ホーム > 特許ランキング > 三菱マテリアル株式会社
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024139531
(43)【公開日】2024-10-09
(54)【発明の名称】表面被覆切削工具
(51)【国際特許分類】
B23B 27/14 20060101AFI20241002BHJP
C23C 16/36 20060101ALI20241002BHJP
【ＦＩ】
B23B27/14 A
C23C16/36
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023050508
(22)【出願日】2023-03-27
(71)【出願人】
【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】100208568
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 孔一
(72)【発明者】
【氏名】龍岡 翔
(72)【発明者】
【氏名】東城 俊介
(72)【発明者】
【氏名】澤田 未智花
【テーマコード（参考）】
3C046
4K030
【Ｆターム（参考）】
3C046FF03
3C046FF09
3C046FF13
3C046FF16
3C046FF22
3C046FF23
3C046FF24
3C046FF25
4K030AA03
4K030AA09
4K030AA14
4K030AA17
4K030AA18
4K030BA02
4K030BA10
4K030BA13
4K030BA17
4K030BA18
4K030BA19
4K030BA22
4K030BA35
4K030BA38
4K030BA41
4K030BA43
4K030BB12
4K030CA03
4K030LA22
(57)【要約】 （修正有）
【課題】高硬度かつ高靭性の表面被覆切削工具の提供。
【解決手段】被覆層は複合炭窒化物層を有し、複合炭窒化物層は、平均厚さが１．０μｍ以上、２０．０μｍ以下であり、その組成を式：（Ａｌａ１Ｘ１ａ２Ｘ２ａ３Ｘ３ａ４Ｘ４ａ５）（Ｃｂ１Ｎｂ２）（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素でそれぞれＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）で表したとき、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｂ１、ｂ２（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４＋ａ５＝１、ｂ１＋ｂ２＝１）は、０．０１≦ａ１≦０．６０、０．０１≦ａ２≦０．６０、０．０１≦ａ３≦０．６０、０．０１≦ａ４≦０．６０、０．０１≦ａ５≦０．６０、０．２０≦ｂ１≦０．８０、０．２０≦ｂ２≦０．８０であり、Ｓｃｏｎｆｉｇが０．８５Ｒ（Ｒは気体定数である）以上であり、さらに不可避不純物を含有し、ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を含む表面被覆切削工具。
【選択図】図２
【解決手段】被覆層は複合炭窒化物層を有し、複合炭窒化物層は、平均厚さが１．０μｍ以上、２０．０μｍ以下であり、その組成を式：（Ａｌａ１Ｘ１ａ２Ｘ２ａ３Ｘ３ａ４Ｘ４ａ５）（Ｃｂ１Ｎｂ２）（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素でそれぞれＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）で表したとき、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｂ１、ｂ２（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４＋ａ５＝１、ｂ１＋ｂ２＝１）は、０．０１≦ａ１≦０．６０、０．０１≦ａ２≦０．６０、０．０１≦ａ３≦０．６０、０．０１≦ａ４≦０．６０、０．０１≦ａ５≦０．６０、０．２０≦ｂ１≦０．８０、０．２０≦ｂ２≦０．８０であり、Ｓｃｏｎｆｉｇが０．８５Ｒ（Ｒは気体定数である）以上であり、さらに不可避不純物を含有し、ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を含む表面被覆切削工具。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基体と該基体の表面に被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
基体と該基体の表面に被覆層を有し、
前記被覆層は複合炭窒化物層を含み、
前記複合炭窒化物層は、平均厚さが１．０μｍ以上、２０．０μｍ以下であり、
その組成を式：（Ａｌａ１Ｘ１ａ２Ｘ２ａ３Ｘ３ａ４Ｘ４ａ５）（Ｃｂ１Ｎｂ２）（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素でそれぞれＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）で表したとき、
前記ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｂ１、ｂ２（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４＋ａ５＝１、ｂ１＋ｂ２＝１）は、
０．０１≦ａ１≦０．６０
０．０１≦ａ２≦０．６０
０．０１≦ａ３≦０．６０
０．０１≦ａ４≦０．６０
０．０１≦ａ５≦０．６０
０．２０≦ｂ１≦０．８０
０．２０≦ｂ２≦０．８０
であり、
ｎ＝５、ｍ＝２として、式１（式１でｌｎは自然対数である）で表されるＳｃｏｎｆｉｇが０．８５Ｒ（Ｒは気体定数である）以上であり、
さらに不可避不純物を含有し、
ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を含む、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
基体と該基体の表面に被覆層を有し、
前記被覆層は複合炭窒化物層を含み、
前記複合炭窒化物層は、平均厚さが１．０μｍ以上、２０．０μｍ以下であり、
その組成を式：（Ａｌａ１Ｘ１ａ２Ｘ２ａ３Ｘ３ａ４Ｘ４ａ５）（Ｃｂ１Ｎｂ２）（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素でそれぞれＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）で表したとき、
前記ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｂ１、ｂ２（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４＋ａ５＝１、ｂ１＋ｂ２＝１）は、
０．０１≦ａ１≦０．６０
０．０１≦ａ２≦０．６０
０．０１≦ａ３≦０．６０
０．０１≦ａ４≦０．６０
０．０１≦ａ５≦０．６０
０．２０≦ｂ１≦０．８０
０．２０≦ｂ２≦０．８０
であり、
ｎ＝５、ｍ＝２として、式１（式１でｌｎは自然対数である）で表されるＳｃｏｎｆｉｇが０．８５Ｒ（Ｒは気体定数である）以上であり、
さらに不可避不純物を含有し、
ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を含む、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
【数3】
【請求項2】
前記複合炭窒化物層が０．５０原子％以下のＣｌを含むことを特徴とする請求項１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、表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。
【背景技術】
【0002】
炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金等の基体の表面に、被覆層を形成した被覆工具が知られており、優れた耐摩耗性を発揮することが知られている。
そして、被覆工具の耐久性を向上させるべく、被覆層の改善についての種々の提案がなされている。
そして、被覆工具の耐久性を向上させるべく、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、基体直上の層の上に、原子率でＴｉ：５～３５％、Ａｌ：５～３５％、Ｔａ：５～３５％、Ｃｒ：５～３５％、Ｚｒ：５～３５％、Ｎ：５～５０％、Ｃ：５～５０％の（ＴｉＡｌＴａＣｒＺｒ）（ＣＮ）の高エントロピー層を有する被覆工具が記載され、前記高エントロピー層は高硬度で、耐摩耗性を有し、熱伝導率が高く、チタン合金やステンレス鋼の切削加工でも耐久性を有するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】中国特許公開第１１４９２１７５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、前記事情や前記提案を鑑みてなされたものであって、高硬度でかつ靭性を向上させた被覆層を有する被覆工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具は、
基体と該基体の表面に被覆層を有し、
前記被覆層は複合炭窒化物層を有し、
前記複合炭窒化物層は、平均厚さが１．０μｍ以上、２０．０μｍ以下であり、
その組成を式：（Ａｌａ１Ｘ１ａ２Ｘ２ａ３Ｘ３ａ４Ｘ４ａ５）（Ｃｂ１Ｎｂ２）（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素でそれぞれＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）で表したとき、
前記ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｂ１、ｂ２（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４＋ａ５＝１、ｂ１＋ｂ２＝１）は、
０．０１≦ａ１≦０．６０
０．０１≦ａ２≦０．６０
０．０１≦ａ３≦０．６０
０．０１≦ａ４≦０．６０
０．０１≦ａ５≦０．６０
０．２０≦ｂ１≦０．８０
０．２０≦ｂ２≦０．８０
であり、
ｎ＝５、ｍ＝２として、式１（式１でｌｎは自然対数である）で表されるＳｃｏｎｆｉｇが０．８５Ｒ（Ｒは気体定数である）以上であり、
さらに不可避不純物を含有し、
ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を含む。
基体と該基体の表面に被覆層を有し、
前記被覆層は複合炭窒化物層を有し、
前記複合炭窒化物層は、平均厚さが１．０μｍ以上、２０．０μｍ以下であり、
その組成を式：（Ａｌａ１Ｘ１ａ２Ｘ２ａ３Ｘ３ａ４Ｘ４ａ５）（Ｃｂ１Ｎｂ２）（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素でそれぞれＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）で表したとき、
前記ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｂ１、ｂ２（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４＋ａ５＝１、ｂ１＋ｂ２＝１）は、
０．０１≦ａ１≦０．６０
０．０１≦ａ２≦０．６０
０．０１≦ａ３≦０．６０
０．０１≦ａ４≦０．６０
０．０１≦ａ５≦０．６０
０．２０≦ｂ１≦０．８０
０．２０≦ｂ２≦０．８０
であり、
ｎ＝５、ｍ＝２として、式１（式１でｌｎは自然対数である）で表されるＳｃｏｎｆｉｇが０．８５Ｒ（Ｒは気体定数である）以上であり、
さらに不可避不純物を含有し、
ＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を含む。
【数1】
【0007】
さらに、前記実施形態に係る表面被覆切削工具は、以下の（１）の事項を満足してもよい。
【0008】
（１）前記複合炭窒化物層が０．５０原子％以下のＣｌを含むこと。
【発明の効果】
【0009】
前記表面被覆切削工具は、被覆層が高硬度でかつ高靭性を有している。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
表面被覆切削工具の被覆層が高硬度であることと高靭性であることとは、二律背反の関係にあり、従来の固溶強化理論では、両者を両立することは困難と考えられている。
一方、近年、ハイエントロピー合金といわれる５種類以上の元素がほぼ等しい原子割合で混ぜ合わせた合金をはじめとし、多種主要元素合金（Ｍｕｌｔｉ Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｌｌｏｙ）といわれる３種類以上の元素から構成され少なくとも２種類以上の主要元素から構成されている合金等の混合のエントロピーを高めた固溶体の研究がなされており、特許文献１に記載されているように被覆工具の被覆層についてハイエントロピー合金を用いた例もある。
一方、近年、ハイエントロピー合金といわれる５種類以上の元素がほぼ等しい原子割合で混ぜ合わせた合金をはじめとし、多種主要元素合金（Ｍｕｌｔｉ Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｌｌｏｙ）といわれる３種類以上の元素から構成され少なくとも２種類以上の主要元素から構成されている合金等の混合のエントロピーを高めた固溶体の研究がなされており、特許文献１に記載されているように被覆工具の被覆層についてハイエントロピー合金を用いた例もある。
【0012】
本発明者は、被覆層を構成する固溶体（合金）に対して、５元系炭窒化物の混合のエントロピーを高めることにより、従来の被覆層では実現できなかった二律背反の関係にある高硬度と高靭性を両立すべく鋭意検討を行った。
【0013】
その結果、被覆層を構成する特定の組成の複合炭窒化物層において、混合エントロピーを高めると、
（ｉ）特定の組成の複合炭窒化物層が原子半径の異なる複数種類の原子から構成されることになり結晶粒内に歪みが生じて硬さと靭性が向上すること、
（ｉｉ）高温下における複合炭窒化物層の熱的な安定性や耐酸化性が向上すること、
の知見を得た。
（ｉ）特定の組成の複合炭窒化物層が原子半径の異なる複数種類の原子から構成されることになり結晶粒内に歪みが生じて硬さと靭性が向上すること、
（ｉｉ）高温下における複合炭窒化物層の熱的な安定性や耐酸化性が向上すること、
の知見を得た。
【0014】
以下では、本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具について説明する。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ｌ～Ｍ」（Ｌ、Ｍは共に数値）で表現するときは、「Ｌ以上、Ｍ以下」と同義であって、その範囲は上限値（Ｍ）および下限値（Ｌ）を含んでおり、上限値（Ｍ）と下限値（Ｌ）の単位は同じである。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ｌ～Ｍ」（Ｌ、Ｍは共に数値）で表現するときは、「Ｌ以上、Ｍ以下」と同義であって、その範囲は上限値（Ｍ）および下限値（Ｌ）を含んでおり、上限値（Ｍ）と下限値（Ｌ）の単位は同じである。
【0015】
１．被覆層
以下、本実施形態に係る被覆層を構成するＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４の複合炭窒化物層を中心に説明する。
以下、本実施形態に係る被覆層を構成するＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４の複合炭窒化物層を中心に説明する。
【0016】
１－１．ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４の複合炭窒化物層
（１）平均厚さ
被覆層に含まれるＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４の複合炭窒化物層（以下、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）ということがある。）の平均厚さは、１．０μｍ以上、２０．０μｍ以下であることが好ましい。その理由は、平均厚さが１．０μｍ未満では、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層が薄いため耐久性を十分確保することができず、一方、平均厚さが２０．０μｍを超えると、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなるためである。（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の平均厚さは３．０μｍ以上、１６．０μｍ以下がより好ましい。
（１）平均厚さ
被覆層に含まれるＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４の複合炭窒化物層（以下、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）ということがある。）の平均厚さは、１．０μｍ以上、２０．０μｍ以下であることが好ましい。その理由は、平均厚さが１．０μｍ未満では、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層が薄いため耐久性を十分確保することができず、一方、平均厚さが２０．０μｍを超えると、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなるためである。（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の平均厚さは３．０μｍ以上、１６．０μｍ以下がより好ましい。
【0017】
（２）組成
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層は、組成を式：（Ａｌａ１Ｘ１ａ２Ｘ２ａ３Ｘ３ａ４Ｘ４ａ５）（Ｃｂ１Ｎｂ２）（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素でそれぞれＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）で表したとき、
前記ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｂ１、ｂ２（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４＋ａ５＝１、ｂ１＋ｂ２＝１）は、
０．０１≦ａ１≦０．６０
０．０１≦ａ２≦０．６０
０．０１≦ａ３≦０．６０
０．０１≦ａ４≦０．６０
０．０１≦ａ５≦０．６０
０．２０≦ｂ１≦０．８０
０．２０≦ｂ２≦０．８０
であり、
ｎ＝５、ｍ＝２として、式１（式１でｌｎは自然対数である）で表されるＳｃｏｎｆｉｇが０．８５Ｒ（Ｒは気体定数である）以上であることが好ましい。
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層は、組成を式：（Ａｌａ１Ｘ１ａ２Ｘ２ａ３Ｘ３ａ４Ｘ４ａ５）（Ｃｂ１Ｎｂ２）（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素でそれぞれＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）で表したとき、
前記ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｂ１、ｂ２（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４＋ａ５＝１、ｂ１＋ｂ２＝１）は、
０．０１≦ａ１≦０．６０
０．０１≦ａ２≦０．６０
０．０１≦ａ３≦０．６０
０．０１≦ａ４≦０．６０
０．０１≦ａ５≦０．６０
０．２０≦ｂ１≦０．８０
０．２０≦ｂ２≦０．８０
であり、
ｎ＝５、ｍ＝２として、式１（式１でｌｎは自然対数である）で表されるＳｃｏｎｆｉｇが０．８５Ｒ（Ｒは気体定数である）以上であることが好ましい。
【0018】
【数2】
【0019】
ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５およびｂ１、ｂ２の各値が上記関係を満足するとき、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の混合のエントロピーは高められ、この（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層は前記知見で得た（ｉ）～（ｉｉ）の物性を有する。そして、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ｂ１、ｂ２は、Ｓｃｏｎｆｉｇがより大きくなるように決定することが好ましい。Ｓｃｏｎｆｉｇの計算上の上限値は１．１５Ｒである。
【0020】
（３）Ｃｌの含有
微量のＣｌを含有してもよい。Ｃｌは塩化物を原料ガスとするＣＶＤ法により成膜すれば不可避的にごく微量（塩素のみの単元素検出による分析によってその存在が確認できる量）含まれるものである。そして、Ｃｌの含有量が、０．５０原子％以下であれば、Ｃｌによって（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層が潤滑性を有する。
微量のＣｌを含有してもよい。Ｃｌは塩化物を原料ガスとするＣＶＤ法により成膜すれば不可避的にごく微量（塩素のみの単元素検出による分析によってその存在が確認できる量）含まれるものである。そして、Ｃｌの含有量が、０．５０原子％以下であれば、Ｃｌによって（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層が潤滑性を有する。
【0021】
（４）不可避不純物
ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４の複合炭窒化物は、製造工程で意図しない不可避不純物を含んでいることがある。
ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４の複合炭窒化物は、製造工程で意図しない不可避不純物を含んでいることがある。
【0022】
（５）結晶構造
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層は、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒を有していることが好ましい。ただし、ＮａＣｌ型面心立方構造以外の結晶粒を含有していても構わないが、ＮａＣｌ型面心立方構造以外の結晶粒の存在は意図しないものである。特許請求の範囲、本明細書でＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒を有しているとは、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の他に、この意図しないＮａＣｌ型面心立方構造以外の結晶粒が存在してもよいことをいう。
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層は、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒を有していることが好ましい。ただし、ＮａＣｌ型面心立方構造以外の結晶粒を含有していても構わないが、ＮａＣｌ型面心立方構造以外の結晶粒の存在は意図しないものである。特許請求の範囲、本明細書でＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒を有しているとは、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の他に、この意図しないＮａＣｌ型面心立方構造以外の結晶粒が存在してもよいことをいう。
【0023】
図２に、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）の結晶構造の模式図を示す。図２から明らかなように、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）の結晶構造は原子半径の異なる原子（カチオンサイトはＡｌ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素でそれぞれＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）の原子（４）、アニオンサイトはＮ原子（２）、Ｃ原子（３））が、カチオンサイト、アニオンサイト毎に規則性なくランダムに混ざりあって結晶格子を形成している。そのため、図１に模式的に示すＮａＣｌ型面心立方構造を有するＴｉＮの結晶構造（Ｔｉ原子（１）、Ｎ原子（２））に比して、各原子が理想的な格子点の位置から変位をしている。これにより、結晶格子内に歪（図２では点線からのずれで示される）が生じており、この歪に起因して硬さと靭性が向上する。なお、図２において各原子の変位量も模式的に示されている。
【0024】
１－２．その他の層
（１）下部層
Ｔｉの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層のうちの１層以上のＴｉ化合物（化学量論的組成に限定されない）層を有し、その合計平均厚さが０．１～２０．０μｍである下部層を基体と（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層との間に設けたてもよい。下部層は基材と（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の密着性が向上する。ここで、下部層の合計平均厚さが０．１μｍ未満では、下部層による密着性の向上が十分ではなく、一方、２０．０μｍを超えると下部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。
（１）下部層
Ｔｉの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層のうちの１層以上のＴｉ化合物（化学量論的組成に限定されない）層を有し、その合計平均厚さが０．１～２０．０μｍである下部層を基体と（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層との間に設けたてもよい。下部層は基材と（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の密着性が向上する。ここで、下部層の合計平均厚さが０．１μｍ未満では、下部層による密着性の向上が十分ではなく、一方、２０．０μｍを超えると下部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。
【0025】
（２）上部層
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の上部に、Ｔｉの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層、および酸化物層のうちの１種以上のＴｉ化合物（化学量論的組成に限定されない）層、および／または、酸化アルミニウム（化学量論的組成に限定されない）層を有し、その合計平均厚さが０．１～２５．０μｍである上部層を設けてもよい。上部層は優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する。ここで、合計平均厚さが０．１μｍ未満であると、上部層が耐チッピング性、耐摩耗性を発揮せず、一方、２５．０μｍを超えると、上部層に起因するチッピングが発生しやすくなる。
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の上部に、Ｔｉの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層、および酸化物層のうちの１種以上のＴｉ化合物（化学量論的組成に限定されない）層、および／または、酸化アルミニウム（化学量論的組成に限定されない）層を有し、その合計平均厚さが０．１～２５．０μｍである上部層を設けてもよい。上部層は優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する。ここで、合計平均厚さが０．１μｍ未満であると、上部層が耐チッピング性、耐摩耗性を発揮せず、一方、２５．０μｍを超えると、上部層に起因するチッピングが発生しやすくなる。
【0026】
（３）意図せずに生じる層
ＣＶＤ炉内のガス圧や温度が不安定になるとき、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層、下部層、上部層とは異なる層が意図せずにごくわずか成膜されることがある。
ＣＶＤ炉内のガス圧や温度が不安定になるとき、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層、下部層、上部層とは異なる層が意図せずにごくわずか成膜されることがある。
【0027】
２．基体
（１）材質
材質は、従来公知の基体の材質であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例をあげるならば、ＷＣ基超硬合金（ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ等の炭化物または窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、ｃＢＮ焼結体のいずれかである。
（１）材質
材質は、従来公知の基体の材質であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例をあげるならば、ＷＣ基超硬合金（ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ等の炭化物または窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、ｃＢＮ焼結体のいずれかである。
【0028】
（２）形状
基体の形状は、切削工具として用いられる形状であれば特段の制約はなく、インサートの形状、ソリッド工具の形状が例示できる。
基体の形状は、切削工具として用いられる形状であれば特段の制約はなく、インサートの形状、ソリッド工具の形状が例示できる。
【0029】
３．測定方法
以下のようにして、本実施形態の（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の平均厚さ、各元素含有量、平均塩素含有量を求める。
以下のようにして、本実施形態の（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の平均厚さ、各元素含有量、平均塩素含有量を求める。
【0030】
（１）平均厚さ
ここで、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層等の平均厚さは以下のようにして求めることができる。クロスセクションポリッシャー装置（Ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ：ＣＰ）等を用いて、被覆層の縦断面の観察用の試料を作製し、その断面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）により観察し、複数箇所（例えば、５箇所）の層の厚さを測定して、これらを平均することにより（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層等の平均厚さとする。なお、基体の表面の定義は後述する。
ここで、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層等の平均厚さは以下のようにして求めることができる。クロスセクションポリッシャー装置（Ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ：ＣＰ）等を用いて、被覆層の縦断面の観察用の試料を作製し、その断面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）により観察し、複数箇所（例えば、５箇所）の層の厚さを測定して、これらを平均することにより（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層等の平均厚さとする。なお、基体の表面の定義は後述する。
【0031】
ここで、縦断面とは、インサートでは基体の表面における微小な凹凸をないものとして扱い、平らな面として扱ったときの基体の表面に垂直な断面をいう。
【0032】
基体の表面とは、縦断面の観察像における、基体と被覆層の界面粗さの平均線（直線）とする。
【0033】
すなわち、前記縦断面の観察像より被覆層（下部層が存在すれば、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の代わりに下部層を用いる）と基体の界面を定め、得られた被覆層と基体との界面の粗さ曲線について、平均線を引き、これを基体の表面とする。そして、この平均線に対して、垂直な方向を基体に垂直な方向（層の厚さ方向）とする。
【0034】
また、基体が曲面の表面を有する場合であっても、被覆層の厚さに対して曲面の曲率半径が十分に大きければ、測定領域における被覆層と基体との間の界面は略平面となることから、同様の手法により基体の表面を決定することができる。
【0035】
（２）原子比および塩素含有量
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層を構成する成分の原子比および塩素含有量は、以下のようにして求める。
Ａｌ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４の原子比ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５およびＣ、Ｎの原子比ｂ１、ｂ２、および塩素含有量については、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ）を用い、被覆層の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点の平均値とする。
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層を構成する成分の原子比および塩素含有量は、以下のようにして求める。
Ａｌ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４の原子比ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５およびＣ、Ｎの原子比ｂ１、ｂ２、および塩素含有量については、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ）を用い、被覆層の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点の平均値とする。
【0036】
（３）（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の結晶構造の同定
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層について、Ｘ線回折装置を用いてＸ線回折試験を実施し、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有していることを確認する。なお、Ｘ線回折はＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定し、測定条件として、測定範囲（２θ）：１５～１３５度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度という条件で測定する。
（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層について、Ｘ線回折装置を用いてＸ線回折試験を実施し、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有していることを確認する。なお、Ｘ線回折はＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定し、測定条件として、測定範囲（２θ）：１５～１３５度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度という条件で測定する。
【0037】
４．製造方法
本実施形態の（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の製造方法は、例えば、
Ｈ２、Ｎ２、ＣＨ３ＣＮ、ＮＨ３、Ａｒからなるガス群Ａと
ＡｌＣｌ３、Ｈ２、Ａｒ、ＴｉＣｌ４、ＶＣｌ４、ＺｒＣｌ４、ＮｂＣｌ５、ＨｆＣｌ４、ＴａＣｌ５（ＴｉＣｌ４、ＶＣｌ４、ＺｒＣｌ４、ＮｂＣｌ５、ＨｆＣｌ４、ＴａＣｌ５は（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の組成に応じて選択する）からなるガス群Ｂと
を用いて、ＣＶＤ法により行うことができる。
本実施形態の（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の製造方法は、例えば、
Ｈ２、Ｎ２、ＣＨ３ＣＮ、ＮＨ３、Ａｒからなるガス群Ａと
ＡｌＣｌ３、Ｈ２、Ａｒ、ＴｉＣｌ４、ＶＣｌ４、ＺｒＣｌ４、ＮｂＣｌ５、ＨｆＣｌ４、ＴａＣｌ５（ＴｉＣｌ４、ＶＣｌ４、ＺｒＣｌ４、ＮｂＣｌ５、ＨｆＣｌ４、ＴａＣｌ５は（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の組成に応じて選択する）からなるガス群Ｂと
を用いて、ＣＶＤ法により行うことができる。
【0038】
ここで、ガス群Ａとガス群Ｂとは、熱ＣＶＤ装置の反応容器内の空間で被成膜物の直前までガスを分離して供給し、被成膜物の直前でガス群Ａとガス群Ｂが混合し、反応させるようにする。これは、互いに反応活性の高いガス種を成膜領域にわたって均一に供給して、皮膜を均一に成膜するために有効である。詳細な技術内容は、例えば、特許６５１１７９８号公報に記載されている。
【実施例0039】
以下、実施例をあげて本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。すなわち、基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具をあげるが、基体の材質は前述のものであればよく、その形状は前述のとおりソリッド工具等の形状であってもよい。
【0040】
１．基体の製造
原料粉末として、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た。
原料粉末として、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た。
【0041】
その後、この圧粉体を真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０５ｍｍのホーニング加工を施し、三菱マテリアル社製ＣＮＭＧ１２０４０８－ＭＡ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。
【0042】
２．成膜
基体Ａ～Ｃの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層を成膜し、表５に示す実施例１～１０を得た。成膜条件は、表２に示すとおりであったが、概ね、次のとおりであった。
基体Ａ～Ｃの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層を成膜し、表５に示す実施例１～１０を得た。成膜条件は、表２に示すとおりであったが、概ね、次のとおりであった。
【0043】
反応ガス組成（ガス成分の含有量は、容量％である）：
ガス群Ａ：Ｈ２：５．０～６０．０％、Ｎ２：０．０～２５．０％、
ＣＨ３ＣＮ：０．１０～０．５０％、
ＮＨ３：０．１０～０．５０％、Ａｒ：０．０～１５．０％、
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．０２～０．１０％、ＨＣｌ：０．１０～０．５０％、
Ａｒ：１０．０～３０．０％、Ｈ２：残
下記ＴｉＣｌ４、ＶＣｌ４、ＺｒＣｌ４、ＮｂＣｌ５、ＨｆＣｌ４、
ＴａＣｌ５より４種（（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の組成に応じて選
択する）。
ＴｉＣｌ４：０．０２～０．１０％、
ＶＣｌ４：０．０２～０．１０％、
ＺｒＣｌ４：０．１０～０．５０％、
ＮｂＣｌ５：０．０２～０．１０％、
ＨｆＣｌ４：０．２０～１．００％、
ＴａＣｌ５：０．０２～０．１０％、
反応雰囲気圧力：４．５～７．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００～９００℃
ガス群Ａ：Ｈ２：５．０～６０．０％、Ｎ２：０．０～２５．０％、
ＣＨ３ＣＮ：０．１０～０．５０％、
ＮＨ３：０．１０～０．５０％、Ａｒ：０．０～１５．０％、
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．０２～０．１０％、ＨＣｌ：０．１０～０．５０％、
Ａｒ：１０．０～３０．０％、Ｈ２：残
下記ＴｉＣｌ４、ＶＣｌ４、ＺｒＣｌ４、ＮｂＣｌ５、ＨｆＣｌ４、
ＴａＣｌ５より４種（（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層の組成に応じて選
択する）。
ＴｉＣｌ４：０．０２～０．１０％、
ＶＣｌ４：０．０２～０．１０％、
ＺｒＣｌ４：０．１０～０．５０％、
ＮｂＣｌ５：０．０２～０．１０％、
ＨｆＣｌ４：０．２０～１．００％、
ＴａＣｌ５：０．０２～０．１０％、
反応雰囲気圧力：４．５～７．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００～９００℃
【0044】
なお、実施例３～１０については、表３に示す条件により表４に示す下部層および／または上部層を成膜した。
【0045】
比較のために、基体Ａ～Ｃの表面に表２に示す成膜条件によって、（ＡｌＸ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４）（ＣＮ）層を成膜し、表５に示す比較例１～１０を得た。
比較例の製造工程については原料ガスの組成を実施例とは変えた。
なお、比較例３～１０については、表３に示す条件により表４に示す下部層および／または上部層を成膜した。
比較例の製造工程については原料ガスの組成を実施例とは変えた。
なお、比較例３～１０については、表３に示す条件により表４に示す下部層および／または上部層を成膜した。
【0046】
さらに、従来技術と対比すべく、基体Ａ、Ｃの表面に表３に示す条件によって、ＴｉＣＮ層と、表４に示す下部層、下部層および上部層を成膜し、表５に示す従来例１～２を作製した。
【0047】
前記実施例１～１０、比較例１～１０、および、従来例１～２について、前述した方法を用いて、各層の平均厚さ、各元素含有量、平均塩素含有量、ＮａＣｌ型面心立方構造を有するかを測定した。
これらの結果を表５にまとめた。
これらの結果を表５にまとめた。
【0048】
【表1】
【0049】
【表2】
【0050】
【表3】
【0051】
【表4】
【0052】
表４において、「－」は存在しないことを示す。
【0053】
【表5】
【0054】
表５において、従来例１～２は、表３に示す条件によって成膜したので、Ａｌ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａを含まないため（形成記号の欄およびＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４の欄は「－」である）、ａ１はＴｉの含有割合であり、Ｓｃｏｎｆｉｇは、－Ｒ／２［ｂ１ｌｎ（ｂ１）＋ｂ２ｌｎ（ｂ２）］より算出した結果である。
「＊＊＊」は、分析装置の定量精度以下の含有量であったため、塩素のみの単元素検出による分析によって塩素の特性Ｘ線スペクトルによるピークを確認し塩素が微量に含有されていることを確認したことを示す。
また、全ての実施例、比較例、従来例のいずれもが、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒を有することを確認した。
「＊＊＊」は、分析装置の定量精度以下の含有量であったため、塩素のみの単元素検出による分析によって塩素の特性Ｘ線スペクトルによるピークを確認し塩素が微量に含有されていることを確認したことを示す。
また、全ての実施例、比較例、従来例のいずれもが、ＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒を有することを確認した。
【0055】
続いて、実施例１～１０、比較例１～１０、および、従来例１～２について、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、合金鋼Ｓ５５Ｃの等間隔２本溝入り中空丸棒の湿式端面切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
この切削試験は逃げ面摩耗が進行しやすい加工であるとともに断続加工を含むため刃先がチッピングしやすい。そのため、耐摩耗性と耐チッピング性の双方が求められる加工であるため、硬さと靭性の評価に適している。
この切削試験は逃げ面摩耗が進行しやすい加工であるとともに断続加工を含むため刃先がチッピングしやすい。そのため、耐摩耗性と耐チッピング性の双方が求められる加工であるため、硬さと靭性の評価に適している。
【0056】
切削試験
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃ
等間隔２本溝（幅２０ｍｍ）入り中空丸棒（外径Φ１８０、内径Φ５０）
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．
切り込み：１．５ｍｍ
送り量：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．
切削回数：２０パス
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃ
等間隔２本溝（幅２０ｍｍ）入り中空丸棒（外径Φ１８０、内径Φ５０）
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．
切り込み：１．５ｍｍ
送り量：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．
切削回数：２０パス
【0057】
表６に、切削試験の結果を示す。なお、比較例１～１０および従来例１～２については、チッピングまたは逃げ面摩耗(寿命判定基準：逃げ面摩耗幅０．４ｍｍ)が原因で切削回数が２０パスとなる前に寿命となったため、その寿命に至るまでの切削パス数を示す。
【0058】
【表6】
【0059】
表６に示す結果から明らかなように、実施例はいずれも摩耗量が少なく、チッピングの発生がなく、硬さと靭性が共に向上しており、長期にわたって優れた切削性能を発揮する。
これに対して、比較例１～１０および従来例１～２は、いずれも摩耗量が多く、または、チッピングが発生し、短時間で使用寿命に至っている。
これに対して、比較例１～１０および従来例１～２は、いずれも摩耗量が多く、または、チッピングが発生し、短時間で使用寿命に至っている。
【符号の説明】
【0060】
１ Ｔｉ原子
２ Ｎ原子
３ Ｃ原子
４ Ａｌ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４原子のいずれか（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素で、それぞれ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）
２ Ｎ原子
３ Ｃ原子
４ Ａｌ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４原子のいずれか（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４は異なる元素で、それぞれ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａから選択される）
【図1】
【図2】