特許 6268530 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】6268530

(24)【登録日】2018年1月12日

(45)【発行日】2018年1月31日

(54)【発明の名称】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 20060101AFI20180122BHJP

   B23C 5/16 20060101ALI20180122BHJP

   C23C 16/36 20060101ALI20180122BHJP

【ＦＩ】

   B23B27/14 A

   B23C5/16

   C23C16/36

【請求項の数】6

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2014-70927(P2014-70927)

(22)【出願日】2014年3月31日

(65)【公開番号】特開2014-210333(P2014-210333A)

(43)【公開日】2014年11月13日

【審査請求日】2016年9月29日

(31)【優先権主張番号】特願2013-75856(P2013-75856)

(32)【優先日】2013年4月1日

(33)【優先権主張国】JP

(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】山口 健志

(72)【発明者】

【氏名】長田 晃

【審査官】 久保田 信也

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１１−５１３５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５１６７２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１６６２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１２７８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１２７８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５２８７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｂ ２７／００ − ２９／３４

Ｂ２３Ｃ ５／１６

Ｃ２３Ｃ １６／００ − １６／５６

(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工具基体の表面に、硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、化学蒸着法により成膜された平均層厚１〜２０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合ｘおよびＣのＣとＮの合量に占める含有割合ｙ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０≦ｙ≦０．００５を満足し、
前記複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する結晶粒は、立方晶構造を有するものと六方晶構造を有するものが存在し、工具基体と垂直な面における立方晶結晶相の占める面積割合は３０〜８０面積％であり、立方晶構造を有する結晶粒の平均粒子幅Ｗが０．０５〜１．０μｍ、平均アスペクト比Ａが５以下であり、前記立方晶構造を有する結晶粒内に、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）におけるＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在し、周期的に変化するｘの極大値と極小値の差が０．０５〜０．２５であることを特徴とする表面被覆切削工具。

【請求項2】

前記複合窒化物または複合炭窒化物層中のＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在する立方晶構造を有する結晶粒において、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、その方位に沿った周期が３〜３０ｎｍであり、その方位に直交する面内でのＴｉとＡｌの濃度ｘの変化は０．０１以下であること特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。

【請求項3】

前記複合窒化物または複合炭窒化物層中のＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在する立方晶構造を有する結晶粒において、
（ａ）ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、その方位を方位ｄ_Ａとすると、方位ｄ_Ａに沿った周期が３〜３０ｎｍであり、方位ｄ_Ａに直交する面内でのＴｉとＡｌの濃度ｘの変化は０．０１以下である領域Ａ
（ｂ）ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が、方位ｄ_Ａと直交する立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、その方位を方位ｄ_Ｂとすると、方位ｄ_Ｂに沿った周期が３〜３０ｎｍであり、方位ｄ_Ｂに直交する面内でのＴｉとＡｌの濃度ｘの変化は０．０１以下である領域Ｂ
である二つの領域、（ａ）領域Ａと（ｂ）領域Ｂが結晶粒内に存在し、前記（ａ）領域Ａと（ｂ）領域Ｂの境界が｛１１０｝で表される等価な結晶面のうちの一つの面に形成され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4】

前記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工具基体と前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の間にＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含む下部層が存在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。

【請求項5】

前記複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも１〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層を含む上部層が存在することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。

【請求項6】

前記複合炭窒化物層は、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乃至５のいずれか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】

本発明は、合金鋼等の高熱発生を伴うとともに、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備えることにより、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能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。
本願は、２０１３年４月１日に、日本に出願された特願２０１３−０７５８５６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】

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、前記従来のＴｉ−Ａｌ系の複合窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性にすぐれるものの、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、基体の表面に、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎで表した場合に、０．３５≦ｘ≦０．６０（但し、ｘは原子比）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物からなる硬質被覆層を物理蒸着法で蒸着形成するとともに、硬質被覆層を、前記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の粒状晶組織からなる薄層Ａと柱状晶組織からなる薄層Ｂとの交互積層構造として構成することが提案されており、薄層Ａおよび薄層Ｂはそれぞれ０．０５〜２μｍの層厚を有し、さらに、前記粒状晶の結晶粒径は３０ｎｍ以下、また、前記柱状晶の結晶粒径は５０〜５００ｎｍであることにより、高硬度鋼の高速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、耐欠損性、耐剥離性を発揮するとされている。
ただ、この被覆工具は、物理蒸着法により硬質被覆層を蒸着形成するため、Ａｌの含有割合ｘを０．６以上にすることは困難で、より一段と切削性能を向上させることが望まれている。

【0004】

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２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層を蒸着形成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。

【0005】

また、例えば、特許文献３には、ＴｉＣＮ層、Ａｌ_２Ｏ_３層を内層として、その上に、化学蒸着法により、立方晶構造あるいは六方晶構造を含む立方晶構造の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ層（但し、ｘは０．６５〜０．９）を外層として被覆するとともに、該外層に１００〜１１００ＭＰａの圧縮応力を付与することにより、被覆工具の耐熱性と疲労強度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】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１−２２４７１５号公報

【特許文献2】特表２０１１−５１６７２２号公報

【特許文献3】特表２０１１−５１３５９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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、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、前記特許文献１に記載されている被覆工具は、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ層からなる硬質被覆層が物理蒸着法で蒸着形成され、硬質被覆層中のＡｌ含有量ｘを高めることが困難であるため、例えば、合金鋼の高速断続切削に供した場合には、耐摩耗性、耐チッピング性が十分であるとは言えないという課題があった。
一方、前記特許文献２に記載されている化学蒸着法で蒸着形成した（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、靭性に劣るという課題があった。
さらに、前記特許文献３に記載されている被覆工具は、所定の硬さを有し耐摩耗性にはすぐれるものの、靭性に劣ることから、合金鋼の高速断続切削加工等に供した場合には、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という課題があった。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、合金鋼等の高速断続切削等に供した場合であっても、すぐれた靭性を備え、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被覆工具を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

そこで、本発明者らは、前述の観点から、少なくともＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物（以下、「（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）」あるいは「（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）」で示すことがある）を含む硬質被覆層を化学蒸着で蒸着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。

【0009】

即ち、従来の少なくとも１層の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層を含み、かつ所定の平均層厚を有する硬質被覆層は、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層が工具基体に垂直方向に柱状をなして形成されている場合、高い耐摩耗性を有する。その反面、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層の異方性が高くなるほど（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層の靭性が低下し、その結果、耐チッピング性、耐欠損性が低下し、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、また、工具寿命も満足できるものであるとはいえなかった。
そこで、本発明者らは、硬質被覆層を構成する（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層について鋭意研究したところ、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層を立方晶結晶相と六方晶結晶相とで構成し、かつ、立方晶結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な濃度変化を形成させるという全く新規な着想により、立方晶結晶粒に歪みを生じさせ、硬さと靭性を高めることに成功し、その結果、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性を向上させることができるという新規な知見を見出した。

【0010】

具体的には、硬質被覆層が、化学蒸着法により成膜されたＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合ｘおよびＣのＣとＮの合量に占める含有割合ｙ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０≦ｙ≦０．００５を満足し、複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する結晶粒は、立方晶構造を有するものと六方晶構造を有するものが存在し、工具基体と垂直な面における立方晶結晶相の占める面積割合は３０〜８０面積％であり、立方晶構造を有する結晶粒が、工具基体と平行な面内の粒子幅をｗ、また、工具基体と垂直な方向の粒子長さをｌとし、該ｗとｌとの比ｌ／ｗを各結晶粒のアスペクト比ａとし、さらに、個々の結晶粒について求めたアスペクト比ａの平均値を平均アスペクト比Ａ、個々の結晶粒について求めた粒子幅ｗの平均値を平均粒子幅Ｗとした場合、平均粒子幅Ｗが０．０５〜１．０μｍ、平均アスペクト比Ａが５以下であり、立方晶構造を有する結晶粒内に、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）におけるＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在し、周期的に変化するｘの極大値と極小値の差が０．０５〜０．２５であることにより、立方晶結晶粒に歪みを生じさせ、従来の硬質被覆層に比して、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層の硬さと靭性が高まり、その結果、耐チッピング性、耐欠損性が向上し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出した。

【0011】

そして、前述のような構成の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層は、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以下の化学蒸着法によって成膜することができる。
（ａ）成膜工程
工具基体表面に、反応ガス組成（容量％）を、ＴｉＣｌ_４：０．５〜１．５％、Ａｌ（ＣＨ_３）_３：０〜２．０％、ＡｌＣｌ_３：１．５〜２．５％、ＮＨ_３：１．０〜３．０％、Ｎ_２：１１〜１５％、Ｃ_２Ｈ_４：０〜０．５％、Ｈ_２：残、反応雰囲気圧力：２．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行うことにより、所定の目標層厚の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層を成膜する。
（ｂ）エッチング工程
前記（ａ）の成膜工程時に、ＴｉＣｌ_４：２．０〜５．０％、Ｈ_２：残、反応雰囲気圧力：２．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃の条件からなる、ＴｉＣｌ_４エッチング工程を所定時間、所定回数挟む。

【0012】

前述のようなＴｉＣｌ_４エッチング工程を成膜工程中に挟むことにより、立方晶ＴｉＡｌＣＮが選択的にエッチングされ、結晶粒内にＴｉとＡｌの局所的な組成差が形成され、それが、安定化するために原子の再配列が起こり、組成の周期的な変化が生じ、その結果、靭性が飛躍的に向上することを見出した。その結果、特に、耐欠損性、耐チッピング性が向上し、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削加工に用いた場合においても、硬質被覆層が、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮し得ることを見出した。

【0013】

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、以下の態様を有する。
（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工具基体の表面に、硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、化学蒸着法により成膜された平均層厚１〜２０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合ｘおよびＣのＣとＮの合量に占める含有割合ｙ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０≦ｙ≦０．００５を満足し、
前記複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する結晶粒は、立方晶構造を有するものと六方晶構造を有するものが存在し、工具基体と垂直な面における立方晶結晶相の占める面積割合は３０〜８０面積％であり、立方晶構造を有する結晶粒の平均粒子幅Ｗが０．０５〜１．０μｍ、平均アスペクト比Ａが５以下であり、前記立方晶構造を有する結晶粒内に、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）におけるＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在し、周期的に変化するｘの極大値と極小値の差が０．０５〜０．２５であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記複合窒化物または複合炭窒化物層中のＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在する立方晶構造を有する結晶粒において、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、その方位に沿った周期が３〜３０ｎｍであり、その方位に直交する面内でのＴｉとＡｌの濃度ｘの変化は０．０１以下であること特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記複合窒化物または複合炭窒化物層中のＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在する立方晶構造を有する結晶粒において、
（ａ）ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、その方位を方位ｄ_Ａとすると、方位ｄ_Ａに沿った周期が３〜３０ｎｍであり、方位ｄ_Ａに直交する面内でのＴｉとＡｌの濃度ｘの変化は０．０１以下である領域Ａ、および（ｂ）ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が、方位ｄ_Ａと直交する立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、その方位を方位ｄ_Ｂとすると、方位ｄ_Ｂに沿った周期が３〜３０ｎｍであり、方位ｄ_Ｂに直交する面内でのＴｉとＡｌの濃度ｘの変化は０．０１以下である領域Ｂである二つの領域、（ａ）領域Ａと（ｂ）領域Ｂが結晶粒内に存在し、前記（ａ）領域Ａと（ｂ）領域Ｂの境界が｛１１０｝で表される等価な結晶面のうちの一つの面に形成されることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（４）前記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工具基体と前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の間にＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含む下部層が存在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）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも１〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層を含む上部層が存在することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（６）前記複合炭窒化物層は、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（１）乃至（５）のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。
なお、本発明における硬質被覆層は、前述のような複合窒化物または複合炭窒化物層をその本質的構成とするが、さらに、従来から知られている下部層や上部層などと併用することにより、複合窒化物または複合炭窒化物層が奏する効果と相俟って、一層すぐれた特性を創出することができることは言うまでもない。

【0014】

本発明について、以下に詳細に説明する。

【0015】

硬質被覆層を構成する複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、化学蒸着された組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）で表されるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含む。この複合窒化物または複合炭窒化物層は、硬さが高く、すぐれた耐摩耗性を有するが、特に平均層厚が１〜２０μｍのとき、その効果が際立って発揮される。その理由は、平均層厚が１μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用に亘っての耐摩耗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、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。したがって、その平均層厚を１〜２０μｍと定めた。

【0016】

硬質被覆層を構成する複合窒化物または複合炭窒化物層の組成：
本発明の硬質被覆層を構成する複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合ｘおよびＣのＣとＮの合量に占める含有割合ｙ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０≦ｙ≦０．００５を満足するように制御する。
その理由は、Ａｌの含有割合ｘが０．６０未満であると、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の硬さに劣るため、合金鋼等の高速断続切削に供した場合には、耐摩耗性が十分でない。一方、Ａｌの含有割合ｘが０．９５を超えると、相対的にＴｉの含有割合が減少するため、脆化を招き、耐チッピング性が低下する。したがって、Ａｌの含有割合ｘは、０．６０≦ｘ≦０．９５と定めた。
また、複合窒化物または複合炭窒化物層に含まれるＣの含有割合（原子比）ｙは、０≦ｙ≦０．００５の範囲の微量であるとき、複合窒化物または複合炭窒化物層と工具基体もしくは下部層との密着性が向上し、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、結果として複合窒化物または複合炭窒化物層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、Ｃの含有割合ｙが０≦ｙ≦０．００５の範囲を逸脱すると、複合窒化物または複合炭窒化物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。したがって、Ｃの含有割合ｙは、０≦ｙ≦０．００５と定めた。

【0017】

複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する立方晶結晶粒：
前記複合窒化物または複合炭窒化物層中の各立方晶結晶粒について、工具基体表面と平行な方向の粒子幅をｗ、また、工具基体表面に垂直な方向の粒子長さをｌとし、前記ｗとｌとの比ｌ／ｗを各結晶粒のアスペクト比ａとし、さらに、個々の結晶粒について求めたアスペクト比ａの平均値を平均アスペクト比Ａ、個々の結晶粒について求めた粒子幅ｗの平均値を平均粒子幅Ｗとした場合、平均粒子幅Ｗが０．０５〜１．０μｍ、平均アスペクト比Ａが５以下を満足するように制御する。
この条件を満たすとき、複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する立方晶結晶粒は粒状組織となり、すぐれた耐摩耗性を示す。一方、平均アスペクト比Ａが５を超えると結晶粒が柱状晶になり、立方晶結晶相内に本発明の特徴である組成の周期的な分布を形成しにくくなるため好ましくない。また、平均粒子幅Ｗが０．０５μｍ未満であると耐摩耗性が低下し、１．０μｍを超えると靭性が低下する。したがって、複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する立方晶結晶粒の平均粒子幅Ｗは、０．０５〜１．０μｍと定めた。

【0018】

結晶粒中の立方晶結晶相の占める面積割合：
さらに、電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ）を用いて個々の結晶粒の結晶方位を、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面（工具基体と垂直な面）方向から解析した場合、立方晶結晶格子の電子後方散乱回折像が観測される立方晶結晶相と六方晶結晶格子の電子後方散乱回折像が観測される六方晶結晶相が存在し、立方晶結晶相と六方晶結晶相の占める合計の面積に対する立方晶結晶相の占める面積割合が３０〜８０面積％であることがより好ましい。結晶粒中の立方晶結晶相の占める面積割合が３０面積％を下回ると硬さが低下し、その結果、耐摩耗性が低下する。一方、８０面積％を超えると靭性が低下し、その結果、耐チッピング性が低下する。したがって、結晶粒中の立方晶結晶相の占める面積割合は、３０〜８０面積％と定めた。
前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、立方晶結晶層および六方晶結晶層からなるが、それ以外にも成膜時に不可避的に形成されるアモルファス層をわずかに含んでも良い。この場合、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面における、立方晶結晶相と六方晶結晶相の占める合計の面積に対するアモルファス層の占める面積割合は、１０％以下である。

【0019】

立方晶構造を有する結晶粒内に存在するＴｉとＡｌの濃度変化：
さらに、立方晶構造を有する結晶を組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）で表した場合、結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在するとき、結晶粒に歪みが生じ、硬さが向上する。しかしながら、ＴｉとＡｌの濃度変化の大きさの指標である前記組成式におけるｘの極大値と極小値の差が０．０５より小さいと前述した結晶粒の歪みが小さく十分な硬さの向上が見込めない。一方、ｘの極大値と極小値の差が０．２５を超えると結晶粒の歪みが大きくなり過ぎ、格子欠陥が大きくなり、硬さが低下する。そこで、立方晶構造を有する結晶粒内に存在するＴｉとＡｌの濃度変化は、周期的に変化するｘの極大値と極小値の差を０．０５〜０．２５とした。また、前記複合窒化物または複合炭窒化物層中のＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在する立方晶構造を有する結晶粒において、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在した場合、結晶粒の歪みによる格子欠陥が生じにくく、靭性が向上する。また、前記のＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在する方位に直交する面内ではＴｉとＡｌの濃度は実質的に変化しない。また、上記の立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿った濃度変化の周期が３ｎｍ未満では靭性が低下し、３０ｎｍを超えると硬さの向上効果が見込めない。したがって、前記濃度変化の周期は３〜３０ｎｍとした。また、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が直交する２方向に存在する、領域Ａと領域Ｂが結晶粒内に存在する結晶粒については、結晶粒内で２方向の歪みが存在することで靭性が向上する。さらに、領域Ａと領域Ｂの境界が｛１１０｝で表される等価な結晶面のうちの一つの面に形成されることで領域Ａと領域Ｂの境界のミスフィットが生じないため、高い靭性を維持することが出来る。
結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在するとは、結晶粒内のＴｉおよびＡｌの比を（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）のｘの値で規定したときに、ｘの値が０．０５〜０．２５の範囲の間で、３〜３０ｎｍの一定の周期幅で上昇下降することを意味する。そして、ｘの値の上昇と下降を周期の１セットと定義した場合、結晶粒一つに少なくとも５セット以上の周期が存在することを意味する。

【0020】

また、本発明の複合窒化物または複合炭窒化物層は、下部層として、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含む場合、及び/又は上部層として１〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層を含む場合においても、前述した特性が損なわれず、これらの従来より知られている下部層や上部層などと併用することにより、これらの層が奏する効果と相俟って、一層すぐれた特性を創出することができる。下部層として、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層を含む場合、Ｔｉ化合物層の合計平均層厚が２０μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。また、上部層として、酸化アルミニウム層を含む場合、酸化アルミニウム層の合計平均層厚が２５μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。

【0021】

本発明の硬質被覆層を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の断面を模式的に表した図を図１に示す。

【発明の効果】

【0022】

本発明は、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工具基体１の表面に、硬質被覆層２を設けた表面被覆切削工具において、硬質被覆層２は、化学蒸着法により成膜されたＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合ｘおよびＣのＣとＮの合量に占める含有割合ｙ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０≦ｙ≦０．００５を満足し、複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する結晶粒は、立方晶構造を有するものと六方晶構造を有するものが存在し、工具基体１と垂直な面における立方晶結晶相の占める面積割合は３０〜８０面積％であり、立方晶構造を有する結晶粒の平均粒子幅Ｗが０．０５〜１．０μｍ、平均アスペクト比Ａが５以下であり、立方晶構造を有する結晶粒内に、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）におけるＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在し、周期的に変化するｘの極大値と極小値の差が０．０５〜０．２５であることにより、立方晶構造を有する結晶粒内に歪みが生じるため、結晶粒の硬さが向上し、高い耐摩耗性を保ちつつ、靭性が向上する。その結果、耐チッピング性が向上するという効果が発揮され、従来の硬質被覆層２に比して、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成される。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の硬質被覆層２を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の断面を模式的に表した膜構成模式図である。

【図2】本発明の一実施態様に該当する硬質被覆層２を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層３の断面において、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在する立方晶構造を有する結晶粒について、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、その方位に直交する面内でのＴｉとＡｌの濃度変化は小さいことを模式的に表した模式図である。

【図3】本発明の一実施態様に該当する硬質被覆層２を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層３の断面において、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在する立方晶構造を有する結晶粒について、結晶粒内に領域Ａと領域Ｂが存在することを模式的に表した模式図である。

【図4】本発明の一実施態様に該当する硬質被覆層２を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層３の断面において、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在する立方晶構造を有する結晶粒について、透過型電子顕微鏡を用いて、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）による線分析を行った結果のＴｉとＡｌの周期的な濃度変化ｘのグラフの一例を示すものである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

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1】

【0025】

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、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基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｃをそれぞれ製造した。

【0026】

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、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：１５００℃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基サーメット製の工具基体Ｄを作製した。

【0027】

つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｄの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
（ａ）表４に示される形成条件Ａ〜Ｊ、すなわち、反応ガス組成（容量％）を、ＴｉＣｌ_４：０．５〜１．５％、Ａｌ（ＣＨ_３）_３：０〜２．０％、ＡｌＣｌ_３：１．５〜２．５％、ＮＨ_３：１．０〜３．０％、Ｎ_２：１１〜１５％、Ｃ_２Ｈ_４：０〜０．５％、Ｈ_２：残として、反応雰囲気圧力：２．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行うことにより、表６に示される平均粒子幅Ｗおよび平均アスペクト比Ａの粒状組織の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層を成膜する（成膜工程）。
（ｂ）前記（ａ）の成膜工程時に、表４に示される形成条件ａ〜ｊ、すなわち、反応ガス組成（容量％）を、ＴｉＣｌ_４：２．０〜５．０％、Ｈ_２：残として、反応雰囲気圧力：２．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃とするＴｉＣｌ_４エッチング工程を所定時間、所定回数挟む（エッチング工程）。
（ｃ）前記（ａ）の成膜工程中に（ｂ）からなるエッチング工程を表６に示された所定時間、所定回数、挟むことによって、表６に示される目標層厚を有する立方晶結晶と六方晶結晶とが存在する粒状組織の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層からなる硬質被覆層を形成することにより本発明被覆工具１〜１５を製造した。
なお、本発明被覆工具６〜１３については、表３に示される形成条件で、表５に示される下部層および／または表６に示される上部層を形成した。

【0028】

前記本発明被覆工具１〜１５の硬質被覆層を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層について、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍及び２００００倍）を用いて複数視野に亘って観察したところ、図１に示した膜構成模式図に示されるように立方晶結晶と六方晶結晶が存在する粒状組織の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層が確認された。また、立方晶結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な分布が存在していることが、透過型電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いて、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）による面分析により確認された。さらに詳しく解析した結果、ｘの極大値と極小値の差が０．０５〜０．２５であることが確認された。

【0029】

また、前記複合窒化物または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構造を、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面方向から解析した場合、立方晶結晶格子の電子線後方散乱回折像が観察される立方晶結晶相と六方晶結晶格子の電子線後方散乱回折像が観察される六方晶結晶相との混合組織からなり、かつ、電子線後方散乱回折像が観察された立方晶結晶相と六方晶結晶相との合計に占める立方晶結晶相の面積割合は３０〜８０面積％であることが確認された。

【0030】

また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｄの表面に、表３および表４に示される条件かつ表７に示される目標層厚（μｍ）で本発明被覆工具１〜１５と同様に、少なくともＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を含む硬質被覆層を蒸着形成した。この時には、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層の成膜工程中にエッチング工程を挟まないで硬質被覆層を形成することにより比較被覆工具１〜１３を製造した。
なお、本発明被覆工具６〜１３と同様に、比較被覆工具６〜１３については、表３に示される形成条件で、表５に示される下部層および／または表７に示される上部層を形成した。
参考のため、工具基体Ｂおよび工具基体Ｃの表面に、従来の物理蒸着装置を用いて、アークイオンプレーティングにより、参考例の（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７に示される参考被覆工具１４、１５を製造した。
なお、参考例の蒸着に用いたアークイオンプレーティングの条件は、次のとおりである。
（ａ）前記工具基体ＢおよびＣ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し、また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＡｌ−Ｔｉ合金を配置し、
（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、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−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつＡｌ−Ｔｉ合金からなるカソード電極とアノード電極との間に２００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、装置内にＡｌおよびＴｉイオンを発生させ、もって工具基体表面をボンバード処理し、
（ｃ）次に、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して４Ｐａ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−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、前記Ａｌ−Ｔｉ合金からなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に、表７に示される目標組成、目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を蒸着形成し、参考被覆工具１４、１５を製造した。

【0031】

また、本発明被覆工具１〜１５、比較被覆工具１〜１３および参考被覆工具１４、１５の各構成層の工具基体に垂直な方向の断面を、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）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６および表７に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
また、複合窒化物または複合炭窒化物層の平均Ａｌ含有割合ｘについては、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｐｒｏｂｅ−Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｅｒ）を用い、表面を研磨した試料において、電子線を試料表面側から照射し、得られた特性Ｘ線の解析結果の１０点平均からＡｌの平均Ａｌ含有割合ｘを求めた。平均Ｃ含有割合ｙについては、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ，Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ−Ｍａｓｓ−Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により求めた。イオンビームを試料表面側から７０μｍ×７０μｍの範囲に照射し、スパッタリング作用によって放出された成分について深さ方向の濃度測定を行った。平均Ｃ含有割合ｙはＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層についての深さ方向の平均値を示す。
また、本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１３、参考被覆工具１４、１５について、工具基体に垂直な方向の断面方向から走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍及び２００００倍）を用いて、工具基体表面と水平方向に長さ１０μｍの範囲に存在する複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する粒状組織（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層中の個々の結晶粒について、基体表面と平行な方向の粒子幅ｗ、基体表面に垂直な方向の粒子長さｌを測定し、各結晶粒のアスペクト比ａ（＝ｌ／ｗ）を算出するとともに、個々の結晶粒について求めたアスペクト比ａの平均値を平均アスペクト比Ａとして算出し、また、個々の結晶粒について求めた粒子幅ｗの平均値を平均粒子幅Ｗとして算出した。その結果を、表６および表７に示した。
また、電子線後方散乱回折装置を用いて、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層からなる硬質被覆層の工具基体に垂直な方向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結晶粒個々に照射し、工具基体と水平方向に長さ１００μｍに亘り硬質被覆層について０．０１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、電子線後方散乱回折像を測定し、個々の結晶粒の結晶構造を解析することで立方晶構造あるいは六方晶構造であるかを同定し、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する結晶粒の立方晶結晶相の占める面積割合を求めた。その結果を、同じく、表６および表７に示す。
さらに、透過型電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いて、複合窒化物または複合炭窒化物層の微小領域の観察を行い、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて、断面側から面分析を行ったところ、前記立方晶構造を有する結晶粒内に、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）におけるＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が存在することを確認した。また、該結晶粒について電子線回折を行うことで、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在することを確認し、その方位に沿ったＥＤＳによる線分析を行い、ＴｉとＡｌの周期的な濃度変化の極大値と極小値のそれぞれの平均値の差を極大値と極小値の差Δｘとして求め、さらに極大値の周期をＴｉとＡｌの周期的な濃度変化の周期として求め、その方位に直交する方向に沿った線分析を行い、ＴｉとＡｌの濃度ｘの最大値と最小値の差をＴｉとＡｌの濃度ｘの変化として求めた。また、領域Ａと領域Ｂが結晶粒内に存在する結晶粒については、領域Ａと領域Ｂのそれぞれに対して、上記と同様にＴｉとＡｌの周期的な濃度変化の極大値と極小値の差Δｘ、周期、直交する面内の濃度変化を求め、領域ＡのＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、その方位を方位ｄ_Ａとし、領域ＢのＴｉとＡｌの周期的な濃度変化が立方晶結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、その方位を方位ｄ_Ｂとし、ｄ_Ａとｄ_Ｂが直交し、領域Ａと領域Ｂの境界が｛１１０｝で表される等価な結晶面のうちの一つの面に形成されることを確認した。

【0032】

【表1】

【0033】

【表2】

【0034】

【表3】

【0035】

【表4】

【0036】

【表5】

【0037】

【表6】

【0038】

【表7】

【0039】

つぎに、前記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１〜１５、比較被覆工具１〜１３および参考被覆工具１４，１５について、以下に示す、合金鋼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。その結果を表８に示す。

【0040】

工具基体：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、
切削試験：乾式高速正面フライス、センターカット切削加工、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
回転速度：９１７ ｍｉｎ^−１、
切削速度：３６０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．０ ｍｍ、
一刃送り量：０．１４ ｍｍ／刃、
切削時間：８分、

【0041】

【表8】

【実施例2】

【0042】

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９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：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体α〜γをそれぞれ製造した。

【0043】

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、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１０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：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０９ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２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δを形成した。

【0044】

つぎに、これらの工具基体α〜γおよび工具基体δの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
（ａ）表４に示される形成条件Ａ〜Ｊ、すなわち、反応ガス組成（容量％）を、ＴｉＣｌ_４：１．５〜２．５％、Ａｌ（ＣＨ_３）_３：３．０〜５．０％、ＡｌＣｌ_３：３．０〜５．０％、ＮＨ_３：２．０〜５．０％、Ｎ_２：６．０〜７．０％、Ｃ_２Ｈ_４：０〜１．０％、Ａｒ：６．０〜７．０％、Ｈ_２：残として、反応雰囲気圧力：２．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７５０〜９００℃として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行うことにより、表１２に示される平均粒子幅Ｗおよび平均アスペクト比Ａの粒状組織の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層を成膜する（成膜工程）。
（ｂ）前記（ａ）の成膜工程時に、表４に示される形成条件ａ〜ｊ、すなわち、反応ガス組成（容量％）を、ＴｉＣｌ_４：２．０〜５．０％、Ｈ_２：残として、反応雰囲気圧力：２．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７５０〜９００℃とするＴｉＣｌ_４エッチング工程を所定時間、所定回数挟む（エッチング工程）。
（ｃ）前記（ａ）の成膜工程中に（ｂ）からなるエッチング工程を表１２に示された所定時間、所定回数、挟むことによって、表１２に示される目標層厚を有する立方晶結晶と六方晶結晶とが存在する粒状組織の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層からなる硬質被覆層を形成することにより本発明被覆工具１６〜３０を製造した。
なお、本発明被覆工具１９〜２８については、表３に示される形成条件で、表１１に示される下部層および／または表１２に示される上部層を形成した。

【0045】

また、比較の目的で、同じく工具基体α〜γおよび工具基体δの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表３および表４に示される条件かつ表１３に示される目標層厚で本発明被覆工具と同様に硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１３に示される比較被覆工具１６〜２８を製造した。
なお、本発明被覆工具１９〜２８と同様に、比較被覆工具１９〜２８については、表３に示される形成条件で、表１１に示される下部層および／または表１３に示される上部層を形成した。

【0046】

参考のため、工具基体βおよび工具基体γの表面に、従来の物理蒸着装置を用いて、アークイオンプレーティングにより、参考例の（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１３に示される参考被覆工具２９，３０を製造した。
なお、アークイオンプレーティングの条件は、実施例１に示される条件と同様の条件を用いた。

【0047】

また、本発明被覆工具１６〜３０、比較被覆工具１６〜２８および参考被覆工具２９，３０の各構成層の断面を、走査電子顕微鏡（倍率５０００倍）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１２および表１３に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
また、前記本発明被覆工具１６〜３０、比較被覆工具１６〜２８および参考被覆工具２９、３０の硬質被覆層について、実施例１に示される方法と同様の方法を用いて、平均Ａｌ含有割合ｘ、平均Ｃ含有割合ｙ、粒状組織（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層を構成する結晶粒の平均粒子幅Ｗ、平均アスペクト比Ａ、結晶粒における立方晶結晶相の占める面積割合を求めた。その結果を、表１２および表１３に示す。

【0048】

前記本発明被覆工具１６〜３０の硬質被覆層を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層について、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍及び２００００倍）を用いて複数視野に亘って観察したところ、図１に示した膜構成模式図に示されるように立方晶結晶と六方晶結晶が存在する粒状組織の（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層が確認された。また、立方晶結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な濃度分布が存在していることが、透過型電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いて、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）による面分析により確認された。さらに詳しく解析した結果、ｘの極大値と極小値の差が０．０５〜０．２５であることが確認された。

【0049】

また、前記複合窒化物または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構造を、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面方向から解析した場合、立方晶結晶格子の電子線後方散乱回折像が観察される立方晶結晶相と六方晶結晶格子の電子線後方散乱回折像が観察される六方晶結晶相との混合組織からなり、かつ、電子線後方散乱回折像が観察された立方晶結晶相と六方晶結晶相との合計に占める立方晶結晶相の面積割合は３０〜８０面積％であることが確認された。

【0050】

【表9】

【0051】

【表10】

【0052】

【表11】

【0053】

【表12】

【0054】

【表13】

【0055】

つぎに、前記各種の被覆工具を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、本発明被覆工具１６〜３０、比較被覆工具１６〜２８および参考被覆工具２９，３０について、以下に示す、炭素鋼の乾式高速断続切削試験、鋳鉄の湿式高速断続切削試験を実施し、いずれも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
切削条件１：
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４３５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．２ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
（通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ）、
切削条件２：
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３４０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
表１４に、前記切削試験の結果を示す。

【0056】

【表14】

【実施例3】

【0057】

原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ａｌ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を用意し、これら原料粉末を表１５に示される配合組成に配合し、ボールミルで８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：４ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置にて所定の寸法に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＪＩＳ規格ＣＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×内接円直径：１２．７mmの８０°菱形）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、Ｚｒ：３７．５％、Ｃｕ：２５％、Ｔｉ：残りからなる組成を有するＴｉ−Ｚｒ−Ｃｕ合金のろう材を用いてろう付けし、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度：２５°のホーニング加工を施し、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもった工具基体Ａ２、Ｂ２をそれぞれ製造した。

【0058】

【表15】

【0059】

つぎに、これらの工具基体Ａ２、Ｂ２の表面に、通常の化学蒸着装置を用い、実施例１と同様の方法により表３および表４に示される条件で、少なくとも（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層を含む硬質被覆層を目標層厚で蒸着形成することにより、表１７に示される本発明被覆工具３１〜４０を製造した。
なお、本発明被覆工具３４〜３８については、表３に示される形成条件で、表１６に示すような下部層および／または表１７に示すような上部層を形成した。

【0060】

また、比較の目的で、同じく工具基体Ａ２、Ｂ２の表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表３および表４に示される条件で、少なくとも（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層を含む硬質被覆層を目標層厚で蒸着形成することにより、表１８に示される比較被覆工具３１〜３８を製造した。
なお、本発明被覆工具３４〜３８と同様に、比較被覆工具３４〜３８については、表３に示される形成条件で、表１６に示すような下部層および／または表１８に示すような上部層を形成した。

【0061】

参考のため、工具基体Ａ２、Ｂ２の表面に、従来の物理蒸着装置を用いて、アークイオンプレーティングにより、（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１８に示される参考被覆工具３９，４０を製造した。
なお、アークイオンプレーティングの条件は、実施例１に示される条件と同様の条件を用い、前記工具基体の表面に、表１８に示される目標組成、目標層厚の（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層を蒸着形成し、参考被覆工具３９，４０を製造した。

【0062】

また、本発明被覆工具３１〜４０、比較被覆工具３１〜３８および参考被覆工具３９，４０の各構成層の断面を、走査電子顕微鏡（倍率５０００倍）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１７および表１８に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。

【0063】

また、前記本発明被覆工具３１〜４０、比較被覆工具３１〜３８および参考被覆工具３９，４０の硬質被覆層について、実施例１に示される方法と同様の方法を用いて、平均Ａｌ含有割合ｘ、平均Ｃ含有割合ｙ、粒状組織（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）層を構成する結晶粒の平均粒子幅Ｗ、平均アスペクト比Ａ、結晶粒における立方晶結晶相の占める面積割合を求めた。その結果を、表１７および表１８に示す。

【0064】

【表16】

【0065】

【表17】

【0066】

【表18】

【0067】

つぎに、各種の被覆工具を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、本発明被覆工具３１〜４０、比較被覆工具３１〜３８および参考被覆工具３９，４０について、以下に示す、浸炭焼入れ合金鋼の乾式高速断続切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
工具基体：立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体、
切削試験：浸炭焼入れ合金鋼の乾式高速断続切削加工、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０（硬さ：ＨＲＣ６０）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２２０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：０．１２ｍｍ、
送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：４分、
表１９に、前記切削試験の結果を示す。

【0068】

【表19】

【0069】

表８、表１４および表１９に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層を構成するＡｌとＴｉの複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する立方晶結晶粒内において、ＴｉとＡｌの濃度変化が存在することで、結晶粒の歪みにより、硬さが向上し、高い耐摩耗性を保ちつつ、靱性が向上する。しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することが明らかである。

【0070】

これに対して、硬質被覆層を構成するＡｌとＴｉの複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する立方晶結晶粒内において、ＴｉとＡｌの濃度変化が存在していない比較被覆工具１〜１３、１６〜２８，３１〜３８および参考被覆工具１４、１５、２９、３０、３９、４０については、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合、チッピング、欠損等の発生により短時間で寿命にいたることが明らかである。

【産業上の利用可能性】

【0071】

前述のように、本発明の被覆工具は、合金鋼の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。

【符号の説明】

【0072】

１ 工具基体
２ 硬質被覆層
３ 複合窒化物層または複合炭窒化物層
４ Ａｌ含有量が相対的に多い領域
５ Ａｌ含有量が相対的に少ない領域
６ 領域Ａ
７ 領域Ｂ
８ 領域Ａと領域Ｂとの境界

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】