JP2018144115A - 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 - Google Patents

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性、耐剥離性を備え、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供する。【解決手段】硬質被覆層が、ＴｉＡｌＣＮ層を少なくとも含み、該層のＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＣＮ結晶粒には、周期的な組成変化が存在し、かつ、ＴｉＡｌＣＮ層の層厚をその層厚方向に［Ｌａｖｇ］＋２分割した各区間におけるＡｌの平均含有割合を求めたとき、工具基体側の区間に比して、硬質被覆層表面側の区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合が単調増加し、最も工具基体側の区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合よりも最も硬質被覆層表面側の区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合の方が大きい値になる表面被覆切削工具。【選択図】 図１

Description

本発明は、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鋳鉄等の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、耐剥離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、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、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、剥離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。

例えば、特許文献１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、Ａｌの含有割合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、切削性能にどのような影響を及ぼしているかについては明らかでない。

また、例えば、特許文献２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（ただし、原子比で、ｘは０．６５〜０．９０）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。

また、例えば、特許文献３には、基材表面に形成された硬質被膜のうちの少なくとも１層をＣＶＤ法により形成した表面被覆部材において、第１単位層と第２単位層とが交互に多層積層され、第１単位層は、Ｔｉと、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とを含む第１化合物を含み、第２単位層は、Ａｌと、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とを含む第２化合物を含むことにより、表面被覆部材の耐摩耗性、耐溶着性および耐熱衝撃性を向上させることが提案されている。

また、例えば、特許文献４には、基材表面に形成された硬質被膜のうちの少なくとも１層をＣＶＤ法により形成した表面被覆部材において、前記層のうち少なくとも１層は、硬質粒子を含む層であり、前記硬質粒子は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造を含み、前記第１単位層は、周期表の４族元素、５族元素、６族元素およびＡｌからなる群より選ばれる１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる第１化合物を含み、前記第２単位層は、周期表の４族元素、５族元素、６族元素およびＡｌからなる群より選ばれる１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる第２化合物を含むことにより、表面被覆部材の耐摩耗性、耐溶着性を向上させることが提案されている。

特表２０１１−５１６７２２号公報 特表２０１１−５１３５９４号公報 特開２０１４−１２８８４８号公報 特開２０１４−１２９５６２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、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に記載されている化学蒸着法で蒸着形成した（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ層については、Ａｌの含有割合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、工具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。
また、前記特許文献２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、層間の密着強度が不十分で、鋳鉄等の高速断続切削加工に供した場合には、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。
さらに、前記特許文献３、４に記載される被覆工具においても、鋳鉄等の高速断続切削加工に供した場合には、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いえなかった。
そこで、本発明は、鋳鉄等の高速断続切削等に供した場合であっても、層間の密着強度に優れ、チッピング、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

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、「ＴｉＡｌＣＮ」、「（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形成した被覆工具の耐チッピング性、耐剥離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。

即ち、本発明者らは、硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＣＮ層の結晶粒内の濃度変化に着目し鋭意研究を進めたところ、ＴｉＡｌＣＮ層のＮａＣｌ型の立方晶構造を有する結晶粒粒内にＴｉとＡｌの周期的な組成変化を形成し、さらに、ＴｉＡｌＣＮ層をその層厚方向の複数区間に分割した場合、各区間におけるＡｌの平均含有割合が硬質被覆層の表面側の区間ほど大きくなるような組成変化を形成することにより、結晶粒に歪を生成させて硬さを高めることができ、また、Ａｌの平均含有割合の傾斜により、下部層との密着強度を高めることができるとともに、硬質被覆層表面で発生したクラックの工具基体表面方向への伝播を抑制し、さらに、組成変化の界面におけるクラック進展抑制効果も相まって、ＴｉＡｌＣＮ層の耐チッピング性、耐剥離性を高め得ることを見出した。
その結果、本発明の被覆工具は、高熱発生を伴うとともに、刃先に断続的・衝撃的な高負荷が作用する鋳鉄等の高速断続切削に供した場合であっても、チッピング、剥離等の異常損傷を発生することなく、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できる。

そして、前述のような構成のＴｉＡｌＣＮ層は、例えば、ＮＨ_３を用いた熱ＣＶＤ法によって形成することができる。
つまり、ＮＨ_３とＨ_２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ_４、ＡｌＣｌ_３、Ｎ_２、Ｃ_２Ｈ_４、Ｈ_２からなるガス群Ｂをおのおの別々のガス供給管から反応装置内へ供給し、ＡｌＣｌ_３/ＴｉＣｌ_４比を逐次的に増加させながら成膜することにより、工具基体表面から硬質皮膜表面方向へ向かって、Ａｌ量が周期的な組成変化をしながら次第に増加するＴｉＡｌＣＮ層が成膜される。なお、高Ａｌ量のＴｉＡｌＣＮ層の成膜において、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化は１周期当たりのガス供給時間や供給量を制御することによって形成される。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 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、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、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、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する複合窒化物または複合炭窒化物の相を少なくとも含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を含み、
（ｄ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、その平均組成を、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）
で表し、平均層厚をＬ_ａｖｇ（μｍ）とした場合、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合を求めたとき、各区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘ_ａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合Ｙ_ａｖｇ（但し、Ｘ_ａｖｇ、Ｙ_ａｖｇはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙ_ａｖｇ≦０．００５を満足し、
（ｅ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合を求めたとき、 工具基体側の区間に比して、硬質被覆層表面側の区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合が単調増加し、最も工具基体側の区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合よりも最も硬質被覆層表面側の区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合の方が大きい値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を工具基体の表面と垂直な縦断面から分析した場合、前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合は、４０面積％以上であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小になる方向と、工具基体表面に垂直な方向とのなす角が３０度以内であるようなＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が存在することを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４） 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間における前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の平均周期を求めたとき、工具基体側の区間に比して硬質被覆層表面側の区間におけるＴｉとＡｌの組成変化の平均周期が短くなる（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５） 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間における前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒において、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小になる方向について測定した各区間のＴｉとＡｌの周期的な組成変化の平均周期は１〜２０ｎｍであり、かつ、周期的に変化するＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合Ｘの隣接する極大値Ｘｍａｘと極小値Ｘｍｉｎの差Δｘの最大値は０．０１〜０．１であ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ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を工具基体の表面と垂直な縦断面から観察した場合に、該層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する個々の結晶粒の粒界部に、六方晶構造を有する微粒結晶粒が存在し、該微粒結晶粒が前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合は５面積％以下であり、該微粒結晶粒の平均粒径Ｒは０．０１〜０．３μｍであ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。
（７） 前記工具基体と前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の間に、組成の異なるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層、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、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層が存在することを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（８） 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で形成されていることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれか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。

本発明のＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層（ＴｉＡｌＣＮ層）：
図１〜図５は、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の概略説明図であり、図１は、硬質被覆層表面側ほど、ＴｉＡｌＣＮ層におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合（以下、単に、「Ａｌの含有割合」という）が高くなる様子を示し、図２は、ＴｉＡｌＣＮ層の層厚方向に向かって、周期的な組成変化を示しながら硬質被覆層表面側ほど、Ａｌの含有割合が高くなることを示す概略説明図である。図３はＴｉＡｌＣＮ層の層厚方向に向かって、周期的な組成変化を示しながら、硬質被覆層表面側の区間ほど、Ａｌの含有割合が高くなる別の態様を示す概略説明図である。図４は、ＴｉＡｌＣＮ層の層厚方向に向かって、周期的な組成変化を示しながら組成変化の周期が小さくなり、かつ硬質被覆層表面側ほど、Ａｌの含有割合が高くなる様子を表し、図５はＴｉＡｌＣＮ層の層厚方向に向かって、周期的な組成変化を示しながら組成変化の周期が小さくなり、かつ硬質被覆層表面側ほど、Ａｌの含有割合が高くなることを示す概略説明図である。

ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、前述したようにＮＨ_３を用いた熱ＣＶＤ法によって形成されたＴｉＡｌＣＮ層を少なくとも含む。
このＴｉＡｌＣＮ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、ＴｉＡｌＣＮ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。

ＴｉＡｌＣＮ層の組成：
本発明の硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＣＮ層を、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）
で表し、平均層厚をＬ_ａｖｇ（μｍ）とした場合、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合を求めたとき、各区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合（以下、単に、「Ａｌの平均含有割合」という）Ｘ_ａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合（以下、単に、「Ｃの平均含有割合」という）Ｙ_ａｖｇ（但し、Ｘ_ａｖｇ、Ｙ_ａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙ_ａｖｇ≦０．００５を満足するように定める。
その理由は、ＴｉＡｌＣＮ層の硬さを担保するためにはＡｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇの高いＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒からなるＴｉＡｌＣＮ層を形成することが望まれるが、Ａｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇが０．６０未満では、硬さが十分でないため耐摩耗性の向上を図ることはできず、一方、０．６０≦Ｘ_ａｖｇにおいて硬さが最大値に漸近するが、０．９５＜Ｘ_ａｖｇになると、硬さを確保する上で重要なＮａＣｌ型の面心立方構造を維持するのが難しく、硬さが低い六方晶構造のＴｉＡｌＣＮ結晶粒が生成するため、Ａｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇは、０．６０≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９５の範囲内とする。
また、ＴｉＡｌＣＮ層に含まれるＣの平均含有割合Ｙ_ａｖｇは、０≦Ｙ_ａｖｇ≦０．００５の範囲の微量であるとき、ＴｉＡｌＣＮ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、結果として硬質被覆層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、Ｃの平均含有割合Ｙ_ａｖｇが０≦Ｙ_ａｖｇ≦０．００５の範囲を外れると、ＴｉＡｌＣＮ層の靭性が低下し、耐欠損性および耐チッピング性が低下するため好ましくない。したがって、Ｃの平均含有割合Ｙ_ａｖｇは、０≦Ｙ_ａｖｇ≦０．００５とする。
ただし、Ｃの平均含有割合Ｙ_ａｖｇについては、ガス原料としてＣを含むガスを用いなくても不可避的に含有されるＣの含有割合を除外している。具体的には、例えば、Ｃを含むガス原料であるＣ_２Ｈ_４の供給量を０とした場合に、ＴｉＡｌＣＮ層に含まれるＣの含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、例えば、Ｃ_２Ｈ_４を意図的に供給した場合に得られるＴｉＡｌＣＮ層に含まれるＣの含有割合（原子比）から前記不可避的に含有されるＣの含有割合を差し引いた値をＹ_ａｖｇとする。

ＴｉＡｌＣＮ層におけるＡｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇについては、透過型電子顕微鏡を用いて、加速電圧２００ｋＶの条件において前記ＴｉＡｌＣＮ層縦断面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、断面側から線分析を行うことによって、次のように求めることが出来る。
ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚をＬ_ａｖｇ（μｍ）とした場合、該ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を、層厚方向に[Ｌ_ａｖｇ]＋２分割した各区間におけるＡｌの含有割合の平均値を求めたとき硬質被覆層表面側の区間におけるＡｌの含有割合の平均値は、工具基体側の区間におけるＡｌの含有割合の平均値に比して単調増加し、最も工具基体側の区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合よりも最も硬質被覆層表面側の区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合の方が大きい値であることが必要である。
また、分割した各区間におけるＡｌの含有割合は、工具基体表面と垂直な方向に少なくとも１０本以上の線分析を行い、測定点の平均値としてそれぞれ分割した区間毎に求めることが出来る。さらに、この各区間のＡｌの含有割合の平均値を用い、全区間の平均値を取り、Ｘ_ａｖｇとして算出する。

周期的な組成変化：
図１〜図５の模式図に示すように、ＴｉＡｌＣＮ層のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒内には、周期的な組成変化が存在することが必要である。また、前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合は、４０面積％以上であることが好ましい。
また、前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化において、周期的な組成変化の周期が最小となる方向と、工具基体表面に垂直な方向とのなす角が３０度以内であるようなＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が少なくとも存在することが好ましい。
本発明でいう「ＴｉとＡｌの周期的な組成変化」とは、Ａｌの含有割合が増減を繰り返しながら、全体としては、工具基体側から上部層側に向かって増加することをいう。ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期とは、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小となる方向において測定される隣り合う極小値の長さ（距離）のことである。
前記でいう「周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な方向とのなす角度が３０度以内」の方向とは、「硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＣＮ層を、工具基体の表面と垂直な任意の縦断面から分析した場合、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒内に存在するＴｉとＡｌの周期的な組成変化のうちで、組成変化の周期が最小になる方向を求め、該組成変化の周期が最小になる方向と工具基体表面に垂直な方向となす角が３０度以内であるような周期的な組成変化の方向」（以下、「本発明組成変化の方向」と略記する）のことである。
ここで、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒には、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在することが必要である理由と、前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合は、４０面積％以上であることが好ましい理由、あるいは周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な方向とのなす角度が３０度以内の方向であるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が少なくとも存在することが好ましい理由は、次のとおりである。
本発明では、ＴｉＡｌＣＮ層の成膜を、反応ガス群Ａとガス群Ｂを工具基体表面に到達する時間に差が生じるように供給する事により、結晶粒内にＴｉとＡｌの局所的な組成差を形成することができる。前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が膜中に存在すると、切削時に摩耗が進行する面に作用するせん断力により生じるクラックの進展を抑制し、靱性が向上する。このクラック進展抑制効果については、ＴｉとＡｌの組成の異なる境界において、その進展方向の曲がりや屈折が生じることにより発揮されるものと推測される。
前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合が、４０面積％未満であると前記クラックの進展を抑制する効果が小さくなり、靱性向上の効果も小さくなる。
特に 前記工具基体表面に垂直な方向となす角度が３０度以内の方向の周期的な組成変化は、切削時に摩耗が進行する面に作用するせん断力により生じる基体と垂直な方向へのクラックの進展を抑制し、靭性が向上するが、周期的な組成変化の方向が、工具基体表面に垂直な方向となす角度が３０度を超えると、工具基体と垂直な方向へのクラックの進展を抑制する効果が小さくなり、靭性向上の効果も小さくなる。
したがって、本発明では、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒には、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在することが必要であり、前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合は、４０面積％以上であること、また、前記結晶粒内における周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な方向となす角度が３０度以内の方向であることが好ましい。

なお、前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合は、４０面積％以上であることの測定、確認は次のように行った。透過型電子顕微鏡を用いて、１μｍ×１μｍの像におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化に対応する画像のコントラストの変化、あるいはエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によって確認されるＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有する結晶粒の面積をそれぞれ算出し、前記１μｍ×１μｍの観察領域に占める面積割合を少なくとも１０視野で求め、その平均値を、本発明組成変化を有する結晶粒の面積として求めることが出来る。
また、結晶粒内における周期的な組成変化の方向が、工具基体表面に垂直な方向となす角度が３０度以内の方向であるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の存在の測定・確認は、透過型電子顕微鏡を用いて、１μｍ×１μｍの像におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化に対応する画像のコントラストの変化、あるいはエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によって確認されるＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有する領域から、各結晶粒の組成変化の方向を求め、これらの中から、周期的組成変化の方向が工具基体表面に垂直な方向となす角が３０度以内である結晶粒を抽出することによって、測定・確認することが出来る。

本発明のＴｉＡｌＣＮ層は、前述の周期的な組成変化を示すとともに、ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚をＬ_ａｖｇ（μｍ）とした場合、該ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を、層厚方向に[Ｌ_ａｖｇ]＋２分割した各区間におけるＡｌの含有割合の平均値を求めたとき、硬質被覆層表面側の区間におけるＡｌの含有割合の平均値は、工具基体側の区間におけるＡｌの含有割合の平均値に比して単調増加し、最も工具基体側の区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合よりも最も硬質被覆層表面側の区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合の方が大きい値であることが必要である。
これは、ＴｉＡｌＣＮ層を、ＮａＣｌ型の立方晶構造の結晶粒を主体として形成し、該層の硬さを担保し、硬質被覆層全体としての耐摩耗性を向上させると同時に、工具基体（あるいは後記する下部層）との密着性を高め、硬質被覆層全体としての耐チッピング性、耐剥離性を向上させるためである。
なお、前記[Ｌ_ａｖｇ]はガウス記号を表す。
ガウス記号［Ｌ_ａｖｇ］はＬ_ａｖｇを超えない最大の整数を表す数学記号であり、言い換えれば、［Ｌ_ａｖｇ］は、ｎ≦Ｌ_ａｖｇ＜ｎ+１で定義される数値（ただし、ｎは整数）をいう。
例えば、ＴｉＡｌＣＮ層のＬ_ａｖｇ＝１．５（μｍ）の場合、［１．５］＝１であるから、『［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割』とは、１＋２＝３分割ということになる。
また、前記それぞれの区間毎のＡｌの含有割合の平均値は、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて、断面側から線分析を行うことによって、確認することが出来る。分割した各区間におけるＡｌの含有割合は、工具基体表面と垂直な方向に少なくとも１０本以上の線分析を行い、該測定値の平均値としてそれぞれ分割した区間毎に求める。

本発明のＴｉＡｌＣＮ層の本発明組成変化の方向を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒において、ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化の平均周期を求めたとき、工具基体側の区間における組成変化の平均周期に比して、硬質被覆層表面側の区間における組成変化の平均周期が短くなることが好ましい（図４、図５参照）。
これは、Ａｌ含有割合が多いほど、ＡｌＴｉＣＮ層の格子定数が小さくなるために、格子歪を付与し、また、亀裂進展性能を発揮するための最適なＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が小さくなるためという理由による。

本発明組成変化の方向を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒について測定した組成変化の平均周期は１〜２０ｎｍであり、かつ、周期的に変化するＡｌの含有割合Ｘの隣接する極大値Ｘｍａｘと極小値Ｘｍｉｎの差Δｘの最大値は０．０１〜０．１であることが望ましい。
これは、組成変化の周期が１ｎｍ未満であると、結晶粒の歪みが大きくなり過ぎ、格子欠陥が多くなり、硬さが低下し、一方、組成変化の周期が２０ｎｍを超えると、切削時のクラックの進展抑制のための十分な緩衝作用が見込めないことから、組成変化の周期は１〜２０ｎｍとすることが望ましい。
また、前記結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在することによって、結晶粒に歪みが生じ、硬さが向上するが、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化量の大きさの指標であるＡｌの含有割合Ｘの隣接する極大値Ｘｍａｘと極小値Ｘｍｉｎの差Δｘが０．０１より小さいと結晶粒の歪みが小さく十分な硬さの向上が見込めず、一方、Δｘが０．１を超えると結晶粒の歪みが大きくなり過ぎ、格子欠陥が増加し硬さが低下することから、Δｘを０．０１〜０．１とすることが望ましい。
図２、図３、図５には、結晶粒内に存在するＴｉとＡｌの周期的な組成変化の様子を、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て求めたＴｉとＡｌの周期的な組成変化を示すグラフの一例を示す。

ＴｉＡｌＣＮ層中に存在する微粒六方晶結晶粒：
本発明のＴｉＡｌＣＮ層では、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の粒界に六方晶構造の微粒結晶粒を含有することができる。
硬さにすぐれたＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の粒界に、微粒六方晶が存在することで粒界すべりが抑えられ、ＴｉＡｌＣＮ層の靱性が向上する。しかし、六方晶構造の微粒結晶粒の面積割合が５面積％を超えると相対的に硬さが低下し好ましくなく、また、六方晶構造の微粒結晶粒の平均粒径Ｒが０．０１μｍ未満であると粒界滑りを抑制する効果が十分でなく、一方、０．３μｍを超えると層内の歪みが大きくなり硬さが低下する。
したがって、ＴｉＡｌＣＮ層中に存在する微粒六方晶結晶粒の面積割合は、５面積％以下であることが好ましく、また、該微粒六方晶結晶粒の平均粒径Ｒは０．０１〜０．３μｍとすることが好ましい。
なお、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の粒界に存在する六方晶構造の微粒結晶粒は、透過型電子顕微鏡を用いて電子線回折図形を解析することにより同定することができ、また、六方晶構造の微粒結晶粒の平均粒子径は、粒界を含んだ１μｍ×１μｍの測定範囲内に存在する粒子について、粒径を測定し、それらの平均値を算出することによって求めることができる。

下部層および上部層：
本発明のＴｉＡｌＣＮ層は、それだけでも十分な効果を奏するが、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層以上のＴｉ化合物層からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層を設けた場合、および/または、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層であって、該上部層の合計平均層厚が１〜２５μｍである上部層を設けた場合には、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。
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層以上のＴｉ化合物層からなる下部層を設ける場合、下部層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に奏されず、一方、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、酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、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。

本発明は、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、所定の組成のＴｉＡｌＣＮ層を少なくとも含み、該ＴｉＡｌＣＮ層にはＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が存在し、また、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒内には、ＴｉとＡｌの組成変化（好ましくは、周期的な組成変化）が存在し、さらに、該ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌ_ａｖｇを、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間におけるＡｌの平均含有割合を求めたとき、工具基体側の区間に比して、硬質被覆層表面側の区間ほど、Ａｌの平均含有割合が高くなるため、結晶粒に歪が生じて硬さが向上し、また、周期的な組成変化とＡｌの含有割合の傾斜構造により、クラックの伝播・進展が抑制され、耐チッピング性、耐剥離性、耐摩耗性が向上する。
したがって、上記の硬質被覆層を備える本発明の被覆工具は、鋳鉄等の高速断続切削等に供した場合であっても、層間の密着強度に優れ、チッピング、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。

本発明のＴｉＡｌＣＮ層におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化の一つの態様を示す模式図であり、硬質被覆層表面側ほど、Ａｌの平均含有割合が相対的に多くなっていることを示す。また、図中の矢印の方向が、各結晶粒におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小になる方向を表す。 図１に示す本発明のＴｉＡｌＣＮ層におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化の一つの態様をグラフ化した模式図であり、硬質被覆層表面側ほど、Ａｌの平均含有割合が相対的に多くなっていることを示す。 本発明のＴｉＡｌＣＮ層におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化の別の態様を示す模式図であり、硬質被覆層表面側ほど、Ａｌの平均含有割合が相対的に多くなっていることを示す。 本発明のＴｉＡｌＣＮ層におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化の一つの態様を示す模式図であり、硬質被覆層表面側ほど、Ａｌの平均含有割合が相対的に多くなるとともに、組成変化の周期が短くなっていることを示す。 図４に示す本発明のＴｉＡｌＣＮ層におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化の別の態様をグラフ化した模式図であり、硬質被覆層表面側ほど、Ａｌの平均含有割合が相対的に多くなるとともに、組成変化の周期が短くなっていることを示す。

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、以下の実施例では、工具基体として、炭化タングステン基超硬合金（以下、「ＷＣ基超硬合金」で示す。）あるいは炭窒化チタン基サーメット（以下、「ＴｉＣＮ基サーメット」で示す。）を用いた場合について説明するが、立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体を工具基体として用いた場合も同様である。

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、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。

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。

つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｄの表面に、化学蒸着装置を用い、表４、表５に示される形成条件Ａ〜Ｊにより、ＡｌＣｌ_３／ＴｉＣｌ_４の比の値を逐次的に増加させながら、また、ガスの供給時間や供給量を調整することによって、表９に示される本発明被覆工具１〜１６を製造した。
つまり、表４、表５に示される形成条件Ａ〜Ｈにしたがい、ＮＨ_３とＨ_２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ_４、ＡｌＣｌ_３、Ｎ_２、Ｃ_２Ｈ_４、Ｈ_２からなるガス群Ｂ、および、おのおのガスの供給方法として、反応ガス組成（ガス群Ａおよびガス群Ｂを合わせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ_３：２．０〜５．０％、Ｈ_２：５０〜６５％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ_３：０．６〜１．０％、ＴｉＣｌ_４：０．０７〜０．６％、Ｎ_２：０．０〜１２．０％、Ｃ_２Ｈ_４：０〜０．５％、Ｈ_２：残、反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃、供給周期１〜５秒、１周期当たりのガス供給時間０．１０〜０．１４秒、ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差０．０４〜０．０９秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行い、表９に示されるＴｉＡｌＣＮ層を成膜することにより本発明被覆工具１〜１６を製造した。
なお、本発明被覆工具１〜３、９〜１１については、それぞれ、表３に示される形成条件で、表８に示される下部層、上部層を形成した。

また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｄの表面に、表６および表７に示される比較成膜工程の条件で、本発明被覆工具１〜１６と同様に、少なくともＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層を蒸着形成し比較例被覆工具１〜１０を製造した。
但し、比較例被覆工具２、７、１０は、ＴｉＡｌＣＮ層の成膜工程中に、工具基体表面における反応ガス組成が時間的に変化しない様に硬質被覆層を形成した。
なお、本発明被覆工具と同様に、比較例被覆工具１〜３、６〜８については、表３に示される形成条件で、表８に示される下部層、上部層を形成した。

本発明被覆工具１〜１６、比較例被覆工具１〜１０の各構成層の工具基体に垂直な方向の断面を、走査型電子顕微鏡あるいは透過型電子顕微鏡を用いて測定し、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９および表１０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、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて、断面側から線分析を行うことによって、ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚をＬ_ａｖｇ（μｍ）とした場合、該ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を層厚方向に[Ｌ_ａｖｇ]＋２分割した時の各区間におけるＡｌの含有割合の平均値を求めた。分割した各区間におけるＡｌの含有割合は、工具基体表面と垂直な方向に少なくとも１０本以上の線分析を行い、該測定値の平均値としてそれぞれ分割した区間毎に求めた。また、Ｃの平均含有割合Ｙ_ａｖｇ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。Ｃの平均含有割合Ｙ_ａｖｇはＴｉＡｌＣＮ層についての深さ方向の平均値を示す。ただし、Ｃの平均含有割合Ｙ_ａｖｇには、意図的にガス原料としてＣを含むガスを用いなくても含まれる不可避的なＣの含有割合を除外している。具体的にはＣ_２Ｈ_４の供給量を０とした場合のＴｉＡｌＣＮ層に含まれるＣの含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、Ｃ_２Ｈ_４を意図的に供給した場合に得られるＴｉＡｌＣＮ層に含まれるＣの含有割合（原子比）から前記不可避的なＣの含有割合を差し引いた値をＹ_ａｖｇとして求めた。

また、透過型電子顕微鏡を用いて、加速電圧２００ｋＶの条件においてＴｉＡｌＣＮ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、工具基体表面に垂直な縦断面について面分析を行うことによって、前記立方晶構造を有する結晶粒内に、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在するか否かを確認した。
表９、表１０にその結果を示す。
また、前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合を次のようにして測定した。
透過型電子顕微鏡を用いて、１μｍ×１μｍの像におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化に対応する画像のコントラストの変化、あるいはエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によって確認されるＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有する結晶粒の面積をそれぞれ算出し、前記１μｍ×１μｍの観察領域に占める面積割合を少なくとも１０視野で求め、その平均値として算出し、表９、表１０に示す。
さらに、上記周期的な組成変化の方向について、工具基体表面に垂直な方向とのなす角度を次のようにして測定した。
透過型電子顕微鏡を用いて、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒内における工具基体表面と垂直な任意の断面から任意の１μｍ×１μｍの領域において観察を行い、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在し、前記断面におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小になる方向と工具基体表面に垂直な方向とのなす角を測定することにより、求めた。
そして、測定された「周期的な組成変化の周期が最小になる方向と工具基体表面に垂直な方向とのなす角」のうちで、最小の角度を、周期的組成変化の方向（度）として、この周期的な組成変化の方向が３０度以内であるかを判定した。
この周期的な組成変化の方向が３０度以内である場合を「有」、３０度を超える場合を「無」として表９、表１０に示す。

また、本発明被覆工具１〜１６の周期的組成変化が形成されているＴｉＡｌＣＮ結晶粒について、ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚をＬ_ａｖｇ(μｍ)とした場合に、前記ＴｉＡｌＣＮ層をその層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割し、分割された各区間（例えば、ｍ分割された区間１，区間２，・・区間ｍ。但し、区間１が工具基体側であり、区間ｍが硬質被覆層の表面側である。）における層厚方向のＡｌの含有割合Ｘを測定し、各区間の層厚方向中央位置におけるＡｌの含有割合を該区間のＡｌの平均含有割合（例えば、区間１においてはＸ１，区間２においてはＸ２，・・区間ｍにおいてはＸｍ）とし、Ｘ１≦Ｘ２≦・・≦ＸｍかつＸ１＜Ｘｍを満たすかを確認した。Ｘ１≦Ｘ２≦・・≦ＸｍかつＸ１＜Ｘｍを満たすかの判定結果とＸ１とＸｍの測定結果について表９、表１０に示す。

また、前記の区間１〜区間ｍの結晶粒について、透過型電子顕微鏡を用いた微小領域の観察と、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いた断面側からの面分析により、各区間（区間１，区間２，・・区間ｍ）におけるＴｉとＡｌの組成変化の周期Ｐを求め、各区間の組成変化の平均周期（例えば、区間１、区間２、・・区間ｍにおける平均周期は、それぞれ、Ｐ１、Ｐ２、・・Ｐｍ）を求め、Ｐ１≧Ｐ２≧・・≧ＰｍかつＰ１＞Ｐｍを満たすかを確認した。
なお、各区間（区間１、区間２、・・区間ｍ）における平均周期Ｐ１、Ｐ２、・・Ｐｍの測定は、工具基体表面と垂直な方向に少なくとも１０本以上の線分析を行い、該測定値の平均値としてそれぞれ分割した区間毎に求める。Ｐ１≧Ｐ２≧・・≧ＰｍかつＰ１＞Ｐｍを満たすかの判定結果とＰ１、Ｐｍの測定結果を表９、表１０に示す。

さらに、周期的な組成変化におけるＡｌの含有割合Ｘの隣接する極大値Ｘｍａｘと極小値Ｘｍｉｎの差Δｘは、以下の測定手法で求めた。
工具基体表面の周期的な組成変化の方向に沿ってＥＤＳによる線分析を少なくとも１０本以上の線について行い、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の隣接する極大値Ｘｍａｘと極小値Ｘｍｉｎのそれぞれの差を求め、これらの値のうちの最大値をΔｘとして求めた。表９、表１０に、Δｘを示す。

また、前記ＴｉＡｌＣＮ層について、透過型電子顕微鏡を用いて複数視野に亘って観察し、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の粒界部に六方晶構造の微粒結晶粒が存在する面積割合および六方晶構造の微粒結晶粒の平均粒径Ｒを測定した。
なお、粒界に存在する微粒六方晶の同定は透過型電子顕微鏡を用いて電子線回折図形を解析することにより同定した。微粒六方晶の平均粒子径は粒界を含んだ１μｍ×１μｍの測定範囲内に存在する粒子について、粒径を測定し、微粒六方晶の総面積を算出した値から面積割合を求めた。また、粒径は六方晶と同定した粒に対して外接円を作成し、その外接円の半径を求め、その平均値を粒径とした。
表９、表１０に得られた結果を示す。

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１〜８、比較例被覆工具１〜５について、以下に示す切削条件Ａで、鋳鉄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。
≪切削条件Ａ≫
カッタ径： １２５ ｍｍ、
被削材： ＪＩＳ・ＦＣＤ７００幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
回転速度： ８９１ ｍｉｎ^−１、
切削速度： ４００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
一刃送り量： ０．２ ｍｍ／刃、
切削時間： ８分、
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、

また、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９〜１６、比較例被覆工具６〜１０について、以下に示す切削条件Ｂで、鋳鉄の乾式高速断続切削試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
≪切削条件Ｂ≫
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ７００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ ｍｍ、
送り：０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５ 分、
（通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ）、
表１１、表１２に、前記切削試験Ａ、切削試験Ｂの結果を示す。

表１１、表１２に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層の密着性、耐チッピング性、耐剥離性にすぐれ、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、チッピング、剥離の発生を抑制し、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性が発揮される。

これに対して、硬質被覆層を構成するＡｌＴｉＣＮ層に周期的な組成変化がない比較例の被覆工具、あるいは、層厚方向に測定した各区間におけるＡｌの含有割合が本発明の規定を満たさない比較例の被覆工具は、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、剥離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、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等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。

Claims (8)

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、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
   （ａ）前記硬質被覆層は、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、
   （ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する複合窒化物または複合炭窒化物の相を少なくとも含み、
   （ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を含み、
   （ｄ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、その平均組成を、
   組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_１−Ｙ）
   で表し、平均層厚をＬ_ａｖｇ（μｍ）とした場合、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合を求めたとき、各区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘ_ａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合Ｙ_ａｖｇ（但し、Ｘ_ａｖｇ、Ｙ_ａｖｇはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙ_ａｖｇ≦０．００５を満足し、
   （ｅ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合を求めたとき、 工具基体側の区間に比して、硬質被覆層表面側の区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合が単調増加し、最も工具基体側の区間のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合よりも最も硬質被覆層表面側の区間におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合の方が大きい値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を工具基体の表面と垂直な縦断面から分析した場合、前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合は、４０面積％以上であ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。
3. 前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小になる方向と、工具基体表面に垂直な方向とのなす角が３０度以内であるようなＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が存在することを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間における前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の平均周期を求めたとき、工具基体側の区間に比して硬質被覆層表面側の区間におけるＴｉとＡｌの組成変化の平均周期が短くなる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
5. 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚Ｌ_ａｖｇ（μｍ）を、その層厚方向に［Ｌ_ａｖｇ］＋２分割した各区間における前記ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒において、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小になる方向について測定した各区間のＴｉとＡｌの周期的な組成変化の平均周期は１〜２０ｎｍであり、かつ、周期的に変化するＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合Ｘの隣接する極大値Ｘｍａｘと極小値Ｘｍｉｎの差Δｘの最大値は０．０１〜０．１であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
6. 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を工具基体の表面と垂直な縦断面から観察した場合に、該層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する個々の結晶粒の粒界部に、六方晶構造を有する微粒結晶粒が存在し、該微粒結晶粒が前記複合窒化物または複合炭窒化物層の面積に占める割合は５面積％以下であり、該微粒結晶粒の平均粒径Ｒは０．０１〜０．３μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
7. 前記工具基体と前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の間に、組成の異なるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層、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、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層が存在することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
8. 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。