JP2017164859A

JP2017164859A - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐剥離性を発揮する表面被覆切削工具

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Publication number: JP2017164859A
Application number: JP2016053665A
Authority: JP
Inventors: 晃浩村上; Akihiro Murakami; 斉功刀; Hitoshi Kunugi; 千津子永山; Chizuko NAGAYAMA
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: JP6614446B2

Abstract

【課題】二相ステンレス鋼等の難削材の断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐溶着チッピング性、耐剥離性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体表面に硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具であって、工具基体表面直上には、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層が形成され、切れ刃近傍において前記工具基体表面から垂直方向に、前記Ｔｉ化合物層側へ０．２μｍにわたり、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加し、該窒素濃度の平均濃度勾配が２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であり、好ましくは、前記Ｔｉ化合物層の表面に、異なる膜種のＴｉ化合物層あるいはさらにα型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、二相ステンレス鋼のように溶着を発生しやすい難削材の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、耐剥離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。

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、同じく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（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）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。

ただ、このような被覆工具は、二相ステンレス鋼のような難削材の切削加工、特に、切れ刃に断続的かつ衝撃的な高負荷が作用する断続切削加工においては、溶着に起因するチッピング、剥離を発生しやすく、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、工具基体と硬質被覆層との密着性、耐剥離性を向上させることを目的として、工具基体と硬質被覆層との界面にはオージェ分光分析法で測定される酸素量を１０原子％以下とし、かつ、該界面における表面粗さが、算術平均粗さＲａ値換算で５０〜１５０ｎｍである微細凹凸を形成した被覆工具が提案されており、この被覆工具によれば、工具基体と硬質被覆層との界面に酸化物が介在せず、かつ界面の凹凸が所定の算術平均粗さＲａを有するため、工具基体と硬質被覆層との間の密着性が良くてチッピング、欠損や膜剥離の発生がないとされている。

特開２０１２−３０３０９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で提案されている被覆工具においては、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄の断続切削加工においてはある程度の耐チッピング性、耐欠損性を示すが、これを、難削材、例えば、二相ステンレス鋼の切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する断続切削加工に用いた場合には、二相ステンレス鋼は溶着が激しいため、この溶着発生を起因として、工具基体と硬質被覆層との界面での剥離を生じ、また、溶着チッピングを発生し、工具寿命が短命となる。
そこで、難削材の切削加工においても、耐チッピング性、耐剥離性がより優れる被覆工具が求められている。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工に用いた場合であっても、硬質被覆層がすぐれた密着性を備え、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐チッピング性、耐剥離性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った。
そして、工具基体と硬質被覆層の界面に存在する窒素濃度に着目して研究を進めたところ、工具基体表面に、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層を形成するとともに、硬質被覆層の界面から、硬質被覆層の表面に向かって、窒素濃度が漸次増加する領域を形成した場合には、工具基体と硬質被覆層との密着性の向上が認められ、その結果、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、溶着が発生したとしても、これを原因とするチッピング、剥離の発生を抑制し得ることを見出したのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具であって、工具基体表面直上には、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層が形成されており、切れ刃近傍において工具基体表面から垂直方向に窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２μｍ以内の範囲において、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下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において、前記少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層の表面に、これとは異なる膜種の一層又は多層のＴｉ化合物層が形成されてい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（２）に記載の表面被覆切削工具において、最表面の前記Ｔｉ化合物層の表面に、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層が形成されていることを特徴とする前記（２）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。

図１に、本発明被覆工具の縦断面模式図の一例を示す。
図１に示される本発明被覆工具の一つの態様によれば、本発明被覆工具は、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、第一層として、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層（図１では、窒素濃度が工具基体側から硬質被覆層表面側に向かって漸次増加するＴｉＣＮ層）が形成され、その上に、第二層として、第一層とは異なる膜種のＴｉ化合物層が形成され、その上にさらに、Ａｌ_２Ｏ_３層が形成され、硬質被覆層は三層構造として形成されている。
前記第一層としてのＴｉ化合物層（以下、「第一Ｔｉ化合物層」ともいう）は、窒素濃度が層厚方向に向かって変化するＴｉＣＮ層、言い換えれば、層厚方向に沿って、工具基体表面側から硬質被覆層表面側に向かうにしたがって、層中に含有される窒素濃度が漸次増加するものである。
一方、第二層として形成されているＴｉ化合物層（以下、「第二Ｔｉ化合物層」ともいう。図１では、ＴｉＣＮ層）は、該層内において成分濃度がほぼ均一なＴｉ化合物層であって、層厚方向に沿った窒素濃度の変化はない。
したがって、前記第一Ｔｉ化合物層と第二Ｔｉ化合物層とは、例えば、ＴｉＣＮ系というように成分系が同じであったとしても、少なくとも層厚方向に沿った窒素濃度の変化の有無という点で、異なるＴｉ化合物層であるといえる。

第一層である少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層（第一Ｔｉ化合物層）：
工具基体表面に形成される第一Ｔｉ化合物層は、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層であり、例えば、Ｔｉの炭窒化物（ＴｉＣＮ）層あるいはＴｉの炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層である。
なお、第一Ｔｉ化合物層としては、ＴｉＣＮ層が好ましい。
前記第一Ｔｉ化合物層について、工具基体表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からの距離が離れるに従い、窒素濃度が漸次増加する領域が存在する。
そして、前記窒素濃度が漸次増加する領域が存在することによって、工具基体と第一Ｔｉ化合物層との界面密着性が向上する。
界面密着性が向上する理由を以下に記す。
まず、界面密着性を向上させるために第一Ｔｉ化合物層に求められる特徴は下記の２点である。
（１）切削時には、切削熱および切削によって刃先にかかる圧力により、超硬合金基体が変形することが知られており、第一Ｔｉ化合物層の靭性が高いほど、基体が変形した際に変形に追従することができ、剥離を生じにくくなる。
ＴｉＣとＴｉＮを比較すると、ＴｉＮの方が靭性に優れていることから、「超硬合金基体の変形に耐えるためには、第一Ｔｉ化合物層は、窒素量が多い方が好ましい」といえる。
（２）一方、「超硬合金基体とその直上のＴｉ化合物の熱膨張係率の差」は小さい方が、断続切削時に刃先温度が変化した際、界面にかかる熱応力が小さくなるため、剥離を生じ難くなると考えられる。
室温２５℃から１０００℃の間で測定した熱膨張係数は、超硬合金はおよそ６．０×１０^−６／℃（組成により異なる）、ＴｉＣは７．７×１０^−６／℃、ＴｉＮは９．２×１０^−６／℃であり、「刃先温度の変化に耐えるためには、超硬合金基体に接するＴｉ化合物は、窒素量が少ない方が好ましい」といえる。
そうすると、「工具基体表面から距離が離れるに従い窒素濃度が漸次増加している第一Ｔｉ化合物層」は、両者を両立しているため、界面密着性に優れていると考えられる。
すなわち、
（１） “第一Ｔｉ化合物層全体としては”窒素量が高く、第一Ｔｉ化合物層全体として靭性を確保することができるため、超硬合金基体の変形に十分耐えることができる。
（２）超硬合金基体に接するＴｉ化合物は、窒素量が少ないので超硬合金基体との熱膨張差が小さくなり、かつ第一Ｔｉ化合物層の内部での熱膨張率の変化が緩やかであるため、刃先温度変化への耐久性が向上する。
ためであると推測される。
なお、前記第一Ｔｉ化合物層の平均層厚は、０．２〜２．０μｍであることが望ましい。これは、平均層厚が、０．２μｍ未満であると、層厚方向に沿って窒素濃度を漸次増加させたことによる工具基体との密着性向上効果が少なく、一方、平均層厚が２．０μｍを超えると、耐摩耗性に優れる他の層の厚さを確保し難くなるためである。
つまり、第一Ｔｉ化合物層は密着性の確保を目的に形成しており、高温硬さ、高温強度は第二Ｔｉ化合物層に劣る。しかし、硬質被覆層の総厚が厚いほど剥離を生じやすくなってしまうため、第一Ｔｉ化合物層は「界面密着性が確保できる必要最小限の層厚」が望ましい。

また、前記窒素濃度の漸次増加において、工具基体表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたり、窒素濃度の平均濃度勾配が２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下である領域が存在することが必要である。
前記第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたる窒素濃度の平均濃度勾配が２０原子％／μｍ未満では、窒素濃度を漸次増加させたことによる効果が少ないため、「第一Ｔｉ化合物層全体としての靭性」と「超硬合金基体とその直上のＴｉ化合物の熱膨張係率の差を小さくすること」を十分に両立できないためであり、また、窒素濃度の平均濃度勾配が３００原子％／μｍを超えると、第一Ｔｉ化合物層中での熱膨張率の変化が急峻になりすぎ、刃先温度変化への耐久性が低下する（熱膨張系率の変化が大きすぎるため、温度が変化したときの熱応力が大きくなり、界面からの剥離を生じやすくなる）という理由による。

前記第一Ｔｉ化合物層、即ち、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層は、例えば、以下の方法で形成することができる。
まず、化学蒸着法による通常の条件、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ_４１．５〜５．０％，ＣＨ_３ＣＮ０．５〜１．５％，Ｎ_２８〜２５％，Ｈ_２残り、
反応雰囲気温度：８８０〜９２０℃、
反応雰囲気圧力：５〜９ｋＰａ、
で、ＴｉＣＮを最初蒸着し、その後、ＣＨ_３ＣＮ量を漸次減少させ、併せて他のガスの濃度および反応雰囲気圧力を漸次変化させ、
最終的に、ＴｉＮの通常の蒸着条件、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ_４３．５〜５．０％，Ｎ_２１５〜３５％，Ｈ_２残り、
反応雰囲気温度：８８０〜９２０℃、
反応雰囲気圧力：９〜３５ｋＰａ、
とする。
上記のような蒸着によって、工具基体表面直上には、成膜初期には、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層（上記例では、ＴｉＣＮ層）が形成され、ＴｉＮ層の成膜に、成膜条件が漸次変化することによって、第一Ｔｉ化合物層としては、工具基体表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたり、窒素濃度が漸次増加する（窒素濃度の平均濃度勾配が２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下）領域が存在する第一Ｔｉ化合物層を形成することができる。
なお、後述するが、第一Ｔｉ化合物中の窒素濃度が基体表面から０．２μｍまでの範囲にわたり徐々に窒素濃度が変化するよう、複数回に分けて成膜を行うことでも、界面密着性に優れた第一Ｔｉ化合物層を得ることが可能である。

前述した第一Ｔｉ化合物層を形成することによって、工具基体と硬質被覆層の密着性は向上し、難削材の断続切削において、溶着チッピング、剥離等の発生を抑制することはできるが、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を維持させるためには、第一Ｔｉ化合物層の表面に、第二Ｔｉ化合物層を形成し（必要に応じ、第三、第四、あるいはそれ以上の多層のＴｉ化合物層を設けてもよい）、あるいはさらに、耐摩耗性にすぐれたα−Ａｌ_２Ｏ_３層またはκ−Ａｌ_２Ｏ_３層を形成することが望ましい。

第二Ｔｉ化合物層：
第二Ｔｉ化合物層としては、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層から選ばれる何れか１層、または、少なくとも窒素と炭素を含有し、工具基体からの距離が離れるに従い窒素量が漸次変化する傾斜組成を有するＴｉ化合物層で形成することができる。
好ましい第二Ｔｉ化合物層は、高温硬さ、高温強度に優れているという観点から、ＴｉＣＮ層であるが、いずれのＴｉ化合物層であっても、硬質被覆層全体としての高温硬さ、高温強度を高める。また同時に、第一Ｔｉ化合物層との密着性にすぐれ、Ａｌ_２Ｏ_３層を形成した場合には、該α−Ａｌ_２Ｏ_３層あるいはκ−Ａｌ_２Ｏ_３層との密着性にもすぐれる。
第二Ｔｉ化合物層上にさらに第三、第四、あるいはそれ以上の多層のＴｉ化合物層を形成してもよい。
なお、Ｔｉ化合物層の平均総層厚は、２〜２５μｍであることが望ましい。これは、２μｍ未満であると高温硬さ、高温強度が十分に確保できず、耐摩耗性向上による寿命延長効果が少ないためであり、一方、平均層厚が２５μｍを超えると断続切削加工時に溶着チッピング、剥離等が発生するようになるという理由による。

Ａｌ_２Ｏ_３層と最外層：
Ｔｉ化合物層上に、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層を形成した場合には、既によく知られているように、高温硬さと耐熱性の向上が図られる。ただ、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層の平均層厚が０．５μｍ未満では、耐摩耗性向上による寿命延長効果が少なく、一方、その平均層厚が２０μｍを越えるとＡｌ_２Ｏ_３結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、断続切削加工時に溶着チッピング、剥離等が発生するようになることから、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層をＴｉ化合物層上に形成する場合には、その平均層厚を０．５〜２０μｍとすることが望ましい。
また、刃先識別性の向上のためにＡｌ_２Ｏ_３層上にＴｉＮ等を形成してもよく、さらに硬質被覆層の形成後にショットピーニング等の処理を施してもよい。

本発明の被覆工具は、工具基体表面に、第一Ｔｉ化合物層として、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層からなる硬質被覆層を形成し、該第一Ｔｉ化合物層において、工具基体表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度が漸次増加する領域が存在することにより、工具基体と第一Ｔｉ化合物層との界面密着性の向上を図ることができる。
したがって、本発明の被覆工具によれば、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、断続的・衝撃的高負荷が切れ刃に作用した場合であっても、溶着チッピングの発生、剥離の発生を抑制することができる。
さらに、本発明の被覆工具において、前記第一Ｔｉ化合物層の表面に、第二Ｔｉ化合物層を設けること、あるいは、必要に応じ、第三、第四、あるいはそれ以上の多層のＴｉ化合物層を設けること、また、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層を設けることによって、耐摩耗性をより一層向上させることができるとともに、切削工具の長寿命化を図ることができる。

本発明被覆工具の縦断面模式図の一例を示す。

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。

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：０．０４ｍｍ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、Ｂを製造した。

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、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、ＺｒＣ粉末、Ｍｏ₂Ｃ粉末およびＣｏ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：０．０４ｍｍ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Ｃを形成した。

つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｃの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、次のようにして、硬質被覆層を蒸着形成した。
まず、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層（第一Ｔｉ化合物層）を形成するために、表３に示される条件で、ＴｉＣＮを蒸着し、ついで、成膜条件を漸次変化させ、同じく表３に示す条件で、ＴｉＮあるいは窒素量の多いＴｉＣＮを蒸着成膜した。
このような蒸着により、工具基体表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度が漸次増加する領域を有する第一Ｔｉ化合物層を形成した。

ついで、表４に示される条件で第二Ｔｉ化合物層を蒸着し、さらに、同じく表４に示される条件で第三層であるα型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着することにより、表５に示される本発明被覆工具１〜１２を作製した。

前記本発明被覆工具１〜１２の工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面近傍について、オージェ電子分光法により、第一Ｔｉ化合物層中の種々の位置における窒素濃度（原子％）を測定した。
より具体的にいえば、まず切れ刃近傍（ホーニングを有する工具の場合はホーニング部、ホーニングの無い工具の場合は切れ刃から距離０．０２ｍｍ以内の領域を切れ刃近傍とする）にて、厚さ方向から１５°傾いた面で斜面ラップを行い、ＣＰ研磨を施した。次に工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面を挟んだ界面近傍領域において線分析を行い、工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．０４μｍに相当する位置（この位置を「位置Ａ」という。位置Ａは、“厚さ方向と平行な面で研磨した場合に、工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．０４μｍの位置”である。したがって厚さ方向から１５°傾いた面でラップして分析する場合は、０．０４／ｓｉｎ（１５°）＝０．１５より、工具基体表面と第一Ｔｉ化合物層との界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．１５μｍの位置が位置Ａである。）における窒素濃度、界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．１２μｍに相当する位置（「位置Ｂ」という）における窒素濃度、界面から第一Ｔｉ化合物層の内部へ０．２０μｍに相当する位置（「位置Ｃ」という）における窒素濃度をそれぞれ測定した。
そして、前記の線分析を、異なった界面近傍領域で５本行い、それぞれの位置において測定された窒素濃度を平均し、この値を、各位置における「窒素濃度（原子％）」として求めた。
さらに、前記で求めた「窒素濃度（原子％）」から、位置Ａ−位置Ｂ間における窒素濃度の平均濃度勾配を、平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）＝（位置Ｂでの窒素濃度−位置Ａでの窒素濃度）／（０．１２−０．０４）として算出し、また、位置Ｂ−位置Ｃ間における窒素濃度の平均濃度勾配を、平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）＝（位置Ｃでの窒素濃度−位置Ｂでの窒素濃度）／（０．２０−０．１２）として算出した。
表５に、前記で求めた「窒素濃度（原子％）」、平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）および平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）を示す。
ここで「平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）と平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）が、いずれも、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であること」を以て、「切れ刃近傍において工具基体表面から垂直方向に窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２μｍ以内の範囲において、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下である」とする。
なお、第一Ｔｉ化合物層の形成法について、ガス濃度および成膜雰囲気圧力を漸次変化させる方法以外に、ガス条件を段階的に変化させる方法も考えられる。この場合でも「平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）と平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）が、いずれも、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であること」の条件を満たせば、界面密着性に優れた第一Ｔｉ化合物層を得ることが出来る。

比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表４に示される条件でＴｉ化合物層を蒸着し、さらに同じく表４に示される条件で、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層を蒸着することにより、表６に示される比較例被覆工具１〜８を作製した。

前記で作製した比較例被覆工具１〜８について、本発明被覆工具１〜１２の場合と同様に、位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃにおける「窒素濃度（原子％）」を求め、さらに、濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）および濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）を求めた。
表６に、これらの値を示す。
なお、比較例被覆工具３、５、６、８の位置Ａにおける窒素量が５０原子％でないのは、基体からわずかに炭素が拡散したためと推定される。同様に、比較例被覆工具７の位置Ａにおける窒素量が０原子％でないのは、基体からわずかに窒素が拡散したためと推定される。

なお、本発明被覆工具１〜１２および比較例被覆工具１〜８の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定し平均層厚を求めた。
表５、表６に、これらの値を示す。

つぎに、上記本発明被覆工具１〜１２および比較例被覆工具１〜８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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３２９の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１．０分、
の条件での二相ステンレス鋼の湿式断続切削加工試験、
を行い、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を測定するとともに、切れ刃の目視観察を行い、すくい面の溶着チッピングの有無を確認した。
表７に、その結果を示す。

表５〜７に示される結果から、本発明被覆工具の硬質被覆層は、「工具基体表面直上には、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層が形成されており、切れ刃近傍において工具基体表面から垂直方向に窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２μｍ以内の範囲において、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下」であることから、工具基体と第一Ｔｉ化合物層との界面密着性の向上が図られていることから、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、断続的・衝撃的高負荷が切れ刃に作用した場合であっても、溶着チッピングの発生、剥離の発生を抑制することができる。

これに対して、比較例被覆工具では、「工具基体表面直上には、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層が形成されており、切れ刃近傍において工具基体表面から垂直方向に窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２μｍ以内の範囲において、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下」ではないことから、工具基体と第一Ｔｉ化合物層との界面密着性が不足しており、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工では、溶着チッピングあるいは欠損の発生によって、工具寿命が短命となっており、本発明被覆工具に比して切削性能が劣ることは明らかである。

前述のように、本発明の被覆工具は、二相ステンレス鋼の断続切削加工においてすぐれた切削性能を発揮するのみならず、各種の難削材の刃先に高負荷が作用する断続切削加工において、溶着チッピング、剥離等の発生を招くことなく、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものである。

Claims

ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具であって、工具基体表面直上には、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層が形成されており、切れ刃近傍において工具基体表面から垂直方向に窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２μｍ以内の範囲において、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
請求項１に記載の表面被覆切削工具において、前記少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層の表面に、これとは異なる膜種の一層又は多層のＴｉ化合物層が形成されてい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２に記載の表面被覆切削工具において、最表面の前記Ｔｉ化合物層の表面に、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の表面被覆切削工具。