(57)【要約】      （修正有）【課題】硬質被覆層が、すぐれた耐熱亀裂性および耐チッピング性を兼ね備え、工具寿命の向上をもたらす、ステンレス鋼の転削加工用の表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】（ａ）硬質被覆層は合計平均層厚０．５〜７．０μｍ、下部層、上部層の二層を有し、（ｂ）下部層の平均総膜厚は０．３〜４．０μｍ、工具基体の表面側から立方晶単相組織であるＴｉＮ層、ＡｌＴｉＮ層が交互積層された多層被覆層、ＡｌＴｉＮ層は組成式ＡｌｘＴｉ１−ｘＮ、ｘ（原子比）は平均組成０．４０≦ｘ≦０．７０を満足し、各ＴｉＮ層、各ＡｌＴｉＮ層の平均層厚は３〜３０ｎｍ、（ｃ）上部層の平均層厚は０．２〜３．０μｍ、立方晶相組織とｈ−ＡｌＮ六方晶相組織との混相組織、全体組成は組成式ＡｌｚＴｉ1-ｚＮ、ｚ（原子比）は平均組成０．４０≦ｚ≦０．７０を満足し、上部層の工具基体表面に対する垂直断面にて、六方晶相組織が占める面積割合は３〜３０％である。【選択図】図１
2019171531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が形成された表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、前記工具基体の表面側から下部層および上部層の二層を有してなり、その合計平均層厚は、０．５〜７．０μｍであり、
（ｂ）前記下部層は、前記工具基体の表面側からＴｉＮ層と、ＡｌＴｉＮ層とが交互に積層されてなる２層以上の多層被覆層であり、前記ＡｌＴｉＮ層は、組成式ＡｌｘＴｉ１−ｘＮにて表した場合、Ａｌの含有割合ｘ（ただし、ｘは原子比）は、いずれの層においても、０．４０≦ｘ≦０．７０を満足する平均組成を有し、前記ＴｉＮ層とＡｌＴｉＮ層は、いずれも、立方晶単相組織からなり、
各ＴｉＮ層および各ＡｌＴｉＮ層の平均層厚は、それぞれ３〜３０ｎｍであり、下部層の平均総膜厚は、０．３〜４．０μｍであり、
（ｃ）前記上部層は、立方晶相組織と六方晶相組織とからなる混相組織であり、
全体組成については、組成式ＡｌｚＴｉ1-ｚＮにて表した場合、Ａｌの含有割合ｚ（ただし、ｚは、原子比）は、０．４０≦ｚ≦０．７０を満足する平均組成を有し、
前記六方晶相組織は、ｈ−ＡｌＮからなり、上部層の工具基体表面に対する垂直断面における、六方晶相組織が、立方晶相組織と六方晶相組織の和に対して占める面積割合は、３〜３０％であり、
その平均層厚が、０．２〜３．０μｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえば、ステンレス鋼の転削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐チッピング性を発揮させてな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】
従来、転削加工用の被覆工具において、炭化タングステン基超硬合金や炭窒化チタン基サーメット等にて構成された工具基体の表面に、硬質被覆層として、Ａｌ−Ｔｉ系の複合窒化物層等を被覆形成することにより、すぐれた耐摩耗性や耐熱亀裂性、あるいは、耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、工具基体表面に、（ＡｌｘＴｉ１−ｘ）（ＮｙＣ１−ｙ）で示される化学組成（但し、０．５６≦ｘ≦０．７５、０．６≦ｙ≦１）を有するＴｉＡｌ（Ｃ，Ｎ）層からなる、厚さ０．８〜１０μｍの耐摩耗性皮膜をアークイオンプレーティング法で形成した耐摩耗性、耐熱性および密着性にすぐれた被覆工具が提案されている。
【０００４】
また、例えば、非特許文献１では、超硬合金基体の表面にナノレベルにてＴｉＮ層とＴｉＡｌＮ層を交互に多層積層し、各層の界面にてクラックの進展を抑制することにより、チタン合金等の難削材の切削加工においても、すぐれた耐チッピング性を発揮する、被覆工具が提案されている。
【０００５】
また、さらに、特許文献２では、少なくとも、（ＴｉｙＡｌｘＭｅ１−ｘ−ｙ）Ｎからなる成分組成の硬質被覆層（ただし、Ｍｅは、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉから選ばれる成分元素であり、０．５５≦ｘ≦０．８０、０．５０≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．８５、０．７≦ｘ＋ｙ＜１．０）を有する被覆工具において、アルゴンまたは窒素雰囲気中、８００〜１１００℃の温度にて５〜２４０分保持し、（ＴｉｙＡｌｘＭｅ１−ｘ−ｙ）Ｎのスピノーダル分解によって生じる、立方晶のＴｉＮ、立方晶のＡｌＮおよび六方晶のＡｌＮの析出硬化により、硬質被覆層の硬度、靱性および熱安定性の向上を図ることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２０９３３３号公報
【特許文献２】米国特許第７０５６６０２号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎｄ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」１６３−１６４（２００３）ｐ．６８１−６８８「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  ＰＶＤ  ｃｏａｔｉｎｇｓ  ｏｎ  ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｃｕｔｔｉｎｇ  ｔｏｏｌｓ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年の切削加工における省力化および省エネ化、さらには低コスト化への要求は高く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、高能率化への傾向にあり、特に、ステンレス鋼の転削加工時においては、耐摩耗性に加え、切削時に高温となることからすぐれた耐熱亀裂性が要求されるとともに、切り屑が鋸刃形状となることにより微振動が発生しチッピングが生じることとなるため、あわせて、耐チッピング性の向上が求められている。
【０００９】
これに対し、前記特許文献１に記載された被覆切削工具は、硬質被覆層として、すぐれた耐摩耗性、耐熱性、密着性を有するＡｌＴｉ（Ｃ，Ｎ）層を用いるものの、ステンレス鋼の転削加工においては、耐熱亀裂性および耐チッピング性のいずれもが不十分であるという問題を有していた。
また、前記非特許文献１に記載された被覆切削工具では、ナノ積層多層膜により、耐チッピング性にはすぐれるものの、耐熱亀裂性については、不十分であった。
【００１０】
さらに、前記特許文献２に記載されている被覆切削工具では、ステンレス鋼の転削加工において、六方晶ＡｌＮ（ｈ−ＡｌＮ）が析出する条件下においては、すぐれた耐熱亀裂性を有するものの、耐チッピング性および耐摩耗性においては、その低下により、寿命に至るとの問題を有していた。
【００１１】
そこで、本発明は、前記ステンレス鋼の転削加工においてみられる、硬質被覆層の熱亀裂やチッピング発生の問題に対して、硬質被覆層が耐摩耗性に加え、すぐれた耐熱亀裂性および耐チッピング性を両立して発揮させてなる被覆工具を提供することにより解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、ステンレス鋼の転削加工用の被覆工具において、長期の使用にわたり、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐チッピング性を兼ね備え、工具寿命の向上をもたらす、被覆工具について、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得たものである。
【００１３】
すなわち、本発明者らは、被覆工具、特にステンレス鋼の転削加工用の被覆工具において、工具基体の表面に、限定された条件にて、表面側より、いずれもナノレベルの厚みを有し、立方晶単相組織からなるＴｉＮ層とＡｌＴｉＮ層とが交互に所望の積層周期にて２層以上積層されてなる多層被覆層を下部層として被覆形成することにより、すぐれた耐摩耗性が確保できるとともに、すぐれた耐チッピング性を有することを知見し、また、限定された条件にて、前記下部層上の上部層として、立方晶組織であるＡｌＴｉＮ相と、工具基体表面に対する垂直断面において所定の面積率を有する六方晶組織のｈ−ＡｌＮ相との混相（二相）組織とからなる、所望厚みを有するＡｌＴｉ複合窒化物層を被覆形成することにより、潤滑性および耐溶着性を有し、すぐれた耐熱亀裂性を発揮することを知見し、そして、これらの被覆層が一体となり積層されることにより得られる硬質被覆層が、耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐熱亀裂性の特性をすべて両立させて発揮できるものであることを見出したものである。
かかる下部層および上部層を積層してなる硬質被覆層を有する被覆切削工具は、特に、ステンレス鋼等の転削加工等において、耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐熱亀裂性についてすぐれた特性を発揮するものであり、長期の使用にわたり、工具寿命の向上をもたらすものである。
【００１４】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が形成された表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、前記工具基体の表面側から下部層および上部層の二層を有してなり、その合計平均層厚は、０．５〜７．０μｍであり、
（ｂ）前記下部層は、前記工具基体の表面側からＴｉＮ層と、ＡｌＴｉＮ層とが交互に積層されてなる２層以上の多層被覆層であり、前記ＡｌＴｉＮ層は、組成式ＡｌｘＴｉ１−ｘＮにて表した場合、Ａｌの含有割合ｘ（ただし、ｘは原子比）は、いずれの層においても、０．４０≦ｘ≦０．７０を満足する平均組成を有し、前記ＴｉＮ層とＡｌＴｉＮ層は、いずれも、立方晶単相組織からなり、
各ＴｉＮ層および各ＡｌＴｉＮ層の平均層厚は、それぞれ３〜３０ｎｍであり、下部層の平均総膜厚は、０．３〜４．０μｍであり、
（ｃ）前記上部層は、立方晶相組織と六方晶相組織とからなる混相組織であり、
全体組成については、組成式ＡｌｚＴｉ1-ｚＮにて表した場合、Ａｌの含有割合ｚ（ただし、ｚは、原子比）は、０．４０≦ｚ≦０．７０を満足する平均組成を有し、
前記六方晶相組織は、ｈ−ＡｌＮからなり、上部層の工具基体表面に対する垂直断面における、六方晶相組織が、立方晶相組織と六方晶相組織の和に対して占める面積割合は、３〜３０％であり、
その平均層厚が、０．２〜３．０μｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
なお、ここでいう「原子比」は、ＡｌＴｉＮにおいて、Ｎを除く、Ａｌ、Ｔｉの原子数の合計比率を１．００とした場合のＡｌ、Ｔｉのそれぞれの原子数の比率をいうものとする。
【００１５】
つぎに、本発明の被覆工具について、詳細に説明する。
【００１６】
硬質被覆層；
本発明に係る硬質被覆層は、工具基体側より、ナノレベルの厚みを有し、立方晶単相組織からなるＴｉＮ層とＡｌＴｉＮ層とが交互に所望の積層周期にて２層以上積層されてなる多層被覆層である下部層と、立方晶組織であるＡｌＴｉＮ相と被覆層縦断面において所定の面積率を有する六方晶組織であるｈ−ＡｌＮ相との混相（二相）組織であるＡｌＴｉ複合窒化物層である上部層とを有してなるものである。
そして、硬質被覆層の合計平均総膜厚は、０．５μｍ未満では、長期にわたり耐摩耗性を発揮することができず、７．０μｍを超えると膜剥離やチッピングなどの異常損傷が発生し易くなるため、０．５〜７．０μｍとすることが望ましい。
本発明に係る前記下部層および前記上部層を有する硬質被覆層は、例えば、ＰＶＤ法の一種であるイオンプレーティング法やスパッタ法等を用い成膜を行った後、特定の条件（温度、時間、冷却条件）にて熱処理を行うことにより、濃度分布のゆらぎを生じさせることにより、得ることができる。
前記下部層および上部層の平均層厚、ならびに、硬質被覆層の合計平均層厚は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用い、例えば、被覆層縦断面において、倍率５０００倍にて、観察視野内の５点の層厚の平均値として求めることができる。
【００１７】
下部層；
工具基体上に成膜された下部層は、前記工具基体の表面側からいずれもナノレベルの厚みを有し、立方晶単相組織からなるＴｉＮ層と、ＡｌＴｉＮ層とが交互に所望の積層周期にて２層以上積層されてなる多層被覆層であり、前記ＡｌＴｉＮ層は、組成式ＡｌｘＴｉ１−ｘＮにて表した場合、Ａｌの含有割合ｘ（ただし、ｘは原子比）は、いずれの層においても、０．４０≦ｘ≦０．７０を満足する平均組成を有する。
また、各ＴｉＮ層および各ＡｌＴｉＮ層の平均層厚は、それぞれ３〜３０ｎｍであり、下部層の平均総膜厚は、０．３〜４．０μｍである。
（１）ＡｌＴｉＮ層の組成
Ａｌの含有割合ｘが、０．４０未満では、硬度が十分でないため、耐摩耗性が不十分となり、一方、Ａｌの含有割合が増すにつれ、硬度は上昇するが、０．７０を超えると軟質な六方晶ＡｌＮが生成し、耐摩耗性が不十分となるため、硬度が高く、しかも、耐摩耗性にすぐれた硬質被覆層が得られる、０．４０以上、０．７０以下の範囲に規定した。
（２）ＴｉＮ層、ＡｌＴｉＮ層の膜厚
ＴｉＮ層、および、ＡｌＴｉＮ層の総膜厚、すなわち、下部層の総膜厚は、０．３μｍ未満では、耐摩耗性が不十分であり、一方、４．０μｍを超えると剥離やチッピングなどの異常損傷が生じるため、０．３〜４．０μｍと規定した。
また、ＴｉＮ層、および、ＡｌＴｉＮ層のそれぞれの単位層厚については、３ｎｍ未満では、界面におけるクラック進展に対する拘束効果が十分ではなく、クラック進展を抑制できず、耐チッピング性を不十分とし、一方、３０ｎｍを超えるとＴｉＮ層、および、ＡｌＴｉＮ層中の結晶粒が粗大化する結果、十分な耐摩耗性が得られなくなるため、３〜３０ｎｍと規定した。  
（３）ＴｉＮ層、ＡｌＴｉＮ層の積層構造
下部層をいずれも立方晶単相のＴｉＮ層およびＡｌＴｉＮ層とからなるナノ積層とすることにより、高い耐摩耗性を長期間維持することができる。
これは、熱処理によっても組成ゆらぎの生じないＴｉＮ層にて、ＡｌＴｉＮ層を挟みこむことにより、ＡｌＴｉＮ層においては、熱等による成分濃度の変化への影響が抑制される結果、六方晶のｈ−ＡｌＮが析出しにくく、立方晶組織を維持できることによるものと考えられる。
【００１８】
上部層；
前記下部層に対し、上部層として成膜されたＡｌＴｉ窒化物層は、全体の組成としては、組成式ＡｌｚＴｉ1-ｚＮにて表した場合、Ａｌの含有割合ｚ（ただし、ｚは、原子比）が、０．４０≦ｚ≦０．７０を満足する平均組成を有し、また、前記ＡｌＴｉ窒化物層は、熱処理によって得られた、立方晶相組織と六方晶相組織とからなる混相組織であり、六方晶相組織は、ｈ−ＡｌＮからなる組織であって、上部層の工具基体表面に対する垂直断面において、六方晶相組織が、立方晶相組織と六方晶相組織との総和面積に対して占める面積割合を３〜３０％とすることにより、すぐれた耐熱亀裂性を有するものである。
すなわち、上部層においては、熱処理によって生じるＡｌ濃度のゆらぎにより、耐摩耗性にすぐれた高Ａｌの立方晶ＡｌＴｉＮと高い熱伝導率を有するｈ−ＡｌＮが形成されるとともに、表面近傍のｈ−ＡｌＮを含む高Ａｌ領域では、切削中の熱により、化学的に安定で耐溶着性および潤滑性にすぐれたＡｌ酸化物が形成されやすいためである。
全体組成において、Ａｌの含有割合ｚが、０．４０未満では、硬度が十分ではなく、耐摩耗性が不十分となり、一方、Ａｌの含有割合が増すにつれ、硬度は上昇するが、ｚが、０．７０を超えると軟質の六方晶ＡｌＮが３０面積％を超えて増加し、耐摩耗性が不十分となるため、ｚは、前記の範囲に規定した。
また、上部層の平均層厚は、０．２μｍ未満では、耐熱亀裂性と耐摩耗性が不十分であり、一方、３．０μｍを超えると剥離やチッピングなどの異常損傷が生じるおそれがあるため、０．２μｍ以上３．０μｍ以下と規定した。
なお、結晶組織について、上部層は、六方晶のｈ−ＡｌＮ、高ＡｌのＡｌＴｉＮを含むことにより、耐酸化性に優れたＡｌ酸化物を形成しやすく、潤滑性や耐溶着性にすぐれるため、耐熱亀裂性が向上するものと考えられる。一方、六方晶単相では、耐摩耗性が不十分であり、初期摩耗により層自体が消滅し、耐熱亀裂効果を発揮することができなくなるため、全体組織に対する六方晶組織の面積率を３〜３０％とした。
【００１９】
硬質被覆層の形成方法；
本発明に係る前記下部層および前記上部層を積層してなる硬質被覆層は、前述のとおり、まず、ＰＶＤ法の一種であるイオンプレーティング法やスパッタ法等を用い、成膜を行い、その後、特定の条件にて熱処理を行うことにより得ることができる。
以下では、具体的にアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置を用いて、工具基体に前記下部層および前記上部層を成膜し、その後、特定の条件にて熱処理（温度、時間、冷却条件）を行い、所望の硬質被覆層を製造する方法について説明を行う。
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の硬質被覆層を成膜するための、アークイオンプレーティング装置の概略図を示す。
図１（ａ）、（ｂ）に示すアークイオンプレーティング装置は、装置中央部に基体装着用の回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側にカソード電極（蒸着源）として下部層のＴｉＮ層成膜用のＴｉターゲットを配置し、他方側に同じくカソード電極として所定の組成を有する下部層のＡｌＴｉＮ層および上部層のＡｌＴｉＮ層成膜用のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲットを配置し、ＷＣ基超硬合金やＴｉＣＮ基サーメットなどからなる工具基体を前記回転テーブル上に基体自体の自転も可能となるよう載置し、工具基体に対するボンバード前処理、および、工具基体の温度、Ｎ２ガス圧、成膜時のバイアス電圧、アーク電流値を調整し、窒素ガス雰囲気にてアーク放電を発生させることにより、成膜を行うことができる。
成膜は、まず、前記下部層のＴｉＮ層成膜用のＴｉターゲットと対応するアノード電極との間、および、前記下部層のＡｌＴｉＮ層成膜用のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲットと対応するアノード電極との間にてアーク放電を発生させ、前記工具基体表面に、下部層としていずれも立方晶単相組織を有するＴｉＮナノ層とＡｌＴｉＮナノ層を交互積層してなる下部層を成膜し、ついで、カソード電極である下部層の前記ＴｉＮ層成膜用のＴｉターゲットと対応するアノード電極との間のアーク放電のみを停止し、同装置内の雰囲気を窒素雰囲気に保持したままで、前記下部層のＡｌＴｉＮ層および上部層のＡｌＴｉＮ層成膜用のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲットとアノード電極との間にてアーク放電を発生させ、前記下部層上に上部層としてＡｌＴｉＮ層を蒸着することにより行われる。
次いで、下部層および上部層が形成された工具基体を、熱処理炉にて所定の熱処理条件（雰囲気、加熱温度、処理時間、冷却速度）にて熱処理を行うことにより、すぐれた耐摩耗性およびすぐれた耐チッピング性を発揮する、いずれも立方晶単相組織からなりナノレベルの層厚を有するＴｉＮ層およびＡｌＴｉＮ層が交互積層された多層被覆層からなる下部層と、熱処理による濃度分布のゆらぎにより生じた、立方晶相組織であるＡｌＴｉＮ相と六方晶組織であるｈ−ＡｌＮ相からなる混相（二相）組織により、すぐれた耐熱亀裂性を発揮する上部層とからなる、耐摩耗性と耐チッピング性を両立する硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具を得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る被覆工具は、前記したとおり、硬質被覆層について、下部層を、いずれも立方晶相単相組織からなるＴｉＮナノ層とＡｌＴｉＮナノ層を交互積層してなる下部層とし、上部層を、立方晶相組織であるＡｌＴｉＮ相と六方晶組織であるｈ−ＡｌＮ相からなる混相（二相）組織とすることにより、すぐれた耐摩耗性を有し、耐チッピング性と耐熱亀裂性とを両立させて兼ね備えた表面被覆切削工具であって、特に、ステンレス鋼の転削加工用の被覆工具において、長期の使用にわたり、工具寿命の向上をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明被覆工具の硬質被覆層を形成するために用いるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置を示す概略図であり、（ａ）は、概略平面図、（ｂ）は概略正面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
なお、具体的な説明としては、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットを工具基体とする被覆工具について説明するが、立方晶窒化ホウ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。
【実施例】
【００２３】
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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ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ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ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、Ｂを製造した。
【００２４】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜５μｍの平均粒径を有する、ＴｉＣＮ（質量比にてＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ２Ｃ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２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ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮのインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｃ、Ｄを製造した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
2019171531.tif 000004
【００２７】
成膜工程；
前記工具基体に対して、図１に示すＡＩＰ装置（アークイオンプレーティング装置）を用いて成膜および熱処理を行い、本発明の被覆工具を作製した。
（ａ）前記工具基体Ａ、ＢおよびＣ、Ｄのそれぞれについて、アセトン中にて超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示す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沿って装着し、前記回転テーブルを挟んで対向する位置の一方側に下部層のＴｉＮ層形成用のＴｉターゲット（カソード電極）を配置し、他方側に下部層のＡｌＴｉＮ層および上部層のＡｌＴｉＮ形成用のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲット（カソード電極）を配置する。
（ｂ）次いで、ＡＩＰ装置内を排気し、１０−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターにて装置内を５００℃に加熱した後、０．５〜２．０ＰａのＡｒガス雰囲気に設定し、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、５〜３０分間ボンバード洗浄を行う。
（ｃ）次いで、ＡＩＰ装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し、窒素ガスの圧力を表３に示す２．０〜１０．０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とするとともに、表３にて示す装置内温度に維持し、また、回転テーブル上にて自転しながら表３にて示す回転数にて回転する工具基体に対し、表３にて示す−３０〜−１００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、表３に示すカソード電極である下部層形成用のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲットと、対応するアノード電極との間、および、同じく下部層形成用のＴｉターゲットと、対応するアノード電極との間のそれぞれに対し、表３にて示す９０〜１４０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体の表面に、表７にて示される目標平均組成、および、目標平均層厚を有するＴｉＮナノ層およびＡｌＴｉＮナノ層を交互積層してなる下部層を成膜する。
（ｄ）次いで、カソード電極である下部層形成用のＴｉターゲットとアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内温度を維持しつつ、装置内の窒素ガスの圧力を表３に示す      ２．０〜１０．０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気に調整し、回転テーブル上にて自転しながら回転する工具基体に対し、表３にて示す−３０〜−１００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、表３に示すカソード電極である上部層形成用のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲットとアノード電極との間に表３に示す９０〜１４０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体の表面に、表７にて示される上部層全体における目標平均組成、および、目標平均層厚を有する上部層を成膜する。
（ｅ）次いで、得られた被覆工具を表５にて示す条件にて、熱処理を行うことにより、表７に示す本発明被覆工具（以下、「本発明工具」という。）１〜１２を作製した。
なお、前記交互積層により得られるＴｉＮナノ層およびＡｌＴｉＮナノ層の層厚は、それぞれ独立したターゲットとアノード電極との間において流すアーク電流値を相対的に調整することにより、二層の層厚比を適宜変更することができる。
【００２８】
また、比較の目的にて、前記工具基体Ａ、ＢおよびＣ、Ｄに対して、表４に示す条件にて、下部層および上部層を蒸着形成することにより、表８にて示される目標平均組成、および、目標平均層厚にて下部層および上部層を蒸着形成し、次いで、得られた被覆工具を表６にて示す条件にて、熱処理を行うことにより、表８に示す比較例被覆工具（以下、「比較例工具」という。）１〜１２を作製した。
【００２９】
上記にて作製した本発明工具１〜１２および比較例工具１〜１２について、下部層および上部層の工具基体表面に対する垂直断面を、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線分光法（ＥＤＳ）を用いた断面測定により、下部層におけるＡｌＴｉＮ層のＡｌの平均含有割合（原子比）ｘ、上部層全体におけるＡｌの平均含有割合（原子比）ｚ、および、上部層における立方晶相のＡｌの含有割合（原子比）の最大値と最小値を測定し、また、下部層および上部層の平均層厚を測定した。
さらに、上部層について、六方晶構造のｈ−ＡｌＮ相が存在するか否かを確認するとともに、存在する場合には、電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ）を用いて、その生成面積割合を測定した。
より具体的にいえば、次のとおりである。
下部層におけるＡｌＴｉＮ層のＡｌの平均含有割合（原子比）ｘ、および、上部層全体におけるＡｌの平均含有割合（原子比）ｚの測定については、微小領域の組成分析に最適な、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）付属のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用い、下部層および上部層の断面の任意の５点において、膜厚の半分以上のスケールを含む領域にてエリア分析を行い、Ａｌの含有割合を測定し、この値を平均して、これを、Ａｌの平均含有割合ｘおよびｚとした。
また、上部層における立方晶相のＡｌの含有割合（原子比）の最大値と最小値については、同様に透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）付属のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いるほか、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）付属ＥＤＳを用いて測定することも可能であり、上部層の断面において、３×３ｎｍのエリア分析を任意の１０点について行い、そのＡｌの含有割合を測定し、その最大値および最小値より求めることができる。
また、下部層および上部層の層厚は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、５μｍ以上離れた膜断面において任意の５点についての層厚を測定し、この値を平均することによって、下部層および上部層の平均層厚を算出した。
六方晶相の検出については、ＴＥＭによる電子線回折を用いて、下部層および上部層のそれぞれにおいて任意の５箇所にて（各層の膜厚）×０．８の直径の円内の六方晶の有無により判断をした。
六方晶相が存在する場合には、電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ）を用いて、その面積割合を５箇所の平均値として算出した。
すなわち、ｈ−ＡｌＮ相の面積割合は、電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ）を用いて、工具基体表面に垂直な下部層および上部層の縦断面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の鏡筒内にセットし、前記研磨面に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、前記研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射し、工具基体と水平方向に長さ５０μｍ、法線方向に該ＡｌＴｉＮ層の膜厚未満にわたり、０．０１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、電子線後方散乱回折像を測定し、個々の結晶粒の結晶構造を解析することで、六方晶構造を有するｈ−ＡｌＮ結晶粒とそれ以外のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を同定し、これらの結晶構造の全ピクセル数に占める六方晶構造のｈ−ＡｌＮ結晶粒に該当するするピクセル数の割合を求めることで、ｈ−ＡｌＮ相の生成面積割合（面積％）を求めることができる。  
表７、表８に、上記で測定した値等を示す。
なお、表７、表８において、積層回数ｎは、ＴｉＮ層およびＡｌＴｉＮ層の全積層数をいう。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
【表４】
2019171531.tif 000006
【００３２】
【表５】
2019171531.tif 000007
【００３３】
【表６】
2019171531.tif 000008
【００３４】
【表７】
2019171531.tif 000009
【００３５】
【表８】
2019171531.tif 000010
【００３６】
次に、本発明工具１〜１２、比較例工具１〜１２をいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてねじ止めした状態にて、以下に示す切削加工試験を実施し、切り刃の逃げ面摩耗幅および発生した熱亀裂の発生密度（本数／ｍｍ２）を測定した。
逃げ面摩耗量は、チッピングを含む最大の摩耗量を測定した。
また、熱亀裂の発生密度は、すくい面に発生した熱亀裂の本数をすくい面の切り込みと、
１刃送りに囲まれた面積で割ることで算出した。
ここで、切り込みとは被削材を除去する厚みであり、１刃送りとはカッタが一回転した際にテーブルが進む距離を刃数で割った量である。
＜切削条件１＞
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４のブロック材
切削速度：  ２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ２．０ｍｍ、
一刃送り量：０．２０ｍｍ／刃、
切削時間：  １０分
の条件でのステンレス鋼の乾式高速ミーリング切削加工試験
＜切削条件２＞
被削材：    ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４
切削速度：  １５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ２．５ｍｍ、
一刃送り量：０．２０ｍｍ／刃、
切削時間：  １０  分、              
の条件でのステンレス鋼のセンターカット湿式高速切削試験
表９、表１０にその結果を示す。
【００３７】
【表９】
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【００３８】
【表１０】
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【００３９】
表９、表１０の結果によれば、本発明工具１〜１２は、比較例工具１〜１２に比して、特に、すくい面における熱亀裂の発生密度が少ない。そのため、熱亀裂に起因するチッピング、欠損等の異常損傷の発生を抑制することができ、あわせて、耐摩耗性にすぐれ逃げ面摩耗の進行を抑制することができる。
その結果、長期の使用にわたって、すぐれた切削性能を発揮することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性に加え、従来、ステンレス鋼の転削加工において、課題とされた、耐熱亀裂性と耐チッピング性の両立を実現し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削加工装置の高性能化、あるいは、切削加工の省力化および省エネ化、さらには、低コスト化への要求に対し十分満足に対応するものである。
【図１】
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