(57)【要約】  耐摩耗性および耐欠損性を高度に両立した表面被覆切削工具を提供する。本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被覆膜とを備え、該被覆膜は、少なくとも１層の炭窒化チタン層を含み、該炭窒化チタン層は、組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）のうちの配向性指数ＴＣ（２２０）が最大であり、硬度基準片の押し込み硬度をＨｓとし、炭窒化チタン層の押し込み硬度をＨｔとすると、複数回の測定における相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値は、３以上であり、相対硬度Ｈｔ／Ｈｓに対する、炭窒化チタン層の相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓと最小値Ｈｔmin／Ｈｓとの差は、０．５以下であることを特徴とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材上に形成された被覆膜とを備え、
前記被覆膜は、少なくとも１層の炭窒化チタン層を含み、
前記炭窒化チタン層は、組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）のうちの配向性指数ＴＣ（２２０）が最大であり、
硬度基準片の押し込み硬度をＨｓとし、前記炭窒化チタン層の押し込み硬度をＨｔとすると、複数回の測定における相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値は、３以上であり、
前記相対硬度Ｈｔ／Ｈｓに対する、前記炭窒化チタン層の相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓと最小値Ｈｔmin／Ｈｓとの差は、０．５以下である、表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記炭窒化チタン層は、炭素と窒素との合計に対する炭素の原子比が０．７以上である、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記被覆膜は、少なくとも１層のアルミナ層を含み、
前記アルミナ層は、α型酸化アルミニウムからなり、かつその平均層厚が２μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１または２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】
本発明は、基材とその上に形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の切削工具の動向として、地球環境保全の観点から切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、被削材が多様化していること、加工能率を一層向上させるため切削速度がより高速になってきていることなどの理由から、工具の刃先温度はますます高温になる傾向にある。しかも、近年の切削加工では、切込み深さの深い切削、および送り量の多い切削も頻繁に行なわれるため、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。【０００３】
このため、工具材料の要求特性として、基材上に形成される被覆膜の高温での安定性（耐酸化特性や被覆膜の密着性）はもちろんのこと、切削工具の寿命に関係する耐摩耗性の向上や耐欠損性の向上が一段と重要になっている。【０００４】
耐摩耗性および表面保護機能改善のため、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質基材からなる切削工具や耐摩耗工具等の表面には、コーティングが施される。かかるコーティングは、化学気相蒸着（ＣＶＤ：Chemical  Vapor  Deposition）法によって行なわれるのが主流であり、特に、比較的中温〜低温でコーティングするＭＴ（moderate  temperature）−ＣＶＤ法、または１０００℃以上の高温でコーティングするＨＴ（high  temperature）−ＣＶＤ法が広く用いられている。【０００５】
ＭＴ−ＣＶＤ法を用いた先行技術としては、特開２００８−０８７１５０号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１では、ＣＨ3ＣＮを含んだ原料ガスと、炭素数２〜２０の鎖状炭化水素とを過剰炭素源として導入し、ＭＴ−ＣＶＤ法によりＴｉＣＮ層を被覆している。このようにして形成されるＴｉＣＮ層は、柱状晶の結晶構造であって、炭素量が多いものとなる。そして、このＴｉＣＮ層の表面に耐酸化性の優れた酸化アルミニウム層を被覆している。【０００６】
一方、ＨＴ−ＣＶＤ法を用いた先行技術としては、特開昭６３−１９５２６８号公報（特許文献２）が挙げられる。特許文献２では、ＣＨ4、Ｎ2、およびＴｉＣｌ4を主原料として導入し、ＨＴ−ＣＶＤ法を用いて、基材の表面にＴｉの炭窒酸化物層を被覆している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−０８７１５０号公報
【特許文献２】特開昭６３−１９５２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のＭＴ-ＣＶＤ法で成膜されたＴｉＣＮ層は（４２２）に配向しやすいため、硬度が十分とは言えず、特に硬度の高い被削材等を断続切削する際に十分な耐摩耗性を得ることができなかった。【０００９】
また、特許文献２のＨＴ−ＣＶＤ法は、その成膜速度がＭＴ−ＣＶＤ法と比べて遅いため、製造効率の観点から好ましいとは言えない。しかも、ＨＴ−ＣＶＤ法では、成膜条件が僅かでも変わってしまうと、ＴｉＣＮ層の組成および結晶組織が大きく変わってしまうという問題がある。【００１０】
このため、ＴｉＣＮ層中に硬度の低い部分が分散されることになり、鋳鉄等の硬い被削材を切削するとき、または微視的な凹凸がある被削材を断続切削するときのような切削条件では、表面被覆切削工具に欠損やチッピングが生じやすかった。【００１１】
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、耐摩耗性および耐欠損性を高度に両立した表面被覆切削工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、化学蒸着法により被覆膜を形成する手法を検討したところ、被覆膜の１層に炭窒化チタン層を形成し、該炭窒化チタン層の結晶配向性を制御するとともに、該炭窒化チタン層の硬度のばらつきをなくせば、耐摩耗性および耐欠損性の両特性に優れるという知見を得、この知見に基づいてさらに検討を重ねることによりついに本発明を完成させるに至った。【００１３】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被覆膜とを備え、該被覆膜は、少なくとも１層の炭窒化チタン層を含み、該炭窒化チタン層は、組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）のうちの配向性指数ＴＣ（２２０）が最大であり、硬度基準片の押し込み硬度をＨｓとし、炭窒化チタン層の押し込み硬度をＨｔとすると、複数回の測定における相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値は、３以上であり、該相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値に対する、炭窒化チタン層の相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓと最小値Ｈｔmin／Ｈｓとの差は、０．５以下であることを特徴とする。上記の相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値に対する、炭窒化チタン層の相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓと最小値Ｈｔmin／Ｈｓとの差は、０．３以下であることが好ましい。【００１４】
上記の炭窒化チタン層は、炭素と窒素との合計に対する炭素の原子比が０．７以上であることが好ましい。上記の被覆膜は、少なくとも１層のアルミナ層を含み、該アルミナ層は、α型酸化アルミニウムからなり、かつその平均層厚が２μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、耐摩耗性および耐欠損性を高度に両立することを可能としたものである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明について、詳細に説明する。なお、本発明において、層厚または膜厚は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning  Electron  Microscope）により測定し、被覆膜を構成する各層の組成はエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ：Energy  Dispersive  x-ray  Spectroscopy）により測定するものとする。
【００１７】
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被覆膜とを備えたものである。このような基本的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、フライス加工用または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チップ等として極めて有用に用いることができる。
【００１８】
＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
【００１９】
なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
【００２０】
＜被覆膜＞
本発明の被覆膜は、少なくとも１層の炭窒化チタン層を含む単一または複数の層からなることを特徴とする。かかる炭窒化チタン層は、特定の結晶配向性を有するため、耐摩耗性に優れており、しかも均一な硬度を有するため、被覆膜に欠損が生じにくいものである。
【００２１】
このような本発明の被覆膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被覆膜が形成されていない態様をも含み、さらにまた部分的に被覆膜の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。また、本発明の被覆膜は、その全体の膜厚が５μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましい。５μｍ未満であると耐摩耗性に劣る場合があり、２５μｍを超えると基材との密着性および耐欠損性が低下する場合がある。このような被覆膜の特に好ましい膜厚は１０μｍ以上２０μｍ以下である。以下、このような被覆膜を構成する各層をさらに詳細に説明する。
【００２２】
＜炭窒化チタン層＞
本発明の被覆膜は、炭窒化チタン層を少なくとも１層含むものである。かかる炭窒化チタン層は、ＴｉＣＮを主体とする層とすることが好ましく、ＴｉＣＮの１次すべり面である（２２０）面の配向性指数ＴＣ（２２０）が最大であることを特徴とする。ここで、配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）とは、以下の式（Ｉ）で定義されるものである。
【００２３】
【数１】
2012032839.tif 000002
【００２４】
式（Ｉ）中、Ｉ（ｈｋｌ）は測定された（ｈｋｌ）面のピーク強度（回折強度）を示し、Ｉ0（ｈｋｌ）はＪＣＰＤＳファイル（Joint  Committee  on  Powder  Diffraction  Standards（粉末Ｘ線回折標準）ファイル；３２−１３８３（ＴｉＣ）、３８−１４２０（ＴｉＮ））による（ｈｋｌ）面を構成するＴｉＣとＴｉＮの粉末回折強度の平均値であり、（ｈｋｌ）は（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）、（５１１）の８面を示す。
【００２５】
組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）のうちの配向性指数ＴＣ（２２０）が最大であることにより、被覆膜の滑り性が向上して摩耗しにくくなり、もって耐摩耗性を向上させることができる。これにより特に、鋳鉄または炭素鋼の旋削加工において、良好な耐摩耗性を示す。
【００２６】
本発明において、炭窒化チタン層は、その相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの複数回の測定における平均値が３以上であることを特徴とする。また、相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値の上限は、特に限定されず、その値が高いほど良好な耐摩耗性を示す。ここで、相対硬度Ｈｔ／Ｈｓとは、硬度基準片の押し込み硬度Ｈｓに対する炭窒化チタン層の押し込み硬度Ｈｔの比を意味し、以下のようにして算出する。
【００２７】
まず、超微小押し込み硬さ試験機（装置名：ＥＮＴ−１１００ａ（株式会社エリオニクス社製））を用いて、ナノインデンテーション法により硬度基準片（製品名：ＵＭＶ９０５（株式会社山本科学工具研究社製））の押し込み硬度Ｈｓを測定する。
【００２８】
次に、上記と同一の超微小押し込み硬さ試験機を用いて、炭窒化チタン層の押し込み硬度Ｈｔを測定する。具体的には、表面被覆切削工具の被覆膜の表面に対する法線を含む平面に沿って試料を切断し、該切断面を機械研磨し、この断面に対する垂直方向から炭窒化チタン層に対して圧子を押し込むことにより、炭窒化チタン層の押し込み硬度Ｈｔを測定する。
【００２９】
そして、圧子を押し込む位置を変えて、同様の押し込み硬度の測定を３０回繰り返し、この３０回の測定のうち押し込み硬度Ｈｔの応力−歪曲線が不連続であったり、不自然であったりした場合を異常値と判断して除き、それ以外の押し込み硬度の各測定値を平均する。このようにして得られた押し込み硬度Ｈｔの平均値を硬度基準片の押し込み硬度Ｈｓで除することにより、炭窒化チタン層の相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値を算出する。
【００３０】
また、上記の３０回の押し込み硬度の測定結果を利用して、炭窒化チタン層の押し込み硬度の分布（すなわち、層内の硬度の均一性）を評価する。すなわち、上記３０回の押し込み硬度の測定のうちの異常値を除いた上で、押し込み硬度の最大値Ｈｔmaxおよび最小値Ｈｔminを選出し、これらをそれぞれ硬度基準片の押し込み硬度Ｈｓで除することにより、相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓおよび相対硬度の最小値Ｈｔmin／Ｈｓを算出する。かかる相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓと、相対硬度の最小値Ｈｔmin／Ｈｓとの差を、相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値で除して得られた値が、炭窒化チタン層の押し込み硬度の分布を示す指標となる。
【００３１】
すなわちたとえば、３０回の押し込み硬度の測定によって、炭窒化チタン層の相対硬度Ｈｔ／Ｈｓが３．５±０．４の範囲内となる場合においては、炭窒化チタン層の相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓが３．９であり、最小値Ｈｔmin／Ｈｓが３．１であり、その差は０．８である。これを炭窒化チタン層の平均値３．５で除することにより、相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値に対する、炭窒化チタン層の相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓと最小値Ｈｔmin／Ｈｓとの差が０．２３と算出される。
【００３２】
本発明において、上記炭窒化チタン層の押し込み硬度の分布を示す指標（すなわち相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値に対する、炭窒化チタン層の相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓと最小値Ｈｔmin／Ｈｓとの差）は、０．３以下であることを特徴とし、０．１以下であることが好ましい。このような硬度分布を有する炭窒化チタン層は、切削時にチッピングや欠損が生じにくくする。
【００３３】
このような炭窒化チタン層は、前述したとおりＴｉＣＮを主体として含むものであるが、ここでの「ＴｉＣＮを主体として含む」とは、ＴｉＣＮを９０質量％以上含むことを意味し、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。
【００３４】
このようなＴｉＣＮ（Ｔｉの炭窒化物）に含まれる各元素間の原子比は、従来公知のあらゆる原子比が含まれ、その原子比は特に限定されるものではないが、たとえばＴｉとＣＮとの原子比は、ＣＮの合計を１とした場合にＴｉが０．８〜１．４とすることが好ましく、炭素と窒素との合計に対する炭素の原子比が０．７以上であることが好ましい。これを式で示すと、Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）≧０．７を満たすことが好ましい。これにより炭窒化チタン層の（２２０）面の配向性指数を高めることができ、もって耐摩耗性を向上させることができる。
【００３５】
上記の炭窒化チタン層は、その平均層厚が５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは上限が１５μｍであり下限が７μｍである。これを満たすことにより、耐摩耗性と耐欠損性とのバランスを良好に保つことができる。炭窒化チタン層の厚みが２０μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない場合があり、５μｍ未満では高速切削時に被覆膜の摩耗が進みやすくなるため好ましくない。
【００３６】
＜被覆膜を構成する各層＞
本発明において、被覆膜は、基材側から順に、最下層、炭窒化チタン層、密着層、アルミナ層、および最表面層をこの順に含むことが好ましい。以下においては、基材側から順に被覆膜を構成する各層を説明する。
【００３７】
＜最下層＞
本発明の被覆膜は、基材と炭窒化チタン層との間にＴｉの窒化物からなる最下層（基材と接する層）を設けることが好ましい。かかる最下層は、基材との密着性が高いため、苛酷な切削条件に対応する場合でも被覆膜全体が剥離することを防止することができる。このような最下層を形成することにより、被覆膜の少なくとも１層に圧縮残留応力が付与された場合であっても切削に耐え得る十分な密着性を得ることができる。このような最下層の層厚は、０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
＜密着層＞
本発明の被覆膜は、上記炭窒化チタン層の直上にＴｉＢxＮy（式中、ｘおよびｙはそれぞれ原子比を示し、０．００１≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．０４である）で構成される密着層を含むことが好ましい。このような密着層は、その表面が非常に細かな針状組織となるため、その直上に形成されるアルミナ層と優れた密着性を示す。
【００３９】
炭窒化チタン層上に直接アルミナ層を設けると、炭窒化チタン層からアルミナ層が剥離したり脱落する問題があるが、密着層をアルミナ層の直下に形成することによりこのような問題を解消することができる。これによりアルミナ層との間で特に良好な密着力が得られる。
【００４０】
上記式中、ｘおよびｙは、特に好ましくは０．００３≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．０２である。これによりアルミナ層との間で特に良好な密着力が得られる。また、ＴｉとＢＮとの原子比は、ＢＮの合計を１とした場合にＴｉが０．８〜１．５とすることが好ましい。
【００４１】
このような密着層は、本発明の被覆膜を構成する他の層に含まれる元素（特に密着層と接する層に含まれる元素）を含むことができる。このような密着層は、０．０５μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することが好ましく、さらに好ましくは上限が０．８μｍであり下限が０．１μｍである。その厚みが１μｍを超えると耐摩耗性が低下するため好ましくない場合があり、０．０５μｍ未満ではアルミナ層との間で十分な密着性が示されない場合がある。
【００４２】
＜アルミナ層＞
本発明において、被覆膜は、上記最表面層と上記炭窒化チタン層との間にアルミナ層を含むことが好ましい。このようなアルミナ層は、Ａｌ2Ｏ3を主体とする層であるため、高速切削時の酸化摩耗に対して良好な性能が示され、耐摩耗性の向上に資するものとなる。ここで、Ａｌ2Ｏ3を主体とするとは、Ａｌ2Ｏ3を９０質量％以上含むことを意味し、好ましくは不可避不純物を除きＡｌ2Ｏ3のみにより構成されることを意味する。
【００４３】
このようなアルミナ層は、α型の結晶構造を有するＡｌ2Ｏ3（以下α−Ａｌ2Ｏ3と記すこともある）を主体とするか、またはκ型の結晶構造を有するＡｌ2Ｏ3（以下κ−Ａｌ2Ｏ3と記すこともある）であることが望ましい。中でも、α−Ａｌ2Ｏ3は、一般に高速切削において耐摩耗性に優れる点で有利である。なお、このような結晶構造は、Ｘ線回折により確認することができる。
【００４４】
このようなアルミナ層は、２μｍ以上１５μｍ以下の層厚を有することが好ましく、より好ましくは上限が１０μｍであり下限が４μｍである。その厚みが１５μｍを超えると、切刃の先端部や切刃の境界部での剥離が生じやすくなり、耐欠損性が低下する場合があり、２μｍ未満であると、すくい面における耐クレータ摩耗性に優れるとともに、ねじ切り、溝きり等の繰り返し切削における耐食いつき性が低下する場合がある。
【００４５】
＜最表面層＞
本発明の被覆膜は、上記炭窒化チタン層とともに最表面層を含むことが好ましい。ここで、最表面層は、Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とする被覆膜の表面を構成する層である。「Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とする」とは、Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを９０質量％以上含むことを意味し、好ましくは不可避不純物を除きＴｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかのみにより構成されることを意味する。また、Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のそれぞれにおいて、ＴｉとＴｉ以外の元素（すなわちＣ、Ｎ、およびＣＮ）との質量比は、Ｔｉが５０質量％以上とすることが好ましい。
【００４６】
そして、Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかのうち、特に好ましくはＴｉの窒化物（すなわちＴｉＮで表される化合物）である。ＴｉＮはこれらの化合物のうちで色彩が最も明瞭（金色を呈する）であるため、切削使用後の切削チップのコーナー識別が容易であるという利点がある。
【００４７】
なお、本発明において化合物をＴｉＮ等の化学式で表す場合、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。
【００４８】
本発明において、最表面層は、０．０５μｍ以上１μｍ以下の厚みを有することが好ましい。さらにその厚みの上限は０．８μｍ、より好ましくは０．６μｍであり、その下限は０．１μｍ、より好ましくは０．２μｍである。その厚みが０．０５μｍ未満の場合、圧縮残留応力が付与される場合その効果が十分ではなく、耐欠損性向上にあまり効果がなく、１μｍを越えると最表面層の内側に位置する層との密着性が低下する場合がある。
【００４９】
＜製造方法＞
本発明の被覆膜は、化学蒸着法（ＣＶＤ法）により形成されたものであることが好ましい。これにより、後述のブラスト処理を施すまでは被覆膜の各層は引張り残留応力を有したものとなり、基材との密着性が非常に高いものとなる。
【００５０】
本発明において、炭窒化チタン層を成膜するときの成膜温度は、従来のＭＴ−ＣＶＤ法よりも高温であり、かつ従来のＨＴ−ＣＶＤ法よりも低温であることが好ましく、具体的には９００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。このように従来のＭＴ−ＣＶＤ法とＨＴ−ＣＶＤ法との中間の成膜温度で成膜することにより、炭窒化チタン層を構成する隣接するＴｉＣＮ柱状結晶同士の界面拡散を促進することができ、もって炭窒化チタン層を構成する結晶の結合力を向上させることができる。これにより切削時の擦り摩耗に起因して生じるＴｉＣＮ粒子の脱落を抑制することができ、もって良好な耐欠損性と耐摩耗性とを有する被覆膜を形成することができる。ちなみに、ＭＴ−ＣＶＤ法とは、約８３０℃〜９００℃という比較的低温で成膜を行なうものであり、ＨＴ−ＣＶＤ法とは、約１０００℃以上の比較的高温で成膜を行なうものである。
【００５１】
しかも、上記数値範囲の成膜温度で成膜することにより、（２２０）面が最大ピーク強度となる結晶配向性を有する炭窒化チタン層を成膜することができ、結晶構造的に表面が平滑であり、かつ耐摩耗性に優れたものとなる。その上、炭窒化チタン層を形成した後に形成する密着層およびアルミナ層の成膜温度の差も小さく、成膜中の温度変化および熱衝撃が最低限に抑制されるというメリットもある。
【００５２】
成膜温度が９００℃未満であると、炭窒化チタン層の結晶構造が柱状晶（４２２）面に配向するため、十分な滑り性を得ることができず、一方、１０００℃を超えると、超硬合金基材またはサーメット基材中の脱炭が激しくなり、基材と被覆膜との界面に硬くて脆い層が生成し、この脆い層が基材と被覆膜との密着性の低下の原因となる。
【００５３】
本発明の炭窒化チタン層の成膜は、従来のＨＴ−ＣＶＤ法よりも１００℃程度低温で行なわれるが、炭窒化チタン層を構成する炭素源として、ＣＨ4ガスよりも活性が高い炭素数が２の飽和炭化水素（Ｃ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス、およびＣ2Ｈ6ガス）を用いることが好ましい。これにより従来のＨＴ−ＣＶＤ法となんら遜色がなく、十分な速度で成膜することができ、製造効率が低下することもない。
【００５４】
本発明の被覆膜を構成する炭窒化チタン層は、従来の成膜圧力よりも低真空の成膜条件、すなわち４０ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下の成膜圧力で成膜される。このような低圧力の条件で成膜することにより、たとえば超硬合金からなる基材を用いる場合、結合層を構成するＣｏの蒸発を最小限に抑えることができ、もってＷＣ粒子同士の結合力の低下を抑制することができる。また、サーメットからなる基材を用いる場合、結合層を構成するＮｉの蒸発を最小限に抑えることができ、もってＴｉＣＮ粒子同士の結合力の低下を抑制することができる。
【００５５】
しかも、上記低圧の成膜条件では、反応ガス同士の平均自由工程が短縮されるため、成膜速度が早くなり、炭窒化チタン層を構成する結晶組織のアスペクト比を大きくすることができる。これにより炭窒化チタン層が（２２０）面に最大ピーク強度を有する良質な柱状晶とすることができ、もって炭窒化チタン層の硬度を均一にすることができる。
【００５６】
４０ｋＰａ未満の高真空の条件で成膜すると、基材中の結合層の蒸発が促進され、基材中のＷＣ粒子同士またはＴｉＣＮ粒子同士の結合力が低下する。これにより被覆膜と基材との界面が剥離しやすく、工具に欠損が生じやすくなる。また、８０ｋＰａを超える低真空の条件で成膜すると、炭窒化チタン層の結晶組織を均一に柱状晶に成膜することができず、条件によっては粒状の混在組織が形成されて組織違いが生じ、炭窒化チタン層の硬度が均一とはなりにくい。
【００５７】
本発明において、上述のように９００℃以上１０００℃以下の成膜温度として、４０ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下の成膜圧力で炭窒化チタン層を成膜することにより、炭窒化チタン層の硬度を均一にすることができ、もって切削加工時にチッピングや欠損を生じにくくすることができる。
【００５８】
本発明において、炭窒化チタン層を形成するときに導入する原料ガスは、Ｔｉ源とＣ源とＮ源とを少なくとも含み、かつＨ2またはアルゴンを含むことが好ましい。ここで、Ｔｉ源としてはＴｉＣｌ4ガス等を用いることが好ましく、Ｎ源としてはＮ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＨ3ＣＮガス等を用いることが好ましい。
【００５９】
Ｃ源としては炭素数が１以上３以下の飽和炭化水素ガスまたは不飽和炭化水素ガスを用いることが好ましい。炭素数が１以上３以下の飽和炭化水素ガスとしては、ＣＨ4ガス、Ｃ2Ｈ6ガス、およびＣ3Ｈ8ガスが挙げられる。炭素数が１以上３以下の不飽和炭化水素ガスとしては、Ｃ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス、Ｃ3Ｈ4ガス、Ｃ3Ｈ6ガス等が挙げられる。これらの他、たとえばＮ源として用いるＣＨ3ＣＮガスをＣ源として用いてもよい。
【００６０】
ここで、導入する原料ガスにおいて、Ｔｉ源に対するＣ源のモル比（すなわちＣ源のモル比／Ｔｉ源のモル比）は４以上１０以下にすることが好ましい。このようなモル比で原料ガスを導入することにより、従来のＭＴ−ＣＶＤ法で成膜するよりも炭窒化チタン層に含まれる炭素の組成比を高めることができ、もって高温での硬度に優れた炭窒化チタン層となる。しかも、炭窒化チタン層の摩擦係数が低くなるため、滑り性が向上し、耐摩耗性を向上させることができる。
【００６１】
Ｔｉ源に対するＣ源のモル比が４未満であると、炭窒化チタン層の成膜速度が遅くなり、量産性に適さなくなる。一方、１０を超えると、炭窒化チタン層を構成する結晶構造が粗粒化し、被覆膜の硬度が均一になりにくくなるばかりか、製造工程中で塩化物が未反応物として大量に発生するため、環境上好ましくない。
【００６２】
また、被覆膜の表面に対し、ブラスト処理を行なうことにより、被覆膜の残留応力の除去するとともに、圧縮応力を付与することができる。ここで、ブラスト処理としては、鋼球などの金属粉末やアルミナなどのセラミックス粉末を直接または水などの溶媒と混合したものを被覆膜の表面に衝突させることにより実施することができる。その衝突等の具体的条件は、被覆膜の構成や付与する圧縮残留応力の大きさ等により適宜調節することができるが、衝突が弱すぎると圧縮残留応力が付与されないこととなるので適度な強さで衝突させることが好ましい。
【実施例】
【００６３】
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。【００６４】
まず、ＷＣ−５％Ｃｏからなる組成（ただし不可避不純物を含む）の超硬合金製切削チップ（形状：住友電工ハードメタル（株）製ＣＮＭＡ１２０４０８）を基材として用いた。かかる基材の切れ刃に対し、ＳｉＣ砥粒を含んだナイロン性ブラシによって面取り加工を行ない、丸ホーニングを施した。その後、基材表面を洗浄した。この基材のノーズ半径は、０．８ｍｍであった。【００６５】
次に、基材を抵抗過熱型ＣＶＤ炉にセットし、公知の熱ＣＶＤ法を用いて、基材上に表１に記載した被覆膜の各層を形成した（表１中の左欄側から順に基材上に形成した）。たとえば実施例１では、基材上から順に０．６μｍの最下層（ＴｉＮ層）、７．５μｍの炭窒化チタン層（ＴｉＣＮ層）を形成した後、０．８μｍの密着層（ＴｉＢＮ層）、２．８μｍのアルミナ層（κ−Ａｌ2Ｏ3層）、および０．５μｍの最表面層（ＴｉＮ層）を形成した。このようにして実施例１の表面被覆切削工具を作製した。これと同様の方法により、各実施例および各比較例の表面被覆切削工具を作製した。【００６６】
【表１】
2012032839.tif 000003
【００６７】
表１中の各層の「層厚」は、被覆膜を構成する各層の層厚を示し、「合計膜厚」は、被覆膜の膜厚を示した。これらの層厚および膜厚は、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断し、該切断面をＳＥＭで観察して得られた値を採用した。【００６８】
表１中の「Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）」は、炭窒化チタン層を構成する炭素および窒素の原子比の和に対する炭素の原子比を示した。かかる原子比は、炭窒化チタン層をＥＰＭＡ（Electron  Probe  Micro  Analysis）により分析して得られた値を採用した。【００６９】
表１中の「ピーク強度の結晶面」は、Ｘ線回折装置（製品名：ＲＩＮＴ２４００（理学電気社製））によって炭窒化チタン層をＸ線回折したときの最高ピーク強度の結晶面を示した。【００７０】
表１中の「相対硬度」は、硬度基準片の押し込み硬度Ｈｓに対する炭窒化チタン層の押し込み硬度Ｈｔの相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値を記載した。ここで、相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値の算出方法としては、まず、超微小押し込み硬さ試験機（装置名：ＥＮＴ−１１００ａ（株式会社エリオニクス社製））を用いて、ナノインデンテーション法により硬度基準片（製品名：ＵＭＶ９０５（株式会社山本科学工具研究社製））の押し込み硬度Ｈｓを測定した。【００７１】
次に、表面被覆切削工具の被覆膜の表面に対する法線を含む平面に沿って試料を切断し、該切断面を機械研磨した。そして、上記の硬度基準片を測定した超微小押し込み硬さ試験機と同一のものを用い、該断面に対する垂直方向から炭窒化チタン層に対して圧子を押し込むことにより、炭窒化チタン層の押し込み硬度Ｈｔを測定した。圧子を押し込む位置を変えて、炭窒化チタン層の押し込み硬度を３０回測定した。この３０回の測定のうち、押し込み硬度Ｈｔの応力−歪曲線が不連続であったり、不自然であったりした場合を異常値と判断して除き、それ以外の押し込み硬度の各測定値を平均することにより、押し込み硬度Ｈｔの平均値を算出した。この押し込み硬度Ｈｔの平均値を硬度基準片の押し込み硬度Ｈｓで除することにより、炭窒化チタン層の相対硬度Ｈｔ／Ｈｓの平均値を算出した。【００７２】
そして、上記３０回の押し込み硬度の測定のうちの異常値を除いた上での押し込み硬度の最大値Ｈｔmaxおよび最小値Ｈｔminを、硬度基準片の押し込み硬度Ｈｓで除することにより相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓおよび最小値Ｈｔmin／Ｈｓを算出した。【００７３】
そして、相対硬度の最大値Ｈｔmax／Ｈｓと、相対硬度の最小値Ｈｔmin／Ｈｓとの差を求め、その差を炭窒化チタン層の相対硬度の平均値で除した値を、表１の「（Ｈｔmax／Ｈｓ−Ｈｔmin／Ｈｓ）／（Ｈｔ／Ｈｓ）」の欄に示した。この値が小さいほど、炭窒化チタン層の硬度にバラつきが少なく、炭窒化チタン層が均一な硬度であることを示す。【００７４】
なお、表１の最表面層の層厚の欄が「−」となっている実施例があるが、これは、被覆膜を形成した後に、ブラスト処理によって最表面層のみを取り除いたことを意味する。このような処理を施すことにより、引張残留応力の開放、または圧縮残留応力の付与をすることができる。【００７５】
また、炭窒化チタン層以外の被覆膜を構成する各層は、以下の表２に示される条件で成膜し、炭窒化チタン層は、以下の表３の条件で形成した。すなわちたとえば、実施例１における炭窒化チタン層の成膜においては、ＴｉＣｌ4：１．９体積％、ＣＨ4：８．８体積％、Ｎ2：３体積％、Ｈ2：残部からなる反応ガスを全流量が５６．８Ｌ／ｍｉｎとなるように導入し、そのチャンバ内の圧力を８０ｋＰａとし、温度９９０℃とした。【００７６】
【表２】
2012032839.tif 000004
【００７７】
【表３】
2012032839.tif 000005
【００７８】
＜切削試験＞
実施例１〜１２および比較例１〜６の表面被覆切削工具を用いて、以下の条件で切削加工試験を５分間行なった。【００７９】
被削材：ＦＣＤ７００（内径φ＝２５０ｍｍ、長さｌ＝１０００ｍｍ）
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２．０ｍｍ
切削油：水溶性
切削試験前後の表面被覆切削工具をノギスで測定することにより、逃げ面の摩耗減少幅を算出し、表４の「逃げ面摩耗量」の欄に示した。なお、逃げ面摩耗量が少ないものほど、表面被覆切削工具の耐摩耗性が優れることを示している。【００８０】
また、切削試験終了後の表面被覆切削工具のすくい面を目視で観察し、そこに発生するクレータ摩耗の長手方向の幅を測定した。そして、以下の評価基準に基づいて、耐クレータ摩耗性を評価し、表４の「クレータ摩耗」の欄に示した。また、切削試験終了後の表面被覆切削工具の損傷形態を、表４の「損傷形態」の欄に示した。【００８１】
【表４】
2012032839.tif 000006
【００８２】
表４に示される結果から、各実施例の表面被覆切削工具は、各比較例のそれに比して、逃げ面摩耗量が少なく、かつクレータ摩耗の長手方向の幅が狭いことが明らかである。この結果から、各実施例の表面被覆切削工具は、各比較例のそれに比し、耐摩耗性および耐クレータ摩耗性に優れたものであると言える。このように耐摩耗性および耐クレータ摩耗性が向上したのは、炭窒化チタン層のピーク強度の結晶面が（２２０）であることによるものと考えられる。【００８３】
また、上記切削試験が終了した後の各実施例および各比較例の表面被覆切削工具の損傷形態において、各実施例では、被覆膜が正常摩耗しているのに対し、各比較例では、被覆膜にチッピングや欠損が生じている。各実施例の表面被覆切削工具には欠損が生じなかったにも関わらず、各比較例のそれにチッピングや欠損が生じたのは、各実施例の表面被覆切削工具が、各比較例のそれに比して、被覆膜の硬度が均一であることによるものと考えられる。【００８４】
以上の結果から、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て、耐摩耗性および耐欠損性に優れたものであることが示された。【００８５】
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。【００８６】
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請求の範囲によって示され、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。
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月20日(2013.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
このようなアルミナ層は、２μｍ以上１５μｍ以下の層厚を有することが好ましく、より好ましくは上限が１０μｍであり下限が４μｍである。その厚みが１５μｍを超えると、切刃の先端部や切刃の境界部での剥離が生じやすくなり、耐欠損性が低下する場合があり、２μｍ未満であると、すくい面における耐クレータ摩耗性に劣るとともに、ねじ切り、溝きり等の繰り返し切削における耐食いつき性が低下する場合がある。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
本発明の炭窒化チタン層の成膜は、従来のＨＴ−ＣＶＤ法よりも１００℃程度低温で行なわれるが、炭窒化チタン層を構成する炭素源として、ＣＨ4ガスよりも活性が高い炭素数が２の炭化水素（Ｃ2Ｈ2ガス、Ｃ2Ｈ4ガス、およびＣ2Ｈ6ガス）を用いることが好ましい。これにより従来のＨＴ−ＣＶＤ法となんら遜色がなく、十分な速度で成膜することができ、製造効率が低下することもない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
しかも、上記低圧の成膜条件では、反応ガス同士の平均自由行程が短縮されるため、成膜速度が早くなり、炭窒化チタン層を構成する結晶組織のアスペクト比を大きくすることができる。これにより炭窒化チタン層が（２２０）面に最大ピーク強度を有する良質な柱状晶とすることができ、もって炭窒化チタン層の硬度を均一にすることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
また、被覆膜の表面に対し、ブラスト処理を行なうことにより、被覆膜の残留応力を除去するとともに、圧縮応力を付与することができる。ここで、ブラスト処理としては、鋼球などの金属粉末やアルミナなどのセラミックス粉末を直接または水などの溶媒と混合したものを被覆膜の表面に衝突させることにより実施することができる。その衝突等の具体的条件は、被覆膜の構成や付与する圧縮残留応力の大きさ等により適宜調節することができるが、衝突が弱すぎると圧縮残留応力が付与されないこととなるので適度な強さで衝突させることが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
次に、基材を抵抗加熱型ＣＶＤ炉にセットし、公知の熱ＣＶＤ法を用いて、基材上に表１に記載した被覆膜の各層を形成した（表１中の左欄側から順に基材上に形成した）。たとえば実施例１では、基材上から順に０．６μｍの最下層（ＴｉＮ層）、７．５μｍの炭窒化チタン層（ＴｉＣＮ層）を形成した後、０．８μｍの密着層（ＴｉＢＮ層）、２．８μｍのアルミナ層（κ−Ａｌ2Ｏ3層）、および０．５μｍの最表面層（ＴｉＮ層）を形成した。このようにして実施例１の表面被覆切削工具を作製した。これと同様の方法により、各実施例および各比較例の表面被覆切削工具を作製した。
【国際調査報告】
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2012032839.tif 000008