JP2016036873A - 耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高速切削加工においてすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体表面に、いずれも岩塩型立方晶構造の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒からなるＡ層とＢ層が積層された表面被覆切削工具において、（ａ）Ａ層は微細粒状結晶組織、Ｂ層は柱状結晶組織であって、（ｂ）Ｂ層の柱状結晶粒の最大結晶粒長さＬがＢ層の平均層厚の６０％以上、柱状結晶粒の近似幅が０．１〜１．５μｍおよびアスペクト比が１．４以上であって、かつ、工具基体側から０．２Ｌ、０．８Ｌの高さ位置における柱状結晶粒の幅Ｗ０．２、Ｗ０．８と柱状結晶粒の近似幅との差が２０％以内である柱状結晶粒が、Ｂ層の縦断面面積の５０％以上の面積割合を占め、（ｃ）Ａ層と硬質被覆層全体のＸ線回折ピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が７〜２０である表面被覆切削工具。【選択図】図１

Description

本発明は、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を備えた表面被覆切削工具に関し、さらに詳しくは、炭素鋼や合金鋼などの高速切削加工に供した場合においても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期に亘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。

一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサート、被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
従来から、被覆工具としては、例えば、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ焼結体を工具基体とし、これに硬質被覆層を形成した被覆工具が知られており、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、工具基体と硬質被覆層の密着性を向上させるとともに、靭性と耐摩耗性を両立させるために、工具基体の表面に例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層を形成し、該層は微細組織領域と粗大組織領域とを含み、該微細組織領域は、それを構成する化合物の平均結晶粒径が１０〜２００ｎｍであり、かつ該層の表面側から該層の全体の厚みに対して５０％以上の厚みとなる範囲を占めて存在し、かつ−４ＧＰａ以上−２ＧＰａ以下の範囲の応力である平均圧縮応力を有し、該層は、その厚み方向に応力分布を有しており、その応力分布において２つ以上の極大値または極小値を持ち、それらの極大値または極小値は厚み方向表面側に位置するものほど高い圧縮応力を形成させた被覆工具が提案されている。

また、特許文献２には、硬質被覆層がすぐれた高温硬さ、高温強度を備えることによって、チッピング、欠損、剥離等の発生を防止するとともに、耐摩耗性の向上を図るために、工具基体の表面に、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具において、該硬質被覆層を、粒状晶（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる薄層Ａと柱状晶（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる薄層Ｂの交互積層構造として構成し、薄層Ａおよび薄層Ｂはそれぞれ０．０５〜２μｍの層厚とし、さらに、上記粒状晶の結晶粒径は３０ｎｍ以下、また、上記柱状晶の結晶粒径は５０〜５００ｎｍとした被覆工具が提案されている。

さらに、特許文献３には、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における硬質被覆層の耐チッピング性向上を図るために、工具基体表面に、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）で表される領域Ａ層と領域Ｂ層とからなる交互積層構造を形成し、領域Ａ層は、０．７０≦ｘ≦０．８０、０．０００５≦ｙ≦０．００５を満足するとともに、平均粒子幅Ｗを０．１μｍ以下、平均粒子長さＬを０．１μｍ以下とし、一方、領域Ｂ層は、０．８５≦ｘ≦０．９５、０．０００５≦ｙ≦０．００５を満足するとともに、平均粒子幅Ｗを０．１〜２．０μｍ、平均粒子長さＬを０．５〜５．０μｍとした被覆工具が提案されている。

特開２０１１−６７８８３号公報 特開２０１１−２２４７１５号公報 特開２０１４−６１５８８号公報

前記従来技術で提案されているＴｉとＡｌの窒化物、炭窒化物からなる結晶組織を制御した硬質被覆層は、硬さ、耐熱性とともにすぐれた耐摩耗性を期待できるが、高速切削加工のように切れ刃に高負荷が作用する切削条件においては、従来被覆工具は十分に満足できる耐摩耗性を発揮することはできなかった。
したがって、高速切削加工に供した場合であっても、長期にわたって安定した耐摩耗性を発揮するような被覆工具が求められている。

そこで、本発明者らは、前記課題を解決すべく硬質被覆層の構造について鋭意検討したところ、次のような知見を得た。

工具基体表面に、例えばアークイオンプレーティング装置を用いて硬質被覆層を蒸着形成するにあたり、微細粒状結晶組織を有するＴｉとＡｌの窒化物（以下、「（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ」という場合もある）からなるＡ層と、柱状結晶組織を有する（Ｔｉ，Ａｌ）ＮからなるＢ層の積層構造として硬質被覆層を形成し、また、Ａ層とＢ層との界面近傍から、幅の広い柱状結晶粒を工具基体表面に垂直な方向に成長させ、さらに、Ｂ層の柱状結晶組織を特定の形状の結晶粒として形成することによって、硬質被覆層の耐摩耗性を向上させ得ることを見出した。
また、Ａ層とＢ層との蒸着条件を制御することで、Ａ層とＢ層との結晶配向性を揃えることによって、Ａ層とＢ層との層間付着強度を向上させることにより、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を招くことなく耐摩耗性を向上させ得ることを見出したのである。

本発明は、前記の知見に基づいてなされたものであって、
「 ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に、Ａ層とＢ層が積層された硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）前記Ａ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘは原子比で、０．４５≦ｘ≦０．６５）を満足する岩塩型立方晶の結晶構造を有し、０．１〜１．０μｍの平均層厚と０．０１〜０．１μｍの結晶粒の平均幅を有する微細粒状結晶組織のＴｉとＡｌの窒化物層からなり、
（ｂ）前記Ｂ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ｙＡｌ_ｙ）Ｎ（但し、ｙは原子比で、０．４≦ｙ≦０．６５）を満足する岩塩型立方晶の結晶構造を有し、０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する柱状結晶組織のＴｉとＡｌの窒化物層からなり、
（ｃ）前記Ｂ層の柱状結晶粒を工具基体表面に垂直な縦断面で観察した場合、工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬがＢ層の平均層厚の６０％以上であって、かつ、柱状結晶粒の近似幅が０．１〜１．５μｍおよびアスペクト比が１．４以上であって、かつ、前記最大結晶粒長さＬの工具基体側から０．２Ｌ、０．８Ｌの高さ位置においてそれぞれ測定した柱状結晶粒の幅Ｗ_０．２、Ｗ_０．８と柱状結晶粒の近似幅との差がそれぞれ２０％以内である柱状結晶粒が、工具基体表面に垂直なＢ層の縦断面面積の５０％以上の面積割合を占め、
（ｄ）前記Ａ層と硬質被覆層全体について、Ｘ線回折によって（２００）面の回折ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）面の回折ピーク強度をＩ（１１１）として求めた時、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が７〜２０であることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
なお、本発明は、Ａ層とＢ層の積層からなる前記硬質被覆層を最大の特徴とするものであるが、本発明の前記硬質被覆層の上部に、表面層として、耐摩耗性や潤滑性に優れる窒化物、炭窒化物等の他の層をさらに設けることを妨げるものではない。なお、この表面層としては、例えば、ＴｉＮ層、ＣｒＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＳｉＮ層、ＡｌＣｒＮ層、ＡｌＴｉＳｉＮ層などを挙げることができる。

ここで、本発明の被覆工具について、より詳しく説明する。

Ａ層：
図１の模式図に示すように、Ａ層は、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘは原子比で、０．４５≦ｘ≦０．６５）を満足する０．１〜１．０μｍの平均層厚を有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層として構成するが、Ａ層におけるＡｌ成分の含有量が、Ｔｉ成分との合量に占める割合で０．４５（但し、原子比）未満になると結晶粒が粗大化しやすくなり、一方、Ｔｉ成分との合量に占める割合で０．６５（但し、原子比）を超えると、一部組織の結晶構造が岩塩型結晶構造から六方晶構造に変化し、硬さが低下することから、Ａ層におけるＴｉ成分との合量に占めるＡｌ成分の含有割合ｘは、０．４５≦ａ≦０．６５と定めた。より好ましい組成範囲としては０．５５≦ｘ≦０．６５である。
また、上記Ａ層の平均層厚が０．１μｍ未満であると、クラックの発生および進展を抑制する効果が十分でなく、一方、Ａ層の平均層厚が１．０μｍを超えると、結晶粒が粗大化しやすくなり、耐チッピング性向上効果が得られなくなることから、Ａ層の平均層厚は０．１〜１．０μｍと定めた。

Ａ層は、０．０１〜０．１μｍの結晶粒の平均幅を有する微細粒状結晶組織として構成するが、Ａ層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒の平均幅が０．０１μｍ未満では結晶粒界の数が過剰になり、一方、平均幅が０．１μｍを超えると結晶粒界が少なくなるため、それぞれクラックの進展経路を分散する効果が十分に、得られなくなることから、Ａ層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒の平均幅は０．０１〜０．１μｍの微細粒状結晶粒組織とする。好ましい平均幅は、０．０１〜０．０５μｍである。
なお、本発明でいう結晶粒の「近似幅」、「平均幅」とは、工具基体表面に垂直な縦断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた断面観察により得られた縦断面画像について、電子線後方散乱回折法（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）によって層を形成する各粒子の形状を決定し、一つ一つの結晶粒子について、工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬをとり、最大結晶粒長さＬを基準として、工具基体表面に垂直な縦断面における断面積が等価になるように粒子の形状を長方形近似し、算出した最大結晶粒長さＬに直交する長さを「近似幅」と言い、縦断面画像内の全粒子の「近似幅」を平均した値を「平均幅」という。
ここで、工具基体表面とは、基体の硬質被覆層と接する面の面方向に垂直な断面の観察像における、基体と硬質被覆層の界面粗さの基準線とする。
また、Ａ層の結晶粒のアスペクト比（結晶粒の最大結晶粒長さＬ／結晶粒の近似幅）について特段の規定はしないが、クラックの進展経路を分散し、異常損傷を低減する観点からは、各粒子の平均のアスペクト比は１．０〜１．５であることが望ましい。

Ｂ層：
図１の模式図に示すように、Ｂ層は、組成式：（Ｔｉ_１−ｙＡｌ_ｙ）Ｎ（但し、ｙは原子比で、０．４≦ｙ≦０．６５）を満足する０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する柱状結晶粒組織の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層として構成するが、Ｂ層におけるＡｌ成分の含有量を、Ｔｉ成分との合量に占める割合で０．４（但し、原子比）未満にすると十分な耐摩耗性が得られず、一方、Ｔｉ成分との合量に占めるＡｌ成分の含有割合が０．６５（但し、原子比）を超えると、Ａ層の場合と同様、一部組織の結晶構造が岩塩型結晶構造から六方晶構造に変化し、硬さが低下することから、Ｂ層における、Ｔｉ成分との合量に占めるＡｌ成分の含有割合ｙは、０．４≦ａ≦０．６５と定めた。
また、上記Ｂ層の平均層厚が０．５μｍ未満であると、十分な耐摩耗性が得られず、一方、３．０μｍを超えると皮膜が自壊しやすくなるので、Ｂ層の平均層厚は０．５〜３．０μｍと定めた。
なお、Ａ層、Ｂ層の平均組成、平均層厚については、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）を用いた断面測定により、測定することができる。ここで、各層の層厚とは工具基体表面に垂直な方向の層の厚みとする。

上記Ｂ層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒は、次のような形状を有する柱状結晶組織からなる。
まず、Ｂ層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒の近似幅が０．１μｍ未満では十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、近似幅が１．５μｍを超えるとＢ層内の結晶粒界が少なくなり耐チッピング性が低下することから、Ｂ層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒の近似幅は０．１〜１．５μｍとする。
また、前記近似幅を備える結晶粒であっても、工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬがＢ層の平均層厚の６０％未満である場合、或いは、結晶粒のアスペクト比（結晶粒の最大結晶粒長さＬ／結晶粒の近似幅）が１．４未満である場合には、十分な耐摩耗性が得ることができないので、Ｂ層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒の工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬはＢ層の平均層厚の６０％以上とし、また、アスペクト比（結晶粒の最大結晶粒長さＬ／結晶粒の近似幅）は、１．４以上とする。
また、前記近似幅、最大結晶粒長さＬ、アスペクト比を備える結晶粒であっても、工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬの工具基体側から０．２Ｌ、０．８Ｌの高さ位置における工具基体表面に平行な方向の柱状結晶粒の幅Ｗ_０．２、Ｗ_０．８をそれぞれ測定したとき、測定した柱状結晶粒の幅Ｗ_０．２、Ｗ_０．８と柱状結晶粒の近似幅との差が２０％を超える場合、あるいは、Ｗ_０．２、Ｗ_０．８と柱状結晶粒の近似幅との差が２０％以内である柱状結晶粒が、工具基体表面に垂直なＢ層の縦断面面積の５０％未満の面積割合しか存在しない場合には、Ｂ層が長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができない。
したがって、Ｂ層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒は、前記近似幅、最大結晶粒長さＬ、アスペクト比を備えるとともに、工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬの工具基体側から０．２Ｌ、０．８Ｌの高さ位置において測定した柱状結晶粒のそれぞれの幅Ｗ_０．２、Ｗ_０．８と柱状結晶粒の近似幅との差は２０％以内である長方形に近い形状を有し、かつ、このような柱状結晶組織の結晶粒は、工具基体表面に垂直なＢ層の縦断面面積の５０％以上の面積割合を占めることが必要である。
なお、Ａ層、Ｂ層の組成・平均層厚、Ａ層の結晶粒の平均幅、Ｂ層を構成する結晶粒の形状についても、工具基体表面に垂直な硬質被覆層縦断面について、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）、電子線後方散乱回折法（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）を用いた断面測定により、測定することができる。

Ｂ層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒が前記した柱状結晶組織を形成するためには、Ａ層とＢ層の配向性を揃えることが重要である。
すなわち、本発明では、Ａ層とＢ層からなる硬質被覆層を、例えば、図２に示すアークイオンプレーティング装置を用いて成膜するが、アークイオンプレーティングに際してのアーク電流値、反応ガスとしての窒素ガス分圧および成膜速度を制御し、岩塩型立方晶構造における（１１１）面より表面エネルギーが小さい（２００）面をゆっくりと成長させることで、Ａ層とＢ層の配向性を揃え、かつ、Ａ層とＢ層の界面から結晶粒の幅の広い柱状結晶組織を形成することができる。
そして、Ａ層および硬質被覆層全体についてＸ線回折を行い、（２００）面の回折ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）面の回折ピーク強度をＩ（１１１）とした場合、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が７未満であると、Ａ層とＢ層との界面から結晶幅の広い柱状結晶を成長させることが困難であり、一方、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が２０を超えるとＢ層の柱状結晶粒が粗大化しやすく、結晶粒界が少なくなり、高負荷な切削時の耐チッピング性、耐欠損性が低下するため、ピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）は７〜２０とする。

ここで、硬質被覆層全体についてのピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）とは、Ａ層とＢ層の重なった回折ピークを一つの回折ピークとみなし、（２００）面の重なった回折ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）面の重なった回折ピーク強度をＩ（１１１）として計算したＩ（２００）／Ｉ（１１１）の値をいう。なお、Ａ層の回折ピーク強度については、例えば、Ｂ層を集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）法などの手法で加工・除去したのち、前述したＸ線回折法を用いることで測定することができる。

本発明の被覆工具は、工具基体表面に、微細粒状結晶組織を有する（Ｔｉ，Ａｌ）ＮからなるＡ層と、柱状結晶組織を有する（Ｔｉ，Ａｌ）ＮからなるＢ層とを積層して硬質被覆層を形成し、特に、Ｂ層における柱状結晶組織の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ結晶粒が、所定の近似幅、最大結晶粒長さＬ、アスペクト比を備えるとともに、長方形に近い形状を有し、かつ、このような柱状結晶組織の結晶粒が、工具基体表面に垂直なＢ層の縦断面面積の５０％以上の面積割合を占め、さらに、Ａ層と硬質被覆層全体についてのＸ線回折ピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）を７〜２０とすることによって、炭素鋼、合金鋼等の高速切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を招くこともなく、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。

本発明被覆工具の硬質被覆層の断面概略模式図を示す。なお、図中に示すＢ層の「特徴的柱状結晶粒」とは、工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬがＢ層の平均層厚の６０％以上であって、かつ、柱状結晶粒の近似幅が０．１〜１．５μｍおよび平均アスペクト比が１．４以上であって、かつ、工具基体側から０．２Ｌ、０．８Ｌの高さ位置における柱状結晶粒の幅Ｗ_０．２、Ｗ_０．８と柱状結晶粒の近似幅との差がそれぞれ２０％以内である柱状結晶粒をいう。 硬質被覆層を蒸着形成するためのアークイオンプレーティング装置の概略図であり（ａ）が正面図、を（ｂ）が側面図を示す。

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、ｃＢＮ基体からなる被覆工具、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。

工具基体の作製：
原料粉末として、平均粒径が１〜４μｍのｃＢＮ粒子を硬質相形成用原料粉末として、また、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、Ａｌ粉末、ＡｌＮ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を結合相形成用原料粉末として用意する。
これら中からいくつかの原料粉末とｃＢＮ粉末の合量を１００体積％としたときのｃＢＮ粒子の含有割合が５０容量％となるように表１に示される配合比で配合する。
次いで、この原料粉末をボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、成形圧１００ＭＰａで直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法にプレス成形し、ついでこの成形体を、圧力：１Ｐａ以下の真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に保持して仮焼結し、その後、超高圧焼結装置に装入して、圧力：５ＧＰa、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定の温度で焼結することにより、ｃＢＮ基焼結体を作製する。
この焼結体をワイヤー放電加工機で所定寸法に切断し、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもった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、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ系ろう材を用いてろう付けし、上下面および外周研磨、ホーニング処理を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったｃＢＮ工具基体１〜３を製造した。

硬質被覆層の成膜：
前記工具基体１〜３に対して、図２に示すアークイオンプレーティング装置を用いて、硬質被覆層を形成した。
なお、図２のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットとしては、目標とする（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層に応じて、組成の異なる複数のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを装置内に配備する。
（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、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する。また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＴｉ−Ａｌ合金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−２００〜−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、Ａ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０．５〜４Ｐａの所定の反応雰囲気とすると共に、同じく表２に示す装置内温度に維持し、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表２に示す−２５〜１００Ｖの所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、前記所定組成のＴｉ−Ａｌ合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表２に示す１１０〜２００Ａの所定の電流を同時に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に示される目標組成、目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなるＡ層を蒸着形成した。
（ｄ）次いで、Ｂ層の成膜を、次のとおり行う。
まず、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２〜１０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とすると共に、同じく表２に示す装置内温度に維持し、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表２に示す−２５〜−７５Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、前記Ｔｉ−Ａｌ合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表２に示す８０〜１２０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、前記Ａ層表面に、表４に示される目標組成、目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなるＢ層を蒸着形成した。
上記の（ａ）〜（ｄ）によって、Ａ層およびＢ層の積層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表４に示す本発明の被覆工具（以下、「本発明工具」という）１〜６を作製した。

比較のため、前記工具基体１〜３に対して、表３に示す条件で下部層および上部層を蒸着することにより、表５に示す比較例の被覆工具（以下、「比較例工具」という）１〜６を作製した。
なお、比較例工具の下部層および上部層は、それぞれ、本発明のＡ層、Ｂ層に対応させる層であることから、以下においては、比較例工具の下部層および上部層を、それぞれを便宜的にＡ層、Ｂ層ということとする。

上記で作製した本発明工具１〜６および比較例工具１〜６の工具基体表面に垂直な硬質被覆層の縦断面について、工具基体表面に平行な方向の幅が１０μｍであり、硬質被覆層の厚み領域が全て含まれるよう設定された視野について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いた断面測定により、Ａ層、Ｂ層の組成、層厚を複数箇所で測定し、これを平均することにより、平均組成、平均層厚を算出した。

また、Ａ層とＢ層の結晶粒の近似幅、アスペクト比については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた断面観察により、視野内の全結晶粒子の値を測定し、近似幅、アスペクト比を算出した。
具体的には、集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）を用いた加工により、工具基体のホーニング面と逃げ面の成す稜線から逃げ面の方向に１００μｍの位置に硬質被覆層の工具基体表面に垂直な縦断面を作製し、基材表面に平行な方向の幅が１０μｍであり、硬質被覆層の厚み領域が全て含まれるよう設定された視野においてステップ間隔０．０２μｍの条件でＥＢＳＤによる測定、解析を実施し、測定点のうち、隣り合う点で結晶方位が２°以上異なる境目を結晶粒界として判断し、Ａ層、Ｂ層の結晶の形状を決定した。また、０．０２μｍ以下の結晶粒については透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって結晶粒の形状を直接観察し、画像のコントラストから結晶粒界を定めた。なお、ＥＢＳＤ測定を実施した視野と同じ画像視野において、０．０２μｍ以上の結晶粒形状についても透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた測定によって結晶形状を確認し、いずれの手法でも同等の結果が得られることを確認している。工具基体表面については、硬質被覆層の工具基体表面に垂直な縦断面においてＥＤＳを用いた元素マッピングを実施することによってＡ層と工具基体の界面を定め、こうして得られたＡ層と工具基体との界面の粗さ曲線について、平均線を算術的に求め、これを工具基体表面とした。
次に、上記手順で決定したＡ層、Ｂ層の各結晶粒形状に対して、工具基体表面に垂直な長さを求め、最大結晶粒長さＬを求めた。この最大結晶粒長さＬを基準として、断面画像中の結晶粒の面積と等価な面積となるような長方形を定め、長方形の工具基体表面に平行な方向の長さを求め、各結晶粒の近似幅とし、さらに最大結晶粒長さＬを近似幅で除して各結晶粒のアスペクト比を求めた。Ａ層については断面画像中の全粒子に上記の操作を行い、それらの近似幅およびアスペクト比を平均し、硬質被覆層をなす結晶粒の平均幅と平均アスペクト比を求めた。 さらに、ＥＢＳＤから求めたＢ層の各結晶粒の形状について、工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬの工具基体側から０．２Ｌ、０．８Ｌの高さ位置における工具基体表面に平行な方向の柱状結晶粒の幅Ｗ_０．２、Ｗ_０．８を求め、Ｂ層の結晶粒のうち、最大結晶粒長さＬがＢ層の平均層厚の６０％以上であり、かつ近似幅が０．１〜１．５μｍであり、かつアスペクト比が１．４以上であり、かつ最大結晶粒長さＬの工具基体側から０．２Ｌ、０．８Ｌの高さ位置における工具基体表面に平行な方向の柱状結晶粒の幅Ｗ_０．２、Ｗ_０．８が近似幅に対してそれぞれ２０％以内の差である柱状結晶粒を決定した。さらに、観察画像の視野内におけるこのような柱状結晶粒の縦断面面積を合計し、観察画像中のＢ層の縦断面面積で除することで、本願で規定する特徴的な柱状結晶粒が工具基体表面に垂直なＢ層の縦断面面積に占める面積割合を算出した。

次に、硬質被覆層全体の回折ピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）は、Ｃｒ管球を用いたＸ線回折によってＡ層とＢ層の重なった（２００）面の回折ピーク強度をＩ（２００）として測定し、また、Ａ層とＢ層の重なった（１１１）面の回折ピーク強度をＩ（１１１）として測定し、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）から求めた。
また、Ａ層の回折ピーク強度については、成膜後に上部層Ｂを集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）法などの手法で加工・除去したのち、前述したＸ線回折法を用いることで測定し、（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）と、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）からＩ（２００）／Ｉ（１１１）を求めた。

表４、表５に、上記で求めた各種の値を示す。

次いで、本発明工具１〜６および比較例工具１〜６について、
切削条件Ａ：
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の浸炭焼入れ材（ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度：２６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．１５ ｍｍ、
送り：０．１５ ｍｍ、
の乾式連続切削条件で切削試験を行い、切削長９１０ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定した。
表６にその結果を示す。

工具基体の作製：：
原料粉末として、Ｃｏ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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７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ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金工具基体１１〜１３を
製造した。

成膜工程：
前記ＷＣ基超硬合金工具基体１１〜１３に対して、図２に示したようなアークイオンプレーティング装置を用いて、実施例１の場合と同様にして、表８に示す条件で硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１０に示すＡ層とＢ層を有する本発明被覆工具(「本発明工具」という)１１〜１６を作製した。

比較のため、上記工具基体１１〜１３に対して、比較例工具１〜６と同様に、表９に示す条件で硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１１に示すＡ層とＢ層を有する比較例被覆工具(「比較例工具」という)１１〜１６を作製した。

上記で作製した本発明工具１１〜１６および比較例工具１１〜１６について、実施例１と同様にして、Ａ層、Ｂ層の平均組成、平均層厚を算出した。
また、Ａ層とＢ層の結晶粒の工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬ、近似幅、アスペクト比およびＢ層の結晶粒の最大結晶粒長さＬの工具基体側から０．２Ｌ、０．８Ｌの高さ位置における柱状結晶粒の幅Ｗ_０．２、Ｗ_０．８、このような柱状結晶粒が工具基体表面に垂直なＢ層の縦断面面積に占める面積割合については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた断面観察により、算出した。
さらに、Ａ層および硬質被覆層全体の回折ピーク強度比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）は、Ｃｒ管球を用いたＸ線回折により求めた。
表１０、表１１に、上記で求めた各種の値を示す。

次いで、本発明工具１１〜１６および比較例工具１１〜１６について、ＳＥ４４５Ｒ０５０６Ｅのカッタを用いて、以下の切削条件Ｂで、単刃の高速正面フライス切削試験を実施した。
切削条件Ｂ：
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃのブロック材（幅６０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ）、
切削速度：２６０ ｍ／ｍｉｎ．、
回転速度：６６２ ｒｅｖ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ ｍｍ、
送り：０．１５ ｍｍ／刃、
切削幅：６０ ｍｍ
の条件で、切削長１３００ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定した。
表１２にその結果を示す。

表６の結果によれば、本発明工具１〜６の逃げ面摩耗幅の平均は約０．０９ｍｍ、また、表１２の結果によれば、本発明工具１１〜１６の逃げ面摩耗幅の平均は約０．１４ｍｍであるのに対して、比較例工具１〜６、１１〜１６は逃げ面摩耗が進行し、また、短時間で欠損による寿命となるものも生じた。
この結果から、本発明工具は、比較例工具に比して、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の異常損傷性とともに耐摩耗性のいずれにおいてもすぐれていることが分かる。

本発明の表面被覆切削工具は、各種の鋼などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して大きな負荷がかかる炭素鋼、合金鋼などの高速切削加工においても、すぐれた耐異常損傷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。

Claims (1)

1. ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に、Ａ層とＢ層が積層された硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
   （ａ）前記Ａ層は、
   組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘは原子比で、０．４５≦ｘ≦０．６５）を満足する岩塩型立方晶の結晶構造を有し、０．１〜１．０μｍの平均層厚と０．０１〜０．１μｍの結晶粒の平均幅を有する微細粒状結晶組織のＴｉとＡｌの窒化物層からなり、
   （ｂ）前記Ｂ層は、
   組成式：（Ｔｉ_１−ｙＡｌ_ｙ）Ｎ（但し、ｙは原子比で、０．４≦ｙ≦０．６５）を満足する岩塩型立方晶の結晶構造を有し、０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する柱状結晶組織のＴｉとＡｌの窒化物層からなり、
   （ｃ）前記Ｂ層の柱状結晶粒を工具基体表面に垂直な縦断面で観察した場合、工具基体表面に垂直な方向の最大結晶粒長さＬがＢ層の平均層厚の６０％以上であって、かつ、柱状結晶粒の近似幅が０．１〜１．５μｍおよびアスペクト比が１．４以上であって、かつ、前記最大結晶粒長さＬの工具基体側から０．２Ｌ、０．８Ｌの高さ位置においてそれぞれ測定した柱状結晶粒の幅Ｗ_０．２、Ｗ_０．８と柱状結晶粒の近似幅との差がそれぞれ２０％以内である柱状結晶粒が、工具基体表面に垂直なＢ層の縦断面面積の５０％以上の面積割合を占め、
   （ｄ）前記Ａ層と硬質被覆層全体について、Ｘ線回折によって（２００）面の回折ピーク強度をＩ（２００）、（１１１）面の回折ピーク強度をＩ（１１１）として求めた時、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が７〜２０であることを特徴とする表面被覆切削工具。