(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉの窒化物、炭窒化物、炭化物、Ａｌの酸化物の内の少なくとも２種以上を被覆した多層被覆超硬合金において、該被覆層が母材超硬合金側より、第１層がＴｉの炭化物もしくは窒化物もしくは炭窒化物、第２層が柱状結晶を有するＴｉの炭窒化物、第３層がＴｉの炭化物で、Ｘ線回折におけるピークの高さが（１１１）面、（２００）面、（２２０）面において（２００）面のピーク高さが最小で、且つ、該第３層の粗さをＲｍａｘ１．２μｍを超え、Ｒｍａｘ２．０μｍの範囲に粗く設け、第４層がα型結晶構造を有するＡｌの酸化物であることを特徴とする多層被覆超硬合金。
【請求項２】
Ｔｉの窒化物、炭窒化物、炭化物、Ａｌの酸化物の内の少なくとも２種以上を被覆した多層被覆超硬合金において、該被覆層が母材超硬合金側より、第１層がＴｉの炭化物もしくは窒化物もしくは炭窒化物、第２層が柱状結晶を有するＴｉの炭窒化物、第３層がＴｉの炭化物で、Ｘ線回折における最強のピークを有する面がその下地層である前記第２層のＸ線回折における最強のピークを有する面と一致し、且つ、該第３層の粗さをＲｍａｘ１．２μｍを超え、Ｒｍａｘ２．０μｍの範囲に粗く設け、第４層がα型結晶構造を有するＡｌの酸化物であることを特徴とする多層被覆超硬合金。
【請求項３】
請求項１又は２記載の多層被覆超硬合金において、該第３層と第４層の間にＴｉの炭酸化物もしくは炭窒酸化物を介在させたことを特徴とする多層被覆超硬合金。
【請求項４】
請求項１乃至３何れかに記載された多層被覆超硬合金において、該第１層のＴｉの炭化物と第２層のＴｉの炭窒化物の間にＴｉの窒化物を介在させたことを特徴とする多層被覆超硬合金。
【請求項５】
請求項１乃至４何れかに記載された多層被覆超硬合金において、最外層をＴｉの窒化物にしたことを特徴とする多層被覆超硬合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は硬質被覆層が母材超硬合金との密着性に優れ重断続切削において安定した切削が可能であると共に、各硬質層間の層間密着性にも優れ層間剥離が発生せず、さらに優れた切削性能を発揮する多層被覆超硬合金製切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、Ａｌ２Ｏ３等の硬質皮膜を多層に被覆した被覆超硬合金工具は広く用いられている。多層化することにより、それぞれの皮膜の長所を取り入れる事が可能であるが、反面必然的に界面の数は増加する。一般にこれらの層間の密着性は強いものではなくしばしば層間剥離が発生しこの剥離が工具寿命の低下をもたらす。最近層間の密着性を改善するいくつかの提案（例えば、特開平８−１４１０号公報）もなされているがいまだ満足のいくものではない。また、切削の高率化のため切削送りが増加する傾向にあり、かかる場合、従来の提案では層間剥離も発生するが、さらに母材と多層膜界面での剥離も発生し工具寿命は短い結果であるのが現状である。
【０００３】
また柱状結晶を有するＴｉＣＮ皮膜は耐摩耗性に優れるとともに靱性にも優れ最近頻繁に用いられている。（例えば、特開平５−２６９６０６号，特開平８−１４１０号公報）一方、ＴｉＣなどの皮膜の結晶形態は粒子状であり、例えば、柱状結晶のＴｉＣＮの上に粒状結晶のＴｉＣを積層した場合その界面で結晶構造の不連続性が発生しさらに層間密着性が劣化する結果となる。
【０００４】
また皮膜の中でもＡｌ２Ｏ３は酸化物のため、特にＴｉＣやＴｉＮなどの炭化物、窒化物等の他成分皮膜との密着性は悪く従来これを改善すべく下地層とエピタキシャルの関係を保ち成膜する提案（特公平７−８８５８２号公報）や炭化物、窒化物と酸化物の中間的性質を有するＴｉの炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物を下地に用いる提案（特公昭５５−４７１１０号，特公昭６２−４２２４号）もなされている。しかし今だ満足のいく密着性は得られるに至っていない。特にα型結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３は下地との界面にピンホール等が発生し易く、今だ十分な密着性が得られるに至っていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は上述の層間並びに母材と皮膜の密着性における問題点の解決を目的とし、これに対し各硬質層間の密着性、とりわけ、柱状結晶を有するＴｉＣＮ層を多層の中の一つの層として用いた場合に発生する結晶形態の不連続性に起因する密着性の劣化の防止、さらに、α型結晶構造のＡｌ２Ｏ３酸化物層と下地との密着性を著しく改善するものである。さらに母材超硬合金と多層皮膜の密着性も合わせ改善するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の観点からまず一般的に用いられるＴｉＮ−柱状ＴｉＣＮ−粒子状ＴｉＣ、３層構造の多層皮膜を作製し層間剥離現象を調査した。ＴｉＣは一般的条件で成膜すると一番安定である（２００）面に最強のピークを有する粒子状の皮膜が成膜される。これは通常粉末のＴｉＣをＸ線回折した場合に得られ、ＡＳＴＭカードに記載されているものに等しいパターンである。（１１１）面と（２２０）面の強度は成膜条件により多少の変化は認められるが、（２００）＞（１１１）、（２２０）であることには変わりはない。切削試験結果によれば、この場合ＴｉＣＮ層（柱状結晶）とＴｉＣ層（粒子状結晶）の間でのみ剥離が多発し、前述のように結晶形態の不連続性が存在すると、密着性が著しく低下することが、確認された。すなわち、本願の第１の発明は、Ｔｉの窒化物、炭窒化物、炭化物、Ａｌの酸化物の内の少なくとも２種以上を被覆した多層被覆超硬合金において、該被覆層が母材超硬合金側より、第１層がＴｉの炭化物もしくは窒化物もしくは炭窒化物、第２層が柱状結晶を有するＴｉの炭窒化物、第３層がＴｉの炭化物で、Ｘ線回折におけるピークの高さが（１１１）面、（２００）面、（２２０）面において（２００）面のピーク高さが最小で、且つ、該第３層の粗さをＲｍａｘ１．２μｍを超え、Ｒｍａｘ２．０μｍの範囲に粗く設け、第４層がα型結晶構造を有するＡｌの酸化物であることを特徴とする多層被覆超硬合金である。
本願の第２の発明は、前記第１の発明の、第３層を、Ｘ線回折における最強のピークを有する面がその下地層である前記第２層のＸ線回折における最強のピークを有する面と一致させた多層被覆超硬合金である。
【０００７】
【作用】
本発明者らは、柱状結晶を有するＴｉＣＮ状の上に成膜するＴｉＣの成膜条件を鋭意検討した結果、成膜速度を著しく低くした条件下、例えば、反応ガス濃度を著しく低くした条件下で成膜された場合、下地ＴｉＣＮの結晶形態にエピタキシャルに成膜する傾向が発生するという驚くべき事実を確認した。この場合ＴｉＣの結晶形態は一番安定である（２００）面に最強ピークを有するパターンから逸脱し、エピタキシャル成膜の発生頻度を支配するＴｉＣの成膜速度の変化に対し種種の配向パターンを有する結果となる。また、この配向パターンを成膜速度により制御することが可能であるという新しい知見も得られた。
【０００８】
反応ガス濃度を非常に低くすると８０％以上のＴｉＣは下地柱状ＴｉＣＮにエピタキシャルに成膜し、驚くべきことに同じく柱状結晶形態を呈する結果となる。結果、Ｘ線回折における下地ＴｉＣＮの最強ピーク面とＴｉＣの最強ピークは一致する。この場合のＴｉＣＮとＴｉＣ層間の密着力は最も強いことは、結晶構造に不連続性がないことより容易に理解されるところである。反応ガス濃度の多少の増加に伴い、ＴｉＣはエピタキシャルに成膜する頻度は低下し、次に（１１１）面もしくは、（２２０）面に配向する傾向を有するようになる。この場合もＴｉＣは柱状結晶形態を有する傾向にあるため、ＴｉＣＮとこのＴｉＣ層間の密着性は通常の（２００）面に配向した粒子状結晶を有するＴｉＣの場合に較べ著しく良好な結果となることはいうまでもない。また、反応ガス濃度の調整以外では、例えば、成膜温度を非常に低くすることによっても同様に成膜速度を抑え、同様のＴｉＣ皮膜を成膜することが可能である。
【０００９】
ＴｉＣとα型Ａｌ２Ｏ３の密着性においてはＴｉＮおよびＴｉＣＮとα型Ａｌ２Ｏ３の密着性よりは優れるものの、通常のＴｉＣとの密着性は十分なものではない。その理由は通常の（２００）面に配向したＴｉＣつまり（２００）面に最強のピークを有するＴｉＣにおいては、前述のように、結晶形態は粒子状であり結晶は粒子状に成長する。この場合、結晶粒の大きさはせいぜい０．５μから１．２μであり従ってＴｉＣ表面の面粗さは最大でも１．２Ｓ程度の極めて平坦なものである。この様な平坦な界面においてはアンカー効果が全くなく結果ＴｉＣとＡｌ２Ｏ３の密着力は十分なものではない。特に炭化物と酸化物といった全く異種の層間においては、アンカー効果は密着性に対し極めて重要な因子である。この問題を解決すべくＴｉＣとα型Ａｌ２Ｏ３の間に中間的性質を有するＴｉＣＯやＴｉＣＮＯを介在させる提案もなされてはいるが、アンカー効果がないことは同様であり密着性を十分に改善するには至っていない。
【００１０】
一方、（１１１）面もしくは（２２０）面に配向したＴｉＣは下地ＴｉＣＮの柱状結晶成長をそのまま引継、柱状に連続成長するため表面粗さは２．０Ｓにもなる。従って、Ａｌ２Ｏ３層に対し十分なアンカー効果を発揮し密着性は格段に改善される結果となる。特に下地層と全く同じ配向を有する場合、つまり下地ＴｉＣＮの最強ピークとＴｉＣの最強ピークが一致する場合に表面粗さは最大となり密着性は最大のものとなる。これらＴｉＣとα型Ａｌ２Ｏ３の間に中間的性質を有するＴｉＣＯやＴｉＣＮＯを介在させると密着性は更に改善されα型Ａｌ２Ｏ３に十分な密着性を付与することは言うまでもない。
【００１１】
母材超硬合金と多層皮膜との密着性においてはＴｉＣを第１層とすることが最も好ましい。これは、母材のＷＣに対してはＴｉＣが最も密着性に優れることによる。この場合は母材成分のＣｏが皮膜中に拡散し第２層の柱状結晶を有するＴｉＣＮ皮膜の特性を多少劣化させる場合もあるため、第１層のＴｉＣと第２層のＴｉＣＮとの間にこの拡散を抑制するため、ＴｉＮを介在させるとより良い結果となる。また第１層はＴｉＣの代わりにＴｉＮであっても母材との密着性は十分である。また必要に応じ最外層はＴｉＮ層とすることにより装飾的意味あいを持たせても良い。以下、実施例に基ずき本発明多層被覆超硬合金を説明する。
【００１２】
【実施例】
母材超硬合金は７．５Ｃｏ−２．５ＴｉＣ−０．５ＴｉＮ−３．０ＴａＣ−残ＷＣ組成（単位は重量％）に統一し、ＷＣ原料は２．８μの市販原料を用いた。この場合母材表面部にはＣｏに富化した１０μの厚さのＷＣ−Ｃｏよりなる、強靱表面層が形成される。また母材の硬さはＨＲＡにおいて９０．０に統一した。ＩＳＯのＣＮＭＧ１２０４０８なるインサートを製作しこれを母材とし、表１に示される各コーティング条件にて各種皮膜を成膜した。本発明多層被覆超硬合金並びに比較被覆超硬合金のコーティング条件については、各表の中に表１中のｃｏａｔ条件番号を記す。尚、圧力は７０〜８０Ｔｏｒｒとした。またｊ条件のＡｌ２Ｏ３は８０型結晶構造を有し、ｋ条件においては１００％がα型結晶構造を有するものである。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
表２に示す本発明多層被覆超硬合金と比較被覆合金を試作し、以下の切削条件にて切削評価を行った。本切削条件下においては、断続的に衝撃が加わるため、母材と皮膜の界面もしくは第２層のＴｉＣＮと第３層のＴｉＣ界面で剥離が発生する。切削後、切削に関与する切れ刃部分の面積と剥離部分の面積の比により剥離率を求めた。切削は１０コーナーにおいて切削を行った。本発明例および比較例の詳細と剥離率の測定結果を表２に併記する。尚、表２中（      ）で示される面は最大ピークを有する面を、［      ］で示される面は最小ピークを有する面を示す。
切削条件    切削速度    ２００ｍ／ｍｉｎ
送り        ０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み    ２ｍｍ
被削材      Ｓ５３Ｃ  ４つ溝
乾式・湿式  ｗｅｔ切削
衝撃回数    ２０００回
尚、膜厚は第１層は０．５μ第２層ＴｉＣＮは５μ、第３層のＴｉＣは４μ、第４層のＡｌ２Ｏ３は２μとし、必要に応じ間に介在させるＴｉＮ，ＴｉＣＯ等の層は０．５μとした。また、表２のＴｉＣＮ，ＴｉＣに記載された面は前述の通りである。
【００１５】
【表２】
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【００１６】
表２に示される通り本発明多層被覆超硬合金は密着性に優れ取り分け柱状結晶のＴｉＣＮとＴｉＣ層間の密着性に優れることが明らかである。
【００１７】
表２に示した本発明例と比較例を用い、以下の切削条件にて切削試験を実施した。本切削条件はＡｌ２Ｏ３の密着性が十分でないと、Ａｌ２Ｏ３と下地の間で剥離が発生する条件である。１０分切削後、実施例１と同様に剥離を観察し剥離率を算出した。その結果を表３に示す。
切削条件    切削速度    ３００ｍ／ｍｉｎ
送り        ０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み    ２．０ｍｍ
被削材      ＦＣ２５０
乾式・湿式  ｗｅｔ
【００１８】
【表３】
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【００１９】
表３より本発明に基ずくα型結晶のＡｌ２Ｏ３皮膜の密着性は極めて優れるものであることが確認される。
【００２０】
表１に示すコーティング条件を用い表４に示す本発明例と比較例を製作した。この場合膜厚は第１層は１．０μ、第２層は７．０μ、第３層は２．５μ、第４層は３．５μ、とし、間に介在させるＴｉＮ、ＴｉＣＯ等は０．５μとした。以下に示す切削条件にて、２０分間切削試験を行い境界部の摩耗量を切削開始５分後および２０分後において測定した。この切削条件においては、境界摩耗はまずＡｌ２Ｏ３の密着性が十分でないとその剥離が初期に発生し初期より酸化により境界摩耗が発生する。次いで境界部分は黒皮の切削による衝撃により皮膜の層間剥離あるいは母材と皮膜間の剥離が発生する。剥離が発生することにより、境界部の摩耗が著しく発生する。表４に測定した境界摩耗量を併記する。尚、表４中の（）、［］で示す面は表２中と同様である。
切削条件    切削速度    ２５０ｍ／ｍｉｎ
送り        ０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み    ２．０ｍｍ
被削材      Ｓ５３Ｃ  黒皮材
乾式・湿式  Ｄｒｙ
【００２１】
【表４】
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【００２２】
表４の結果から明らかなように本発明多層被覆超硬合金は各皮膜の層間ならびに母材との密着性に優れ極めて境界摩耗量が少なく長寿命であることが認められる。
【００２３】
【発明の効果】
以上の結果からも明らかなように、本発明による多層被覆超硬合金は、各被覆層間特に、柱状結晶構造を有するＴｉＣＮとその上地層であるＴｉＣ、並びにＴｉＣとα型Ａｌ２Ｏ３の密着性に著しく優れ送り量の高い重断続切削、温度衝撃の高い高速切削において、皮膜に剥離が発生する確率が低く、安定した切削並びに長寿命を実現するものである。