JP2019177425A - 硬質被覆層が優れた耐酸化性、耐溶着性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
硬質被覆層が優れた耐酸化性、耐溶着性を発揮する表面被覆切削工具 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】耐熱合金等の切削に用いても、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供。【解決手段】工具基体の表面に表面から順に、第１層、第２層を含む硬質被覆層を設け、第２層は、１．０〜２５．０μｍの平均層厚のα型のＡｌ２Ｏ３層、第１層は、平均層厚１．０〜２０．０μｍの（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）（０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０≦ｙａｖｇ≦０．００５）、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒を含み、｛１１２｝面の法線の傾斜角のうち工具基体の表面の法線方向に対して０〜４５度の範囲の傾斜角を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た傾斜角度数分布において、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、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３５％以上である、表面被覆工具。【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耐熱合金の高速断続切削加工において、硬質被覆層が優れた耐酸化性、耐溶着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、被覆工具ということがある）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系の複合窒化物層を蒸着法により被覆形成した被覆工具があり、これらは、優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、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削条件で用いた場合に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。
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、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削条件で用いた場合に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、（ａ）工具基体に平均層厚１〜２０μｍの（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）（０．６０≦ｘ≦０．９５、０≦ｙ≦０．００５）である硬質被覆層を有し、（ｂ）前記硬質被覆層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の結晶方位を縦断面方向から解析した場合、前記工具基体の表面の法線方向に対して前記結晶粒の｛１００｝面の法線がなす傾斜角のうち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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上であり、（ｃ）前記法線方向に沿って、前記結晶粒内に周期的な組成変化が存在し、前記ｘの極大値の平均と極小値の平均の差Δｘが０．０３〜０．２５、周期が３〜１００ｎｍである、被覆工具が記載されている。
また、例えば、特許文献２には、（ａ）工具基体に平均層厚１〜２０μｍの（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）（０．６０≦ｘ≦０．９５、０≦ｙ≦０．００５）である硬質被覆層を有し、（ｂ）前記硬質被覆層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の結晶方位を縦断面方向から解析した場合、前記工具基体表面の法線方向に対する｛１１０｝面の法線がなす傾斜角のうち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３５％以上のであり、前記結晶粒の平均粒子幅Ｗが０．１〜２．０μｍ、平均アスペクト比Ａが２〜１０である柱状組織を有し、（ｃ）前記工具基体表面の法線方向に沿って、前記結晶粒内に周期的な組成変化が存在し、周期が４〜１５０ｎｍであり、前記ｘの極大値の平均と極小値の平均の差Δｘが０．０３〜０．２５である、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、（ａ）工具基体に平均層厚１〜２０μｍの（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）（０．６０≦ｘ≦０．９５、０≦ｙ≦０．００５）である硬質被覆層を有し、（ｂ）前記硬質被覆層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の結晶方位を縦断面方向から解析した場合、前記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を測定し、該傾斜角のうち法線方向に対して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４５％以上の割合を示し、（ｃ）前記結晶粒の平均粒子幅Ｗが０．１〜２．０μｍ、平均アスペクト比Ａが２〜１０である柱状組織を有し、
（ｄ）周期的な組成変化が該結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、前記ｘの極大値の平均と極小値の平均の差Δｘが０．０３〜０．２５である、被覆工具が記載されている。
（ｄ）周期的な組成変化が該結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在し、前記ｘの極大値の平均と極小値の平均の差Δｘが０．０３〜０．２５である、被覆工具が記載されている。
加えて、例えば、特許文献４には、３〜２５μｍの厚みの摩耗保護コーティングが、０．７０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜０．２５、及び０．７５≦ｚ＜１．１５の化学量論係数を有し、１．５〜１７μｍの範囲内の厚みの少なくとも１つのＴｉ1-xＡｌxＣyＮz層を有し、前記Ｔｉ1-xＡｌxＣyＮz層が１５０ｎｍ以下の厚みの複数の層を備える層状構造を有し、前記複数の層が、同じ結晶構造で、Ｔｉ及びＡｌの化学量論的割合が交互に異なる、Ｔｉ1-xＡｌxＣyＮz層の周期的に交番する領域で形成され、前記Ｔｉ1-xＡｌxＣyＮz層が、９０ｖｏｌ％以上の面心立方結晶構造を有する、被覆工具が記載されている。
そして、例えば、特許文献５には、Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮ層および／またはＴｉ１−ｘＡｌｘＣ層および／またはＴｉ１−ｘＡｌｘＣＮ層（ｘは、０．６５〜０．９５）の上にＡｌ２Ｏ３層が外層として配置されている被覆工具が記載されている。
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る。そして、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の向上が求められるとともに、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性が求められている。
前記特許文献１〜５に記載された被覆工具は、合金鋼等の高速断続切削加工に供した場合に、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、熱伝導度が低く高温強度が高く加工硬化を起こしやすい材質であって高難削材である耐熱合金の切削においては、十分な工具寿命を与えない場合があった。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、耐熱合金のような刃先が高温になる高難削材の切削に用いたとしても、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することである。
前記特許文献１〜５に記載された被覆工具は、合金鋼等の高速断続切削加工に供した場合に、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、熱伝導度が低く高温強度が高く加工硬化を起こしやすい材質であって高難削材である耐熱合金の切削においては、十分な工具寿命を与えない場合があった。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、耐熱合金のような刃先が高温になる高難削材の切削に用いたとしても、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することである。
本発明者らは、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物（以下、「ＴｉＡｌＣＮ」あるいは「（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−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、耐摩耗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。
すなわち、硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＣＮ層の面配向をとして、｛１１２｝面の配向性を高めると、摩耗に対する耐性、靱性および切削時に発生する高熱に対する耐摩耗性が、バランスよく発揮され、さらに、上部層としてα型のＡｌ２Ｏ３を設け、特に、このＡｌ２Ｏ３を｛０００１｝面の法線方向に配向させることにより、耐酸化性に加えてより高い耐摩耗性が発揮され、高難削材である耐熱合金の切削に用いても耐摩耗性と耐欠損性が向上するという驚くべき事項を発見した。
すなわち、硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＣＮ層の面配向をとして、｛１１２｝面の配向性を高めると、摩耗に対する耐性、靱性および切削時に発生する高熱に対する耐摩耗性が、バランスよく発揮され、さらに、上部層としてα型のＡｌ２Ｏ３を設け、特に、このＡｌ２Ｏ３を｛０００１｝面の法線方向に配向させることにより、耐酸化性に加えてより高い耐摩耗性が発揮され、高難削材である耐熱合金の切削に用いても耐摩耗性と耐欠損性が向上するという驚くべき事項を発見した。
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、該表面から順に、第１層、第２層を含む硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記第２層は、１．０〜２５．０μｍの平均層厚であるα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
（ｂ）前記第１層は、平均層厚１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含み、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層の組成を組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表した場合、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘａｖｇ、および前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙａｖｇ（但し、ｘａｖｇ、ｙａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０≦ｙａｖｇ≦０．００５を満足し、
（ｃ）前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層は、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、
（ｄ）前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層について、電子線後方散乱回折装置を用いて、前記結晶粒の結晶方位を前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層の縦断面方向から解析して、前記工具基体の表面の法線方向に対して前記結晶粒の結晶面である｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上である、
ことを特徴とする表面被覆工具。
（２）前記第２層を構成するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３結晶粒の結晶方位を電子線後方散乱回折装置を用いて、前記第２層の縦断面方向から解析したとき、工具基体の表面の法線方向に対する当該結晶粒の結晶面である｛０００１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上である、
ことを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆工具。
（３）前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層を縦断面方向から観察したとき、前記結晶粒の平均粒子幅Ｗが０．１〜２．０μｍ、平均アスペクト比Ａが２．０〜１０．０である柱状組織を有し、また、前記結晶粒おけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が前記結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿って存在し、Ａｌの前記含有割合の極大値の平均と極小値の平均の差は０．０３〜０．２５であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆工具。
（４）前記結晶粒におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が前記結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿って存在し、その方位における周期が３〜１００ｎｍであり、その方位に直交する面内でＡｌの前記含有割合の変化量は０．０１以下であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の表面被覆工具。
（５）前記工具基体と前記硬質被覆層との間にＴｉの炭化物層、窒化物層、炭酸化物層および炭窒化酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり、０．１〜２０．０μｍ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前記（１）〜（４）のいずれかに記載の表面被覆工具。
「（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、該表面から順に、第１層、第２層を含む硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記第２層は、１．０〜２５．０μｍの平均層厚であるα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
（ｂ）前記第１層は、平均層厚１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含み、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層の組成を組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表した場合、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘａｖｇ、および前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙａｖｇ（但し、ｘａｖｇ、ｙａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０≦ｙａｖｇ≦０．００５を満足し、
（ｃ）前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層は、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、
（ｄ）前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層について、電子線後方散乱回折装置を用いて、前記結晶粒の結晶方位を前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層の縦断面方向から解析して、前記工具基体の表面の法線方向に対して前記結晶粒の結晶面である｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上である、
ことを特徴とする表面被覆工具。
（２）前記第２層を構成するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３結晶粒の結晶方位を電子線後方散乱回折装置を用いて、前記第２層の縦断面方向から解析したとき、工具基体の表面の法線方向に対する当該結晶粒の結晶面である｛０００１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上である、
ことを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆工具。
（３）前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層を縦断面方向から観察したとき、前記結晶粒の平均粒子幅Ｗが０．１〜２．０μｍ、平均アスペクト比Ａが２．０〜１０．０である柱状組織を有し、また、前記結晶粒おけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が前記結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿って存在し、Ａｌの前記含有割合の極大値の平均と極小値の平均の差は０．０３〜０．２５であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆工具。
（４）前記結晶粒におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が前記結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿って存在し、その方位における周期が３〜１００ｎｍであり、その方位に直交する面内でＡｌの前記含有割合の変化量は０．０１以下であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の表面被覆工具。
（５）前記工具基体と前記硬質被覆層との間にＴｉの炭化物層、窒化物層、炭酸化物層および炭窒化酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり、０．１〜２０．０μｍ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前記（１）〜（４）のいずれかに記載の表面被覆工具。
本発明の被覆工具は、第１層において｛１１２｝面の配向性を高めることにより、｛摩耗に対する耐性と靱性および切削時に発生する高熱対する耐摩耗性が、バランスよく発揮され、さらに、第１層の上部に第２層としてα型のＡｌ２Ｏ３を設け、特に、このＡｌ２Ｏ３を｛０００１｝面の法線方向に配向させることにより、耐酸化性に加えてより高い耐摩耗性が発揮され、高難削材である耐熱合金の切削に用いても耐摩耗性と耐欠損性が向上するという、優れた効果を発揮する。
次に、本発明の被覆工具の硬質被覆層について、より詳細に説明する。
１．第１層を構成する複合窒化物層または複合炭窒化物層（ＴｉＡｌＣＮ層）の平均層厚：
本発明の表面被覆切削工具が有する第１層は、組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表されるＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含む。この複合窒化物層または複合炭窒化物層は、硬さが高く、優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、平均層厚が薄いため長期の使用にわたって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を超えると、ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物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ためである。
本発明の表面被覆切削工具が有する第１層は、組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表されるＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含む。この複合窒化物層または複合炭窒化物層は、硬さが高く、優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、平均層厚が薄いため長期の使用にわたって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を超えると、ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物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ためである。
２．第１層を構成するＴｉＡｌＣＮ層の組成：
本発明の表面被覆切削工具が有する第１層を構成するＴｉＡｌＣＮ層は、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘavgおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙavg（但し、ｘavg、ｙavgはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘavg≦０．９５、０≦ｙavg≦０．００５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ｘavgが０．６０未満であると、ＴｉＡｌＣＮ層は硬さに劣るため、耐熱合金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く、一方、Ａｌの平均含有割合ｘavgが０．９５を超えると、相対的にＴｉの含有割合が減少するため、脆化を招き、耐チッピング性が低下するためである。また、Ｃの平均含有割合ｙavgは、０≦ｙavg≦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ＴｉＡｌＣＮ層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、Ｃ成分の平均含有割合ｙavgが０≦ｙavg≦０．００５の範囲を逸脱すると、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損なわれるため好ましくない。
本発明の表面被覆切削工具が有する第１層を構成するＴｉＡｌＣＮ層は、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘavgおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙavg（但し、ｘavg、ｙavgはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘavg≦０．９５、０≦ｙavg≦０．００５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ｘavgが０．６０未満であると、ＴｉＡｌＣＮ層は硬さに劣るため、耐熱合金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く、一方、Ａｌの平均含有割合ｘavgが０．９５を超えると、相対的にＴｉの含有割合が減少するため、脆化を招き、耐チッピング性が低下するためである。また、Ｃの平均含有割合ｙavgは、０≦ｙavg≦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ＴｉＡｌＣＮ層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、Ｃ成分の平均含有割合ｙavgが０≦ｙavg≦０．００５の範囲を逸脱すると、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損なわれるため好ましくない。
３．ＴｉＡｌＣＮ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒
ＴｉＡｌＣＮ層においてＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒が含まれていなければ本発明の前記目的を達成することはできない。この目的を達成するためには、縦断面（工具基体表面に垂直な断面）において、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の占める面積割合が６０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは、全ての結晶粒（面積割合が１００％の結晶粒）がＮａＣｌ型の面心立方構造であるとよい。
ＴｉＡｌＣＮ層においてＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒が含まれていなければ本発明の前記目的を達成することはできない。この目的を達成するためには、縦断面（工具基体表面に垂直な断面）において、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の占める面積割合が６０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは、全ての結晶粒（面積割合が１００％の結晶粒）がＮａＣｌ型の面心立方構造であるとよい。
４．第１層を構成するＴｉＡｌＣＮ層におけるＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒の｛１１２｝面の傾斜角度分布：
本発明では、第１層を構成するＴｉＡｌＣＮ層について、電子線後方散乱回折装置を用いて結晶粒の結晶方位を、縦断面方向（工具基体表面の法線方向）から解析し、工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定して、その傾斜角の内、前記法線方向に対して０〜４５度の範囲にある傾斜角を０．２５度のピッチごとに区分して各区分に存在する度数を集計し傾斜角度分布を求めたとき、０〜１０度の範囲の傾斜角度分布に最高ピークが存在するとともに、前記０〜１０度の範囲に存在する度数の合計が前記傾斜角度分布における度数分布の３５％以上の割合を示す。
ここで、図２に本発明被覆工具について測定した傾斜角度数分布の一例を示す。すなわち、図２からわかるように、傾斜角度数分布は、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、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３５％以上の割合となる。
つまり、本発明の被覆工具は、ＴｉＡｌＣＮ層において｛１１２｝面の法線方向への配向性を相対的に高くし、傾斜角度数分布において０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、かつ、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計を、傾斜角度数分布における度数全体の３５％以上、好ましくは４０％以上、より好ましくは４５％以上としていることによって、摩耗に対する耐性の向上、靱性および切削時に発生する高熱に対する耐摩耗性の向上が、バランスよく発揮され高難削材である耐熱合金の切削に用いても耐摩耗性と耐欠損性が向上する。
本発明では、第１層を構成するＴｉＡｌＣＮ層について、電子線後方散乱回折装置を用いて結晶粒の結晶方位を、縦断面方向（工具基体表面の法線方向）から解析し、工具基体表面の法線方向に対する前記結晶粒の｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定して、その傾斜角の内、前記法線方向に対して０〜４５度の範囲にある傾斜角を０．２５度のピッチごとに区分して各区分に存在する度数を集計し傾斜角度分布を求めたとき、０〜１０度の範囲の傾斜角度分布に最高ピークが存在するとともに、前記０〜１０度の範囲に存在する度数の合計が前記傾斜角度分布における度数分布の３５％以上の割合を示す。
ここで、図２に本発明被覆工具について測定した傾斜角度数分布の一例を示す。すなわち、図２からわかるように、傾斜角度数分布は、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、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３５％以上の割合となる。
つまり、本発明の被覆工具は、ＴｉＡｌＣＮ層において｛１１２｝面の法線方向への配向性を相対的に高くし、傾斜角度数分布において０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、かつ、０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計を、傾斜角度数分布における度数全体の３５％以上、好ましくは４０％以上、より好ましくは４５％以上としていることによって、摩耗に対する耐性の向上、靱性および切削時に発生する高熱に対する耐摩耗性の向上が、バランスよく発揮され高難削材である耐熱合金の切削に用いても耐摩耗性と耐欠損性が向上する。
５．第２層の存在：
第２層は、平均層厚１．０〜２５．０μｍであるα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなる。この第２層を設けることにより、耐酸化性と高い耐摩耗性が与えられる。平均層厚が１．０μｍ未満では、この効果が十分に奏されず、一方、２５．０μｍ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、第２層は、Ａｌ２Ｏ３結晶粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて、前記第２層の縦断面方向から解析し、工具基体の表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である｛０００１｝面の法線（Ｃ軸方向）がなす傾斜角を測定して、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上であることが望ましい。
このような最高ピークと度数割合を有することにより、第２層は耐熱性に加えて高い耐摩耗性を発揮する。
第２層は、平均層厚１．０〜２５．０μｍであるα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなる。この第２層を設けることにより、耐酸化性と高い耐摩耗性が与えられる。平均層厚が１．０μｍ未満では、この効果が十分に奏されず、一方、２５．０μｍ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、第２層は、Ａｌ２Ｏ３結晶粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて、前記第２層の縦断面方向から解析し、工具基体の表面の法線方向に対する前記結晶粒の結晶面である｛０００１｝面の法線（Ｃ軸方向）がなす傾斜角を測定して、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上であることが望ましい。
このような最高ピークと度数割合を有することにより、第２層は耐熱性に加えて高い耐摩耗性を発揮する。
６．第１層のＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒において、縦断面方向から観察したときの柱状晶の平均粒子幅Ｗ、平均アスペクト比Ａ、並びに、＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿ったＴｉとＡｌの周期的な組成変化およびＡｌの含有割合の極大値の平均と極小値の平均の差：
本発明では、ＮａＣｌ型の立方晶構造を有する結晶粒において、縦断面方向から観察したときの柱状晶の平均粒径幅Ｗが０．１〜２．０μｍ、平均アスペクト比Ａが２．０〜１０．０を満足することが望ましい。このようにすると、ＮａＣｌ型の立方晶構造を有する結晶粒は所定形状の柱状晶となり優れた耐摩耗性を示す。この数値範囲とした理由は、平均粒子幅Ｗについては、０．１μｍ未満であると耐摩耗性が低下することがあり、２．０μｍを超えると靱性が低下することがあるためであり、平均アスペクト比Ａについては、２未満であるとＮａＣｌ型の立方晶構造を有する結晶粒内に後述する組成の周期的な分布を形成し難くなることがあり、１０を超えるとクラックの進展を抑制し難くなることがあるためである。
また、＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿ってＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在し、Ａｌ含有量の割合の極大値と極小値の平均の差は０．０３〜０．２５であることが好ましい。すなわち、結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在するとき、結晶粒内に歪みが生じて硬さが向上する。そして、Ａｌの含有割合（ｘ）の極大値と極小値の平均の差が０．０３未満であると、前記歪みが小さく十分な硬さの向上がなく、０．２５を超えると前記歪が大きくなりすぎて、格子欠陥が大きくなり硬さが低下してしまう。
本発明では、ＮａＣｌ型の立方晶構造を有する結晶粒において、縦断面方向から観察したときの柱状晶の平均粒径幅Ｗが０．１〜２．０μｍ、平均アスペクト比Ａが２．０〜１０．０を満足することが望ましい。このようにすると、ＮａＣｌ型の立方晶構造を有する結晶粒は所定形状の柱状晶となり優れた耐摩耗性を示す。この数値範囲とした理由は、平均粒子幅Ｗについては、０．１μｍ未満であると耐摩耗性が低下することがあり、２．０μｍを超えると靱性が低下することがあるためであり、平均アスペクト比Ａについては、２未満であるとＮａＣｌ型の立方晶構造を有する結晶粒内に後述する組成の周期的な分布を形成し難くなることがあり、１０を超えるとクラックの進展を抑制し難くなることがあるためである。
また、＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿ってＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在し、Ａｌ含有量の割合の極大値と極小値の平均の差は０．０３〜０．２５であることが好ましい。すなわち、結晶粒内にＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在するとき、結晶粒内に歪みが生じて硬さが向上する。そして、Ａｌの含有割合（ｘ）の極大値と極小値の平均の差が０．０３未満であると、前記歪みが小さく十分な硬さの向上がなく、０．２５を超えると前記歪が大きくなりすぎて、格子欠陥が大きくなり硬さが低下してしまう。
７．第１層のＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒において、＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿ったＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期と当該方位に直交する面内でのＡｌの含有割合の変化：
前述のとおり、ＴｉとＡｌの周期的な含有割合の変化が、＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿って存在し、この変化の周期が３〜１００ｎｍであることが望ましい。周期が３ｎｍ未満であると靱性が低下することがあり、１００ｎｍを超えると硬さの向上が期待できないことがある。また、この周期的変化が存在する方位に直行する面（すなわち、この方位を法線方向とする面）方向のＡｌ含有量の変化量（最大値と最小値との差）は、０．０１以下であることが望ましい。この周期とＡｌ含有量の変化であれば、十分な硬度や耐欠損性の向上がより一層さなれる。
なお、この周期的な組成変化を示す模式図を図４として示す。
前述のとおり、ＴｉとＡｌの周期的な含有割合の変化が、＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿って存在し、この変化の周期が３〜１００ｎｍであることが望ましい。周期が３ｎｍ未満であると靱性が低下することがあり、１００ｎｍを超えると硬さの向上が期待できないことがある。また、この周期的変化が存在する方位に直行する面（すなわち、この方位を法線方向とする面）方向のＡｌ含有量の変化量（最大値と最小値との差）は、０．０１以下であることが望ましい。この周期とＡｌ含有量の変化であれば、十分な硬度や耐欠損性の向上がより一層さなれる。
なお、この周期的な組成変化を示す模式図を図４として示す。
Ａｌ含有割合の周期的な変化の有無と周期的な変化の極大値と極小値の差、周期幅、
および、周期的な変化のある方向と直交する面の含有量の変化は、透過型電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いた複合窒化物層または複合炭窒化物層の微小領域の観察にてその存在を確認する。
例えば、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断面（縦断面）における４００ｎｍ×４００ｎｍの領域について面分析を行い、ＮａＣｌ型の面心立方構造の立方晶の結晶粒において縞状に色の濃淡の変化が見られたとき、前記立方晶の結晶粒内に、ＴｉＡｌＣＮにおけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在する。そして、当該結晶粒について、電子線解析を行うことにより周期的な組成変化がＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在することを確認し、その方位に沿った、前記面分析の結果に基づいて濃淡から１０周期分程度の組成変化が測定範囲に入る様に倍率を設定した上で、工具基体表面の法線方向に沿ってＥＤＳによる線分析を５周期分の範囲で行い、Ａｌの含有割合ｘの周期的な変化の極大値と極小値のそれぞれの平均値の差を求め、さらに該５周期の極大値間の平均間隔をＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期として求める。そして、その方位に直交する方位に対してもＥＤＳによる面分析を行う。
および、周期的な変化のある方向と直交する面の含有量の変化は、透過型電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いた複合窒化物層または複合炭窒化物層の微小領域の観察にてその存在を確認する。
例えば、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断面（縦断面）における４００ｎｍ×４００ｎｍの領域について面分析を行い、ＮａＣｌ型の面心立方構造の立方晶の結晶粒において縞状に色の濃淡の変化が見られたとき、前記立方晶の結晶粒内に、ＴｉＡｌＣＮにおけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在する。そして、当該結晶粒について、電子線解析を行うことにより周期的な組成変化がＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位のうちの一つの方位に沿って存在することを確認し、その方位に沿った、前記面分析の結果に基づいて濃淡から１０周期分程度の組成変化が測定範囲に入る様に倍率を設定した上で、工具基体表面の法線方向に沿ってＥＤＳによる線分析を５周期分の範囲で行い、Ａｌの含有割合ｘの周期的な変化の極大値と極小値のそれぞれの平均値の差を求め、さらに該５周期の極大値間の平均間隔をＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期として求める。そして、その方位に直交する方位に対してもＥＤＳによる面分析を行う。
８．下部層：
本発明のＴｉＡｌＣＮを含む硬質被覆層は、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、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚を有する下部層を設けた場合には、この層が奏する効果と相俟って、一層すぐれた特性が発揮される。ただし、Ｔｉの炭化物層、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、２０．０μｍ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。
９．上部層
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層以上のＴｉ化合物層からなり、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚を有する上部層を設けると、一層優れた特性が発揮されて好ましい。ここで、合計平均層厚が０．１μｍ未満であると、上部層を設けた効果が十分に発揮されず、一方、２０μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなる。
本発明のＴｉＡｌＣＮを含む硬質被覆層は、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、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚を有する下部層を設けた場合には、この層が奏する効果と相俟って、一層すぐれた特性が発揮される。ただし、Ｔｉの炭化物層、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、２０．０μｍ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。
９．上部層
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層以上のＴｉ化合物層からなり、０．１〜２０．０μｍの合計平均層厚を有する上部層を設けると、一層優れた特性が発揮されて好ましい。ここで、合計平均層厚が０．１μｍ未満であると、上部層を設けた効果が十分に発揮されず、一方、２０μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなる。
１０．成膜方法（条件）
（１）第１層
本発明の第１層は、工具基体またはＴｉの炭化物層、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である下部層の上に、ＴｉＡｌＣＮ層形成用の反応ガスを所定条件で供給して、成膜することによって得られる。また、ＴｉＡｌＣＮ層の傾斜角の制御方法として、例えば、ＴｉＡｌＣＮ層形成の下地層として、平均層厚が１．５〜３．５μｍのＴｉＣＮ層を形成する。
例えば、ガス組成を表す％は容量％として、
（ア）下地層（ＴｉＣＮ層）
反応ガス：ＣＨ３ＣＮ：０．４〜０．８％、ＴｉＣｌ４：２．０〜３．５％、Ｎ２：２０．０〜３０．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：７．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
（イ）ＴｉＡｌＣＮ層
ガス群Ａ：ＮＨ３：０．８〜１．６％、Ｈ２：３５〜４０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．５〜０．７％、Ａｌ（ＣＨ３）３：０．００〜０．０８％、ＴｉＣｌ４：０．１〜０．３％、Ｎ２：０．０〜１２．０％、Ｈ２：残り
（ガス群Ａとガス群Ｂの％は、ガス群Ａとガス群Ｂガスの合計に対するものである）
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
ここで、ガス群Ａとガス群Ｂとは、熱ＣＶＤ装置の反応容器内の空間で被成膜物の直前までガスを分離して供給し、被成膜物の直前でガス群Ａとガス群Ｂが混合し、反応させるようにする。これは、互いに反応活性の高いガス種を成膜領域にわたって均一に成膜するために有効であり、詳細な技術内容は、例えば特開２０１５−１３１９８４号公報に開示されている。
（２）第２層
本発明の第２層は、初期核生成ステップと、その後の成長ステップの２ステップに分けた形成条件で成膜を行う。
例えば、ガス組成を表す％は容量％として、
（ア）初期核生成ステップ
反応ガス：ＡｌＣｌ３：１．０〜３．０％、ＣＯ２：１．０〜５．０％、ＨＣｌ：０．３〜１．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：５．０〜１５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
成膜時間：３０分（イ）成長ステップ
反応ガス：ＡｌＣｌ３：１．５〜５．０％、ＣＯ２：２．０〜８．０％、ＨＣｌ：３．０〜５．０％、Ｈ２Ｓ：０．５〜１．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：５．０〜１５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
（１）第１層
本発明の第１層は、工具基体またはＴｉの炭化物層、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である下部層の上に、ＴｉＡｌＣＮ層形成用の反応ガスを所定条件で供給して、成膜することによって得られる。また、ＴｉＡｌＣＮ層の傾斜角の制御方法として、例えば、ＴｉＡｌＣＮ層形成の下地層として、平均層厚が１．５〜３．５μｍのＴｉＣＮ層を形成する。
例えば、ガス組成を表す％は容量％として、
（ア）下地層（ＴｉＣＮ層）
反応ガス：ＣＨ３ＣＮ：０．４〜０．８％、ＴｉＣｌ４：２．０〜３．５％、Ｎ２：２０．０〜３０．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：７．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
（イ）ＴｉＡｌＣＮ層
ガス群Ａ：ＮＨ３：０．８〜１．６％、Ｈ２：３５〜４０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．５〜０．７％、Ａｌ（ＣＨ３）３：０．００〜０．０８％、ＴｉＣｌ４：０．１〜０．３％、Ｎ２：０．０〜１２．０％、Ｈ２：残り
（ガス群Ａとガス群Ｂの％は、ガス群Ａとガス群Ｂガスの合計に対するものである）
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
ここで、ガス群Ａとガス群Ｂとは、熱ＣＶＤ装置の反応容器内の空間で被成膜物の直前までガスを分離して供給し、被成膜物の直前でガス群Ａとガス群Ｂが混合し、反応させるようにする。これは、互いに反応活性の高いガス種を成膜領域にわたって均一に成膜するために有効であり、詳細な技術内容は、例えば特開２０１５−１３１９８４号公報に開示されている。
（２）第２層
本発明の第２層は、初期核生成ステップと、その後の成長ステップの２ステップに分けた形成条件で成膜を行う。
例えば、ガス組成を表す％は容量％として、
（ア）初期核生成ステップ
反応ガス：ＡｌＣｌ３：１．０〜３．０％、ＣＯ２：１．０〜５．０％、ＨＣｌ：０．３〜１．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：５．０〜１５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
成膜時間：３０分（イ）成長ステップ
反応ガス：ＡｌＣｌ３：１．５〜５．０％、ＣＯ２：２．０〜８．０％、ＨＣｌ：３．０〜５．０％、Ｈ２Ｓ：０．５〜１．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：５．０〜１５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
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。
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。
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ＳＤＫＮ１５０４ＡＥＴＮ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、下地層（ＴｉＣＮ層）とＴｉＡｌＣＮ層をＣＶＤにより形成し、表６に示される本発明被覆工具１〜１０を得た。
成膜条件は、表２、３に記載したとおりであるが、概ね、次のとおりである。
（１）第１層
（ア）下地層（ＴｉＣＮ層）
反応ガス：ＣＨ３ＣＮ：０．４〜０．８％、ＴｉＣｌ４：２．０〜３．５％、Ｎ２：２０．０〜３０．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：７．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
（イ）ＴｉＡｌＣＮ層
ガス群Ａ：ＮＨ３：０．８〜１．６％、Ｈ２：３５〜４０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．５〜０．７％、Ａｌ（ＣＨ３）３：０．００〜０．０８％、ＴｉＣｌ４：０．１〜０．３％、Ｎ２：０．０〜１０．０％、Ｈ２：残り
（ガス群Ａとガス群Ｂの％は、ガス群Ａとガス群Ｂガスの合計に対するものである）
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
ガス群Ａとガス群Ｂとは、熱ＣＶＤ装置の反応容器内の空間で被成膜物の直前までガスを分離して供給し、被成膜物の直前でガス群Ａとガス群Ｂが混合し、反応させるようにしており、前述の特開２０１５−１３１９８４号公報に記載されているものを使用した 。
（２）第２層
本発明の第２層は、初期核生成ステップと、その後の成長ステップの２ステップに分けた形成条件で成膜を行う。
（ア）初期核生成ステップ
反応ガス：ＡｌＣｌ３：１．０〜３．０％、ＣＯ２：１．０〜５．０％、ＨＣｌ：０．３〜１．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：５．０〜１５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
成膜時間：３０分
（イ）成長ステップ
反応ガス：ＡｌＣｌ３：１．５〜５．０％、ＣＯ２：２．０〜８．０％、ＨＣｌ：３．０〜５．０％、Ｈ２Ｓ：０．５〜１．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：５．０〜１５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
なお、本発明被覆工具は１〜１０は、表４に記載された成膜条件により、表５に示された下部層のみ、または、下部層および上部層を形成した。
成膜条件は、表２、３に記載したとおりであるが、概ね、次のとおりである。
（１）第１層
（ア）下地層（ＴｉＣＮ層）
反応ガス：ＣＨ３ＣＮ：０．４〜０．８％、ＴｉＣｌ４：２．０〜３．５％、Ｎ２：２０．０〜３０．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：７．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
（イ）ＴｉＡｌＣＮ層
ガス群Ａ：ＮＨ３：０．８〜１．６％、Ｈ２：３５〜４０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．５〜０．７％、Ａｌ（ＣＨ３）３：０．００〜０．０８％、ＴｉＣｌ４：０．１〜０．３％、Ｎ２：０．０〜１０．０％、Ｈ２：残り
（ガス群Ａとガス群Ｂの％は、ガス群Ａとガス群Ｂガスの合計に対するものである）
反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
ガス群Ａとガス群Ｂとは、熱ＣＶＤ装置の反応容器内の空間で被成膜物の直前までガスを分離して供給し、被成膜物の直前でガス群Ａとガス群Ｂが混合し、反応させるようにしており、前述の特開２０１５−１３１９８４号公報に記載されているものを使用した 。
（２）第２層
本発明の第２層は、初期核生成ステップと、その後の成長ステップの２ステップに分けた形成条件で成膜を行う。
（ア）初期核生成ステップ
反応ガス：ＡｌＣｌ３：１．０〜３．０％、ＣＯ２：１．０〜５．０％、ＨＣｌ：０．３〜１．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：５．０〜１５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
成膜時間：３０分
（イ）成長ステップ
反応ガス：ＡｌＣｌ３：１．５〜５．０％、ＣＯ２：２．０〜８．０％、ＨＣｌ：３．０〜５．０％、Ｈ２Ｓ：０．５〜１．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：５．０〜１５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９００℃
なお、本発明被覆工具は１〜１０は、表４に記載された成膜条件により、表５に示された下部層のみ、または、下部層および上部層を形成した。
また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表２、３に示される条件によりＣＶＤを行うことにより、表６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１〜１０については、表４に示される形成条件により、表５に示された下部層のみ、または、下部層および／または上部層を形成した。
なお、比較被覆工具１〜１０については、表４に示される形成条件により、表５に示された下部層のみ、または、下部層および／または上部層を形成した。
前記本発明被覆工具１〜１０、比較被覆工具１〜１０の第１層であるＴｉＡｌＣＮ層について、前述した方法を用いて、平均Ａｌ含有割合ｘと平均Ｃ含有割合ｙを算出し、基体表面の法線に対して｛１１２｝面の法線がなすそれぞれの傾斜角度数分布において、傾斜角度数の最高ピークが０〜１０度に存在するかを確認すると共に、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。また、第２層であるＡｌ２Ｏ３についても、前述した方法を用いて、基体表面の法線に対して｛０００１｝面の法線がなすそれぞれの傾斜角度数分布において、傾斜角度数の最高ピークが０〜１０度に存在するかを確認すると共に、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。さらに、ＴｉとＡｌの組成変化の＜００１＞で表される等価の方向に沿った周期の有無とＡｌ含有割合の極大値の平均と極小値の平均の差、その周期幅、さらには、その方位に直交する面内のＡｌ含有割合の変化についても測定した。
なお、平均層厚は、各構成層の縦断面を走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて観察し、観察視野内の５点の層厚を測定して平均して求めた。
これらの結果を表６にまとめた。なお、表６には記載していないが、発明被覆工具１〜１０、比較被覆工具１〜１０のいずれも、ＮａＣｌ型面心立方構造の面積率は６０％以上であることを確認している。
なお、平均層厚は、各構成層の縦断面を走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて観察し、観察視野内の５点の層厚を測定して平均して求めた。
これらの結果を表６にまとめた。なお、表６には記載していないが、発明被覆工具１〜１０、比較被覆工具１〜１０のいずれも、ＮａＣｌ型面心立方構造の面積率は６０％以上であることを確認している。
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、耐熱合金、Ｎｉ−１９Ｃｒ−１９Ｆｅ−３Ｍｏ−０．９Ｔｉ−０．５Ａｌ−５．１（Ｎｂ＋Ｔａ）合金の時効硬化処理材の湿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・ 耐熱鋼 幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材
回転速度：１２７ｍｉｎ−１
切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：０．５ｍｍ
一刃送り量：０．１５ｍｍ／刃
切削時間：８分 表７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。
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・ 耐熱鋼 幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材
回転速度：１２７ｍｉｎ−１
切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：０．５ｍｍ
一刃送り量：０．１５ｍｍ／刃
切削時間：８分 表７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。
表７に示される結果から、本発明被覆工具１〜１０は、
（ａ）第２層は、１．０〜２５．０μｍの平均層厚であるα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
（ｂ）第１層は、平均層厚１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含み、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層の組成を組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表した場合、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘａｖｇ、および前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙａｖｇ（但し、ｘａｖｇ、ｙａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０≦ｙａｖｇ≦０．００５を満足し、
（ｃ）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、
（ｄ）｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上である
ことを満足しているから、切削加工が難しい耐熱合金の高速連続切削加工において、チッピングの発生がなく、長期にわたって優れた切削性能を発揮する。
これに対して、本発明の規定を満足しない比較被覆工具１〜１０は、切削加工が難しい耐熱合金の高速連続切削加工においてチッピングが発生し、短時間で使用寿命に至っている。
（ａ）第２層は、１．０〜２５．０μｍの平均層厚であるα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
（ｂ）第１層は、平均層厚１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含み、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層の組成を組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表した場合、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘａｖｇ、および前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙａｖｇ（但し、ｘａｖｇ、ｙａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０≦ｙａｖｇ≦０．００５を満足し、
（ｃ）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、
（ｄ）｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上である
ことを満足しているから、切削加工が難しい耐熱合金の高速連続切削加工において、チッピングの発生がなく、長期にわたって優れた切削性能を発揮する。
これに対して、本発明の規定を満足しない比較被覆工具１〜１０は、切削加工が難しい耐熱合金の高速連続切削加工におい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、耐熱合金の高速断続切削加工であっても、高速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できるものである。
Claims (5)
- 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、該表面から順に、第１層、第２層を含む硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記第２層は、１．０〜２５．０μｍの平均層厚であるα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
（ｂ）前記第１層は、平均層厚１．０〜２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含み、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層の組成を組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表した場合、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘａｖｇ、および前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙａｖｇ（但し、ｘａｖｇ、ｙａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘａｖｇ≦０．９５、０≦ｙａｖｇ≦０．００５を満足し、
（ｃ）前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層は、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、
（ｄ）前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層について、電子線後方散乱回折装置を用いて、前記結晶粒の結晶方位を前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層の縦断面方向から解析して、前記工具基体の表面の法線方向に対して前記結晶粒の結晶面である｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上である、
ことを特徴とする表面被覆工具。 - 前記第２層を構成するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３結晶粒の結晶方位を電子線後方散乱回折装置を用いて、前記第２層の縦断面方向から解析したとき、工具基体の表面の法線方向に対する当該結晶粒の結晶面である｛０００１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち前記工具基体の表面の法線方向に対して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して、各区分内に存在する度数を集計して得られた傾斜角度数分布において、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３５％以上である、
ことを特徴とする請求項１に記載の表面被覆工具。 - 前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層を縦断面方向から観察したとき、前記結晶粒の平均粒子幅Ｗが０．１〜２．０μｍ、平均アスペクト比Ａが２．０〜１０．０である柱状組織を有し、また、前記結晶粒おけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が前記結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿って存在し、Ａｌの前記含有割合の極大値の平均と極小値の平均の差は０．０３〜０．２５であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆工具。
- 前記結晶粒におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が前記結晶粒の＜００１＞で表される等価の結晶方位の一つの方位に沿って存在し、その方位における周期が３〜１００ｎｍであり、その方位に直交する面内でＡｌの前記含有割合の変化量は０．０１以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆工具。
- 前記工具基体と前記硬質被覆層との間にＴｉの炭化物層、窒化物層、炭酸化物層および炭窒化酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり、０．１〜２０．０μｍ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１〜４のいずれかに記載の表面被覆工具。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2018066528A JP2019177425A (ja) | 2018-03-30 | 2018-03-30 | 硬質被覆層が優れた耐酸化性、耐溶着性を発揮する表面被覆切削工具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019177425A true JP2019177425A (ja) | 2019-10-17 |
Family
ID=68277153
Family Applications (1)
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| JP2018066528A Pending JP2019177425A (ja) | 2018-03-30 | 2018-03-30 | 硬質被覆層が優れた耐酸化性、耐溶着性を発揮する表面被覆切削工具 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2019177425A (ja) |
-
2018
- 2018-03-30 JP JP2018066528A patent/JP2019177425A/ja active Pending
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