JP6857298B2 - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents
硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具 Download PDFInfo
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Description
本発明は、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して断続的・衝撃的な高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続重切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を備えることにより、長期の使用に亘ってすぐ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）に関するものである。
従来、一般に、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物理蒸着法により被覆形成した被覆工具が知られており、これらは、すぐ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、比較的耐摩耗性にすぐれるものの、高速断続切削条件で用いた場合にチッピング、剥離等の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、比較的耐摩耗性にすぐれるものの、高速断続切削条件で用いた場合にチッピング、剥離等の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、金属成分がＴｉとＢで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるａ層と、金属成分がＡｌとＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであるｂ層とが、それぞれ一層以上交互に被覆され、ａ層のＸ線回折における（２００）面の格子定数Ａが、０．４２００≦Ａ≦０．４２７０ｎｍの範囲にあり、かつａ層のラマン分光分析においてｃ−ＢＮ並びにｈ−ＢＮのピークが検出され、ｃ−ＢＮのピーク強度をＱ１、ｈ−ＢＮのピーク強度をＱ２としたとき、ピーク強度比Ｑ１／Ｑ２＜１．０である被覆工具が提案されており、この被覆工具によれば、耐摩耗性、密着性にすぐれ、更に高温状態での耐溶着性にもすぐれるため、切削加工の乾式化、高速化、高送り化に対応することが可能であることが記載されている。
また、特許文献２には、単層または多層からなり、少なくとも１の硬質材料複合層を有している被覆工具であって、該複合層が、主相として立方晶ＴｉＡｌＣＮ及び六方晶ＡｌＮを含有しており、該立方晶ＴｉＡｌＣＮが、≧０．１μｍの結晶子サイズを有する微晶質ｆｃｃ−Ｔｉ１−ｘＡｌｘＣｙＮｚ（ここで、ｘ＞０．７５、ｙ＝０〜０．２５であり、かつｚ＝０．７５〜１である）であり、かつ、該複合層がさらに粒界領域内に非晶質炭素を０．０１％〜２０％の質量割合で含有している被覆工具が提案されており、この被覆工具の硬質材料複合層は、平滑で均一な表面、高い耐酸化性及び高い硬度を有するとされている。
また、特許文献３には、基材表面に形成された硬質被膜のうちの少なくとも１層をＣＶＤ法により形成した表面被覆部材において、前記層のうち少なくとも１層は、硬質粒子を含む層であり、前記硬質粒子は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造を含み、前記第１単位層は、周期表の４族元素、５族元素、６族元素およびＡｌからなる群より選ばれる１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる第１化合物を含み、前記第２単位層は、周期表の４族元素、５族元素、６族元素およびＡｌからなる群より選ばれる１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる第２化合物を含むことにより、表面被覆部材の耐摩耗性、耐溶着性を向上させることが提案されている。
また、特許文献４には、工具基体の表面に、硬質被覆層を設けた被覆工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、組成式：（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＭｅｙ）（ＣｚＮ１−ｚ）で表した場合（但し、Ｍｅは、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｖ、Ｃｒの中から選ばれる一種の元素）、ＡｌのＴｉとＡｌとＭｅの合量に占める平均含有割合ＸａｖｇおよびＭｅのＴｉとＡｌとＭｅの合量に占める平均含有割合ＹａｖｇならびにＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合Ｚａｖｇ（但し、Ｘａｖｇ、Ｙａｖｇ、Ｚａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦Ｘａｖｇ、０．００５≦Ｙａｖｇ≦０．１０、０≦Ｚａｖｇ≦０．００５、０．６０５≦Ｘａｖｇ＋Ｙａｖｇ≦０．９５を満足する複合窒化物または複合炭窒化物層を含み、
（ｂ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉ
とＡｌとＭｅの複合窒化物または複合炭窒化物の相を少なくとも含み、
（ｃ） 前記複合窒化物または複合炭窒化物層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴ
ｉとＡｌとＭｅの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の結晶方位を、電子線後方散乱
回折装置を用いて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｛１００｝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、０〜１２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０〜１２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％以上の割合を示し、
（ｄ）また、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉとＡｌとＭｅの複合窒化物また
は複合炭窒化物の結晶粒内に、組成式：（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＭｅｙ）（ＣｚＮ１−ｚ）におけるＴｉとＡｌとＭｅの周期的な濃度変化が存在し、Ａｌの含有割合ｘの周期的に
変化するｘの値の極大値の平均値をＸｍａｘ、また、Ａｌの含有割合ｘの周期的に変化す
るｘの値の極小値の平均値をＸｍｉｎとした場合、ＸｍａｘとＸｍｉｎの差Δｘが０．０
３〜０．２５であり、
（ｅ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層中のＴｉとＡｌとＭｅの周期的な濃度変化が
存在するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒において、その工具基体表面の法線方
向に沿った周期が３〜１００ｎｍである被覆工具が提案されており、この被覆工具は、耐チッピング性に優れるとされている。
（ａ）前記硬質被覆層は、組成式：（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＭｅｙ）（ＣｚＮ１−ｚ）で表した場合（但し、Ｍｅは、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｖ、Ｃｒの中から選ばれる一種の元素）、ＡｌのＴｉとＡｌとＭｅの合量に占める平均含有割合ＸａｖｇおよびＭｅのＴｉとＡｌとＭｅの合量に占める平均含有割合ＹａｖｇならびにＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合Ｚａｖｇ（但し、Ｘａｖｇ、Ｙａｖｇ、Ｚａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦Ｘａｖｇ、０．００５≦Ｙａｖｇ≦０．１０、０≦Ｚａｖｇ≦０．００５、０．６０５≦Ｘａｖｇ＋Ｙａｖｇ≦０．９５を満足する複合窒化物または複合炭窒化物層を含み、
（ｂ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉ
とＡｌとＭｅの複合窒化物または複合炭窒化物の相を少なくとも含み、
（ｃ） 前記複合窒化物または複合炭窒化物層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴ
ｉとＡｌとＭｅの複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の結晶方位を、電子線後方散乱
回折装置を用いて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｛１００｝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、０〜１２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０〜１２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％以上の割合を示し、
（ｄ）また、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉとＡｌとＭｅの複合窒化物また
は複合炭窒化物の結晶粒内に、組成式：（Ｔｉ１−ｘ―ｙＡｌｘＭｅｙ）（ＣｚＮ１−ｚ）におけるＴｉとＡｌとＭｅの周期的な濃度変化が存在し、Ａｌの含有割合ｘの周期的に
変化するｘの値の極大値の平均値をＸｍａｘ、また、Ａｌの含有割合ｘの周期的に変化す
るｘの値の極小値の平均値をＸｍｉｎとした場合、ＸｍａｘとＸｍｉｎの差Δｘが０．０
３〜０．２５であり、
（ｅ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層中のＴｉとＡｌとＭｅの周期的な濃度変化が
存在するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒において、その工具基体表面の法線方
向に沿った周期が３〜１００ｎｍである被覆工具が提案されており、この被覆工具は、耐チッピング性に優れるとされている。
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り、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が求められるとともに、長期の使用に亘ってのすぐれた耐摩耗性が求められている。
しかし、前記特許文献１に記載されている被覆工具では、積層されたａ層とｂ層間での密着強度が不十分であるため、切れ刃に高負荷が作用した場合には、剥離が生じやすく、また、前記特許文献２に記載されている被覆工具は、潤滑性、耐酸化性、耐摩耗性にすぐれるものの、断続的な衝撃がかかる切削条件では、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生しやすいという問題があった。
さらに、前記特許文献３、４に記載される被覆工具においても、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続重切削加工に供した場合には、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生しやすく、満足できる切削性能を備えるとはいえなかった。
そこで、本発明は、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続重切削加工に供した場合であっても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。
しかし、前記特許文献１に記載されている被覆工具では、積層されたａ層とｂ層間での密着強度が不十分であるため、切れ刃に高負荷が作用した場合には、剥離が生じやすく、また、前記特許文献２に記載されている被覆工具は、潤滑性、耐酸化性、耐摩耗性にすぐれるものの、断続的な衝撃がかかる切削条件では、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生しやすいという問題があった。
さらに、前記特許文献３、４に記載される被覆工具においても、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続重切削加工に供した場合には、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生しやすく、満足できる切削性能を備えるとはいえなかった。
そこで、本発明は、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続重切削加工に供した場合であっても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。
本発明者らは、前述の観点から、硬質被覆層を形成した被覆工具の、高速断続重切削加工における耐チッピング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。
即ち、被覆工具の表面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物（以下、「ＴｉＡｌＣＮ」で示すことがある）からなる硬質被覆層を形成して、耐チッピング性を向上させることは既に知られているが、この硬質被覆層の成分として、さらに、Ｂを含有させてＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物（以下、「ＴｉＡｌＢＣＮ」で示すことがある）層を形成するとともに、成膜条件を制御することにより、ＴｉＡｌＢＣＮ層中に六方晶構造の窒化ホウ素（以下、「ｈ−ＢＮ」で示すことがある）を含有させた場合には、ｈ−ＢＮが潤滑効果と衝撃緩和効果を有するため、ＴｉＡｌＢＣＮ層の耐衝撃性が向上し、また、ＴｉＡｌＢＣＮ層の潤滑性が向上することを見出した。
したがって、前記ｈ−ＢＮが分散されているＴｉＡｌＢＣＮ層を硬質被覆層として形成した本発明の被覆工具は、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続重切削加工に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性、耐溶着性を発揮し、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
したがって、前記ｈ−ＢＮが分散されているＴｉＡｌＢＣＮ層を硬質被覆層として形成した本発明の被覆工具は、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続重切削加工に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性、耐溶着性を発揮し、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
そして、前記のＴｉＡｌＢＣＮ層は、例えば、ＮＨ３を用いた熱ＣＶＤ法によって形成することができる。
つまり、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、ＢＣｌ３、Ｎ２、Ａｌ（ＣＨ３）３、Ｈ２からなるガス群Ｂをおのおの別々のガス供給管から反応装置内へ供給し、所定の雰囲気圧力、雰囲気温度、供給周期等の成膜条件とともに、１周期当たりのガス供給時間内におけるガス群Ｂ中におけるＢＣｌ３の供給位相を遅らせる等の制御することによって、ｈ−ＢＮを含有する前記のＴｉＡｌＢＣＮ層を形成することができる。
つまり、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、ＢＣｌ３、Ｎ２、Ａｌ（ＣＨ３）３、Ｈ２からなるガス群Ｂをおのおの別々のガス供給管から反応装置内へ供給し、所定の雰囲気圧力、雰囲気温度、供給周期等の成膜条件とともに、１周期当たりのガス供給時間内におけるガス群Ｂ中におけるＢＣｌ３の供給位相を遅らせる等の制御することによって、ｈ−ＢＮを含有する前記のＴｉＡｌＢＣＮ層を形成することができる。
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、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１〜２０μｍのＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、その成分組成を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘ−ｙＡｌｘＢｙ）（ＣｚＮ１−ｚ）
で表し、また、ＡｌのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合をｘ、ＢのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合をｙ、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合をｚ（但し、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）とそれぞれ表したとき、０．６０≦ｘ、０．００１≦ｙ≦０．１０、ｘ＋ｙ≦０．９５、０≦ｚ≦０．００５を満足し、
（ｂ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、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相を少なくとも含み、
（ｃ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、微量のＣｌを含有し、ＣｌのＴｉとＡｌとＢとＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの平均含有割合α（但し、αは原子比）は、０.０００１≦α≦０．０４を満足し、
（ｄ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面を観察したとき、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内には、六方晶構造の窒化ホウ素が０．０１〜５．０面積％含有されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒界には、平均粒径が１００ｎｍ以下の六方晶構造の窒化ホウ素が存在し、かつ、該窒化ホウ素が存在する粒界長は、前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の粒界長の０．０１〜１０長さ％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）前記工具基体と前記ＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物層の間に、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酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物を含む下部層が存在す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ＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で存在す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。」
に特徴を有するものである。
「（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、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１〜２０μｍのＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、その成分組成を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘ−ｙＡｌｘＢｙ）（ＣｚＮ１−ｚ）
で表し、また、ＡｌのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合をｘ、ＢのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合をｙ、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合をｚ（但し、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）とそれぞれ表したとき、０．６０≦ｘ、０．００１≦ｙ≦０．１０、ｘ＋ｙ≦０．９５、０≦ｚ≦０．００５を満足し、
（ｂ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、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相を少なくとも含み、
（ｃ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、微量のＣｌを含有し、ＣｌのＴｉとＡｌとＢとＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの平均含有割合α（但し、αは原子比）は、０.０００１≦α≦０．０４を満足し、
（ｄ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面を観察したとき、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内には、六方晶構造の窒化ホウ素が０．０１〜５．０面積％含有されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒界には、平均粒径が１００ｎｍ以下の六方晶構造の窒化ホウ素が存在し、かつ、該窒化ホウ素が存在する粒界長は、前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の粒界長の０．０１〜１０長さ％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）前記工具基体と前記ＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物層の間に、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酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物を含む下部層が存在す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ＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で存在す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。」
に特徴を有するものである。
本発明について、以下に詳細に説明する。
ＴｉＡｌＢＣＮ層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、前述したように、ＮＨ３を用いた熱ＣＶＤ法によって形成されたＴｉＡｌＢＣＮ層を少なくとも含む。
このＴｉＡｌＢＣＮ層は、硬さが高く耐摩耗性に優れ、また、潤滑性にも優れ、さらに、切削加工時の衝撃に対する衝撃緩和効果を有するが、特に平均層厚が１〜２０μｍ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１μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用に亘っての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２０μｍを越えると、ＴｉＡｌＢＣＮ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。
したがって、その平均層厚を１〜２０μｍと定めた。
本発明の硬質被覆層は、前述したように、ＮＨ３を用いた熱ＣＶＤ法によって形成されたＴｉＡｌＢＣＮ層を少なくとも含む。
このＴｉＡｌＢＣＮ層は、硬さが高く耐摩耗性に優れ、また、潤滑性にも優れ、さらに、切削加工時の衝撃に対する衝撃緩和効果を有するが、特に平均層厚が１〜２０μｍ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１μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用に亘っての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２０μｍを越えると、ＴｉＡｌＢＣＮ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。
したがって、その平均層厚を１〜２０μｍと定めた。
ＴｉＡｌＢＣＮ層の組成：
本発明の硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＢＣＮ層を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘ−ｙＡｌｘＢｙ）（ＣｚＮ１−ｚ）
で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合ｘ、ＢのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合ｙ、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｚ（但し、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘ、０．００１≦ｙ≦０．１０、ｘ＋ｙ≦０．９５、０≦ｚ≦０．００５を満足するように定める。
その理由は、次のとおりである。
本発明の硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＢＣＮ層を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘ−ｙＡｌｘＢｙ）（ＣｚＮ１−ｚ）
で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合ｘ、ＢのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合ｙ、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｚ（但し、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘ、０．００１≦ｙ≦０．１０、ｘ＋ｙ≦０．９５、０≦ｚ≦０．００５を満足するように定める。
その理由は、次のとおりである。
ＴｉＡｌＢＣＮ層の硬さを確保するためにはＡｌの平均含有割合ｘの高いＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒からなるＴｉＡｌＢＣＮ層を形成することが望まれるが、Ａｌの平均含有割合ｘが０．６０未満では、硬さが十分でないため耐摩耗性の向上を図ることはできない。一方、ｘが０．６０以上になるとＴｉＡｌＢＣＮ層の硬さが漸増していくが、Ｔｉの平均含有割合（＝１−ｘ−ｙ）が０．０５未満になるほどにＡｌの平均含有割合ｘを増加させると、硬さを確保する上で重要なＮａＣｌ型の面心立方構造を維持するのが難しくなり、硬さが低い六方晶構造のＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒が生成するため、Ａｌの平均含有割合ｘは、０．６０≦ｘの範囲内とし、かつ、Ｔｉの平均含有割合（＝１−ｘ−ｙ）を０．０５以上、即ち、ｘ＋ｙ≦０．９５とする。
ＴｉＡｌＢＣＮ層のＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内（なお、本発明でいう「ＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内」とは、ＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の結晶粒界、あるいは、結晶粒内、あるいは、結晶粒界と結晶粒内の双方を意味する。）に、０．０１〜５．０面積％のｈ−ＢＮ（六方晶構造の窒化ホウ素）を含有させることにより、ＴｉＡｌＢＣＮ層の潤滑性を高めることでできると同時に、切削加工時の衝撃に対しする衝撃緩和性が発揮され、耐チッピング性、耐欠損性、耐溶着性が向上するが、このような作用を発揮させるためには、ＴｉＡｌＢＣＮ層中におけるＢの平均含有割合ｙは０．００１以上とすることが必要であり、また、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内に含有されるｈ−ＢＮの面積割合を０．０１面積％以上とすることが必要である。
しかし、Ｂの平均含有割合ｙが０．１０を超えると、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内に含有されるｈ−ＢＮの面積割合が５．０面積％を超え、結晶粒界に存在するｈ−ＢＮ量も過剰になるため、粒界の脆化を招き、その結果、靱性が低下して耐欠損性が低下するようになる。また、結晶粒内においても、過剰のｈ−ＢＮが存在することによって、硬さが低下傾向を示すようになるため耐摩耗性の低下を招く。
したがって、ＴｉＡｌＢＣＮ層中におけるＢの平均含有割合ｙは０．００１≦ｙ≦０．１０と定めるとともに、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内に含有されるｈ−ＢＮの面積割合を０．０１〜５．０面積％とする。
しかし、Ｂの平均含有割合ｙが０．１０を超えると、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内に含有されるｈ−ＢＮの面積割合が５．０面積％を超え、結晶粒界に存在するｈ−ＢＮ量も過剰になるため、粒界の脆化を招き、その結果、靱性が低下して耐欠損性が低下するようになる。また、結晶粒内においても、過剰のｈ−ＢＮが存在することによって、硬さが低下傾向を示すようになるため耐摩耗性の低下を招く。
したがって、ＴｉＡｌＢＣＮ層中におけるＢの平均含有割合ｙは０．００１≦ｙ≦０．１０と定めるとともに、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内に含有されるｈ−ＢＮの面積割合を０．０１〜５．０面積％とする。
なお、結晶粒界に存在するｈ−ＢＮについては、前述のとおり、結晶粒界のｈ−ＢＮ量が多すぎると粒界の脆化を招くため、過剰の粒界偏析は避けなくてはいけないが、結晶粒界におけるｈ−ＢＮの存在形態をコントロールすることによって、耐チッピング性をさらに向上させることができる。
即ち、粒界に存在するｈ−ＢＮの平均粒径を１００ｎｍ以下とし、かつ、ｈ−ＢＮが存在する粒界長を、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の粒界長の０．０１〜１０長さ％とすることによって、切削加工時の衝撃的負荷による破壊起点が、結晶粒界に存在するｈ−ＢＮによって分散され、その結果、ＴｉＡｌＢＣＮ層の靱性が向上し、耐チッピング性を向上させることができる。
ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の粒界に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮは、透過型電子顕微鏡を用いて電子線回折図形を解析することにより同定することができ、また、ｈ−ＢＮの平均粒径は、粒界を含んだ１μｍ×１μｍの測定範囲内に存在するｈ−ＢＮのそれぞれについて、粒径を測定し、それらの平均値を算出することによって求めることができる。
即ち、粒界に存在するｈ−ＢＮの平均粒径を１００ｎｍ以下とし、かつ、ｈ−ＢＮが存在する粒界長を、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の粒界長の０．０１〜１０長さ％とすることによって、切削加工時の衝撃的負荷による破壊起点が、結晶粒界に存在するｈ−ＢＮによって分散され、その結果、ＴｉＡｌＢＣＮ層の靱性が向上し、耐チッピング性を向上させることができる。
ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ結晶粒の粒界に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮは、透過型電子顕微鏡を用いて電子線回折図形を解析することにより同定することができ、また、ｈ−ＢＮの平均粒径は、粒界を含んだ１μｍ×１μｍの測定範囲内に存在するｈ−ＢＮのそれぞれについて、粒径を測定し、それらの平均値を算出することによって求めることができる。
ＴｉＡｌＢＣＮ層に含まれるＣの平均含有割合ｚは、０≦ｚ≦０．００５の範囲の微量であるとき、ＴｉＡｌＢＣＮ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、その結果、また、硬質被覆層の耐欠損性、耐チッピング性が向上する。一方、Ｃの平均含有割合ｚが０≦ｚ≦０．００５の範囲を外れると、ＴｉＡｌＢＣＮ層の靭性が低下し、耐欠損性および耐チッピング性が低下するため好ましくない。
したがって、Ｃの平均含有割合ｚは、０≦ｚ≦０．００５とする。
したがって、Ｃの平均含有割合ｚは、０≦ｚ≦０．００５とする。
ＴｉＡｌＢＣＮ層は、例えば、熱ＣＶＤ法により成膜することができる。
その際、反応ガス成分としてＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、ＢＣｌ３を使用することから、ＴｉＡｌＢＣＮ層中には微量のＣｌが必然的に含有されるが、ＴｉとＡｌとＢとＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの平均含有割合α（即ち、α＝Ｃｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｎ＋Ｃｌ）。但し、αは原子比）は、０.０００１≦α≦０．０４の範囲の微量である場合、層の靭性を低下させずに潤滑性を高めることができる。
しかし、Ｃｌの平均含有割合αが０．０００１未満であると潤滑性向上効果は少なく、一方、Ｃｌの平均含有割合αが０．０４を超えると、耐チッピング性が低下する。
したがって、Ｃｌの平均含有割合αは、０．０００１≦Ｚ≦０．０４と定めた。
その際、反応ガス成分としてＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、ＢＣｌ３を使用することから、ＴｉＡｌＢＣＮ層中には微量のＣｌが必然的に含有されるが、ＴｉとＡｌとＢとＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの平均含有割合α（即ち、α＝Ｃｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｎ＋Ｃｌ）。但し、αは原子比）は、０.０００１≦α≦０．０４の範囲の微量である場合、層の靭性を低下させずに潤滑性を高めることができる。
しかし、Ｃｌの平均含有割合αが０．０００１未満であると潤滑性向上効果は少なく、一方、Ｃｌの平均含有割合αが０．０４を超えると、耐チッピング性が低下する。
したがって、Ｃｌの平均含有割合αは、０．０００１≦Ｚ≦０．０４と定めた。
ＴｉＡｌＢＣＮ層におけるＡｌの平均含有割合ｘ、Ｂの平均含有割合ｙ、Ｃｌの平均含有割合αについては、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｐｒｏｂｅ−Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）を用い、表面を研磨した試料において、電子線を試料表面側から照射し、得られた特性Ｘ線の解析結果の１０点平均からＡｌの平均含有割合ｘ、Ｂの平均含有割合ｙ、Ｃｌの平均含有割合αを求めることができる。
また、Ｃの平均含有割合ｚについては、ガス原料としてＣを含むガスを用いなくても不可避的に含有されるＣの含有割合を除外して算出する。
具体的には、例えば、Ｃを含むガス原料であるＡｌ（ＣＨ３）３の供給量を０とした場合に、ＴｉＡｌＢＣＮ層に含まれるＣの含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、ついで、Ａｌ（ＣＨ３）３を意図的に供給した場合に得られるＴｉＡｌＢＣＮ層に含まれるＣの含有割合（原子比）から前記不可避的に含有されるＣの含有割合を差し引いた値をＣの平均含有割合ｚとする。
また、Ｃの平均含有割合ｚについては、ガス原料としてＣを含むガスを用いなくても不可避的に含有されるＣの含有割合を除外して算出する。
具体的には、例えば、Ｃを含むガス原料であるＡｌ（ＣＨ３）３の供給量を０とした場合に、ＴｉＡｌＢＣＮ層に含まれるＣの含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、ついで、Ａｌ（ＣＨ３）３を意図的に供給した場合に得られるＴｉＡｌＢＣＮ層に含まれるＣの含有割合（原子比）から前記不可避的に含有されるＣの含有割合を差し引いた値をＣの平均含有割合ｚとする。
下部層および上部層：
本発明のＴｉＡｌＢＣＮ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、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層を設けた場合、および/または、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層であって、該上部層の合計平均層厚が１〜２５μｍである上部層を設けた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層すぐれた特性を創出することができる。
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、２０μｍ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、酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２５μｍ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。
本発明のＴｉＡｌＢＣＮ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、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層を設けた場合、および/または、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層であって、該上部層の合計平均層厚が１〜２５μｍである上部層を設けた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層すぐれた特性を創出することができる。
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、２０μｍ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、酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２５μｍ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。
本発明は、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において、硬質被覆層が、所定の組成のＴｉＡｌＢＣＮ層を少なくとも含み、該ＴｉＡｌＢＣＮ層にはＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が存在し、また、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の結晶粒内及び／又は結晶粒界には、所定の面積割合でｈ−ＢＮが存在し、さらに好ましくは、所定の平均粒径のｈ−ＢＮが結晶粒界に所定の粒界長割合で存在するため、ＴｉＡｌＢＣＮ層の衝撃緩和性、潤滑性、耐溶着性が向上する。
したがって、本発明の被覆工具は、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続重切削等に供した場合であっても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する。
したがって、本発明の被覆工具は、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続重切削等に供した場合であっても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する。
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、以下の実施例では、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。）あるいは炭窒化チタン基サーメット（以下、「ＴｉＣＮ基サーメット」で示す。）を用いた場合について説明するが、立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体を工具基体として用いた場合も同様である。
なお、以下の実施例では、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。）あるいは炭窒化チタン基サーメット（以下、「ＴｉＣＮ基サーメット」で示す。）を用いた場合について説明するが、立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体を工具基体として用い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ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮ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。
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ２Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮのインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｄを作製した。
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｄの表面に、化学蒸着装置を用い、表４、表５に示される形成条件Ａ〜Ｈにより、特に、ガス群Ｂの１周期当たりのガス供給時間内におけるＢＣｌ３の供給位相の遅れを０〜０．４秒となるように調整しながら、表９に示される本発明被覆工具１〜１６を製造した。
つまり、表４、表５に示される形成条件Ａ〜Ｈにしたがい、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、ＢＣｌ３、Ｎ２、Ａｌ（ＣＨ３）３、Ｈ２からなるガス群Ｂ、および、おのおのガスの供給方法として、反応ガス組成（ガス群Ａおよびガス群Ｂを合わせた全体に対する容量％）を、ガス群Ａとして、ＮＨ３：５〜７％、Ｈ２：６５〜７５％、ガス群Ｂとして、ＴｉＣｌ４：０．１〜１．０％、ＡｌＣｌ３：１．０〜１．８％、ＢＣｌ３：０．０１〜０．２４％、Ｎ２：０〜１２％、Ａｌ（ＣＨ３）３：０〜０．５％、Ｈ２：残、反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃、供給周期３０〜４５秒、１周期当たりのガス供給時間１．０〜３．０秒、ガス群ＢにおけるＢＣｌ３の供給位相の遅れを０〜０．４秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１〜０．５秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行い、表９に示されるＴｉＡｌＢＣＮ層を成膜することにより本発明被覆工具１〜１６を製造した。
なお、本発明被覆工具５〜８、１３〜１６については、それぞれ、表３に示される形成条件で、表８に示される下部層、上部層を形成した。
つまり、表４、表５に示される形成条件Ａ〜Ｈにしたがい、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、ＢＣｌ３、Ｎ２、Ａｌ（ＣＨ３）３、Ｈ２からなるガス群Ｂ、および、おのおのガスの供給方法として、反応ガス組成（ガス群Ａおよびガス群Ｂを合わせた全体に対する容量％）を、ガス群Ａとして、ＮＨ３：５〜７％、Ｈ２：６５〜７５％、ガス群Ｂとして、ＴｉＣｌ４：０．１〜１．０％、ＡｌＣｌ３：１．０〜１．８％、ＢＣｌ３：０．０１〜０．２４％、Ｎ２：０〜１２％、Ａｌ（ＣＨ３）３：０〜０．５％、Ｈ２：残、反応雰囲気圧力：４．５〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃、供給周期３０〜４５秒、１周期当たりのガス供給時間１．０〜３．０秒、ガス群ＢにおけるＢＣｌ３の供給位相の遅れを０〜０．４秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１〜０．５秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行い、表９に示されるＴｉＡｌＢＣＮ層を成膜することにより本発明被覆工具１〜１６を製造した。
なお、本発明被覆工具５〜８、１３〜１６については、それぞれ、表３に示される形成条件で、表８に示される下部層、上部層を形成した。
また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｄの表面に、表６および表７に示される比較例成膜工程の条件で、ＴｉＡｌＢＣＮ層を含む硬質被覆層あるいはＴｉＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層を蒸着形成し比較例被覆工具１〜１６を製造した。
なお、本発明被覆工具と同様に、比較例被覆工具５〜８、１３〜１６については、表３に示される形成条件で、表８に示される下部層、上部層を形成した。
なお、本発明被覆工具と同様に、比較例被覆工具５〜８、１３〜１６については、表３に示される形成条件で、表８に示される下部層、上部層を形成した。
本発明被覆工具１〜１６、比較例被覆工具１〜１６の各構成層の工具基体表面に垂直な方向の断面を、走査型電子顕微鏡あるいは透過型電子顕微鏡を用いて測定し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して平均層厚を求めたところ、いずれも表９および表１０に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
また、ＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）のＡｌの平均含有割合ｘ、Ｂの平均含有割合ｙ、Ｃｌの平均含有割合αについては、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｐｒｏｂｅ−Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）を用い、表面を研磨した試料において、電子線を試料表面側から照射し、得られた特性Ｘ線の解析結果の１０点平均からＡｌの平均含有割合ｘ、Ｂの平均含有割合ｙ、Ｃｌの平均含有割合αを求めた。
Ｃの平均含有割合ｚについては、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ−Ｍａｓｓ−Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）により求めた。即ち、イオンビームを試料表面側から７０μｍ×７０μｍの範囲に照射し、スパッタリング作用によって放出された成分について深さ方向の濃度測定を行った。Ｃの平均含有割合ｚはＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）についての深さ方向の平均値を示す。
なお、Ｃの平均含有割合には、意図的にガス原料としてＣを含むガスを用いなくても含まれる不可避的なＣの含有割合を除外している。具体的にはＡｌ（ＣＨ３）３の供給量を０とした場合のＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）に含まれるＣの含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、Ａｌ（ＣＨ３）３を意図的に供給した場合に得られるＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）に含まれるＣの含有割合（原子比）から前記不可避的なＣの含有割合を差し引いた値をＣの平均含有割合ｚとして求めた。
また、ＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）のＡｌの平均含有割合ｘ、Ｂの平均含有割合ｙ、Ｃｌの平均含有割合αについては、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｐｒｏｂｅ−Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）を用い、表面を研磨した試料において、電子線を試料表面側から照射し、得られた特性Ｘ線の解析結果の１０点平均からＡｌの平均含有割合ｘ、Ｂの平均含有割合ｙ、Ｃｌの平均含有割合αを求めた。
Ｃの平均含有割合ｚについては、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｉｏｎ−Ｍａｓｓ−Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）により求めた。即ち、イオンビームを試料表面側から７０μｍ×７０μｍの範囲に照射し、スパッタリング作用によって放出された成分について深さ方向の濃度測定を行った。Ｃの平均含有割合ｚはＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）についての深さ方向の平均値を示す。
なお、Ｃの平均含有割合には、意図的にガス原料としてＣを含むガスを用いなくても含まれる不可避的なＣの含有割合を除外している。具体的にはＡｌ（ＣＨ３）３の供給量を０とした場合のＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）に含まれるＣの含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、Ａｌ（ＣＨ３）３を意図的に供給した場合に得られるＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）に含まれるＣの含有割合（原子比）から前記不可避的なＣの含有割合を差し引いた値をＣの平均含有割合ｚとして求めた。
また、前記ＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）の工具基体表面に垂直な方向の断面について、透過型電子顕微鏡を用いて、１μｍ×１μｍの測定範囲内に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮを、電子線回折図形を解析することにより同定し、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ）結晶粒の結晶粒内、結晶粒界に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮに対して外接円を作成してその面積を算出し、さらに、測定範囲内に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮの合計面積を算出し、測定範囲の全面積で除することにより、ＴｉＡｌＢＣＮ層（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ層）に占める六方晶構造のｈ−ＢＮの面積割合（面積％）を算出した。
また、結晶粒界に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮについては、粒界を含んだ１μｍ×１μｍの測定範囲内に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮと同定した粒に対して外接円を作成し、その外接円の直径を求め、その平均値を、結晶粒界に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮの平均粒径Ｒとして算出した。
さらに、測定範囲内において、六方晶構造のｈ−ＢＮが、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ）結晶粒界に存在する粒界長を求め、測定範囲内の全粒界長に占める長さ割合を測定し、この値を粒界長割合（長さ％）として算出した。
上記の測定を、いずれも複数視野（この実施例では５視野）で行い、その平均値を、六方晶構造のｈ−ＢＮの面積割合（面積％）、平均粒径Ｒ、粒界長割合（長さ％）とした。
表９、表１０に、得られた結果を示す。
また、結晶粒界に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮについては、粒界を含んだ１μｍ×１μｍの測定範囲内に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮと同定した粒に対して外接円を作成し、その外接円の直径を求め、その平均値を、結晶粒界に存在する六方晶構造のｈ−ＢＮの平均粒径Ｒとして算出した。
さらに、測定範囲内において、六方晶構造のｈ−ＢＮが、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉＡｌＢＣＮ（あるいは、ＴｉＡｌＣＮ）結晶粒界に存在する粒界長を求め、測定範囲内の全粒界長に占める長さ割合を測定し、この値を粒界長割合（長さ％）として算出した。
上記の測定を、いずれも複数視野（この実施例では５視野）で行い、その平均値を、六方晶構造のｈ−ＢＮの面積割合（面積％）、平均粒径Ｒ、粒界長割合（長さ％）とした。
表９、表１０に、得られた結果を示す。
つぎに、前記各種の被覆工具をいずれもカッタ径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、本発明被覆工具１〜８、比較例被覆工具１〜８について、以下に示す切削条件Ａで、ＳＣＭ４４０の高速断続重切削の一種である乾式高速正面フライス、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。
≪切削条件Ａ≫
被削材： ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
回転速度：７１３ｍｉｎ−１、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．５ｍｍ、
一刃送り量：０．３ｍｍ／刃、
切削時間：５分、
（通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ、通常の切り込みは、２．０ｍｍ、通常の一刃送り量は０．２ｍｍ／刃）、
≪切削条件Ａ≫
被削材： ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
回転速度：７１３ｍｉｎ−１、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．５ｍｍ、
一刃送り量：０．３ｍｍ／刃、
切削時間：５分、
（通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ、通常の切り込みは、２．０ｍｍ、通常の一刃送り量は０．２ｍｍ／刃）、
また、前記各種の被覆工具をいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆工具９〜１６、比較例被覆工具９〜１６について、以下に示す切削条件Ｂで、ＦＣＤ６００の乾式高速断続重切削試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
≪切削条件Ｂ≫
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ６００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３７０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．０ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ、通常の切り込みは、２．０ｍｍ、通常の一刃送り量は０．２ｍｍ／ｒｅｖ）、
表１１、表１２に、前記切削試験Ａ、切削試験Ｂの結果を示す。
≪切削条件Ｂ≫
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ６００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３７０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．０ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ、通常の切り込みは、２．０ｍｍ、通常の一刃送り量は０．２ｍｍ／ｒｅｖ）、
表１１、表１２に、前記切削試験Ａ、切削試験Ｂの結果を示す。
表１１、表１２に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層の耐チッピング性にすぐれ、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続重切削加工に用いた場合でも、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷の発生が防止され、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性が発揮される。
これに対して、硬質被覆層がＴｉＡｌＣＮ層であってＢを含有していない比較例被覆工具、あるいは、Ｂを含有していても、結晶粒内、結晶粒界に所定のｈ−ＢＮが形成されていない比較例被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続重切削加工に用いた場合、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷の発生により短時間で寿命に至ることが明らかである。
本発明の被覆工具は、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続重切削ばかりでなく、各種の被削材の被覆工具として用いることができ、しかも、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、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)
- 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、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１〜２０μｍのＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、その成分組成を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘ−ｙＡｌｘＢｙ）（ＣｚＮ１−ｚ）
で表し、また、ＡｌのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合をｘ、ＢのＴｉとＡｌとＢの合量に占める平均含有割合をｙ、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合をｚ（但し、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）とそれぞれ表したとき、０．６０≦ｘ、０．００１≦ｙ≦０．１０、ｘ＋ｙ≦０．９５、０≦ｚ≦０．００５を満足し、
（ｂ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、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相を少なくとも含み、
（ｃ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、微量のＣｌを含有し、ＣｌのＴｉとＡｌとＢとＣとＮとＣｌの合量に占めるＣｌの平均含有割合α（但し、αは原子比）は、０.０００１≦α≦０．０４を満足し、
（ｄ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面を観察したとき、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の結晶粒界及び／又は結晶粒内には、六方晶構造の窒化ホウ素が０．０１〜５．０面積％含有されていることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒界には、平均粒径が１００ｎｍ以下の六方晶構造の窒化ホウ素が存在し、かつ、該窒化ホウ素が存在する粒界長は、前記複合窒化物または複合炭窒化物の結晶粒の粒界長の０．０１〜１０長さ％であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
- 前記工具基体と前記ＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物層の間に、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酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物を含む下部層が存在することを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
- 前記ＴｉとＡｌとＢの複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で存在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
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