JP2019155537A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性にすぐれた表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体の表面に、Ａ層とＢ層を含む硬質被覆層（好ましくは、ｘが原子比で、０．４０≦ｘ≦０．８０を満足する（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎ層）が形成されている表面被覆切削工具において、逃げ面特定領域に形成されている硬質被覆層の工具基体表面から１００ｎｍの高さ位置にあるＡ層の結晶粒の平均幅Ｗ１は３０ｎｍ≦Ｗ１≦１００ｎｍであり、硬質被覆層の表面から１００ｎｍの深さ位置にあるＢ層の結晶粒の平均幅Ｗ２は３ｎｍ≦Ｗ２≦２０ｎｍであり、前記逃げ面特定領域に形成されている硬質被覆層について、工具基体表面と前記Ａ層とＢ層の界面との距離ｄを測定した場合、前記ｄの最大値ｄｍａｘ１−６と最小値ｄｍｉｎ１−６の差ｄ１−６は、４００ｎｍ≦ｄ≦１２００ｎｍを満足する表面被覆切削工具。【選択図】 図１

Description

この発明は、高熱発生を伴うとともに、刃先に断続的・衝撃的な負荷が作用する炭素鋼、合金鋼などの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、耐欠損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スローアウエイチップ、上記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリル、さらに上記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、また上記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて上記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。
そして、これらの被覆工具の長寿命化を図るという観点から、耐摩耗性と共に、耐チッピング性、耐欠損性等を向上させることが求められており、このような特性を満足すべく、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、「ＷＣ基超硬合金からなる工具基体の表面に、ＣｒＡｌＮ膜からなる硬質被覆層を物理蒸着した被覆工具において、
（ａ）硬質被覆層の、工具基体とＣｒＡｌＮ膜の界面から０．１μｍの高さ位置にあるＣｒＡｌＮ結晶粒の粒径幅をＷ_Ι、ＣｒＡｌＮ膜の最表面から０．１μｍの深さ位置にあるＣｒＡｌＮ結晶粒の粒径幅をＷ_ΙΙとしたとき、
１０ｎｍ＜Ｗ_Ι＜５０ｎｍ、かつ、５＜Ｗ_ΙΙ／Ｗ_Ι＜１００
を満たす関係が存在し、
（ｂ）さらに、電子線後方散乱回折装置を用いて、硬質被覆層断面のＣｒＡｌＮ結晶粒の結晶方位を解析し、測定された二次元領域を工具基体表面に対して略垂直な方向に１００ｎｍ毎のピッチで縦区分に区切り、さらに、それぞれの縦区分内を工具基体とＣｒＡｌＮ膜の界面からＣｒＡｌＮ膜の成長方向に１００ｎｍ毎のピッチで区切り、１００ｎｍ×１００ｎｍに区分けされたそれぞれの領域（セル）に存在する各測定点の、＜１１１＞結晶方位とＣｒＡｌＮ膜測定断面の法線方向がなす傾斜角の平均傾斜角を計算し、同一縦区分に存在するセルのうち、測定傾斜角の最大値と最小値の差が１５度以下であり、
＜１１１＞結晶方位とＣｒＡｌＮ膜測定断面の法線と直交する方向がなす傾斜角の平均傾斜角を計算し、同一縦区分に存在するセルのうち、測定傾斜角の最大値と最小値の差が１５度以下であり、
＜１００＞結晶方位とＣｒＡｌＮ膜測定断面の法線がなす傾斜角の平均傾斜角を計算し、同一縦区分に存在するセルのうち、測定傾斜角の最大値と最小値の差が１５度以下
である１００ｎｍ幅の縦区分が、測定された全面積のうちの６０％以上を占有する被覆工具」が提案されている。
そして、上記被覆工具によれば、切刃に対して衝撃的・断続的高負荷が作用する乾式断続重切削条件や、連続的な高負荷がかかる乾式連続高送り切削条件においても、すぐれた高温強度に加えてすぐれた耐欠損性と靭性を示し、すぐれた工具特性を発揮し、工具寿命の延命化に寄与するとされている。

また、特許文献２には、「ＷＣ基超硬合金で構成された工具基体の表面に、平均層厚が２〜１０μｍのＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具において、
上記被覆工具の上記工具基体の逃げ面上の刃先から、上記逃げ面上で上記逃げ面刃先から反対側に向けて１００μｍ離れた位置までの領域上に蒸着形成された硬質被覆層は、粒状結晶組織を有し、上記領域上に形成された上記硬質被覆層表面の粒状結晶粒の平均粒径は０．２〜０．５μｍであり、上記領域における上記工具基体と上記硬質被覆層の界面における粒状結晶粒の平均粒径は、上記硬質被覆層表面の上記粒状結晶粒の平均粒径より０．０２〜０．１μｍ小さく、粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合は２０％以下である被覆工具。」が提案されている。
そして、上記被覆工具によれば、所定組成の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層が、刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては粒状結晶組織で構成され、しかも、表面粒径は０．２〜０．５μｍ、また、界面粒径は、表面粒径より０．０２〜０．１μｍ小さく、また、逃げ面上の刃先から１００μｍ離れた位置までの範囲においては、粒径が０．１５μｍ以下の結晶粒が占める結晶粒径長割合は２０％以下であることから、炭素鋼、合金鋼などの切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するとされている。

さらに、特許文献３には、「ＷＣ基超硬合金で構成された工具基体の表面に、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具において、
上記硬質被覆層は、逃げ面とすくい面の交差稜線部から少なくとも１００μｍまでの範囲の位置において、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める薄層Ａと、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０〜１００長さ％を占める薄層Ｂの交互積層で構成され、薄層Ａと薄層Ｂの微細結晶粒の割合の差が１０長さ％以上であり、かつ交互積層の最表面は薄層Ａで構成され、一方上記交差稜線部から１５０μｍ以上離れた位置においては、上記硬質被覆層は０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める被覆工具。」が提案されている。
そして、上記被覆工具によれば、切れ刃稜線部近傍の硬質被覆層が、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が０〜５０長さ％を占める薄層Ａと、０．３μｍ未満の結晶幅の微細結晶粒が５０〜１００長さ％を占める薄層Ｂの交互積層で構成されていることによって、炭素鋼、合金鋼などの高熱発生を伴う高速切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するとされている。

特開２０１１−２１８５４２号公報 特開２０１３−２１２５７４号公報 特開２０１４−１５９０７２号公報

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と厳しい切削条件下で行われるようになってきている。
前記特許文献１〜３に示される従来の被覆工具は、ＡｌとＣｒの複合窒化物（以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎで示す）からなる硬質被覆層において、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ結晶粒の結晶組織を改善することにより、耐摩耗性を維持しつつ、耐チッピング性、耐欠損性を向上させるものであるが、刃先に断続的・衝撃的な高負荷が作用する切削条件においては、前記特許文献１、２に示される被覆工具では、工具基体と硬質被覆層の密着性が十分とはいえないために、剥離を生じやすく、これを原因として寿命に至る場合がある。
また、前記特許文献３に示される被覆工具においては、工具基体表面と（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の界面での剥離発生は抑制されるものの、交互積層構造を構成する薄層Ａと薄層Ｂの層間での剥離を発生しやすいため、やはり工具寿命は短命となるのが現状である。
そこで、高熱発生を伴い、刃先に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続切削加工に供した場合でも、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性にすぐれ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具の開発が望まれる。

本発明者等は、高熱発生を伴い、刃先に断続的・衝撃的な高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼などの高速断続切削加工において、耐摩耗性と共に、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性にすぐれ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具を提供すべく、硬質被覆層の結晶組織構造について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。

従来、被覆工具を作製するにあたり、硬質被覆層の形成手段としては、いくつかの方法が提案されている。
例えば、ＰＶＤ法の一種であるアークイオンプレーティング（以下、「ＡＩＰ」ともいう）法によりＡｌとＣｒの複合窒化物（以下、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎで示す場合がある）からなる硬質被覆層を成膜する際には、通常、工具基体を装置内に装入し、所定のバイアス電圧を印加するとともに、装置内を所定温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成のＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットとの間にアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し、所定圧の反応雰囲気中で蒸着することによって、硬質被覆層を成膜している。
また、前記特許文献１においては、圧力勾配型Ａｒプラズマガスを利用したイオンプレーティング装置を用いて、成膜中のバイアスを調整することによって、工具基体側における（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層と硬質被覆層の表面側の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の結晶組織の作り分けを行っており、さらに、前記特許文献２、３においては、ＡＩＰ法で（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を成膜するに際し、磁場を印加し、かつ、磁場の大きさを調整することによって、所定の結晶組織を有する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を作製している。

本発明者らは、ＡＩＰ法により硬質被覆層（例えば、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層）を成膜するに際し、成膜時にアーク電流値を一定とした状態で、バイアス電圧と工具基体の温度の双方を関連付けてコントロールすることにより、工具基体側の硬質被覆層の結晶粒と硬質被覆層の表面側の結晶粒の結晶組織を異なったものとして成膜できることを見出した。
より具体的にいえば、工具基体側の硬質被覆層を相対的に粗粒組織の層として形成するとともに、硬質被覆層の表面側を相対的に微粒組織の層として形成することができることを見出したのである。
そして、硬質被覆層として、工具基体側と硬質被覆層の表面側でこのような異なる結晶組織を形成することによって、工具基体を構成する比較的粗粒の粒子（例えば、ＷＣ粒子、ＴｉＣＮ粒子、ｃＢＮ粒子）と硬質被覆層を構成する比較的微粒の結晶粒の粒径ギャップに起因する工具基体と硬質被覆層間の密着性低下を防止することができるとともに、摩耗寿命に至る以前に、硬質被覆層の剥離発生に起因する欠損によって寿命となることを防止し得ることを見出した。
さらに、工具基体側の硬質被覆層の前記粗粒組織の層と硬質被覆層表面側の前記微粒組織の層の界面として、複雑な凹凸形状の界面を形成することができるため、工具基体表面と平行な方向に大きな負荷が作用する高速断続切削条件でも、アンカー効果によって粗粒組織の層と微粒組織の層との密着性が向上し、その結果、チッピング、欠損、剥離の発生が抑制され、長期にわたって、すぐれた耐摩耗性と共に、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性が発揮されることを見出したのである。

この発明は、上記の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及び立方晶窒化ホウ素基焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に、平均層厚が１〜１０μｍの硬質被覆層が形成さ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、ＣｒとＡｌの複合窒化物であり、
（ｂ）前記工具基体の逃げ面上の刃先から、前記逃げ面上で前記逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた位置の領域上に形成されている硬質被覆層において、前記工具基体と硬質被覆層の界面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの高さ位置にある結晶粒の、工具基体の表面と平行な方向に測定された結晶粒の平均幅をＷ_１とし、硬質被覆層の表面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの深さ位置にある結晶粒の、工具基体の表面と平行な方向に測定された結晶粒の平均幅をＷ_２とした場合、３０ｎｍ≦Ｗ_１≦１００ｎｍ、かつ、３ｎｍ≦Ｗ_２≦２０ｎｍを満足し、
（ｃ）前記結晶粒の平均幅がＷ_１である結晶粒群からなるＡ層は工具基体側に、また、前記結晶粒の平均幅がＷ_２である結晶粒群からなるＢ層は硬質被覆層表面側に、それぞれ形成されており、前記Ａ層と前記Ｂ層の界面は、工具基体と硬質被覆層の界面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの高さ位置と、硬質被覆層の表面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの深さ位置との間に存在しており、
（ｄ）前記工具基体の逃げ面上の刃先から、前記逃げ面上で前記逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた位置の領域上に形成されている硬質被覆層について、１００ｎｍ間隔で前記工具基体表面と前記Ａ層と前記Ｂ層の界面との距離ｄを工具基体表面に垂直な方向に測定した場合、測定された距離ｄの最大値ｄ_{ｍａｘ１−６}と最小値ｄ_{ｍｉｎ１−６}の差ｄ_１−６は、４００ｎｍ≦ｄ_１−６≦１２００ｎｍを満足する、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記工具基体の逃げ面上の刃先から、前記逃げ面上で前記逃げ面刃先から反対側に向けて、それぞれ、１μｍ〜２μｍ、２μｍ〜３μｍ、３μｍ〜４μｍ、４μｍ〜５μｍ、５μｍ〜６μｍ離れた位置の各区間に形成されている硬質被覆層について、１００ｎｍ間隔で前記工具基体表面と前記Ａ層と前記Ｂ層の界面との距離ｄを工具基体表面に垂直な方向に測定した場合、それぞれの区間において測定された距離ｄの最大値ｄ_{ｍａｘ１−２}、ｄ_{ｍａｘ２−３}、ｄ_{ｍａｘ３−４}、ｄ_{ｍａｘ４−５}、ｄ_{ｍａｘ５−６}と、それぞれの区間において測定された距離ｄの最小値ｄ_{ｍｉｎ１−２}、ｄ_{ｍｉｎ２−３}、ｄ_{ｍｉｎ３−４}、ｄ_{ｍｉｎ４−５}、ｄ_{ｍｉｎ５−６}の差ｄ_１−２、ｄ_２−３、ｄ_３−４、ｄ_４−５、ｄ_５−６は、いずれも前記ｄ_１−６の０．３倍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）前記工具基体の逃げ面上の刃先から、前記逃げ面上で前記逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた位置の領域上に形成されている硬質被覆層について、１００ｎｍ間隔で前記工具基体表面と前記硬質被覆層の表面との距離Ｄを工具基体表面に垂直な方向に測定した場合、測定された距離Ｄの最大値Ｄ_{ｍａｘ１−６}と最小値Ｄ_{ｍｉｎ１−６}の差Ｄ_１−６は、前記ｄ_１−６の０．５倍以下であ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）前記硬質被覆層が、
組成式：（Ａｌ_ｘＣｒ_１−ｘ）Ｎ
で表される（ただし、ｘは原子比で、０．４０≦ｘ≦０．８０）ＡｌとＣｒの複合窒化物層であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層が異なる結晶組織を有するＡ層とＢ層によって構成され、前記Ａ層は、工具基体側に形成され、結晶粒の平均幅が相対的に大きな粗粒結晶組織を有し、一方、前記Ｂ層は、硬質被覆層表面側に形成され、結晶粒の平均幅が相対的に小さな微粒結晶組織を有し、しかも、前記Ａ層と前記Ｂ層の界面は、工具基体表面に沿った平行な界面ではなく、Ａ層とＢ層が入り組んだ複雑な凹凸形状を有する界面として形成されており、また、好ましくは、前記Ａ層とＢ層の界面に比し、工具基体の凹凸が小さいことから、Ａ層とＢ層の密着性が高くかつ切削抵抗の低い硬質被覆層を形成し、その結果、刃先に断続的・衝撃的な高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼などの高速断続切削加工において、耐摩耗性と共に、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性にすぐれ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する。

本発明被覆工具の縦断面の逃げ面特定領域（逃げ面刃先から１μｍ〜６μｍの領域）のＳＥＭ像の模式図の一例を示し、図中に、Ａ層とＢ層の界面を示すとともに、ｄ_{ｍａｘ１−６}の高さ位置とｄ_{ｍｉｎ１−６}の高さ位置を表示した。 図１と同じ本発明被覆工具の縦断面の逃げ面特定領域（逃げ面刃先から１μｍ〜６μｍの領域）のＳＥＭ像の模式図の一例であるが、図中に、区間１−２〜区間５−６を示すとともに、区間４−５におけるｄ_{ｍａｘ４−５}の高さ位置とｄ_{ｍｉｎ４−５}の高さ位置を表示した。 本発明の被覆工具を作製するための、ＡＩＰ装置の概略説明図を示し、（ａ）はその平面図を示し、（ｂ）はその側面図を示す。

本発明について、以下に詳細に説明する。

硬質被覆層の平均層厚：
本発明被覆工具の硬質被覆層は、１〜１０μｍの平均層厚を有するが、その理由は、平均層厚が、１μｍ未満では、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮することができず、工具寿命短命の原因となり、一方、その平均層厚が１０μｍを越えると、刃先にチッピング、欠損が発生し易くなるからである。

硬質被覆層の種類：
本発明被覆工具の硬質被覆層は、硬質被覆層の耐摩耗性、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性という観点を重視するため、ＣｒとＡｌの複合窒化物（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ）層からなる。
また、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層の組成を、
組成式：（Ａｌ_ｘＣｒ_１−ｘ）Ｎ
で表した場合、ｘ（原子比）が、０．４０≦ｘ≦０．８０を満足することが好ましい。
これは、ｘが０．４０未満であると、Ａｌの含有割合が少ないため、耐熱性、耐熱亀裂性が低下し、一方、ｘが０．８０を超えると、Ｃｒの含有割合が少なくなり、高温硬さが低下するという理由による。

硬質被覆層を構成する結晶粒の平均幅Ｗ_１、Ｗ_２：
本発明の硬質被覆層は、工具基体表面側に形成される結晶粒と、硬質被覆層の表面側に形成される結晶粒が、異なった結晶粒の平均幅を有することを一つの技術的特徴とする。
ここで、工具基体表面側と硬質被覆層の表面側で結晶粒の平均幅が異なる結晶組織は、高速断続切削加工時に大きな負荷が作用する領域に少なくとも形成されていればよく、工具基体全体（即ち、切れ刃、逃げ面、すくい面の全ての領域）でこのような結晶組織を有する硬質被覆層が形成されていることを必要とするわけではない。
高速断続切削加工時に断続的・衝撃的な高負荷が作用する領域とは、具体的には、工具基体の逃げ面上の刃先から、前記逃げ面上で前記逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた位置までの領域（以下、この領域を、「逃げ面特定領域」という場合がある。）であるが、少なくともこの領域においては、工具基体表面側と硬質被覆層の表面側で結晶粒の平均幅が異なる結晶組織を形成することが必要である。
なお、本発明では、「逃げ面上の刃先」あるいは「逃げ面刃先」とは、「逃げ面において、切れ刃先端のコーナー部分を除いた、直線状切れ刃の最も先端に近い部分」であると定義する。

本発明の被覆工具における硬質被覆層は、粗粒の結晶粒群によって構成されるＡ層と微粒の結晶粒群によって構成されるＢ層からなり、Ａ層は硬質被覆層の工具基体側に形成され、Ｂ層は硬質被覆層の表面側に形成される。
前記逃げ面特定領域の硬質被覆層について、工具基体と硬質被覆層の界面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの高さ位置（後記するように、Ａ層に属する領域である）にある結晶粒の、工具基体の表面と平行な方向における結晶粒の平均幅をＷ_１として求め、また、硬質被覆層の表面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの深さ位置（後記するように、Ｂ層に属する領域である）にある結晶粒の、工具基体の表面と平行な方向における結晶粒の平均幅をＷ_２として求めた場合、Ｗ_１は、３０ｎｍ≦Ｗ_１≦１００ｎｍを満足し、また、Ｗ_２は、３ｎｍ≦Ｗ_２≦２０ｎｍを満足することが必要である。
ここで、Ｗ_１が３０ｎｍ未満では、工具基体の硬質成分粒子（例えば、ＷＣ粒子、ＴｉＣＮ粒子、ｃＢＮ粒子）と硬質被覆層を構成する結晶粒の粒径差が大きくなるために、工具基体と硬質被覆層の密着性が低下し、一方、Ｗ_１が１００ｎｍを超える大きさであると、Ａ層の結晶粒群の粒径が大きすぎて、工具基体表面から剥離しやすくなるので、Ｗ_１は、３０ｎｍ≦Ｗ_１≦１００ｎｍの範囲とする。
また、Ｗ_２が３ｎｍ未満では、Ｂ層を構成する結晶粒自体の強度が低下し、また耐摩耗性も低下し、一方、Ｗ_２が２０ｎｍを超えて大きくなると、亀裂の進展分散効果が低下するため、耐チッピング性、耐剥離性が低下するので、Ｗ_２は、３ｎｍ≦Ｗ_２≦２０ｎｍの範囲とする。

硬質被覆層のＡ層とＢ層の界面：
工具基体表面側に形成される粗粒の結晶粒群からなるＡ層と、硬質被覆層の表面側に形成される微粒の結晶粒群からなるＢ層の界面は、工具基体表面に沿った平行な界面ではなく、Ａ層とＢ層がお互いに入り組んだ複雑な凹凸形状を有するが、このような界面形態を有することによって、切削加工時に工具基体表面と平行な方向に大きな負荷が作用した場合でも、アンカー効果によって粗粒組織のＡ層と微粒組織のＢ層との密着性がすぐれるため、チッピング、欠損、剥離の発生が抑制される。
ここで、Ａ層とＢ層の界面は、以下の手順で測定し求めることができる。

まず、工具基体と硬質被覆層を区別する必要があるが、そのためには、ＳＥＭ−ＥＤＳを用いて、硬質被覆層中に含有される特定の元素についてのマッピング像を求め、前記元素が原子％で１％以上含有されるか否かを判別し、含有量が原子％で１％未満である領域を工具基体とし、含有量が原子％で１％以上である領域を硬質被覆層であるとして判定する。
次に、被覆工具の前記逃げ面特定領域を含む逃げ面側の断面を切り出し、その断面をＳＥＭにて観察し、前記逃げ面特定領域における工具基体表面と硬質被覆層との界面を５０等分（言い換えれば、逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた領域を、１００ｎｍ毎に５０等分）して、直線として線形近似し、この直線を工具基体表面であるとして定義する。
次に、硬質被覆層のＳＥＭ反射電子像を縦１０２４ピクセル、横７６８ピクセルの画素数で撮影し、各ピクセル毎に白黒の濃淡を２５６階調で数値化する。
次いで、前記逃げ面特定領域において、工具基体表面から１００ｎｍ毎の高さで、前記ＳＥＭ反射電子像の硬質被覆層の部分に、工具基体表面と平行な方向に直線を引き、直線上で９６階調以上白黒の濃淡が変化する点を結晶粒界と特定し、前記逃げ面特定領域の所定の位置と該位置に対応する所定の高さに存在する結晶粒の幅Ｗを測定する。
そして、前記で求めた結晶粒の幅Ｗが３０ｎｍ以上である結晶粒群はＡ層に属するとし、一方、前記で求めた結晶粒の幅Ｗが３０ｎｍ未満ある結晶粒群はＢ層に属するとすることによって、Ａ層及びＢ層を特定することができ、その結果として、Ａ層とＢ層の界面を特定することができる。

また、蒸着条件をコントロールすることによって、前記Ａ層とＢ層の界面は、工具基体表面に垂直な方向に１００ｎｍの高さ位置と、硬質被覆層の表面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの深さ位置との間に存在するようにすることが必要である。
この理由は、Ａ層とＢ層の界面が、工具基体表面から１００ｎｍ以内の高さ位置にある場合には、硬質被覆層全体がほぼＢ層で形成されているに等しく、また、硬質被覆層表面から１００ｎｍの深さ位置にある場合には、硬質被覆層全体がほぼＡ層で形成されているに等しくなり、硬質被覆層をＡ層とＢ層とで構成した利点が発揮されなくなるからである。
なお、本発明において、結晶粒の幅Ｗを測定するためには、ＳＥＭ画像の倍率が最低５００００倍以上必要である。

硬質被覆層のＡ層とＢ層の界面の形態：
本発明では、高速断続切削において、工具基体表面と平行な方向に大きな負荷が作用した場合であっても、アンカー効果を発現させてＡ層とＢ層との密着性を高め、チッピング、欠損、剥離の発生を抑制すべく、上述の手順により求めた、お互いに入り組んだ複雑な凹凸形状を有するＡ層とＢ層の界面について、その界面の形態を次のとおり定めた。
即ち、前記逃げ面特定領域に形成されている硬質被覆層について、工具基体表面に沿って１００ｎｍ間隔で、工具基体表面と垂直な方向に、Ａ層とＢ層の界面と工具基体表面との距離ｄを、工具基体表面に垂直な方向に測定した場合、測定した距離ｄの最大値ｄ_{ｍａｘ１−６}と最小値ｄ_{ｍｉｎ１−６}の差ｄ_１−６が、４００ｎｍ≦ｄ_１−６≦１２００ｎｍとなるような界面の形態とする。
これは言いかえれば、Ａ層とＢ層の界面の工具基体表面からの高さ位置（あるいは硬質被覆層表面からの深さ位置）が所定の凹凸状態を有すること、即ち、最小で４００ｎｍの高低差を有し、該高低差は１２００ｎｍを超えないこと、を意味する。
このように定めたのは、ｄ_１−６が４００ｎｍより小さいと、Ａ層とＢ層の界面の凹凸差が不十分であるため、アンカー効果によるＡ層とＢ層の密着性向上効果が十分でなくなり、一方、ｄ_１−６が１２００ｎｍより大きいと、工具基体表面と平行な方向におけるＢ層の亀裂進展分散効果が低下するため、耐チッピング性、耐剥離性が低下するという理由による。

前記アンカー効果をより確実に高めるためには、前記逃げ面特定領域に形成されている硬質被覆層について、工具基体表面と平行な方向に１μｍ間隔で５つの区間（即ち、区間１−２，区間２−３，区間３−４，区間４−５，区間５−６）に等分し、かつ、各区間において１００ｎｍ間隔で、Ａ層とＢ層の界面と工具基体表面との距離ｄを、工具基体表面に垂直な方向に測定し、それぞれの区間で測定した距離ｄの最大値ｄ_{ｍａｘ１−２}、ｄ_{ｍａｘ２−３}、ｄ_{ｍａｘ３−４}、ｄ_{ｍａｘ４−５}、ｄ_{ｍａｘ５−６}と、それぞれの区間で測定した距離ｄの最小値ｄ_{ｍｉｎ１−２}、ｄ_{ｍｉｎ２−３}、ｄ_{ｍｉｎ３−４}、ｄ_{ｍｉｎ４−５}、ｄ_{ｍｉｎ５−６}の差ｄ_１−２、ｄ_２−３、ｄ_３−４、ｄ_４−５、ｄ_５−６を求めた場合に、すべての区間における差ｄ_１−２、ｄ_２−３、ｄ_３−４、ｄ_４−５、ｄ_５−６が、いずれも前記ｄ_１−６の０．３倍以上となるような界面の形態とする。
このように定めることによって、少なくとも１μｍの周期で、ｄ_１−６の０．３倍以上となるＡ層とＢ層の界面の凹凸が形成されていることになるから、より一層のアンカー効果がもたらされ、これによってＡ層とＢ層の密着性がより高まり、その結果、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性がより一層向上する。

また、前記Ａ層とＢ層の界面形態によるアンカー効果を十分に発揮させるためには、前記逃げ面特定領域に形成されている硬質被覆層について、１００ｎｍ間隔で、工具基体表面と硬質被覆層の表面との距離Ｄを工具基体表面に垂直な方向に測定した場合、測定した距離Ｄの最大値Ｄ_{ｍａｘ１−６}と最小値Ｄ_{ｍｉｎ１−６}の差Ｄ_１−６は、前記ｄ_１−６の０．５倍以下であることが望ましい。
これは、前記Ｄ_１−６が前記ｄ_１−６の０．５倍を超えると、工具基体の凹凸に対して、Ａ層とＢ層の界面の凹凸差が不十分なため、Ａ層とＢ層の界面のアンカー効果が低下し、Ａ層とＢ層の密着性が低下するという理由による。また、前記Ｄ_１−６が大きな値を持つことで切削抵抗の高い硬質被覆層が形成され、チッピング、欠損等が発生する可能性が増大するという理由による。

硬質被覆層の成膜方法：
本発明の硬質被覆層は、例えば、以下の方法によって成膜することができる。
図３（ａ）、（ｂ）に、本発明の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層を成膜するための、ＡＩＰ（アークイオンプレーティング）装置の概略図を示す。
図３（ａ）、（ｂ）に示すＡＩＰ装置内に、所定の成分組成のターゲット（例えば、７０原子％Ａｌ−３０原子％Ｃｒ合金からなるターゲット）を配置するとともに、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体をＡＩＰ装置の回転テーブル上に載置し、工具基体に対するボンバード前処理を行った後、例えば、成膜初期には、工具基体に対してバイアス電圧を印加するとともに、工具基体の温度を５１０℃に保持し、アーク電流値が１００Ａとなるようなアーク放電を発生させ、かつ、バイアス電圧を一定に維持したまま成膜を継続し、アーク放電で発生したイオンをバイアス電圧で加速させて工具基体表面に突入させることによって生成される熱エネルギーの発生による温度上昇を監視し、成膜後期においてバイアス電圧を変更して工具基体の最終到達温度を５３５℃まで上昇させることにより、Ａ層の粗粒の成長表面にランダムに突入するイオンによって確率的に形成される微粒が、ひとたび微粒が形成されるとその近傍に選択的に微粒が形成される傾向を反映して、Ａ層とＢ層からなり、かつ、Ａ層とＢ層がお互いに入り組んだ複雑な凹凸形状の界面を有する本発明の硬質被覆層を成膜することができる。
なお、工具基体表面の温度は、バイアス電圧が印加される温度測定用のダミー工具の表面に熱電対を設置して代表値として取得することで、本発明の工具を形成できることを確認している。

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。
なお、ここでは、代表的な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。）を用い、ＡｌとＣｒの複合窒化物（（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ）層を形成した場合について記載するが、工具基体として、ＴｉＣＮ基サーメットあるいは立方晶窒化ホウ素基焼結体を用いた場合であっても、同様の結果が得られることを確認している。

原料粉末として、平均粒径：５．５μｍを有する中粗粒ＷＣ粉末、同０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ［質量比で、ＴｉＣ／ＷＣ＝５０／５０］粉末、および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意した。これら原料粉末をそれぞれ表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。その後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体に押出しプレス成形し、得られた圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温した。さらに、この温度で１時間保持した後、炉冷の条件で焼結して、直径が１０ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成した。さらに上記丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法で２枚刃スクエア形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）を製造した。

（ａ）上記の工具基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図２（ａ）、（ｂ）に示すＡＩＰ装置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した。そして、ＡＩＰ装置の一方にボンバード洗浄用のＴｉカソード電極を、他方側に所定の組成のＡｌ−Ｃｒ合金からなるターゲット（カソード電極）を配置した。
（ｂ）ついで、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒータで工具基体を４００℃に加熱した後、上記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ｔｉカソード電極とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体表面はボンバード洗浄される。
（ｃ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２．８〜４．５Ｐａの反応雰囲気とし、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に示す成膜初期のバイアス電圧を印加し、工具基体を表２に示す成膜初期温度に加熱し、このバイアス電圧を一定値に維持しながら、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲットとアノード電極との間に表２に示すアーク電流を流してアーク放電を発生させて成膜を開始し、成膜を継続し、所定の目標平均層厚の半分に達する成膜後期に、バイアス電圧値を表２に示す成膜後期のバイアス電圧に変更することにより、所定の目標平均層厚に達する直前の工具基体の温度が表２に示す温度に達するようにして、表４に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
上記の工程（ａ）〜（ｃ）により、本発明の被覆工具としての表面被覆エンドミル１〜１０（以下、本発明１〜１０という）をそれぞれ製造した。

比較例：
比較の目的で、上記実施例１における（ｃ）の工程を、表３に示す条件で実施し、その他は実施例１と同一の条件で、表５に示される組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成した比較例の被覆工具としての表面被覆エンドミル１〜１０（以下、比較例１〜１０という）をそれぞれ製造した。
なお、表２、表３でいう、成膜初期、成膜後期とは、それぞれ、成膜開始時および目標平均層厚の半分の層厚に達する成膜段階をいう。

上記で作製した本発明１〜１０の逃げ面特定領域（被覆工具の工具基体の逃げ面上の刃先から、逃げ面上で逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた位置までの領域）について、その断面をＳＥＭ（倍率：５００００倍）にて観察し、逃げ面特定領域における工具基体表面と硬質被覆層との界面を５０等分（即ち、逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた領域を、１００ｎｍ毎に５０等分）して線形近似し、この線を工具基体表面であるとした。

ついで、硬質被覆層のＳＥＭ反射電子像を縦１０２４ピクセル、横７６８ピクセルの画素数で撮影し、各ピクセル毎に白黒の濃淡を２５６階調で数値化し、前記逃げ面特定領域において、工具基体表面から５０ｎｍ毎の高さで、前記ＳＥＭ反射電子像の硬質被覆層の部分に、工具基体表面と平行な方向に直線を引き、直線上で９６階調以上白黒の濃淡が変化する点を結晶粒界と特定し、前記逃げ面特定領域の所定の位置と該位置に対応する所定の高さに存在する結晶粒の幅Ｗを測定した。
そして、前記で求めた結晶粒の幅Ｗが３０ｎｍ以上である結晶粒群はＡ層に属するとし、一方、結晶粒の幅Ｗが３０ｎｍ未満である結晶粒群はＢ層に属するとして、Ａ層及びＢ層を特定し、さらに、Ａ層とＢ層の界面を特定した。
また、Ａ層とＢ層の界面は、前記逃げ面特定領域において、工具基体表面から工具基体表面に垂直な方向に１００ｎｍの高さ位置と、硬質被覆層の表面から工具基体表面に垂直な方向に１００ｎｍの深さ位置の間に存在していることを確認した。
そして、前記逃げ面特定領域において、工具基体表面から工具基体表面に垂直な方向に１００ｎｍの高さ位置に存在する結晶粒の値を測定するとともに、その平均値をＷ_１として求め、また、硬質被覆層表面から工具基体表面に垂直な方向に１００ｎｍの深さ位置に存在する結晶粒の値を測定するとともに、その平均値をＷ_２として求めた。

ついで、前記逃げ面特定領域に形成されている硬質被覆層について、工具基体表面と平行な方向に１００ｎｍ間隔で、Ａ層とＢ層の界面と工具基体表面との距離ｄを、工具基体表面に垂直な方向に測定し、距離ｄの最大値ｄ_{ｍａｘ１−６}と最小値ｄ_{ｍｉｎ１−６}及びその差ｄ_１−６（＝ｄ_{ｍａｘ１−６}−ｄ_{ｍｉｎ１−６}）を求めた。
さらに、前記逃げ面特定領域に形成されている硬質被覆層について、工具基体表面と平行な方向に１μｍ間隔で５つの区間、即ち、区間１−２，区間２−３，区間３−４，区間４−５，区間５−６、に等分し、かつ、各区間において１００ｎｍ間隔で、Ａ層とＢ層の界面と工具基体表面との距離ｄを、工具基体表面に垂直な方向に測定し、それぞれの区間における距離ｄの最大値ｄ_{ｍａｘ１−２}、ｄ_{ｍａｘ２−３}、ｄ_{ｍａｘ３−４}、ｄ_{ｍａｘ４−５}、ｄ_{ｍａｘ５−６}と、それぞれの区間における距離ｄの最小値ｄ_{ｍｉｎ１−２}、ｄ_{ｍｉｎ２−３}、ｄ_{ｍｉｎ３−４}、ｄ_{ｍｉｎ４−５}、ｄ_{ｍｉｎ５−６}を求め、さらに、前記の各区間における最大値と最小値差ｄ_１−２、ｄ_２−３、ｄ_３−４、ｄ_４−５、ｄ_５−６を求め、前記で求めたｄ_１−６に対する比率（＝ｄ_{ｎ−（ｎ＋１）}／ｄ_１−６）を算出した（但し、ｎ＝１〜５）。

また、逃げ面特定領域に形成されている硬質被覆層について、工具基体表面と平行な方向に１００ｎｍ間隔で、工具基体表面と硬質被覆層の表面との距離Ｄを測定し、測定した距離Ｄの最大値Ｄ_{ｍａｘ１−６}と最小値Ｄ_{ｍｉｎ１−６}から、最大値Ｄ_{ｍａｘ１−６}と最小値Ｄ_{ｍｉｎ１−６}の差Ｄ_１−６を求め、前記で求めたｄ_１−６に対する比率（＝Ｄ_１−６／ｄ_１−６）を算出した。
表４、表５に、前記で測定・算出した値を示す。

つぎに、上記本発明１〜１０および比較例１〜１０のエンドミルについて、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４５０の板材、
回転速度：３００ｍｉｎ^−１、
縦方向切り込み：１５ｍｍ、
横方向切り込み：３ｍｍ
送り速度（１刃当り）：２５００ｍｍ／ｍｉｎ、
切削長：１８０ｍ、
の条件で、ＳＣＭ４５０の側面切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、また、切刃、逃げ面特定領域における損耗状況を観察した。
表６に、その結果を示す。

表６に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層が、異なる結晶組織を有するＡ層とＢ層によって構成され、Ａ層は、工具基体側に形成され、結晶粒の平均幅が相対的に大きな粗粒結晶組織を有し、一方、Ｂ層は、硬質被覆層表面側に形成され、結晶粒の平均幅が相対的に小さな微粒結晶組織を有し、しかも、前記Ａ層と前記Ｂ層の界面は、Ａ層とＢ層が入り組んだ複雑な凹凸形状を有する界面として形成されていることから、刃先に断続的・衝撃的な高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼などの高速断続切削加工において、耐摩耗性と共に、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性にすぐれる。

これに対して、比較例の被覆工具は、層全体にわたって、均質な結晶組織を有することから、あるいは、異なる結晶組織を有するＡ層とＢ層によって構成されていても、本発明で規定する条件を備えないことから、チッピング、欠損、剥離等の発生により、工具寿命が短命となっている。

以上のとおり、本発明被覆工具は、炭素鋼、合金鋼などの高速断続切削加工に供した場合でも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ＦＡ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 (4)

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及び立方晶窒化ホウ素基焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に、平均層厚が１〜１０μｍの硬質被覆層が形成さ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、ＡｌとＣｒの複合窒化物であり、
   （ｂ）前記工具基体の逃げ面上の刃先から、前記逃げ面上で前記逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた位置の領域上に形成されている硬質被覆層において、前記工具基体と硬質被覆層の界面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの高さ位置にある結晶粒の、工具基体の表面と平行な方向に測定された結晶粒の平均幅をＷ_１とし、硬質被覆層の表面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの深さ位置にある結晶粒の、工具基体の表面と平行な方向に測定された結晶粒の平均幅をＷ_２とした場合、３０ｎｍ≦Ｗ_１≦１００ｎｍ、かつ、３ｎｍ≦Ｗ_２≦２０ｎｍを満足し、
   （ｃ）前記結晶粒の平均幅がＷ_１である結晶粒群からなるＡ層は工具基体側に、また、前記結晶粒の平均幅がＷ_２である結晶粒群からなるＢ層は硬質被覆層表面側に、それぞれ形成されており、前記Ａ層と前記Ｂ層の界面は、工具基体と硬質被覆層の界面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの高さ位置と、硬質被覆層の表面から工具基体の表面に垂直な方向に１００ｎｍの深さ位置との間に存在しており、
   （ｄ）前記工具基体の逃げ面上の刃先から、前記逃げ面上で前記逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた位置の領域上に形成されている硬質被覆層について、１００ｎｍ間隔で前記工具基体表面と前記Ａ層と前記Ｂ層の界面との距離ｄを工具基体表面に垂直な方向に測定した場合、測定された距離ｄの最大値ｄ_{ｍａｘ１−６}と最小値ｄ_{ｍｉｎ１−６}の差ｄ_１−６は、４００ｎｍ≦ｄ_１−６≦１２００ｎｍを満足する、
   ことを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記工具基体の逃げ面上の刃先から、前記逃げ面上で前記逃げ面刃先から反対側に向けて、それぞれ、１μｍ〜２μｍ、２μｍ〜３μｍ、３μｍ〜４μｍ、４μｍ〜５μｍ、５μｍ〜６μｍ離れた位置の各区間に形成されている硬質被覆層について、１００ｎｍ間隔で前記工具基体表面と前記Ａ層と前記Ｂ層の界面との距離ｄを工具基体表面に垂直な方向に測定した場合、それぞれの区間において測定された距離ｄの最大値ｄ_{ｍａｘ１−２}、ｄ_{ｍａｘ２−３}、ｄ_{ｍａｘ３−４}、ｄ_{ｍａｘ４−５}、ｄ_{ｍａｘ５−６}と、それぞれの区間において測定された距離ｄの最小値ｄ_{ｍｉｎ１−２}、ｄ_{ｍｉｎ２−３}、ｄ_{ｍｉｎ３−４}、ｄ_{ｍｉｎ４−５}、ｄ_{ｍｉｎ５−６}の差ｄ_１−２、ｄ_２−３、ｄ_３−４、ｄ_４−５、ｄ_５−６は、いずれも前記ｄ_１−６の０．３倍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. 前記工具基体の逃げ面上の刃先から、前記逃げ面上で前記逃げ面刃先から反対側に向けて１μｍ〜６μｍ離れた位置の領域上に形成されている硬質被覆層について、１００ｎｍ間隔で前記工具基体表面と前記硬質被覆層の表面との距離Ｄを工具基体表面に垂直な方向に測定した場合、測定された距離Ｄの最大値Ｄ_{ｍａｘ１−６}と最小値Ｄ_{ｍｉｎ１−６}の差Ｄ_１−６は、前記ｄ_１−６の０．５倍以下であ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. 前記硬質被覆層が、
   組成式：（Ａｌ_ｘＣｒ_１−ｘ）Ｎ
   で表される（ただし、ｘは原子比で、０．４０≦ｘ≦０．８０）ＡｌとＣｒの複合窒化物層であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
   

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