JP6608949B2 - 切削工具 - Google Patents

Description

本態様は、基体の表面に被覆層を有する切削工具に関する。

切削工具として、超硬合金、サーメット又はセラミックスなどの基体と、この基体の表面に位置する被覆層とを備えた切削工具が知られている。このような切削工具は、一般的に被覆工具と呼ばれる。被覆層としては、例えば、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層及び酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層が知られている。

最近の切削加工の高能率化に伴って、重断続切削などの過酷な切削条件において切削工具が用いられる機会が増えている。重断続切削においては、切刃に大きな衝撃がかかり易い。上記のような過酷な切削条件においては、被覆層に大きな衝撃がかかり、被覆層のチッピングや剥離が発生しやすくなる。そのため被覆層には、耐摩耗性に加えて耐欠損性の向上が求められている。

特開平９−１７４３０４号公報（特許文献１）では、炭窒化チタン層とその表面に成膜した酸化アルミニウム層との界面に断面方向から見て針状粒子からなる中間層を存在させている。中間層が存在していることによって、特許文献１に記載の切削工具の耐欠損性が向上している。

しかしながら、被覆層の耐摩耗性及び耐欠損性をさらに改善することが求められている。

本態様の切削工具は、基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを備え、前記被覆層は、炭窒化チタンを含有する下層と、該下層の上に位置して、α型結晶構造の酸化アルミニウムを含有する上層と、前記下層及び前記上層の間に位置する中間層とを有している。該中間層は、前記下層に隣接して、ＴｉＣ_ｘ１Ｎ_ｙ１Ｏ_ｚ１（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）を含有する第１層と、前記上層に隣接して、ＴｉＣ_ｘ２Ｎ_ｙ２Ｏ_ｚ２（０≦ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）を含有する第２層と、前記第１層及び前記第２層の間に位置して、ＴｉＣ_ｘ３Ｎ_ｙ３Ｏ_ｚ３（０≦ｘ３＜１、０≦ｙ３＜１、０≦ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）を含有する第３層とを有し、ｚ１＞ｚ３、かつ、ｚ２＞ｚ３であり、前記基体の表面に直交する断面において、前記第２層は、上方に向かって突出する針状の突起を複数有し、前記第３層は、上方に向
かって凸である第１凸部を有し、前記突起の少なくとも１つは、前記第１凸部の頂部から上方に向かって突出している。また、本態様の切削工具は、基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを備える。前記被覆層は、炭窒化チタンを含有する下層と、該下層の上に位置して、α型結晶構造の酸化アルミニウムを含有する上層と、前記下層及び前記上層の間に位置する中間層とを有する。該中間層は、前記下層に隣接して、ＴｉＣ _ｘ１ Ｎ _ｙ１ Ｏ _ｚ１ （０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）を含有する第１層と、前記上層に隣接して、ＴｉＣ _ｘ２ Ｎ _ｙ２ Ｏ _ｚ２ （０≦ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）を含有する第２層と、前記第１層及び前記第２層の間に位置して、ＴｉＣ _ｘ３ Ｎ _ｙ３ Ｏ _ｚ３ （０≦ｘ３＜１、０≦ｙ３＜１、０≦ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）を含有する第３層とを有する。ｚ１＞ｚ３、かつ、ｚ２＞ｚ３である。前記第１層の厚みが５ｎｍ〜５０ｎｍであり、前記第３層の厚みが５０ｎｍ〜３００ｎｍである。

一実施形態に係る切削工具の概略斜視図である。 図１の切削工具における被覆層の断面の構成を説明するための模式図である。 図２の切削工具の中間層付近の構成を説明するための要部拡大図である。

本実施形態の切削工具（以下、単に工具と略す）１は、図１に示すように、主面が概略四角形状の柱状である。本実施形態においては、図１における上面が主面であり、主面の一部がすくい面２を、側面の一部が逃げ面３を、それぞれなしている。また、すくい面２と逃げ面３とが交わる部分の少なくとも一部が切刃４をなしている。

また、図２に示す断面の模式図のように、工具１は、基体５と、この基体５の表面に位置する被覆層６とを備えている。被覆層６は、下層７、中間層８及び上層９を備えている。下層７は、基体５の表面に位置しており、上層９は、下層７の上に位置しており、中間層８は、下層７及び上層９の間に位置している。下層７は、炭窒化チタンを含有しており、上層９は、α型結晶構造の酸化アルミニウム（α‐Ａｌ_２Ｏ_３）を含有している。

下層７は、基体５の表面に接触していてもよく、また、被覆層６が下層７及び基体５の間に位置する下地層１０をさらに備えていてもよい。下地層１０としては、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）を含有する層が挙げられる。

上層９は、被覆層６の最表層であってもよく、また、被覆層６が上層９の上に位置する表層１１をさらに備えていてもよい。表層１１としては、例えば、窒化チタンを含有する層が挙げられる。

下層７に含有される炭窒化チタンは、アセトニトリル（ＣＨ_３ＣＮ）ガスを含む原料を用い、成膜温度が７８０℃〜９００℃と比較的低温で成膜することによって形成される、いわゆるＭＴ（moderate temperature）−炭窒化チタンが挙げられる。下層７中の炭窒化チタンの結晶１２は、被覆層６の厚み方向に細長い柱状結晶からなってもよい。

基体５の表面と平行な方向（図２においては左右方向）における炭窒化チタンの結晶１２の平均結晶幅ｗが１００ｎｍ〜８００ｎｍである場合には、下層７の靭性が高く、被覆層６にかかる衝撃を吸収する効果があるために、被覆層６の耐欠損性が向上する。平均結晶幅ｗの望ましい範囲は、４００ｎｍ〜６００ｎｍである。

ここで、下層７に含有される炭窒化チタンをＴｉＣ_ｘＮ_ｙと表わしたとき、０．４≦ｘ≦０．８、０．２≦ｙ≦０．６、ｘ＋ｙ＝１である場合には、被覆層６の耐摩耗性と耐欠損性がともに高い。０．６≦ｘ≦０．８、０．２≦ｙ≦０．４である場合には、被覆層６の耐摩耗性と耐欠損性がより高い。

本実施形態において、中間層８は、下層７に隣接する第１層８ａと、上層９に隣接する第２層８ｂと、第１層８ａ及び第２層８ｂの間に位置する第３層８ｃとを有している。第１層８ａ、第２層８ｂ及び第３層８ｃは、それぞれチタン化合物を含有している。

第１層８ａに含有されるチタン化合物をＴｉＣ_ｘ１Ｎ_ｙ１Ｏ_ｚ１と表わした場合に、０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１である。第２層８ｂに含有されるチタン化合物をＴｉＣ_ｘ２Ｎ_ｙ２Ｏ_ｚ２と表わした場合に、０≦ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１である。また、第３層８ｃに含有されるチタン化合物をＴｉＣ_ｘ３Ｎ_ｙ３Ｏ_ｚ３と表わした場合に、０≦ｘ３＜１、０≦ｙ３＜１、０≦ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１である。

このとき、ｚ１＞ｚ３、かつ、ｚ２＞ｚ３である。すなわち、本実施形態における中間層８では、上記のように第３層８ｃと比較して第１層８ａ及び第２層８ｂにおける酸素の含有比率が相対的に大きい。中間層８がこのように構成されていることから、中間層８と、下層７及び上層９のそれぞれとの密着性が高められる。

具体的には、酸素の含有比率が相対的に大きい第１層８ａが存在することによって、下層７に対する中間層８の密着性が高められる。また、酸素の含有比率が相対的に大きい第２層８ｂが存在することによって、上層９に対する中間層８の密着性が高められる。加えて、第２層８ｂにおける酸素の含有比率が相対的に大きいため、上層９における酸化アルミニウムがα型結晶構造になり易い。

一方、中間層８の全体における酸素の含有比率が一様に高いのではなく、第１層８ａ及び第２層８ｂの間に、酸素の含有比率が相対的に小さい第３層８ｃが存在している。第３層８ｃにおいては、酸素の含有比率が相対的に小さいため、第１層８ａ及び第２層８ｂと比較して硬度が高くなる。そのため、中間層８の全体としての硬度が高められるので、中間層８の耐久性が低下することが避けられる。このように中間層８の密着性及び耐久性が高められることによって、被覆層６の耐摩耗性及び耐欠損性が改善される。

なお、第１層８ａにおいて、０．１≦ｘ１≦０．５、０．２≦ｙ１≦０．５、０．１≦ｚ１≦０．４、第２層８ｂにおいて、０．３≦ｘ２≦０．８、０≦ｙ２≦０．３、０．１≦ｚ２≦０．５、第３層８ｃにおいて、０．２≦ｘ３≦０．７、０．３≦ｙ３≦０．８、０≦ｚ３≦０．１である場合には、特に、下層７及び上層９との密着性が高い。

第１層８ａ及び第２層８ｂにおいて、ｚ１≧ｚ２であってもよいがｚ１＜ｚ２である場合には、中間層８と、この中間層８が接合される下層７との接合性が高められるため、被覆層６の全体としての耐久性がさらに高められる。

基体５の表面に直交する断面において、第２層８ｂは、上方に向かって突出する針状の突起１３を複数有する場合がある。図３に示すように、突起１３を複数有している場合には、中間層８と上層９との密着性がさらに向上する。その結果、工具１の耐欠損性が向上する。中間層８と上層９との密着性がさらに向上する理由としては、突起１３が、くさびとしての役割を果たすことが考えられる。

なお、針状の突起１３とは、上記の断面において、基体５の表面に直交する方向での突起１３の長さを、この突起１３の長さの中間における基体５の表面に平行な方向の幅で割った比が３以上である形状のことを指す。

各突起１３の長さは２０ｎｍ〜３００ｎｍであるのがよく、平均長さが４０ｎｍ〜１００ｎｍである場合には、中間層８と上層９の密着性が高い。さらに、突起１３は、基体５の表面に直交する方向に対して１０°以内の傾斜角度に伸びるものの数が、突起１３の全体の数に対して８０％以上の割合で存在する場合には、中間層８と上層９の密着性が高い。

針状の突起１３の数は、特に限定されるものではないが、上記の断面において、表面に平行な方向での０．５μｍの範囲内に平均で３個以上存在する場合には、中間層８と上層９の密着性が高い。

第２層８ｂの下方に位置する第３層８ｃの表面は、平坦であってもよく、また、上方に向かって凸である第１凸部１４を１つ又は複数有していてもよい。第３層８ｃが、第１凸部１４を有している場合には、第２層８ｂと第３層８ｃとの接合面積が増えるため、これらの層の密着性が高められる。第１凸部１４は、特に針状である必要はない。

突起１３の少なくとも１つが、第１凸部１４の頂部１４ａから上方に向かって突出している場合には、突起１３の先端が、上層９における厚み方向の深くに位置し易くなる。そのため、突起１３のくさびとしての役割を高めることができるので、中間層８と上層９との密着性がさらに向上する。

中間層８の下方に位置する下層７の表面は、平坦であってもよく、また、上方に向かって凸である第２凸部１５を１つ又は複数有していてもよい。下層７が、第２凸部１５を有している場合には、中間層８と下層７との接合面積が増えるため、これらの層の密着性が高められる。第２凸部１５は、特に針状である必要はない。

下層７に含有される炭窒化チタンは、基体５の表面に直交する方向に延びた結晶構造を有しており、この炭窒化チタンの結晶１２は、基体５の表面に直交する方向に延びた双晶境界１６を有する場合がある。この場合、下層７における中間層８と接する部分であって、双晶境界１６を頂部とする結晶１２の先端部分が第２凸部１５となる。

第１凸部１４は、下層７における第２凸部１５の上に位置するものと、第２凸部１５の上に位置していないものとが存在する。第１凸部１４が、下層７における第２凸部１５の上に位置しているとは、図３に示すように第２凸部１５の頂部と第１凸部１４の頂部とが仮想直線Ｘで結ぶことができる状態を指す。突起１３の少なくとも１つが、第１凸部１４の頂部１４ａ及び第２凸部１５の頂部１５ａを通る仮想直線Ｘ上に位置している場合には、突起１３の先端が、上層９における厚み方向のさらに深くに位置し易くなる。そのため、第１凸部１４の頂部１４ａ及び第２凸部１５の頂部１５ａという被覆層６の剥離が生じ易い箇所における中間層８と上層９との密着性が向上するので、被覆層６の耐摩耗性及び耐欠損性がさらに改善される。

このとき、仮想直線Ｘ上における突起１３の長さが、仮想直線Ｘ上における第３層８ｃの長さよりも大きい場合には、中間層８と上層９との密着性をさらに向上させることができる。

第１凸部１４の平均幅が８０ｎｍ〜３００ｎｍであって、平均高さが５０ｎｍ〜２００ｎｍである場合には、下層７、中間層８及び上層９の間の密着性を高めることができる。第１凸部１４の平均幅の望ましい範囲は１００ｎｍ〜２００ｎｍであり、平均高さが１００ｎｍ〜１５０ｎｍである。

なお、第１凸部１４の幅ｗ１は、図３に示すように、第１凸部１４の頂部１４ａから基体５側に向かう両側の裾野の底ｒ、底ｓのうちの基体５から離れた側（基体５からの高さが高い側）の裾野の底ｒを通って、基体５の表面に平行な平行線が底ｓ側の裾野と交わったときの底ｒと底ｓとの間の距離を指す。また、第１凸部１４の高さｈ１は、図３に示すように、第１凸部１４の幅ｗ１の基準となる平行線から第１凸部１４の頂部１４ａまでの垂線の距離ｈ１を指す。第１凸部１４の平均高さは、隣り合う３個以上の第１凸部１４の高さｈ１の平均値にて測定する。また、第１凸部１４の頂部１４ａに存在する突起１３の長さは、第１凸部１４の頂部１４ａに続く２つの稜線を延長した交点を起点として測定する。

また、下層７中の炭窒化チタンの結晶１２が双晶境界１６を有する場合、第１層８ａ及び第３層８ｃが成膜される際においても炭窒化チタンの結晶１２と同じ結晶構造を継承して第１層８ａ及び第３層８ｃの結晶が成長して、双晶境界１６が継続される場合がある。このような場合には、下層７と中間層８との密着性がより向上する。

本実施形態において、第２凸部１５の平均幅が８０ｎｍ〜６００ｎｍであって、平均高さが３０ｎｍ〜２００ｎｍである場合には、下層７、中間層８及び上層９の間の密着性を高めることができる。第２凸部１５の平均幅の望ましい範囲は２００ｎｍ〜４００ｎｍであり、平均高さが６０ｎｍ〜１５０ｎｍである。

なお、第２凸部１５の幅ｗ２は、図３に示すように、第２凸部１５の頂部１５ａから基体５側に向かう両側の裾野の底ｐ、底ｑのうちの基体５から離れた側（基体５からの高さが高い側）の裾野の底ｐを通って、基体５の表面に平行な平行線が底ｑ側の裾野と交わったときの底ｐと底ｑとの間の距離を指す。第２凸部１５の平均幅は、隣り合う３個以上の第２凸部１５の幅ｗ１の平均値にて測定する。また、第２凸部１５の高さｈ２は、図３に示すように、第２凸部１５の幅ｗ２の基準となる平行線から第２凸部１５の頂部１５ａまでの垂線の距離ｈ２を指す。第２凸部１５の平均高さは、隣り合う３個以上の第２凸部１５の高さｈ２の平均値にて測定する。

第２層８ｂの厚みは、特定の値に限定されるものではないが、１０ｎｍ〜３５ｎｍである場合には、中間層８の硬度が低下することなく、かつ上層９における酸化アルミニウムがα型結晶構造になり易い。なお、第２層８ｂが突起１３を有する場合においては、第２層８ｂの厚みとは、突起１３を除く部分での厚みを指す。なお、突起１３が存在する領域と、突起１３が存在しない領域とは屈曲点が存在するため、それらの境界を容易に判別でき、突起１３を除く部分での第２層８ｂの厚みを測定できる。

また、第１層８ａの厚みが５ｎｍ〜５０ｎｍであって、第３層８ｃの厚みが５０ｎｍ〜３００ｎｍである場合には、第２層８ｂと上層９との密着性が向上する。第１層８ａの厚みの望ましい範囲が１０ｎｍ〜３５ｎｍであり、第３層８ｃの厚みの望ましい範囲は７０ｎｍ〜１００ｎｍである。

上記に例示するように、第３層８ｃの厚みが、第１層８ａ及び第２層８ｂの厚みよりも厚い場合には、中間層８の全体としての硬度がさらに高められるので、中間層８の耐久性が低下することがより避けられる。

第１層８ａ、第２層８ｂ及び第３層８ｃの厚みは、炭窒化チタンの結晶１２が３つ以上存在する視野内において、炭窒化チタンの結晶１２、第１層８ａ及び第３層８ｃとの境界線を基準として、等間隔に１０箇所以上で厚みの測定を行ない、その平均値とする。

各層における構造や厚み、さらには各層を構成する結晶の形状などは、工具１の断面における電子顕微鏡写真（走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真又は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真）を観察することにより、測定することが可能である。各結晶の平均結晶幅は、各結晶の厚み方向の長さの中間の長さにおける基体５の表面と平行な方向の幅を求め、これを平均した値である。また、本実施形態においては、被覆層６の各層を構成する結晶の結晶形態が柱状であるとは、各結晶の被覆層６の厚み方向の長さに対する平均結晶幅の比が平均で０．３以下の状態を指す。一方、この各結晶の被覆層６の厚み方向の長さに対する平均結晶幅の比が平均で０．３を超えるものは、結晶形態が粒状であると定義する。

本実施形態において、上層９は、α型結晶構造の酸化アルミニウムの結晶を含有しており、硬度及び耐摩耗性が高い。また、被覆層６の表面から測定されるＸ線回折分析による上層９の下記一般式Ｔｃ（ｈｋｌ）で表される表面側の配向係数Ｔｃ（１０４）が２以上である場合には、上層９の耐摩耗性が向上する。その結果、工具１は、長期間にわたって使用可能な工具１となる。表面側Ｔｃ（１０４）の望ましい範囲は２〜３．５である。

なお、(ｈｋｌ)は、（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（００６）、（０２４）、（１１６）、（２１４）のいずれかの結晶面であり、配向係数Ｔｃ（ｈｋｌ）は、
Ｔｃ（ｈｋｌ）＝｛Ｉ(ｈｋｌ)／Ｉ_０(ｈｋｌ)｝／〔（１／９）×Σ｛Ｉ（ＨＫＬ）／Ｉ_０（ＨＫＬ）｝〕
によって示される。ここで、 (ＨＫＬ)は、（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（００６）、（０２４）、（１１６）、（２１４）の結晶面であり、Ｉは、各結晶面に帰属されるピーク強度であり、Ｉ_０は、ＪＣＰＤＳカードＮｏ．００−０１０−０１７３に記載された各結晶面の標準回折強度である。

Ｔｃ（１０４）が２以上という高い値となる理由は不明であるが、中間層８の組成及び形状によって、酸化アルミニウムの結晶の配向方向が変化するためと思われる。

ここで、本実施形態によれば、上層９において、基体５側から１０％〜４０％の厚み部分における基体５側の配向係数Ｔｃ（１０４）が、表面側の配向係数Ｔｃ（１０４）よりも小さい。すなわち、上層９の一部を研磨して、上層９の基体５側の部分のみを残した状態での測定で検出される基体５側ピークと、上層９の表面側からの測定で検出される表面側ピークとを比較したとき、表面側ピークにおける表面側のＴｃ（１０４）が、基体５側ピークにおける基体５側のＴｃ（１０４）よりも大きくなっている。

さらに換言すると、基体５側のＴｃ（１０４）は表面側のＴｃ（１０４）よりも小さくなっている。上層９における基体５側の配向係数Ｔｃ（１０４）が小さくなっている場合には、上層９の熱膨張率と、中間層８及び下層７の熱膨張率との差が小さくなるため、上層９の剥離を抑制することができる。基体５側のＴｃ（１０４）の望ましい範囲は、０．1〜１．１、より望ましくは０．５〜１．１である。

また、上層９の基体５側のＴｃ（１０４）と表面側のＴｃ（１０４）の測定方法について説明する。上層９のＸ線回折分析は、一般的なＣｕＫα線を用いたＸ線回折分析装置を用いて測定する。測定は、面積の広い平坦面で測定するため、すくい面２にブレーカなどの凹凸が形成されている場合には、逃げ面３にて測定する。Ｘ線回折チャートから上層９の各結晶面のピーク強度を求めるにあたり、ＪＣＰＤＳカードのＮｏ．００−１０１−０１７３に記載された各結晶面の回折角を確認して、検出されたピークの結晶面を同定し、そのピーク強度を測定する。

表面側Ｔｃ（１０４）を測定するには、上層９の表面側から測定する。具体的には、表層１１を研磨除去した状態あるいは表層１１を研磨しない状態で、被覆層６に対してＸ線回折分析を行なう。得られた各ピークのピーク強度を測定して、配向係数Ｔｃ（ｈｋｌ）を算出する。なお、表層１１を研磨除去する際には、上層９の厚みの２０％以下の厚みが除去されていてもよい。また、表層１１に対して研磨しない状態でＸ線回折分析を行なった場合であっても、酸化アルミニウムの９本のピークが測定できれば良い。なお、表面側ピークは、上層９の基体５側の配向状態も含んで検出されるが、上層９のＸ線回折分析の測定面に近い位置の組織状態が、ピークにより大きく影響を及ぼすことから、表面側ピークに及ぼす基体５側の配向状態の影響は小さい。

基体５側のＴｃ（１０４）を測定するには、上層９の一部を研磨して、上層９の基体５側の部分のみを残した状態でピーク強度を測定する。具体的には、まず、被覆層６の上層９を上層９の研磨前の厚みに対して１０％〜４０％の厚みとなるまで研磨する。研磨は、ダイヤモンド砥粒を用いたブラシ加工や弾性砥石による加工、又はブラスト加工などで行なう。その後、上層９の研磨された部分に対して、上層９の表面側の部分における測定と同条件でＸ線回折分析を行ない、上層９のピークを測定し、配向係数Ｔｃ（ｈｋｌ）を算出する。

以上の方法で測定した上層９の表面側ピークにおける表面側のＴｃ（１０４）と、基体５側のＴｃ（１０４）を比較することができる。なお、配向係数ＴｃはＪＣＰＤＳカードで規定された無配向の標準データに対する比率で求められるので、各結晶面の配向度合いを表す指標である。

また、上層９において、表面におけるピーク強度の大きさの上位２つが、Ｉ（１１６）及びＩ（１０４）である場合、すなわち、上層９の表面側ピークに関して、Ｉ（１１６）及びＩ（１０４）の一方が最も強く、Ｉ（１１６）及びＩ（１０４）の他方が２番目に強い場合には、すくい面２においてはクレータ摩耗が抑制され易く、逃げ面３においては微小チッピングに起因するフランク摩耗が抑制され易い。なお、Ｉ（１０４）が最も強く、Ｉ（１１６）が２番目に強い場合であっても、Ｉ（１１６）が最も強く、Ｉ（１０４）が２番目に強い場合であってもよい。

さらに、本実施形態によれば、表面側ピークにおける表面側のＴｃ（１０４）が、基体５側ピークにおける基体５側のＴｃ（１０４）よりも大きい場合には、逃げ面３におけるフランク摩耗をさらに抑制できるとともに、すくい面２における耐欠損性を高めて、切削工具１の耐欠損性を高める効果がある。

なお、表面側のＴｃ（１０４）が基体５側のＴｃ（１０４）よりも大きくなることに加えて、表面側のＴｃ（００６）が１以上である場合には、上層９の耐クレータ摩耗が大幅に向上する。

本実施形態における下地層１０は、窒化チタンを含有している。下地層１０は、基体５中のコバルト（Ｃｏ）、炭素（Ｃ）、タングステン（Ｗ）などの成分が下層７中に拡散することを抑制して、基体５の表面部及び下層７の硬度が低下することを抑制する。なお、下地層１０は、窒化チタンのみを含有していてもよく、また、窒化チタンに加えて、炭窒化チタン、炭酸窒化チタン（ＴｉＣＮＯ）及び窒化クロム（ＣｒＮ）などを含有していてもよい。下地層１０の厚みは、例えば０．１μｍ〜１μｍに設定できる。

本実施形態における表層１１は、窒化チタンを含有している。なお、表層１１は、窒化チタンのみを含有していてもよく、また、窒化チタンに加えて、炭窒化チタン、炭酸窒化チタン及び窒化クロムなどを含有していてもよい。表層１１は有色の材質からなり、切刃４の使用の有無を容易に判別するために設けられる。さらに、表層１１の厚みは、例えば０．１μｍ〜３μｍに設定できる。

基体５の材質としては、特に限定されるものではないが、例えば、超硬合金、Ｔｉ基サーメット及びセラミックスが挙げられる。超硬合金としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期表第４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種とを含有する硬質相を、コバルト及びニッケル（Ｎｉ）などの鉄属金属を含有する結合相にて結合させたものが挙げられる。セラミックスとしては、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム、ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）などが挙げられる。また、用途によっては、基体５は炭素鋼、高速度鋼、合金鋼などの金属からなるものであっても良い。

さらに、上記の工具１は、すくい面２と逃げ面３との交差部に形成された切刃４を被切削材に当てることによって切削加工するものであり、上述した優れた効果を発揮することができる。また、本実施形態の工具１は、切削工具以外にも、摺動部品及び金型などの耐摩部品、掘削工具、刃物などの工具、耐衝撃部品などの各種の用途へ応用可能であり、これらの場合にも優れた機械的信頼性を有するものである。

次に、本実施形態に係る切削工具の製造方法について、工具１の製造方法の一例を参考にして説明する。

まず、金属炭化物、窒化物、炭窒化物及び酸化物などから選択される無機物粉末に、金属粉末及びカーボン粉末などを適宜添加して、混合する。混合された上記の粉末を、公知の成形方法を用いて所定の形状に成形して成形体を作製する。成形方法としては、例えば、プレス成形、鋳込成形、押出成形及び冷間静水圧プレス成形などが挙げられる。上記の成形体を、真空中又は非酸化性雰囲気中にて焼成することによって基体５を作製する。なお、必要に応じて、基体５の表面に研磨加工又はホーニング加工を施してもよい。

次に、基体５の表面に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆層６を成膜する。

まず、水素（Ｈ_２）ガスに、０．５〜１０体積％の四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスと、１０〜６０体積％の窒素（Ｎ_２）ガスとを混合して、反応ガスとして用いられる第１混合ガスを作製する。第１混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を８００〜９４０℃、チャンバ内の圧力を８〜５０ｋＰａとして、窒化チタンを含有する下地層１０を成膜する。

次に、水素（Ｈ_２）ガスに、０．５〜１０体積％の四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスと、５〜６０体積％の窒素（Ｎ_２）ガスと、０．１〜３体積％のアセトニトリルガスとを混合して、第２混合ガスを作製する。第２混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を７８０〜８８０℃、チャンバ内の圧力を５〜２５ｋＰａとして、下層７を成膜する。

このとき、アセトニトリルガスの含有比率を成膜初期よりも成膜後期で高くすることによって、下層７を構成する炭窒化チタン柱状結晶の平均結晶幅を基体５に近い側よりも基体５から離れた側のほうが大きい構成とすることができる。

次に、中間層８を作製する。まず、水素（Ｈ_２）ガスに、３〜３０体積％の四塩化チタンガスと、３〜１５体積％のメタン（ＣＨ_４）ガスと、５〜１０体積％の窒素（Ｎ_２）ガスと、０．５〜１体積％の一酸化炭素（ＣＯ）ガスと、０．５〜１０体積％の三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスとを混合して、第３混合ガスを作製する。第３混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９００〜１０５０℃、チャンバ内の圧力を５〜４０ｋＰａとして、第１層８ａを成膜する。

次に、水素ガスに、１〜４体積％の四塩化チタンガスと、０．１〜１０体積％のメタンガスと、５〜２０体積％の窒素ガスとを混合して、第４混合ガスを作製する。第４混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９００〜１０５０℃、チャンバ内の圧力を５〜４０ｋＰａとして、第３層８ｃを成膜する。第４混合ガス中に酸素源は含まないが、第１層８ａから一部の酸素が拡散する。

続いて、水素ガスに、３〜１５体積％の四塩化チタンガスと、３〜１０体積％のメタンガスと、３〜２５体積％の窒素ガスと、０．５〜２体積％の一酸化炭素ガスとを混合して、第５混合ガスを作製する。第５混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９００〜１０５０℃、チャンバ内の圧力を５〜４０ｋＰａとして、第２層８ｂを成膜する。

次に、上層９を成膜する。水素ガスに、５〜１５体積％の三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスと、０．５〜２．５体積％の塩化水素（ＨＣｌ）ガスと、０．５〜５体積％の二酸化炭素ガスと、０〜１体積％の硫化水素（Ｈ_２Ｓ）ガスとを混合して、第６混合ガスを作製する。第６混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、チャンバ内の圧力を５〜２０ｋＰａとして、上層９を成膜する。

そして、所望により、表層１１を成膜する。水素ガスに、０．１〜１０体積％の四塩化チタンガスと、１０〜６０体積％の窒素ガスとを混合して第７混合ガスを作製する。第７混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９６０〜１１００℃、チャンバ内の圧力を１０〜８５ｋＰａとして、表層１１を成膜する。

その後、必要に応じて、成膜した被覆層６の表面における切刃４が位置する部分を研磨加工する。このような研磨加工を行なった場合には、切刃４への被削材の溶着が抑制され易くなるため、さらに耐欠損性に優れた工具１となる。

まず、６質量％の平均粒径１．２μｍの金属コバルト粉末と、０．５質量％の平均粒径２μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末と、５質量％の平均粒径２μｍの炭化ニオブ（ＮｂＣ）粉末とを含有し、残部が平均粒径１．５μｍの炭化タングステン粉末である混合粉末を作製する。プレス成形を利用して上記の混合粉末を工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した成形体を作製する。成形体に脱バインダ処理を施した後に、１５００℃、０．０１Ｐａの真空中において、１時間焼成して基体を作製した。その後、作製した基体にブラシ加工を施し、工具において切刃となる部分にＲホーニングを施した。

次に、上記の基体に対して、化学気相蒸着法により、表１の成膜条件で被覆層を成膜して、切削工具を作製した。表１〜３において、各化合物は化学記号で表記した。結果は表２〜３に示した。

上記試料について、それぞれ被覆層を含み、基体の表面に直交する断面を、ＳＥＭにて観察し、各層の厚み、平均結晶粒径を測定した。また、中間層付近においては、ＴＥＭにて観察し、各層の厚み、第１凸部・第２凸部の平均幅と平均高さ、第２層における針状の突起の個数及び平均長さを測定した。

また、上記切削工具の逃げ面の平坦面において、被覆層に対して研磨することなく、ＣｕＫα線によるＸ線回折分析を行ない、任意３箇所で、上層の表面側から測定した表面側ピーク（表中、表面側又は表面側ピークと記載）の同定と、各ピークのピーク強度を測定した。

また、表面側ピークについて、最も強度の高いピークと２番目に強度の高いピークとを確認するとともに、ＪＣＰＤＳカードの（１０４）面の配向係数Ｔｃを算出した。次に、上層の厚みの１０％〜４０％の厚みとなるまで研磨し、同様にＸ線回折分析によって、上層の一部を研磨して基体側の部分のみを残した状態で測定した基体側ピーク（表中、基体側と記載）の同定と、各ピークのピーク強度を測定した。得られた各ピークのピーク強度を用いて、（１０４）面の配向係数Ｔｃを算出した。また、上記工具の破断面をＳＥＭにて観察し、各層の厚みを測定した。結果は表３に示した。

次に、得られた切削工具を用いて、下記の条件において、連続切削試験及び断続切削試験を行ない、耐摩耗性及び耐欠損性を評価した。結果は表３に示した。
（連続切削条件）
被削材 ：クロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ４３５）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削時間：２５分
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：走査型電子顕微鏡にて刃先ホーニング部分を観察し、実際に摩耗している部分において、逃げ面におけるフランク摩耗幅を測定。
（断続切削条件）
被削材 ：クロムモリブデン鋼 ４本溝入り鋼材（ＳＣＭ４４０）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：欠損に至る衝撃回数を測定。

表１〜３の結果によれば、第１層、第２層、第３層のいずれかがない試料Ｎｏ．６〜８では、フランク摩耗幅が大きくかつ少ない衝撃回数で欠損に至った。また、ｚ１＜ｚ２の試料Ｎｏ．９及びｚ２＝ｚ３の試料Ｎｏ．１０でも、フランク摩耗幅が大きくかつ少ない衝撃回数で欠損に至った。なお、第２層がない試料Ｎｏ．８及びｚ２＝ｚ３の試料Ｎｏ．１０では、Ｘ線回折測定における上層のピークにおいて、α型結晶構造以外にκ型結晶構造のピークが見られた。

一方、第１層８ａに含有されるチタン化合物をＴｉＣ_ｘ１Ｎ_ｙ１Ｏ_ｚ１と表わした場合に、０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１であり、第２層に含有されるチタン化合物をＴｉＣ_ｘ２Ｎ_ｙ２Ｏ_ｚ２と表わした場合に、０≦ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１であり、第３層に含有されるチタン化合物をＴｉＣ_ｘ３Ｎ_ｙ３Ｏ_ｚ３と表わした場合に、０≦ｘ３＜１、０≦ｙ３＜１、０≦ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１である試料Ｎｏ．１〜５においては、フランク摩耗幅が小さく、衝撃回数が３０００回を超えた。

試料Ｎｏ．１〜５のうち試料Ｎｏ．１〜４では、針状の突起を除く第２層の厚みが１０ｎｍ〜３５ｎｍであり、フランク摩耗幅が小さくかつ衝撃回数が多かった。

さらに、第２層が上方に向かって突出する針状の突起を有する試料Ｎｏ．１〜３、５では、耐欠損性が向上して、衝撃回数が多くなった。

また、上層についてのＸ線回折分析において、表面側の配向係数Ｔｃ（１０４）が２以上である試料Ｎｏ．１〜４では、耐摩耗性が高く、フランク摩耗幅が小さかった。また、基体側における配向係数Ｔｃ（１０４）が、表面側における配向係数Ｔｃ（１０４）よりも小さい試料Ｎｏ．１〜３、５では、耐欠損性が向上して、衝撃回数が多くなった。さらに、上層の表面側ピークにおいて、Ｉ（１０４）及びＩ（１１６）の一方が最も強く、他方が２番目に強いピークからなる試料Ｎｏ．１〜４に関しては、フランク摩耗幅がより小さく、耐摩耗性について特に優れていることがわかった。

１・・・切削工具（工具）
２・・・すくい面
３・・・逃げ面
４・・・切刃
５・・・基体
６・・・被覆層
７・・・下層
８・・・中間層
８ａ・・・第１層
８ｂ・・・第２層
８ｃ・・・第３層
９・・上層
１０・・・下地層
１１・・表層
１２・・炭窒化チタンの結晶
１３・・突起
１４・・第１凸部
１５・・第２凸部
１６・・・双晶境界

Claims (10)

1. 基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを備えた切削工具であって、
   前記被覆層は、
   炭窒化チタンを含有する下層と、
   該下層の上に位置して、α型結晶構造の酸化アルミニウムを含有する上層と、
   前記下層及び前記上層の間に位置する中間層とを有し、
   該中間層は、
   前記下層に隣接して、ＴｉＣ_ｘ１Ｎ_ｙ１Ｏ_ｚ１（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）を含有する第１層と、
   前記上層に隣接して、ＴｉＣ_ｘ２Ｎ_ｙ２Ｏ_ｚ２（０≦ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）を含有する第２層と、
   前記第１層及び前記第２層の間に位置して、ＴｉＣ_ｘ３Ｎ_ｙ３Ｏ_ｚ３（０≦ｘ３＜１、０≦ｙ３＜１、０≦ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）を含有する第３層とを有し、
   ｚ１＞ｚ３、かつ、ｚ２＞ｚ３であり、
   前記基体の表面に直交する断面において、
   前記第２層は、上方に向かって突出する針状の突起を複数有し、前記第３層は、上方に向かって凸である第１凸部を有し、前記突起の少なくとも１つは、前記第１凸部の頂部から上方に向かって突出している、切削工具。
2. ｚ１＜ｚ２である、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記下層は、上方に向かって凸である第２凸部を有し、
   前記突起の少なくとも１つは、前記第１凸部の頂部及び前記第２凸部の頂部を通る仮想直線上に位置している、請求項１または２に記載の切削工具。
4. 前記仮想直線上における前記突起の長さが、前記仮想直線上における前記第３層の長さよりも大きい、請求項３に記載の切削工具。
5. 前記第２層の厚みが１０ｎｍ〜３５ｎｍである、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の切削工具。
6. 前記第１層の厚みが５ｎｍ〜５０ｎｍであり、前記第３層の厚みが５０ｎｍ〜３００ｎｍである、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の切削工具。
7. Ｘ線回折分析による前記被覆層の表面側からの測定で検出される、下記一般式Ｔｃ（ｈｋｌ）で表される前記上層の配向係数Ｔｃ（１０４）が２以上である、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の切削工具。
   配向係数Ｔｃ（ｈｋｌ）＝｛Ｉ(ｈｋｌ)／Ｉ０(ｈｋｌ)｝／〔（１／９）×Σ｛Ｉ（ＨＫＬ）／Ｉ０（ＨＫＬ）｝〕
   (ＨＫＬ)は、（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）、（２１４）、（１４６）、（００６）の結晶面、
   Ｉは、各結晶面に帰属されるピーク強度、
   Ｉ０は、ＪＣＰＤＳカードＮｏ．００−０１０−０１７３に記載された各結晶面の標準回折強度。
8. 前記上層は、前記基体側における前記配向係数Ｔｃ（１０４）が、表面側における前記配向係数Ｔｃ（１０４）よりも小さい、請求項７に記載の切削工具。
9. Ｘ線回折分析による前記被覆層の表面側からの測定で検出される、前記Ｘ線回折強度Ｉ（ｈｋｌ）のうち、Ｉ（１１６）及びＩ（１０４）の一方が最も強く、Ｉ（１１６）及びＩ（１０４）の他方が２番目に強い、請求項７又は８に記載の切削工具。
10. 基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを備えた切削工具であって、
    前記被覆層は、
    炭窒化チタンを含有する下層と、
    該下層の上に位置して、α型結晶構造の酸化アルミニウムを含有する上層と、
    前記下層及び前記上層の間に位置する中間層とを有し、
    該中間層は、
    前記下層に隣接して、ＴｉＣ _ｘ１ Ｎ _ｙ１ Ｏ _ｚ１ （０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）を含有する第１層と、
    前記上層に隣接して、ＴｉＣ _ｘ２ Ｎ _ｙ２ Ｏ _ｚ２ （０≦ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）を含有する第２層と、
    前記第１層及び前記第２層の間に位置して、ＴｉＣ _ｘ３ Ｎ _ｙ３ Ｏ _ｚ３ （０≦ｘ３＜１、０≦ｙ３＜１、０≦ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）を含有する第３層とを有し、
    ｚ１＞ｚ３、かつ、ｚ２＞ｚ３であり、
    前記第１層の厚みが５ｎｍ〜５０ｎｍであり、前記第３層の厚みが５０ｎｍ〜３００ｎｍである、切削工具。

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