(57)【要約】【課題】鋳鉄・合金鋼等の高速断続切削加工に用いても、耐チッピング性を備え長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する切削工具【解決手段】工具基体表面に、平均層厚２．０〜２０．０μｍの（Ｔｉ（１−ｘ）Ａｌｘ）（ＣｙＮ（１−ｙ））で表わされるＴｉＡｌＣＮ層を設け、Ａｌの平均含有割合ｘａｖｇとＣの平均含有割合ｙａｖｇが０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０．００≦ｙａｖｇ≦０．０５、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒が占める面積割合が９０面積％以上で、ＴｉＡｌＣＮ層を層厚方向に二等分した上層側領域の結晶粒個々の結晶粒径ｄを求めた場合０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒が全面積に対し１０〜４０面積％存在し、上層側領域でｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒同士が隣接してつながった各領域の工具基体表面に平行な方向の最大長さの平均値が５．０μｍ以下の表面被覆切削工具【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において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚２．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記複合窒化物層または複合炭窒化物層を組成式：（Ｔｉ（１−ｘ）Ａｌｘ）（ＣｙＮ（１−ｙ））で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘａｖｇとＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙａｖｇ、（但し、ｘａｖｇ、ｙａｖｇはいずれも原子比）がそれぞれ、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０．００≦ｙａｖｇ≦０．０５を満足し、
（ｃ）前記複合窒化物層または複合炭窒化物層は、該層の縦断面を観察した場合に、複合窒化物または複合炭窒化物のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が占める面積割合が９０面積％以上を満足し、
（ｄ）さらに、前記複合窒化物層または複合炭窒化物層を層厚方向に、上層側と下層側に二等分した上層側の領域において、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒個々の結晶粒径ｄを求めた場合、該結晶粒径ｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒が前記上層側の領域の複合窒化物層または複合炭窒化物層の全面積に対する面積割合で１０〜４０面積％存在し、
（ｅ）加えて、前記二等分した上層側の領域において、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒個々の結晶粒径ｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒同士が隣接し、つながった各領域の工具基体表面に平行な方向の最大長さＬの平均値Ｌ（ｄｓｕｍ）がＬ（ｄｓｕｍ）≦５．０μｍ、
を満足する表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記複合窒化物層または複合炭窒化物層は、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の占める面積割合が９５面積％以上であ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】
前記複合窒化物層または複合炭窒化物層を構成する結晶粒のうちの前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒個々の結晶粒径ｄが０．２０μｍ＜ｄの結晶粒について、アスペクト比Ａが２〜２０である結晶粒が前記複合窒化物層または複合炭窒化物層の全面積に対する面積割合で３０面積％以上存在することを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記複合窒化物層または複合炭窒化物層を構成する結晶粒のうちの前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の｛１１１｝面の法線と工具基体表面に対して垂直な方向とがなす傾斜角を測定して傾斜角度数分布を求めたとき、０〜１２度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、かつ、０〜１２度の範囲内に存在する度数の合計は、前記傾斜角度数分布における度数全体の４５％以上であることを特徴とする請求項１〜３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・合金鋼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、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットあるいは立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結体で構成された工具基体（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系の複合炭窒化物層を物理蒸着法により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、硬質被覆層の潤滑性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、基体上にＣＶＤにより成膜された、厚さが１〜１６μｍで８５体積％以上のｆｃｃ構造の結晶粒を有する硬質皮膜であるＴｉ１−ｘＡｌｘＣｙＮｚ層（０．４０≦ｘ≦０．９５、０≦ｙ≦０．１０、０．８５≦ｚ≦１．１５）を有し、該層の結晶粒界には六方晶構造のＡｌＮを有するＴｉ１−ｏＡｌｏＣｐＮｑ（０．９５≦ｏ≦１．００、０≦ｐ≦０．１０、０．８５≦ｑ≦１．１５、ｏ−ｘ≧０．０５）が析出している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、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、ｆｃｃ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、前記Ｔｉ1-xＡｌxＮ層のＡｌ組成比ｘは、０≦ｘ＜１の関係を満たし、前記Ｔｉ1-yＡｌyＮ層のＡｌ組成比ｙは、０＜ｙ≦１の関係を満たし、前記Ａｌ組成比ｘと前記Ａｌ組成比ｙとは、（ｙ−ｘ）≧０．２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む、硬質皮膜を有する被覆工具が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際特許公開２０１７／０１６８２６号
【特許文献２】特開２０１６−３３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び２に記載された硬質皮膜は、結晶粒界に六方晶、非晶質相という一般的に強度を低下させる相を有しているため、より負荷の高い高速断続切削に供した場合は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ことは難しい。
【０００７】
そこで、本発明は、鋳鉄・合金鋼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切削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、硬質被覆層としてのＴｉとＡｌとの複合窒化物層または複合炭窒化物層（以下、複合窒化物層または複合炭窒化物層をＴｉＡｌＣＮ層とも表記する）の耐チッピング性向上について鋭意検討を行ったところ、粒径の大きい結晶粒の間に適度に小さな結晶粒（微結晶粒）が存在すると、粒径の大きな結晶粒が与える耐摩耗性を維持しつつ、切削時のクラックの伝播が阻害され、鋳鉄・合金鋼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。
【０００９】
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において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚２．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記複合窒化物層または複合炭窒化物層を組成式：（Ｔｉ（１−ｘ）Ａｌｘ）（ＣｙＮ（１−ｙ））で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘａｖｇとＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙａｖｇ（但し、ｘａｖｇ、ｙａｖｇはいずれも原子比）がそれぞれ、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０．００≦ｙａｖｇ≦０．０５を満足し、
（ｃ）前記複合窒化物層または複合炭窒化物層は、該層の縦断面を観察した場合に、複合窒化物または複合炭窒化物のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が占める面積割合が９０面積％以上を満足し、
（ｄ）さらに、前記複合窒化物層または複合炭窒化物層を層厚方向に上層側と下層側に二等分した上層側の領域において、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒個々の結晶粒径ｄを求めた場合、該結晶粒径ｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒が前記上層側の領域の複合窒化物層または複合炭窒化物層の全面積に対する面積割合で１０〜４０面積％存在し、
（ｅ）加えて、前記二等分した上層側の領域において、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒個々の結晶粒径ｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒同士が隣接し、つながった各領域の工具基体表面に平行な方向の最大長さＬの平均値Ｌ（ｄｓｕｍ）がＬ（ｄｓｕｍ）≦５．０μｍ、
を満足する表面被覆切削工具。
（２）前記複合窒化物層または複合炭窒化物層は、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の占める面積割合が９５面積％以上であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記複合窒化物層または複合炭窒化物層を構成する結晶粒のうちの前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒個々の結晶粒径ｄが０．２０μｍ＜ｄの結晶粒について、アスペクト比Ａが２〜２０である結晶粒が前記複合窒化物層または複合炭窒化物層の全面積に対する面積割合で３０面積％以上存在することを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４）前記複合窒化物層または複合炭窒化物層を構成する結晶粒のうちの前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の｛１１１｝面の法線と工具基体表面に対して垂直な方向とがなす傾斜角を測定して傾斜角度数分布を求めたとき、０〜１２度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、かつ、０〜１２度の範囲内に存在する度数の合計は、前記傾斜角度数分布における度数全体の４５％以上であることを特徴とする（１）〜（３）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】
【００１０】
本発明の被覆工具は、硬質被覆層が優れた耐チッピング性を備え、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の硬質被覆層の縦断面（工具基体表面に垂直な断面）の模式図であり、結晶粒径ｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍに当たるものを微粒組織、０．２０μｍ≦ｄに当たるものを粗粒組織と表記している。各組織の形状や寸法は実際の組織を写生したものではない。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の切削工具について、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。なお、下限の数値の単位は、上限の数値と同じものである。
【００１３】
硬質被覆層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、組成式：（Ｔｉ（１−ｘ）Ａｌｘ）（ＣｙＮ（１−ｙ））で表されるＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含む。このＴｉＡｌＣＮ層は、硬さが高く、優れた耐摩耗性を有するが、特に平均層厚が２．０〜２０．０μｍのとき、その効果が際立って発揮される。その理由は、平均層厚が２．０μｍ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、ＴｉＡｌＣＮ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。平均層厚は、４．０〜１２．０μｍがより好ましい。
【００１４】
ＴｉＡｌＣＮ層の組成：
本発明のＴｉＡｌＣＮ層は、上記組成式：（Ｔｉ（１−ｘ）Ａｌｘ）（ＣｙＮ（１−ｙ））で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙａｖｇ（但し、ｘａｖｇ、ｙａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０．００≦ｙａｖｇ≦０．０５を満足するように組成を制御する。
その理由は、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、合金鋼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い。一方、Ａｌの平均含有割合ｘａｖｇが０．９５を超えると、硬さに劣る六方晶の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。
また、ＴｉＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の平均含有割合ｙａｖｇを０．００≦ｙａｖｇ≦０．０５と定めたのは、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、ここでいうＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層（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。
【００１５】
ここで、ＴｉＡｌＣＮ層のＡｌの平均含有割合ｘａｖｇは、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用い、試料断面を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。また、Ｃの平均含有割合ｙａｖｇについては、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と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の深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Ｃの平均含有割合ｙａｖｇとして求める。
【００１６】
ＴｉＡｌＣＮ層内のＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒の面積割合：
前記ＴｉＡｌＣＮ層にはＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒（立方晶結晶粒ということがある）が存在することが必要であり、該層の縦断面を観察した場合に、その面積割合として少なくとも９０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、９５面積％以上がより好ましく、１００面積％であってもよい。
【００１７】
ＴｉＡｌＣＮ層を層厚方向に、上層側と下層側に二等分した上層側の領域におけるＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒の粒径と面積割合：
ＴｉＡｌＣＮ層を層厚方向に、上層側と下層側に二等分した上層側の領域におけるＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒個々の結晶粒径ｄが、０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍとなる微結晶が存在することが好ましい。その理由は、０．２０μｍ＜ｄの大きな結晶粒の間に微結晶が存在し、この微結晶の結晶粒径が０．０１μｍ以下であると粒径が小さすぎ、また、０．２０μｍを超えると結晶粒が大きくなって結晶粒界が減少するため、耐チッピング性の向上がなされないためである。
また、この微結晶の面積割合は、ＴｉＡｌＣＮ層の前記上層側の領域において、１０〜４０面積％であることが好ましい。その理由は、１０面積％未満となると微結晶が少なくなりクラック伝播の阻害が十分になされず、一方、４０面積％を超えると切削時の微結晶粒の離脱が顕著になり、いずれも耐チッピング性の向上がなされないためである。
【００１８】
ＴｉＡｌＣＮ層を層厚方向に、上層側と下層側に二等分した上層側の領域におけるＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒について、粒径ｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒同士が隣接し、つながった各領域の工具基体表面に平行な方向の最大長さＬの平均値Ｌ（ｄｓｕｍ）：
ＴｉＡｌＣＮ層を層厚方向に、上層側と下層側に二等分した上層側の領域における結晶粒の結晶粒径ｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒同士が隣接して、つながった各領域（粒径ｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒のみで形成される領域）それぞれの工具基体表面に平行な方向の最大長さＬの平均値Ｌ（ｄｓｕｍ）が、０．２μｍ≦Ｌ（ｄｓｕｍ）≦５．０μｍを満足すことが好ましい。その理由は、Ｌ（ｄｓｕｍ）が５．０μｍを超えると、微結晶粒が工具基体表面に平行な方向に層状に存在することになり、耐チッピング性の向上が期待できず、Ｌ（ｄｓｕｍ）が０．２μｍ未満であっても、微結晶粒の集まりが小さいもしくは少なく、耐チッピング性の向上が期待できないためである。なお、各領域における最大長さＬとは、該領域を画定する結晶粒の粒界上の異なる２点を結んだ最大長さである。
【００１９】
ここで、ＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒の結晶粒径、面積割合および前記最大長さＬは、次のように測定する。ＴｉＡｌＣＮ層を層厚方向に、上層側と下層側に二等分した上層側の領域の縦断面において、工具基体表面に平行な方向に１００μｍ、層厚方向に平均層厚を二等分した長さの範囲を測定範囲とする。この測定範囲を研磨し、電子線後方散乱回折像装置を用いて、この研磨面に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、電子線を０．０１μｍ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ＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒個々の結晶構造を解析する。すなわち、隣接する測定点（ピクセル）間で５度以上の方位差がある場合、そこを粒界と定義し、粒界で囲まれた領域を１つの結晶粒と定義する。ただし、隣接するピクセル全てと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せず、２ピクセル以上が連結しているものを結晶粒として取り扱う。結晶粒径は、定義された結晶粒と同じ面積を有する円の直径と定義する。また、面積割合は、各結晶粒の面積の和の前記測定範囲の面積に対する割合とする。さらに、前記測定範囲において、結晶粒径ｄが０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍの結晶粒同士が隣接して、つながった各領域を特定し、各領域においてその最大長さＬを求め、その平均値Ｌ（ｄｓｕｍ）を算出する。
【００２０】
ＴｉＡｌＣＮ層内におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する粒径ｄが０．２０μｍ＜ｄの結晶粒について、アスペクト比Ａが２〜２０である結晶粒の面積割合：
ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒個々の結晶粒径が０．２０μｍ＜ｄの結晶粒について、該層の縦断面を観察した場合に、アスペクト比Ａが２〜２０である結晶粒が複合窒化物層または複合炭窒化物層の全面積に対する面積割合で３０〜９０面積％で存在することが好ましい。この数値範囲とする理由は、結晶粒が適度なアスペクト比Ａと面積割合を持つことによって、前記層の耐摩耗性と耐チッピング性を向上させることができるためである。すなわち、アスペクト比Ａが２未満の結晶粒の面積割合が多い場合やアスペクト比Ａが範囲内にあってもその面積割合が３０％よりも低い場合は、十分な柱状組織となっていないため、アスペクト比の小さな等軸結晶の脱落を招き、その結果、十分な耐摩耗性の向上効果を発揮することができず、一方、アスペクト比Ａが２０を超える結晶粒の面積割合が多い場合、結晶粒そのものが強度を保つことができず、十分な耐チッピング性の向上効果が発揮できないためである。また、アスペクト比Ａが前記範囲内であっても、その面積割合が高すぎるとＴｉＡｌＣＮ層自体の靭性が向上するが、基材との耐剥離性が低下し、結果として耐チッピング性の向上効果を発揮できないためである。
【００２１】
なお、アスペクト比Ａは、走査型電子顕微鏡を用い、幅１００μｍ、高さが硬質被覆層全体を含む範囲で硬質被覆層の縦断面観察を行った際に、工具基体表面と垂直な皮膜断面側から観察し、基体表面と平行な方向の粒子幅ｗ、基体表面に垂直な方向の粒子長さｌを測定し、Ａ＝ｌ/ｗとして算出する。
【００２２】
ＴｉＡｌＣＮ層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線と工具基体表面に対して垂直な方向とがなす傾斜角の度数分布：
ＴｉＡｌＣＮ層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線と工具基体表面に対して垂直な方向とがなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、前記法線方向に対して０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を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、０〜１２度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１２度の範囲内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４５〜９０％の割合を占めていることが好ましい。その理由は、この範囲にあると、結晶粒の向きが一定の範囲で同方位に揃うことにより、結晶粒界の強度が向上し、結果として耐摩耗性、耐チッピング性が共に向上するためである。すなわち、４５％未満の場合は耐摩耗性が向上せず、９０％超えの場合は耐チッピング性の向上が期待できず、結果として切削性能の向上効果を発揮できないためである。
【００２３】
ここで、前記傾斜角度分布は次のようにして求めるものである。
まず、ＮａＣｌ型の面心立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を含む硬質被覆層の縦断面（工具基体表面に垂直な断面）を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットする。前記研磨面（断面研磨面）において、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内に存在するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒個々に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。
【００２４】
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度の範囲内にある傾斜角を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、０〜１２度の範囲内に存在する度数の最高ピークの有無を確認し、かつ０〜４５度の範囲内に存在する度数（傾斜角度数分布における度数全体）に対する０〜１２度の範囲内に存在する度数の割合を求める。なお、傾斜角度分布グラフにおいて、前記０〜１２度の範囲内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５０％以上であることがより好ましい。
なお、傾斜角度数分布を求めるに当たり、理想的なランダム配向の場合、傾斜角度数は工具基体表面の法線方向に対するある結晶面の法線方向がなす傾斜角によらず一定の値になるように規格化している。
【００２５】
その他の層：
硬質被覆層として、本発明の前記ＴｉＡｌＣＮ層は十分な耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、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うちの１層または２層以上からなり、０．１〜２０．５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含む下部層を工具基体に隣接して設けた場合、および／または、少なくとも酸化アルミニウム層を含む層が１．０〜２５．５μｍの合計平均層厚で上部層として前記ＴｉＡlＣＮ層の上に設けられた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層優れた耐摩耗性および熱的安定性を発揮することができる。
ここで、下部層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に奏されず、一方、２０．５μｍを超えると下部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。また、酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１．０μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２５．５μｍを超えると上部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。
【００２６】
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、さらに、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）、またはｃＢＮ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、切削工具の工具基体として優れているためである。
【００２７】
成膜方法（条件）：
本発明のＴｉＡｌＣＮ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上に、例えば、ＮＨ３とＮ２とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、Ｎ２、Ｃ２Ｈ４、Ｈ２からなるガス群Ｂと、からなる２種の反応ガス（反応ガス（１）と反応ガス（２））をそれぞれ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。
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、次の反応ガス（１）と反応ガス（２）を使用する。
【００２８】
反応ガス（１）
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０〜３．０％、Ｎ２：０．０〜５．０％、Ｈ２：５０〜６０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６０〜１．００％、ＴｉＣｌ４：０．１０〜０．４０％、
Ｎ２：２．０〜１０．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０〜３．０％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：６５０〜８５０℃
供給周期：４．００〜３０．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．３０〜０．９０秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０〜０．３０秒
【００２９】
反応ガス（２）
ガス群Ａ：ＮＨ３：０．２〜０．６％、Ｎ２：０．０〜５．０％、Ｈ２：５０〜６０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．０６〜０．２０％、ＴｉＣｌ４：０．０１〜０．０６％、
Ｎ２：２．０〜１０．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０〜０．５％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：６５０〜８５０℃
供給周期：４．００〜３０．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．３０〜０．９０秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０〜０．３０秒
反応ガス（１）と反応ガス（２）の位相差：２．００〜１５．００秒
【実施例】
【００３０】
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。
【００３１】
＜実施例１＞
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、この圧粉体を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をそれぞれ製造した。
【００３２】
次に、これら工具基体Ａ〜Ｃの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、ＴｉＡｌＣＮ層をＣＶＤにより形成し、表６に示される本発明被覆工具１〜１１を得た。
成膜条件は、表２および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。
反応ガス（１）
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０〜３．０％、Ｎ２：０．０〜５．０％、Ｈ２：５０〜６０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６０〜１．００％、ＴｉＣｌ４：０．１０〜０．４０％、
Ｎ２：２．０〜１０．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０〜３．０％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：６５０〜８５０℃
供給周期：４．００〜３０．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．３０〜０．９０秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０〜０．３０秒
【００３３】
反応ガス（２）
ガス群Ａ：ＮＨ３：０．２〜０．６％、Ｎ２：０．０〜５．０％、Ｈ２：５０〜６０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．０６〜０．２０％、ＴｉＣｌ４：０．０１〜０．０６％、
Ｎ２：２．０〜１０．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０〜０．５％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：６５０〜８５０℃
供給周期：４．００〜３０．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．３０〜０．９０秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０〜０．３０秒
反応ガス（１）と反応ガス（２）の位相差：２．００〜１５．００秒
なお、本発明被覆工具４〜１１は、表４に記載された成膜条件により、表５に示された下部層および／または上部層を形成した。
【００３４】
また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表２および３に示される条件によりＣＶＤを行うことにより、表６に示されるＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層を蒸着形成して比較被覆工具１〜１１を製造した。
なお、比較被覆工具４〜１１については、表４に示される形成条件により、表５に示された下部層および／または上部層を形成した。
【００３５】
さらに、前記本発明被覆工具１〜１１および比較被覆工具１〜１１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ｘａｖｇ、Ｎの平均含有割合ｙａｖｇを求めた。ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の面積割合、アスペクト比Ａが２〜２０である結晶粒の面積割合、さらには、｛１１１｝面の法線がなすそれぞれの傾斜角度数分布において、傾斜角が０〜１２度の範囲内に存在する度数の割合を求めた。また、ＴｉＡｌＣＮ層の前記上層側領域において０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍのＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の占める面積割合、工具基体表面に平行な方向の最大長さＬの平均値Ｌ（ｄｓｕｍ）を求めた。これらの結果を表６にまとめた。
【００３６】
なお、平均層厚は、本発明被覆工具１〜１１、比較被覆工具１〜１１の各構成層の縦断面（工具基体表面に垂直な方向の断面）を、走査型電子顕微鏡を用いて適切な倍率(例えば倍率５０００倍)を選択して観察し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して求め、そして、ＴｉＡｌＣＮ層の表面から平均層厚の半分の長さまでの領域を上層側の領域とした。
【００３７】
【表１】
2020055097.tif 000003
【００３８】
【表２】
2020055097.tif 000004
【００３９】
【表３】
2020055097.tif 000005
【００４０】
【表４】
2020055097.tif 000006
【００４１】
【表５】
2020055097.tif 000007
【００４２】
【表６】
2020055097.tif 000008
【００４３】
続いて、前記本発明被覆工具１〜１１および比較被覆工具１〜１１について、いずれもカッタ径１００ｍｍの工具鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、以下に示す、合金鋼の乾式高速正面フライス、センターカット切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。表７に、切削試験の結果を示す。なお、比較被覆工具１〜１１については、チッピング発生が原因で寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。
【００４４】
切削試験１：乾式高速正面フライス、センターカット切削試験
カッタ径：１００ｍｍ
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０  幅８０ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材
回転速度：１１１４ｍｉｎ−１
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：３．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／刃
切削時間：８分
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）
【００４５】
【表７】
2020055097.tif 000009
【００４６】
＜実施例２＞
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８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。その後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を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た。焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことにより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α〜γをそれぞれ製造した。
【００４７】
次に、これらの工具基体α〜γの表面に、実施例１と同様の方法により表２および３に示される条件で、ＣＶＤ装置を用いて、ＴｉＡｌＣＮ層を形成し、表１０に示される本発明被覆工具１２〜２２を得た。
なお、本発明被覆工具１５〜２０、２２は、表４に記載された成膜条件により、表９に示された下部層および／または上部層を形成した。
【００４８】
また、実施例１と同様に、比較の目的で、工具基体α〜γの表面に、表２および３に示される条件によりＣＶＤ法を用いることにより、表１０に示されるＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層を蒸着形成して比較被覆工具１２〜２２を製造した。
なお、比較被覆工具１５〜２０、２２については、表４に示される形成条件により、表９に示された下部層および／または上部層を形成した。
【００４９】
また、実施例１と同様に、前記本発明被覆工具１２〜２２、比較被覆工具１２〜２２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ｘａｖｇ、Ｎの平均含有割合ｙａｖｇを求めた。ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の面積割合、アスペクト比Ａが２〜２０である結晶粒の面積割合、さらには、｛１１１｝面の法線がなすそれぞれの傾斜角度数分布において、傾斜角が０〜１２度の範囲内に存在する度数の割合を求めた。また、ＴｉＡｌＣＮ層の前記上層側の領域において０．０１μｍ＜ｄ≦０．２０μｍのＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の占める面積割合、工具基体表面に平行な方向の最大長さＬの平均値Ｌ（ｄｓｕｍ）を求めた。これらの結果を表１０にまとめた。
なお、平均層厚と上層側の領域は、実施例１と同様とした。
【００５０】
【表８】
2020055097.tif 000010
【００５１】
【表９】
2020055097.tif 000011
【００５２】
【表１０】
2020055097.tif 000012
【００５３】
次に、前記各種の被覆工具をいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆工具１２〜２２、比較被覆工具１２〜２２について、以下に示す、乾式断続切削試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。その結果を表１１に示す。なお、比較被覆工具１２〜２２については、チッピング発生が原因で寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。
【００５４】
切削試験：乾式高速断続切削加工
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ６００  長さ方向等間隔８本縦溝入り丸棒
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：３．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５分
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）
【００５５】
【表１１】
2020055097.tif 000013
【００５６】
表７、表１１に示される結果から、本発明被覆工具１〜２２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・合金鋼等の高速断続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１〜２２は、鋳鉄・合金鋼等の高速断続切削加工に用いた場合に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】
【００５７】
前述のように、本発明の被覆工具は、鋳鉄・合金鋼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】
2020055097.tif 000014