(57)【要約】【課題】鋳鉄等の高速断続切削加工でも優れた耐チッピングを有し長期間優れた切削性能を発揮する工具を提供【解決手段】工具基体表面の１．５〜２５．０μｍの平均層厚の硬質被覆層は、平均層厚０．５〜５．０μｍの六方晶構造を主とする（ＡｌｘαＭｅ1 -ｘα）（ＣyαＮ１−yα）（ＭｅはＳｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｎの一種以上）が、０．７０≦ｘα≦０．９５かつ０．００００≦ｙα≦０．０１５０（ｘα、ｙαは原子比の平均値）でナノインデンテーション押込み硬さ１５〜２８ＧＰａの工具表面側の層と平均層厚１．０〜２０．０μｍの立方晶構造を主とする（ＡｌｘβＴｉ1 -ｘβ）（ＣyβＮ１−yβ）が０．６５≦ｘβ≦０．９５かつ０．００００≦ｙβ≦０．０１５０（ｘβ、ｙβは原子比の平均値）でナノインデンテーション押込み硬さ３０Ｇ〜４５ＧＰａの工具基体側の層とを有する表面被覆切削工具【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【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、
（ａ）前記硬質被覆層は、１．５〜２５．０μｍの平均層厚を有し、
平均層厚が０．５〜５．０μｍの六方晶構造を主として含有するＡｌとＭｅ（但し、Ｍｅは、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｎの中から選ばれる一種以上の元素）の複合窒化物層または複合炭窒化物層を含んだα層と、
平均層厚が１．０〜２０．０μｍの立方晶構造を主として含有するＡｌとＴｉの複合窒化物層または複合炭窒化物層を含んだβ層とが、
前記α層を工具表面側とし、前記β層を前記工具基体側として積層された層を少なくとも一つ有する構造であり、
（ｂ）前記α層は、その組成を、
組成式：（ＡｌｘαＭｅ1 -ｘα）（ＣyαＮ１−yα）
で表した場合、ＡｌのＭｅとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘαおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙα（但し、ｘα、ｙαはいずれも原子比）が、それぞれ、０．７０≦ｘα≦０．９５かつ０．００００≦ｙα≦０．０１５０を満足し、
（ｃ）前記β層は、その組成を、
組成式：（ＡｌｘβＴｉ1 -ｘβ）（ＣyβＮ１−yβ）
で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘβおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙβ（但し、ｘβ、ｙβはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６５≦ｘβ≦０．９５かつ０．００００≦ｙβ≦０．０１５０を満足し、
（ｄ）前記α層はナノインデンテーション押し込み硬さＨαが１５ＧＰａ≦Ｈα≦２８ＧＰａであり、
（ｅ）前記β層はナノインデンテーション押し込み硬さＨβが３０ＧＰａ≦Ｈβ≦４５ＧＰａである、ことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記ｘαと前記ｘβは、｜ｘβ−ｘα｜≦０．０４を満足す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。
【請求項３】
前記ｘαと前記ｘβが、｜ｘβ−ｘα｜＞０．０４である場合において、前記α層と前記β層の間に立方晶構造を主として含有するＡｌとＴｉの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒を少なくとも含むＡｌＴｉＣＮ層δが存在し、
（ａ）前記ＡｌＴｉＣＮδ層は、その層厚方向に二等分した領域の、
前記工具基体側の領域の組成を組成式：（ＡｌｘδＬＴｉ（１−ｘδＬ））（ＣｙδＬＮ（１−ｙδＬ））で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘδＬと、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙδＬ（但し、ｘδＬ、ｙδＬはいずれも原子比）が、
また、その層厚方向に二等分した領域の前記工具表面側の領域の組成を組成式：（ＡｌｘδＨＴｉ（１−ｘδＨ））（ＣｙδＨＮ（１−ｙδＨ））で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘδＨと、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙδＨ（但し、ｘδＨ、ｙδＨはいずれも原子比）が、
ｘα≦ｘδＨ＜ｘδＬ＜ｘβもしくはｘβ＜ｘδＬ＜ｘδＨ≦ｘα、および、
０．００００≦ｙδＨ≦０．０１５０、且つ、０．００００≦ｙδＬ≦０．０１５０、を満足し、
（ｂ）前記ＴｉＡｌＣＮ層δは、その平均層厚をＬδとした場合、０．１μｍ≦Ｌδ≦１．０μｍ、を満たす、
ことを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記α層は微量のＣｌを含有し、ＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの含有割合ｚα（但し、ｚαは原子比）は０．００１５≦ｚα≦０．０１００を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記β層は微量のＣｌを含有し、ＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの含有割合ｚβ（但し、ｚβは原子比）は０．０００１≦ｚβ≦０．００２０を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記表面被覆切削工具のすくい面に前記α層とβ層との積層構造を含む前記硬質被覆層を有し、逃げ面に前記β層を含む硬質被覆層を有することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記α層は、前記工具基体の表面と垂直な縦断面から分析した場合、六方晶構造を有する結晶粒を７０面積％以上、９５面積％以下含み、
前記β層は、前記工具基体の表面と垂直な縦断面から分析した場合、立方晶構造を有する結晶粒を９０面積％以上含む、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか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、鋳鉄等の高速断続切削加工に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性を備えることにより、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、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の表面に、硬質被覆層として、Ｔｉ−Ａｌ系の複合炭窒化物層を被覆形成した被覆工具があり、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、高速断続切削条件等で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の改善についての種々の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、工具基体に一層又は多層からなる被覆層を設け、該被覆層の少なくとも一層は少なくともチタンとアルミニウムと窒素を含む窒化チタンアルミニウム膜である窒化チタンアルミニウム膜被覆工具において、該窒化チタンアルミニウム膜の結晶構造が立方晶であり、引張り残留応力を有し、かつ含有塩素量が０．０１〜２質量％であることを特徴とする窒化チタンアルミニウム膜被覆工具が記載されている。
【０００４】
例えば、特許文献２には、複数層として、Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮからなる第１単位層と、Ｔｉ１−ｙＡｌｙＮからなる第２単位層とが交互に積層された多層構造を含み、前記第１単位層はｆｃｃ型結晶構造を有して、０＜ｘ＜０．６５であり、第２単位層はｈｃｐ型結晶構造を有して、０．６５≦ｙ＜１である皮膜を有し、前記第１単位層および前記第２単位層の各厚さは３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である被覆工具が記載されている。
【０００５】
また、例えば、特許文献３には、複数の結晶粒と、前記結晶粒の間の非晶質相と、を含み、前記結晶粒は、それぞれ、ｆｃｃ構造を有するＴｉ１−ｘＡｌｘＮ層と、ｈｃｐ構造を有するＴｉ１−ｙＡｌｙＮ層とが交互に積層された構造を有しており、０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、（ｙ−ｘ）≧０．１の関係を満たし、前記非晶質相は、ＴｉおよびＡｌの少なくとも一方の炭化物、窒化物または炭窒化物を含み、隣り合う前記Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮ層の１層当たりの厚さと前記Ｔｉ１−ｙＡｌｙＮ層の１層当たりの厚さとの合計厚さは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、硬質皮膜を有する被覆工具が記載されている。
【０００６】
加えて、例えば、特許文献４には、膜厚２〜１５μｍのｆｃｃ構造を主体とする窒化チタンアルミニウム皮膜からなる下層と、膜厚０．２〜１０μｍのｈｃｐ構造の窒化アルミニウム皮膜からなる上層とを有する硬質皮膜であって、前記上層は柱状結晶組織を有し、前記柱状結晶の平均横断面径が０．０５〜０．６μｍであり、前記上層における（１００）面のＸ線回折ピーク値Ｉａ（１００）と（００２）面のＸ線回折ピーク値Ｉａ（００２）との比が、Ｉａ（００２）／Ｉａ（１００）≧６の関係を満たす硬質皮膜からなり、前記上層が前記下層の上にエピタキシャル成長していることを特徴とする被覆工具が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３４１００８号公報
【特許文献２】特開２０１５−１２４４０７号公報
【特許文献３】特開２０１６−３３６９号公報
【特許文献４】国際公開２０１８／００８５５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１〜４に記載された被覆工具は、鋳鉄等の高速断続切削加工に供した場合には被覆工具のすくい面の皮膜における熱亀裂等の異常損傷が発生し、それを起点としたチッピングが発生しやすく、満足する切削性能を発揮するとはいえないものである。
【０００９】
そこで、本発明は、鋳鉄等の高速断続切削加工に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピングを備えることにより、長期の使用にわたって優れた切削性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】
【００１０】
本発明者は、硬質被覆層としてのＡｌとＭｅ（但し、Ｍｅは、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｎの中から選ばれる一種以上の元素）を含む複合窒化物層または複合炭窒化物層（以下、この複合窒化物層または複合炭窒化物層をＡｌＭｅＣＮ層とも表記する）の熱亀裂等の異常損傷に起因するチッピング発生について鋭意検討を行ったところ、耐摩耗性が良好なＮａＣｌ型の面心立方構造（立方晶構造ということがある）のＡｌとＴｉを含む複合窒化物層または複合炭窒化物層（以下、この複合窒化物層または複合炭窒化物層をＡｌＴｉＣＮ層とも表記する）の所定厚さの層を工具基体に近い側（工具基体側の層）に、潤滑性が良好で耐熱亀裂性に優れるＡｌＭｅＣＮ層のウルツ鉱型六方晶構造（六方晶構造ということがある）の所定厚さの層を工具表面に近い側（工具表面側の層）に、積層した層を少なくとも１つ設ければ、鋳鉄等の高速断続切削加工において耐チッピング性が向上するという新規な知見を得た。
【００１１】
本発明は、この知見に基づくものであって、
「（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、
（ａ）前記硬質被覆層は、１．５〜２５．０μｍの平均層厚を有し、
平均層厚が０．５〜５．０μｍの六方晶構造を主として含有するＡｌとＭｅ（但し、Ｍｅは、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｎの中から選ばれる一種以上の元素）の複合窒化物層または複合炭窒化物層を含んだα層と、
平均層厚が１．０〜２０．０μｍの立方晶構造を主として含有するＡｌとＴｉの複合窒化物層または複合炭窒化物層を含んだβ層とが、
前記α層を工具表面側とし、前記β層を前記工具基体側として積層された層を少なくとも一つ有する構造であり、
（ｂ）前記α層は、その組成を、
組成式：（ＡｌｘαＭｅ1 -ｘα）（ＣyαＮ１−yα）
で表した場合、ＡｌのＭｅとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘαおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙα（但し、ｘα、ｙαはいずれも原子比）が、それぞれ、０．７０≦ｘα≦０．９５かつ０．００００≦ｙα≦０．０１５０を満足し、
（ｃ）前記β層は、その組成を、
組成式：（ＡｌｘβＴｉ1 -ｘβ）（ＣyβＮ１−yβ）
で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘβおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙβ（但し、ｘβ、ｙβはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６５≦ｘβ≦０．９５かつ０．００００≦ｙβ≦０．０１５０を満足し、
（ｄ）前記α層はナノインデンテーション押し込み硬さＨαが１５ＧＰａ≦Ｈα≦２８ＧＰａであり、
（ｅ）前記β層はナノインデンテーション押し込み硬さＨβが３０ＧＰａ≦Ｈβ≦４５ＧＰａである、ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記ｘαと前記ｘβは、｜ｘβ−ｘα｜≦０．０４を満足することを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記ｘαと前記ｘβが、｜ｘβ−ｘα｜＞０．０４である場合において、前記α層と前記β層の間に立方晶構造を主として含有するＡｌとＴｉの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒を少なくとも含むＡｌＴｉＣＮ層δが存在し、
（ａ）前記ＡｌＴｉＣＮδ層は、その層厚方向に二等分した領域の、
前記工具基体側の領域の組成を組成式：（ＡｌｘδＬＴｉ（１−ｘδＬ））（ＣｙδＬＮ（１−ｙδＬ））で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘδＬと、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙδＬ（但し、ｘδＬ、ｙδＬはいずれも原子比）が、
また、その層厚方向に二等分した領域の前記工具表面側の領域の組成を組成式：（ＡｌｘδＨＴｉ（１−ｘδＨ））（ＣｙδＨＮ（１−ｙδＨ））で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘδＨと、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙδＨ（但し、ｘδＨ、ｙδＨはいずれも原子比）が、
ｘα≦ｘδＨ＜ｘδＬ＜ｘβもしくはｘβ＜ｘδＬ＜ｘδＨ≦ｘα、および、
０．００００≦ｙδＨ≦０．０１５０、且つ、０．００００≦ｙδＬ≦０．０１５０、を満足し、
（ｂ）前記ＴｉＡｌＣＮ層δは、その平均層厚をＬδとした場合、０．１μｍ≦Ｌδ≦１．０μｍ、を満たす、
ことを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（４）前記α層は微量のＣｌを含有し、ＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの含有割合ｚα（但し、ｚαは原子比）は０．００１５≦ｚα≦０．０１００を満足することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記β層は微量のＣｌを含有し、ＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの含有割合ｚβ（但し、ｚβは原子比）は０．０００１≦ｚβ≦０．００２０を満足することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（６）前記表面被覆切削工具のすくい面に前記α層とβ層との積層構造を含む前記硬質被覆層を有し、逃げ面に前記β層を含む硬質被覆層を有することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（７）前記α層は、前記工具基体の表面と垂直な縦断面から分析した場合、六方晶構造を有する結晶粒を７０面積％以上、９５面積％以下含み、
前記β層は、前記工具基体の表面と垂直な縦断面から分析した場合、立方晶構造を有する結晶粒を９０面積％以上含む、
ことを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る表面被覆切削工具は、硬さの低い六方晶構造を主として含有するＡｌＭｅＣＮ層（α層）を工具表面側に、硬さに優れる立方晶構造を主として含有するＡｌＴｉＣＮ層（β層）を工具基体側に積層した層を少なくとも１層設けることにより、逃げ面での耐摩耗性を維持しつつ、すくい面の潤滑性を向上させ、熱亀裂の発生を防ぐことにより、すくい面から逃げ面に至る損傷を防ぎ、鋳鉄等の高速断続切削であっても長寿命であるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】α層とβ層を積層した層が１層のときの硬質被覆層を示す模式図である。
【図２】本発明に係る表面被覆切削工具の硬質被覆層の別の実施形態あって、α層とβ層の間にδ層を有するものの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。これらの各種の基材の中でも、とりわけ、ＷＣ基超硬合金、サーメット（ＴｉＣＮ基サーメット）、ｃＢＮ焼結体を選択することが好ましい。その理由は、これらが高温における硬度と強度とのバランスに優れ、表面被覆切削工具の工具基体として優れているためである。
【００１６】
硬質被覆層の構造（全体の構造）
本発明に係る被覆工具は、図１に示すように、六方晶構造を有するＡｌとＭｅ（但し、Ｍｅは、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍｎの中から選ばれる一種以上の元素）の複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒を少なくとも含むＡｌＭｅＣＮ層のα層（α層ともいう）を工具表面側に、立方晶構造を有するＡｌとＴｉの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒を少なくとも含むＡｌＴｉＣＮ層のβ層（β層ともいう）を工具基体側に積層した層を少なくとも一つ含む硬質被覆層を有する。硬質被覆層をこのような構造とする理由は、潤滑性が良好で耐熱亀裂性に優れるα層を工具表面側に、耐摩耗性が良好であるβ層を工具基体側に、それぞれ、配置することにより、逃げ面における耐摩耗性を維持しつつ、すくい面における熱亀裂の発生を防止し、さらに、すくい面から逃げ面に至る損傷を防ぐことができ、鋳鉄等の高速断続切削加工においても長期にわたって優れた切削性能を発揮できるためである。
【００１７】
また、硬質被覆層は、前記α層とβ層とを積層した層を少なくとも一つ有していれば、これ以外の他の層を含んでいてもよい。他の層としては、例えば、α層とβ層のとの間に後述するＡｌＴｉＣＮのδ層の他、この積層した層と工具基体との間において密着性を向上させるような下地層が好ましく、さらに、この積層した層の上に設けられる上部層などで積層した層とともにチッピングをする等、損耗を促進するものでなければ含んでいても良い。
下地層としては、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、炭窒酸化物層の内の少なくとも１層を、上部層としては、Ｔｉの炭窒酸化物層、酸化アルミニウムの内の少なくとも１層を、それぞれ例示できる。それらの層の組成は、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く、従来公知のあらゆる原子比を含むものである。
【００１８】
硬質被覆層全体の平均層厚は、下地層と上部層を含み、後述するδ層の有無にかかわらず、１．５〜２５．０μｍの範囲が好ましい。この範囲とする理由は、１．５μｍ未満であると、α層とβ層の特性によってもたらされる硬質被覆層の特性は十分に発揮できず、一方、２５．０μｍを超えると、耐チッピング性が低下してしまう。
なお、特許請求の範囲および本明細書において、平均層厚とは、すくい面で測定した平均厚さをいう。
以下、各層について詳述する。
【００１９】
１．α層：
α層は、硬さは低いものの、潤滑性が良好であり、耐熱亀裂性に優れる、次のようなものである。
【００２０】
（１）平均層厚
α層の平均層厚Ｌαは、０．５〜５．０μｍが好ましい。この範囲とする理由は、平均層厚が０．５μｍ未満では、すくい面においても硬質被覆層が早期に摩滅してしまい、耐熱亀裂性の向上効果が発揮されず、一方、５．０μｍを超えるとα層内の結晶粒が大きくなりα層の耐チッピング性が低下するためである。
なお、α層とβ層の積層が複数あるとき、各α層の層厚は、前記範囲にあれば、同じであっても異なっていてもよい。
【００２１】
（２）結晶構造
α層は、六方晶構造を有するＡｌとＭｅとの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒を含むものである。
ここで、α層が六方晶構造を有するとは、六方晶構造の結晶粒を縦断面（工具基体に垂直な断面）に６０面積％以上有することが好ましく、硬質被覆層に潤滑性を与える非晶質層を含んでいてもよい。この面積割合を満足すると、α層の耐熱亀裂性が良好であるという特性をより確実に発揮することができる。また、六方晶構造の結晶粒は７０面積％以上、９５面積％以下の範囲で含まれることがより好ましい。
【００２２】
（３）ナノインデンテーション押し込み硬さ
α層のナノインデンテーション押し込み硬さＨαが１５ＧＰａ≦Ｈα≦２８ＧＰａであることが好ましい。この範囲とする理由は、１５ＧＰａ未満では、すくい面の耐摩耗性が不十分で早期に摩滅してしまい、耐熱亀裂性が向上されず、一方、２８ＧＰａを超えると潤滑性が低下、切屑との擦過抵抗が大きくなり耐熱亀裂性が低下するためである。
なお、特許請求の範囲および本明細書で記載するナノインデンテーション押し込み硬さは、ＩＳＯ  １４５７７の規定に基づいて測定したものである。
【００２３】
（４）組成
α層は、その組成を、組成式：（ＡｌｘαＭｅ1 -ｘα）（ＣyαＮ１−yα）で表した場合、ＡｌのＭｅとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘαおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙα（但し、ｘα、ｙαはいずれも原子比）が、それぞれ、０．７０≦ｘα≦０．９５かつ０．００００≦ｙα≦０．０１５０を満足することが好ましい。
【００２４】
Ａｌの平均含有割合をこの範囲とする理由は、０．７０未満であると、六方晶構造が安定的に形成されず、耐熱亀裂性が低下し、一方、０．９５を超えると、すくい面の耐摩耗性が不十分で早期に摩滅してしまい、耐熱亀裂性の向上効果が発揮されないからである。
また、Ｃの平均含有割合をこの範囲とすれば、潤滑性が向上することによって耐熱亀裂性が向上するが、この範囲を逸脱すると、硬さが低下し、すくい面の耐摩耗性が不十分で早期に摩滅してしまい、耐熱亀裂性の向上効果が発揮されないためである。
【００２５】
２．β層：
β層は、硬さに優れた層であり、次のようなものである。
【００２６】
（１）平均層厚
β層の平均層厚Ｌβは、１．０〜２０．０μｍが好ましい。この範囲とする理由は、平均層厚が１．０μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用にわたって耐摩耗性を十分確保することができず、一方、その平均層厚が２０．０μｍを超えると、β層の結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなるためである。
なお、α層とβ層の積層が複数あるとき、各β層の層厚は、前記範囲にあれば、同じであっても異なっていてもよい。
【００２７】
（２）結晶構造
β層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造（立方晶構造）を有するＡｌとＴｉとの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒を含むものである。
ここで、β層が立方晶構造を有するとは、立方晶構造の結晶粒を縦断面に７０面積％以上有することが好ましく、この面積割合を満足すると、β層の硬さが良好で耐摩耗性が優れるという特性をより確実に発揮することができる。また、立方晶構造の結晶粒は９０面積％以上含まれることがより好ましい。
【００２８】
（３）ナノインデンテーション押し込み硬さ
β層のナノインデンテーション押し込み硬さＨβが３０ＧＰａ≦Ｈβ≦４５ＧＰａであることが好ましい。この範囲とする理由は、３０ＧＰａ未満では、逃げ面の耐摩耗性が不十分であり、早期に寿命に達し、一方、４５ＧＰａを超えると皮膜の靱性が低下し、チッピングを発生しやすくなるためである。
【００２９】
（４）組成
β層は、その組成を、組成式：（ＡｌｘβＴｉ1 -ｘβ）（ＣyβＮ１−yβ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘβおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙβ（但し、ｘβ、ｙβはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６５≦ｘβ≦０．９５かつ０．００００≦ｙβ≦０．０１５０を満足することが好ましい。
【００３０】
Ａｌの平均含有割合をこの範囲とする理由は、０．６５未満であると、ＡｌＴｉＣＮ層は硬さに劣るため、耐摩耗性が十分でなく、一方、０．９５を超えると、Ｔｉの含有割合が低下し、六方晶構造の結晶粒を含有しやすくなり、耐摩耗性の低下を招くからである。
また、Ｃの平均含有割合をこの範囲とする理由は、潤滑性が向上することによって耐熱亀裂性が向上するが、この範囲を逸脱すると、硬さが低下し、逃げ面の耐摩耗性が不十分で早期に摩滅してしまい、早期に工具寿命に至ってしまうためである。
【００３１】
３．α層とβ層とのＡｌの平均含有割合の差：
α層におけるＡｌのＭｅとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘαとβ層におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘβは、｜ｘβ−ｘα｜≦０．０４を満足することが好ましい。
その理由は、α層とβ層との密着性を確保するためにはｘβとｘαの差は小さい方が望ましく、その差の絶対値がこの範囲以下であれば、より確実に密着性を確保することができるためである。
【００３２】
３．δ層：
｜ｘβ−ｘα｜＞０．０４である場合において、α層とβ層のより密着性の向上のために、両層の間にＮａＣｌ型の面心立方構造（立方晶構造）を有するＡｌＴｉＣＮのδ層を有していることがさらに好ましい。
【００３３】
（１）組成
δ層をその層厚方向に二等分したとき、
工具基体側の領域の組成を組成式：（ＡｌｘδＬＴｉ（１−ｘδＬ））（ＣｙδＬＮ（１−ｙδＬ））で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘδＬおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙδＬ（但し、ｘδＬ、ｙδＬはいずれも原子比）が、
工具表面側の領域の組成を組成式：（ＡｌｘδＨＴｉ（１−ｘδＨ））（ＣｙδＨＮ（１−ｙδＨ））で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘδＨおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙδＨ（但し、ｘδＨ、ｙδＨはいずれも原子比）が、
それぞれ、ｘα≦ｘδＨ＜ｘδＬ＜ｘβもしくはｘβ＜ｘδＬ＜ｘδＨ≦ｘα、および、０．００００≦ｙδＨ≦０．０１５０、且つ、０．００００≦ｙδＬ≦０．０１５０、を満足していることが好ましい。
【００３４】
δ層の組成をこのように規定する理由は、β層におけるｘβとδ層のｘδＬを近づけることで、β層とδ層の密着性をさらに向上させることができ、加えて、α層におけるｘαとδ層のｘδＨを近づけることで、α層との密着性も向上させることができ、δ層を介してα層とβ層の密着性を向上させて、耐チッピング性を高めることができるからである。
【００３５】
（２）δ層の平均層厚
δ層の平均層厚は、０．１〜１．０μｍとする。この範囲とする理由は、０．１μｍ未満であるとδ層の平均層厚が薄すぎて、δ層によって十分に被覆されていないβ層の領域が存在することにより、また、１．０μｍを超えるとδ層の結晶粒が粗大となって、α層の結晶粒の初期核発生が十分になされず核密度が高くないことにより、いずれも、α層とβ層の密着性の向上が期待できないためである。
【００３６】
４．α層とβ層に含まれる塩素量
α層とβ層は不純物としてＣｌを含んでいてもよい。
α層にＣｌを含有する場合は、ＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの含有割合ｚα（但し、ｚαは原子比）は０．００１５≦ｚα≦０．００１０を満足することが好ましい。その理由は、０．００１５未満では潤滑性が不十分で耐熱亀裂性が低下し、一方、０．００１０を超えると硬さが低下し、すくい面の耐摩耗性が不十分で早期に摩滅してしまい、耐熱亀裂性の向上効果が発揮されないためである。
【００３７】
β層にＣｌを含有する場合は、ＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの含有割合ｚβ（但し、ｚは原子比）は０．０００１≦ｚβ≦０．００２０を満足することが好ましい。その理由は、０．０００１未満では潤滑性が不十分で耐摩耗性が低下し、一方、０．００２０を超えると硬さが低下し、逃げ面の耐摩耗性が不十分で早期に摩滅してしまい、早期に寿命に至るためである。
【００３８】
５．すくい面にはα層とβ層を含む積層構造の硬質被覆層、逃げ面の表面にはβ層を含む硬質被覆層：
すくい面にはα層とβ層を含む積層構造の硬質被覆層を設け、逃げ面の表面にはα層を含まずβ層を含む硬質被覆層を設けることが好ましい。逃げ面にα層が設けられていてもよいが、被削材ともっとも擦れ合う逃げ面の表面には耐摩耗性が低いα層が存在しない方が、α層と一緒にその下地のβ層が脱落することを防止でき、工具寿命がより一層向上する。
【００３９】
６．α層、β層、δ層の平均層厚、組成、結晶構造（面積率）の測定
まず、硬質被覆層を集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  ｓｙｓｔｅｍ）、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ：Ｃｒｏｓｓ  ｓｅｃｔｉｏｎ  Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）等を用いて、研磨した縦断面を作成し、この縦断面において、縦方向（層厚方向）を硬質被覆層の層厚、横方向を工具基体に平行な１００μｍの四角形を測定領域とし、電子線後方散乱解析装置（ＥＢＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて、前記測定領域に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流にて、０．０１μｍの間隔で照射して得られる電子線後方散乱回折像に基づき、個々の結晶粒の結晶構造を解析することにより、結晶構造の異なる領域の境界を画定する。
【００４０】
さらに、前記結晶構造の異なる領域の境界を含むようにオージェ電子分光法（ＡＥＳ：Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｐｓｃｏｐｙ）を用いて層厚方向にライン分析を行って得られる解析結果を基にα層、β層、δ層の鑑別を行う。α層とβ層の間にδ層を含む場合には、Ａｌの平均含有割合の傾斜変化あるいはステップ状変化が観察される（α層とδ層の境界はＴｉもしくは前記Ｍｅ成分の有無からも鑑別することが出来る。）。なお、α層とβ層の間にδ層を含まない場合には、前記結晶構造の異なる領域の境界がα層とβ層の境界になる。
【００４１】
電子線後方散乱解析装置（ＥＢＳＤ）の解析に当たり、隣接する測定点（ピクセル）間で５度以上の方位差がある箇所を粒界と定義する。ただし、隣接するピクセルすべてと５度以上の方位差がある単独に存在するピクセルは結晶粒とは扱わず、２ピクセル以上連結しているものを結晶粒と扱う。このようにして、各結晶粒を決定し、その結晶構造を鑑別することにより、層厚方向に六方晶構造または立方晶構造の結晶粒の面積率を求める。
【００４２】
前記各層の境界が画定すれば、画定した各層の境界領域間で平均層厚を求めることができ、また、α層とβ層、δ層のＡｌの平均含有割合（ｘα、ｘβ、ｘδＬ、ｘδＨ）は、前記オージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いて電子線を照射して層厚方向に複数（例えば、５本以上）のライン分析を行って得られる解析結果を平均することにより求めることができる。
【００４３】
さらに、α層、β層、δ層のＣの平均含有割合（ｙα、ｙβ、ｙδＬ、ｙδＨ）は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって各層毎に求めることができる。すなわち、イオンビームによる面分析とスパッタイオンビームによるエッチングを交互に繰り返すことにより、深さ方向の含有割合測定を行う。具体的には、前記各層において、０．０５μｍ以上侵入した箇所から、層厚方向に０．０１μｍ以下のピッチで少なくとも０．０５μｍの長さで測定を行った平均値を求め、これを少なくとも５箇所行って算出した平均値を、各層のＣの平均含有割合として求める。
【００４４】
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の上に、例えば、次の組成のガス群Ａとガス群Ｂとからなる２種の反応ガス所定の位相差で供給することによって得ることができる。
【００４５】
反応ガスのガス組成の一例として、％は容量％（ガス群Ａとガス群Ｂの和を全体としている）として、
（１）α層形成用の反応ガス
ガス群Ａ：ＮＨ３：４．０〜１０．０％、Ｈ２：４０〜５０％、
Ｎ２：３．０〜５．０％、Ａｒ：１．０〜５．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６０〜１．００％、
ＭｅＣｌｘ（Ｍｅの塩化物）：０．１０〜０．２０％
Ｃ２Ｈ４：０．００〜１．５０％、Ｎ２：０．０〜１２．０％、
ＨＣｌ：０．００〜０．１０％、Ｈ２：残
ＭｅＣｌｘは、Ｍｅ成分ごとに前記％を満足すればよい。
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃
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
【００４６】
（２）β層形成用の反応ガス
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０〜３．０％、Ｈ２：３０〜４０％、Ｎ２：６．０〜１０．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６０〜１．００％、ＴｉＣｌ４：０．０７〜０．４０％、
Ｃ２Ｈ４：０．００〜１．５０％、Ｎ２：０．０〜１２．０％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃
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
【００４７】
（３）δ層形成用の反応ガス
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．８〜７．４％、Ｎ２：３．６〜８．５％、
Ａｒ：０．０〜２．４％、Ｈ２：３３〜４８％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６０〜０．７４％、ＴｉＣｌ４：０．１０〜０．３２％、
Ｃ２Ｈ４：０．００〜１．５０％、Ｎ２：０．０〜１２．０％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．６〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７４０〜８７５℃
供給周期：２．００〜５．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５〜０．２２秒
ガス群Ａとガス群Ｂとの供給の位相差：０．１０〜０．１５秒
ガス組成をδ層成膜期間中に直線的（傾斜）、または、成膜期間前半と後半をステップ状に変化させる。
【実施例】
【００４８】
次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明被覆工具の具体例として、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、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ基超高圧焼結体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。
【００４９】
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、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＮ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、このプレス成形体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮ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〜Ｃ、およびＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ｄ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００５０】
次に、これら工具基体Ａ〜Ｆの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、各層をＣＶＤにより形成し、表７、表８に示される本発明被覆工具１〜１０を得た。
成膜条件は、表２、３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％（ガス群Ａとガス群Ｂの和を全体としている）である。
【００５１】
（１）α層形成用の反応ガス
ガス群Ａ：ＮＨ３：４．０〜１０．０％、Ｈ２：４０〜５０％、Ｎ２：３．０〜５．０％、
Ａｒ：１．０〜５．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６０〜１．００％、
ＭｅＣｌｘ（Ｍｅの塩化物）：０．１０〜０．２０％
Ｃ２Ｈ４：０．００〜１．５０％、Ｎ２：０．０〜１２．０％、
ＨＣｌ：０．００〜０．１０％、Ｈ２：残
ＭｅＣｌｘは、Ｍｅ成分ごとに前記％を満足すればよい。
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃
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
【００５２】
（２）β層形成用の反応ガス
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０〜３．０％、Ｈ２：３０〜４０％、Ｎ２：６．０〜１０．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６０〜１．００％、ＴｉＣｌ４：０．０７〜０．４０％、
Ｃ２Ｈ４：０．００〜１．５０％、Ｎ２：０．０〜１２．０％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜８５０℃
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
【００５３】
（３）δ層形成用の反応ガス
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．８〜７．４％、Ｎ２：３．６〜８．５％、
Ａｒ：０．０〜２．４％、Ｈ２：３３〜４８％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６０〜０．７４％、ＴｉＣｌ４：０．１０〜０．３２％、
Ｃ２Ｈ４：０．００〜１．５０％、Ｎ２：０．０〜１２．０％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．６〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７４０〜８７５℃
供給周期：２．００〜５．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５〜０．２２秒
ガス群Ａとガス群Ｂとの供給の位相差：０．１０〜０．１５秒
ガス組成をδ層成膜期間中に直線的（傾斜）または、成膜期間前半と後半をステップ状に変化させる。
【００５４】
また、本発明被覆工具６、７、９、１１は、表６に示された成膜条件により表８に示されたδ層を形成した。
なお、本発明被覆工具１〜６は、表４に示された成膜条件により表５に示された下地層、上部層を形成した。
【００５５】
比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表２、３に示される条件によりＣＶＤ装置による成膜を行うことにより、表７に示される比較被覆工具１〜１０を製造した。また、比較被覆工具５、７は、表６に示された成膜条件により表８に示されたδ層を形成した。
なお、比較被覆工具１〜６は、表４に示された成膜条件により表５に示された下地層、上部層を形成した。
【００５６】
本発明被覆工具１〜２０および比較被覆工具１〜１０について、前述した方法により、各層の組成、平均層厚、立方晶構造および六方晶構造の結晶粒の面積率、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の面積率を求め、結果を表７、表８に示す。
【００５７】
【表１】
2020138302.tif 000003
【００５８】
【表２】
2020138302.tif 000004
【００５９】
【表３】
2020138302.tif 000005
【００６０】
【表４】
2020138302.tif 000006
【００６１】
【表５】
2020138302.tif 000007
【００６２】
【表６】
2020138302.tif 000008
【００６３】
【表７】
2020138302.tif 000009
【００６４】
【表８】
2020138302.tif 000010
【００６５】
次に、前記本発明被覆工具１〜２０および比較被覆工具１〜１０について、次の切削試験１（本発明被覆工具１〜１０、比較被覆工具１〜１０）および切削試験２（本発明被覆工具１１〜２０、比較被覆工具１〜１０）を行い、その結果を表９、表１０にそれぞれ示す。
【００６６】
１．切削試験１：乾式高速正面フライス、センターカット切削加工
カッタ径：  １２５ｍｍ
被削材：  ＪＩＳ  ＦＣＤ８００  幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍブロック材
回転速度：  ７６４ｒｅｖ／ｍｉｎ
切削速度：  ３００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：  ２．０ｍｍ
一刃送り量：  ０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：  ８分
（通常切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）
【００６７】
２．切削試験２：乾式高速断続切削加工
被削材：  ＪＩＳ  ＦＣＤ８００  長さ方向等間隔８本の縦溝入り丸棒
切削速度：  ３００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：  ２．０ｍｍ
送り：  ０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：  ５分
（通常切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）
【００６８】
【表９】
2020138302.tif 000011
【００６９】
【表１０】
2020138302.tif 000012
【００７０】
表９、表１０に示される結果から、本発明被覆工具１〜２０は、いずれも硬質被覆層が優れた耐チッピング性を有しているため、鋳鉄等の高速断続切削加工に用いた場合であっても熱亀裂および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１〜１０は、鋳鉄等の高速断続切削加工に用いた場合チッピングが発生し、短時間で使用寿命に至っている。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
前述のように、本発明の被覆工具は、鋳鉄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、切削装置の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。
【図１】
2020138302.tif 000013
【図２】
2020138302.tif 000014