JP2018176381A - 高耐欠損性を有する被覆超硬合金工具 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼の切刃に対する衝撃的な高負荷が作用する高速かつ断続の厳しい条件下におけるミーリング加工において、高耐チッピング性、耐欠損性、及び、耐酸化性において優れた硬質被覆層を備えた被覆工具の提供。
【解決手段】硬質被覆層は、工具基体と接するＡｌＴｉＮ下層と、ＡｌＴｉＮ下層に接するＴｉＣＮ層と、ＴｉＣＮ層に接するＡｌＴｉＮ上層とを少なくとも含み、ＡｌＴｉＮ下層の平均層厚をａ、ＴｉＣＮ層の平均層厚をｂ及びＡｌＴｉＮ上層の平均層厚をｃとしたとき、（ａ＋ｂ＋ｃ）が５〜１５μｍ、ｂが２μｍ以上、ｃが２μｍ以上、ａ及びｃがいずれも０．５ｂμｍ以上であり、ＡｌＴｉＮ下層及びＡｌＴｉＮ上層を構成するＡｌＴｉＮ結晶粒は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を主とし、ＡｌとＴｉの合量に対してＡｌの占める平均含有割合は、０．６５〜０．９０であり、硬質被覆層はクーリングクラックを有さない被覆工具。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼の高熱発生を伴うとともに、切刃に対して衝撃的な高負荷が作用する高速かつ断続の厳しい条件下におけるミーリング加工において、硬質被覆層がすぐれた高耐チッピング性、耐欠損性、および、耐酸化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有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）基超硬合金あるいは炭窒化チタン（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、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。
しかしながら、従来の前記Ｔｉ−Ａｌ系の複合窒化物を被覆形成した被覆工具においては、比較的耐摩耗性にはすぐれるものの、高速断続切削条件にて用いた場合には、チッピングや欠損等の異常損傷を発生しやすく、また、被覆層に含有されるＡｌ比率が低いことから、保護膜が十分に形成されず、耐酸化性に劣り早期に寿命に達するという課題を有していた。

これに対して、例えば、特許文献１では、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、下部層として、一部にＭＴ−ＣＶＤ法を用いたＴｉＣＮ層を被覆した後、上部層として、ＣＶＤ法を用い、酸化アルミニウム層またはＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層の一種以上からなる層で構成される被覆層を形成することにより、鋼の断続切削においてもすぐれた耐チッピング特性および耐摩耗特性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具が提案されている。

また、特許文献２では、超硬合金基体上に、７００〜９００℃にて行う熱ＣＶＤ法において、少なくとも一つの硬質被膜が、高ＡｌＮ率のＴｉ_１−ＸＡｌ_ＸＮ硬質被膜であって、具体的には、Ｘ＞０．７５〜Ｘ＝０．９３である立方晶ＮａＣｌ構造を有する単相の層であるか、または、主相とする層を有し、かかる層を有する被膜は、２５００〜３８００Ｈｖの硬度を有し、従来達成されなかった硬度と耐酸化性を有し、特に高温において、きわめて良好な耐摩耗性を有する硬質被膜として提案されている。

さらに、特許文献３では、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、８００〜８８０℃において、ＣＶＤ法により、炭窒化チタンの縦長結晶を有する炭窒化チタン層を形成した後、さらに、前記炭窒化チタン層上に、Ａｌ_ＸＴｉ_１−ＸＮ（平均組成Ｘ≧０．７）層の多層膜を形成することが提案されている。

特開平６−８０１０号公報 特許第４９９６６０２号公報 国際公開第２０１２／１２６０３０号パンフレット

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、および、耐酸化性等の特性が求められるとともに、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性が求められている。
そして、これに対し、前記特許文献１では、表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具において、下部層としてＣＶＤ法により、ＴｉＣＮ層を形成し、また、上部層としてＣＶＤ法を用い、酸化アルミニウム層またはＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層の一種以上からなる層を形成することにより、鋼の断続切削においても、すぐれた耐チッピング性、および、すぐれた耐摩耗性を有するとするが、鋼の切削加工において、より厳しい条件である、高速かつ断続のミーリング加工においては、依然として、チッピングが発生するという問題を生じている。
前記特許文献３においても、炭化タングステン基超硬合金基体の表面にＣＶＤ法により、ＴｉＣＮ層を形成するものであって、その後、ＣＶＤ法により、Ａｌ比率が高く、高硬度であるＴｉ_１−ＸＡｌ_ＸＮ硬質被膜を設け、耐酸化性および耐摩耗性の被膜を形成するものであるが、前記特許文献１と同様、鋼に対する高速かつ断続のミーリング加工においては、依然として、チッピングが発生するという問題を有している。
また、前記特許文献２では、超硬合金基体上に、Ａｌ比率を高めたＴｉ_１−ＸＡｌ_ＸＮ硬質被膜を形成し、耐酸化性を有し、特に高温における耐摩耗性の向上を図るものであるが、鋼の切削加工において、より厳しい条件である、高速かつ断続のミーリング加工においてチッピングが発生する問題に対してはなんら認識されておらず、課題とはされていない。

本発明者らは、前述の観点から、ＡｌとＴｉの複合窒化物（以下、「ＡｌＴｉＮ」で示すことがある）層およびＴｉの炭窒化物（以下、「ＴｉＣＮ」で示すことがある）層を含む硬質被覆層を化学蒸着で形成した被覆工具において、鋼の切削加工において、より厳しい条件である、高速かつ断続のミーリング加工においても、チッピング、欠損等の異常損傷を発生することなく、耐酸化性に優れ、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の硬質被覆層について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、超硬母材に対し、ＣＶＤ法により一定厚、例えば、２．０μｍ以上のＴｉＣＮ被膜を成膜した場合には、通常、母材と被膜の熱膨張係数の差が原因となり、成膜温度から室温まで冷却する過程において、ＴｉＣＮ膜に引張残留応力が生じ、クーリングクラックが発生するため、これが切削時のチッピングの起点となる一方、ＣＶＤ法を用いて成膜されたＡｌＴｉＮ被膜については、膜中に圧縮残留応力が生成するため、クーリングクラックの発生が抑制されることを知見した。
そして、本発明者らは、ＴｉＣＮ膜が所定値未満、例えば２．０μｍ未満である場合には、従来膜と比較して耐摩耗性が極めて劣るものの、ＴｉＣＮ膜が、所定の膜厚ｂμｍ、例えば、２．０〜７．５μｍである場合に、ＡｌＴｉＮ被膜に関する前記知見に基づき、その上層および下層にそれぞれＣＶＤ法によりＡｌＴｉＮ被膜を０．５ｂμｍ以上の膜厚にて成膜することにより、ＴｉＣＮ中に発生する引張残留応力を効果的に緩和することができ、切削時の膜のチッピングの起点となるクーリングクラックのない膜の成膜を可能とし、耐チッピング性や耐欠損性の向上を実現したものである。
また、従来のＰＶＤ-ＡｌＴｉＮ膜では、被膜に含有されるＡｌ比率が低いために、保護膜を十分に形成することができず、耐酸化性に劣り、早期に寿命に達するものとなっていたが、ＣＶＤ法にてＡｌ高含有のＡｌＴｉＮ上層を前記ＴｉＣＮ被膜上に形成することにより、Ａｌ高含有のＡｌＴｉＮ上層は、切削熱により被膜表面にＡｌ酸化物の保護膜を形成することができるため、高耐酸化性膜としてもすぐれた特性を有するものとなった。

さらに、本発明者は、硬質被覆層を構成するＡｌＴｉＮ層を特定の成膜法からなる化学蒸着によって形成することにより、ＡｌＴｉＮ層の成分組成を、組成式：（Ａｌ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｎで表した場合、ＡｌとＴｉの合量に対してＡｌの占める平均含有割合Ｘ_ａｖｇ（但し、Ｘ_ａｖｇは原子比）を、０．６５≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０まで高めることができ、しかも、Ａｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇが高いにもかかわらず、ＡｌＴｉＮ層をＮａＣｌ型の面心立方構造として形成し得ることを見出した。
そして、ＡｌＴｉＮ層の前記高Ａｌ含有割合及び結晶構造によって、ＡｌＴｉＮ層の硬さを向上することができ、その結果、耐摩耗性の向上が図られることを見出した。

本発明は、前記の知見に基づいてなされたものであって、
「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタンサーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、工具基体と接するＡｌＴｉＮ下層と、前記ＡｌＴｉＮ下層に接するＴｉＣＮ層と、前記ＴｉＣＮ層に接するＡｌＴｉＮ上層とを少なくとも含み、
（ｂ）前記ＡｌＴｉＮ下層の平均層厚、前記ＴｉＣＮ層の平均層厚、および、前記ＡｌＴｉＮ上層の平均層厚をそれぞれ、ａμｍ、ｂμｍ、および、ｃμｍとした場合に、
各層の平均層厚の合計層厚（ａ＋ｂ＋ｃ）μｍは、５〜１５μｍであり、
前記ＴｉＣＮ層の平均層厚ｂμｍは、２μｍ以上であり、
前記ＡｌＴｉＮ上層の平均層厚ｃμｍは、２μｍ以上であり、
前記ＡｌＴｉＮ下層の平均層厚ａμｍ、および、前記ＡｌＴｉＮ上層の平均層厚ｃμｍが、いずれも、０．５ｂμｍ以上であることを満足し、
（ｃ）前記ＡｌＴｉＮ下層および前記ＡｌＴｉＮ上層を構成するＡｌＴｉＮ結晶粒の結晶構造は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を主とし、ＡｌＴｉＮの組成を組成式：（Ａｌ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｎで表した場合のＡｌとＴｉの合量に対してＡｌの占める平均含有割合Ｘ_ａｖｇ（但し、Ｘ_ａｖｇは原子比）は、０．６５≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０の関係を満足し、
（ｄ）前記硬質被覆層はクーリングクラックを有さないこと、
を特徴とする表面被覆切削工具。」
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。

ＡｌＴｉＮ下層、ＴｉＣＮ層、ＡｌＴｉＮ上層、および、硬質被覆層の平均層厚：
図１は、本発明に係る超硬基材と、ＡｌとＴｉの複合窒化物層（ＡｌＴｉＮ層）およびＴｉＣＮ層との関係の一例を示す断面模式図である。
本発明に係る硬質被膜層は、工具基体に対し、順に、ＡｌＴｉＮ下層、ＴｉＣＮ層、および、ＡｌＴｉＮ上層が被覆された構造を有し、ＡｌＴｉＮ下層、および、ＡｌＴｉＮ上層は、その内在する残留圧縮応力により、ＴｉＣＮ層の引張残留応力を緩和するものであり、その膜厚ａμｍおよびｃμｍが、それぞれ、ＴｉＣＮの膜厚ｂμｍに対し、１／２未満の場合には、ＴｉＣＮ中の引張残留応力を十分に緩和することができないため、ＡｌＴｉＮ下層の膜厚ａμｍ、および、ＴｉＣＮ層上層膜厚ｃμｍは、ａ≧０．５ｂ、および、ｃ≧０．５ｂの関係を満足するよう規定した。
加えて、ＡｌＴｉＮ上層については、その層厚が２μｍ未満では、前記保護膜が、十分に形成されないため、２μｍ以上とした。
また、前記ＴｉＣＮ層の平均層厚ｂμｍは、２μｍ未満では、耐摩耗性が不十分となるため、２μｍ以上とした。
さらに、全硬質被覆層の総平均層厚については、５．０μｍ未満では、耐摩耗性が不十分であり、１５．０μｍを超える場合には、耐チッピング性が不十分となるため、５．０μｍ以上１５．０μｍ以下と定めた。

ＡｌＴｉＮ層の組成：
本発明のＡｌＴｉＮ下層、および、本発明のＡｌＴｉＮ上層は、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘ_ａｖｇ（但し、Ｘ_ａｖｇは原子比）が、０．６５≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０を満足するように制御する。
その理由は、Ａｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇが０．６５未満であると、ＡｌＴｉＮ層は耐酸化性に劣るため、鋼を高速断続切削加工に供した場合に、耐摩耗性が十分でない。
一方、Ａｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇが０．９０を超えると、硬さに劣る六方晶構造のＡｌＴｉＮ結晶粒の析出量が増大し硬さが低下し、耐摩耗性が低下するためである。
また、本発明では、ＡｌＴｉＮ層中のＡｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇは、０．６５≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０であって、ＡｌＴｉＮ層中のＡｌの含有量が高いため、切削加工時の発熱によってＡｌＴｉＮ上層表面にはＡｌリッチな酸化物層が形成され、これが保護層として働き、ＡｌＴｉＮ層中のクラックの発生・進展を抑制する作用が期待される。
したがって、Ａｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇは、０．６５≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０と定めた。

ＮａＣｌ型の面心立方構造を主体とするＡｌＴｉＮ層：
本発明のＡｌＴｉＮ層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＡｌＴｉＮ結晶粒を主体として構成するが、微量の他の結晶構造のＡｌＴｉＮ結晶粒の存在は、耐チッピング性、耐摩耗性に特段の悪影響を与えないことから、その含有が許容される。
具体的には、ＡｌＴｉＮ層中に、膜断面における面積割合で２０％未満の六方晶構造のＡｌＴｉＮ結晶粒が存在しても、耐チッピング性、耐摩耗性に特段の悪影響はないことから、本発明において「ＮａＣｌ型の面心立方構造を主体とするＡｌＴｉＮ層」とは、膜断面における面積割合で、８０％以上のＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＡｌＴｉＮ結晶粒が存在するＡｌＴｉＮ層をいうものとする。

ＡｌＴｉＮ下層、ＴｉＣＮ層、および、ＡｌＴｉＮ上層の成膜方法：
本発明に規定する成分組成、および、配向性を備えたＡｌＴｉＮ下層、ＴｉＣＮ層、および、ＡｌＴｉＮ上層は、以下の成膜条件にて化学蒸着法を用いることにより形成することができる。
［成膜条件］
１．ＡｌＴｉＮ下層の成膜条件
成膜方法：ＣＶＤ
反応ガス組成(容量％)：
ガス群Ａ：ＮＨ_３：０．８〜１．６％、Ｈ_２：４５〜５５％、
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ_３：０．５〜０．７％、ＴｉＣｌ_４：０．１〜０．３％、
Ｎ_２：０．０〜１０％、Ｈ_２：残、
反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、
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：０．１５〜０．２５秒、
ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差：０．１０〜０．２０秒

２．ＴｉＣＮ層の成膜条件
成膜方法：ＣＶＤ
反応ガス組成(容量％)：ＴｉＣｌ_４ １．０〜４．０％、ＣＨ_３ＣＮ ０．１〜１．０％、Ｎ_２ ０．０〜２５．０％ Ｈ_２ 残、
反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、
反応雰囲気温度：７００〜９００℃、

３．ＡｌＴｉＮ上層の成膜条件
前記「１．ＡｌＴｉＮ下層の成膜条件」にて規定されたと同じ条件範囲内より選定する。

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であって、工具基体の表面に、ＡｌＴｉＮ下層、ＴｉＣＮ層、および、ＡｌＴｉＮ上層の順に成膜を行い、ＴｉＣＮ層中に発生する引張残留応力を前記ＴｉＣＮ層の上下に成膜されたＡｌＴｉＮ下層、および、ＡｌＴｉＮ上層において発生する圧縮残留応力により効果的に緩和することにより、ＴｉＣＮ層において、切削時にチッピングの起点となるクーリングクラックが発生することを防ぎ、耐チッピング性や耐欠損性の向上を実現するとともに、さらに、ＣＶＤ法を用い、最外層となるＡｌＴｉＮ層を高Ａｌ含有層とし、切削時の切削熱により被膜表面にアルミニウム酸化物層を形成させ、これを保護膜として機能させることにより、切刃に対して衝撃的な高負荷の作用する高速かつ断続による厳しい条件下における鋼のミーリング加工においても、すぐれた高耐チッピング性、耐欠損性、および、耐酸化性を発揮するものである。
また、前記ＡｌＴｉＮ層は、Ａｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇが０．６５≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０であり、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を主体として構成され、高硬度を有しているため、より一層耐摩耗性が向上する。

本発明に係る超硬基材と、ＡｌとＴｉの複合窒化物層（ＡｌＴｉＮ層）およびＴｉＣＮ層との関係の一例を示す断面模式図である。

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、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・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，Ｂ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、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・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Ｃを作製した。

つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｃの表面に、化学蒸着装置を用い、順次、ＡｌＴｉＮ下層、ＴｉＣＮ層、ＡｌＴｉＮ上層を成膜した。すなわち、まず、前記工具基体Ａ〜Ｃの表面に表３に示される形成条件Ａ〜Ｇ、すなわち、ＮＨ_３およびＨ_２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ_３、ＴｉＣｌ_４、Ｎ_２およびＨ_２からなるガス群Ｂ、および、おのおの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_３：０．８〜１．６％、Ｈ_２：４５〜５５％、ガス群Ｂとして、ＡｌＣｌ_３：０．５〜０．７％、ＴｉＣｌ_４：０．１〜０．３％、Ｎ_２：０．０〜１０％、Ｈ_２：残、反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、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０．１５〜０．２５秒、ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差を０．１０〜０．２０秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を用い、表６に示されるＡｌＴｉＮ下層を成膜し、次いで、表４に示される形成条件Ａ〜Ｇ、すなわち、ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、Ｎ_２およびＨ_２からなる反応ガス組成をＴｉＣｌ_４：１．０〜４．０％、ＣＨ_３ＣＮ：０．１〜１．０％、Ｎ_２：０．０〜２５．０％，Ｈ_２：残とし、反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃として、所定時間、ＭＴ(Moderate Temperature)−ＣＶＤ法を用い、表６に示されるＴｉＣＮ層を成膜し、最後に、表５に示される形成条件Ａ〜Ｇ、すなわち、ＮＨ_３およびＨ_２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ_３、ＴｉＣｌ_４、Ｎ_２および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_３：０．８〜１．６％、Ｈ_２：４５〜５５％、ガス群Ｂとして、ＡｌＣｌ_３：０．５〜０．７％、ＴｉＣｌ_４：０．１〜０．３％、Ｎ_２：０．０〜１０％、Ｈ_２：残、反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、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０．１５〜０．２５秒、ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差を０．１０〜０．２０秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を用い、表６に示されるＡｌＴｉＮ上層を成膜することにより、工具基体上にそれぞれ所望の目標層厚（μｍ）にてＡｌＴｉＮ下層、ＴｉＣＮ層、およびＡｌＴｉＮ上層を順次積層して有する本発明被覆工具１〜１２を製造した。

また、比較の目的で、前記工具基体Ａ〜Ｃの表面に、順次表３乃至表５に示される比較成膜工程の条件で、表７に示される目標層厚（μｍ）にて本発明被覆工具１〜１２と同様に、ＡｌＴｉＮ下層、ＴｉＣＮ層、およびＡｌＴｉＮ上層を含む硬質被覆層を蒸着形成し比較例被覆工具１〜１２を製造した。

ついで、本発明被覆工具１〜１２、比較例被覆工具１〜１２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（倍率５０００倍）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６および表７に示される目標平均層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
また、ＡｌＴｉＮ層の平均Ａｌ含有割合Ｘ_ａｖｇ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、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点平均からＡｌの平均Ａｌ含有割合Ｘ_ａｖｇを求めた。
表６および表７に、Ｘ_ａｖｇの値を示す。

また、ＡｌＴｉＮ層の結晶構造については、Ｘ線回折装置を用い、Ｃｕ−Ｋα線を線源として測定範囲（２θ）：３０〜８０度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐという条件でＸ線回折を行った場合、ＪＣＰＤＳ００−０３８−１４２０立方晶ＴｉＮとＪＣＰＤＳ００−０４６−１２００立方晶ＡｌＮ、各々に示される同一結晶面の回折角度の間（例えば、３６．６６〜３８．５３°、４３．５９〜４４．７７°、６１．８１〜６５．１８°）に回折ピークが現れることを確認することによって調査した。
また、電子線後方散乱回折装置を用いて、ＡｌとＴｉとの複合窒化物層からなる硬質被覆層の工具基体に垂直な方向の断面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、前記断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射し、工具基体と水平方向に長さ５０μｍ、法線方向に該複合窒化物層の膜厚未満に亘り硬質被覆層について０．０１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、電子線後方散乱回折像を測定し、個々の結晶粒の結晶構造を解析することでＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒からなる柱状組織の粒界部に存在する微粒結晶粒が六方晶構造であることを同定し、立方晶構造と六方晶構造に属する全ピクセル数に占める六方晶構造に属するピクセル数の割合を求めることで、その六方晶構造の占める面積割合を求めた。
なお、ここで、全体から前記六方晶構造の占める面積割合を差し引いた残りの面積割合を前記ＮａＣｌ型の面心立方構造の占める面積割合とし、前記六方晶構造の存在する面積割合が、面積率で２０面積％以下である場合には、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造の占める面積割合を８０面積％以上として、「ＮａＣｌ型の面心立方構造を主体とするＡｌＴｉＮ層」とすることは、段落００１５において定義したとおりであり、これを、表６の結晶構造の欄では、その（注１）にて記載したとおり、「立方晶」として表現した。
他方、前記六方晶構造の存在する面積割合が、面積率で２０面積％を超える場合には、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造の占める面積割合は、８０面積％未満となるため、このような組織は、段落００１５において定義される「ＮａＣｌ型の面心立方構造を主体とするＡｌＴｉＮ層」には、該当せず、これを、表７の結晶構造の欄では、その(注２)にて記載したとおり、「立方晶＋六方晶」として表現した。
また、クーリングクラックの有無については、従来より通常行われている方法により確認することができるが、例えば、膜断面を研磨し、ＴｉＣＮ層をエッチング液に浸漬した後、光学顕微鏡にて観察することにより、その有無を確認した。

つぎに、前記本発明被覆工具１〜１２、比較例被覆工具１〜１２について、以下に示す、高速切削断続加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
その結果を表８に示す。
なお、比較例被覆工具１〜１２については、熱亀裂の伝播・進展を原因として、チッピング発生により工具寿命に至ったものについては、寿命に至るまでの切削時間（分）を記載している。

≪切削条件≫
切削試験 ：乾式高速正面フライス、センターカット切削加工、
被削材 ：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
回転速度 ：９６８ｍｉｎ^−１、
切削速度 ：３８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み ：１．５ｍｍ、
一刃送り量：０．２ｍｍ／刃、
切削時間 ：５分、

表８に示されるように、本発明にかかる被覆工具は、鋼の高速、断続切削条件下においても、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。

他方、比較例被覆工具では、ＡｌＴｉＮ下層、ＴｉＣＮ層やＡｌＴｉＮ上層について、所定の形成条件を満たしていないことから、クーリングクラックの発生もなく、所望の膜厚、結晶構造、および、Ａｌ平均含有割合を有する被覆工具については得られておらず、いずれの被覆工具も溶着やチッピングが生じており、摩耗幅が非常に大きいものであるか、短時間で寿命に至るものであった。

本発明の被覆工具は、鋼の高熱発生を伴い、また、切刃に対して衝撃的な高負荷が作用する高速かつ断続の厳しい条件下においても、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性、および、耐酸化性を備え長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を有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 (1)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタンサーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられている表面被覆切削工具において、
   （ａ）前記硬質被覆層は、工具基体と接するＡｌＴｉＮ下層と、前記ＡｌＴｉＮ下層に接するＴｉＣＮ層と、前記ＴｉＣＮ層に接するＡｌＴｉＮ上層とを少なくとも含み、
   （ｂ）前記ＡｌＴｉＮ下層の平均層厚、前記ＴｉＣＮ層の平均層厚、および、前記ＡｌＴｉＮ上層の平均層厚をそれぞれ、ａμｍ、ｂμｍ、および、ｃμｍとした場合に、
   各層の平均層厚の合計層厚（ａ＋ｂ＋ｃ）μｍは、５〜１５μｍであり、
   前記ＴｉＣＮ層の平均層厚ｂμｍは、２μｍ以上であり、
   前記ＡｌＴｉＮ上層の平均層厚ｃμｍは、２μｍ以上であり、
   前記ＡｌＴｉＮ下層の平均層厚ａμｍ、および、前記ＡｌＴｉＮ上層の平均層厚ｃμｍが、いずれも、０．５ｂμｍ以上であることを満足し、
   （ｃ）前記ＡｌＴｉＮ下層および前記ＡｌＴｉＮ上層を構成するＡｌＴｉＮ結晶粒の結晶構造は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を主とし、ＡｌＴｉＮの組成を組成式：（Ａｌ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｎで表した場合のＡｌとＴｉの合量に対してＡｌの占める平均含有割合Ｘ_ａｖｇ（但し、Ｘ_ａｖｇは原子比）は、０．６５≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０の関係を満足し、
   （ｄ）前記硬質被覆層はクーリングクラックを有さないこと、
   を特徴とする表面被覆切削工具。