(57)【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、少なくともＴｉ化合物層を含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具であって、
切れ刃近傍において工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層中の窒素濃度と炭素濃度を、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した場合、炭素濃度が高く窒素濃度が低い（窒素濃度ゼロを含む）低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い（炭素濃度ゼロを含む）高窒素領域が形成されており、かつ、
前記低窒素領域から、前記工具基体表面に垂直な方向へ、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２μｍまでの範囲にわたって、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
請求項１に記載の表面被覆切削工具において、前記工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層の表面に、これとは異なる膜種の一層又は多層のＴｉ化合物層が形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】
請求項２に記載の表面被覆切削工具において、最表面の前記Ｔｉ化合物層の表面に、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層が形成されていることを特徴とする請求項２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、二相ステンレス鋼のように溶着を発生しやすい難削材の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、耐剥離性を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられている。
【０００３】
ただ、このような被覆工具は、二相ステンレス鋼のような難削材の切削加工、特に、切れ刃に断続的かつ衝撃的な高負荷が作用する断続切削加工においては、溶着に起因するチッピング、剥離を発生しやすく、工具寿命が短命であるという問題があるため、これを解消するために、従来からいくつかの提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、工具基体と硬質被覆層との密着性、耐剥離性を向上させることを目的として、工具基体と硬質被覆層との界面にはオージェ分光分析法で測定される酸素量を１０原子％以下とし、かつ、該界面における表面粗さが、算術平均粗さＲａ値換算で５０〜１５０ｎｍである微細凹凸を形成した被覆工具が提案されており、この被覆工具によれば、工具基体と硬質被覆層との界面に酸化物が介在せず、かつ界面の凹凸が所定の算術平均粗さＲａを有するため、工具基体と硬質被覆層との間の密着性が良くてチッピング、欠損や膜剥離の発生がないとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−３０３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下で使用されるようになってきているが、例えば、前記特許文献１で提案されている被覆工具においては、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄の断続切削加工においてはある程度の耐チッピング性、耐欠損性を示すが、これを、難削材、例えば、二相ステンレス鋼の切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する断続切削加工に用いた場合には、二相ステンレス鋼は溶着が激しいため、この溶着発生を起因として、工具基体と硬質被覆層との界面での剥離を生じ、また、溶着チッピングを発生し、工具寿命が短命となる。
そこで、難削材の切削加工においても、耐チッピング性、耐剥離性がより優れる被覆工具が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工に用いた場合であっても、硬質被覆層がすぐれた密着性を備え、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐チッピング性、耐剥離性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った。
そして、工具基体と硬質被覆層の界面に存在する窒素濃度に着目して研究を進めたところ、工具基体表面直上には、工具基体表面に隣接するＴｉ化合物層中の窒素濃度と炭素濃度が、工具基体表面と平行な方向に沿って異なるＴｉ化合物層を形成するとともに、前記窒素濃度が最も低い部分において、工具基体表面とＴｉ化合物層の界面から、硬質被覆層の表面に向かって垂直方向に、窒素濃度が漸次増加する領域を形成した場合には、工具基体と硬質被覆層との密着性の向上が認められ、その結果、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、溶着が発生したとしても、これを原因とするチッピング、剥離の発生を抑制し得ることを見出したのである。
【０００８】
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、少なくともＴｉ化合物層を含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具であって、
切れ刃近傍において工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層中の窒素濃度と炭素濃度を、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した場合、炭素濃度が高く窒素濃度が低い（窒素濃度ゼロを含む）低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い（炭素濃度ゼロを含む）高窒素領域が形成されており、かつ、
前記低窒素領域において、前記工具基体表面に垂直な方向へ、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２μｍまでの範囲にわたって、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記（１）に記載の表面被覆切削工具において、前記工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層の表面に、これとは異なる膜種の一層又は多層のＴｉ化合物層が形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（２）に記載の表面被覆切削工具において、最表面の前記Ｔｉ化合物層の表面に、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層が形成されていることを特徴とする前記（２）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。  なお、前記（１）に関連し、本発明では、ホーニングを有する工具の場合はホーニング部、ホーニングの無い工具の場合は切れ刃から距離０．０２ｍｍ以内の領域を「切れ刃近傍」と定義する。
【０００９】
本発明について、以下に詳細に説明する。
【００１０】
図１に、本発明被覆工具の縦断面模式図の一例を示す。
図１に示される本発明被覆工具の一つの態様によれば、本発明被覆工具は、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、第一層として、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層を含む。
図１に示すように、第一層のＴｉ化合物層は、該層中の窒素濃度と炭素濃度を、工具基体表面と平行な方向（図１中の水平な破線）に沿って測定した場合、層中の窒素濃度と炭素濃度が異なる濃度分布を有し、窒素濃度が低く炭素濃度が高い低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い高窒素領域が形成されている。
さらに、前記第一層のＴｉ化合物層には、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した層中の窒素濃度が低い低窒素領域において、前記工具基体表面に垂直な方向へ、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度を測定した場合、前記Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍの範囲にわたり、工具基体から距離が離れるにしたがい、窒素濃度が漸次増加する領域が存在する。
本発明の被覆工具は、工具基体表面と平行な方向に沿った前記窒素濃度分布、炭素濃度分布を有し、さらに、工具基体表面に垂直な方向への前記窒素濃度分布を有するＴｉ化合物層が、少なくとも工具基体表面直上に形成される。  
【００１１】
本発明の被覆工具は、前記のＴｉ化合物層ばかりでなく、図１に示すように、第二層として、第一層のＴｉ化合物層とは膜種の異なるＴｉ化合物層を形成することができ、その上にさらに、第三層として、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３（以下、「α−Ａｌ２Ｏ３」または「κ−Ａｌ２Ｏ３」で示す。）層を形成することができる。
前記第一層としてのＴｉ化合物層（以下、「第一Ｔｉ化合物層」ともいう）は、窒素濃度、炭素濃度が工具基体表面と平行な方向に沿って変化するとともに、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した層中の低窒素領域において、工具基体表面に垂直な方向に向かって窒素濃度を測定した場合、Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍの範囲にわたり、窒素濃度が漸次増加する領域が存在するＴｉ化合物層である。
一方、第二層として形成されているＴｉ化合物層（以下、「第二Ｔｉ化合物層」ともいう）は、該層内において成分濃度がほぼ均一なＴｉ化合物層であって、工具基体表面と平行な方向あるいは垂直な方向に向かう窒素濃度、炭素濃度の変化はない。
したがって、前記第一Ｔｉ化合物層と第二Ｔｉ化合物層とは、例えば、ＴｉＣＮ系というように成分系が同じであったとしてもが、少なくとも窒素濃度の変化の有無という点で、異なるＴｉ化合物層であるといえる。
【００１２】
第一Ｔｉ化合物層：
工具基体表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層は、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層であり、例えば、Ｔｉの炭窒化物（ＴｉＣＮ）層あるいはＴｉの炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層である。
なお、第一Ｔｉ化合物層としては、（後述の窒素濃度分布、炭素濃度分布を有する）ＴｉＣＮ層が好ましい。
前記第一Ｔｉ化合物層について、該層中に含有される窒素濃度と炭素濃度を、工具基体表面と平行な方向に沿って測定した場合、窒素濃度が低く炭素濃度が高い低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い高窒素領域が形成されている。
さらに、前記低窒素領域において、前記工具基体表面に垂直な方向へ、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度を測定した場合、前記Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍの範囲にわたり、工具基体から距離が離れるにしたがい、窒素濃度が漸次増加する領域を備える。
そして、工具基体表面と平行な方向及び工具基体表面と垂直な方向に前記の窒素濃度領域が形成されることによって、工具基体と第一Ｔｉ化合物層との界面密着性が向上する。
界面密着性が向上する理由を以下に記す。
まず、界面密着性を向上させるために第一Ｔｉ化合物層に求められる特徴は下記の３条件（イ）〜（ハ）である。
（イ）「第一Ｔｉ化合物層全体としての靭性」が高いこと
切削時には、切削熱および切削によって刃先にかかる圧力により、超硬合金基体が変形することが知られている。第一Ｔｉ化合物層全体としての靭性が高いほど、基体が変形した際に第一Ｔｉ化合物層の破壊を生じ難く、硬質被覆層が変形に追従することができる。
（逆に第一Ｔｉ化合物層全体としての靭性が低い場合、超硬合金基体が変形した際に、第一Ｔｉ化合物層内部にクラックが生じることがある。第一Ｔｉ化合物層内部にクラックが生じた状態で超硬合金基体がさらに変形すると、第一Ｔｉ化合物層が内部から破壊され、硬質被覆層が基体から脱離する。なお、この現象は厳密には「剥離」ではなく「第一Ｔｉ化合物層の破壊」であるが、第一Ｔｉ化合物層はその他の層より薄いため、剥離を生じたように見える）
ＴｉＣとＴｉＮを比較すると、ＴｉＮの方が靭性に優れていることから、「超硬合金基体の変形に耐えるためには、第一Ｔｉ化合物層は、窒素量が多い方が好ましい」といえる。
（ロ）「超硬合金基体の直上のＴｉ化合物の靭性」が高いこと
前述のとおり、第一Ｔｉ化合物層全体としての靭性が高いほど、基体が変形した際に第一Ｔｉ化合物層の破壊を生じ難く、硬質被覆層が変形に追従することができる。
これに加え、超硬合金基体の直上のＴｉ化合物の靭性が高い場合には、より大きく基体が変形した際にも、硬質被覆層が基体の変形に追従することができる。
（第一Ｔｉ化合物層全体としての靭性は高いが、超硬合金基体の直上のＴｉ化合物の靭性は低い場合、超硬合金基体が変形した際に第一Ｔｉ化合物層内部にクラックが生じることは無い。しかしながら、さらに変形量が大きくなると、基体と第一Ｔｉ化合物層の界面にクラックが生じ、該界面から剥離を生じることがある）
なお、ＴｉＣとＴｉＮを比較すると、ＴｉＮの方が靭性に優れていることは前述のとおりであるが、実験により、『「基体表面に均一な窒素量のＴｉ化合物層を形成する」よりも、「基体表面に窒素量の多いＴｉ化合物と窒素量の少ないＴｉ化合物を混在させて形成する」方が、基体からの剥離を生じ難い』ことが判明した。例えば、基体表面にＴｉＣ０．５Ｎ０．５を均一に形成するよりも、表面の５０％にＴｉＣ０．３Ｎ０．７を形成し、残りの５０％にＴｉＣ０．７Ｎ０．３を形成した方が、より界面からの剥離を生じ難い。
これは、窒素量の少ない（靭性に乏しい）Ｔｉ化合物が被覆された領域が基体の変形に追従できず、界面にクラックが入ったとしても、窒素量の多い（靭性に富む）Ｔｉ化合物が被覆された領域でクラックの進展を止めることができるため、見かけ上、靭性（クラックの進展に対する抵抗力）が向上するためと考えられる。
（ハ）「工具基体とその直上のＴｉ化合物の熱膨張係率の差」が小さいこと
「工具基体とその直上のＴｉ化合物の熱膨張係率の差」は小さい方が、断続切削時に刃先温度が変化した際、界面にかかる熱応力が小さくなるため、剥離を生じ難くなると考えられる。
室温２５℃から１０００℃の間で測定した熱膨張係数は、超硬合金はおよそ６．０×１０−６／℃（組成により異なる）、ＴｉＣは７．７×１０−６／℃、ＴｉＮは９．２×１０−６／℃であり、「刃先温度の変化に耐えるためには、超硬合金基体に接するＴｉ化合物は、窒素量が少ない方が好ましい」といえる。なお、サーメットは熱膨張係数がおよそ８．０×１０−６／℃（組成により異なる）であるため、刃先温度の変化に耐えるためには、サーメット基体に接するＴｉ化合物としては、サーメットと同じ熱膨張率となる窒素量を有するＴｉＣＮ（サーメットの組成により異なるが、およそ窒素量１０％、炭素量４０％程度のＴｉＣＮ）が最も好ましいといえる。
「界面付近において低窒素領域と高窒素領域が形成され、かつ、低窒素領域においては、工具基体表面と垂直な方向に、工具基体表面から距離が離れるに従い窒素濃度が漸次増加している第一Ｔｉ化合物層」は、上記の３条件を満足しているため、界面密着性に優れていると考えられる。
すなわち、
１．第一Ｔｉ化合物層全体としての窒素量が多く、靭性が高いために基体が変形した際に第一Ｔｉ化合物層の破壊を生じ難く、
２．工具基体の直上のＴｉ化合物に、窒素量の多い（靭性に富む）Ｔｉ化合物があり、基体と第一Ｔｉ化合物の界面に生じたクラック進展を止めることができるため、界面からの剥離を生じ難く、
３．工具基体に接するＴｉ化合物の窒素量の平均値は小さく、工具基体との熱膨張差が小さくなり、刃先温度の変化への耐久性が高い。
ためであると推測される。
なお、前記第一Ｔｉ化合物層の平均層厚は、０．２〜２．０μｍであることが望ましい。
平均層厚が０．２μｍ未満で、前記条件（イ）と（ロ）と（ハ）を満足させようとすると、層厚方向に沿って、第一Ｔｉ化合物内で窒素濃度を急峻に変化させなければならず、断続切削時に刃先温度が変化した際、第一Ｔｉ化合物層内で発生する熱応力が大きくなるため、第一Ｔｉ化合物層内の破壊を生じ易くなり、所望の効果が得られないためである。
一方、平均層厚が２．０μｍを超えると、耐摩耗性に優れる他の層の厚さを確保し難くなる。第一Ｔｉ化合物層は密着性の確保を主たる目的として形成しており、高温硬さ、高温強度は第二Ｔｉ化合物層に劣る。硬質被覆層の総層厚が厚いほど剥離を生じやすくなってしまうため、第一Ｔｉ化合物層は「界面密着性が確保できる必要最小限の層厚」が望ましい。
【００１３】
工具基体表面と平行な方向に沿った前記低窒素領域と高窒素領域は、後記する成膜法によって形成されるが、低窒素領域と高窒素領域における窒素濃度差は、５原子％以上であることが望ましい。
これは、窒素濃度差が５原子％未満であると、前記条件（ロ）と（ハ）が十分に両立できないためであるという理由による。なお、窒素濃度差が理論的な上限の５０％であっても、前記（イ）、（ロ）、（ハ）を満足していれば、十分な界面密着性を発揮すると考えられる。
また、工具基体表面に垂直な縦断面において、前記工具基体表面と前記第一Ｔｉ化合物層との界面を観察した場合、“前記工具基体表面と前記第一Ｔｉ化合物層の界面に占める、高窒素領域の界面長さ割合”は１０％以上９０％以下であることが望ましい。
これは、高窒素領域の界面長さ割合が１０％未満であると、工具基体と第一Ｔｉ化合物層の界面に生じたクラック進展を止める効果が十分に発揮されず、また、高窒素領域の界面長さ割合が９０％を超えると、前記工具基体に接するＴｉ化合物層と、工具基体の熱膨張差”を小さくすることが困難になり、前記条件（イ）、（ロ）、（ハ）を十分に満たせなくなるためである。
【００１４】
また、工具基体表面と平行な方向に沿った前記低窒素領域から、工具基体表面に垂直な方向に窒素濃度を測定した場合、第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたり、窒素濃度が漸次増加する領域が形成されるが、このような領域も、後記する段階的成膜法によって形成される。
そして、前記窒素濃度が漸次増加する領域における窒素濃度の増加の平均濃度勾配は２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であることが望ましい。
前記窒素濃度が漸次増加する領域における窒素濃度の増加の平均濃度勾配が２０原子％／μｍ未満では、窒素濃度を漸次増加させたことによる効果が少ないため、「第一Ｔｉ化合物層全体としての靭性」と「工具基体とその直上のＴｉ化合物の熱膨張係率の差を小さくすること」を十分に両立できないためであり、また、窒素濃度の増加の平均濃度勾配が３００原子％／μｍを超えると、第一Ｔｉ化合物層中での熱膨張率の変化が急峻になりすぎ、刃先温度変化への耐久性が低下する（熱膨張系率の変化が大きすぎるため、温度が変化したときの熱応力が大きくなり、界面からの剥離を生じやすくなる）という理由による。
【００１５】
前記第一Ｔｉ化合物層、即ち、工具基体表面と平行な方向に沿って低窒素領域と高窒素領域が形成され、かつ、該低窒素領域において、前記工具基体表面に垂直な方向へ測定した場合、Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍの範囲にわたり、窒素濃度が漸次増加する領域が形成されているＴｉ化合物層は、例えば、以下に示すような段階的化学蒸着法で形成することができる。
まず、工具基体表面に、９００℃の反応雰囲気温度で高窒素濃度のＴｉＣＮを微量（条件にもよるが成膜時間はおよそ２−１０分）形成し、工具基体表面に部分的に、高窒素濃度のＴｉＣＮ結晶粒の核を分散形成し、次いで、前記高窒素濃度のＴｉＣＮ結晶粒の核の周囲を埋めるように低窒素濃度のＴｉＣＮ層を形成し、その後、ガスの濃度および反応雰囲気圧力を（ＴｉＮ層を形成するための条件へと）漸次変化させ、最終的にＴｉＮ層を成膜する。
また、別の段階的化学蒸着法としては、工具基体表面に、９００℃の反応雰囲気温度でＴｉＮ（条件にもよるが成膜時間はおよそ３−１５分）を微量形成し、工具基体表面に部分的にＴｉＮ結晶粒の核を分散形成し、次いで、前記核の周囲を埋めるように通常の窒素濃度のＴｉＣＮ層を形成し、その後、ガスの濃度および反応雰囲気圧力を（高窒素濃度のＴｉＣＮ層を形成するための条件へと）段階的に変化させ、最終的に高窒素濃度のＴｉＣＮ層を成膜する。
前記したような段階的蒸着方法で、本発明の第一Ｔｉ化合物層を蒸着形成することができる。
【００１６】
本発明では、工具基体表面直上に、前述した第一Ｔｉ化合物層を形成することによって、工具基体と硬質被覆層の密着性を向上させ、難削材の断続切削において、溶着チッピング、剥離等の発生を抑制することができるが、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を維持させるためには、第一Ｔｉ化合物層の表面に、第二Ｔｉ化合物層を形成し（必要に応じ、第三、第四、あるいはそれ以上の多層のＴｉ化合物層を設けてもよい）、あるいはさらに、耐摩耗性にすぐれたα−Ａｌ２Ｏ３層またはκ−Ａｌ２Ｏ３層を形成することが望ましい。
【００１７】
第二Ｔｉ化合物層：
第二Ｔｉ化合物層としては、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層から選ばれる何れか１層、または、少なくとも窒素と炭素を含有し、工具基体からの距離が離れるに従い窒素量が漸次変化する傾斜組成を有するＴｉ化合物層で形成することができる。
好ましい第二Ｔｉ化合物層は、高温硬さ、高温強度に優れているという観点から、ＴｉＣＮ層であるが、いずれのＴｉ化合物層であっても、硬質被覆層全体としての高温硬さ、高温強度を高める。また同時に、第一Ｔｉ化合物層との密着性にすぐれ、Ａｌ２Ｏ３層を形成した場合には、該α−Ａｌ２Ｏ３層あるいはκ−Ａｌ２Ｏ３層との密着性にもすぐれる。
第二Ｔｉ化合物層上にさらに第三、第四、あるいはそれ以上の多層のＴｉ化合物層を形成してもよい。
なお、Ｔｉ化合物層の平均総層厚は、２〜２５μｍであることが望ましい。これは、２μｍ未満であると高温硬さ、高温強度が十分に確保できず、耐摩耗性向上による寿命延長効果が少ないためであり、一方、平均層厚が２５μｍを超えると断続切削加工時に溶着チッピング、剥離等が発生するようになるという理由による。
【００１８】
Ａｌ２Ｏ３層と最外層：
Ｔｉ化合物層上に、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層を形成した場合には、既によく知られているように、高温硬さと耐熱性の向上が図られる。ただ、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層の平均層厚が０．５μｍ未満では、耐摩耗性向上による寿命延長効果が少なく、一方、その平均層厚が２０μｍを越えるとＡｌ２Ｏ３結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、断続切削加工時に溶着チッピング、剥離等が発生するようになることから、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層をＴｉ化合物層上に形成する場合には、その平均層厚を０．５〜２０μｍとすることが望ましい。
また、刃先識別性の向上のためにＡｌ２Ｏ３層上にＴｉＮ等を形成してもよく、さらに硬質被覆層の形成後にショットピーニング等の処理を施してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の被覆工具は、工具基体表面と平行な方向に沿って低窒素領域と高窒素領域が形成され、また、前記低窒素領域において、工具基体表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度が漸次増加する領域が形成されていることによって、工具基体と第一Ｔｉ化合物層との界面密着性の向上を図ることができる。
したがって、本発明の被覆工具によれば、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、断続的・衝撃的高負荷が切れ刃に作用した場合であっても、溶着チッピングの発生、剥離の発生を抑制することができる。
さらに、本発明の被覆工具において、前記第一Ｔｉ化合物層の表面に、第二Ｔｉ化合物層を設けること、あるいは、必要に応じ、第三、第四、あるいはそれ以上の多層のＴｉ化合物層を設けること、また、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層を設けることによって、耐摩耗性をより一層向上させることができるとともに、切削工具の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明被覆工具の縦断面模式図の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【実施例】
【００２２】
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、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、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０４ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定する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。
【００２３】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、ＺｒＣ粉末、Ｍｏ2Ｃ粉末およびＣｏ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、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０４ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８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を形成した。
【００２４】
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｃの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、次のようにして、硬質被覆層を蒸着形成した。
まず、表３に示される段階的な成膜条件で、工具基体と平行な方向及び垂直な方向に窒素濃度が変化するＴｉ化合物層（第一Ｔｉ化合物層）を蒸着成膜した。
【００２５】
ついで、表４に示される条件で第二Ｔｉ化合物層を蒸着し、さらに、同じく表４に示される条件で第三層であるα−Ａｌ２Ｏ３層、κ−Ａｌ２Ｏ３層を蒸着することにより、表５に示される本発明被覆工具１〜１５を作製した。
【００２６】
前記本発明被覆工具１〜１５の工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面近傍について、オージェ電子分光法により、第一Ｔｉ化合物層中の種々の位置における窒素濃度（原子％）と炭素濃度（原子％）を測定した。
より具体的にいえば、まず切れ刃近傍にて、厚さ方向から１５°傾いた面で斜面ラップを行い、ＣＰ研磨を施した。
なお、「切れ刃近傍」とは、既述したように、ホーニングを有する工具の場合はホーニング部、ホーニングの無い工具の場合は切れ刃から距離０．０２ｍｍ以内の領域をいう。
次に、工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．０４μｍに相当する位置（この位置は、“厚さ方向と平行な面で研磨した場合に、工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．０４μｍの位置”のことである。したがって厚さ方向から１５°傾いた面でラップして分析する場合は、０．０４／ｓｉｎ（１５°）＝０．１５より、工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．１５μｍの位置を指す。）から、工具基体表面と平行な方向に沿って、オージェ電子分光法により線分析を行った。
この方法で異なる３箇所における窒素濃度と炭素濃度（即ち、低窒素領域における窒素濃度の極小値と炭素濃度の極大値、さらに、高窒素領域における窒素濃度の極大値と炭素濃度の極小値）を求め、これらの値を平均して、低窒素領域および高窒素領域のそれぞれの領域における窒素濃度（原子％）、炭素濃度（原子％）として求めた。
表５に、前記で求めた窒素濃度（原子％）、炭素濃度（原子％）を示す。
なお、工具基体表面に垂直な縦断面において、前記工具基体表面と前記第一Ｔｉ化合物層との界面を観察した場合、“前記工具基体表面と前記第一Ｔｉ化合物層の界面に占める、高窒素領域の界面長さ割合”は、上記の方法で工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．０４μｍに相当する位置から、工具基体表面と平行な方向に沿ってオージェ電子分光法の線分析を行うことで測定した。
【００２７】
次に、工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面を挟んだ界面近傍領域において線分析を行い、前記低窒素領域から工具基体表面に垂直な方向へと窒素量を測定し、工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．０４μｍに相当する位置（「位置Ａ」という）における窒素濃度、界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．１２μｍに相当する位置（「位置Ｂ」という）における窒素濃度、界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２０μｍに相当する位置（「位置Ｃ」という）における窒素濃度をそれぞれ測定した。
そして、前記の線分析を、異なった前記低窒素領域の界面近傍領域で５本行い、それぞれの位置において測定された窒素濃度を平均し、この値を、各位置における「窒素濃度（原子％）」として求めた。
さらに、前記で求めた「窒素濃度（原子％）」から、位置Ａ−位置Ｂ間における窒素濃度の平均濃度勾配を、平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）＝（位置Ｂでの窒素濃度−位置Ａでの窒素濃度）／（０．１２−０．０４）として算出し、また、位置Ｂ−位置Ｃ間における窒素濃度の平均濃度勾配を、平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）＝（位置Ｃでの窒素濃度−位置Ｂでの窒素濃度）／（０．２０−０．１２）として算出した。
表５に、前記で求めた「窒素濃度（原子％）」、平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）および平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）を示す。
ここで「平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）と平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）が、いずれも、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であること」を以て、「切れ刃近傍の低窒素領域において、工具基体表面から垂直方向に窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２μｍ以内の範囲において、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下である」とする。
なお、第一Ｔｉ化合物層の形成法について、ガス濃度および成膜雰囲気圧力を段階的に変化させる場合でも「平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）と平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）が、いずれも、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であること」の条件を満たせば、界面密着性に優れた第一Ｔｉ化合物層を得ることが出来る。
【００２８】
比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表４に示される条件でＴｉ化合物層を蒸着し、さらに同じく表４に示される条件で、α−Ａｌ２Ｏ３層、κ−Ａｌ２Ｏ３層を蒸着することにより、表６に示される比較例被覆工具１〜９を作製した。
【００２９】
前記で作製した比較例被覆工具１〜９について、本発明被覆工具１〜１５の場合と同様に、位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃにおける「窒素濃度（原子％）」を求め、さらに、濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）および濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）を求めた。
表６に、これらの値を示す。
【００３０】
なお、本発明被覆工具１〜１５および比較例被覆工具１〜９の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定し平均層厚を求めた。
表５、表６に、これらの値を示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
【表２】
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【００３３】
【表３】
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【００３４】
【表４】
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【００３５】
【表５】
0006614447.tif 000006
【００３６】
【表６】
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【００３７】
つぎに、上記本発明被覆工具１〜１５および比較例被覆工具１〜９について、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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３２９Ｊ１の長さ方向等間隔２本縦溝入り丸棒、
切削速度：１４０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１．０分、
の条件での二相ステンレス鋼の湿式断続切削加工試験、
を行い、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を測定するとともに、切れ刃の目視観察を行い、溶着チッピングの発生、剥離発生の有無を確認した。
表７に、その結果を示す。
【００３８】
【表７】
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【００３９】
表５〜７に示される結果から、本発明被覆工具の硬質被覆層は、工具基体表面直上の第一Ｔｉ化合物層において、工具基体表面と平行な方向に低窒素領域、高窒素領域が形成され、かつ、該低窒素領域において、工具基体表面と垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度が漸次増加する領域が形成されていることから、工具基体と第一Ｔｉ化合物層との界面密着性の向上が図られている。
したがって、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、断続的・衝撃的高負荷が切れ刃に作用した場合であっても、溶着チッピングの発生、剥離の発生を抑制することができる。
【００４０】
これに対して、比較例被覆工具では、工具基体表面と平行な方向に低窒素領域、高窒素領域が形成されておらず、さらに、工具基体表面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度が漸次増加する領域が存在されていないため、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工では、溶着チッピングあるいは剥離等の発生によって、工具寿命が短命となっており、本発明被覆工具に比して切削性能が劣ることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
前述のように、本発明の被覆工具は、二相ステンレス鋼の断続切削加工においてすぐれた切削性能を発揮するのみならず、各種の難削材の刃先に高負荷が作用する断続切削加工において、溶着チッピング、剥離等の発生を招くことなく、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものである。
【図１】
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