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技術 硬質被覆層が優れた耐チッピング性を発揮する切削工具

出願人 三菱マテリアル株式会社
発明者 柏尚輝
出願日 2019年3月15日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2019-048280
公開日 2020年9月17日 (3ヶ月経過) 公開番号 2020-146820
状態 未査定
技術分野 フライス加工 穴あけ工具 CVD バイト、中ぐり工具、ホルダ及びタレット
主要キーワード 配向割合 供給周期 スパッタイオンビーム X線回折法 ガス群 コランダム型 最高ピーク 配向指数
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年9月17日)のものです。
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課題

解決手段

立方晶の(Ti(1−X)AlX)(CYN(1−Y))、0.6≦Xavg≦0.9、0.00≦Yavg≦0.01で、基体法線と(111)法線との0〜10度の傾斜角分布最高ピークを有しその計が45%以上で70面積%以上の厚さ1〜20μmの下部層、立方晶のTi炭窒化物層で基体法線と(112)法線との0〜10度の傾斜角分布が最高ピークを有しその計が40%以上で厚さ0.5〜10μmの中間層、α−Al2O3層で基体法線と(001)法線との0〜10度の傾斜角分布が最高ピークを有しその計が50%以上、{116}面の残留応力−600〜−200MPa、Sを0.00005〜0.001含む厚さ1.0〜10.0μmの上部層、を有する切削工具

概要

背景

従来、被覆工具として、炭化タングステン(以下、WCで示す)基超硬合金等の工具基体(以下、これらを総称して工具基体という)の表面に、硬質被覆層として、Ti−Al系複合炭窒化物層被覆形成したものがあり、これらは、優れた耐摩耗性を発揮することが知られている。
ただ、前記従来のTi−Al系の複合炭窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、チッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。

例えば、特許文献1には、硬質材料被覆され、CVDによって塗布された複数の層を有する物体であって、Ti1−xAlxN層および/またはTi1−xAlxC層および/またはTi1−xAlxCN層(式中、xは0.65〜0.95である)の上にAl2O3層が外層として配置されていることを特徴とする硬質材料で被覆された被覆工具が記載されている。

また、例えば、特許文献2には、工具基体上の厚さ4〜14μmのAlxNの下部層として0.05〜1μmのTiCNの中間層、上部層として1〜9μmのα−Al2O3層を有し、該α−Al2O3層は、配向指数TC(0012)が3超え4未満であって、Σ3粒界が30%以上を占め、前記TiCN層のTC(111)が3を超えていることを特徴とする被覆工具が記載されている。

概要

Ni基合金切削でも優れた耐チッピング性、耐摩耗性の被覆工具の提供立方晶の(Ti(1−X)AlX)(CYN(1−Y))、0.6≦Xavg≦0.9、0.00≦Yavg≦0.01で、基体法線と(111)法線との0〜10度の傾斜角分布最高ピークを有しその計が45%以上で70面積%以上の厚さ1〜20μmの下部層、立方晶のTi炭窒化物層で基体法線と(112)法線との0〜10度の傾斜角分布が最高ピークを有しその計が40%以上で厚さ0.5〜10μmの中間層、α−Al2O3層で基体法線と(001)法線との0〜10度の傾斜角分布が最高ピークを有しその計が50%以上、{116}面の残留応力−600〜−200MPa、Sを0.00005〜0.001含む厚さ1.0〜10.0μmの上部層、を有する切削工具。なし

目的

本発明は、Ni基耐熱合金の切削に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備え、長期の使用にわたって優れた切削機能を発揮する被覆工具を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

工具基体の表面に、硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具であって、前記硬質被覆層は、工具基体側から工具表面に向かって、下部層、中間層、上部層を有し、(a)前記下部層は、平均層厚が1.0〜20.0μmであり、NaCl型の面心立方構造を有するTiとAlとの複合窒化物または複合炭窒化物結晶粒を70面積%以上含み、前記結晶粒は、その組成組成式:(Ti(1−X)AlX)(CYN(1−Y))で表した場合、AlのTiとAlの合量に占める割合Xの平均値XavgとCのCとNの合量に占める割合Yの平均値Yavg(ただし、X、Y、Xavg、Yavgはいずれも原子比)が、それぞれ、0.60≦Xavg≦0.90、0.000≦Yavg≦0.010を満足し、前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒について、電子後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面方向から解析した場合、前記工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{111}面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記法線方向に対して0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数集計傾斜角度分布を求めたとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の45%以上の割合を示し、(b)前記中間層は、平均層厚が0.5〜10.0μmであるTi炭窒化物層であって、NaCl型の面心立方構造を有するTi炭窒化物の結晶粒を含み、前記Ti炭窒化物層の前記結晶粒について、前記電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ti炭窒化物層の縦断面方向から解析した場合、前記工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{112}面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記法線方向に対して0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の40%以上の割合を示し、(c)前記上部層は、平均層厚が1.0〜10.0μmであるα型の結晶構造のAl2O3層であって、コランダム型六方晶結晶構造を有する結晶粒を含み、該結晶粒について、前記電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Al2O3層の縦断面方向から解析した場合、前記工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{001}面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち法線方向に対して0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の50%以上の割合を示し、前記Al2O3層は、{116}面における残留応力が、−600〜−200MPaの結晶を有し、前記Al2O3層はSを含有し、SのAlとOとSの合量に占める割合Zの平均値Zavg(ただし、Z、Zavgは原子比)が、0.00005≦Zavg≦0.00100を満足する、ことを特徴とする表面被覆切削工具。

請求項2

前記工具基体と前記下部層との間に、Tiの炭化物層窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および、炭窒化酸化物層のうちの1層または2層以上のTi化合物層を含む層であって、その平均層厚が0.1〜20.0μmで、前記Ti化合物層のうち、前記下部層と接する層の結晶粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ti化合物層を含む層の縦断面方向から解析した場合、前記工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{111}面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記法線方向に対して0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の45%以上の割合を示す、下地層が存在する請求項1に記載の表面被覆切削工具。

技術分野

0001

本発明は、Ni基耐熱合金等の切削加工に用いても、硬質皮膜が優れた耐摩耗性を有し、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する表面被覆切削工具(以下、被覆工具ということがある)に関するものである。

背景技術

0002

従来、被覆工具として、炭化タングステン(以下、WCで示す)基超硬合金等の工具基体(以下、これらを総称して工具基体という)の表面に、硬質被覆層として、Ti−Al系複合炭窒化物層被覆形成したものがあり、これらは、優れた耐摩耗性を発揮することが知られている。
ただ、前記従来のTi−Al系の複合炭窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、チッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。

0003

例えば、特許文献1には、硬質材料被覆され、CVDによって塗布された複数の層を有する物体であって、Ti1−xAlxN層および/またはTi1−xAlxC層および/またはTi1−xAlxCN層(式中、xは0.65〜0.95である)の上にAl2O3層が外層として配置されていることを特徴とする硬質材料で被覆された被覆工具が記載されている。

0004

また、例えば、特許文献2には、工具基体上の厚さ4〜14μmのAlxNの下部層として0.05〜1μmのTiCNの中間層、上部層として1〜9μmのα−Al2O3層を有し、該α−Al2O3層は、配向指数TC(0012)が3超え4未満であって、Σ3粒界が30%以上を占め、前記TiCN層のTC(111)が3を超えていることを特徴とする被覆工具が記載されている。

先行技術

0005

特表2011−516722号公報
国際公開2018/138255号

発明が解決しようとする課題

0006

Ni基耐熱合金の使用の増加に伴って、Ni基耐熱合金に対する切削性能に優れた被覆工具が求められている。しかし、Ni基耐熱合金は、熱伝導率が低く高温せん断強度が高いため切削加工時の温度や抵抗が高くなりやすく、そのため、能率の悪い切削条件下の切削となり、硬質被覆層に熱亀裂の発生が起こりやすく、チッピングや欠損が生じるという問題があった。前記特許文献1および2に記載された被覆工具をNi基耐熱合金の切削に用いるとすくい面が早期に摩耗し、工具寿命に達してしまう。

0007

そこで、本発明は、Ni基耐熱合金の切削に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備え、長期の使用にわたって優れた切削機能を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

本発明者は、Ni基耐熱合金の切削に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備え、長期の使用にわたって優れた切削機能を発揮する被覆工具を得るために鋭意検討した結果、特定の結晶配向面を有する硬質被覆層を積層することにより、前記目的が達成できるとの知見を得た。

0009

本発明は、この知見に基づくものであり、
「(1)工具基体の表面に、硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具であって、
前記硬質被覆層は、工具基体側から工具表面に向かって、下部層、中間層、上部層を有し、
(a)前記下部層は、平均層厚が1.0〜20.0μmであり、NaCl型の面心立方構造を有するTiとAlとの複合窒化物または複合炭窒化物結晶粒を70面積%以上含み、
前記結晶粒は、その組成組成式:(Ti(1−X)AlX)(CYN(1−Y))で表した場合、AlのTiとAlの合量に占める割合Xの平均値XavgとCのCとNの合量に占める割合Yの平均値Yavg(ただし、X、Y、Xavg、Yavgはいずれも原子比)が、それぞれ、0.60≦Xavg≦0.90、0.000≦Yavg≦0.010を満足し、
前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒について、電子後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面方向から解析した場合、前記工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{111}面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記法線方向に対して0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数集計傾斜角度分布を求めたとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の45%以上の割合を示し、
(b)前記中間層は、平均層厚が0.5〜10.0μmであるTi炭窒化物層であって、NaCl型の面心立方構造を有するTi炭窒化物の結晶粒を含み、前記Ti炭窒化物層の前記結晶粒について、前記電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ti炭窒化物層の縦断面方向から解析した場合、前記工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{112}面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記法線方向に対して0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の40%以上の割合を示し、
(c)前記上部層は、平均層厚が1.0〜10.0μmであるα型の結晶構造のAl2O3層であって、コランダム型六方晶結晶構造を有する結晶粒を含み、該結晶粒について、前記電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Al2O3層の縦断面方向から解析した場合、前記工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{001}面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち法線方向に対して0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の50%以上の割合を示し、
前記Al2O3層は、{116}面における残留応力が、−600〜−200MPaの結晶を有し、
前記Al2O3層はSを含有し、SのAlとOとSの合量に占める割合Zの平均値Zavg(ただし、Z、Zavgは原子比)が、0.00005≦Zavg≦0.00100を満足する、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
(2)前記工具基体と前記下部層との間に、Tiの炭化物層窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および、炭窒化酸化物層のうちの1層または2層以上のTi化合物層を含む層であって、その平均層厚が0.1〜20.0μmで、前記Ti化合物層のうち、前記下部層と接する層の結晶粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ti化合物層を含む層の縦断面方向から解析した場合、前記工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{111}面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記法線方向に対して0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の45%以上の割合を示す、下地層が存在する前記(1)に記載の表面被覆切削工具。」
である。

発明の効果

0010

本発明の被覆工具は、Ni基耐熱合金の切削に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備え、長期の使用にわたって優れた切削機能を発揮する。

0011

以下、本発明の被覆工具について、より詳細に説明する。なお、本明細書、特許請求の範囲の記載において、数値範囲を「〜」を用いて表現する場合、その範囲は上限および下限の数値を含むものである。

0012

硬質被覆層の層構造
本発明に係る被覆工具は、工具基体の表面に、下部層として、NaCl型の面心立方構造(立方晶構造)を有するTiとAlとの複合窒化物または複合炭窒化物(以下、TiAlCNと表すことがある)を有する層、この下部層の上にTiの炭窒化物を有する中間層、この中間層の上にAl2O3を有する上部層を含んでいる。
以下、前記各層について詳述する。

0013

1.下部層(TiAlCN層)
(1)平均層厚:
下部層(TiAlCN層)の平均層厚は、1.0〜20.0μmが好ましい。この範囲とした理由は、1.0μm未満となると、下部層がすくい面においても早期に磨滅してしまい、耐チッピング性の向上効果が発揮されず、また、20.0μmを超えると、結晶粒が大きくなり下部層の耐チッピング性が低下するためである。より好ましい平均層厚範囲は、3.0μm〜15.0μmである。

0014

(2)組成:
下部層であるTiAlCN層は、NaCl型の面心立方構造の結晶粒を有するものであって、その組成を組成式:(Ti(1−X)AlX)(CYN(1−Y))で表した場合、AlのTiとAlの合量に占める割合Xの平均値XavgとCのCとNの合量に占める割合Yの平均値Yavg(ただし、X、Y、Xavg、Yavgはいずれも原子比)が、それぞれ、0.60≦Xavg≦0.90、0.000≦Yavg≦0.010を満足するように組成を制御する。

0015

Xavgをこの範囲とする理由は、Alの平均含有割合Xavgが0.60未満であると、TiAlCN層は耐酸化性に劣るため、Ni基耐熱合金等の高速断続切削に供した場合には、耐摩耗性が十分でなく、一方、Xavgが0.90を超えると、硬さに劣る六方晶析出量が増大し硬さが低下するため、耐摩耗性が低下するためである。

0016

また、Cの平均含有割合Yavgを0.000≦Yavg≦0.010と定めた理由は、Cが含有されていても、微量であれば硬さを向上させることができ、平均含有割合が0.05以下の範囲であれば耐チッピング性を保ちつつ硬さを向上させることができるためである。
なお、TiAlCN層は微量のOやCl等の不可避的不純物を含んでいても前述の発明の効果を損なわない。

0017

ここで、Xは、オージェ電子分光法(Auger Electron Spectroscopy:AES)を用い、試料断面研磨した試料において、電子線を縦断面側から照射し、層厚方向に5本の線分析を行って得られたオージェ電子の解析結果を平均したものである。

0018

また、Yは、二次イオン質量分析(Secondary−Ion−Mass−Spectroscopy:SIMS)により求めることができる。すなわち、試料表面を研磨した試料において、TiAlCN層の表面側からイオンビームを70μm×70μmの範囲に照射し、イオンビームによる面分析スパッタイオンビームによるエッチングとを交互に繰り返すことにより深さ方向の濃度測定を行う。まず、TiAlCN層についての層の深さ方向へ0.5μm以上侵入した箇所から0.1μm以下のピッチで少なくとも0.5μmの長さの測定を行ったデータの平均を求める。さらに、これを少なくとも試料表面の5箇所において繰り返し算出した結果を平均してYavgとして求める。

0019

(3)NaCl型の面心立方晶構造を有する結晶粒の面積割合
TiAlCN層にはNaCl型の面心立方晶構造を有する結晶粒が存在することが必要であり、その面積割合として少なくとも70面積%以上が好ましい。これにより、高硬度であるNaCl型の面心立方晶構造を有する結晶粒の面積比率が高くなり、硬さが向上する。さらに、この面積率は、より好ましくは80面積%以上である。

0020

(4){111}面の法線がなす傾斜角の度数分布
工具基体表面の法線方向に対するNaCl型の面心立方構造を有する結晶粒の結晶面である{111}面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち法線方向に対して0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の45%以上の配向割合であることが好ましい。このようにすることによって、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えるようになる。
なお、この配向割合を(111)配向率と云うことがある。

0021

この配向割合は、次のようにして求める。TiAlCN層の縦断面(工具基体表面に垂直な断面)を研磨面(断面研磨面)とし、工具基体表面と水平方向に長さ100μm、工具基体表面と垂直な方向に層厚に対して、層厚と同等の長さの範囲を測定範囲とし、この測定範囲の研磨面に70度の入射角度で15kVの加速電圧の電子線を1nAの照射電流で、前記断面研磨面の測定範囲に存在するNaCl型の面心立方構造を有する結晶粒の個々に0.01μm/stepの間隔で照射し、得られた電子線後方散乱回折像に基づき、基体表面の法線(断面研磨面における基体表面と垂直な方向)に対して、前記結晶粒の結晶面である{111}面の法線がなす傾斜角を測定点(電子線を照射した点)毎にそれぞれ測定する。

0022

そして、この測定結果に基づいて、測定された傾斜角のうち、0〜45度の範囲にある傾斜角を0.25度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより、傾斜角度数分布を求める。得られた傾斜角度数分布から、0〜10度の範囲に存在する度数の最高ピークの有無を確認し、かつ0〜45度の範囲に存在する度数(傾斜角度数分布における度数全体)に対する0〜10度の範囲に存在する度数の配向割合を求める。なお、傾斜角度分布グラフにおいて、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の45%以上であることが好ましい。なお、この傾斜角度分布を求めるにあたり、理想的なランダム配向の場合、傾斜角度数は傾斜角によらず一定の値になるように規格化をしている。

0023

2.中間層(Ti炭窒化物層)
(1)平均層厚:
中間層(Ti炭窒化物層)は、NaCl型の面心立方構造を有する結晶粒を含み、平均層厚が0.5〜10.0μmであることが好ましい。この範囲とした理由は、0.5μm未満となると、上部層と下部層の密着性を確保することができず、一方、10.0μmを超えると、熱塑性変形を起こしやすくなり、それに伴う異常損傷を生じやすくなるためである。より好ましい平均層厚範囲は、1.0μm〜4.0μmである。
なお、中間層を構成するTi炭窒化物の組成は、従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。

0024

(2){112}面の法線がなす傾斜角の度数分布:
中間層(Ti炭窒化物層)内のNaCl型の面心立方構造を有する個々の結晶粒の結晶方位を、その縦断面方向から解析した場合、工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{112}面の法線がなす傾斜角について、前述の下部層の{111}面の法線なす傾斜角の測定とその結果の整理とを同様に行ったとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の40%以上の配向割合であることが好ましい。このようにすることによって、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えるようになる。
なお、この配向割合を(112)配向率と云うことがある。

0025

3.上部層(α−Al2O3層):
(1)平均層厚:
上部層(α−Al2O3層)は、α型の結晶構造であって、平均層厚が1.0〜10μmであることが好ましい。この範囲とした理由は、1.0μm未満となると、上部層が早期に磨滅してしまうため、すぐれた耐チッピング性を発揮することができず、一方、10.0μmを超えると、剥離を生じやすくなるためである。

0026

(2){001}面の法線がなす傾斜角の度数分布:
上部層(α−Al2O3層)内のコランダム型六方晶結晶構造を有する個々の結晶粒の結晶方位を、その縦断面方向から解析した場合、工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である{001}面の法線がなす傾斜角について、前述の下部層の{111}面の法線なす傾斜角の測定とその結果の整理とを同様に行ったとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の50%以上の割合であることが好ましい。このようにすることによって、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えるようになる。
なお、この配向割合を(001)配向率と云うことがある。

0027

(3)残留応力:
α−Al2O3層は、ヤング率として384GPa、ポアソン比として0.232を使用して計算したときの{116}面における残留応力が、−600〜−200MPaの結晶を有することが好ましい。これらの範囲にある値を満足することにより、Ni基耐熱合金の切削に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えるようになる。なお、残留応力は、X線回折法によって求めることができる。

0028

(4)硫黄(S)量
上部層にはSが含有され、SのAlとOとSの合量に占める割合Zの平均値Zavg(ただし、Z、Zavgは原子比)が、0.00005≦Zavg≦0.00100を満足することが好ましい。この範囲とした理由は、0.00005未満となると、中間層との密着性が不十分となり、上部層が剥離してすぐれた耐チッピング性を発揮することができず、一方、0.00100を超えると、刃先高温となるNi基耐熱合金の切削時には上部層の酸化が進行しやすくなり、摩耗が進行するためである。

0029

4.下地層
前記工具基体と前記下部層との間に、Tiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、および、炭窒酸化物層のうちの1層または2層以上のTi化合物層を含む層(下地層)を設けることがより好ましい。下地層のうち、前記下部層と接する層において、工具基体表面の法線方向に対するNaCl型の面心立方構造を有する個々の結晶粒の結晶面である{111}面の法線がなす傾斜角について、前述の下部層の{111}面の法線なす傾斜角の測定とその結果の整理とを同様に行ったとき、0〜10度の範囲の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記0〜10度の範囲に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の45%以上の配向割合であることが好ましい。この配向割合を(111)配向率と云うことがある。
この下地層は、下部層であるTiAlCN層の{111}面の傾斜角度分布を制御しやすくするために設けるものであって、下地層の合計平均層厚を0.1〜20.0μmが好ましく、その理由は、0.1μm未満では、下部層であるTiAlCN層の{111}面の傾斜角度数分布を制御するという下地層の目的が十分に達成されず、一方、20.0μmを超えると下地層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなるからである。

0030

6.工具基体
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例を挙げるならば、超硬合金(WC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはTi、Ta、Nb等の炭窒化物を添加したものも含むもの等)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの等)、セラミックス炭化チタン炭化珪素窒化珪素窒化アルミニウム酸化アルミニウムなど)、cBN焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。

0031

7.製造方法
本発明の硬質被覆層は、例えば、工具基体もしくは当該工具基体上にある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少なくとも一層以上の下地層上に、
(1)下部層であるTiAlCN層の成膜のために、例えば、NH3とH2からなるガス群Aと、AlCl3、TiCl4、N2、H2からなるガス群Bと、からなる2種の反応ガスをそれぞれ所定の位相差で供給し、
(2)中間層であるTiCN層の成膜のために、例えば、CH3CN、TiCl4、N2、H2からなるガス群を供給し、
(3)上部層であるα−Al2O3層の成膜のために、初期核生成として、AlCl3、CO2、HCl、H2からなるガス群を供給し、核成長として、AlCl3、CO2、HCl、H2S、H2からなるガス群を供給する、
ことによって製造できる。

0032

反応ガスのガス組成のと反応条件の一例を以下に示す。
(1)下部層であるTiAlCN層の成膜(下部層を成膜するガスは、ガス群Aとガス群Bの合計を100容量%としている)
ガス群A:NH3:0.8〜1.6%、H2:45〜55%
ガス群B:AlCl3:0.5〜0.7%、TiCl4:0.1〜0.3%、
N2:0.0〜10.0%、H2:残
反応雰囲気圧力:4.0〜5.0kPa
反応雰囲気温度:700〜900℃
供給周期:1.00〜5.00秒
周期当たりのガス供給時間:0.15〜0.25秒
ガス群Aとガス群Bとの供給の位相差:0.10〜0.20秒

0033

(2)中間層であるTiCN層の成膜
ガス:CH3CN:0.5〜1.0%、TiCl4:1.5〜5.0%、
CO:2.0〜4.0%、N2:8.0〜25.0%、H2:残
反応雰囲気圧力:5.0〜9.0kPa
反応雰囲気温度:700〜900℃

0034

(3)上部層であるα−Al2O3層の成膜
<初期核生成>
ガス群:AlCl3:1.0〜5.0%、CO2:0.5〜2.0%、
HCl:0.3〜3.0%、H2:残
反応雰囲気圧力:5.0〜9.0kPa
反応雰囲気温度:700〜900℃
<核成長>
ガス群:AlCl3:1.0〜5.0%、CO2:3.0〜7.0、
HCl:0.3〜3.0%、H2S:1.0〜2.0%、H2:残
反応雰囲気圧力:5.0〜9.0kPa
反応雰囲気温度:700〜900℃

0035

次に、実施例について説明する。
本発明被覆工具の実施例として、工具基体としてWC基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、前述したものを用いた場合であっても同様であるし、ドリルエンドミルに適用した場合も同様である。

0036

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、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、さらにワックスを加えてアセトン中で24時間ボールミルにより混合し、減圧乾燥した後、98MPaの圧力で所定形状の圧粉体プレス成形し、この圧粉体を5Paの真空中、1370〜1470℃の範囲の所定の温度に1時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ISO規格CNMG120412のインサート形状をもったWC基超硬合金製の工具基体A〜Bをそれぞれ製造した。

0037

次に、これら工具基体A〜Bの表面に、CVD装置を用いて、硬質被覆層をCVDにより形成し、表7に示される本発明被覆工具1〜15を得た。
成膜条件は、表2〜4に記載したとおりであるが、概ね、次のとおりである。ガス組成の%は容量%(下部層を成膜するためのガス群Aとガス群Bの和を全体としている)である。

0038

(1)下部層であるTiAlCN層の成膜(下部層を成膜するガスは、ガス群Aとガス群Bの合計を100容量%としている)
ガス群A:NH3:0.8〜1.6%、H2:45〜55%
ガス群B:AlCl3:0.5〜0.7%、TiCl4:0.1〜0.3%、
N2:0.0〜10.0%、H2:残
反応雰囲気圧力:4.0〜5.0kPa
反応雰囲気温度:700〜900℃
供給周期:1.00〜5.00秒
1周期当たりのガス供給時間:0.15〜0.25秒
ガス群Aとガス群Bとの供給の位相差:0.10〜0.20秒

0039

(2)中間層であるTiCN層の成膜
ガス:CH3CN:0.5〜1.0%、TiCl4:1.5〜5.0%、
CO:2.0〜4.0%、N2:8.0〜25.0%、H2:残
反応雰囲気圧力:5.0〜9.0kPa
反応雰囲気温度:700〜900℃

0040

(3)上部層であるα−Al2O3層の成膜
<初期核生成>
ガス群:AlCl3:1.0〜5.0%、CO2:0.5〜2.0%、
HCl:0.3〜3.0%、H2:残
反応雰囲気圧力:5.0〜9.0kPa
反応雰囲気温度:700〜900℃
<核成長>
ガス群:AlCl3:1.0〜5.0%、CO2:3.0〜7.0、
HCl:0.3〜3.0%、H2S:1.0〜2.0%、H2:残
反応雰囲気圧力:5.0〜9.0kPa
反応雰囲気温度:700〜900℃
なお、本発明被覆工具2〜15は、表5に記載された成膜条件により、表6に示された下地層を形成した。

0041

また、比較の目的で、工具基体A〜Bの表面に、表2〜4に示される条件によりCVDにより、表7に示される硬質被覆層を蒸着形成して比較被覆工具1〜15を製造した。
なお、比較被覆工具2〜15については、表5に示される形成条件により、表6に示された下地層を形成した。

0042

さらに、前記本発明被覆工具1〜15および比較被覆工具1〜15の硬質被覆層について、前述した方法を用いて、Alの平均含有割合X、Cの平均含有割合Yを求めた。

0043

0044

0045

0046

0047

0048

0049

0050

続いて、前記本発明被覆工具1〜15および比較被覆工具1〜15について、いずれも工具鋼バイトの先端部に固定治具にてクランプした状態で、以下に示す、Ni基耐熱合金の外径湿式切削加工試験を実施し、切刃逃げ面摩耗を測定した。表8に、切削試験の結果を示す。なお、比較被覆工具1〜15については、チッピング発生が原因で寿命に至ったものは寿命に至るまでの時間を示す。

0051

被削材:Ni−19Cr−19Fe−3Mo−0.9Ti−0.5Al−5.1(Nb+Ta)合金
回転速度:
切削速度:100 m/min
切り込み:0.75 mm
送り量:0.3 mm
切削時間:8分

0052

実施例

0053

表8に示される結果から、本発明被覆工具1〜15は、いずれも硬質被覆層が優れた耐摩耗性、耐チッピング性を有しているため、Ni基耐熱合金鋼の切削加工に用いた場合であってもチッピングの発生がなく、長期にわたって優れた耐摩耗性を発揮する。これに対して、本発明の被覆工具に規定される事項を一つでも満足していない比較被覆工具1〜15は、Ni基耐熱合金切削加工に用いた場合にはチッピングが発生し、短時間で使用寿命に至っている。

0054

前述のように、本発明の被覆工具は、Ni基耐熱合金以外の高速断続切削加工の被覆工具として用いることができ、しかも、長期にわたって優れた耐摩耗性を発揮するものであるから、切削装置高性能化並びに切削加工の省力化及び省エネ化、さらには低コスト化に十分に満足できる対応が可能である。

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