(57)【要約】溶着に伴う膜剥離を抑制できる表面被覆切削工具を提供する。基体表面に内側層（２）、中間層（３）、外側層（４）を形成する。内側層（２）は、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼窒炭化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物よりなる群から選択される少なくとも一種の材料で構成され、かつ柱状組織からなる層を含む。外側層（４）は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム．酸化ハフニウムおよびそれらの固溶体よりなる群から選択される少なくとも一種の酸化物層からなる。中間層（３）は、式１を満たす硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）からなる。2003061885.tif 000021この中間層（３）の平均膜厚を０．１〜１μｍとし、かつ基準長さ１μｍの表面粗さで、山頂線と谷底線との間の垂直距離を５０〜５００ｎｍとする。
2003061885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体表面に被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記被覆層は、各々少なくとも一層の内側層、中間層および外側層を具え、
前記内側層は、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼窒炭化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物よりなる群から選択される少なくとも一種の材料で構成され、かつ柱状組織からなる層を含み、
前記外側層は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよびそれらの固溶体よりなる群から選択される少なくとも一種の酸化物層からなり、
前記中間層は、式１を満たす硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）からなり、
2003061885.tif 000016
この中間層の平均膜厚が０．１〜１μｍで、且つこの中間層の基準長さ１μｍの表面粗さで、山頂線と谷底線との間の垂直距離が５０〜５００ｎｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
基体表面に被覆層を設けた表面被覆切削工具において、前記被覆層は各々少なくとも１層の内側層、中間層および外側層を具え、前記内側層は、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼窒炭化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物よりなる群から選択される少なくとも一種の材料で構成され、かつ柱状組織からなる層を含み、
前記外側層は酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよびそれらの固溶体よりなる群から選択される少なくとも一種の酸化物層からなり、
前記中間層は式１を満たす硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ，ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）とＴｉ・Ｂ・Ｎを除く内側層および／または外側層を構成する元素を含み
2003061885.tif 000017
前記中間層中の内側層構成元素は中間層の内側層側から中間層の膜厚の中央に向かう方向に元素量を連続または段階的に減少し、および／または中間層中の外側層構成元素は中間層の外側層側から中間層の膜厚の中央に向かう方向に元素量を連続または段階的に減少する構造であり、この中間層の平均膜厚が０．１〜１μｍで、且つこの中間層の基準長さ１μｍの表面粗さで山頂線と谷底線との間の垂直距離が５０〜５００ｎｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記中間層ＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）は式２を満たす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。
2003061885.tif 000018
【請求項４】
前記中間層は、ＴｉＢｘＮｙＯｚ（ｘ、ｙ、ｚ：ａｔｏｍｉｃ％）の硼窒酸化チタンであり、
下記の式１および式３を満たす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。
2003061885.tif 000019
【請求項５】
前記中間層は、内側層側が式１を満たす硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）からなり、外側層側が式１および式３を満たす硼窒酸化チタンＴｉＢｘＮｙＯｚ（ｘ、ｙ、ｚ：ａｔｏｍｉｃ％）からなって、内側層側から外側層側に向かって酸素含有量が多くなる構造であ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。
2003061885.tif 000020
【請求項６】
前記被覆層は、内側層の平均膜厚を１．０〜２０．０μｍ、外側層の平均膜厚を０．５〜１０．０μｍとすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記内側層の柱状組織は炭窒化チタン層または炭窒酸化チタン層であり、
この炭窒化チタン層または炭窒酸化チタン層の平均膜厚が１．０〜２０．０μｍで、
柱状組織のアスペクト比が５以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記外側層はα型Ａｌ２Ｏ３を主成分とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
前記外側層よりも更に外側に、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物よりなる群から選択される少なくとも一種の材料で構成される識別層を有し、
識別層の平均膜厚が０．２〜５．０μｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項１０】
前記被覆層の最表面のうち刃先稜線部近傍以外で被削材と接触する個所の平均面粗さが、工具断面から観察する方法によって測定される基準長さ５μｍに対しＲｍａｘ０．２〜１．３μｍであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項１１】
前記被覆層の最表面のうち刃先稜線部近傍における面粗さが、工具断面から観察する方法によって測定される基準長さ５μｍに対しＲｍａｘ０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項１２】
前記基体が、
炭化タングステンを主成分とし、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物及びそれらの固溶体（ＷＣを除く）よりなる群から選択された少なくとも１種を含む硬質相と、
鉄族金属から選択された少なくとも１種を含む結合相とからなる超硬合金であることを特徴とする請求項１〜１１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
本発明は、鋼材の切削などに好適な被覆切削工具に関するものである。
背景技術
被覆切削工具には種々のものが提案されており、例えば、基体に被覆を設けた工具を開示する文献として、特許文献１〜６が挙げられる。そのような被覆構造の一例として、内側層にＴｉ系膜、外側層にＡｌ２Ｏ３膜、最外層にＴｉ系膜を配したものが知られている。この内側層と外側層は密着力が悪く、様々な接着層が提案されている。
（特許文献１）
特公昭５７−４２１５２号公報
（特許文献２）
特公昭５８−６７８５８号公報
（特許文献３）
特公昭５９−４４３８５号公報
（特許文献４）
特公昭６０−３７１８９号公報
（特許文献５）
特公平１−１２８３５号公報
（特許文献６）
特開平５−８１０３号公報
しかし、近年、被削材の複雑形状による加工接触回数の増加、難削材化による工具への溶着量の増加など、被覆膜に対する切削負荷が極めて大きくなっている。具体的には溶着量増加に伴い切削抵抗が大きくなり膜剥離（膜の層間剥離）や膜の摩耗が急激に発生し、工具寿命を短くしている。
発明の開示
本発明の主目的は、溶着に伴う膜剥離を抑制できる表面被覆切削工具を提供することにある。
本発明表面被覆切削工具は基体表面に被覆層を有する。この被覆層は、各々少なくとも一層の内側層、中間層および外側層を具える。この内側層は、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼窒炭化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物よりなる群から選択される少なくとも一種の材料で構成され、かつ柱状組織からなる層を含む。外側層は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよびそれらの固溶体よりなる群から選択される少なくとも一種の酸化物層からなる。中間層は、下記の式１を満たす硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）からなる。そして、この中間層の平均膜厚を０．１〜１μｍとすることを特徴とする。
2003061885.tif 000003
本発明切削工具は、図１に示すように、基体１表面から順に内側層２、中間層３、外側層４を具える構成である。さらに外側層の上に識別層５を形成しても良い。このような切削工具において、中間層における硼素の含有量を特定し、かつ平均膜厚を限定することで、内側層と外側層を高い密着力で結合し、かつ鉄との反応性を低くすることで溶着が起こり難く、膜剥離の生じにくい被覆切削工具を得ることができる。以下、本発明の構成を詳しく説明する。
（内側層）
内側層２は、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼窒炭化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物よりなる群から選択される少なくとも一種の材料で構成される。より具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢ２、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＺｒＣ、ＺｒＯ２、ＨｆＣ、ＨｆＮなどが挙げられる。
内側層には、柱状組織からなる層を含むことが好ましい。柱状組織からなる層は耐摩耗性に優れる。柱状組織となる層の具体的材質としては炭窒化チタンまたは炭窒酸化チタンが好適である。柱状組織の内側層は、主に製造条件における反応ガス組成や温度を調整したり、成膜時間をある程度長くすることで得ることができる。柱状組織のアスペクト比は５以上であることが好ましい。アスペクト比５以上の柱状晶としたのは、主に外側層が摩滅もしくは剥離した後の耐摩耗性を考慮したためである。
アスペクト比は、柱状晶ＴｉＣＮ層の上端の水平方向粒径をｄ１、下端の水平方向粒径をｄ２としたとき、（ｄ１＋ｄ２）／２と結晶粒の長さ（垂直方向長さ＝膜厚）との比をとる。
アスペクト比の測定方法は次の通りである。切削工具の縦断面に対して平行あるいは適当な角度（１０°以下が好ましい）をつけて研磨し、適当な腐食液を用いて結晶粒界を浮かび上がらせた後に、走査型電子顕微鏡で観察して、適切な倍率で撮影した写真から結晶粒径の成長方向、アスペクト比を算出する。
内側層の平均膜厚は１．０〜２０．０μｍであることが望ましい。この下限値を下回ると柱状晶を得ることが難しくなり、外側層の剥離後に耐摩耗性を維持することが困難となる。逆に上限値を超えても膜が脆くなって耐摩耗性が低下する。
（外側層）
外側層４は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよびそれらの固溶体よりなる群から選択される少なくとも一種の酸化物層からなる。これらの酸化物は、化学的に安定であり、鉄との反応性が低く、溶着が生じ難い。中でもＡｌ２Ｏ３が好ましい。特にα型Ａｌ２Ｏ３を主成分とする外側層が好適である。α型Ａｌ２Ｏ３は高温安定型の材料であり、強度、耐熱性に優れる。α型Ａｌ２Ｏ３を主成分とするとは、外側層に占めるα型Ａｌ２Ｏ３の重量比が５０％以上のものを言う。外側層の平均膜厚は０．５〜１０．０μｍが好ましい。この下限値を下回ると溶着を抑制する効果が少なく、上限値を超えても欠損や剥離が生じやすくなる。
（中間層）
内側層２と外側層４の間に介在される中間層３は、式１を満たす硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）からなる。ただし、不純物として含まれる塩素は化学式に加えていない。
2003061885.tif 000004
より好ましくは、式２を満たす硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）からなる中間層とする。
2003061885.tif 000005
Ｂ量を式１の範囲にすることにより、外側層の剥離を抑制し、かつＴｉＢＮ膜が外側層の摩耗もしくは剥離で露出したとき、被削材との反応性を下げることで工具寿命の延命が可能となる。
内側層と外側層の密着性向上を目的とした中間層には、ＴｉＢ２も考えられる。しかし、図２のグラフに示すように、ＴｉＢ２は鉄との反応性がＴｉＮに比べ３５倍程度高く、被削材が溶着し易い。一方、中間層にＴｉＢＮの代わりとしてＴｉＮを配することは、内側・外側層間の密着力を低下させ、かつ硬度低下が著しいため、工具の寿命延命ができなくなる。本発明では、中間層のＢ量を制限することで、外側層が剥離または摩滅して中間層が露出した際の鉄との反応性を下げて被削材の溶着を抑制する。また、ＴｉＢＮ層が露出した場合、Ｂ量を少なくしたための硬度低下（硬度：ＴｉＢ２＞ＴｉＮ）に起因する耐摩耗性低下は、ＴｉＢＮの膜厚と柱状晶組織を有する内側層で補って耐摩耗性の向上を図る。
加えて、上記のＴｉＢＮ層とすることで、外側層となる酸化物膜の粒度を抑制でき、それにより被覆層表面の凹凸を少なくし、切削抵抗の負荷を下げることが可能となる。これは、ＴｉＮへのＢの微量添加により、ＴｉＢＮ膜が微粒化した組織となり、その外側層の核発生を均一化し、かつ微細化することができるからである。より具体的には、中間層の基準長さ１μｍの表面粗さで、最高部の水平線である山頂線と最低部の水平線である谷底線との間の垂直距離を５０〜５００ｎｍとする。このことにより外側層を均一に成長させ、表面被覆工具の最表面の凹凸を極力無くすことが可能となる。そして、中間層と外側層との密着力も向上できる。
また、ＴｉＢＮ膜の厚みを抑制し、内層に柱状組織を有するＴｉ系の膜を１層以上配することにより、耐摩耗性の向上を図ることができる。この中間層の平均膜厚は０．１〜１μｍとすることが好適である。この下限値を下回ると、内側層と外側層の密着性を高める効果が少なく、上限値を上回ると被覆層の耐摩耗性を向上させる効果が少ないからである。
あるいは、この中間層３は式１を満たす硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ，ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）とＴｉ・Ｂ・Ｎを除く内側層および／または外側層を構成する元素を含み、
2003061885.tif 000006
この中間層中の内側層構成元素は中間層の内側層側から中間層の膜厚の中央に向かう方向に元素量を連続または段階的に減少し、および／または中間層中の外側層構成元素は中間層の外側層側から中間層の膜厚の中央に向かう方向に元素量を連続または段階的に減少する構造とする事で、内側層と外側層の密着力をいっそう高めることが可能となる。ただし、この際この中間層の基準長さ１μｍの表面粗さで山頂線と谷底線との間の垂直距離が５０〜５００ｎｍでなければ良好な密着力を得ることは出来ない。
この中間層は、硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）の代わりに硼窒酸化チタンＴｉＢｘＮｙＯｚ（ｘ、ｙ、ｚ：ａｔｏｍｉｃ％）とし、式１および式３を満たすことも好ましい。
2003061885.tif 000007
中間層中に酸素を含有させることで、酸素を含まない硼窒化チタンより中間層の膜粒径を細かくすることが可能となり、中間層の膜硬度が高くなる。また、Ｂ量を制限することで外側層の密着力が更に向上する。このことにより、耐摩耗性が良くなり、ひいては工具寿命を延命できることになる。
ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）の値が０．０００５以下になると、Ｂ量を少なくしたために硬度低下が生じてしまう。逆に、ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）の値が０．０４以上になると、被削材との反応性が高くなり中間層が露出したときに被削材と反応して、溶着物が工具の刃先に強固に付着し、内側層の剥離現象を促進してしまう。ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）の上限値を０．０２以下とすることも好適である。また、ｚ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）が０となると酸素を含まない硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）と変わらず、０．５より大きくなると、膜の硬度は増すが靭性が低下し、断続切削時の耐欠損性が低くなってしまう。
さらに、中間層は、内側層側に酸素を含まない硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）を配し、外側層側に酸素を含む硼窒酸化チタンＴｉＢｘＮｙＯｚ（ｘ、ｙ、ｚ：ａｔｏｍｉｃ％）を配することが好ましい。この構造により、内側層と外側層の両方の密着力を高め、工具の寿命を更に延命できる。特に、内層側から外層側に向かって酸素の含有量が段階的または連続的に増加する傾斜組成構造の中間層を設けることが好ましい。
（識別層）
外側層よりも更に外側に、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物よりなる群から選択される少なくとも一種の材料で構成される識別層５を有することが好ましい。一般に、Ａｌ２Ｏ３は黒色又は褐色を呈し、被覆層の最外層に全面的に配置すると、使用済みコーナを識別することが難しい。そのために識別層を設け、使用済みコーナの識別を容易にすると共に、耐摩耗性を高めている。識別層は単層でも複層でもかまわない。識別層の平均膜厚は０．２〜５．０μｍ程度が適切である。
（被覆層の表面粗さ）
被覆層の最表面のうち刃先稜線部近傍以外で被削材と接触する個所の平均面粗さが、工具断面から観察する方法によって測定される基準長さ５μｍに対しＲｍａｘ０．２〜１．３μｍであることが好適である。
また、被覆層の最表面のうち刃先稜線部近傍における面粗さが、工具断面から観察する方法によって測定される基準長さ５μｍに対しＲｍａｘ０．２μｍ以下であることが望ましい。この規定値を上回ると溶着しやすくなり、切り屑の流れも悪くなる。刃先稜線部近傍は、実質的に切削に関与して切削抵抗が最も作用する個所であり、その表面を平滑にすることで切削抵抗を低減すると共に高精度の加工を可能にする。
（基体）
基体１は硬質相と結合相とからなる超硬合金とする。硬質相は、炭化タングステンを主成分とし、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物及びそれらの固溶体（ＷＣを除く）よりなる群から選択された少なくとも１種を含むものとする。炭化タングステンを主成分とするとは、硬質相中に占める炭化タングステンの重量比が５０％以上であるものを言う。結合相は、鉄族金属から選択された少なくとも１種を含むものとする。
（用途）
本発明切削工具の具体的用途は、エンドミル、切削用のチップ、フライス用のチップ、旋削用のチップなどが挙げられる。
（被削材）
本発明切削工具が特に有効な被削材としては、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼などの鋼一般の他、特に溶着の生じやすいダクタイル鋳鉄、ステンレス、インコネルなどが挙げられる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（試験例１）
下記に示す基体Ａの材料粉末をボールミルにより１５Ｈ湿式混合し、乾燥した後、圧粉体にプレス成形した。本例の圧粉体の形状は、全周型チップブレーカのＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に定める形状とした。この圧粉体を焼結炉内に挿入し１５２６．８５℃（１８００Ｋ）の温度で０．５Ｈ真空焼結（１００Ｐａ）を行い、焼結体を作製した。その後、刃先稜線部のみにＳｉＣブラシでホーニング処理を行った。
（基体の原料粉末：重量％）
Ａ  ＴａＣ：２．３、ＮｂＣ：１．２、ＴｉＣ：２、ＴｉＮ：２、ＺｒＣ：０．２  Ｃｏ：６  残りＷＣ
Ｂ  ＴａＣ：２．３、ＮｂＣ：１．２、ＴｉＣ：２、ＴｉＮ：２、ＴｉＣＮ：０．２  Ｃｏ：６  Ｎｉ：３残りＷＣ
Ｃ  ＴａＣ：２．３、ＮｂＣ：１．２、ＴｉＣ：２、ＴｉＮ：２、ＺｒＣ：０．２  Ｆｅ：６  残りＷＣ
この基体Ａ上に、ＣＶＤ炉内において表１に示すガス組成、圧力条件、温度で被覆層を形成した。ここでは、被覆層組成として、表１中のＴｉＣＮ、ＴｉＢＮ、α−Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮを選択して、それぞれ順に内層、中間層、外側層、識別層とした。厚みは、内側層：１０μｍ、中間層：１．０μｍ、外側層：７μｍ、識別層：３μｍである。内側層のＴｉＣＮは全て柱状晶組織であり、そのアスペクト比は７．０である。また、ＴｉＢＮは、表２に示すように、ＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）で０．００１＜ｘ／（ｘ＋ｙ）＜０．０４を満たすものと満たさないものの両方を作製した。得られた被覆層最表面の面粗さは、工具断面から観察する方法によって測定される基準長さ５μｍに対し、刃先稜線部でＲｍａｘ０．１５μｍ、刃先稜線部以外の個所でＲｍａｘ０．７０μｍである。また、ＴｉＢＮは基準長さ１μｍの表面粗さで、山頂線と谷底線との間の垂直距離が５０〜１５０ｎｍであった。
2003061885.tif 000008
2003061885.tif 000009
上記により得られた各試料を用いて、以下の表３に示す条件にて断続切削試験を行い、工具寿命までの加工時間を測定した。また、以下の表４示す条件で連続切削試験を行って、工具寿命までの加工時間を測定した。これらの結果も表２に示す。
2003061885.tif 000010
2003061885.tif 000011
表２から明らかなように、ＴｉＢｘＮｙ（ｘ、ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）で０．００１＜ｘ／（ｘ＋ｙ）＜０．０４を満たすものは断続・連続のいずれの切削加工においても被覆の剥離が抑制されて加工時間が長くなっていることがわかる。
（試験例２）
試験例１に記載の基体Ａ上にＣＶＤ炉内において表１に示すガス組成、圧力条件、温度で被覆層を形成する。ここでは、被覆組成として、表１中のＴｉＣＮ、ＴｉＢＮ、α−Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮを選択して、それぞれ順に内側層、中間層、外側層、識別層とした。また中間層中の内側層構成元素の量を中間層の内側層側から中間層の膜厚の中央に向かう方向に連続または段階的に減少する方法は、中間層形成ガスを流すのに加え、内側層形成ガスの量を、中間層の膜が内側層側から中間層の膜厚の中央に向かう方向に、連続または段階的に減らしていくことで得られ、および／または中間層中の外側層構成元素の量を中間層の外側層側から中間層の膜厚の中央に向かう方向に連続または段階的に減少する方法は、中間層形成ガスを流すのに加え、中間層の膜が膜厚の中央から中間層の外側層側に向かう方向に外側層形成ガスの量を連続または段階的に増やしていくことで得られる。
この上記記載の方法で得られた膜と比較するために試験例１の表２の試料１−３を用いた。尚、上記記載の方法で得られた膜は膜厚、アスペクト比、ｘ／（ｘ＋ｙ）＝０．０１、工具最表面の面粗さ、ＴｉＢＮの山頂線と谷底線との垂直距離を全て試料Ｎｏ．１−３と同様になるように温度、圧力の調整を行った。
上記の得られた試料と試料Ｎｏ．１−３を表３に示す条件にて断続試験を行い、工具寿命までの加工時間を測定した結果、Ｎｏ．１−３は３０分間の加工ができたのに対して、４０分間加工が可能になった。
また、表４に示す条件にて連続切削試験を行って、工具寿命までの加工時間を測定した結果、Ｎｏ．１−３が２０分間の切削可能時間に対して、３０分間の連続切削が可能となった。
このように、前記中間層は式１を満たす硼窒化チタンＴｉＢｘＮｙ（ｘ，ｙ：ａｔｏｍｉｃ％）とＴｉ・Ｂ・Ｎを除く内側層および／または外側層を構成する元素を含み
2003061885.tif 000012
前記中間層中の内側層構成元素は中間層の内側層側から中間層の膜厚の中央に向かう方向に元素量を連続または段階的に減少し、および／または中間層中の外側層構成元素は中間層の外側層側から中間層の膜厚の中央に向かう方向に元素量を連続または段階的に減少する構造とすることで、断続・連続のいずれの切削加工においても被覆の剥離が更に抑制されて加工時間が長くなっていることがわかる。
（試験例３）
さらに、試験例１に示す基体Ａ〜Ｃを用いて、表５に示す構造の被覆層を形成し、試験例１と同様の切削試験を行った。各組成の被覆層の成膜条件は試験例１の表１に示す通りである。各試料のｘ／（ｘ＋ｙ）、アスペクト比、表面粗さ及び試験結果を表６に示す。表６中の「中間層表面粗さ」は、基準長さ１μｍの表面粗さで、山頂線と谷底線との間の垂直距離で表している。
2003061885.tif 000013
2003061885.tif 000014
表６から次のことがわかる。
▲１▼内側層は、柱状晶のＴｉＣＮが好適であり、そのアスペクト比が５以上のものが好ましい。
▲２▼中間層の厚みは０．１〜２．０μｍが好適である。
▲３▼外側層の厚みは０．５〜１０μｍが望ましい。また、外側層の材質はα−Ａｌ２Ｏ３が望ましい。
▲４▼表面粗さは、刃先稜線部近傍以外でＲｍａｘ０．２〜１．３μｍとし、刃先稜線部近傍でＲｍａｘ０．２μｍ以下とすることが好ましい。
（試験例４）
次に、試験例１に示した基体ＡでＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に定める形状の焼結体を作製し、その焼結体表面に被覆層を作製した。被覆層は、内側層（ＴｉＣＮ）、中間層（ＴｉＢＮおよびＴｉＢＮＯの少なくとも一方）、外側層（α−Ａｌ２Ｏ３）、識別層（ＴｉＮ）からなり、厚みは内側層：１０μｍ、中間層：１．０μｍ、外側層：７μｍ、識別層：３μｍとした。中間層は、内側層側から外側層側に向かって酸素含有量が連続的に多くなる傾斜組成構造のものも作製した。各試料の中間層の組成を表７に示す。
ＴｉＢｘＮｙＯｚで０．００１＜ｘ／（ｘ＋ｙ）＜０．０４および０．０００５＜ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）＜０．０４、０＜ｚ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）＜０．５を満たすものは、次の条件により成膜する。
ＴｉＣｌ４：２容量％、ＢＣｌ３：０．００５〜２容量％、Ｎ２：５〜１５容量％、ＮＯ：５〜１５容量％、Ｈ２：残、圧力：４〜１０．７ｋＰａ、温度：８００〜９３０℃。
ＴｉＢｘＮｙＯｚで０．００１＜ｘ／（ｘ＋ｙ）＜０．０４および０．０００５＜ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）＜０．０４、０＜ｚ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）＜０．５を満たさないものは、次の条件により成膜する。
ＴｉＣｌ４：２容量％、ＢＣｌ３：５容量％、Ｎ２：５〜１５容量％、ＮＯ：１〜１０容量％、Ｈ２：残、圧力：１３．３ｋＰａ、温度：９５０℃。
また、傾斜組成構造の中間層を得るには、徐々に酸素量を変化させればよい。すなわち、酸化窒素ＮＯのガス量と成膜圧力・成膜温度を変化させることで可能となる。
内側層は全て柱状晶組織であり、そのアスペクト比は７．０である。得られた被覆層最表面の面粗さは、工具断面から観察する方法によって測定される基準長さ５μｍに対し、刃先綾線部でＲｍａｘ０．１５μｍ、刃先綾線部以外の個所でＲｍａｘ０．９０μｍである。ＴｉＢＮＯは基準長さ１μｍの表面粗さで、山頂線と谷底線との間の垂直距離が１００〜３００ｎｍであった。ＴｉＢＮは基準長さ１μｍの表面粗さで、山頂線と谷底線との間の垂直距離が５０〜１５０ｎｍであった。
このような試料を用いて表３に示す条件にて断続切削試験を、表４に示す条件にて連続切削試験を行って、工具寿命までの加工時間を測定した。その結果も表７に示す。
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表７から明らかなように、中間層にＴｉＢＮＯを用いたものでも、０．００１＜ｘ／（ｘ＋ｙ）＜０．０４および０．０００５＜ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）＜０．０４、０＜ｚ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）＜０．５を満たすものは工具寿命に優れることがわかる。特に、内側層側に酸素を含まないＴｉＢＮを配し、外側層側に酸素を含むＴｉＢＮＯを配した試料Ｎｏ．３−９は優れた工具寿命を示している。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明切削工具によれば、内側層と外側層との接着層として硼窒化チタンと硼窒酸化チタンの少なくとも一方を用い、その硼素の含有量や酸素の含有量を特定することで、内側層と外側層との接着性を高めることができる。また、硼素の含有量を特定した硼窒化チタンを用いることで、外側層が剥離した場合でも被削材との反応を極力低くし、被削材の溶着を防止することができる。特に、内側層側に酸素を含まない硼窒化チタンを配し、外側層側に酸素を含む硼窒酸化チタンを配した中間層を用いれば、一層工具寿命を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明切削工具の被覆構造を示す模式説明図である。
図２は、各種セラミックスと鉄との反応性および熱伝導率の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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