(57)【要約】      （修正有）【課題】合金鋼や高炭素鋼等の高速断続切削加工等でも、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供する。【解決手段】平均層厚１〜２０μｍのＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層を有し、組成が（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）：０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９０、０．０００≦ｙａｖｇ≦０．００５（ｘ、ｙの平均がｘａｖｇ、ｘｙａｖｇ）で、縦断面において、工具基体から遠ざかる方向に、ｘが５０〜２００ｎｍの平均周期を有する長周期変化と１〜２０ｎｍの平均周期を有する短周期変化を有し、長周期変化で隣接するｘの極大値と極小値との平均差ΔｘLiの平均値が０．１２〜０．１５、短周期変化における隣接するｘの極大値と極小値との平均差の平均値が０．０３〜０．０７で、ΔｘLiは前記方向に増加し、立方晶の結晶粒が８０面積％以上で、さらに長周期変化と短周期変化を有するものが５０面積％以上である被覆工具。【選択図】図１
2020151822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具基体の表面に硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具であって、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚が１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を含み、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層は、その組成を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表した場合、
ＡｌのＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの含有割合ｘの平均ｘａｖｇが、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９０を満足し、また、ＣのＣとＮの合量に占めるＣの含有割合ｙの平均ｙａｖｇが、０．０００≦ｙａｖｇ≦０．００５（但し、ｘ、ｙ、ｘａｖｇ、ｙａｖｇは原子比）であり、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層の縦断面のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒において、前記ＡｌのＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの含有割合ｘが、５０〜２００ｎｍの平均周期ｄＬａｖｇを有する長周期変化と１〜２０ｎｍの平均周期ｄＳａｖｇを有する短周期変化を有し（ｄＬａｖｇ、ｄＳａｖｇはｘの変化の周期が最小になる方向において測定される値）、
（ｄ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層の縦断面を０．５μｍの間隔で工具基体側端面から工具表面に向かって順にｎ個の区間（区間１、・・・、区間ｎ）に分割したとき、各区間の前記長周期変化における隣接するｘの極大値と極小値との平均差ΔｘLiの平均値ΔｘＬａｖｇが０．１２〜０．１５で、
各区間の前記短周期変化における隣接するｘの極大値と極小値との平均差ΔｘSiの平均値ΔｘＳａｖｇが０．０３〜０．０７であり、
（ｅ）前記各区間の前記長周期変化における隣接するｘの極大値と極小値との平均差ΔｘLiは、前記工具基体から遠ざかるにつれて、
前記ｎが３以上のとき、（区間１から区間［ｎ／３］までのΔｘLｉの平均値）＜（区間［ｎ／３］＋１から区間［２ｎ／３］までのΔｘLｉの平均値）＜（区間［２ｎ／３］＋１から区間ｎまでのΔｘLｉの平均値）を満足し、
前記ｎが２のとき、ΔｘL１＜ΔｘL２
を満たすように増加し、
（ｆ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層は、縦断面において、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の占める割合が８０面積％以上であって、前記長周期変化と前記短周期変化を有する該結晶粒の割合が５０面積％以上である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記長周期変化と前記短周期変化を有する前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒は、前記縦断面において７０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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金鋼や高炭素鋼等の高速断続切削加工であっても、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、ＣＶＤによって成膜された複数の層を有し、Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮ層および／またはＴｉ１−ｘＡｌｘＣ層および／またはＴｉ１−ｘＡｌｘＣＮ層（式中、ｘは０．６５〜０．９５である）の上にＡｌ２Ｏ３層が外層として配置されていることを特徴とする、硬質材料で被覆された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、工具基体と、その表面に形成された１または２以上の硬質被膜層を含む被覆工具であって、前記硬質被膜のうち少なくとも１層は、硬質粒子を含む層であり、前記硬質粒子は、第１単位層と第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、周期表の４族〜６族元素およびＡｌからなる群より選ばれる１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる第１化合物を含み、前記第２単位層は、周期表の４〜６族元素およびＡｌからなる群より選ばれる１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる第２化合物を含む、被覆工具が記載されている。
【０００５】
さらに、例えば、特許文献３には、（ａ）硬質被覆層は、化学蒸着法により成膜された平均層厚１〜２０μｍの（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）（ＣＹＮ１−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が、それぞれ、０．６０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５である、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を含む複合窒化物層または複合炭窒化物層を有し、（ｂ）前記複合窒化物層または複合炭窒化物層の工具基体表面の法線方向に沿って、前記結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在し、該周期的な組成変化が存在する前記結晶粒は、その工具基体表面の法線方向に沿った組成変化の周期が５０〜２００ｎｍである長周期層から構成され、さらに前記長周期層は、平均Ａｌ含有量の異なる２つの短周期層Ａ層とＢ層から構成されており、Ａ層およびＢ層における周期は３〜２０ｎｍであり、Ａ層およびＢ層におけるＡｌ含有量ｘの極大値の平均および極小値の平均のそれぞれの差Δｘ１、Δｘ２は、０．０２＜Δｘ１＜０．１、０．０２＜Δｘ２＜０．１を満たし、さらに、Ａ層とＢ層から構成される長周期層におけるＡｌ含有量ｘの極大値の平均および極小値の平均の差Δｘ３は、０．０５＜Δｘ３＜０．２５を満たし、かつ、Δｘ３＞（Δｘ１＋Δｘ２）であ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】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１１−５１６７２２号公報
【特許文献２】特開２０１４−１２９５６２号公報
【特許文献３】特開２０１６−１３７５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年の切削加工における省力化および省エネルギー化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、高効率化の傾向にあり、被覆工具には、より一層、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の耐異常損傷性が求められるとともに、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性が求められている。
【０００８】
そこで、本発明はこのような状況をかんがみてなされたもので、合金鋼や高炭素鋼等の高速断続切削加工等に供した場合であっても、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗性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】
【０００９】
本発明者は、ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層（以下、これらを総称して、「ＴｉＡｌＣＮ層」ということがある）を含む被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性をはかるべく、鋭意検討を重ねた。
【００１０】
その結果、ＴｉＡｌＣＮ層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒内に、ＴｉとＡｌの組成の特定の繰り返し変化が２種類存在すると、１種類しか存在しない場合に比して大きな歪みが生じ、この大きな歪みが硬さと靭性の向上に寄与して、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性を向上させるという新規な知見を得た。
【００１１】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）工具基体の表面に硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具であって、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚が１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を含み、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層は、その組成を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表した場合、
ＡｌのＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの含有割合ｘの平均ｘａｖｇが、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９０を満足し、また、ＣのＣとＮの合量に占めるＣの含有割合ｙの平均ｙａｖｇが、０．０００≦ｙａｖｇ≦０．００５（但し、ｘ、ｙ、ｘａｖｇ、ｙａｖｇは原子比）であり、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層の縦断面のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒において、前記ＡｌのＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの含有割合ｘが、５０〜２００ｎｍの平均周期ｄＬａｖｇを有する長周期変化と１〜２０ｎｍの平均周期ｄＳａｖｇを有する短周期変化を有し（ｄＬａｖｇ、ｄＳａｖｇはｘの変化の周期が最小になる方向において測定される値）、
（ｄ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層の縦断面を０．５μｍの間隔で工具基体側端面から工具表面に向かって順にｎ個の区間（区間１、・・・、区間ｎ）に分割したとき、各区間の前記長周期変化における隣接するｘの極大値と極小値との平均差ΔｘLiの平均値ΔｘＬａｖｇが０．１２〜０．１５で、
各区間の前記短周期変化における隣接するｘの極大値と極小値との平均差ΔｘSiの平均値ΔｘＳａｖｇが０．０３〜０．０７であり、
（ｅ）前記各区間の前記長周期変化における隣接するｘの極大値と極小値との平均差ΔｘLiは、前記工具基体から遠ざかるにつれて、
前記ｎが３以上のとき、（区間１から区間［ｎ／３］までのΔｘLｉの平均値）＜（区間［ｎ／３］＋１から区間［２ｎ／３］までのΔｘLｉの平均値）＜（区間［２ｎ／３］＋１から区間ｎまでのΔｘLｉの平均値）を満足し、
前記ｎが２のとき、ΔｘL１＜ΔｘL２
を満たすように増加し、
（ｆ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層は、縦断面において、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の占める割合が８０面積％以上であって、前記長周期変化と前記短周期変化を有する該結晶粒の割合が５０面積％以上である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記長周期変化と前記短周期変化を有する前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒は、前記縦断面において７０面積％以上である、
ことを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
【発明の効果】
【００１２】
本発明の表面被覆工具は、硬質被覆層の硬さと靱性が向上して優れた耐チッピング性、耐剥離性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】Ａｌ含有割合ｘの周期的変化を説明する模式図である。
【図２】Ａｌ含有割合ｘの長周期変化と短周期変化の観察方向を示す模式図である。
【図３】ＡｌＣｌ３とＴｉＣｌ４の合量を一定としてＡｌＣｌ３／ＴｉＣｌ４（容量％の比）の値を周期的に増減させた一例を示す模式図である。
【図４】相対的に周期の長い波形（三角波状）と相対的に周期の短い波形（パルス状）を重畳させた一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明について、以下に詳細に説明する。なお、本明細書および特許請求の範囲において数値範囲を「〜」で表現するとき、その範囲は上限および下限の数値を含んでいる。
【００１５】
ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、ＴｉＡｌＣＮ層を少なくとも含む。このＴｉＡｌＣＮ層は、硬さが高く、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、特に平均層厚が１．０〜２０．０μｍのとき、その効果が際立って発揮される。これは、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の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やすくなり、チッピングを発生しやすくなる。
したがって、その平均層厚を１．０〜２０．０μｍと定めた。平均層厚は、３．０〜１５．０μｍがより好ましい。
【００１６】
ＴｉＡｌＣＮ層の平均組成：
本発明におけるＴｉＡｌＣＮ層の組成は、組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表したとき、
ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合ｘの平均（以下、「Ａｌ含有割合の平均」という）ｘａｖｇが、
ＣのＣ、Ｎとの合量に占める含有割合ｙの平均（以下、「Ｃ含有割合の平均」という）ｙａｖｇが、
それぞれ、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９０、０．０００≦ｙａｖｇ≦０．００５（ただし、ｘａｖｇ、ｙａｖｇはいずれも原子比）を満足するように定める。
【００１７】
その理由は、以下のとおりである。
Ａｌ含有割合の平均ｘａｖｇが０．６０未満であると、ＴｉＡｌＣＮ層は硬さが劣るため、合金鋼等の高速切削に供した場合には、耐摩耗性が十分でなく、一方、０．９０を超えると六方晶のＴｉＡｌＣＮ結晶粒が析出し、耐摩耗性が低下する。したがって、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９０としたが、より好ましくは０．７０≦ｘａｖｇ≦０．９０である。
また、Ｃ含有割合の平均ｙａｖｇを０．０００≦ｙａｖｇ≦０．００５と定めたのは、前記範囲において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。
【００１８】
ＴｉＡｌＣＮ層のＡｌ含有割合の平均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、膜厚方向に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。
【００１９】
また、Ｃ含有割合の平均ｙａｖｇは、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）により求める。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組成測定を行う。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の長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含有割合の平均ｙａｖｇとして求める。
【００２０】
ＴｉＡｌＣＮ層のＡｌ含有割合の繰り返し変化：
ＴｉＡｌＣＮ層の縦断面を０．５μｍの間隔で層厚方向に順にｎ個の区間（区間１、・・・、区間ｎ）に分割したとき、この区間において、ＮａＣｌ型の面心立方構造（立方晶）を有する結晶粒のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合（以下、「Ａｌ含有割合」という）ｘの繰り返し変化の平均間隔（平均周期）として、５０〜２００ｎｍである長い間隔のＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化（長周期変化）と、平均周期が１〜２０ｎｍである短い間隔のＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化（短周期変化）とが、存在することが好ましい。
【００２１】
ここで、Ａｌ含有割合ｘの繰り返し変化とは、測定区間のほとんどの位置で、ほぼ一定の間隔（周期）をおいて、ほぼ同じＡｌ含有割合ｘの値が観察できることをいい、長周期変化と短周期変化を有していることをグラフ化すると、図１に示すような、あたかも、一定振幅の短周期の正弦波と一定振幅の長周期の正弦波とを重畳したものに類似する変化を示す。そして、このほぼ一定の間隔は、前記区間を透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）によって観察すると、Ａｌ含有割合ｘの繰り返し変化が観察でき、長周期変化と短周期変化がいずれも最小になる方向（観察方向という。図２の模式図では工具基体から遠ざかる方向であり、必ずしも工具基体表面に垂直な方向ではないが、工具表面方向ともよぶ。）に対して測定する。
【００２２】
長い間隔のＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化（長周期変化）とは、次のとおりのものである。すなわち、前記観察方向において、後述するライン分析によってＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化を測定し、この変化を直線近似する。すなわち、直線と繰り返し変化を示す曲線に囲まれた領域の面積が直線の上側と下側とで等しくなるように、前記曲線を横切る直線を引く。この近似直線（ｘｍ：図１では直線ｍと記載されているもの）の傾きは増加、減少、ほぼ一定のいずれであってもよい。そして、このｘｍがＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化を示す曲線を横切る領域ごとに、極大値または極小値を求めたとき、隣接する極大値と極小値の差が０．１０以上であれば、その極大値と極小値をそれぞれ長周期変化の極大値、長周期変化の極小値と呼ぶ。また、前記の隣接する極大値同士または極小値同士の間隔を長周期と呼ぶ。なお、この長周期の平均値ｄＬａｖｇが５０〜２００ｎｍであることが好ましい（図１を参照）。
【００２３】
長周期の平均値ｄＬａｖｇをこの範囲とする理由は、５０ｎｍ未満であると、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒がＡｌ含有割合ｘの変化として短周期変化に加えて長周期変化を有することによる靱性向上の効果が小さく、耐チッピング性の向上が望めず、一方、周期が２００ｎｍを超えると、クラック進展を抑制することができず、耐チッピング性、耐剥離性が低下するためである。なお、長周期の平均値ｄＬａｖｇは８０〜１８０ｎｍであることがより好ましい。
【００２４】
短い間隔のＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化（短周期変化）とは、前記観察方向において、後述するライン分析を行ったとき、Ａｌ含有割合ｘの増加し減少する変化が、隣接して繰り返される変化であり、この隣接する繰り返しにおいて、隣接する極大値同士、または、極小値同士の間隔を短周期と呼び、この短周期の平均値ｄＳａｖｇが１〜２０ｎｍであることが好ましい（図１を参照）。
【００２５】
短周期の平均値ｄＳａｖｇをこの範囲とする理由は、１ｎｍ未満であると、高Ａｌ含有領域（Ａｌ含有割合ｘの繰り返し変化を示す曲線において近似直線ｘｍより上側の範囲）と低Ａｌ含有領域（Ａｌ含有割合ｘの繰り返し変化を示す曲線において近似直線ｘｍより下側の範囲）の界面数が増えることにより、局所的な密着強度の低下や塑性変形を生じやすくなるため、耐チッピング性あるいは硬さが低下し、一方、２０ｎｍを超えると、切削時のクラックの進展抑制のための十分な緩衝作用が見込めないためである。なお、短周期の平均値ｄＳａｖｇは３〜１５ｎｍがより好ましい。
【００２６】
長周期の平均値ｄＬａｖｇと短周期の平均値ｄＳａｖｇの測定：
前記長周期の平均値ｄＬａｖｇと短周期の平均値ｄＳａｖｇは次にようにして測定する。
（１）ＴｉＡｌＣＮ層の縦断面を、工具基体との界面から工具表面に向かって、０．５μｍ間隔で層厚方向に分割して、区間を画定する。ただし、工具表面に最も近い区間の厚さは０．５μｍ未満となってもよい。
【００２７】
（２）ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚が５．０μｍ以下の場合は分割したすべての区間を、平均層厚が５．０μｍを超える場合は少なくとも１０個の区間（但し、区間１（工具基体に最も近い区間）、区間ｎ（工具表面に最も近い区間）を含む等間隔の区間が好ましい）を測定対象とする。
【００２８】
（３）前記測定対象の区間の全てに対して、ＴＥＭによる観察を行い、Ａｌ含有割合ｘの繰り返し変化を観察できることを確認した後、前記観察方向を確定して５本の後述するライン分析（測定間隔０．５ｎｍ以下）を行う。
【００２９】
（４）観察方向の位置とＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化との関係をグラフ化し、ライン分析を行った全範囲においてＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化の間隔を測定し、前記のとおり長周期の平均値ｄＬａｖｇと短周期の平均値ｄＳａｖｇを求める。ここで、この平均値を求めるために、前記のとおり、Ａｌ含有割合ｘの繰り返し変化を測定し、この繰り返し変化を示す曲線と直線に囲まれた領域の面積が直線の上側と下側とで等しくなるように、前記曲線を横切る直線を引くことにより、前記曲線を直線近似する。なお、グラフ化に当たり公知の測定ノイズ除去方法（例えば、移動平均法）を行うことはいうまでもない。
【００３０】
長周期変化と短周期変化におけるＡｌ含有割合の差
長周期変化における前記区間の内のＡｌ含有割合変化の測定対象区間（ｉ）ごとの前記極大値と前記極小値との平均差ΔｘＬｉを求め、測定対象となった全ての区間にわたって平均した（すなわち、実質的に硬質被覆層全体の平均となる）平均値ΔｘＬａｖｇは、０．１２〜０．１５であることが好ましい。その理由は、０．１２未満であると、ＴｉＡｌＣＮ層がＡｌ含有割合ｘの変化として短周期変化に加えて長周期変化を有することによる切削時のクラック進展の抑制効果が小さくなり、一方、０．１５を超えると、結晶粒の格子歪が大きくなりすぎ、格子欠陥が増加し、硬さが低下するためである。
【００３１】
また、前記測定対象区間（ｉ）ごとの短周期変化である前記極大値と前記極小値との平均差ΔｘＳｉの平均差ΔｘＳａｖｇは０．０３〜０．０７が好ましい。その理由は、０．０３未満であると、切削時のクラック進展の抑制効果が小さくなり、耐チッピング性が低下し、一方、０．０７を超えると、前記高Ａｌ含有領域と前記低Ａｌ含有領域の界面に生じる格子歪が大きくなり過ぎ、切削時に破壊起点となってチッピング等の異常損傷を生じるためである。ΔｘＳａｖｇは０．０５〜０．０７がより好ましい。
【００３２】
ΔｘＬｉの変化
前記各測定対象区間（ｉ）において、隣接する前記極大値と前記極小値との平均差ΔｘＬｉは、前記工具基体から遠ざかるにつれて増加しており、
ｎ≧３のとき、
（区間１から区間［ｎ／３］までのΔｘLｉの平均値）＜（区間［ｎ／３］＋１から区間［２ｎ／３］までのΔｘLｉの平均値）＜（区間［２ｎ／３］＋１から区間ｎまでのΔｘLｉの平均値）、
すなわち、
ΔｘL１＋ΔｘL２＋・・・＋ΔｘL［ｎ／３］）／［ｎ／３］＜（ΔｘL［ｎ／３］＋ΔｘL［ｎ／３］＋１＋・・・＋ΔｘL［２ｎ／３］）／（［２ｎ／３］−［ｎ／３］）＜（ΔｘL［２ｎ／３］＋ΔｘL［２ｎ／３］＋１＋・・・＋ΔｘLｎ）／（ｎ−［２ｎ／３］）
を満足し、
ｎ＝２のとき、ΔｘL１＜ΔｘL２
を満たすことが好ましい。その理由は、この条件を満足すると、ＴｉＡｌＣＮ層とその直下の層（後述する下部層）または工具基体の歪みの差が抑制されるため、優れた耐剥離性を示すからである。
なお、前記［ｉ］（ｉ＝ｎ／３、２ｎ／３）はガウス記号を表す。
ガウス記号［ｉ］はｉを超えない最大の整数を表す数学記号であり、言い換えれば、［ｉ］は、ｍ≦ｉ＜ｍ+１で定義される数値（ただし、ｍは整数）をいう。
例えば、ｎ＝２３、すなわち、ｎ／３＝７．７、２ｎ／３＝１５．３の場合、［ｎ／３］＝７、［２ｎ／３］＝１５となる。
【００３３】
ＴｉＡｌＣＮ層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合：
前記ＴｉＡｌＣＮ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合が８０面積％以上であることが好ましい。これにより、高硬度であるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合が六方晶構造の結晶粒に比べて相対的に高くなり、ＴｉＡｌＣＮ層の硬さが向上するという効果を得ることができる。この面積割合は、より好ましくは９０面積％以上である。
【００３４】
ここで、ＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒の面積割合は、次のように測定する。ＴｉＡｌＣＮ層の縦断面（工具基体表面に垂直な断面）において、工具基体表面に平行な方向に１００μｍ、工具基体表面に垂直な方向に層厚分の長さを測定範囲とする。この測定範囲を研磨し、電子線後方散乱回折像装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）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かについて結晶粒個々の結晶構造を解析する。このとき、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。
【００３５】
長周期変化と短周期変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の縦断面における面積割合：
長周期変化と短周期変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の面積割合は、縦断面において５０面積％以上であることが好ましい。その理由は、５０面積％以上であると、クラック進展を抑制する効果がより大きくなり、靱性向上の効果も一層向上するためである。この面積割合は、より好ましくは７０面積％以上である。
【００３６】
なお、長周期変化と短周期変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合は、次のように測定する。ＴＥＭを用いて、１μｍ×１μｍの像におけるＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化に対応する画像のコントラストの変化によって確認されるＡｌ含有割合ｘの繰り返し変化（長周期変化、短周期変化のいずれか一方のみの場合も含む）を有する結晶粒を特定する。更に、Ａｌ含有割合ｘの繰り返し変化を有する結晶粒すべてに対して、後述するライン分析を行い、長周期変化および短周期変化の有無を確認する。そして、長周期変化と短周期変化を両方とも有する結晶粒の面積をそれぞれ算出し、前記１μｍ×１μｍの観察領域に占める面積割合を少なくとも５視野で求め、その平均値を本発明における長周期変化と短周期変化を有する結晶粒の面積として求めることができる。
【００３７】
ここで、前記Ａｌ含有割合ｘを測定するライン分析とは、研磨して作製した試料縦断面において、ＴＥＭを用いたエネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＳ）により工具基体から離れる方向（工具表面方向）に５本のラインに沿って分析を行い、得られた解析結果を平均したものである。ただし、測定範囲は、前記観察方向において、少なくとも１００ｎｍの長さで、かつ長周期変化の平均周期ｄＬａｖｇよりも長い範囲とする（長周期変化の平均周期ｄＬａｖｇが２００ｎｍであった場合には２００ｎｍの長さ、長周期変化の平均周期ｄＬａｖｇが５０ｎｍあるいは長周期変化が存在しない場合には１００ｎｍの長さで測定を行う。）。
【００３８】
その他の層：
硬質被覆層として、本発明の前記ＴｉＡｌＣＮ層は十分な耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐剥離性を有するが、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、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物（化学量論的な化合物に限定されない）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１．０〜２５．０μｍ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、より一層優れた耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐剥離性を発揮することができる。
【００３９】
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、２０．０μｍ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、２５．０μｍ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。
【００４０】
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。
【００４１】
製造方法：
Ａｌ含有割合ｘの長周期変化と短周期変化を有する本発明のＴｉＡｌＣＮ層は、例えば、工具基体もしくは当該工具基体上にある前記下部層である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種の反応ガスを次のように供給することによって得ることができる。すなわち、Ａｌ含有割合ｘの長周期変化を形成するため、ガス群Ａの組成は変化させず、ガス群ＢのＡｌＣｌ３とＴｉＣｌ４の合量を一定としてＡｌＣｌ３／ＴｉＣｌ４（容量％の比）の値を周期的に増減させ（例えば、三角波状、矩形波状等）、かつ、ＡｌＣｌ３／ＴｉＣｌ４の極大値と極小値との差を増加させて供給する（図３を参照）。また、短周期変化を形成するため、ガス群Ａとガス群Ｂを共に組成を変化させることなく（長周期変化を形成するため変化させたＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４の値を更に変化させることはなく）、所定の位相差で供給する。
長周期変化を与えるためのガス供給方法に対して短周期変化を与えるためのガス供給方法を組み合わせるため、全体的なガス変化は、あたかも相対的に周期の長い波形と相対的に周期の短い波形（パルス波）を重畳したものになる（図４を参照）。
【００４２】
反応ガス組成（容量％）：
長周期変化と短周期変化共通：
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０〜５．０％、Ｈ２：６５〜７５％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．５２〜０．７６％、ＴｉＣｌ４：０．０８〜０．５３％、
Ｎ２：０．０〜１２．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０〜０．５％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
長周期変化：
ＡｌＣｌ３／ＴｉＣｌ４の増減の周期：１０．０〜４０．０秒
ＡｌＣｌ３／ＴｉＣｌ４の極大値と極小値との差：０．４４〜６．２３（開始時）
０．６５〜１４７（終了時）
短周期変化：
ガス供給周期：１．００〜５．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１０〜０．２０秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．０５〜０．１５秒
【実施例】
【００４３】
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、前記のもの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。
【００４４】
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、ＺｒＣ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、および、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Ｄ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００４５】
次に、これら工具基体Ａ〜Ｆの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、ＴｉＡｌＣＮ層をＣＶＤにより形成し、表５に示される本発明被覆工具１〜１６を得た。
成膜条件は、表２に記載したとおりであるが、概ね、次のとおりであって、Ａｌ含有割合ｘの長周期変化を形成するため、ガス群Ａの組成は変化させず、ガス群ＢのＡｌＣｌ３とＴｉＣｌ４の合量を一定としてＡｌＣｌ３／ＴｉＣｌ４（容量％の比）の値を表２で示す開始値から三角波状に変化させ、かつ、ＡｌＣｌ３／ＴｉＣｌ４の極大値と極小値との差を線形に増加させて供給した。また、短周期変化を形成するため、ガス群Ａとガス群Ｂを共に組成を変化させることなく（長周期変化を形成するため変化させたＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４の値を更に変化させることはなく）、所定の位相差で供給した。なお、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。
【００４６】
反応ガス組成（容量％）：
長周期変化と短周期変化共通：
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０〜５．０％、Ｈ２：６５〜７５％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．５２〜０．７６％、ＴｉＣｌ４：０．０８〜０．５３％、
Ｎ２：０．０〜１２．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０〜０．５％、Ｈ２：残
反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
長周期変化：
ＡｌＣｌ３／ＴｉＣｌ４の三角波状変化の周期：１０．０〜４０．０秒
ＡｌＣｌ３／ＴｉＣｌ４の極大値と極小値との差：０．４４〜６．２３（開始時）
０．６５〜１４７（終了時）
短周期変化：
ガス供給周期：１．００〜５．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１０〜０．２０秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．０５〜０．１５秒
【００４７】
なお、本発明被覆工具４〜８、１１、１３、１５、および１６は、表３に記載された成膜条件により、表４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、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｆの表面に、表２に示される条件によりＣＶＤを行うことにより、表５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１〜１６を製造した。
なお、比較被覆工具４〜８、１１、１３、１５、および１６については、表３に示される形成条件により、表４に示された下部層および／または上部層を形成した。
【００４９】
さらに、前記本発明被覆工具１〜１６および比較被覆工具１〜１６の硬質被覆層について、前述の方法によりＡｌ含有割合の平均ｘａｖｇ、Ｃ含有割合の平均ｙａｖｇを求めた。また、長周期変化の平均間隔ｄＬａｖｇ、短周期変化の平均間隔ｄＳａｖｇ、ΔｘＬａｖｇ、ΔｘＳａｖｇ、ΔｘLi、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の面積割合、および、Ａｌ含有割合の周期的変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の面積割合（面積％）を求めた。
さらに、平均層厚は、本発明被覆工具１〜１６、比較被覆工具１〜１６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(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た。
結果を表５に示す。
【００５０】
【表１】
2020151822.tif 000003
【００５１】
【表２】
2020151822.tif 000004
【００５２】
【表３】
2020151822.tif 000005
【００５３】
【表４】
2020151822.tif 000006
【００５４】
【表５】
2020151822.tif 000007
【００５５】
続いて、前記本発明被覆工具１〜８および比較被覆工具１〜８について、前記各種の工具基体Ａ〜Ｃ（ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮ形状）をいずれもカッタ径１２５ｍｍの合金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６に、切削試験の結果を示す。なお、比較被覆工具１〜８については、チッピング発生が原因で切削時間終了前に寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。
【００５６】
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：１２５ｍｍ
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０  幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材
回転速度：１０１９ｍｉｎ−１
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．５ｍｍ
送り：０．２５ｍｍ／刃
切削時間：２０分
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）
【００５７】
また、前記本発明被覆工具９〜１６および比較被覆工具９〜１６について、前記各種の被覆工具Ｄ〜Ｆ（ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２形状）をいずれも合金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、以下に示す、高炭素鋼の乾式高速断続切削試験を実施し、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９〜１６については、チッピング発生が原因で切削時間終了前に寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。
【００５８】
切削試験２：乾式高速断続切削
被削材：    ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒
切削速度：  ４００  ｍ／ｍｉｎ
切り込み：  １．５  ｍｍ
一刃送り量：０．２  ｍｍ／刃
切削時間：  ５分
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）
【００５９】
【表６】
2020151822.tif 000008
【００６０】
【表７】
2020151822.tif 000009
【００６１】
表６、表７に示される結果から、本発明被覆工具１〜１６は、いずれも硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐剥離性を有しているため、合金鋼や高炭素鋼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１〜１６は、合金鋼や高炭素鋼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】
【００６２】
前述のように、本発明の被覆工具は、合金鋼や高炭素鋼以外の高速断続切削加工の被覆工具としても用いることができ、しかも、長期にわたって優れた耐チッピング性、耐剥離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ルギー化、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】
2020151822.tif 000010
【図２】
2020151822.tif 000011
【図３】
2020151822.tif 000012
【図４】
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