WO2016117681A1 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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WO2016117681A1
WO2016117681A1 PCT/JP2016/051843 JP2016051843W WO2016117681A1 WO 2016117681 A1 WO2016117681 A1 WO 2016117681A1 JP 2016051843 W JP2016051843 W JP 2016051843W WO 2016117681 A1 WO2016117681 A1 WO 2016117681A1
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hard coating
layer
less
cross
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PCT/JP2016/051843
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和明 仙北屋
正訓 高橋
強 大上
達生 橋本
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三菱マテリアル株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C5/00—Milling-cutters
    • B23C5/16—Milling-cutters characterised by physical features other than shape
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation

Definitions

  • the present invention is a surface-coated cutting that exhibits excellent cutting performance over a long period of use by improving the chipping resistance and welding resistance of the hard coating layer, for example, in milling of work materials such as alloy tool steels.
  • the present invention relates to a tool (hereinafter referred to as a coated tool).
  • a coated tool This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2015-010351 filed in Japan on January 22, 2015 and Japanese Patent Application No. 2016-8494 filed in Japan on January 20, 2016. The contents are incorporated herein.
  • the composition formula (Al1-xyCrxSiy) (N1-zCz) (where 0.3 ⁇ x ⁇ 0.7, 0 ⁇ y ⁇ 0.1, 0 ⁇ z ⁇ 0.3) surface coating on which a hard coating layer composed of a composite carbonitride layer or a composite nitride layer having an average layer thickness of 0.5 to 8.0 ⁇ m is formed
  • the hard coating layer contains particles in which 90 atomic% or more of the constituent elements are metal elements, and the particles have a cross-sectional major axis of 0.05 to 1.0 ⁇ m and 3 to 3 in the hard coating layer.
  • the ratio of the vertical cross-sectional area of the particles having an angle of 45 ° or less is A%, and the other particles are A surface coating that satisfies 0.3 ⁇ A / (A + B) when the surface area ratio is B%, and exhibits excellent fracture resistance and wear resistance in face milling of carbon steel, alloy tool steel, etc. Cutting tools are known.
  • a surface-coated cutting in which a hard coating layer made of a composite nitride layer of Al and Cr having a layer thickness of at least 0.5 to 10 ⁇ m is formed on the surface of a tool base.
  • pores and droplets are distributed and distributed in the composite nitride layer of Al and Cr, and the occupied area ratio of the pores and the droplets in any cross section of the composite nitride layer of Al and Cr.
  • Occupied area ratios are 0.5 to 1 area% and 2 to 4 area%, respectively, and among the droplets, the Al content ratio is higher than the average Al content of the Al and Cr composite nitride layers.
  • High Al-rich droplets account for 20 area% or more of the total droplet area in any cross section of the Al and Cr composite nitride layer, and high-speed cutting processing such as carbon steel, alloy tool steel, etc. In, excellent fracture resistance, surface-coated cutting tool which exhibits abrasion resistance are known.
  • Patent Document 3 Ti1-a-bAlaMb (CxN1-x) (where M is one kind selected from Group 4, Elements 5 and 6 of the periodic table excluding Ti, rare earth elements, and Si)
  • a plurality of macro particles protrude from the surface of the hard coating layer composed of 0.40 ⁇ a ⁇ 0.65, 0 ⁇ b ⁇ 0.5, 0 ⁇ x ⁇ 1), and the cutting of the bottom blade and the outer peripheral blade is performed.
  • the macro particles protrude at an angle of 5 to 20% on average in the direction away from the cutting edge with respect to the normal direction of the interface between the substrate and the coating layer.
  • There are known surface-coated cutting tools such as end mills that can disperse the impact of chips and prevent macro particles from falling off and have improved chipping resistance.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-46954 A) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-166333 (A) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-238336 (A)
  • a void is formed in the lower portion of the droplet present in the hard coating layer, and the presence of the void causes the hard when external force is applied.
  • the strength of the coating layer is weak, for example, the gap becomes the starting point of cracks during cutting, and chipping is likely to occur.
  • the surface-coated cutting tool disclosed in Patent Document 3 has a satisfactory resistance to cutting because a plurality of macro particles protruding from the surface of the hard coating layer fall off under the cutting conditions in which a high load acts, and this becomes a starting point of crack generation. There was a problem that the chipping property could not be exhibited.
  • an object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool that exhibits excellent chipping resistance and welding resistance even when subjected to milling processing of alloy tool steel or the like.
  • the inventors of the present application were excellent over a long period of use even when used in processing forms such as milling processing in which chipping resistance and welding resistance are required at the same time as wear resistance. As a result of earnest research on the coated tool that exhibits cutting performance, the following knowledge was obtained.
  • the hard coating layer is a layer included in the hard coating, and is a composite carbonitride layer of Al, Cr, and Si (hereinafter referred to as “(Al, Cr, Si) (C, N) layer”) or composite. It consists of a nitride layer (hereinafter referred to as “(Al, Cr, Si) N layer”), and has an average layer thickness of 0.5 to 8.0 ⁇ m.
  • the hard coating layer contains a plurality of particles.
  • 90 atomic% or more of the constituent elements are elements selected from one or more of Cr, Al, and Si (less than 10 atomic% is selected from C and N 1 Non-metallic element which is a seed or more), 50 atomic% or less of the constituent elements is Al, the major axis in the longitudinal section perpendicular to the tool substrate surface is less than 0.5 ⁇ m, and the aspect ratio of the longitudinal section is 2.0.
  • the number ratio of the above particles hereinafter referred to as “flat particles” to the total number of particles accounts for 90% or more.
  • An (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer containing such particles (flat particles) exhibits excellent chipping resistance and welding resistance. .
  • the surface-coated cutting tool on which the hard film including the hard coating layer is formed exhibits excellent cutting performance over a long period of use.
  • the inclination angle formed by the straight line forming the major axis of the cross-section with the substrate surface is measured, the inclination angle is 45 degrees or less, and the straight line forming the major axis and the hard coating surface side
  • the area surrounded by the outer periphery of the particle is A and the area surrounded by the straight line and the outer periphery of the particle on the substrate side is B
  • 80% of the particles with A> B are 80% of the total number of particles. It is more preferable to occupy the above.
  • the (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer containing such particles exhibits much better chipping resistance and welding resistance, and is used for a long time. The cutting performance is even better.
  • the hard coating layer can be formed on the surface of the tool base made of a tungsten carbide-based cemented carbide using the PVD method.
  • film formation can be performed using the arc ion plating apparatus 1 whose outline is shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the space in front of the target is raised by providing a cylindrical heater 7 in front of the targets 4A and 4B, thereby generating from the targets 4A and 4B.
  • the particles to be solidified in the atmosphere can be prevented, and when the particles adhere to the tool base 9 at a high temperature, the particles are deformed along the shape of the surface of the base by an impact at the time of attachment.
  • the particles are deformed along the shape of the surface of the substrate with a smooth surface, and when viewed from the longitudinal section of the film (cross section perpendicular to the surface of the substrate), the particles have a flat shape along the surface of the substrate.
  • the angle between the straight line forming the major axis of the cross section and the surface of the tool base is controlled to 45 degrees or less.
  • Particles with an Al content of 50 atomic% or less are dispersed and distributed in the hard coating layer, and further, the particles have a flat shape with a large aspect ratio along the substrate surface, so that the resistance during cutting is reduced and the particles fall off. In addition, even if it falls off, damage in the layer thickness direction is reduced.
  • the cylindrical heater 7 is disposed so that the thickness direction thereof is perpendicular to the corresponding usage surfaces of the targets 4A and 4B. And the cylindrical heater 7 is arrange
  • the distance between the rear end of the cylindrical heater 7 (the side facing the corresponding target and close to the corresponding target) and the use surface of the corresponding target is set within 50 mm, for example.
  • the distance between the front end of the cylindrical heater 7 (orienting in the same direction as the corresponding target and the side far from the corresponding target) and the use surface of the corresponding target is, for example, the distance from the target to the base (multiple arranged on the turntable)
  • the distance to the closest base body) is set to 2/3 length. Further, damage to the coating film due to radiant heat from the cylindrical heater 7 can be prevented by providing a cooling mechanism in the tool base jig 8.
  • a hard film having a characteristic feature of the surface-coated cutting tool which is one embodiment of the present invention is formed.
  • composition of the particles in the (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer, the cross-sectional major axis, the aspect ratio of the longitudinal cross-sectional shape, and the straight line that forms the cross-sectional major axis are the surface of the substrate.
  • the size of the straight line forming the major axis of the cross section of the particles having an angle of 45 degrees or less and the area A surrounded by the outer peripheral part of the particle on the hard coating surface side, and the area B surrounded by the outer peripheral part of the particle on the base side Has found that it can be controlled by adjusting the temperature inside the PVD apparatus, the arc current of the target, the total gas partial pressure of nitrogen and methane, and the like. Based on the above findings, the present invention has been completed. In addition, this invention is not limited to the said manufacturing method.
  • This invention is made
  • a hard coating layer comprising a composite nitride layer or a composite carbonitride layer of 5-8.0 ⁇ m Al, Cr and Si;
  • the hard coating layer comprises a non-metallic component consisting of one or more selected from C and N of less than 10 atomic% and a metallic component that is one or more elements selected from Cr, Al, and Si. Containing a plurality of particles,
  • C Among the plurality of particles, the Al content is 50 atomic% or less, the major axis in a cross section perpendicular to the surface of the tool base is less than 0.5 ⁇ m, and the aspect ratio is 2.
  • the surface-coated cutting tool is characterized in that the flat particles that are 0 or more occupy 90% or more of the plurality of particles in the cross section in the number ratio.
  • a coated tool which is an embodiment of the present invention is a surface coating in which a hard coating is formed on a surface of a tool substrate made of a tungsten carbide base cemented carbide by physical vapor deposition.
  • a cutting tool wherein (a) the hard film is formed of one or more layers, and at least one of the layers is an average composition formula: (Al 1-xy Cr x Si y ) (C z N 1 -Z ) (where x, y and z are atomic ratios and satisfy 0.1 ⁇ x ⁇ 0.4, 0.01 ⁇ y ⁇ 0.2, 0 ⁇ z ⁇ 0.3)
  • a hard coating layer composed of a composite nitride layer or a composite carbonitride layer of Al, Cr, and Si having an average layer thickness of 0.5 to 8.0 ⁇ m, and (b) the hard coating layer is less than 10 atomic% 1 or more selected from Cr, Al, Si and a non-metallic component consisting of one or more selected from C and N (C)
  • the Al content is 50 atomic% or less, and the cross-sectional major axis perpendicular to the surface of the tool base is included.
  • the flat particles having an aspect ratio of less than 0.5 ⁇ m and an aspect ratio of 2.0 or more occupy 90% or more in the cross section in the number ratio with respect to the total number of the plurality of particles. To do.
  • the hard coating provided in the surface-coated cutting tool of the present invention exhibits excellent chipping resistance and welding resistance.
  • the angle formed by the straight line forming the major axis of the cross section of each of the plurality of particles and the surface of the tool base is 45 degrees or less, and is surrounded by the straight line forming the major axis and the outer peripheral portion of the particle on the hard coating surface side.
  • the particles satisfying A> B are 80% or more of the total number of the plurality of particles. Occupies the chipping resistance and welding resistance of the hard coating. As a result, for example, in milling processing of alloy tool steel or the like, excellent cutting performance is exhibited over a long period of use.
  • an Si mapping image by EDS measured for the cross section of the (Al 0.63 Cr 0.27 Si 0.10 ) N layer of the coated tool 8 of the present invention is shown.
  • it is an image obtained at the time of composition analysis of particles existing in the cross section of the (Al 0.63 Cr 0.27 Si 0.10 ) N layer of the coated tool 8 of the present invention. Indicates.
  • grains shown to FIG. 3A is shown.
  • Hard coating layer comprising (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer:
  • a hard coating layer composed of an (Al, Cr, Si) (C, N) layer or an (Al, Cr, Si) N layer
  • the constituent Al component improves high-temperature hardness and heat resistance
  • Cr The component improves high temperature strength
  • the Si component improves oxidation resistance.
  • the coexistence of Al and Cr has the effect of improving high-temperature oxidation resistance.
  • the Cr content ratio x in the total amount of Al, Cr and Si is less than 0.1.
  • the Al content is relatively high, in the milling cutting of the work material having high weldability, it is not possible to ensure the welding resistance to the work material and chips, and the high temperature strength is also high. Since it decreases, welding and chipping are likely to occur.
  • the Cr content ratio x in the total amount of Al, Cr, and Si exceeds 0.4, the melting point of the target material becomes high when the hard coating layer is formed by the PVD method, so that the secondary material is secondary.
  • the spherical particles that are generated automatically have a high Cr concentration, and have a relatively high melting point as compared with particles having a Cr content ratio x in the total amount of Al, Cr, and Si of 0.4 or less.
  • the Cr content ratio x in the total amount of Al, Cr, and Si is set to 0.1 to 0.4.
  • the content ratio x is preferably 0.15 to 0.37, more preferably 0.2 to 0.3, but is not particularly limited by these.
  • the ratio of the metal component to the non-metal component is not limited to the stoichiometric ratio of 1: 1, and the effect of the present invention can be obtained as long as the same crystal structure as in the case of 1: 1 is maintained.
  • the Si content ratio y in the total amount of Al, Cr and Si is less than 0.01, not only the oxidation resistance improving effect is small, but also the Cr content ratio is relatively high, so the melting point of the particles is As described above, voids are formed under the particles contained in the (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer as described above, and the effect of improving chipping resistance is small. .
  • the Si content ratio y in the total amount of Al, Cr and Si exceeds 0.2, the (Al, Cr, Si) (C, N) layer or the (Al, Cr, Si) N layer Therefore, the Si content ratio y in the total amount of Al, Cr and Si is set to 0.01 or more and 0.2 or less.
  • the content ratio y is preferably 0.07 to 0.2, more preferably 0.1 to 0.15, but is not particularly limited by these.
  • the content ratio z of C in the total amount of C and N exceeds 0.3, the hardness of the hard coating layer is excessively large, and thus chipping resistance is reduced in cutting. Therefore, the content ratio z of C in the total amount of C and N is set to 0.3 or less. Preferably, it is 0 to 0.2, but is not particularly limited by these.
  • the average layer thickness of the (Al, Cr, Si) (C, N) layer or the (Al, Cr, Si) N layer is set to 0.5 ⁇ m or more and 8.0 ⁇ m or less.
  • the average layer thickness of the (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer is 0.7 ⁇ m to 7.5 ⁇ m, but is not particularly limited by these.
  • the plurality of particles contained in the hard coating layer of the present invention includes a non-metallic component (that is, at least one of C and N) of less than 10 atomic% and a metallic component (Cr, Al, Si) that is another component. 1 type or 2 types or more).
  • the content of the nonmetallic component is preferably 0.5 atomic percent or more and less than 10 atomic percent.
  • a trace amount of inevitable impurities may be mixed in the plurality of particles contained in the hard coating layer. However, this is not limited to the case where the inevitable impurities do not significantly affect the chipping resistance and / or welding resistance of the hard film including the hard coating layer.
  • the content ratio of Al in the particles is mainly the nitrogen during film formation when the (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer is formed by the PVD method.
  • the Al content in the particles can be reduced to 50 atomic% or less.
  • the Al content in the plurality of particles (flat particles) is 50 atomic% or less.
  • the content of Al in the particles is 0.5 to 50 atomic%, more preferably 0.5 to 20 atomic%, but is not particularly limited by these.
  • Particles in the hard coating layer (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer contained in the hard coating of the coated tool of the present invention are perpendicular to the tool substrate surface.
  • the cross-sectional major axis is 0.5 ⁇ m or more, particles having relatively small hardness are widely present in the layer, and the (Al, Cr, Si) (C, N) layer, or (Al, Cr, The hardness of the Si) N layer decreases, and as a result, sufficient wear resistance during cutting cannot be ensured.
  • the aspect ratio of particles in the hard coating layer (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer contained in the hard film of the coated tool of the present invention is 2.
  • the shape of the particles when the hard coating layer is formed by the PVD method becomes almost spherical, and voids are formed below the spherical particles, and these voids cause cracks during cutting. It becomes a starting point and reduces chipping resistance. Therefore, the cross-sectional major axis of the particles in the hard coating layer (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer included in the hard coating of the coated tool of the present invention is 0.00. It is less than 5 ⁇ m, and the aspect ratio of the particles is 2.0 or more.
  • the Al content in all the particles is 50 atomic% or less
  • the cross-sectional major axis is less than 0.5 ⁇ m
  • the aspect ratio is not necessarily 2.0 or more.
  • particles (flat particles) having a content of Al in the particles of 50 atomic% or less, a cross-sectional major axis of less than 0.5 ⁇ m, and an aspect ratio of 2.0 or more are particles. If the condition that the number ratio occupies 90% or more with respect to the total number is satisfied, the chipping resistance and welding resistance intended in the present invention can be obtained.
  • the cross-sectional major axis of the particle contained in the hard coating layer of the surface-coated tool of the present invention is a straight line that can be drawn only within the particle when measured with respect to the cross-sectional shape of the particle in the cross-section of the film perpendicular to the substrate surface. Define the longest. That is, the straight line that temporarily goes out of the particle is not used for determining the cross-sectional major axis of the particle.
  • the aspect ratio of the particles contained in the hard coating layer of the surface-coated tool of the present invention is the maximum value of the particle width perpendicular to the straight line forming the major axis of the above-mentioned cross section of the film perpendicular to the substrate surface.
  • the minor axis it means the value of the major axis of the section / the minor axis of the section.
  • the content of Al in all particles contained in the hard coating layer is 50 atomic% or less, the cross-sectional major axis is less than 0.5 ⁇ m, and the aspect ratio is 2.0.
  • the angle between the straight line forming the major axis of the particle and the surface of the tool base is 45 degrees or less, and the straight line forming the major axis is surrounded by the outer peripheral portion of the particle on the hard coating surface side.
  • the angle formed by the straight line forming the major axis of the particle and the surface of the tool base exceeds 45 degrees, or if A ⁇ B, the depth of the formed recess becomes relatively deep, and the shear direction by cutting Stress concentrates on the ridges of the recesses and becomes the starting point of cracks that propagate into the hard coating, and chipping is likely to occur.
  • the angle formed by the straight line forming the major axis of the particle and the surface of the tool base is 45 degrees or less and A> B, the depth of the formed recess is relatively small. This is because concentration is difficult to occur and chipping can be suppressed.
  • the angle formed by the straight line forming the major axis of the particle (flat particle) and the surface of the tool substrate is 45 degrees or less, and the straight line forming the major axis is surrounded by the outer peripheral portion of the particle on the hard coating surface side.
  • the area is A and the area surrounded by the straight line and the outer periphery of the particle on the tool base side is B, it is desirable that the particles satisfying A> B occupy 80% or more of the total number of particles. As a result, chipping resistance and welding resistance are further improved and excellent cutting performance is exhibited.
  • the composition of the hard coating layer and the particles contained in the hard coating layer can be determined by using a transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDS) and observing the structure of the hard coating layer cross section perpendicular to the tool substrate surface. It can be obtained by performing a composition analysis. The observation range in this case is 20 ⁇ m in the direction parallel to the tool base surface. Then, by performing elemental mapping with a spatial resolution of 0.01 ⁇ m or less on the cross section of the hard coating layer, for example, a coated (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N It can be confirmed that the composition of the layer is within the specified range. At the same time, the composition of the particles can be analyzed by point analysis at the film cross section.
  • TEM-EDS transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy
  • the number ratio of particles having an Al content of 50 atomic% or less, a cross-sectional major axis of less than 0.5 ⁇ m, and an aspect ratio of 2.0 or more can be obtained as follows. About the coated tool used as a measuring object, a hard coating layer cross section is analyzed similarly to the above-mentioned analysis. First, the total number of particles existing within the observation range (5 ⁇ m ⁇ 5 ⁇ m) is counted by an N mapping image using TEM-EDS. Next, 90 atomic% or more of the constituent elements constituting the particle in the previous particle is an element selected from one or more of Cr, Al, and Si, and the Al content is 50 atomic% or less.
  • the number of particles having a cross-sectional major axis of less than 0.5 ⁇ m and an aspect ratio of 2.0 or more is counted. Based on the results of counting the number of particles, particles having an Al content of 50 atomic% or less, a cross-sectional major axis of less than 0.5 ⁇ m, and an aspect ratio of 2.0 or more with respect to the previous particles The number ratio of (flat particles) is calculated.
  • the number of the particles per area is preferably 1 / ⁇ m 2 to 5 / ⁇ m 2 .
  • the angle formed by the straight line forming the cross-sectional major axis of each metal particle and the tool base surface is determined.
  • the cross-sectional major axis of each particle is formed.
  • the area A surrounded by the straight line and the particle outer peripheral part on the hard coating surface side and the area B surrounded by the straight line and the particle outer peripheral part on the tool base side are obtained, and A and B are compared, and A> B.
  • the number ratio of particles is calculated.
  • the method for calculating the area A and the area B is as follows.
  • a TEM-EDS mapping image obtained by photographing each particle is used. By using the mapping image obtained by analyzing the amount of nitrogen, the boundary between the particles and the hard coating layer can be distinguished.
  • the outer periphery of the particle is selected, and the enclosed area can be calculated using image analysis software (for example, Adobe photoshop). Let A be the calculated area. Further, the cross-sectional major axis of the particle and the outer peripheral part of the particle on the tool base side are selected, and the enclosed area is calculated using image analysis software, and this is defined as area B. This method is performed for each particle, and the number ratio of particles with A> B is calculated.
  • these tool bases A to E were loaded into the arc ion plating apparatus shown in FIGS. 1A and 1B, and Ar bombardment was performed under the following conditions.
  • the inside of the apparatus is evacuated and kept at a vacuum of 0.1 Pa or less, the inside of the apparatus is heated to 500 ° C. with a heater, and then the atmosphere of Ar gas pressure: 0.5 to 1.0 Pa is set.
  • the bombardment treatment for 1 minute was repeated three times under the condition of current of 50 to 60 A to remove contaminants such as organic substances inevitably adhering to the tool substrate surface.
  • the coated tools 1 to 10 of the present invention were prepared by vapor deposition.
  • the temperature in the apparatus was increased from the conventional temperature (500 ° C.) because the time until the particle temperature fell below the melting point after the scattered particles adhered to the hard coating layer was lengthened. This is to facilitate formation of particles having an aspect ratio of 2.0 or more.
  • the total gas partial pressure of nitrogen and methane was set in the range of 4 to 10 Pa because when the total gas partial pressure of nitrogen and methane was less than 4 Pa, the moving speed of the arc spot was relatively slow and the cross-sectional major axis was 0.
  • the particles generated from the target can be prevented from solidifying in the atmosphere, and the particles deform along the shape of the tool base when adhering to the tool base. Damage to the film due to radiant heat from the cylindrical heater can be prevented by providing a cooling mechanism in the tool base jig.
  • the cylindrical heater that heats the space in front of the target extends in the direction of the substrate when viewed from the target, and the length of the heater is about 2/3 to 3/4 of the distance between the target and the tool substrate. desirable. If it is too long, the coating will be damaged by radiant heat, while if it is too short, the high-temperature space existing on the front surface of the target will be narrowed, so that the particles will solidify before adhering to the tool base.
  • the installation position is preferably within 50 mm from the target surface, and for example, it may be installed on the front surface of the anode electrode.
  • a tool base cooling mechanism for example, there is a method of cooling by flowing cooling water through a tool base jig.
  • the structure observation and composition of the hard coating layer cross section perpendicular to the tool base surface Analysis was performed using transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDS).
  • the observation range in each coated tool of the present invention is 20 ⁇ m in the direction parallel to the tool base surface.
  • Element mapping with a spatial resolution of 0.01 ⁇ m or less is performed on the cross section of the hard coating layer, and the composition of the coated (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer is specified.
  • the composition of the particles was analyzed by point analysis at the cross section of the film.
  • the maximum diameter in the cross section of the particle is the long axis of the cross section
  • the maximum value of the particle width perpendicular to the straight line forming the long axis of the cross section is the short axis of the cross section of the particle
  • the total number of particles existing within the observation range of each coated tool of the present invention and 90 atomic% or more of the constituent elements constituting the particles are elements selected from one or more of Cr, Al, and Si And by counting the number of particles having an Al content of 50 atomic% or less, a cross-sectional major axis of less than 0.5 ⁇ m, and an aspect ratio of 2.0 or more, Al The number ratio of particles having a content of 50 atomic% or less, a cross-sectional major axis of less than 0.5 ⁇ m, and an aspect ratio of 2.0 or more was calculated.
  • the angle formed by the straight line forming the cross-sectional major axis of each metal particle and the tool base surface is obtained, and for the particles having the angle of 45 degrees or less, the cross-sectional major axis of each particle
  • the area A surrounded by the outer periphery of the particle on the surface side of the hard coating and the surface of the hard coating and the area B surrounded by the outer periphery of the particle on the side of the tool base are obtained, A and B are compared, and A> B
  • the number ratio of the particles is calculated.
  • the method for calculating the area A and the area B is as follows. A TEM-EDS mapping image obtained by photographing each particle is used.
  • the boundary between the particles and the hard coating layer can be distinguished.
  • the outer periphery of the particle is selected, and the enclosed area can be calculated using image analysis software (for example, Adobe Photoshop). Let A be the calculated area. Further, the cross-sectional major axis of the particle and the outer peripheral part of the particle on the tool base side are selected, and the enclosed area is calculated using image analysis software, and this is defined as area B. This method was performed on each particle, and the number ratio of particles with A> B was calculated. Table 3 shows these measured values and calculated values.
  • 2A to 2E show, as an example, TEM-EDS mapping images measured for the cross section of the (Al 0.63 Cr 0.27 Si 0.10 ) N layer of the coated tool 8 of the present invention.
  • 3A and 3B also show the composition analysis results measured for particles present in the cross section of the (Al 0.63 Cr 0.27 Si 0.10 ) N layer of the coated tool 8 of the present invention.
  • Comparative coating tools 1 to 10 were prepared by vapor-depositing (Al, Cr, Si) (C, N) layers or (Al, Cr, Si) N layers having a predetermined layer thickness in which are distributed.
  • the cross section of the (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer of the comparative coated tools 1 to 10 was also observed by TEM-EDS, and point analysis was performed on the film cross section.
  • the composition of the particles was analyzed, and among the particles, particles having an Al content of 50 atomic% or less, a cross-sectional major axis of less than 0.5 ⁇ m, and an aspect ratio of 2.0 or more were included in the total number of particles.
  • the angle formed by the straight line forming the cross-sectional major axis of each particle and the surface of the tool base is determined.
  • the area A surrounded by the straight line forming the major axis of each particle and the outer periphery of the particle on the hard coating surface side, and the area surrounded by the outer periphery of the particle on the tool base side are obtained as B. Compare the target, A> B Of it was calculated number proportion to the total particles present in the measurement range. Table 5 shows these values.
  • the thicknesses of the hard coatings of the inventive coated tools 1 to 10 and the comparative coated tools 1 to 10 were measured using a scanning electron microscope (SEM), the target layers shown in Tables 3 and 5 were all used. The average layer thickness was substantially the same as the thickness.
  • the coated tools 1 to 10 of the present invention are in the (Al, Cr, Si) (C, N) layer or (Al, Cr, Si) N layer of the hard coating,
  • the cross-sectional major axis is less than 0.5 ⁇ m and the aspect ratio is 2.0 or more, the ratio of the number of particles to the total number of particles is 90% or more. In addition to showing welding resistance, it showed excellent wear resistance.
  • the angle formed by the straight line forming the cross-sectional major axis of the particle and the tool base surface is 45 degrees or less, and the straight line forming the major axis and the hard
  • the area surrounded by the outer peripheral part of the particle on the surface side of the film is A
  • the area surrounded by the outer peripheral part of the straight line and the particle on the tool base side is B
  • the number of particles with A> B in the total number of particles Since the ratio was 80% or more, the chipping and welding resistance were further improved in the milling process, and as a result, the wear resistance was improved over a long period of time.
  • the comparative coated tools 1 to 6 and 8 have particles formed in the hard coating, the Al content in the particles is 50 atomic% or less and the cross-sectional major axis is less than 0.5 ⁇ m.
  • the ratio of the number of particles having an aspect ratio of 2.0 or more is outside the range specified in the present invention, it is clear that in milling processing, chipping, welding, etc., lead to a short life. is there.
  • the angle formed by the straight line forming the cross-sectional major axis of the particle and the tool base surface is 45 degrees or less, and the straight line forming the major axis and the hard coating surface side
  • the straight line forming the major axis and the hard coating surface side In the milling process, chipping, welding, etc., because the area A surrounded by the outer periphery of the particles and the area B surrounded by the straight line forming the major axis and the area B surrounded by the outer periphery of the particles on the tool base side do not satisfy the relationship of A> B. It is clear that the lifetime is reached in a shorter time due to the occurrence of.
  • the comparative coated tools 7, 9, and 10 have particles formed in the hard coating layer, the composition or layer thickness of the hard coating layer is out of the range defined in the present invention. It is clear that the occurrence of a short life span.
  • the coated tool of the present invention exhibits excellent chipping resistance and welding resistance in, for example, high-speed cutting of work materials such as carbon steel and alloy tool steel, thereby extending the service life. Needless to say, it is of course possible to use in cutting of other work materials and cutting under other conditions.
  • the hard film which consists of one layer demonstrated in the said Example even if it is a case where a hard film consists of two or more layers, if the at least 1 layer is a film as described in the said Example, the same effect is obtained. It is what you play.

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Abstract

　表面被覆切削工具において、硬質皮膜は１または２以上の層から形成され、その少なくとも１層は、平均組成式：（Ａｌ１－ｘ－ｙＣｒｘＳｉｙ）（ＣｚＮ１－ｚ）（但し、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比で、０．１≦ｘ≦０．４、０．０１≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．３）を満足するＡｌとＣｒとＳｉの複合窒化物層または複合炭窒化物層からなる硬質被覆層であり、前記硬質被覆層は、１０原子％未満のＣ、Ｎから選ばれる非金属成分と、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる金属成分とからなる複数の粒子を含み、前記複数の粒子のうち、Ａｌ含有量は５０原子％以下であり、前記工具基体の表面に対して垂直な断面長径が０．５μｍ未満であって、さらに、アスペクト比が２．０以上である偏平粒子は、前記複数の粒子の全個数に対して、個数割合で９０％以上を前記断面中で占める。

Description

表面被覆切削工具
　本願発明は、例えば、合金工具鋼等の被削材のミーリング加工において、硬質被覆層の耐チッピング性、耐溶着性を向上させることにより、長期の使用にわた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。
　本願は、２０１５年１月２２日に日本に出願された特願２０１５－０１０３５１号、および２０１６年１月２０日に日本に出願された特願２０１６－８４９４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、例えば、特許文献１に示されているように、工具基体の表面に、組成式：（Ａｌ１－ｘ－ｙＣｒｘＳｉｙ）（Ｎ１－ｚＣｚ）（但し、０．３≦ｘ≦０．７、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．３）で表される平均層厚０．５～８．０μｍの複合炭窒化物層または複合窒化物層からなる硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、硬質被覆層は、構成元素の９０原子％以上が金属元素である粒子を含有しており、前記粒子は、断面長径０．０５～１．０μｍで前記硬質被覆層中に３～２０％の縦断面面積比率で分散分布し、前記粒子のうち、構成元素に５０原子％以上のＡｌを含み、かつ縦断面形状のアスペクト比が２．０以上かつ断面長径が基板表面となす鋭角が４５°以下である粒子の縦断面面積比率をＡ％、それ以外の粒子の縦断面面積比率をＢ％としたとき、０．３≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）を満足し、炭素鋼、合金工具鋼等の正面フライス加工において、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具が知られている。
　さらに、特許文献２に示されているように、工具基体の表面に、少なくとも、０．５～１０μｍの層厚のＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層中には、ポアおよびドロップレットが分散分布し、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における上記ポアの占有面積率および上記ドロップレットの占有面積率は、それぞれ、０．５～１面積％および２～４面積％であり、さらに、上記ドロップレットのうち、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の平均Ａｌ含有量よりもＡｌ含有割合が高いＡｌリッチドロップレットが、上記ＡｌとＣｒの複合窒化物層の任意の断面における全ドロップレット面積の２０面積％以上を占め、炭素鋼、合金工具鋼等の高速切削加工において、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具が知られている。
　また、特許文献３に示されているように、Ｔｉ１－ａ－ｂＡｌａＭｂ（ＣｘＮ１－ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４０≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．５、０≦ｘ≦１）からなる硬質被覆層の表面に複数のマクロ粒子が突出し、底刃および外周刃の切刃に続くすくい面においてマクロ粒子が基体と被覆層との界面の垂線方向に対して切刃から遠ざかる方向に平均で５～２０％の角度で突出しており、マクロ粒子が傾いて突出することで切りくずの衝撃を分散させ、マクロ粒子が脱落することを抑制でき、耐チッピング性を向上させたエンドミル等の表面被覆切削工具が知られている。
日本国特開２０１３－４６９５４号公報（Ａ） 日本国特開２０１２－１６６３３３号公報（Ａ） 日本国特開２００８－２３８３３６号公報（Ａ）
　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、被覆工具は一段と過酷な条件下で使用されるようになってきており、耐欠損性、耐摩耗性等を高めるために、前記特許文献１～３に示されるような手法で、被覆工具の性能向上がなされてきているが、耐欠損性の改善は未だ十分とはいえない。
　即ち、特許文献１に示される表面被覆切削工具においては、硬質被覆層中に含有される粒子を構成する元素の９０原子％以上が金属元素であり、しかも、構成元素の５０原子％以上Ａｌが含有されているため、粒子組成がＡｌリッチであって融点が低く、高温強度が保てず耐溶着性が悪くなるという問題がある。
　また、特許文献２に示される表面被覆切削工具においては、硬質被覆層中に存在するドロップレットの下部には空隙が形成されており、その空隙が存在することで、外力が加わった際の硬質被覆層の強度が弱く、例えば、切削加工時に空隙がクラックの起点となり、チッピングが発生しやすくなるという問題がある。
　さらに、特許文献３に示される表面被覆切削工具は、高負荷が作用する切削条件では、硬質被覆層の表面から突出する複数のマクロ粒子が脱落し、これがクラック発生の起点となるため満足できる耐チッピング性を発揮し得ないという問題があった。
　そこで、本願発明は、合金工具鋼等のミーリング加工に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性と耐溶着性を発揮する表面被覆切削工具を提供することを目的とする。
　本願発明者らは、前述のような観点から、耐摩耗性とともに耐チッピング性、耐溶着性が同時に必要とされるミーリング加工などの加工形態に用いられた場合においても、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
　即ち、本願発明者らは、以下の構成を有する硬質被覆層を備える硬質皮膜を、工具基体表面に被覆形成した表面被覆切削工具は、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することを見出した。
　この硬質被覆層は、硬質皮膜に含まれる層であり、ＡｌとＣｒとＳｉの複合炭窒化物層（以下、「（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層」で示す）、または複合窒化物層（以下、「（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層」で示す）からなり、平均層厚は、０．５～８．０μｍである。この硬質被覆層には、複数の粒子が含まれている。そして、これら複数の粒子のうち、構成元素の９０原子％以上がＣｒ、Ａｌ、Ｓｉのうち１種もしくは２種以上より選択された元素であり（１０原子％未満がＣおよびＮから選ばれる１種以上である非金属元素）、構成元素の５０原子％以下がＡｌであり、工具基体表面に垂直な縦方向断面における長径が０．５μｍ未満であり、縦断面形状のアスペクト比が２．０以上である粒子（以下、「偏平粒子」と称する）の、粒子全個数に対する個数割合は９０％以上を占める。
　このような粒子（偏平粒子）を含有する（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層はすぐれた耐チッピング性、耐溶着性を示すようになる。その結果として、この硬質被覆層を含む硬質皮膜が被覆形成された表面被覆切削工具は、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
　さらに、前記偏平粒子の各粒子について、その断面長径をなす直線が基体表面となす傾斜角度を測定した場合、傾斜角度が４５度以下であって、かつ、長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部で囲まれた面積をＡ、その直線と基体側の粒子外周部で囲まれた面積をＢとした場合、Ａ＞Ｂである粒子が、粒子全個数に対して個数割合で８０％以上を占めることがより好ましい。このような粒子を含有する（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層は、より一段とすぐれた耐チッピング性、耐溶着性を示し、長期の使用にわたってより一段とすぐれた切削性能を発揮する。
　硬質被覆層は、ＰＶＤ法を用いて炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体表面に成膜することができる。
　例えば、本願発明では、図１Ａおよび図１Ｂにその概略を示すアークイオンプレーティング装置１を用いて成膜を行うことができる。この場合、炉全体の雰囲気温度を制御するヒーター６に加え、好ましくは、ターゲット４Ａ、４Ｂの前面に筒状ヒーター７を設けることでターゲット前面の空間を高温にし、これによりターゲット４Ａ、４Ｂから発生する粒子が雰囲気中で凝固することを防ぐことができ、高温のまま工具基体９へ付着させることで、粒子は付着時の衝撃によって基体表面の形状に沿って変形する。そのため、粒子は、表面平滑な基体表面の形状に沿って変形し、皮膜の縦断面（基体表面に対して垂直な断面）からみた場合、基体表面に沿った扁平形状となり、粒子の断面形状の断面長径をなす直線と工具基体表面となす角度は４５度以下に制御される。Ａｌ含有量が５０原子％以下の粒子を硬質被覆層内に分散分布させ、さらに、粒子を基体表面に沿ったアスペクト比の大きい扁平形状とすることで切削時の抵抗が小さくなり、粒子は脱落しにくく、また脱落した場合でも層厚方向への損傷が小さくなる。その結果、耐チッピング性、耐溶着性にすぐれた硬質被覆層を提供できる。
　筒状ヒータ７は、その厚み方向が対応するターゲット４Ａ、４Ｂの使用面に垂直になるように配置される。そして、筒状ヒータ７は、ターゲット４Ａ、４Ｂの使用面の中心が、筒状ヒーター７の中心軸と、重なるようにターゲット４Ａ、４Ｂの前面に筒状ヒーター７を配置される。
　筒状ヒータ７の後端（対応するターゲット対向し、対応するターゲットに近い側）と、対応するターゲットの使用面との距離は、例えば５０ｍｍ以内に設定される。筒状ヒータ７の前端（対応するターゲットと同じ方向を向き、対応するターゲットから遠い側）と、対応するターゲットの使用面との距離は、例えばターゲットから基体距離（回転テーブル上に配された複数の基体のうち、最接近した基体までの距離）の２／３の長さに設定される。
　また、筒状ヒーター７からの輻射熱による皮膜へのダメージは工具基体治具８に冷却機構を設けることで防ぐことができる。このような機構を有した成膜装置で成膜することで、本願発明の一態様である表面被覆切削工具が有する特徴のある硬質皮膜が形成される。
　さらに、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層における前記粒子の組成、断面長径、縦断面形状のアスペクト比、断面長径をなす直線が基体表面となす角度が４５度以下である粒子の断面長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部で囲まれた面積Ａ、その直線と基体側の粒子外周部で囲まれた面積Ｂとの大小は、ＰＶＤ装置内温度、ターゲットのアーク電流、窒素及びメタンの合計ガス分圧等を調整することで制御できることを見出した。
　以上のような知見に基づき、本願発明を完成するに至った。なお、本願発明は上記製法に限定されるものではない。
　本願発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、以下の態様を有する。
　（１）炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質皮膜が形成されている表面被覆切削工具において、
　（ａ）前記硬質皮膜は１または２以上の層から形成され、その少なくとも１層は、平均組成式：（Ａｌ１－ｘ－ｙＣｒｘＳｉｙ）（ＣｚＮ１－ｚ）（但し、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比であって、０．１≦ｘ≦０．４、０．０１≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．３）を満足する平均層厚０．５～８．０μｍのＡｌとＣｒとＳｉの複合窒化物層または複合炭窒化物層からなる硬質被覆層であり、
　（ｂ）前記硬質被覆層は、１０原子％未満のＣおよびＮから選ばれる１種以上からなる非金属成分と、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素である金属成分とからなる複数の粒子を含み、
　（ｃ）前記複数の粒子のうち、Ａｌ含有量は５０原子％以下であり、前記工具基体の表面に対して垂直な断面における長径が０．５μｍ未満であって、さらに、アスペクト比が２．０以上である偏平粒子は、前記複数の粒子の全個数に対して、個数割合で９０％以上を前記断面中で占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
　（２）前記硬質皮膜の前記工具基体の表面に対して垂直な断面で、前記硬質被覆層に含有される前記偏平粒子を観察したときに、前記偏平粒子のそれぞれにおいて、前記長径をなす直線が工具基材表面となす角度は４５度以下であり、かつ、前記直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部とで囲まれた面積をＡ、前記直線と工具基体側の粒子外周部とで囲まれた面積をＢとした場合、Ａ＞Ｂである粒子が、前記偏平粒子の全個数に対して個数割合で８０％以上を占めることを特徴とする前記（１）記載の表面被覆切削工具。
（３）前記硬質被覆層の平均層厚が、０．７～７．５μｍである前記（１）または（２）記載の表面被覆切削工具。
　（４）前記硬質被覆層が、前記硬質皮膜の最外層である前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
　（５）前記非金属成分の含有量が、０．５原子％以上１０原子％未満である前記（１）記載の表面被覆切削工具。
　（６）前記金属成分のＡｌ含有量が、０．５原子％以上２０原子％以下である前記（１）記載の表面被覆切削工具。
　（７）前記断面における、前記複数の粒子の面積当たりの個数は、１個／μｍ２～５個／μｍ２である前記（１）記載の表面被覆切削工具。
　本願発明の一態様である被覆工具（以下、「本発明の被覆工具」と称する）は、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、物理蒸着法によって硬質皮膜を被覆形成した表面被覆切削工具であって、（ａ）前記硬質皮膜は１または２以上の層から形成され、その少なくとも１層は、平均組成式：（Ａｌ１－ｘ－ｙＣｒｘＳｉｙ）（ＣｚＮ１－ｚ）（但し、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比であって、０．１≦ｘ≦０．４、０．０１≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．３）を満足する平均層厚０．５～８．０μｍのＡｌとＣｒとＳｉの複合窒化物層または複合炭窒化物層からなる硬質被覆層であり、（ｂ）前記硬質被覆層は、１０原子％未満のＣおよびＮから選ばれる１種以上からなる非金属成分と、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素である金属成分とからなる複数の粒子を含み、（ｃ）前記複数の粒子のうち、Ａｌ含有量は５０原子％以下であり、前記工具基体の表面に対して垂直な断面長径が０．５μｍ未満であって、さらに、アスペクト比が２．０以上である偏平粒子は、前記複数の粒子の全個数に対して、個数割合で９０％以上を前記断面中で占めることを特徴とする。この構成を有することにより、本願発明の表面被覆切削工具が備える硬質皮膜は、すぐれた耐チッピング性、耐溶着性を示す。
　さらに、前記硬質皮膜の前記工具基体の表面に対して垂直な断面で、前記ＡｌとＣｒとＳｉの複合窒化物層または複合炭窒化物層に含有される前記複数の粒子を観察したときに、前記複数の粒子のそれぞれの前記断面の長径をなす直線が工具基材表面となす角度は４５度以下であり、かつ、前記長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部とで囲まれた面積をＡ、その直線と工具基体側の粒子外周部とで囲まれた面積をＢとした場合、Ａ＞Ｂである粒子が、前記複数の粒子の全個数に対して個数割合で８０％以上を占めることにより、硬質皮膜が一段とすぐれた耐チッピング性、耐溶着性を示す。その結果、例えば、合金工具鋼等のミーリング加工において、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
本発明の被覆工具の硬質皮膜を成膜するアークイオンプレーティング装置の概略説明図であり、このアークイオンプレーティング装置の平面断面図を示す。 本発明の被覆工具の硬質皮膜を成膜するアークイオンプレーティング装置の概略説明図であり、このアークイオンプレーティング装置の縦断面図を示す。 本発明の被覆工具の一例として本発明被覆工具８の（Ａｌ０．６３Ｃｒ０．２７Ｓｉ０．１０）Ｎ層の断面について測定したＴＥＭ像を示す。 本発明の被覆工具の一例として本発明被覆工具８の（Ａｌ０．６３Ｃｒ０．２７Ｓｉ０．１０）Ｎ層の断面について測定したＥＤＳによるＮマッピング像を示す。 本発明の被覆工具の一例として本発明被覆工具８の（Ａｌ０．６３Ｃｒ０．２７Ｓｉ０．１０）Ｎ層の断面について測定したＥＤＳによるＡｌマッピング像を示す。 本発明の被覆工具の一例として本発明被覆工具８の（Ａｌ０．６３Ｃｒ０．２７Ｓｉ０．１０）Ｎ層の断面について測定したＥＤＳによるＣｒマッピング像を示す。 本発明の被覆工具の一例として本発明被覆工具８の（Ａｌ０．６３Ｃｒ０．２７Ｓｉ０．１０）Ｎ層の断面について測定したＥＤＳによるＳｉマッピング像を示す。 本発明の被覆工具の一例として本発明被覆工具８の（Ａｌ０．６３Ｃｒ０．２７Ｓｉ０．１０）Ｎ層の断面に存在する粒子の組成分析時に取得した画像であり、粒子および測定箇所を示す。 図３Ａに示す粒子の測定箇所におけるＥＤＳ組成分析結果を示す。
　本願発明について、以下に詳細を説明する。
（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層：
　（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層においては、その構成成分であるＡｌ成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、Ｃｒ成分が高温強度を向上させ、また、Ｓｉ成分が耐酸化性を向上させる。さらに、ＡｌとＣｒとが共存することによって高温耐酸化性を向上させる作用がある。
　しかし、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層において、ＡｌとＣｒとＳｉとの合量に占めるＣｒの含有割合ｘが０．１未満であると、相対的にＡｌ含有量が高くなるため、溶着性の高い被削材のミーリング切削加工において、被削材および切粉に対する耐溶着性を確保することができず、また、高温強度も低下するため、溶着、チッピングを発生しやすくなる。一方、ＡｌとＣｒとＳｉとの合量に占めるＣｒの含有割合ｘが０．４を越えると、硬質被覆層をＰＶＤ法で成膜する際に、ターゲット材の融点が高くなり、そのため副次的に生成される球状の粒子は高Ｃｒ濃度となり、ＡｌとＣｒとＳｉとの合量に占めるＣｒの含有割合ｘが０．４以下である粒子と比べて融点が相対的に高くなる。そのため、ターゲットから発生した粒子が皮膜に付着した後、固着するまで奪熱する熱量が少ないため、球状の形状を保ったまま固着する。その上に皮膜が堆積することによって、粒子下部に空隙が残る。この空隙が存在することで、切削加工時に空隙が起点となってクラックが発生し、チッピングが発生しやすくなる。
　したがって、ＡｌとＣｒとＳｉとの合量に占めるＣｒの含有割合ｘは、０．１以上０．４以下とする。好ましくは、含有割合ｘは０．１５～０．３７であり、より好ましくは、０．２～０．３であるが、これらにより特に限定されない。
　なお金属成分と非金属成分の比は化学量論比である１：１に限定されず、１：１の場合と同一の結晶構造が維持されていれば本願発明の効果を得ることができる。
　また、ＡｌとＣｒとＳｉとの合量に占めるＳｉの含有割合ｙが０．０１未満では、耐酸化性向上効果が少ないばかりか、相対的にＣｒ含有割合が高くなるため、粒子の融点が高くなり、前記のように（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層に含有される粒子下部に空隙が形成され、耐チッピング性向上効果が少ない。一方、ＡｌとＣｒとＳｉとの合量に占めるＳｉの含有割合ｙが０．２を超えると、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層の高温靭性、高温強度が低下するので、ＡｌとＣｒとＳｉとの合量に占めるＳｉの含有割合ｙは、０．０１以上０．２以下とする。好ましくは、含有割合ｙは０．０７～０．２であり、より好ましくは、０．１～０．１５であるが、これらにより特に限定されない。
　さらに、ＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合ｚが０．３を超えると、硬質被覆層の硬さが過大に大きいため、切削加工において耐チッピング性が低下する。そのため、ＣとＮとの合量に占めるＣの含有割合ｚは、０．３以下とする。好ましくは、０～０．２であるが、これらにより特に限定されない。
　硬質被覆層の層厚が０．５μｍ未満であると、切削初期以降硬質被覆層の消失が早く、十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、８．０μｍを越えると、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層に蓄積される圧縮残留応力が大きくなるため、刃先稜線部上の硬質被覆層に関し、切削加工時の外力に対する感受性が高く、切削初期でチッピングが発生しやすくなる。あるいは、皮膜が自己破壊する。
　したがって、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層の平均層厚は、０．５μｍ以上８．０μｍ以下とした。好ましくは、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層の平均層厚は０．７μｍ～７．５μｍであるが、これらにより特に限定されない。
粒子の構成：
　本願発明の硬質被覆層に含まれる複数の粒子とは、１０原子％未満の非金属成分（すなわち、Ｃ、Ｎの少なくとも１種以上）と、その他の成分である金属成分（Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉのうち１種もしくは２種以上）と、からなる塊を意味する。
　前記非金属成分の含有量は、０．５原子％以上１０原子％未満が好ましい。また、硬質被覆層に含まれる複数の粒子には、前記非金属成分および金属成分に加えて微量の不可避不純物が混入されてもよい。ただし、この不可避不純物の混入が、この硬質被覆層を含む硬質膜の耐チッピング性及び／又は耐溶着性に顕著に影響を及ぼさない場合に限る。
　粒子中におけるＡｌの含有割合は、ＰＶＤ法により（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層を成膜する際の、主として成膜時の窒素及びメタンの合計ガス分圧を４～１０Ｐａの範囲内に制御することにより、粒子におけるＡｌの含有量を５０原子％以下とすることができる。
　粒子におけるＡｌの含有量が５０原子％を超えると、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層よりも融点が低い粒子が層中に存在することになり、その部位が原因で高温強度を保てなくなるため溶着を発生しやすくなる。
　したがって、複数の粒子（偏平粒子）におけるＡｌの含有量は５０原子％以下とする。好ましくは、粒子におけるＡｌの含有量は０．５～５０原子％であり、より好ましくは、０．５～２０原子％であるが、これらにより特に限定されない。
　本発明の被覆工具の有する硬質皮膜に含まれる硬質被覆層（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層中における粒子は、その工具基体表面に垂直な断面長径が０．５μｍ以上になると、相対的に硬さの小さい粒子が層中に幅広く存在することになり、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層の硬さが低下し、その結果、切削加工時の耐摩耗性を十分確保することができなくなる。
　また、本発明の被覆工具の有する硬質皮膜に含まれる硬質被覆層（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層中における粒子のアスペクト比が２．０未満になると、硬質被覆層をＰＶＤ法で成膜した際の粒子の形状がほぼ球状となるため、該球状の粒子下部に空隙が形成されてしまい、この空隙が切削加工時のクラック発生の起点となり、耐チッピング性を低下させる。
　したがって、本発明の被覆工具の有する硬質皮膜に含まれる硬質被覆層（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層中における粒子の断面長径は０．５μｍ未満、また、粒子のアスペクト比は２．０以上とする。
　但し、全ての粒子中のＡｌの含有量が５０原子％以下であり、かつ、その断面長径が０．５μｍ未満であり、さらに、アスペクト比が２．０以上である必要はなく、全体の粒子のうち、粒子中のＡｌの含有量が５０原子％以下であり、かつ、断面長径が０．５μｍ未満であって、しかも、アスペクト比が２．０以上である粒子（偏平粒子）が、粒子全個数に対して個数割合で９０％以上を占めるという条件を満たせば、本願発明で目的とする耐チッピング性、耐溶着性を得ることができる。
　
　本願発明の表面被覆工具の硬質被覆層に含まれる粒子の断面長径とは、基体表面に垂直な皮膜断面における粒子の断面形状について測定した場合に、粒子内のみに引くことのできる直線であって最も長いものと定義する。即ち、一時的に粒子の外に出る直線は粒子の断面長径の決定には使用しない。
　さらに、本願発明の表面被覆工具の硬質被覆層に含まれる粒子のアスペクト比とは、基体表面に垂直な皮膜断面において、上記断面長径をなす直線に直交する粒子幅の最大の値を粒子の断面短径とした場合に、断面長径／断面短径の値をいう。
　本願発明においては、硬質被覆層に含有される全粒子中の、Ａｌの含有量が５０原子％以下であり、かつ、断面長径が０．５μｍ未満であって、しかも、アスペクト比が２．０以上であるという条件に加えて、粒子の断面長径をなす直線が工具基体表面となす角度が４５度以下である粒子について、該長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部で囲まれた面積をＡ、その直線と工具基体側の粒子外周部で囲まれた面積をＢとした場合、Ａ＞Ｂである粒子が、粒子全個数に対して個数割合で８０％以上を占める場合に、より一段とすぐれた耐チッピング性が発揮される。
　これは、次のような理由による。
　即ち、切削加工時に硬質被覆層の摩耗が進行するにつれ、粒子（偏平粒子）が硬質被覆層表面に露出し、硬質被覆層と比べて粒子の硬さが小さいため、硬質被覆層と比べて粒子部で摩耗の進行が速い。そのため、硬質被覆層と比べ粒子部が深くえぐられるように摩耗が進行し、凹部が形成される。このとき、粒子の断面長径をなす直線が工具基体表面となす角度が４５度を超える、あるいは、Ａ≦Ｂであると、形成される凹部の深さが相対的に深くなり、切削によるせん断方向の応力が凹部の淵に集中し、硬質皮膜中に進展する亀裂の起点となり、チッピングが発生し易い。しかし、粒子の断面長径をなす直線が工具基体表面となす角度が４５度以下、かつ、Ａ＞Ｂであれば、形成される凹部の深さは相対的に小さいため、切削時のせん断力の集中が生じにくく、チッピングの発生は抑えられるという理由による。
　したがって、本願発明では、粒子（偏平粒子）の断面長径をなす直線が工具基材表面となす角度が４５度以下、かつ、該長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部で囲まれた面積をＡ、その直線と工具基体側の粒子外周部で囲まれた面積をＢとした場合、Ａ＞Ｂである粒子が、粒子全個数に対して個数割合で８０％以上を占めることが望ましく、これによって、より一段と耐チッピング性、耐溶着性が向上し、すぐれた切削性能を発揮する。
　硬質被覆層および硬質被覆層に含まれる粒子の組成は、透過型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＴＥＭ－ＥＤＳ）を用いて、工具基体表面に垂直な硬質被覆層断面の組織観察と組成分析を行うことで得ることができる。この場合の観察範囲は、工具基体表面と平行方向に２０μｍとする。そして、硬質被覆層断面に対して０．０１μｍ以下の空間分解能の元素マッピングを行うことで、例えば被覆した（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層の組成が規定の範囲内であることを確認することができる。同時に膜断面における点分析によって粒子の組成を分析することができる。
　各々の粒子のアスペクト比は以下のようにして得ることができる。まず、粒子の断面における最大径を断面長径とし、この断面長径をなす直線に直交する粒子幅の最大の値を粒子の断面短径とする。次に、各粒子について断面長径、断面短径を求めるとともに、断面長径、断面短径から各々の粒子のアスペクト比（＝断面長径／断面短径）を求める。
　Ａｌ含有量が５０原子％以下であり、かつ、断面長径が０．５μｍ未満であり、さらに、アスペクト比が２．０以上である粒子の個数割合は以下のようにして得ることができる。測定対象となる被覆工具について、上述の分析同様に硬質被覆層断面を分析する。まず、観察範囲内（５μｍ×５μｍ）に存在する粒子の全個数をＴＥＭ－ＥＤＳを用いたＮマッピング像により、カウントする。次に、前粒子のうち粒子を構成する構成元素の９０原子％以上はＣｒ、Ａｌ、Ｓｉのうち１種もしくは２種以上より選択された元素であり、かつ、Ａｌ含有量が５０原子％以下であり、かつ、断面長径が０．５μｍ未満であって、さらに、アスペクト比が２．０以上である粒子の個数をカウントする。これらの粒子数のカウント結果に基づいて、前粒子に対する、Ａｌ含有量が５０原子％以下であり、かつ、断面長径が０．５μｍ未満であり、さらに、アスペクト比が２．０以上である粒子（偏平粒子）の個数割合を算出する。なお当該粒子の面積当たりの個数は、１個／μｍ２～５個／μｍ２が好ましい。
　観察範囲内に存在する全粒子について、それぞれの金属粒子の断面長径をなす直線が工具基材表面となす角度を求めるとともに、該角度が４５度以下の粒子については、各粒子の断面長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部で囲まれた面積Ａと、その直線と工具基体側の粒子外周部で囲まれた面積Ｂとを求め、ＡとＢを比較し、Ａ＞Ｂである粒子の個数割合を算出する。なお、面積Ａ及び面積Ｂを算出する方法は、以下の通りである。各粒子を撮影したＴＥＭ―ＥＤＳマッピング像を用いる。窒素量を分析したマッピング像を用いることで、粒子と硬質被覆層の境界を区別できる。粒子の外周部を選択し、囲まれた面積は、画像解析ソフト（例えば、Ａｄｏｂｅ　ｐｈｏｔｏｓｈｏｐなど）を用いて算出できる。算出した面積をＡとする。また、粒子の断面長径及び工具基体側の粒子外周部を選択し、囲まれた面積について画像解析ソフトを用いて算出し、これを面積Ｂとする。本方法を各粒子で行い、Ａ＞Ｂである粒子の個数割合を算出する。
　つぎに、本願発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
　原料粉末として、平均粒径：５．５μｍを有する中粗粒ＷＣ粉末、同０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍの（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ［質量比で、ＴｉＣ／ＷＣ＝５０／５０］粉末、および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表５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、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０～１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が８ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが６ｍｍ×１３ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度の２枚刃ボール形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）Ａ～Ｅをそれぞれ製造した。
　つぎに、これらの工具基体Ａ～Ｅを、図１Ａ及び図１Ｂに示すアークイオンプレーティング装置に装入し、次の条件でＡｒボンバードを施した。
　まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガス圧力：０．５～１．０Ｐａの雰囲気とすると共に、タングステンフィラメントに電流５０～６０Ａの条件下で１分のボンバード処理を３回繰り返し、工具基体表面に不可避的に付着している有機物等の汚染物を除去した。
　次いで、同じく表２に示す組成のターゲットを用い、同表２の成膜条件で所定の層厚の（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成することにより、本発明被覆工具１～１０を作製した。
　表２の成膜条件において、装置内の温度を従来（５００℃）よりも高めたのは、飛散した粒子が硬質被覆層に付着後、粒子の温度が融点以下に低下するまでの時間を長くすることが目的であり、これによって、アスペクト比が２．０以上の粒子が形成されやすくするためである。
　また、窒素及びメタンの合計ガス分圧を４～１０Ｐａの範囲内としたのは、窒素及びメタンの合計ガス分圧が４Ｐａ未満では、アークスポットの移動速度が相対的に遅く、断面長径が０．５μｍ以上の粒子が発生しやすくなり、この粒子は、（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層と比較して相対的に窒化の程度が少なく硬さが小さいため、硬質皮膜全体としての硬さが小さくなり切削加工時に耐摩耗性が低下する。一方、窒素及びメタンの合計ガス分圧が１０Ｐａを超えると、アークスポットの運動が不安定で成膜自体が困難になるとの理由による。
　なお、装置内の温度を従来（５００℃）よりも高くする際に、ターゲット前面に筒状ヒーターを設けることでターゲット前面の空間を高温にすることも有効である。これによりターゲットから発生する粒子が雰囲気中で凝固することを防ぐことができ、粒子は工具基体へ付着した際に工具基体の形状に沿って変形する。筒状ヒーターからの輻射熱による皮膜へのダメージは工具基体用治具に冷却機構を設けることで防ぐことができる。ターゲット前面の空間を加熱する筒状ヒーターはターゲットから見て基板方向に伸びており、長さはヒーターの先端がターゲット－工具基体間距離の２／３～３／４ほどの位置にあることが望ましい。長すぎると皮膜に輻射熱によるダメージが入り、一方で短すぎるとターゲット前面に存在する高温の空間が狭くなるため、工具基体付着前に粒子が凝固してしまう。ターゲット前面の空間を適切に加熱するためには、設置位置はターゲット表面から５０ｍｍ以内の位置が望ましく、例えば、アノード電極の前面などに設置すると良い。工具基体の冷却機構は、例えば、工具基体用治具に冷却水を流して冷却する方法がある。
　前記本発明被覆工具１～１０の（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層について、工具基体表面に垂直な硬質被覆層断面の組織観察と組成分析を、透過型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＴＥＭ－ＥＤＳ）を用いて行った。各本発明被覆工具における観察範囲は、工具基体表面と平行方向に２０μｍとする。硬質被覆層断面に対して０．０１μｍ以下の空間分解能の元素マッピングを行い、被覆した（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層の組成が規定の範囲内であることを確認し、同時に膜断面における点分析によって粒子の組成を分析した。
　次に、粒子の断面における最大径を断面長径とし、該断面長径をなす直線に直交する粒子幅の最大の値を粒子の断面短径とし、各粒子について断面長径、断面短径を求めるとともに、断面長径、断面短径から各々の粒子のアスペクト比（＝断面長径／断面短径）を求めた。
　また、各本発明被覆工具の観察範囲内に存在する粒子の全個数と、粒子を構成する構成元素の９０原子％以上はＣｒ、Ａｌ、Ｓｉのうち１種もしくは２種以上より選択された元素であり、かつ、Ａｌ含有量が５０原子％以下であり、かつ、断面長径が０．５μｍ未満であって、さらに、アスペクト比が２．０以上である粒子の個数をカウントすることにより、Ａｌ含有量が５０原子％以下であり、かつ、断面長径が０．５μｍ未満であり、さらに、アスペクト比が２．０以上である粒子の個数割合を算出した。
　さらに、観察範囲内に存在する全粒子について、それぞれの金属粒子の断面長径をなす直線が工具基材表面となす角度を求めるとともに、該角度が４５度以下の粒子については、各粒子の断面長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部で囲まれた面積Ａと、その直線と工具基体側の粒子外周部で囲まれた面積Ｂとを求め、ＡとＢを比較し、Ａ＞Ｂである粒子の個数割合を算出する。なお、面積Ａ及び面積Ｂを算出する方法は、以下の通りである。各粒子を撮影したＴＥＭ―ＥＤＳマッピング像を用いる。窒素量を分析したマッピング像を用いることで、粒子と硬質被覆層の境界を区別できる。粒子の外周部を選択し、囲まれた面積は、画像解析ソフト（例えば、Ａｄｏｂｅ　Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐなど）を用いて算出できる。算出した面積をＡとする。また、粒子の断面長径及び工具基体側の粒子外周部を選択し、囲まれた面積について画像解析ソフトを用いて算出し、これを面積Ｂとする。本方法を各粒子で行い、Ａ＞Ｂである粒子の個数割合を算出した。
　表３に、これらの測定値、算出値をそれぞれ示す。
　図２Ａ～図２Ｅに、一例として本発明被覆工具８の（Ａｌ０．６３Ｃｒ０．２７Ｓｉ０．１０）Ｎ層の断面について測定したＴＥＭ－ＥＤＳマッピング像を示す。
　また、図３Ａおよび図３Ｂに、同じく本発明被覆工具８の（Ａｌ０．６３Ｃｒ０．２７Ｓｉ０．１０）Ｎ層の断面に存在する粒子について測定した組成分析結果を示す。
　次に、比較の目的で、前記アークイオンプレーティング装置を用いて、工具基体Ａ～Ｅの表面に、実施例と同様な条件で、Ｔｉボンバードを施し、次いで、表４に示す条件で、粒子が分散分布した所定の層厚の（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成することにより、比較被覆工具１～１０を作製した。
　比較被覆工具１～１０の（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層についても、その断面をＴＥＭ－ＥＤＳによって観察し、膜断面における点分析によって粒子の組成を分析し、粒子のうち、Ａｌ含有量が５０原子％以下であり、断面長径が０．５μｍ未満であり、かつ、アスペクト比が２．０以上である粒子が、粒子全個数に占める個数割合を測定し、また、測定範囲内に存在する粒子について、それぞれの粒子の断面長径をなす直線が工具基材表面となす角度を求めるとともに、該角度が４５度以下の粒子については、各粒子の断面長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部で囲まれた面積Ａと、その直線と工具基体側の粒子外周部で囲まれた面積をＢとを求め、ＡとＢの対象を比較し、Ａ＞Ｂである粒子の、測定範囲内に存在する全粒子に占める個数割合を算出した。
　表５に、これらの値をそれぞれ示す。
　また、本発明被覆工具１～１０および比較被覆工具１～１０の硬質皮膜の層厚を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定したところ、いずれも表３、表５に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　つぎに、前記本発明被覆工具１～１０および比較被覆工具１～１０について、以下に示す条件で、ミーリング切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
　被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５２）のブロック材
　回転速度：１７０００／ｍｉｎ．、
　切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
　切り込み：ａｐ　２．０ｍｍ、ａｅ　０．３ｍｍ
　送り速度（１刃当り）：０．０６ｍｍ／刃、
　切削油剤：エアー、
　切削長：３００ｍ、
　表６に、前記切削試験の結果を示すとともに、チッピング、溶着発生の有無を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表３、６に示される結果から、本発明の被覆工具１～１０は、硬質皮膜の（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）（Ｃ、Ｎ）層、または（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）Ｎ層中に、構成元素の９０原子％以上がＣｒ、Ａｌ、Ｓｉのうち１種もしくは２種以上より選択された元素である粒子が存在し、かつ、該粒子中のＡｌ含有量が５０原子％以下であり、かつ、断面長径が０．５μｍ未満であり、さらに、アスペクト比が２．０以上である粒子が、粒子全個数に占める個数割合は９０％以上であることから、ミーリング加工においてすぐれた耐チッピング性、耐溶着性を示すとともに、すぐれた耐摩耗性を示した。
　また、本発明の被覆工具１～３、５～１０は、前記粒子のうち、粒子の断面長径をなす直線が工具基材表面となす角度が４５度以下、かつ、該長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部で囲まれた面積をＡ、その直線と工具基体側の粒子外周部で囲まれた面積をＢとした場合、Ａ＞Ｂである粒子が、粒子全個数に占める個数割合で８０％以上であることから、ミーリング加工においてより一段とすぐれた耐チッピング性、耐溶着性を示し、その結果、長期にわたってすぐれた耐摩耗性を示した。
　これに対して、比較被覆工具１～６、８は、硬質皮膜中に粒子は形成されるものの、該粒子中のＡｌ含有量が５０原子％以下であり、かつ、断面長径が０．５μｍ未満であり、かつ、アスペクト比が２．０以上である粒子の個数割合が本願発明で規定する範囲から外れるため、ミーリング加工において、チッピング、溶着等の発生により短時間で寿命にいたることが明らかである。さらに、比較被覆工具１、２、５、６、８は粒子の断面長径をなす直線が工具基材表面となす角度が４５度以下であって、かつ、該長径をなす直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部で囲まれた面積Ａと該長径をなす直線と工具基体側の粒子外周部で囲まれた面積ＢがＡ＞Ｂの関係を満たさないために、ミーリング加工において、チッピング、溶着等の発生により、さらに短時間で寿命にいたることが明らかである。
　また、比較被覆工具７、９、１０は、硬質被覆層中に粒子は形成されるものの、硬質被覆層の組成、または、層厚が本願発明で規定する範囲から外れるため、ミーリング加工において、チッピングの発生により短時間で寿命にいたることが明らかである。
　前述のように、本発明の被覆工具は、例えば、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材の高速切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐溶着性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、他の被削材の切削加工、他の条件での切削加工で使用することも勿論可能である。
　また前記実施例では１層からなる硬質皮膜にて説明したが、硬質皮膜が２以上の層から成る場合であっても、少なくとも１層が前記実施例に記載の皮膜であれば同様の効果を奏するものである。
　１　　アークイオンプレーティング装置
　２　　回転テーブル
　３　　電磁コイル
　４Ａ　　カソード電極（ＡｌＣｒＳｉ合金）
　４Ｂ　　カソード電極（ターゲット）（ＡｌＣｒＳｉ合金もしくは下部層成膜用ターゲット）
　５　　アノード電極
　６　　ヒーター
　７　　筒状ヒーター
　８　　工具基体用治具
　９　　基体
　１０　　冷却水
　１１　　アーク電源
　１２　　バイアス電源
　１３　　反応ガス
　１４　　排ガス
　１５　　粒子
　１６　　測定箇所
　Ｗ１　　ターゲット表面から筒状ヒーター先端面までの距離（例えばターゲット－基板距離の２／３程度の長さ）
　Ｗ２　　ターゲット表面から筒状ヒーター後端面前の距離（例えば５０ｍｍ以内）

Claims (8)

  1. 　炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質皮膜が形成されている表面被覆切削工具において、
    　（ａ）前記硬質皮膜は１または２以上の層から形成され、その少なくとも１層は、平均組成式：（Ａｌ１－ｘ－ｙＣｒｘＳｉｙ）（ＣｚＮ１－ｚ）（但し、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比であって、０．１≦ｘ≦０．４、０．０１≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．３）を満足する平均層厚０．５～８．０μｍのＡｌとＣｒとＳｉの複合窒化物層または複合炭窒化物層からなる硬質被覆層であり、
    　（ｂ）前記硬質被覆層は、１０原子％未満のＣおよびＮから選ばれる１種以上からなる非金属成分と、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素である金属成分とからなる複数の粒子を含み、
    　（ｃ）前記複数の粒子のうち、Ａｌ含有量は５０原子％以下であり、前記工具基体の表面に対して垂直な断面における長径が０．５μｍ未満であって、さらに、アスペクト比が２．０以上である偏平粒子は、前記複数の粒子の全個数に対して、個数割合で９０％以上を前記断面中で占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
  2. 　前記硬質皮膜の前記工具基体の表面に対して垂直な断面で、前記硬質被覆層に含有される前記偏平粒子を観察したときに、前記偏平粒子のそれぞれにおいて、前記長径をなす直線が工具基材表面となす角度は４５度以下であり、かつ、前記直線と硬質皮膜表面側の粒子外周部とで囲まれた面積をＡ、前記直線と工具基体側の粒子外周部とで囲まれた面積をＢとした場合、Ａ＞Ｂである粒子が、前記偏平粒子の全個数に対して個数割合で８０％以上を占めることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
  3. 　前記硬質被覆層の平均層厚が、０．７～７．５μｍである請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
  4. 　前記硬質被覆層が、前記硬質皮膜の最外層である請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
  5. 　前記硬質被覆層が、前記硬質皮膜の最外層である請求項３記載の表面被覆切削工具。
  6. 　前記非金属成分の含有量が、０．５原子％以上１０原子％未満である請求項１記載の表面被覆切削工具。
  7. 　前記金属成分のＡｌ含有量が、０．５原子％以上２０原子％以下である請求項１記載の表面被覆切削工具。
  8. 　前記断面における、前記複数の粒子の面積当たりの個数は、１個／μｍ２～５個／μｍ２である請求項１記載の表面被覆切削工具。
PCT/JP2016/051843 2015-01-22 2016-01-22 表面被覆切削工具 WO2016117681A1 (ja)

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