(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面被覆切削工具であって、
少なくとも刃先が立方晶窒化ほう素焼結体からなる工具基体上に硬質被覆層が形成されており、
（ａ）前記立方晶窒化ほう素焼結体は、
立方晶窒化硼素粒子と、
Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物およびＡｌの窒化物、酸化物からなる群から選ばれた少なくとも１種以上、並びに不可避不純物を含む結合相と、からなり、
（ｂ）前記立方晶窒化ほう素粒子の平均粒径は０．５〜４．０μｍ、また、立方晶窒化ほう素焼結体全体に占める立方晶窒化ほう素粒子の含有割合は４０〜７０体積％であり、さらに、前記結合相の平均粒径は１μｍ以下であり、
（ｃ）前記硬質被覆層は、工具基体表面に被覆されたＡ層と、Ａ層表面に被覆されたＢ層とからなり、
（ｄ）前記Ａ層は、
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎで表した場合、原子比で、０．３５≦ｘ≦０．６を満足し、
前記Ｂ層は、
組成式：（Ａｌ１−ｙ−ｚＴｉｙＳｉｚ）Ｎで表した場合、原子比で、０．３５≦ｙ≦０．６、０．０１≦ｚ≦０．１）を満足し、
（ｅ）前記Ａ層とＢ層の平均合計層厚は１．５〜４．０μｍであって、かつ、Ａ層の平均層厚をｔＡ、Ｂ層の平均層厚をｔＢとした場合、２≦ｔＢ／ｔＡ≦５を満足し、
（ｆ）前記Ａ層とＢ層からなる硬質被覆層全体についてＸ線回折を行った場合、硬質被覆層は全体として岩塩型立方晶の結晶構造を有し、また、硬質被覆層を構成する結晶粒の（２００）面の回折ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）面の回折ピーク強度をＩ（１１１）としたとき、３＜Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）≦１２を満足し、かつ、Ｉ（２００）のピークの半値幅が０．３〜１．０であることを特徴とする。
【請求項２】
前記Ａ層のＴｉ含有割合を示すｘと、前記Ｂ層のＴｉ含有割合を示すｙが、｜ｘ−ｙ｜≦０．１５の関係を満足する請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記Ａ層についてＸ線回折を行った場合、（２００）面の回折ピーク強度をＩＡ（２００）、（１１１）面の回折ピーク強度をＩＡ（１１１）としたとき、２＜ＩＡ（２００）／ＩＡ（１１１）≦１０を満足し、かつ、ＩＡ（２００）のピークの半値幅が０．３〜１．０である請求項１または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、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を備えた表面被覆切削工具（以下、「被覆工具」という。）に関する。詳しくは、本発明の被覆工具は、切削に使用する刃先が立方晶窒化ほう素（以下、「ｃＢＮ」で示す。）からなる基体上に硬質被覆層が被覆形成された被覆工具であり、本発明の被覆工具は、合金鋼などの高速切削加工に供した場合であっても、チッピングを発生することなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
本願は、２０１４年１１月２７日に、日本に出願された特願２０１４−２３９９５６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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る。また被覆工具として、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。
従来から、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。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＷＣ基超硬合金基体またはＴｉＣＮ系サーメット基体の表面に、Ｔｉ−Ａｌ複合窒化物層からなる結晶配向履歴層を介して、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ複合窒化物層からなる硬質被覆層を物理蒸着することが開示されている。Ｔｉ−Ａｌ複合窒化物層からなる結晶配向履歴層は、（ａ）０．０５〜０．５μｍの平均層厚を有し、組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．０１〜０．１５を示す）を満足し、さらに、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折装置による測定で、（２００）面に最高ピークが現われ、かつ前記最高ピークの半価幅が２θで０．５度以下であるＸ線回折パターンを示す。Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ複合窒化物層からなる硬質被覆層は、（ｂ）２〜１０μｍの平均層厚を有し、組成式：（Ａｌ１−（Ａ＋Ｂ）ＴｉＡＳｉＢ）Ｎ（ただし、原子比で、Ａは０．３５〜０．５５、Ｂは０．０５〜０．２０を示す）を満足し、同じくＣｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折装置による測定で、（２００）面に最高ピークが現われ、かつ前記最高ピークの半価幅が２θで０．５度以下であるＸ線回折パターンを示す。特許文献１では、前記ＷＣ基超硬合金基体または前記ＴｉＣＮ系サーメット基体に、前記結晶配向履歴層と前記硬質被覆層とを形成することで、高速切削加工における硬質被覆層の耐摩耗性を改善した表面被覆超硬合金製切削工具を得ることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４５３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１で提案されているＴｉとＡｌの窒化物（以下、「（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ」で示す）層および、ＡｌとＴｉとＳｉの窒化物（以下、以下、「（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ」で示す）層からなる結晶配向を制御した硬質被覆層を、ＷＣ基超硬合金基体またはＴｉＣＮ系サーメット基体の表面に被覆した被覆工具は、高硬度であるためすぐれた耐摩耗性を発揮する。しかしながらその一方で、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層はＳｉを含有することで結晶格子の歪が大きくなるため脆く、また、被覆工具における、基体−（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層−（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層間での接合強度が十分でなかった。
したがって、ｃＢＮ焼結体を工具基体として、この上に上記窒化物を成膜した被覆工具を使用した場合に、切れ刃に高負荷が作用する高速切削条件においては、耐チッピング性が十分でないため、早期に寿命を迎えるという問題があった。
そこで、高速切削加工に供した場合であっても、耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれ、長期にわたってすぐれた切削性能を発揮す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】
【０００６】
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。
【０００７】
ｃＢＮ焼結体を工具基体（以下、「ｃＢＮ基体」という）とし、この表面に、例えばアークイオンプレーティング装置を用いて（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成するにあたり、ｃＢＮ基体と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層との間に、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を被覆形成する。本発明者らは、このとき、該（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層をｃＢＮ基体と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の格子不整合による歪を緩衝する緩衝層とすることにより、高速切削加工における耐チッピング性を向上させ得ることを見出した。
さらに、ｃＢＮ基体に直接（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層を形成した場合には、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層自身がＳｉ成分の含有により格子の歪が大きいことに加え、ｃＢＮ基体と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の格子不整合による歪も加わるため、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の配向性を所望の値に制御することは困難であった。しかしながら本発明者らは、該（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層の配向性制御によって、この上に形成される（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の配向性をも制御することができ、これによって、耐チッピング性と耐摩耗性の両特性を兼備させ得ることができることを見出したのである。
【０００８】
本発明は、前記の知見に基づいてなされたものである。
（１）本発明の表面被覆切削工具は、
少なくとも刃先が立方晶窒化ほう素焼結体からなる工具基体上に硬質被覆層を蒸着形成したものであり、
（ａ）前記立方晶窒化ほう素焼結体は、立方晶窒化硼素粒子と、Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物およびＡｌの窒化物、酸化物からなる群から選ばれた少なくとも１種以上、並びに不可避不純物を含む結合相と、からなり、
（ｂ）前記立方晶窒化ほう素粒子の平均粒径は０．５〜４．０μｍ、また、立方晶窒化ほう素焼結体全体に占める立方晶窒化ほう素粒子の含有割合は４０〜７０体積％であり、さらに、前記結合相の平均粒径は１μｍ以下であり、
（ｃ）前記硬質被覆層は、工具基体表面に被覆されたＡ層と、Ａ層表面に被覆されたＢ層とからなり、
（ｄ）前記Ａ層は、
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎで表した場合、原子比で、０．３５≦ｘ≦０．６を満足し、
前記Ｂ層は、
組成式：（Ａｌ１−ｙ−ｚＴｉｙＳｉｚ）Ｎで表した場合、原子比で、０．３５≦ｙ≦０．６、０．０１≦ｚ≦０．１）を満足し、
（ｅ）前記Ａ層とＢ層の平均合計層厚は１．５〜４．０μｍであって、かつ、Ａ層の平均層厚をｔＡ、Ｂ層の平均層厚をｔＢとした場合、２≦ｔＢ／ｔＡ≦５を満足し、
（ｆ）前記Ａ層とＢ層からなる硬質被覆層全体についてＸ線回折を行った場合、硬質被覆層は全体として岩塩型立方晶の結晶構造を有し、また、硬質被覆層を構成する結晶粒の（２００）面の回折ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）面の回折ピーク強度をＩ（１１１）としたとき、３＜Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）≦１２を満足し、かつ、Ｉ（２００）のピークの半値幅が０．３〜１．０であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）（１）に記載の表面被覆切削工具では、前記Ａ層のＴｉ含有割合を示すｘと、前記Ｂ層のＴｉ含有割合を示すｙが、｜ｘ−ｙ｜≦０．１５の関係を満足することが好ましい。
（３）（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具では、前記Ａ層についてＸ線回折を行った場合、（２００）面の回折ピーク強度をＩＡ（２００）、（１１１）面の回折ピーク強度をＩＡ（１１１）としたとき、２＜ＩＡ（２００）／ＩＡ（１１１）≦１０を満足し、かつ、ＩＡ（２００）のピークの半値幅が０．３〜１．０であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の窒化物を成膜した表面被覆切削工具（以下、「被覆ｃＢＮ工具」という）は、少なくとも刃先がｃＢＮ焼結体からなる工具基体表面に、所定組成の（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ層からなるＡ層と所定組成の（Ａｌ１−ｙ−ｚＴｉｙＳｉｚ）Ｎ層からなるＢ層を、Ａ層とＢ層の順番の積層構造として被覆することにより硬質被覆層を形成している。本発明では、さらに、Ａ層とＢ層の層厚比ｔＢ／ｔＡを２以上５以下と定め、硬質被覆層全体としてのＸ線回折強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）を３を超え１２以下と定め、また、Ｉ（２００）のピークの半値幅を０．３以上１．０以下と定めることによって、Ａ層がｃＢＮ基体とＢ層の間の緩衝層として機能するとともに、Ａ層の配向性制御によって、Ｂ層の配向性も制御され、硬質被覆層全体として所定の配向性を備える硬質被覆層が得られる。本発明の硬質被覆層を有する被覆ｃＢＮ工具は、刃先に高負荷が作用する合金鋼等の高速切削加工において、すぐれた耐チッピング性を示すと同時にすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮するのである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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２Ａ】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、平面図を示す。
【図２Ｂ】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、側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の被覆ｃＢＮ工具の一実施形態について、以下により詳細に説明する。
本実施形態の被覆ｃＢＮ工具は、図１で示すように、ｃＢＮ焼結体からなる工具基体（ｃＢＮ基体）１１上に、Ａ層１２とＢ層１３とからなる硬質被覆層を蒸着形成したものである。
【００１２】
ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の平均粒径：
ｃＢＮ焼結体中に、微細で硬質な立方晶窒化硼素粒子（以下「ｃＢＮ粒子」という）が分散していることにより、工具使用中に刃先のｃＢＮ粒子が脱落することによるチッピングの発生を抑制することができる。
また、ｃＢＮ焼結体中の微細ｃＢＮ粒子が、工具使用中に刃先に加わる応力により生じるｃＢＮ粒子と結合相との界面から進展するクラック、あるいは、ｃＢＮ粒子が割れて進展するクラックの伝搬を分散・緩消する役割を担うため、すぐれた耐欠損性を発揮することが出来る。
しかしながら、ｃＢＮ粒子の平均粒径が０．５μｍ未満になると、微細すぎて硬質粒子としてのｃＢＮ粒子の機能が十分に発揮できない。一方、４．０μｍを超えると、ｃＢＮ粒子の脱落によりチッピングが誘発する恐れがある。
したがって、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、０．５〜４．０μｍと定めた。
ここで、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、作製したｃＢＮ焼結体の断面組織を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）およびエネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）にて観察し、観察領域内のｃＢＮ粒子の部分を特定し、観察した画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理にて抜き出したのち、ｃＢＮ粒子の形状を等価な面積の円形状に近似し、近似した円の直径を各ｃＢＮ粒子の直径とし、１画像におけるｃＢＮ粒子の直径の平均値を求め、少なくとも３画像について求めた平均値の平均をｃＢＮの平均粒径（μｍ）とした。画像処理に用いる観察領域は予備観察を行うことによって定めたが、ｃＢＮ粒子の平均粒径が０．５〜４．０μｍであることをかんがみ、１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域とすることが望ましい。
【００１３】
ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の体積割合：
ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合が４０体積％未満では、焼結体中に硬質物質が少なく、ｃＢＮ焼結体の硬度が低下するため、耐摩耗性が低下する。一方、７０体積％を超えると、結合相が不足するため、焼結体中にクラックの起点となる空隙が生成し、耐欠損性が低下する。そのため、ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合は、４０〜７０体積％の範囲と定めた。
ここで、ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）の測定方法は、ｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭによって観察して得られた二次電子画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理によって抜き出し、画像解析によって観察領域におけるｃＢＮ焼結体の全体の面積に対するｃＢＮ粒子が占める面積を算出し、少なくとも３画像を処理し求めた値の平均値をｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）とした。画像処理に用いる観察領域は、ｃＢＮ粒子の平均粒径が０．５〜４．０μｍであることをかんがみ、１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域とすることが望ましい。
【００１４】
結合相：
本実施形態におけるｃＢＮ焼結体中における主たる硬質成分は、前記平均粒径、体積割合のｃＢＮ粒子であるが、結合相を形成する成分としては、既によく知られている、Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物およびＡｌの窒化物、酸化物からなる群から選ばれた少なくとも１種以上の粒子を用いることができる。
ただ、上記結合相の平均粒径が１μｍを超えると、原料粉末を配合した際に隙間が多くなるため、焼結時に焼結体内にポアが残りやすくなり、耐欠損性が低下することから、結合相の平均粒径は１μｍ以下とした。結合相の平均粒径の下限値は特に限定されないが、０．１μｍ以上であることが好ましい。
結合相の平均粒径はｃＢＮ粒子の平均粒径と同じ方法で求められる。
【００１５】
硬質被覆層を構成するＡ層：
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎで示される組成を有するＡ層は、ＴｉのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合ｘ（但し、ｘは原子比）が、０．３５≦ｘ≦０．６を満足する。
Ｔｉ成分の含有量ｘが０．３５未満では、結晶組織の歪が大きくなり、岩塩型結晶構造を維持できなくなるばかりか、配向性制御が困難になる。一方、Ｔｉ成分の含有量ｘが０．６を超えると硬さが低下するばかりか耐酸化性が十分でなくなることから、Ｔｉ成分の含有量ｘは０．３５以上０．６以下と定めた。
【００１６】
硬質被覆層を構成するＢ層：
組成式：（Ａｌ１−ｙ−ｚＴｉｙＳｉｚ）Ｎで示される組成を有するＢ層は、ＴｉおよびＳｉのＴｉとＡｌとＳｉの合量に占める含有割合ｙ、ｚ（但し、ｙ、ｚはいずれも原子比）が、それぞれ、０．３５≦ｙ≦０．６、０．０１≦ｚ≦０．１を満足する。
この条件を満たすとき、Ｂ層を構成する（Ａｌ１−ｙ−ｚＴｉｙＳｉｚ）Ｎ層は所望の耐酸化性および切削時に高温となるような高速切削時における高い耐摩耗性を発揮する。
一方、Ｔｉ成分の含有割合ｙが０．３５未満では、結晶組織の歪が大きくなり、岩塩型結晶構造を維持できなくなるばかりか、配向性制御が困難になり、一方、Ｔｉ成分の含有量ｙが０．６を超えると硬さが低下するばかりか耐酸化性が十分でなくなる。
また、Ｓｉ成分の含有割合ｚが０．０１未満では所望の耐摩耗性が発揮されず、０．１を超えると結晶格子の歪みが大きくなり、耐欠損性が低下する。
したがって、Ｔｉ成分の含有量ｙは０．３５以上０．６以下、また、Ｓｉ成分の含有割合ｚは０．０１以上０．１以下と定めた。
また、Ａ層がＢ層と基体の緩衝層として働く上では、Ａ層とＢ層の、Ｔｉの金属成分に占める含有割合が近しいことがより好ましく、好ましい値の範囲としては、含有割合ｘとｙの差の絶対値が０．１５以下（｜ｘ−ｙ｜≦０．１５）である。ｘとｙの差の絶対値の範囲は、より好ましくは｜ｘ−ｙ｜≦０．１０である。ｘとｙの差の絶対値が０．１０を超えると耐欠損性が低下する傾向がある。
【００１７】
硬質被覆層の合計平均層厚：
本実施形態の硬質被覆層は、工具基体直上のＡ層である（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ層（但し、原子比で、０．３５≦ｘ≦０．６）とその上に形成されたＢ層である（Ａｌ１−ｙ−ｚＴｉｙＳｉｚ）Ｎ層（但し、原子比で、０．３５≦ｙ≦０．６、０．０１≦ｚ≦０．１）との積層構造として構成される。
この硬質被覆層では、Ａ層に含まれるＴｉ成分によってすぐれた強度と靭性を確保し、Ａｌ成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、同時に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を示す。更に、（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎ層が岩塩型結晶構造（岩塩型立方晶）を有するため高硬度であり、Ａ層を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。
Ｂ層は、前記Ａ層にＳｉ成分を含有させた層であり、岩塩型結晶構造（岩塩型立方晶）を有する。また、Ｂ層は、前記Ａ層にＳｉ成分を含有させることで、さらに耐熱性が向上している層である。Ｂ層は、酸化開始温度が高くて高温耐酸化性が高いため、Ｂ層を形成することで、特に切削時に高温となるような高速切削時の耐摩耗性が向上する。
Ａ層とＢ層の積層構造からなる硬質被覆層は、その平均合計層厚が１．５μｍ未満であると長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均合計層厚が４．０μｍを超えると硬質被覆層が自壊しやすくなるので、硬質被覆層の平均合計層厚は１．５〜４．０μｍと定めた。
さらに、積層構造を構成するＡ層の平均層厚をｔＡ、Ｂ層の平均層厚をｔＢとした場合、ｔＢ／ｔＡの値が２未満では、相対的にＢ層が薄くなるため、十分な耐摩耗性を得ることができず、一方、ｔＢ／ｔＡの値が５を超えるとＡ層の厚さが相対的に薄くなり、Ｂ層のＡ層と基体の格子不整合による歪を緩衝する緩衝層としての機能を十分発揮できなくなるばかりか、Ｂ層の配向性制御も十分できなくなることから、ｔＢ／ｔＡの値は２以上５以下と定めた。ｔＢ／ｔＡの値は、より好ましくは３以上５以下である。
なお、硬質被覆層の層厚とは、工具基体表面に垂直な方向の層の厚みとし、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】
組成式：（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）Ｎで示されるＡ層の組成、組成式：（Ａｌ１−ｙ−ｚＴｉｙＳｉｚ）Ｎで示されるＢ層の組成は、それぞれＡ層、Ｂ層の平均組成である。
また、Ａ層、Ｂ層の平均組成、平均層厚ｔＡ、平均層厚ｔＢ、、硬質被覆層の平均合計層厚は、工具基体表面に垂直な硬質被覆層縦断面について、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）を用いた断面測定により、測定することができる。
具体的には、断面測定で測定した、それぞれ５箇所の測定の平均値を、Ａ層、Ｂ層の平均組成、平均層厚ｔＡ、平均層厚ｔＢ、硬質被覆層の平均合計層厚とした。
【００１９】
硬質被覆層全体についてＸ線回折：
本実施形態では、Ａ層の配向性を制御することにより、Ｂ層について所望の配向性を維持させる。
すなわち、本実施形態では、Ａ層とＢ層からなる硬質被覆層を、例えば、図２に示すアークイオンプレーティング装置２０を用いて成膜するが、アークイオンプレーティングに際してのアーク電流値、反応ガスとしての窒素ガス分圧、バイアス電圧および成膜温度を制御し、結晶成長の速度と原子の拡散速度を調整することで、配向性を制御することができる。相対的にゆっくりと結晶を成長させることで、岩塩型立方晶構造における（１１１）面より表面エネルギーが小さい（２００）面が工具基体表面と平行に配向する。Ａ層とＢ層は同じ岩塩型立方晶構造であることから、前述のようにして配向性を制御したＡ層の上層に、同様に成膜パラメータを制御しながらＢ層を形成させることで、Ａ層とＢ層の配向性を揃えることができる。
そして、硬質被覆層全体についてＸ線回折を行い、（２００）面の回折ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）面の回折ピーク強度をＩ（１１１）とした場合、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が３以下であると、最密面である（１１１）面配向が強いことから耐チッピング性が低下し、一方、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が１２を超えると、（２００）配向が極端に強くなるため耐摩耗性が低下する。
したがって、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を兼備するためには、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値は３を超え１２以下であることが必要である。Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値は、４以上１０以下であることが好ましい。
また、（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）の半値幅が０．３未満であると結晶粒が粗大化しやすいため耐チッピング性が低下し、一方、半値幅が１．０を超えると所望の配向性に制御できていない、あるいは、結晶組織の歪が大きいために、安定した性能を発揮できない。
したがって、Ｉ（２００）の半値幅は０．３以上１．０以下としなければならない。Ｉ（２００）の半値幅は、０．４以上０．８以下であることが好ましい。
【００２０】
Ａ層についてＸ線回折：
硬質被覆層全体について、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値は３を超え１２以下とすること、さらに、Ｉ（２００）のピークの半値幅を０．３〜１．０とすることは前述のとおりであるが、このような硬質被覆層を形成するうえでは、Ａ層についてＸ線回折を行った場合、２＜ＩＡ（２００）／ＩＡ（１１１）≦１０を満足させ、かつ、ＩＡ（２００）のピークの半値幅を０．３〜１．０とすることが望ましい。
ここで、ＩＡ（２００）およびＩＡ（１１１）は、それぞれ、Ａ層における（２００）面の回折ピーク強度、Ａ層における（１１１）面の回折ピーク強度をいう。ＩＡ（２００）／ＩＡ（１１１）の値はより好ましくは、３以上８以下であり、ＩＡ（２００）のピークの半値幅はより好ましくは、０．４以上０．８以下である。
上記のようなＡ層を形成することによって、この上に形成されるＢ層の配向性が制御され、その結果、硬質被覆層全体として、３＜Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）≦１２を満足し、かつ、Ｉ（２００）のピークの半値幅が０．３〜１．０である硬質被覆層が形成され易くなる傾向がある。
【００２１】
なお、硬質被覆層全体についてのピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）とは、Ａ層とＢ層の重なった回折ピークを一つの回折ピークとみなし、（２００）面の重なった回折ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）面の重なった回折ピーク強度をＩ（１１１）として計算したＩ（２００）／Ｉ（１１１）の値をいう。また、Ａ層の回折ピーク強度ＩＡ（２００）、ＩＡ（１１１）については、例えば、Ｂ層を集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）法などの手法で加工・除去したのち、前述したＸ線回折法を用いることで測定することができる。
【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。
【実施例】
【００２３】
工具基体の作製：
原料粉末として、平均粒径が１〜４μｍのｃＢＮ粒子を硬質相形成用原料粉末として、また、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した。
これらの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４０〜７０容量％となるように表１に示される配合比で配合した。
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焼結体を作製した。
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。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
硬質被覆層の成膜：
前記工具基体１〜３に対して、図２に示すアークイオンプレーティング装置２０を用いて、硬質被覆層を形成した。
なお、図２のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲット２２としては、目標とする（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層に応じて、組成の異なる複数のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲット２２を装置内に配備した。
（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２０の回転テーブル２３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（図２の工具基体１１）。また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲット２２を配置した。
（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２４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２３上で自転しながら回転する工具基体１１に−２００〜−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した。
（ｃ）次に、Ａ層の成膜を、次のとおり行った。
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、同じく表２に示す装置内温度に維持し、前記回転テーブル２３上で自転しながら回転する工具基体１１に表２に示す−２５〜−７５Ｖの所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、前記所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金ターゲット２２からなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極２１との間に表２に示す８０〜１２０Ａ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１１の表面に、表４に示される目標組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなるＡ層を蒸着形成した（図１のＡ層１２）。
（ｄ）次いで、Ｂ層の成膜を、次のとおり行った。
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２〜１０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とすると共に、同じく表２に示す装置内温度に維持し、前記回転テーブル２３上で自転しながら回転する工具基体１１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Ａｌ−Ｔｉ合金ターゲット２２からなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極２１との間に表２に示す８０〜１２０Ａ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Ａ層表面に、表４に示される目標組成、目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなるＢ層を蒸着形成した（図１のＢ層１３）。
上記の（ａ）〜（ｄ）によって、Ａ層およびＢ層の積層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表４に示す本発明の被覆ｃＢＮ工具（以下、「本発明工具」という）１〜１０を作製した。
【００２６】
比較のため、前記工具基体１〜３に対して、表３に示す条件で下部層および上部層を蒸着することにより、表５に示す比較例の被覆工具（以下、「比較例工具」という）１〜１２を作製した。
なお、比較例工具の下部層および上部層は、それぞれ、本発明のＡ層、Ｂ層に対応させる層であることから、以下においては、比較例工具の下部層および上部層を、それぞれを便宜的にＡ層、Ｂ層ということとした。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
【表３】
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【００２９】
上記で作製した本発明工具１〜１０および比較例工具１〜１２の工具基体表面に垂直な硬質被覆層の縦断面について、工具基体表面に平行な方向の幅が１０μｍであり、硬質被覆層の厚み領域が全て含まれるよう設定された視野について、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）を用いた断面測定により、Ａ層、Ｂ層の組成、層厚をそれぞれの層に対して５箇所で測定し、これを平均することにより、Ａ層、Ｂ層の平均組成、平均層厚ｔＡ、平均層厚ｔＢ、を算出し、また、ｔＢ／ｔＡの値を求めた。
【００３０】
次に、硬質被覆層全体の回折ピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）は、Ｃｒ管球を用いたＸ線回折によってＡ層とＢ層の重なった（２００）面の回折ピーク強度をＩ（２００）として測定し、また、Ａ層とＢ層の重なった（１１１）面の回折ピーク強度をＩ（１１１）として測定し、Ｉ（２００）のピークの半値幅を求めるとともに、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値を求めた。
また、Ａ層の回折ピーク強度については、成膜後にＢ層を集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）法などの手法で加工・除去したのち、前述したＸ線回折法を用いることで測定し、Ａ層の（２００）面の回折ピーク強度ＩＡ（２００）と、（１１１）面の回折ピーク強度ＩＡ（１１１）を測定し、ＩＡ（２００）のピークの半値幅を求めるとともに、ＩＡ（２００）／ＩＡ（１１１）の値を求めた。
【００３１】
表４、表５に、上記で求めた各種の値を示す。
【００３２】
【表４】
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【００３３】
【表５】
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【００３４】
次いで、本発明工具１〜１０および比較例工具１〜１２について、次の切削条件Ａ、Ｂで切削試験を行った。
切削条件Ａ：
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の焼入れ材の穴付き丸棒、
切削速度：２２０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：０．１５  ｍｍ、
送り：０．１５  ｍｍ、
切削条件Ｂ：
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の焼入れ材の丸棒、
切削速度：３１５  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．１  ｍｍ、
送り：０．１  ｍｍ、
上記切削条件Ａ、Ｂの乾式連続切削試験において、条件Ａは切削長８８０ｍ、条件Ｂは切削長９４５ｍまで切削し、逃げ面摩耗量を測定した。
表６にその結果を示す。
【００３５】
【表６】
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【００３６】
表６で示す「チッピングの有無」は、切削条件Ａ、Ｂの乾式連続切削試験を行った後の本発明工具１〜１０及び比較例工具１〜１２の摩耗面をＳＥＭで観察し、チッピングの有無を確認したものである。
表６で示す「逃げ面摩耗量」は、切削条件Ａ、Ｂの乾式連続切削試験を行った後の本発明工具１〜１０及び比較例工具１〜１２の逃げ面をＳＥＭで観察し、摩耗幅をＳＥＭ写真上における長さから測定したものである。逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超えると加工精度などの切削性能が低下し、逃げ面摩耗量が０．２５ｍｍを超えた場合を使用寿命と判断した。
表６の結果によれば、本発明工具１〜２、及び４〜１０は、チッピングが発生することもなく切削を行うことが可能であり、しかも、逃げ面摩耗量の平均は切削条件Ａで約０．１１ｍｍ、切削条件Ｂで約０．１３ｍｍであって、耐摩耗性にもすぐれていることが分かる。本発明工具３については、チッピングの発生は観察されたが、逃げ面摩耗量が０．２ｍｍ以下であり、耐摩耗性が確認された。
一方、比較例工具１〜１２は、チッピングの発生あるいは逃げ面摩耗の進行により、短時間で寿命に至ることは明らかである。
この結果から、本発明工具は、比較例工具に比して、耐チッピング性、耐摩耗性のいずれにおいてもすぐれていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
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などの高速切削加工においても、すぐれた耐チッピング性、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。
【符号の説明】
【００３８】
１１    ｃＢＮ基体、工具基体
１２    Ａ層：（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ
１３    Ｂ層：（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ
２０    アークイオンプレーティング装置
２１    アノード電極
２２    Ａｌ−Ｔｉ合金ターゲット（蒸発源）、カソード電極
２３    回転テーブル
２４    ヒーター
２５    アーク電極
２６    バイアス電極
３１    反応ガス導入口
３２    排ガス口
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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