(57)【要約】      （修正有）【課題】耐チッピング性、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】（ａ）ＴｉＣＮ層の平均組成を、組成式：ＴｉＣＸＮ１−Ｘで表したとき、０．０５≦Ｘ≦０．２（ただし、Ｘは原子比）を満足し、（ｂ）ＴｉＣＮ層の縦断面において、該層の表面には凸状部が形成され、該凸状部の内部組織は改質ドロップレットで構成され、（ｃ）改質ドロップレットは、上方に開口する凹形状の凝固金属粒と、該凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒とからなる縦断面複合構造を有し、（ｄ）縦断面複合構造において、凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒の周長の６０〜８０％が凝固金属粒の内周と接し、ＴｉＣＮ層表面に形成される凸状部の最大径の平均値は０．５〜１．５μｍであり、全個数の９０％以上の凸状部の最大径は０．５〜３．０μｍの範囲内であり、ＴｉＣＮ層は結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織を有する。【選択図】図４
2017170609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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からなる工具基体の表面に、０．３〜５．０μｍの平均層厚のＴｉＣＮ層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記ＴｉＣＮ層の平均組成を、
組成式：ＴｉＣＸＮ１−Ｘ
で表したとき、０．０５≦Ｘ≦０．２（ただし、Ｘは原子比）を満足し、
（ｂ）前記ＴｉＣＮ層の縦断面を観察した場合、該層の表面には凸状部が形成されており、該凸状部の内部組織は改質ドロップレットで構成されており、
（ｃ）前記改質ドロップレットは、上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒と、該凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒とからなる縦断面複合構造を有し、
（ｄ）前記改質ドロップレットの縦断面複合構造において、前記凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒の周長の６０〜８０％が前記凝固金属粒の内周と接していることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記ＴｉＣＮ層の縦断面を観察した場合、該層の表面に形成されている凸状部の工具基体表面に平行な方向の凸状部の最大径の平均値は０．５〜１．５μｍであり、また、凸状部の全個数の９０％以上の個数の凸状部は、その最大径が０．５〜３．０μｍの範囲内であ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】
上記硬質被覆層の縦断面を観察した場合に、前記凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒が膜断面に占める面積が５〜２０％であ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】
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からなる工具基体の表面に、硬質被覆層として、０．３〜５．０μｍの平均層厚を有する柱状組織ＴｉＣＮ層が少なくとも設けられている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記柱状組織を、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面で観察し、各ＴｉＣＮ結晶粒の粒界の長さＬと、該結晶粒の外接円の直径Ｄの比の値Ｌ／２Ｄを求めた場合、Ｌ／２Ｄが１．３〜１．５であるＴｉＣＮ結晶粒が存在し、かつ、Ｌ／２Ｄが１．３〜１．５であるＴｉＣＮ結晶粒が、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面に占める面積割合は４０〜７０面積％であり、
（ｂ）前記工具基体表面と平行な方向に測定した前記ＴｉＣＮ結晶粒の平均結晶粒幅は０．１〜０．３μｍであり、
（ｃ）前記ＴｉＣＮ層は、４５〜６０ＧＰａのナノインデンテーション硬さを有することを特徴とする請求項１乃至請求項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ＴｉＣＮ層は、ＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織を有することを特徴とする請求項１乃至請求項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、例えば、低炭素鋼や電磁軟鉄の高速湿式断続切削加工において、硬質被覆層の耐チッピング性、耐溶着性を向上させることにより、長期の使用にわた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）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、切削工具の性能改善のために、工具基体の表面に硬質被覆層を形成して耐チッピング性、耐溶着性、耐摩耗性等を向上させることが提案されている。
硬質被覆層の成膜法としては、例えばＰＶＤ（物理蒸着）法、ＣＶＤ（化学蒸着）法が良く知られているが、ＰＶＤ法により硬質被覆層を形成する場合には、硬質被覆層の表面および内部にドロップレットが生成する。
そして、このドロップレットの存在状態によって、切削性能が大きく左右されるため、ドロップレットの状態を制御する種々の提案がなされている。      
【０００３】
例えば、特許文献１には、被覆工具において、硬質被覆層の有するドロップレットを起点に結晶成長した化合物の結晶粒が硬質被覆層表面に突き出しており、該化合物の結晶粒の長手方向長さをｈ（μｍ）、該硬質被覆層の膜厚Ｔ（μｍ）としたとき、６≦Ｔ≦３０、０．１≦ｈ／Ｔ≦１．２を満足させることによって、硬質被覆層を厚膜化した場合であっても、高硬度、耐熱性を維持しながら、圧縮応力の低減化を図り、密着性を損なわずに、耐摩耗性、耐欠損性を向上させることが提案されている。
【０００４】
特許文献２には、基体の表面に、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＮ１−ｘ）で表される硬質被覆層（ただし、ＭはＴｉを除く周期表４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）を被覆した被覆工具において、前記硬質被覆層を、前記基体の表面に対して垂直に伸びる柱状結晶を主体とした組織と、内部に粒状結晶が分散し、該粒状結晶の上側に一端が扇状に広がった扇状結晶が成長した組織を形成することによって、被覆工具の耐欠損性、耐摩耗性を向上させることが提案されている。
また、特許文献３には、前記特許文献２で提案された成分組成の硬質被覆層を形成した被覆工具において、基体の表面に対して垂直な方向に成長した柱状結晶を主体とした組織と、内部に粒状結晶が存在し、該粒状結晶の下側の前記柱状結晶の本数よりも多い本数の柱状結晶が前記粒状結晶を起点にして上側に成長している組織とすることによって、特許文献２と同様に、被覆工具の耐欠損性、耐摩耗性を向上させることが提案されている。
【０００５】
また、特許文献４には、被覆工具において、ノーズ切刃におけるホーニングの大きさを直線切刃におけるホーニングの大きさよりも大きくし、ノーズ切刃の位置に露出するドロップレットの平均直径を、直線切刃の位置に露出するドロップレットの平均直径に比べて小さくすることが提案されている。
そして、このような被覆工具によれば、直線切刃においては大きなドロップレットが切削加工中に被覆層から脱落して、その跡にドロップレットと同径程度のくぼみが発生し、そこに切削油が浸入するので、潤滑性が向上して切屑の排出性を高めることができる。また、欠損の起きやすいノーズ切刃ではドロップレットが直線切刃に露出するドロップレッ
トの直径に比べて小さいので、ドロップレットが脱落した跡からクラックが発生すること
が少なく、欠損発生を抑制できるとされている。
【０００６】
特許文献５には、工具基体の表面に、少なくとも、０．５〜１０μｍの層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を被覆形成し、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層中には、ポアおよびドロップレットが分散分布し、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の任意の断面におけるポアの占有面積率およびドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５〜１面積％、２〜４面積％であり、さらに、上記ドロップレットのうち、上記（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、全ドロップレット面積の２０面積％以上を占めるようにすることにより、被覆工具の耐欠損性、耐摩耗性を向上させることが提案されている。
【０００７】
さらに、特許文献６には、被覆工具において、硬質被覆層を、少なくとも、組成式：（Ｔｉ１−ｘ−ｙＡｌｘＹｙ）（Ｎ１−ｚＣｚ）（但し、０．３≦ｘ≦０．７、０．０１＜ｙ≦０．０５、０≦ｚ≦０．３）で表される複合炭窒化物層または複合窒化物層で構成し、前記複合炭窒化物層または複合窒化物層は、構成元素の９０原子％以上が金属元素である粒子を含有しており、前記粒子は、平均断面長径０．０５〜０．５μｍで前記複合炭窒化物層または複合窒化物層中に３〜１８％の縦断面面積比率で分散分布し、前記粒子のうち、構成元素に５０原子％以上のＡｌを含み、かつ縦断面形状のアスペクト比が２．０以上かつ長径が工具基体表面となす鋭角が４５°以下である粒子の縦断面面積比率をＡ％、それ以外の粒子の縦断面面積比率をＢ％としたとき、０．３≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）とすることによって、被覆工具の耐欠損性、耐摩耗性を改善することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−７５１７８号公報
【特許文献２】特開２００８−１５５３２８号公報
【特許文献３】特開２００８−１５５３２９号公報
【特許文献４】特開２０１０−２２８０１６号公報
【特許文献５】特開２０１２−１６６３３３号公報
【特許文献６】特開２０１３−８２０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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おり、特に、ドロップレットに関しては、前記特許文献１〜６に示されるような種々の手法で、耐欠損性改善、耐摩耗性改善を主眼とした被覆工具の性能向上が図られてきているが、未だ十分とはいえない。
例えば、前記特許文献１〜６で提案されている被覆工具を、低炭素鋼や電磁軟鉄の高速湿式断続切削加工に供した場合、高速加工であること、切り屑が伸びること等により高熱が発生し、硬質被覆層の高温硬さの低下や被削材の溶着が生じ、また、断続切削による切れ刃への断続的衝撃が作用するため、チッピング、欠損、溶着等の異常損傷が発生し、これを原因として、工具寿命が短命となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者は、前述のような観点から、低炭素鋼や電磁軟鉄の高速湿式断続切削加工に供した場合においても、異常損傷の発生を招くことなく長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
【００１１】
即ち、本発明者らは、工具基体表面に、ＰＶＤ法の一種であるアークイオンプレーティング(以下、「ＡＩＰ」という。図１参照)法で、Ｔｉの炭窒化物 (以下、「ＴｉＣＮ」で示す。) 層からなる硬質被覆層を蒸着形成するに際し、通常であれば、前記ＴｉＣＮ層内に形成される実質金属成分からなるドロップレットを、成膜工程における制御によって、凝固金属粒と該粒内に存在するＴｉＣＮ結晶粒に改質し得ることを見出した。
【００１２】
前記成膜工程における制御を、より具体的にいえば、
（１）まず、ＴｉＣＮ層の成膜を、比較的ドロップレットを形成しやすい高アーク電流条件で行い、
（２）その後、装置内に窒素及びメタンを導入し、装置内温度を上げた状態で、形成されたドロップレットの炭窒化反応を促進する処理を施し、ドロップレットの上部表面から内部に向かってＴｉＣＮ結晶粒を生成・成長させる。
（３）前記(１)のＴｉＣＮ層の成膜およびドロップレットの形成と、前記（２）の形成されたドロップレットを炭窒化反応させることによるＴｉＣＮ結晶粒の生成を、少なくとも、１回以上繰り返すことによって、ＴｉＣＮ層の内部及び表面には、実質金属成分のみからなるいわゆる通常のドロップレットではなく、ドロップレットが改質され、凝固金属粒と該粒内に存在するＴｉＣＮ結晶粒からなる改質ドロップレットが形成される。
なお、前記ドロップレットの炭窒化反応促進処理において、ＴｉＣＮ結晶粒の生成・成長は、窒素及びメタンからなる反応ガスと、ドロップレットの接触界面（即ち、ドロップレットの上部表面）にて始まり、炭窒化反応の進行につれて、ドロップレットの内部に向かって進展していくため、最終的にＴｉＣＮ層内に形成される改質ドロップレットは、上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒と、該凝固金属粒の内部領域を恰も充填するかのように存在する前記生成・成長したＴｉＣＮ結晶粒とからなる縦断面複合構造を有する（図５参照）。
【００１３】
そして、本発明の被覆工具は、ＴｉＣＮ層からなる硬質被覆層の少なくとも表面に、前記改質ドロップレットが存在することによって、特に、硬質被覆層の表面に形成される凸部を最適なサイズとすることで、切削時に被削材と接触する硬質被覆層の接触面積を適度に小さくして発熱を抑制し得ること、また、切削油剤を効率よく硬質被覆層表面に供給できること、さらに、切削時に大きな衝撃が加わった場合でも、改質ドロップレットの凝固金属粒と該凝固金属粒内のＴｉＣＮ結晶粒によって、衝撃的負荷が緩和されることを見出した。
したがって、本発明の被覆工具は、低炭素鋼や電磁軟鉄の高速湿式断続切削において、耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれ、長寿命化が図られるとともに、寸法精度にすぐれた加工を行うことができる。
【００１４】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）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からなる工具基体の表面に、０．３〜５．０μｍの平均層厚のＴｉＣＮ層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記ＴｉＣＮ層の平均組成を、
組成式：ＴｉＣＸＮ１−Ｘ
で表したとき、０．０５≦Ｘ≦０．２（ただし、Ｘは原子比）を満足し、
（ｂ）前記ＴｉＣＮ層の縦断面を観察した場合、該層の表面には凸状部が形成されており、該凸状部の内部組織は改質ドロップレットで構成されており、
（ｃ）前記改質ドロップレットは、上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒と、該凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒とからなる縦断面複合構造を有し、
（ｄ）前記改質ドロップレットの縦断面複合構造において、前記凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒の周長の６０〜８０％が前記凝固金属粒の内周と接していることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記ＴｉＣＮ層の縦断面を観察した場合、該層の表面に形成されている凸状部の工具基体表面に平行な方向の凸状部の最大径の平均値は０．５〜１．５μｍであり、また、凸状部の全個数の９０％以上の個数の凸状部は、その最大径が０．５〜３．０μｍの範囲内であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）上記硬質被覆層の縦断面を観察した場合に、前記凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒が膜断面に占める面積が５〜２０％であることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４）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からなる工具基体の表面に、硬質被覆層として、０．３〜５．０μｍの平均層厚を有する柱状組織ＴｉＣＮ層が少なくとも設けられている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記柱状組織を、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面で観察し、各ＴｉＣＮ結晶粒の粒界の長さＬと、該結晶粒の外接円の直径Ｄの比の値Ｌ／２Ｄを求めた場合、Ｌ／２Ｄが１．３〜１．５であるＴｉＣＮ結晶粒が存在し、かつ、Ｌ／２Ｄが１．３〜１．５であるＴｉＣＮ結晶粒が、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面に占める面積割合は４０〜７０面積％であり、
（ｂ）前記工具基体表面と平行な方向に測定した前記ＴｉＣＮ結晶粒の平均結晶粒幅は０．１〜０．３μｍであり、
（ｃ）前記ＴｉＣＮ層は、４５〜６０ＧＰａのナノインデンテーション硬さを有することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記ＴｉＣＮ層は、ＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織を有す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。」
【００１５】
本発明について、以下に詳細を説明する。
【００１６】
本発明の被覆工具は、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からなる工具基体の表面に、０．３〜５．０μｍの平均層厚のＴｉＣＮ層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられている。
前記ＴｉＣＮ層の平均層厚は、０．３μｍ未満であると、長期にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が５．０μｍを超えると、結晶粒が粗大化し、耐チッピング性、耐欠損性が低下し、また、仕上げ寸法精度が低下することになるから、ＴｉＣＮ層の平均層厚は、０．３〜５．０μｍとする。
また、本発明のＴｉＣＮ層は、その平均組成を、
組成式：ＴｉＣＸＮ１−Ｘ
で表したとき、０．０５≦Ｘ≦０．２（ただし、Ｘは原子比）を満足する平均組成とする。
これは、ＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合Ｘ（原子比）が０．０５以上であると、ＴｉＣＮと工具基体の密着性が向上し、かつ、潤滑性が向上することによって切削時の衝撃を緩和し、結果として硬質被覆層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、ＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合Ｘ（原子比）が０．２を超えると、ＴｉＣＮ層の靭性が低下するため耐欠損性および耐チッピング性が逆に低下するため好ましくないという理由による。
本発明の前記ＴｉＣＮ層は、例えば、図１に示すようなＰＶＤ法の一種であるＡＩＰ法により成膜することができるが、ＴｉＣＮ層中に改質ドロップレットを形成するためには、成膜工程においては特別の制御が必要となる。
【００１７】
ドロップレット：
通常のＡＩＰ法により蒸着されたＴｉＣＮ層に形成されるドロップレットは、図２に示すようにその縦断面形状はほぼ円形あるいは工具基体と平行な方向に長径を有するほぼ扁平な楕円形であり、その周囲には、ドロップレットを取り囲んでＴｉＣＮ結晶粒が形成される。例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ドロップレットが膜に付着し（図３（ａ））、成膜の進行とともにドロップレットの周囲のドロップレットを取り囲むＴｉＣＮ結晶粒も成長する（図３（ｂ））。
したがって、ＴｉＣＮ層の表面には、ほぼ円形あるいはほぼ楕円形のドロップレットの上方（硬質被覆層表面側）に、ＴｉＣＮ結晶粒からなる凸状部（図３（ｃ））が形成される。
【００１８】
改質ドロップレット：
しかし、本発明の改質ドロップレットは、図４に、（ａ）としてＳＥＭ像を、また、（ｂ）としてその模式図を示すように、独特の形態を有する。
すなわち、本発明の改質ドロップレットは、上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒と、該凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒とからなる縦断面複合構造を示す。
なお、凹形状の凝固金属粒の周囲には、ドロップレットを取り囲んでＴｉＣＮ結晶粒が形成され、ＴｉＣＮ層の表面には、改質ドロップレットの上方（硬質被覆層表面側）に、ＴｉＣＮ結晶粒からなる凸状部が形成される。
なお、本発明でいう「凸状部」とは、レーザー顕微鏡による表面粗さ測定において、基準面から測定した最大高さが０．５μｍ以上あるとともに、基準面水平方向に径を測定した場合の最大径が０．１μｍ以上である、ＴｉＣＮ層の表面からの突出部と定義する。
本発明の改質ドロップレットにおいて、図４（ｂ）に示すように、前記上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒の内部領域には、この領域を充填するようにＴｉＣＮ結晶粒が存在するが、凹形状の凝固金属粒の内部領域に存在するＴｉＣＮ結晶粒の割合を、ＴｉＣＮ層の縦断面のＳＥＭ観察により求めると、前記凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒の周長の６０〜８０％が前記凝固金属粒の内周と接していることが必要である。
なお、前記凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒の周長は次の通り求まる。まず、凝固金属粒の形状を後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）により特定し、内周の長さを算出し、凝固金属粒の凹部を閉じるように接点を二点有するような接線（図４（ｂ）参照）を引き、その長さを求める。上記測定より内周の長さと接線の長さの和を求めたものを前記凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒の周長とする。
これは、凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒と凝固金属粒の内周との接触長さが、ＴｉＣＮ結晶粒の周長の６０％未満であると、切削時に衝撃的な高負荷が作用した場合の改質ドロップレットによる衝撃緩和効果が低下し、一方、凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒と凝固金属粒の内周との接触長さが、ＴｉＣＮ結晶粒の周長の８０％を超えると、改質ドロップレットからＴｉＣＮ結晶粒が脱落しやすくなるためである。
また、前記したように、本発明のＴｉＣＮ層の表面には、改質ドロップレットの上方（硬質被覆層表面側）に、凸状部が形成されるが、該凸状部の最大径の平均値は０．５〜１．５μｍであり、また、凸状部の全個数の９０％以上の個数の凸状部は、その径が０．５〜３．０μｍの範囲内であることが望ましい。
凸状部の最大径の平均値が０．５μｍ未満である場合には、被削材との接触面積が増加するため、刃先が高温となり、高温硬さが低下し、一方、凸状部の最大径の平均値が１．５μｍを超えると、局所的な負荷がかかるため、剥離やチッピングなどの異常損傷が発生しやすいことから、凸状部の最大径の平均値は０．５〜１．５μｍとすることが望ましい。
また、ＴｉＣＮ層の最表面に形成される凸状部は、その最大径の均一性がないと局所的な負荷や温度分布の偏りによる熱膨張差による歪みが生じるため、異常損傷を発生しやすくなることから、ＴｉＣＮ層の最表面に形成される凸状部の全個数の９０％以上の個数の凸状部は、その最大径が０．５〜３．０μｍの範囲内であることが望ましい。
また、改質ドロップレットにおいて、上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒がＴｉＣＮ層の縦断面に占める面積割合は、５〜２０面積％であることが好ましい。これは、改質ドロップレット中の該ＴｉＣＮ結晶粒は上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒に取り囲まれるように内部充填されているため、衝撃的負荷に対する緩和効果を有するが、該ＴｉＣＮ結晶粒がＴｉＣＮ層の縦断面に占める面積割合は５％未満であると該緩和効果が十分でなく、切削時の衝撃負荷に耐え切れずチッピングしやすく、２０％より多いと該ＴｉＣＮ結晶粒を含めた改質ドロップレットは改質ドロップレット周囲のＴｉＣＮ結晶粒と熱的特性、機械的特性が異なることから、剥離や耐摩耗性の低下が起こるという理由による。
【００１９】
また、本発明被覆工具のＴｉＣＮ層は、好ましくは、図６に示されるように柱状組織を有する（図６では、図が煩雑になるのを避けるため、「改質ドロップレット」については図中に記入していない。）が、層厚方向にほぼ平行な方向に成長する従来の柱状組織とは異なり、本発明の柱状組織は、ＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織を含むことが望ましい。
前記のＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織とは、次のように言い換えることができる。
（１）まず、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面を、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察し、個々のＴｉＣＮ結晶粒の粒界長さＬを測定し、また、個々の結晶粒に外接する外接円の直径(以下、簡単のため「結晶長径」という)Ｄを求めた場合、
１．３≦Ｌ／２Ｄ≦１．５を満たすＴｉＣＮ結晶粒が存在すること、かつ、
（２）１．３≦Ｌ／２Ｄ≦１．５を満たすＴｉＣＮ結晶粒が、観察したＴｉＣＮ層の垂直縦断面に占める面積割合が４０〜７０面積％であること、さらに、
（３）各ＴｉＣＮ結晶粒の幅を、工具基体表面と平行な方向に測定した場合、各ＴｉＣＮ結晶粒の平均結晶粒幅が０．１〜０．３μｍであること、
以上（１）〜（３）の各条件が満たされた場合に、本発明の柱状組織、即ち、ＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織、が形成されているといえる。
なお、このようなＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する本発明の柱状組織は、後記するＡＩＰ法によって形成することができる。
【００２０】
さらに、本発明において、前記Ｌ／２Ｄが１．３未満の場合には、ＴｉＣＮ結晶粒同士の絡み合いが少ないため、従来の柱状組織と大きな差はなく、耐摩耗性向上効果が少ない。一方、Ｌ／２Ｄが１．５を超える場合には、ＴｉＣＮ層の靱性が低下するため、チッピング、欠損を発生しやすくなる。
したがって、ＴｉＣＮ結晶粒の粒界長さＬと、個々の結晶粒の結晶長径Ｄの比の値Ｌ／２Ｄは、１．３≦Ｌ／２Ｄ≦１．５とする。
また、１．３≦Ｌ／２Ｄ≦１．５を満足するＴｉＣＮ結晶粒の占める面積割合が、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面の観察領域の４０面積％未満では、耐摩耗性向上効果が綬分でなく、一方、７０面積％を超えるとＴｉＣＮ層の靱性低下によりチッピング、欠損を発生しやすくなる。
したがって、１．３≦Ｌ／２Ｄ≦１．５を満足するＴｉＣＮ結晶粒の占める面積割合は、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面の観察領域の４０〜７０面積％とする。
さらに、工具基体表面と平行な方向に、各ＴｉＣＮ結晶粒の結晶粒幅を測定した場合、ＴｉＣＮ結晶粒の平均結晶粒幅が０．１μｍ未満である場合には、ＴｉＣＮ柱状結晶粒の靱性が低下し、一方、平均結晶粒幅が０．３μｍを超えると硬さが不十分となるため、ＴｉＣＮ結晶粒の平均結晶粒幅は０．１〜０．３μｍとする。
【００２１】
また、本発明のＴｉＣＮ層は、ＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織を有することから、ナノインデンテーション硬さで４５〜６０ＧＰａにまで硬さを高めることができる。
ここで、ナノインデンテーション硬さが４５ＧＰａ未満では、硬さが不十分であって、耐摩耗性向上効果が少なく、一方、ナノインデンテーション硬さが６０ＧＰａを超えると、ＴｉＣＮ層の靱性低下により、チッピング、欠損を発生しやすくなる。
したがって、本発明では、ＴｉＣＮ層の硬さを、ナノインデンテーション硬さで４５〜６０ＧＰａとする。
なお、本発明におけるナノインデンテーション硬さは、ＴｉＣＮ層の層厚の１／１０以下、本発明被覆工具の膜厚によって変わるが例えば０．０３〜０．３μｍの押し込み深さになるよう設定した荷重で測定した値である。
【００２２】
本発明ＴｉＣＮ層の成膜法：
本発明の改質ドロップレットを含有するＴｉＣＮ層の成膜は、例えば、次のとおり行うことができる。
（１）まず、図１に示すＡＩＰ装置に工具基体を装入し、Ｔｉボンバード処理を施し、次いで、Ｔｉターゲットを用い、所定の窒素分圧、メタン分圧に調整し、所定のバイアス電圧を付加し、また、比較的ドロップレットを形成しやすい高アーク電流条件でアーク放電を行なわせて、工具基体表面にドロップレット（図５（ａ）、（ｂ）参照）を含むＴｉＣＮ層を成膜する。
なお、蒸着時のアーク電流、反応ガスの全圧、バイアス電圧を制御することによって、前記ＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織を形成することができる。
（２）ついで、装置内に窒素ガス及びメタンガスを導入し、装置内温度を上げた状態で、形成されたドロップレットの炭窒化反応を促進する処理を施し、ドロップレットの上部表面から内部に向かってＴｉＣＮ結晶粒を生成・成長させ（図５（ｃ）参照）、ドロップレットを本発明の改質ドロップレットに改質する。
すなわち、この改質によって、上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒と、該凝固金属粒の内部領域を充填する（埋め込む）前記生成・成長したＴｉＣＮ結晶粒とからなる縦断面複合構造を有する改質ドロップレット（図５（ｄ）、（ｅ）参照）がＴｉＣＮ層表面に形成される。
なお、前記ドロップレットの炭窒化反応促進処理において、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、ＴｉＣＮ結晶粒の生成・成長は、窒素及びメタンからなる反応ガスと、ドロップレットの接触界面（即ち、ドロップレットの上部表面）にて始まり、炭窒化反応の進行につれて、ドロップレットの内部に向かって進展していくため、改質ドロップレットは、最終的に、上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒と、該凝固金属粒の内部領域を恰も充填するかのように存在する前記生成・成長したＴｉＣＮ結晶粒とからなる縦断面複合構造を有するようになる。
前記(１)のＴｉＣＮ層の成膜およびドロップレットの形成と、前記（２）のドロップレットを炭窒化反応させることによる改質ドロップレットの形成は、成膜するＴｉＣＮ層の目標層厚に応じて、少なくとも、１回以上繰り返し行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の被覆工具は、少なくともＴｉＣＮ層を硬質被覆層として備え、ＴｉＣＮ層の縦断面を観察した場合、該層の表面には凸状部が形成されており、該凸状部の内部組織は改質ドロップレットで構成されており、改質ドロップレットは、上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒と、該凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒とからなる縦断面複合構造を有し、改質ドロップレットの縦断面複合構造において、凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒の周長の６０〜８０％が前記凝固金属粒の内周と接しているため、硬質被覆層の表面に形成される凸部を最適なサイズとすることで、切削時に被削材と接触する硬質被覆層の接触面積を適度に小さくして発熱を抑制することができ、また、切削油剤を効率よく硬質被覆層表面に供給でき、さらに、切削時に大きな衝撃が加わった場合でも、改質ドロップレットの凝固金属粒と該凝固金属粒内のＴｉＣＮ結晶粒によって、衝撃的負荷が緩和される。
また、好ましくは、本発明のＴｉＣＮ層が、ＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織を有することにより、高いナノインデンテーション硬さを示すので、耐摩耗性にもすぐれる。
したがって、本発明の被覆工具を、低炭素鋼や電磁軟鉄の高速湿式断続切削に供した場合、耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれ、長寿命化が図られるとともに、すぐれた寸法精度の加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の被覆工具の硬質被覆層を成膜するアークイオンプレーティング装置の概略説明図を示す。
【図２】従来の被覆工具の硬質被覆層中に形成されるドロップレットのＳＥＭ像の一例を示す。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、従来の被覆工具の硬質被覆層中に形成されるドロップレットの形成過程を示す概略説明図である。
【図４】（ａ）は、本発明の被覆工具の硬質被覆層中に形成される改質ドロップレットのＳＥＭ像の一例を示し、（ｂ）は、（ａ）に示される改質ドロップレットの概略模式図を示す。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の被覆工具の硬質被覆層中に形成される改質ドロップレットの形成過程を示す概略説明図である。
【図６】本発明被覆工具のＴｉＣＮ結晶粒同士が絡み合って層厚方向に成長する柱状組織ＴｉＣＮ層の断面概略模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、ＷＣ基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】
【００２６】
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ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金工具基体１〜３を製造した。
【００２７】
【表１】
2017170609.tif 000003
【００２８】
硬質被覆層の成膜：
前述の工程によって作製したＷＣ基超硬合金工具基体１〜３に対して、図１に示したようなＡＩＰ装置を用いて、次のような工程で硬質被覆層を形成した。
（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、ＡＩＰ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、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）とアノード電極との間に表２に示す所定の電流を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層厚のＴｉＮ層を下地層として蒸着形成した。
（ｄ）次いで、下地層である前記ＴｉＮ層の表面に、ＴｉＣＮ層を次のとおり成膜した。
まず、装置内に反応ガスとして表２に示す流量比となるように窒素ガスとメタンガスの混合ガスを導入し、かつ、表２に示す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に示す所定の直流バイアス電圧を印加し、また、表２に示すようなアーク電流を前記Ｔｉ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流してアーク放電を発生させ、前記下地層表面に、ＴｉＣＮ層を形成した。
（ｅ）次いで、装置内に、反応ガスとして表３に示す流量比となるように窒素ガスとメタンガスの混合ガスを導入し、表３に示す温度となるように装置内温度を上げ、表３に示す時間保持することにより、ドロップレットの炭窒化反応を促進する処理を施した。
（ｆ）次いで、前記工程（ｄ）と（ｅ）を所要回数繰り返し行うことにより、表４に示される目標組成、目標平均層厚のＴｉＣＮ層を蒸着形成した。
上記工程（ａ）〜（ｆ）により、表４に示す本発明被覆工具(「本発明工具」という)１〜１２を作製した。
なお、本発明工具１１、１２については、上記工程（ｃ）による下地層（ＴｉＮ層）の形成は行っていない。
【００２９】
比較のため、上記工具基体１〜３に対して、表５に示す条件で硬質被覆層を蒸着形成することにより、表６に示す下地層（ＴｉＮ層）とＴｉＣＮ層を有する比較例被覆工具(「比較例工具」という)１〜９を作製した。
なお、比較例工具８、９については、下地層（ＴｉＮ層）の形成は行っていない。
【００３０】
上記で作製した本発明工具１〜１２および比較例工具１〜９について、走査型電子顕微鏡を用いた縦断面測定により各層の平均層厚（５点測定の平均値）を求めた。
また、ＴｉＣＮの組成として、ＴｉＣＸＮ１−Ｘで表した場合のＸの値(原子比)をオージェ分光分析によって求めた。
【００３１】
さらに、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面を観察して、ＴｉＣＮ層表面の凸状部の内部組織を観察し、改質ドロップレットの存在の確認（即ち、上方に開口を有する凹形状の凝固金属粒と、該凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒とからなる縦断面複合構造のドロップレットが形成されているか否かの確認）をすると同時に、凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒の周長と、凝固金属粒の内周と接している周長を求め、凝固金属粒の内周と接しているＴｉＣＮ結晶粒の周長の割合（％）を算出した。
また、ＴｉＣＮ層の縦断面を観察した場合、該層の表面に形成されている凸状部の工具基体表面に平行な方向の凸状部の最大径を測定し、１０点の測定値を平均して凸状部の最大径の平均値を算出した。
さらに、ＴｉＣＮ層の縦断面について、ＴｉＣＮ層表面の長さ３００μｍの領域を観察し、観察領域内に形成されている凸状部の全個数をカウントするとともに、観察領域において凸状部の最大径が０．５〜３．０μｍの範囲内である凸状部の個数をカウントし、観察領域において、最大径が０．５〜３．０μｍである凸状部の全個数に占める割合を算出した。また、所定観察範囲内（４×６μｍ）に存在する該凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒が、所定観察範囲の全膜断面積に占める割合を１０視野観察し、その平均値を求めた。
表４、表６に、その値を示す。
【００３２】
なお、具体的な測定法は、以下のとおりである。
まず、改質ドロップレットを確認するために断面ＳＥＭ観察を実施し、付随のＥＢＳＤにて所定範囲の観察視野における凝固金属粒を特定した。また本特定結果から、凝固金属粒の内周の長さを求めると共に、接点を２点有するよう、凝固金属粒の開口部に接線を引き（図４（ｂ）の、「２つの接点を有する接線」を参照）、該接線と内周からなる内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒を求め、その周長を算出した。そして、該周長に対する内周の長さの割合を凝固金属粒の内周と接しているＴｉＣＮ結晶粒の周長の割合（％）として、５視野の平均値を算出した。
また、前記ＴｉＣＮ層の縦断面について、ＴｉＣＮ層表面の長さ３００μｍの領域を断面ＳＥＭ観察及びＥＢＳＤによる分析結果を照らし合わせることにより、改質ドロップレット、つまり該凝固金属粒の内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒の上方（硬質被覆層表面側）に存在するＴｉＣＮ結晶粒からなる凸状部が観察領域内に形成されている凸状部の全個数に占める割合を算出した。
さらに、所定観察視野範囲内における上記ＥＢＳＤの分析結果から求めた内部領域を充填するＴｉＣＮ結晶粒全体の輪郭より面積を算出し、該ＴｉＣＮ結晶粒が膜断面積に占める面積を５視野について求め、平均値を算出した。
【００３３】
また、本発明被覆工具のＴｉＣＮ層が有する柱状組織の形状については、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面を５視野観察して、該観察視野に存在するＴｉＣＮ結晶粒すべてに対し、粒界の長さＬ、該結晶粒の外接円の直径Ｄを求め、１．３≦Ｌ／２Ｄ≦１．５を満足するＴｉＣＮ結晶粒が垂直縦断面の観察領域に占める面積割合を各々の観察視野範囲にて求めた。
また、ＴｉＣＮ結晶粒の結晶粒幅については、ＴｉＣＮ層の垂直縦断面を５視野観察して、該観察視野に存在するＴｉＣＮ結晶粒すべてに対し、工具基体表面と平行な方向の結晶粒幅の最大値を測定し、それらの平均値を平均結晶粒幅とした。
さらに、ＴｉＣＮ層の層厚の１／１０以下の押し込み深さになるよう膜厚が２μｍ以下の本発明被覆工具については押し込み荷重５０ｍｇ、２μｍより上の膜厚を有する本発明被覆工具については２００ｍｇの押し込み荷重にてナノインデンテーション硬さを１０点測定し、その平均値を求めた。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
【表３】
2017170609.tif 000005
【００３６】
【表４】
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【００３７】
【表５】
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【００３８】
【表６】
2017170609.tif 000008
【００３９】
次いで、本発明工具１〜１２および比較例工具１〜９について、以下の切削条件Ａ、Ｂにより、切削試験を実施した。
切削条件Ａ：
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．２ｍｍ、
送り：  ０．３ｍｍ、
の高速湿式断続切削条件で切削試験を行い、加工時間１１分まで切削し、逃げ面摩耗幅、寸法変化量を測定した。
切削条件Ｂ：
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＹ‐０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  ２３０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  ２．２ｍｍ、
送り：  ０．２５ｍｍ、
の高速湿式断続切削条件で切削試験を行い、加工時間１３分まで切削し、逃げ面摩耗幅、寸法変化量を測定した。
表７、表８に、その結果を示す。
【００４０】
【表７】
2017170609.tif 000009
【００４１】
【表８】
2017170609.tif 000010
【００４２】
表７、表８の結果によれば、本発明工具１〜１２は、逃げ面摩耗幅の平均は約０．２２ｍｍであり、また、寸法変化量は０．００５ｍｍ以下であるのに対して、比較例工具１〜９は逃げ面摩耗が進行し、寸法精度も劣り、また、短時間でチッピング、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１〜１２は、比較例工具１〜９に比して、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、さらに、耐摩耗性にもすぐれていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の表面被覆切削工具は、低炭素鋼や電磁軟鉄の高速切削加工において、すぐれた耐チッピング性、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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【図６】
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