JP2020146820A

JP2020146820A - 硬質被覆層が優れた耐チッピング性を発揮する切削工具

Info

Publication number: JP2020146820A
Application number: JP2019048280A
Authority: JP
Inventors: 尚輝柏; Naoki Kashiwa
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17

Abstract

【課題】Ｎｉ基合金の切削でも優れた耐チッピング性、耐摩耗性の被覆工具の提供【解決手段】立方晶の（Ｔｉ（１−Ｘ）ＡｌＸ）（ＣＹＮ（１−Ｙ））、０．６≦Ｘａｖｇ≦０．９、０．００≦Ｙａｖｇ≦０．０１で、基体法線と（１１１）法線との０〜１０度の傾斜角分布に最高ピークを有しその計が４５％以上で７０面積％以上の厚さ１〜２０μｍの下部層、立方晶のＴｉ炭窒化物層で基体法線と（１１２）法線との０〜１０度の傾斜角分布が最高ピークを有しその計が４０％以上で厚さ０．５〜１０μｍの中間層、α−Ａｌ２Ｏ３層で基体法線と（００１）法線との０〜１０度の傾斜角分布が最高ピークを有しその計が５０％以上、｛１１６｝面の残留応力−６００〜−２００ＭＰａ、Ｓを０．００００５〜０．００１含む厚さ１．０〜１０．０μｍの上部層、を有する切削工具。【選択図】なし

Description

本発明は、Ｎｉ基耐熱合金等の切削加工に用いても、硬質皮膜が優れた耐摩耗性を有し、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、被覆工具として、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金等の工具基体（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被覆形成したものがあり、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、チッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、硬質材料で被覆され、ＣＶＤによって塗布された複数の層を有する物体であって、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層および／またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層および／またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層（式中、ｘは０．６５〜０．９５である）の上にＡｌ_２Ｏ_３層が外層として配置されていることを特徴とする硬質材料で被覆された被覆工具が記載されている。

また、例えば、特許文献２には、工具基体上の厚さ４〜１４μｍのＡｌ_ｘＮの下部層として０．０５〜１μｍのＴｉＣＮの中間層、上部層として１〜９μｍのα−Ａｌ_２Ｏ_３層を有し、該α−Ａｌ_２Ｏ_３層は、配向指数ＴＣ（００１２）が３超え４未満であって、Σ３粒界が３０％以上を占め、前記ＴｉＣＮ層のＴＣ（１１１）が３を超えていることを特徴とする被覆工具が記載されている。

特表２０１１−５１６７２２号公報国際公開２０１８／１３８２５５号

Ｎｉ基耐熱合金の使用の増加に伴って、Ｎｉ基耐熱合金に対する切削性能に優れた被覆工具が求められている。しかし、Ｎｉ基耐熱合金は、熱伝導率が低く高温せん断強度が高いため切削加工時の温度や抵抗が高くなりやすく、そのため、能率の悪い切削条件下の切削となり、硬質被覆層に熱亀裂の発生が起こりやすく、チッピングや欠損が生じるという問題があった。前記特許文献１および２に記載された被覆工具をＮｉ基耐熱合金の切削に用いるとすくい面が早期に摩耗し、工具寿命に達してしまう。

そこで、本発明は、Ｎｉ基耐熱合金の切削に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備え、長期の使用にわたって優れた切削機能を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者は、Ｎｉ基耐熱合金の切削に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備え、長期の使用にわたって優れた切削機能を発揮する被覆工具を得るために鋭意検討した結果、特定の結晶配向面を有する硬質被覆層を積層することにより、前記目的が達成できるとの知見を得た。

本発明は、この知見に基づくものであり、
「（１）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、
前記硬質被覆層は、工具基体側から工具表面に向かって、下部層、中間層、上部層を有し、
（ａ）前記下部層は、平均層厚が１．０〜２０．０μｍであり、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉとＡｌとの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒を７０面積％以上含み、
前記結晶粒は、その組成を組成式：（Ｔｉ_{（１−Ｘ）}Ａｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_{（１−Ｙ）}）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める割合Ｘの平均値Ｘ_ａｖｇとＣのＣとＮの合量に占める割合Ｙの平均値Ｙ_ａｖｇ（ただし、Ｘ、Ｙ、Ｘ_ａｖｇ、Ｙ_ａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０、０．０００≦Ｙ_ａｖｇ≦０．０１０を満足し、
前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の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結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち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、
（ｂ）前記中間層は、平均層厚が０．５〜１０．０μｍであるＴｉ炭窒化物層であって、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉ炭窒化物の結晶粒を含み、前記Ｔｉ炭窒化物層の前記結晶粒について、前記電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ｔｉ炭窒化物層の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％以上の割合を示し、
（ｃ）前記上部層は、平均層厚が１．０〜１０．０μｍであるα型の結晶構造のＡｌ_２Ｏ_３層であって、コランダム型六方晶結晶構造を有する結晶粒を含み、該結晶粒について、前記電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ａｌ_２Ｏ_３層の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結晶面である｛００１｝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５０％以上の割合を示し、
前記Ａｌ_２Ｏ_３層は、｛１１６｝面における残留応力が、−６００〜−２００ＭＰａの結晶を有し、
前記Ａｌ_２Ｏ_３層はＳを含有し、ＳのＡｌとＯとＳの合量に占める割合Ｚの平均値Ｚ_ａｖｇ（ただし、Ｚ、Ｚ_ａｖｇは原子比）が、０．００００５≦Ｚ_ａｖｇ≦０．００１００を満足する、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記工具基体と前記下部層との間に、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および、炭窒化酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層を含む層であって、その平均層厚が０．１〜２０．０μｍで、前記Ｔｉ化合物層のうち、前記下部層と接する層の結晶粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ｔｉ化合物層を含む層の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結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち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％以上の割合を示す、下地層が存在する前記（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、Ｎｉ基耐熱合金の切削に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備え、長期の使用にわたって優れた切削機能を発揮する。

以下、本発明の被覆工具について、より詳細に説明する。なお、本明細書、特許請求の範囲の記載において、数値範囲を「〜」を用いて表現する場合、その範囲は上限および下限の数値を含むものである。

硬質被覆層の層構造：
本発明に係る被覆工具は、工具基体の表面に、下部層として、ＮａＣｌ型の面心立方構造（立方晶構造）を有するＴｉとＡｌとの複合窒化物または複合炭窒化物（以下、ＴｉＡｌＣＮと表すことがある）を有する層、この下部層の上にＴｉの炭窒化物を有する中間層、この中間層の上にＡｌ_２Ｏ_３を有する上部層を含んでいる。
以下、前記各層について詳述する。

１．下部層（ＴｉＡｌＣＮ層）
（１）平均層厚：
下部層（ＴｉＡｌＣＮ層）の平均層厚は、１．０〜２０．０μｍが好ましい。この範囲とした理由は、１．０μｍ未満となると、下部層がすくい面においても早期に磨滅してしまい、耐チッピング性の向上効果が発揮されず、また、２０．０μｍを超えると、結晶粒が大きくなり下部層の耐チッピング性が低下するためである。より好ましい平均層厚範囲は、３．０μｍ〜１５．０μｍである。

（２）組成：
下部層であるＴｉＡｌＣＮ層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒を有するものであって、その組成を組成式：（Ｔｉ_{（１−Ｘ）}Ａｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_{（１−Ｙ）}）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める割合Ｘの平均値Ｘ_ａｖｇとＣのＣとＮの合量に占める割合Ｙの平均値Ｙ_ａｖｇ（ただし、Ｘ、Ｙ、Ｘ_ａｖｇ、Ｙ_ａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０、０．０００≦Ｙ_ａｖｇ≦０．０１０を満足するように組成を制御する。

Ｘ_ａｖｇをこの範囲とする理由は、Ａｌの平均含有割合Ｘ_ａｖｇが０．６０未満であると、ＴｉＡｌＣＮ層は耐酸化性に劣るため、Ｎｉ基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、Ｘ_ａｖｇが０．９０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ためである。

また、Ｃの平均含有割合Ｙ_ａｖｇを０．０００≦Ｙ_ａｖｇ≦０．０１０と定めた理由は、Ｃが含有されていても、微量であれば硬さを向上させることができ、平均含有割合が０．０５以下の範囲であれば耐チッピング性を保ちつつ硬さを向上させることができるためである。
なお、ＴｉＡｌＣＮ層は微量のＯやＣｌ等の不可避的不純物を含んでいても前述の発明の効果を損なわない。

ここで、Ｘは、オージェ電子分光法（ＡｕｇｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用い、試料断面を研磨した試料において、電子線を縦断面側から照射し、層厚方向に５本の線分析を行って得られたオージェ電子の解析結果を平均したものである。

また、Ｙは、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ−Ｍａｓｓ−Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）により求めることができる。すなわち、試料表面を研磨した試料において、ＴｉＡｌＣＮ層の表面側からイオンビームを７０μｍ×７０μｍの範囲に照射し、イオンビームによる面分析とスパッタイオンビームによるエッチングとを交互に繰り返すことにより深さ方向の濃度測定を行う。まず、ＴｉＡｌＣＮ層についての層の深さ方向へ０．５μｍ以上侵入した箇所から０．１μｍ以下のピッチで少なくとも０．５μｍの長さの測定を行ったデータの平均を求める。さらに、これを少なくとも試料表面の５箇所において繰り返し算出した結果を平均してＹ_ａｖｇとして求める。

（３）ＮａＣｌ型の面心立方晶構造を有する結晶粒の面積割合：
ＴｉＡｌＣＮ層には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７０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高くなり、硬さが向上する。さらに、この面積率は、より好ましくは８０面積％以上である。

（４）｛１１１｝面の法線がなす傾斜角の度数分布：
工具基体表面の法線方向に対するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する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、該傾斜角のうち法線方向に対して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％以上の配向割合であることが好ましい。このようにすることによって、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えるようになる。
なお、この配向割合を（１１１）配向率と云うことがある。

この配向割合は、次のようにして求める。ＴｉＡｌＣＮ層の縦断面（工具基体表面に垂直な断面）を研磨面（断面研磨面）とし、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層厚に対して、層厚と同等の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に存在するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の個々に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）毎にそれぞれ測定する。

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る。得られた傾斜角度数分布から、０〜１０度の範囲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度の範囲に存在する度数の配向割合を求める。なお、傾斜角度分布グラフにおいて、前記０〜１０度の範囲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４５％以上であることが好ましい。なお、この傾斜角度分布を求めるにあたり、理想的なランダム配向の場合、傾斜角度数は傾斜角によらず一定の値になるように規格化をしている。

２．中間層（Ｔｉ炭窒化物層）
（１）平均層厚：
中間層（Ｔｉ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、平均層厚が０．５〜１０．０μｍであることが好ましい。この範囲とした理由は、０．５μｍ未満となると、上部層と下部層の密着性を確保することができず、一方、１０．０μｍを超えると、熱塑性変形を起こしやすくなり、それに伴う異常損傷を生じやすくなるためである。より好ましい平均層厚範囲は、１．０μｍ〜４．０μｍである。
なお、中間層を構成するＴｉ炭窒化物の組成は、従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。

（２）｛１１２｝面の法線がなす傾斜角の度数分布：
中間層（Ｔｉ炭窒化物層）内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する個々の結晶粒の結晶方位を、その縦断面方向から解析した場合、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｛１１２｝面の法線がなす傾斜角について、前述の下部層の｛１１１｝面の法線なす傾斜角の測定とその結果の整理とを同様に行ったとき、０〜１０度の範囲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％以上の配向割合であることが好ましい。このようにすることによって、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えるようになる。
なお、この配向割合を（１１２）配向率と云うことがある。

３．上部層（α−Ａｌ_２Ｏ_３層）：
（１）平均層厚：
上部層（α−Ａｌ_２Ｏ_３層）は、α型の結晶構造であって、平均層厚が１．０〜１０μｍであることが好ましい。この範囲とした理由は、１．０μｍ未満となると、上部層が早期に磨滅してしまうため、すぐれた耐チッピング性を発揮することができず、一方、１０．０μｍを超えると、剥離を生じやすくなるためである。

（２）｛００１｝面の法線がなす傾斜角の度数分布：
上部層（α−Ａｌ_２Ｏ_３層）内のコランダム型六方晶結晶構造を有する個々の結晶粒の結晶方位を、その縦断面方向から解析した場合、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｛００１｝面の法線がなす傾斜角について、前述の下部層の｛１１１｝面の法線なす傾斜角の測定とその結果の整理とを同様に行ったとき、０〜１０度の範囲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５０％以上の割合であることが好ましい。このようにすることによって、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えるようになる。
なお、この配向割合を（００１）配向率と云うことがある。

（３）残留応力：
α−Ａｌ_２Ｏ_３層は、ヤング率として３８４ＧＰａ、ポアソン比として０．２３２を使用して計算したときの｛１１６｝面における残留応力が、−６００〜−２００ＭＰａの結晶を有することが好ましい。これらの範囲にある値を満足することにより、Ｎｉ基耐熱合金の切削に用いても、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えるようになる。なお、残留応力は、Ｘ線回折法によって求めることができる。

（４）硫黄（Ｓ）量
上部層にはＳが含有され、ＳのＡｌとＯとＳの合量に占める割合Ｚの平均値Ｚ_ａｖｇ（ただし、Ｚ、Ｚ_ａｖｇは原子比）が、０．００００５≦Ｚ_ａｖｇ≦０．００１００を満足することが好ましい。この範囲とした理由は、０．００００５未満となると、中間層との密着性が不十分となり、上部層が剥離してすぐれた耐チッピング性を発揮することができず、一方、０．００１００を超えると、刃先が高温となるＮｉ基耐熱合金の切削時には上部層の酸化が進行しやすくなり、摩耗が進行するためである。

４．下地層
前記工具基体と前記下部層との間に、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、および、炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層を含む層（下地層）を設けることがより好ましい。下地層のうち、前記下部層と接する層において、工具基体表面の法線方向に対するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する個々の結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角について、前述の下部層の｛１１１｝面の法線なす傾斜角の測定とその結果の整理とを同様に行ったとき、０〜１０度の範囲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％以上の配向割合であることが好ましい。この配向割合を（１１１）配向率と云うことがある。
この下地層は、下部層であるＴｉＡｌＣＮ層の｛１１１｝面の傾斜角度分布を制御しやすくするために設けるものであって、下地層の合計平均層厚を０．１〜２０．０μｍが好ましく、その理由は、０．１μｍ未満では、下部層であるＴｉＡｌＣＮ層の｛１１１｝面の傾斜角度数分布を制御するという下地層の目的が十分に達成されず、一方、２０．０μｍを超えると下地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からである。

６．工具基体
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例を挙げるならば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、ｃＢＮ焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。

７．製造方法
本発明の硬質被覆層は、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下地層上に、
（１）下部層であるＴｉＡｌＣＮ層の成膜のために、例えば、ＮＨ_３とＨ_２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ_３、ＴｉＣｌ_４、Ｎ_２、Ｈ_２からなるガス群Ｂと、からなる２種の反応ガスをそれぞれ所定の位相差で供給し、
（２）中間層であるＴｉＣＮ層の成膜のために、例えば、ＣＨ_３ＣＮ、ＴｉＣｌ_４、Ｎ_２、Ｈ_２からなるガス群を供給し、
（３）上部層であるα−Ａｌ_２Ｏ_３層の成膜のために、初期核生成として、ＡｌＣｌ_３、ＣＯ_２、ＨＣｌ、Ｈ_２からなるガス群を供給し、核成長として、ＡｌＣｌ_３、ＣＯ_２、ＨＣｌ、Ｈ_２Ｓ、Ｈ_２からなるガス群を供給する、
ことによって製造できる。

反応ガスのガス組成のと反応条件の一例を以下に示す。
（１）下部層であるＴｉＡｌＣＮ層の成膜（下部層を成膜するガスは、ガス群Ａとガス群Ｂの合計を１００容量％としている）
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_２：０．０〜１０．０％、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：１．００〜５．００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との供給の位相差：０．１０〜０．２０秒

（２）中間層であるＴｉＣＮ層の成膜
ガス：ＣＨ_３ＣＮ：０．５〜１．０％、ＴｉＣｌ_４：１．５〜５．０％、
ＣＯ：２．０〜４．０％、Ｎ_２：８．０〜２５．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：５．０〜９．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃

（３）上部層であるα−Ａｌ_２Ｏ_３層の成膜
＜初期核生成＞
ガス群：ＡｌＣｌ_３：１．０〜５．０％、ＣＯ_２：０．５〜２．０％、
ＨＣｌ：０．３〜３．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：５．０〜９．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
＜核成長＞
ガス群：ＡｌＣｌ_３：１．０〜５．０％、ＣＯ_２：３．０〜７．０、
ＨＣｌ：０．３〜３．０％、Ｈ_２Ｓ：１．０〜２．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：５．０〜９．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃

次に、実施例について説明する。
本発明被覆工具の実施例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金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、前述したもの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、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時間ボールミルにより混合し、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Ａ〜Ｂをそれぞれ製造した。

次に、これら工具基体Ａ〜Ｂの表面に、ＣＶＤ装置を用いて、硬質被覆層をＣＶＤにより形成し、表７に示される本発明被覆工具１〜１５を得た。
成膜条件は、表２〜４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％（下部層を成膜するためのガス群Ａとガス群Ｂの和を全体としている）である。

（１）下部層であるＴｉＡｌＣＮ層の成膜（下部層を成膜するガスは、ガス群Ａとガス群Ｂの合計を１００容量％としている）
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_２：０．０〜１０．０％、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：１．００〜５．００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との供給の位相差：０．１０〜０．２０秒

（３）上部層であるα−Ａｌ_２Ｏ_３層の成膜
＜初期核生成＞
ガス群：ＡｌＣｌ_３：１．０〜５．０％、ＣＯ_２：０．５〜２．０％、
ＨＣｌ：０．３〜３．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：５．０〜９．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
＜核成長＞
ガス群：ＡｌＣｌ_３：１．０〜５．０％、ＣＯ_２：３．０〜７．０、
ＨＣｌ：０．３〜３．０％、Ｈ_２Ｓ：１．０〜２．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：５．０〜９．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
なお、本発明被覆工具２〜１５は、表５に記載された成膜条件により、表６に示された下地層を形成した。

また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｂの表面に、表２〜４に示される条件によりＣＶＤにより、表７に示される硬質被覆層を蒸着形成して比較被覆工具１〜１５を製造した。
なお、比較被覆工具２〜１５については、表５に示される形成条件により、表６に示された下地層を形成した。

さらに、前記本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５の硬質被覆層について、前述した方法を用いて、Ａｌの平均含有割合Ｘ、Ｃの平均含有割合Ｙを求めた。

続いて、前記本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５について、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてクランプした状態で、以下に示す、Ｎｉ基耐熱合金の外径湿式切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗を測定した。表８に、切削試験の結果を示す。なお、比較被覆工具１〜１５については、チッピング発生が原因で寿命に至ったものは寿命に至るまでの時間を示す。

被削材：Ｎｉ−１９Ｃｒ−１９Ｆｅ−３Ｍｏ−０．９Ｔｉ−０．５Ａｌ−５．１（Ｎｂ＋Ｔａ）合金
回転速度：
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：０．７５ｍｍ
送り量：０．３ｍｍ
切削時間：８分

表８に示される結果から、本発明被覆工具１〜１５は、いずれも硬質被覆層が優れた耐摩耗性、耐チッピング性を有しているため、Ｎｉ基耐熱合金鋼の切削加工に用いた場合であっても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１〜１５は、Ｎｉ基耐熱合金切削加工に用いた場合には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、Ｎｉ基耐熱合金以外の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

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、
前記硬質被覆層は、工具基体側から工具表面に向かって、下部層、中間層、上部層を有し、
（ａ）前記下部層は、平均層厚が１．０〜２０．０μｍであり、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉとＡｌとの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒を７０面積％以上含み、
前記結晶粒は、その組成を組成式：（Ｔｉ_{（１−Ｘ）}Ａｌ_Ｘ）（Ｃ_ＹＮ_{（１−Ｙ）}）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める割合Ｘの平均値Ｘ_ａｖｇとＣのＣとＮの合量に占める割合Ｙの平均値Ｙ_ａｖｇ（ただし、Ｘ、Ｙ、Ｘ_ａｖｇ、Ｙ_ａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦Ｘ_ａｖｇ≦０．９０、０．０００≦Ｙ_ａｖｇ≦０．０１０を満足し、
前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の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結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち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、
（ｂ）前記中間層は、平均層厚が０．５〜１０．０μｍであるＴｉ炭窒化物層であって、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉ炭窒化物の結晶粒を含み、前記Ｔｉ炭窒化物層の前記結晶粒について、前記電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ｔｉ炭窒化物層の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％以上の割合を示し、
（ｃ）前記上部層は、平均層厚が１．０〜１０．０μｍであるα型の結晶構造のＡｌ_２Ｏ_３層であって、コランダム型六方晶結晶構造を有する結晶粒を含み、該結晶粒について、前記電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ａｌ_２Ｏ_３層の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結晶面である｛００１｝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５０％以上の割合を示し、
前記Ａｌ_２Ｏ_３層は、｛１１６｝面における残留応力が、−６００〜−２００ＭＰａの結晶を有し、
前記Ａｌ_２Ｏ_３層はＳを含有し、ＳのＡｌとＯとＳの合量に占める割合Ｚの平均値Ｚ_ａｖｇ（ただし、Ｚ、Ｚ_ａｖｇは原子比）が、０．００００５≦Ｚ_ａｖｇ≦０．００１００を満足する、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
前記工具基体と前記下部層との間に、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および、炭窒化酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層を含む層であって、その平均層厚が０．１〜２０．０μｍで、前記Ｔｉ化合物層のうち、前記下部層と接する層の結晶粒について、電子線後方散乱回折装置を用いて、個々の前記結晶粒の結晶方位を、前記Ｔｉ化合物層を含む層の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結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、該傾斜角のうち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％以上の割合を示す、下地層が存在する請求項１に記載の表面被覆切削工具。