JP6677876B2 - 耐溶着チッピング性と耐剥離性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、難削材の断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐溶着チッピング性とすぐれた耐剥離性を備え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（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）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。

ただ、このような被覆工具は、例えば、ステンレス鋼、特に、二相ステンレス鋼、のような難削材の切削加工、例えば、切れ刃に断続的かつ衝撃的な高負荷が作用する断続切削加工においては、溶着に起因するチッピング、剥離を発生しやすく、工具寿命が短いという問題がある。
工具基体と硬質被覆層との密着性を改善することにより、溶着チッピング、剥離等を防止するために、いくつかの提案がなされている。

例えば、特許文献１には、工具基体として、Ｃを含むもの（例えば、ＷＣ基超硬合金、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素など）、ダイヤモンド焼結体）を用い、工具基体と接する層をＴｉＮ層とし、工具基体の成分であるＣをＴｉＮ層中に拡散させることによって、工具基体と被覆膜との密着性を向上させ、一方、ＴｉＮ層中にＣが存在することによって被覆膜が脆化するという相反的な作用を調和させるために、ＣをＴｉＮ層の厚み方向に濃度分布を有するような状態で存在させ、工具基体側のＣ濃度を高くし、被覆膜の表面側にかけてその濃度を低くさせた被覆工具が提案されている。
そして、この被覆工具によれば、工具基体とその表面に形成される被覆膜との密着性改善が図られるとともに、被覆膜の脆化が防止されるとされている。

また、特許文献２には、工具基体と硬質被覆層との密着性、耐剥離性を向上させることを目的として、工具基体と硬質被覆層との界面にはオージェ分光分析法で測定される酸素量を１０原子％以下とし、かつ、該界面における表面粗さが、算術平均粗さＲａ値換算で５０〜１５０ｎｍである微細凹凸を形成した被覆工具が提案されており、この被覆工具によれば、工具基体と硬質被覆層との界面に酸化物が介在せず、かつ界面の凹凸が所定の算術平均粗さＲａを有するため、工具基体と硬質被覆層との間の密着性が良くてチッピング、欠損や膜剥離の発生がないとされている。

国際公開第２０１３／１５７４７２号 特開２０１２−３０３０９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おり、例えば、切削加工時の被削材の溶着と脱離との繰返しにより、工具基体の切れ刃近傍と硬質被覆層の界面において、しばしば剥離が生じる。
例えば、厳しい切削加工条件である１スリット材の高送り断続切削においては、切れ刃に熱サイクルがかかるが、工具基体と硬質被覆層では熱膨張係数が異なるため、熱応力により、通常よりもさらにコーティング剥離が生じ易くなる。
加えて、工具基体の塑性変形によって、逃げ面の切れ刃から０．５ｍｍ程度離れた箇所においては大面積にわたる剥離が生じることがある。そして、この大面積にわたる剥離は、しばしば切れ刃付近にまで及んで、切れ刃の硬質被覆層を持ち去るため、工具寿命が大きくばらついてしまう。
このように、１スリット材の高送り断続切削加工では、通常の切削条件と比較して、工具寿命が低下しやすく、しかも、寿命が大きくばらつくという問題点がある。

前記特許文献１、特許文献２で提案されている被覆工具は、いずれも、工具基体と硬質被覆層との密着性を高め、界面からの剥離等の発生を防止するというものであるが、被削材が特に溶着チッピングを生じ易い難削材である二相ステンレス鋼の１スリット材の場合には、切れ刃近傍における剥離発生、あるいは、切れ刃から離れた位置における剥離発生により、高送り断続切削加工における工具寿命は短命なものとなっている。
そこで、難削材の切削加工においても、耐溶着チッピング性、耐剥離性にすぐれた被覆工具が求められている。
本発明は、切削加工時の熱応力による剥離を防止するとともに、工具基体と硬質被覆層との界面における付着強度を向上させることで、切れ刃近傍においても、切れ刃から離れた位置においても、剥離を生じにくい被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者らは、前述のような観点から、工具基体と硬質被覆層の密着強度を向上させ、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する二相ステンレス鋼等のような難削材の高送り断続切削加工に用いた場合であっても、切れ刃近傍においても、切れ刃から離れた位置においても、硬質被覆層がすぐれた耐溶着チッピング性、耐剥離性を備え、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った。
特に、被覆工具の切れ刃近傍と逃げ面の切れ刃から離れた位置における硬質被覆層の構造と密着性との関連について研究を進めたところ、切れ刃近傍および逃げ面に、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層を形成するとともに、切れ刃近傍においては、工具基体と硬質被覆層の界面から、硬質被覆層の表面に向かって、窒素濃度が漸次増加する領域を形成し、さらに、切れ刃近傍の前記Ｔｉ化合物層における平均窒素濃度を、逃げ面の切れ刃から離れた位置における前記Ｔｉ化合物層における平均窒素濃度より低くした場合に、切れ刃近傍における工具基体と硬質被覆層との密着性向上が図られることにより、切削加工時の熱応力による切れ刃近傍における剥離発生が防止されること、また、逃げ面の切れ刃近傍から離れた位置においては、工具基体の変形に追従する能力を高めたＴｉ化合物層を形成することによって、工具基体の変形に起因する剥離発生を抑制し得ることを見出した。
さらに、逃げ面の切れ刃近傍から離れた位置におけるＴｉ化合物層中に、工具基体表面と平行な方向に窒素濃度が異なる領域（低窒素領域と高窒素領域）を形成した場合には、逃げ面の切れ刃近傍から離れた位置における工具基体（逃げ面）とＴｉ化合物層との密着性がより向上することを見出したのである。

したがって、前記の構造の硬質被覆層を形成した被覆工具は、二相ステンレス鋼等のような難削材の高送り断続切削加工においても、切れ刃近傍および切れ刃から離れた位置における溶着チッピング、剥離の発生が抑制されるため、長期の使用にわたって、すぐれた切削性能を発揮し、工具の長寿命化が図られることを見出したのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具であって、
（ａ）工具基体表面には、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層が形成され、
（ｂ）前記工具基体の切れ刃近傍において、工具基体表面から垂直方向に前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２０μｍ以内の範囲において、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であり、
（ｃ）前記切れ刃近傍において工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層中の平均窒素濃度は、逃げ面の切れ刃から離れた位置において工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層中の平均窒素濃度より３原子％以上低いことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記逃げ面の切れ刃から離れた位置において工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層について、窒素濃度と炭素濃度を工具基体表面と平行な方向に沿って測定した場合、炭素濃度が高く窒素濃度が低い（窒素濃度ゼロを含む）低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い（炭素濃度ゼロを含む）高窒素領域が存在してい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（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具において、工具基体表面直上に形成されている少なくとも窒素と炭素を含む前記Ｔｉ化合物層の表面に、さらに、一層又は多層のＴｉ化合物層が形成されてい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（３）に記載の表面被覆切削工具において、前記一層又は多層のＴｉ化合物層の表面に、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層が形成されていることを特徴とする前記（３）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
なお、本発明でいう「切れ刃近傍」とは、ホーニングを有する工具の場合は、ホーニング部をいい、一方、ホーニングの無い工具の場合は、切れ刃から距離０．０２ｍｍ以内の領域をいう。
また、「逃げ面の切れ刃から離れた位置」とは、前記「切れ刃近傍」から、逃げ面側に０．４ｍｍ〜０．６ｍｍ離れた位置をいう。

本発明について、図面とともに、以下に詳細に説明する。

図１に、本発明被覆工具の切れ刃近傍の工具基体表面に形成された硬質被覆層の縦断面模式図の一例を示す。
また、図２（ａ）、（ｂ）に、本発明被覆工具の逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体表面に形成された硬質被覆層の縦断面模式図の一例を示し、（ａ）は一つの態様を示し、また、（ｂ）は別の態様を示す。

図１に示される本発明被覆工具によれば、切れ刃近傍のＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体１の表面直上に、第一Ｔｉ化合物層２として、窒素濃度が工具基体側から硬質被覆層表面側に向かって漸次増加する少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層（例えば、ＴｉＣＮ層）が形成され、その上に、第二Ｔｉ化合物層３として、一層又は多層のＴｉ化合物層（例えば、均一な窒素濃度、炭素濃度のＴｉＣＮ層）が形成され、その上にさらに、Ａｌ_２Ｏ_３層４が形成されている。
前記第一Ｔｉ化合物層２は、例えば、層厚方向に沿って、工具基体表面側から硬質被覆層表面側に向かうにしたがって、層中に含有される窒素濃度が漸次増加する層であり、言い換えれば、切れ刃近傍の工具基体表面直上にＴｉＣまたは高炭素濃度のＴｉＣＮ領域５が形成され、その上にＴｉＮまたは高窒素濃度のＴｉＣＮ領域６が形成されているＴｉ化合物層であるといえる。
一方、第二Ｔｉ化合物層３は、例えば、層内において成分濃度がほぼ均一なＴｉＣＮ層からなるＴｉ化合物層であって、層厚方向に沿った窒素濃度の変化は必要としない。
したがって、前記第一Ｔｉ化合物層２と第二Ｔｉ化合物層３とは、仮に、ＴｉＣＮ系というように成分系が同じ層であったとしても、層厚方向に沿った成分濃度の変化の有無という点で、異なる層構造のＴｉ化合物層であるといえる。

図２（ａ）は、逃げ面の切れ刃から離れた位置において工具基体表面に形成されている硬質被覆層の一つの態様の縦断面模式図を示す。
図２（ａ）に示される本発明被覆工具によれば、逃げ面の切れ刃から離れた位置において、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体１の表面直上に、第一Ｔｉ化合物層２’として、少なくとも窒素を含むＴｉ化合物層が形成され、その上に、第二Ｔｉ化合物層３として、例えば、第一Ｔｉ化合物層２’とは窒素濃度、濃度分布等の異なるＴｉＣＮ層が形成され、その上にさらに、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層が形成されている。
前記第一Ｔｉ化合物層２’は、少なくとも窒素を含むＴｉ化合物層であって、第一Ｔｉ化合物層２と同様に、窒素濃度が工具基体側から硬質被覆層表面側に向かって漸次増加する例えばＴｉＣＮ層として形成することができるが、第一Ｔｉ化合物層２’において、層内の窒素濃度を層厚方向に沿って変化させることは必ずしも必要ではなく、層内にわたってほぼ均一な成分濃度のＴｉ化合物層として形成しても良い。
第一Ｔｉ化合物層２’の表面に形成する、第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層については、図１の場合と同様である。

切れ刃近傍の工具基体表面直上に形成される少なくとも窒素と炭素を含む第一Ｔｉ化合物層２：
図１に示すように、工具基体１の切れ刃近傍の表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層２は、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層であり、例えば、ＴｉＣＮ層あるいはＴｉＣＮＯ層であるが、好ましくは、ＴｉＣＮ層である。
前記第一Ｔｉ化合物層２について、工具基体１の表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度を測定した場合、工具基体１の表面からの距離が離れるに従い、窒素濃度が漸次増加し、その結果、第一Ｔｉ化合物層２内には、炭素濃度が高く窒素濃度が低い（窒素濃度ゼロを含む）低窒素領域５と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い（炭素濃度ゼロを含む）高窒素領域６が形成される。
そして、前記第一Ｔｉ化合物層２内には、低窒素領域５と高窒素領域６が存在することによって、切れ刃近傍の工具基体１と前記第一Ｔｉ化合物層２との密着性が向上するとともに、切削時の熱応力による切れ刃近傍の前記第一Ｔｉ化合物層２の剥離発生が防止され、その結果、耐溶着チッピング性、耐剥離性が向上する。

前記構造の第一Ｔｉ化合物層２により、密着性、耐剥離性が向上する理由は次のとおりである。
まず、密着性を向上させるために第一Ｔｉ化合物層２に求められる条件として、次の（イ）〜（ハ）を挙げることができる。
（イ）第一Ｔｉ化合物層２全体としての靱性：
切削時には、切削熱および切削によって刃先にかかる負荷により、例えば、ＷＣ基超硬合金からなる工具基体１が変形することが知られているが、第一Ｔｉ化合物層２全体としての靭性が高いほど、工具基体１が変形しても、第一Ｔｉ化合物層２の破壊は生じ難く、硬質被覆層が工具基体１の変形に追従することができる。
逆に、第一Ｔｉ化合物層２全体としての靭性が低い場合、工具基体１が変形した際に、第一Ｔｉ化合物層２内部にクラック等が生じ、このような状態で工具基体１がさらに変形すると、第一Ｔｉ化合物層２が内部から破壊され、工具基体１から脱離する。（なお、この現象は厳密には「剥離」ではなく「第一Ｔｉ化合物層２の破壊」であるが、第一Ｔｉ化合物層２はその他の層より薄いため、あたかも剥離を生じたかのように観察される。）
ＴｉＣとＴｉＮを比較すると、ＴｉＮの方が靭性に優れていることから、切削加工時の工具基体１の変形に追従して変形するためには、第一Ｔｉ化合物層２全体としては、窒素量が多い方が好ましいといえる。

（ロ）工具基体１の表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層２の靭性：
前述のとおり、第一Ｔｉ化合物層２全体としての靭性が高いほど、工具基体１が変形した際に第一Ｔｉ化合物層２自体の破壊を生じ難く、硬質被覆層が変形に追従することができる。
これに加え、工具基体１の表面直上に形成された第一Ｔｉ化合物層２の靭性が高い場合には、より大きく工具基体１が変形した際にも、硬質被覆層（第一Ｔｉ化合物層２）が工具基体１の変形に追従することができる。
つまり、第一Ｔｉ化合物層２全体としての靭性は高いが、工具基体１の表面直上に形成された第一Ｔｉ化合物層２の靭性が低い場合、工具基体１が変形した際に第一Ｔｉ化合物層２内部にクラックが生じることは無いが、工具基体１と第一Ｔｉ化合物層２の界面にクラックが生じ、該界面から剥離を生じることがある。
なお、ＴｉＣとＴｉＮを比較すると、ＴｉＮの方が靭性に優れていることは前述のとおりであり、工具基体１の変形に耐えるためには、工具基体１の表面直上の第一Ｔｉ化合物層２としては、窒素量が多い方が好ましいといえる。
しかし、本発明者は、『「基体表面直上に均一な窒素濃度のＴｉ化合物層を形成する」よりも、「基体表面直上には、窒素濃度の高いＴｉ化合物と窒素濃度の低いＴｉ化合物を共存させる」ほうが、工具基体からの剥離を生じ難くなる』ことを実験により確認した。
つまり、工具基体１表面に、ＴｉＣ_０．５Ｎ_０．５の均一組成を有するＴｉ化合物層を形成するよりも、層厚方向にわたって、例えば、５０％の層厚に相当する表面側の層中にＴｉＣ_０．３Ｎ_０．７を形成し、残りの５０％の層厚に相当する工具基体側の層中にＴｉＣ_０．７Ｎ_０．３を形成したほうが、工具基体表面とＴｉ化合物層との界面からの剥離は生じ難くなることを確認したのである。
これは、窒素濃度が低く靭性に乏しいＴｉ化合物が被覆された領域が工具基体１の変形に追従できず、界面にクラックが入ったとしても、窒素濃度が高く靭性に富むＴｉ化合物が被覆された領域でクラックの進展を止めることができるため、見かけ上、靭性（クラックの進展に対する抵抗力）が向上するためと推測される。

（ハ）工具基体１とその表面直上の第一Ｔｉ化合物層２の熱膨張率の差：
工具基体１とその表面直上に形成された第一Ｔｉ化合物層２の熱膨張係数の差が小さいほど、断続切削時の刃先温度の変化によって、界面にかかる熱応力が小さくなるため、剥離を生じ難くなる。
室温２５℃から１０００℃の間で測定した熱膨張係数は、ＷＣ基超硬合金はおよそ６．０×１０^−６／℃（厳密には、組成により異なるが）、ＴｉＣは７．７×１０^−６／℃、ＴｉＮは９．２×１０^−６／℃であるから、刃先温度の変化による界面にかかる熱応力を小さくするためには、ＷＣ基超硬合金基体直上に形成するＴｉ化合物層は、窒素濃度が少ない方が好ましいといえる。
なお、ＴｉＣＮ基サーメットは熱膨張係数がおよそ８．０×１０^−６／℃（厳密には、組成により異なる）であるため、刃先温度の変化に耐えるためには、ＴｉＣＮ基サーメット基体表面に形成するＴｉ化合物層としては、ＴｉＣＮ基サーメットと同じ熱膨張率となる窒素量を有するＴｉＣＮ層（ＴｉＣＮ基サーメットの組成により異なるが、およそ窒素量１０原子％、炭素量４０原子％程度のＴｉ_５０Ｃ_４０Ｎ_１０）が最も好ましいといえる。

切れ刃近傍の工具基体１の表面直上に、工具基体表面から垂直方向に距離が離れるに従い窒素濃度が漸次増加している第一Ｔｉ化合物層２を形成した本発明被覆工具（図１参照）は、前述した理由、要すれば、
（１） 第一Ｔｉ化合物層２全体としては、窒素濃度が高い方が靭性を確保することができ、ＷＣ基超硬合金基体１の変形に追従することができる。
（２）工具基体１の表面と接する第一Ｔｉ化合物層２は、窒素濃度が低い（低窒素領域５が存在する）ので、工具基体１との熱膨張差が小さくなり、かつ第一Ｔｉ化合物層２の内部での熱膨張率の変化が緩やかであるため、刃先温度変化により界面に発生する熱応力が小さくなる。
という理由により、切れ刃近傍の工具基体１と第一Ｔｉ化合物層２は密着性が向上するとともに耐剥離性が向上する。
なお、第一Ｔｉ化合物層２の平均層厚は、０．２〜２．０μｍであることが望ましいが、これは、平均層厚が、０．２μｍ未満であると、層厚方向に沿って窒素濃度を漸次増加させたことによる工具基体１との密着性向上効果が少なく、一方、平均層厚が２．０μｍを超えると、耐摩耗性に優れる他の層の厚さを確保し難くなるためである。
第一Ｔｉ化合物層２の形成によって密着性、耐剥離性を確保することはできるが、高温硬さ、高温強度は第二Ｔｉ化合物層３に劣るため、耐摩耗性等の向上のために第二Ｔｉ化合物層３等を含む硬質被覆層の総層厚を厚くしようとした場合には、逆に剥離を生じやすくなってしまうので、第一Ｔｉ化合物層２の平均層厚は、「密着性が確保できる必要最小限の層厚」とすることが望ましい。

また、前記窒素濃度の漸次増加において、工具基体１の表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたり、窒素濃度の平均濃度勾配が２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下である領域を形成することが必要である。
前記第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたる窒素濃度の平均濃度勾配が２０原子％／μｍ未満では、窒素濃度を漸次増加させたことによる効果が少ないため、「第一Ｔｉ化合物層２全体としての靭性」と「工具基体１の表面直上に形成された第一Ｔｉ化合物層２の熱膨張差を小さくすること」を十分に両立できなくなるためである。
また、窒素濃度の平均濃度勾配が３００原子％／μｍを超えると、第一Ｔｉ化合物層２中での熱膨張率の変化が急峻になりすぎ、刃先温度変化への耐久性が低下する（熱膨張率の変化が大きすぎるため、温度が変化したときの熱応力が大きくなり、界面からの剥離を生じやすくなる）という理由による。

前記第一Ｔｉ化合物層２、即ち、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層であって、工具基体１の表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたり、窒素濃度の平均濃度勾配が２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下である領域が存在する第一Ｔｉ化合物層２の成膜は、後記する第一Ｔｉ化合物層２’の成膜とも密接に関連するが、例えば、以下の方法で行うことができる。
まず、化学蒸着法による通常の条件、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ_４ ３．５〜５．０％，Ｎ_２ １５〜３５％，Ｈ_２ 残り、
反応雰囲気温度：８８０〜９２０℃、
反応雰囲気圧力：９〜３５ｋＰａ、
という条件で、工具基体１の切れ刃近傍および逃げ面の切れ刃から離れた位置にＴｉＮを蒸着した後、切れ刃近傍に蒸着されたＴｉＮのみをブラシ等で除去し、次いで、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ_４ １．０％，ＣＨ_３ＣＮ ０．５〜１．５％，Ｎ_２ ８〜２５％，Ｈ_２ 残り、
反応雰囲気温度：８８０〜９２０℃、
反応雰囲気圧力：５〜９ｋＰａ、
という条件で、低窒素濃度のＴｉＣＮを最初蒸着し、
その後、ＣＨ_３ＣＮ量を漸次減少させ、併せて他のガスの濃度および反応雰囲気圧力を漸次変化させ、最終的には、高窒素濃度のＴｉＣＮの蒸着条件、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ_４ １．５〜５．０％，ＣＨ_３ＣＮ ０．１％，Ｎ_２ ８〜２５％，Ｈ_２ 残り、
反応雰囲気温度：８８０〜９２０℃、
反応雰囲気圧力：５〜９ｋＰａ、
という条件で、高窒素濃度のＴｉＣＮを蒸着することによって、工具基体１の表面から垂直方向に、所定の窒素濃度の平均濃度勾配を有する第一Ｔｉ化合物層２を形成することができる。
なお、前記高窒素濃度のＴｉＣＮの蒸着のかわりに、
通常のＴｉＮの蒸着条件、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ_４ ３．５〜５．０％，Ｎ_２ １５〜３５％，Ｈ_２ 残り、
反応雰囲気温度：８８０〜９２０℃、
反応雰囲気圧力：９〜３５ｋＰａ、
という条件で、ＴｉＮを蒸着することによっても、工具基体１の表面から垂直方向に、所定の窒素濃度の平均濃度勾配を有する第一Ｔｉ化合物層２を形成することができる。
上記のような蒸着によって、切れ刃近傍の工具基体１の表面直上には、成膜初期には、少なくとも炭素を含むＴｉ化合物層（上記例では、低窒素濃度のＴｉＣＮ層）が形成され、ついで、高窒素濃度のＴｉＣＮ層あるいはＴｉＮ層の成膜を行い、層中の窒素濃度を漸次変化させることによって、第一Ｔｉ化合物層２として、工具基体表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたり、窒素濃度が漸次増加する（窒素濃度の平均濃度勾配が２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下）領域が存在する第一Ｔｉ化合物層２（言い換えれば、ＴｉＣまたは低窒素濃度のＴｉＣＮ領域５、および、ＴｉＮまたは高窒素濃度のＴｉＣＮ領域６が存在するＴｉ化合物層）を形成することができる。
なお、第一Ｔｉ化合物中の窒素濃度が基体表面から０．２μｍまでの範囲にわたり徐々に窒素濃度が変化するよう、複数回に分けて成膜を行うことでも、密着性に優れるとともに刃先温度変化への耐久性を備え、すぐれた耐溶着チッピング性、耐剥離性を有する第一Ｔｉ化合物層２を得ることが可能である。

前述した条件で第一Ｔｉ化合物層２を形成することによって、切れ刃近傍の工具基体１と第一Ｔｉ化合物層２の密着性は向上するとともに、刃先温度変化への耐久性が備わることから、二相ステンレス鋼等の難削材の断続切削において、溶着チッピング、剥離等の発生を抑制することができる。
ただ、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を保持するためには、第一Ｔｉ化合物層２の表面に、必要に応じて、一層又は多層のＴｉ化合物層からなる第二Ｔｉ化合物層３を形成すること、あるいはさらに、耐摩耗性にすぐれたα−Ａｌ_２Ｏ_３層またはκ−Ａｌ_２Ｏ_３層からなるＡｌ_２Ｏ_３層４を形成することが望ましい。

第二Ｔｉ化合物層３：
第二Ｔｉ化合物層３は、一層又は多層のＴｉ化合物層で形成することができ、具体的には、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層から選ばれる何れか１層以上、または、少なくとも窒素と炭素を含有し、工具基体からの距離が離れるに従い窒素量が漸次変化する傾斜組成を有するＴｉ化合物層で形成することができる。
好ましい第二Ｔｉ化合物層３は、高温硬さ、高温強度に優れているという観点から、ＴｉＣＮ層であるが、いずれのＴｉ化合物層であっても、硬質被覆層全体としての高温硬さ、高温強度を高める。また同時に、第一Ｔｉ化合物層２との密着性にすぐれ、また、第二Ｔｉ化合物層３の表面にα−Ａｌ_２Ｏ_３層あるいはκ−Ａｌ_２Ｏ_３層からなるＡｌ_２Ｏ_３層４を形成した場合には、該Ａｌ_２Ｏ_３層４との密着性にもすぐれる。
第一Ｔｉ化合物層２と第二Ｔｉ化合物層３の平均総層厚は、２〜２５μｍであることが望ましい。これは、２μｍ未満であると高温硬さ、高温強度が十分に確保できず、耐摩耗性向上による寿命延長効果が少ないためであり、一方、平均総層厚が２５μｍを超えると断続切削加工時にチッピング、剥離等が発生するようになるという理由による。

Ａｌ_２Ｏ_３層４と最外層：
第二Ｔｉ化合物層３上に、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層４を形成した場合には、既によく知られているように、高温硬さと耐熱性の向上が図られる。
ただ、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層４の平均層厚が０．５μｍ未満では、耐摩耗性向上による寿命延長効果が少なく、一方、その平均層厚が２０μｍを越えるとＡｌ_２Ｏ_３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、断続切削加工時にチッピング、剥離等が発生するようになることから、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層４を第二Ｔｉ化合物層３上に形成する場合には、その平均層厚を０．５〜２０μｍとすることが望ましい。
また、刃先識別性の向上のためにＡｌ_２Ｏ_３層４上にＴｉＮ等を形成してもよく、さらに硬質被覆層の形成後にＡｌ_２Ｏ_３層４にショットピーニング等の処理を施してもよい。

図２（ａ）は、逃げ面の切れ刃から離れた位置において工具基体表面に形成されている硬質被覆層の一つの態様の縦断面模式図を示す。
図２（ａ）によれば、本発明被覆工具は、逃げ面の切れ刃から離れた位置において、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体１の表面直上に、少なくとも窒素を含む第一Ｔｉ化合物層２’が形成され、その上に、一層又は多層からなる第二Ｔｉ化合物層３（例えば、ＴｉＣＮ層）が形成され、その上にさらに、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層が形成されている。
逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層２’は、切削加工時の工具基体１の変形による大規模な剥離を発生することがないように、靱性にすぐれ工具基体１の変形に追従して変形することが可能なＴｉＮまたは高窒素濃度のＴｉＣＮ層で形成する。
そのためには、切れ刃近傍において工具基体１の表面直上に形成されている第一Ｔｉ化合物層２（図１参照）中の平均窒素濃度と、逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層２’中の平均窒素濃度との関係を規定する必要があり、具体的には、切れ刃近傍において工具基体１の表面直上に形成されている第一Ｔｉ化合物層２（図１参照）中の平均窒素濃度が、逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層２’中の平均窒素濃度より３原子％以上低い値となるようにバランスさせることが必要である。
これにより、工具基体１の変形、熱応力による切れ刃近傍における第一Ｔｉ化合物層２の剥離発生が防止されると同時に、工具基体１の変形に起因する逃げ面の切れ刃から離れた位置における第一Ｔｉ化合物層２’の剥離発生を防止することができる。
逃げ面の切れ刃から離れた位置に形成された前記第一Ｔｉ化合物層２’の上にさらに形成される第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層については、切れ刃近傍に形成した前出の第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層の場合と同様である。

前記したように、切れ刃近傍の工具基体表面に、第一Ｔｉ化合物層２、さらに、第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層を形成する（図１参照）ことによって、工具基体の変形、熱応力による剥離発生は防止され、また、逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体表面に、第一Ｔｉ化合物層２’、さらに、第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層を形成する（図２（ａ）参照）ことによって、逃げ面の切れ刃から離れた位置において、工具基体の変形に起因する大規模な剥離発生が防止されるため、本発明被覆工具は、溶着チッピングの発生、剥離の発生もなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮する。

次に、図２（ｂ）を用い、本発明被覆工具の逃げ面の切れ刃から離れた位置に形成される硬質被覆層の別の態様について説明する。
図２（ｂ）の本発明被覆工具によれば、逃げ面の切れ刃から離れた位置において、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体１の表面直上に、少なくとも窒素と炭素を含む第一Ｔｉ化合物層２”が形成され、その上に、一層又は多層のＴｉ化合物層からなる第二Ｔｉ化合物層３が形成され、その上にさらに、Ａｌ_２Ｏ_３層４が形成されている。
逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層２”は、切削加工時の工具基体の変形による大規模な剥離を発生することがないように、すぐれた靱性を備え、工具基体１の変形に追従して変形することを可能にするとともに、工具基体１との熱膨張差を低減し、刃先温度変化への耐久性を向上させることにより、さらに一段と、耐溶着チッピング性、耐剥離性を高めた層である。

図２（ｂ）に示すように、逃げ面の切れ刃から離れた位置において、工具基体１の表面直上に形成されている第一Ｔｉ化合物層２”中の窒素濃度と炭素濃度を、工具基体表面からの距離０．０４μｍの位置で工具基体表面と平行な方向Ｌに沿って測定した場合、炭素濃度が高く窒素濃度が低い（窒素濃度ゼロを含む）低窒素領域７と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い（炭素濃度ゼロを含む）高窒素領域８が形成されている。
さらに、前記低窒素領域７において、前記工具基体１の表面に垂直な方向へ、前記第一Ｔｉ化合物層２”中の窒素濃度を測定した場合、前述した第一Ｔｉ化合物層２と同様に、工具基体１の表面から第一Ｔｉ化合物層２”側へ０．２μｍ以内の範囲において、工具基体１からの距離が離れるにしたがい、前記第一Ｔｉ化合物層２”中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下である第一Ｔｉ化合物層２”を形成する。

前記第一Ｔｉ化合物層２”において、工具基体１の表面に垂直な方向に形成される窒素の濃度勾配による作用効果は、前述した第一Ｔｉ化合物層２におけるそれと同様である。
また、工具基体１の表面と平行な方向Ｌに沿って形成された炭素濃度が高く窒素濃度が低い（窒素濃度ゼロを含む）低窒素領域７は、工具基体１の温度変化に伴う熱応力に起因する逃げ面における剥離発生を防止し、同時に、窒素濃度が高く炭素濃度が低い（炭素濃度ゼロを含む）高窒素領域８が形成されていることによって、第一Ｔｉ化合物層２”の靱性をも確保しつつ、工具基体１の変形によってもたらされる剥離発生を防止する。
したがって、工具基体１の表面と平行な方向Ｌに沿って、第一Ｔｉ化合物層２”には低窒素領域７と高窒素領域８とが共存することによって、より一段と、耐溶着チッピング性、耐剥離性が向上する。

また、切れ刃近傍において工具基体１の表面直上に形成されている第一Ｔｉ化合物層２（図１参照）中の平均窒素濃度が、逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層２”中の平均窒素濃度より３原子％以上低い値となるようにバランスさせることが必要である。
これにより、工具基体１の変形、熱応力に起因する剥離発生は、切れ刃近傍における第一Ｔｉ化合物層２において防止されるばかりか、逃げ面の切れ刃から離れた位置における第一Ｔｉ化合物層２”においても防止することができる。
なお、逃げ面の切れ刃から離れた位置に形成された前記第一Ｔｉ化合物層２”の上に、必要に応じてさらに第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層を形成することができるが、これらの作用については、既に述べた第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層の場合と同様である。

成膜法：
本発明の被覆工具は、切れ刃近傍の工具基体１の表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層２と、逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面直上に形成される第一Ｔｉ化合物層２’（図１、図２（ａ）参照）は、層構造が異なるＴｉ化合物層であるが、例えば、次のような方法によって成膜することができる。
（ａ）まず、通常のＣＶＤ装置により、少なくとも、切れ刃近傍、および、逃げ面の切れ刃から離れた位置を含む工具基体１の表面にＴｉＮ層を蒸着形成する。
（ｂ）次いで、工具基体１の切れ刃近傍に被覆形成されたＴｉＮ層をブラシ等の任意の手段で除去する。
（ｃ）次いで、ＣＶＤ装置内で、ＴｉＮ層が存在しない切れ刃近傍、および、ＴｉＮ層が形成されている逃げ面の切れ刃から離れた位置、を含む工具基体１の表面に、ＴｉＣＮを蒸着形成し、漸次Ｎ濃度が増加するように蒸着条件（ガス組成）を調整し、所定の層厚になるまで蒸着を継続する。
（ｄ）次いで、必要に応じて、ＣＶＤ装置内で、第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４あるいは最外層としてのＴｉＮ層を蒸着形成する。
上記の成膜法によって、図１に示す切れ刃近傍の第一Ｔｉ化合物層２と、図２（ａ）に示す逃げ面の切れ刃から離れた位置の第一Ｔｉ化合物層２’（あるいは、さらに、第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層）を備える本発明被覆工具を作製することができる。
また、次のような方法によって成膜することも可能である。
（ａ）まず、通常のＣＶＤ装置により、少なくとも、切れ刃近傍、および、逃げ面の切れ刃から離れた位置を含む工具基体１の表面にＴｉＣＮを蒸着形成し、漸次Ｎ濃度が増加するように蒸着条件（ガス組成）を調整する。
（ｂ）次いで、工具基体１の逃げ面の切れ刃から離れた位置に被覆形成された、Ｎ濃度が漸次増加しているＴｉＣＮ層をブラシ等の任意の手段で除去する。
（ｃ）次いで、ＣＶＤ装置内で、Ｎ濃度が漸次増加しているＴｉＣＮ層が存在する切れ刃近傍、および、Ｎ濃度が漸次増加しているＴｉＣＮ層が存在しない逃げ面の切れ刃から離れた位置、を含む工具基体１の表面に、ＴｉＮを蒸着形成し、所定の層厚になるまで蒸着を継続する。
（ｄ）次いで、必要に応じて、ＣＶＤ装置内で、第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４あるいは最外層としてのＴｉＮ層を蒸着形成する。
上記の成膜法によって、図１に示す切れ刃近傍の第一Ｔｉ化合物層２と、図２（ａ）に示す逃げ面の切れ刃から離れた位置の第一Ｔｉ化合物層２’（あるいは、さらに、第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層）を備える本発明被覆工具を作製することができる。

また、切れ刃近傍の工具基体１の表面直上に第一Ｔｉ化合物層２、逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面直上に 第一Ｔｉ化合物層２”を備える被覆工具（図１、図２（ｂ）参照）は、例えば、次のような方法によって成膜することができる。
（ａ）まず、通常のＣＶＤ装置により、少なくとも、切れ刃近傍、および、逃げ面の切れ刃から離れた位置を含む工具基体１の表面に、高窒素濃度のＴｉＣＮを微量蒸着する（なお、ここで、蒸着した微量の高窒素濃度のＴｉＣＮは、最終的に第一Ｔｉ化合物層２”中に形成される高窒素領域８となる。）
（ｂ）次いで、工具基体１の切れ刃近傍に微量蒸着されたＴｉＣＮをブラシ等の任意の手段で除去する。
（ｃ）次いで、ＣＶＤ装置内で、ＴｉＣＮが除去された切れ刃近傍、および、高窒素濃度の微量のＴｉＣＮが蒸着されている逃げ面の切れ刃から離れた位置を含む工具基体１の表面に、低窒素濃度のＴｉＣＮ層を蒸着形成し、漸次Ｎ濃度が増加するように蒸着条件（ガス組成）を調整し、最終的に、高窒素濃度のＴｉＣＮ層（ＴｉＮ層も可）を所定の層厚になるまで蒸着形成する。
（ｄ）次いで、必要に応じて、ＣＶＤ装置内で、第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４あるいは最外層としてのＴｉＮ層を蒸着形成する。
上記の成膜法によって、図１に示す切れ刃近傍の第一Ｔｉ化合物層２と、図２（ｂ）に示す逃げ面の切れ刃から離れた位置の第一Ｔｉ化合物層２”（あるいは、さらに、第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４、最外層）を備える本発明被覆工具を作製することができる。

本発明の被覆工具は、切れ刃近傍の工具基体１の表面直上に、第一Ｔｉ化合物層２として、少なくとも窒素と炭素を含み、該層において、工具基体１の表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度が漸次増加する第一Ｔｉ化合物層２を形成することにより、熱応力による剥離発生と工具基体１の変形に伴う剥離発生を防止することができる。
また、逃げ面の切れ刃から離れた位置における工具基体１の表面直上に、第一Ｔｉ化合物層２’ が形成されていることによって、工具基体の変形に伴う剥離発生を防止することができ、また、第一Ｔｉ化合物層２”が形成されている場合には、熱応力による剥離発生と工具基体の変形に伴う剥離発生を防止することができる。
したがって、本発明の被覆工具は、硬質被覆層として、少なくとも前記第一Ｔｉ化合物層２を切れ刃近傍の工具基体１の表面直上に形成することにより、また、前記第一Ｔｉ化合物層２’あるいは 第一Ｔｉ化合物層２”を、逃げ面の切れ刃から離れた位置における工具基体１の表面直上に形成することによって、断続的・衝撃的高負荷が作用する二相ステンレス鋼等のような難削材の断続切削加工において、溶着チッピングの発生、剥離の発生を抑制し、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、被覆工具の長寿命化が図られる。

本発明被覆工具の切れ刃近傍の工具基体１の表面に形成される硬質被覆層の縦断面模式図の一例を示す。 本発明被覆工具の逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面に形成される硬質被覆層の縦断面模式図の一例であって、（ａ）は一つの態様を示し、また、（ｂ）は別の態様を示す。

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。

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：０．０４ｍｍ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、Ｂを製造した。

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、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、ＺｒＣ粉末、Ｍｏ₂Ｃ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：０．０４ｍｍ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Ｃを形成した。

つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｃの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、図１に示す第一Ｔｉ化合物層２と図２（ａ）に示す第一Ｔｉ化合物層２’を、表３に形成記号Ａ〜Ｄとして示す条件で蒸着形成した。
例えば、形成記号Ａによる形成条件について、より具体的に言えば、次のとおりである。
（ａ）まず、切れ刃近傍、および、逃げ面の切れ刃から離れた位置を含む工具基体１の表面に、表３に示す条件ＡでＴｉＮ層を蒸着した。
（ｂ）次いで、工具基体１の切れ刃近傍に被覆形成されたＴｉＮ層のみをブラシで除去した。
（ｃ）次いで、ＴｉＮ層をブラシで除去した切れ刃近傍、および、逃げ面の切れ刃から離れた位置を含む工具基体１の表面に、表３に示す条件Ａで低窒素濃度のＴｉＣＮ層を蒸着形成し、次いで、同じく表３に示す条件Ａで、ガス条件と反応雰囲気圧力を高窒素濃度ＴｉＣＮの形成条件へと漸次変化させて蒸着を継続することで、切れ刃近傍には表６に示す第一Ｔｉ化合物層２を形成し、また、逃げ面の切れ刃から離れた位置には同じく表６に示す第一Ｔｉ化合物層２’を形成した。
（ｄ）次いで、いくつかのものについては、第一Ｔｉ化合物層２および第一Ｔｉ化合物層２’の表面に、表４に示す条件で表５に示す第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４あるいは切れ刃識別用の最外層としてのＴｉＮ層を蒸着形成した。
上記の成膜により、切れ刃近傍の工具基体１の表面直上には、表６に示す第一Ｔｉ化合物層２が形成され、また、逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面直上には、表６に示す第一Ｔｉ化合物層２’が形成された本発明被覆工具１〜１４を作製した。
なお、上記成膜により、表６に示すように、切れ刃近傍の工具基体１の表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度が漸次増加し、かつ、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下である第一Ｔｉ化合物層２が形成され、さらに、第一Ｔｉ化合物層２における平均窒素濃度が、第一Ｔｉ化合物層２’の平均窒素濃度より３原子％以上低い第一Ｔｉ化合物層２が形成された。

比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｃの表面に、表３に形成記号Ｇ〜Ｈとして示す条件で第一Ｔｉ化合物層２、第一Ｔｉ化合物層２’を蒸着し、さらに同じく表４に示される条件で表５に示される第二Ｔｉ化合物層３、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層４、さらに、いくつかのものについては、切れ刃識別用の最外層としてのＴｉＮ層を形成することにより、表７に示す比較例被覆工具１〜１４を作製した。

前記本発明被覆工具１〜１４、比較例被覆工具１〜１４の工具基体１の表面と第一Ｔｉ化合物層２、第一Ｔｉ化合物層２’との界面近傍について、オージェ電子分光法により、切れ刃近傍における第一Ｔｉ化合物層２および逃げ面の切れ刃から離れた位置における第一Ｔｉ化合物層２’中の種々の位置における窒素濃度（原子％）を測定した。
より具体的にいえば、まず切れ刃近傍にて、厚さ方向から１５°傾いた面で斜面ラップを行い、ＣＰ研磨を施した。
次に工具基体１の表面と第一Ｔｉ化合物層２との界面を挟んだ界面近傍領域において線分析を行い、工具基体１の表面と第一Ｔｉ化合物層２との界面から第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．０４μｍに相当する位置（この位置を「位置Ａ」という。位置Ａは、“厚さ方向と平行な面で研磨した場合に、工具基体１の表面と第一Ｔｉ化合物層２との界面から第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．０４μｍの位置”である。したがって厚さ方向から１５°傾いた面でラップして分析する場合は、０．０４／ｓｉｎ（１５°）＝０．１５より、工具基体１の表面と第一Ｔｉ化合物層２との界面から第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．１５μｍの位置が位置Ａである。）における窒素濃度、界面から第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．１２μｍに相当する位置（「位置Ｂ」という）における窒素濃度、界面から第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２０μｍに相当する位置（「位置Ｃ」という）における窒素濃度をそれぞれ測定した。
そして、前記の線分析を、異なった界面近傍領域で５本行い、それぞれの位置において測定された窒素濃度を平均し、この値を、第一Ｔｉ化合物層２の各位置における「窒素濃度（原子％）」として求めた。
次に、逃げ面の切れ刃から離れた位置における第一Ｔｉ化合物層２’中の種々の位置における窒素濃度（原子％）を前記と同様な方法で測定し、逃げ面の切れ刃から離れた各位置において測定した窒素濃度を平均して、この値を、第一Ｔｉ化合物層２’ の各位置における「窒素濃度（原子％）」として求めた。
なお、本発明例被覆工具１の「逃げ面の切れ刃から離れた位置」のように、ＴｉＮを成膜しているにも関わらず位置Ａにおける窒素量が５０原子％でない場合があるのは、基体からわずかに炭素が拡散したためと推定される。

さらに、前記で求めた第一Ｔｉ化合物層２、第一Ｔｉ化合物層２’の「窒素濃度（原子％）」から、第一Ｔｉ化合物層２、第一Ｔｉ化合物層２’の位置Ａ−位置Ｂ間における窒素濃度の平均濃度勾配を、平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）＝（位置Ｂでの窒素濃度−位置Ａでの窒素濃度）／（０．１２−０．０４）として算出し、また、位置Ｂ−位置Ｃ間における窒素濃度の平均濃度勾配を、平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）＝（位置Ｃでの窒素濃度−位置Ｂでの窒素濃度）／（０．２０−０．１２）として算出した。
表６に、前記で求めた「窒素濃度（原子％）」、平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）および平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）を示す。
ここで「平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）と平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）が、いずれも、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であること」を以て、「切れ刃近傍において工具基体１の表面から垂直方向に窒素濃度を測定した場合、工具基体１の表面から第一Ｔｉ化合物層２側へ０．２０μｍ以内の範囲において、工具基体１からの距離が離れるにしたがい、前記第一Ｔｉ化合物層２中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下である」とする。
なお、第一Ｔｉ化合物層２、第一Ｔｉ化合物層２’の形成法について、ガス濃度および成膜雰囲気圧力を漸次変化させる方法以外に、ガス条件を段階的に変化させても良い。
この場合でも「平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）と平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）が、いずれも、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であること」の条件を満たせば、密着性、耐剥離性に優れた第一Ｔｉ化合物層２、第一Ｔｉ化合物層２’を得ることが出来る。

また、切れ刃近傍における第一Ｔｉ化合物層２、また、逃げ面の切れ刃から離れた位置における第一Ｔｉ化合物層２’について、次の方法で、該層全体としての平均窒素濃度を求め、第一Ｔｉ化合物層２の平均窒素濃度と、逃げ面の切れ刃から離れた位置における第一Ｔｉ化合物層２’の平均窒素濃度の差を算出した。
即ち、本発明でいう層の平均窒素濃度の測定法および定義は以下の通りである。
オージェ電子分光法のラインスキャンにて、ラインの幅を１０ｕｍとして、工具基体／ＴｉＣＮ界面に垂直にラインスキャンを行い、工具基体１の表面と第一Ｔｉ化合物層２との界面から第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．０４μｍに相当する位置（位置Ａ）での窒素濃度（Ｃａ）、第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．１２μｍに相当する位置（「位置Ｂ」という）における窒素濃度（Ｃｂ）、界面から第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２０μｍに相当する位置（「位置Ｃ」という）における窒素濃度（Ｃｃ）をそれぞれ測定し、位置Ａ、Ｂ、Ｃの３点での窒素濃度の平均値（Ｃａ＋Ｃｂ＋Ｃｃ）／３を求める。
このラインスキャンを５本の異なる工具基体／ＴｉＣＮ界面で行い、５か所の（Ｃａ＋Ｃｂ＋Ｃｃ）／３の平均値を「層の平均窒素濃度」と定義する。
表６、表７に、これらの値を示す。

また、前記で作製した本発明被覆工具１〜１４、比較例被覆工具１〜１４について、各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定し平均層厚を求めた。
表５〜表７に、これらの値を示す。

つぎに、上記本発明被覆工具１〜１４および比較例被覆工具１〜１４について、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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３２９の長さ方向１本縦溝入り丸棒、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１．０分、
切削油：水溶性クーラント
の条件での二相ステンレス鋼の湿式断続切削加工試験、
を行い、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を測定するとともに目視観察を行い、切れ刃近傍の損傷状態、逃げ面の切れ刃から離れた位置における損傷状態を確認した。
表８に、その結果を示す。

表８に示される結果から、本発明被覆工具１〜１４は、切れ刃近傍の工具基体表面直上に、少なくとも窒素と炭素を含む第一Ｔｉ化合物層２が被覆形成され、かつ、工具基体の表面から垂直方向に、該層の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度が漸次増加する窒素濃度の分布が形成され、かつ、切れ刃近傍の工具基体表面直上に形成されている第一Ｔｉ化合物層２中の平均窒素濃度が、逃げ面の切れ刃から離れた位置において工具基体表面直上に形成されている第一Ｔｉ化合物層２’の平均窒素濃度より３原子％以上低いことから、切れ刃近傍における熱応力による剥離発生と工具基体の変形に伴う剥離発生を抑制することができ、さらに、逃げ面の切れ刃から離れた位置における工具基体の変形に伴う剥離発生を抑制することができる。

これに対して、比較例被覆工具では、本発明で規定する層構造の第一Ｔｉ化合物層２および第一Ｔｉ化合物層２’が形成されていないため、熱応力あるいは工具基体の変形に起因する剥離発生により、工具寿命が短命であり、本発明被覆工具に比して切削性能が劣ることは明らかである。

つぎに、前記の工具基体Ａ〜Ｃの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、図１に示す第一Ｔｉ化合物層２と図２（ｂ）に示す第一Ｔｉ化合物層２”を、表９に形成記号Ｊ〜Ｍとして示す条件で蒸着形成した。
例えば、形成記号Ｊによる形成条件は、次のとおりである。
（ａ）まず、切れ刃近傍、および、逃げ面の切れ刃から離れた位置を含む工具基体１の表面に、表９に示す条件Ｊで高窒素濃度のＴｉＣＮを微量蒸着した。
（ｂ）次いで、工具基体１の切れ刃近傍に微量蒸着された高窒素濃度のＴｉＣＮのみをブラシで除去した。
（ｃ）次いで、高窒素濃度のＴｉＣＮをブラシで除去した切れ刃近傍、および、逃げ面の切れ刃から離れた位置を含む工具基体１の表面に、表９に示す条件Ｊで低窒素濃度のＴｉＣＮ層を蒸着形成し、漸次Ｎ濃度が増加するようにガス条件と反応雰囲気圧力を調整しながら蒸着を継続し、最終的に、高窒素濃度のＴｉＣＮ層（あるいはＴｉＮ層）を蒸着形成し、
切れ刃近傍には表１０に示す第一Ｔｉ化合物層２を形成し、また、逃げ面の切れ刃から離れた位置には表１０に示す第一Ｔｉ化合物層２”を形成した。
（ｄ）次いで、いくつかのものについては、第一Ｔｉ化合物層２および第一Ｔｉ化合物層２”の表面に、表４に示す条件で、表５に示すそれぞれ示す第二Ｔｉ化合物層３、Ａｌ_２Ｏ_３層４あるいは切れ刃識別用の最外層としてのＴｉＮ層を形成した。
上記の成膜により、切れ刃近傍の工具基体１の表面直上には、表１０に示す第一Ｔｉ化合物層２が形成され、また、逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面直上には、表１０に示す第一Ｔｉ化合物層２”が形成された本発明被覆工具１５〜２８を作製した。

なお、上記成膜により、表１０に示すように、切れ刃近傍の工具基体１の表面から垂直方向に、第一Ｔｉ化合物層２の内部へ０．２μｍまでの範囲にわたって窒素濃度が漸次増加し、かつ、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下である第一Ｔｉ化合物層２が形成され、さらに、第一Ｔｉ化合物層２における平均窒素濃度が、第一Ｔｉ化合物層２”の平均窒素濃度より３原子％以上低い第一Ｔｉ化合物層２が形成された。
また、上記成膜により、逃げ面の切れ刃から離れた位置の工具基体１の表面直上に形成された第一Ｔｉ化合物層２”について、表１０に示すように、工具基体１の表面と平行な方向に低窒素領域と高窒素領域が形成された。

本発明被覆工具１５〜２８について、切れ刃近傍の工具基体１の表面直上に形成した第一Ｔｉ化合物層２および切れ刃から離れた位置における工具基体１の表面直上に形成した第一Ｔｉ化合物層２”について、実施例１と同様にして、オージェ電子分光法により、工具基体１の表面から垂直方向の窒素濃度（原子％）を、オージェ電子分光法により測定し、第一Ｔｉ化合物層２あるいは第一Ｔｉ化合物層２”の各位置における「窒素濃度（原子％）」として求めた。
また、第一Ｔｉ化合物層２については、平均濃度勾配ＢＡ（原子％／μｍ）および平均濃度勾配ＣＢ（原子％／μｍ）を算出した。
さらに、切れ刃近傍における第一Ｔｉ化合物層２、また、逃げ面の切れ刃から離れた位置における第一Ｔｉ化合物層２”について、該層全体としての平均窒素濃度を求めるとともに、第一Ｔｉ化合物層２の平均窒素濃度と、逃げ面の切れ刃から離れた位置における第一Ｔｉ化合物層２”の平均窒素濃度の差を算出した。
表１０に、その結果を示す。

また、本発明被覆工具１５〜２８の切れ刃から離れた位置における工具基体１の表面直上に形成した第一Ｔｉ化合物層２”について、工具基体１の表面から０．０４μｍの距離で、かつ、工具基体１の表面に平行な方向に沿ってオージェ電子分光法により線分析を行い、窒素濃度（原子％）および炭素濃度（原子％）を測定した。
次いで、測定された窒素濃度の極小値と炭素濃度の極大値から低窒素領域を５か所特定し、また、窒素濃度の極大値と炭素濃度の極小値から高窒素領域を５か所特定した。
次いで、低窒素領域および高窒素領域において測定された値を平均し、この値を、低窒素領域および高窒素領域の各領域における窒素濃度（原子％）、炭素濃度（原子％）として求めた。
表１０に、その結果を示す。

また、本発明被覆工具１５〜２８の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定し平均層厚を求めた。
表５、表１０に、これらの値を示す。

つぎに、上記本発明被覆工具１５〜２８について、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、実施例１と同じ切削条件で二相ステンレス鋼の湿式断続切削加工試験を行い、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を測定するとともに目視観察を行い、切れ刃近傍の損傷状態、逃げ面の切れ刃から離れた位置における損傷状態を確認した。
表１１に、その結果を示す。

表１１に示される結果から、本発明被覆工具１５〜２８は、前記第一Ｔｉ化合物層２による効果に加えて、逃げ面の切れ刃から離れた位置に第一Ｔｉ化合物層２”が形成されていることによって、より一層、溶着チッピング、剥離の発生が防止される。

表８、表１１に示される切削試験結果からも明らかなように、本発明被覆工具１〜１４．１１〜２０は、二相ステンレス鋼のような難削材の断続切削加工において、溶着チッピング、剥離を発生することもなく、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、被覆工具の長寿命化が図られる。

前述のように、本発明の被覆工具は、二相ステンレス鋼の断続切削加工においてすぐれた切削性能を発揮するのみならず、各種の難削材の刃先に高負荷が作用する断続切削加工において、溶着チッピング、剥離等の発生を招くことなく、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものである。

１ 工具基体
２ 第一Ｔｉ化合物層（第一層）
２’ 第一Ｔｉ化合物層（第一層）
２” 第一Ｔｉ化合物層（第一層）
３ 第二Ｔｉ化合物層（第二層）
４ Ａｌ_２Ｏ_３層
５ ＴｉＣ領域または低窒素濃度のＴｉＣＮ領域
６ ＴｉＮ領域または高窒素濃度のＴｉＣＮ領域
７ 低窒素領域（工具基体表面に平行な方向に形成されＴｉＣまたは低窒素濃度のＴｉＣＮ領域）
８ 高窒素領域（工具基体表面に平行な方向に形成されたＴｉＮまたは高窒素濃度のＴｉＣＮ領域）
Ｌ 高窒素領域と低窒素領域を測定するための工具基体表面に平行な方向

Claims (4)

1. ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に硬質被覆層が形成されている表面被覆切削工具であって、
   （ａ）工具基体表面には、少なくとも窒素と炭素を含むＴｉ化合物層が形成され、
   （ｂ）前記工具基体の切れ刃近傍において、工具基体表面から垂直方向に前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度を測定した場合、工具基体表面からＴｉ化合物層側へ０．２０μｍ以内の範囲において、工具基体からの距離が離れるにしたがい、前記Ｔｉ化合物層中の窒素濃度が漸次増加しており、窒素濃度の平均濃度勾配が、２０原子％／μｍ以上３００原子％／μｍ以下であり、
   （ｃ）切れ刃近傍において工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層中の平均窒素濃度は、逃げ面の切れ刃から離れた位置において工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層中の平均窒素濃度より３原子％以上低いことを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記逃げ面の切れ刃から離れた位置において工具基体表面直上に形成されているＴｉ化合物層について、窒素濃度と炭素濃度を工具基体表面と平行な方向に沿って測定した場合、炭素濃度が高く窒素濃度が低い（窒素濃度ゼロを含む）低窒素領域と、窒素濃度が高く炭素濃度が低い（炭素濃度ゼロを含む）高窒素領域が存在してい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. 請求項１または２に記載の表面被覆切削工具において、工具基体表面直上に形成されている少なくとも窒素と炭素を含む前記Ｔｉ化合物層の表面に、さらに、一層又は多層のＴｉ化合物層が形成されてい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. 請求項３に記載の表面被覆切削工具において、前記一層又は多層のＴｉ化合物層の表面に、さらに、α型またはκ型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の表面被覆切削工具。