JP2013166226A

JP2013166226A - 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

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Publication number: JP2013166226A
Application number: JP2012032097A
Authority: JP
Inventors: Sho Tatsuoka; 翔龍岡; Naoyuki Iwasaki; 直之岩崎; Akira Osada; 晃長田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: CN103252509A; CN103252509B; JP5850402B2

Abstract

【課題】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、耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】硬質被覆層が化学蒸着された下部層と上部層とからなり、（ａ）前記下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、（ｂ）前記上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、であり、前記下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮからなる層厚が５ｎｍ〜３０ｎｍの副層が少なくとも２層以上存在することにより、前記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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各種の鋼や鋳鉄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。

従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された工具基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、ＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることが知られている。
ただ、前記被覆工具は、切れ刃に大きな負荷がかかる切削条件では、チッピングや欠損等を発生しやすく、工具寿命が短命であるという問題があるため、これを解消するために、従来からいくつかの提案がなされている。

例えば、特許文献１には、硬質被覆層をＴｉＣＮの単層または２層以上の積層で構成すると共に、これら構成層のうちの１層または２層以上を、（ａ）粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ変る結晶構造、（ｂ）粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ、さらにこの縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶構造、（ｃ）縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶構造のうちのいずれか、または２種以上の結晶構造で構成することによって、耐チッピング性にすぐれた被覆工具を提供することが開示されている。

また、特許文献２には、超硬合金またはサーメットからなる基体表面にセラミック皮膜を形成した表面被覆切削工具において、前記セラミック被覆が柱状晶のＴｉＣＮ層を必ず含む単層または多層で構成され、該ＴｉＣＮ層の上端から該ＴｉＣＮ層の厚さの１／５の距離の位置におけるＴｉＣＮ柱状結晶粒の水平方向の平均粒径ｄ１と、該ＴｉＣＮ層の下端から該ＴｉＣＮ層の厚さの２／５の距離の位置におけるＴｉＣＮ柱状結晶粒の水平方向の平均粒径ｄ２の比を１≦ｄ１／ｄ２≦１．３とするように構成することによって、耐摩耗性、耐欠損性の両方にすぐれ、断続切削を含む長時間の切削加工に耐えることが開示されている。

さらに、特許文献３には、硬質被覆層として、少なくともＴｉＣＮ層と酸化アルミニウム層を有する被覆工具において、該ＴｉＣＮ層は、下部ＴｉＣＮ層と上部ＴｉＣＮ層とからなり、下部ＴｉＣＮ層の膜厚ｔ１は１μｍ≦ｔ１≦１０μｍ、上部ＴｉＣＮ層の膜厚ｔ２は０．５μｍ≦ｔ２≦５μｍであって、かつ、１＜ｔ１／ｔ２≦５の関係を満足し、さらに、上部ＴｉＣＮ層のＴｉＣＮ粒子の平均結晶幅ｗ２は０．２〜１．５μｍであって、下部ＴｉＣＮ層のＴｉＣＮ粒子の平均結晶幅ｗ１はｗ２の０．７倍以下とすることによって、硬質被覆層の密着性を高め、層間剥離を防止し、断続切削加工等における耐欠損性、耐摩耗性の改善を図ることが開示されている。

特開平６−８００９号公報特開平１０−１０９２０６号公報特開２００５−１８６２２１号公報

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いるが、例えば、前記特許文献１乃至３に示される被覆工具においても、高熱発生を伴うとともに、より一段と切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いられた場合には、下部層の熱伝導率が高く、熱遮蔽効果が十分ではなく、また、靭性においても十分でないために、切削加工時の高負荷によって切れ刃にチッピング、欠損が発生しやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いられた場合でも、硬質被覆層がすぐれた靭性および熱遮蔽効果を備え、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得たのである。

即ち、硬質被覆層として、従来の少なくとも１層のＴｉＣＮ層を含み、かつ所定の合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層からなる下部層を形成したものにおいては、ＴｉＣＮ層が基体的に垂直方向に柱状をなして形成されている。そのため、耐摩耗性および熱伝導率は向上する。その反面、ＴｉＣＮ層の異方性が高くなるほどＴｉＣＮ層の靭性および熱遮蔽効果が低下し、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、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉＣＮ層について鋭意研究したところ、ＴｉＣＮ層の異方性を緩和し靭性および熱遮蔽効果を高めることによって、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のである。

具体的には、下部層を構成する少なくとも１層のＴｉＣＮ層が、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮからなる副層を少なくとも２層以上存在させることにより、ＴｉＣＮ層の異方性が緩和され、靭性および熱遮蔽効果が高められる。

そして、前述のような構成のＴｉＣＮ層は、例えば、以下の化学蒸着法によって成膜することができる。
（ａ）工具基体表面に、反応ガス組成（容量％）を、ＴｉＣｌ_４：１．６〜２．０％、ＣＨ_３ＣＮ：０．６〜１．０％、Ｎ_２：２０％、Ｈ_２：残、として、反応雰囲気圧力を５〜１０ｋＰａ、反応雰囲気温度を８００〜９４０℃として、化学蒸着法を行うことにより、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を成膜し、
（ｂ）次いで、前記（ａ）の成膜工程を停止し、その後、ＴＤＭＡＴ（テトラキスジメチルアミノチタン）：０．１〜０．２％、Ｎ_２：５〜７％、Ｈ_２：残、とした副層形成条件で１〜１０分間化学蒸着法を行うことにより微粒ＴｉＣＮの副層を形成し、
（ｃ）次いで、前記（ｂ）の工程後、前記（ａ）と同様の条件で化学蒸着法を行うことにより柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を成膜し、
（ｄ）前記（ｂ）、（ｃ）の工程を繰り返し行なうことによって、微粒ＴｉＣＮの副層が少なくとも２層以上存在する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織からなる下部層を得ることができる。
この時、副層により柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織が完全に分断されることなく、柱状組織のまま成長することを見出した。その結果、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織が有する耐摩耗性を低下させることなく、靭性および熱遮蔽効果を向上させることができるため、耐チッピング性、耐欠損性が飛躍的に向上する。

そして、柱状縦長成長ＴｉＣＮ層中の微粒ＴｉＣＮの副層が層厚方向１μｍあたり１〜５層存在する場合には、特に、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層が耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し得ることを見出した。

（ｅ）前記下部層の形成後、反応ガス組成（容量％）を、ＡｌＣｌ_３：２〜３％、ＣＯ_２：４〜６％、ＨＣｌ：２〜３％、Ｈ_２Ｓ：０．１〜０．５％、Ｈ_２：残、として、反応雰囲気圧力を５〜１０ｋＰａ、反応雰囲気温度を８７０〜１０４０℃として、化学蒸着法を行うことにより酸化アルミニウム層からなる上部層を成膜することにより、高温硬さと耐熱性を付与することができ、前記下部層が奏する効果と相俟って、一層すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を有する硬質被覆層が得られることを見出した。

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、
前記硬質被覆層が化学蒸着された下部層と上部層とからなるとともに、
（ａ）前記下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）前記上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
からなり、
前記（ａ）の下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮからなる副層が少なくとも２層以上、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を完全に分断せずに存在しており、該微粒ＴｉＣＮが粒状ＴｉＣＮ結晶相又はアモルファスＴｉＣＮ相若しくは粒状ＴｉＣＮ結晶相とアモルファスＴｉＣＮ相との混合相であり、前記柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅は５０〜２０００ｎｍ、前記最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５〜５０であり、前記微粒ＴｉＣＮからなる副層の層厚が、５ｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層に存在する微粒ＴｉＣＮからなる副層が層厚方向１μｍあたり１〜５層存在することを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

本発明について、以下に詳細に説明する。

下部層のＴｉ化合物層：
少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上のＴｉ化合物層からなる下部層は、通常の化学蒸着条件で形成することができるが、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層については後述するような別の方法によって形成する。下部層を構成するＴｉ化合物層は、それ自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と酸化アルミニウムからなる上部層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつが、特に合計平均層厚が３〜２０μｍのとき、その効果が際立って発揮される。その理由は、合計平均層厚が３μｍ未満では、層厚が薄いため前記作用を発揮させるには十分でなく、一方、その合計平均層厚が２０μｍを越えると、Ｔｉ化合物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、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
また、前記下部層の少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮからなる副層が少なくとも２層以上、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶を完全に分断せずに存在する構成とする。このような構成にすることによって、ＴｉＣＮ層の異方性が緩和されるため靭性および熱遮蔽効果が向上し、すぐれた耐チッピング性および耐欠損性を示すようになる。

上部層の酸化アルミニウム層：
上部層を構成する酸化アルミニウム層が、高温硬さと耐熱性を備えることは既に良く知られているが、特にその平均層厚が２〜２５μｍ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２μｍ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確保するには十分でなく、一方、平均層厚が２５μｍを越えると酸化アルミニウム結晶粒が粗大化し易くなり、高温硬さ、高温強度の低下に加え、高速断続切削加工時の耐チッピング性、耐欠損性が低下するようになる。したがって、その平均層厚を２〜２５μｍと定めた。

更に本発明は、前記の構成に加えて、以下の条件を併せ持つとき、より一層、すぐれた効果を発揮する。

柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織内の副層の層厚：
前記副層の層厚は、５〜３０ｎｍのとき、その効果が際立って発揮される。その理由は、副層の層厚が５ｎｍ未満であると副層の微粒ＴｉＣＮ層の異方性を緩和し、靭性および熱遮蔽効果を高めるという副層の持つ作用が十分に発揮されない。一方、副層の層厚が３０ｎｍを超えると柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を完全に分断させてしまい、その結果、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織が有する高い耐摩耗性を維持できなくなる。したがって、副層の層厚は、５〜３０ｎｍと定めた。

副層の層厚方向１μｍあたりの層数：
さらに、前記副層は層厚方向１μｍあたりの最も好ましい層数を鋭意研究したところ１〜５層であることを見出した。その理由について解析すると、１層未満であると、前述した少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層の異方性を緩和し、靭性および熱遮蔽効果を高めるという効果が十分に発揮されず、一方、５層を超えると柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織が有する高い耐摩耗性を維持できなくなる。したがって、副層は層厚方向１μｍあたり１〜５層存在するように構成することが好ましい。

柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅とアスペクト比：
また、前述のような本発明の下部層を構成する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の形状・サイズについても硬質被膜層の耐チッピング性、耐欠損性の向上という観点から鋭意研究した。その結果、最大粒子幅を５０〜２０００ｎｍとするとともに、前記最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比を５〜５０とすることによって、前記の効果が著しく向上することを見出した。その理由を解析すると次のように説明することができる。すなわち、最大粒子幅が５０ｎｍよりも小さいと、長期間使用した際に耐摩耗性が低下する傾向があり、一方、２０００ｎｍを超えると、粒子の粗大化により耐チッピング性、耐欠損性が低下する傾向がある。したがって、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅は、５０〜２０００ｎｍとすることがより好ましい。さらに、最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さの比として定義されるアスペクト比が５より小さいと、柱状縦長成長ＴｉＣＮの特徴である耐摩耗性が低下する傾向があり、一方、５０を超えると、かえって靭性が低下し、耐チッピング性、耐欠損性が低下する傾向がある。したがって、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比は５〜５０とすることがより好ましい。
ここで、本発明における最大粒子幅と最大粒子長さとは、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の１つの粒子を計測したとき、粒子の幅（短辺）で最も大きい値を最大粒子幅と呼び、一方、粒子の高さ（長辺）で最も大きい値を最大粒子長さと呼ぶ。

副層を構成する微粒ＴｉＣＮの形成：
本発明の副層を構成する微粒ＴｉＣＮは、通常の化学蒸着条件で成膜した下部層の形成過程の間に原料としてＴＤＭＡＴを用いた副層形成条件で化学蒸着法を行うことによって形成することができる。
すなわち、下記に示すような、通常の柱状縦長成長ＴｉＣＮの化学蒸着条件と副層形成条件を交互に行うことにより、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織に微粒ＴｉＣＮからなる少なくとも２層以上の副層が形成される。
化学蒸着条件：
反応ガス組成（容量％）：
ＴｉＣｌ_４：１．６〜２．０％、
ＣＨ_３ＣＮ：０．６〜１．０％、
Ｎ_２：２０％、
Ｈ_２：残、
反応雰囲気圧力：５〜１０ｋＰａ、
反応雰囲気温度を：８００〜９４０℃、
副層形成条件：
反応ガス組成（容量％）：
ＴＤＭＡＴ（テトラキスジメチルアミノチタン）：０．１〜０．２％、
Ｎ_２：５〜７％、
Ｈ_２：残、
反応雰囲気圧力：５〜１０ｋＰａ、
反応雰囲気温度を：８００〜９４０℃、
ここで、微粒ＴｉＣＮからなる副層はＴＤＭＡＴを用いた副層形成条件により形成されるので、成膜中に副層形成条件による工程を行った回数が副層の層数に対応している。したがって、副層の層数、すなわち副層形成条件による工程を行った回数を下部層全体の層厚（μｍ）で除した値が、層厚方向１μｍあたりに存在する副層となる。
本発明の下部層を構成するＴｉ化合物層中の柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織の成長状態を模式的に表した図を図１に示す。
前記化学蒸着条件で形成された本発明の下部層を構成する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織内に存在する前記副層形成条件で形成された微粒ＴｉＣＮからなる副層の存在形態の概略模式図を図２に示す。

本発明は、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、硬質被覆層が化学蒸着された下部層と上部層とからなるとともに、（ａ）下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、（ｂ）上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、からなり、（ａ）の下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮからなる副層が少なくとも２層以上、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を完全に分断せずに存在しており、該微粒ＴｉＣＮが粒状ＴｉＣＮ結晶相又はアモルファスＴｉＣＮ相若しくは粒状ＴｉＣＮ結晶相とアモルファスＴｉＣＮ相との混合相であることにより、微粒ＴｉＣＮの副層の存在によって、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織に力が加わった際に、１つ１つの柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶にずれが生じるため、大きな靭性を生じることになる。また、ＴｉＣＮ層の異方性が緩和される結果、熱遮蔽効果が向上する。その結果、耐チッピング性、耐欠損性向上という効果が発揮され、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ものである。

本発明の下部層を構成するＴｉＣＮ層の柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織の成長状態を模式的に表した膜構成模式図である。本発明の下部層を構成する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織に存在する微粒ＴｉＣＮからなる副層の存在形態の膜構成模式図である。本発明の下部層を構成する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織に存在する微粒ＴｉＣＮからなる副層の存在形態の詳細な模式図である。

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。

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、ＶＣ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、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・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｅをそれぞれ製造した。

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、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８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ａ〜ｅを形成した。

つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
（ａ）硬質被覆層の下部層として、表３および表４に示される条件かつ表６に示される目標層厚（μｍ）でＴｉ化合物層を蒸着形成する。
（ｂ）この時、表４に示される条件でＴｉＣＮ層を成膜する際に、表４に示される反応ガス種別欄上段側の柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織形成条件と下段側の副層形成条件を交互に行いながらＴｉＣＮ層を蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１５を製造した。そして、下部層成膜中にＴＤＭＡＴを用いた副層形成条件による工程を行った回数を下部層の合計平均層厚（μｍ）で割ることによって、下部層における層厚方向１μｍあたりの副層の層数を求めた。
（ｃ）次いで、表３に示される条件かつ表６に示される目標層厚（μｍ）の酸化アルミニウム層からなる上部層を蒸着形成することにより、表６の本発明被覆工具１〜１５を作製した。

前記本発明被覆工具１〜１５の下部層を構成するＴｉＣＮ層について、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて複数視野に亘って観察したところ、図２に示した膜構成模式図に示される柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織内に微粒ＴｉＣＮからなる副層が存在する膜構造が確認された。
さらに、前記本発明被覆工具１〜１５の下部層を構成するＴｉＣＮ層について、透過型電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いて複数の視野に亘って観察したところ、前記微粒ＴｉＣＮは、粒状ＴｉＣＮ結晶相又はアモルファスＴｉＣＮ相若しくは粒状ＴｉＣＮ結晶相とアモルファスＴｉＣＮ相の混合相であることが確認された。

また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、表３および表５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、硬質被覆層の下部層としてのＴｉ化合物層を蒸着形成した。この時には、副層形成条件を行わずに、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有するＴｉ化合物層を形成した。次いで、硬質被覆層の上部層として、表３に示される条件かつ表７に示される目標層厚（μｍ）で酸化アルミニウム層からなる上部層を蒸着形成することにより、表７の比較被覆工具１〜１５を作製した。

また、本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５の各構成層の平均層厚を、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて測定したところ、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、本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５については、同じく走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて、上部層のＴｉＣＮ層を構成する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅及び膜厚方向の最大粒子長さを、工具基体と水平方向に長さ合計１０μｍの範囲に存在する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶について測定し、最大粒子幅及び膜厚方向の最大粒子長さの比からアスペクト比を求めた。
また、本発明被覆工具１〜１５については、同じく走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて、下部層のＴｉＣＮ層に存在する微粒ＴｉＣＮからなる副層を工具基体と垂直方向はＴｉＣＮ層の層厚分の厚さに亘って、一方、工具基体と水平方向は長さ合計１０μｍに亘って測定し、下部層中に存在する全ての副層について層厚を求め、その平均値として副層の平均層厚を求めた。

つぎに、前記本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５について、表８に示す条件で切削加工試験を実施し、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
表９に、この測定結果を示した。

表６および表９に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉＣＮ層が、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮからなる副層が少なくとも２層以上存在していることにより、靱性が向上し、熱伝導率が抑制され熱遮蔽効果が向上するため、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、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。

これに対して、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉＣＮ層に微粒ＴｉＣＮからなる副層が存在していない比較被覆工具１〜１５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。

前述のように、本発明の被覆工具は、例えば、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、かつ、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おいて、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、高速断続切削加工条件ばかりでなく、高速切削加工条件、高切込み、高送りの高速重切削加工条件等で使用することも勿論可能である。

Claims

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、
前記硬質被覆層が化学蒸着された下部層と上部層とからなるとともに、
（ａ）前記下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）前記上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
からなり、
前記（ａ）の下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮからなる副層が少なくとも２層以上、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を完全に分断せずに存在しており、該微粒ＴｉＣＮが粒状ＴｉＣＮ結晶相又はアモルファスＴｉＣＮ相若しくは粒状ＴｉＣＮ結晶相とアモルファスＴｉＣＮ相との混合相であり、前記柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅は５０〜２０００ｎｍ、前記最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５〜５０であり、前記微粒ＴｉＣＮからなる副層の層厚が、５ｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。
前記下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層に存在する微粒ＴｉＣＮからなる副層が層厚方向１μｍあたり１〜５層存在す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。