に含有されるＡｌとＣｒとＹの合量に対する割合（原子比）で、０．０１〜０．１０を満足し、さらに、０．５〜１３μｍの平均層厚を有する複合酸化物層、を形成する。【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基体または炭窒化チタン基サーメット基体の表面に、
（ａ）下部層として、いずれも化学蒸着形成された、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種以上で構成され、かつ０．５〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、化学蒸着形成した状態で、ＡｌとＣｒの複合酸化物の素地に、ＡｌとＣｒとＹの複合酸化物からなる分散相が分散分布した組織を有し、
かつ、前記上部層におけるＣｒの含有割合は、上部層中に含有されるＡｌとＣｒの合量に対する割合（原子比）で、０．０５〜０．３５を満足し、
また、前記上部層におけるＹの含有割合は、上部層中に含有されるＡｌとＣｒとＹの合量に対する割合（原子比）で、０．０１〜０．１０を満足し、
さらに、０．５〜１３μｍの平均層厚を有する複合酸化物層、
上記の下部層と上部層で構成された硬質被覆層を形成してなる、高硬度鋼の高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、硬質被覆層がすぐれた高温硬さ・耐熱性・高温強度を備え、したがって、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度鋼を、高い発熱を伴うとともに切刃部への機械的負荷が大きな高切り込みや高送りなどの高速重切削条件下で切削加工を行なった場合にも、硬質被覆層が高速重切削加工で要求される高温強度を十分に備えることによって、高温強度の不足から発生するチッピングを防止し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する、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基体の表面に、化学蒸着により硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具（以下、被覆切削工具という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被覆切削工具として、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）基サーメットからなる基体（以下、これらを総称して工具基体と云う）の表面に、
（ａ）いずれも化学蒸着形成された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層以上からなり、かつ０．５〜１５μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）０．５〜１３μｍの平均層厚を有し、ＡｌとＣｒの合量に対するＣｒの含有割合が、原子比で、０．０５〜０．３５を満足する化学蒸着形成したＡｌとＣｒの複合酸化物（以下、（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３で示す）層からなる上部層
上記の下部層と上部層で構成された硬質被覆層を形成してなる、被覆切削工具が知られている。
また、上記の従来被覆切削工具の硬質被覆層を構成する上部層である（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３層が、Ａｌによる高温硬さおよび耐熱性と、Ｃｒによる高温強度を具備することから、かかる被覆切削工具を各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いた場合にすぐれた切削性能を発揮することも知られている。
【０００３】
さらに、上記の従来被覆切削工具が、例えば図１に概略縦断面図で示される通り、中央部にステンレス鋼製の反応ガス吹き出し管が立設され、前記反応ガス吹き出し管には、図２（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概略平面図で例示される黒鉛製の工具基体支持パレットが串刺し積層嵌着され、かつこれらがステンレス鋼製のカバーを介してヒーターで加熱される構造を有する化学蒸着装置を用い、工具基体を前記工具基体支持パレットの底面に形成された多数の反応ガス通過穴位置に図示される通りに載置した状態で前記化学蒸着装置に装入し、ヒータで装置内を、例えば８５０〜１０５０℃の範囲内の所定の温度に加熱した後、まず、硬質被覆層の下部層として、例えば表３に示される形成条件でＴｉ化合物層を形成し、ついで、
（ａ）反応ガス組成：容量％で（以下、反応ガスの％は容量％を示す）、
ＡｌＣｌ３：  １．３〜２．２  ％、
ＣｒＣｌ２：  ０．１０〜０．８０  ％、
ＣＯ２：  ３〜１２  ％、
ＨＣｌ： １〜５  ％、
Ｈ２：残り、
（ｂ）反応雰囲気温度：  ９８０〜１０５０  ℃、
（ｃ）反応雰囲気圧力：  １０〜２０  ｋＰａ、
の条件で、上記の（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３層からなる上部層を形成することにより製造されることも知られている。
【０００４】
また、一般に、上記の従来被覆切削工具の硬質被覆層の下部層を構成するＴｉ化合物層や（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３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、層自身の強度向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとしてＣＨ３ＣＮなどの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１】特開昭５４−１５３７５８号公報
【特許文献２】特開平６−８０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は、通常の切削条件に加えて、より高速条件下での高効率の切削加工が要求される傾向にあるが、上記の従来被覆切削工具においては、これを高硬度鋼の高切り込みや高送りなどの高速重切削加工条件で用いた場合には、高い発熱とともに、切刃部への機械的負荷が大きなものであるため、特に硬質被覆層の上部層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３層の高温強度不足が原因となり、切刃部にチッピング（微小割れ）が発生し易く、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速重切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削工具を開発すべく、上記の従来被覆切削工具を構成する硬質被覆層に着目し、研究を行った結果、
（Ａ）上記の化学蒸着装置を用いて、被覆切削工具の硬質被覆層の上部層を、
（ａ）反応ガス組成：
ＡｌＣｌ３：  １．３〜２．２  ％、
ＣｒＣｌ２：  ０．１〜０．８  ％、
ＹＣｌ３：  ０．０３〜０．２３  ％、
ＣＯ２：  ３．０〜１２．０  ％、
ＨＣｌ：  １．０〜５．０  ％、
Ｈ２：残り、
（ｂ）反応雰囲気温度：  ９００〜９６０  ℃、
（ｃ）反応雰囲気圧力：  ５〜７  ｋＰａ、
の条件で形成すると、この結果形成された上部層は、ＡｌとＣｒの複合酸化物（以下、Ａｌ−Ｃｒ素地複合酸化物という）からなる素地に、ＡｌとＣｒとＹの複合酸化物（以下、Ａｌ−Ｃｒ−Ｙ分散複合酸化物という）からなる分散相が分散分布した組織を有し、さらに、上記上部層におけるＣｒの含有割合は、上部層中に含有されるＡｌとＣｒの合量に対する割合（原子比）で、０．０５〜０．３５を満足し、また、上記上部層におけるＹの含有割合は、上部層中に含有されるＡｌとＣｒとＹの合量に対する割合（原子比）で、０．０１〜０．１０を満足すること。
【０００７】
（Ｂ）上記の上部層は、素地を構成するＡｌ−Ｃｒ素地複合酸化物自体の有するすぐれた高温硬さ、耐熱性および高温強度とともに、素地に分散分布したＡｌ−Ｃｒ−Ｙ分散複合酸化物からなる分散相による素地微細化効果によって、さらに一段とすぐれた高温強度を具備するようになり、したがって、硬質被覆層の上部層がＡｌ−Ｃｒ素地複合酸化物とＡｌ−Ｃｒ−Ｙ分散複合酸化物からなる被覆切削工具は、特に合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の切削加工を、高い発熱を伴い、かつ、切刃部への機械的負荷が大きなものとなる高切り込みや高送りなどの高速重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮するようになること。
以上（Ａ）および（Ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００８】
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、工具基体の表面に、
（ａ）下部層として、いずれも化学蒸着形成された、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２種以上で構成され、かつ０．５〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、化学蒸着形成した状態で、ＡｌとＣｒの複合酸化物の素地に、ＡｌとＣｒとＹの複合酸化物からなる分散相が分散分布した組織を有し、
かつ、前記上部層におけるＣｒの含有割合は、上部層中に含有されるＡｌとＣｒの合量に対する割合（原子比）で、０．０５〜０．３５を満足し、
また、前記上部層におけるＹの含有割合は、上部層中に含有されるＡｌとＣｒとＹの合量に対する割合（原子比）で、０．０１〜０．１０を満足し、
さらに、０．５〜１３μｍの平均層厚を有する複合酸化物層、
上記の下部層と上部層で構成された硬質被覆層を形成してなる、高硬度鋼の高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆切削工具に特徴を有するものである。
【０００９】
つぎに、この発明の被覆切削工具において、これを構成する硬質被覆層の構成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（１）下部層
Ｔｉ化合物層からなる下部層は、基本的には上部層（ＡｌとＣｒの複合酸化物の素地に、ＡｌとＣｒとＹの複合酸化物からなる分散相が分散分布）の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、工具基体と上部層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の超硬基体に対する密着性を向上させる作用を有するが、その合計平均層厚が０．５μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が１５μｍを越えると、切削時の発生熱によって偏摩耗の原因となる熱塑性変形を起し易くなることから、その合計平均層厚を０．５〜１５μｍと定めた。
【００１０】
（２）上部層
上記したとおり、上部層の素地を構成するＡｌ−Ｃｒ素地複合酸化物におけるＡｌ成分は高温硬さおよび耐熱性、同Ｃｒ成分は高温強度を向上させ、さらに、上部層の分散相を構成するＡｌ−Ｃｒ−Ｙ分散複合酸化物は、Ａｌ−Ｃｒ素地複合酸化物からなる素地を微細化することによって一段と高温強度を向上させる作用がある。
そして、前記Ａｌ−Ｃｒ素地複合酸化物あるいはＡｌ−Ｃｒ−Ｙ分散複合酸化物として上部層に含有されるＣｒの含有割合が、上部層全体に含有されるＡｌとＣｒの合量に対するＣｒの含有割合（原子比）として０．３５を越えると、相対的にＡｌの含有割合が低くなることから、素地自体の高温硬さおよび耐熱性の低下は避けられず、これが摩耗促進の原因となり、一方、Ｃｒの含有割合（原子比）が０．０５未満になると、素地自体の高温強度の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなることから、上部層全体に含有されるＡｌとＣｒの合量に対するＣｒの含有割合（原子比）を０．０５〜０．３５と定めた。
また、上記素地に分散するＡｌ−Ｃｒ−Ｙ分散複合酸化物からなる分散相について、上部層中に含有されるＡｌとＣｒとＹの合量に対するＹの含有割合（原子比）が０．０１未満では、Ａｌ−Ｃｒ−Ｙ分散複合酸化物の分散による素地微細化作用が不十分であって、そのため素地自体の高温強度向上効果も不十分であり、一方その含有割合が０．１０を越えると、素地の高温硬さおよび耐熱性に低下傾向が現れ、上部層の摩耗が促進するようになることから、上部層中に含有されるＡｌとＣｒとＹの合量に対するＹの含有割合（原子比）を０．０１〜０．１０と定めた。
さらに、その上部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、所望の耐摩耗性を長期に亘って確保することができず、一方その平均層厚が１３μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、上部層の平均層厚を０．５〜１３μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の被覆切削工具は、硬質被覆層の上部層が、素地の具備するすぐれた高温硬さと耐熱性に加えて、分散相の素地微細化作用により一段と向上した高温強度を有するようになるので、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度鋼などの切削加工を、高い発熱を伴い、切刃部への機械的負荷が大きなものとなる高切り込みや高送りなどの高速重切削条件で行なった場合にも、下部層であるＴｉ化合物層の具備するすぐれた層間密着性および高温強度と相俟って、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
つぎに、この発明の被覆切削工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００１３】
原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＮ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、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ１〜Ａ１０を形成した。
【００１４】
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、Ｍｏ２Ｃ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、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を２ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。
【００１５】
つぎに、上記の工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、図１に示される化学蒸着装置内に、第２図に示される工具基体支持パレットの位置決め穴に載置した状態で装入し、まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０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）に示される通常の条件にて、表６に示される組み合わせおよび目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、ついで、表４に示される条件で、かつ同じく表６に示される目標層厚の上部層を蒸着形成することにより、本発明被覆切削工具である本発明表面被覆スローアウエイチップ（以下、本発明被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１６】
また、比較の目的で、これら工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、同じくそれぞれ図１，２に示される通常の化学蒸着装置に装入し、それぞれ表５に示される条件で、表７に示される目標層厚の上部層を蒸着形成する以外は同一の条件で、従来被覆切削工具としての従来表面被覆スローアウエイチップ（以下、従来被覆チップと云う）１〜１６をそれぞれ製造した。
【００１７】
つぎに、上記本発明被覆チップ１〜１６および従来被覆チップ１〜１６について、これを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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１の丸棒、
切削速度：  １８０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  ４．０  ｍｍ、
送り：  ０．２  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ａという）で合金工具鋼の乾式連続高切り込み切削加工試験（通常の切削速度および切り込み量は、それぞれ５０ｍ／ｍｉｎ．、１．５ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  １５０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  ４．０  ｍｍ、
送り：  ０．１５  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ｂという）で浸炭焼入れ鋼の乾式断続高切り込み切削加工試験（通常の切削速度および切り込み量は、それぞれ３０ｍ／ｍｉｎ．、１．０ｍｍ）、さらに、被削材：ＪＩＳ・ＳＫＨ５３の丸棒、
切削速度：  １７０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．０  ｍｍ、
送り：  ０．４  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ｃという）で高速度工具鋼の乾式連続高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ４０ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）、を行い、いずれの切削加工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に示した。
【００１８】
【表１】
2007130742.tif 000002
【００１９】
【表２】
2007130742.tif 000003
【００２０】
【表３】
2007130742.tif 000004
【００２１】
【表４】
2007130742.tif 000005
【００２２】
【表５】
2007130742.tif 000006
【００２３】
【表６】
2007130742.tif 000007
【００２４】
【表７】
2007130742.tif 000008
【００２５】
【表８】
2007130742.tif 000009
【００２６】
この結果得られた本発明被覆チップ１〜１６および従来被覆チップ１〜１６を構成する硬質被覆層の上部層および下部層について、その組成を、オージェ分光分析装置を用いて測定したところ、いずれも目標組成と実質的に同じ組成を示し、さらに、硬質被覆層を構成する上部層および下部層の平均層厚も目標層厚と実質的に同じ値を示した。
【００２７】
表６〜８に示される結果から、硬質被覆層の上部層が、Ａｌ−Ｃｒ素地複合酸化物からなる素地に、Ａｌ−Ｃｒ−Ｙ分散複合酸化物からなる分散相が分散分布した組織を有する本発明被覆チップ１〜１６は、いずれも合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の切削加工を、切刃部への機械的負荷が大きく高い発熱を伴う高切り込みや高送りなどの高速重切削条件で行なった場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮し、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するのに対して、硬質被覆層の上部層が、ＡｌとＣｒの複合酸化物からなる従来被覆チップ１〜１６においては、特に前記上部層の高温強度不足が原因して、チッピングが発生し易く、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００２８】
上述のように、この発明の被覆切削工具は、通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の切削加工を、高切り込みや高送りの高速重切削条件で行なった場合にも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すものであるから、切削装置のＦＡ化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】被覆切削工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いた化学蒸着装置を示す概略縦断面図である。
【図２】化学蒸着装置の構造部材である工具基体支持パレットを示し、（ａ）が概略斜視図、（ｂ）が概略平面図である。
【図１】
2007130742.tif 000010
【図２】
2007130742.tif 000011