WO2018042740A1 - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐剥離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、耐剥離性を発揮する表面被覆切削工具 Download PDF

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光亮 柳澤
翔 龍岡
佐藤　賢一
西田　真
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三菱マテリアル株式会社
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    • B23B2224/32—Titanium carbide nitride (TiCN)

Definitions

  • the present invention for example, with high heat generation such as cast iron, stainless steel, etc., and high-speed intermittent cutting in which a high load of intermittent and impact acts on the cutting blade, chipping resistance with excellent hard coating layer,
  • the present invention relates to a surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as a coated tool) that has peeling resistance and exhibits excellent cutting performance over a long period of use.
  • tungsten carbide hereinafter referred to as WC
  • TiCN titanium carbonitride
  • cBN cubic boron nitride
  • a coated tool in which a Ti—Al-based composite nitride layer is formed by physical vapor deposition on the surface of a tool base (hereinafter collectively referred to as a tool base) as a hard coating layer, These are known to exhibit excellent wear resistance.
  • the conventional coated tool with the Ti-Al composite nitride layer is relatively excellent in wear resistance, but causes abnormal wear such as chipping and peeling when used under high-speed intermittent cutting conditions. Therefore, various proposals have been made for improving the hard coating layer.
  • Patent Document 1 discloses that the value of the Al content ratio x is 0.65 to 0.6 by performing chemical vapor deposition in a temperature range of 650 to 900 ° C. in a mixed reaction gas of TiCl 4 , AlCl 3 , and NH 3.
  • a (Ti 1-x Al x ) N layer having a thickness of 0.95 can be formed by vapor deposition
  • this reference further describes an Al 2 O 3 layer on the (Ti 1-x Al x ) N layer. Is intended to enhance the heat insulation effect, but by forming a (Ti 1-x Al x ) N layer in which the value of the Al content ratio x is increased to 0.65 to 0.95, cutting is performed. It has not been clarified how it affects performance.
  • Patent Document 2 a TiCN layer and an Al 2 O 3 layer are used as an inner layer, and a cubic structure (Ti 1-x Al) including a cubic structure or a hexagonal structure is formed thereon by chemical vapor deposition.
  • x ) N layer (wherein x is 0.65 to 0.90 in atomic ratio) is coated as an outer layer, and a compressive stress of 100 to 1100 MPa is applied to the outer layer, whereby the heat resistance and fatigue strength of the coated tool It has been proposed to improve.
  • Patent Document 3 describes a method of depositing a crystalline ⁇ -Al 2 O 3 layer on a cutting tool insert by chemical vapor deposition at a low temperature (625 to 800 ° C.) and a cutting tool produced by this method. Yes.
  • a gas mixture preferably containing CO 2 and H 2 or O 2 and H 2.
  • the present invention has excellent chipping resistance and peeling resistance even when it is subjected to high-speed intermittent cutting in which a high load of intermittent and shock acts on a cutting edge of cast iron, stainless steel or the like.
  • Another object of the present invention is to provide a coated tool that exhibits excellent wear resistance over a long period of use.
  • the present inventors have at least a composite nitride or composite carbonitride of Ti and Al (hereinafter referred to as “(Ti, Al) (C, N)” or “(Ti 1-x Al x ) ( It includes C y N 1-y) is be represented by ”) layer as a lower layer, also, Al 2 O 3 layer having a alpha-type crystal structure as the upper layer (hereinafter, simply" ⁇ -Al 2 O 3 layer
  • the following knowledge was obtained. .
  • the present inventors have a cubic structure. Since the (Ti, Al) (C, N) layer is a metastable phase, a hexagonal crystal is formed in the (Ti, Al) (C, N) layer at a film forming temperature of about 1000 ° C. for the ⁇ -Al 2 O 3 layer. Phase separation of AlN in the structure occurs, and sufficient hardness cannot be obtained in the (Ti, Al) (C, N) layer.
  • a TiCN layer is formed between the lower (Ti, Al) (C, N) layer and the ⁇ -Al 2 O 3 layer under normal film formation temperature conditions in order to increase the adhesion strength of both layers.
  • the TiCN layer is formed at a temperature of about 1000 ° C., and the phase separation of the AlN phase having a hexagonal structure occurs in the lower (Ti, Al) (C, N) layer, resulting in a hard coating. It has been found that sufficient hardness cannot be obtained as a whole layer.
  • the present inventors further studied to improve the adhesion strength between the (Ti, Al) (C, N) layer and the ⁇ -Al 2 O 3 layer.
  • the cubic (Ti, Al) ( A TiCN layer is formed under a relatively low temperature film formation condition (hereinafter referred to as a TiCN layer formed under a relatively low temperature film formation condition).
  • TiCN layer to improve the adhesion strength at the interface between the TiCN layer and the ⁇ -Al 2 O 3 layer, a TiCN layer near the surface in contact with the interface between the ⁇ -Al 2 O 3 layers
  • oxygen-containing TiCN layer hereinafter sometimes referred to as an “oxygen-containing TiCN layer”
  • ⁇ -Al 2 O 3 layer which is an upper layer
  • the coated tool of the present invention provided with the hard coating layer composed of the lower layer, the adhesion layer, and the upper layer is a high-speed intermittent cutting in which an intermittent / impact high load acts on a cutting blade of cast iron, stainless steel, or the like. Even when it is used, it has excellent chipping resistance and peeling resistance, and can exhibit excellent wear resistance over a long period of use.
  • the present invention has been made based on the above findings, “(1) An upper layer ⁇ , an adhesion layer ⁇ , and a lower layer on the surface of a tool base made of tungsten carbide-based cemented carbide, titanium carbonitride-based cermet, or cubic boron nitride-based ultrahigh-pressure sintered body
  • a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer including at least three layers of ⁇ is formed
  • the upper layer ⁇ is composed of an Al 2 O 3 layer having an ⁇ -type crystal structure having an average layer thickness of 1.0 to 10 ⁇ m
  • the adhesion layer ⁇ has a total average layer thickness of 0.5 to 10.0 ⁇ m, and the outermost layer of the adhesion layer ⁇ in contact with the interface with the upper layer ⁇ is at least 0.5 ⁇ m or more At least a TiCN layer having a thickness;
  • Oxygen is contained at a depth of up to 0.5 ⁇ m from the interface between the TiCN layer and the
  • the average oxygen content is 0.5-3 atomic% of the total content of Ti, C, N, O contained in the depth region
  • the lower layer ⁇ is composed of a composite nitride or composite carbonitride layer of Ti and Al having an average layer thickness of 1.0 to 20 ⁇ m
  • the composite nitride or composite carbonitride layer of Ti and Al is composed of a single phase of a NaCl type face centered cubic structure
  • the average content ratio X avg in the amount and the average content ratio Y avg in the total amount of C and N of C (where X avg and Y avg are atomic ratios) are respectively 0.60 ⁇ X avg ⁇ 0 .95, 0 ⁇ Y avg ⁇ 0.005, a surface
  • the average content ratio X avg occupying the total amount of Ti and Al in the composite nitride of Ti and Al or the composite carbonitride layer in the lower layer ⁇ is 0.70 ⁇ X avg ⁇ 0.95
  • the adhesion layer ⁇ further includes one or more layers selected from a Ti carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbonate layer, and a carbonitride oxide layer.
  • the surface-coated cutting tool according to any one of (1) to (3).
  • the adhesion layer ⁇ further includes a composite nitride or composite carbonitride layer of Ti and Al, and an average layer thickness L avg ( ⁇ m) of the composite nitride or composite carbonitride layer of Ti and Al is 0.30 ⁇ L avg ⁇ 5.0, and the Ti and Al composite nitride or carbonitride layer occupies the total amount of Ti Ti and Al in each section divided by [L avg ] +2
  • X ⁇ avg ⁇ avg ⁇ X avg in each section is satisfied, and X ⁇ avg in the section on the surface side is equal to or smaller than X ⁇ avg in the section on the substrate side
  • the surface-coated cutting tool according to any one of (1) to (4).
  • a lowermost layer ⁇ exists between the tool base and the lower layer ⁇ , and the lowermost layer ⁇ is a composite nitride or composite carbonitride of Ti and Al having a composition different from that of the lower layer ⁇ .
  • the surface-coated cutting tool according to any one of (1) to (6) above, " It has the characteristics.
  • drawing. 1 to 5 show some specific examples of the layer structure of the hard coating layer of the coated tool of the present invention.
  • the upper layer ⁇ is composed of an ⁇ -Al 2 O 3 layer
  • the adhesion layer ⁇ is composed only of a TiCN layer containing a predetermined amount of oxygen (however, the layer thickness is 0.5 ⁇ m)
  • the lower layer ⁇ Shows an example of a layer structure of a hard coating layer composed of (Ti, Al) (C, N) layers.
  • the upper layer ⁇ is an ⁇ -Al 2 O 3 layer and the lower layer ⁇ is a (Ti, Al) (C, N) layer, but there are various adhesion layers ⁇ . The aspect of is shown.
  • the adhesion layer ⁇ contains oxygen at a depth of up to 0.5 ⁇ m from the interface with the upper layer ⁇ to the inside of the TiCN layer in the layer thickness direction, and is contained in the depth region.
  • the average oxygen content is 0.5-3 atomic% of the total content of Ti, C, N, and O contained in the depth region, and oxygen is not actively introduced. It is composed of a normal TiCN layer.
  • the adhesion layer ⁇ includes an oxygen-containing TiCN layer, a TiCN layer, and a Ti compound layer (TiC layer, TiN layer, TiCN layer, TiCO layer, and TiCNO layer selected from one layer or two layers).
  • the adhesion layer ⁇ is formed of an oxygen-containing TiCN layer, a TiCN layer, and a (Ti, Al) (C, N) layer.
  • the average layer thickness L avg ( ⁇ m) in the layer satisfies 0.30 ⁇ L avg ⁇ 5.0.
  • the average content ratio X ⁇ avg in the total amount of Ti and Al in each section divided into [L avg ] +2 for the Ti and Al composite nitride or composite carbonitride layer is X Betaavg meet ⁇ X avg, or equivalent X Betaavg of surface interval compared to X Betaavg of the base side section, it is necessary to become smaller, in this sense, the structure layer of the adhesive layer ⁇ in FIG. 4 A certain (Ti, Al) (C, N) layer is indicated by “(Ti, Al) (C, N) * layer”.
  • [L avg ] represents a Gaussian symbol.
  • the adhesion strength at the interface is ensured by relaxing and chipping resistance and peel resistance are improved.
  • the Al content in the adhesion layer ⁇ composed of the (Ti, Al) (C, N) layer is gradually continuous or discontinuous in the layer thickness direction from the lower layer ⁇ side to the upper layer ⁇ side. manner can also take the decreasing value satisfies X ⁇ avg ⁇ X avg of each section, or equivalent compared to the X Betaavg more X Betaavg surface side of the interval of the base side section, meet more smaller relation Just do it.
  • FIG. 5 corresponds to the layer structure of the embodiment shown in FIG. 4 in which a lowermost layer ⁇ is further interposed between the tool base and the lower layer ⁇ .
  • the lowermost layer ⁇ is one or two layers selected from a (Ti, Al) (C, N) layer, a TiC layer, a TiN layer, a TiCN layer, a TiCO layer, and a TiCNO layer having a composition different from that of the lower layer ⁇ .
  • the lowermost layer ⁇ a (Ti, Al) (C, N) layer is formed, and the average content of the Ti and Al content in Al in each section obtained by dividing the layer into [L avg ] +2 taking the ratio X Derutaavg, meets X ⁇ avg ⁇ X avg of each section, X Derutaavg more surface-side section is equal to or than the X Derutaavg of the base side section, it is necessary to satisfy the greater .
  • the Al content in the lowermost layer ⁇ composed of (Ti, Al) (C, N) layers is gradually continuous or discontinuous in the layer thickness direction from the tool base side toward the lower layer ⁇ side.
  • the upper layer ⁇ of the present invention exhibits excellent high-temperature hardness and high-temperature oxidation resistance by being composed of ⁇ -Al 2 O 3 layers, but when the average layer thickness of the upper layer ⁇ is less than 1.0 ⁇ m. Cannot exhibit excellent wear resistance over a long period of time. On the other hand, if the average layer thickness of the upper layer ⁇ exceeds 10 ⁇ m, chipping is likely to occur, so the average layer thickness of the upper layer ⁇ is 1.0 ⁇ m to 10 ⁇ m. As described above, in order to prevent the phase separation of the hexagonal AlN phase in the lower layer ⁇ made of the (Ti, Al) (C, N) layer, the formation of the upper layer ⁇ is performed at the conventional film formation temperature.
  • ⁇ -Al 2 O 3 initial nucleation conditions Reaction gas composition (volume%): AlCl 3 1 to 3%, CO 2 1 to 5%, HCl 0.3 to 1.0%, balance H 2 Reaction atmosphere pressure: 5.0 to 15.0 kPa, Reaction atmosphere temperature: 800-900 ° C ⁇ -Al 2 O 3 growth conditions> Reaction gas composition (volume%): AlCl 3 1.5 to 5.0%, CO 2 2 to 8%, HCl 3 to 8%, H 2 S 0.5 to 1.0%, balance H 2 Reaction atmosphere pressure: 5.0 to 15.0 kPa, Reaction atmosphere temperature: 800-900 ° C An initial nucleation stage of the ⁇ -Al 2 O 3, a chemical vapor deposition in two steps that growth stage of the ⁇ -Al 2 O 3, to form an upper layer alpha consisting ⁇ -Al 2 O 3 layer it can.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer When the ⁇ -Al 2 O 3 layer is formed at a relatively low temperature (800 to 900 ° C.), chlorine, which is a reaction gas component, is mixed into the layer. It is not essential to mix chlorine into the ⁇ -Al 2 O 3 layer. However, if the chlorine content in the layer is 0.05 atomic% or more, the ⁇ -Al 2 O 3 layer becomes lubricious. When it is subjected to intermittent cutting in which a mechanical impact acts on the cutting edge, it absorbs the mechanical impact and exhibits an effect of suppressing abnormal damage such as chipping. On the other hand, if the chlorine content is excessively greater than 0.5 atomic%, the wear resistance of the ⁇ -Al 2 O 3 layer is deteriorated. Therefore, the chlorine content in the upper layer ⁇ composed of the ⁇ -Al 2 O 3 layer is preferably 0.05 to 0.5 atomic%.
  • Adhesion layer ⁇ As described above, the adhesion layer ⁇ needs to have a total average layer thickness of 0.5 to 10.0 ⁇ m, and the layer in contact with the interface with the upper layer ⁇ is at least an oxygen-containing TiCN layer. is required. If the total average layer thickness of the adhesion layer ⁇ is less than 0.5 ⁇ m, the adhesion between the lower layer ⁇ and the upper layer ⁇ cannot be ensured, while if it exceeds 10.0 ⁇ m, the cutting edge is particularly hot. In heavy cutting / intermittent cutting, thermoplastic deformation is likely to occur, and abnormal damage such as uneven wear and accompanying chipping is likely to occur. Therefore, the total average layer thickness of the adhesion layer ⁇ is set to 0.5 to 10.0 ⁇ m.
  • Oxygen-containing TiCN layer in the adhesion layer ⁇ The adhesion layer ⁇ is in contact with the interface with the upper layer ⁇ , and forms an oxygen-containing TiCN layer containing oxygen at a depth of up to 0.5 ⁇ m inside the TiCN layer in the layer thickness direction.
  • the average oxygen content contained in the depth region is 0.5 to 3 atomic% of the total content of Ti, C, N, and O contained in the depth region.
  • the thickness of the oxygen-containing TiCN layer exceeds 0.5 ⁇ m
  • the outermost surface texture form of the oxygen-containing TiCN layer is Since it changes from a columnar structure to a granular structure, it tends to cause thermoplastic deformation, and abnormal damage such as uneven wear and chipping is likely to occur. Therefore, the maximum thickness of the oxygen-containing TiCN layer The depth) is 0.5 ⁇ m.
  • the average oxygen content in the oxygen-containing TiCN layer is less than 0.5 atomic%, sufficient adhesion strength with the upper layer ⁇ formed at a relatively low temperature condition cannot be expected, while the average oxygen content is If it exceeds 3 atomic%, the high-temperature strength and wear resistance of ⁇ -Al 2 O 3 constituting the upper layer ⁇ are lowered, and sufficient cutting performance cannot be exhibited. Therefore, in the adhesion layer ⁇ , the maximum thickness of the oxygen-containing TiCN layer formed in contact with the upper layer ⁇ is 0.5 ⁇ m, and the average oxygen content in the oxygen-containing TiCN layer is 0.5 to 3 atoms. %.
  • the adhesion layer ⁇ is a (Ti, Al) (C, N) layer, a Ti carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, as illustrated in FIGS.
  • a Ti carbide layer a Ti carbide layer
  • a nitride layer a carbonitride layer
  • a carbonitride layer a carbonitride layer
  • a carbonitride oxide layer a carbonitride oxide layer. In this case, the adhesion between the adhesion layer ⁇ and the lower layer ⁇ is improved. Further, as shown in FIGS.
  • the average layer thickness L avg ( ⁇ m) in the layer satisfies 0.30 ⁇ L avg ⁇ 5.0, composite nitride of the Ti and Al or to complex carbonitride layer [L avg] taking an average content ratio X Betaavg occupied in +2 divided each section to the total amount of Ti and Al Al, X ⁇ avg of each section ⁇ X avg must be satisfied, and X ⁇ avg in the section on the surface side should be equal to or smaller than X ⁇ avg in the section on the substrate side.
  • the (Ti, Al) (C, N) layer in the adhesion layer ⁇ is also formed as a single phase of a cubic structure, This is because the wear resistance of the entire hard coating layer is improved by ensuring the hardness of both the lower layer ⁇ and the adhesion layer ⁇ .
  • the Al content in the adhesion layer ⁇ composed of the (Ti, Al) (C, N) layer is not necessarily constant along the layer thickness direction, and goes from the lower layer ⁇ side to the upper layer ⁇ side. Accordingly, a value that decreases gradually or continuously in the layer thickness direction can be taken.
  • adhesion layer ⁇ As in the case of the upper layer ⁇ , the adhesion layer ⁇ is formed under a low temperature condition in consideration of the thermal effect on the lower layer ⁇ so that the lower layer ⁇ undergoes phase separation and does not generate a hexagonal AlN phase. is necessary.
  • Reaction gas composition volume%): TiCl 4 2.0-6.0%, C 2 H 4 2.0-3.0, NH 3 0.5-1.0%, N 2 10.0-20. 0%, balance H 2 , Reaction atmosphere temperature: 800-900 ° C Reaction atmosphere pressure: 6 to 10 kPa
  • the film can be formed by chemical vapor deposition under the conditions.
  • An oxygen-containing TiCN layer can be formed by performing chemical vapor deposition in a reaction gas atmosphere under conditions of a reaction atmosphere temperature of 800 to 900 ° C. and a reaction atmosphere pressure of 6 to 10 kPa.
  • Lower layer ⁇ The (Ti, Al) (C, N) layer shown as the lower layer ⁇ in FIGS. 1 to 5 forms a hexagonal AlN phase by forming the upper layer ⁇ and the adhesion layer ⁇ under low temperature conditions. It is a layer that maintains a high-temperature hardness composed of a single-phase NaCl-type face-centered cubic structure.
  • the lower layer ⁇ has an average layer thickness of 1.0 to 20 ⁇ m. If the average layer thickness is less than 1.0 ⁇ m, the wear resistance cannot be exhibited over a long period of use. If the thickness exceeds 20 ⁇ m, chipping tends to occur.
  • the lower layer ⁇ is composed of a single phase of an NaCl type face-centered cubic structure since both the adhesion layer ⁇ and the upper layer ⁇ are formed at a low temperature.
  • the average composition of the lower layer ⁇ composed of the (Ti, Al) (C, N) layer is represented by (Ti 1-x Al x ) (C y N 1-y )
  • the total amount of Ti in Ti and Al The average content ratio X avg and the average content ratio Y avg occupying the total amount of C and N in C (where X avg and Y avg are atomic ratios) are respectively 0.60 ⁇ X avg ⁇ 0.95 , 0 ⁇ Y avg ⁇ 0.005 is necessary.
  • the average content ratio X avg of Al is preferably 0.7 ⁇ X avg ⁇ 0.95, which is a hardness close to the maximum hardness when the average content ratio X avg of Al is 0.7 or more. Is obtained.
  • the average content ratio Y avg in the total amount of C and N in C is a very small amount in the range of 0 ⁇ Y avg ⁇ 0.005
  • the tool base or the adhesion layer ⁇ or the lowermost layer ⁇
  • the adhesion is improved and the lubricity is improved, so that the impact at the time of cutting is reduced.
  • the chipping resistance and chipping resistance of the entire hard coating layer are improved.
  • the average content ratio Y avg of C is out of the range of 0 ⁇ Y avg ⁇ 0.005
  • the toughness of the (Ti, Al) (C, N) layer is lowered, so that the fracture resistance and chipping resistance are reversed. It is not preferable because it is lowered. Therefore, the average content ratio Y avg of C was determined as 0 ⁇ Y avg ⁇ 0.005.
  • the (Ti, Al) (C, N) layer in the lower layer ⁇ is analyzed from an arbitrary cross section perpendicular to the surface of the tool base, a NaCl-type face-centered cubic having a periodic composition change of Ti and Al.
  • the (Ti, Al) (C, N) layer is formed by supplying the reaction gas group A and the gas group B so that there is a difference in the time to reach the tool substrate surface.
  • a local concentration difference between Ti and Al can be formed, and the angle between the periodic concentration change direction and the plane perpendicular to the tool substrate surface is stabilized within 30 degrees.
  • the periodic concentration change in a direction within 30 degrees with respect to the surface perpendicular to the surface of the tool base causes the development of cracks in the direction perpendicular to the base caused by shearing force acting on the surface where wear proceeds during cutting. Suppresses and improves toughness, but if the angle formed by the direction of periodic concentration change with respect to the surface perpendicular to the tool base surface exceeds 30 degrees, the effect of suppressing the progress of cracks in the direction perpendicular to the base is effective. It cannot be expected, and the effect of improving toughness cannot be expected.
  • the NaCl type face-centered cubic structure in which the direction in which the period of the periodic composition change in the crystal grain is the minimum is the direction within 30 degrees with respect to the plane perpendicular to the tool base surface. It is desirable for the crystal grains to be present.
  • the lower layer ⁇ can be formed by, for example, a thermal CVD method using NH 3 under the film formation conditions described below.
  • Reaction gas composition (volume%): Gas group A: NH 3 : 2.0 to 3.0%, H 2 : 65 to 75%, Gas group B: AlCl 3 : 0.6 to 0.9%, TiCl 4 : 0.1 to 0.4%, N 2 : 0.0 to 12.0%, C 2 H 4 : 0 to 0.5 %, H 2 : remaining, Reaction atmosphere pressure: 4.5 to 5.0 kPa, Reaction atmosphere temperature: 700 to 900 ° C.
  • Supply cycle of gas group A and gas group B 1 to 5 seconds, Gas supply time per cycle: 0.15 to 0.25 seconds, Phase difference between supply of gas group A and supply of gas group B: 0.10 to 0.20 seconds
  • Bottom layer ⁇ A lowermost layer ⁇ exists between the tool base and the lower layer ⁇ , and the lowermost layer ⁇ is a (Ti, Al) (C, N) layer having a composition different from that of the lower layer ⁇ , and Ti carbide.
  • the lowermost layer having one or more layers selected from a layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbonate layer and a carbonitride layer and having a total average layer thickness of 0.1 to 10 ⁇ m
  • ⁇ is formed with a total average layer thickness of 0.1 to 10 ⁇ m, it has an effect of further increasing the adhesion strength between the tool base and the lower layer ⁇ .
  • the (Ti, Al) (C, N) layer in the lowermost layer ⁇ is also formed as a single phase having a cubic structure. This is because the adhesion between the tool base and the lower layer ⁇ is ensured, and the chipping resistance and peeling resistance of the hard coating layer as a whole are improved.
  • the Al content in the lowermost layer ⁇ composed of the (Ti, Al) (C, N) layer does not necessarily have to be constant along the layer thickness direction, and goes from the tool base side to the lower layer ⁇ side. Accordingly, it is also possible to take a value that increases gradually or discontinuously in the layer thickness direction, and in this case, it is possible to ensure better adhesion strength between the tool base and the lower layer ⁇ .
  • the present invention relates to a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is provided on the surface of a tool base.
  • the hard coating layer is a single-phase (Ti, Al) NaCl-type face-centered cubic structure formed by chemical vapor deposition.
  • a lower layer ⁇ composed of a (C, N) layer, an adhesion layer ⁇ formed thereon at a low temperature condition (800 to 900 ° C.), and a film formed thereon at a low temperature condition (800 to 900 ° C.).
  • the upper layer ⁇ composed of the ⁇ -Al 2 O 3 layer formed at least, and the adhesion layer ⁇ and the upper layer ⁇ are formed under film formation conditions at a relatively low temperature (800 to 900 ° C.),
  • the lower layer ⁇ becomes a single phase of an NaCl type cubic structure, can suppress the occurrence of phase separation of the hexagonal AlN phase and maintain high hardness.
  • an oxygen-containing TiCN layer having excellent adhesion with the upper layer ⁇ is formed between the upper layer ⁇ and the adhesion layer ⁇ formed under low temperature conditions, chipping and peeling occur. Is suppressed. Therefore, the coated tool of the present invention provided with the above hard coating layer can be used for a long period of time without causing chipping, peeling, etc.
  • the lower layer ⁇ of the hard coating layer there is a periodic composition change of Ti and Al, and the direction in which the period of the periodic composition change is minimum is a plane perpendicular to the tool base surface. Cracks in the direction perpendicular to the tool base caused by shearing force acting on the surface where wear progresses during cutting when there are crystal grains having a NaCl-type face-centered cubic structure whose angle is within 30 degrees. Suppressing the progress of toughness improves toughness and further improves chipping resistance and peel resistance.
  • mode of the longitudinal cross-sectional schematic diagram of the layer structure of the hard coating layer of this invention is shown.
  • a tungsten carbide base cemented carbide hereinafter referred to as “WC base cemented carbide” or a titanium carbonitride based cermet (hereinafter referred to as “TiCN base cermet”) is used as a tool base.
  • WC base cemented carbide tungsten carbide base cemented carbide
  • TiCN base cermet titanium carbonitride based cermet
  • WC powder, TiC powder, TaC powder, NbC powder, Cr 3 C 2 powder and Co powder all having an average particle diameter of 1 to 3 ⁇ m are prepared, and these raw material powders are blended as shown in Table 1. Blended into the composition, added with wax, mixed in a ball mill in acetone for 24 hours, dried under reduced pressure, pressed into a compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa, and the compact was 1370 in a vacuum of 5 Pa.
  • Mo 2 C powder Mo 2 C powder
  • ZrC powder ZrC powder
  • NbC powder WC powder
  • Co powder all having an average particle diameter of 0.5 to 2 ⁇ m.
  • Ni powder are prepared, these raw material powders are blended in the blending composition shown in Table 2, wet mixed by a ball mill for 24 hours, dried, and then pressed into a compact at a pressure of 98 MPa.
  • the body was sintered in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa at a temperature of 1500 ° C. for 1 hour, and after sintering, a tool base D made of TiCN-based cermet having an ISO standard SEEN1203AFSN insert shape was produced.
  • a normal chemical vapor deposition apparatus is used on the surfaces of these tool bases A to D, and either one of the Ti compound layer, the (Ti, Al) (C, N) layer, or both layers are formed as the lowermost layer. Formed as ⁇ .
  • the lowermost layer ⁇ as the Ti compound layer forms the Ti compound layer shown in Table 6 under the conditions shown in Table 3, and the (Ti, Al) (C, N) layer.
  • the (Ti, Al) (C, N) layer shown in Table 6 was formed under the gas conditions shown in Table 4 and the formation conditions shown in Table 5.
  • both the Ti compound layer and the (Ti, Al) (C, N) layer were formed as the lowermost layer ⁇ .
  • the gas conditions and the formation conditions are the same as those at the initial film formation as shown in Tables 4 and 5.
  • the Al content ratio in the (Ti, Al) (C, N) layer increases gradually or continuously in a stepwise manner from the tool substrate surface toward the lower layer ⁇ .
  • Ti, Al) (C, N) layers were deposited.
  • a chemical vapor deposition apparatus is used on the surface of these lowermost layers ⁇ , and under the gas conditions A ⁇ to E ⁇ shown in Table 7 and under the formation conditions A ⁇ to E ⁇ shown in Table 8, NaCl type face-centered cubics.
  • a lower layer ⁇ composed of a structural single phase (Ti, Al) (C, N) layer was formed. That is, according to the formation conditions A ⁇ to E ⁇ shown in Tables 8 and 9, a gas group A composed of NH 3 and H 2 and a gas group composed of TiCl 4 , AlCl 3 , N 2 , C 2 H 4 and H 2.
  • the reaction gas composition (volume% with respect to the total of the gas group A and the gas group B) is set as NH 3 : 2.0 to 3.0%, H 2 as the gas group A.
  • reaction atmosphere pressure 4.5 to 5.0 kPa
  • reaction atmosphere temperature 700 to 900 ° C.
  • gas supply time per cycle 0. 15 to 0.25 seconds
  • phase difference between supply of gas group A and supply of gas group B 0.10 to 0.20 As a predetermined time, by thermal CVD method, it is shown in Table 14 (Ti, Al) and (C, N) lower layer consisting of layers ⁇ formed.
  • an adhesion layer ⁇ was formed on the surface of the lower layer ⁇ .
  • the adhesion layer ⁇ any one of a Ti compound layer, a (Ti, Al) (C, N) layer, or both layers can be formed.
  • a Ti compound layer is formed, or a (Ti, Al) (C, N) layer is formed, or a Ti compound layer and a (Ti, Al) (C, N) layer are formed.
  • the oxygen-containing TiCN layer having a layer thickness of at least 0.5 ⁇ m is formed on the outermost surface of the adhesion layer ⁇ (the outermost layer of the adhesion layer ⁇ in contact with the interface with the upper layer ⁇ ).
  • the film formation conditions for forming the adhesion layer ⁇ made of the Ti compound layer are shown in Table 9, and the film formation conditions A ⁇ to E ⁇ for forming the adhesion layer ⁇ made of the (Ti, Al) (C, N) layer are shown in Table 10.
  • Table 12 shows the deposition conditions A to D for forming the adhesion layer ⁇ composed of the TiCN layer and the oxygen-containing TiCN layer, which is one of the Ti compound layers.
  • the adhesion layer ⁇ shown in Table 14 was formed according to the film formation conditions shown in Tables 9-12.
  • the gas conditions and the formation conditions are set to the initial film formation and the film formation as shown in Tables 10 and 11. It is changed at the end, and as it goes from the lower layer ⁇ to the upper layer ⁇ , the Al content ratio in the (Ti, Al) (C, N) layer gradually or continuously decreases (Ti , Al) (C, N) layer was deposited.
  • the upper layer ⁇ shown in Table 14 was formed on the surface of the adhesion layer ⁇ including at least the TiCN layer and the oxygen-containing TiCN layer as the outermost layer according to the film forming conditions shown in Table 13.
  • the upper layer ⁇ was subjected to a two-stage film formation process in which ⁇ -Al 2 O 3 was nucleated at the initial stage of film formation, and then ⁇ -Al 2 O 3 was formed.
  • Table 14 Present invention coated upper tools 1 to 15 were produced.
  • a chemical vapor deposition apparatus was used on the surfaces of the tool bases A to D, under the gas conditions A ⁇ to E ⁇ shown in Table 7, and under the formation conditions A ⁇ to E ⁇ shown in Table 8, NaCl type.
  • a lower layer ⁇ composed of a single-phase (Ti, Al) (C, N) layer having a face-centered cubic structure was formed.
  • an adhesion layer ⁇ composed of a Ti compound layer, an adhesion layer ⁇ composed of a (Ti, Al) (C, N) layer, or an adhesion layer ⁇ composed of both of these layers is formed on the surface of the lower layer ⁇ .
  • the adhesion layer ⁇ made of the Ti compound layer is formed under the conditions shown in Table 15, and the adhesion layer ⁇ made of the (Ti, Al) (C, N) layer is the same as the conditions of the present invention shown in Tables 10 and 11. Formed under conditions.
  • the adhesion layer ⁇ composed of the (Ti, Al) (C, N) layer is in the (Ti, Al) (C, N) layer from the lower layer ⁇ toward the upper layer ⁇ , as in the present invention.
  • the film was formed so that the Al content ratio of the film gradually decreased continuously or stepwise.
  • an oxygen-containing TiCN layer was formed on the outermost surface of the adhesion layer ⁇ (the outermost layer of the adhesion layer ⁇ in contact with the interface with the upper layer ⁇ ) under the conditions shown in Table 16.
  • the deposition temperature of the Ti compound layer shown in Table 15 is higher than the deposition temperature of the Ti compound of the present invention shown in Table 9, and the deposition of the oxygen-containing TiCN layer shown in Table 16 The temperature is also higher than the film formation temperature of the TiCN layer and the oxygen-containing TiCN layer of the present invention shown in Table 12.
  • the upper layer ⁇ was formed on the surface of the adhesion layer ⁇ on which the oxygen-containing TiCN layer was formed under the film forming conditions shown in Table 17.
  • the upper layer ⁇ was subjected to a two-stage film formation process in which ⁇ -Al 2 O 3 was nucleated at the initial stage of film formation, and then ⁇ -Al 2 O 3 was formed.
  • the film formation temperature of the upper layer ⁇ shown in Table 17 is higher than the film formation temperature of the upper layer ⁇ of the present invention shown in Table 13.
  • Table 18 shows the hard coating layer formed of the lower layer ⁇ , the adhesion layer ⁇ , and the upper layer ⁇ on the surface of the tool base made of the WC-based cemented carbide or TiCN-based cermet by the respective film forming steps. Comparative example covering upper tools 1 to 15 were produced.
  • the cross sections in the direction perpendicular to the tool substrate of each component layer of the coated tools 1 to 15 of the present invention and the comparative coated tools 1 to 15 were measured using a scanning electron microscope (5000 times magnification), and 5 in the observation field of view.
  • the average layer thicknesses were substantially the same as the target layer thicknesses shown in Tables 14 and 18.
  • the average Al content ratio X avg of the (Ti, Al) (C, N) layer constituting the lower layer ⁇ is polished using an electron beam microanalyzer (EPMA, Electron-Probe-Micro-Analyzer).
  • the sample was irradiated with an electron beam from the sample surface side, and the average Al content ratio X avg of Al was determined from the 10-point average of the analysis results of the obtained characteristic X-rays.
  • the average C content ratio Y avg was determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS, Secondary-Ion-Mass-Spectroscopy).
  • the ion beam was irradiated in the range of 70 ⁇ m ⁇ 70 ⁇ m from the sample surface side, and the concentration in the depth direction was measured for the components emitted by the sputtering action.
  • the average C content ratio Y avg indicates the average value in the depth direction for the (Ti, Al) (C, N) layer.
  • the crystal structure of the (Ti, Al) (C, N) layer constituting the lower layer ⁇ is identified from the diffraction peak measured by X-ray diffraction, and is it a single phase of NaCl type cubic structure? It was investigated whether (Ti, Al) (C, N) crystal grains having a hexagonal crystal structure were included.
  • X-ray diffraction was measured by a 2 ⁇ - ⁇ method using CuK ⁇ rays using a Spectris PANalytical Empirean as an X-ray diffractometer, and measurement conditions (2 ⁇ ): 30 to 130 degrees, X-ray output: The measurement was performed under the conditions of 45 kV, 40 mA, divergent slit: 0.5 degree, scan step: 0.013 degree, measurement time per step: 0.48 sec / step.
  • the composition formula: (Ti 1-x Al x ) (C y N 1 ) is contained in the crystal grains having the NaCl-type face-centered cubic structure. -Y ) whether or not there is a periodic composition change of Ti and Al, and among the crystal grains having the composition change, whether or not there is a crystal grain having the direction of the composition change of the present invention. I investigated.
  • crystal grains having the direction of composition change of the present invention means that the angle between the direction in which the periodic composition change period of Ti and Al is minimum and the direction perpendicular to the tool base surface is within 30 degrees. This is the crystal grain. With respect to the direction of the periodic composition change, the angle formed with a plane perpendicular to the tool base surface was measured as follows.
  • the intensity of the Auger peak of Ti, C, N, and O was measured while irradiating the line, and the average oxygen content ratio was calculated as atomic% from the ratio of the Auger peak of O to the sum of the peak intensities. Tables 14 and 18 show these values.
  • each section divided into [L avg ] +2 in the layer thickness direction of the (Ti, Al) (C, N) layer.
  • the average content ratio X ⁇ avg in the total amount of Ti and Al in Al was determined by performing surface analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).
  • EDS energy dispersive X-ray spectroscopy
  • [L avg ] represents a Gaussian symbol.
  • the chlorine content in the upper layer ⁇ is obtained by polishing the sample cross section using an electron beam microanalyzer (EPMA, Electron-Probe-Micro-Analyzer) and irradiating an electron beam with an acceleration voltage of 10 kV from the sample cross section side.
  • EPMA electron beam microanalyzer
  • the average chlorine content Cl avg was calculated from the 10-point average of the analysis results of the obtained characteristic X-rays. Tables 14 and 18 show these values.
  • the various coated tools are clamped at the tip of a tool steel cutter having a cutter diameter of 125 mm with a fixing jig.
  • a wet high-speed face milling which is a kind of high-speed intermittent cutting of cast iron, and a center-cut cutting test were performed, and the flank wear width of the cutting edge was measured. Table 19 shows the results.
  • Cutting test wet high speed face milling, center cut cutting, Cutter diameter: 125 mm, Work material: JIS / FCD700 width 100mm, block length 400mm, Rotational speed: 891 min ⁇ 1 Cutting speed: 350 m / min, Cutting depth: 1.5 mm, Single-blade feed rate: 0.3 mm / tooth, Cutting time: 5 minutes (Normal cutting speed is 200 m / min)
  • the lower layer ⁇ is a single phase of NaCl type cubic structure and has a high hardness, and the upper layer ⁇ and the adhesion layer formed under low temperature conditions. Since an oxygen-containing TiCN layer with excellent adhesion to the upper layer ⁇ is formed between ⁇ and the chipping and peeling are suppressed, intermittent and impact loads are applied to the cutting edge. Exhibits excellent wear resistance over a long period of use in high-speed interrupted cutting with action. On the other hand, the comparative coated tool reaches its service life in a short period due to the occurrence of abnormal damage such as chipping and peeling.
  • both the Ti compound layer and the (Ti, Al) (C, N) layer were formed as the lowermost layer ⁇ .
  • the gas conditions and the formation conditions are the same as those at the initial film formation as shown in Tables 20 and 21.
  • the Al content ratio in the (Ti, Al) (C, N) layer increases gradually or continuously in a stepwise manner from the tool substrate surface toward the lower layer ⁇ .
  • Ti, Al) (C, N) layers were deposited.
  • a chemical vapor deposition apparatus is used on the surface of the lowermost layer ⁇ formed on the surfaces of these tool bases A to D, and the gas conditions A ⁇ to E ⁇ shown in Table 7 and the formation conditions A ⁇ shown in Table 8 are used.
  • a lower layer ⁇ shown in Table 23 consisting of a single-phase (Ti, Al) (C, N) layer of NaCl type face-centered cubic structure was formed at ⁇ E ⁇ .
  • an adhesion layer ⁇ was formed on the surface of the lower layer ⁇ .
  • the adhesion layer ⁇ either a Ti compound layer, a (Ti, Al) (C, N) layer, or both layers were formed.
  • a Ti compound layer is formed, or a (Ti, Al) (C, N) layer is formed, or a Ti compound layer and a (Ti, Al) (C, N) layer are formed.
  • the oxygen-containing TiCN layer having a layer thickness of at least 0.5 ⁇ m is formed on the outermost surface of the adhesion layer ⁇ (the outermost layer of the adhesion layer ⁇ in contact with the interface with the upper layer ⁇ ). Formed.
  • the film formation conditions for forming the adhesion layer ⁇ made of the Ti compound layer are shown in Table 9, and the film formation conditions A ⁇ to E ⁇ for forming the adhesion layer ⁇ made of the (Ti, Al) (C, N) layer are shown in Table 10.
  • Table 12 shows the deposition conditions A to D for forming the adhesion layer ⁇ composed of the TiCN layer and the oxygen-containing TiCN layer, which is one of the Ti compound layers. Under the film forming conditions shown in Tables 9 to 12, the adhesion layer ⁇ shown in Table 23 was formed.
  • the gas conditions and The formation conditions are changed at the initial stage of film formation and at the end of film formation, and the Al content in the (Ti, Al) (C, N) layer is continuously or stepwise as it goes from the lower layer ⁇ to the upper layer ⁇ . Then, a (Ti, Al) (C, N) layer that gradually decreases was formed.
  • the average layer thickness L avg ( ⁇ m) in the (Ti, Al) (C, N) layer of the adhesion layer ⁇ satisfies 0.30 ⁇ L avg ⁇ 5.0, and the composite nitride of Ti and Al or
  • the average content ratio X ⁇ avg in the total amount of Ti and Al of Al in each section divided into [L avg ] +2 with respect to the composite carbonitride layer X ⁇ avg ⁇ X avg in each section is satisfied, and the surface side X Betaavg the interval or equal than the X Betaavg of the base side section, satisfy to become smaller.
  • the upper layer ⁇ shown in Table 23 was formed on the surface of the adhesion layer ⁇ including at least the TiCN layer and the oxygen-containing TiCN layer as the outermost layer according to the film forming conditions shown in Table 13.
  • the upper layer ⁇ was subjected to a two-stage film formation process in which ⁇ -Al 2 O 3 was nucleated at the initial stage of film formation, and then ⁇ -Al 2 O 3 was formed.
  • the coated tools 16 to 25 of the present invention are formed on the surfaces of the tool bases A to C and D by forming a hard coating layer composed of the lowermost layer ⁇ , the lower layer ⁇ , the adhesion layer ⁇ and the upper layer ⁇ . Produced.
  • the coated tools 16 to 25 of the present invention the following measurements were performed in the same manner as in Example 1. First, when the average layer thickness of each layer was determined, all showed the same average layer thickness as the target layer thicknesses shown in Tables 22 and 23. Further, the average Al content ratio X avg and the average C content ratio Y avg of the (Ti, Al) (C, N) layer constituting the lower layer ⁇ were determined, and the results are shown in Table 23.
  • the (Ti, Al) (C, N) layer constituting the lower layer ⁇ is a single phase of a cubic cubic structure or a (Ti, Al) (C, N) crystal having a hexagonal crystal structure. It was investigated whether or not grains were contained, and Table 23 shows the results.
  • the crystal grains having the direction of the composition change of the present invention (the direction in which the period of the periodic composition change of Ti and Al is minimum is perpendicular to the tool base surface. It was examined whether or not there exist crystal grains whose angle with the direction is within 30 degrees. Table 23 shows the results.
  • each section divided into [L avg ] +2 in the layer thickness direction of the (Ti, Al) (C, N) layer.
  • the average content ratio X ⁇ avg in the total amount of Ti and Al in Al was determined by performing surface analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).
  • EDS energy dispersive X-ray spectroscopy
  • [L avg ] represents a Gaussian symbol.
  • the chlorine content in the upper layer ⁇ is obtained by polishing the sample cross section using an electron beam microanalyzer (EPMA, Electron-Probe-Micro-Analyzer) and irradiating an electron beam with an acceleration voltage of 10 kV from the sample cross section side.
  • EPMA electron beam microanalyzer
  • the average chlorine content Cl avg was calculated from the 10-point average of the analysis results of the obtained characteristic X-rays. Table 23 shows the values.
  • the lower layer ⁇ is a single phase of NaCl-type cubic structure and has high hardness, and the upper layer ⁇ formed at low temperature Since an oxygen-containing TiCN layer having excellent adhesion with the upper layer ⁇ is formed between the adhesion layer ⁇ , occurrence of chipping and peeling are suppressed. Accordingly, the coated tool of the present invention exhibits excellent wear resistance over a long period of use in high-speed intermittent cutting where intermittent and impact loads are applied to the cutting edge.
  • the coated tool of the present invention exhibits excellent wear resistance over a long period of use in high-speed intermittent cutting where intermittent and impact loads are applied to the cutting edge.
  • it is possible to sufficiently satisfy the labor-saving and energy-saving of the cutting process and the cost reduction.

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Abstract

上部層α、密着層β、下部層γの少なくとも３層を含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、上部層αは低温条件で成膜されたα－Ａｌ２Ｏ３層からなり、密着層βは、前記上部層αとの界面に接する最表層は、少なくとも０．５μｍ以上の層厚を有するＴｉＣＮ層を少なくとも含み、かつ、前記ＴｉＣＮ層と前記上部層αとの界面から、前記ＴｉＣＮ層の層厚方向の内部へ最大０．５μｍまでの深さにのみ０．５～３原子％の酸素が含有され、下部層γは、ＮａＣｌ型の面心立方構造の単相の（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）からなり、この組成式におけるＡｌの平均含有割合ＸａｖｇおよびＣの平均含有割合Ｙａｖｇは、０．６０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５（Ｘａｖｇ、Ｙａｖｇは原子比）を満足する。

Description

硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐剥離性を発揮する表面被覆切削工具
　本発明は、例えば、鋳鉄、ステンレス鋼等の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高速断続切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐剥離性を備え、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。
　例えば、特許文献１には、ＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、ＮＨ３の混合反応ガス中で、６５０～９００℃の温度範囲において化学蒸着を行うことにより、Ａｌの含有割合ｘの値が０．６５～０．９５である（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層を蒸着形成できることが記載されているが、この文献では、この（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層の上にさらにＡｌ２Ｏ３層を被覆し、これによって断熱効果を高めることを目的としているが、Ａｌの含有割合ｘの値を０．６５～０．９５まで高めた（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層の形成によって、切削性能にどのような影響を及ぼすかについてまでは明らかにされていない。
　また、例えば、特許文献２には、ＴｉＣＮ層、Ａｌ２Ｏ３層を内層として、その上に、化学蒸着法により、立方晶構造あるいは六方晶構造を含む立方晶構造の（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層（ただし、原子比で、ｘは０．６５～０．９０）を外層として被覆するとともに該外層に１００～１１００ＭＰａの圧縮応力を付与することにより、被覆工具の耐熱性と疲労強度を改善することが提案されている。
　また、特許文献３には、低温度（６２５～８００℃）で化学蒸着によって切削工具インサート上に結晶質α－Ａｌ２Ｏ３層を堆積する方法及びこの方法によって作製した切削工具について記載されている。特許文献３に記載の方法では、まず、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ≧１及びＺ＞０（好ましくはＺ０．２）であり、０．１～１．５μｍのＴｉＣＸＮＹＯＺの層を堆積する工程、ついで、０．５～３ｖｏｌ％のＯ２好ましくはＣＯ２とＨ２またはＯ２とＨ２を含有するガス混合物中で任意に０．５～６ｖｏｌ％のＨＣｌの存在する中において約０．５～４分の短い時間６２５～１０００℃で前記層を処理する工程、ついで、４０～３００ミリバールの処理圧力と６２５～８００℃の温度で、処置した前記層を、Ｈ２中に２～１０ｖｏｌ％のＡｌＣｌ３と１６～４０ｖｏｌ％のＣＯ２とを含有するガス混合物と、０．８～２ｖｏｌ％の硫黄含有剤（好ましくはＨ２Ｓ）とに接触させることによって、前記Ａｌ２Ｏ３層を堆積させる工程、によって作製された切削工具インサートが提案されている。
特表２０１１－５１６７２２号公報 特表２０１１－５１３５９４号公報 特開２００４－３０８００８号公報
　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で提案される化学蒸着法で蒸着形成した（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層については、Ａｌの含有割合ｘを高めることができ、また、立方晶構造を形成させることができることから、所定の硬さを有する硬質被覆層が得られるものの、上部Ａｌ２Ｏ３層成膜時に耐摩耗性に優れるα－Ａｌ２Ｏ３層を得るため通常条件の成膜温度１０００℃程度において成膜を行うと（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層中に六方晶構造のＡｌＮの相分離が発生し、一方、（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層表面に、７００～９００℃という低温度範囲でα－Ａｌ２Ｏ３層を成膜した場合には、（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層中での六方晶構造のＡｌＮ相の相分離は発生しないものの、（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層の最表面にアモルファスのＡｌ２Ｏ３が形成されるため、（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎ層とα－Ａｌ２Ｏ３層の付着強度が十分ではなくなるという問題があった。
　また、前記特許文献２で提案される被覆工具は、所定の耐熱性およびサイクル疲労強度を有しているものの、耐摩耗性および靭性に劣ることから、鋳鉄の断続切削加工等に供した場合には、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発揮するとはいえないという問題があった。
　また、前記特許文献３で提案される被覆工具は、機械的衝撃がともなう断続切削加工に供した場合には中間層の硬さが十分でなく、膜界面の剥離やチッピング、欠損等の異常損傷が発生しやすく、満足できる切削性能を発揮するとはいえないという問題があった。
　そこで、本発明は、鋳鉄、ステンレス鋼等の切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続切削等に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性、耐剥離性を備え、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、少なくともＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物（以下、「（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）」あるいは「（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）」で示すことがある）層を下部層として含み、また、上部層としてα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層（以下、単に「α－Ａｌ２Ｏ３層」で示すことがある）を含む硬質被覆層を化学蒸着で蒸着形成した被覆工具の耐チッピング性、耐剥離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、本発明者らは、下部層である（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層上に、直接、通常条件でα－Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成した場合には、立方晶構造の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層は準安定相であるため、α－Ａｌ２Ｏ３層の成膜温度１０００℃程度において、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層中に六方晶構造のＡｌＮの相分離が発生し、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層に十分な硬さが得られないこと、一方、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層表面に、７００～９００℃という低温度範囲でα－Ａｌ２Ｏ３層を成膜した場合には、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層中での六方晶構造のＡｌＮ相の相分離は発生しないものの、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の最表面にアモルファスのＡｌ２Ｏ３が形成されるため、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層とα－Ａｌ２Ｏ３層の付着強度が十分ではなくなることを見出した。
　また、下部層の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層とα－Ａｌ２Ｏ３層との間に、両層の付着強度を高めるために、通常成膜温度条件で、ＴｉＣＮ層を形成した場合にも、ＴｉＣＮ層の１０００℃程度の成膜温度によって、下部層の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層に、六方晶構造のＡｌＮ相の相分離が生じ、その結果、硬質被覆層全体として十分な硬さが得られないことを見出した。
　そこで、本発明者らは、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層とα－Ａｌ２Ｏ３層との付着強度向上を図るべくさらに検討を進めたところ、立方晶（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を下部層として、その上部に、密着層として、ＴｉＣＮ層を相対的に低温度の成膜条件で成膜する（以下、相対的に低温成膜条件で成膜したＴｉＣＮ層を、「ＴｉＣＮ層」で示す。）とともに、ＴｉＣＮ層とα－Ａｌ２Ｏ３層の界面における付着強度を向上させるため、α－Ａｌ２Ｏ３層との界面に接するＴｉＣＮ層表面近傍には、酸素を含有するＴｉＣＮ層（以下、「酸素含有ＴｉＣＮ層」という場合もある。）を成膜し、さらに、上部層であるα－Ａｌ２Ｏ３層を低温度条件で成膜した場合には、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層における六方晶ＡｌＮ相の相分離発生を抑制することができると同時に、該層の硬さを維持することができ、さらに、前記下部層－密着層－上部層間の付着強度を高めることができることを見出したのである。
　したがって、前記下部層、密着層及び上部層からなる硬質被覆層を備えた本発明の被覆工具は、鋳鉄、ステンレス鋼等の切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する高速断続切削等に供した場合であっても、すぐれた耐チッピング性、耐剥離性を備え、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
　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、上部層α、密着層β、下部層γの少なくとも３層を含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
（ａ）前記上部層αは１．０～１０μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
（ｂ）前記密着層βは、０．５～１０．０μｍの合計平均層厚を有し、前記上部層αとの界面に接する前記密着層βの最表層は、少なくとも０．５μｍ以上の層厚を有するＴｉＣＮ層を少なくとも含み、
（ｃ）前記ＴｉＣＮ層と前記上部層αとの界面から、前記ＴｉＣＮ層の層厚方向の内部へ最大０．５μｍまでの深さに酸素が含有されており、前記深さ領域に含有される平均酸素含有量は前記深さ領域に含有されるＴｉ、Ｃ，Ｎ，Ｏの合計含有量の０．５～３原子％であり、
（ｄ）前記下部層γは、平均層厚１．０～２０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層からなり、
（ｅ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造の単相からなり、
（ｆ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、平均組成を（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ＸａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合Ｙａｖｇ（但し、Ｘａｖｇ、Ｙａｖｇはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
　（２）前記上部層αは、０．０５～０．５原子％の塩素を含有することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
　（３）前記下部層γにおけるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘａｖｇは、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５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。
　（４）前記密着層βは、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から選ばれる１層または２層以上をさらに含むことを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
　（５）前記密着層βは、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層をさらに含み、該ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）は、０．３０≦Ｌａｖｇ≦５．０を満たし、該ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層に対し[Ｌａｖｇ]＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘβａｖｇをとると、各区間のＸβａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、より表面側の区間のＸβａｖｇが基体側の区間のＸβａｖｇに比べ同等か、より小さくなることを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
　（６）前記下部層γにおけるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を、工具基体の表面と垂直な任意の断面から分析した場合、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が存在し、かつ、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な面とのなす角が３０度以内であるような前記結晶粒が少なくとも存在することを特徴とする前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
　（７）前記工具基体と前記下部層γの間に、最下部層δが存在し、該最下部層δは、前記下部層γとは組成の異なるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層、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から選ばれる１層または２層以上からなり、０．１～１０μｍの合計平均層厚を有することを特徴とする前記（１）乃至（６）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。
　まず、本発明被覆工具の硬質被覆層の層構造の例を、図面とともに説明する。
　図１～図５に、本発明被覆工具の硬質被覆層の層構造のいくつかの具体例を示す。
　図１は、上部層αがα－Ａｌ２Ｏ３層で構成され、密着層βが所定量の酸素を含有するＴｉＣＮ層（ただし、層厚は０．５μｍ）のみで構成され、下部層γが（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層で構成されている硬質被覆層の層構造の一例を示す。
　図２～図４に示す被覆工具は、いずれも、上部層αはα－Ａｌ２Ｏ３層、下部層γは（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層であるが、密着層βが種々の態様を示す。
　図２においては、密着層βは、上部層αとの界面から、ＴｉＣＮ層の層厚方向の内部へ最大０．５μｍまでの深さに酸素が含有されており、該深さ領域に含有される平均酸素含有量は前記深さ領域に含有されるＴｉ、Ｃ，Ｎ，Ｏの合計含有量の０．５～３原子％である酸素含有ＴｉＣＮ層と、酸素を積極的に導入していない通常のＴｉＣＮ層で構成する。
　図３に示されるものでは、密着層βは、酸素含有ＴｉＣＮ層と、ＴｉＣＮ層と、Ｔｉ化合物層（ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちから選ばれる１層または２層以上のＴｉ化合物層）によって形成される。
　図４に示されるものでは、密着層βは、酸素含有ＴｉＣＮ層と、ＴｉＣＮ層と、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層によって形成される。
　ただ、密着層βの構成層である上記（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層においては、該層における平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）は、０．３０≦Ｌａｖｇ≦５．０を満たし、該ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層に対し[Ｌａｖｇ]＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘβａｖｇをとると、各区間のＸβａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、表面側の区間のＸβａｖｇが基体側の区間のＸβａｖｇに比べ同等か、より小さくなることが必要であり、この意味で、図４における密着層βの構成層である（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を、「（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）＊層」で示した。
　ここで[Ｌａｖｇ]はガウス記号を表す。[ｘ]はｘを超えない最大の整数を表す数学記号であり、[ｘ]=ｎである時、ｎ≦ｘ＜ｎ＋１で定義される（ただし、ｎは整数）。
　各区間のＸβａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、表面側の区間のＸβａｖｇが基体側の区間のＸβａｖｇに比べ同等か、より小さくなることとする理由は、下部層γとＴｉＣＮ層、あるいはＴｉ化合物層（ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちから選ばれる１層または２層以上のＴｉ化合物層）との格子歪の急激な変化を抑えつつ、膜表面方向へ歪を緩和することで界面における密着強度を担保し、耐チッピング性、耐剥離性を向上させるためである。
　なお、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる密着層βにおけるＡｌの含有割合は、下部層γ側から上部層α側へ向かうにしたがって、層厚方向に漸次連続的にあるいは不連続的に減少する値を採ることもでき、各区間のＸβａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、より表面側の区間のＸβａｖｇが基体側の区間のＸβａｖｇに比べ同等か、より小さくなる関係を満たしていればよい。
　図５は、図４に示す態様の層構造において、工具基体と下部層γとの間に、さらに最下部層δを介在形成したものに相当する。
　最下部層δは、下部層γとは組成の異なる（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層のうちから選ばれる１層または２層以上で構成し、工具基体と下部層γとの付着強度をさらに向上させることができる。
　なお、例えば、最下部層δとして、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を形成し、該層を [Ｌａｖｇ]＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘδａｖｇをとると、各区間のＸδａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、より表面側の区間のＸδａｖｇが基体側の区間のＸδａｖｇに比べ同等か、より大きくなることを満たすことが必要である。但し、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる最下部層δにおけるＡｌの含有割合は、工具基体側から下部層γ側へ向かうにしたがって、層厚方向に漸次連続的にあるいは不連続的に増加する値を採ることもでき、各区間のＸδａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、より表面側の区間のＸδａｖｇが基体側の区間のＸδａｖｇに比べ同等か、より大きくなる関係を満たしていればよい。
　そして、このようなＡｌの組成傾斜構造を採ることによって、硬質被覆層の全体的な硬さを低下させることなく、工具基体と下部層γとの付着強度を一段と高めることができる。
　次に、本発明被覆工具の硬質被覆層のそれぞれの層について説明する。
上部層α：
　本発明の上部層αは、α－Ａｌ２Ｏ３層で構成することによって、すぐれた高温硬さと耐高温酸化性を発揮するが、上部層αの平均層厚が１．０μｍ未満の場合には、長期にわたるすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、上部層αの平均層厚が１０μｍを超える場合には、チッピングを発生しやすくなるので、上部層αの平均層厚は１．０μｍ～１０μｍとする。
　既に述べたように、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる下部層γにおいて、六方晶ＡｌＮ相の相分離を発生させないためには、上部層αの形成は、従来の成膜温度に比して比較的低温（８００～９００℃）で成膜することが望ましい。
　比較的低温で上部層αを成膜する場合、α－Ａｌ２Ｏ３層の成膜は、α－Ａｌ２Ｏ３の初期核生成段階と、α－Ａｌ２Ｏ３の成長段階の二段階に分けた化学蒸着を行うことが望ましい。
　具体的なα－Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層αの化学蒸着条件は、例えば、次のとおりである。
＜α－Ａｌ２Ｏ３初期核生成条件＞
　反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３　１～３％、ＣＯ２　１～５％、ＨＣｌ　０．３～１．０％、残部Ｈ２
　反応雰囲気圧力：５．０～１５．０ｋＰａ、
　反応雰囲気温度：８００～９００℃、
＜α－Ａｌ２Ｏ３成長条件＞
　反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３　１．５～５．０％、ＣＯ２　２～８％、ＨＣｌ　３～８％、Ｈ２Ｓ　０．５～１．０％、残部Ｈ２
　反応雰囲気圧力：５．０～１５．０ｋＰａ、
　反応雰囲気温度：８００～９００℃、
　上記α－Ａｌ２Ｏ３の初期核生成段階と、α－Ａｌ２Ｏ３の成長段階という二段階に分けた化学蒸着で、α－Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層αを形成することができる。
　なお、比較的低温（８００～９００℃）でα－Ａｌ２Ｏ３層を成膜した場合、反応ガス成分である塩素が層中に混入されるようになる。
　α－Ａｌ２Ｏ３層中への塩素の混入は必須の要件ではないが、層中に含有される塩素含有量が０．０５原子％以上になると、α－Ａｌ２Ｏ３層が潤滑性を具備するようになり、刃先に機械的衝撃が作用する断続切削に供した場合に機械的衝撃を吸収し、チッピング等の異常損傷を抑制する効果を発揮する。一方、塩素含有量が０．５原子％を超え過度に含有されると、α－Ａｌ２Ｏ３層の耐摩耗性の劣化を招くことになる。
　したがって、α－Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層αにおける塩素含有量は、０．０５～０．５原子％とすることが望ましい。
密着層β：
　密着層βは、前述したように、０．５～１０．０μｍの合計平均層厚を有することが必要であるとともに、上部層αとの界面に接する層は、少なくとも酸素含有ＴｉＣＮ層であることが必要である。
　密着層βの合計平均層厚が０．５μｍ未満であると、下部層γと上部層αの密着性を確保することができず、一方、１０．０μｍを超えると特に刃先が高温となる高速重切削・断続切削では熱塑性変形を起こしやすくなり偏摩耗やそれに伴うチッピング等の異常損傷を生じやすくなるから、密着層βの合計平均層厚は０．５～１０．０μｍとする。
密着層βにおける酸素含有ＴｉＣＮ層：
　密着層βは、上部層αとの界面に接し、前記ＴｉＣＮ層の層厚方向の内部へ最大０．５μｍまでの深さに酸素が含有される酸素含有ＴｉＣＮ層を形成しており、該深さ領域に含有される平均酸素含有量は、該深さ領域に含有されるＴｉ、Ｃ，Ｎ，Ｏの合計含有量の０．５～３原子％である。
　前記酸素含有ＴｉＣＮ層の厚さ（言い換えれば、上部層αとの界面に接する前記密着層βの酸素含有領域の深さ）が０．５μｍを超えると、酸素含有ＴｉＣＮ層の最表面組織形態が柱状組織から粒状組織に変化し、熱塑性変形を起こしやすくなり偏摩耗やそれに伴うチッピング等の異常損傷を生じやすくなるから、酸素含有ＴｉＣＮ層の最大厚さ（前記密着層βの酸素含有領域の最大深さ）は、０．５μｍとする。
　また、前記酸素含有ＴｉＣＮ層における平均酸素含有量が０．５原子％未満であると、比較的低温条件で形成する上部層αとの十分な付着強度を望めず、一方、平均酸素含有量が３原子％を超えると、上部層αを構成するα－Ａｌ２Ｏ３の高温強度、耐摩耗性が低下し、十分な切削性能を発揮できない。
　したがって、密着層βにおいて、上部層αに接して形成される酸素含有ＴｉＣＮ層の層厚は最大で０．５μｍとし、かつ、該酸素含有ＴｉＣＮ層における平均酸素含有量は０．５～３原子％とする。
　密着層βは、前記酸素含有ＴｉＣＮ層に加え、図２～図５にも例示したように、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層、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から選ばれる１層または２層以上をさらに含むことができる。
　図３に示すように、密着層β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化合物層を含む場合、密着層βと下部層γの密着性が改善される。
　また、図４、図５に「（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）＊」として示すように、密着層βが、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を含む場合、密着層βの硬さも向上し、硬質被覆層全体としての耐摩耗性が向上する。
　ただし、密着層βの構成層である（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層においては、該層における平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）は、０．３０≦Ｌａｖｇ≦５．０を満たし、該ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層に対し[Ｌａｖｇ]＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘβａｖｇをとると、各区間のＸβａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、表面側の区間のＸβａｖｇが基体側の区間のＸβａｖｇに比べ同等か、より小さくなることが必要である。
　これは、下部層γにおける（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の場合と同様、密着層βにおける（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層も、立方晶構造の単相として形成し、下部層γ及び密着層βの両層の硬さを担保することで、硬質被覆層全体としての耐摩耗性を向上させるためである。
　なお、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる密着層βにおけるＡｌの含有割合は、層厚方向に沿って必ずしも一定である必要はなく、下部層γ側から上部層α側へ向かうにしたがって、層厚方向に漸次連続的にあるいは不連続的に減少する値を採ることもできる。
密着層βの成膜：
　密着層βは、上部層αの場合と同様に、下部層γが相分離を起こし、六方晶ＡｌＮ相を生成しないように、下部層γへの熱影響を考慮した低温条件での成膜が必要である。
　このような成膜条件としては、例えば、ＴｉＣＮ層の成膜に際して、
　反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ４　２．０～６．０％、Ｃ２Ｈ４　２．０～３．０、ＮＨ３　０．５～１．０％、Ｎ２　１０．０～２０．０％、残部Ｈ２、
　反応雰囲気温度：８００～９００℃、
　反応雰囲気圧力：６～１０ｋＰａ、
　という条件の化学蒸着によって成膜することができる。
　さらに、上部層αに接する酸素含有ＴｉＣＮ層の成膜は、前記ＴｉＣＮ層の成膜条件において、前記全反応ガス量に対して１～５容量％の組成となるようにＣＯ２ガスを添加した反応ガス雰囲気中で、反応雰囲気温度８００～９００℃、反応雰囲気圧力６～１０ｋＰａという条件での化学蒸着を行うことによって、酸素含有ＴｉＣＮ層を成膜することができる。
下部層γ：
　図１～５で下部層γとして示される（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層は、上部層αと密着層βが、それぞれ低温条件で成膜されることによって、六方晶ＡｌＮ相が生成していないＮａＣｌ型の面心立方構単相からなる高温硬さを維持した層である。
　下部層γは、平均層厚１．０～２０μｍを有するが、平均層厚が１．０μｍ未満であると、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が２０μｍを超えるとチッピングが発生し易くなる。
　また、下部層γは、密着層βおよび上部層αがいずれも低温で成膜されることから、ＮａＣｌ型の面心立方構造の単相からなる。
　（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる下部層γの平均組成を（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ＸａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合Ｙａｖｇ（但し、Ｘａｖｇ、Ｙａｖｇはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５を満足することが必要である。
　これは、Ａｌの平均含有割合Ｘａｖｇが０．６０未満では該層の硬さが不十分であり、一方、０．９５を超えると硬さを担保する上で重要なＮａＣｌ型の面心立方構造を維持するのが難しく、硬さが低い六方晶構造のＡｌＮ相が生成してしまうためである。
　なお、Ａｌの平均含有割合Ｘａｖｇは、好ましくは、０．７≦Ｘａｖｇ≦０．９５であり、これは、Ａｌの平均含有割合Ｘａｖｇが０．７以上で最大硬さに近い硬さが得られるためである。
　また、ＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合Ｙａｖｇは、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５の範囲の微量であるとき、工具基体あるいは密着層β（もしくは最下部層δ）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、結果として、硬質被覆層全体としての耐欠損性および耐チッピング性が向上する。
　一方、Ｃの平均含有割合Ｙａｖｇが０≦Ｙａｖｇ≦０．００５の範囲を外れると、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の靭性が低下するため耐欠損性および耐チッピング性が逆に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Ｙａｖｇは、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５と定めた。
　前記下部層γにおける（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を、工具基体の表面と垂直な任意の断面から分析した場合、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が存在し、かつ、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な方向とのなす角が３０度以内であるような前記結晶粒が少なくとも存在することが望ましい。
　これは、次の理由による。
　本発明では、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の成膜を、反応ガス群Ａとガス群Ｂを工具基体表面に到達する時間に差が生じるように供給する事により、結晶粒内にＴｉとＡｌの局所的な濃度差を形成することができ、周期的な濃度変化の方向が工具基体表面に垂直な面となす角度が３０度以内の方向として安定化する。
　前記工具基体表面に垂直な面となす角度が３０度以内の方向の周期的な濃度変化は、切削時に摩耗が進行する面に作用するせん断力により生じる基体と垂直な方向へのクラックの進展を抑制し、靭性が向上するが、周期的な濃度変化の方向が、工具基体表面に垂直な面となす角度が３０度を超えると、基体と垂直な方向へのクラックの進展を抑制する効果が見込めず、靭性向上の効果も見込めない。このクラック進展抑制効果については、ＴｉとＡｌの濃度の異なる境界において、その進展方向の曲がりや屈折が生じることにより発揮されるものと推測される。
　したがって、本発明では、結晶粒内における周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な面となす角度が３０度以内の方向であるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が存在することが望ましい。
　なお、結晶粒内における周期的な濃度変化の方向が、工具基体表面に垂直な面となす角度が３０度以内の方向であるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の存在の測定・確認は、透過型電子顕微鏡を用いて、１μｍ×１μｍの像におけるＴｉとＡｌの周期的な濃度変化に対応する画像のコントラストの変化、あるいはエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によって確認されるＴｉとＡｌの周期的な濃度変化を有する領域から、各結晶粒の濃度変化の方向を求め、これらの中から、周期的濃度変化の方向が工具基体表面となす角が３０度以内である結晶粒を抽出することによって、測定・確認することが出来る。
下部層γの成膜：
　下部層γの成膜は、具体的には、例えば、以下に述べる成膜条件のＮＨ３を用いた熱ＣＶＤ法で成膜することができる。
　反応ガス組成（容量％）：
　　　ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０～３．０％、Ｈ２：６５～７５％、
　　　ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．１～０．４％、Ｎ２：０．０～１２．０％、Ｃ２Ｈ４：０～０．５％、Ｈ２：残、
　　　反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、
　　　反応雰囲気温度：７００～９００℃、
　　　ガス群Ａとガス群Ｂの供給周期：１～５秒、
　　　１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．２５秒、
　　　ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差：０．１０～０．２０秒
最下部層δ：
　前記工具基体と前記下部層γの間に最下部層δが存在し、該最下部層δは、前記下部層γとは組成の異なる（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層、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から選ばれる１層または２層以上からなり、０．１～１０μｍの合計平均層厚を有する前記最下部層δは、０．１～１０μｍの合計平均層厚で形成した場合、工具基体と下部層γとの密着強度をさらに高める効果を有する。
　なお、最下部層δとして、下部層γとは組成の異なる（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を形成した場合、最下部層δとして、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層における [Ｌａｖｇ]＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘδａｖｇをとると、各区間のＸδａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、より表面側の区間のＸδａｖｇが基体側の区間のＸδａｖｇに比べ同等か、より大きくなることを満たすことが必要である。
　これは、密着層βにおける（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の場合と同様、最下部層δにおける（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層も、立方晶構造の単相として形成し、工具基体と下部層γの密着性を担保し、硬質被覆層全体としての耐チッピング性、耐剥離性を向上させるためである。
　なお、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる最下部層δにおけるＡｌの含有割合は、層厚方向に沿って必ずしも一定である必要はなく、工具基体側から下部層γ側へ向かうにしたがって、層厚方向に漸次連続的にあるいは不連続的に増加する値を採ることもでき、この場合、工具基体と下部層γのより一段とすぐれた密着強度を確保することができる。
　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、硬質被覆層は、化学蒸着法により成膜されたＮａＣｌ型の面心立方構造単相の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる下部層γ、その上部に、低温条件（８００～９００℃）で成膜された密着層β、さらに、その上部に、低温条件（８００～９００℃）で成膜されたα－Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層αを少なくとも含み、密着層β及び上部層αが、相対的に低温度（８００～９００℃）の成膜条件で成膜されているため、下部層γは、ＮａＣｌ型立方晶構造の単相となり、六方晶ＡｌＮ相の相分離発生を抑制し高硬度を維持することができる。
　さらに、低温条件で成膜された上部層αと密着層βとの間には、上部層αとの密着性にすぐれた酸素含有ＴｉＣＮ層が形成されているため、チッピングの発生、剥離の発生が抑制される。
　したがって、上記の硬質被覆層を備える本発明の被覆工具は、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に供した場合でも、チッピング、剥離等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。
　さらに、前記硬質被覆層の下部層γにおいて、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在し、かつ、周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な面となす角度が３０度以内の方向となるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が存在する場合には、切削時に摩耗が進行する面に作用するせん断力により生じる工具基体と垂直な方向へのクラックの進展を抑制することから、靭性が向上し、より一段と耐チッピング性、耐剥離性が向上するのである。
本発明の硬質被覆層の層構造の縦断面模式図の一つの態様を示す。 本発明の硬質被覆層の層構造において、密着層βがＴｉＣＮ層を含む縦断面模式図の態様を示す。 本発明の硬質被覆層の層構造において、密着層βがＴｉ化合物層を含む縦断面模式図の態様を示す。 本発明の硬質被覆層の層構造において、密着層βが（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を含む縦断面模式図の態様を示す。 本発明の硬質被覆層の層構造において、最下部層δを含む縦断面模式図の態様を示す。
　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。
　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、通常の化学蒸着装置を用い、Ｔｉ化合物層、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層のいずれか一方、または、両層を最下部層δとして形成した。
　具体的に言えば、Ｔｉ化合物層としての最下部層δは、表３に示される条件で、表６に示されるＴｉ化合物層を形成し、また、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層としての最下部層δは、表４に示されるガス条件及び表５に示される形成条件で、表６に示される（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を形成した。
　一部については、最下部層δとして、Ｔｉ化合物層と（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の両層を形成した。
　なお、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる最下部層δの成膜条件Ａδ～Ｅδにおいては、表４、表５に示されるようにガス条件および形成条件を成膜初期と成膜終期で変化させ、工具基体表面から下部層γに向かうにしたがって、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層中のＡｌ含有割合が、連続的にあるいは段階的に、次第に増加するような（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を成膜した。
　つぎに、これらの最下部層δの表面に化学蒸着装置を用い、表７に示されるガス条件Ａγ～Ｅγで、また、表８に示される形成条件Ａγ～Ｅγで、ＮａＣｌ型の面心立方構造単相の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる下部層γを成膜した。
　つまり、表８、表９に示される形成条件Ａγ～Ｅγにしたがい、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＴｉＣｌ４、ＡｌＣｌ３、Ｎ２、Ｃ２Ｈ４、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ＮＨ３：２．０～３．０％、Ｈ２：６５～７５％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．１～０．４％、Ｎ２：０．０～１２．０％、Ｃ２Ｈ４：０～０．５％、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１～５秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行い、表１４に示される（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる下部層γを成膜した。
　ついで、下部層γの表面に、密着層βを形成した。
　密着層βとしては、Ｔｉ化合物層、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層のいずれか一方、または、両層を形成することができる。
　但し、密着層βとして、Ｔｉ化合物層を形成するか、あるいは、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を形成するか、あるいは、Ｔｉ化合物層と（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の両層を形成するかにかかわらず、密着層βの最表面（上部層αとの界面に接する密着層βの最表層）には、少なくとも０．５μｍ以上の層厚を有する酸素含有ＴｉＣＮ層を形成する。
　Ｔｉ化合物層からなる密着層βを形成する成膜条件は表９に示し、また、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる密着層βを形成する成膜条件Ａβ～Ｅβは表１０、表１１に示し、さらに、Ｔｉ化合物層の内の一つの層ではあるが、ＴｉＣＮ層と酸素含有ＴｉＣＮ層からなる密着層βを形成する成膜条件Ａ～Ｄは、表１２に示す。
　表９～１２に示される成膜条件により、表１４に示される密着層βを成膜した。
　なお、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる密着層βの成膜条件Ａβ～Ｅβにおいては、表１０、表１１に示されるようにガス条件および形成条件を成膜初期と成膜終期で変化させ、下部層γから上部層αに向かうにしたがって、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層中のＡｌ含有割合が、連続的にあるいは段階的に、次第に減少するような（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を成膜した。
　ついで、ＴｉＣＮ層と酸素含有ＴｉＣＮ層を最表層に少なくとも含む前記密着層βの表面に、表１３に示す成膜条件によって表１４に示される上部層αを形成した。
　なお、上部層αは、成膜初期にα－Ａｌ２Ｏ３の核生成を行い、ついで、α－Ａｌ２Ｏ３を成膜するという二段階の成膜処理を行った。
　上記の各成膜工程により、ＷＣ基超硬合金あるいはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、下部層γ、密着層βおよび上部層αからなる硬質被覆層を形成することにより、表１４に示す本発明被覆上具１～１５を作製した。
　また、比較の目的で、工具基体Ａ～Ｄの表面に、化学蒸着装置を用い、表７に示されるガス条件Ａγ～Ｅγで、また、表８に示される形成条件Ａγ～Ｅγで、ＮａＣｌ型の面心立方構造単相の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる下部層γを成膜した。
　ついで、前記下部層γの表面に、Ｔｉ化合物層からなる密着層β、あるいは、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる密着層β、あるいは、これら両層からなる密着層βを形成した。
　Ｔｉ化合物層からなる密着層βは表１５に示される条件で形成し、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる密着層βは表１０、表１１に示される本発明の条件と同じ条件で形成した。
　なお、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる密着層βは、本発明と同様に、下部層γから上部層αに向かうにしたがって、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層中のＡｌ含有割合が、連続的にあるいは段階的に、次第に減少するように成膜した。
　ついで、密着層βの最表面（上部層αとの界面に接する密着層βの最表層）に、表１６に示される条件で、酸素含有ＴｉＣＮ層を形成した。
　なお、表１５に示されるＴｉ化合物層の成膜温度は、表９に示される本発明のＴｉ化合物の成膜温度に比して高く、また、表１６に示される酸素含有ＴｉＣＮ層の成膜温度も、表１２に示される本発明のＴｉＣＮ層、酸素含有ＴｉＣＮ層の成膜温度に比して高温である。
　ついで、酸素含有ＴｉＣＮ層が形成されている密着層βの表面に、表１７に示す成膜条件によって上部層αを形成した。
　なお、上部層αは、成膜初期にα－Ａｌ２Ｏ３の核生成を行い、ついで、α－Ａｌ２Ｏ３を成膜するという二段階の成膜処理を行った。
　また、表１７に示される上部層αの成膜温度は、表１３に示す本発明の上部層αの成膜温度に比して高い温度である。
　前記各成膜工程により、ＷＣ基超硬合金あるいはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、下部層γ、密着層βおよび上部層αからなる硬質被覆層を形成することにより、表１８に示す比較例被覆上具１～１５を作製した。
　本発明被覆工具１～１５、比較例被覆工具１～１５の各構成層の工具基体に垂直な方向の断面を、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）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１４および表１８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、下部層γを構成する（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の平均Ａｌ含有割合Ｘａｖｇについては、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｐｒｏｂｅ－Ｍｉｃｒｏ－Ａｎａｌｙｓｅｒ）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Ａｌ含有割合Ｘａｖｇを求めた。平均Ｃ含有割合Ｙａｖｇについては、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ，Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ－Ｉｏｎ－Ｍａｓｓ－Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により求めた。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。平均Ｃ含有割合Ｙａｖｇは（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層についての深さ方向の平均値を示す。
　また、前記下部層γを構成する（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の結晶構造については、Ｘ線回折により測定した回折ピークより同定し、ＮａＣｌ型の立方晶構造の単相であるか六方晶結晶構造の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）結晶粒が含まれているかを調査した。なお、Ｘ線回折は、Ｘ線回折装置としてスペクトリス社ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ　Ｅｍｐｙｒｅａｎを用いて、ＣｕＫα線による２θ‐θ法で測定し、測定条件として、測定範囲（２θ）：３０～１３０度、Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ、発散スリット：０．５度、スキャンステップ：０．０１３度、１ステップ辺り測定時間：０．４８ｓｅｃ／ｓｔｅｐという条件で測定した。
　また、下部層γを構成する（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層について、透過型電子顕微鏡を用いて、加速電圧２００ｋＶの条件において該層の微小領域の観察を行い、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて、断面側から面分析を行うことによって、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒内に、組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在するか否かを調べるとともに、組成変化が存在する結晶粒のうちで、本発明組成変化の方向を有する結晶粒が存在するか否かを調べた。
　なお、「本発明組成変化の方向を有する結晶粒」とは、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な方向とのなす角が３０度以内であるような結晶粒をいう。
　上記周期的な組成変化の方向について、工具基体表面に垂直な面となす角度は次のようにして測定した。
　透過型電子顕微鏡を用いて、前記ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒内における基体と垂直な任意の断面から任意の１μｍ×１μｍの領域において観察を行い、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在し、前記断面におけるＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小になる方向と工具基体表面のなす角を測定することにより、求めることが出来る。
　表１４、表１８に、その結果を示す。
　ついで、密着層βについて、該層の最表面を構成する酸素含有ＴｉＣＮ層について、該層の層厚方向に０．５μｍまでの深さ領域における平均酸素含有割合（＝Ｏ／（Ｔｉ＋Ｃ＋Ｎ＋Ｏ）×１００）、さらに、０．５μｍを超える深さ領域における平均酸素含有割合（＝Ｏ／（Ｔｉ＋Ｃ＋Ｎ＋Ｏ）×１００）を、オージェ電子分光分析器を用い、密着層βの縦断面研磨面に直径１０ｎｍの電子線を照射させていき、Ｔｉ，Ｃ，Ｎ，Ｏのオージェピークの強度を測定し、それらのピーク強度の総和に占めるＯのオージェピークの割合から、平均酸素含有割合を原子％として算出した。
　表１４、表１８に、これらの値を示す。
　また、密着層βが、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を含む場合については、該（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の層厚方向に［Ｌａｖｇ］＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘβａｖｇをエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によって面分析を行うことにより求めた。ここで［Ｌａｖｇ］はガウス記号を表す。［ｘ］はｘを超えない最大の整数を表す数学記号であり、［ｘ］＝ｎである時、ｎ≦ｘ＜ｎ＋１で定義される（ただし、ｎは整数）。
　表１４、表１８に、これらの値を示す。
　また、上部層αにおける塩素含有量を、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｐｒｏｂｅ－Ｍｉｃｒｏ－Ａｎａｌｙｓｅｒ）を用い、試料断面を研磨し、加速電圧１０ｋＶの電子線を試料断面側から照射し、得られた特性Ｘ線の解析結果の１０点平均から平均塩素含有量Ｃｌａｖｇを算出した。
　表１４、表１８に、これらの値を示す。
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Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000018
　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１～１５、比較例被覆工具１～１５について、以下に示す、鋳鉄の高速断続切削の一種である湿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。
　表１９に、その結果を示す。
　切削試験：　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：　１２５　ｍｍ、
　被削材：　　ＪＩＳ・ＦＣＤ７００幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
　回転速度：　８９１　ｍｉｎ－１、
　切削速度：　３５０　ｍ／ｍｉｎ、
　切り込み：　１．５　ｍｍ、
　一刃送り量：　０．３　ｍｍ／刃、
　切削時間：　５分、
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000019
　表１９に示される結果から、本発明被覆工具は、下部層γがＮａＣｌ型立方晶構造の単相であって高硬度を有し、さらに、低温条件で成膜された上部層αと密着層βとの間には、上部層αとの密着性にすぐれた酸素含有ＴｉＣＮ層が形成されているため、チッピングの発生、剥離の発生が抑制されるため、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工において、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
　これに対して、比較例被覆工具においては、チッピング、剥離等の異常損傷の発生を原因として、短期間で使用寿命に至る。
　表１に示すＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ～Ｃおよび表２に示すＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｄの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、Ｔｉ化合物層、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層のいずれか一方、または、両層を最下部層δとして形成した。
　具体的に言えば、Ｔｉ化合物層としての最下部層δは、表３に示される条件で、表２２に示されるＴｉ化合物層を形成し、また、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層としての最下部層δは、表２０に示されるガス条件及び表２１に示される形成条件で、表２２に示される（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を形成した。
　一部については、最下部層δとして、Ｔｉ化合物層と（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の両層を形成した。
　なお、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる最下部層δの成膜条件Ａδ～Ｅδにおいては、表２０、表２１に示されるようにガス条件および形成条件を成膜初期と成膜終期で変化させ、工具基体表面から下部層γに向かうにしたがって、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層中のＡｌ含有割合が、連続的にあるいは段階的に、次第に増加するような（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を成膜した。
　ただし、最下部層δとして、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層における　［Ｌａｖｇ］＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘδａｖｇをとると、各区間のＸδａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、より表面側の区間のＸδａｖｇが基体側の区間のＸδａｖｇに比べ同等か、より大きくなることを満たす。
　ついで、これらの工具基体Ａ～Ｄの表面に形成した最下部層δの表面に、化学蒸着装置を用い、表７に示されるガス条件Ａγ～Ｅγで、また、表８に示される形成条件Ａγ～Ｅγで、ＮａＣｌ型の面心立方構造単相の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる表２３に示される下部層γを成膜した。
　ついで、下部層γの表面に、密着層βを形成した。
　密着層βとしては、Ｔｉ化合物層、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層のいずれか一方、または、両層を形成した。
　但し、密着層βとして、Ｔｉ化合物層を形成するか、あるいは、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を形成するか、あるいは、Ｔｉ化合物層と（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の両層を形成するかにかかわらず、密着層βの最表面（上部層αとの界面に接する密着層βの最表層）には、少なくとも０．５μｍ以上の層厚を有する酸素含有ＴｉＣＮ層を形成した。
　Ｔｉ化合物層からなる密着層βを形成する成膜条件は表９に示し、また、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる密着層βを形成する成膜条件Ａβ～Ｅβは表１０、表１１に示し、さらに、Ｔｉ化合物層の内の一つの層ではあるが、ＴｉＣＮ層と酸素含有ＴｉＣＮ層からなる密着層βを形成する成膜条件Ａ～Ｄは、表１２に示す。
　表９～１２に示される成膜条件により、表２３に示される密着層βを成膜した。
　なお、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層からなる密着層βの成膜条件Ａβ～Ｅβにおいては、実施例１の場合と同様に、表１０、表１１に示されるようにガス条件および形成条件を成膜初期と成膜終期で変化させ、下部層γから上部層αに向かうにしたがって、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層中のＡｌ含有割合が、連続的にあるいは段階的に、次第に減少するような（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を成膜した。
　ただし、密着層βの（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層における平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）は、０．３０≦Ｌａｖｇ≦５．０を満たし、該ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層に対し［Ｌａｖｇ］＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘβａｖｇをとると、各区間のＸβａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、表面側の区間のＸβａｖｇが基体側の区間のＸβａｖｇに比べ同等か、より小さくなることを満たす。
　ついで、ＴｉＣＮ層と酸素含有ＴｉＣＮ層を最表層に少なくとも含む前記密着層βの表面に、表１３に示す成膜条件によって表２３に示される上部層αを形成した。
　なお、上部層αは、成膜初期にα－Ａｌ２Ｏ３の核生成を行い、ついで、α－Ａｌ２Ｏ３を成膜するという二段階の成膜処理を行った。
　上記工程で、工具基体Ａ～Ｃ、Ｄの表面に、最下部層δ、下部層γ、密着層β及び上部層αからなる硬質被覆層を形成することで、本発明被覆工具１６～２５を作製した。
　本発明被覆工具１６～２５について、実施例１の場合と同様にして、以下の各測定を行った。
　まず、各層の平均層厚を求めたところ、いずれも、表２２、表２３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、下部層γを構成する（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の平均Ａｌ含有割合Ｘａｖｇ、平均Ｃ含有割合Ｙａｖｇを求め、表２３にその結果を示した。
　また、前記下部層γを構成する（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層が、ＮａＣｌ型の立方晶構造の単相であるか六方晶結晶構造の（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）結晶粒が含まれているかを調査し、表２３にその結果を示した。
　さらに、下部層γを構成する（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層について、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒内に、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化が存在するか否かを調べるとともに、組成変化が存在する結晶粒のうちで、本発明組成変化の方向を有する結晶粒（ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な方向とのなす角が３０度以内であるような結晶粒）が存在するか否かを調べた。
　表２３にその結果を示す。
　また、密着層βについて、該層の最表面を構成する酸素含有ＴｉＣＮ層について、該層の層厚方向に０．５μｍまでの深さ領域における平均酸素含有割合（＝Ｏ／（Ｔｉ＋Ｃ＋Ｎ＋Ｏ）×１００）、さらに、０．５μｍを超える深さ領域における平均酸素含有割合（＝Ｏ／（Ｔｉ＋Ｃ＋Ｎ＋Ｏ）×１００）を、実施例１の場合と同様に、オージェ電子分光分析によって求めた。
　表２３にその結果を示す。
　また、密着層βが、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層を含む場合については、該（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層の層厚方向に［Ｌａｖｇ］＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘβａｖｇをエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によって面分析を行うことにより求めた。ここで［Ｌａｖｇ］はガウス記号を表す。［ｘ］はｘを超えない最大の整数を表す数学記号であり、［ｘ］＝ｎである時、ｎ≦ｘ＜ｎ＋１で定義される（ただし、ｎは整数）。
　表２２、表２３にその結果を示す。
　また、上部層αにおける塩素含有量を、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｐｒｏｂｅ－Ｍｉｃｒｏ－Ａｎａｌｙｓｅｒ）を用い、試料断面を研磨し、加速電圧１０ｋＶの電子線を試料断面側から照射し、得られた特性Ｘ線の解析結果の１０点平均から平均塩素含有量Ｃｌａｖｇを算出した。
　表２３に、その値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000022
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000023
　つぎに、前記本発明被覆工具１６～２５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、以下に示す、ステンレス鋼の湿式高速断続切削試験を実施し、いずれも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
　被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
　切削速度：３００　ｍ／ｍｉｎ、
　切り込み：１．０　ｍｍ、
　送り：０．２　ｍｍ／ｒｅｖ、
　切削時間：５　分、
（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ）、
　表２４に、前記切削試験の結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000024
　表２４に示される結果から、本発明の被覆工具においては、下部層γがＮａＣｌ型立方晶構造の単相であって高硬度を有し、さらに、低温条件で成膜された上部層αと密着層βとの間には、上部層αとの密着性にすぐれた酸素含有ＴｉＣＮ層が形成されているため、チッピングの発生、剥離の発生が抑制される。
　したがって、本発明被覆工具は、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工において、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
　前述のように、本発明の被覆工具は、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工において、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するから、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 (7)

  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、上部層α、密着層β、下部層γの少なくとも３層を含む硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具において、
    （ａ）前記上部層αは１．０～１０μｍの平均層厚を有するα型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層からなり、
    （ｂ）前記密着層βは、０．５～１０．０μｍの合計平均層厚を有し、前記上部層αとの界面に接する前記密着層βの最表層は、少なくとも０．５μｍ以上の層厚を有するＴｉＣＮ層を少なくとも含み、
    （ｃ）前記ＴｉＣＮ層と前記上部層αとの界面から、前記ＴｉＣＮ層の層厚方向の内部へ最大０．５μｍまでの深さに酸素が含有されており、前記深さ領域に含有される平均酸素含有量は前記深さ領域に含有されるＴｉ、Ｃ，Ｎ，Ｏの合計含有量の０．５～３原子％であり、
    （ｄ）前記下部層γは、平均層厚１．０～２０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層からなり、
    （ｅ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造の単相からなり、
    （ｆ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層は、平均組成を（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ＸａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合Ｙａｖｇ（但し、Ｘａｖｇ、Ｙａｖｇはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
  2. 　前記上部層αは、０．０５～０．５原子％の塩素を含有す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。
  3. 　前記下部層γにおけるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層のＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘａｖｇは、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５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。
  4. 　前記密着層βは、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から選ばれる１層または２層以上をさらに含む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。
  5. 　前記密着層βは、ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層をさらに含み、該ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）は、０．３０≦Ｌａｖｇ≦５．０を満たし、該ＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層に対し[Ｌａｖｇ]＋２分割した各区間においてＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合Ｘβａｖｇをとると、各区間のＸβａｖｇ＜Ｘａｖｇを満たし、より表面側の区間のＸβａｖｇが基体側の区間のＸβａｖｇに比べ同等か、より小さくなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
  6. 　前記下部層γにおけるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を、工具基体の表面と垂直な任意の断面から分析した場合、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化を有するＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が存在し、かつ、ＴｉとＡｌの周期的な組成変化の周期が最小となる方向が、工具基体表面に垂直な面とのなす角が３０度以内であるような前記結晶粒が少なくとも存在することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
  7. 　前記工具基体と前記下部層γの間に、最下部層δが存在し、該最下部層δは、前記下部層γとは組成の異なるＴｉとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層、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から選ばれる１層または２層以上からなり、０．１～１０μｍの合計平均層厚を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
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