特許 6233575 高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6233575

(24)【登録日】2017年11月2日

(45)【発行日】2017年11月22日

(54)【発明の名称】高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20171113BHJP

   B23C 5/16 20060101ALI20171113BHJP

   C23C 16/36 20060101ALI20171113BHJP

【ＦＩ】

   B23B27/14 A

   B23C5/16

   C23C16/36

【請求項の数】3

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2013-242341(P2013-242341)

(22)【出願日】2013年11月22日

(65)【公開番号】特開2015-100870(P2015-100870A)

(43)【公開日】2015年6月4日

【審査請求日】2016年9月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100139240

【弁理士】

【氏名又は名称】影山 秀一

(74)【代理人】

【識別番号】100119921

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 正之

(74)【代理人】

【識別番号】100113826

【弁理士】

【氏名又は名称】倉地 保幸

(74)【代理人】

【識別番号】100076679

【弁理士】

【氏名又は名称】富田 和夫

(72)【発明者】

【氏名】龍岡 翔

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 誠

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 直之

(72)【発明者】

【氏名】長田 晃

【審査官】 山本 忠博

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２４０８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０１７７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２８４７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２２３８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２１２５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８１６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８１６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２０３４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０７５９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２３１４３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｂ ２７／１４， ５１／００，

Ｂ２３Ｃ ５／１６，

Ｂ２３Ｐ １５／２８，

Ｃ２３Ｃ １６／３０−１６／４２，１４／０６−１４／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、または立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体のいずれかで構成された基体の表面に、平均層厚１〜２０μｍの層厚で硬質被覆層が被覆された表面被覆切削工具であって、
（ａ）上記硬質被覆層は、化学蒸着法により成膜された立方晶構造のＴｉとＡｌの複合炭窒化物層からなり、その平均組成を、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）
で表した場合、Ａｌ含有割合ＸおよびＣ含有割合Ｙ（但し、Ｘ、Ｙは何れも原子比）は、それぞれ、０．５５≦Ｘ≦０．９５、０．０００５≦Ｙ≦０．００５を満足し、
（ｂ）上記ＴｉとＡｌの複合炭窒化物層について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、上記ＴｉとＡｌの複合炭窒化物層の縦断面方向から解析した場合、基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、法線方向に対して０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計したとき、０〜１０度と２５〜３５度の範囲に度数の第一、第二ピークが存在し、かつ、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の２０％以上の割合を示すと共に、２５〜３５度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の３０％以上の割合を示す、ＴｉとＡｌの複合炭窒化物層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の硬質被覆層において、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、硬質被覆層の縦断面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にＴｉ、Ａｌ、炭素、窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ＮはＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造上２以上の偶数となる）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体（ただし、頻度の関係でＮの上限値を２８とする）に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が５０％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示すＴｉとＡｌの複合炭窒化物層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】

請求項１または２に記載の表面被覆切削工具の製造方法において、上記硬質被覆層は、少なくとも、トリメチルアルミニウムを反応ガス成分として含有する化学蒸着法により成膜す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の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、ダクタイル鋳鉄等の切刃に対して衝撃的な負荷が作用する高速断続切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットあるいは立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結体で構成された基体（以下、これらを総称して基体という）の表面に、硬質被覆層として、Ｔｉ−Ａｌ系の複合窒化物層を物理蒸着法により被覆形成した被覆工具が知られており、これらは、すぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
ただ、上記従来のＴｉ−Ａｌ系の複合窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の改善についての種々の提案がなされている。

【0003】

例えば、特許文献１には、基体表面に、組成式（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６０）を満足する複合窒化物層であって、該層についてＥＢＳＤによる結晶方位解析を行った場合、表面研磨面の法線方向から０〜１５度の範囲内に結晶方位＜１００＞を有する結晶粒の面積割合が５０％以上、また、表面研磨面の法線と直交する任意の方位に対して０〜４５度の範囲内に存在する最高ピークを中心とした１５度の範囲内に結晶方位＜１００＞を有する結晶粒の面積割合が５０％以上であるような、２軸結晶配向性を示すＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる硬質被覆層を被覆した被覆工具が提案されており、この被覆工具は、重切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮するとされている。

【0004】

また、特許文献２には、基体表面に、バイポーラパルスバイアスを印加し、７５０〜８５０℃の成膜温度で蒸着することにより、表面研磨面の法線に対して、｛１００｝面の法線がなす傾斜角を測定して作成した傾斜角度数分布グラフにおいて、３０〜４０度の傾斜角区分に最高ピークが存在し、その度数合計が、全体の６０％以上であり、また、表面研磨面の法線に対して、｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定して作成した構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークが存在し、その分布割合が全体の５０％以上である（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ（Ｘ＝０．４〜０．６）層からなる硬質被覆層を備えた被覆工具が提案されており、この被覆工具は、重切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮するとされている。
ただ、上記特許文献１、２に示される被覆工具は、物理蒸着法により硬質被覆層を成膜するため、Ａｌの含有割合Ｘを０．６以上にはできず、より一段と切削性能を向上させることが望まれている。

【0005】

このような観点から、化学蒸着法で硬質被覆層を形成することで、Ａｌの含有割合Ｘを、０．９程度にまで高める技術も提案されている。
例えば、特許文献３には、ＴｉＣｌ_４、ＡｌＣｌ_３、ＮＨ_３の混合反応ガス中で、６５０〜９００℃の温度範囲において化学蒸着を行うことにより、Ａｌの含有割合Ｘの値が０．６５〜０．９５である（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層及び/または、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｃ層及び/または、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）ＣＮ層を成膜できることが記載されているが、この文献では、この（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層及び/または、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｃ層及び/または、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）ＣＮ層の上にさらにＡｌ_２Ｏ_３層を被覆し、これによって断熱効果を高めることを目的とするものであるから、Ｘの値を０．６５〜０．９５まで高めた（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層及び/または、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｃ層及び/または、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）ＣＮ層の形成によって、切削性能へ如何なる影響があるかという点についてまでの開示はない。

【0006】

また、例えば、特許文献４には、ＴｉＣｌ_４、ＡｌＣｌ_３、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４の混合反応ガス中、７００〜９００℃の温度でプラズマを用いない化学蒸着を行うことにより、Ａｌの含有割合Ｘの値が０．７５〜０．９３である立方晶の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層からなる硬質被覆層を成膜できることが記載されているが、特許文献３と同様、被覆工具としての適用可能性については何らの開示もない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００８−１００３２０号公報

【特許文献2】特開２００８−３０７６１５号公報

【特許文献3】特表２０１１−５１６７２２号公報

【特許文献4】米国特許第７７６７３２０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、高効率化の傾向にあり、被覆工具には、より一層、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の耐異常損傷性が求められるとともに、長期の使用に亘ってのすぐれた耐摩耗性が求められている。
しかし、上記特許文献１，２に記載される被覆工具は、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層からなる硬質被覆層が物理蒸着法で成膜され、膜中のＡｌ含有量Ｘを高めることができないため、例えば、ダクタイル鋳鉄の高速断続切削に供した場合には、耐チッピング性が十分であるとは言えない。
一方、上記特許文献３，４に記載される化学蒸着法で被覆形成した（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層については、Ａｌ含有量Ｘを高めることができ、また、立方晶構造を形成させることができることから、所定の硬さを有し耐摩耗性にはすぐれた硬質被覆層が得られるものの、基体との密着強度は十分でなく、また、靭性に劣ることから、ダクタイル鋳鉄の高速断続切削に供する被覆工具として用いた場合には、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生しやすく、満足できる切削性能を発揮するとは言えない。
本発明は、ダクタイル鋳鉄の高速断続切削等に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性を発揮するとともに、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者等は、上述の観点から、ＴｉとＡｌの複合炭窒化物（以下、「（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）」で示すことがある）からなる硬質被覆層を化学蒸着で被覆形成した被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性の改善をはかるべく、鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得た。

【0010】

炭化タングステン基超硬合金（以下、「ＷＣ基超硬合金」で示す）、炭窒化チタン基サーメット（以下、「ＴｉＣＮ基サーメット」で示す）、または立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体（以下、「ｃＢＮ基超高圧焼結体」で示す）のいずれかで構成された基体の表面に、例えば、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）を反応ガス成分として含有する熱ＣＶＤ法等の化学蒸着法により、硬質被覆層として、立方晶構造の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層（但し、Ｘ、Ｙは原子比であって、０．５５≦Ｘ≦０．９５、０．０００５≦Ｙ≦０．００５）を成膜するとともに、蒸着時の成膜条件を調整することにより、硬質被覆層について電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を解析した場合、基体表面の法線方向に対する結晶粒の｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定して、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角の度数を集計したとき、０〜１０度と２５〜３５度の範囲に度数の第一、第二ピークが存在し、かつ、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の２０％以上の割合を示すと共に、２５〜３５度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の３０％以上の割合を示すような立方晶構造の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層を成膜した場合には、硬質被覆層の靱性が格段に向上し、すぐれた耐チッピング性を示すようになることを見出したのである。

【0011】

また、本発明者等は、熱ＣＶＤ法等の化学蒸着法により成膜した上記（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層からなる硬質被覆層について、結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にＴｉ、Ａｌ、炭素、窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ＮはＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造上２以上の偶数となる）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体（ただし、頻度の関係でＮの上限値を２８とする）に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が５０％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示すＴｉとＡｌの複合炭窒化物層である場合には、結晶粒の粒界強度が向上し、その結果、一段と耐チッピング性が向上することを見出したのである。

【0012】

したがって、上記のような硬質被覆層を備えた被覆工具を、例えば、ダクタイル鋳鉄の高速断続切削等に用いた場合には、チッピング、欠損、剥離等の発生が抑えられるとともに、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができるのである。

【0013】

この発明は、上記の研究結果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、炭窒化チタン基サーメット、または立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体のいずれかで構成された基体の表面に、平均層厚１〜２０μｍの層厚で硬質被覆層が被覆された表面被覆切削工具であって、
（ａ）上記硬質被覆層は、化学蒸着法により成膜された立方晶構造のＴｉとＡｌの複合炭窒化物層からなり、その平均組成を、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）
で表した場合、Ａｌ含有割合ＸおよびＣ含有割合Ｙ（但し、Ｘ、Ｙは何れも原子比）は、それぞれ、０．５５≦Ｘ≦０．９５、０．０００５≦Ｙ≦０．００５を満足し、
（ｂ）上記ＴｉとＡｌの複合炭窒化物層について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、上記ＴｉとＡｌの複合炭窒化物層の縦断面方向から解析した場合、基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、法線方向に対して０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計したとき、０〜１０度と２５〜３５度の範囲に度数の第一、第二ピークが存在し、かつ、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の２０％以上の割合を示すと共に、２５〜３５度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の３０％以上の割合を示す、ＴｉとＡｌの複合炭窒化物層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の硬質被覆層において、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、硬質被覆層の縦断面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にＴｉ、Ａｌ、炭素、窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ＮはＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造上２以上の偶数となる）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体（ただし、頻度の関係でＮの上限値を２８とする）に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が５０％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示すＴｉとＡｌの複合炭窒化物層であ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（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具の製造方法において、上記硬質被覆層は、少なくとも、トリメチルアルミニウムを反応ガス成分として含有する化学蒸着法により成膜することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具の製造方法。」
に特徴を有するものである。

【0014】

つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層について、より具体的に説明する。

【0015】

ＴｉとＡｌの立方晶複合炭窒化物層（（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層）の平均組成：
上記（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層において、Ａｌの含有割合Ｘ（原子比）の値が０．５５未満になると、高温硬さが不足し耐摩耗性が低下するようになり、一方、Ｘ（原子比）の値が０．９５を超えると、相対的なＴｉ含有割合の減少により、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層自体の靭性が低下し、チッピング、欠損を発生しやすくなることから、Ｘ（原子比）の値は、０．５５以上０．９５以下とすることが必要である。
また、上記（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層において、Ｃ成分には硬さを向上させ、一方、Ｎ成分には高温強度を向上させる作用があるが、Ｃ成分の含有割合Ｙ（原子比）が０．０００５未満となると高硬度が得られなくなり、一方、Ｙ（原子比）が０．００５を超えると、高温強度が低下してくることから、Ｙ（原子比）の値は、０．０００５以上０．００５以下と定めた。
なお、ＰＶＤ法によって上記組成の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層を成膜した場合には、結晶構造は六方晶であるが、本発明では、後記する化学蒸着法によって成膜していることから、立方晶構造を維持したままで上記組成の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層を得ることができるので、皮膜硬さの低下はない。

【0016】

ＴｉとＡｌの立方晶複合炭窒化物層（（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層）の｛１１０｝面についての傾斜角度数分布：
この発明の上記（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層について、電子線後方散乱回折装置を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、その縦断面方向から解析した場合、基体表面の法線方向（断面研磨面における基体表面と垂直な方向）に対する前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角（図１（ａ）、（ｂ）参照）を測定し、前記測定傾斜角のうち、法線方向に対して０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計したとき、０〜１０度と２５〜３５度の範囲に度数の第一、第二ピークが存在し、かつ、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の２０％以上の割合を示すと共に、２５〜３５度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の３０％以上の割合を示す場合に、上記ＴｉとＡｌの複合炭窒化物層からなる硬質被覆層は、立方晶構造を維持したままで高硬度を有し、しかも、上記傾斜角度数分布形態によって靭性を向上させる。
また、０〜１０度の範囲内に度数のピークが存在し、その度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の２０％以上の割合を示すことにより上記硬質被覆層が高い耐チッピング性を保持するようになり、一方で、２５〜３５度の範囲内に度数のピークが存在し、その度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の３０％以上の割合を示すことにより上記硬質被覆層が高い耐摩耗性を保持するようになる。より好ましい０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計は傾斜角度数分布における度数全体の２０〜４０％の割合であり、より好ましい２５〜３５度の範囲内に存在する度数の合計は傾斜角度数分布における度数全体の３０〜５０％の割合である。
更に、これら適度に結晶方位の傾きが異なるＴｉとＡｌの立方晶複合炭窒化物同士が存在することによって、ＴｉとＡｌの立方晶複合炭窒化物層内の歪発生を緩和することができるため、高熱発生を伴い、切れ刃に衝撃的・断続的付加が作用する高速断続切削加工において、優れた耐摩耗性を損なうことなく、優れた耐チッピング性を発揮することができる。
なお、ここで言う第一、第二ピークとは最大ピークと二番目に大きいピークとを指す。
したがって、このような被覆工具（請求項１の発明）は、例えば、ダクタイル鋳鉄の高速断続切削等に用いた場合であっても、チッピング、欠損、剥離等の発生が抑えられ、しかも、すぐれた耐摩耗性を発揮する。

【0017】

ただ、上記硬質被覆層は、その平均層厚が１μｍ未満では、基体との密着性を十分確保することができず、一方、その平均層厚が２０μｍを越えると、高熱発生を伴う高速断続切削でチッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生しやすくなることから、その合計平均層厚は１〜２０μｍと定めた。

【0018】

また、請求項２に係る発明では、上記（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、硬質被覆層の縦断面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合、前記結晶粒は、格子点にＴｉ、Ａｌ、炭素、窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を有し（図２（ａ）、（ｂ）参照）、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ＮはＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造上２以上の偶数となる）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体（ただし、頻度の関係でＮの上限値を２８とする）に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が５０％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示す硬質被覆層を形成することにより、結晶粒の粒界強度が向上し、その結果高速断続切削等に用いた場合であっても、チッピング、欠損、剥離等の発生がさらに一段と抑えられ、しかも、より一段とすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。

【0019】

この発明の請求項１の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層、即ち、基体表面の法線方向に対する結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定した際に、０〜１０度と２５〜３５度の範囲に度数の第一、第二ピークが存在し、かつ、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の２０％以上の割合を示すと共に、２５〜３５度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の３０％以上の割合を示す、立方晶の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層を成膜するには、例えば、通常の化学蒸着法によって
反応ガス組成（容量％）：
ＴｉＣｌ_４ ０．５〜 １．０％、Ａｌ（ＣＨ_３）_３ １〜 ２％、
ＡｌＣｌ_３ ０〜 ５％、ＮＨ_３ １０〜 １５％、
Ｎ_２ ６〜 ８％、Ｃ_２Ｈ_４ ０〜 １％、
Ａr ２〜 １０％、残りＨ_２、
反応雰囲気温度： ７００〜 ９００℃、
反応雰囲気圧力： ２〜 ５ｋＰａ、
という条件下で蒸着することによって成膜することができる。

【0020】

また、請求項２に係るこの発明では、成膜条件をより限定することによって、構成原子共有格子点分布グラフにおいて、ΣＮ＋１全体に占めるΣ３の分布割合が５０％以上である構成原子共有格子点形態を示す立方晶の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層を成膜することができる。
例えば、
反応ガス組成（容量％）：
ＴｉＣｌ_４ ０．５〜 １．０％、Ａｌ（ＣＨ_３）_３ １〜 ２％、
ＡｌＣｌ_３ ０〜 ５％、ＮＨ_３ １０〜 １２％、
Ｎ_２ ６〜 ８％、Ｃ_２Ｈ_４ ０〜 １％、
Ａr ５〜 １０％、残りＨ_２、
反応雰囲気温度： ７００〜 ９００℃、
反応雰囲気圧力： ２〜 ５ｋＰａ、
とより限定した条件で成膜することが必要である。

【発明の効果】

【0021】

本発明の被覆工具は、例えば、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）を反応ガス成分として含有する熱ＣＶＤ法等の化学蒸着法により、立方晶構造の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層が硬質被覆層として成膜され、さらに、該硬質被覆層は、基体表面の法線方向に対する結晶粒の｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定した傾斜角度数分布において、０〜１０度と２５〜３５度の範囲に度数の第一、第二ピークが存在し、かつ、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の２０％以上の割合を示すと共に、２５〜３５度の範囲内に存在する度数の合計が傾斜角度数分布における度数全体の３０％以上の割合を示すことにより、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用するダクタイル鋳鉄の高速断続切削に用いた場合でも、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
さらに、好ましくは、該硬質被覆層は、構成原子共有格子点分布グラフにおいて、ΣＮ＋１全体に占めるΣ３の分布割合は５０％以上であることによって、より一段と耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等が向上し、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができるのである。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】（ａ）、（ｂ）は、硬質被覆層を構成する（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層における結晶粒の結晶面である{１１０}面の法線が、基体表面の法線に対してなす傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。

【図2】硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層が有するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造、（００１）面、（０１１）面を示す概略模式図である。

【図3】本発明被覆工具について作成した構成原子共有格子点分布グラフの一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

つぎに、この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1】

【0024】

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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂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、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の基体Ａ〜Ｃをそれぞれ製造した。

【0025】

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、Ｍｏ₂Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ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、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮのインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の基体ａ〜ｃを作製した。

【0026】

【表1】

【0027】

【表2】

【0028】

つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｃおよび工具基体ａ〜ｃの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表３に示される条件で、本発明の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層を目標層厚で蒸着形成することにより、表５に示される本発明被覆工具１〜１０を製造した。

【0029】

また、比較の目的で、同じく工具基体Ａ〜Ｃおよび工具基体ａ〜ｃの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表４に示される条件で、比較例の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層を目標層厚で蒸着形成することにより、表６に示される比較例被覆工具１〜８を製造した。

【0030】

また、本発明被覆工具１〜１０、比較例被覆工具１〜８および参考例被覆工具９、１０の各構成層の断面を、走査電子顕微鏡を用いて測定し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して平均層厚を求めたところ、いずれも表５および表６に示される目標平均層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１０の硬質被覆層について、硬質被覆層の平均Ａｌ含有割合Ｘ、平均Ｃ含有割合Ｙ、基体表面の法線方向に対する｛１１０｝面の法線がなす傾斜角についての傾斜角度数分布における第一、第二ピークの存在するピーク位置、０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合（α），２５〜３５度の範囲内に存在する度数の割合（β），構成原子共有格子点分布グラフにおいて、ΣＮ＋１全体に占めるΣ３の分布割合（γ）について測定した。
図３に、本発明被覆工具８について測定した構成原子共有格子点分布グラフを示す。
なお、具体的な測定は次のとおりである。
蛍光Ｘ線分析装置を用い、立方晶構造のＴｉとＡｌの複合炭窒化物層からなる硬質被覆層表面にスポット径１００μｍのＸ線を照射し、得られた特性Ｘ線の解析結果から平均Ａｌ含有割合Ｘ、平均Ｃ含有割合Ｙを求めた。
ついで、立方晶構造のＴｉとＡｌの複合炭窒化物層からなる硬質被覆層の断面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記断面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射し、電子後方散乱回折像装置を用いて、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、基体表面の法線（断面研磨面における基体表面と垂直な方向）に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより、第一、第二ピークの存在するピーク位置、０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合（α），２５〜３５度の範囲内に存在する度数の割合（β）を求めた。また、基体表面の法線（断面研磨面における基体表面と垂直な方向）に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ＮはＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造上２以上の偶数となる） 存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体（ただし、頻度の関係で上限値を２ ８ とする） に占める分布割合を求めることにより構成原子共有格子点分布グラフ作成し、ΣＮ＋１全体に占めるΣ３の分布割合（γ）を求めた。
さらに、硬質被覆層の結晶構造については、Ｘ線回折装置を用い、Ｃｕ−Ｋα線を線源としてＸ線回折を行った場合、ＪＣＰＤＳ００−０３８−１４２０立方晶ＴｉＮとＪＣＰＤＳ００−０４６−１２００立方晶ＡｌＮ、各々に示される同一結晶面の回折角度の間（例えば、３６．６６〜３８．５３°、４３．５９〜４４．７７°、６１．８１〜６５．１８°）に回折ピークが現れることを確認することによって調査した。
表５に、その結果を示す。

【0031】

ついで、比較例被覆工具１〜８のそれぞれについても、本発明被覆工具１〜１０と同様にして、硬質被覆層の平均Ａｌ含有割合Ｘ、平均Ｃ含有割合Ｙ、基体表面の法線方向に対する｛１１０｝面の法線がなす傾斜角についての傾斜角度数分布における第一、第二ピークの存在するピーク位置、０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合（α），３０〜４０度の範囲内に存在する度数の割合（β），構成原子共有格子点分布グラフにおいて、ΣＮ＋１全体に占めるΣ３の分布割合（γ）について測定した。
また、硬質被覆層の結晶構造についても、本発明被覆工具１〜１０と同様にして、調査した。
表６に、その結果を示す。

【0032】

【表3】

【0033】

【表4】

【0034】

【表5】

【0035】

【表6】

【0036】

つぎに、上記の各種の被覆工具をいずれもカッタ径１２５ｍｍの工具鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、本発明被覆工具１〜１０、比較例被覆工具１〜８について、以下に示す、ダクタイル鋳鉄の高速断続切削の一種である乾式高速正面フライス、センターカット切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
被削材： ＪＩＳ・ＦＣＤ７００幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材
回転速度： ８９０ｍｉｎ^−１、
切削速度： ３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： １．０ｍｍ、
一刃送り量： ０．１ｍｍ／刃、
切削時間： ８分、
表７に、上記切削試験の結果を示す。

【0037】

【表7】

【0038】

表５〜７に示される結果から、本発明被覆工具１〜１０は、立方晶構造の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）層が成膜され、傾斜角度数分布において０〜１０度と２５〜３５度の範囲に度数の第一、第二ピークが存在すると共に、０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合（α）が２０％以上であり、また、３０〜４０度の範囲内に存在する度数の割合（β）が３０％以上であり、加えて、本発明被覆工具６〜１０は、Σ３の分布割合γの値が５０％以上であることから、ダクタイル鋳鉄の高速断続切削加工ですぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する。
これに対して、比較例被覆工具１〜８については、いずれも、硬質被覆層にチッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生するばかりか、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

【産業上の利用可能性】

【0039】

上述のように、この発明の被覆工具は、ダクタイル鋳鉄の高速ミーリング切削加工及び外径高速断続切削加工ばかりでなく、各種の被削材の被覆工具として用いることができ、しかも、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するものであるから、切削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】

【図2】

【図3】