JP2019115957A - 硬質被覆層が優れた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑性を有し優れた耐摩耗性を備えた表面被覆切削工具の提供。【解決手段】平均層厚１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を含み、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結晶粒を含み、（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（Ｃ１−ｙＮｙ）で表した場合、０．６５≦ｘ≦０．９５、０．９９５＜ｙ≦１．０００、Ｃｌの含有割合αは、０.００１≦α≦０．０２０、Ｓの含有割合βは、０．００２≦β≦０．０５０、β／α≧２．０であり、工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の｛１１１｝面の法線がなす傾斜角のうち、法線方向に対して０〜４５度のものを０．２５度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計したとき、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在して、その度数の合計が度数全体の４０％以上の表面被覆切削工具。【選択図】なし

Description

本発明は、高速断続切削加工に用いても、硬質被覆層が優れた耐摩耗性を備えることにより、長期の使用にわたって優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、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系の複合炭窒化物層を物理蒸着法により被覆形成した被覆工具があり、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系の複合炭窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の潤滑性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、単層又は多層の層系で被覆された、金属、超硬合金、サーメット又はセラミックスからの被覆物品であって、該層系が、少なくとも１の硬質材料複合層を有しており、該複合層が、主相として立方晶ＴｉＡｌＣＮ及び六方晶ＡｌＮを含有している被覆物品において、該立方晶ＴｉＡｌＣＮが、≧０．１μｍの結晶子サイズを有する微晶質ｆｃｃ−Ｔｉ_1-xＡｌ_xＣ_yＮ_z（ここで、ｘ＞０．７５、ｙ＝０〜０．２５であり、かつｚ＝０．７５〜１である）であり、かつ、該複合層がさらに粒界領域内に非晶質炭素を０．０１％〜２０％の質量割合で含有していることを特徴とする、被覆工具が記載されている。

また、例えば、特許文献２には、硬質被覆層とその直上に硬質炭素膜、非晶質の硬質炭素膜、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗより選択される１種以上の元素を含有した酸化物、硼化物、硫化物及び窒化硼素、から選択される少なくとも１種以上の潤滑性皮膜との界面から硬質被覆層の膜厚方向に５００ｎｍ未満の領域における結晶粒径の平均値が２〜１４ｎｍとした被覆工具が記載されている。

さらに、例えば、特許文献３には、基体表面にＸ線回折において最強回折強度を（２００）面に有するＴｉとＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物、窒硼化物を１層以上被覆した被覆工具において、前記少なくとも１層の硬質皮膜のＴｉの一部をＳで置き換えたことを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具が記載されている。

特表２０１３−５１０９４６号公報 特許第４０８３１０２号公報 特開２００２−３３１４０６号公報

特許文献１に記載された単層又は被覆工具は、摩擦の低減、すなわち、潤滑性を付与するために非晶質炭素を含んでいるが、この非晶質炭素を含むことにより被覆の硬さが十分に得られず、高速断続切削加工において耐摩耗性が十分とはいえなかった。

特許文献２に記載された被覆工具は、上部層のみが潤滑性を有しているために靱性が十分とはいえず、また、硬さも十分ではなく、特許文献１と同様に、高速断続切削加工において逃げ面の耐摩耗性が十分とはいえなかった。

特許文献３には、Ｓ添加は、表面に拡散したＳとＳが添加された（ＴｉＡｌＳ）Ｎそのものとの潤滑性の相乗効果により潤滑性が高いこと、細密充填面である｛１１１｝面が工具表面と平行に存在する確率が高い場合は潤滑性がよくなく、被覆条件を考慮すると結晶面が｛２００｝面に配向することが望ましいとの開示があり、結晶面が｛１１１｝面に配向することが多いＣＶＤ皮膜では、特許文献３に記載された切削工具のように単純にＴｉの一部をＳで置き換えて潤滑性を向上させることは難しい。

そこで、本発明は、ＣＶＤにより成膜された硬質被覆層であっても、当該被覆層が潤滑性を有し硬質被覆層が優れた耐摩耗性を備え、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、硬質被覆層としてのＴｉとＡｌとの複合窒化物層または複合炭窒化物層の潤滑性向上について鋭意検討を行ったところ、前記特許文献３において潤滑性を与えると説明されているＳの他に、ＣＶＤによる成膜により硬質被覆層の中に含まれる塩素を特定量含有させることによって、前記特許文献３では潤滑性が十分に起こりえないとされる、ＣＶＤによる成膜では配向の起こりやすい｛１１１｝面配向を硬質被覆層が含むときであっても、十分な潤滑性が得られ、高速断続切削加工において耐摩耗性が向上するという新規な知見を得た。

本発明は、この知見に基づくものであって、
「（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、硬質被覆層を設け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１．０〜２０．０μｍ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結晶粒を少なくとも含み、
（ｃ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層を組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘとＮのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙ、（ここで、ｘ、ｙはいずれも原子比）がそれぞれ、０．６５≦ｘ≦０．９５、０．９９５＜ｙ≦１．０００を満足し、
（ｄ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、微量のＣｌを含有し、ＣｌのＴｉとＡｌとＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの含有割合α（但し、αは原子比）は、０.００１≦α≦０．０２０を満足し、
（ｅ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、微量のＳを含有し、ＳのＴｉとＡｌとＣとＮとＣｌとＳの合量に占めるＳの含有割合β（但し、βは原子比）が、０．００２≦β≦０．０５０を満足し、
（ｆ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層におけるＣｌとＳの前記含有割合αとβの比が、β／α≧２．０であり、
（ｇ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、法線方向に対して０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の４０％以上の割合を占める、ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）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ＴｉとＡｌの前記複合窒化物または複合炭窒化物の前記結晶粒の占める割合が６０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。」
である。

本発明の被覆工具は、ＣＶＤにより成膜された硬質皮膜を有しているにもかかわらず、当該皮膜が潤滑性を有し硬質被覆層が優れた耐摩耗性を備え、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する。

以下、本発明の切削工具について、より詳細に説明する。

硬質被覆層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）で表されるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物（以下、「ＴｉＡｌＣＮ」とも表記する）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１．０〜２０．０μｍ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１．０μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用にわ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２０．０μｍ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。

ＴｉＡｌＣＮ層内のＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒の面積割合：
前記ＴｉＡｌＣＮ層におけるＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒が存在することが必要であり、その面積割合として少なくとも４０面積％以上が好ましい。これにより、高硬度であるＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒の面積比率がある程度存在するため、硬さが向上する。さらに、この面積割合が６０面積以上となると、ＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒が六方晶構造の結晶粒に比べて相対的に高くなり、硬さがより向上するという効果を得ることができる。この面積率は、より好ましくは７５面積％以上である。
ここで、ＮａＣｌ型の立方晶構造を有する結晶粒の面積割合は、測定範囲を、縦断面方向（縦断面に垂直な方向（工具基体表面に平行な方向））に１００μｍ、膜厚の測定範囲で十分な長さの範囲とし、前記ＴｉＡｌＣＮ層の縦断面を研磨し、電子線後方散乱回折像装置を用いて、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、電子線を０．０１μｍ間隔で照射して得られる電子線後方散乱回折像に基づき個々の結晶粒の結晶構造を解析することにより求めた。

ＴｉＡｌＣＮ層の組成：
本発明のＴｉＡｌＣＮ層は、上記組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘおよびＮのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６５≦ｘ≦０．９５、０．９９５＜ｙ≦１．０００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が０．６５未満であると、ＴｉＡｌＣＮ層は耐酸化性に劣るため、合金鋼等の高速断続切削に供した場合には、耐摩耗性が十分でない。一方、Ａｌの平均含有割合ｘが０．９５を超えると、硬さに劣る六方晶の析出量が増大し硬さが低下するため、耐摩耗性が低下する。
また、ＴｉＡｌＣＮ層に含まれるＮ成分の平均含有割合ｙは、０．９９５＜ｙ≦１．０００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ＴｉＡｌＣＮ層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、Ｎ成分の平均含有割合ｙが０．９９５＜ｙ≦１．０００の範囲を外れると、ＴｉＡｌＣＮ層の靭性が低下するため耐欠損性および耐チッピング性が逆に低下するため好ましくない。また、ＴｉＡｌＣＮ層のＡｌの平均含有割合ｘ、後述するＣｌの平均含有割合αおよびＳの平均含有割合βについては、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｐｒｏｂｅ−Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）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点平均から求めた。
Ｎの平均含有割合ｙについては、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ−Ｍａｓｓ−Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）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。Ｎの平均含有割合ｙはＴｉＡｌＣＮ層についての深さ方向の平均値を示す。
ただし、Ｎの含有割合には、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Ｎ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として求めた。

ＴｉＡｌＣＮ層中のＣｌ含有量：
ＴｉＡｌＣＮ層中には微量のＣｌが含まれ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃ、Ｎ、Ｃｌの合量に対するＣｌの平均含有割合α（原子比）は、０．００１≦α≦０．０２０でなくてはならない。この範囲とした理由は、０．００１以上でなければ潤滑性の向上が期待できず、一方、０．０２０を超えると靱性が低下して耐チッピング性が低下してしまうためである。

ＴｉＡｌＣＮ層中のＳ含有量：
ＴｉＡｌＣＮ層中にはＳが含まれ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃ、Ｎ、Ｃｌの合量に対するＳの平均含有割合β（原子比）は、０．００２≦β≦０．０５０でなくてはならない。この範囲とした理由は、０．００２以上でなければ潤滑性の向上が期待できず、一方、０．０５０を超えると結晶粒中の六方晶が増え硬さが低下して耐摩耗性が低下してしまうためである。

ＴｉＡｌＣＮ層中のＣｌ含有量とＳ含有量との関係：
ＴｉＡｌＣＮ層中のＣｌ含有量とＳ含有量との関係は、β／α≧２．０を満足しなければならない。この関係を満足しなければ、十分な潤滑性を得ることができない。

ＴｉＡｌＣＮ層の結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角の度数分布：
ＴｉＡｌＣＮ層の結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、法線方向に対して０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、前記０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の４０％以上の割合を占めている。
これは、｛１１１｝面に配向しても潤滑性を有するＣＶＤ法によって成膜した硬質被覆層を得るという本発明の前提を表現したものである。

ここで、前記傾斜角度分布は次のようにして求めたものである。
まず、面心立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を含む硬質被覆層の工具基体表面に垂直な断面（縦断面）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た。前記研磨面（断面研磨面）において、工具基体表面と水平方向に長さ１００μｍ、工具基体表面と垂直な方向に膜厚に対して、十分な長さの範囲を測定範囲とし、この測定範囲の研磨面に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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に０．０１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で照射し、得られた電子線後方散乱回折像に基づき、基体表面の法線（断面研磨面における基体表面と垂直な方向）に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定点（電子線を照射した点）毎にそれぞれ測定した。そして、この測定結果に基づいて、測定された傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより、傾斜角度数分布を求めた。得られた傾斜角度数分布から、０〜１０度の範囲内に存在する度数の最高ピークの有無を確認し、かつ０〜４５度の範囲内に存在する度数（傾斜角度数分布における度数全体）に対する０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合を求めた。なお、傾斜角度分布グラフにおいて、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布における度数全体の５０％以上であることがより好ましい。

その他の層：
本発明は、硬質被覆層として前記ＴｉＡｌＣＮ層は十分な耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、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層以上からなり、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含む下部層を工具基体に隣接して設けた場合、および／または、少なくとも酸化アルミニウム層が１．０〜２５．０μｍの合計平均層厚で上部層として前記ＴｉＡlＣＮ層の上に設けられた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層優れた耐摩耗性および熱的安定性を発揮することができる。
ここで、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、２０．０μｍを超えると下部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、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１．０μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２５．０μｍを超えると上部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。

成膜方法（条件）：
本発明のＣｌ及びＳを含んだＴｉＡｌＣＮ層は、例えば、工具基体もしくは当該工具基体上にある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少なくとも一層以上の上に、例えば、ＮＨ_３とＨ_２とＮ_２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ_４、ＡｌＣｌ_３、Ｎ_２、Ｃ_２Ｈ_４，Ｈ_２Ｓ，Ｈ_２からなるガス群Ｂをそれぞれ供給することによって得ることができる。
ガス組成の一例として、％は容量％（ガス群Ａとガス群Ｂの和を全体としている）として、
ガス群Ａ：ＮＨ_３：１．０〜３．０％、Ｎ_２：０．０〜６．０％、Ｈ_２：６０〜６５％、
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ_３：０．３〜０．９％、ＴｉＣｌ_４：０．１〜０．４％、
Ｎ_２：０．０〜１０．０％、Ｃ_２Ｈ_４：０．０〜０．５％
Ｈ_２Ｓ：０．１〜２．０％、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：４．０〜１０．０秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５〜０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０〜０．２０秒
をあげることができる。

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明被覆工具の具体例として、工具基体としてＷＣ基超高圧焼結体を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ基超高圧焼結体を用いた場合であっても同様であるし、ドリル、エンドミルに適用した場合も同様である。

＜実施例１＞
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、Ｃｒ_３Ｃ_２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。

次に、これら工具基体Ａ〜Ｃの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、Ｃｌ及びＳを含んだＴｉＡｌＣＮ層をＣＶＤにより形成し、表５に示される本発明被覆工具１〜１０を得た。
成膜条件は、表２に記載したとおりであるが、概ね、次のとおりである。ガス組成の％は容量％（ガス群Ａとガス群Ｂの和を全体としている）である。
ガス群Ａ：ＮＨ_３：１．０〜３.０％、Ｎ_２：０．０〜６．０％、Ｈ_２：６０〜６５％、
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ_３：０．３〜０．９％、ＴｉＣｌ_４：０．１〜０．４％、
Ｎ_２：０．０〜１０．０％、Ｃ_２Ｈ_４：０．０〜０．５％
Ｈ_２Ｓ：０．１〜２．０％、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：４．０〜１０．０秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５〜０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０〜０．２０秒
なお、本発明被覆工具は４〜９は、表３に記載された成膜条件により、表４に示された下部層および／または上部層を形成した。

また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表２に示される条件によりＣＶＤを行うことにより、表５に示されるＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層を蒸着形成して比較被覆工具１〜１０を製造した。
なお、比較被覆工具４〜９については、表３に示される形成条件により、表４に示された下部層および／または上部層を形成した。

さらに、前記本発明被覆工具１〜１０および比較被覆工具１〜１０の硬質被覆層について、前述した方法を用いて、平均Ａｌ含有割合ｘ、平均Ｎ含有割合ｙ、Ｃｌ平均含有割合α、Ｓ平均含有割合βを求めた。また、前述した方法により、｛１１１｝面の法線がなすそれぞれの傾斜角度数分布において、傾斜角が０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合を求めた。これらの結果を表５にまとめた。
なお、平均層厚は、本発明被覆工具１〜１０、比較被覆工具１〜１０の各構成層の工具基体に垂直な方向の断面（縦断面）を、走査型電子顕微鏡を用いて適切な倍率(例えば倍率５０００倍)を選択して観察し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して求めた。

続いて、前記本発明被覆工具１〜１０および比較被覆工具１〜１０について、いずれもカッター径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、以下に示す、合金鋼の乾式高速高送り正面フライス、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・ＳＣＭ４３０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材
回転速度：１０１９ｍｉｎ^−１
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：１．５ｍｍ
一刃送り量：０．１５ｍｍ／刃
切削時間：８分
（通常の切削速度は、１５０〜２００ｍ／ｍｉｎ、通常の一刃送り量：０．１〜０．２ｍｍ／刃）
表６に、切削試験の結果を示す。なお、比較被覆工具１〜１０については、チッピング発生が原因で寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。

＜実施例２＞
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アセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した。その後、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た。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規格ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体α〜γをそれぞれ製造した。

次に、これらの工具基体α〜γの表面に、実施例１と同様の方法により表２に示される条件で、ＣＶＤ装置を用いて、ＴｉＡｌＣＮ層を形成し、表９に示される本発明被覆工具１１〜２０を得た。
なお、本発明被覆工具は１４〜１９は、表３に記載された成膜条件により、表８に示された下部層および／または上部層を形成した。

また、実施例１と同様に、比較の目的で、工具基体α〜γの表面に、表２に示される条件によりＣＶＤ法を用いることにより、表９に示されるＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層を蒸着形成して比較被覆工具１１〜２０を製造した。
なお、比較被覆工具１４〜１９については、表３に示される形成条件により、表８に示された下部層および／または上部層を形成した。

また、実施例１と同様に、前記本発明被覆工具１１〜２０、比較被覆工具１１〜２０の硬質被覆層について、平均Ａｌ含有割合ｘ、平均Ｎ含有割合ｙ、Ｃｌ平均含有割合α、Ｓ平均含有割合βを求めた。また、前述した方法により、｛１１１｝面の法線がなすそれぞれの傾斜角度数分布において、傾斜角が０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合を求めた。これらの結果を表９にまとめた。
なお、平均層厚は、本発明被覆工具１１〜２０、比較被覆工具１１〜２０の各構成層の工具基体に垂直な方向の断面（縦断面）を、走査型電子顕微鏡を用いて適切な倍率(例えば倍率５０００倍)を選択して観察し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して求めた。

次に、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１１〜２０、比較被覆工具１１〜２０について、以下に示す、鋳鉄の湿式高速断続切削試験を実施し、いずれも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。その結果を表１０に示す。なお、比較被覆工具１１〜２０については、チッピング発生が原因で寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。
切削試験：湿式高速断続切削加工
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ６００の長さ方向等間隔８本縦溝入り丸棒
切削速度：３９０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．０ｍｍ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５分
（通常の切削速度は、２５０ｍ／ｍｉｎ、通常の一刃送り量：０．２５ｍｍ／刃）

表６、表１０に示される結果から、本発明被覆工具１〜２０は、いずれも硬質被覆層が優れた耐チッピング性を有しているため、合金鋼等の高速高送り切削加工に用いた場合であってチッピングの発生がなく、長期にわたって優れた耐摩耗性を発揮する。これに対して、本発明の被覆工具に規定される事項を一つでも満足していない比較被覆工具１〜２０は、合金鋼等の高速高送り断続切削加工に用いた場合であってチッピングが発生し、短時間で使用寿命に至っている。

前述のように、本発明の被覆工具は、合金鋼以外の高速高送り断続切削加工の被覆工具として用いることができ、しかも、長期にわたって優れた耐摩耗性を発揮するから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化及び省エネ化、さらには低コスト化に十分に満足できる対応が可能である。

Claims (2)

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、硬質被覆層を設け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１．０〜２０．０μｍ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結晶粒を少なくとも含み、
   （ｃ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層を組成式：（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘとＮのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙ、（ここで、ｘ、ｙはいずれも原子比）がそれぞれ、０．６５≦ｘ≦０．９５、０．９９５＜ｙ≦１．０００を満足し、
   （ｄ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、微量のＣｌを含有し、ＣｌのＴｉとＡｌとＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの含有割合α（但し、αは原子比）は、０.００１≦α≦０．０２０を満足し、
   （ｅ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、微量のＳを含有し、ＳのＴｉとＡｌとＣとＮとＣｌとＳの合量に占めるＳの含有割合β（但し、βは原子比）が、０．００２≦β≦０．０５０を満足し、
   （ｆ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層におけるＣｌとＳの前記含有割合αとβの比が、β／α≧２．０であり、
   （ｇ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、法線方向に対して０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計し傾斜角度数分布を求めたとき、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布における度数全体の４０％以上の割合を占める、ことを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 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ＴｉとＡｌの前記複合窒化物または複合炭窒化物の前記結晶粒の占める割合が６０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。