(57)【要約】  【課題】断続切削等の工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、ＴｉＣＮ層とＡｌ２Ｏ３層との間で剥離が発生することなく硬質被覆層の密着性を高めることができ、優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する長寿命の切削工具を提供する。  【解決手段】  基体２の表面に少なくとも炭窒化チタン層４と、その上層として酸化アルミニウム層６を含む硬質被覆層３を有する表面被覆切削工具１において、表面被覆切削工具１の表面に硬質球１３を接触させた状態で硬質球１３がころがりながら自転するように表面被覆切削工具１を局所的に摩耗させた摩耗痕７の中心に基体２が露出するように硬質被覆層３を球曲面に摩耗させるカロテストの摩耗痕７を観察した際に、摩耗痕７の中心に存在する露出した基体２の周囲に観察される炭窒化チタン層４が、クラック幅がゼロまたは小さい下部組織１１と、下部組織１１の周囲に観察されて下部組織１１よりもクラック幅が大きい上部組織１２とが存在する構成とする。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面に少なくとも炭窒化チタン層と、その上層として酸化アルミニウム層とを含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具において、該表面被覆切削工具の表面に硬質球を接触させた状態で該硬質球をころがしながら自転させるように前記表面被覆切削工具の前記硬質球接触部分を局所的に摩耗させて、中心に前記基体が露出するように前記硬質被覆層に球曲面の摩耗痕を形成させるカロテストを行い、前記摩耗痕を観察した際、該摩耗痕の中心に存在する露出した基体の外周位置に観察される炭窒化チタン層に、クラック幅がゼロまたは小さい下部組織と、該下部組織の外周位置に観察されて前記下部組織よりもクラック幅が大きい上部組織とが存在することを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記カロテストの摩耗痕観察において、前記炭窒化チタン層の下部組織中に観察されるクラックの幅が、前記上部組織中に観察されるクラックの幅に比べて１／２以下であること特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記炭窒化チタン層が、前記摩耗痕中心に存在する露出した基体の周囲に観察されてクラック幅がゼロまたは小さい下部炭窒化チタン層と、該下部炭窒化チタン層の周囲に観察されて前記下部炭窒化チタン層よりもクラック幅が大きい上部炭窒化チタン層との複数層からな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】
前記下部炭窒化チタン層の膜厚ｔ１が１μｍ≦ｔ１≦１０μｍ、前記上部炭窒化チタン層の膜厚ｔ２が０．５μｍ≦ｔ２≦５μｍで、かつ、１＜ｔ１／ｔ２≦５の関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記炭窒化チタン層が前記基体表面に対して垂直に伸びる筋状組織の炭窒化チタン粒子からなるとともに、前記上部炭窒化チタン層をなす炭窒化チタン粒子の平均結晶幅が前記下部炭窒化チタン層をなす炭窒化チタン粒子の平均結晶幅より大きいことを特徴とする請求項３または４に記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記炭窒化チタン層中の前記上部層における平均結晶幅ｗ２が０．２〜１．５μｍであり、かつ、前記下部炭窒化チタン層における平均結晶幅ｗ１が前記上部炭窒化チタン層の平均結晶幅ｗ２の０．７倍以下であることを特徴とする請求項５記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記炭窒化チタン層をＴｉ（Ｃ１−ｘＮｘ）と表したとき、前記下部炭窒化チタン層におけるｘが０．５５〜０．８０、前記上部炭窒化チタン層におけるｘが０．４０〜０．５５の組成からなることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記酸化アルミニウム層のスクラッチ試験における付着力が１０〜５０Ｎであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
前記カロテストの摩耗痕観察において、前記酸化アルミニウム層の前記炭窒化チタン層との界面から酸化アルミニウム層の内部にわたってクラックが観察されることを特徴とする請求項８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、硬質被覆層を表面に被着形成した表面被覆切削工具に関し、特に鋳鉄の断続切削等の大きな衝撃が切刃にかかるような切削に際しても、優れた耐チッピング性および耐欠損性を有する表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、超硬合金やサーメット、セラミックス等の基体の表面に、炭化チタン（ＴｉＣ）層、窒化チタン（ＴｉＮ）層、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層等の硬質被覆層を複数層被着形成した表面被覆切削工具が多用されている。
【０００３】
かかる表面被覆切削工具においては、最近の切削加工の高能率化に従って金属の重断続切削等の大きな衝撃が切刃にかかるような過酷な切削条件で使われるようになっており、従来の工具では硬質被覆層が突発的に発生する大きな衝撃に耐えきれず、チッピングや硬質被覆層が剥離にて基体が露出してしまい、これが引き金となって切刃に大きな欠損や異常摩耗が発生して工具寿命の長寿命化ができないという問題があった。
【０００４】
そこで、特許文献１には、筋状炭窒化チタン結晶（縦長成長炭窒化チタン結晶）からなる炭窒化チタン層を設けるとともに、その間を粒状の窒化チタン層で分割することにより、層間剥離を抑制できることが記載され、工具の耐欠損性が向上すると記載されている。
【特許文献１】特許第３２３０３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載された炭窒化チタン層の構成によっても、重断続切削等の突発的に大きな衝撃がかかるような切削においては依然として切刃のチッピングによる異常摩耗や突発欠損等が発生し、工具寿命が短くなっていた。
【０００６】
また、炭窒化チタン層の結晶幅を単純に小さくしたり、大きくしたりしても、基体耐摩耗性または耐欠損性のいずれかが悪化して、突発欠損やチッピングの発生による異常摩耗が発生したり、摩耗が進行しやすい等の問題が発生して硬質被覆層全体の最適化がうまくいかず工具寿命には限界があった。
【０００７】
従って、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、断続切削等の突発的に工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、チッピングや欠損が発生することなく、優れた耐チッピング性および耐欠損性を有するとともに、耐摩耗性にも優れる長寿命の切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題に対して検討した結果、基体の表面に少なくとも炭窒化チタン層およびその上層に酸化アルミニウム層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具において、いわゆるカロテストの摩耗痕を観察すれば前記硬質被覆層の部分的な耐摩耗性および耐欠損性の分布を評価することができることを知見した。そして、その摩耗痕を観察した際に、前記摩耗痕の中心に存在する露出した基体の周囲に観察される炭窒化チタン層が、クラック幅がゼロまたは小さい下部組織と、該下部組織の周囲に観察されて前記下部組織よりもクラック幅が大きい上部組織とが存在することによって、上部組織にクラックが生成することにより炭窒化チタン層と上層の酸化アルミニウム層との間に発生する残留応力を開放して、断続切削時において例え突発的に大きな衝撃が硬質被覆層にかかったときであっても新たに大きなクラックが発生して硬質被覆層がチッピングしたり欠損したりすることなく衝撃を吸収できるとともに、クラックの生成しにくい炭窒化チタン層の下部組織が存在することによって、上部組織にて生成したクラックの進展が阻害されるために炭窒化チタン層または硬質被覆層全体がチッピングや剥離することなく、結果的に硬質被覆層全体のチッピングや剥離を防止できるとともに、硬質被覆層全体の耐摩耗性が向上することを発明した。
【０００９】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基体の表面に少なくとも炭窒化チタン層と、その上層として酸化アルミニウム層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具において、該表面被覆切削工具の表面に硬質球を接触させた状態で該硬質球をころがしながら自転させるように前記表面被覆切削工具の前記硬質球接触部分を局所的に摩耗させて、中心に前記基体が露出するように前記硬質被覆層に球曲面の摩耗痕を形成させるカロテストを行い、前記摩耗痕を観察した際に、該摩耗痕の中心に存在する露出した基体の外周位置に観察される炭窒化チタン層が、クラック幅がゼロまたは小さい下部組織と、該下部組織の外周位置に観察されて前記下部組織よりもクラック幅が大きい上部組織とが存在することを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記カロテストの摩耗痕観察において、前記炭窒化チタン層の下部組織中に観察されるクラックの幅が、前記上部組織中に観察されるクラックの幅に比べて１／２以下であることが、炭窒化チタン層と酸化アルミニウム層との密着性を高めることができるとともに、炭窒化チタン層自身のクラックの進展を抑制することもできる結果、硬質被覆層全体の耐チッピング性、耐欠損性が向上するとともに、耐摩耗性が維持されるために望ましい。
【００１１】
ここで、前記炭窒化チタン層が、前記摩耗痕中心に存在する露出した基体の周囲に観察されてクラック幅がゼロまたは小さい下部炭窒化チタン層と、該下部炭窒化チタン層の周囲に観察されて前記下部炭窒化チタン層よりもクラック幅が大きい上部炭窒化チタン層との複数層が存在することが、炭窒化チタン層の上部にて生成したクラックが止まることなく進展して下部にまで達してしまうことなく、チッピングや欠損を確実に抑制できる点で望ましい。
【００１２】
また、前記下部炭窒化チタン層の膜厚ｔ１が１μｍ≦ｔ１≦１０μｍ、前記上部炭窒化チタン層の膜厚ｔ２が０．５μｍ≦ｔ２≦５μｍで、かつ、１＜ｔ１／ｔ２≦５の関係を満たすことが、前記炭窒化チタン層と前記酸化アルミニウム層との密着性を高め、前記炭窒化チタン層自身のクラックの進展を抑制することもでき、前記硬質被覆層全体の耐衝撃性を高めて、工具全体としてのチッピングや欠損を防止し、かつ高い耐摩耗性を維持することができるために望ましい。
【００１３】
さらに、前記炭窒化チタン層が前記基体表面に対して垂直に伸びる筋状組織の炭窒化チタン粒子からなるとともに、前記上部炭窒化チタン層をなす炭窒化チタン粒子の平均結晶幅が前記下部炭窒化チタン層をなす炭窒化チタン粒子の平均結晶幅より大きいことが、上部炭窒化チタン層に生成したクラックが下部炭窒化チタン層に進展することを抑制できるとともに、酸化アルミニウム層と炭窒化チタン層との残留応力を低減してクラックの発生を最小限に抑えて両者間の付着力を制御できる。これによって、硬質被覆層の耐摩耗性と耐剥離性を高めて、工具全体としての耐摩耗性と耐欠損性を最適な状態にすることができるために望ましい。
【００１４】
なお、この場合には、前記炭窒化チタン層中の前記上部層における平均結晶幅ｗ２が０．２〜１．５μｍであり、かつ、前記下部炭窒化チタン層における平均結晶幅ｗ１が前記上部炭窒化チタン層の平均結晶幅ｗ２の０．７倍以下であることが、炭窒化チタン結晶自身の耐欠損性および耐チッピング性を高めることができるとともに、酸化アルミニウム層との付着力を制御して、硬質被覆層全体としての耐摩耗性および耐欠損性を高めるために望ましい。
【００１５】
また、前記炭窒化チタン層をＴｉ（Ｃ１−ｘＮｘ）と表したとき、前記下部炭窒化チタン層におけるｘが０．５５〜０．８０、前記上部炭窒化チタン層におけるｘが０．４０〜０．５５の組成からなることが、基体上部炭窒化チタン層に生成したクラックが下部炭窒化チタン層に進展することを抑制し、硬質被覆層の耐チッピング性および耐欠損性を高め、高い耐摩耗性を維持することができるために望ましい。
【００１６】
さらに、前記酸化アルミニウム層のスクラッチ試験における付着力が１０〜５０Ｎであることによって、連続切削においては硬質被覆層の剥離を抑制できて耐摩耗性が高く、かつ断続切削においては酸化アルミニウム層が適度の剥離を生じさせることで基体までに至る硬質層剥離を抑制させることで耐欠損性および耐チッピング性を高めることができるために望ましい。
【００１７】
ここで、前記カロテストの摩耗痕観察において、前記酸化アルミニウム層の前記炭窒化チタン層との界面から酸化アルミニウム層の内部にわたってクラックが観察されることが、炭窒化チタン層と酸化アルミニウム層との界面に発生する残留応力を効果的に解消でき、かつ炭窒化チタン層に過剰なクラックが発生することを防止して、炭窒化チタン層のチッピングおよび剥離を防止できる点で望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の表面被覆切削工具は、基体の表面に少なくとも炭窒化チタン層およびその上層に酸化アルミニウム層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具において、いわゆるカロテストの摩耗痕を観察すれば前記硬質被覆層の部分的な耐摩耗性および耐欠損性の分布を評価することができること、その摩耗痕の観察にて、前記摩耗痕の中心に存在する露出した基体の周囲に観察される炭窒化チタン層が、クラック幅がゼロまたは小さい下部組織と、該下部組織の周囲に観察されて前記下部組織よりもクラック幅が大きい上部組織とが存在することによって、上部組織にクラックが生成することにより炭窒化チタン層と上層の酸化アルミニウム層との間に発生する残留応力を開放して、基体特にねずみ鋳鉄（ＦＣ材）やダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ材）のような高硬度黒鉛粒子が分散した鋳鉄等の金属の重断続切削等のような工具切刃に強い衝撃がかかる過酷な切削条件や、連続切削条件、さらにはこれら断続切削と連続切削とを組み合わせた複合切削条件において、例え突発的に大きな衝撃が硬質被覆層にかかったときであっても新たに大きなクラックが発生して硬質被覆層がチッピングしたり欠損したりすることなく衝撃を吸収できるとともに、クラックの生成しにくい炭窒化チタン層の下部組織が存在することによって、上部組織にて生成したクラックの進展が阻害されるために炭窒化チタン層がチッピングや剥離することなく、結果的に硬質被覆層全体のチッピングや剥離を防止できるとともに、硬質被覆層全体の耐摩耗性が維持される優れた耐チッピング性および耐欠損性を有する切削工具が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の表面被覆切削工具の一例についておよびカロテストの摩耗痕の金属顕微鏡像である図１（(ａ)は本発明例、(ｂ)は比較例）、硬質被覆層を含む破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である図２を基に説明する。
【００２０】
図１、２によれば、表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す。）１は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属からなる結合相にて結合させた超硬合金や、Ｔｉ基サーメット、または窒化ケイ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素等のセラミックスのいずれかからなる基体２の表面に硬質被覆層３を化学蒸着法（ＣＶＤ）にて被着形成したものである。
【００２１】
本実施態様によれば、図２に示すように、硬質被覆層３として少なくとも炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層４およびその上層として酸化アルミニウム層６を有している。また、図１はカロテストの摩耗痕７を金属顕微鏡または走査型電子顕微鏡により例えば倍率４〜５０倍（図１では５倍）で観察したものである。
【００２２】
また、本発明の評価項目として規定するカロテストとは、図３に示すように、工具１の表面、すなわち硬質被覆層３の表面に金属製または超硬合金製の硬質球１３を接触させた状態で硬質球１３を支持する支持棒１４を回転させて硬質球１３をころがしながら自転させることによって、工具１を局所的に摩耗させ、図１に示すように摩耗痕７の中心に基体２が露出するように硬質被覆層３を球曲面に摩耗させたものであり、一般的にはこの摩耗痕７中に観察される硬質被覆層３の各層の幅を観察することによって各層の膜厚を見積もる方法である。
【００２３】
本発明によれば、図１のようなカロテストの摩耗痕７の観察において、（ａ）のように摩耗痕７の中心に存在する露出した基体の外周位置に観察される炭窒化チタン層４に、クラック幅がゼロまたは小さい下部組織１１と、下部組織１１の外周位置に観察されて下部組織１１よりもクラック幅が大きい上部組織１２とが存在することが大きな特徴である。
【００２４】
上記構成によって、コーティング後の冷却時に酸化アルミニウム層６と炭窒化チタン層４との熱膨張係数差に起因する残留応力が、炭窒化チタン層４の表面側である上部組織１２にクラック５が発生することによって応力解放されて、例え突発的に大きな衝撃が硬質被覆層３にかかったときであっても新たに大きなクラックが発生して硬質被覆層がチッピングしたり欠損したりすることなく衝撃を吸収できるとともに、クラック５の生成しにくい炭窒化チタン層４の下部組織１１が存在することによって、上部組織１２にて生成したクラック５の進展が阻害されるために炭窒化チタン層４がチッピングや剥離することなく、結果的に硬質被覆層３全体のチッピングや剥離を防止できるとともに、硬質被覆層３全体の耐摩耗性が向上する結果、特にねずみ鋳鉄（ＦＣ材）やダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ材）のような高硬度黒鉛粒子が分散した鋳鉄等の重断続切削においても優れた耐欠損性および耐チッピング性を有する工具１が得られる。
【００２５】
すなわち、摩耗痕７の観察において、ＴｉＣＮ層４の上部組織１２にクラック５がないと炭窒化チタン層４と酸化アルミニウム層６との間の残留応力が解放されず、硬質被覆層３に大きな衝撃が加わった場合に炭窒化チタン層４と酸化アルミニウム層６のいずれか、または両方に大きなクラック５が進展して硬質被覆層にチッピングが発生したり、欠損したりしやすくなる。また、図１（ｂ）のように炭窒化チタン層４全体においてクラック５の生成割合が同じであると、上記酸化アルミニウム層６との残留応力に起因するクラック５が発生した際にクラック５が炭窒化チタン層４全体に進展してしまい、この場合にも硬質被覆層３にチッピングが発生したり、欠損したりしやすくなる。
【００２６】
なお、本発明によれば、上記カロテストの摩耗痕７として、摩耗痕７の中心に基体２が露出するように硬質被覆層３を球曲面に摩耗させた状態としたものであり、この摩耗痕７中に含まれる硬質被覆層３の各層の摩耗、剥離、クラック５の進展状態等を各層ごとに観察することにより、硬質被覆層３の性状および特性を評価できることを見出したものである。
【００２７】
ここで、露出した基体２の大きさが大きすぎたり、小さすぎたりすると、炭窒化チタン層４中のクラック５を正確に観察することができない場合があるため、摩耗痕７中に露出する基体２の直径が摩耗痕７全体の直径の０．１倍〜０．６倍になるようにカロテストの摩耗条件（時間、硬質球の種類、研磨剤等）を調節するのがよい。
【００２８】
また、図２の硬質被覆層３の組織を説明するための図面代用走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）に記載されるように、炭窒化チタン層４の下部組織１１にて観察されるクラック幅ｗ１が、上部組織１２にて観察されるクラック幅ｂ２に対する比（ｂ１／ｂ２）で１／２以下、特に１／３以下であることが、炭窒化チタン層４と酸化アルミニウム層６との密着性を高めることができるとともに、炭窒化チタン層４自身のクラック５の進展を抑制することもでき、硬質被覆層３全体の耐チッピング性、耐欠損性が向上するとともに、耐摩耗性が維持されるために望ましい。
【００２９】
また、図１、２、または図１の要部拡大図である図３によれば、炭窒化チタン層４が、摩耗痕７中心に存在する露出した基体２の外周位置に観察されてクラック幅がゼロまたは小さい下部炭窒化チタン層（以下、単に下部層と略す。）１５と、下部層１５の周囲に観察されて下部層１５よりもクラック幅が大きい上部炭窒化チタン層（以下、単に上部層と略す。）１６との複数層が存在した状態となっており、この構成によって、炭窒化チタン層４の上部にて生成したクラック５が進展して下部にまで達してしまうことなく、確実に硬質被覆層３のチッピングや欠損を防止できる。
【００３０】
さらに、上部層１６の膜厚ｔ２が０．５μｍ≦ｔ２≦５μｍ、下部層１５の膜厚ｔ１が１μｍ≦ｔ１≦１０μｍで、かつ、１＜ｔ１／ｔ２≦５の関係を満たすことが、炭窒化チタン層４と酸化アルミニウム層６との密着性を高め、かつ炭窒化チタン層４自身のクラック５の進展を抑制することもでき、硬質被覆層３全体の耐衝撃性を高めて、工具１全体としてのチッピングや欠損を防止し、かつ高い耐摩耗性を維持することができるために望ましい。
【００３１】
また、図４に示すように、炭窒化チタン層４が基体２表面に対して垂直に伸びる筋状組織の炭窒化チタン粒子からなるとともに、上部層１６が炭窒化チタン粒子の平均結晶幅ｗ１が大きい筋状組織からなり、下部層１５が炭窒化チタン粒子の平均結晶幅ｗ２が小さい筋状組織からなることが、上部層１６に生成したクラック５が下部層１５に進展することを抑制できるとともに、酸化アルミニウム層６と炭窒化チタン層４との残留応力を低減してクラックの発生を最小限に抑えて両者間の付着力を制御できる。これによって、硬質被覆層３の耐摩耗性と耐剥離性を高めて、工具１全体としての耐摩耗性と耐欠損性を最適な状態にすることができるために望ましい。
【００３２】
ここで、基体２表面に対して垂直に伸びる筋状組織の炭窒化チタン粒子とは、基体２との界面に対して垂直な方向の結晶長さ／平均結晶幅＝アスペクト比が２以上の結晶組織を指す。また、図２に示すような硬質被覆層３の断面組織観察にて、粒状炭窒化チタン結晶が３０面積％以下の割合で混合した混晶であってもよい。
【００３３】
なお、この場合には、炭窒化チタン層４中の上部層１６における平均結晶幅ｗ２が０．２〜１．５μｍ、特に０．２〜０．５μｍであり、かつ、下部層１５における平均結晶幅ｗ１が上部層１６の平均結晶幅ｗ２の０．７倍以下であることが、炭窒化チタン層４自身の耐欠損性および耐チッピング性を高めることができるとともに、酸化アルミニウム層６との付着力を制御して、硬質被覆層３全体としての耐摩耗性および耐欠損性を高めるために望ましい。
【００３４】
また、本発明において筋状結晶からなる炭窒化チタン粒子の平均結晶幅を測定する方法としては、硬質被覆層３を含む断面について走査型電子顕微鏡写真観察を行い、炭窒化チタン層４の各高さ領域において基体２と硬質被覆層３との界面と平行な直線を引き（図４の線分Ａ、Ｂ参照）、この線分上にある各粒子の幅の平均値、すなわち線分長さを線分上を横切る粒界の数で割った値を平均結晶幅ｗとする。
【００３５】
また、炭窒化チタン層４をＴｉ（Ｃ１−ｘＮｘ）と表したとき、下部層１５においてxが０．５５〜０．８０、上部層１６においてxが０．４０〜０．５５の組成からなることが、上部層１６に生成したクラックが下部層１５に進展することを抑制し、硬質被覆層３の耐チッピング性および耐欠損性を高めるために望ましい。
【００３６】
さらに、酸化アルミニウム層６のスクラッチ試験における付着力が１０〜５０Ｎであることによって、連続切削においては硬質被覆層３の剥離を抑制できて耐摩耗性を高め、断続切削においては酸化アルミニウム層６が適度の剥離を生じさせることで基体２までに至る硬質層３の剥離を抑制させることができ、耐欠損性および耐チッピング性が向上するために望ましい。
【００３７】
ここで、前記カロテストの摩耗痕観察において、酸化アルミニウム層６の炭窒化チタン層４との界面から酸化アルミニウム層６の内部にわたってクラックが観察されることが、炭窒化チタン層４と酸化アルミニウム層６との界面に発生する残留応力を効果的に解消でき、かつ炭窒化チタン層４に過剰なクラックが発生することを防止して、炭窒化チタン層４のチッピングおよび剥離を防止できる点で望ましい。
【００３８】
また、基体２と炭窒化チタン層４との間、炭窒化チタン層４と酸化アルミニウム層６との層間、多層に形成された炭窒化チタン層の層間、酸化アルミニウム層の上層に、窒化チタン（ＴｉＮ）層、炭化チタン（ＴｉＣ）層、炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）層、炭酸化チタン（ＴｉＣＯ）層、窒酸化チタン（ＴｉＮＯ）層の群から選ばれる少なくとも１層、最下層１８では特に窒化チタン層を介装することによって、基体２の成分の拡散防止、硬質被覆層３の各層間密着力の向上、炭窒化チタン層４、酸化アルミニウム層６の組織、結晶構造、密着力およびクラックの発生状態を制御する等が可能である。
【００３９】
また、炭窒化チタン層４の上層として形成する酸化アルミニウム層６は、スクラッチ試験にて行った付着力の測定で１０〜５０Ｎ、特に、１０〜３０Ｎの付着力を有することが、連続切削中に膜剥離が発生せずに優れた耐摩耗性を発揮することができ、断続切削中には酸化アルミニウム層６のみが剥離し、強靭な炭窒化チタン層４は剥離することなく残存して摩耗が急激に進行することを抑制し、優れた耐欠損性を発揮することができるため望ましい。
【００４０】
なお、上記スクラッチ試験とは、試料表面に触針を接触させた状態で一定の負荷をかけながら前記触針を一定の速度で試料表面をこすりながら傷をつけ、試料の硬質被覆層が剥離する負荷の値を剥離した層の付着力として読み取ることによって硬質被覆層中の各層の付着力を測定する試験法である。
【００４１】
ここで、本発明に使用される酸化アルミニウム層６としては、結晶構造がα型であることが望ましい。従来ではα型結晶構造をもつ酸化アルミニウム結晶は優れた耐摩耗性を持つが、核生成によって生成する酸化アルミニウム結晶の粒径が大きいため酸化アルミニウム層６と炭窒化チタン層４との界面における粒子同士の接触面積が小さくなって付着力が弱くなってしまい酸化アルミニウム層６が膜剥離を起こしやすいものである。しかし、上記構成によれば、酸化アルミニウム層６中の酸化アルミニウム結晶をα型結晶構造としても酸化アルミニウム層６の付着力を１０〜５０Ｎの範囲に容易に制御することができ、工具寿命のより長い工具１を得ることができる。
【００４２】
なお、Ａｌ２Ｏ３層６をα型結晶構造とする場合には、炭窒化チタン層４と酸化アルミニウム層６との間に０．２μｍ以下の炭酸化チタン層、酸窒化チタン層または炭酸窒化チタン層のいずれかよりなる中間層８を介装することにより安定してα型結晶構造を成長させることができる。また、酸化アルミニウム層６の層厚は３〜８μｍであることが耐摩耗性、特に鋳鉄に対する耐摩耗性および耐溶着性を維持しつつ、膜剥離を防止して耐欠損性を高めることができる点で望ましい。
【００４３】
また、炭窒化チタン層４と基体２の間に、付着力向上のおよび基体２成分の拡散による耐摩耗性の低下を防ぐため窒化チタン（ＴｉＮ）層からなる最下層１８を被覆することが望ましい。また、最下層１８の層厚は０．１〜２μｍの範囲であることが付着力の低下を防ぐ点で望ましい。
【００４４】
また、硬質被覆層３の最表面層１９として窒化チタン層を形成することによって、工具１が金色を呈するため、工具１を使用したときに変色して使用済みかどうかの判別がつきやすく、また、摩耗の進行を容易に確認できるため望ましい。
【００４５】
（製造方法）
また、上述した表面被覆切削工具を製造するには、まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形した後、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金からなる基体２を作製する。
【００４６】
次に、上記基体２の表面を所望によって研磨加工した後、その表面に例えば化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって硬質被覆層３を成膜する。筋状炭窒化チタン層４の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積％で塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％、メタン（ＣＨ４）ガスを０〜０．１体積％、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスを０．１〜３体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａにて成膜する。
【００４７】
ここで、本実施形態では、炭窒化チタン層の成膜前期（下部層１１の成膜）に使用する反応ガス中のＣＨ３ＣＮの割合よりも炭窒化チタン層の成膜後期（上部層１２の成膜）に使用する反応ガス中のアセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスの混合割合を増やすことによって、下部層１１よりも上部層１２の炭窒化チタン粒子の粒径を大きくする。
【００４８】
具体的には、炭窒化チタン層の成膜前期に使用するアセトニトリルガスの導入割合に対して炭窒化チタン層の成膜後期時に導入するアセトニトリルガスの割合を１．５倍以上とすることにより制御可能である。
【００４９】
ここで、上記成膜条件のうち、反応ガス中のアセトニトリルガスの割合が０．１体積％より少ないと筋状炭窒化チタン結晶に成長させることができず粒状結晶となる。逆に反応ガス中のアセトニトリルガスの混合割合が３体積％を超えると炭窒化チタン結晶の平均結晶幅が大きくなって、その比を制御することができない。
【００５０】
なお、反応ガス中のアセトニトリルガス導入量の変化に代えて、成膜温度を成膜前期よりも成膜後期において高めるといった方法によっても炭窒化チタン結晶の平均結晶幅を所定の構成に制御することが可能である。
【００５１】
そして、本発明によれば、引き続き、酸化アルミニウム層６を成膜する。酸化アルミニウム層６の成膜方法としては、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）ガスを３〜２０体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５〜３．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．０１〜５．０体積％、硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスを０〜０．０１体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａとすることが望ましい。
【００５２】
また、窒化チタン（ＴｉＮ）層を成膜するには、反応ガス組成として塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａとすればよい。
【００５３】
さらに、炭酸窒化チタン（ＴｉＣＮＯ層を成膜するには、塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜３体積％、メタン（ＣＨ４）ガスを０．１〜１０体積％、二酸化炭素（ＣＯ２）
ガスを０．０１〜５体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａとすればよい。
【００５４】
このとき、上述した方法に加えて、上記化学蒸着法にて硬質被覆層を成膜した後７００℃までのチャンバの冷却速度を１２〜３０℃／分に制御することによって、炭窒化チタン層の組織を、上記カロテストにて所定のクラックが観察される組織に制御することができる。
【００５５】
なお、本発明は上記実施態様に限定されるものではなく、例えば、上記説明においては成膜方法として化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いた場合について説明したが、硬質被覆層の一部または全部を物理蒸着（ＰＶＤ）法によって形成したものであってもよい。
【実施例１】
【００５６】
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％、平均粒径２．０μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．５質量％、ＴａＣ粉末を５質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニングＲ）を施した。
【００５７】
そして、上記超硬合金に対して、ＣＶＤ法により各種の硬質被覆層を表１に示す条件で表２に示す構成の多層膜からなる硬質被覆層を成膜した試料Ｎｏ．１〜８の表面被覆切削工具を作製した。
【表１】
2005186221.tif 000003
【００５８】
得られた工具について、硬質被覆層の断面を含む任意破断面または研磨面５ヵ所について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を撮り、各写真おいてＴｉＣＮ層の組織を観察した。このとき、炭窒化チタン層の総膜厚に対して基体側から総膜厚の１／５の高さ位置と酸化アルミニウム層（表面）側から総膜厚の１／５の高さ位置にそれぞれ図２に示すような線Ａおよび線Ｂを引いて、それぞれの線分上を横切る粒界数を測定して炭窒化チタン結晶の結晶幅に換算した値を算出し、写真５ヶ所についてそれぞれ算出した結晶幅の平均値を平均結晶幅（ｗ１、ｗ２）として算出した。
【００５９】
上記金属顕微鏡写真またはＳＥＭ写真にて炭窒化チタン層が単層か多層かを確認し、多層である場合には、上部層と下部層との膜厚ｔ２、ｔ１を測定し、関係式ｔ１／ｔ２の値を計算した。なお、炭窒化チタン層の観察において層境界が明確でない場合には、上記破断面を研磨して鏡面状態とし、さらにアルカリ赤血塩溶液(村上氏（？）試薬：１０％ＫＯＨ＋１０％Ｋ３Ｆｅ（ＣＮ）６)によるエッチング処理を施した状態とし、これを金属顕微鏡またはＳＥＭにて観察した。結果は表２に示した。
【００６０】
また、上記表面被覆切削工具の硬質被覆層のクラック状態を、下記条件で行ったカロテスト試験によって生じた摩耗痕を金属顕微鏡またはＳＥＭにて観察し、カロテスト摩耗痕で観察される炭窒化チタン層の下部組織と上部組織におけるクラックの幅ｂ１、ｂ２をそれぞれ測定した。結果は表２に示した。
【００６１】
装置：ナノテック社製ＣＳＥＭ−ＣＡＬＯＴＥＳＴ
鋼球
直径３０ｍｍ球形鋼玉
ダイヤモンドペースト  １／４ＭＩＣＲＯＮ
摩耗痕中に露出する基体の直径が摩耗痕全体の直径に対して０．１〜０．６倍、（今回の測定では０．３〜０．７ｍｍ）となるように摩耗させた状態でクラックを観察した。なお、前記クラックの幅については、摩耗痕の炭窒化チタン層領域の基体（内）側から１／５長さの位置に存在するクラック幅の平均値＝ｂ１、摩耗痕７の炭窒化チタン層領域の酸化アルミニウム層（外）側から１／５長さの位置に存在するクラック幅の平均値＝ｂ２として算出した。結果は表２に示した。
【００６２】
さらに、硬質被覆層の付着力を、下記条件のスクラッチ試験によって測定した。結果は表２に示した。
【００６３】
装置：ナノテック社製ＣＳＥＭ−ＲＥＶＥＴＥＳＴ
測定条件
テーブルスピード：０．１７ｍｍ／ｓｅｃ
荷重スピード１００Ｎ／ｍｉｎ
圧子
円錐形ダイヤモンド圧子（東京ダイヤモンド工具製作所社製ダイヤモンド接触子：Ｎ２−１４８７）
曲率半径：０．２ｍｍ
稜線角度：１２０°
【表２】
2005186221.tif 000004
【００６４】
なお、表２中の試料Ｎｏ．５は、表１の炭窒化チタン層６（ＴｉＣＮ６）の条件、すなわち、混合ガス中のアセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスの割合を連続的に増加させて作製した傾斜組織の炭窒化チタン層からなるものである。
【００６５】
そして、この切削工具を用いて下記の条件により、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。
【００６６】
（連続切削試験）
被削材  ：ダクタイル鋳鉄スリーブ材（ＦＣＤ７００）
工具形状：ＣＮＭＡ１２０４１２
切削速度：２５０ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削時間：２０分
その他  ：水溶性切削液使用
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、フランク摩耗量・先端摩耗量を測定
（断続試験）
被削材  ：ダクタイル鋳鉄４本溝付スリーブ材（ＦＣＤ７００）
工具形状：ＣＮＭＡ１２０４１２
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．３〜０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他  ：水溶性切削液使用
評価項目：欠損に至る衝撃回数
衝撃回数１０００回時点で顕微鏡にて切刃の硬質被覆層の剥離状態を観察
【表３】
2005186221.tif 000005
【００６７】
表１〜３より、炭窒化チタン層単層からなり炭窒化チタン層全体にクラックが均一に存在する試料Ｎｏ．８では、切刃部の硬質被覆層に切削初期からチッピングが発生し、また、このチッピングが要因となって早期に欠損した。
【００６８】
また、成膜後から７００℃までの冷却速度が１０℃／分より遅い試料Ｎｏ．６では、クラックの発生が試料Ｎｏ．８よりも全体的に小さくなったがクラックの分布は一様であった。そして、切削においては微小チッピングが発生して衝撃回数１１００回で欠損した。
【００６９】
さらに、同じ成膜条件で炭窒化チタン層を２層成膜した試料Ｎｏ．７でも、カロテストの摩耗痕観察においてクラック幅は一様であり、やはりチッピングが発生して２５００個加工した時点で欠損した。
【００７０】
これに対して、本発明に従い、炭窒化チタン層の基体側の下部組織（下部層）のクラック幅よりも、酸化アルミニウム層側の上部組織（上部層）クラック幅が大きい状態にした構成であるＮｏ．１〜５では、いずれも硬質被覆層の剥離が発生せず、連続切削においても断続切削においても長寿命であり、耐欠損性および耐チッピング性とも優れた切削性能を有するものであった。特に、炭窒化チタン層を多層とした試料Ｎｏ．１〜４、中でも下部層のクラック幅が０．５μｍ以下と観察されにくくなっている試料２，３が最も耐摩耗性、耐欠損性ともに優れていた。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】表面被覆切削工具をカロテストした摩耗痕の金属顕微鏡像（（ａ）本発明例、（ｂ）従来例）である。
【図２】本発明の表面被覆切削工具の破断面における硬質被覆層領域についての走査型電子顕微鏡像である。
【図３】カロテストの試験方法を説明するための模式図である。
【図４】図１の摩耗痕の金属顕微鏡像についての要部拡大写真である。
【図５】図４を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察した写真である。
【符号の説明】
【００７２】
１：    表面被覆切削工具
２：    基体
３：    硬質被覆層
４：    炭窒化チタン層
５：    クラック
６：    酸化アルミニウム層
７：    摩耗痕８：    中間層
１１：  炭窒化チタン層の下部組織
１２：  炭窒化チタン層の上部組織
１３：  硬質球
１４：  支持棒
１５：  下部炭窒化チタン層（下部層）
１６：  上部炭窒化チタン層（上部層）
１８：  最下層
１９：  最表面層
ｂ１：    炭窒化チタン層の下部組織（基体側）における平均クラック幅
ｂ２：    炭窒化チタン層の上部組織（酸化アルミニウム層側）における平均クラック幅
ｗ１：    炭窒化チタン層の基体側の平均結晶幅
ｗ２：    炭窒化チタン層のＡｌ２Ｏ３層側の平均結晶幅
ｔ１：    炭窒化チタン層の下部層の膜厚
ｔ２：    炭窒化チタン層の上部層の膜厚
【図１】
2005186221.tif 000006
【図２】
2005186221.tif 000007
【図３】
2005186221.tif 000008
【図４】
2005186221.tif 000009
【図５】
2005186221.tif 000010