JP6761597B2 - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6761597B2 JP6761597B2 JP2016171400A JP2016171400A JP6761597B2 JP 6761597 B2 JP6761597 B2 JP 6761597B2 JP 2016171400 A JP2016171400 A JP 2016171400A JP 2016171400 A JP2016171400 A JP 2016171400A JP 6761597 B2 JP6761597 B2 JP 6761597B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- avg
- average
- composite
- nitride
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims description 74
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims description 29
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims description 29
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 title claims description 27
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 247
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 118
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 51
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 41
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 18
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 16
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011195 cermet Substances 0.000 claims description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000003245 coal Substances 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 33
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 33
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 32
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 12
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 9
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 7
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 7
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 4
- 238000001004 secondary ion mass spectrometry Methods 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001315 Tool steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 carbon nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 238000002524 electron diffraction data Methods 0.000 description 2
- 238000004453 electron probe microanalysis Methods 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000002230 thermal chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229910000967 As alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 1
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- JMANVNJQNLATNU-UHFFFAOYSA-N oxalonitrile Chemical compound N#CC#N JMANVNJQNLATNU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 102200029231 rs11551768 Human genes 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001256 stainless steel alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Description
本発明は、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して衝撃的な負荷が作用する炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等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、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、Ｃｒ−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Ｃｒ−Ａｌ系の複合窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的高温強度にすぐれるものの、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。
ただ、前記従来のＣｒ−Ａｌ系の複合窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的高温強度にすぐれるものの、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。
特許文献１には、硬質皮膜層がＴｉ化合物層からなる下部層と、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層とで構成された被覆工具において、上部層のＡｌ２Ｏ３層中に、孔径２〜５０ｎｍであって、孔径分布がバイモーダルな分布をとる微小空孔を形成し、切削加工時に上部層に作用する衝撃の緩和を図るとともに熱遮蔽効果を発揮させることによって、高速断続切削加工における耐チッピング性、耐欠損性を改善することが提案されている。
例えば、特許文献２には、硬質被覆層が下部層、中間層および上部層からなる被覆工具において、（ａ）下部層を、Ｔｉ１−ＸＡｌＸＮ層、Ｔｉ１−ＸＡｌＸＣ層、Ｔｉ１−ＸＡｌＸＣＮ層（但し、Ｘは、ＴｉとＡｌの合量に占めるＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．６５≦Ｘ≦０．９５）のうち１層または２層以上からなる立方晶結晶構造を有するＴｉとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物で構成し、（ｂ）中間層を、Ｃｒ１−ＹＡｌＹＮ層、Ｃｒ１−ＹＡｌＹＣ層、Ｃｒ１−ＹＡｌＹＣＮ層（但し、Ｙは、ＣｒとＡｌの合量に占めるＡｌの含
有割合を示し、原子比で、０．６０≦Ｙ≦０．９０）のうち１層または２層以上からなる
立方晶結晶構造を有するＣｒとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物で構成し、（ｃ）上部層を、孔径が２〜３０ｎｍで空孔密度が１００〜５００個／μｍ２の微小空孔を有するＡｌ２Ｏ３で構成することによって、例えば、析出硬化系ステンレス鋼やインコネル等の耐熱合金を高速切削加工した場合の耐チッピング性と耐摩耗性を改善することが提案されている。
有割合を示し、原子比で、０．６０≦Ｙ≦０．９０）のうち１層または２層以上からなる
立方晶結晶構造を有するＣｒとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物で構成し、（ｃ）上部層を、孔径が２〜３０ｎｍで空孔密度が１００〜５００個／μｍ２の微小空孔を有するＡｌ２Ｏ３で構成することによって、例えば、析出硬化系ステンレス鋼やインコネル等の耐熱合金を高速切削加工した場合の耐チッピング性と耐摩耗性を改善することが提案されている。
また、特許文献３には、硬質被覆層が下部層、中間層および上部層からなる被覆工具において、（ａ）下部層を、Ｔｉ１−ＸＡｌＸＮ層、Ｔｉ１−ＸＡｌＸＣ層、Ｔｉ１−ＸＡｌＸＣＮ層（但し、Ｘは、ＴｉとＡｌの合量に占めるＡｌの含有割合を示し、原子比で、０．６５≦Ｘ≦０．９５）のうち１層または２層以上からなる立方晶結晶構造を有するＴｉとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物で構成し、（ｂ）中間層を、Ｃｒ１−ＹＡｌＹＮ層、Ｃｒ１−ＹＡｌＹＣ層、Ｃｒ１−ＹＡｌＹＣＮ層（但し、Ｙは、ＣｒとＡｌの合量に占めるＡｌの含
有割合を示し、原子比で、０．６０≦Ｙ≦０．９０）のうち１層または２層以上からなる
立方晶結晶構造を有するＣｒとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物で構成し、（ｃ）上部層を、Ａｌ２Ｏ３あるいは微量のＺｒを含有するＡｌ２Ｏ３で構成することによって、例えば、ステンレス鋼やＴｉ合金などの難削材を高速切削加工した場合の耐チッピング性と耐摩耗性を改善することが提案されている。
有割合を示し、原子比で、０．６０≦Ｙ≦０．９０）のうち１層または２層以上からなる
立方晶結晶構造を有するＣｒとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物で構成し、（ｃ）上部層を、Ａｌ２Ｏ３あるいは微量のＺｒを含有するＡｌ２Ｏ３で構成することによって、例えば、ステンレス鋼やＴｉ合金などの難削材を高速切削加工した場合の耐チッピング性と耐摩耗性を改善することが提案されている。
特許文献４には、工具基体の表面に、組成式：（ＣｒＸＡｌ１−Ｘ）Ｎで表したときに、０．３≦Ｘ≦０．６（ただし、Ｘは原子比を示す）を満足するＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を形成した被覆工具において、前記表面研磨面の法線に対して、立方晶結晶格子を有する結晶粒の結晶面である｛１００｝面の法線がなす傾斜角を測定し、その傾斜角度数分布グラフを求めた時、３０〜４０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占める傾斜角度数分布を形成すること、あるいは、さらに、構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークが存在し、かつΣ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が５０％以上である構成原子共有格子点分布グラを形成することによって、切刃に対して大きな機械的負荷がかかる鋼や鋳鉄の重切削加工における耐欠損性を向上させることが提案されている。
前記特許文献１で提案されている被覆工具は、上部層のＡｌ２Ｏ３層中に微小空孔が形成されていることによって、切削加工時の衝撃がある程度緩和されるものの、切削条件が厳しくなり、切れ刃により一段と高負荷が作用するような場合には、耐熱衝撃性および耐チッピング性が十分であるとはいえない。
また、前記特許文献２、３で提案されている被覆工具は、硬質被覆層の中間層として、ＣｒとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物を介在形成することにより、下部層と上部層の密着強度を向上させ、耐チッピング性の改善を図っているものの、ＣｒとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物自体の強度・硬さが十分でないため、高速断続切削加工に供した場合には、耐チッピング性、耐摩耗性が十分であるとはいえない。
前記特許文献４で提案されている被覆工具においては、（ＣｒＸＡｌ１−Ｘ）Ｎからなる硬質被覆層のＣｒ含有割合を調整し、また、結晶配向性と構成原子共有格子点分布形態を制御することにより、硬質被覆層の強度を向上させることができ、その結果、耐チッピング性、耐欠損性を高めることはできるものの、やはり（ＣｒＸＡｌ１−Ｘ）Ｎ層の強度・硬さが十分でないため、長期の使用にわたってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮することはできず、合金鋼の高速断続切削においては工具寿命が短命であるという問題があった。
そこで、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高熱発生を伴うとともに、切刃に対して衝撃的な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、すぐれた耐摩耗性を相兼ね備える被覆工具が求められている。
また、前記特許文献２、３で提案されている被覆工具は、硬質被覆層の中間層として、ＣｒとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物を介在形成することにより、下部層と上部層の密着強度を向上させ、耐チッピング性の改善を図っているものの、ＣｒとＡｌの窒化物、炭化物あるいは炭窒化物自体の強度・硬さが十分でないため、高速断続切削加工に供した場合には、耐チッピング性、耐摩耗性が十分であるとはいえない。
前記特許文献４で提案されている被覆工具においては、（ＣｒＸＡｌ１−Ｘ）Ｎからなる硬質被覆層のＣｒ含有割合を調整し、また、結晶配向性と構成原子共有格子点分布形態を制御することにより、硬質被覆層の強度を向上させることができ、その結果、耐チッピング性、耐欠損性を高めることはできるものの、やはり（ＣｒＸＡｌ１−Ｘ）Ｎ層の強度・硬さが十分でないため、長期の使用にわたってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮することはできず、合金鋼の高速断続切削においては工具寿命が短命であるという問題があった。
そこで、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高熱発生を伴うとともに、切刃に対して衝撃的な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、すぐれた耐摩耗性を相兼ね備える被覆工具が求められている。
本発明者らは、前述の観点から、少なくともＣｒとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物（以下、「ＣｒＡｌＣＮ」で示すことがある）層を含む硬質被覆層を化学蒸着で蒸着形成した被覆工具において、耐チッピング性の改善をはかるべく、鋭意研究を重ねた結果、
限定された条件で、ＣｒＡｌＣＮを成膜することにより、ＣｒＡｌＣＮ層中にポアを形成することができ、さらに、層中に形成されるポアの平均面積割合と平均孔径の適正化を図ることにより、クラックの進行を抑制し得るようになること、そしてその結果として、刃先に高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続切削加工で、すぐれた耐チッピング性を発揮するようになることを見出した。
限定された条件で、ＣｒＡｌＣＮを成膜することにより、ＣｒＡｌＣＮ層中にポアを形成することができ、さらに、層中に形成されるポアの平均面積割合と平均孔径の適正化を図ることにより、クラックの進行を抑制し得るようになること、そしてその結果として、刃先に高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続切削加工で、すぐれた耐チッピング性を発揮するようになることを見出した。
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、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、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１〜２０μｍのＣｒとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する複合窒化物または複合炭窒化物の相を少なくとも含み、
（ｃ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、
組成式：（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）
で表した場合、ＡｌのＣｒ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）が、それぞれ、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５を満足し、
（ｄ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層にはポアが存在しており、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚をＬａｖｇ（μｍ）とした場合、該平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を層厚方向に［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で観察し、各区間のそれぞれ観察領域面積においてポアが占める面積割合Ａと観察領域におけるポアの孔径Ｄを求め、前記各区間におけるポアの平均面積割合Ａａｖｇと平均孔径Ｄａｖｇを算出した時、０．１面積％≦Ａａｖｇ≦１０面積％、４ｎｍ≦Ｄａｖｇ≦５０ｎｍであり、
（ｅ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で５視野以上観察し、平均ポア数密度Ｎ ａｖｇ と標準偏差σを求め、標準偏差σ／平均数密度Ｎ ａｖｇ から変動係数を算出した時、変動係数が１以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＣｒとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物の単相からなることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 前記工具基体と前記複合窒化物または複合炭窒化物層の間に、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化合物層からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層が存在することを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４） 前記複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で存在することを特徴とする（１）乃至（３）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。
「（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、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１〜２０μｍのＣｒとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する複合窒化物または複合炭窒化物の相を少なくとも含み、
（ｃ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、
組成式：（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）
で表した場合、ＡｌのＣｒ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）が、それぞれ、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５を満足し、
（ｄ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層にはポアが存在しており、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚をＬａｖｇ（μｍ）とした場合、該平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を層厚方向に［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で観察し、各区間のそれぞれ観察領域面積においてポアが占める面積割合Ａと観察領域におけるポアの孔径Ｄを求め、前記各区間におけるポアの平均面積割合Ａａｖｇと平均孔径Ｄａｖｇを算出した時、０．１面積％≦Ａａｖｇ≦１０面積％、４ｎｍ≦Ｄａｖｇ≦５０ｎｍであり、
（ｅ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で５視野以上観察し、平均ポア数密度Ｎ ａｖｇ と標準偏差σを求め、標準偏差σ／平均数密度Ｎ ａｖｇ から変動係数を算出した時、変動係数が１以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＣｒとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物の単相からなることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 前記工具基体と前記複合窒化物または複合炭窒化物層の間に、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化合物層からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層が存在することを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４） 前記複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で存在することを特徴とする（１）乃至（３）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。
ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、組成式：（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表されるＣｒとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物（ＣｒＡｌＣＮ）層を少なくとも含む。このＣｒＡｌＣＮ層におけるＣｒ成分は高温強度の維持、Ａｌ成分は高温硬さと耐熱性の向上に寄与することから、ＣｒＡｌＣＮ層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐熱性を具備するが、特に平均層厚が１〜２０μｍのとき、その効果が際立って発揮される。その理由は、平均層厚が１μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用に亘っての耐摩耗性を十分確保することができず、一方、その平均層厚が２０μｍを越えると、ＣｒＡｌＣＮ層の結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。したがって、その平均層厚を１〜２０μｍと定めた。
本発明の硬質被覆層は、組成式：（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表されるＣｒとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物（ＣｒＡｌＣＮ）層を少なくとも含む。このＣｒＡｌＣＮ層におけるＣｒ成分は高温強度の維持、Ａｌ成分は高温硬さと耐熱性の向上に寄与することから、ＣｒＡｌＣＮ層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐熱性を具備するが、特に平均層厚が１〜２０μｍのとき、その効果が際立って発揮される。その理由は、平均層厚が１μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用に亘っての耐摩耗性を十分確保することができず、一方、その平均層厚が２０μｍを越えると、ＣｒＡｌＣＮ層の結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。したがって、その平均層厚を１〜２０μｍと定めた。
ＣｒＡｌＣＮ層の組成：
本発明のＣｒＡｌＣＮ層は、その成分組成を、
組成式：（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）
で表した場合、ＡｌのＣｒ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）が、それぞれ、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５を満足するように制御する。
その理由は、Ａｌの平均含有割合Ｘａｖｇが０．７０未満であると、ＣｒＡｌＣＮ層は耐酸化性に劣るため、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続切削に供した場合には、耐摩耗性が十分でない。一方、Ａｌの平均含有割合Ｘａｖｇが０．９５を超えると、硬さに劣る六方晶の析出量が増大し硬さが低下するため、耐摩耗性が低下する。したがって、Ａｌの平均含有割合Ｘａｖｇは、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５と定めた。
また、ＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の平均含有割合Ｙａｖｇは、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５の範囲の微量であるとき、ＣｒＡｌＣＮ層と工具基体もしくは下部層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ＣｒＡｌＣＮ層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、Ｃ成分の平均含有割合Ｙａｖｇが０≦Ｙａｖｇ≦０．００５の範囲を外れると、ＣｒＡｌＣＮ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。ただし、Ｃの含有割合には、意図的にガス原料としてＣを含むガスを用いなくても含まれる不可避的なＣの含有割合を除外している。具体的にはＣ２Ｈ４の供給量を０とした場合のＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、Ｃ２Ｈ４を意図的に供給した場合に得られるＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）から前記不可避的なＣの含有割合を差し引いた値をＹａｖｇとして求めた。
本発明のＣｒＡｌＣＮ層は、その成分組成を、
組成式：（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）
で表した場合、ＡｌのＣｒ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）が、それぞれ、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５を満足するように制御する。
その理由は、Ａｌの平均含有割合Ｘａｖｇが０．７０未満であると、ＣｒＡｌＣＮ層は耐酸化性に劣るため、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続切削に供した場合には、耐摩耗性が十分でない。一方、Ａｌの平均含有割合Ｘａｖｇが０．９５を超えると、硬さに劣る六方晶の析出量が増大し硬さが低下するため、耐摩耗性が低下する。したがって、Ａｌの平均含有割合Ｘａｖｇは、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５と定めた。
また、ＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の平均含有割合Ｙａｖｇは、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５の範囲の微量であるとき、ＣｒＡｌＣＮ層と工具基体もしくは下部層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ＣｒＡｌＣＮ層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、Ｃ成分の平均含有割合Ｙａｖｇが０≦Ｙａｖｇ≦０．００５の範囲を外れると、ＣｒＡｌＣＮ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。ただし、Ｃの含有割合には、意図的にガス原料としてＣを含むガスを用いなくても含まれる不可避的なＣの含有割合を除外している。具体的にはＣ２Ｈ４の供給量を０とした場合のＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、Ｃ２Ｈ４を意図的に供給した場合に得られるＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）から前記不可避的なＣの含有割合を差し引いた値をＹａｖｇとして求めた。
ＣｒＡｌＣＮ層中に存在するポア：
図１に、本発明のＣｒＡｌＣＮ層の部分拡大図を示す。
図１に示されるように、本発明のＣｒＡｌＣＮ層は、層中に所定の平均面積割合および所定の平均孔径のポアが形成されており、切削加工時の高負荷によって層中にクラックが発生した場合であっても、このようなポアの存在によって、クラックの進展が抑制され、その結果、刃先に高負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削加工条件においてもすぐれた耐チッピング性を発揮するようになる。
なお、ポアは、結晶粒界に存在することが望ましいが、結晶粒内にわずかに存在しても切削性能を大きく損なうことはない。
前記ポアの平均孔径Ｄａｖｇは、４ｎｍ未満であるとクラック進展抑制効果が十分でなく、一方、平均孔径Ｄａｖｇが５０ｎｍより大きいと、ＣｒＡｌＣＮ層の硬さが局所的に低下し、クラックの起点となりやすく、耐チッピング性、耐欠損性が低下する。
したがって、ＣｒＡｌＣＮ層中に形成されるポアの平均孔径Ｄａｖｇは４ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
また、前記ポアの平均面積割合Ａａｖｇが０．１％未満となるとクラックの進展抑制の効果を十分に引き出すことができず、一方、平均面積割合Ａａｖｇが１０％を超えるとＣｒＡｌＣＮ層全体においてポアによる硬さの低下が生じ、クラック起点の増加および耐摩耗性の低下による耐チッピング性および耐欠損性の低下を招くため、ポアの平均面積割合Ａａｖｇは０．１面積％以上１０面積％以下とした。
また、ポアの形成箇所が結晶粒界ではなく、結晶粒内に主として存在する膜では、結晶粒そのものの強度低下により、切削時に刃先に作用する負荷によって粒内破壊を起こし、耐チッピング性低下の原因となる。このため、結晶粒内に存在するポアの面積はポアの全面積に対して、１０面積%以下であることが好ましい。
図１に、本発明のＣｒＡｌＣＮ層の部分拡大図を示す。
図１に示されるように、本発明のＣｒＡｌＣＮ層は、層中に所定の平均面積割合および所定の平均孔径のポアが形成されており、切削加工時の高負荷によって層中にクラックが発生した場合であっても、このようなポアの存在によって、クラックの進展が抑制され、その結果、刃先に高負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削加工条件においてもすぐれた耐チッピング性を発揮するようになる。
なお、ポアは、結晶粒界に存在することが望ましいが、結晶粒内にわずかに存在しても切削性能を大きく損なうことはない。
前記ポアの平均孔径Ｄａｖｇは、４ｎｍ未満であるとクラック進展抑制効果が十分でなく、一方、平均孔径Ｄａｖｇが５０ｎｍより大きいと、ＣｒＡｌＣＮ層の硬さが局所的に低下し、クラックの起点となりやすく、耐チッピング性、耐欠損性が低下する。
したがって、ＣｒＡｌＣＮ層中に形成されるポアの平均孔径Ｄａｖｇは４ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
また、前記ポアの平均面積割合Ａａｖｇが０．１％未満となるとクラックの進展抑制の効果を十分に引き出すことができず、一方、平均面積割合Ａａｖｇが１０％を超えるとＣｒＡｌＣＮ層全体においてポアによる硬さの低下が生じ、クラック起点の増加および耐摩耗性の低下による耐チッピング性および耐欠損性の低下を招くため、ポアの平均面積割合Ａａｖｇは０．１面積％以上１０面積％以下とした。
また、ポアの形成箇所が結晶粒界ではなく、結晶粒内に主として存在する膜では、結晶粒そのものの強度低下により、切削時に刃先に作用する負荷によって粒内破壊を起こし、耐チッピング性低下の原因となる。このため、結晶粒内に存在するポアの面積はポアの全面積に対して、１０面積%以下であることが好ましい。
ここで、ポアの平均面積割合Ａａｖｇ、ポアの平均孔径Ｄａｖｇは、次のような方法で測定・算出することができる。
まず、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて硬質被覆層の縦断面を観察し、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を測定する。
ついで、該平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を層厚方向に［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で観察し、得られた画像に関して画像処理ソフト、例えばアドビ（登録商標）社のフォトショップ（登録商標）やその他公知のものによって、ポアとポアでない領域を特定し、色をつける。
そして、測定した区間において色が付けられた総面積を測定することで、測定した区間におけるポアの面積割合Ａを求めることができる。
また、ポアと同定された円もしくは楕円をカウントし、その総数でポアの総面積を割ることで、その区間におけるポア１個あたりの平均面積を算出し、その面積を有するような円の直径を算出し、その値をその区間におけるポアの孔径Ｄとして求めることができる。
そして、上記で求めたポアの面積割合Ａとポアの孔径Ｄを、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間で求め、これを平均することによって、ＣｒＡｌＣＮ層におけるポアが占める平均面積割合Ａａｖｇとポアの平均孔径Ｄａｖｇを求めることができる。
ここで、［Ｌａｖｇ／２］はガウス記号を表し、［Ｌａｖｇ／２］はＬａｖｇ／２を超えない最大の整数を表す数学記号である。言い換えれば、［Ｌａｖｇ／２］は、ｎ≦Ｌａｖｇ／２＜ｎ+１で定義される数値ｎ（ただし、ｎは整数）を意味する。
例えば、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）＝１．５（μｍ）の場合、『［Ｌａあればｖｇ／２］＋１分割』は、［１．５／２］＋１＝１分割であり、また、平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）＝１５（μｍ）の場合、『［Ｌａｖｇ／２］＋１分割』は、［１５／２］＋１＝８分割ということになる。
まず、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて硬質被覆層の縦断面を観察し、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を測定する。
ついで、該平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を層厚方向に［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で観察し、得られた画像に関して画像処理ソフト、例えばアドビ（登録商標）社のフォトショップ（登録商標）やその他公知のものによって、ポアとポアでない領域を特定し、色をつける。
そして、測定した区間において色が付けられた総面積を測定することで、測定した区間におけるポアの面積割合Ａを求めることができる。
また、ポアと同定された円もしくは楕円をカウントし、その総数でポアの総面積を割ることで、その区間におけるポア１個あたりの平均面積を算出し、その面積を有するような円の直径を算出し、その値をその区間におけるポアの孔径Ｄとして求めることができる。
そして、上記で求めたポアの面積割合Ａとポアの孔径Ｄを、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間で求め、これを平均することによって、ＣｒＡｌＣＮ層におけるポアが占める平均面積割合Ａａｖｇとポアの平均孔径Ｄａｖｇを求めることができる。
ここで、［Ｌａｖｇ／２］はガウス記号を表し、［Ｌａｖｇ／２］はＬａｖｇ／２を超えない最大の整数を表す数学記号である。言い換えれば、［Ｌａｖｇ／２］は、ｎ≦Ｌａｖｇ／２＜ｎ+１で定義される数値ｎ（ただし、ｎは整数）を意味する。
例えば、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）＝１．５（μｍ）の場合、『［Ｌａあればｖｇ／２］＋１分割』は、［１．５／２］＋１＝１分割であり、また、平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）＝１５（μｍ）の場合、『［Ｌａｖｇ／２］＋１分割』は、［１５／２］＋１＝８分割ということになる。
本発明では、ＣｒＡｌＣＮ層中におけるポアの平均面積割合Ａａｖｇとポアの平均孔径Ｄａｖｇを前記のとおり定めたが、局所的にポアが偏在するような場合には、ポア密度の高い個所が破壊起点となりやすいことから、層中のポアは均一に分散していること、即ち、ポアの平均数密度と標準偏差から求められる変動係数が１以下であることが好ましい。
変動係数は次のようにして求めることができる。
前記ＣｒＡｌＣＮ層の縦断面を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で１μｍ×１μｍの範囲を観察してポアの数密度（個／μｍ２）を測定し、５視野以上で測定することによってポアの平均数密度Ｎａｖｇ（個／μｍ２）と標準偏差σを算出し、標準偏差σ／平均数密度Ｎａｖｇから求められる変動係数が１以下であることが好ましい。
変動係数は次のようにして求めることができる。
前記ＣｒＡｌＣＮ層の縦断面を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で１μｍ×１μｍの範囲を観察してポアの数密度（個／μｍ２）を測定し、５視野以上で測定することによってポアの平均数密度Ｎａｖｇ（個／μｍ２）と標準偏差σを算出し、標準偏差σ／平均数密度Ｎａｖｇから求められる変動係数が１以下であることが好ましい。
ＣｒＡｌＣＮ層を構成する相：
本発明のＣｒＡｌＣＮ層では、該層を構成するＣｒＡｌＣＮ結晶粒は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒からなることが好ましいが、縦断面に占める面積割合が５面積％以下の六方晶構造の微粒結晶粒の含有は、切削性能に大きな影響を及ぼすことがないので含有されていても良い。
本発明のＣｒＡｌＣＮ層では、該層を構成するＣｒＡｌＣＮ結晶粒は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒からなることが好ましいが、縦断面に占める面積割合が５面積％以下の六方晶構造の微粒結晶粒の含有は、切削性能に大きな影響を及ぼすことがないので含有されていても良い。
本発明で規定する成分組成、ポアの平均面積割合Ａａｖｇ、ポアの平均孔径Ｄａｖｇを有するＣｒＡｌＣＮ層、さらには、ポアの好ましい変動係数を有するＣｒＡｌＣＮ層は、例えば、以下に示す条件の化学蒸着法によって成膜することができる。
成膜条件：
反応ガス組成(容量％)：ガス群Ａ：ＮＨ３ １．０〜２．０％、Ｈ２ ６５〜７５％、
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３ ０．２〜０．４％、ＣｒＣｌ３ ０．０８〜０．１％、Ｎ２：０．０〜１０．０％，Ｃ２Ｈ４ ０．０〜０．０５％、Ｈ２：残、
反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
供給周期：１０〜３０秒、
１周期当たりのガス供給時間：０．５〜２．０秒、
ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差：０．５〜１．５秒、
上記化学蒸着条件において、原料ガスの供給量および供給速度によって膜中でのポアの形成密度や大きさが変化する。これを利用して、ポアの平均面積割合Ａａｖｇおよびポアの平均孔径Ｄａｖｇを、金属原料ガスの割合および供給周期を変化させることによって、制御することができる。
成膜条件：
反応ガス組成(容量％)：ガス群Ａ：ＮＨ３ １．０〜２．０％、Ｈ２ ６５〜７５％、
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３ ０．２〜０．４％、ＣｒＣｌ３ ０．０８〜０．１％、Ｎ２：０．０〜１０．０％，Ｃ２Ｈ４ ０．０〜０．０５％、Ｈ２：残、
反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、
反応雰囲気温度：７００〜９００℃
供給周期：１０〜３０秒、
１周期当たりのガス供給時間：０．５〜２．０秒、
ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差：０．５〜１．５秒、
上記化学蒸着条件において、原料ガスの供給量および供給速度によって膜中でのポアの形成密度や大きさが変化する。これを利用して、ポアの平均面積割合Ａａｖｇおよびポアの平均孔径Ｄａｖｇを、金属原料ガスの割合および供給周期を変化させることによって、制御することができる。
下部層および上部層：
本発明のＣｒＡｌＣＮ層は、それだけでも十分な効果を奏するが、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化合物層からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層を設けた場合、および/または、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層を１〜２５μｍの合計平均層厚で設けた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層すぐれた特性を創出することができる。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化合物層からなる下部層を設ける場合、下部層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に奏されず、一方、２０μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。また、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２５μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。
本発明のＣｒＡｌＣＮ層は、それだけでも十分な効果を奏するが、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化合物層からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層を設けた場合、および/または、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層を１〜２５μｍの合計平均層厚で設けた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層すぐれた特性を創出することができる。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化合物層からなる下部層を設ける場合、下部層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に奏されず、一方、２０μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。また、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２５μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。
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、硬質被覆層が、ＣｒＡｌＣＮ層を少なくとも含み、該ＣｒＡｌＣＮを組成式：（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）で表した場合、ＡｌのＣｒ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は、それぞれ、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５（但し、Ｘａｖｇ、Ｙａｖｇはいずれも原子比）を満足し、該ＣｒＡｌＣＮ層を構成する結晶粒中にＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＣｒＡｌＣＮ結晶粒が存在し、また、該ＣｒＡｌＣＮ層中には所定の平均面積割合Ａａｖｇと平均孔径Ｄａｖｇのポアが存在することによって、層中におけるクラックの伝播・進展が抑制されるため、刃先に高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続切削加工で、すぐれた耐チッピング性を発揮する。
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。
なお、実施例では、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットを工具基体として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た場合にも、同様の効果が得られる。
なお、実施例では、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットを工具基体として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た場合にも、同様の効果が得られる。
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、化学蒸着装置を用い、
表４に示される形成条件Ａ〜Ｈ、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＣｒＣｌ３、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ＮＨ３：１．０〜２．０％、Ｈ２：６５〜７５％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３ ０．２〜０．４％、ＣｒＣｌ３ ０．０８〜０．１％、Ｎ２：０．０〜１０．０％，Ｃ２Ｈ４ ０．０〜０．０５％、Ｈ２：残、反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃、供給周期１０〜３０秒、１周期当たりのガス供給時間０．５〜２．０秒、ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差０．５〜１．５秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行い、表６に示されるＣｒＡｌＣＮ層を成膜することにより本発明被覆工具１〜１２を製造した。
なお、本発明被覆工具５〜１２については、表３に示される形成条件で、表５に示される下部層、上部層を形成した。
表４に示される形成条件Ａ〜Ｈ、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＣｒＣｌ３、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ＮＨ３：１．０〜２．０％、Ｈ２：６５〜７５％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３ ０．２〜０．４％、ＣｒＣｌ３ ０．０８〜０．１％、Ｎ２：０．０〜１０．０％，Ｃ２Ｈ４ ０．０〜０．０５％、Ｈ２：残、反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃、供給周期１０〜３０秒、１周期当たりのガス供給時間０．５〜２．０秒、ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差０．５〜１．５秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行い、表６に示されるＣｒＡｌＣＮ層を成膜することにより本発明被覆工具１〜１２を製造した。
なお、本発明被覆工具５〜１２については、表３に示される形成条件で、表５に示される下部層、上部層を形成した。
また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｄの表面に、表３および表４に示される比較成膜工程の条件で、表７に示される目標平均層厚（μｍ）で本発明被覆工具１〜１２と同様に、少なくともＣｒＡｌＣＮ層を含む硬質被覆層を蒸着形成し比較被覆工具１〜１２を製造した。この時には、ＣｒＡｌＣＮ層の成膜工程中に、工具基体表面における反応ガス組成が時間的に変化しない様に硬質被覆層を形成することにより比較被覆工具５〜１２を製造した。
なお、本発明被覆工具５〜１２と同様に、比較被覆工具１０〜１２については、表３に示される形成条件で、表５に示される下部層、上部層を形成した。
なお、本発明被覆工具５〜１２と同様に、比較被覆工具１０〜１２については、表３に示される形成条件で、表５に示される下部層、上部層を形成した。
ついで、本発明被覆工具１〜１２、比較被覆工具１〜１２の各構成層の工具基体表面に垂直な方向の縦断面を、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６および表７に示される目標層厚と実質的に同じ目標平均層厚を示した。なお、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚はＬａｖｇ（μｍ）で示す。
また、ＣｒＡｌＣＮ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ＴｉＡｌＣＮ層についての深さ方向の平均値を示す。
ただし、Ｃの含有割合には、意図的にガス原料としてＣを含むガスを用いなくても含まれる不可避的なＣの含有割合を除外している。具体的にはＣ２Ｈ４の供給量を０とした場合のＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、Ｃ２Ｈ４を意図的に供給した場合に得られるＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）から前記不可避的なＣの含有割合を差し引いた値をＹａｖｇとして求めた。
表６および表７に、ＸａｖｇおよびＹａｖｇの値を示す。
また、ＣｒＡｌＣＮ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ＴｉＡｌＣＮ層についての深さ方向の平均値を示す。
ただし、Ｃの含有割合には、意図的にガス原料としてＣを含むガスを用いなくても含まれる不可避的なＣの含有割合を除外している。具体的にはＣ２Ｈ４の供給量を０とした場合のＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、Ｃ２Ｈ４を意図的に供給した場合に得られるＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）から前記不可避的なＣの含有割合を差し引いた値をＹａｖｇとして求めた。
表６および表７に、ＸａｖｇおよびＹａｖｇの値を示す。
ついで、本発明被覆工具１〜１２、比較被覆工具１〜１２について、それぞれ、ＣｒＡｌＣＮ層中に存在するポアの平均面積割合Ａａｖｇと平均孔径Ｄａｖｇを、次のような手順で求めた。
まず、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて硬質被覆層の縦断面を観察し、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を測定し、ついで、該平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を層厚方向に［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）で観察し、得られた画像に関して画像処理ソフト、例えばアドビ（登録商標）社のフォトショップ（登録商標）やその他公知のものによって、ポアとポアでない領域を特定し、色をつける。
そして、測定した区間において色が付けられた総面積を測定することで、測定した区間におけるポアの面積割合Ａを求める。
また、ポアと同定された円もしくは楕円の個数をカウントし、その総数でポアの総面積を割ることで、その区間におけるポア１個あたりの平均面積を算出し、その面積を有するような円の直径を算出し、その値をその区間におけるポアの孔径Ｄとして求める。
ついで、上記で求めたポアの面積割合Ａとポアの孔径Ｄを、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間で求め、これを平均することによって、ＣｒＡｌＣＮ層におけるポアが占める平均面積割合Ａａｖｇとポアの平均孔径Ｄａｖｇを求める。
なお、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割とは、既に述べたように、ｎ≦Ｌａｖｇ／２＜ｎ+１で定義される数値ｎ（ただし、ｎは整数）によって、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）をｎ分割することを意味する。
また、ＣｒＡｌＣＮ層の結晶粒内に存在するポア（即ち、結晶粒界に存在するポアを除く）の面積比率は、各区間において、一つの結晶粒に内包されるポアの面積をポアの総面積で除すことで、その区間における結晶粒内に存在するポアの面積比率を求め、ついで、各区間における粒内に存在するポアの面積比率を平均することによって求めた。
表６および表７に、その結果を示す。
まず、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて硬質被覆層の縦断面を観察し、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を測定し、ついで、該平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を層厚方向に［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）で観察し、得られた画像に関して画像処理ソフト、例えばアドビ（登録商標）社のフォトショップ（登録商標）やその他公知のものによって、ポアとポアでない領域を特定し、色をつける。
そして、測定した区間において色が付けられた総面積を測定することで、測定した区間におけるポアの面積割合Ａを求める。
また、ポアと同定された円もしくは楕円の個数をカウントし、その総数でポアの総面積を割ることで、その区間におけるポア１個あたりの平均面積を算出し、その面積を有するような円の直径を算出し、その値をその区間におけるポアの孔径Ｄとして求める。
ついで、上記で求めたポアの面積割合Ａとポアの孔径Ｄを、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間で求め、これを平均することによって、ＣｒＡｌＣＮ層におけるポアが占める平均面積割合Ａａｖｇとポアの平均孔径Ｄａｖｇを求める。
なお、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割とは、既に述べたように、ｎ≦Ｌａｖｇ／２＜ｎ+１で定義される数値ｎ（ただし、ｎは整数）によって、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）をｎ分割することを意味する。
また、ＣｒＡｌＣＮ層の結晶粒内に存在するポア（即ち、結晶粒界に存在するポアを除く）の面積比率は、各区間において、一つの結晶粒に内包されるポアの面積をポアの総面積で除すことで、その区間における結晶粒内に存在するポアの面積比率を求め、ついで、各区間における粒内に存在するポアの面積比率を平均することによって求めた。
表６および表７に、その結果を示す。
また、ＣｒＡｌＣＮ層中に存在するポアの分散性について、次の方法で測定した。
先述の方法でＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）をｎ分割した各区間で、ＣｒＡｌＣＮ層の縦断面を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で１μｍ×１μｍの範囲を観察してポアの数密度（個／μｍ２）を測定した。５視野以上で測定することによってポアの平均数密度Ｎａｖｇ（個／μｍ２）と標準偏差σを算出し、標準偏差σ／平均数密度Ｎａｖｇから求められる変動係数を評価した。ｎ＜５の場合は、５視野以上となるように各区間において層厚方向に対して９０度の方向に視野が重ならないように移動し、同様にポアの平均数密度を算出し、５視野以上の観察を行う。
表６および表７に、その結果を示す。
先述の方法でＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）をｎ分割した各区間で、ＣｒＡｌＣＮ層の縦断面を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で１μｍ×１μｍの範囲を観察してポアの数密度（個／μｍ２）を測定した。５視野以上で測定することによってポアの平均数密度Ｎａｖｇ（個／μｍ２）と標準偏差σを算出し、標準偏差σ／平均数密度Ｎａｖｇから求められる変動係数を評価した。ｎ＜５の場合は、５視野以上となるように各区間において層厚方向に対して９０度の方向に視野が重ならないように移動し、同様にポアの平均数密度を算出し、５視野以上の観察を行う。
表６および表７に、その結果を示す。
前記本発明被覆工具１〜１２、比較被覆工具１〜１２の硬質被覆層を構成するＣｒＡｌＣＮ層について、透過型電子顕微鏡を用いて複数視野に亘って観察し、ＣｒＡｌＣＮ結晶粒がＮａＣｌ型の立方晶構造単相からなるか、六方晶構造の結晶粒が存在するかを、透過型電子顕微鏡を用いて電子線回折図形を解析することにより確認した。
表６および表７に、その結果を示す。
表６および表７に、その結果を示す。
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１〜１２、比較被覆工具１〜１２について、以下に示す、合金向の高速断続切削の一種である乾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、いずれも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
＜切削試験：乾式高速正面フライス、センターカット切削加工＞
工具基体：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、
切削試験： 乾式高速正面フライス、センターカット切削加工、
被削材： ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
回転速度： ８６６ ｍｉｎ−１、
切削速度： ３４０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
一刃送り量： ０．３ ｍｍ／刃、
切削時間： ８分、
（通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ）
表８に、前記切削試験の結果を示す。
工具基体：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、
切削試験： 乾式高速正面フライス、センターカット切削加工、
被削材： ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
回転速度： ８６６ ｍｉｎ−１、
切削速度： ３４０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
一刃送り量： ０．３ ｍｍ／刃、
切削時間： ８分、
（通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ）
表８に、前記切削試験の結果を示す。
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、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９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規格ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体α〜γ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、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１０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、切刃部分にＲ：０．０９ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２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δを形成した。
つぎに、これらの工具基体α〜γおよび工具基体δの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表４に示される形成条件Ａ〜Ｈ、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＣｒＣｌ３、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ＮＨ３：１．０〜２．０％、Ｈ２：６５〜７５％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３ ０．２〜０．４％、ＣｒＣｌ３ ０．０８〜０．１％、Ｎ２：０．０〜１０．０％，Ｃ２Ｈ４ ０．０〜０．０５％、Ｈ２：残、反応雰囲気圧力：４．０〜５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００〜９００℃、供給周期１０〜３０秒、１周期当たりのガス供給時間０．５〜２．０秒、ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差０．５〜１．５秒として、所定時間、熱ＣＶＤ法を行い、表１２に示されるＣｒＡｌＣＮ層を成膜することによりことにより本発明被覆工具１３〜２４を製造した。
なお、本発明被覆工具１６〜２４については、表３に示される形成条件で、表１１に示される下部層、上部層を形成した。
なお、本発明被覆工具１６〜２４については、表３に示される形成条件で、表１１に示される下部層、上部層を形成した。
また、比較の目的で、同じく工具基体α〜γおよび工具基体δの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、表３および表４に示される条件かつ表１３に示される目標平均層厚で本発明被覆工具と同様に硬質被覆層を蒸着形成することにより、表１３に示される比較被覆工具１３〜２４を製造した。
なお、本発明被覆工具１６〜２４と同様に、比較被覆工具１６〜２４については、表３に示される形成条件で、表１１に示される下部層、上部層を形成した。
なお、本発明被覆工具１６〜２４と同様に、比較被覆工具１６〜２４については、表３に示される形成条件で、表１１に示される下部層、上部層を形成した。
ついで、本発明被覆工具１３〜２４、比較被覆工具１３〜２４の各構成層の工具基体表面に垂直な方向の縦断面を、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６および表７に示される目標層厚と実質的に同じ目標平均層厚を示した。なお、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚はＬａｖｇ（μｍ）で示す。
また、ＣｒＡｌＣＮ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ＴｉＡｌＣＮ層についての深さ方向の平均値を示す。
ただし、Ｃの含有割合には、意図的にガス原料としてＣを含むガスを用いなくても含まれる不可避的なＣの含有割合を除外している。具体的にはＣ２Ｈ４の供給量を０とした場合のＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、Ｃ２Ｈ４を意図的に供給した場合に得られるＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）から前記不可避的なＣの含有割合を差し引いた値をＹａｖｇとして求めた。
表１２および表１３に、ＸａｖｇおよびＹａｖｇの値を示す。
また、ＣｒＡｌＣＮ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ＴｉＡｌＣＮ層についての深さ方向の平均値を示す。
ただし、Ｃの含有割合には、意図的にガス原料としてＣを含むガスを用いなくても含まれる不可避的なＣの含有割合を除外している。具体的にはＣ２Ｈ４の供給量を０とした場合のＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）を不可避的なＣの含有割合として求め、Ｃ２Ｈ４を意図的に供給した場合に得られるＣｒＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の含有割合（原子比）から前記不可避的なＣの含有割合を差し引いた値をＹａｖｇとして求めた。
表１２および表１３に、ＸａｖｇおよびＹａｖｇの値を示す。
ついで、本発明被覆工具１３〜２４、比較被覆工具１３〜２４について、それぞれ、ＣｒＡｌＣＮ層中に存在するポアの平均面積割合Ａａｖｇと平均孔径Ｄａｖｇを、次のような手順で求めた。
まず、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて硬質被覆層の縦断面を観察し、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を測定し、ついで、該平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を層厚方向に［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）で観察し、得られた画像に関して画像処理ソフト、例えばアドビ（登録商標）社のフォトショップ（登録商標）やその他公知のものによって、ポアとポアでない領域を特定し、色をつける。
そして、測定した区間において色が付けられた総面積を測定することで、測定した区間におけるポアの面積割合Ａを求める。
また、ポアと同定された円もしくは楕円の個数をカウントし、その総数でポアの総面積を割ることで、その区間におけるポア１個あたりの平均面積を算出し、その面積を有するような円の直径を算出し、その値をその区間におけるポアの孔径Ｄとして求める。
ついで、上記で求めたポアの面積割合Ａとポアの孔径Ｄを、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間で求め、これを平均することによって、ＣｒＡｌＣＮ層におけるポアが占める平均面積割合Ａａｖｇとポアの平均孔径Ｄａｖｇを求める。
なお、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割とは、既に述べたように、ｎ≦Ｌａｖｇ／２＜ｎ+１で定義される数値ｎ（ただし、ｎは整数）によって、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）をｎ分割することを意味する。
また、ＣｒＡｌＣＮ層の結晶粒内に存在するポア（即ち、結晶粒界に存在するポアを除く）の面積比率は、各区間において、一つの結晶粒に内包されるポアの面積をポアの総面積で除すことで、その区間における結晶粒内に存在するポアの面積比率を求め、ついで、各区間における粒内に存在するポアの面積比率を平均することによって求めた。
表１２および表１３に、その結果を示す。
まず、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて硬質被覆層の縦断面を観察し、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を測定し、ついで、該平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を層厚方向に［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）で観察し、得られた画像に関して画像処理ソフト、例えばアドビ（登録商標）社のフォトショップ（登録商標）やその他公知のものによって、ポアとポアでない領域を特定し、色をつける。
そして、測定した区間において色が付けられた総面積を測定することで、測定した区間におけるポアの面積割合Ａを求める。
また、ポアと同定された円もしくは楕円の個数をカウントし、その総数でポアの総面積を割ることで、その区間におけるポア１個あたりの平均面積を算出し、その面積を有するような円の直径を算出し、その値をその区間におけるポアの孔径Ｄとして求める。
ついで、上記で求めたポアの面積割合Ａとポアの孔径Ｄを、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間で求め、これを平均することによって、ＣｒＡｌＣＮ層におけるポアが占める平均面積割合Ａａｖｇとポアの平均孔径Ｄａｖｇを求める。
なお、［Ｌａｖｇ／２］＋１分割とは、既に述べたように、ｎ≦Ｌａｖｇ／２＜ｎ+１で定義される数値ｎ（ただし、ｎは整数）によって、ＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）をｎ分割することを意味する。
また、ＣｒＡｌＣＮ層の結晶粒内に存在するポア（即ち、結晶粒界に存在するポアを除く）の面積比率は、各区間において、一つの結晶粒に内包されるポアの面積をポアの総面積で除すことで、その区間における結晶粒内に存在するポアの面積比率を求め、ついで、各区間における粒内に存在するポアの面積比率を平均することによって求めた。
表１２および表１３に、その結果を示す。
先述の方法でＣｒＡｌＣＮ層の平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）をｎ分割した各区間で、ＣｒＡｌＣＮ層の縦断面を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で１μｍ×１μｍの範囲を観察してポアの数密度（個／μｍ２）を測定した。５視野以上で測定することによってポアの平均数密度Ｎａｖｇ（個／μｍ２）と標準偏差σを算出し、標準偏差σ／平均数密度Ｎａｖｇから求められる変動係数を評価した。ｎ＜５の場合は、５視野以上となるように各区間において層厚方向に対して９０度の方向に視野が重ならないように移動し、同様にポアの平均数密度を算出し、５視野以上の観察を行う。
表１２および表１３に、その結果を示す。
表１２および表１３に、その結果を示す。
前記本発明被覆工具１３〜２４、比較被覆工具１３〜２４の硬質被覆層を構成するＣｒＡｌＣＮ層について、透過型電子顕微鏡を用いて複数視野に亘って観察し、ＣｒＡｌＣＮ結晶粒がＮａＣｌ型の立方晶構造単相からなるか、六方晶構造の結晶粒が存在するかを、透過型電子顕微鏡を用いて電子線回折図形を解析することにより確認した。
表１２および表１３に、その結果を示す。
表１２および表１３に、その結果を示す。
つぎに、前記各種の被覆工具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、本発明被覆工具１３〜２４、比較被覆工具１３〜２４について、以下に示す、炭素鋼・鋳鉄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。
切削条件１：
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２８０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ ｍｍ、
送り：０．３２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５ 分、
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
切削条件２：
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２７０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．２ ｍｍ、
送り：０．３２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５ 分、
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
表１４に、前記切削試験の結果を示す。
切削条件１：
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２８０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ ｍｍ、
送り：０．３２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５ 分、
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
切削条件２：
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２７０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．２ ｍｍ、
送り：０．３２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５ 分、
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
表１４に、前記切削試験の結果を示す。
表８、表１４に示される結果から、本発明の被覆工具は、ＣｒＡｌＣＮ層に所定の平均面積割合と所定の平均孔径を有するポアが存在することで、層中のクラックの伝播・進展が抑制され、刃先に高負荷が作用する炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の高速断続切削加工で、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する。
これに対して、ＣｒＡｌＣＮ層に本発明で規定するポアの平均面積割合、平均孔径を有するポアが存在しない比較被覆工具については、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。
これに対して、ＣｒＡｌＣＮ層に本発明で規定するポアの平均面積割合、平均孔径を有するポアが存在しない比較被覆工具については、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。
本発明の被覆工具は、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄の高速断続切削加工ばかりでなく、各種の被削材の被覆工具として用いることができ、しかも、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するものであるから、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 (4)
- 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、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１〜２０μｍのＣｒとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する複合窒化物または複合炭窒化物の相を少なくとも含み、
（ｃ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、
組成式：（Ｃｒ１−ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）
で表した場合、ＡｌのＣｒ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）が、それぞれ、０．７０≦Ｘａｖｇ≦０．９５、０≦Ｙａｖｇ≦０．００５を満足し、
（ｄ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層にはポアが存在しており、前記複合窒化物または複合炭窒化物層の平均層厚をＬａｖｇ（μｍ）とした場合、該平均層厚Ｌａｖｇ（μｍ）を層厚方向に［Ｌａｖｇ／２］＋１分割した各区間の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で観察し、各区間のそれぞれ観察領域面積においてポアが占める面積割合Ａと観察領域におけるポアの孔径Ｄを求め、前記各区間におけるポアの平均面積割合Ａａｖｇと平均孔径Ｄａｖｇを算出した時、０．１面積％≦Ａａｖｇ≦１０面積％、４ｎｍ≦Ｄａｖｇ≦５０ｎｍであり、
（ｅ）前記複合窒化物または複合炭窒化物層の縦断面の１μｍ×１μｍの範囲を、走査型電子顕微鏡によって倍率５００００倍で５視野以上観察し、平均ポア数密度Ｎ ａｖｇ と標準偏差σを求め、標準偏差σ／平均数密度Ｎ ａｖｇ から変動係数を算出した時、変動係数が１以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記複合窒化物または複合炭窒化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＣｒとＡｌの複合窒化物または複合炭窒化物の単相からな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。
- 前記工具基体と前記複合窒化物または複合炭窒化物層の間に、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化合物層からなり、０．１〜２０μｍの合計平均層厚を有する下部層が存在す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。
- 前記複合窒化物または複合炭窒化物層の上部に、少なくとも酸化アルミニウム層を含む上部層が１〜２５μｍの合計平均層厚で存在する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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016171400A JP6761597B2 (ja) | 2016-09-02 | 2016-09-02 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016171400A JP6761597B2 (ja) | 2016-09-02 | 2016-09-02 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018034277A JP2018034277A (ja) | 2018-03-08 |
| JP6761597B2 true JP6761597B2 (ja) | 2020-09-30 |
Family
ID=61566795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016171400A Active JP6761597B2 (ja) | 2016-09-02 | 2016-09-02 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6761597B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE112019004458T5 (de) * | 2018-09-05 | 2021-05-20 | Kyocera Corporation | Beschichtetes werkzeug und schneidwerkzeug |
| CN110144562B (zh) * | 2019-06-24 | 2020-05-19 | 北京师范大学 | 一种超厚吸能涂层的制备方法 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005153072A (ja) * | 2003-11-26 | 2005-06-16 | Nachi Fujikoshi Corp | ミスト加工に適したコーティング工具 |
| SE526857C2 (sv) * | 2003-12-22 | 2005-11-08 | Seco Tools Ab | Sätt att belägga ett skärverktyg med användning av reaktiv magnetronsputtering |
| JP2008126334A (ja) * | 2006-11-17 | 2008-06-05 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 耐摩耗性皮膜およびこれを備えた工具 |
| JP2009034766A (ja) * | 2007-08-01 | 2009-02-19 | Mitsubishi Materials Corp | 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 |
| JP5152690B2 (ja) * | 2007-08-31 | 2013-02-27 | 三菱マテリアル株式会社 | 重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具 |
| JP5035479B2 (ja) * | 2011-01-27 | 2012-09-26 | 三菱マテリアル株式会社 | 耐欠損性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 |
| JP5590329B2 (ja) * | 2011-02-03 | 2014-09-17 | 三菱マテリアル株式会社 | 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を備える表面被覆切削工具 |
| JP5257535B2 (ja) * | 2011-08-31 | 2013-08-07 | 三菱マテリアル株式会社 | 表面被覆切削工具 |
| JP6245432B2 (ja) * | 2013-03-29 | 2017-12-13 | 三菱マテリアル株式会社 | 表面被覆切削工具 |
| JP2014198362A (ja) * | 2013-03-29 | 2014-10-23 | 三菱マテリアル株式会社 | 表面被覆切削工具 |
| JP6519952B2 (ja) * | 2015-07-30 | 2019-05-29 | 三菱マテリアル株式会社 | 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 |
-
2016
- 2016-09-02 JP JP2016171400A patent/JP6761597B2/ja active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2018034277A (ja) | 2018-03-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6478100B2 (ja) | 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 | |
| CN107405695B (zh) | 硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具 | |
| JP6284034B2 (ja) | 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 | |
| JP6578935B2 (ja) | 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 | |
| JP6519952B2 (ja) | 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 | |
| WO2016148056A1 (ja) | 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 | |
| JP7021607B2 (ja) | 硬質被覆層が優れた耐欠損性および耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具 | |
| JP7121234B2 (ja) | 硬質被覆層が優れた耐チッピング性を発揮する表面切削工具 | |
| JP6858346B2 (ja) | 硬質被覆層が優れた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具 | |
| JP6857298B2 (ja) | 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 | |
| CN112770858B (zh) | 硬质包覆层发挥优异的耐崩刃性的表面包覆切削工具 | |
| JP6761597B2 (ja) | 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 | |
| JP6850998B2 (ja) | 硬質被覆層が優れた耐摩耗性・耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具 | |
| JP6709536B2 (ja) | 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 | |
| JP6650108B2 (ja) | 耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 | |
| JP7025727B2 (ja) | 硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面切削工具 | |
| JP6935058B2 (ja) | 硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 | |
| JP6774649B2 (ja) | 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 | |
| JP6573171B2 (ja) | 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 | |
| US11998992B2 (en) | Surface coated cutting tool having hard coating layer exhibiting excellent chipping resistance | |
| JP6857299B2 (ja) | 硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 | |
| JP4474643B2 (ja) | 硬質被覆層が高速断続切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具 | |
| JP6957824B2 (ja) | 硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 | |
| JP6796257B2 (ja) | 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 | |
| JP7015978B2 (ja) | 硬質被覆層が優れた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190315 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200114 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200128 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200228 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200807 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200820 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6761597 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |