(57)【要約】      （修正有）【課題】耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体表面に形成した結晶組織を制御した（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる第１層の直上に、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）からなる第２層を成膜し、しかも、実質的にエピタキシャル成長させることによって、第２層の結晶粒径や結晶方位を制御し、結晶粒径の大きい柱状の組織とし、耐摩耗性向上を図り、また、第２層にＣ成分の組成傾斜構造を形成し、工具基体と第１層間に下地層を介在形成することによって、密着強度、耐異常損傷性を改善し、さらに、第１層と第２層を総括した回折ピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）を所定範囲とし、第１層と第２層を総括した残留応力を所定範囲とすることによって、工具性能をさらに向上させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、工具基体表面に形成した第１層と、第１層の上に形成した第２層とからなり、
前記第１層は、
組成式：（Ｔｉ１−ａＡｌａ）Ｎ（但し、ａは原子比で、０．３≦ａ≦０．７）を満足する０．５〜３．０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの窒化物層であり、
前記第２層は、
組成式：（Ｔｉ１−ｂＡｌｂ）（Ｎ１−ｃＣｃ）（但し、ｂ，ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．４）を満足する０．５〜２．０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの炭窒化物層であり、
（ｂ）前記第１層と第２層の結晶粒は、第１層と第２層の界面長さ割合で７０％以上の界面領域において連続した結晶成長組織からなり、かつ、連続した結晶成長組織は同じ結晶方位を示し、
（ｃ）前記第２層の結晶粒の工具基体表面に平行な平均幅は０．０５〜１．０μｍであり、工具基体表面に垂直な平均高さは０．０５〜１．５μｍであり、かつ、平均アスペクト比（高さ／幅）が１〜１０であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記第２層は、第１層との界面側から第２層の表面に向かってＣ成分含有割合が漸次増加する層厚方向の組成傾斜構造を有しており、かつ、第２層の平均組成は、
組成式：（Ｔｉ１−ｂＡｌｂ）（Ｎ１−ｃＣｃ）（但し、ｂ，ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．４）を満足す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】
工具基体表面と前記第１層の間に、０．００５〜０．０２０μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層と、組成式：（Ｔｉ１−ｄＡｌｄ）Ｎ（但し、ｄは原子比で、０．３≦ｄ≦０．７）を満足し、０．００５〜０．０２０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの窒化物層が交互に積層された、平均総層厚が０．１〜０．５μｍである下地層が形成されてい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。
【請求項４】
前記第１層と第２層について、Ｘ線回折によって総括的なＸ線回折ピーク強度を測定し、測定された（２００）ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）ピーク強度をＩ（１１１）としたとき、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が２〜１０であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記第１層と第２層についての総括的な圧縮残留応力が−０．５〜−４．０ＧＰａであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項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、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、鋼や鋳鉄などの高速切削加工に供した場合においても、チッピング、欠損が発生しにくく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性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。
【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、被覆工具としては、例えば、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ焼結体を工具基体とし、これに硬質被覆層を形成した被覆工具が知られており、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、工具基体表面に、ＴｉとＡｌの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物、炭窒酸化物の単層または多層からなる被膜を被覆し、該被膜は、Ｘ線回折により測定した（２００）面のピーク強度が最大になるように結晶配向させることにより、耐剥離性、耐酸化性、耐熱衝撃性および広範な温度域にわたりすぐれた耐摩耗性を備えた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、ＴｉとＡｌの複合窒化物、複合炭化物、複合炭窒化物の単層または多層からなる被膜を被覆し、該硬質被膜の結晶粒径の縦/横比を１〜７とすることで、耐酸化性、耐摩耗性にすぐれた長寿命の被覆工具が提案されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、工具基体表面に、（ＶＵ，Ｔｉ１−Ｕ）（ＮＶ，Ｃ１−Ｖ）系皮膜(但し、０．２５≦Ｕ≦０．７５，０．６≦Ｖ≦１)と（ＡｌＸ，Ｔｉ１−Ｘ）（ＮＹ，Ｃ１−Ｙ）系皮膜(但し、０．２５≦Ｘ≦０．７５，０．６≦Ｙ≦１)を積層した硬質皮膜において、各層の結晶組織が界面で実質的にエピタキシャル成長をしていることで、優れた耐摩耗性と密着性を発揮する被覆工具が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３１７１２３号公報
【特許文献２】特開平１０−３１５０１１号公報
【特許文献３】特開２００１−１８１８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記従来技術で提案されているＴｉとＡｌの炭窒化物からなる硬質被覆層は、硬さ、耐熱性とともにすぐれた耐摩耗性を期待できるが、Ａｌ成分とＣ成分を含有していることによって、結晶格子の歪が増大し、材料特性の制御と結晶組織の制御を両立させることが実際上非常に困難であったため、高速切削加工のように切れ刃に高負荷が作用する切削条件においては、従来被覆工具は満足できる耐摩耗性を発揮することはできなかった。  
したがって、高速切削加工に供した場合にも、長期にわたって安定した耐摩耗性を発揮するような被覆工具が求められている。
【０００８】
そこで、本発明者らは、前記課題を解決すべく硬質被覆層の構造について鋭意検討したところ、次のような知見を得たのである。
【０００９】
（１）工具基体表面に、結晶組織を制御したＴｉとＡｌの窒化物（以下、「（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ」という場合もある）層の直上に、ＴｉとＡｌの炭窒化物（以下、「（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）」という場合もある）層を積層させることによって、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の結晶組織を結晶粒径の大きい柱状の組織に制御することができ、これによって、耐摩耗性を向上させることができる。
（２）つまり、工具基体表面に形成した（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の結晶組織を粒径が大きくなるよう制御し、その上に（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を成膜し、しかも、実質的にエピタキシャル成長させることによって、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の結晶粒径や結晶方位を制御することができ、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を結晶粒径の大きい柱状の組織とすることができるので、切削加工時の負荷による粒界からの破壊が抑制され、より高い耐摩耗性が発揮される。
（３）そして、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の結晶粒径を、基体表面と平行方向に幅の広い柱状の組織に制御するためには、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層のＸ線回折において（２００）面のピーク強度が大きくなるような配向組織を形成することが望ましい。
【００１０】
（４）また、耐摩耗性に加え、切削時の高負荷に対して、チッピング、欠損、剥離等を発生しないためには、層間の付着強度が高いことが必要とされるが、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の総括的な残留応力を制御することによって、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層間の密着力を向上させることができる。
さらに、工具基体と（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層間の付着強度を高めるために、工具基体と（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の間に、ＴｉＮ膜と（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜をナノレベルで交互に積層した下地層を挟むことが望ましい。特に、立方晶窒化硼素焼結体を工具基体とした場合には、界面で生じたクラックをナノレベルの積層界面に誘導、分散させることで一段と密着力を向上させることができる。
【００１１】
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、
「（１）ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、工具基体表面に形成した第１層と、第１層の上に形成した第２層とからなり、
前記第１層は、
組成式：（Ｔｉ１−ａＡｌａ）Ｎ（但し、ａは原子比で、０．３≦ａ≦０．７）を満足する０．５〜３．０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの窒化物層であり、
前記第２層は、
組成式：（Ｔｉ１−ｂＡｌｂ）（Ｎ１−ｃＣｃ）（但し、ｂ，ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．４）を満足する０．５〜２．０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの炭窒化物層であり、
（ｂ）前記第１層と第２層の結晶粒は、第１層と第２層の界面長さ割合で７０％以上の界面領域において連続した結晶成長組織からなり、かつ、連続した結晶成長組織は同じ結晶方位を示し、
（ｃ）前記第２層の結晶粒の工具基体表面に平行な平均幅は０．０５〜１．０μｍであり、工具基体表面に垂直な平均高さは０．０５〜１．５μｍであり、かつ、平均アスペクト比（高さ／幅）が１〜１０であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記第２層は、第１層との界面側から第２層の表面に向かってＣ成分含有割合が漸次増加する層厚方向の組成傾斜構造を有しており、かつ、第２層の平均組成は、
組成式：（Ｔｉ１−ｂＡｌｂ）（Ｎ１−ｃＣｃ）（但し、ｂ，ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．４）を満足することを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）工具基体表面と前記第１層の間に、０．００５〜０．０２０μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層と、組成式：（Ｔｉ１−ｄＡｌｄ）Ｎ（但し、ｄは原子比で、０．３≦ｄ≦０．７）を満足し、０．００５〜０．０２０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの窒化物層が交互に積層された、平均総層厚が０．１〜０．５μｍである下地層が形成されていることを特徴とする（１）、（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４）前記第１層と第２層について、Ｘ線回折によって総括的なＸ線回折ピーク強度を測定し、測定された（２００）ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）ピーク強度をＩ（１１１）としたとき、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が２〜１０であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記第１層と第２層についての総括的な圧縮残留応力が−０．５〜−４．０ＧＰａであることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１２】
ここで、本発明の被覆工具について、より詳しく説明する。
【００１３】
第１層の組成と平均層厚： 
図１の模式図に示すように、組成式：（Ｔｉ１−ａＡｌａ）Ｎ（但し、ａは原子比で、０．３≦ａ≦０．７）で表される０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる第１層において、Ａｌ成分を、Ｔｉ成分との合量に占める原子比で０．３以上含有させると、層の高温硬さと高温耐酸化性が向上するが、一方、Ｔｉ成分との合量に占める割合が０．７を超えると、岩塩型結晶構造を維持することができず、アモルファス化し易くなり、硬さが低下してくることから、Ｔｉ成分との合量に占めるＡｌ成分の第１層における含有割合ａは、０．３≦ａ≦０．７と定めた。
また、上記第１層の平均層厚が０．５μｍ未満であると、第１層の結晶粒を、十分に幅の広い柱状の結晶粒に成長させることができないため、第２層の結晶組織制御を行うことができず、一方、第１層の平均層厚が３．０μｍを超えると、第１層内の歪が大きくなり、自壊しやすくなる。
したがって、この発明では、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる第１層の平均層厚を、０．５〜３．０μｍと定めた。
【００１４】
第２層の組成と平均層厚： 
図１の模式図に示すように、組成式：（Ｔｉ１−ｂＡｌｂ）（Ｎ１−ｃＣｃ）（但し、ｂ，ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．４）で表される０．５〜２．０μｍの平均層厚を有する（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）からなる第２層において、Ａｌ成分については、前記第１層について述べたと同様、Ｔｉ成分との合量に占める原子比が０．３以上になると、層の高温硬さと高温耐酸化性が向上するが、０．７を超えると、岩塩型結晶構造を維持することができず、アモルファス化し易くなり、硬さが低下してくることから、Ｔｉ成分との合量に占めるＡｌ成分の第２層における含有割合ｂは、０．３≦ｂ≦０．７と定めた。
また、第２層におけるＣ成分については、Ｎ成分との合量に占めるＣ成分の原子比が０．０１以上になると、層の硬さは向上するが、一方、Ｃ成分の含有割合が０．４を超えると靭性が低下し、また、層がアモルファス化し易くなることから、Ｎ成分との合量に占めるＣ成分の含有割合ｃは、０．０１≦ｃ≦０．４と定めた。
さらに、上記第２層の平均層厚が０．５μｍ未満であると、十分な耐摩耗性向上の効果を発揮することができず、一方、第２層の平均層厚が２．０μｍを超えると、第２層内の歪が大きくなり、自壊しやすくなる。
したがって、この発明では、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）からなる第２層の平均層厚を、０．５〜２．０μｍと定めた。
なお、第１層、第２層の組成、平均層厚については、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用いた断面測定により、測定することができる。
【００１５】
第１層と第２層の界面長さ割合で７０％以上の界面領域において連続した結晶成長組織：
図２（ａ）に、本発明の被覆工具における第１層と第２層の界面付近の断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真の模式図を示し、また、図２（ｂ）に、本発明における連続した結晶成長組織の界面長さを記載した図を示す。
本発明の硬質被覆層は、図２（ａ）、（ｂ）からも分かるように、第１層と第２層の界面において、界面長さの７０％以上の割合で、第１層の結晶粒と第２層の結晶粒が、連続した結晶成長組織を有する。
図２（ｂ）において、第１層と第２層の界面を貫通して成長した連続した結晶成長組織は、グレーの領域として示している。
第１層と第２層の界面を貫通して成長した連続した結晶成長組織の割合は、成膜時の、アーク電流、反応ガス分圧およびバイアス電圧を制御することによって調整することができるが、上記連続した結晶成長組織の生成割合、即ち、第１層と第２層の界面長さに占める割合が７０％未満では、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）からなる第２層の結晶組織制御が困難であり、第２層の結晶粒の平均幅、アスペクト比等を所定の値に制御できず、また、第１層と第２層間の密着性も十分に確保することができない。
したがって、この発明では、第１層と第２層の界面領域に形成する第１層と第２層の界面を貫通して成長した連続した結晶成長組織の界面長さ割合は、第１層と第２層の界面長さに対する割合で７０％以上と定めた。
【００１６】
なお、ここでいう界面長さ割合とは、図２（ｂ）に則して説明すれば、次のとおりである。
まず、透過型電子顕微鏡（TEM）にて第1層と第2層の界面領域を観察し、観察した所定の視野における界面粗さの基準線の長さをL（μｍ）とする。次に、観察した所定の視野において、界面を貫いて成長している結晶粒を定め、該結晶粒内において、界面粗さの基準線から垂直な方向に第１層、第２層側にそれぞれ０．２μｍの位置における回折図形を確認し、同じ結晶方位であるかどうかを確認した。界面を貫いて成長し、かつ同じ結晶方位を向いているものを、本願で規定する、界面を貫通して成長した連続した結晶成長組織、とし、該結晶粒の界面粗さの基準線上における結晶粒の幅をＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６（μｍ）とした場合、Ｌ１〜Ｌ６の合計を、Ｌで除した値、即ち、
（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６）×１００／Ｌ
の値が、第１層と第２層の界面領域において連続した結晶成長組織の界面長さ割合である。
【００１７】
第２層の結晶粒の平均幅、平均高さ、平均アスペクト比：
工具基体表面に平行な方向に測定した第２層の結晶粒の平均幅が０．０５μｍ未満、工具基体表面に垂直な方向に測定した第２層の結晶粒の平均高さが０．０５μｍ未満、または平均アスペクト比(高さ／幅)が１未満であると、所望の耐摩耗性が得られない。一方、平均幅が１μｍを超える場合、平均高さが１．５μｍを超える場合、あるいは、平均アスペクト比(高さ／幅)が１０を超える場合には、結晶粒界が少なくなり、高負荷な切削の際にクラックが粒界に沿って伝播・進展してしまうために、耐欠損性が低下する。
したがって、この発明では、第２層の結晶粒の平均幅は０．０５〜１．０μｍ、平均高さは０．０５〜１．５μｍ、また、平均アスペクト比(高さ／幅)は１〜１０と定めた。
なお、第２層の結晶粒の平均幅、平均高さは、第２層の断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察測定し、複数の測定値を平均することによって求めることができる。また、平均アスペクト比(高さ／幅)は、前記で測定した平均幅、平均高さから算出することができる。
ここで、工具基体表面とは、基体の硬質被覆層と接する面の面方向に垂直な断面の観察像における、基体と硬質被覆層の界面粗さの基準線とする。
【００１８】
第２層の組成傾斜構造：
本発明の被覆工具の硬質被覆層の第２層は、第１層との界面側から第２層の表面に向かってＣ成分含有割合が漸次増加する層厚方向の組成傾斜構造を有していることが望ましく、かつ、その際の第２層の平均組成は、
組成式：（Ｔｉ１−ｂＡｌｂ）（Ｎ１−ｃＣｃ）（但し、ｂ，ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．４）を満足することが望ましい。
これは、第２層のＣ成分含有割合が多い場合、第１層と第２層の格子定数のミスマッチが大きくなり、密着性が低下し易くなるが、第２層のＣ成分含有割合を、第1層と第2層の界面側から、第2層の表面に向かって漸次増加する組成傾斜構造を形成しておくことによって、第１層と第２層の界面付近の化学組成を近づけることで、密着性の低下を防止し得るとともに、第１層と第２層の界面領域における連続した結晶成長組織の界面長さ割合を高めることもできるという理由による。
なお、上記組成傾斜構造を形成した場合であっても、第2層の平均組成は、既に述べた理由と同じであり、Ｔｉ成分との合量に占めるＡｌ成分の第２層における含有割合ｂは、０．３≦ｂ≦０．７とし、また、Ｎ成分との合量に占めるＣ成分の含有割合ｃは、０．０１≦ｃ≦０．４とすることが望ましい。
【００１９】
交互積層からなる下地層：
本発明の被覆工具は、工具基体表面と前記第1層との間に、０．００５〜０．０２０μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層と、組成式：（Ｔｉ１−ｄＡｌｄ）Ｎ（但し、０．３≦ｄ≦０．７）を満足し、０．００５〜０．０２０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの窒化物層を交互に積層した、平均総層厚０．１〜０．５μｍの下地層を介在形成することによって、工具基体と前記第1層との間の密着強度をさらに高めることができる。
ここで、ＴｉＮ層と、組成式：（Ｔｉ１−ｄＡｌｄ）Ｎ（但し、０．３≦ｄ≦０．７）で表されるＴｉとＡｌの窒化物層の平均層厚が、それぞれ０．００５μｍ未満である場合、交互積層間に明確な界面が得られにくく、所望の効果が得られない。また、交互積層からなる下地層の平均総層厚が０．１μｍ未満である場合、またはＴｉＮ層と、前記ＴｉとＡｌの窒化物層の平均層厚が、それぞれ０．０２μｍを超える場合には、交互積層間の界面が少ないため密着性改善効果が少なく、下地層の平均総層厚が０．５μｍを超える場合、皮膜の歪が大きくなり自壊しやすくなるため、交互積層を構成するそれぞれの平均層厚は、０．００５〜０．０２０μｍとすることが望ましく、また、下地層の平均総層厚は、０．１〜０．５μｍとすることが望ましい。
さらに、交互積層を構成する組成式：（Ｔｉ１−ｄＡｌｄ）Ｎ（但し、０．３≦ｄ≦０．７）で表されるＴｉとＡｌの窒化物層について、Ｔｉとの合量に占めるＡｌの含有割合ｄ（但し、原子比）は、第１層のＡｌ含有割合ａについてのべた理由と同じであるが、Ａｌの含有割合ｄが０．３未満では、層の高温硬さと高温耐酸化性向上効果は少なく、一方、Ａｌの含有割合ｄが０．７を超えると、硬さが低下してくることから、Ｔｉ成分との合量に占めるＡｌ成分の含有割合ｄは、０．３≦ｄ≦０．７とすることが望ましい。
【００２０】
第１層と第２層の総括的なX線回折ピークにおけるピーク強度比、残留応力：
本発明の被覆工具は、Ｘ線回折により、第１層と第２層を総括した（２００）面、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）およびＩ（１１１）を測定した場合、ピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が２未満であると第１層と第２層が連続して成長しにくくなるため、第２層の結晶組織制御が困難となる。一方、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が１０を超えると皮膜の結晶粒が粗大化しやすく、結晶粒界が少なくなり、高負荷な切削時の耐欠損性が低下するため、ピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）は２〜１０とすることが望ましい。
ここで、総括したＸ線回折ピーク強度とは、第１層と第２層の重なった回折ピークを、一つの回折ピークと看做して求めた回折ピーク強度である。そして、ピーク強度比は、総括した回折ピーク強度Ｉ（２００）と回折ピーク強度Ｉ（１１１）から強度比を算出する。
【００２１】
第１層と第２層の総括的な残留応力：
第１層と第２層を総括した残留応力の測定はＸ線回折装置を用い、２θ−ｓｉｎ２ψ法にて実施する。この場合、Ｃｒ管球を用い、第１層と第２層を総括した（２２０）ピークにて測定する。ヤング率としては４７０ＧＰａ、ポアソン比としては０．２を使用して計算を実施した。
第１層と第２層を総括した残留応力が−４ＧＰａより大きい（即ち、圧縮残留応力が大き過ぎる）と、第１層と第２層の層間もしくは層内で自壊してしまい、一方、−０．５ＧＰａより小さい（即ち、圧縮残留応力がほぼゼロに近い）と耐欠損性が低下することから、１層と第２層を総括した残留応力は−０．５〜−４．０ＧＰａとすることが望ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の被覆工具は、工具基体表面に形成した結晶組織を制御した（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる第１層の直上に、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）からなる第２層を成膜し、しかも、実質的にエピタキシャル成長させることによって、第２層の結晶粒径や結晶方位を制御し、結晶粒径の大きい柱状の組織とし、これによって、切削加工時の負荷による粒界からの破壊が抑制され、すぐれた耐摩耗性が発揮される。
また、第２層にＣ成分の組成傾斜構造を形成することによって、第１層と第２層間の密着強度を高めることができ、工具基体と第１層間に下地層を介在形成することによって、工具基体と第１層間の密着強度を高めることができることから、切削時の高負荷によるチッピング、欠損、剥離等の発生を抑制することができる。
さらに、第１層と第２層を総括した回折ピーク強度Ｉ（２００）とＩ（１１１）のピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）を所定範囲とすることによって、また、第１層と第２層を総括した残留応力を所定範囲とすることによって、耐摩耗性に加え、第１層と第２層間の密着強度向上、耐異常損傷性の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明被覆工具の硬質被覆層の断面概略模式図を示す。
【図２】（ａ）は、本発明被覆工具の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる第１層と（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）からなる第２層の界面近傍のＳＥＭ写真の概略模式図であり、（ｂ）は、第１層と第２層が連続して成長している結晶粒の概略模式図を示す。
【図３】被覆工具の硬質被覆層を蒸着形成するためのアークイオンプレーティング装置の概略図であり（ａ）が正面図、を（ｂ）が側面図を示す。
【図４】本発明被覆工具の第１層と第２層を総括した残留応力を求めるための概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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、ｃＢＮ基体からなる被覆工具、超硬合金基体からなる被覆工具について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメット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１】
【００２５】
工具基体の作製：
原料粉末として、２．０μｍ以下の平均粒径を有するｃＢＮ粒子を硬質相形成用原料粉末として用意するとともに、いずれも２．０μｍ以下の平均粒径を有するＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、Ａｌ粉末、ＡｌＮ粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末を結合相形成用原料粉末として用意する。
これら中からいくつかの原料粉末とｃＢＮ粉末の合量を１００体積％としたときのｃＢＮ粒子の含有割合が５０容量％となるように表１に示される配合比で配合する。
次いで、この原料粉末をボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、成形圧１００ＭＰａで直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法にプレス成形し、ついでこの成形体を、圧力：１Ｐａ以下の真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に保持して仮焼結し、その後、超高圧焼結装置に装入して、圧力：５ＧＰa、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定の温度で焼結することにより、ｃＢＮ焼結体を作製する。
この焼結体をワイヤー放電加工機で所定寸法に切断し、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ系ろう材を用いてろう付けし、上下面および外周研磨、ホーニング処理を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったｃＢＮ工具基体１〜３を製造した。
【００２６】
【表１】
2015160259.tif 000003
【００２７】
硬質被覆層の成膜：
前述の工程によって作製した工具基体１〜３に対して、図３に示したようなアークイオンプレーティング装置を用いて、硬質被覆層を形成した。
なお、図３には、一種類のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットしか図面に記載していないが、目標とする（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の種類によって、組成の異なる複数のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを装置内に配備することができる。
（ａ）工具基体１〜３を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、アークイオンプレーティング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そって装着する。また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットおよびＴｉターゲットを配置する。
（ｂ）まず、装置内を排気して１０−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、０．５〜２．０ＰａのＡｒガス雰囲気に設定し、前記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、もって工具基体表面をアルゴンイオンによって５〜３０分間ボンバード処理する。
（ｃ）次に、下地層の成膜を、次のとおり行う。
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２〜１０Ｐａの所定の反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に表２に示す−２５〜１００Ｖの所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、前記Ｔｉターゲットからなるカソード電極（蒸発源）および前記所定組成のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットからなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に表２に示す９０〜２００Ａの所定の電流を同時に所定時間流してアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に、表４に示される目標平均総層厚の下地層を蒸着形成した。
（ｄ）次いで、第１層および第２層の成膜を、次のとおり行う。
まず、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４〜１０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に表２に示す−２５〜−７５Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、前記Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットからなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に表２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、前記下地層表面に、表５に示される目標組成、目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる第１層を蒸着形成した。
ついで、反応ガスとして窒素ガスとメタンガスの混合ガスを使用し、窒素ガスとメタンガスの流量比を徐々に変えながら、表２に示す４〜１０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に表２に示す−２５〜−７５Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、前記Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットからなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に表２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ることにより、表５に示される目標組成、目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｃ）層からなる第２層を蒸着形成した。
なお、本発明工具１、２については、上記工程（ｃ）による下地層の形成は行っておらず、また、本発明工具３、４については、第２層におけるＣ成分の組成傾斜構造を形成していない。
【００２８】
図２（ａ）には、本発明工具の第１層と第２層の界面近傍のＳＥＭ断面写真の一例を示し、（ｂ）に、観察領域における連続した結晶成長組織の模式図と、連続した結晶組織の界面長さＬ１〜Ｌ６および界面長さＬを示す。
【００２９】
比較のため、工具基体１〜３に対して、表３に示す条件で前述の（ａ）〜（ｃ）の工程を行って、表４に示す下地層を蒸着形成した後、表３に示す条件で、第１層および第２層を蒸着することにより、表６に示す比較例被覆工具(「比較例工具」という)１〜６を作製した。
【００３０】
【表２】
2015160259.tif 000004
【００３１】
【表３】
2015160259.tif 000005
【００３２】
上記で作製した本発明工具１〜６および比較例工具１〜６について、ＦＩＢを用いた薄片加工により、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、工具基体表面に平行な方向の幅が１０μｍである視野について、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）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いた断面測定により、各層の組成、層厚を複数箇所で測定し、これを平均することにより、平均組成、平均層厚を算出した。
なお、組成傾斜構造が形成されている第２層については、第２層の層厚を層厚方向に３分割し、３分割された領域を基体側から（１）, （２）, （３）として、それぞれ中間点の組成を測定し、組成が傾斜していることを確認し、またこれらを平均することにより、平均組成を算出した。
【００３３】
第１層と第２層の連続した結晶組織については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、観察領域における連続した結晶成長組織の有無および連続した結晶組織の界面長さＬ１〜ＬＸ（Ｘは観察領域における連続した結晶組織の個数)および界面長さＬとから界面長さ割合（％）を算出した。なお、連続した結晶組織の界面長さ割合（％）は、図２（ｂ）に示すように、観察領域のＳＥＭ断面画像において、界面粗さの基準線と結晶粒界の交点をプロットし、交点間の長さ（Ｌ１〜Ｌ６）を界面長さとし、画像全体の界面粗さの基準線方向の長さ（Ｌ）に対する比率［（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６）×１００／Ｌ］として求めることができる。
界面粗さの基準線は、以下の手順で定める。まず、硬質被覆層の断面に対してＡＥＳを用いた元素マッピングを実施することによって第１層と第２層の界面を定める。こうして得られた第１層と第２層の界面の粗さ曲線について、平均線を算術的に求め、これを界面粗さの基準線とする。
また、連続した結晶粒の結晶方位の測定は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた断面観察により求めることができる。
【００３４】
第２層の結晶粒の平均幅、平均高さおよび平均アスペクト比については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた断面観察により、複数箇所の値を測定し、これを平均することにより、平均幅、平均高さおよび平均アスペクト比を算出することができる。各結晶粒の平均幅、平均高さは、結晶粒の形状を長方形に近似した際の幅、高さとする。平均幅は界面粗さの基準線に平行な方向の結晶粒界の交点間の長さとし、断面画像中の結晶粒の面積と等価な面積となるような長方形を定め、平均高さを求める。
結晶粒の平均幅、平均高さの算出は、工具基体表面と平行な方向に長さ１０μｍの範囲に存在する第２層の結晶粒について上記の手順にて測定し、測定範囲内に存在する粒子についての平均値を算出することにより求めた。
【００３５】
第１層と第２層の総括したＸ線回折ピーク強度比は、第１層と第２層の重なった（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）と、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）を測定し、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）から回折ピーク強度比を算出した。
また、第１層と第２層の総括した残留応力は、Ｘ線回折装置を用い、２θ−ｓｉｎ２ψ法にて求めた。なお、Ｘ線回折は、Ｃｒ管球を用い、（２２０）ピークを測定し、ヤング率として４７０ＧＰａ、ポアソン比として０．２を使用して計算を実施した。
なお、第１層と第２層の総括した残留応力とは、図４に示すように、第１層と第２層の重なったＸＲＤピークを一つのピークとして評価して算出した残留応力値である。
【００３６】
表４、表５に、上記で求めた各種の値を示す。
【００３７】
【表４】
2015160259.tif 000006
【００３８】
【表５】
2015160259.tif 000007
【００３９】
【表６】
2015160259.tif 000008
【００４０】
次いで、本発明工具１〜６および比較例工具１〜６について、
切削条件Ａ：
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の浸炭焼入れ材（ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度：２５０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２  ｍｍ、
送り：０．１  ｍｍ、
の乾式連続切削条件で切削試験を行い、切削長９００ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定した。
表７にその結果を示す。
【００４１】
【表７】
2015160259.tif 000009
【実施例２】
【００４２】
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、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末を用意し、これら原料粉末を、表８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ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金工具基体１１〜１３を製造した。
【００４３】
【表８】
2015160259.tif 000010
【００４４】
成膜工程：
前述の工程によって作製したＷＣ基超硬合金工具基体１１〜１３に対して、図３に示したようなアークイオンプレーティング装置を用いて、実施例１の場合と同様にして、表９に示す条件で硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１１に示す下部層と、表１２に示す第１層、第２層を有する本発明被覆工具(「本発明工具」という)１１〜１６を作製した。
なお、本発明工具１１、１２については、下地層の形成は行っておらず、また、本発明工具１３、１４については、第２層におけるＣ成分の組成傾斜構造を形成していない。
【００４５】
比較のため、上記工具基体１１〜１３に対して、比較例工具１〜６と同様に、表１０に示す条件で硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１１に示す下部層と、表１３に示す第１層、第２層を有する比較例被覆工具(「比較例工具」という)１１〜１６を作製した。
【００４６】
【表９】
2015160259.tif 000011
【００４７】
【表１０】
2015160259.tif 000012
【００４８】
【表１１】
2015160259.tif 000013
【００４９】
【表１２】
2015160259.tif 000014
【００５０】
【表１３】
2015160259.tif 000015
【００５１】
上記で作製した本発明工具１１〜１６および比較例工具１１〜１６について、実施例１と同様にして、各層の平均組成、平均層厚を算出した。
なお、組成傾斜構造が形成されている第２層については、実施例１と同様に、第２層の層厚を３分割し、３分割された領域のそれぞれ中間点の組成を測定し、これを平均することにより、平均組成を算出した。
また、第１層と第２層の連続した結晶組織についての界面長さ割合（％）、連続した結晶粒の結晶方位、第２層の結晶粒の平均幅、平均高さおよび平均アスペクト比、回折ピーク強度比、第１層と第２層の総括した残留応力についても、実施例１と同様にして、測定・算出することによって求めた。
表１１、表１３に、上記で求めた各種の値を示す。
【００５２】
次いで、本発明工具１１〜１６および比較例工具１１〜１６について、ＳＥ４４５Ｒ０５０６Ｅのカッタを用いて、以下の切削条件Ｂで、単刃の高速正面フライス切削試験を実施した。
切削条件Ｂ：
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの幅６０ｍｍ×長さ２５０ｍｍのブロック材、
切削速度：２８０  ｍ／ｍｉｎ．、
回転速度：７１３  ｒｅｖ／ｍｉｎ、
切り込み：２  ｍｍ、
送り：０．１  ｍｍ／刃、
切削幅：６０ｍｍ
の条件で、切削長１４００ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定した。
表１４にその結果を示す。
【００５３】
【表１４】
2015160259.tif 000016
【００５４】
表１４の結果によれば、本発明工具１１〜１６は、逃げ面摩耗幅の平均は約０．１２ｍｍであるのに対して、比較例工具１１〜１６は逃げ面摩耗が進行し、また、短時間で欠損による寿命となるものも生じた。
この結果から、本発明工具１１〜１６は、比較例工具１１〜１６に比して、耐欠損性、耐摩耗性のいずれもすぐれていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の表面被覆切削工具は、各種の鋼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合金鋼、ステンレス鋼などの高速切削加工においても、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】
2015160259.tif 000017
【図２】
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【図３】
2015160259.tif 000019
【図４】
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