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WO2019146785A1 - 被覆工具およびそれを備えた切削工具 - Google Patents

被覆工具およびそれを備えた切削工具 Download PDF

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WO2019146785A1
WO2019146785A1 PCT/JP2019/002769 JP2019002769W WO2019146785A1 WO 2019146785 A1 WO2019146785 A1 WO 2019146785A1 JP 2019002769 W JP2019002769 W JP 2019002769W WO 2019146785 A1 WO2019146785 A1 WO 2019146785A1
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WO
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protrusion
layer
coated tool
gas
ticno
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2019/002769
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English (en)
French (fr)
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優作 洲河
芳和 児玉
健二 熊井
貴悟 杉山
博俊 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to KR1020207024572A priority patent/KR102471905B1/ko
Priority to EP19743290.9A priority patent/EP3747575B1/en
Priority to CN201980020415.6A priority patent/CN111867760B/zh
Priority to US16/963,938 priority patent/US11517966B2/en
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2228/00Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
    • B23B2228/10Coatings

Definitions

  • composition of the first projection 13a, the second projection 13b, and the third projection 13c being the same means that the difference between their constituent components is 5% or less.
  • the coated tool 1 of the present disclosure may have a plurality of third protrusions 13 c on the second protrusions 13 b as shown in FIG. 3. With such a configuration, the adhesion strength between the TiCNO layer and the Al 2 O 3 layer becomes high. Having a plurality of third protrusions 13c on the second protrusion 13b means that one second protrusion 13b has a plurality of third protrusions 13c.
  • the average width of the base of the first protrusion 13a may be 40 to 200 nm. Also, the average length of the first protrusions 13a may be 10 to 500 nm. Also, the average length of the first protrusions 13a may be 50 to 300 nm.
  • the width of the base of the first protrusion 13a is the width of the portion that becomes the starting point of the protrusion of the first protrusion 13a.
  • the average value of the widths of the bases of the first protrusions 13a is the average value of the widths of the bases of the 20 or more first protrusions 13a.
  • the length of the first protrusion 13a refers to the distance between the middle point and the vertex of the width of the portion of the first protrusion 13a that is the starting point of the protrusion.
  • the average length of the first protrusions 13a is an average value of the lengths of the 20 or more first protrusions 13a.
  • the length of the second protrusion 13 b refers to the distance between the middle point and the vertex of the width of the portion serving as the starting point of the protrusion of the second protrusion 13 b.
  • the average width of the base of the first protrusion 13a may be 60 to 120 nm.
  • the average length of the first protrusions 13a may be 150 to 230 nm.
  • the average length of the first protrusions 13a may be four times or less the average width of the base of the first protrusions 13a. With such a structure, since the first projections 13a are less likely to be broken, the TiCNO layer 9 and the Al 2 O 3 layer 11 are more difficult to peel off. Further, the average length of the first protrusions 13a may be three times or less the average width of the base of the first protrusions 13a. As the ratio decreases, the first projections 13a are less likely to be destroyed, and thus the TiCNO layer 9 and the Al 2 O 3 layer 11 are more difficult to peel off. In particular, the average length of the first protrusions 13a may be 2.5 times or less the average width of the base of the first protrusions 13a.
  • the length of the third protrusion 13c may be shorter than the length of the second protrusion 13b.
  • the length of the third protrusion 13c may be longer than the length of the second protrusion 13b.
  • each average length is compared.
  • first protrusions 13 a may not be formed perpendicular to the first surface 2 of the base 5, and may be inclined with respect to the first surface 2 of the base 5.
  • the thickness of the TiCNO layer 9 is 10 nm to 35 nm, the hardness of the TiCNO layer 9 does not decrease, and the Al 2 O 3 layer 11 has an ⁇ -type crystal structure.
  • the thickness of the TiCNO layer 9 excludes the first protrusion 13a, the second protrusion 13b, and the third protrusion 13c.
  • the TiCNO layer and the first protrusions 13a, the second protrusions 13b, and the third protrusions 13c all have the same composition, and may have the above-described composition range.
  • the TiCNO layer 9 having the first projections 13 a can be formed on the surface of the substrate 5 by forming a film under the following conditions by a chemical vapor deposition (CVD) method.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the substrate 5 is set in a chamber of a film forming apparatus, and for example, the film forming temperature is 900 ° C. to 990 ° C., the gas pressure is 5 kPa to 40 kPa, and the reaction gas composition is 3 vol% of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas 15% by volume, 3% by volume to 10% by volume of methane (CH 4 ) gas, 3% by volume to 50% by volume of nitrogen (N 2 ) gas, and 0.5% by volume to 0.5% by volume of carbon monoxide (CO) gas. It is preferable to form a film as hydrogen (H 2 ) gas with the remaining volume being 0% by volume.
  • the film forming temperature is 900 ° C. to 990 ° C.
  • the gas pressure is 5 kPa to 40 kPa
  • the reaction gas composition is 3 vol% of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas 15% by volume, 3% by volume to 10% by volume of methane (
  • the covering layer 7 may have a first TiCN layer 15 and a second TiCN layer 17 in order from the base 5 as shown in FIG.
  • a TiCNO layer 9 and an Al 2 O 3 layer 11 may be provided in this order on the second TiCN layer 17.
  • a surface layer 19 containing Ti and N may be further provided on the Al 2 O 3 layer 11.
  • the 2nd protrusion 13b, the 3rd protrusion 13c, and the compound protrusion 14 are abbreviate
  • the surface layer 19 may be other materials such as titanium carbonitride other than titanium nitride, titanium carbonitride, and chromium nitride.
  • the surface layer 19 is made of a colored material, and may have a function of easily determining the use of the cutting blade 4.
  • the surface layer 19 may be provided with a thickness of 0.1 ⁇ m to 3.0 ⁇ m.
  • an underlayer (not shown) made of TiN may be further provided between the substrate 5 and the first TiCN layer 15.
  • the second TiCN layer 12 is made of a so-called HT (high temperature) -TiCN layer.
  • the HT-TiCN layer is formed by depositing acetonitrile (CH 3 CN) gas, using titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas, nitrogen (N 2 ) gas, methane (CH 4 ) gas, etc. as source gases.
  • the film may be formed at a temperature in the range of 900 ° C. to 1050 ° C. Alternatively, the film formation may be performed at a temperature higher than that of the first TiCN layer 15.
  • the thickness of the second TiCN layer 17 may be 10 nm to 900 nm.
  • first TiCN layer 15 and the second TiCN layer 17 30 to 70 atomic% of titanium, 15 to 35 atomic% of carbon, 15 to 35 atomic% of nitrogen, and 2 to 10 atomic% of oxygen are contained.
  • An interfacial layer (not shown) may also be arranged which contains proportions.
  • the thickness of the interface layer may be 5 nm to 50 nm.
  • the carbon content ratio to the total content of carbon and nitrogen contained in the second TiCN layer 17 may be smaller than the carbon content ratio of the first TiCN layer 15. Thereby, the hardness of the first TiCN layer 15 is improved. As a result, the wear resistance and fracture resistance of the covering layer 7 are improved.
  • the carbon content ratio is the ratio of the content of carbon to the total content of carbon (C) and nitrogen (N) contained (C / C + N).
  • the wear resistance and the fracture resistance of the covering layer 7 are improved. It improves more.
  • the carbon content in the first TiCN layer 15 is 15 to 29 atomic% and the nitrogen content is 22 to 35 atomic%
  • the wear resistance and the fracture resistance of the covering layer 7 are further enhanced.
  • the carbon content of the second TiCN layer 17 is 13 to 24 atomic percent and the nitrogen content is 23 to 35 atomic percent, the adhesion between the second TiCN layer 17 and the Al 2 O 3 layer 11 is enhanced.
  • oxygen may be present in the first TiCN layer 15 and the second TiCN layer 17, and oxygen present in the second TiCN layer 17 may be larger than oxygen present in the first TiCN layer 15.
  • the carbon content and nitrogen content in the first TiCN layer 15 and the second TiCN layer 17 are measured using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) attached to a transmission electron microscope (TEM).
  • EDS energy dispersive X-ray spectrometer
  • TEM transmission electron microscope
  • the coated tool 1 is for cutting with the cutting edge formed at the intersection of the rake face and the flank face against an object to be cut, and can exhibit the above-described excellent effect.
  • the coated tool 1 of the present disclosure can be applied to various uses such as sliding parts and wear-resistant parts such as dies, tools such as drilling tools and blades, and impact-resistant parts. It also has excellent mechanical reliability.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the substrate is set in a chamber, and a TiN layer which is an underlayer is formed.
  • the deposition temperature is 800 ° C. to 940 ° C.
  • the gas pressure is 8 kPa to 50 kPa
  • the composition of the reaction gas is 0.5 vol% to 10 vol% of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas, and nitrogen (N 2 ) gas 10% to 60% by volume, with the remainder being formed as hydrogen (H 2 ) gas.
  • the average crystal width of titanium carbonitride columnar crystals constituting the first TiCN layer is made closer to the surface side than the substrate side. Can be larger.
  • the deposition temperature is 900 ° C. to 1050 ° C.
  • the gas pressure is 5 kPa to 40 kPa
  • the composition of the reaction gas is 3 vol% to 30 vol% of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas, and 3 vol% of methane (CH 4 ) gas %
  • N 2 nitrogen
  • CO 2 carbon dioxide
  • H 2 hydrogen
  • the film formation temperature is lowered to 900 to 940 ° C., and film formation is performed so that the total time is 30 to 90 minutes.
  • an Al 2 O 3 layer is formed.
  • the Al 2 O 3 layer has a film forming temperature of 950 ° C. to 1100 ° C.
  • reaction gas is 5% by volume to 15% by volume of aluminum trichloride (AlCl 3 ) gas 0.5 volume% to 2.5 volume% (HCl) gas, 0.5 volume% to 5.0 volume% carbon dioxide (CO 2 ) gas, and 0 volume% hydrogen sulfide (H 2 S) gas 1.0% by volume, the rest is deposited as hydrogen (H 2 ) gas.
  • AlCl 3 aluminum trichloride
  • HCl 0.5 volume% to 2.5 volume%
  • CO 2 carbon dioxide
  • H 2 S hydrogen sulfide
  • the cutting edge part is processed to be smooth, welding of the work material is suppressed, and a tool having excellent fracture resistance is obtained.
  • the first TiCN layer, the second TiCN layer, and the surface layer are provided.
  • the TiCNO layer and the Al 2 O 3 layer may be stacked directly on the surface of the base.
  • the cutting tool 101 of the present disclosure is, for example, a rod-like body extending from a first end (upper end in FIG. 6) to a second end (lower end in FIG. 6) as shown in FIG.
  • the cutting tool 101 is provided with the holder 105 which has the pocket 103 in the 1st end side (front end side), and the above-mentioned covering tool 1 located in the pocket 103, as shown in FIG. Since the cutting tool 101 includes the coated tool 1, stable cutting can be performed for a long time.
  • the pocket 103 is a portion to which the coated tool 1 is attached, and has a seating surface parallel to the lower surface of the holder 105 and a constraining side surface inclined to the seating surface. Further, the pocket 103 is open at the first end side of the holder 105.
  • the coated tool 1 is located in the pocket 103. At this time, the lower surface of the coated tool 1 may be in direct contact with the pocket 103, and a sheet (not shown) may be sandwiched between the coated tool 1 and the pocket 103.
  • the coated tool 1 is attached to the holder 105 such that at least a part of the portion used as the cutting edge 7 in the ridge line where the first surface 3 and the second surface 5 intersect project outward from the holder 105.
  • the coated tool 1 is attached to the holder 105 by the fixing screw 107. That is, the fixing screw 107 is inserted into the through hole 17 of the covering tool 1, and the tip of the fixing screw 107 is inserted into a screw hole (not shown) formed in the pocket 103 to screw the screw parts together.
  • the coated tool 1 is attached to the holder 105.
  • steel cast iron or the like
  • high toughness steel may be used.
  • the cutting tool 101 used for so-called turning is illustrated.
  • Examples of turning include inner diameter machining, outer diameter machining, and grooving.
  • the cutting tool 101 is not limited to one used for turning.
  • the coated tool 1 of the above embodiment may be used for a cutting tool used for milling.
  • the coating layer is formed by combining the individual film forming conditions shown in Table 1 with the above-mentioned cemented carbide substrate by chemical vapor deposition (CVD) as described in Table 2 and Table 3
  • CVD chemical vapor deposition
  • Table 1 each compound is described by a chemical symbol.
  • the sample No. shown in Table 2 All 1 to 7 formed a TiCNO layer directly on the substrate, and formed an Al 2 O 3 layer thereon. Sample No. 1 in which a TiCNO layer was formed at 970 ° C. for 60 minutes. Although the 1st protrusion was formed in 1, the 2nd protrusion and the 3rd protrusion were not formed.
  • the coated tool of the present disclosure has a cutting performance superior to that of a sample without a composite protrusion.

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Abstract

本開示の被覆工具は、基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを備える。前記被覆層は、TiCNO層と、Al2O3層とを有している。該Al2O3層は、前記TiCNO層よりも前記基体から遠い位置において前記TiCNO層に接して位置している。前記TiCNO層は、前記Al2O3層に向かって突出した第1突起と、該第1突起から該第1突起の突出方向に交わる方向に突出した第2突起と、該第2突起から該第2突起の突出方向に交わる方向に突出した第3突起とを有する複合突起を有する。本開示の切削工具は、第1端から第2端に向かって延び、前記第1端側にポケットを有するホルダと、前記ポケットに位置する上述の被覆工具と、を備える。

Description

被覆工具およびそれを備えた切削工具
 本開示は、基体の表面に被覆層を有する被覆工具およびそれを備えた切削工具に関する。
 超硬合金やサーメット、セラミックス等の基体表面に、結合膜を介してAl23層を積層した被覆層を形成した切削工具等の被覆工具が知られている。
 切削工具は、最近の切削加工の高能率化に伴って、大きな衝撃が切刃にかかる重断続切削等に用いられる機会が増えている。このような過酷な切削条件においては、被覆層に大きな衝撃がかかり、被覆層のチッピングや剥離が発生しやすくなる。そのため被覆層には、耐摩耗性に加えて耐欠損性の向上が求められている。
 上記切削工具において、耐欠損性を向上させる技術として、特許文献1では、結合膜とAl23層とを順に成膜し、結合膜にAl23層側に延びる樹状突起と、樹状突起に連なる枝状突起を設けることで、結合膜とAl23層の密着力を高め、被覆層の剥離を抑制することが開示されている。特許文献1の樹状突起は、Ti(CO)またはTi(CNO)であり、枝状突起は(TiAl)(CNO)であることが開示されており、樹状突起を形成した後に、一旦、原料ガスを流すのをやめ、温度を保持しながら、圧力、原料ガスの種類を変えて樹状突起と異なる組成の枝状突起を形成することが記載されている。
特許第5303732号公報
 本開示の被覆工具は、基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを備える。前記被覆層は、TiCNO層と、Al23層とを有している。該Al23層は、前記TiCNO層よりも前記基体から遠い位置において前記TiCNO層に接して位置している。前記TiCNO層は、前記Al23層に向かって突出した第1突起と、該第1突起から該第1突起の突出方向に交わる方向に突出した第2突起と、該第2突起から該第2突起の突出方向に交わる方向に突出した第3突起とを有する複合突起を有する。本開示の切削工具は、第1端から第2端に向かって延び、前記第1端側にポケットを有するホルダと、前記ポケットに位置する上述の被覆工具と、を備える。
本開示の被覆工具の一例を示す概略斜視図である。 図1の被覆工具における被覆層の断面の構成を説明するための模式図である。 本開示の被覆工具のTiCNO層およびAl23層付近の構成を説明するための要部拡大図である。 本開示の被覆工具のTiCNO層およびAl23層付近の構成を説明するための要部拡大図である。 本開示の被覆工具における他の形態の被覆層の断面の構成を説明するための模式図である。 本開示の切削工具の一例を示す平面図である。
 <被覆工具>
 本開示の被覆工具は、図1に示す例においては、主面が概略四角形状の板状である。ただし、この形状に限定されるものではない。被覆工具1は、第1面2と、第2面3とを有し、第1面2と第2面3とが交わる部分の少なくとも一部に切刃4を有している。第1面2は、すくい面と呼ばれる面であり、第2面3は逃げ面と呼ばれる面である。そのため、すくい面2と逃げ面3とが交わる部分の少なくとも一部に切刃4を有しているともいえるものである。
 また、図2の被覆工具1における被覆層7の断面の構成を説明するための模式図に示すように、被覆工具1は、基体5と、この基体5の表面に位置する被覆層7を備えている。
 被覆工具1の基体5を構成する材質は、硬質合金、セラミックスまたは金属が挙げられる。硬質合金としては、炭化タングステン(WC)と、コバルト(Co)やニッケル(Ni)等の鉄属金属を含有する超硬合金であってもよい。他の硬質合金として、炭窒化チタン(TiCN)と、コバルト(Co)やニッケル(Ni)等の鉄属金属を含有するTi基サーメットであってもよい。セラミックスが、Si34、Al23、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素(cBN)であってもよい。金属としては、炭素鋼、高速度鋼、合金鋼であってもよい。上記材質の中でも、被覆工具1として用いる場合には、基体5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よい。
 被覆層7は、TiCNO層9と、Al23層11とを有している。Al23層11は、TiCNO層9の基体5から遠い位置においてTiCNO層9に接している。
 本開示の被覆工具1は、図3に示すように、Al23層11に向かって突出した第1突起13aを有している。また、この第1突起13aから第1突起13aの突出方向に交わる方向に突出した第2突起13bを有している。また、さらに第2突起13bから第2突起13bの突出方向に交わる方向に突出した第3突起13cを有する。以下において、この第1突起13aと第2突起13bおよび第3突起13cの複合体を複合突起14ともいう。
 本開示の被覆工具1は、第1突起13aがAl23層11に向かって突出し、第2突起13bが第1突起13aから第1突起13aの突出方向に交わる方向に突出し、さらに第3突起13cが第2突起13bの突出方向に交わる方向に突出していることから、第1突起13a、第2突起13bおよび第3突起13cとAl23層11とのかみ合いにより、TiCNO層9とAl23層11とが剥離しにくくなっている。なお、図2では、図が煩雑になるために第2突起13b、第3突起13cを省略している。
 本開示の被覆工具1における第1突起13a、第2突起13bおよび第3突起13cは、いずれもTi、C、NおよびOを含有しており、組成が同質であってもよい。この第1突起13a、第2突起13bおよび第3突起13cの組成が同質であると、第1突起13aと第2突起13bと第3突起13cとの間で、亀裂や破壊が起こりにくく、それぞれの組成が異なる場合に比べ、TiCNO層9とAl23層11との密着性が高くなる。
 なお、第1突起13a、第2突起13bおよび第3突起13cの組成が同質であるとは、それぞれの構成成分の差が5%以下のことをいう。
 また、それぞれの組成のずれが3%以下であってもよい。さらに、1%以下であってもよい。
 このような第1突起13a、第2突起13bおよび第3突起13cは、第1突起13a、第2突起13bおよび第3突起13cの成膜時に、同じガスを使うことで得ることができる。
 また、第1突起13aと第2突起13bの組成が異なっていてもよく。第2突起13bと第3突起13cの組成が異なっていてもよい。
 組成の異なる第1突起13a、第2突起13bおよび第3突起13cは、成膜時に組成の異なるガスを用いるとよい。
 本開示の被覆工具1は、図3に示すように、第2突起13bに複数の第3突起13cを有していてもよい。このような構成とすると、TiCNO層とAl23層との密着強度が高くなる。第2突起13bに複数の第3突起13cを有しているとは、1つの第2突起13bが複数の複数の第3突起13cを有していることをいう。
 また、図3に示すように、第3突起13cは、突出方向が第1突起13aに向かっていてもよい。このような構成とすると、TiCNO層9とAl23層11との密着強度が高くなる。
 また、TiCNO層9は、第1突起13aに複数の第2突起13bを有していてもよく、これにより、TiCNO層9とAl23層11とがさらに剥離しにくくなる。なお、ここでいう第1突起13aに複数の第3突起13bを有しているとは、1つの第1突起13aに複数の複数の第2突起13bを有していることをいう。
 また、図3に示すように、第2突起13bは、突出方向が基体5に向かっていてもよい。第2突起13bの突出方向が基体5に向かっているとは、図3に示すような断面において、第2突起13bの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ、第2突起13bの軸を延長したとき基体5と交わる状態をいう。
 また、第1突起13aは、図3に示すような断面において、TiCNO層9からの突出の起点となる部分の幅は、その第1突起13aから突出する第2突起13bの第1突起13aからの突出の起点となる部分の幅よりも大きくてもよい。また、第1突起13aの長さは、その第1突起13aから突出する第2突起13bの長さより長くてもよい。なお、第1突起13aの長さとは、第1突起13aの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ部分の距離のことをいう。同様に、第2突起13bの長さとは、第2突起13bの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ部分の距離のことをいう。第1突起13aの平均長さは、10~500nmであってもよい。
 基体5の表面に直交する断面において、第1突起13aの基部の平均幅は40~200nmであってもよい。また、第1突起13aの平均長さは、10~500nmであってもよい。また、第1突起13aの平均長さは、50~300nmであってもよい。
 なお、第1突起13aの基部の幅とは、第1突起13aの突出の起点となる部分の幅である。第1突起13aの基部の幅の平均値とは、20以上の第1突起13aの基部の幅の平均値である。第1突起13aの長さとは、第1突起13aの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ部分の距離のことをいう。第1突起13aの平均長さとは、20以上の第1突起13aの長さの平均値である。同様に、第2突起13bの長さとは、第2突起13bの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ部分の距離のことをいう。
 第1突起13aの基部の平均幅は60~120nmであってもよい。第1突起13aの平均長さは150~230nmであってもよい。このような形状の第1突起13aを有すると、最も長い第1突起13aと、最も短い第1突起13aとの差が、小さくなる。このように比較的、均一な第1突起部13aを有すると、TiCNO層9とAl23層11とがより剥離しにくい。
 また、第1突起13aの平均長さは、第1突起13aの基部の平均幅の4倍以下であってもよい。このような構造を有すると、第1突起13aが破壊されにくいため、TiCNO層9とAl23層11とがより剥離しにくい。また、第1突起13aの平均長さは、第1突起13aの基部の平均幅の3倍以下であってもよい。この比率が小さくなるほど、第1突起13aが破壊されにくいため、TiCNO層9とAl23層11とがより剥離しにくい。特に、第1突起13aの平均長さは、第1突起13aの基部の平均幅の2.5倍以下であってもよい。
 また、第2突起13bの長さは、10~150nmであってもよい。また、第2突起13bの最大幅は、50nm以下であってもよい。また、第3突起13cの長さは、10~70nmであってもよい。また、第3突起13cの最大幅は、20nm以下であってもよい。
 また、第3突起13cの長さは、第2突起13bの長さより短くてもよい。このような構造を有すると、第1突起13aおよび第2突起13bが壊れにくくなり、TiCNO層9とAl23層11とがさらに剥離しにくい。その結果、被覆工具1の耐欠損性が向上する。
 また、第3突起13cの長さは、第2突起13bの長さより長くてもよい。このような構造を有すると、複合突起14の数が少ない場合であっても、TiCNO層9とAl23層11とが剥離しにくい。
 なお、第3突起13cと第2突起13bの長さを比較するときは、それぞれの平均長さを比較する。
 また、第1突起13aは、基体5の第1面2に対して、垂直に形成されていなくてもよく、基体5の第1面2に対して傾斜していてもよい。
 また、TiCNO層9の厚みが10nm~35nmである場合には、TiCNO層9の硬度が低下することなく、かつAl23層11がα型結晶構造となる。ここで、TiCNO層9の厚みとは、第1突起13a、第2突起13b、第3突起13cを除くものである。
 TiCNO層9は、例えば、チタンを30~70原子%、炭素を1~70原子%、窒素を1~35原子%、酸素を3~20原子%の割合で含有していてもよい。また、さらにアルミニウムを10原子%以下、含有していてもよい。また、塩素やクロム等の成分を1~10原子%含有していてもよい。また、TiCNO層9は、他の微量成分を含有していてもよい。
 本開示の被覆工具1においては、TiCNO層と第1突起13a、第2突起13b、第3突起13cはいずれも、同じ組成であり、上述の組成範囲であってもよい。
 第1突起13aを有するTiCNO層9は、基体5の表面に、化学気相蒸着(CVD)法によって下記の条件で成膜することで、形成することができる。
 基体5を成膜装置のチャンバにセットし、例えば、成膜温度を900℃~990℃、ガス圧を5kPa~40kPaとし、反応ガス組成が、四塩化チタン(TiCl4)ガスを3体積%~15体積%、メタン(CH4)ガスを3体積%~10体積%、窒素(N2)ガスを3体積%~50体積%、一酸化炭素(CO)ガスを0.5体積%~2.0体積%、残りが水素(H2)ガスとして成膜するとよい。この反応ガス組成の窒素(N2)ガスを30体積%~50体積%とすると、第1突起13aの基部の平均幅は広くなりやすく、第1突起13aの平均長さが短くなりやすい。言い換えると、このような条件では、太く、短く、破損しにくい第1突起13aが得られやすい。
 また、上記のTiCNO層9の成膜の後期において、原料ガスの配合を変えずに、成膜温度を下げて成膜温度を900~940℃の範囲とすると第2突起13bが形成される。この成膜時間は、合計で30~90分としてもよい。
 TiCNO層9の成膜の後期、すなわち、第2突起13bを形成する工程において、成膜時間を延ばすと、第2突起13bの数が増え、幅や長さが増加しやすい。また、突出方向が基体5に向かって延びている第2突起13bが形成されやすい。さらに、成膜時間を延ばすと、第2突起13bから突出した第3突起13cが形成される。すなわち、複合突起14が形成される。
 Al23層11は、TiCNO層9の成膜後に、成膜温度を900℃~990℃、ガス圧を5kPa~20kPaとし、反応ガスの組成が、三塩化アルミニウム(AlCl3)ガスを5体積%~15体積%、塩化水素(HCl)ガスを0.5体積%~2.5体積%、二酸化炭素(CO2)ガスを0.5体積%~5.0体積%、硫化水素(H2S)ガスを0体積%~1.0体積%、残りが水素(H2)ガスとして成膜することができる。Al23層11は、α-アルミナからなるものであってもよい。
 以上、基体5の上にTiCNO層9とAl23層11が順に形成された例を説明した。被覆層7は、図5に示すように、基体5から順に、第1TiCN層15、第2TiCN層17を有していてもよい。この第2TiCN層17の上に、順に、TiCNO層9、Al23層11を有していてもよい。また、Al23層11の上に、さらに、TiとNを含有する表層19を有していてもよい。なお、図5では、第2突起13b、第3突起13c、及び複合突起14を省略している。
 表層19は、窒化チタン以外の炭窒化チタン、炭酸窒化チタン、窒化クロム等の他の材質であってもよい。表層19は有色の材質からなり、切刃4の使用の有無を容易に判別する機能を有していてもよい。表層19は0.1μm~3.0μmの厚みで設けてもよい。また、基体5と第1TiCN層15の間にさらにTiNからなる下地層(図示せず)を有していてもよい。
 下地層は、基体5が、Co、C(炭素)、W(タングステン)等の成分を含むとき、これらの成分が下地層の上に存在する層に拡散することを抑制する機能を有する。例えば、下地層の上に第1TiCN層15が存在するとき、上記成分が、第1TiCN層15に拡散することを抑制し、第1TiCN層15の硬度が低下することを抑制する。また、下地層21のTiNに基体5中の炭素成分が拡散してTiCNとなっていてもよい。下地層は0.1μm~1.0μmの厚みとしてもよい。
 本開示の被覆工具1は、第1TiCN層15を有しているとき、第1TiCN層15の厚みは、2μm~15μmとしてもよい。また、第2TiCN層17の厚みは、10nm~900nmとしてもよい。
 第1TiCN層15は、いわゆるMT(moderate temperature)-TiCN層からなる。このMT-TiCN層は、四塩化チタン(TiCl4)ガス、窒素(N2)ガスおよびアセトニトリル(CH3CN)ガス等を含む原料を用い、成膜温度が780℃~880℃と比較的低温で成膜することによって形成される、第1TiCN層15の厚みが2μm~15μmであると、第1TiCN層15の耐摩耗性と耐欠損性が高い。
 第1TiCN層15中に含まれる第1炭窒化チタン結晶は、被覆層7の厚み方向に細長い柱状結晶としてもよい。
 第2TiCN層12は、いわゆるHT(high temperature)-TiCN層からなる。HT-TiCN層は、原料ガスとして四塩化チタン(TiCl4)ガス、窒素(N2)ガス、メタン(CH4)ガス等を用いて、アセトニトリル(CH3CN)ガスを含まず)、成膜温度が900℃~1050℃の範囲で成膜してもよい。また、第1TiCN層15よりも高温で成膜してもよい。第2TiCN層17の厚みは10nm~900nmとしてもよい。
 ここで、第1TiCN層15と第2TiCN層17との間には、チタンを30~70原子%、炭素を15~35原子%、窒素を15~35原子%、酸素を2~10原子%の割合で含有する界面層(図示せず)が配置されていてもよい。界面層の厚みは5nm~50nmとしてもよい。
 界面層を作製する代わりに、第1TiCN層15を成膜した後、成膜チャンバを一旦冷却して試料を大気中に取り出し、その後、再度、試料を成膜チャンバ内にセットして成膜チャンバを加熱し、第2TiCN層17を成膜する方法を用いてもよい。
 また、第2TiCN層17に含有される炭素と窒素の合計含有量に対する炭素含有比率が、第1TiCN層15の炭素含有比率よりも少なくてもよい。これによって、第1TiCN層15の硬度が向上する。その結果、被覆層7の耐摩耗性および耐欠損性が向上する。ここで、炭素含有比率とは、含有される炭素(C)と窒素(N)の合計含有量に対する炭素の含有量の比率(C/C+N)のことである。
 第1TiCN層15の炭素含有比率を0.52~0.57とし、第2TiCN層17中の炭素含有比率を0.42~0.51とすると、被覆層7の耐摩耗性および耐欠損性がより向上する。第1TiCN層15中の炭素含有量を15~29原子%とし、窒素含有量を22~35原子%とすると、被覆層7の耐摩耗性および耐欠損性がより高まる。第2TiCN層17の炭素含有量を13~24原子%とし、窒素含有量を23~35原子%とすると、第2TiCN層17とAl23層11との間の密着性が高まる。
 第1TiCN層15を、チタンが45~60原子%、炭素が15~29原子%、窒素が22~35原子%とすると、被覆層7の耐摩耗性と耐欠損性がより高い。また、第1TiCN層15は、0.5原子%以下の酸素をとして含有していてもよい。第2TiCN層17は、チタンが48~60原子%、炭素が10~20原子%、窒素が15~25原子%である場合には、第2TiCN層17が破壊することなく、かつ第2TiCN層17とAl23層11との間の密着性が高い。また、第2TiCN層17は、1~10原子%の酸素を含有していてもよい。
 すなわち、第1TiCN層15および第2TiCN層17中に酸素が存在するとともに、第2TiCN層17中に存在する酸素が第1TiCN層15中に存在する酸素よりも多くてもよい。
 なお、第1TiCN層15と第2TiCN層17中の炭素含有量と窒素含有量は、透過型電子顕微鏡(TEM)に付随のエネルギー分散型X線分光器(EDS)を用いて測定する。
 なお、各層における構造や厚み、さらには各層を構成する結晶の形状等は、工具1の断面における電子顕微鏡写真(走査型電子顕微鏡(SEM)写真または透過電子顕微鏡(TEM)写真)を観察することにより、測定することが可能である。
 さらに、上記被覆工具1は、すくい面と逃げ面との交差部に形成された切刃を被切削物に当てて切削加工するものであり、上述した優れた効果を発揮することができる。また、本開示の被覆工具1は、切削工具以外にも、摺動部品や金型等の耐摩部品、掘削工具、刃物等の工具、耐衝撃部品等の各種の用途へ応用可能であり、この場合にも優れた機械的信頼性を有するものである。
 次に、本開示の工具の製造方法について、一例を説明する。
 まず、基体となる硬質合金を焼成によって形成しうる炭化物、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、混合して、混合粉末を作製する。次に、この混合粉末を用いて、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。この成形体を、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基体を作製する。そして、基体の表面に、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。
 次に、その表面に化学気相蒸着(CVD)法によって被覆層を成膜する。
 まず、基体をチャンバ内にセットし、下地層であるTiN層を成膜する。成膜温度を800℃~940℃、ガス圧を8kPa~50kPaとし、反応ガスの組成が、四塩化チタン(TiCl4)ガスを0.5体積%~10体積%、窒素(N2)ガスを10体積%~60体積%、残りが水素(H2)ガスとして成膜する。
 次に、第1TiCN層を成膜する。成膜温度を780℃~880℃、ガス圧を5kPa~25kPaとし、反応ガス組成として、体積%で四塩化チタン(TiCl4)ガスを0.5体積%~10体積%、窒素(N2)ガスを5体積%~60体積%、アセトニトリル(CH3CN)ガスを0.1体積%~3.0体積%、残りが水素(H2)ガスとして、成膜する。このとき、アセトニトリル(CH3CN)ガスの含有比率を成膜初期よりも成膜後期で増すことによって、第1TiCN層を構成する炭窒化チタン柱状結晶の平均結晶幅を基体側よりも表面側の方が大きい構成とすることができる。
 次に、第1TiCN層の上に、界面層を作製する。成膜温度を900℃~1050℃、ガス圧を5kPa~40kPaとし、反応ガスの組成が、四塩化チタン(TiCl4)ガスを3体積%~30体積%、メタン(CH4)ガスを3体積%~15体積%、窒素(N2)ガスを5体積%~10体積%、二酸化炭素(CO2)ガスを0.5体積%~10体積%、残りが水素(H2)ガスとして成膜する。
 次に、第2TiCN層を成膜する。成膜温度を900℃~990℃、ガス圧を5kPa~40kPaとし、反応ガスの組成が、四塩化チタン(TiCl4)ガスを1体積%~4体積%、窒素(N2)ガスを5体積%~20体積%、メタン(CH4)ガスを0.1体積%~10体積%、残りが水素(H2)ガスとして成膜する。
 続いて、TiCNO層9を成膜する。まず、成膜温度を940℃~990℃、ガス圧を5kPa~40kPaとし、反応ガス組成が、四塩化チタン(TiCl4)ガスを3体積%~15体積%、メタン(CH4)ガスを3体積%~10体積%、窒素(N2)ガスを3体積%~25体積%、一酸化炭素(CO)ガスを0.5体積%~2.0体積%、残りが水素(H2)ガスとして成膜する。次に、成膜温度を下げて900~940℃として、合計時間が30~90分となるように成膜する。そして、Al23層を成膜する。Al23層は、成膜温度を950℃~1100℃、ガス圧を5kPa~20kPaとし、反応ガスの組成が、三塩化アルミニウム(AlCl3)ガスを5体積%~15体積%、塩化水素(HCl)ガスを0.5体積%~2.5体積%、二酸化炭素(CO2)ガスを0.5体積%~5.0体積%、硫化水素(H2S)ガスを0体積%~1.0体積%、残りが水素(H2)ガスとして成膜する。
 そして、表層であるTiN層を成膜する。成膜温度を960℃~1100℃、ガス圧を10kPa~85kPaとし、反応ガス組成は、四塩化チタン(TiCl4)ガスを0.1体積%~10体積%、窒素(N2)ガスを10体積%~60体積%、残りが水素(H2)ガスとして、成膜する。
 その後、所望により、成膜した被覆層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。
 なお、上記の例では、第1TiCN層や第2TiCN層や表層を設けた例を示したが、直接、基体の表面に、TiCNO層とAl23層とを積層してもよい。
 以上、本開示の被覆工具1について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。
 <切削工具>
 次に、本開示の切削工具について図面を用いて説明する。
 本開示の切削工具101は、図6に示すように、例えば、第1端(図6における上端)から第2端(図6における下端)に向かって延びる棒状体である。切削工具101は、図6に示すように、第1端側(先端側)にポケット103を有するホルダ105と、ポケット103に位置する上記の被覆工具1とを備えている。切削工具101は、被覆工具1を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。
 ポケット103は、被覆工具1が装着される部分であり、ホルダ105の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット103は、ホルダ105の第1端側において開口している。
 ポケット103には被覆工具1が位置している。このとき、被覆工具1の下面がポケット103に直接に接していてもよく、また、被覆工具1とポケット103との間にシート(不図示)が挟まれていてもよい。
 被覆工具1は、第1面3及び第2面5が交わる稜線における切刃7として用いられる部分の少なくとも一部がホルダ105から外方に突出するようにホルダ105に装着される。本実施形態においては、被覆工具1は、固定ネジ107によって、ホルダ105に装着されている。すなわち、被覆工具1の貫通孔17に固定ネジ107を挿入し、この固定ネジ107の先端をポケット103に形成されたネジ孔(不図示)に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、被覆工具1がホルダ105に装着されている。
 ホルダ105の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。
 本実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具101を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工などが挙げられる。なお、切削工具101としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態の被覆工具1を用いてもよい。
 まず、平均粒径1.2μmの金属コバルト粉末を6質量%、平均粒径2.0μmの炭化チタン粉末を0.5質量%、平均粒径2.0μmの炭化ニオブ粉末を5質量%、残部が平均粒径1.5μmのタングステンカーバイト粉末の割合で添加、混合し、プレス成形により工具形状(CNMG120408)に成形した。その後、脱バインダ処理を施し、1500℃、0.01Paの真空中において、1時間焼成して超硬合金からなる基体を作製した。その後、作製した基体にブラシ加工をし、切刃となる部分にRホーニングを施した。
 次に、上記の超硬合金の基体に対して、化学気相蒸着(CVD)法により、表1に示す個別の成膜条件を表2、表3に記載したとおり、組み合わせて被覆層を成膜して、被覆工具を作製した。表1において、各化合物は化学記号で表記した。
 上記試料について、被覆層を含む断面について、SEM観察を行い、第1突起、第2突起、第3突起および複合突起の有無、第1突起、第2突起、第3突起および複合突起の形態を観察した。次に、得られた被覆工具を用いて、下記の条件において、断続切削試験を行い、耐欠損性を評価した。試験結果は表2、3に示す。
<断続切削条件>
被削材 :クロムモリブデン鋼 4本溝入り鋼材(SCM440)
工具形状:CNMG120408
切削速度:300m/分
送り速度:0.3mm/rev
切り込み:1.5mm
その他 :水溶性切削液使用
評価項目:Al23層剥離に至る衝撃回数を測定。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表2に示す試料No.1~7は、いずれも基体の上に直接、TiCNO層を形成し、その上にAl23層を形成した。TiCNO層を970℃で60分成膜した試料No.1では第1突起が形成されているが、第2突起および第3突起は形成されていなかった。
 表2においては、試料No.1の衝撃回数を基準として、各試料が、試料No.1の何倍の衝撃回数に耐えたのかを記載している。
 複合突起を有する試料No.4、7では、優れた切削性が得られた。
 表3に示す試料No.8~14は、いずれも基体の上に下層、第1TiCN層、第2TiCN層を形成し、さらにTiCNO層、Al23層を形成した。TiCNO層を970℃で60分成膜した試料No.8では第1突起が形成されているが、第2突起および第3突起は形成されていなかった。また、成膜時間が長い試料では、基体に向かって延びる第2突起が多く観察された。
 表3においては、試料No.8の衝撃回数を基準として、各試料が、試料No.8の何倍の衝撃回数に耐えたのかを記載している。複合突起を有する試料No.11、14では、優れた切削性能が得られた。
 以上、説明したとおり、本開示の被覆工具は、複合突起のない試料よりも優れた切削性能を有するものである。
 なお、試料No.11と試料No.14とを比較すると、試料No.14の方が第1突起の長さは短くなっているが、第3突起の長さはむしろ、試料No.11よりも試料No.14の方が長くなっていた。
 試料No.11では、第2突起の平均長さが第3突起の平均長さよりも長かった。一方、試料No.14では第3突起の平均長さのほうが第2突起の平均長さよりも長かった。
1   被覆工具
2   すくい面
3   逃げ面
4   切刃
5   基体
7   被覆層
9   TiCNO層
11  Al23
13a 第1突起
13b 第2突起
13c 第3突起
14  複合突起
15  第1TiCN層
17  第2TiCN層
19  表層
101 切削工具
103 ポケット
105 ホルダ
107 固定ネジ

Claims (10)

  1.  基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを備えた被覆工具であって、
     前記被覆層は、TiCNO層と、Al23層とを有し、
     該Al23層は、前記TiCNO層よりも前記基体から遠い位置において前記TiCNO層に接して位置しており、
     前記TiCNO層は、前記Al23層に向かって突出した第1突起と、該第1突起から該第1突起の突出方向に交わる方向に突出した第2突起と、該第2突起から該第2突起の突出方向に交わる方向に突出した第3突起と、を有する複合突起を有する被覆工具。
  2.  前記複合突起は、前記第2突起に複数の前記第3突起を有する、請求項1に記載の被覆工具。
  3.  前記第3突起は、突出方向が前記第1突起に向かっている、請求項1または2に記載の被覆工具。
  4.  前記複合突起は、前記第1突起に複数の前記第2突起を有する、請求項1~3のいずれかに記載の被覆工具。
  5.  前記第2突起は、突出方向が前記基体に向かっている、請求項1~4のいずれかに記載の被覆工具。
  6.  前記基体の表面に直交する断面において、前記第1突起の基部の平均幅は40~200nmであり、前記第1突起の平均長さは50~300nmである、請求項1~5のいずれかに記載の被覆工具。
  7.  前記第1突起の平均長さは、前記第1突起の基部の平均幅の3倍以下である、請求項1~6のいずれかに記載の被覆工具。
  8.  前記複合突起における前記第3突起の平均長さは、前記第2突起の平均長さよりも長い、請求項1~7のいずれかに記載の被覆工具。
  9.  前記被覆層は、前記基体から順に、第1TiCN層、第2TiCN層、前記TiCNO層、前記Al23層を有する、請求項1~8のいずれかに記載の被覆工具。
  10.  第1端から第2端に向かって延び、前記第1端側にポケットを有するホルダと、
     前記ポケットに位置する請求項1~9のいずれかに記載の被覆工具と、を備えた切削工具。
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