JP2020040175A - 被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長い被覆切削工具を提供する。【解決手段】基材１と基材の上に形成された被覆層４とを含む被覆切削工具５であって、被覆層は（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎで表される組成を有する化合物を含有する第１複合窒化物層２と、（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎで表される組成を有する化合物を含有する第２複合窒化物層３とを有し、第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が１００ｎｍ未満であり、第２複合窒化物層の結晶系としては立方晶を有し、Ｘ線回折分析における前記第２複合窒化物層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する第２複合窒化物層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１．０以上であり、第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が１００ｎｍ以上であり、第２複合窒化物層の残留応力が−１０．０ＧＰａ以上−２．０ＧＰａ以下である被覆切削工具。【選択図】図１
Description
本発明は、被覆切削工具に関するものである。
従来、鋼などの切削加工には超硬合金や立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）焼結体からなる切削工具が広く用いられている。中でも超硬合金基材の表面にＴｉＮ層、ＴｉＡｌＮ層、ＡｌＣｒＮ層などの硬質被覆膜を１又は２以上含む表面被覆切削工具は汎用性の高さから様々な加工に使用されている。
その中でも、ＡｌＣｒＮ中のＡｌの原子比が８０％以上である表面被覆切削工具は、六方晶を含むことにより硬さが低下するので、耐摩耗性が低下している。
このような問題点を改善するため、例えば、特許文献１では、立方晶を含むＡｌ1-xＣｒxＮ（０．０５≦ｘ≦０．２５：ｘはＣｒの原子比率を示す。）からなる硬質皮膜が提案されている。
近年の切削加工では、加工能率を上げるために従来よりも切削条件が厳しくなる傾向にある。その中で、これまでより工具寿命を延長することが求められている。特に、高速加工や負荷の大きい加工といった切削温度が高い加工においては、被削材と被覆層とが反応することによる摩耗が生じやすくなる。
一方で、上記特許文献１の硬質皮膜を形成する方法は、バイアス電圧が高くなる結果、硬質皮膜の圧縮応力が高くなり、密着性が低下する。また、圧縮応力が高いため、高い負荷がかかるような加工（特に、転削加工）においては、硬質皮膜の強度が不十分である結果、工具に亀裂が進展しやすくなる。また、この結果、得られる工具は、耐欠損性が不十分であることにより、工具寿命を長くし難い。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長い被覆切削工具を提供することを目的とする。
本発明者は被覆切削工具の工具寿命の延長について研究を重ねたところ、被覆切削工具を特定の構成にすると、その耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、被覆切削工具の工具寿命を延長することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
［１］
基材と、前記基材の上に形成された被覆層と、を含む被覆切削工具であって、
前記被覆層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１複合窒化物層と、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２複合窒化物層と、を有し、
（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎ （１）
（式（１）中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｘ≦０．９０を満足する。）
（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ （２）
（式（２）中、ｙはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｙ≦０．９０を満足する。）
前記第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ未満であり、
前記第２複合窒化物層の結晶系としては、立方晶を有し、Ｘ線回折分析における前記第２複合窒化物層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する、前記第２複合窒化物層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１．０以上であり、
前記第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ以上であり、
前記第２複合窒化物層の残留応力が、−１０．０ＧＰａ以上−２．０ＧＰａ以下である、被覆切削工具。
［２］
前記第１複合窒化物層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、［１］に記載の被覆切削工具。
［３］
前記第２複合窒化物層の平均厚さが、０．５μｍ以上５．０μｍ以下である、［１］又は［２］に記載の被覆切削工具。
［４］
前記第２複合窒化物層を構成する粒子は、２．０以上のアスペクト比を有する柱状晶である、［１］〜［３］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［５］
前記被覆層が、前記第１複合窒化物層と前記第２複合窒化物層とを交互に２回以上繰り返し形成した交互積層構造を有する、［１］〜［４］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［６］
前記被覆層全体の平均厚さが、１．０μｍ以上６．０μｍ以下である、［１］〜［５］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［７］
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、［１］〜［６］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［１］
基材と、前記基材の上に形成された被覆層と、を含む被覆切削工具であって、
前記被覆層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１複合窒化物層と、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２複合窒化物層と、を有し、
（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎ （１）
（式（１）中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｘ≦０．９０を満足する。）
（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ （２）
（式（２）中、ｙはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｙ≦０．９０を満足する。）
前記第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ未満であり、
前記第２複合窒化物層の結晶系としては、立方晶を有し、Ｘ線回折分析における前記第２複合窒化物層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する、前記第２複合窒化物層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１．０以上であり、
前記第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ以上であり、
前記第２複合窒化物層の残留応力が、−１０．０ＧＰａ以上−２．０ＧＰａ以下である、被覆切削工具。
［２］
前記第１複合窒化物層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、［１］に記載の被覆切削工具。
［３］
前記第２複合窒化物層の平均厚さが、０．５μｍ以上５．０μｍ以下である、［１］又は［２］に記載の被覆切削工具。
［４］
前記第２複合窒化物層を構成する粒子は、２．０以上のアスペクト比を有する柱状晶である、［１］〜［３］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［５］
前記被覆層が、前記第１複合窒化物層と前記第２複合窒化物層とを交互に２回以上繰り返し形成した交互積層構造を有する、［１］〜［４］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［６］
前記被覆層全体の平均厚さが、１．０μｍ以上６．０μｍ以下である、［１］〜［５］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［７］
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、［１］〜［６］のいずれかに記載の被覆切削工具。
本発明によると、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長い被覆切削工具を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
本実施形態の被覆切削工具は、基材と、基材の上に形成された被覆層と、を含む被覆切削工具であって、被覆層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１複合窒化物層（以下、単に「第１複合窒化物層」とも記す。）と、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２複合窒化物層（以下、単に「第２複合窒化物層」とも記す。）と、を有し、
（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎ （１）
（式（１）中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｘ≦０．９０を満足する。）
（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ （２）
（式（２）中、ｙはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｙ≦０．９０を満足する。）
第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ未満であり、第２複合窒化物層の結晶系としては、立方晶を有し、Ｘ線回折分析における第２複合窒化物層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する、第２複合窒化物層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１．０以上であり、第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ以上であり、第２複合窒化物層の残留応力が、−１０．０ＧＰａ以上−２．０ＧＰａ以下である。
（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎ （１）
（式（１）中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｘ≦０．９０を満足する。）
（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ （２）
（式（２）中、ｙはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｙ≦０．９０を満足する。）
第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ未満であり、第２複合窒化物層の結晶系としては、立方晶を有し、Ｘ線回折分析における第２複合窒化物層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する、第２複合窒化物層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１．０以上であり、第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ以上であり、第２複合窒化物層の残留応力が、−１０．０ＧＰａ以上−２．０ＧＰａ以下である。
このような被覆切削工具が、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長いものとなる要因は、詳細には明らかではないが、本発明者はその要因を下記のように考えている。ただし、要因はこれに限定されない。すなわち、被覆層を形成する第１複合窒化物層は、そこに含まれる化合物の組成（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎ中のｘが０．７５以上０．９０以下であると、第２複合窒化物層との密着性に優れるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。また、第１複合窒化物層における化合物の組成を上記のように調整することにより、第２複合窒化物層の配向（比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００））を制御することができる。また、第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が１００ｎｍ未満であると、第２複合窒化物層の圧縮応力が高くなるのを抑制することができるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。また、被覆層を形成する第２複合窒化物層は、そこに含まれる化合物の組成（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ中のｙが０．７５以上であると、耐熱性が向上する。その結果、高速加工や負荷の大きい加工といった切削温度が高い加工においても反応摩耗を抑制することができるため、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、第２複合窒化物層に含まれる化合物の組成（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ中のｙが０．９０以下であると、Ｃｒを含有することによる第２複合窒化物層の高温強度の向上や六方晶形成の抑制に起因して、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。また、第２複合窒化物層の結晶系として立方晶を有し、Ｘ線回折分析における第２複合窒化物層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する、第２複合窒化物層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１．０以上であることは、第２複合窒化物層が立方晶（１１１）面により配向していることを示す。第２複合窒化物層は、このように立方晶（１１１）面により配向していると、最密面となりやすいので歪みにくくなる。これにより、第２複合窒化物層の硬さが高くなり、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。また、第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が１００ｎｍ以上であると、さらに粒子の脱落が抑制されるので、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。さらに、第２複合窒化物層の残留応力が−１０．０ＧＰａ以上であると、被覆層を形成した後に亀裂が生じるのを抑制することができるので、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。一方、第２複合窒化物層の残留応力が−２．０ＧＰａ以下であると、圧縮応力を有する効果により、亀裂の進展を抑制することができるので、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。これらの効果が相俟って、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長いものとなる。
本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材の表面に形成された被覆層とを含む。本実施形態に用いる基材は、被覆切削工具の基材として用いられ得るものであれば、特に限定はされない。基材の例として、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、及び高速度鋼を挙げることができる。それらの中でも、基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体からなる群より選ばれる１種以上であると、耐欠損性に一層優れるので、さらに好ましい。
本実施形態の被覆切削工具において、被覆層全体の平均厚さが１．０μｍ以上であると、耐摩耗性が更に向上する傾向にある。一方、本実施形態の被覆切削工具において、被覆層全体の平均厚さが６．０μｍ以下であると、耐欠損性が一層向上する傾向にある。そのため、被覆層全体の平均厚さは、１．０μｍ以上６．０μｍ以下であることが好ましい。その中でも、上記と同様の観点から、被覆層全体の平均厚さは２．０μｍ以上６．０μｍ以下であるとより好ましく、３．０μｍ以上５．５μｍ以下であるとさらに好ましい。
〔第１複合窒化物層〕
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１複合窒化物層を有する。
（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎ （１）
（式（１）中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｘ≦０．９０を満足する。）
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１複合窒化物層を有する。
（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎ （１）
（式（１）中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｘ≦０．９０を満足する。）
被覆層を形成する第１複合窒化物層は、そこに含まれる化合物の組成（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎ中のｘが０．７５以上０．９０以下であると、第２複合窒化物層との密着性に優れるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。また、第１複合窒化物層における化合物の組成を上記のように調整することにより、第２複合窒化物層の配向（比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００））を制御することができる。
また、本実施形態において、各複合窒化物層の組成を（Ａｌ0.80Ｃｒ0.20）Ｎと表記する場合は、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比が０．８０、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比が０．２０であることを意味する。すなわち、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の量が８０原子％、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の量が２０原子％であることを意味する。
また、本実施形態の被覆切削工具は、第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ未満である。第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が１００ｎｍ未満であると、第２複合窒化物層の圧縮応力が高くなるのを抑制することができるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。同様の観点から第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径は５０ｎｍ未満であることが好ましい。第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径の下限は、特に限定されないが、例えば、１０ｎｍである。
さらに、本実施形態の被覆切削工具は、第１複合窒化物層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。第１複合窒化物層の平均厚さが０．１μｍ以上であると、第１複合窒化物層が基材の表面をより十分に覆うことができるため、被覆切削工具が第１複合窒化物層を有することによる効果をより有効かつ確実に得ることができる。一方、第１複合窒化物層の平均厚さが１．０μｍ以下であると、被覆切削工具の耐摩耗性を抑制することができる。
〔第２複合窒化物層〕
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２複合窒化物層を有する。
（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ （２）
（式（２）中、ｙはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦y≦０．９０を満足する。）
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２複合窒化物層を有する。
（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ （２）
（式（２）中、ｙはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦y≦０．９０を満足する。）
被覆層を形成する第２複合窒化物層は、そこに含まれる化合物の組成（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ中のｙが０．７５以上であると、耐熱性が向上する。その結果、高速加工や負荷の大きい加工といった切削温度が高い加工においても反応摩耗を抑制することができるため、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、第２複合窒化物層に含まれる化合物の組成（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ中のｙが０．９０以下であると、Ｃｒを含有することによる第２複合窒化物層の高温強度の向上や六方晶形成の抑制に起因して、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。
また、本実施形態の被覆切削工具は、第２複合窒化物層の平均厚さが、０．５μｍ以上５．０μｍ以下である。第２複合窒化物層の平均厚さが０．５μｍ以上であると、被覆切削工具が第２複合窒化物層を有することによる効果をより有効かつ確実に得ることができる。一方、第２複合窒化物層の平均厚さが５．０μｍ以下であると、圧縮応力が高くなるのを抑制することができるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。
また、本実施形態の被覆切削工具は、第２複合窒化物層の結晶系として立方晶を有し、Ｘ線回折分析における第２複合窒化物層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する、第２複合窒化物層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１．０以上である。第２複合窒化物層の結晶系として立方晶を有し、Ｘ線回折分析における第２複合窒化物層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する、第２複合窒化物層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１．０以上であることは、第２複合窒化物層が立方晶（１１１）面により配向していることを示す。第２複合窒化物層は、このように立方晶（１１１）面により配向していると、最密面となりやすいので歪みにくくなる。これにより、第２複合窒化物層の硬さが高くなり、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）の上限は、特に限定されないが、例えば、５．０である。
第２複合窒化物層の各結晶面のピーク強度は、市販のＸ線回折装置を用いることにより、測定することができる。例えば、株式会社リガク製のＸ線回折装置である型式：ＲＩＮＴ ＴＴＲＩＩＩを用い、Ｃｕ−Ｋα線による２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／分、２θ測定範囲：２０〜５０°という条件にて行うと、各結晶面のピーク強度を測定することができる。Ｘ線回折図形から各結晶面のピーク強度を求めるときに、Ｘ線回折装置に付属した解析ソフトウェアを用いてもよい。解析ソフトウェアでは、三次式近似を用いてバックグラウンド処理及びＫα2ピーク除去を行い、Ｐｅａｒｓｏｎ−ＶＩＩ関数を用いてプロファイルフィッティングを行うことによって、各ピーク強度を求めることができる。なお、第２複合窒化物層と基材との間に各種の層が形成されている場合、その層の影響を受けないように、薄膜Ｘ線回折法により、各ピーク強度を測定することができる。また、第２複合窒化物層の基材側とは反対側に各種の層が形成されている場合、バフ研磨により、各種の層を除去し、その後、Ｘ線回折測定を行うとよい。
また、本実施形態の被覆切削工具は、第２複合窒化物層を構成する粒子は、２．０以上のアスペクト比を有する柱状晶である。第２複合窒化物層を構成する粒子が、２．０以上のアスペクト比を有する柱状晶であると、その粒子の脱落を抑制できるので、第２複合窒化物層を有することによる効果を長く発揮することが可能となる。これにより、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。なお、アスペクト比とは、第２複合化合物層を構成する粒子の最も長い軸を最も短い軸で除した値であり、アスペクト比が１に近いほど等軸粒であることを表す。第２複合窒化物層を構成する粒子のアスペクト比の上限は、特に限定されないが、例えば、５．５である。
また、本実施形態の被覆切削工具は、第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ以上である。第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が１００ｎｍ以上であると、さらに粒子の脱落が抑制されるので、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径の上限は、特に限定されないが、例えば、２００ｎｍである。
なお、本実施形態において、複合化合物層を構成する粒子の形状、アスペクト比及び平均粒径については、被覆切削工具の断面組織を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電解放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）などに付属した電子後方散乱回折像装置（ＥＢＳＤ）を用いて観察することにより、測定することができ、粒子の結晶系はＸ線回折測定で確認することができる。具体的には、例えば、まず、被覆切削工具を基材の表面と直交又は略直交する方向に鏡面研磨し、断面組織を得る。被覆切削工具の断面組織を得る方法としては、特に限定されないが、例えば、ダイヤモンドペーストまたはコロイダルシリカを用いて研磨する方法やイオンミリングが挙げられる。次に、被覆切削工具の断面組織を有する試料をＦＥ−ＳＥＭにセットし、試料の断面組織に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧及び０．５ｎＡ照射電流で電子線を照射する。ＥＢＳＤにより、被覆切削工具の逃げ面における断面組織を、３００μｍ2の測定範囲、０．１μｍのステップサイズで測定することが好ましい。このとき、方位差が５°以上の境界を結晶粒界とみなし、この結晶粒界によって囲まれる領域を粒子とする。また、ここで、粒径とは、各層を構成する粒子において基材の表面と平行な方向の軸の値とする。各複合化合物層について、上記のようにして特定した各粒子の形状、結晶系、アスペクト比及び平均粒径を求めることができる。
さらに、本実施形態の被覆切削工具は、第２複合窒化物層の残留応力が、−１０．０ＧＰａ以上−２．０ＧＰａ以下である。２複合窒化物層の残留応力が−１０．０ＧＰａ以上であると、被覆層を形成した後に亀裂が生じるのを抑制することができるので、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。一方、第２複合窒化物層の残留応力が−２．０ＧＰａ以下であると、圧縮応力を有する効果により、亀裂の進展を抑制することができるので、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。
上記残留応力とは、被覆層中に残留する内部応力（固有ひずみ）であって、一般に「−」（マイナス）の数値で表される応力を圧縮応力といい、「＋」（プラス）の数値で表される応力を引張応力という。本実施形態においては、残留応力の大小を表現する場合、「＋」（プラス）の数値が大きくなる程、残留応力が大きいと表現し、また「−」（マイナス）の数値が大きくなる程、残留応力が小さいと表現するものとする。
なお、上記残留応力は、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ2ψ法により測定することができる。そして、このような残留応力は、切削に関与する部位に含まれる任意の点３点（これらの各点は、当該部位の応力を代表できるように、互いに０．５ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい。）の応力を上記ｓｉｎ2ψ法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる。
図１は、本実施形態の被覆切削工具の一例を示す模式断面図である。被覆切削工具５は、基材１と、その基材１の表面上に形成された被覆層４とを備え、更に被覆層４は、基材１の表面上に形成された第１複合窒化物層２と、第１複合窒化物層２の基材１とは反対側の表面上に形成された第２複合窒化物層３とを備える。
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、第１複合窒化物層と第２複合窒化物層とを交互に２回以上繰り返し形成した交互積層構造を有することが好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、第１複合窒化物層と第２複合窒化物層とを交互に２回以上繰り返し形成した交互積層構造を有すると、圧縮応力が高くなるのを抑制することができるため、耐欠損性が向上する傾向にあり、また、被覆層全体を厚くすることができるため、耐摩耗性が一層向上する傾向にある。
なお、本実施形態において、第１複合窒化物層と、第２複合窒化物層とを１層ずつ形成した場合、「繰り返し数」は１回である。
本実施形態に用いる被覆層は、各複合窒化物層だけで構成されてもよいが、基材と複合窒化物層との間（すなわち、第１複合窒化物層の下層）に下部層を有すると好ましい。これにより、基材と複合化合物層との密着性が更に向上する。その中でも、下部層は、上記と同様の観点から、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと好ましく、その中でも、下部層は、上記と同様の観点から、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むとより好ましく、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物を含むとさらに好ましい。また、下部層は単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。
本実施形態において、下部層の平均厚さが０．１μｍ以上３．５μｍ以下であると、基材と被覆層との密着性が更に向上する傾向を示すため、好ましい。同様の観点から、下部層の平均厚さは、０．２μｍ以上３．０μｍ以下であるとより好ましく、０．３μｍ以上２．５μｍ以下であるとさらに好ましい。
本実施形態に用いる被覆層は、複合化合物層の基材とは反対側（すなわち、第２複合化合物層の上層）、好ましくは第２複合化合物層の表面に上部層を有してもよい。上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと、耐摩耗性に一層優れるので、さらに好ましい。また、上記と同様の観点から、上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むとより好ましく、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物を含むとさらに好ましい。また、上部層は単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。
本実施形態において、上部層の平均厚さが０．１μｍ以上３．５μｍ以下であると、耐摩耗性により優れる傾向を示すため好ましい。同様の観点から、上部層の平均厚さは、０．２μｍ以上３．０μｍ以下であるとより好ましく、０．３μｍ以上２．５μｍ以下であるとさらに好ましい。
本実施形態の被覆切削工具における被覆層の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、及びイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。物理蒸着法を使用して、被覆層を形成すると、シャープエッジを形成することができるので好ましい。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層と基材との密着性に一層優れるので、より好ましい。
本実施形態の被覆切削工具の製造方法について、以下に具体例を用いて説明する。なお、本実施形態の被覆切削工具の製造方法は、当該被覆切削工具の構成を達成し得る限り、特に制限されるものではない。
まず、工具形状に加工した基材を物理蒸着装置の反応容器内に収容し、金属蒸発源を反応容器内に設置する。その後、反応容器内をその圧力が１．０×１０-2Ｐａ以下の真空になるまで真空引きし、反応容器内のヒーターにより基材をその温度が２００℃〜７００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にＡｒガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜５．０Ｐａとする。圧力０．５Ｐａ〜５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−５００Ｖ〜−３５０Ｖのバイアス電圧を印加し、反応容器内のタングステンフィラメントに４０Ａ〜５０Ａの電流を流して、基材の表面にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を施す。基材の表面にイオンボンバードメント処理を施した後、反応容器内をその圧力が１．０×１０-2Ｐａ以下の真空になるまで真空引きする。
本実施形態に用いる下部層を形成する場合、基材をその温度が４００℃〜６００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜５．０Ｐａとする。ガスとしては、例えば、下部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物で構成される場合、Ｎ2ガスが挙げられ、下部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ及びＣとからなる化合物で構成される場合、Ｎ2ガスとＣ2Ｈ2ガスとの混合ガスが挙げられる。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｎ2ガス：Ｃ2Ｈ2ガス＝９５：５〜８５：１５であってもよい。次いで、基材に−８０Ｖ〜−４０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流１００Ａ〜２００Ａのアーク放電により各層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて下部層を形成するとよい。
本実施形態に用いる第１複合窒化物層を形成する場合、基材をその温度が２００℃〜４００℃になるように制御し、窒素ガス（Ｎ2）を反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜４．０Ｐａにする。その後、基材に−８０Ｖ〜−４０Ｖのバイアス電圧を印加し、第１複合窒化物層の金属成分に応じた金属蒸発源を８０Ａ〜１５０Ａとするアーク放電により蒸発させて、第１複合窒化物層を形成するとよい。
本実施形態に用いる第２複合窒化物層を形成する場合、基材をその温度が２００℃〜４００℃になるように制御する。なお、その基材の温度を、第１複合窒化物層を形成する際の基材の温度と同じにすると、第１複合窒化物層と第２複合窒化物層とを連続して形成することができるので好ましい。温度を制御した後、反応容器内にＮ2ガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜４．０Ｐａとする。次いで、基材に−２００Ｖ〜−１３０Ｖのバイアス電圧を印加し、アーク電流８０Ａ〜１５０Ａのアーク放電により第２複合窒化物層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて、第２複合窒化物層を形成するとよい。
第１複合窒化物層と第２複合窒化物層との交互積層構造を形成するには、２種類以上の金属蒸発源を上述した条件にて、交互にアーク放電により蒸発させることによって、各複合窒化物層を交互に形成するとよい。金属蒸発源のアーク放電時間をそれぞれ調整することによって、交互積層構造を構成する各複合窒化物層の厚さを制御することができる。
本実施形態に用いる第２複合窒化物層を構成する粒子のアスペクト比を所望の値にするには、上述の第２複合窒化物層を形成する過程において、バイアス電圧を調整したり、第２複合窒化物層に含まれる式（２）で表される化合物中のＡｌ比を調整するとよい。より具体的には、第２複合窒化物層を形成する過程において、より高い負のバイアス電圧を印加すると、アスペクト比が大きくなる傾向がある。また、第２複合窒化物層に含まれる式（２）で表される化合物中のＡｌ比を増加させると、アスペクト比が小さくなる傾向がある。
本実施形態に用いる第２複合窒化物層におけるＸ線回折強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）を所定の値にするには、上述の第２複合窒化物層を形成する過程において、基材の温度を調整したり、反応容器内の圧力を調整したり、アーク電流を調整するとよく、また、上述の第１複合窒化物層及び／又は第２複合窒化物層を形成する過程において、第１複合窒化物層及び／又は第２複合窒化物層の厚さを制御するとよい。より具体的には、第２複合窒化物層を形成する過程において、基材の温度を低くしたり、反応容器内の圧力を低くすると、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が大きくなる傾向があり、アーク電流を高くすると、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が小さくなる傾向がある。また、第１複合窒化物層を形成する過程において、第１複合窒化物層の厚さを薄くすると、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が大きくなる傾向があり、また、第１複合窒化物層及び第２複合窒化物層を形成する過程において、第１複合窒化物層の厚さを厚くして、且つ、第２複合窒化物層の厚さを厚くすると、（２００）面が優先的に成長してＩ（１１１）／Ｉ（２００）が小さくなる傾向がある。
本実施形態に用いる第２複合窒化物層における残留応力を所定の値にするには、上述の第２複合窒化物層を形成する過程において、基材の温度を調整したり、バイアス電圧を調整したり、第２複合窒化物層に含まれる式（２）で表される化合物中のＡｌ比を調整するとよく、また、上述の第１複合窒化物層及び／又は第２複合窒化物層を形成する過程において、第１複合窒化物層及び／又は第２複合窒化物層の厚さを制御するとよい。より具体的には、第２複合窒化物層を形成する過程において、基材の温度を低くしたり、より高い負のバイアス電圧を印加したり、第２複合窒化物層に含まれる式（２）で表される化合物中のＡｌ比を増加させると、第２複合窒化物層における残留応力が小さくなる傾向がある。また、第１複合窒化物層を形成する過程において、第１複合窒化物層の厚さを厚くすると、第２複合窒化物層における残留応力が小さくなる傾向があり、また、第２複合窒化物層を形成する過程において、第２複合窒化物層の厚さを厚くすると、第２複合窒化物層における残留応力が小さくなる傾向がある。
本実施形態に用いる各複合化合物層を構成する粒子の平均粒径を所望の値にするには、上述の複合化合物層を形成する過程において、バイアス電圧を制御するとよい。負のバイアス電圧を印加するほど、各複合化合物層の平均粒径が大きくなる傾向がある。よって、バイアス電圧を調整することにより、各複合化合物層の平均粒径を制御することができる。
本実施形態に用いる上部層を形成する場合、上述した下部層と同様の製造条件により形成するとよい。すなわち、まず、基材をその温度が４００℃〜６００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜５．０Ｐａとする。ガスとしては、例えば、上部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物で構成される場合、Ｎ2ガスが挙げられ、上部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ及びＣとからなる化合物で構成される場合、Ｎ2ガスとＣ2Ｈ2ガスとの混合ガスが挙げられる。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｎ2ガス：Ｃ2Ｈ2ガス＝９５：５〜８５：１５であってもよい。次いで、基材に−８０Ｖ〜−４０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流１００Ａ〜２００Ａのアーク放電により各層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて、上部層を形成するとよい。
本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の厚さは、被覆切削工具の断面組織から、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを用いて測定することができる。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さは、金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から、当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍における３箇所以上の断面から各層の厚さを測定して、その平均値（相加平均値）を計算することで求めることができる。
また、本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の組成は、本実施形態の被覆切削工具の断面組織から、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。
本実施形態の被覆切削工具は、少なくとも耐摩耗性及び耐欠損性に優れていることに起因して、従来よりも工具寿命を延長できるという効果を奏すると考えられる（ただし、工具寿命を延長できる要因は上記に限定されない）。本実施形態の被覆切削工具の種類として具体的には、フライス加工用又は旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル、及びエンドミルなどを挙げることができる。
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
基材として、ＬＮＭＵ０３０３ＺＥＲ−ＭＪのインサート（株式会社タンガロイ製、８９．８％ＷＣ−９．８％Ｃｏ−０．３％Ｃｒ3Ｃ2（質量％）の組成を有する超硬合金）を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表１及び表２に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。
基材として、ＬＮＭＵ０３０３ＺＥＲ−ＭＪのインサート（株式会社タンガロイ製、８９．８％ＷＣ−９．８％Ｃｏ−０．３％Ｃｒ3Ｃ2（質量％）の組成を有する超硬合金）を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表１及び表２に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。
その後、反応容器内をその圧力が５．０×１０-3Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。真空引き後、反応容器内のヒーターにより、基材をその温度が４５０℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内にその圧力が２．７ＰａになるようにＡｒガスを導入した。
圧力２．７ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−４００Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに４０Ａの電流を流して、基材の表面にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間施した。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内をその圧力が５．０×１０-3Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。
発明品１〜１５については、真空引き後、基材をその温度が表３及び表４に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ2）を反応容器内に導入し、反応容器内を表３及び表４に示す圧力に調整した。その後、基材に表３及び表４に示すバイアス電圧を印加して、表１に示す組成の第１複合窒化物層と第２複合窒化物層との金属蒸発源をこの順で交互に、表３及び表４に示すアーク電流のアーク放電により蒸発させて、基材の表面に第１複合窒化物層と第２複合窒化物層とをこの順で交互に形成した。このとき表３及び表４に示す反応容器内の圧力になるよう制御した。また、第１複合窒化物層の厚さ及び第２複合窒化物層の厚さは、表１に示す厚さとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。
比較品１及び４については、真空引き後、基材をその温度が表６に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ2）を反応容器内に導入し、反応容器内を表６に示す圧力に調整した。その後、基材に表６に示すバイアス電圧を印加して、表６に示すアーク電流のアーク放電により表２に示す組成の金属蒸発源を蒸発させて、基材の表面に表２に示す厚さを有する単層（Ｂ層）を形成した。
比較品２、３、５〜１０については、真空引き後、基材をその温度が表５及び表６に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ2）を反応容器内に導入し、反応容器内を表５及び表６に示す圧力に調整した。その後、基材に表５及び表６に示すバイアス電圧を印加して、表２に示す組成のＡ層とＢ層との金属蒸発源をこの順で交互に、表５及び表６に示すアーク電流のアーク放電により蒸発させて、基材の表面にＡ層とＢ層とをこの順で交互に形成した。このとき表５及び表６に示す反応容器内の圧力になるよう制御した。また、Ａ層の厚さ及びＢ層の厚さは、表２に示す厚さとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。
基材の表面に表１及び表２に示す所定の平均厚さまで各層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。
得られた試料の各層の平均厚さは、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所の断面をＴＥＭ観察し、各層の厚さを測定し、その平均値（相加平均値）を計算することで求めた。それらの結果も、表１及び表２に併せて示す。
得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＴＥＭに付属するＥＤＳを用いて測定した。それらの結果も、表１及び表２に併せて示す。なお、表１及び表２の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。
〔粒子の形状、結晶系、アスペクト比及び平均粒径〕
得られた試料の第２複合窒化物層及びＢ層における粒子の形状、アスペクト比及び平均粒径は、ＦＥ−ＳＥＭに付属したＥＢＳＤを用いて測定し、粒子の結晶系はＸ線回折測定で確認した。具体的には、ダイヤモンドペーストを用いて被覆切削工具を研磨した後、コロイダルシリカを用いて仕上げ研磨を行い、被覆切削工具の断面組織を得た。被覆切削工具の断面組織を有する試料をＦＥ−ＳＥＭにセットし、試料の断面組織に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧及び０．５ｎＡ照射電流で電子線を照射した。ＥＢＳＤにより被覆切削工具の逃げ面における断面組織を、測定範囲が３００μｍ2の範囲、０．１μｍのステップサイズで測定した。このとき、方位差が５°以上の境界を結晶粒界とみなし、この結晶粒界によって囲まれる領域を粒子とした。また、ここで、粒径とは、各層を構成する粒子において基材の表面と平行な方向の軸の値とした。第２複合窒化物層及びＢ層について、特定した各粒子の形状、結晶系、アスペクト比及び平均粒径をそれぞれ求めた。それらの結果を、表７及び表８に示す。
また、得られた試料の第１複合窒化物層及びＡ層について、上記と同様にして特定した各粒子の平均粒径を求めた。その結果を、表７及び表８に示す。
得られた試料の第２複合窒化物層及びＢ層における粒子の形状、アスペクト比及び平均粒径は、ＦＥ−ＳＥＭに付属したＥＢＳＤを用いて測定し、粒子の結晶系はＸ線回折測定で確認した。具体的には、ダイヤモンドペーストを用いて被覆切削工具を研磨した後、コロイダルシリカを用いて仕上げ研磨を行い、被覆切削工具の断面組織を得た。被覆切削工具の断面組織を有する試料をＦＥ−ＳＥＭにセットし、試料の断面組織に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧及び０．５ｎＡ照射電流で電子線を照射した。ＥＢＳＤにより被覆切削工具の逃げ面における断面組織を、測定範囲が３００μｍ2の範囲、０．１μｍのステップサイズで測定した。このとき、方位差が５°以上の境界を結晶粒界とみなし、この結晶粒界によって囲まれる領域を粒子とした。また、ここで、粒径とは、各層を構成する粒子において基材の表面と平行な方向の軸の値とした。第２複合窒化物層及びＢ層について、特定した各粒子の形状、結晶系、アスペクト比及び平均粒径をそれぞれ求めた。それらの結果を、表７及び表８に示す。
また、得られた試料の第１複合窒化物層及びＡ層について、上記と同様にして特定した各粒子の平均粒径を求めた。その結果を、表７及び表８に示す。
〔Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）〕
得られた試料の第２複合窒化物層及びＢ層における比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）については、株式会社リガク製のＸ線回折装置である型式：ＲＩＮＴ ＴＴＲＩＩＩを用いて測定した。具体的には、Ｃｕ−Ｋα線による２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／分、２θ測定範囲：２０〜５０°という条件にて、第２複合窒化物層及びＢ層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）、並びに第２複合窒化物層及びＢ層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）を測定することにより、比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）を算出した。その結果を、表７及び表８に示す。
得られた試料の第２複合窒化物層及びＢ層における比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）については、株式会社リガク製のＸ線回折装置である型式：ＲＩＮＴ ＴＴＲＩＩＩを用いて測定した。具体的には、Ｃｕ−Ｋα線による２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／分、２θ測定範囲：２０〜５０°という条件にて、第２複合窒化物層及びＢ層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）、並びに第２複合窒化物層及びＢ層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）を測定することにより、比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）を算出した。その結果を、表７及び表８に示す。
〔残留応力〕
得られた試料について、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ2ψ法により、第２複合窒化物層及びＢ層の残留応力を測定した。残留応力は切削に関与する部位に含まれる任意の点３点の応力を測定し、その平均値（相加平均値）を第２複合窒化物層又はＢ層の残留応力とした。その結果を、表７及び表８に示す。
得られた試料について、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ2ψ法により、第２複合窒化物層及びＢ層の残留応力を測定した。残留応力は切削に関与する部位に含まれる任意の点３点の応力を測定し、その平均値（相加平均値）を第２複合窒化物層又はＢ層の残留応力とした。その結果を、表７及び表８に示す。
得られた試料を用いて、以下の切削試験を行い、評価した。
［切削試験］
被削材：Ｓ５５Ｃ、
被削材形状：２００ｍｍ×１５０ｍｍ×７０ｍｍの板、
切削速度：２００ｍ/分、
１刃当たりの送り量：１．０ｍｍ/ｔｏｏｔｈ、
切り込み深さ：０．６ｍｍ、
切削幅：１５ｍｍ
クーラント：使用、
評価項目：試料が欠損（試料の切れ刃部に欠けが生じる）したとき、又は逃げ面摩耗幅が０．２０ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工時間を測定した。また、加工時間が１０分のとき、工具寿命に至ったときの損傷形態をそれぞれＳＥＭで観察した。なお、加工時間が１０分であるときの損傷形態が「チッピング」であるのは、加工を継続できる程度の欠けであったことを意味する。また、加工時間が長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。得られた評価の結果を表９及び表１０に示す。
被削材：Ｓ５５Ｃ、
被削材形状：２００ｍｍ×１５０ｍｍ×７０ｍｍの板、
切削速度：２００ｍ/分、
１刃当たりの送り量：１．０ｍｍ/ｔｏｏｔｈ、
切り込み深さ：０．６ｍｍ、
切削幅：１５ｍｍ
クーラント：使用、
評価項目：試料が欠損（試料の切れ刃部に欠けが生じる）したとき、又は逃げ面摩耗幅が０．２０ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工時間を測定した。また、加工時間が１０分のとき、工具寿命に至ったときの損傷形態をそれぞれＳＥＭで観察した。なお、加工時間が１０分であるときの損傷形態が「チッピング」であるのは、加工を継続できる程度の欠けであったことを意味する。また、加工時間が長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。得られた評価の結果を表９及び表１０に示す。
表９及び表１０に示す結果より、発明品の加工時間は１００分以上であり、全ての比較品の加工時間よりも長かった。
以上の結果より、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させたことにより、発明品の工具寿命が長くなっていることが分かった。
本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れることにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、その点で産業上の利用可能性が高い。
１…基材、２…第１複合窒化物層、３…第２複合窒化物層、４…被覆層、５…被覆切削工具。
Claims (7)
- 基材と、前記基材の上に形成された被覆層と、を含む被覆切削工具であって、
前記被覆層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１複合窒化物層と、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２複合窒化物層と、を有し、
（ＡｌxＣｒ1-x）Ｎ （１）
（式（１）中、ｘはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｘ≦０．９０を満足する。）
（ＡｌyＣｒ1-y）Ｎ （２）
（式（２）中、ｙはＡｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．７５≦ｙ≦０．９０を満足する。）
前記第１複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ未満であり、
前記第２複合窒化物層の結晶系としては、立方晶を有し、Ｘ線回折分析における前記第２複合窒化物層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する、前記第２複合窒化物層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）の比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１．０以上であり、
前記第２複合窒化物層を構成する粒子の平均粒径が、１００ｎｍ以上であり、
前記第２複合窒化物層の残留応力が、−１０．０ＧＰａ以上−２．０ＧＰａ以下である、被覆切削工具。 - 前記第１複合窒化物層の平均厚さが、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
- 前記第２複合窒化物層の平均厚さが、０．５μｍ以上５．０μｍ以下である、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
- 前記第２複合窒化物層を構成する粒子は、２．０以上のアスペクト比を有する柱状晶である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記被覆層が、前記第１複合窒化物層と前記第２複合窒化物層とを交互に２回以上繰り返し形成した交互積層構造を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記被覆層全体の平均厚さが、１．０μｍ以上６．０μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
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