(57)【要約】【課題】硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を備え、高硬度鋼の高速断続旋削加工においても長期に亘ってすぐれた工具特性を示す表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体の表面に蒸着形成された硬質被覆層が、平均層厚が０．５〜２．０μｍ、組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎ（ａ＝０．６〜０．７）の成分系からなる平均等価円直径が５〜５０ｎｍの微粒状結晶粒から成り（２２０）配向立方晶系結晶粒と（１１−２０）配向六方晶系結晶粒の両方が混在している薄層Ｂとその直上に形成した最表面層としての平均層厚が０．５〜１．５μｍ、組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎ（ａ＝０．８〜１．０）の成分系からなる平均粒径幅１０〜５０ｎｍ、平均アスペクト比１０〜１５０の繊維状結晶粒から成り（１１−２０）配向六方晶系結晶粒を有する薄層Ａを有していることにより前記課題を解決する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金焼結体、炭窒化チタン基サーメット焼結体または立方晶窒化ほう素焼結体からなる工具基体に硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層が、最表面層として組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎ（ａ＝０．８〜１．０）の成分系からなる０．５〜１．５μｍの平均層厚を有する薄層Ａと、
（ｂ）前記薄層Ａよりも工具基体側に薄層Ａに接した状態で、組成式：（ＡｌｂＴｉ１−ｂ）Ｎ（ｂ＝０．６〜０．７）の成分系からなる０．５〜２．０μｍの平均層厚を有する薄層Ｂを有し、
（ｃ）前記薄層Ａは、平均粒径幅１０〜５０ｎｍ、平均アスペクト比の１０〜１５０の繊維状結晶粒から成り、かつ、
（ｄ）前記繊維状結晶粒には、皮膜断面から結晶構造を観察した場合に、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒が９０面積％以上存在し該結晶粒は、前記工具基体の表面に垂直方向に対して、（１１−２０）配向を有し、かつ、
（ｅ）前記薄層Ｂは、結晶粒の粒径を表す平均等価円直径が５〜５０ｎｍの微粒状結晶粒からなり、かつ、
（ｆ）前記微粒状結晶粒は、皮膜断面から結晶構造を観察した場合に、岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の両方が存在し該ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の占める面積割合が全面積の２０〜８０面積％であり、かつ、
（ｇ）前記工具基体の表面に垂直方向に対して、岩塩型結晶構造を有する結晶粒は（２２０）配向を、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒は（１１−２０）配向を有している
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】
本発明は、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を備えた表面被覆切削工具に関し、さらに詳しくは、炭素鋼などの高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合においても、長期に亘ってすぐれた切削性能を示す表面被覆切削工具（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、被覆工具の一つとして、工具基体と該工具基体上に形成される耐摩耗層と該耐摩耗層上に形成される最表層とを有し、耐摩耗層は、（１）（ＴｉｘＡｌｙ）：０．３≦ｘ≦０．７、０．３≦ｙ≦０．７、ｘ＋ｙ＝１、（２）（ＴｉｘＡｌｙＳｉｚ）：０．３≦ｘ≦０．７、０．３≦ｙ≦０．７、０．０５≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、（３）（ＴｉｘＳｉｚ）：０．８≦ｘ≦０．９５、０．０５≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｚ＝１のいずれかの窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物からなり、最表層は、Ａｌの窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物からなり、かつ、六方晶の結晶構造を有し、耐摩耗層と最表層の合計層厚が０．５μｍ以上１５．０μｍ以下、最表層の層厚が０．１μｍ以上５．０μｍ以下であることにより、すぐれた耐摩耗性と耐欠損性を発揮する被覆工具が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、他の被覆工具として、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に下部層と上部層からなる硬質被覆層が蒸着形成され、下部層は（Ｔｉ，Ａｌ）系複合窒化物あるいは複合炭窒化物層からなり、上部層は（Ｃｒ，Ａｌ）系複合窒化物層からなり、かつ、上部層は、立方晶構造を有する結晶粒からなる薄層Ａと、立方晶構造を有する結晶粒と六方晶構造を有する結晶粒とが混在している薄層Ｂとの交互積層として構成されていることによって、高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮する被覆工具が知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７１１３３号公報
【特許文献２】特開２００９−１０１４９１号公報
【発明の概要】
【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、切削加工は高速化の傾向にあるが、例えば、硬質被覆層として、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層等を蒸着形成した従来被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄の通常条件での切削に用いた場合には格別問題はないが、特に、切削時に高熱発生を伴う炭素鋼などの高硬度鋼の乾式高速断続旋削加工に用いた場合には、逃げ面の摩耗進行とともにすくい面のクレーター摩耗の進展も著しく、すくい面のクレーター摩耗進行により刃先稜線部が欠損に至ってしまい、長期に亘って切削を続けることが困難であった。
【０００７】
前述の特許文献１は、岩塩型結晶構造を有する結晶粒からなる耐摩耗層の上に六方晶構造を有する結晶粒から成るＡｌ化合物からなる最表面層を形成することによって、耐摩耗層が高い硬度を発揮し、最表面層が低硬度に加え１０００度を超えても酸化が進行せず鉄鋼材料との反応性も低いことから、刃先の凝着が抑制され突発的な欠損やチッピングが抑制されるとともに被削材の面品位も向上する旨、開示しているが、結晶構造が異なる２層をそのまま積層した場合、強断続加工に用いた場合に十分な密着性を確保することが困難であるという課題があった。
【０００８】
また、前述の特許文献２は、立方晶構造を有する結晶粒からなる薄層Ａと立方晶構造を有する結晶粒と六方晶構造を有する結晶粒とが混在している薄層Ｂとの交互積層により上部層を構成することにより、すぐれた高温強度と潤滑性が発揮する旨、開示しているが、それぞれの結晶方位が揃っていないため、強断続加工に用いた場合には、界面強度の不足から短期に寿命に至るという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、強断続加工に用いた場合であっても、硬質被覆層が、すぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、特に炭素鋼などの高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合に、硬質被覆層がすぐれた耐酸化性、耐欠損性を備えるとともに、すぐれた耐衝撃性および耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、前記従来被覆工具の硬質被覆層に着目し、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
【００１１】
（ａ）硬質被覆層が、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層で構成された従来被覆工具において、硬質被覆層の構成成分であるＡｌは高温硬さと耐熱性を向上させ、Ｔｉは高温強度を向上させると共に、ＡｌとＴｉが共存含有した状態で高温耐酸化性を向上させる作用がある。
（ｂ）成膜時に工具基体に印加するバイアス電圧を変化させることにより、特異な配向性をもつウルツ鉱型結晶構造が得られる。
また、エネルギー印加、基板温度のほか、時間的操作により配向性を制御することができる。
（ｃ）岩塩型結晶構造を有する結晶粒から構成された（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層は、高硬度であり工具基体上に形成することで耐摩耗性を向上させることができるが、硬さゆえに欠損やチッピングが起こりやすい。
（ｄ）岩塩型結晶構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの結晶粒と、化学的に安定で耐クレーター摩耗性にすぐれたウルツ鉱型結晶構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの結晶粒の両方を混在させることで、耐欠損性を向上させることができる。
（ｅ）岩塩型結晶構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの結晶粒と、ウルツ鉱型結晶構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの結晶粒を無秩序に形成したのでは、結晶構造の違いから両結晶粒の界面において、剥離が発生しやすく、工具寿命が短くなる。
（ｆ）本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、成膜時に工具基体に印加するバイアス電圧をパルス制御することによって、岩塩型結晶構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの結晶粒をそれぞれ特定方向の低次面方向へ配向させることが可能となり、それによって、岩塩型結晶構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの結晶粒との密着性が向上し、両結晶粒が有する特性が相俟ってすぐれた膜特性が発揮されることを見出した。
（ｇ）最表面層に化学的に安定で耐クレーター摩耗性にすぐれたウルツ鉱型結晶構造を有する層をその直下の層に岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の両方を混在させた層を形成することで、それぞれの層が有する結晶構造が耐摩耗性を向上させるとともに、共通の配向を有することで界面整合性が向上し強断続切削条件下における切削性能を向上させることができる。
【００１２】
本発明は、前記の研究結果に基づいてなされたものであって、
「  炭化タングステン基超硬合金焼結体、炭窒化チタン基サーメット焼結体または立方晶窒化ほう素焼結体からなる工具基体に硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層が、最表面層として組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎ（ａ＝０．８〜１．０）の成分系からなる０．５〜１．５μｍの平均層厚を有する薄層Ａと、
（ｂ）前記薄層Ａよりも工具基体側に薄層Ａに接した状態で、組成式：（ＡｌｂＴｉ１−ｂ）Ｎ（ｂ＝０．６〜０．７）の成分系からなる０．５〜２．０μｍの平均層厚を有する薄層Ｂを有し、
（ｃ）前記薄層Ａは、平均粒径幅１０〜５０ｎｍ、平均アスペクト比の１０〜１５０の繊維状結晶粒から成り、かつ、
（ｄ）前記繊維状結晶粒には、皮膜断面から結晶構造を観察した場合に、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒が９０面積％以上存在し該結晶粒は、前記工具基体の表面に垂直方向に対して、（１１−２０）配向を有し、かつ、
（ｅ）前記薄層Ｂは、結晶粒の粒径を表す平均等価円直径が５〜５０ｎｍの微粒状結晶粒からなり、かつ、
（ｆ）前記微粒状結晶粒は、皮膜断面から結晶構造を観察した場合に、岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の両方が存在し該ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の占める面積割合が全面積の２０〜８０面積％であり、かつ、
（ｇ）前記工具基体の表面に垂直方向に対して、岩塩型結晶構造を有する結晶粒は（２２０）配向を、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒は（１１−２０）配向を有している
ことを特徴とする表面被覆切削工具。」
という特徴を有する。
【００１３】
つぎに、本発明の被覆工具の硬質被覆層に関し、より詳細に説明する。
本発明の被覆工具の硬質被覆層は、超硬質工具材料、すなわち、炭化タングステン基超硬合金焼結体、炭窒化チタン基サーメット焼結体または立方晶窒化ほう素焼結体からなる工具基体の表面に蒸着形成され、最表面層として組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎ（ａ＝０．８〜１．０）の成分系からなる０．５〜１．５μｍの平均層厚を有する薄層Ａと該薄層Ａよりも工具基体側に薄層Ａに接した状態で、組成式：（ＡｌｂＴｉ１−ｂ）Ｎ（ｂ＝０．６〜０．７）の成分系からなる０．５〜２．０μｍの平均層厚を有する薄層Ｂが存在することを主たる構成要素としている。
その上で、硬質被覆層が、次のような構造をとるとき、きわめてすぐれた切削性能を示すことを見出した。
さらに、この硬質被覆層は、薄層Ａと薄層Ｂとの積層単独でも、すぐれた特性を示すものであるが、薄層Ｂと工具基体との間に所定の下部層をさらに形成することにより、被覆工具の切削性能をいっそう向上させることも出来る。
【００１４】
（ａ）最表面層（薄層Ａ）の組成比率および平均層厚：
最表面層である薄層Ａにおいて、（ＡｌａＴｉ１−ａ）ＮにおけるＡｌとＴｉとの合量に対するＡｌの含有割合ａを０．８〜１．０とした理由は、ａが０．８未満では、耐クレーター摩耗性を向上させることができるウルツ鉱型結晶構造を有する繊維状組織の結晶粒が得られないため、ａの値は、０．８〜１．０と定めた。
また、平均層厚が０．５μｍ未満では、薄層Ａがもつすくい面における耐クレーター摩耗性を十分に発揮することができない。一方、１．５μｍを超えると、層厚が厚くなりすぎて逃げ面におけるチッピングの原因となる。そのため、平均層厚を０．５〜１．５μｍと定めた。
また、ウルツ鉱型の結晶構造を有する結晶粒の占める面積割合が９０％未満であると、薄層Ａがもつ耐クレーター摩耗性を十分に発揮することができない。
【００１５】
（ｂ）薄層Ｂの組成比率および平均層厚：
薄層Ａよりも工具基体側に薄層Ａに接した状態に存在する薄層Ｂにおいて、（ＡｌｂＴｉ１−ｂ）ＮにおけるＡｌとＴｉとの合量に対するＡｌの含有割合ｂを０．６〜０．７とした理由は、０．６未満では岩塩型結晶構造が支配的、すなわち面積割合で８０％を超えて形成され、一方、０．７を超えるとウルツ鉱型結晶構造が支配的、すなわち面積割合で８０％を超えて形成されるため、いずれの場合も、本発明の薄層Ｂが目的とするところの岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の両方が存在する微粒状組織が得られない。そのため、薄層Ｂの組成式：（ＡｌｂＴｉ１−ｂ）Ｎにおけるｂの値は、０．６〜０．７と定めた。
また、平均層厚が０．５μｍ未満では、薄層Ｂがもつ付着力の向上作用を十分に発揮することができない。一方、２．０μｍを超えると、層厚が厚くなりすぎて逃げ面におけるチッピングの原因となる。そのため、平均層厚を０．５〜２．０μｍと定めた。
【００１６】
（ｃ）薄層Ａを構成する結晶粒の平均粒径幅と平均アスペクト比：
最表面層である薄層Ａを構成する結晶粒の平均粒径幅が１０ｎｍ未満では繊維状組織が細くなりすぎ、皮膜の強度を維持することができない。一方、５０ｎｍを超えると結晶粒が粗大になりすぎ皮膜の靭性が劣り劈開（へきかい）しやすくなり、チッピングの原因となる。そのため、薄層Ａを構成する結晶粒の平均粒径幅は、１０〜５０ｎｍと定めた。また、薄層Ａを構成する結晶粒のアスペクト比の平均値、すなわち、平均アスペクト比は１０未満であると繊維状組織が十分でない。一方、平均アスペクト比が１５０を超えると、繊維状組織を構成する繊維状結晶粒が長すぎ、かえって、皮膜の靭性が不足する。そのため、薄層Ａを構成する結晶粒の平均アスペクト比は、１０〜１５０と定めた。
【００１７】
なお、結晶粒の平均粒径幅、平均アスペクト比および面積割合は次のように定義し、算出した。まず、透過型電子顕微鏡により、工具基体表面と略平行で、幅が５μｍであり、高さが硬質被覆層の層厚の２倍である矩形上の観察領域を含むように、倍率２万倍〜１０万倍（層厚に応じて倍率を選択する。）の断面観察を行い、得られた画像において、薄層Ａの層厚の中間の高さにおいて、工具基体表面と平行に引いた直線Ｌにおける個々の結晶粒の粒界によって分断された直線Ｌ上の各線分の長さを粒子幅とし、この粒子幅に対して垂直方向の結晶粒の最大長さを示す線分を粒子長さとして、粒子長さの値を粒子幅の値で除した値を当該結晶粒のアスペクト比とした。そして、直線Ｌにおける個々の結晶粒の粒子幅およびアスペクト比の平均値を平均粒子幅および平均アスペクト比とした。同じ視野において、個々の粒子に電子線を照射して電子線回折図形を取得し、ウルツ鉱型構造を有する結晶粒が薄層Ａ中に占める面積割合を計算し、その値を持ってウルツ鉱型の結晶構造を有する結晶粒の占める面積割合とした。次に、前述の通りに設定した観察領域において、薄膜Ｂを構成する各粒子に対して電子線を照射して電子線回折図形を取得し、ウルツ鉱型構造を有する結晶粒が占める面積を計算し、その面積が薄膜Ｂの面積に対して占める割合をもって、該ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の占める面積割合とした。
【００１８】
（ｄ）薄層Ａを構成する結晶粒の結晶構造および配向性：
前述のような薄層Ａにおいて、工具基体の表面に垂直方向に対して、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒が（１１−２０）配向を有しているとき、後述する薄層Ｂを構成するウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の配向性と相俟って、ともに低次面である（１１−２０）配向を有していることで、薄層Ａと薄層Ｂとがそれぞれ独自にすぐれた耐摩耗性を発揮するだけでなく、両層を構成する結晶粒同士の低次面方向が揃うことで強固な結合を生み出し層間の密着強度を向上させる。
したがって、薄層Ａには、ウルツ鉱型結晶構造を有する（１１−２０）配向の結晶粒が存在すると定めた。
なお、前述の「（１１−２０）配向を有する」とは、各薄層の断面方向から、スポット径が各薄層の層厚相当の電子線を照射した状態で観察した各薄層における電子線回折図形において、ウルツ鉱型結晶構造に由来する回折環または円弧が観察され、そして、ウルツ鉱型結晶構造の（１１−２０）の回折円弧が、いずれも完全な円環でなく円弧であることが確認され、そして、その円弧の角度幅が６０度以下であり、かつ、円弧の半径中心と円弧の開き角の中点を結んだ線分が工具基体表面となす角度φ（但し、φ≦９０度）が、７０度以上であることをいう。同様に、「（２２０）配向を有する」とは、各薄層の断面方向から、スポット径が各薄層の層厚相当の電子線を照射した状態で観察した各薄層における電子線回折図形において、ウルツ鉱型結晶構造に由来する回折環または円弧が観察され、そして、岩塩型結晶構造の（２２０）の回折円弧が、いずれも完全な円環でなく円弧であることが確認され、そして、その円弧の角度幅が６０度以下であり、かつ、円弧の半径中心と円弧の開き角の中点を結んだ線分が工具基体表面となす角度φ（但し、φ≦９０度）が、７０度以上であることをいう（図３、４、５参照）。
【００１９】
（ｅ）薄層Ｂを構成する結晶粒の粒径を表す平均等価円直径：
薄層Ａよりも工具基体側に薄層Ａに接した状態に存在する薄層Ｂを構成する結晶粒の粒径を表す平均等価円直径が５ｎｍ未満では微粒状組織が細くなりすぎ、皮膜の強度を維持することができない。一方、５０ｎｍを超えると結晶粒が粗大になりすぎ皮膜の靭性が劣り劈開（へきかい）しやすくなり、チッピングの原因となる。そのため、薄層Ｂを構成する結晶粒の粒径を表す平均等価円直径は、５〜５０ｎｍと定めた。
【００２０】
なお、結晶粒の粒径を表す平均等価円直径は次のように定義し、算出した。すなわち、個々の結晶粒と同じ面積を持つ真円の直径を等価円直径と定義し、個々の結晶粒の等価円直径の平均値を平均等価円直径とした。
【００２１】
（ｆ）薄層Ｂを構成する結晶粒の結晶構造および面積割合：
前述のような薄層Ｂにおいて、工具基体の表面に垂直方向に対して、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒が（１１−２０）配向を有しているとき、前述した薄層Ａを構成するウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の配向性と相俟って、ともに低次面である（１１−２０）配向を有していることで、薄層Ａと薄層Ｂとがそれぞれ独自にすぐれた耐摩耗性を発揮するだけでなく、両層を構成する結晶粒同士の低次面方向が揃うことで強固な結合を生み出し層間の密着強度を向上させる。しかしながら、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の面積割合が２０面積％未満では岩塩型結晶構造を有する結晶粒が粗大に成長しやすく、一方、８０面積％を超えるとウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒が繊維状に成長しやすく、本発明の薄層Ａが目的とするところの岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の両方が存在する微粒状組織を得ることができない。
したがって、薄層Ｂには、岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の両方が存在し、かつ、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の占める面積割合は、全面積の２０〜８０面積％であると定義した。
【００２２】
（ｇ）薄層Ｂを構成する岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の配向性：
前述のように組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎの成分系からなる薄層Ｂにおいて、Ａｌの含有割合が０．６〜０．７の領域では、Ａｌの効果により高い耐摩耗性を発揮することに加えて、立方晶系である岩塩型結晶構造を持つ結晶粒と六方晶系であるウルツ鉱型結晶構造を持つ結晶粒が混在することにより組織の微粒化が促進されすぐれた耐摩耗性を発揮する。しかしその反面、ランダム粒界がより多く形成されるため、衝撃による粒子の欠落が多くなり、実用的な工具用硬質被覆層としての性能を維持することは困難であった。本発明の薄層Ｂにおいては、それぞれの結晶系をもつ結晶粒が所定の配向性を有している状態にすることにより、この課題を解決した。すなわち、異なる結晶構造による異方性が、特定の配向を有していることで緩和されるとともに、ウルツ鉱型結晶構造の結晶面の中で、（１１−２０）面と垂直な（１０−１０）面の原子配列が、岩塩型結晶構造の結晶面の中の（２００）面と垂直な（０１１）面の原子配列と互いに近い構造をもつことから、高い整合性をもつ低エネルギー粒界が多く形成され、結晶粒同士の結合力が高まり、その結果として、薄層Ｂ全体としての耐欠損性が向上する。
【００２３】
なお、岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の配向性は次のような方法によって測定した。すなわち、薄層Ｂの断面方向からスポット径が硬質被覆層の層厚相当のスポット径を有する電子線を照射した状態で観察した電子線回折図形において、回折環または回折円弧を観察し、その回折環または回折円弧がいかなる結晶構造のどの配向に由来するものかを特定することにより結晶粒の配向性を測定した。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、超硬製工具基体に硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、硬質被覆層が最表面層として所定の平均層厚および組成の組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎの成分系からなる薄層Ａと、薄層Ａよりも工具基体側に薄層Ａに接した状態で存在する所定の平均層厚および組成の組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎの成分系からなる薄層Ｂを有し、薄層Ａは、所定の平均粒径幅、平均アスペクト比を有し、（１１−２０）配向のウルツ鉱型結晶構造を有する繊維状結晶粒から成り、薄層Ｂは、所定の平均等価円直径を有し岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の両方が存在し、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒が所定の面積割合を占めており、岩塩型結晶構造を有する結晶粒は（２２０）配向を、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒は（１１−２０）配向を有していることにより、薄層Ａが耐摩耗性、耐酸化性を向上させるとともに主としてすくい面でのクレーター摩耗の進行を防ぎ、薄層Ｂが耐摩耗性を向上させるとともに主として逃げ面での摩耗進行を防ぎ、さらに薄層Ａおよび薄層Ｂの層間において配向性が同一であることによって粒界結合力が向上し、これらの作用が相俟って強断続切削においても一層長寿命化が図れるという本発明に特有の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の被覆工具の硬質被覆層を蒸着形成するための圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置の概略図を示す。
【図２】本発明の被覆工具の硬質被覆層の断面模式図を示す。
【図３】本発明の被覆工具の硬質被覆層を構成する薄層Ｂに電子線を照射した場合の電子線回折図形の例を示す。
【図４】本発明の被覆工具の硬質被覆層における、薄層Ａおよび薄層Ｂの透過型電子顕微鏡写真の例を示す。
【図５】本発明の被覆工具の硬質被覆層における、円弧の端などを説明する強度プロファイルの例（ａ）と電子線回折像の例（ｂ）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の表面被覆切削工具は、炭化タングステン基超硬合金焼結体、炭窒化チタン基サーメット焼結体または立方晶窒化ほう素焼結体などの超硬質工具材料からなる工具基体に蒸着形成された硬質被覆層が最表面層として所定の平均層厚および組成の組成式：（ＡｌａＴｉ１−ａ）Ｎの成分系からなる薄層Ａと、薄層Ａよりも工具基体側に薄層Ａに接した状態で存在する所定の平均層厚および組成の組成式：（ＡｌｂＴｉ１−ｂ）Ｎの成分系からなる薄層Ｂを有し、薄層Ａは、所定の平均粒径幅、平均アスペクト比を有し、（１１−２０）配向のウルツ鉱型結晶構造を有する繊維状結晶粒から成り、薄層Ｂは、所定の平均等価円直径を有し岩塩型結晶構造を有する結晶粒とウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒の両方が存在し、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒が所定の面積割合を占めており、岩塩型結晶構造を有する結晶粒は（２２０）配向を、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶粒は（１１−２０）配向を有するという本発明に特有の構成を有し、高速強断続切削においても一層長寿命化が図れるという本発明に特有の効果を奏するものであれば、その具体的な実施の形態は、特に限定されるものではない。
【００２７】
つぎに、本発明の被覆工具を実施の形態を一実施例に基づき、より具体的に説明する。
【実施例】
【００２８】
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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２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、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８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〜Ｅを形成した。
【００２９】
ついで、前記工具基体Ａ〜Ｅのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１の概略図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に工具基体を装着し、まず、工具基体温度を４００〜４３０℃とした状態で、
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：９〜１１ｋＷ、
反応ガス導入口１および２の反応ガス流量割合：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｖｏｌ％、
プラズマガン用放電ガスの流量割合：アルゴン（Ａｒ）ガス  ３５ｖｏｌ％、
工具基体に印加するバイアス電圧：−１００Ｖ、
アシストプラズマガンの放電出力：２ｋＷ、
蒸着時間：４０〜２８０ｍｉｎ、
という表２に示される形成条件１〜８のもと表６に示される所定の目標層厚を有する薄層Ｂの形成を行い、ついで、工具基体温度を４００〜４３０℃とした状態で、
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：９〜１１ｋＷ、
反応ガス導入口１および２の反応ガス流量割合：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｖｏｌ％、
プラズマガン用放電ガスの流量割合：アルゴン（Ａｒ）ガス  ３５ｖｏｌ％、
工具基体に印加するバイアス電圧：−１００Ｖ、
アシストプラズマガンの放電出力：２ｋＷ、
蒸着時間：４０〜２８０ｍｉｎ、
という表３に示される形成条件ａ〜ｈのもと表６に示される所定の目標層厚を有する薄層Ａの形成を行うことにより本発明表面被覆切削工具としての本発明インサート１〜８をそれぞれ製造した。
【００３０】
また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｅを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、本発明と同様、図１の概略図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に工具基体を装着し、まず、工具基体温度を４００〜４３０℃とした状態で、
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：９〜１１ｋＷ、
反応ガス導入口１および２の反応ガス流量割合：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｖｏｌ％、
プラズマガン用放電ガスの流量割合：アルゴン（Ａｒ）ガス  ３５ｖｏｌ％、
工具基体に印加するバイアス電圧：直流−１０〜−２０Ｖ、
という表４に示される形成条件１〜８のもと表７に示される所定の目標層厚を有する薄層Ｂの形成を行い、ついで、工具基体温度を４００〜４３０℃とした状態で、
蒸発源１：金属Ｔｉ、
蒸発源１に対するプラズマガン放電電力：８〜９ｋＷ、
蒸発源２：金属Ａｌ、
蒸発源２に対するプラズマガン放電電力：９〜１１ｋＷ、
反応ガス導入口１および２の反応ガス流量割合：窒素（Ｎ２）ガス  １００ｖｏｌ％、
プラズマガン用放電ガスの流量割合：アルゴン（Ａｒ）ガス  ３５ｖｏｌ％、
工具基体に印加するバイアス電圧：直流−１０〜−２０Ｖ、
という表５に示される形成条件ａ〜ｈのもと表７に示される所定の目標層厚を有する薄層Ａの形成を行い、比較被覆工具としての比較インサート１〜８をそれぞれ製造した。
【００３１】
また、前述の硬質被覆層形成前に、通常の物理蒸着法を用いて、ＴｉＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮのいずれかからなる平均層厚０．５〜１．５μｍの下部層を形成することにより、表６および表７に示される本発明インサート９〜１４、比較インサート９〜１４をそれぞれ製造した。
【００３２】
つぎに、前記の各種のインサートを、いずれも工具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、本発明インサート１〜１４および比較インサート１〜１４について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３１６の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  １７５ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５ｍｍ、
送り：  ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ａ）でのステンレス鋼の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  ２．０ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｂ）での炭素鋼の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔６本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５ｍｍ、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件（切削条件Ｃ）での合金鋼の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．）を行い、いずれの断続切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表８に示した。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
【表２】
2015047644.tif 000004
【００３５】
【表３】
2015047644.tif 000005
【００３６】
【表４】
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【００３７】
【表５】
2015047644.tif 000007
【００３８】
【表６】
2015047644.tif 000008
【００３９】
【表７】
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【００４０】
【表８】
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【００４１】
さらに、本発明インサート１〜１４および比較インサート１〜１４の硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層について、集束イオンビーム加工により、工具逃げ面から、工具基体および硬質被覆層を含む、幅１００μｍ×高さ３００μｍ×厚さ０．２μｍの薄片を切り出し、該薄片のうち、硬質被覆層の厚み領域が全て含まれるよう設定された、幅が１０μｍであり、高さが硬質被覆層の層厚の２倍である視野を、透過型電子顕微鏡にて観察するとともに、電子線回折図形から薄層Ａおよび薄層Ｂを構成する結晶粒の結晶構造を決定したところ、薄層Ａは、工具基体表面に対して垂直方向に対して（１１−２０）配向を有するウルツ鉱型結晶構造の六方晶系結晶粒が存在し、薄層Ｂは、工具基体表面に対して垂直方向に対して（２２０）配向を有する岩塩型結晶構造の立方晶系結晶粒と、同じく（１１−２０）配向を有するウルツ鉱型結晶構造の六方晶系結晶粒の両方が混在することが確認された。
【００４２】
また、本発明インサート１〜１４および比較インサート１〜１４の硬質被覆層を構成する薄層Ａおよび薄層Ｂの層厚を、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて測定し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して平均層厚を求めたところ、いずれも表６および表７に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００４３】
また、本発明インサート１〜１４および比較インサート１〜１４の硬質被覆層に対して透過型電子顕微鏡（倍率は２０００００倍から１００００００倍の範囲から適切な値に設定する）により断面観察を行い、断面組織観察視野内の任意の工具基体表面を始点とする膜厚方向に平均層厚と等しい線分および膜厚方向に垂直な５μｍの線分からなる観察視野内の平均層厚×５μｍの範囲における薄層Ａの個々の結晶粒について、薄層Ａの厚みの中間の高さにおいて工具基体表面に平行に引いた直線Ｌ上において、結晶粒の粒界によって分断された直線Ｌ上の各線分の長さを示す線分を短径（粒子幅）とし、この短径に対して垂直方向の結晶粒の最大長さを示す線分を長径（粒子長さ）として、長径の値を短径の値で除した値をアスペクト比とした。そして、直線Ｌ上の個々の結晶粒の粒子幅およびアスペクト比の平均値を平均粒子幅および平均アスペクト比とした。また、同一視野内の薄層Ａの化学組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定し、その結果を、表６および表７に示した。
【００４４】
さらに、前述と同様に断面観察を行い、観察視野内の薄層Ｂの厚みの中間の高さにおいて工具基体表面に平行に引いた直線Ｌと交わる個々の結晶粒について、その結晶粒と同じ面積をもつ真円の直径を観察画像のデータ処理により求め、それを等価円直径とした。そして、直線Ｌ上の個々の結晶粒の等価円直径の平均値を平均等価円直径とした。また、同一視野内の薄層Ｂの化学組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定し、その結果を、表６および表７に示した。
【００４５】
さらに、薄層Ａの断面方向から、スポット径が薄層Ａの層厚相当の電子線を照射した状態で観察した薄層Ａにおける電子線回折図形において、岩塩型結晶構造に由来する回折環の一部と、ウルツ鉱型結晶構造に由来する回折環または円弧を観察した。そして、岩塩型結晶構造の（２２０）の回折円弧、ウルツ鉱型結晶構造の（１１−２０）の回折円弧が、いずれも完全な円環でなく円弧であることが確認された。そして、その円弧の角度幅を測定した。また、円弧の半径中心と円弧の開き角の中点を結んだ線分が工具基体表面となす角度φ（但し、φ≦９０度）を測定した（図３、５参照）。その結果を、表６および表７に示した。
【００４６】
つづいて、薄層Ｂの断面方向から、スポット径が薄層Ｂの層厚相当の電子線を照射した状態で観察した薄層Ｂにおける電子線回折図形において、ウルツ鉱型結晶構造に由来する回折環または円弧を観察した。そして、ウルツ鉱型結晶構造の（１１−２０）の回折円弧が、いずれも完全な円環でなく円弧であることが確認された。そして、その円弧の角度幅を測定した。また、円弧の半径中心と円弧の開き角の中点を結んだ線分が工具基体表面となす角度φ（但し、φ≦９０度）を測定した（図３、５参照）。その結果を、表６および表７に示した。
【００４７】
表６および表８に示される結果から、本発明インサートは、硬質被覆層を構成する薄層Ａが、（１１−２０）配向ウルツ鉱型結晶構造を示す結晶粒が存在する平均粒径幅１０〜５０ｎｍ、平均アスペクト比１０〜１５０の繊維状結晶粒から成り、かつ、薄層Ｂが、（２２０）配向岩塩型結晶構造を示す立方晶系結晶粒と（１１−２０）配向ウルツ鉱型結晶構造を示す六方晶系結晶粒の両方が所定の面積割合で混在している平均等価円直径が５〜５０ｎｍの微粒状結晶粒からなることにより、硬質被覆層全体として、すぐれた耐欠損性、すぐれた耐摩耗性を示し、強断続切削条件においても、剥離、欠損、チッピングを発生することなくすぐれた工具特性を長期に亘って発揮することが明らかである。
【００４８】
一方、表７および表８に示される結果から、比較インサートは、硬質被覆層を構成する薄層Ａと薄層Ｂの少なくとも一方が、前述したような本発明の構成とことなるために、硬質被覆層全体として、耐欠損性、耐摩耗性の面で劣り、剥離、欠損、チッピングを発生し、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】
【００４９】
前述のように、本発明の表面被覆切削工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して大きな負荷がかかるステンレス鋼、合金鋼などの高硬度鋼の高速断続旋削加工においても、すぐれた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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【図３】
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【図４】
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【図５】
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