JP7037581B2 - 被覆工具およびそれを備えた切削工具 - Google Patents

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Description

本開示は、基体の表面に被覆層を有する被覆工具およびそれを備えた切削工具に関する。
超硬合金やサーメット、セラミックス等の基体表面に、結合膜を介してＡｌ2Ｏ3層を積層した被覆層を形成した切削工具等の被覆工具が知られている。
切削工具は、最近の切削加工の高能率化に伴って、大きな衝撃が切刃にかかる重断続切削等に用いられる機会が増えている。こ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。
上記切削工具において、耐欠損性を向上させる技術として、特許文献１では、結合膜とＡｌ2Ｏ3層とを順に成膜し、結合膜にＡｌ2Ｏ3層側に延びる樹状突起と、樹状突起に連なる枝状突起を設けることで、結合膜とＡｌ2Ｏ3層の密着力を高め、被覆層の剥離を抑制することが開示されている。特許文献１の樹状突起は、Ｔｉ（ＣＯ）またはＴｉ（ＣＮＯ）であり、枝状突起は（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）であることが開示されており、樹状突起を形成した後に、一旦、原料ガスを流すのをやめ、温度を保持しながら、圧力、原料ガスの種類を変えて樹状突起と異なる組成の枝状突起を形成することが記載されている。
特許第５３０３７３２号公報
本開示の被覆工具は、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、ＴｉＣＮＯ層と、Ａｌ2Ｏ3層とを有している。該Ａｌ2Ｏ3層は、前記ＴｉＣＮＯ層よりも前記基体から遠い位置において前記ＴｉＣＮＯ層に接して位置している。前記ＴｉＣＮＯ層は、前記Ａｌ2Ｏ3層に向かって突出した第１突起と、該第１突起から該第１突起の突出方向に交わる方向に突出した第２突起と、該第２突起から該第２突起の突出方向に交わる方向に突出した第３突起とを有する複合突起を有する。本開示の切削工具は、第１端から第２端に向かって延び、前記第１端側にポケットを有するホルダと、前記ポケットに位置する上述の被覆工具と、を備える。
本開示の被覆工具の一例を示す概略斜視図である。 図１の被覆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。 本開示の被覆工具のＴｉＣＮＯ層およびＡｌ2Ｏ3層付近の構成を説明するための要部拡大図である。 本開示の被覆工具のＴｉＣＮＯ層およびＡｌ2Ｏ3層付近の構成を説明するための要部拡大図である。 本開示の被覆工具における他の形態の被覆層の断面の構成を説明するための模式図である。 本開示の切削工具の一例を示す平面図である。
＜被覆工具＞
本開示の被覆工具は、図１に示す例においては、主面が概略四角形状の板状である。ただし、この形状に限定されるものではない。被覆工具１は、第１面２と、第２面３とを有し、第１面２と第２面３とが交わる部分の少なくとも一部に切刃４を有している。第１面２は、すくい面と呼ばれる面であり、第２面３は逃げ面と呼ばれる面である。そのため、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に切刃４を有しているともいえるものである。
また、図２の被覆工具１における被覆層７の断面の構成を説明するための模式図に示すように、被覆工具１は、基体５と、この基体５の表面に位置する被覆層７を備えている。
被覆工具１の基体５を構成する材質は、硬質合金、セラミックスまたは金属が挙げられる。硬質合金としては、炭化タングステン（ＷＣ）と、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属を含有する超硬合金であってもよい。他の硬質合金として、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）と、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属を含有するＴｉ基サーメットであってもよい。セラミックスが、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）であってもよい。金属としては、炭素鋼、高速度鋼、合金鋼であってもよい。上記材質の中でも、被覆工具１として用いる場合には、基体５は、超硬合金またはサーメットからなることが耐欠損性および耐摩耗性の点でよい。
被覆層７は、ＴｉＣＮＯ層９と、Ａｌ2Ｏ3層１１とを有している。Ａｌ2Ｏ3層１１は、ＴｉＣＮＯ層９の基体５から遠い位置においてＴｉＣＮＯ層９に接している。
本開示の被覆工具１は、図３に示すように、Ａｌ2Ｏ3層１１に向かって突出した第１突起１３ａを有している。また、この第１突起１３ａから第１突起１３ａの突出方向に交わる方向に突出した第２突起１３ｂを有している。また、さらに第２突起１３ｂから第２突起１３ｂの突出方向に交わる方向に突出した第３突起１３ｃを有する。以下において、この第１突起１３ａと第２突起１３ｂおよび第３突起１３ｃの複合体を複合突起１４ともいう。
本開示の被覆工具１は、第１突起１３ａがＡｌ2Ｏ3層１１に向かって突出し、第２突起１３ｂが第１突起１３ａから第１突起１３ａの突出方向に交わる方向に突出し、さらに第３突起１３ｃが第２突起１３ｂの突出方向に交わる方向に突出していることから、第１突起１３ａ、第２突起１３ｂおよび第３突起１３ｃとＡｌ2Ｏ3層１１とのかみ合いにより、ＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１とが剥離しにくくなっている。なお、図２では、図が煩雑になるために第２突起１３ｂ、第３突起１３ｃを省略している。
本開示の被覆工具１における第１突起１３ａ、第２突起１３ｂおよび第３突起１３ｃは、いずれもＴｉ、Ｃ、ＮおよびＯを含有しており、組成が同質であってもよい。この第１突起１３ａ、第２突起１３ｂおよび第３突起１３ｃの組成が同質であると、第１突起１３ａと第２突起１３ｂと第３突起１３ｃとの間で、亀裂や破壊が起こりにくく、それぞれの組成が異なる場合に比べ、ＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１との密着性が高くなる。
なお、第１突起１３ａ、第２突起１３ｂおよび第３突起１３ｃの組成が同質であるとは、それぞれの構成成分の差が５％以下のことをいう。
また、それぞれの組成のずれが３％以下であってもよい。さらに、１％以下であってもよい。
このような第１突起１３ａ、第２突起１３ｂおよび第３突起１３ｃは、第１突起１３ａ、第２突起１３ｂおよび第３突起１３ｃの成膜時に、同じガスを使うことで得ることができる。
また、第１突起１３ａと第２突起１３ｂの組成が異なっていてもよく。第２突起１３ｂと第３突起１３ｃの組成が異なっていてもよい。
組成の異なる第１突起１３ａ、第２突起１３ｂおよび第３突起１３ｃは、成膜時に組成の異なるガスを用いるとよい。
本開示の被覆工具１は、図３に示すように、第２突起１３ｂに複数の第３突起１３ｃを有していてもよい。このような構成とすると、ＴｉＣＮＯ層とＡｌ2Ｏ3層との密着強度が高くなる。第２突起１３ｂに複数の第３突起１３ｃを有しているとは、１つの第２突起１３ｂが複数の複数の第３突起１３ｃを有していることをいう。
また、図３に示すように、第３突起１３ｃは、突出方向が第１突起１３ａに向かっていてもよい。このような構成とすると、ＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１との密着強度が高くなる。
また、ＴｉＣＮＯ層９は、第１突起１３ａに複数の第２突起１３ｂを有していてもよく、これにより、ＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１とがさらに剥離しにくくなる。なお、ここでいう第１突起１３ａに複数の第３突起１３ｂを有しているとは、１つの第１突起１３ａに複数の複数の第２突起１３ｂを有していることをいう。
また、図３に示すように、第２突起１３ｂは、突出方向が基体５に向かっていてもよい。第２突起１３ｂの突出方向が基体５に向かっているとは、図３に示すような断面において、第２突起１３ｂの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ、第２突起１３ｂの軸を延長したとき基体５と交わる状態をいう。
また、第１突起１３ａは、図３に示すような断面において、ＴｉＣＮＯ層９からの突出の起点となる部分の幅は、その第１突起１３ａから突出する第２突起１３ｂの第１突起１３ａからの突出の起点となる部分の幅よりも大きくてもよい。また、第１突起１３ａの長さは、その第１突起１３ａから突出する第２突起１３ｂの長さより長くてもよい。なお、第１突起１３ａの長さとは、第１突起１３ａの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ部分の距離のことをいう。同様に、第２突起１３ｂの長さとは、第２突起１３ｂの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ部分の距離のことをいう。第１突起１３ａの平均長さは、１０～５００ｎｍであってもよい。
基体５の表面に直交する断面において、第１突起１３ａの基部の平均幅は４０～２００ｎｍであってもよい。また、第１突起１３ａの平均長さは、１０～５００ｎｍであってもよい。また、第１突起１３ａの平均長さは、５０～３００ｎｍであってもよい。
なお、第１突起１３ａの基部の幅とは、第１突起１３ａの突出の起点となる部分の幅である。第１突起１３ａの基部の幅の平均値とは、２０以上の第１突起１３ａの基部の幅の平均値である。第１突起１３ａの長さとは、第１突起１３ａの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ部分の距離のことをいう。第１突起１３ａの平均長さとは、２０以上の第１突起１３ａの長さの平均値である。同様に、第２突起１３ｂの長さとは、第２突起１３ｂの突出の起点となる部分の幅の中点と頂点とを結ぶ部分の距離のことをいう。
第１突起１３ａの基部の平均幅は６０～１２０ｎｍであってもよい。第１突起１３ａの平均長さは１５０～２３０ｎｍであってもよい。このような形状の第１突起１３ａを有すると、最も長い第１突起１３ａと、最も短い第１突起１３ａとの差が、小さくなる。このように比較的、均一な第１突起部１３ａを有すると、ＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１とがより剥離しにくい。
また、第１突起１３ａの平均長さは、第１突起１３ａの基部の平均幅の４倍以下であってもよい。このような構造を有すると、第１突起１３ａが破壊されにくいため、ＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１とがより剥離しにくい。また、第１突起１３ａの平均長さは、第１突起１３ａの基部の平均幅の３倍以下であってもよい。この比率が小さくなるほど、第１突起１３ａが破壊されにくいため、ＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１とがより剥離しにくい。特に、第１突起１３ａの平均長さは、第１突起１３ａの基部の平均幅の２．５倍以下であってもよい。
また、第２突起１３ｂの長さは、１０～１５０ｎｍであってもよい。また、第２突起１３ｂの最大幅は、５０ｎｍ以下であってもよい。また、第３突起１３ｃの長さは、１０～７０ｎｍであってもよい。また、第３突起１３ｃの最大幅は、２０ｎｍ以下であってもよい。
また、第３突起１３ｃの長さは、第２突起１３ｂの長さより短くてもよい。このような構造を有すると、第１突起１３ａおよび第２突起１３ｂが壊れにくくなり、ＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１とがさらに剥離しにくい。その結果、被覆工具１の耐欠損性が向上する。
また、第３突起１３ｃの長さは、第２突起１３ｂの長さより長くてもよい。このような構造を有すると、複合突起１４の数が少ない場合であっても、ＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１とが剥離しにくい。
なお、第３突起１３ｃと第２突起１３ｂの長さを比較するときは、それぞれの平均長さを比較する。
また、第１突起１３ａは、基体５の第１面２に対して、垂直に形成されていなくてもよく、基体５の第１面２に対して傾斜していてもよい。
また、ＴｉＣＮＯ層９の厚みが１０ｎｍ～３５ｎｍである場合には、ＴｉＣＮＯ層９の硬度が低下することなく、かつＡｌ2Ｏ3層１１がα型結晶構造となる。ここで、ＴｉＣＮＯ層９の厚みとは、第１突起１３ａ、第２突起１３ｂ、第３突起１３ｃを除くものである。
ＴｉＣＮＯ層９は、例えば、チタンを３０～７０原子％、炭素を１～７０原子％、窒素を１～３５原子％、酸素を３～２０原子％の割合で含有していてもよい。また、さらにアルミニウムを１０原子％以下、含有していてもよい。また、塩素やクロム等の成分を１～１０原子％含有していてもよい。また、ＴｉＣＮＯ層９は、他の微量成分を含有していてもよい。
本開示の被覆工具１においては、ＴｉＣＮＯ層と第１突起１３ａ、第２突起１３ｂ、第３突起１３ｃはいずれも、同じ組成であり、上述の組成範囲であってもよい。
第１突起１３ａを有するＴｉＣＮＯ層９は、基体５の表面に、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって下記の条件で成膜することで、形成することができる。
基体５を成膜装置のチャンバにセットし、例えば、成膜温度を９００℃～９９０℃、ガス圧を５ｋＰａ～４０ｋＰａとし、反応ガス組成が、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを３体積％～１５体積％、メタン（ＣＨ4）ガスを３体積％～１０体積％、窒素（Ｎ2）ガスを３体積％～５０体積％、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを０．５体積％～２．０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜するとよい。この反応ガス組成の窒素（Ｎ2）ガスを３０体積％～５０体積％とすると、第１突起１３ａの基部の平均幅は広くなりやすく、第１突起１３ａの平均長さが短くなりやすい。言い換えると、このような条件では、太く、短く、破損しにくい第１突起１３ａが得られやすい。
また、上記のＴｉＣＮＯ層９の成膜の後期において、原料ガスの配合を変えずに、成膜温度を下げて成膜温度を９００～９４０℃の範囲とすると第２突起１３ｂが形成される。この成膜時間は、合計で３０～９０分としてもよい。
ＴｉＣＮＯ層９の成膜の後期、すなわち、第２突起１３ｂを形成する工程において、成膜時間を延ばすと、第２突起１３ｂの数が増え、幅や長さが増加しやすい。また、突出方向が基体５に向かって延びている第２突起１３ｂが形成されやすい。さらに、成膜時間を延ばすと、第２突起１３ｂから突出した第３突起１３ｃが形成される。すなわち、複合突起１４が形成される。
Ａｌ2Ｏ3層１１は、ＴｉＣＮＯ層９の成膜後に、成膜温度を９００℃～９９０℃、ガス圧を５ｋＰａ～２０ｋＰａとし、反応ガスの組成が、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3）ガスを５体積％～１５体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５体積％～２．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ2）ガスを０．５体積％～５．０体積％、硫化水素（Ｈ2Ｓ）ガスを０体積％～１．０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜することができる。Ａｌ2Ｏ3層１１は、α－アルミナからなるものであってもよい。
以上、基体５の上にＴｉＣＮＯ層９とＡｌ2Ｏ3層１１が順に形成された例を説明した。被覆層７は、図５に示すように、基体５から順に、第１ＴｉＣＮ層１５、第２ＴｉＣＮ層１７を有していてもよい。この第２ＴｉＣＮ層１７の上に、順に、ＴｉＣＮＯ層９、Ａｌ2Ｏ3層１１を有していてもよい。また、Ａｌ2Ｏ3層１１の上に、さらに、ＴｉとＮを含有する表層１９を有していてもよい。なお、図５では、第２突起１３ｂ、第３突起１３ｃ、及び複合突起１４を省略している。
表層１９は、窒化チタン以外の炭窒化チタン、炭酸窒化チタン、窒化クロム等の他の材質であってもよい。表層１９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機能を有していてもよい。表層１９は０．１μｍ～３．０μｍの厚みで設けてもよい。また、基体５と第１ＴｉＣＮ層１５の間にさらにＴｉＮからなる下地層（図示せず）を有していてもよい。
下地層は、基体５が、Ｃｏ、Ｃ（炭素）、Ｗ（タングステン）等の成分を含むとき、これらの成分が下地層の上に存在する層に拡散することを抑制する機能を有する。例えば、下地層の上に第１ＴｉＣＮ層１５が存在するとき、上記成分が、第１ＴｉＣＮ層１５に拡散することを抑制し、第１ＴｉＣＮ層１５の硬度が低下することを抑制する。また、下地層２１のＴｉＮに基体５中の炭素成分が拡散してＴｉＣＮとなっていてもよい。下地層は０．１μｍ～１．０μｍの厚みとしてもよい。
本開示の被覆工具１は、第１ＴｉＣＮ層１５を有しているとき、第１ＴｉＣＮ層１５の厚みは、２μｍ～１５μｍとしてもよい。また、第２ＴｉＣＮ層１７の厚みは、１０ｎｍ～９００ｎｍとしてもよい。
第１ＴｉＣＮ層１５は、いわゆるＭＴ（moderate temperature）－ＴｉＣＮ層からなる。このＭＴ－ＴｉＣＮ層は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガス、窒素（Ｎ2）ガスおよびアセトニトリル（ＣＨ3ＣＮ）ガス等を含む原料を用い、成膜温度が７８０℃～８８０℃と比較的低温で成膜することによって形成される、第１ＴｉＣＮ層１５の厚みが２μｍ～１５μｍであると、第１ＴｉＣＮ層１５の耐摩耗性と耐欠損性が高い。
第１ＴｉＣＮ層１５中に含まれる第１炭窒化チタン結晶は、被覆層７の厚み方向に細長い柱状結晶としてもよい。
第２ＴｉＣＮ層１２は、いわゆるＨＴ（high temperature）－ＴｉＣＮ層からなる。ＨＴ－ＴｉＣＮ層は、原料ガスとして四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガス、窒素（Ｎ2）ガス、メタン（ＣＨ4）ガス等を用いて、アセトニトリル（ＣＨ3ＣＮ）ガスを含まず）、成膜温度が９００℃～１０５０℃の範囲で成膜してもよい。また、第１ＴｉＣＮ層１５よりも高温で成膜してもよい。第２ＴｉＣＮ層１７の厚みは１０ｎｍ～９００ｎｍとしてもよい。
ここで、第１ＴｉＣＮ層１５と第２ＴｉＣＮ層１７との間には、チタンを３０～７０原子％、炭素を１５～３５原子％、窒素を１５～３５原子％、酸素を２～１０原子％の割合で含有する界面層（図示せず）が配置されていてもよい。界面層の厚みは５ｎｍ～５０ｎｍとしてもよい。
界面層を作製する代わりに、第１ＴｉＣＮ層１５を成膜した後、成膜チャンバを一旦冷却して試料を大気中に取り出し、その後、再度、試料を成膜チャンバ内にセットして成膜チャンバを加熱し、第２ＴｉＣＮ層１７を成膜する方法を用いてもよい。
また、第２ＴｉＣＮ層１７に含有される炭素と窒素の合計含有量に対する炭素含有比率が、第１ＴｉＣＮ層１５の炭素含有比率よりも少なくてもよい。これによって、第１ＴｉＣＮ層１５の硬度が向上する。その結果、被覆層７の耐摩耗性および耐欠損性が向上する。ここで、炭素含有比率とは、含有される炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の合計含有量に対する炭素の含有量の比率（Ｃ／Ｃ＋Ｎ）のことである。
第１ＴｉＣＮ層１５の炭素含有比率を０．５２～０．５７とし、第２ＴｉＣＮ層１７中の炭素含有比率を０．４２～０．５１とすると、被覆層７の耐摩耗性および耐欠損性がより向上する。第１ＴｉＣＮ層１５中の炭素含有量を１５～２９原子％とし、窒素含有量を２２～３５原子％とすると、被覆層７の耐摩耗性および耐欠損性がより高まる。第２ＴｉＣＮ層１７の炭素含有量を１３～２４原子％とし、窒素含有量を２３～３５原子％とすると、第２ＴｉＣＮ層１７とＡｌ2Ｏ3層１１との間の密着性が高まる。
第１ＴｉＣＮ層１５を、チタンが４５～６０原子％、炭素が１５～２９原子％、窒素が２２～３５原子％とすると、被覆層７の耐摩耗性と耐欠損性がより高い。また、第１ＴｉＣＮ層１５は、０．５原子％以下の酸素をとして含有していてもよい。第２ＴｉＣＮ層１７は、チタンが４８～６０原子％、炭素が１０～２０原子％、窒素が１５～２５原子％である場合には、第２ＴｉＣＮ層１７が破壊することなく、かつ第２ＴｉＣＮ層１７とＡｌ2Ｏ3層１１との間の密着性が高い。また、第２ＴｉＣＮ層１７は、１～１０原子％の酸素を含有していてもよい。
すなわち、第１ＴｉＣＮ層１５および第２ＴｉＣＮ層１７中に酸素が存在するとともに、第２ＴｉＣＮ層１７中に存在する酸素が第１ＴｉＣＮ層１５中に存在する酸素よりも多くてもよい。
なお、第１ＴｉＣＮ層１５と第２ＴｉＣＮ層１７中の炭素含有量と窒素含有量は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付随のエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を用いて測定する。
なお、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等は、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）写真または透過電子顕微鏡（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。
さらに、上記被覆工具１は、すくい面と逃げ面との交差部に形成された切刃を被切削物に当て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、本開示の被覆工具１は、切削工具以外にも、摺動部品や金型等の耐摩部品、掘削工具、刃物等の工具、耐衝撃部品等の各種の用途へ応用可能であり、こ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、本開示の工具の製造方法について、一例を説明する。
まず、基体となる硬質合金を焼成によって形成しうる炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合して、混合粉末を作製する。次に、この混合粉末を用いて、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形する。この成形体を、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した基体を作製する。そして、基体の表面に、所望によって研磨加工や切刃部のホーニング加工を施す。
次に、その表面に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆層を成膜する。
まず、基体をチャンバ内にセットし、下地層であるＴｉＮ層を成膜する。成膜温度を８００℃～９４０℃、ガス圧を８ｋＰａ～５０ｋＰａとし、反応ガスの組成が、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを０．５体積％～１０体積％、窒素（Ｎ2）ガスを１０体積％～６０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜する。
次に、第１ＴｉＣＮ層を成膜する。成膜温度を７８０℃～８８０℃、ガス圧を５ｋＰａ～２５ｋＰａとし、反応ガス組成として、体積％で四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを０．５体積％～１０体積％、窒素（Ｎ2）ガスを５体積％～６０体積％、アセトニトリル（ＣＨ3ＣＮ）ガスを０．１体積％～３．０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして、成膜する。このとき、アセトニトリル（ＣＨ3ＣＮ）ガスの含有比率を成膜初期よりも成膜後期で増すことによって、第１ＴｉＣＮ層を構成する炭窒化チタン柱状結晶の平均結晶幅を基体側よりも表面側の方が大きい構成とすることができる。
次に、第１ＴｉＣＮ層の上に、界面層を作製する。成膜温度を９００℃～１０５０℃、ガス圧を５ｋＰａ～４０ｋＰａとし、反応ガスの組成が、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを３体積％～３０体積％、メタン（ＣＨ4）ガスを３体積％～１５体積％、窒素（Ｎ2）ガスを５体積％～１０体積％、二酸化炭素（ＣＯ2）ガスを０．５体積％～１０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜する。
次に、第２ＴｉＣＮ層を成膜する。成膜温度を９００℃～９９０℃、ガス圧を５ｋＰａ～４０ｋＰａとし、反応ガスの組成が、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを１体積％～４体積％、窒素（Ｎ2）ガスを５体積％～２０体積％、メタン（ＣＨ4）ガスを０．１体積％～１０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜する。
続いて、ＴｉＣＮＯ層９を成膜する。まず、成膜温度を９４０℃～９９０℃、ガス圧を５ｋＰａ～４０ｋＰａとし、反応ガス組成が、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを３体積％～１５体積％、メタン（ＣＨ4）ガスを３体積％～１０体積％、窒素（Ｎ2）ガスを３体積％～２５体積％、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを０．５体積％～２．０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜する。次に、成膜温度を下げて９００～９４０℃として、合計時間が３０～９０分となるように成膜する。そして、Ａｌ2Ｏ3層を成膜する。Ａｌ2Ｏ3層は、成膜温度を９５０℃～１１００℃、ガス圧を５ｋＰａ～２０ｋＰａとし、反応ガスの組成が、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3）ガスを５体積％～１５体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５体積％～２．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ2）ガスを０．５体積％～５．０体積％、硫化水素（Ｈ2Ｓ）ガスを０体積％～１．０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜する。
そして、表層であるＴｉＮ層を成膜する。成膜温度を９６０℃～１１００℃、ガス圧を１０ｋＰａ～８５ｋＰａとし、反応ガス組成は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを０．１体積％～１０体積％、窒素（Ｎ2）ガスを１０体積％～６０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして、成膜する。
その後、所望により、成膜した被覆層表面の少なくとも切刃部を研磨加工する。この研磨加工により、切刃部が平滑に加工され、被削材の溶着を抑制して、さらに耐欠損性に優れた工具となる。
なお、上記の例では、第１ＴｉＣＮ層や第２ＴｉＣＮ層や表層を設けた例を示したが、直接、基体の表面に、ＴｉＣＮＯ層とＡｌ2Ｏ3層とを積層してもよい。
以上、本開示の被覆工具１について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。
＜切削工具＞
次に、本開示の切削工具について図面を用いて説明する。
本開示の切削工具１０１は、図６に示すように、例えば、第１端（図６における上端）から第２端（図６における下端）に向かって延びる棒状体である。切削工具１０１は、図６に示すように、第１端側（先端側）にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記の被覆工具１とを備えている。切削工具１０１は、被覆工具１を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。
ポケット１０３は、被覆工具１が装着される部分であり、ホルダ１０５の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット１０３は、ホルダ１０５の第１端側において開口している。
ポケット１０３には被覆工具１が位置している。このとき、被覆工具１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、被覆工具１とポケット１０３との間にシート（不図示）が挟まれていてもよい。
被覆工具１は、第１面３及び第２面５が交わる稜線における切刃７として用いられる部分の少なくとも一部がホルダ１０５から外方に突出するようにホルダ１０５に装着される。本実施形態においては、被覆工具１は、固定ネジ１０７によって、ホルダ１０５に装着されている。すなわち、被覆工具１の貫通孔１７に固定ネジ１０７を挿入し、この固定ネジ１０７の先端をポケット１０３に形成されたネジ孔（不図示）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、被覆工具１がホルダ１０５に装着されている。
ホルダ１０５の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。
本実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具１０１を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工などが挙げられる。なお、切削工具１０１としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態の被覆工具１を用いてもよい。
まず、平均粒径１．２μｍの金属コバルト粉末を６質量％、平均粒径２．０μｍの炭化チタン粉末を０．５質量％、平均粒径２．０μｍの炭化ニオブ粉末を５質量％、残部が平均粒径１．５μｍのタングステンカーバイト粉末の割合で添加、混合し、プレス成形により工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した。その後、脱バインダ処理を施し、１５００℃、０．０１Ｐａの真空中において、１時間焼成して超硬合金からなる基体を作製した。その後、作製した基体にブラシ加工をし、切刃となる部分にＲホーニングを施した。
次に、上記の超硬合金の基体に対して、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法により、表１に示す個別の成膜条件を表２、表３に記載したとおり、組み合わせて被覆層を成膜して、被覆工具を作製した。表１において、各化合物は化学記号で表記した。
上記試料について、被覆層を含む断面について、ＳＥＭ観察を行い、第１突起、第２突起、第３突起および複合突起の有無、第１突起、第２突起、第３突起および複合突起の形態を観察した。次に、得られた被覆工具を用いて、下記の条件において、断続切削試験を行い、耐欠損性を評価した。試験結果は表２、３に示す。
＜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：Ａｌ2Ｏ3層剥離に至る衝撃回数を測定。
Figure 0007037581000001
Figure 0007037581000002
Figure 0007037581000003
表２に示す試料Ｎｏ．１～７は、いずれも基体の上に直接、ＴｉＣＮＯ層を形成し、その上にＡｌ2Ｏ3層を形成した。ＴｉＣＮＯ層を９７０℃で６０分成膜した試料Ｎｏ．１では第１突起が形成されているが、第２突起および第３突起は形成されていなかった。
表２においては、試料Ｎｏ．１の衝撃回数を基準として、各試料が、試料Ｎｏ．１の何倍の衝撃回数に耐えたのかを記載している。
複合突起を有する試料Ｎｏ．４、７では、優れた切削性が得られた。
表３に示す試料Ｎｏ．８～１４は、いずれも基体の上に下層、第１ＴｉＣＮ層、第２ＴｉＣＮ層を形成し、さらにＴｉＣＮＯ層、Ａｌ2Ｏ3層を形成した。ＴｉＣＮＯ層を９７０℃で６０分成膜した試料Ｎｏ．８では第１突起が形成されているが、第２突起および第３突起は形成されていなかった。また、成膜時間が長い試料では、基体に向かって延びる第２突起が多く観察された。
表３においては、試料Ｎｏ．８の衝撃回数を基準として、各試料が、試料Ｎｏ．８の何倍の衝撃回数に耐えたのかを記載している。複合突起を有する試料Ｎｏ．１１、１４では、優れた切削性能が得られた。
以上、説明したとおり、本開示の被覆工具は、複合突起のない試料よりも優れた切削性能を有するものである。
なお、試料Ｎｏ．１１と試料Ｎｏ．１４とを比較すると、試料Ｎｏ．１４の方が第１突起の長さは短くなっているが、第３突起の長さはむしろ、試料Ｎｏ．１１よりも試料Ｎｏ．１４の方が長くなっていた。
試料Ｎｏ．１１では、第２突起の平均長さが第３突起の平均長さよりも長かった。一方、試料Ｎｏ．１４では第３突起の平均長さのほうが第２突起の平均長さよりも長かった。
１ 被覆工具
２ すくい面
３ 逃げ面
４ 切刃
５ 基体
７ 被覆層
９ ＴｉＣＮＯ層
１１ Ａｌ2Ｏ3層
１３ａ 第１突起
１３ｂ 第２突起
１３ｃ 第３突起
１４ 複合突起
１５ 第１ＴｉＣＮ層
１７ 第２ＴｉＣＮ層
１９ 表層
１０１ 切削工具
１０３ ポケット
１０５ ホルダ
１０７ 固定ネジ

Claims (9)

  1. 基体と、該基体の表面に位置する被覆層とを備えた被覆工具であって、
    前記被覆層は、ＴｉＣＮＯ層と、Ａｌ２Ｏ３層とを有し、
    該Ａｌ２Ｏ３層は、前記ＴｉＣＮＯ層よりも前記基体から遠い位置において前記ＴｉＣＮＯ層に接して位置しており、
    前記ＴｉＣＮＯ層は、前記Ａｌ２Ｏ３層に向かって突出した第１突起と、該第１突起から該第１突起の突出方向に交わる方向に突出した第２突起と、該第２突起から該第２突起の突出方向に交わる方向に突出した第３突起と、を有する複合突起を有し、
    前記基体の表面に垂直な断面において、前記複合突起における前記第１突起は、三角形状であり、且つ、前記第１突起の基部における両端から前記Ａｌ ２ Ｏ ３ 層に向かって延びた２つの辺がなす角度は鋭角であるとともに、
    前記基体の表面に垂直な断面において、前記第１突起の基部の平均幅は６０～１２０ｎｍであり、前記第１突起の平均長さは１５０～２３０ｎｍである、被覆工具。
  2. 前記複合突起は、前記第２突起に複数の前記第３突起を有する、請求項１に記載の被覆工具。
  3. 前記第３突起は、突出方向が前記第１突起に向かっている、請求項１または２に記載の被覆工具。
  4. 前記複合突起は、前記第１突起に複数の前記第２突起を有する、請求項１～３のいずれかに記載の被覆工具。
  5. 前記第２突起は、突出方向が前記基体に向かっている、請求項１～４のいずれかに記載の被覆工具。
  6. 前記第１突起の平均長さは、前記第１突起の基部の平均幅の３倍以下である、請求項１～５のいずれかに記載の被覆工具。
  7. 前記複合突起における前記第３突起の平均長さは、前記第２突起の平均長さよりも長い、請求項１～６のいずれかに記載の被覆工具。
  8. 前記被覆層は、前記基体から順に、第１ＴｉＣＮ層、第２ＴｉＣＮ層、前記ＴｉＣＮＯ層、前記Ａｌ２Ｏ３層を有する、請求項１～７のいずれかに記載の被覆工具。
  9. 第１端から第２端に向かって延び、前記第１端側にポケットを有するホルダと、
    前記ポケットに位置する請求項１～８のいずれかに記載の被覆工具と、を備えた切削工具。
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