JP5061392B2

JP5061392B2 - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP5061392B2
Application number: JP2008196604A
Authority: JP
Inventors: 直也大森; 周子小島; 吉生岡田; 晋也今村; 浩之森本; 晋奥野
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: JP2010030005A

Description

本発明は、超硬合金からなる基材上に被覆層を形成した表面被覆切削工具に関する。

従来より、表面被覆切削工具の寿命を向上させることが求められており、その対策の一つとして超硬合金などの基材と被覆層との密着性を向上させる試みが多数提案されている。

たとえば特許文献１および特許文献２においては、基材を構成するＣｏ等の成分を被覆層中に拡散させることにより、基材と被覆層との密着性を向上させることが提案されている。しかし、このように基材の構成成分が被覆層中に拡散したり、あるいは基材の構成成分と被覆層を形成するためのガス成分とが反応すると、基材の最表面にη層と呼ばれる極薄層が形成されたり、基材と被覆層との界面領域に基材成分による厚い拡散層が形成される。そして、このような極薄層や拡散層が形成されると、それらの近辺領域で基材が脆化するという現象が発生し、これにより基材と被覆層との密着性が低下するという問題があった。

一方、特許文献３においては、基材と被覆層との密着性を向上させるために、基材に接する被覆層の最下層をＣｏの金属間化合物で構成することが提案されている。この提案により、基材と被覆層との密着性をある程度向上させることが可能であるものの、昨今の切削加工技術においては表面被覆切削工具に対して極めて高度な性能が要求されており、基材と被覆層との密着性をさらに高めることにより工具寿命を向上させることが要求されている。

また一方、上記のような被覆層を化学蒸着法により形成すると、その形成時において基材の最表面に上述の通りη層と呼ばれる極薄層が形成される。このη層の生成は、基材と被覆層との密着性を低下させるという問題があるため、このη層を形成させない方法が種々検討されたところ、η層を全く形成させないよりも０．１〜２μｍの厚みでη層を形成させる方が基材と被覆層との密着性が向上するとの提案がなされている（特許文献４）。

しかしながら、この提案によっても、基材と被覆層との密着性をある程度向上させることが期待されるものの、昨今の切削加工技術においては表面被覆切削工具に対して極めて高度な性能が要求されており、基材と被覆層との密着性をさらに高めることにより工具寿命を向上させることが要求されている。
特開平０９−２６２７０５号公報特開２０００−３５５７７７号公報特開平０７−２３７０１１号公報特許第３４６０５６５号公報

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、基材と被覆層との密着性が向上した表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明の表面被覆切削工具は、超硬合金からなる基材とそれを被覆する１層以上の被覆層とを備えるものであって、該基材は、該被覆層と接する表面部にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ未満の基材表面層を有し、該被覆層のうち上記基材と接する最下層は、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ以下であり、かつ化学式Ｍ_1-XＺ_X（ただし、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｏ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｚは炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｘは原子比を示し、０＜Ｘ≦０．５である。）で示される第１化合物を含むことを特徴とする。

ここで、上記被覆層は、上記最下層上に形成される１層以上の硬質層を含み、該硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。

また、上記硬質層は、化学蒸着法により形成されるＴｉＣＮを主成分とする層を含むことが好ましく、またα−アルミナまたはκ−アルミナを含む層を含むことが好ましい。

また、上記最下層と上記硬質層との間には、組成傾斜層が形成され、該組成傾斜層は、上記最下層の組成から上記硬質層の組成へと厚み方向にその組成が変化する層であることが好ましい。また、上記基材は、炭化タングステン、鉄系金属、および第３成分を含む超硬合金であって、該第３成分は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物、および／または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であることが好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、上記の通りの構成を有することにより、基材と被覆層との密着性が飛躍的に向上したものである。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、超硬合金からなる基材とそれを被覆する１層以上の被覆層とを備えるものである。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用刃先交換型切削チップ等として極めて有用である。

＜基材＞
本発明の基材は、超硬合金からなるものである。このような超硬合金は、この種の表面被覆切削工具の基材として用いられる従来公知のものを特に限定することなく使用することができる。たとえば、ＷＣとＣｏとを主成分として含むＷＣ基超硬合金をこのような超硬合金として挙げることができる。このようなＷＣ基超硬合金は、さらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ等の炭化物、窒化物、炭窒化物等を含むことができる。

そして、本発明のこのような基材は、特に炭化タングステン、鉄系金属、および第３成分を含む超硬合金であって、該第３成分は、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物、および／または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であることが好ましい。このような組成の基材を用いることにより、耐摩耗性と耐欠損性とを兼備することができるという効果が得られる。

ここで、上記鉄系金属（２種以上含まれる場合はその合計量）は、基材全体に対して３重量％以上２５重量％以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が１４重量％、その下限が３．５重量％である。３重量％未満では耐欠損性が低下する場合があり、２５重量％を超えると耐塑性変形性が低下する場合がある。なお、鉄系金属として２種以上の元素を含む場合は、それらの配合比は特に限定されない。

また、上記第３成分（２種以上含まれる場合はその合計量）は、基材全体に対して０．５重量％以上２５重量％以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が１０重量％、その下限が１重量％である。０．５重量％未満では耐塑性変形性が低下する場合があり、２５重量％を超えると靭性が低下する場合がある。第３成分として２種以上の元素を含む場合は、それらの配合比は特に限定されない。

なお、本発明において「鉄系金属」とは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属をいう。また、Ｃｒ、Ｖ、およびＺｒについては、Ｃｏ中に固溶している場合、または金属元素として単独で存在している場合は、このような鉄系金属として扱うものとする。ただし、Ｃｒについては、その含有量を０．３重量％未満とすることが好ましい。Ｃｒがこの範囲を超えて含有されると濡れ性を悪化させ空孔を発生させる原因となる。

＜基材表面層＞
本発明の基材は、被覆層と接する表面部（すなわち被覆層との界面部）にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ未満の基材表面層を有する。このように基材の表面部において特定の厚みを有する基材表面層を形成したことにより、切削工具としての強度が飛躍的に向上したとともにこの基材表面層上に被覆層を積層させると基材と被覆層との密着性が飛躍的に向上したものとなる。

この基材表面層の厚みが、０．００５μｍ未満の場合、基材と被覆層との密着性向上の効果が低く、一方０．１μｍ以上となる場合も基材と被覆層との密着性向上の効果が低くなるとともにさらに強度が低下する場合もある。このように特定範囲の厚みを有する基材表面層を形成させた場合にのみ特異的に優れた効果が示される詳細なメカニズムは未だ十分に解明できていないが、恐らく基材表面層の厚みがこの範囲となる場合に被覆層とこの基材表面層との間で化学的な相互拡散が生じることによりこれら両者の密着性が向上するものと推測される。すなわち、基材表面層の厚みが０．００５μｍ以下であるとこの相互拡散が有効に生じないと考えられる。一方、基材表面層の厚みが０．１μｍを超えると、基材中においてこの基材表面層と基材表面層以外の部分との界面においてその界面部分の密着性が低下し、その結果として基材と被覆層との密着性が低下するものと推測される。

このような基材表面層の厚みは、より好ましくはその上限が０．０９μｍ、さらに好ましくは０．０８μｍ、その下限が０．００７μｍ、さらに好ましくは０．０１μｍである。このような基材表面層の厚みは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）等とＥＤＳ（蛍光Ｘ線元素分析）、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）等とを組み合わせる方法や、カロテスト（簡易精密膜厚測定機）で被覆層と基材との界面を露出させた後村上氏試薬でエッチング処理を行ない、それを金属顕微鏡で観察する等により測定することができ、また組成等の同定はＸ線回折により行なうことができる。

なお、このような基材表面層は、基材全面の表面部（後に被覆層が形成された場合にその界面部となる部分の全面）に形成されていることが好ましいが、基材の表面部において（被覆層と接する界面部において）部分的に基材表面層が形成されていない場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。

ここで、ＷとＣｏとの複炭化物とは、Ｗ_SＣｏ_TＣ_U（式中、Ｓ、Ｔ、Ｕはそれぞれ独立して任意の正の数を表す）という一般式で示される化合物をいう。たとえばＷ₃Ｃｏ₃Ｃ、Ｗ₆Ｃｏ₆Ｃ、Ｗ₄Ｃｏ₂Ｃ、Ｗ₂Ｃｏ₄Ｃ、Ｗ₉Ｃｏ₃Ｃ₄、Ｗ₁₀Ｃｏ₃Ｃ_3.4等が挙げられる。しかしながら、これらの組成に関係なくいずれも同様の効果が示されるため、本発明においては特に組成を特定することなく単に「ＷとＣｏとの複炭化物」という表現を採用するものとする。このようなＷとＣｏとの複炭化物は、この種の表面被覆切削工具の超硬合金基材において形成されるη層の組成と同一のものであり、本発明の基材表面層はこのη層の厚みを特定したものである。

また、ＷとＣｏとの複炭化物を主成分とするとは、不可避不純物等の他の成分を少量（０．３重量％以下）含み得ることを意味する。

このような本発明の基材表面層は、たとえば以下のようにして基材の表面部に形成することができる。すなわち、まず基材を洗浄液を用いて各洗浄液毎に０．５〜６分間程度洗浄する（このような処理工程を洗浄工程というものとする）。洗浄液としては、エチルアルコール等のアルコール系洗浄液、塩酸、酒石酸等の酸系洗浄液、およびアルカリイオン水、水酸化ナトリウム等のアルカリ系洗浄液等を挙げることができる。これらの洗浄液を各単独であるいは２種以上のものを組み合せて用いることができる。洗浄液として酸系洗浄液を用いると基材表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、それ以外の洗浄液を用いると基材表面層の厚みは薄くなる傾向を示す。また、洗浄時間を長くすると基材表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、洗浄時間を短くすると基材表面層の厚みは薄くなる傾向を示す。

次いで、上記のような洗浄工程を経た基材を高温加熱処理する（このような処理工程を高温加熱工程というものとする）。この高温加熱工程は、たとえば１または２以上の気体を４〜５０ｌ／ｍｉｎ．の流量で用いて、５０ｈＰａ〜大気圧（１０１３ｈＰａ）の圧力条件下、８５０〜１３００℃に０〜２５分間、基材を保持する処理工程をいう。基材をこのように高温加熱処理することにより基材の表面部に所定の厚みの基材表面層を形成することができる。

ここで、上記気体としては、Ａｒ、Ｈ₂、ＣＨ₄、Ｎ₂、ＣＨ₃ＣＮ、ＴｉＣｌ₄、ＣＯ等を挙げることができ、２種類以上を用いる場合は任意の分圧比とすることができる。一方、上記の圧力条件は、それを低くすると基材表面層の厚みが厚くなる傾向を示し、高くすると（大気圧下）基材表面層の厚みが薄くなる傾向を示す。また、保持時間は長過ぎると基材表面層の厚みは厚くなる傾向を示す。以上の条件を適宜調節することにより基材表面層の厚みを制御することができる。

上記のようにして基材の表面部に基材表面層を形成することができるが、基材表面層の厚みは後述の被覆層（特にその最下層）の形成条件によっても制御することが可能である。

＜被覆層＞
本発明の表面被覆切削工具は、上記の基材を被覆する１層以上の被覆層を備える。ここで、被覆層が基材を被覆するとは、基材の全面を被覆するようにして形成されていても良いし、基材の一部分のみを被覆するようにして形成されていても良いことを意味する。しかし、被覆層の形成目的がそもそも切削工具の諸特性の向上にあることから、被覆層は基材の全面を被覆するかもしくは一部分を被覆する場合であっても切削性能の向上に寄与する部位の少なくとも一部分を被覆することが好ましい。

このような本発明の被覆層の厚み（被覆層が２層以上の層を積層させて構成される場合は全体の厚み）は、０．５μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。その厚みが０．５μｍ未満の場合、耐摩耗性等の諸特性の向上作用が十分に示されないことがあり、一方、４０μｍを超えてもそれ以上の諸特性の向上が認められないことから経済的に有利ではない。しかし、経済性を無視する限りその厚みは４０μｍ以上としても何等差し支えなく、本発明の効果は示される。このような被覆層の厚みの測定方法としては、たとえば表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。

このような本発明の被覆層は、少なくとも以下で述べるような最下層を含むとともに、硬質層や組成傾斜層を含むことができる。

＜最下層＞
本発明において上記被覆層のうち基材（基材表面層）と接する最下層は、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ以下であり、かつ化学式Ｍ_1-XＺ_X（ただし、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｏ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｚは炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｘは原子比を示し、０＜Ｘ≦０．５である。）で示される第１化合物を含むことを特徴とする。このような最下層を形成することにより、上記基材表面層の形成と相俟って被覆層全体が基材に対して極めて強力な密着性を有したものとなる。これは恐らく、基材表面層とこの最下層との間で前述のような化学的な相互拡散が生じることによりこれら両者の密着性が向上するためではないかと考えられる。そして、本発明の表面被覆切削工具はこのように被覆層と基材とが極めて高い密着性を有することから、耐摩耗性等の諸特性が向上し、以って工具寿命が飛躍的に延長されたものである。

ここで、最下層においてその厚みを規定することは極めて重要であり、その厚みが０．００５μｍ未満である場合は強力な密着性を得ることができず、またその厚みが０．１μｍを超えると最下層自体が脆性を帯びるため却って基材との密着性が低下することになる。このような最下層の厚みは、より好ましくはその上限が０．０９μｍであり、その下限は０．００６μｍである。なお、このような最下層の厚みは、基材表面層の厚みを測定する方法と同様の方法により測定することができ、また組成等の同定は、ＥＰＭＡ−ＥＤＳ（電子線マイクロアナライザ−エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析）により確認することができる。

一方、上記化学式Ｍ_1-XＺ_Xにおいて、Ｍは特に好ましくはＴｉ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌからなる少なくとも１種の元素を示し、Ｘはその上限が０．５、より好ましくは０．４、さらに好ましくは０．３であり、その下限がより好ましくは０．０１、さらに好ましくは０．１である。Ｍとして２種以上の元素を含む場合は、それらの合計量が上記式の「１−Ｘ」を示すものとし（ただし、これら２種以上の元素間の原子比は特に限定されない）、同じくＺとして２種以上の元素を含む場合は、それらの合計量が上記式の「Ｘ」を示すものとする（ただし、これら２種以上の元素間の原子比は特に限定されない）。なお、上記式のＺは、塩素を含むことが特に好ましい。塩素を含むことにより特に優れた耐摩耗性を得ることができる。そして、このような最下層は以下のように化学蒸着法（ＣＶＤ法）により形成されることが好ましい。

すなわち、１または２以上の反応ガス（原料ガス）およびキャリアガスを４〜５０ｌ／ｍｉｎ．の流量（複数のガスが含まれる場合はその合計流量）で用いて、４０ｈＰａ〜６００ｈＰａの圧力条件下、８００〜１３００℃にて３〜２５分間維持することにより形成することができる。なお、反応ガスとキャリアガスの分圧比は、特に限定されるものではないがキャリアガスに対する反応ガスの比率を１体積％〜９５体積％とすることが好ましい。

＜硬質層＞
本発明の被覆層は、上記最下層上に形成される１層以上の硬質層を含むことが好ましく、この硬質層（２層以上形成される場合はその各層）は、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。

上記のような化合物としては、たとえばＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢ₂、ＴｉＯ₂、ＴｉＢＮ、ＴｉＢＮＯ、ＴｉＣＢＮ、ＺｒＣ、ＺｒＯ₂、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＣＮＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＺｒＮ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＴｉＺｒＣＮ、ＴｉＡｌＣ、ＮｂＣ、ＮｂＮ、ＮｂＣＮ、Ｍｏ₂Ｃ、ＷＣ、Ｗ₂Ｃ、ＨｆＯ、ＨｆＯ₂、ＴｉＣｒＣ、ＺｒＢＮ、ＡｌＨｆＮ、ＴａＮ、ＴａＣＮ、ＴａＣ、ＨｆＮ等を挙げることができる。なお、これらの化合物に塩素が含まれる場合、塩素は侵入型として含まれていてもよいし置換型として含まれていてもよく、また化合物を形成していてもよい。

なお、本発明において上記のように化合物を化学式で表わす場合、原子比を特に限定しない場合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。たとえば単に「ＴｉＣＮ」と記す場合、「Ｔｉ」と「Ｃ」と「Ｎ」の原子比は５０：２５：２５の場合のみに限られず、また「ＴｉＮ」と記す場合も「Ｔｉ」と「Ｎ」の原子比は５０：５０の場合のみに限られない。これらの原子比としては従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。

上記のような硬質層を構成する化合物のうち、より好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を選択することが好適である。特に、これらの化合物からなる層を上記の最下層の直上に形成することが好ましい。これにより、最下層と硬質層との密着性を特に強力なものとすることができるからである。

また、本発明の硬質層としては、上記のような化合物としてα−アルミナ（結晶構造がα型のアルミナ）またはκ−アルミナ（結晶構造がκ型のアルミナ）を含む層を含むことが好ましい。これにより、被覆層の耐摩耗性を一層向上させることができる。

ここで、α−アルミナまたはκ−アルミナを含む層とは、このようなアルミナを５０重量％以上含有することを意味し、より好ましくは不可避不純物を除きこのようなアルミナのみによって構成されることをいう。なお、アルミナの結晶構造は、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により同定することができる。

このような硬質層の厚み（硬質層１層当りの厚み）は、０．３μｍ以上２０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその下限を０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上、その上限を１５μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下とすることが好適である。この硬質層の厚みが０．３μｍ未満の場合、十分に耐摩耗性等の諸特性を向上させることができない場合があり、２０μｍを超えても大幅に特性を改善することがないため工業的に好ましくない場合がある。

なお、本発明の硬質層は、ＣＶＤ法により形成されることが好ましい。これにより上記の最下層に対して連続して硬質層を形成することができ、これらの密着性を向上させることができるため特に好適である。このようなＣＶＤ法としては、従来公知の方法を特に限定することなく使用することができ、条件等が限定されることはない。たとえば、８００〜１０５０℃程度の成膜温度を採用することができ、使用するガスとしてもアセトニトリル等のニトリル系のガス等従来公知のガスを特に限定することなく使用することができる。

そして、特に本発明の被覆層は、硬質層として化学蒸着法、より好ましくはＭＴ−ＣＶＤ法により形成されるＴｉＣＮを主成分とする層を含むことが好ましい。ＣＶＤ法による熱の適用に基づく基材のダメージを低減させつつ、耐摩耗性に優れる炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を主成分とする層を形成させることができるからである。ここで、ＴｉＣＮを主成分とする層とは、ＴｉＣＮを９０重量％以上含む層を意味し、好ましくは不可避不純物を除きＴｉＣＮのみにより構成されることを意味する。また、上記ＭＴ−ＣＶＤ（ｍｏｄｅｒａｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣＶＤ）法とは、上記で説明したような通常のＣＶＤ法が約９５０〜１０５０℃で成膜が行なわれることが多いのに対して、約８００〜９５０℃という比較的低温で行なう方法をいう。

なお、本発明の硬質層は、上記のような各化合物の外、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素のみによって構成された層を含むこともできる。

本発明の硬質層の組成の同定は、ＥＰＭＡ−ＥＤＳ（電子線マイクロアナライザ−エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析）により確認することができる。

＜組成傾斜層＞
本発明の被覆層において、上記最下層と上記硬質層との間には組成傾斜層を形成することができ、この組成傾斜層は上記最下層の組成から上記硬質層（該組成傾斜層上に複数の硬質層が形成される場合はこの組成傾斜層の直上の硬質層）の組成へと厚み方向にその組成が変化する層であることが好ましい。このような組成傾斜層を形成することにより、最下層と硬質層との密着性を高めることができる。このような組成傾斜層は、厚みを０．２μｍ以上２μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその下限を０．３μｍ以上、その上限を１μｍ以下、さらに好ましくは０．８μｍ以下とすることが好適である。この組成傾斜層の厚みが０．２μｍ未満の場合、密着性を向上させることができない場合があり、２μｍを超えても大幅に特性を改善することがないため工業的に好ましくない場合がある。

このような組成傾斜層は、最下層および硬質層とは独立して形成する必要はなく、その形成方法にもよるが通常は最下層を形成後硬質層を形成するときにこれら両層の形成の途中段階で不可避的に形成されるものである。換言すれば、この組成傾斜層は、その観察条件により観察されたり観察されなかったりする程度のものであり、通常透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等による観察倍率を２００万倍以上にする場合において観察されるものである。

なお、最下層および硬質層の境界部にこのような組成傾斜層が形成されるために、これら両層の境界部を明確に定めることができない場合は、このような組成傾斜層における厚み方向の中間点をこれら両層の境界部とみなし、各層の厚み等を測定するものとする。

＜製造方法＞
本発明は、超硬合金からなる基材とそれを被覆する１層以上の被覆層とを備える表面被覆切削工具の製造方法をも提供するものである。かかる製造方法は、基材を準備する工程（「基材準備工程」とも記す）と、上記で説明した基材表面層を形成する工程（「基材表面層形成工程」とも記す）と、該被覆層のうち該基材と接する最下層として、上記第１化合物を含み、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ以下である最下層を形成する工程（「最下層形成工程」とも記す）とを少なくとも含む。そして、この最下層形成工程は、上記で既に説明した通りＣＶＤ法により実行されることが好ましく、基材表面層形成工程に用いる装置と同一の装置で実行することが好ましい。

なお、本発明の製造方法は、上記のような工程を含む限り他の工程を含んでいても差し支えない。たとえば、硬質層を形成する工程等が含まれる。このような硬質層を形成する工程（「硬質層形成工程」とも記す）も、ＣＶＤ法により実行されることが好ましい。したがって、本発明の被覆層は、ＣＶＤ法により形成されたものとすることが特に好ましい。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜基材準備工程＞
以下の表１に記載した超硬合金を用い、形状がＣＮＭＡ１２０４０８（ＪＩＳＢ４１２０１９９８）である刃先交換型切削チップを成形することにより基材Ａ〜Ｃを得た。表１に記載されている成分の残部は炭化タングステン（ＷＣ）であり、すなわちこれらの超硬合金は炭化タングステン、鉄系金属、および第３成分を含むものである。なお、たとえば基材Ｂにおける「（Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ）Ｃ」は金属成分がＴｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒである炭化物が５．１重量％含有されていることを示す（他の基材においても各表記はこれと同様の意味を示す）。

＜基材表面層形成工程＞
上記で準備された基材Ａ〜Ｃの各基材に対して、表２記載の洗浄工程を実施した。表２中、「酸系洗浄液」とは酒石酸、塩酸などを示し、「アルカリ系洗浄液」とは水酸化ナトリウム、アルカリイオン水などを示し、「アルカリ系＋酸系洗浄液」とはアルカリ系洗浄液で洗浄後に酸系洗浄液で洗浄することを示し、「エチルアルコール」とはアルコール系洗浄液を示す。

続いて、洗浄工程を経た各基材に対して同じく表２記載の高温加熱工程を実施することにより、各基材の表面部（後に被覆層が形成された場合にはその界面部となる部分）にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする基材表面層を形成した。その厚みを表６に示す。なお、表２中、高温加熱工程において使用した気体の「種類」の欄において、ある温度から異なった気体を導入する旨の記載がされているものについては、その異なった気体が導入された後の分圧比を「分圧比」の欄に示してある。また、「保持時間」とは、表２に記載した温度で保持する時間を示すが、「０」と表記されているものは温度が表２記載の温度に到達した時点で以下の最下層の形成を開始することを示す。

＜最下層形成工程＞
上記のようにして基材表面層を形成した各基材に対して、その基材表面層上に最下層を表３記載の条件のＣＶＤ法により形成した。このようにして形成された最下層の厚みおよび組成（Ｍ_1-XＺ_X）を表６に示す。

＜硬質層形成工程＞
上記のようにして基材上（基材表面層上）に最下層を形成した表面被覆切削工具の前駆体に対して、以下の表４に記載した硬質層ａおよびｂのそれぞれを該最下層上の全面に連続して形成した。たとえば、表４中の硬質層ａは、該最下層上に第２層として厚み０．３μｍのＴｉＮからなる層を形成し、その上に第３層として厚み２．５μｍのＴｉＣＮからなる層を形成し、その上に第４層として厚み１．５μｍのＴｉＺｒＣＮからなる層を形成し、その上に第５層として厚み１．０μｍのＴｉＣＮＯからなる層を形成し、その上に第６層として厚み１．０μｍのκ−アルミナからなる層を形成し、その上に第７層として厚み０．５μｍのＴｉＮからなる層を形成したことを示す。硬質層ｂについても同様である。なお、表４中の「ＴｉＣＮ」はＭＴ−ＣＶＤ法により形成されるＴｉＣＮからなる層（すなわちＴｉＣＮを主成分とする層）を示し、「α−Ａｌ₂Ｏ₃」はα−アルミナからなる層（すなわちα−アルミナを含む層）を示し、「κ−Ａｌ₂Ｏ₃」はκ−アルミナからなる層（すなわちκ−アルミナを含む層）を示す。また、硬質層ｂの第６層は、α−アルミナとジルコニウムとの混合物（ジルコニウム：０．３重量％）により構成されていることを示す。

そして、このような硬質層の各層は、以下の表５に示した条件を採用したＣＶＤ法により形成した。なお、以上の基材表面層形成工程と最下層形成工程と硬質層形成工程とは同一の装置内において連続的に実行することが好ましい。

＜表面被覆切削工具＞
上記のようにして以下の表６に示すＮｏ．１〜２４の本発明の実施例の表面被覆切削工具を製造した。また、同様にして以下の表６に示すＮｏ．１〜６の比較例の表面被覆切削工具を製造した。たとえば、表６のＮｏ．１の表面被覆切削工具は、基材として表１記載の「基材Ａ」を用い、その基材に対して表２記載の形成条件により厚み０．０１３μｍの基材表面層を形成し、その基材表面層上に表３記載の形成条件により厚みが０．００５μｍでありＴｉＣという組成の最下層が形成され、その最下層上に硬質層として表４記載の「硬質層ａ」を形成したこと（すなわち最下層上に硬質層ａの第２層を形成し、その上に順次第７層まで形成したこと）を示す。なお、Ｎｏ．１〜６の比較例の表面被覆切削工具は、基材表面層の厚みまたは最下層の厚みが本発明の規定外となるものである。

＜性能評価＞
上記のようにして得られた表面被覆切削工具について、下記条件で連続切削試験および断続切削試験を行なうことにより基材と被覆層との密着性の程度を評価した。その結果を以下の表７に示す。

＜連続切削試験の条件＞
使用ホルダ：ＰＣＬＮＲ２５２５−４３（住友電工ハードメタル社製）
被削材：ＳＣＭ４３５（ＨＢ＝２４６）丸棒
切削速度：２４０ｍ／ｍｉｎ.
送り：０．２６ｍｍ／ｒｅｖ.
切込み：２．０ｍｍ
湿式／乾式：湿式（水溶性油）
評価：すくい面側の摩耗が進行したことによる切れ刃の欠損が生じるまでの時間（分）を求めた。時間が長いもの程耐摩耗性に優れていることを示し、基材と被覆層との密着性が強力であることを示している。

＜断続切削試験の条件＞
使用ホルダ：ＰＣＬＮＲ２５２５−４３（住友電工ハードメタル社製）
被削材：ＳＣＭ４３５（ＨＢ＝２４６）角材
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ.
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ.
切込み：１．５ｍｍ
切削時間：２分間
湿式／乾式：乾式
評価：１０切れ刃にて試験を行ない、欠損した切れ刃数を求めた。欠損した切れ刃数が少ないもの程、基材と被覆層との密着性が強力であることを示している。

表７より明らかなように、本発明の実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具に比し、基材と被覆層との密着性が強力であることが確認された。すなわち、基材表面層の厚みまたは最下層の厚みが本発明の規定外となる比較例１〜６の表面被覆切削工具は、いずれも基材と被覆層との密着性に劣っていた。したがって、実施例の表面被覆切削工具においてこのように優れた効果が示されるのは、被覆層と接する基材の表面部においてＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ未満の基材表面層を形成し、かつ被覆層のうち基材と接する最下層として厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ以下である化学式Ｍ_1-XＺ_X（ただし、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｏ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｚは炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｘは原子比を示し、０＜Ｘ≦０．５である。）で示される第１化合物を含む層を形成させたことに起因することは明らかである。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims

超硬合金からなる基材とそれを被覆する１層以上の被覆層とを備える表面被覆切削工具であって、
前記基材は、前記被覆層と接する表面部にＷとＣｏとの複炭化物を主成分とする、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ未満の基材表面層を有し、
前記被覆層のうち前記基材と接する最下層は、厚みが０．００５μｍ以上０．１μｍ以下であり、かつ化学式Ｍ_1-XＺ_X（ただし、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｏ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｚは炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｘは原子比を示し、０＜Ｘ≦０．５である。）で示される第１化合物を含む、表面被覆切削工具。
前記被覆層は、前記最下層上に形成される１層以上の硬質層を含み、
前記硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、硼素、および塩素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される請求項１記載の表面被覆切削工具。
前記硬質層は、化学蒸着法により形成されるＴｉＣＮを主成分とする層を含む請求項２記載の表面被覆切削工具。
前記硬質層は、α−アルミナまたはκ−アルミナを含む層を含む請求項２または３に記載の表面被覆切削工具。
前記最下層と前記硬質層との間には、組成傾斜層が形成され、
前記組成傾斜層は、前記最下層の組成から前記硬質層の組成へと厚み方向にその組成が変化する層である請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
前記基材は、炭化タングステン、鉄系金属、および第３成分を含む超硬合金であって、
前記第３成分は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物、および／または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。