JP2013136114A

JP2013136114A - 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP2013136114A
Application number: JP2011287740A
Authority: JP
Inventors: Sho Tatsuoka; 翔龍岡; Naoyuki Iwasaki; 直之岩崎; Akira Osada; 晃長田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN103182537A; JP5838805B2; CN103182537B

Abstract

【課題】高速断続切削加工において硬質被覆層がすぐれた耐チッピング、耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】硬質被覆層が化学蒸着された下部層と上部層とからなり、（ａ）前記下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、（ｂ）前記上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、であり、前記下部層のＴｉ化合物層を構成するＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内にバイモーダルな粒径分布形態をとる微粒ＴｉＣＮが存在する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する各種の鋼や鋳鉄の高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を備えることにより、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

従来、一般に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメット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、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることが知られている。
ただ、前記被覆工具は、切れ刃に大きな負荷がかかる切削条件では、チッピング等を発生しやすく、工具寿命が短命であるという問題があるため、これを解消するために、従来からいくつかの提案がなされている。

例えば、特許文献１には、ＷＣ基超硬合金基体の表面に形成される硬質被覆層を、ＴｉＣＮの単層または２層以上の積層で構成すると共に、これら構成層のうちの１層または２層以上を、（ａ）粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ変る結晶構造、（ｂ）粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ、さらにこの縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶構造、（ｃ）縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶構造のうちのいずれか、または２種以上の結晶構造で構成した耐チッピング性にすぐれる表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具が開示されている。

また、特許文献２には、超硬合金またはサーメットからなる基体表面にセラミック皮膜を形成した表面被覆切削工具であって、セラミック被覆が柱状晶のＴｉＣＮ層を必ず含む単層または多層で構成され、ＴｉＣＮ層の上端からＴｉＣＮ層の厚さの１／５の距離の位置におけるＴｉＣＮ柱状結晶粒の水平方向の平均粒径ｄ１と、ＴｉＣＮ層の下端からＴｉＣＮ層の厚さの２／５の距離の位置におけるＴｉＣＮ柱状結晶粒の水平方向の平均粒径ｄ２の比が１≦ｄ１／ｄ２≦１．３である耐摩耗性、耐欠損性の両方にすぐれ、断続切削を含む長時間の切削加工に耐える表面被覆切削工具が開示されている。

さらに、特許文献３には、基体の表面に少なくとも炭窒化チタン層と、その上層として酸化アルミニウム層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、表面被覆切削工具の表面に硬質球を接触させた状態で硬質球がころがりながら自転するように表面被覆切削工具を局所的に摩耗させた摩耗痕の中心に基体が露出するように硬質被覆層を球曲面に摩耗させるカロテストの摩耗痕を観察した際に、摩耗痕の中心に存在する露出した基体の周囲に観察される炭窒化チタン層が、クラック幅がゼロまたは小さい下部組織と、下部組織の周囲に観察されて下部組織よりもクラック幅が大きい上部組織が存在する構成とした、断続切削等の工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、ＴｉＣＮ層とＡｌ_２Ｏ_３層との間で剥離が発生することなく硬質被覆層の密着性を高めることができ、すぐれた耐欠損性および耐摩耗性を有する長寿命の切削工具が開示されている。

特開平６−８００９号公報特開平１０−１０９２０６号公報特開２００５−１８６２２１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、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いるが、例えば、前記特許文献１乃至３に示される被覆工具においても、高熱発生を伴うとともに、より一段と切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いられた場合には、下部層の熱伝導率が高く、熱遮蔽効果が十分ではないために、切削加工時の高負荷によって切れ刃にチッピング、欠損が発生しやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、高熱発生を伴い、かつ、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用いられた場合でも、硬質被覆層がすぐれた靭性を備え、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐欠損性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、従来の硬質被覆層として、少なくともＴｉの炭窒化物層を含む１層または２層以上からなるＴｉ化合物層からなる下部層を形成したものにおいては、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層が基体的に垂直方向に柱状をなして形成されている。そのため、耐摩耗性は向上するが、その反面、Ｔｉの炭窒化物層の異方性が高くなるほどＴｉ化合物層の靭性が低下する。その結果、耐チッピング性、耐欠損性を発揮することができず、また、工具寿命も満足できるものであるとはいえなかった。

そこで、本発明者らは、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉ化合物層の中の特にＴｉの炭窒化物層について鋭意研究したところ、Ｔｉ化合物層中の少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層中に微粒ＴｉＣＮをバイモーダルな粒径分布で存在させることにより、主として粒径の大きな微粒ＴｉＣＮがＴｉ化合物層の異方性を緩和すると共に、粒径の小さな微粒ＴｉＣＮがＴｉ化合物層の熱伝導率を抑制し、熱遮蔽効果を向上させることができる。その結果、粒径の大きな微粒ＴｉＣＮが奏する効果と粒径の小さな微粒ＴｉＣＮが奏する効果との相乗効果により硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性を飛躍的に向上させることができるという新規な知見を見出した。

具体的には、下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織で構成すると共に、その組織内に微粒ＴｉＣＮをバイモーダルな粒径分布で存在させることにより、硬質被膜層の耐チッピング性、耐欠損性を向上させることができる。

そして、前述のような構成のＴｉの炭窒化物層は、例えば、以下の化学蒸着法によって成膜することができる。

工具基体表面に、反応ガス組成（容量％）を、ＴｉＣｌ_４：１．７％、ＴＤＭＡＴ（テトラキスジメチルアミノチタン）：０．０１〜０．１％、ＣＨ_３ＣＮ：０．７％、Ｎ_２：２０％、Ｈ_２：残、として、反応雰囲気圧力を、５〜９ｋＰａとして、反応雰囲気温度を、８００〜９３０℃として、化学蒸着法を行うことにより柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を成膜する工程中に、前記反応ガス中に、ＴＤＭＡＴ（テトラキスジメチルアミノチタン）を高濃度（０．０６〜０．１％）および低濃度（０．０１〜０．０５％）と交互に濃度を変えて添加することにより、バイモーダルの粒径分布を有する微粒ＴｉＣＮが組織内に存在する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を得ることができる。この時、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織内に微粒ＴｉＣＮが存在する場合であっても微粒ＴｉＣＮの最大粒径および粒径分布を制御することにより柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織が分断されることなく、柱状組織のまま成長することを見出した。その結果、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織が有する靭性を低下させることなく、むしろバイモーダルな粒径分布を有する微粒ＴｉＣＮの存在により柱状縦長成長ＴｉＣＮの異方性が増加することにより、靱性が向上するとともに、熱伝導率が抑制され、熱遮蔽効果が向上する。そのため、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性を向上させることができる。

さらに、本発明者らは、Ｔｉの炭窒化物層中に存在させる微粒ＴｉＣＮの粒径分布と硬質被覆層の諸特性の関係について、鋭意研究を重ねた結果、微粒ＴｉＣＮの粒径分布が、次のようなバイモーダルな分布であるとき最もすぐれた効果が奏されることを確認した。

すなわち、本発明者らは、微粒ＴｉＣＮの粒径分布と膜特性との関係を詳細に調べた結果、その粒径分布が、図２に示すように、第１ピークが１０〜２０ｎｍに存在し、微粒ＴｉＣＮ径２ｎｍごとに微粒ＴｉＣＮを数えたときの第１ピークにおける微粒ＴｉＣＮ数密度が２００〜５００個／μｍ^２であって、第２ピークが５０〜１００ｎｍに存在し、微粒ＴｉＣＮ径２ｎｍごとに微粒ＴｉＣＮを数えたときの第２ピークにおける微粒ＴｉＣＮ数密度が１０〜３０個／μｍ^２である時、最もすぐれた膜特性を示すことを見出した。

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または炭窒化チタン基サーメットで構成された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、
前記硬質被覆層が化学蒸着された下部層と上部層とからなるとともに、
（ａ）前記下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）前記上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
からなり、
前記（ａ）の下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮが存在しており、該微粒ＴｉＣＮが粒状ＴｉＣＮ結晶相又はアモルファスＴｉＣＮ相若しくは粒状ＴｉＣＮ結晶相とアモルファスＴｉＣＮ相との混合相であり、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅が５０〜２０００ｎｍ、該最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５〜５０であり、前記微粒ＴｉＣＮの最大粒径が１０〜１５０ｎｍであり、該微粒ＴｉＣＮの下部層中での粒径分布形態がバイモーダルな分布をとることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記微粒ＴｉＣＮの粒径分布の第１ピークが１０〜２０ｎｍに存在し、微粒ＴｉＣＮ径２ｎｍごとに微粒ＴｉＣＮを数えたときの第１ピークにおける微粒ＴｉＣＮ数密度が２００〜５００個／μｍ^２であって、該微粒ＴｉＣＮの第２ピークが５０〜１００ｎｍに存在し、微粒ＴｉＣＮ径２ｎｍごとに微粒ＴｉＣＮを数えたときの第２ピークにおける微粒ＴｉＣＮ数密度が１０〜３０個／μｍ^２であることを特徴とする（１）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。

下部層のＴｉ化合物層：
少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上のＴｉ化合物層からなる下部層は、通常の化学蒸着条件で形成することができるが、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層については後述するような別の方法によって形成する。下部層を構成するＴｉ化合物層は、それ自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と酸化アルミニウムからなる上部層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつが、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方、その合計平均層厚が２０μｍを越えると、チッピングを発生しやすくなることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。

下部層中の少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層：
下部層中の少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮ結晶が分散分布している構成とする。このような構成にすることによって、靭性が向上し、すぐれた耐チッピング性を示すようになる。ところが、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅が５０ｎｍよりも小さいと、長期の使用にわたっての耐摩耗性を確保できず、一方、２０００ｎｍを超えると、粒子の粗大化により耐チッピング性、耐欠損性が低下する。したがって、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅は、５０〜２０００ｎｍとすることが好ましい。また、前記最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５より小さいと、柱状縦長成長ＴｉＣＮの特徴である高い耐摩耗性を確保できず、一方、５０を超えると、かえって靭性が低下し、耐チッピング性、耐欠損性が低下する。したがって、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比は５〜５０とすることが望ましい。ここで、最大粒子幅と最大粒子長さとは、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の１つの粒子を計測したとき、粒子の幅（短辺）で最も大きい値を最大粒子幅と呼び、一方、粒子の高さ（長辺）で最も大きい値を最大粒子長さと呼ぶ。

さらに、微粒ＴｉＣＮの最大粒径が１０ｎｍより小さいと、微粒ＴｉＣＮを分散分布させることの効果が発揮されず、一方、１５０ｎｍを超えると、かえって靭性が低下する。したがって、微粒ＴｉＣＮの最大粒径は、１０〜１５０ｎｍとすることが好ましい。

また、本発明は、前記の構成に加えて、以下の条件を併せ持つとき、より一層、すぐれた効果を発揮する。すなわち、前記微粒ＴｉＣＮの下部層中での粒径分布がバイモーダルな粒径分布形態をとるとき下部層のＴｉ化合物層は前述の効果を一層発揮する。特に好ましい分布形態としては、微粒ＴｉＣＮの分布の第１ピークが１０〜２０ｎｍに存在し、微粒ＴｉＣＮ径２ｎｍごとに微粒ＴｉＣＮを数えたときの第１ピークにおける微粒ＴｉＣＮ数密度が２００〜５００個／μｍ^２であるとともに微粒ＴｉＣＮの第２ピークが５０〜１００ｎｍに存在し、微粒ＴｉＣＮ径２ｎｍごとに微粒ＴｉＣＮを数えたときの第２ピークにおける微粒ＴｉＣＮ数密度が５０〜１００個／μｍ^２である。ここで、バイモーダルな粒径分布形態の第１ピークおよび第２ピークにおける粒径および数密度を前記のように定めた理由は、第１ピークの粒径が１０ｎｍより小さいと熱遮蔽効果を十分に向上させることができなくなり、一方、２０ｎｍを超えると膜の熱伝導率を十分に抑制することができなくなるからである。また、第２ピークの粒径が５０ｎｍより小さいと靭性を十分に向上させることができなくなり、一方、１００ｎｍを超えると耐チッピング性を十分に向上させることができなくなるからである。

上部層の酸化アルミニウム層：
上部層を構成する酸化アルミニウム層が、高温硬さと耐熱性を備えることは既に良く知られているが、その平均層厚が２μｍ未満では、長期の使用に亘っての耐摩耗性を確保することができず、一方、その平均層厚が２５μｍを越えると酸化アルミニウム結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、高速断続切削加工時の耐チッピング性、耐欠損性が低下することから、その平均層厚を２〜２５μｍと定めた。

なお、本発明における微粒ＴｉＣＮとは、粒状ＴｉＣＮ結晶相又はアモルファスＴｉＣＮ相若しくは粒状ＴｉＣＮ結晶相とアモルファスＴｉＣＮ相との混合相であって、最大粒径が１５０ｎｍ以下のものを総称して呼んでいる。

バイモーダルな粒径分布形態をとる微粒ＴｉＣＮの形成：
本発明の微粒ＴｉＣＮは、通常の化学蒸着条件で成膜した下部層の形成過程中に次の条件による化学蒸着法を行うことによって形成することができる。
すなわち、微粒ＴｉＣＮの核となるＴＤＭＡＴを反応ガス中に低濃度（Ａ条件）と高濃度（Ｂ条件）の２つの条件で交互に切り替えながら添加することによって、バイモーダルな粒径分布を持つ微粒ＴｉＣＮが形成される。
反応ガス組成（容量％）：
ＴｉＣｌ_４：１．７％、
ＴＤＭＡＴＡ条件：０．０１〜０．０５％Ｂ条件：０．０６〜０．１０％
ＣＨ_３ＣＮ：０．７％、
Ｎ_２：２０％、
Ｈ_２：残、
反応雰囲気圧力：５〜９ｋＰａ
反応雰囲気温度：８００〜９３０℃

本発明で、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織内に微粒ＴｉＣＮがバイモーダルな粒径分布している構造は、粒径の大きな微粒ＴｉＣＮの存在によって、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織に力が加わった際に、１つ１つの柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶にずれが生じるため、大きな靭性を生じることとなり、すぐれた耐チッピング性を示す。また、粒径の小さな微粒ＴｉＣＮの存在によって、膜の熱伝導率が抑制されるため、熱遮蔽効果が向上する。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層として、化学蒸着された下部層と上部層とからなり、
（ａ）下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
からなり、（ａ）の下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮが存在しており、該微粒ＴｉＣＮが粒状ＴｉＣＮ結晶相又はアモルファスＴｉＣＮ相若しくは粒状ＴｉＣＮ結晶相とアモルファスＴｉＣＮ相との混合相であり、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅が５０〜２０００ｎｍ、該最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５〜５０であり、微粒ＴｉＣＮの最大粒径が１０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、該微粒ＴｉＣＮの下部層中での粒径分布形態がバイモーダルな分布をとることにより、硬質被膜層の靱性が向上するとともに、熱伝導率が抑制され、熱遮蔽効果が向上するので、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成されるものである。

本発明の下部層のＴｉ化合物層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層の柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織の成長状態とＴｉの炭窒化物層に存在する微粒ＴｉＣＮの存在形態を模式的に表した膜構成模式図である。本発明の下部層を構成するＴｉ化合物層に存在する微粒ＴｉＣＮの粒径分布図である。比較例の下部層のＴｉ化合物層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層の柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織の成長状態を模式的に表した膜構成模式図である。

つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。

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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｅ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、ＴａＣ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：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８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ａ〜ｅを形成した。

つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
（ａ）硬質被覆層の下部層として、表３および表４に示される条件かつ表６に示される目標層厚でＴｉ化合物層を蒸着形成する。
（ｂ）この時、表４に示されるｋ〜ｏ条件でＴｉ化合物層を構成するＴｉの炭窒化物層を成膜する際に、表４に示されるＴＤＭＡＴ（容量％）を２つの異なる濃度（Ａ条件、Ｂ条件）で交互に切り替えながら添加することによりＴｉの炭窒化物層の組織内にバイモーダルな粒径分布をとる微粒ＴｉＣＮを形成することにより本発明被覆工具１〜１５を製造した。
（ｃ）次いで、表６に示される目標層厚の上部層（酸化アルミニウム層）からなる硬質被覆層を蒸着形成する。

前記本発明被覆工具１〜１５の下部層のＴｉ化合物層を構成するＴｉの炭窒化物層について、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて複数視野にわたって観察したところ、いずれも、図１に示した膜構成模式図に示される柱状結晶の粒界および粒内にバイモーダルな粒径分布をとる微粒ＴｉＣＮが存在する膜構造が確認された。

さらに、前記本発明被覆工具１〜１５の下部層のＴｉ化合物層を構成するＴｉの炭窒化物層に存在する微粒ＴｉＣＮの数を、工具基体と垂直方向は下部層のＴｉ化合物層を構成するＴｉの炭窒化物層膜厚分の厚さに亘って、工具基体と水平方向は長さ合計１０μｍに亘って、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）及び透過電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いて測定し、粒径２ｎｍごとに微粒ＴｉＣＮの数密度（個／μｍ２）を求めたところ、図２に示した粒径分布図に示される粒径分布形態が確認された。

さらに、前記本発明被覆工具１〜１５の下部層を構成するＴｉ化合物層を構成するＴｉの炭窒化物層について、透過型電子顕微鏡（倍率２０００００倍）を用いて複数の視野にわたって観察したところ、前記微粒ＴｉＣＮは、粒状ＴｉＣＮ結晶相又はアモルファスＴｉＣＮ相若しくは粒状ＴｉＣＮ結晶相とアモルファスＴｉＣＮ相の混合相であることが確認された。

また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、表３及び表５に示される条件かつ表７に示される目標層厚で本発明被覆工具１〜１５と同様に、硬質被覆層の下部層としてのＴｉ化合物層を蒸着形成した。次いで、硬質被覆層の上部層として、表３および表５に示される条件かつ表７に示される目標層厚で酸化アルミニウム層からなる上部層を蒸着形成した。この時には、ＴＤＭＡＴを添加せず、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を形成することにより、表７の比較被覆工具１〜１５を作製した。
また、前記比較被覆工具１〜１５の下部層のＴｉ化合物層を構成するＴｉの炭窒化物層について、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて複数視野に亘って観察したところ、いずれも、図３に示した膜構成模式図に示される柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織からなる膜構造が確認された。

また、本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５の各構成層の断面を、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて測定し平均層厚を求めたところ、いずれも表６および表７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、本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５については、同じく走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて、下部層のＴｉ化合物層に含まれるＴｉの炭窒化物層を構成する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅及び膜厚方向の最大粒子長さを、工具基体と水平方向に長さ合計１０μｍの範囲に存在する柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の各々について測定し、それらの平均をとることによって最大粒子幅及び膜厚方向の最大粒子長さの平均値を求め、それらの比からアスペクト比を求めた。

つぎに、本発明被覆工具１〜１５および比較被覆工具１〜１５について、表８に示す条件で切削加工試験を実施し、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を測定した。
表９に、この測定結果を示した。

表６および表９に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層の下部層のＴｉ化合物層を構成するＴｉの炭窒化物層が、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内にバイモーダルな粒径分布をとる微粒ＴｉＣＮが存在していることにより、靱性が向上し、熱伝導率が抑制され熱遮蔽効果が向上するため、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、その結果、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明らかである。

これに対して、硬質被覆層の下部層のＴｉ化合物層を構成するＴｉの炭窒化物層にバイモーダルな粒径分布をとる微粒ＴｉＣＮが存在していない比較被覆工具１〜１５については、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合、チッピング、欠損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。

前述のように、本発明の被覆工具は、例えば、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、高速断続切削加工条件ばかりでなく、高速切削加工条件、高切込み、高送りの高速重切削加工条件等で使用することも勿論可能である。

Claims

炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された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、
前記硬質被覆層が化学蒸着された下部層と上部層とからなるとともに、
（ａ）前記下部層は、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含み、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有する１層または２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）前記上部層は、２〜２５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
からなり、
前記（ａ）の下部層を構成する少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層は、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶組織を有しており、その組織内に微粒ＴｉＣＮが存在しており、該微粒ＴｉＣＮが粒状ＴｉＣＮ結晶相又はアモルファスＴｉＣＮ相若しくは粒状ＴｉＣＮ結晶相とアモルファスＴｉＣＮ相との混合相であり、柱状縦長成長ＴｉＣＮ結晶の最大粒子幅が５０〜２０００ｎｍ、該最大粒子幅と膜厚方向の最大粒子長さとのアスペクト比が５〜５０であり、前記微粒ＴｉＣＮの最大粒径が１０〜１５０ｎｍであり、該微粒ＴｉＣＮの下部層中での粒径分布形態がバイモーダルな分布をとることを特徴とする表面被覆切削工具。
前記微粒ＴｉＣＮの粒径分布の第１ピークが１０〜２０ｎｍに存在し、微粒ＴｉＣＮ径２ｎｍごとに微粒ＴｉＣＮを数えたときの第１ピークにおける微粒ＴｉＣＮ数密度が２００〜５００個／μｍ^２であって、該微粒ＴｉＣＮの第２ピークが５０〜１００ｎｍに存在し、微粒ＴｉＣＮ径２ｎｍごとに微粒ＴｉＣＮを数えたときの第２ピークにおける微粒ＴｉＣＮ数密度が１０〜３０個／μｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。