(57)【要約】【課題】硬質被覆層の耐剥離性、耐チッピング性にすぐれた表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】基体表面にＣｏ濃化中間層を介し硬質被覆層が形成され、中間層は基体側からいずれも平均層厚１〜５０ｎｍのＣｏ２．０原子％以上含有のＷＣｏＣ層と、ＴｉＣｏＣＮ層とからなり、硬質被覆層は（Ｔｉ１−α−βＡｌαＭβ）Ｎにて表され、０．３０≦α≦０．８０、０≦β≦０．２０、０．２０≦（１−α−β）≦０．７０（但しＭは、Ｓｉと４ａ〜６ａ族（除くＴｉ）元素のうち一つ以上）を満たす平均組成の層厚０．５〜１０．０μｍの複合窒化物層であり、その縦断面において柱状組織を有し、柱状組織における結晶粒の平均アスペクト比は２．０〜１０．０であり、結晶粒の粒界の一部に縦長形状のＡｌＮが形成されている表面被覆切削工具。【選択図】図１
2020142312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ超硬合金からなる工具基体の表面に、Ｃｏが濃化した中間層を介して硬質被覆層が形成されてなる表面被覆切削工具において、
（ａ）前記中間層は、工具基体側より、ＷＣｏＣ層およびＴｉＣｏＣＮ層の順にて形成されてなり、
（ａ−１）前記ＷＣｏＣ層は、Ｃｏを２．０原子％以上にて含有するＷＣｏＣからなり、平均層厚は、１〜５０ｎｍであり、
（ａ−２）前記ＴｉＣｏＣＮ層は、ＴｉＣｏＣＮからなり、平均層厚は１〜５０ｎｍであり、
（ｂ）前記硬質被覆層は、組成式：（Ｔｉ１−α−βＡｌαＭβ）Ｎで表した場合、０．３０≦α≦０．８０、０≦β≦０．２０、０．２０≦（１−α−β）≦０．７０（但し、Ｍは、周期律周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素（ただし、Ｔｉは除く）、および、Ｓｉのうち少なくとも一つ以上の元素）を満たす平均組成を有する複合窒化物層であって、層厚は、０．５〜１０．０μｍであり、
前記複合窒化物層は、その縦断面において柱状組織を有し、前記柱状組織における結晶粒の平均アスペクト比は２．０〜１０．０であり、また、前記結晶粒の粒界の少なくとも一部には、縦長形状のＡｌＮが形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
請求項１に記載された前記ＴｉＣｏＣＮ層のＣｏ含有率は、前記ＷＣｏＣ層のＣｏ含有率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載された表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金鋼、鋳鉄等の高速断続切削加工において硬質被覆層がすぐれた耐剥離性、耐チッピング性を有する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサート、被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
【０００３】
従来、被覆工具としては、例えば、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット等を工具基体とし、これに硬質被覆層を形成した被覆工具が知られており、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、基材表面に対しボンバード処理を行うことにより、基材と硬質被覆層界面の密着性を改善し、切削性能の向上を図ることが提案されている。
すなわち、特許文献１では、被覆切削工具において、ＷＣ基超硬合金基材の表面に対し、例えば、金属Ｔｉを用いイオンボンバート処理を行い、膜厚１０〜３００ｎｍのＷ改質相を形成するとともにＷ改質相の直上にＴｉＣ相を形成し、前記基材と、前記ＴｉＣ相の直上に形成される硬質皮膜との格子ミスフィットを低減することにより、基材と硬質皮膜との密着強度の改善を図り、被覆工具の長寿命化を図ることが提案されている。
また、特許文献２では、被覆切削工具において、基材の表面に対しメタルボンバード処理を行い、基材表面に原子比でＷを最も多く含有し立方晶構造を有する膜厚１〜１０ｎｍの（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ中間皮膜を形成することにより、基材と、前記中間皮膜上の硬質皮膜との密着性の改善が図られ、被覆切削工具の耐久性が向上するとされている。
【０００５】
他方、例えば、特許文献３では、被覆切削工具において、工具基体表面に、アークイオンプレーティング法を用いて、ＴｉとＡｌの複合窒化物（「ＴｉＡｌＮ」）からなる硬質被覆層を蒸着形成したのち、得られた被覆工具に特定の条件にて熱処理を行うことにより、硬質被覆層を構成する柱状組織の結晶粒の粒界に、縦長形状のＡｌ窒化物（「ＡｌＮ」）層および縦長形状のＴｉ窒化物（「ＴｉＮ」）層を形成することができ、特に、前記縦長形状のＡｌＮ層は、熱安定性にすぐれるとともに熱伝導性が高いため、硬質被覆層の熱放出を効果的に行うことができ、加工中の刃先温度が低下し、切削寿命の向上を図ることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５０９８７２６号公報
【特許文献２】特許第５６７３９０４号公報
【特許文献３】特開２０１７−６４８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記従来技術で提案されている層構造を備えた硬質被覆層を有する被覆工具では、基材と硬質被覆層の密着性が向上するため、ステンレス鋼等の易溶着性材料の通常の切削条件ではすぐれた切削性能を発揮するものの、各種の鋼や鋳鉄などを被削材とし、切れ刃に断続的な高負荷が作用する断続切削加工に供した場合には、生成する炭化物が靱性に劣るため、高速断続切削加工領域における切削加工では、切削性能が十分ではないという問題点を有していた。
そこで、本発明は、切れ刃にさらに断続的な高負荷が作用する強断続切削加工条件下であっても、長期にわたって安定した耐摩耗性を発揮する被覆切削工具を提供することを解決すべき課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記課題を解決すべく工具基体の界面を含む硬質被覆層の構造について鋭意検討したところ、次のような知見を得た。
【０００９】
すなわち、本発明者らは、工具基体と硬質被覆層の界面において、工具基体の表面に対し、例えば、チタン等の金属を用い単にボンバード処理を行い、膜厚１０〜３００ｎｍのＷ改質相を形成するとともにＷ改質相の直上にＴｉＣ相を形成するのみでは、前記基材と、前記ＴｉＣ相の直上に形成される硬質皮膜との格子ミスフィットを完全に解決することはできないことを知見し、まず、金属ボンバード処理時間を延長し、Ｗ改質相の直上に金属炭化物層を得た後、さらにその直上に金属炭窒化物層を形成させることにより、工具基体とこれら金属ボンバート処理により得られた金属炭化物層および金属炭窒化物層を介して形成される硬質被覆層の密着性が高まることを見出した。
そして、前記硬質被覆層の成膜後に引き続いて行う熱処理により、ＷＣ基体中のＣｏを前記ＷＣ基体から拡散させ、硬質被覆層の境界部に至る領域においてＣｏを濃化させた中間層を形成させることにより、工具基体と硬質被覆層間の残留応力差のさらなる緩和が図られ、結果、前記界面近傍における靱性が向上し、膜密着力がさらに向上することにより、耐チッピング性にすぐれ、強断続切削加工領域においてもすぐれた切削性能を有する被覆工具が得られることを見出したものである。
さらに、合わせて、前記硬質被覆層として、柱状組織からなるＴｉおよびＡｌおよび特定の金属群からなる元素を選択して含む複合窒化物層を用いた場合には、前述の熱処理により、前記柱状組織を構成する結晶粒界の少なくとも一部に縦長形状のＡｌＮ層を形成させることができるため、縦長形状のＡｌＮ層を形成させた場合には、熱安定性がすぐれ熱伝導性が高まり、硬質被覆層の熱放出を効果的に実施できる等、高速切削加工における硬質被覆層の耐熱性、および、耐摩耗性を向上させることができることを知見したものである。
【００１０】
本発明は、前記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ超硬合金からなる工具基体の表面に、Ｃｏが濃化した中間層を介して硬質被覆層が形成されてなる表面被覆切削工具において、
（ａ）前記中間層は、工具基体側より、ＷＣｏＣ層およびＴｉＣｏＣＮ層の順にて形成されてなり、
（ａ−１）前記ＷＣｏＣ層は、Ｃｏを２．０原子％以上にて含有するＷＣｏＣからなり、平均層厚は、１〜５０ｎｍであり、
（ａ−２）前記ＴｉＣｏＣＮ層は、ＴｉＣｏＣＮからなり、平均層厚は１〜５０ｎｍであり、
（ｂ）前記硬質被覆層は、組成式：（Ｔｉ１−α−βＡｌαＭβ）Ｎで表した場合、０．３０≦α≦０．８０、０≦β≦０．２０、０．２０≦（１−α−β）≦０．７０（但し、Ｍは、周期律周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素（ただし、Ｔｉは除く）、および、Ｓｉのうち少なくとも一つ以上の元素）を満たす平均組成を有する複合窒化物層であって、層厚は、０．５〜１０．０μｍであり、
前記複合窒化物層は、その縦断面において柱状組織を有し、前記柱状組織における結晶粒の平均アスペクト比は２．０〜１０．０であり、また、前記結晶粒の粒界の少なくとも一部には、縦長形状のＡｌＮが形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記ＴｉＣｏＣＮ層のＣｏ含有率は、前記ＷＣｏＣ層のＣｏ含有率よりも小さいことを特徴とする（１）に記載された表面被覆切削工具。」を特徴とするものである。
【００１１】
以下、本発明の被覆工具について、詳細に説明する。
なお、本明細書および特許請求の範囲に記載において、数値範囲を「〜」を用いて表現する場合に、その範囲は、上限および下限の数値範囲を含むものである。
【００１２】
図１は、本発明被覆工具の概略縦断面模式図を示す。
図１に示すように、本発明に係る被覆工具は、例えば、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体に、中間層および硬質被覆層の順に形成されてなるものである。
ここで、前記中間層は、工具基体側より、ＷＣｏＣ層およびＴｉＣｏＣＮ層の順にて形成されてなり、平均層厚は、いずれも、１〜５０ｎｍである。
また、硬質被覆層は、前記中間層の上に形成され、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍ（Ｍは、周期律周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素（ただし、Ｔｉは除く）、および、Ｓｉのうち少なくとも一つ以上の元素）の複合窒化物層からなり、その平均層厚は、０．５〜１０．０μｍである。
【００１３】
図２は、前記した本発明の層構造を形成するためのアークイオンプレーティング（以下、「ＡＩＰ」という）装置を示す。
ＡＩＰ装置の回転テーブルに配置された工具基体表面に対して、所定条件でＴｉイオンボンバードを行うことにより、基体表面側には改質Ｗ層が形成され、同時に、改質Ｗ層上にはＴｉ炭化物層が形成される。さらに、窒素雰囲気にて、ＡｌＴｉＭ複合窒化物層を成膜する際には、Ｔｉ炭化物層上には、Ｔｉ炭窒化物層が形成され、最上層として、柱状組織を有するＡｌＴｉＭ複合窒化物層が形成された結果、工具基体表面より、「Ｗ改質層−Ｔｉ炭化物層−Ｔｉ炭窒化物層−ＡｌＴｉＭ複合窒化物層」を有する被覆層が形成された。
次いで、前記被覆層について、所望の条件にて熱処理を行うことにより、１）工具基体側からＡｌＴｉＭ複合窒化物層側へのＣｏの拡散が生じる結果、「Ｗ改質層−Ｔｉ炭化物層−Ｔｉ炭窒化物層」は、「ＷＣｏＣ層−ＴｉＣｏＣＮ層」へと変化し、また、２）前記「柱状組織を有するＡｌＴｉＭ複合窒化物層」は、さらに「柱状組織を構成する結晶粒の粒界に縦長形状のＡｌ窒化物を有するＡｌＴｉＭ複合窒化物層」へと変化する結果、「ＷＣｏＣ層−ＴｉＣｏＣＮ層−柱状組織を構成する結晶粒の粒界に縦長形状のＡｌ窒化物を有するＡｌＴｉＭ複合窒化物層」からなる被覆層を得ることができた。
【００１４】
中間層：
中間層は、工具基体上にＷＣｏＣ層、ＴｉＣｏＣＮ層の順に形成されてなり、工具基体と中間層の上に形成される硬質被覆層との密着性を向上させるために設けられる層であり、それぞれの平均層厚は、いずれも、１〜５０ｎｍである。
ＷＣｏＣ層およびＴｉＣｏＣＮ層は、１ｎｍ未満では、Ｃｏの高靱性が発揮できず、工具基体や硬質被覆層との密着性が乏しく、５０ｎｍを超えて厚くなると密着強度が低下するため、それぞれ、工具基体と硬質被覆層の密着強度が高まる１ｎｍ以上５０ｎｍ以下と規定した。  
中間層は、前記したとおり、当初、例えば、真空下において、ＷＣ基体を加熱し、アルゴンプラズマによるクリーニングを行った後、Ｔｉを用いたメタルボンバート処理により、Ｗ改質層およびＴｉ炭化物層として形成され、次いで、窒素雰囲気下での硬質被覆層の成膜時において、上層として、さらにＴｉを含む炭窒化物層として形成され、その後、前記硬質被覆層の熱処理時において、工具基体のＣｏが、Ｗ改質層、Ｔｉ窒化物層、および、硬質被覆層である炭窒化物層の一部にまで拡散し、硬質被覆層に対しすぐれた密着性を有するＷＣｏＣ層およびＴｉＣｏＣＮ層として形成することにより、従来の被覆切削工具に比べ、基体と硬質被覆層の密着性にすぐれ、靱性が向上するため、耐チッピング性等においてすぐれた特性を発揮するものである。
中間層が、すぐれた密着性を奏するためには、ＴｉＣｏＣＮ層において、Ｃｏが少なくとも１．０原子％以上で含んでいることが望ましい。
【００１５】
硬質被覆層；
＜成分組成、平均層厚＞
硬質被覆層は、ＴｉおよびＡｌの窒化物と、さらに、周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素（ただし、Ｔｉは除く）、および、Ｓｉのうち少なくとも一つ以上（ただし、Ｔｉは除く）の元素の窒化物とからなる複合窒化物により成り、前記複合窒化物の平均組成は、以下の組成式にて表わすことができる。
すなわち、組成式：（Ｔｉ１−α−βＡｌαＭβ）Ｎで表した場合（以下、「ＴｉＡｌＭＮ層」ともいう。）、０．３０≦α≦０．８０、０≦β≦０．２０、０．２０≦（１−α−β）≦０．７０（但し、Ｍは、周期律周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素（ただし、Ｔｉは除く）、および、Ｓｉのうち少なくとも一つ以上の元素を意味し、αおよびβは原子比を意味する。）を満足する平均組成を有する。
ＴｉとＡｌとＭの合量に対するＡｌの平均含有割合を表すαの値（原子比）が、０．３０未満では、高硬度が得られず、結晶粒が粗大化しやすくなり、一方、αの値が、０．８０を超えると、一部組織の結晶構造が岩塩型結晶構造から六方晶構造に変化し、硬度が低下することから、αを上記のとおり規定した。また、βの値（原子比）が０．２０を超えると、縦長状のＡｌＮが生成しにくくなることから、βを上記の通り規定した。
また、前記ＴｉＡｌＭＮ層の平均層厚は、０．５μｍ未満では、長期の使用にわたり、すぐれた耐摩耗性を発揮することはできず、一方、平均層厚が１０μｍを超えると、結晶粒が粗大化しやすく、耐チッピング性の向上効果が得られなくなるため、本発明に係る前記ＴｉＡｌＭＮ層の平均層厚は、０．５〜１０μｍと規定した。
なお、本発明のＴｉＡｌＭＮ層の平均組成および平均層厚については、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用いた断面測定により、測定することができる。
各層の層厚測定はＥＤＳによって測定した組成分析結果から以下の通り定義する。ＷＣｏＣ／ＴｉＣｏＣＮの界面はＷ量がＷＣｏＣ中の平均Ｗ量の半分となる箇所を界面とする。また、ＴｉＣｏＣＮ／ＡｌＴｉＭＮの界面はＣｏ量がＴｉＣｏＣＮ中の平均Ｃｏ量の半分となる箇所を界面とする。
【００１６】
＜組織、特性＞
本発明に係る硬質被覆層を構成するＴｉとＡｌとＭの複合窒化物（ＴｉＡｌＭＮ）は、柱状組織を有し、前記柱状組織は、断面高さ方向に結晶粒の粒界の少なくとも一部にアスペクト比が２．０〜１０．０である縦長形状のＡｌＮが形成されてなるものである。
本発明に係るＴｉＡｌＭＮ層において、縦長形状のＡｌＮ層は、熱安定性にすぐれるとともに熱伝導性が高く、特に、縦長形状を有するために硬質被覆層の熱放出を効果的に行うことができ、その結果、高速切削加工における硬質被覆層の耐熱性、耐摩耗性を向上させることができる。
そして、本発明のＴｉＡｌＭＮ層においては、柱状組織の結晶粒の粒界の少なくとも一部に前記縦長形状のＡｌＮ層が存在することによって、高速切削加工において、耐チッピング性と耐摩耗性を相兼ね備えることができる。
なお、従来被覆工具において、ＴｉＮ層とＡｌＮ層を層厚方向に交互に積層させた交互積層構造からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具では、高速切削加工において層間剥離が発生しやすいものもあるが、柱状組織の結晶粒の粒界の少なくとも一部に縦長形状のＡｌＮ層を形成した本発明に係る被覆工具においては、層間剥離の発生はなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性が発揮される。
本発明の柱状組織のＴｉＡｌＭＮ層の結晶粒の粒界の少なくとも一部に存在する縦長形状のＡｌＮ層の識別、その組成、長さ（縦長形状のＡｌＮ層の長さ（ｎｍ））は、ＴｉＡｌＭＮ層の縦断面について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子線後方散乱回折法（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ  ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて観察・測定することによって求めることができる。
ＡｌＮが柱状組織の粒界に沿って層が存在するかはＥＤＳマッピング法を用いて、識別を行った。ＥＤＳマッピング測定の結果から層の点分析を行い、組成を同定し、ＡｌＮ層の形状測定を行った。その際に縦長形状の長さが１００ｎｍ以上であることが望ましいが、より耐溶着性と高熱伝導性を付与するためには２００ｎｍ以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の被覆工具は、工具基体と硬質被覆層に間において、工具基体側より、Ｃｏが拡散濃化された濃化層である、ＷＣｏＣ層およびＴｉＣｏＣＮ層を生成させ、基材と硬質被覆層間の残留応力ギャップを緩和させることにより、界面近傍における高靱性化を達成し、膜密着力の向上を図るものである。
前記Ｃｏ濃化層は、従来のＷ改質相、Ｔｉ炭化物層、Ｔｉ炭窒化層からなる界面層よりも高靱性であるため、本発明にかかる切削工具は、さらに、耐チッピング性が要求される強断続切削加工においても、顕著な切削性能を有するものである。
また、本発明における切削工具は、硬質被覆層において、柱状組織の結晶粒の粒界の少なくとも一部に縦長形状のＡｌＮ層を有することにより、長期の使用にわたって、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性が発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明被覆工具の硬質被覆層の概略縦断面模式図の一例を示す。
【図２】被覆工具の硬質被覆層を蒸着形成するためのアークイオンプレーティング装置の        概略図であり（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２０】
工具基体の作製：
原料粉末として、いずれも０．５〜５μｍの平均粒径を有する、Ｃｏ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ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ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力でプレス成形し、これらの圧粉成形体を焼結し、所定寸法となるように加工して、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金工具基体１〜３を製造した。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表面被覆工具の製造：
前述の工程によって作製した工具基体１〜５に対して、図２に示すＡＩＰ装置（アークイオンプレーティング装置）を用いて、被覆層を形成する。
ＡＩＰ装置には、図２に示すように、Ｔｉボンバード処理用のＴｉターゲット（カソード電極（蒸発源））およびＡｌＴｉＭＮ層形成用のＡｌＴｉＭ合金ターゲット（カソード電極（蒸発源））を配備する。
（ａ）工具基体１〜５を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、ＡＩＰ装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着する。
（ｂ）まず、装置内を排気して１０−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、０．５〜２．０ＰａのＡｒガス雰囲気に設定し、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−４００〜−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによって５〜３０分間ボンバード処理により、清浄化する。
【００２３】
（ｃ）次いで、装置内の圧力を１×１０−３Ｐａ以下の表２に示す真空雰囲気に維持するとともに、ヒーターにて炉内雰囲気温度を表２に示すＴｉボンバード処理温度（４５０〜８５０℃）まで加熱維持制御するとともに、前記工具基体に表２に示す直流バイアス電圧（−７００〜−１２００Ｖ）を印加し、工具基体とＴｉターゲット（カソード電極（蒸発源））との間に表２に示すアーク電流を流し、表２に示す処理時間、工具基体表面に対し、Ｔｉボンバード処理を行うことにより、工具基体表面近傍のＷＣがＷとＣに分解されることにより、工具基体表面から所定深さまで改質Ｗ層が形成されるとともに、改質Ｗ層の表面には、イオンボンバードされたＴｉとＣとが反応して金属炭化物層が生成する。
ここで、生成される改質Ｗ層の平均厚さ（深さ）が１ｎｍ未満では、直上の金属炭化物層が十分に形成されず、硬質被覆層との十分な密着強度が得られない。一方、その平均厚さが５０ｎｍを超えると、工具基体表面の脆化によって、硬質被覆層が剥離しやすくなることから、工具基体表面にて形成される改質Ｗ層の平均厚さは、１〜５０ｎｍとする。
また、前記Ｗ層直上に形成される金属炭化物層は、ボンバードされたＴｉイオンが、ＷＣからＷとＣとに分解されたＣとの反応によって形成されるが、その平均層厚が、１ｎｍ未満では、Ｗ層の厚さも薄くなりすぎて硬質被覆層との密着性向上効果が少なく、一方、その平均層厚が５０ｎｍを超えると、結果として改質Ｗ層の平均厚さが５０ｎｍを超えるようになるため、工具基体表面の脆化を招く。
したがって、改質Ｗ層直上に形成される金属炭化物層の平均層厚は、１〜５０ｎｍとする。
また、前記金属炭化物層の表面には、金属イオンボンバード処理後、ＡｌＴｉＭＮ硬質被覆層を蒸着形成する際に金属炭窒化物層が形成されるが、その平均層厚が、１ｎｍ未満では、層厚が薄いために硬質被覆層との密着性向上効果が少なく、一方、その平均層厚が５０ｎｍを超えると、工具基体表面の脆化を招くおそれがあるため、その平均層厚は、５０ｎｍ以下と規定した。
Ｔｉボンバードの際の基体に印加する負圧のバイアス電圧およびターゲットへの投入電流が低い場合には、ＷおよびＴｉを含む窒化物が形成され難いため、基材に印加する負圧のバイアス電圧は、−１２００Ｖ以上−７００Ｖ以下とすることが好ましい。また、ターゲットへ投入する電流は、８０Ａ以上１５０Ａ以下することが好ましい。
また、ボンバード処理前の基体の加熱温度が低くなると、ＷおよびＴｉが含まれる炭化物が形成されにくくなるため、基体と硬質被覆の密着性が低下する傾向がある。そのため、基体の加熱温度を４５０℃以上としてボンバード処理を行うことが好ましい。
【００２４】
（ｄ）次いで、装置内の反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す２．０〜９．０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とし、表２に示す炉内雰囲気温度に維持し、前記回転テーブル上にて自転しながら回転する工具基体に表２に示す−３０〜−１５０Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、ＡｌＴｉＭ合金ターゲットからなるカソード電極（蒸着源）とアノード電極との間に表２に示す８０〜１５０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体表面に表３にて示される目標組成、目標平均層厚のＡｌＴｉＭＮ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具を作製し、次いで、前記被覆工具を、表２に示す条件にて熱処理を行うことにより、表３に示す、本発明の被覆工具（以下、「本発明工具」という。）１〜１０を作製した。
【００２５】
比較のため、工具基体１〜１０に対して、表４に示す条件にて、Ｔｉボンバード処理、ＡｌＴｉＭＮ層の形成、および、熱処理を行うことで、表５にて示す、比較例被覆工具（「比較例工具」という。）１〜１０を作製した。
【００２６】
上記にて作製した本発明工具１〜１０および比較例工具１〜１０について、中間層および硬質被覆層の縦断面を、前述の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光型（ＥＤＳ）を用いて断面測定を行い、中間層（下層）、中間層（上層）、および、ＡｌＴｉＭＮ層の組成、および、それぞれの層厚につき、複数箇所にて測定を行い、これを平均することにより、平均組成、平均層厚として算出した。
【００２７】
また、柱状組織のＴｉＡｌＭＮ層の結晶粒の平均幅Ｗおよび平均長さＬを前述の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、および、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）を用いた断面観察にて視野内の結晶粒について測定することにより、平均アスペクト比Ｌ／Ｗを求めた。
すなわち、個々の柱状結晶粒の最大長さとその長さ方向に対して直交する方向の最大幅を求め、次いで、視野内の全結晶粒の最大長さの平均である平均長さＬと、同じく全結晶粒の最大幅の平均である平均幅Ｗを求め、Ｌ／Ｗにより、平均アスペクト比を算出した。
さらに、同じく、前述の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、および、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）を用いた断面観察により、柱状組織のＴｉＡｌＭＮ層の結晶粒の粒界に、縦長形状のＡｌＮ層の存在につき確認および識別を行うとともに、それらが存在する場合には、その縦長長（ｎｍ）につき測定を行った。
すなわち、具体的に、柱状組織の粒界に沿ってのＡｌＮの存在については、ＥＤＳマッピング法を用い、識別を行い、層に対し複数箇所による点分析を行うことにより、平均組成を同定し、形状測定は、ＥＤＳマッピングの結果よりＡｌＮ層の複数箇所による長さ測定を行い、平均長さを算出した。
具体的には、表３および表５について示す。
【００２８】
【表２】
2020142312.tif 000004
【００２９】
【表３】
2020142312.tif 000005
【００３０】
【表４】
2020142312.tif 000006
【００３１】
【表５】
2020142312.tif 000007
【００３２】
次いで、本発明工具１〜５および比較例工具１〜５について、ＳＥ４４５Ｒ０５０６Ｅのカッタを用いて、以下の切削条件Ａ及び切削条件Ｂで単刃の高速正面フライス切削加工試験を実施した。
≪切削条件Ａ≫
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の幅６０ｍｍ×長さ４００ｍｍのブロック材
切削速度：３５０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．２５  ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
の高速断続切削条件(通常の切削速度は、１５０〜２５０  ｍ／ｍｉｎ．)で切削試験を行い、切削長３．０ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。
表６にその結果を示す。
≪切削条件Ｂ≫
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ７００の幅６０ｍｍ×長さ２５０ｍｍのブロック材
切削速度：３００  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．８  ｍｍ、
送り：０．２０  ｍｍ／刃、
の高速断続切削条件(通常の切削速度は、１５０〜２５０ｍ／ｍｉｎ．)で、切削長２．０ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。
表７にその結果を示す。
【００３３】
【表６】
2020142312.tif 000008
【００３４】
【表７】
2020142312.tif 000009
【００３５】
また、本発明工具６〜１０および比較例工具６〜１０について、ＳＥ４４５Ｒ０５０６Ｅのカッタを用いて、以下の切削条件Ｃで単刃の正面フライス切削加工試験を実施した。
≪切削条件Ｃ≫
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の幅６０ｍｍ×長さ２００ｍｍのブロック材
切削速度：１８０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．３０  ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
の連続切削条件で切削試験を行い、切削長２．０ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。
表８にその結果を示す。
【００３６】
【表８】
2020142312.tif 000010
【００３７】
表６、表７の結果によれば、本発明工具１〜５では、チッピング発生がなく、しかも、表７の逃げ面摩耗幅の平均は約０．１３ｍｍ、表８の逃げ面摩耗幅の平均は約０．２２ｍｍであるのに対して、比較例工具１〜５は逃げ面摩耗が進行し、また、剥離、チッピング等の異常損傷の発生が見られた。
また、表８の結果によれば、本発明工具６〜１０では、チッピング発生がないばかりか、逃げ面摩耗幅の平均は約０．１３ｍｍであるのに対して、比較例工具６〜１０は逃げ面摩耗が進行し、また、チッピング、欠損等の異常損傷の発生により短時間で寿命となった。
この結果から、本発明工具は、比較例工具に比して、耐剥離性ばかりか、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性のいずれにも優れていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の表面被覆切削工具は、各種被削材の通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、高熱発生を伴い、しかも、切刃に高負荷が作用する合金鋼や鋳鉄などの高速連続切削加工、高速断続切削加工等、強断続切削加工においても、すぐれた耐剥離性、耐チッピング性、耐欠損性および耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。 
【図１】
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【図２】
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