(57)【要約】【課題】高速断続切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体表面に、ＴｉＡｌＮ層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、（ａ）ＴｉＡｌＮ層は、少なくとも立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒を含み、該層の平均組成は、組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎにおいて０．６５≦ｘ≦０．９（ただし、ｘは原子比）を満足し、（ｂ）ＴｉＡｌＮ層の縦断面について、ＴＥＭに付属する結晶方位解析装置により解析し、立方晶構造のＴｉＡｌＮからなる各結晶粒について、それぞれの結晶粒内の各測定点で取得されるＩＣ値の最大値を当該結晶粒の代表ＩＣ値として求め、結晶粒毎の代表ＩＣ値を比較して、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒について、それぞれの結晶粒の（１１２）面の法線と工具基体表面の法線とのなす角度を測定したとき、前記なす角度が２０度以下である結晶粒が、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒の全面積に占める面積割合は３０％以上である表面被覆切削工具。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体表面に、０．５〜１０．０μｍの平均層厚のＴｉとＡｌの複合窒化物層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、その組成を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ
で表した場合、０．６５≦ｘ≦０．９（ただし、ｘは原子比）を満足する平均組成を有し、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、少なくとも立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物からなる結晶粒を含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面を透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて解析し、立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物からなる各結晶粒について、それぞれの結晶粒内の各測定点で取得されるＩＣ値の最大値を当該結晶粒の代表ＩＣ値として求め、結晶粒毎の代表ＩＣ値を比較して、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒について、それぞれの結晶粒の（１１２）面の法線と工具基体表面の法線とのなす角度を測定したとき、前記なす角度が２０度以下である結晶粒が、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒の全面積に占める面積割合は３０％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】
前記硬質被覆層は、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の単層により構成されてい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】
前記硬質被覆層は、２層以上の積層構造として構成され、該積層構造のうちの少なくとも一つの層は、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層により構成されてい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】
この発明は、合金鋼などの高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮し、長期の使用にわたってすぐ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）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被覆工具として、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スローアウエイチップ、前記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、前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるエンドミル、前記被削材の歯形の歯切加工などに用いられるソリッドホブ、ピニオンカッタなどが知られている。
そして、被覆工具の切削性能改善を目的として、従来から、数多くの提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、物理蒸着によって堆積された耐火性層を含むコーティングを含む被覆工具であって、 前記耐火性層がＭ１−ｘＡｌｘＮ（式中、ｘ≧０．６８であり、ＭがＴｉ、ＣｒまたはＺｒである）を含み、前記耐火性層が立方晶結晶相を含有し、少なくとも２５ＧＰａの硬度を有する厚膜、高硬度および低残留応力の耐摩耗性被覆工具が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、工具基体表面にＴｉＡｌＮ層からなる硬質被覆層を被覆した被覆工具において、上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点（Ｔｉ最低含有点）とＡｌ最低含有点（Ｔｉ最高含有点）とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ（Ｔｉ）含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．７０〜０．９５を示す）、上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ１−ＹＡｌＹ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．４０〜０．６５を示す）、をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである耐摩耗性にすぐれた被覆工具が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−３６１８９号公報
【特許文献２】特開２００３−２１１３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工はますます高速化・高能率化の傾向にあるが、上記従来の被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工に用いた場合には、特段の問題は生じないが、これを、例えば、合金鋼等の高速断続切削加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷がかかる切削加工に用いた場合には、クラックの発生・伝播を抑制することができないため、チッピングが発生しやすく、また、摩耗進行も促進されるため、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００７】
例えば、特許文献１に示される従来被覆工具においては、Ｍ１−ｘＡｌｘＮの一つの形態であるＴｉＡｌＮ層は高硬度で耐摩耗性にすぐれる層であり、Ａｌ含有量が多いほど耐摩耗性にすぐれるが、その一方で、格子歪が大きくなるため、耐チッピング性が低下するという問題があった。
また、特許文献２に示される従来被覆工具においては、層厚方向に組成変化を形成することで高温硬さと耐熱性、靱性を両立せしめることができるが、層厚方向に形成される層内の異方性によって、層厚と垂直方向のクラックの発生・伝播を十分に防止することはできないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明者等は、上述の観点から、合金鋼などの高速断続切削加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する切削加工条件下で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を両立し得る被覆工具を開発すべく、硬質被覆層の成分組成、結晶構造および層構造等に着目し研究を行った結果、次のような知見を得た。
【０００９】
即ち、本発明者は、工具基体表面に、少なくともＴｉとＡｌの複合窒化物（以下、「ＴｉＡｌＮ」で示す場合がある。）層を含む硬質被覆層を設けた被覆工具において、該層におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める組成割合を高くすることにより、まず、耐摩耗性を高め、これに加えて、ＴｉＡｌＮ層を構成する立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の結晶方位が揃っているかどうかの指標としてＩｍａｇｅ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ｉｎｄｅｘ（以下、「ＩＣ値」という）と（１１２）配向性とを関連付けて制御し、特に、ＩＣ値が高く結晶方位が揃っている立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）配向性を高めることにより、ＴｉＡｌＮ層の耐摩耗性を保持しつつ、耐チッピング性を向上させることができることを見出したのである。
その結果、本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削加工条件下で、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を両立することができるのである。
【００１０】
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体表面に、０．５〜１０．０μｍの平均層厚のＴｉとＡｌの複合窒化物層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、その組成を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ
で表した場合、０．６５≦ｘ≦０．９（ただし、ｘは原子比）を満足する平均組成を有し、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、少なくとも立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物からなる結晶粒を含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面を透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて解析し、立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物からなる各結晶粒について、それぞれの結晶粒内の各測定点で取得されるＩＣ値の最大値を当該結晶粒の代表ＩＣ値として求め、結晶粒毎の代表ＩＣ値を比較して、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒について、それぞれの結晶粒の（１１２）面の法線と工具基体表面の法線とのなす角度を測定したとき、前記なす角度が２０度以下である結晶粒が、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒の全面積に占める面積割合は３０％以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記硬質被覆層は、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の単層により構成されていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記硬質被覆層は、２層以上の積層構造として構成され、該積層構造のうちの少なくとも一つの層は、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層により構成されていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１１】
つぎに、この発明の被覆工具について、詳細に説明する。
【００１２】
ＴｉＡｌＮ層の平均層厚：
硬質被覆層は、少なくともＴｉＡｌＮ層を含むが、該ＴｉＡｌＮ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、ＴｉＡｌＮ層によって付与される耐摩耗性向上効果、耐チッピング性向上効果が十分に発揮されず、一方、平均層厚が１０．０μｍを超えると、ＴｉＡｌＮ層の中の歪みが大きくなり自壊しやすくなるため、ＴｉＡｌＮ層の平均層厚は０．５〜１０．０μｍとする。
なお、ＴｉＡｌＮ層の平均層厚は、ＴｉＡｌＮ層の縦断面について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定し、複数個所での測定値を平均することによって、その平均層厚とする。
【００１３】
ＴｉＡｌＮ層の平均組成：
ＴｉＡｌＮ層を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ
で表した場合、０．６５≦ｘ≦０．９（ただし、ｘは原子比）を満足する平均組成を有することが必要である。
Ａｌ成分の平均組成を表すｘが０．９を超える場合には、六方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の割合が高くなり、ＴｉＡｌＮ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができない。
一方、Ａｌ成分の平均組成を表すｘが０．６５未満となる場合には、Ａｌ成分の組成割合が減少するため、ＴｉＡｌＮ層の高温硬さおよび高温耐酸化性が低下する。
したがって、Ａｌ成分の平均組成ｘは、０．６５≦ｘ≦０．９とする。
Ａｌ成分の平均組成ｘは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて、ＴｉＡｌＮ層の縦断面の複数個所（例えば、３箇所）でＡｌ量を測定し、その測定値を平均することによって求めることができる。
なお、前記組成式において、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）の値は、必ずしも、化学量論比である０．５である必要はなく、工具基体表面の汚染の影響などで不可避的に検出される炭素や酸素などの元素をのぞいてＴｉ、Ａｌ、Ｎの含有割合の原子比を定量し、ＴｉとＡｌとＮの含有割合の原子比の合計に対するＮの含有割合の原子比が０．４５以上０．６５以下の範囲であれば、本発明のＴｉＡｌＮ層において同等の効果が得られ特に問題はない。
【００１４】
ＴｉＡｌＮ層における立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒：
本発明のＴｉＡｌＮ層は、所定の成膜法によって成膜することによって、該層を構成する立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒のＩＣ値と（１１２）配向性を関連付けて制御することができ、これによって、ＴｉＡｌＮ層の耐摩耗性を保持しつつ、耐チッピング性を向上させることができる。
即ち、結晶性がすぐれているＩＣ値が高い立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒について、各ＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）面の法線と工具基体表面の法線とのなす角度が２０度以下となる結晶粒の面積割合を高めること、即ち、（１１２）配向性を高めることによって、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する高速断続切削加工条件下で、すぐれた耐摩耗性を保持しつつ、耐チッピング性を向上させることができる。
【００１５】
ここで、立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の特定は、次のように行う。
なお、本発明における「硬質被覆層の縦断面」とは、硬質被覆層と工具基体との界面（工具基体表面）に対して垂直方向の断面のことをいう。
ＴｉＡｌＮ層の縦断面の測定範囲において、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属する結晶方位解析装置を用いて、前記測定範囲内の各測定点における（１１２）面の法線方向の角度を測定するとともに、隣接する測定点における（１１２）面の法線方向の角度差を求め、該角度差が５度以上の場合には、隣接する測定点の間にＴｉＡｌＮ結晶粒の粒界が存在するとして粒界の位置を定め、そして、粒界によって囲まれた領域をＴｉＡｌＮ結晶粒であるとする。
より詳細には以下の様に進める。
まず、ＴｉＡｌＮ層を含む硬質被覆層の縦断面を切り出した後、３０ｎｍ以下に研磨した切片をセットし、２００ｋＶに加速された電子線を前記切片の表面（すなわちＴｉＡｌＮ層を含む硬質被覆層に相当する表面）に照射することで観察を行う。次にＴｉＡｌＮ層を含む硬質被覆層の縦断面の観察結果から、結晶粒幅、面積割合及び工具基体表面に対する結晶方位の解析範囲を決める方法は以下の通りである。次いで、硬質被覆層の縦断面の観察画像における、硬質被覆層と工具基体との界面上の２点を任意で選定する。その際、２点間を線分でつないだ長さは１０００ｎｍになるよう選定する。結晶方位の解析範囲は、前記線分と平行方向に１０００ｎｍ（この方向を以下「解析範囲の横方向」と定義する）、垂直方向に最低４００ｎｍ（この方向を以下「解析範囲の縦方向」と定義する）の長方形の範囲とする。その際、前記の範囲には全てＴｉＡｌＮ層の縦断面のみ含める（工具基体、ならびにＴｉＡｌＮ層以外の硬質被覆層は含めない）。
前記の測定範囲において、結晶方位のマップデータを得る解析方法は以下の通りである。前記縦断面に、縦断面の表面の法線方向に対して０．５〜１．０度に傾けた電子線をＰｒｅｃｅｓｓｉｏｎ（歳差運動）照射しながら、電子線を任意のビーム径及び間隔でスキャンし、連続的に電子線回折パターンを取り込み、個々の測定点の結晶方位を解析する。なお、本測定に用いた回折パターンの取得条件は、カメラ長２０ｃｍ、ビームサイズ２．２ｎｍで、測定ステップは２．０ｎｍである。
さらに、ＩＣ値と結晶方位を以下のように求める。
個々の測定点の電子線回折パターンを、立方晶の任意の方位に対してあらかじめ計算した電子線回折パターンと比較し、最も良くマッチした結晶方位をその測定点の結晶方位として採用する。これはE.F.Rauch and L. Dupuy, Arch. Metall. Mater. 50 (2005) 87.による「Template Matching」という手法であり、下記に数式で示したデータ処理の概要を図２に示した。
立方晶の対称要素を考慮し全ての結晶方位を表現できるステレオ投影図の一部の範囲において、例えば１°の角度精度で計算した電子線回折パターンを用意する場合、およそ３０００通りのパターンが必要である。このパターンの種類を表わす係数をｉとし、計算した電子線回折パターン内での座標をｊとすると、測定点ｋにおけるＩＣ値を
2018164963.tif 000002
と示す事が出来る。ここで
2018164963.tif 000003
は、全てのパターンに対する大括弧[]の中の式の値の最大値を採用することを表わし、
2018164963.tif 000004
は測定点ｋにおける電子線回折パターン内の座標ｊの強度、
2018164963.tif 000005
は、ｉ番目の結晶方位に対して計算した電子線回折パターン内の座標ｊの強度を表わす。すなわち、最大値をとるiの示す結晶方位が、その測定点での結晶方位を表わし、その時のＩＣ（ｋ）値が測定点ｋにおけるＩＣ値となる。
得られる電子線回折パターンから個々の結晶粒を判別するための解析方法は、以下の通りである。まず、測定点の隣接点同士の（１１２）面の法線方向が５度以上離れている場合、測定点間を粒界と判断する。次に、粒界に囲まれている部分を結晶粒と定義する。ただし、この線分がＴｉＡｌＮ層表面、ＴｉＡｌＮ層と硬質被覆層が接する面、または工具基体表面と接する場合は、それぞれの表面または界面に隣接しＴｉＡｌＮ層に属する測定点を粒界に属する測定点とみなす。
以上の様にして得られたある立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒に属する測定点に対し、工具基体表面の法線と（１１２）面の法線のなす角度を各測定点に対して求めてから平均値を得ることで、この値を該立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）面の法線と工具基体表面の法線のなす角度とする。このようにして測定範囲内の全ての立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒に対する（１１２）面の法線と工具基体表面の法線のなす角度が求められる。さらにＩＣ値に対しては結晶粒内の最大値をもってその結晶粒の代表ＩＣ値とする。上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒に属する全ての測定点の数で、（１１２）面の法線と工具基体表面の法線とのなす角度が２０度以下となる結晶粒に属する測定点の数を割り百分率に換算することで、以下に示すような本発明のＴｉＡlＮ層の特性を評価する面積割合を得る。
以上のようにして求めたＩＣ（ｋ）値の理論上の最大値１００は、測定点ｋにおいて試料切片を透過した電子線を散乱した基本格子の結晶方位が完全に同じ向きに揃っている事を表わす。逆に結晶方位を定めた最大ＩＣ（ｋ）値が小さいほど、試料切片を透過した電子線を散乱した基本格子の結晶方位にばらつきが大きいことを表わす。
【００１６】
すなわち、ＩＣ値が高い立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒とは、ＴｉＡｌＮ層の縦断面を透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて解析し、前記で特定された立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒について、それぞれの結晶粒内の各測定点で取得されるＩＣ値を求め、各結晶粒で求めたＩＣ値の最大値を当該結晶粒の代表ＩＣ値とし、それぞれの結晶粒の代表ＩＣ値を比較し、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示す結晶方位の揃った立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒をいう。  
【００１７】
ついで、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示す前記立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒について、透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて、前記各結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度を測定し、前記なす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒を特定するとともに、前記なす角度が２０度以下である結晶粒の占める面積割合を、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の全面積の３０％以上とすることによって、ＴｉＡｌＮ層は、すぐれた耐摩耗性とすぐれた耐チッピング性を発揮することができる。
なお、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒の面積、また、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の全面積は、それぞれの測定点の数に比例するといえるから、それぞれに該当する測定点の割合によって、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒の占める面積割合を算出することができる。
【００１８】
本発明のＴｉＡｌＮ層の成膜法：
本発明のＴｉＡｌＮ層は、例えば、アンバランスドマグネトロンスパッタリング装置とアークイオンプレーティング装置を併設した物理蒸着装置（以下、「ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置」という）を用いたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下、単に「ＵＢＭＳ」という）とアークイオンプレーティング（以下、単に「ＡＩＰ」という）による同時蒸着によって成膜することができる。
本発明のＴｉＡｌＮ層を成膜するための、ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置の概略平面図を図１Ａに示し、同概略正面図を図１Ｂに示す。
図１Ａ、図１Ｂに示すＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置において、工具基体を保持部材のほぼ中央部分で自転可能に保持するとともに、保持部材の下端または両端を、ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置の上方及び下方に設けた支持部材で支持し、ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置の側壁にはＴｉ−Ａｌ合金からなるＡＩＰ用カソード電極（ターゲット）を配置し、また、これに近接する装置の側壁には、金属ＴｉからなるＵＢＭＳ用カソード電極（ターゲット）を配置する。
ＴｉＡｌＮ層の成膜にあたっては、工具基体を所定の温度範囲に加熱し、反応ガスを装置内に導入し、前記ＡＩＰ用カソード電極（ターゲット）とＵＢＭＳ用カソード電極（ターゲット）を同時放電させて、両カソード電極（ターゲット）によって形成されるプラズマ領域が重なるような位置に工具基体を位置させ、工具基体を自転させつつ蒸着を行うことによって、本発明のＴｉＡｌＮ層を形成することができる。
【００１９】
本発明の被覆工具は、硬質被覆層を前記ＴｉＡｌＮ層の単層として形成することができるが、２層以上の積層構造として構成された硬質被覆層のうちの少なくとも一つの層を、前記ＴｉＡｌＮ層により構成しても良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の硬質被覆層は少なくともＴｉＡｌＮ層を含み、前記ＴｉＡｌＮ層は、少なくとも立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒を含み、前記ＴｉＡｌＮ結晶粒のうちの代表ＩＣ値が高いＴｉＡｌＮ結晶粒について、各結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度を測定した場合、前記なす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒が、前記代表ＩＣ値が高いＴｉＡｌＮ結晶粒の全面積の３０％以上の面積割合を占めるため、結晶性に優れたＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）配向性が高められている。
したがって、このようなＴｉＡｌＮ層を含む硬質被覆層を被覆形成した本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削加工条件下で、すぐれた耐摩耗性とすぐれた耐チッピング性を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明被覆工具のＴｉＡｌＮ層を成膜するのに用いるアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置とアークイオンプレーティング装置を併設した物理蒸着装置（ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置）の概略平面図を示す。
【図１Ｂ】本発明被覆工具のＴｉＡｌＮ層を成膜するのに用いるアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置とアークイオンプレーティング装置を併設した物理蒸着装置（ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置）の概略正面図を示す。
【図２】ＩＣ値を求めるための概略説明図であり、回折強度が高い位置を黒く表した電子線回折パターンに対し、あらかじめ立方晶の対称要素を考慮し全ての結晶方位を表現できるステレオ投影図の一部の範囲において計算した電子線回折パターンを用いて、ＩＣ値を計算し、その値が最大となる結晶方位を、その測定点での結晶方位として決定する。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
なお、具体的な説明としては、ＷＣ基超硬合金を工具基体とする被覆工具について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメットあるいは立方晶窒化硼素焼結体を工具基体とする被覆工具についても同様である。
また、硬質被覆層の構造としては、ＴｉＡｌＮ層の単層の場合について説明するが、ＴｉＡｌＮ層が２層以上の積層構造のうちの少なくとも一つの層を構成する複層構造の場合であっても、複層構造におけるＴｉＡｌＮ層は、単層のＴｉＡｌＮ層と同様な作用効果を奏する。
【実施例】
【００２３】
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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２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ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金工具基体１、２を製造した。
【００２４】
【表１】
2018164963.tif 000006
【００２５】
上記の工具基体１、２のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、ＵＢＭＳ用金属Ｔｉカソード電極（ターゲット）とＡＩＰ用の所定組成のＴｉ−Ａｌ合金カソード電極（ターゲット）が設けられた図１Ａ、図１Ｂに示すＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置内に配置し、かつ、その配置位置は、工具基体を自転可能に保持する保持部材のほぼ中央部であって、Ｔｉ−Ａｌ合金カソード電極（ターゲット）と金属Ｔｉカソード電極（ターゲット）からほぼ等距離であり、両カソード電極（ターゲット）によって形成されるプラズマ領域が重なるような位置（例えば、図１（ａ）に示す４箇所）に配置した。
ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置内には、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒータで工具基体を４００℃に加熱した後、前記保持部材に保持されて自転する工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ｔｉ−Ａｌ合金カソード電極（ターゲット）に１００Ａのアーク電流を流してアーク放電を発生させ、もって工具基体表面をボンバード洗浄した。
ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す窒素圧にすると共に、前記自転する工具基体の温度を表２に示す温度範囲に加熱維持し、表２に示すバイアス電圧を工具基体に印加し、表２に示す所定組成のＴｉ−Ａｌ合金カソード電極（ターゲット）に表２に示すアーク電流を流してアーク放電を発生させ、アークイオンプレーティングを行った。
さらに、前記アークイオンプレーティングと同時に、工具基体と金属Ｔｉカソード電極（ターゲット）に表２に示すバイアスを印加するとともに、金属Ｔｉカソード電極（ターゲット）に表２に示す電圧を印加することにより、アンバランスドマグネトロンスパッタリングを行った。
上記の工程で、アンバランスドマグネトロンスパッタリングとアークイオンプレーティングを同時に行うことにより、本発明のＴｉＡｌＮ層を成膜した表４に示す本発明被覆工具１〜１０（以下、本発明工具１〜１０という）を製造した。
【００２６】
比較の目的で、図１に示すＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置を用いて、工具基体１、２のそれぞれに、本発明工具１〜１０の場合と同様な条件でボンバード洗浄を施したのち、表３に示すアークイオンプレーティング条件のみでＴｉＡｌＮ層を形成することにより、表５に示す比較例被覆工具１〜５（以下、比較例工具１〜５という）をそれぞれ製造した。
【００２７】
上記で作製した本発明工具１〜１０および比較例工具１〜５のＴｉＡｌＮ層について、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定し、５ヶ所の測定値の平均値から、平均層厚を算出した。
また、本発明工具１〜１０、比較例工具１〜５のＴｉＡｌＮ層におけるＡｌ成分の組成を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて、層厚方向に０．４μｍ以上、基体表面に平行な方向に０．４μｍ以上の視野範囲で測定し、３箇所の測定値の平均値を、ＴｉＡｌＮ層のＡｌ成分の平均組成ｘとして求めた。
表４、表５に、それぞれの値を示す。
【００２８】
また、本発明工具１〜１０のＴｉＡｌＮ層および比較例工具１〜５のＴｉＡｌＮ層の縦断面の４００ｎｍ×１０００ｎｍの測定領域について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属する結晶方位解析装置を用いて、測定範囲内の各測定点（２．０ｎｍピッチ間隔）における（１１２）面の法線方向が、工具基体表面の法線方向に対する傾斜角度を測定するとともに、隣接する測定点における傾斜角度の差を求め、該角度差が５度以上の場合に、隣接する測定点の間にＴｉＡｌＮ結晶粒の粒界が存在するとして粒界の位置を定め、さらに、粒界によって囲まれた領域をＴｉＡｌＮ結晶粒であるとして定めた。
ついで、ＴｉＡｌＮ層の縦断面を透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて解析し、前記で定めた立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒のそれぞれについて、各結晶粒内の各測定点におけるＩＣ値を測定するとともに、それぞれの結晶粒内の各測定点で取得されたＩＣ値の最大値を求め、この値を、それぞれの結晶粒の代表ＩＣ値とした。
ついで、前記代表ＩＣ値をそれぞれの結晶粒について比較し、代表ＩＣ値の大きい順に並べ、その上位３０％以内の代表ＩＣ値を示す結晶粒を選定し、これらの選定した結晶粒について、透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて、それぞれの結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒を特定するとともに、該特定された結晶粒が占める面積ｓを求めるとともに、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の全面積Ｓを測定した。
（ｓ／Ｓ）×１００の値を算出することによって、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示す結晶粒のうちの、（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒が、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒の全面積に占める面積割合を求めた。
表４、表５に、それぞれの値を示す。
【００２９】
【表２】
2018164963.tif 000007
【００３０】
【表３】
2018164963.tif 000008
【００３１】
【表４】
2018164963.tif 000009
【００３２】
【表５】
2018164963.tif 000010
【００３３】
次いで、本発明工具１〜１０および比較例工具１〜５について、以下の条件で、高速断続切削の一種である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。
切削試験：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：  １２５  ｍｍ、
被削材：    ＪＩＳ・ＳＣＭ４４５  幅１００ｍｍ、長さ３６５ｍｍのブロック材、                              
切削速度：  ３６５  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ２．１  ｍｍ、
一刃送り量：  ０．２１  ｍｍ／刃、
切削時間：    ７．５  分、
表６に、試験結果を示す。
【００３４】
【表６】
2018164963.tif 000011
【００３５】
表６に示される結果から、本発明のＴｉＡｌＮ層は、代表ＩＣ値が高い結晶性に優れた立方晶のＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）配向性を高めているため、本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削加工条件下で、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を両立することができる。
これに対して、本発明で規定するＴｉＡｌＮ層を具備しない比較例工具は、チッピングの発生あるいは耐摩耗性の低下によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
この発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼などの高速断続切削加工に供した場合に、すぐれた耐チッピング性とともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、切削加工装置のＦＡ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１Ａ】
2018164963.tif 000012
【図１Ｂ】
2018164963.tif 000013
【図２】
2018164963.tif 000014