(57)【要約】      （修正有）【課題】密着性に優れるとともに初期摩耗に優れた切削工具を提供する。【解決手段】基体２の表面に、基体２側から、平均結晶幅が０．１〜１μｍの柱状結晶にて構成される下層ＴｉＣＮ層４と、Ａｌ２Ｏ３層５と、平均結晶幅が下層ＴｉＣＮ層４の平均結晶幅よりも大きい柱状結晶にて構成される上層ＴｉＣＮ層６とを積層した切削工具１であり、密着性に優れるとともに初期摩耗に優れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面に、該基体側から、平均結晶幅が０．１〜１μｍの柱状結晶にて構成される下層ＴｉＣＮ層と、Ａｌ２Ｏ３層と、平均結晶幅が前記下層ＴｉＣＮ層の平均結晶幅よりも大きい柱状結晶にて構成される上層ＴｉＣＮ層とを積層した切削工具。
【請求項２】
前記上層ＴｉＣＮを構成するＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅が、前記下層ＴｉＣＮ層を構成するＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅よりも１．５〜１５倍大きい請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
前記下層ＴｉＣＮ層の膜厚が２．５〜１２μｍであり、前記上層ＴｉＣＮ層の膜厚が１〜１０μｍである請求項１または２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記Ａｌ２Ｏ３層は、膜厚が１〜８μｍで、平均結晶幅が０．２〜１．５μｍの柱状結晶にて構成される請求項１乃至３のいずれかに記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は切削工具に関し、特に耐欠損性に優れた被覆層からなる切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属やプリント基板等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、セラミックス等の基体の表面に、単層または多層で構成された被覆層が形成された切削工具が知られている。この被覆層としては、ＴｉＣ（炭化チタン）層、ＴｉＮ（窒化チタン）層、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）層およびＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）層等が積層された化学蒸着（ＣＶＤ）膜が多用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、超硬合金基体の表面に、ＴｉＣＮ層、Ａｌ２Ｏ３層、ＴｉＣＮ層の順に被覆した切削用インサートが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ＴｉＮ層またはＴｉＣＮ層とＡｌ２Ｏ３層の交互多重積層を化学蒸着にて形成した切削工具が開示され、高速断続切削にて硬質被覆層が優れた耐チッピング性を有することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１３４５５号公報
【特許文献２】特開２００３−１４５３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１や特許文献２に記載されたＴｉＣＮ（ＴｉＮ）層とＡｌ２Ｏ３層とを繰り返し積層した構成の被覆層においても、被覆層の密着性が不十分な場合があり、切削中にＡｌ２Ｏ３層やＴｉＣＮ層の界面から剥離して摩耗が急激に進行してしまう場合があった。
【０００７】
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、密着性が高くて耐欠損性の高い被覆層を具備する切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の切削工具は、基体の表面に、該基体側から、平均結晶幅が０．１〜１μｍの柱状結晶にて構成される下層ＴｉＣＮ層と、Ａｌ２Ｏ３層と、平均結晶幅が前記下層ＴｉＣＮ層の平均結晶幅よりも大きい柱状結晶にて構成される上層ＴｉＣＮ層とを積層したものである。
【０００９】
ここで、前記上層ＴｉＣＮを構成するＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅が、前記下層ＴｉＣＮ層を構成するＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅よりも１．５〜１５倍大きい構成であってもよい。
【００１０】
また、前記下層ＴｉＣＮ層の膜厚が２．５〜１２μｍであり、前記上層ＴｉＣＮ層の膜厚が１〜１０μｍであってもよい。
【００１１】
さらに、前記Ａｌ２Ｏ３層は、膜厚が１〜８μｍで、平均結晶幅が０．２〜１．５μｍの柱状結晶にて構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の切削工具は、下層ＴｉＣＮ層−Ａｌ２Ｏ３層−上層ＴｉＣＮ層の順に積層した被覆層の構成であるとともに、上層ＴｉＣＮ層を構成する結晶の平均結晶幅は下層ＴｉＣＮ層を構成する結晶の平均結晶幅よりも大きい柱状結晶とすることによって、上層ＴｉＣＮ層は初期欠損の抑制およびＡｌ２Ｏ３層との密着性を維持することができ、かつ下層ＴｉＣＮ層は被覆層全体の耐摩耗性の向上および基体との密着性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る切削工具の被覆層を含む断面についての走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、切削工具１の一例についての被覆層３を含む断面における走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【００１５】
図1に示す切削工具１は、基体２と、基体２の表面に形成された被覆層３と、を備えて
いる。そして、この被覆層３は、基体２側から、平均結晶幅が０．１〜１μｍの柱状結晶にて構成される膜厚が２．５〜１２μｍの下層ＴｉＣＮ層４と、平均結晶幅が０．２〜１．５μｍの柱状結晶からなる膜厚が１〜８μｍのＡｌ２Ｏ３層５と、平均結晶幅が下層ＴｉＣＮ層４の平均結晶幅よりも大きい柱状結晶にて構成される膜厚が１〜１０μｍの上層ＴｉＣＮ層６とを積層している。
【００１６】
ここで、ＴｉＣＮ層（下層ＴｉＣＮ層４）は硬度と靱性とのバランスがよくて機械的な摩耗に対して抑制効果が高いが、すくい面のクレータ摩耗のように高温下での摩耗に対する耐摩耗性は不十分である。そこで、高温下での摩耗性を向上させるためにＡｌ２Ｏ３層５をＴｉＣＮ層４の表層側に配置してクレータ摩耗を抑制することが有効である。しかしながら、Ａｌ２Ｏ３は室温下における硬さがＴｉＣＮよりも劣るため、Ａｌ２Ｏ３層５を切削工具１の最表面に配置すると、切削初期に特に逃げ面摩耗が大きくワークの寸法変化が初期に大きくなる。そこで、切削初期のワークの寸法変化を低減しつつ高速切削に対応するため、Ａｌ２Ｏ３層５の上側に上層ＴｉＣＮ層６を再度積層することにより、切削初期における逃げ面摩耗を抑制することができる。
【００１７】
また、ＴｉＣＮ層とＡｌ２Ｏ３層とは結晶形態が異なるために各層間の密着性が悪くなる傾向になるが、本発明によれば、各層の機能を加味しつつＴｉＣＮ層とＡｌ２Ｏ３層との積層数を減らして層間の界面を極力少なくしている。これに加えて、上層ＴｉＣＮ層６を構成する結晶の平均結晶幅は下層ＴｉＣＮ層４を構成する結晶の平均結晶幅よりも大きい柱状結晶とすることによって、上層ＴｉＣＮ層６は初期欠損の抑制およびＡｌ２Ｏ３層５との密着性を維持することができ、かつ下層ＴｉＣＮ層４は被覆層３全体の耐摩耗性の向上および基体との密着性を向上させることができる。なお、各層の厚みは、耐摩耗性および耐欠損性に加えて、各層の密着力を維持できる範囲に制御されている。
【００１８】
ここで、上層ＴｉＣＮ層６を構成するＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅が、下層ＴｉＣＮ層４を構成するＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅よりも１．５〜１５倍大きい構成であることが、被覆層３の耐欠損性を維持できるとともに、各層の密着力を高める点で望ましい。上層ＴｉＣＮ層６を構成するＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅の下層ＴｉＣＮ層４を構成するＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅に対する比の望ましい範囲は２〜１０倍である。
【００１９】
また、図１において、下層ＴｉＣＮ層４の膜厚が２．５〜１２μｍであり、上層ＴｉＣ
Ｎ層６の膜厚が１〜１０μｍであることが、少ない積層数で被覆層３の耐摩耗性を高めることができる点で望ましい。なお、各層の望ましい範囲は、下層ＴｉＣＮ層４の膜厚が５〜１０μｍであり、上層ＴｉＣＮ層６の膜厚が３〜４μｍである。
【００２０】
また、図１においては、Ａｌ２Ｏ３層５の膜厚が１〜８μｍで、平均結晶幅が０．２〜１．５μｍの柱状結晶にて構成されている。この構成により、Ａｌ２Ｏ３層５の密着力が高く、クレータ摩耗の抑制効果も高いものとなる。Ａｌ２Ｏ３層５の膜厚の望ましい範囲は３〜５μｍである。
【００２１】
なお、被覆層３には、基体２と下層ＴｉＣＮ層４との間にＴｉＮからなる下地層８を形成しており、他にも中間層９として、粒状結晶からなるＨＴ−ＴｉＣＮ層とＴｉＡｌＣＮＯ層とを形成し、さらに、上層ＴｉＣＮ層６の表面に粒状のＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯからなる表層（図示せず）を形成してもよい。
【００２２】
また、切削工具１の基体２は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期表第４、５、６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種と、からなる硬質相を、コバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属からなる結合相にて結合させた超硬合金や、Ｔｉ基サーメット、またはＳｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）等のセラミックスのいずれかが好適に使用できる。中でも、切削工具１を切削工具として用いる場合には、基体２は、超硬合金またはサーメットからなることが耐欠損性および耐摩耗性の点で望ましい。また、用途によっては、基体２は炭素鋼、高速度鋼、合金鋼等の金属からなるものであっても良い。
【００２３】
（製造方法）
また、上述した切削工具の製造方法の一実施形態について説明する。
【００２４】
まず、上述した基体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する。その後、得られた成形体を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からなる基体２を作製する。そして、上記基体２の表面に所望によって研磨加工や切刃部のホーニング加工を施す。
【００２５】
次に、得られた基体２の表面に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆層３を形成する。その成膜条件の一例について説明すると、まず、所望により、基体２の直上に、ＴｉＮ（窒化チタン）層を形成する。その成膜条件は、混合ガス組成として四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを１０〜６０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を８００〜９４０℃、圧力を８〜５０ｋＰａとすることが望ましい。
【００２６】
次に、下地層８の上層に下層ＴｉＣＮ層４を形成する。その成膜条件は、混合ガス組成として四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスを０．１〜３．０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を７８０〜８５０℃、圧力を５〜２５ｋＰａの条件が挙げられ、この条件によって、いわゆる柱状結晶にて構成されるＭＴ−ＴｉＣＮ層が成膜される。
【００２７】
次いでＴｉＣＮ層４の上層に中間層９を形成する。具体的には、上記下層ＴｉＣＮ層４に続いて、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜３体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜１５体積％、メタン（ＣＨ４）ガスまたはアセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスを０．１
〜１０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を９００〜１０２０℃、圧力を５〜４０ｋＰａとする成膜条件に切り替えて粒状結晶からなるＨＴ−ＴｉＣＮ層を成膜する。
【００２８】
続いて、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜３体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜１５体積％、メタン（ＣＨ４）ガスまたはアセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスを０．１〜１０体積％、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを０．５〜３．０体積％、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）を０．５〜３．０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を９００〜１０２０℃、圧力を５〜４０ｋＰａとする成膜条件にてＴｉＡｌＣＮＯ層を成膜する。
【００２９】
その後、引き続き、α型Ａｌ２Ｏ３層５を形成する。具体的な成膜条件の一例としては、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）ガスを０．５〜５．０体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５〜３．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．５〜５．０体積％、硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスを０〜０．５体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を９３０〜１０１０℃、圧力を５〜１０ｋＰａとすることが望ましい。
【００３０】
次に、Ａｌ２Ｏ３層５の表面に上層ＴｉＣＮ層６を成膜する。まず、上層ＴｉＣＮ層６の成膜に先立ち、混合ガス組成として四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを１０〜６０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を８００〜９４０℃、圧力を８〜５０ｋＰａにて、極薄いＴｉＮ層を成膜する。
【００３１】
そして、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスを０．１〜３．０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスに切り替え、成膜温度を８５５〜８８０℃（チャンバ内）、圧力を５〜２５ｋＰａとして、上層ＴｉＣＮ層６を成膜する。この条件によって、上層ＴｉＣＮ層６を構成する結晶の平均結晶幅が下層ＴｉＣＮ層４を構成する結晶の平均結晶幅よりも大きい柱状結晶とすることができる。
【００３２】
さらに、所望により、上層ＴｉＣＮ層６の上層に表層として、ＴｉＮ（窒化チタン）層を形成する。表層１０の成膜条件としては、混合ガス組成として四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、反応チャンバ内の温度を８５５〜１０１０℃、圧力を１０〜８５ｋＰａとすることが望ましい。
【００３３】
そして、所望により、形成した被覆層３表面の少なくとも切刃部を研磨加工する。この研磨加工により、切刃部が平滑に加工され、被削材の溶着を抑制して、さらに耐欠損性に優れた工具となる。
【実施例】
【００３４】
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％、炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を２．０質量％、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．２質量％との割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭG１２０４０８）に成形した。得られた成形体について、脱バイン
ダ処理を施し、０．５〜１００Ｐａの真空中、１４００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金に対して、ブラシ加工にてすくい面側について刃先処理（Ｒホーニング）を施した。
【００３５】
次に、上記超硬合金に対して、ＣＶＤ法により、下地層、下層ＴｉＣＮ層、ＨＴ−Ｔｉ
ＣＮ層、ＴｉＡｌＣＮＯ層、Ａｌ２Ｏ３層、上層ＴｉＣＮ層、表層の順に被覆層を成膜した。下層ＴｉＣＮ層、Ａｌ２Ｏ３層、上層ＴｉＣＮ層については表１に示す成膜条件で表２に示す層構成とした。他の被覆層の構成は以下の条件で成膜した。下地層は、成膜温度８８０℃、圧力１６ｋＰａの条件で、ＴｉＣｌ４ガスを２．０体積％、Ｎ２ガスを３３体積％、残りをＨ２ガスからなる混合ガスを導入して０．５μｍ厚みで成膜した。下層ＴｉＣＮ層の次に成膜したＨＴ−ＴｉＣＮ層は、成膜温度９５０℃、圧力１６ｋＰａの条件で、ＴｉＣｌ４ガスを２．５体積％，Ｎ２ガスを１０体積％，ＣＨ４ガスを３．０体積％、残りをＨ２ガスからなる混合ガスを導入して厚み０．５μｍで成膜した。ＴｉＡｌＣＮＯ層は、成膜温度９５０℃、圧力１６ｋＰａの条件で、ＴｉＣｌ４ガスを２．０体積％，Ｎ２ガスを１０体積％、ＡｌＣｌ３ガスを１．０体積％、ＣＯガスを２．０体積％、ＣＨ４ガスを３．０体積％、残りをＨ２ガスからなる混合ガスを導入して厚み０．１μｍで成膜した。上層ＴｉＣＮ層の次に成膜した表層は、成膜温度８７０℃、圧力１６ｋＰａの条件で、ＴｉＣｌ４ガスを２．０体積％、Ｎ２ガスを３３体積％、残りをＨ２ガスからなる混合ガスを導入して厚み０．５〜２．０μｍで成膜した。なお、試料Ｎｏ．８については、下層ＴｉＣＮ層、ＨＴ−ＴｉＣＮ層、ＴｉＡｌＣＮＯ層、Ａｌ２Ｏ３層を１セットとして５回繰り返し成膜した。そして、被覆層３の表面をすくい面側から３０秒間ブラシ加工して試料Ｎｏ．１〜８の切削工具を作製した。
【００３６】
なお、表２には、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真から見積もった下層ＴｉＣＮ層、Ａｌ２Ｏ３層および上層ＴｉＣＮ層の厚みと各層を構成する結晶の平均結晶幅を記載した。
【００３７】
そして、この切削工具を用いて下記の条件により、断続切削試験と摩耗切削試験を行い、工具性能を評価した。結果は表２に示した。
【００３８】
（断続切削条件）
被削材  ：クロムモリブデン鋼  ４本溝材（ＳＣＭ４４０）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２８０ｍ／分
送り速度：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
その他  ：水溶性切削液使用
評価項目：欠損に至る衝撃回数
（摩耗切削条件）
被削材  ：クロムモリブデン鋼  円柱材（ＳＣＭ４３５）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
その他  ：水溶性切削液使用
評価項目：顕微鏡にて切削初期（切削時間２分時）と切削後期（切削時間１０分時）の切刃の逃げ面摩耗幅
【００３９】
【表１】
2012196726.tif 000003
【００４０】
【表２】
2012196726.tif 000004
【００４１】
表１、２より、下層ＴｉＣＮ層と上層ＴｉＣＮ層を構成する結晶の平均結晶幅が同じ試料Ｎｏ．６では、被覆層の密着性が低下して耐摩耗性および耐欠損性とも低下した。また、上層ＴｉＣＮ層が粒状結晶からなる試料Ｎｏ．７では、上層ＴｉＣＮ層の耐摩耗性が悪くて逃げ面における被覆層の初期摩耗が大きくなった。さらに、ＴｉＣＮ層とＡｌ２Ｏ３
層との積層を２回以上繰り返した試料Ｎｏ．８では、被覆層の密着性が低くて耐摩耗性および耐欠損性とも大幅に低下した。
【００４２】
これに対して、平均結晶幅が０．１〜１μｍの柱状結晶にて構成される下層ＴｉＣＮ層と、Ａｌ２Ｏ３層と、平均結晶幅が前記下層ＴｉＣＮ層の平均結晶幅よりも大きい柱状結晶にて構成される上層ＴｉＣＮ層とを積層した試料１〜５では、被覆層の剥離が抑制され、耐欠損性および耐欠損性が優れた切削性能を有するものであった。
【符号の説明】
【００４３】
１      切削工具
２      基体
３      被覆層
４      下層ＴｉＣＮ層
５      Ａｌ２Ｏ３層
６      上層ＴｉＣＮ層
８      下地層
９      中間層
【図１】
2012196726.tif 000005