(57)【要約】【課題】Ｔｉ合金の湿式高速断続切削加工において、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】  工具基体の表面に、硬質被覆層として、少なくても、０．５〜４．０μｍの平均層厚を有するα型酸化アルミニウム層が被覆形成されてなる表面被覆切削工具において、（ａ）上記酸化アルミニウム層は、複数の平均粒径を有する結晶粒の複合組織として構成され、（ｂ）上記複合組織は、１０〜１００ｎｍの平均粒径を有する一次結晶粒の集合体からなる平均粒径０．２〜２μｍの二次結晶粒から構成され、（ｃ）上記α型酸化アルミニウム層の下部には、ＴｉとＡｌの複合酸窒化物からなる０．５〜２．０μｍの下部層が形成されており、上記ＴｉとＡｌの複合酸窒化物からなる下部層は、Ｔｉ酸化物の薄層を予備焼成した後、アルミナゾルを被覆し焼成処理することによって形成されたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層として、少なくても、０．５〜４．０μｍの平均層厚を有するα型酸化アルミニウム層が被覆形成されてなる表面被覆切削工具において、
（ａ）上記酸化アルミニウム層は、一次結晶粒と二次結晶粒の複合組織として構成され、
（ｂ）上記複合組織は、１０〜１００ｎｍの平均粒径を有する一次結晶粒と、該一次結晶粒の集合体からなる平均粒径０．２〜２μｍの二次結晶粒から構成され、
（ｃ）上記α型酸化アルミニウム層の下部には、ＴｉとＡｌの複合酸窒化物からなる０．５〜２．０μｍの下部層が形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
上記ＴｉとＡｌの複合酸窒化物からなる下部層は、ＴｉＯ２及びＴｉＸＯ２Ｘ−１で表わされる低次のＴｉ酸化物を含むＴｉ酸化物層上にアルミナゾルを被覆し焼成処理することによって形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、刃先に高負荷が作用するＴｉ合金の湿式高速断続切削加工において、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（以下、「被覆工具」という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、工具基体表面に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜を被覆形成することにより、切削工具の耐摩耗性向上を図ることが知られている。
そして、硬質皮膜のうちでも、α型酸化アルミニウム層は、熱安定性に優れ、反応性が低く、かつ、高硬度であるという点から、上記周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜の最表面層として、化学蒸着法によりα型酸化アルミニウム層を被覆形成した被覆工具が知られている。
硬質被覆層の形成法としては、物理蒸着法、化学蒸着法が一般的であるが、近年、ゾル−ゲル法により形成された硬質被覆層を備える被覆工具も提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、工具基体の少なくとも最表面に、０．０５〜５μｍの膜厚を有し、コランダム型の結晶構造を有するαアルミナ構造の酸化アルミニウム層を被覆形成する被覆工具の製造方法において、上記酸化アルミニウム層は、アルミニウムのアルコキシドにアルコールを添加し、さらに酸（例えば、希塩酸）を添加した後、１０℃以下の低温にて攪拌して生成させたアルミナゾルを、上記工具基体表面へ、あるいは、工具基体表面上に形成した硬質皮膜の最表面に塗布し、引き続き、１００〜４００℃での乾燥処理を１回以上繰り返し行い、次いで、５００〜１０００℃の温度範囲で焼成処理を行うゾル−ゲル法によって形成することで、硬質被覆層の耐摩耗性を改善することが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２では、工具基体の表面に、酸化アルミニウム主体層を形成した被覆工具において、酸化アルミニウム主体層をゾル−ゲル法で形成するとともに、酸化アルミニウム主体層中には、Ｓｉ、Ｃｒの微粒および粗粒の組み合わせからなる酸化物結晶体を５〜５０面積％分散含有させ、酸化物結晶体断面の真円換算した平均粒径を０．０３〜０．５μｍの範囲内とし、かつ、酸化物結晶体の平均粒子径が０．０３〜０．１μｍの微粒子群と０．２〜０．５μｍの粗粒子群とからなり、上記酸化アルミニウム主体層を縦断面観察した場合に、層中に含有される所定観察範囲内の全ての酸化物結晶体の占める面積を１とした場合に、微粒子群の占める面積を０．２５〜０．７５とすることによって、硬質難削材の高速断続切削加工における耐摩耗性を改善することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１７１０８３号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４０９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１，２において提案されている酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法により形成した被覆工具は、これを鋳鉄・鋼の高速連続切削に用いた場合には長寿命を発揮するものの、熱伝導性に乏しいＴｉ合金の湿式高速断続切削加工に供した場合には、切削時に大きな衝撃的負荷が加わるばかりか溶着が発生しやすく、また、切削時の衝撃で発生したクラックに溶着が入り込み、結晶粒ごと脱落させてしまうため、結果的に異常損傷を発生し、工具寿命が短命となるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者等は、ゾル−ゲル法により、工具基体表面に耐チッピング性に優れたα型酸化アルミニウム層を形成すべく鋭意検討したところ、工具基体表面、あるいは、下地層を形成した工具基体表面（以下、「下地層を形成した工具基体表面」についても、単に、「工具基体表面」という）にアルミナゾルを被覆形成するに先立って、予め、工具基体表面にＴｉ酸化物層を形成させるとともに、その上に小量の水を添加した適切な成分を有するアルミナゾルを被覆して焼成することでα型酸化アルミニウム層を形成すると、該α型酸化アルミニウム層は、１０〜１００ｎｍの平均粒径を有する一次結晶粒と、該一次結晶粒の集合体からなる平均粒径０．２〜２μｍの二次結晶粒の複合組織として形成されることを見出した。
【０００８】
そして、上記複合組織からなるα型酸化アルミニウム層は、一次結晶粒と該一次結晶粒の集合体からなる二次結晶粒で構成されているため、高負荷が作用しても脱落を生じにくく、また、その表面には微小で滑らかな凹凸が存在するため、被削材との接触面積が小さく発熱しにくく、特に、湿式切削加工では切削油が凹凸部に入り込み発熱を抑制するため、長寿命を示すことを見出した。
【０００９】
さらに、工具基体表面にＴｉ酸化物層を形成し、その上にアルミナゾルを被覆、焼成する際に比較的早い昇温速度の処理条件にて焼成することによって、Ｔｉ酸化物層は、酸化チタンの潤滑性と酸化アルミニウムの耐熱性を具備するＴｉとＡｌの複合酸窒化物層となり、このＴｉとＡｌの複合酸窒化物層は、α型酸化アルミニウム層と工具基体（あるいは、工具基体表面に形成した下地層）との密着強度が高い。
したがって、前記複合組織を有するα型酸化アルミニウム層に加え、工具基体表面とα型酸化アルミニウム層との間に、前記ＴｉとＡｌの複合酸窒化物層を備えた被覆工具は、チッピング、剥離等の異常損傷を発生することもなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
【００１０】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、  
「（１）  炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層として、少なくても、０．５〜４．０μｍの平均層厚を有するα型酸化アルミニウム層が被覆形成されてなる表面被覆切削工具において、
（ａ）上記酸化アルミニウム層は、一次結晶粒と二次結晶粒の複合組織として構成され、
（ｂ）上記複合組織は、１０〜１００ｎｍの平均粒径を有する一次結晶粒と、該一次結晶粒の集合体からなる平均粒径０．２〜２μｍの二次結晶粒から構成され、
（ｃ）上記α型酸化アルミニウム層の下部には、ＴｉとＡｌの複合酸窒化物からなる０．５〜２．０μｍの下部層が形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）  上記ＴｉとＡｌの複合酸窒化物からなる下部層は、ＴｉＯ２及びＴｉＸＯ２Ｘ−１で表わされる低次のＴｉ酸化物を含むＴｉ酸化物層上にアルミナゾルを被覆し焼成処理することによって形成されたものであることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１１】
以下、本発明について、詳細に説明する。
【００１２】
α型酸化アルミニウム層：
この発明の被覆工具は、硬質被覆層として、ゾル−ゲル法により成膜した平均層厚０．５〜４．０μｍのα型の酸化アルミニウム層を備えるが、該層の平均層厚が０．５μｍ未満であると、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が４．０μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなるため、α型の酸化アルミニウム層の層厚は０．５〜４．０μｍと定めた。
【００１３】
α型酸化アルミニウム層の複合組織：
図１の概略模式図に示すように、本発明のα型酸化アルミニウム層は、１０〜１００ｎｍの平均粒径を有する一次結晶粒と、この一次結晶粒の集合体からなる平均粒径０．２〜２μｍの二次結晶粒の複合組織として構成されている。
後記するように上記複合組織は、工具基体表面にＴｉ酸化物層を形成させ、その上に小量の水を添加した適切な成分を有するアルミナゾルを被覆して焼成することで本発明のα型酸化アルミニウム層を形成することができる。
なお、このような組織が形成される詳細なメカニズムは明らかになっていないが、キレート化剤と共にゾルの溶媒を有機溶媒としたゾル、つまりオルガノゾルに、加水分解縮重合反応を誘起させる水を少量添加することで、オルガノゾル中の複数のＡｌ錯体があたかも集合したような組織が形成でき、これを基として、焼成後に、一次結晶粒から構成される二次結晶粒を形成するのではないかと考えている。また、一次結晶粒は各々が単結晶であり、二次結晶粒は５０〜３００個ほどの一次結晶粒が凝集した組織となっている。
しかし、上記の複合組織において、一次結晶粒の平均粒径が１０ｎｍ未満であると長期の使用にわたる耐摩耗性を確保することができず、一方、一次結晶粒の平均粒径が１００ｎｍを超えると、高負荷が作用する高速断続切削加工時に、脱落が発生しやすい。
また、二次粒子の平均粒径が０．２μｍ未満であると十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、二次結晶粒の平均粒径が２μｍを超えると、α型酸化アルミニウム結晶粒が粗大組織となり、また、層の表面粗さが粗くなり、チッピング、欠損を発生し易くなる。
したがって、α型酸化アルミニウム層における一次結晶粒の平均粒径は１０〜１００ｎｍ、また、この一次結晶粒の集合体からなる二次結晶粒の平均粒径は０．２〜２μｍの範囲内とする。
【００１４】
なお、本発明のα型酸化アルミニウム層の結晶粒の平均粒径については、α型酸化アルミニウム層断面を走査型電子顕微鏡により１０万倍の視野で観察し、その結果を平面と仮定し、該結晶粒の面積を粒子断面の面積として算出する。そして、一次結晶粒および二次結晶粒の粒径を該結晶粒の粒子断面面積を円の面積として算出した場合の直径として算出し、１０点測定の平均値を各結晶粒の平均粒径として求める。
【００１５】
ＴｉとＡｌの複合酸窒化物からなる下部層：
本発明のα型酸化アルミニウム結晶粒は、一次結晶粒の集合体からなる二次結晶粒を有する複合組織を備えるが、この複合組織は、適切な成分を有するアルミナゾルとα型酸化アルミニウム層の下部に形成したＴｉとＡｌの複合酸窒化物（以下、「ＴｉＡｌＯＮ」で示す。）層によってもたらされる。
そして、上記ＴｉＡｌＯＮ層は、工具基体表面とα型酸化アルミニウム層のいずれに対してもすぐれた密着強度を有するので、高負荷が作用するＴｉ合金の湿式高速断続切削加工に用いた場合でも、剥離等の異常損傷の発生を抑制することができる。
ここで、ＴｉとＡｌの複合酸窒化物については、０．５μｍ未満では、短時間で磨滅してしまい、高速断続切削に効果のある、酸化アルミニウムとＴｉ酸化物層を強固に接合するため効果が十分に発揮できない。一方、２．０μｍを越える場合、α型酸化アルミニウム層とＴｉ酸化物層との間に存在する熱膨張差に起因し、断続切削時の衝撃により剥離しやすくなるため複合酸窒化物層の層厚は０．５〜２．０μｍとする。
【００１６】
上記ＴｉＡｌＯＮ層は、例えば、以下の方法によって形成することができる。
まず、工具基体表面にＴｉ酸化物層を形成させ、アルミナゾルを被覆し、焼成することでα型酸化アルミニウム層を形成するが、その際の焼成時の昇温速度を早くした条件、例えば、窒素雰囲気中で３０℃／ｍｉｎにて焼成することにより、α型酸化アルミニウム層の下部にすぐれた密着強度を有するＴｉＡｌＯＮ層が形成される。なお、その際に形成させるＴｉ酸化物層をＴｉＯ２及びＴｉＸＯ２Ｘ−１で表わされる低次のＴｉ酸化物のどちらをも含む混相のＴｉ酸化物層とすると、Ｔｉ化合物、特にＴｉ酸化物による結晶化促進の効果はそのままに、より密着強度の高いＴｉＡｌＯＮ層を形成することができる。これは、低次のＴｉ酸化物は酸素の価数が変わりやすく、不安定であるため、酸化アルミニウム膜中のＡｌがＴｉ酸化物層に侵入しやすくなり、より密着力に優れたＴｉＡｌＯＮ層を形成を促進させるからである。
なお、上記混相のＴｉ酸化物層はゾル−ゲル法や化学蒸着法、物理蒸着法によっても形成できるが、Ｔｉ酸化物層上に酸化アルミニウムを成膜する前にあらかじめ予備焼成しておくことで、転位や点欠陥などが大幅に抑制されたより強固な混相のＴｉ酸化物層を形成することが可能である。例えば、上記成膜法により形成したＴｉ酸化物上にアルミナゾルを塗布する前に先立つ前処理として、予め、これを、例えば、水素や窒素雰囲気中で９００℃×６０分間予備焼成することにより、表面に混相のＴｉ酸化物層（例えば、ＴｉＯ２とＴｉ３Ｏ５の混相からなるＴｉ酸化物層）が形成された工具基体を得ることもできる。
次いで、Ｔｉ酸化物層上に、所定の条件でアルミナゾルを被覆し、次いで、アルミナゾルを焼成してα型酸化アルミニウム層を形成する。
そして、このアルミナゾルの焼成時に、上記Ｔｉ酸化物層とアルミナゾルが反応し、特に比較的昇温速度の早い条件にて焼成した場合には、その界面には、密着力に優れたＴｉＡｌＯＮ層が形成され、同時に、α型酸化アルミニウム層には、前記一次結晶粒の集合体からなる二次結晶粒を有する複合組織が形成される。
なお、一般的に酸化アルミニウムの結晶化、特にα化には１０００℃以上の高温が必要とされるが、Ｔｉ化合物は酸化アルミニウムの結晶化促進に寄与し、特に、Ｔｉ酸化物を用いると比較的低温で結晶化が可能になる。Ｔｉ酸化物による酸化アルミニウムの低温結晶化促進効果のメカニズムは明確に解明されているわけではないが、各種金属酸化物の標準生成自由エネルギーを考慮すると熱力学的にＴｉ酸化物はＡｌ酸化物よりも不安定であり、Ｔｉ酸化物はＡｌ元素を酸化しうる、つまり、Ｔｉ酸化物が還元することにより、Ａｌを酸化するための酸素供給源となると考えられること、さらに、複数の金属酸化物のうち、Ａｌの標準生成自由エネルギーに最も近い金属元素がＴｉであるため、特にＴｉ酸化物は酸化アルミニウムの結晶化促進に効果が大きいのではないかと考えられること、ゾル-ゲル法は例えば石英の製造方法で知られるように金属元素とＯのネットワーク形成によるゾル状態、ゲル状態を経ることで通常では得ることのできない比較的低温で結晶化を達成出来る手法であることを考えると、Ｔｉ酸化物の酸素供給によりＡｌとＯのネットワーク形成を比較低温の段階で形成助長させている可能性も考えられ、Ｔｉ酸化物の表面が酸化アルミニウム結晶粒の成長する起点となり、Ｔｉ酸化物近傍の限定した箇所においては比較的低温で結晶化が可能になる。
【００１７】
本発明の被覆工具は、炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、前述したＴｉＡｌＯＮ層、α型酸化アルミニウム層を直接形成することができるのは勿論であるが、工具基体表面と該ＴｉＡｌＯＮ層、α型酸化アルミニウム層との間に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物を含有する下地層を、物理蒸着法（ＰＶＤ法）、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、またはゾル−ゲル法により形成した後、該下地層硬質皮膜の表面に上記ＴｉＡｌＯＮ層、α型酸化アルミニウム層を被覆形成することもできる。
下地層の具体例としては、例えば、化学蒸着によって形成したＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層等のＴｉ化合物層を挙げることができ、また、物理蒸着によって形成したＴｉとＡｌの複合窒化物層、ＣｒとＡｌの複合窒化物層等を挙げることができる。
なお、本発明では、前記下地層を形成した工具基体を含めて工具基体という。
【００１８】
本発明の被覆工具のＴｉＡｌＯＮ層、α型酸化アルミニウム層は、例えば、以下に示すゾル−ゲル法によって形成することができる。
【００１９】
アルミナゾルの調製：
まず、アルミナゾルの調製を行う。
アルミニウムのアルコキシド（例えば、アルミニウムセカンダリブトキシド（ＡＳＢ）、アルミニウムイソプロポキシド）に溶媒としてアルコール（例えば、エタノール、イソプロピルアルコール、１−ブタノール）、さらに、キレート化剤（例えば、アセチルアセトン（ＡｃＡｃ）、アセト酢酸エチル（ＥＡｃＡｃ）、トリエタノールアミン（ＴＥＡ））を添加した後、所定量の水を添加し、例えば１００〜２００℃に設定したオイルバス等に浸し、撹拌する。
ここで、β‐ジケトン類、β−ケトエステル類、アルカノールアミン類のキレート化剤は、非常に強いキレート能を有しており、ゾル中のＡｌ元素と安定な錯体を作りやすいものの、水が存在しているとその分だけ加水分解反応がおこり、さらに加熱により、縮重合反応が進むため、加熱条件により複数の錯体が集合しやすくなる。このことにより、乾燥及び焼成時に該錯体が一次粒子をなし、さらに、二次粒子を形成する。
キレート化剤はＡｌ原子と安定な錯体を形成するキレート化剤が望ましく、一般的にエチドロン酸などのホスホン酸類キレート化剤やグルコン酸などのアルドン酸類キレート化剤、シュウ酸、マロン酸などのジカルボン酸類が知られるが、特にβ‐ジケトン類、β−ケトエステル類、アルカノールアミン類のキレート化剤が望ましい。β‐ジケトン類は、例えば、アセチルアセトンや３−メチル−２，４−ペンタンジオン、３−イソプロピル−２，４ −ペンタンジオン、２，２ −ジメチル−３，５ −ヘキサンジオンなどが挙げられ、β−ケトエステル類は、例えば、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、マロン酸ジメチル、マロン酸ジエチルが挙げられる。また、アルカノールアミン類のキレート化剤は、例えば、エチレンジアミン（ＥＤＡ）、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、トリエタノールアミン（ＴＥＡ）を挙げることができるが、キレート能が強いアセチルアセトン（ＡｃＡｃ）やトリエタノールアミン（ＴＥＡ）を用いることが望ましい。
【００２０】
チタニアゾルの塗布・乾燥・予備焼成：
ゾル−ゲル法により酸化チタンを形成させる場合には工具基体を、上記チタニアゾル中へ浸漬処理し、その後、例えば０．５ｍｍ／ｓｅｃの速度でチタニアゾル中からこれを引き上げ、それに続き、乾燥処理を１００〜５００℃の温度範囲で１０分乾燥処理を施し、この浸漬処理と乾燥処理を所要の層厚になるまで繰り返し行い、工具基体表面にチタニアゲルを形成する。その後、予備焼成として前記チタニアゲルを形成した工具基体や化学蒸着法、物理蒸着法で酸化チタンを形成した工具基体を水素等の還元雰囲気、窒素雰囲気にて所定条件下で行うとＴｉＯ２及びＴｉＸＯ２Ｘ−１で表わされる低次のＴｉ酸化物のどちらをも含む混相のＴｉ酸化物層が形成される。
【００２１】
乾燥・焼成：
チタニアゲルをその表面に形成した前記工具基体を、上記で調製したアルミナゾル中へ浸漬処理し、その後、０．５ｍｍ／ｓｅｃの速度でアルミナゾル中からこれを引き上げ、それに続き１００〜５００℃で１０分乾燥処理を施し、この浸漬処理と乾燥処理を所要の層厚になるまで繰り返し行い、次いで、窒素雰囲気中、９００〜１１００℃の温度範囲、３０〜４０℃／ｍｉｎの昇温速度で１〜４時間焼成処理を行う。
【００２２】
上記焼成処理によって、チタニアゲルとアルミナゲル間での反応により、α型酸化アルミニウム層の下部層としてＴｉＡｌＯＮ層が形成されるとともに、α型酸化アルミニウム層には、一次結晶粒の集合体からなる二次結晶粒を有する複合組織が形成される。
【００２３】
上記α型酸化アルミニウム層の層厚は、アルミナゾルへの浸漬回数に依存するが、被覆形成された上記α型酸化アルミニウム層の平均層厚が０．５μｍ未満では、長期の使用にわたって被覆工具としてすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が４．０μｍを越えるとα型酸化アルミニウム層がチッピングを発生しやすくなることから、上記α型酸化アルミニウム層の層厚は０．５〜４．０μｍとする。
【００２４】
また、焼成温度については、９００℃未満では、α型酸化アルミニウム結晶粒の生成速度がおそく、非晶質やγ型酸化アルミニウムが生成されたりするため硬さが十分でなく、高速断続切削に効果のある、十分な高温硬さを有するα型酸化アルミニウム層が形成されず耐摩耗性が十分でない。一方、１１００℃を越える温度で焼成した場合、α型酸化アルミニウム層中に熱膨張差に起因するクラックが起きやすいため、焼成温度は９００〜１１００℃とする。
【００２５】
さらに、加熱により酸化チタンは分解しやすく、昇温速度については、３０℃／ｍｉｎより遅いと酸化チタンが酸化アルミニウム膜中に混入、微粒子として形成されてしまうために酸化アルミニウムが脆弱化してしまう。一方４０℃／ｍｉｎより早いと結晶化が比較的早く起こるためアルミナゲル中に存在する有機分が膜中から取り除かれにくく、ポアを形成しやすくなってしまう。ゆえに昇温速度は３０〜４０℃／ｍｉｎとした。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の被覆工具は、α型酸化アルミニウム層が、一次結晶粒とその集合体からなる二次結晶粒とで構成された複合組織を有することにより、高負荷が作用しても脱落を生じにくく、また、その表面に存在するは微小で滑らかな凹凸によって、被削材との接触面積が小さく発熱しにくく、特に、湿式切削加工では切削油が凹凸部に入り込むため発熱が抑制され、さらに、α型酸化アルミニウム層の下部には、ＴｉとＡｌの複合酸窒化物からなる下部層が形成されていることによって、密着強度に優れるため、Ｔｉ合金の湿式高速断続切削加工に用いた場合に、チッピング、剥離等の異常損傷を発生することもなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のα型酸化アルミニウム層の一次結晶粒の集合体からなる二次結晶粒を有する複合組織の概略模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
つぎに、この発明を実施例により具体的に説明する。
【実施例１】
【００２９】
（ａ）  原料粉末として、平均粒径０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、平均粒径２〜３μｍの中粒ＷＣ粉末といずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ粉末、ＺｒＣ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に示す所定の配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１４００℃の温度にて１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０５ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状をもった表１に示すＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ（工具基体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅという）を製造した。
【００３０】
（ｂ）  ついで、上記工具基体Ａ〜Ｅに対して、下地層を形成した。
なお、下地層の形成にあたり、上記工具基体Ａ及びＢについては、化学蒸着装置に装入し、表２に示す成膜条件を用いて、粒状結晶組織を有するＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層、縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層（以下、ｌ−ＴｉＣＮで示す）、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、Ｔｉ４Ｏ７からなるＴｉ化合物層を表７に示す皮膜構成にて下地層を予め形成した。一方、上記工具基体Ｃについては、物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、表７に示す膜厚のＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
また、上記工具基体Ｄについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、表７に示す膜厚のＡｌ０．７Ｃｒ０．３Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
一方、上記工具基体Ｅについては、下地層の形成を特に行わなかった。
【００３１】
（ｃ）  ついで、ゾル−ゲル法でＴｉ酸化物下地層を形成する場合には、上記工具基体表面に、引き上げ速度を０．５ｍｍ／ｓｅｃ、乾燥時間をそれぞれ１０分として、チタニアゾルの塗布・乾燥を所要の層厚になるまで繰り返し行った。さらに、いくつかの試料においては混相のＴｉ酸化物層を形成するため、表３に示す雰囲気下での予備焼成を行った。
【００３２】
（ｄ）  ついで、硬質被覆層の最表面層としてのα型の酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法で被覆形成するためのアルミナゾルの調製を、次のように行った。
表４に示す所定量のアルミニウムのアルコキシドであるアルミニウムセカンダリブトキシドに、同じく表４に示す所定量のアルコールを添加した後、恒温槽中５０℃で攪拌を行い、さらに、所定量の水を添加した。
【００３３】
（ｅ）  これを、恒温槽中５０℃に保持したまま、１時間以上攪拌を継続し、さらに、これをオイルバスによる還流装置を用いて表４に示す温度でゾル中の加水分解・縮重合反応を安定させることを目的として所定時間撹拌した。
最終的な溶液組成は、モル比で、
（アルミニウムセカンダリブトキシド（ＡＳＢ））：（各種有機溶媒）：（各種キレート化剤）：水
＝１：（５〜２５）：（０．５〜１．５）：（１〜２）
になるように調製を行った。
【００３４】
（ｆ）  ついで、上記工具基体Ａ〜Ｅ（いくつかの工具基体には、下地層を形成している）を、上記アルミナゾル中に浸漬した。
【００３５】
（ｇ）  次いで、上記工具基体Ａ〜Ｅをアルミナゾル中から引き上げ速度０．５ｍｍ／ｓｅｃで引き上げ、１００〜５００℃で１０分間の乾燥処理を行い、さらに、浸漬、引き上げ、乾燥処理を繰り返した後、表４に示す条件で焼成処理を行った。
前記（ａ）〜（ｇ）により、本発明のＴｉＡｌＯＮ層とα型酸化アルミニウム層を有する表７、８に示す本発明の被覆工具１〜１５（本発明工具１〜１５という）を製造した。
【００３６】
上記本発明工具１〜１５について、α型酸化アルミニウム層の平均層厚を、透過電子顕微鏡を用いて断面測定により求めたところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。
また、ＴｉＡｌＯＮ層の平均層厚に関しては透過電子顕微鏡に付属のエネルギー分散型分光装置にて断面観察視野範囲における元素分析より、ＴｉＡｌＯＮ層の形成の有無及び膜厚を５ヶ所測定し、その平均値を示した。
【００３７】
また、上記本発明工具１〜１５のα型酸化アルミニウム層の結晶粒の平均粒径については、α型酸化アルミニウム層断面を、例えば縦横８μｍ×６μｍの観察視野、測定ステップ５０ｎｍにて電子線後方散乱回折法を用いて、上記観察視野範囲内における各々の結晶粒形状及び結晶粒の面積を求め、そして、一次結晶粒および二次結晶粒の粒径を該結晶粒の粒子断面面積を円の面積として算出した場合の直径として算出しを５視野に対して求めた場合に、該結晶粒の面積と等しい面積を有する円を考えた場合の直径を各視野５点ずつ測定し、その平均値とした。
【００３８】
さらに、上記本発明工具１〜１５のα型酸化アルミニウム層の下部に形成されたＴｉＡｌＯＮ層については、Ｘ線回折装置による測定とα型酸化アルミニウム層との界面から深さ０．３μｍ×１μｍの視野範囲にて、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察を行うとともに、付属のエネルギー分散型分光装置にて前記視野範囲における元素面分析を行い、ＴｉＡｌＯＮ層の形成の有無を確認した。
表８に、その結果を示す。
【００３９】
[比較例１]  
比較のため、以下の製造方法で比較例の被覆工具を製造した。
【００４０】
（イ）まず、上記工具基体表面に、表３に示すような条件で、チタニアゾルの塗布・乾燥・予備焼成を行った。
（ロ）ついで、硬質被覆層の最表面層としてのα型の酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法で被覆形成するためのアルミナゾルの調製を、次のように行った。
まず、反応原料における各成分の溶液組成を表５に示す条件でアルミナゾルを調製した。
（ハ）次いで、上記工具基体Ａ〜Ｅ（但し、いくつかについては、表７に示す化学蒸着法によるＴｉ化合物層、物理蒸着法によるＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ層またはＡｌ０．７Ｃｒ０．３Ｎ層を形成した）の表面に、上記アルミナゾルを塗布した。
（ニ）ついで、上記塗布したアルミナゾルを、実施例１と同条件で乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、表６に示す条件で焼成処理を行うことにより、表７、９に示す比較例の被覆工具１〜１５（比較例工具１〜１５という）を製造した。  
【００４１】
比較例工具１〜１５についても、実施例１と同様にして、α型酸化アルミニウム層の平均層厚、α型酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径、α型酸化アルミニウム層の下部におけるＴｉＡｌＯＮ層の形成の有無を測定した。
表９にその結果を示す。
【００４２】
つぎに、上記本発明工具１〜１５、比較例工具１〜１５について、次の条件でＴｉ合金の湿式高速断続切削加工試験を行った。
被削材：質量％で、Ｔｉ−３％Ａｌ−２．５％Ｖ合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．１２ｍｍ、
送り：０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分、
の条件でのＴｉ合金の湿式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ）、
を行い、
それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行った。
これらの結果を表１０に示す。
【００４３】
【表１】
2016198856.tif 000003
【００４４】
【表２】
2016198856.tif 000004
【００４５】
【表３】
2016198856.tif 000005
【００４６】
【表４】
2016198856.tif 000006
【００４７】
【表５】
2016198856.tif 000007
【００４８】
【表６】
2016198856.tif 000008
【００４９】
【表７】
2016198856.tif 000009
【００５０】
【表８】
2016198856.tif 000010
【００５１】
【表９】
2016198856.tif 000011
【００５２】
【表１０】
2016198856.tif 000012
【実施例２】
【００５３】
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、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これらを表１１に示す所定の配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｆ〜Ｊ（工具基体Ｆ〜Ｊという）を製造した。
【００５４】
【表１１】
2016198856.tif 000013
【００５５】
ついで、上記工具基体Ｆ〜Ｊ（但し、幾つかについては、表１２に示す下層（化学蒸着法によるＴｉ化合物層、物理蒸着法によるＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ層またはＡｌ０．７Ｃｒ０．３Ｎ層を形成した）の表面に、表３に示す条件でチタニアゾルの塗布・乾燥・予備焼成を行い、次いで、表４に示す条件で、アルミナゾルの塗布を行った。
【００５６】
ついで、上記塗布したアルミナゾルを、実施例１と同条件で乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、表４に示す条件で焼成処理を行うことにより、本発明のＴｉＡｌＯＮ層とα型酸化アルミニウム層を有する表１２、１３に示す本発明の被覆工具１６〜３０（本発明工具１６〜３０という）を製造した。
【００５７】
本発明工具１６〜３０について、実施例１と同様に、α型酸化アルミニウム層の平均層厚、各結晶粒の平均粒径を求めるとともに、α型酸化アルミニウム層の下部に形成されたＴｉＡｌＯＮ層の形成を確認した。
表１３に、その結果を示す。
【００５８】
【表１２】
2016198856.tif 000014
【００５９】
【表１３】
2016198856.tif 000015
【００６０】
[比較例２]
前記実施例２で用いたのと同じ工具基体Ｆ〜Ｊを用いて、表５に示す条件で、チタニアゾルの塗布・乾燥・予備焼成を行い、また、表６に示す条件で、アルミナゾルの塗布・乾燥・焼成を行うことにより、表１２、１４に示す比較例の被覆工具１６〜３０（比較例工具１６〜３０という）を製造した。
【００６１】
比較例工具１６〜３０についても、実施例１と同様にして、α型酸化アルミニウム層の平均層厚、α型酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径、α型酸化アルミニウム層の下部におけるＴｉＡｌＯＮ層の形成の有無を測定した。
表１４にその結果を示す。
【００６２】
【表１４】
2016198856.tif 000016
【００６３】
つぎに、上記本発明工具１６〜３０、比較例工具１６〜３０について、次の条件でＴｉ合金の湿式高速断続切削加工試験を行った。
被削材：質量％で、Ｔｉ−４％Ａｌ−２２％Ｖ合金の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．５２ｍｍ、
送り：ｍｍ／１ｒｅｖ．、
切削時間４分、
の条件でのＴｉ合金の湿式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、４０ｍ／ｍｉｎ）、
を行い、
それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行った。
これらの結果を表１５に示す。
【００６４】
【表１５】
2016198856.tif 000017
【００６５】
表８〜１０、表１３〜表１５に示される結果から、この発明の被覆工具は、α型酸化アルミニウム層が、一次結晶粒とその集合体からなる二次結晶粒とで構成された複合組織を有することによって耐チッピング性が向上し、さらに、該層の下部にＴｉとＡｌの複合酸窒化物からなる下部層が形成されていることによって耐剥離性が向上することから、これを、Ｔｉ合金の湿式高速断続切削加工に用いた場合、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのである。
【００６６】
これに対して、比較例の被覆工具は、α型酸化アルミニウム結晶粒の組織が本発明で規定する範囲外のもの、あるいは、下部層としてＴｉとＡｌの複合酸窒化物が形成されていないため、Ｔｉ合金の湿式高速断続切削加工では、チッピング、剥離等の異常損傷が発生し、短時間で工具寿命に至ることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
この発明の被覆工具は、実施例として記載したインサート形状の工具としてばかりでなく、ドリル、エンドミルなどでも同様の結果が得られるものであって、工具寿命の長寿命化を図ることができ、実用上の効果が大である。
【図１】
2016198856.tif 000018