JP7425990B2

JP7425990B2 - 表面被覆切削工具の製造方法

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Publication number: JP7425990B2
Application number: JP2020048647A
Authority: JP
Inventors: 光亮柳澤; 卓也石垣; 大樹中村
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: JP2021146441A

Description

本発明は、化学蒸着法（ＣＶＤ法）による表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）の製造方法に関するものである。

従来、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の表面に硬質被覆層を、化学蒸着法によって製造する方法が知られている。
そして、この化学蒸着法によって製造する方法では、工具基体に対して密着力が高く、均一な硬質被覆層を安定して形成するために種々の工夫がなされている。

例えば、特許文献１および特許文献２には、工具基体を載置したトレイを鉛直方向に積層し、該トレイ中央部に設けた回転する原料ガス供給管の噴出口から原料ガスを供給する製造方法が記載されている。

また、特許文献３には、ガス排気口の閉塞による操業上の障害を解決するために、ガス排気口を２箇所以上設け、使用しているガス排気口が閉塞し始めたら他のガス排気口に切り換えるか、または、設定時間毎に前記複数のガス排気口を順次開閉して排気処理を行うことにより、ガス排気口の閉塞による操業上の障害を解消する製造方法が記載されている。

特開平５－２９５５４８号公報特許第５６１２５７４号公報特開平９－３１０１７９号公報

近年、切削加工は一段と高速化、高能率化の傾向になり、被覆工具はより一層の耐チッピング性、耐摩耗性が求められ、さらには、被覆工具自体の低価格化も求められている。
本発明は、この状況をかんがみてなされたものであって、耐チッピング性、耐摩耗性が優れ、かつ、所定の平均層厚を有する被覆工具を、生産性を高めて量産する製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、化学蒸着法で使用される原料ガスの成分に注目して検討を開始し、窒素源に着目した。すなわち、硬質被覆層のより一層の耐チッピング性および耐摩耗性の向上、ならびに、生産性を高めた量産のための硬質被覆層の膜厚分布および成膜速度の向上を満足させる窒素源を検討した。

まず、窒化物半導体デバイスの化学蒸着において、一般的に使用されているＮＨ_３の代替窒素源として検討されているヒドラジンに着目した。しかし、ヒドラジンは爆発の危険性があるため、被覆工具の量産のための窒素源としては適切でない。

また、半導体デバイスの製造で使用されている他のアミン原料は、半導体デバイスの製造条件をそのまま被覆工具の硬質被覆層の製造方法として用いると、被覆工具用の硬質被覆層として好ましいＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を主として含有する被覆層が得られず、軟質な六方晶系の硬質被覆層となるため、耐摩耗性が不十分になる。また、特に被覆工具として用いるために層厚を厚くすると、硬質被覆層の初期クラック数が増加し、工具基体と硬質被覆層との界面で密着強度が低下し、硬質被覆層の剥離が生じやすくなる等の問題が発生することが判明した。これは、積層欠陥がない被覆層は半導体デバイスでは好ましいが、硬質被覆層として厚膜化する場合には、欠陥による応力緩和が生じず、厚膜化によって歪が蓄積されていくためだと推定される。

そこで、本発明者は、さらに検討を続け、組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンに着目した。その結果、組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスと金属原料ガスとを反応容器に入る前には混合せず、反応容器に別々に供給すること、さらに、組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスおよび金属原料ガスの組成、成膜温度、圧力を特定のものとすれば、反応容器内の広い領域において、均一な層厚分布を有するＮａＣｌ型面心立方構造である結晶粒を７０面積％以上含有する複合窒化物層または複合炭窒化物層を適切な成膜速度で得られることを知見した。

本発明は、この知見に基づくものであって、以下のとおりのものである。
「（１）化学蒸着法によりＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を７０面積％以上含有する複合窒化物層または複合炭窒化物層を含有する硬質被覆層が工具基体表面に被覆された表面被覆切削工具の製造方法であって、
（ａ）第１ガスと第２ガスの合計を１００容量％とするとき、
０．０１０～５．０００容量％の組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスと第１のキャリアガスを含んだ前記第１ガス、および、
第２のキャリアガスと、原子比Ａｌ／（Ａｌ＋Ｍｅ）（ただし、Ｍｅは、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗの少なくとも一種）が０．６００～０．９５０を満足するように、Ａｌを含んだガスとＭｅを含んだガスを０．０１０～１．０００容量％含んだ前記第２ガスとが、
（前記第１ガス中のＮ原子のモル数の和）／（前記第２ガス中のＡｌ原子モル数とＭｅ原子のモル数の和）が１．０００～６．０００となるように、
前記第１ガスと前記第２ガスを準備する工程と、
（ｂ）前記第１ガスと前記第２ガスとを反応容器の内部へ別々に供給する工程と、
（ｃ）前記反応容器の内部の圧力を１００～３００００Ｐａ、温度を７００～９００℃とし、前記反応容器の内部で前記第１ガスと前記第２ガスとを混合して反応させ、前記工具基体に硬質被覆層を成膜する工程と、
を有することを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
（２）前記第１ガスは、さらに、５．００容量％未満のＮＨ_３ガスを含み、前記第１のキャリアガスがＨ_２、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅのいずれか１種以上であることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
（３）前記第２のキャリアガスがＨ_２、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅのいずれか１種以上であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
（４）前記第１ガスと前記第２ガスを前記反応容器の内部に同時に供給しない時間があることを特徴とする前記（１）～（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。
（５）前記組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスがＣ_４Ｈ_１１Ｎで表されるｓｅｃ－ブチルアミンおよび／またはｔｅｒｔ－ブチルアミンであることを特徴とする前記（１）～（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。
（６）前記ＭｅがＴｉであることを特徴とする前記（１）～（５）のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。」

本発明によれば、耐チッピング性、耐摩耗性が優れ、かつ、所定の平均層厚を有する被覆工具の生産性が向上する。

反応容器内部へ第１ガスおよび第２ガスを供給する管路の一例を示す模式図である。反応容器内部へ第１ガスおよび第２ガスを供給する管路の別の一例を示す模式図である。反応容器内部へ第１ガスおよび第２ガスを供給する管路のさらに別の一例を示す模式図である。図３の水平方向の模式的断面図である。

本発明について、以下に詳細に説明する。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「Ａ～Ｂ」を用いて表現する場合、その範囲は上限（Ｂ）および下限（Ａ）の数値を含むものである。また、上限（Ｂ）および下限（Ａ）の単位は同じである。また、数値はすべて測定上の公差を含むものである。

＜第１ガスと第２ガス＞
以下に述べる第１ガスと第２ガスの各成分の含有割合は、前記第１ガスと前記第２ガスの合計量を１００容量％（体積％）としたときのものであり、以下、単に％と表現することがある。

＜第１ガス＞
第１ガスは、組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスを０．０１０～５．０００％と、第１のキャリアガスを含んでいる。
ここで、組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスの含有割合として０．０１０～５．０００％が好ましい理由は、０．０１０％未満では成膜速度が低く生産性が低下し、一方、５．０００％を超えると、硬質被覆層のＮａＣｌ型面心立方構造である結晶粒の割合が減少してしまい、７０面積％以上とならないためである。なお、組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスの含有割合は、０．０２０～２．５００％がより好ましい。

ここで、組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスとして、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ－ジイソプロピルエチルアミン、テトラメチルエチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、２－エチルアミノエチルアミン、２－ジメチルアミノエチルアミン、スペルミジン、スペルミン、（ｎ－）ブチルアミン、ｉｓｏ－ブチルアミン、ｓｅｃ－ブチルアミン、ｔｅｒｔ－ブチルアミン、アリルアミンを例示することができる。
これら組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスは単独のガスであっても、複数混合したガスでもよい。液体原料については、高温に加熱した蒸発器内に滴下する直接気化方式やキャリアガス等によるバブリング方式等を用いてガス化して供給すればよい。
組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスとして、Ｃ_４Ｈ_１１Ｎで表されるｓｅｃ－ブチルアミンおよび／またはｔｅｒｔ－ブチルアミンが本発明の目的を達成する上で好ましい。

組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスを用いると反応容器内の広い領域において均一な層厚分布を有する理由は定かではないが、同脂肪族アミンガスは金属原料ガス（硬質被覆層の金属成分を与えるガス）との反応が緩やかであるためではないかと推定している。

また、第１のキャリアガスは、Ｈ_２、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅのいずれか１種以上を用いることが好ましい。

さらに、第１ガスにはＮＨ_３ガスを必要に応じて５．０００％以下で添加してもよい。ＮＨ_３ガスの添加により、組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンがもたらす硬質被覆層の高い膜厚均一性はわずかに減じられてしまうが、成膜速度が速くなり生産性が向上する。

＜第２ガス＞
第２ガスは、硬質被覆層の金属成分となる金属を含んだ金属原料ガスと第２キャリアガスを含んだガスである。金属原料ガスは、Ａｌを含んだガスとＭｅ（Ｔｉ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗの少なくとも一種）を含んだガスからなり、その含有割合は０．０１０～１．０００％である。この含有範囲内であれば、適切な成膜速度を得ることができ生産性が向上し、反応容器に至るガス供給路（管路）において詰まりなどの不具合を生じない。
なお、Ｍｅは、特に、長期にわたって優れた耐熱亀裂性を発揮する硬質被覆層を得ることができるＴｉを含むことがより好ましい。

第２ガス中の金属ガスは、Ａｌ原子モル数がＡｌ原子モル数とＭｅ原子のモル数との和に占める割合、すなわち、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｍｅ）が０．６００～０．９５０であることが好ましい。その理由は、０．６００未満であると硬質被覆層のＡｌ含有量が少なくなり、耐熱性が低下し、一方、０．９５０を超えるとＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒の割合が減少してその割合が７０面積％未満になり、軟質なウルツ鉱型六方晶構造を有する結晶粒が含有されて耐摩耗性が低下するためである。なお、前記割合は０．７００～０．９００がより好ましい。

また、第２のキャリアガスは、Ｈ_２、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅのいずれか１種以上を用いることができる。そして、硬質被覆層として複合炭窒化物層を形成する場合は、第２ガスにＣ源となる炭化水素ガスを適量添加することが好ましい。

＜Ｎ原子のモル数と、Ａｌ原子のモル数およびＭｅ原子のモル数の和との比＞
第１ガス中のＮ原子のモル数の和と、第２ガス中のＡｌ原子のモル数およびＭｅ原子のモル数の和との比、すなわち、（第１ガス中のＮ原子のモル数の和）／（第２ガス中のＡｌ原子のモル数＋Ｍｅ原子のモル数）が１．０００～６．０００であることが好ましい。ここで、第１ガス中のＮ原子のモル数の和とは、組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンと、後述するように必要に応じて添加されるＮＨ_３のＮ原子のモル数の和である。
その理由は、１．０００未満であると成膜速度が低下し、さらに、硬質被覆層の耐摩耗性、靭性も低下し、一方、６．０００を超えると硬質被覆層に軟質なウルツ鉱型六方晶構造を有する結晶粒が多く含まれ、被覆工具の耐摩耗性が低下するためである。なお、第１のキャリアガス中にＮ_２ガスを含む場合、Ｎ_２ガス中のＮ原子はＡｌＭｅＣＮ層の形成反応に寄与しないため、前記第１ガス中のＮ原子のモル数の和に含めない。

＜第１ガスと第２ガスの反応容器への供給＞
第１ガスおよび第２ガスは、反応容器に入る前には混合せず、反応容器の内部へ別々に供給し、反応容器内で混合することが好ましい。このための管路として、図１～３に示すものを例示することができる。

図１に示す管路は、第１ガス、第２ガスを、それぞれ、専用の管路を用いて、反応容器内へ供給し、反応容器内では、それぞれ、軸心を中心として回転する第１ガスの流通部を対向させ、その中央に軸心を中心として回転する第２ガスの流通部（管路）を配置し、それぞれの流通部に設けた噴出口からガスを噴出させて、反応容器内でガスを混合するものである。

図２に示す管路は、第１ガスと第２ガスの混合を防止する隔壁を有する１本の管路で、反応容器内にこれらガスを導くものである。すなわち、第１ガスを第１ガス流通部、第２ガスを第２ガス流通部により、それぞれ、反応容器内まで別々に供給し、反応容器内では、この隔壁が設けられていないため、反応容器内の管路で第１ガスと第２ガスが混合され、管路に設けた噴出口から混合されたガスが反応容器内に噴出するものである。

図３に示す管路は、反応容器内においても隔壁を有し反応容器内で回転する管路であり、反応容器内でも第１ガスと第２ガスを別々に供給し、反応容器内でこの管路に設けられた噴出口から、第１ガスと第２ガスが別々に噴出して（水平方向の模式的断面図である図４を参照）、管路の外の反応容器内で両ガスが混合されるものである。ここで、図４に示されている第１ガスと第２ガスの噴出口のなす角度（ｚ）は、６０度以内が好ましい。その理由は、６０度を超えると第１ガスと第２ガスが均一に混合されにくくなるからである。なお、この角度の下限は０度となるが、ここでいう０度とは限りなく近付けた平行な２穴を表すものとする。

＜反応容器の圧力＞
反応容器内の圧力は、例えば、１００～３００００Ｐａが好ましい。その理由は、１００Ｐａ未満では、成膜速度が遅くなり生産性が損なわれることがあり、一方、３００００Ｐａを超えるとガス供給機構における詰まり等の不具合を生じやすくなることがあるためである。

＜反応容器の温度＞
反応容器内の温度は、例えば、７００℃～９００℃が好ましい。その理由は、７００℃未満であると成膜速度が遅くなり生産性が損なわれることがあり、一方、９００℃を超えると硬質被覆層内にウルツ鉱型六方晶構造の結晶粒を多く含むことになって硬質被覆層の硬度が低下してしまい、耐摩耗性が低下することがあるからである。

＜供給周期、供給時間、供給の位相差＞
反応容器内で、第１ガスおよび第２ガスの供給周期、供給時間、供給の位相差を所定のものとすることが好ましい。これらの具体的な値は、工具基体の形状や反応容器の大きさ等に依存するが、一例を挙げるならば次のとおりである。
供給周期：１．００～５．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．２６～０．４０秒
第１ガスと第２ガスとの供給の位相差：０．１０～０．２０秒
また、前記第１ガスと前記第２ガスを前記反応容器内に同時に供給しない時間があることにより、実質的に成膜されない時間を設けることができる。実質的に成膜されない時間を設けることによって、耐摩耗性が向上する。

＜反応容器の容量（内容積）＞
反応容器の容量（内容積）が大きくなれば、反応容器内に載置される工具基体の数が多くなり、量産が容易となって生産性が向上する。本発明の製造方法は、内容積が１０Ｌ以上の反応容器にも適用することができ、生産性が向上する。

＜硬質被覆層＞
本発明の製造方法によれば、例えば、以下の平均組成と組成の変化幅、結晶構造、平均層厚、および、層厚の変動幅を有する硬質被覆層を容易に得ることができる。

（１）平均組成
本発明の製造方法により成膜する硬質被覆層は、複合窒化物層または複合炭窒化物層（以下、ＡｌＭｅＣＮ層ということがある）であることが好ましい。そして、その組成は、組成を組成式：（Ａｌ_ｘＭｅ_１－ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１－ｙ）（ＭｅはＴｉ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗの少なくとも一種）で表したとき、その平均組成ｘ_ａｖｇ、ｙ_ａｖｇは、それぞれ、０．６０≦ｘ_ａｖｇ≦０．９５、０．００１≦ｙ_ａｖｇ≦０．２００が好ましい。

ここで、ｘ_ａｖｇが前記範囲にあると、Ａｌ含有割合が適切になり、一方で適切な含有割合のＭｅを含有することによって、耐摩耗性が向上し優れた耐熱亀裂性を発揮することができる。
また、ｙ_ａｖｇが前記範囲にあると、潤滑性が向上して優れた耐熱亀裂性を発揮することができる。

（２）組成の変化幅
ＡｌＭｅＣＮ層の縦断面における任意の線分について、Ｃの組成（含有割合）の隣接する極大値と極小値の差の平均値Δｙとするとき、０．００５≦Δｙ≦０．３５０が好ましい。この範囲になると、硬質被覆層がより一層優れた耐摩耗性を発揮することができる。

（３）組成の測定方法
Ａｌ含有割合の平均ｘ_ａｖｇは、ＴＥＭ－ＥＥＬＳ（電子エネルギー損失分光法：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｅｎｅｒｇｙ－ｌｏｓｓｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用い、試料断面を研磨した試料の縦断面（工具基体の表面に垂直な断面）において、膜厚方向全長にわたって少なくとも５本の線分析を行って得られた解析結果を平均したものである。

Ｃ含有割合の平均ｙ_ａｖｇやＣの組成の変化幅Δｙについては以下のように求めることができる。ＡｌＭｅＣＮ層の工具基体の表面と垂直な任意の断面（縦断面）から観察した場合に、任意の結晶粒に対して該結晶粒を縦断する工具基体表面に垂直な線分を取り、ＴＥＭ－ＥＥＬＳ（電子エネルギー損失分光法：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｅｎｅｒｇｙ－ｌｏｓｓｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、該結晶粒に対してＣの組成割合の線分析を行い、その平均値ｙ_ｉｍ、隣接する極大値と極小値の差Δｙ_ｉｍｎ（ここでｉは、前記任意の結晶粒ｉを表す添え字、ｍは前記垂直な線分ｍを表す添え字、ｎは極大、極小の繰り返し数。）を求める。すなわち、Δｙ_ｉｍｎ≧０．００２のみを極大値と極小値の差として扱い、０．００２未満の場合にはノイズとして無視する。このようにして求めたΔｙ_ｉｍｎの前記線分における平均値をΔｙ_ｉｍとし、さらに、同様の操作を少なくとも４本の線分に対してさらに実施し、各線分におけるｙ_ｉｍとΔｙ_ｉｍの平均値ｙ_ｉとΔｙ_ｉを求める。以上の操作を少なくとも１０個の結晶粒に関して行って、その平均値をｙ_ａｖｇとΔｙとして求める。

例えば、ある結晶粒ｉにおいて線分ｍ＝１～５の５本を取った場合、線分ｍ＝１、２、３、４においてｙ_ｉ１～ｙ_ｉ４のいずれもが０．００２であり、Δｙ_１ｍｎからΔｙ_４ｍｎのいずれもが０．００２未満となってＣの組成変化は有さず、残りの線分ｍ＝５においてｙ_ｉ５＝０．００７でΔｙ_ｉ５＝０．００５のＣの組成変化を有していたときは、ｙ_ｉ＝（０．００２×４＋０．００７）/５＝０．００３であり、Δｙ_ｉ＝Δｙ_ｉ５＝０．００５となる。

（４）平均層厚
硬質被覆層の平均層厚は、１．０～２０．０μｍが好ましい。平均層厚が１．０μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用にわた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２０．０μｍを超えると、ＴｉＡｌＣＮ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。平均層厚は、３．０～１５．０μｍがより好ましい。

ここで、平均層厚は、例えば、硬質被覆層を任意の位置の縦断面で切断して観察用の試料を作製し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により複数箇所（例えば、５箇所）を観察して、平均することにより得ることができる。

（６）平均層厚の変動
内容積が１０Ｌ以上の反応容器において、従前の窒素源としてＮＨ_３を用いた製造法に比して、本発明の製造方法では、反応容器の内部の広い領域において載置された工具基体上の硬質被覆層の平均層厚の変動が小さい。
反応容器の内部の広い領域とは、反応容器の内部の任意の領域が広くなることであり、反応容器の内部の特定の領域が広くなることを意味しない。例えば、直方体の反応容器であれば、反応ガス供給口から排出口に向かって、一列に等間隔で載置された所定数の工具基体が載置された領域において、該工具基体のそれぞれに成膜された硬質被覆層の平均層厚を求め、その平均層厚の平均値（Ｌ）、標準偏差（σ）、厚さ変動σ／Ｌを計算して、厚さ変動σ／Ｌが０．２以下となる領域を反応容器の内部の領域についてみたとき、窒素源としてＮＨ_３を用いた製造法に比して、広く（大きく）なっている。

（７）結晶構造
硬質被覆層を構成する結晶粒がＮａＣｌ型面心立方構造である面積割合は、縦断面を観察したとき７０面積％以上であることが好ましい。その理由は、７０面積％以上であれば、確実に本発明の目的が達成できるためである。なお、前記結晶粒のすべてがＮａＣｌ型面心立方構造であってもよい（１００面積％であってもよい）。

ここで、ＡｌＭｅＣＮ層を構成するＮａＣｌ型面心立方構造の結晶粒の面積割合を求める方法について説明する。最初に、結晶粒界を特定する。すなわち、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に付属する結晶方位解析装置を用いて、工具基体表面に垂直な表面研磨された面（縦断面）において、前記表面研磨面の法線方向に対して０．５～１．０度に傾けた電子線をＰｒｅｃｅｓｓｉｏｎ（歳差運動）照射しながら、電子線を任意のビーム径および間隔でスキャンし、連続的に電子回折パターンを取り込み、個々の測定点の結晶方位を解析する。工具基体表面に平行な方向に幅２０μｍ、縦は層厚（平均層厚）分相当の観察視野になるよう複数の画像を結合して得た結晶方位のマッピングに対して結晶粒界を判定する。

なお、本測定に用いた電子回折パターンの取得条件は加速電圧２００ｋＶ、カメラ長２０ｃｍ、ビームサイズ２．４ｎｍで、測定ステップは５．０ｎｍである。この時、測定した結晶方位は測定面上を離散的に調べたものであり、隣接測定点間の中間までの領域をその測定結果で代表させることにより、測定面全体の方位分布として求めるものである。なお、測定点で代表させた領域（以下、ピクセルということがある）として正方形状のものが例示できる。このピクセルのうち隣接するもの同士の間で５度以上の結晶方位の角度差がある場合、または隣接するピクセルの片方のみがＮａＣｌ型の面心立方構造を示す場合は、これらピクセルの接する領域の辺を粒界とする。そして、この粒界とされた辺により囲まれた領域を１つの結晶粒と定義する。ただし、隣接するピクセル全てと５度以上の方位差がある、あるいは、隣接するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する測定点がないような、単独に存在するピクセルは結晶粒とせず、２ピクセル以上が連結しているものを結晶粒として取り扱う。このようにして、粒界判定を行い、結晶粒を特定する。

そして、このＮａＣｌ型面心立方構造である結晶粒の面積割合は、前記観察視野の全面積に対して特定されたＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の合計の面積が占める割合として算出する。

＜工具基体＞
本発明を適用する工具基体は、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、さらに、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）、またはｃＢＮ焼結体のいずれかであることが好ましい。

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明の製造方法により、ＷＣ基超硬合金を工具基体とし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、前記の他の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、ＺｒＣ粉末、ＴｉＮ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、Ｂ、および、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Ｃ、Ｄをそれぞれ製造した。

次に、これら工具基体を内容積が約１０．１Ｌの直方体の反応容器内に、被成膜物を戴置するための直方体のトレイを３０段分設け、各段には、前記トレイ内のガス供給管出口からガス排気方向へ、被成膜物（工具基体）の中心が２５ｍｍの等間隔になるように５個の被成膜物（工具基体）を載置した。そして、表２、表３に示す成膜条件より、表４に示す本発明の硬質被覆層の成膜を行い、本発明被覆工具１～１６を得た。成膜条件は概ね次のとおりである。表４における硬質被覆層の組成、ＮａＣｌ型面心立方構造である結晶粒の面積割合は、下から１０段目のトレイのガス供給口に一番近い位置から排出口に向かって５個の被成膜物の中心位置において各々測定される５点（Ｘ１～Ｘ５）の平均値であり、層厚（平均層厚、標準偏差、厚さ変動）は、この５点（Ｘ１～Ｘ５）に対して求めたものである。なお、表４における硬質被覆層の組成、ＮａＣｌ型面心立方構造の面積割合は、Ｘ３（下から１０段目のトレイのガス供給口から排出口に向かって３番目に載置されたもの）について求めた。また、同様の成膜を再度行い、等価な位置にあるものを後述する切削試験に供した。

ガス組成（％は容量％を表し、第１ガスと第２ガスの和を１００容量％としている）
第１ガス
組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミン：０．０１０～５．０００％、
ＮＨ_３：０．０００～５．０００％、Ｈ_２：０．０００～６５．０００％、
Ｎ_２：０．０００～５．０００％、Ａｒ：０．０００～５．０００％、
Ｈｅ：０．０００～５．０００％
第２ガス
ＡｌＣｌ_３：０．００８～０．８００％、ＭｅＣｌ_ｘ：０．００２～０．４００％、
Ｃ_２Ｈ_４：０．０００～１．５００％、Ｎ_２：０．０００～１２．０００％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：１００～３００００Ｐａ
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：０．２６～０．４０秒
第１ガスと第２ガスとの供給の位相差：０．１０～０．２０秒

また、比較のために、これら工具基体Ａ～Ｄの表面に、実施例と同様の反応容器とトレイを用いて、表２に示す成膜条件により、表４に示す比較例の硬質被覆層を成膜し、比較被覆工具１～１０を得た。表３における硬質被覆層の組成、ＮａＣｌ型面心立方構造である結晶粒の面積割合は、層厚（平均層厚、標準偏差、厚さ変動）は、実施例に対応する位置で求めたものである。

まず、各工具基体の平均層厚の変動について検討する。前記のようにＸ１～Ｘ５の被覆工具に対して、それぞれの平均層厚の平均値（表４で、平均層厚Ｌと表示しているもの）、標準偏差σ、厚さ変動σ／Ｌを計算した。その結果、厚さ変動σ／Ｌについて、本発明被覆工具１～１６は０．１４以下と、比較被覆工具１～１０の半分以下であり、厚さ変動σ／Ｌが小さいことが確認できた。

続いて、切削性を評価すべく切削試験を行った。前記本発明被覆工具１～８および比較被覆工具１～５について、前記各種の工具基体Ａ～Ｃ（ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮ形状）をいずれもカッタ径１２５ｍｍの合金鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、以下に示す、切削試験１である合金鋼の湿式高速正面フライス、センターカット切削試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。表５に、切削試験１の結果を示す。なお、比較被覆工具１～８については、チッピング発生が原因で切削時間終了前に寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。

切削条件１：湿式高速正面フライス、センターカット切削加工
カッタ径：１２５ｍｍ
被削材：ＪＩＳＳＣＭ４４０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍブロック材
回転速度：８９１／ｍｉｎ
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．０ｍｍ
一刃送り量：０．２ｍｍ／刃
切削時間：８分
（通常切削速度は、１５０～２５０ｍ／ｍｉｎ）

また、前記本発明被覆工具９～１６および比較被覆工具６～１０について、前記各種の被覆工具基体Ｄ～Ｆ（ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２形状）をいずれも合金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、以下に示す、切削試験２である鋳鉄の乾式高速断続切削試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。表６に、切削試験２の結果を示す。なお、比較被覆工具９～１６については、チッピング発生が原因で切削時間終了前に寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。

切削条件２：乾式高速断続切削加工
被削材：ＪＩＳＦＣＤ７００長さ方向等間隔４本の縦溝入り丸棒
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：１．５ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５分
（通常切削速度は、１５０～２００ｍ／ｍｉｎ）

表５、表６の結果から明らかなように、本発明被覆工具は、合金鋼および鋳鉄の高速断続切削加工において、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮している。これに対して、比較被覆工具は、切削時間満了前の短時間で寿命に至っている。

本発明の表面被覆切削工具の製造方法によれば、各種の鋼などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、高速断続切削加工においても優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、長期にわたって優れた切削性能を示す表面被覆切削工具を高い生産性で製造できるから、切削加工装置の低コスト化のみならず高性能化、ならびに切削加工の省力化および省エネ化に十分満足に対応できるものである。

Claims

化学蒸着法によりＮａＣｌ型面心立方構造を有する結晶粒を７０面積％以上含有する複合窒化物層または複合炭窒化物層を含有する硬質被覆層が工具基体表面に被覆された表面被覆切削工具の製造方法であって、
（ａ）第１ガスと第２ガスの合計を１００容量％とするとき、
０．０１０～５．０００容量％の組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスと第１のキャリアガスを含んだ前記第１ガス、および、
第２のキャリアガスと、原子比Ａｌ／（Ａｌ＋Ｍｅ）（ただし、Ｍｅは、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗの少なくとも一種）が０．６００～０．９５０を満足するように、Ａｌを含んだガスとＭｅ含んだガスを０．０１０～１．０００容量％含んだ前記第２ガスとが、
（前記第１ガス中のＮ原子のモル数の和）／（前記第２ガス中のＡｌ原子モル数とＭｅ原子のモル数の和）が１．０００～６．０００となるように、
前記第１ガスと前記第２ガスを準備する工程と、
（ｂ）前記第１ガスと前記第２ガスとを反応容器の内部へ別々に供給する工程と、
（ｃ）前記反応容器の内部の圧力を１００～３００００Ｐａ、温度を７００～９００℃とし、前記反応容器の内部で前記第１ガスと前記第２ガスとを混合して反応させ、前記工具基体に硬質被覆層を成膜する工程と、
を有することを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
前記第１ガスは、さらに、５．００容量％未満のＮＨ_３ガスを含み、前記第１のキャリアガスがＨ_２、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅのいずれか１種以上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の製造方法。
前記第２のキャリアガスがＨ_２、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅのいずれか１種以上であ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の製造方法。
前記第１ガスと前記第２ガスを前記反応容器の内部に同時に供給しない時間があることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。
前記組成式中に酸素原子を含まない脂肪族アミンガスがＣ_４Ｈ_１１Ｎで表されるｓｅｃ－ブチルアミンおよび／またはｔｅｒｔ－ブチルアミンであることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。
前記ＭｅがＴｉであることを特徴する請求項１～５のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法。