JP7025727B2 - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Description
本発明は、合金鋼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、硬質被覆層が優れた耐チッピング性、耐摩耗性を備えることにより、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）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ＰＶＤやＣＶＤにより被覆形成した被覆工具があり、これらは、優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系の複合窒化物層や複合炭窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、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Ｔｉ－Ａｌ系の複合窒化物層や複合炭窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、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。
例えば、特許文献１には、超硬合金、サーメットあるいはｃＢＮ基超高圧焼結体からなる切削工具基体の表面に、
組成式：（Ａｌ１－ＸＴｉＸ ）Ｎ（Ｘは０．４０～０．６０）、平均層厚１～１０μｍの複合窒化物層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、下記（ａ）、（ｂ）を満たす複合窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより高速重切削加工で優れた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具が提案されている。
（ａ）表面研磨面の法線方向に対する結晶粒の結晶方位＜１１１＞がなす傾斜角について、法線方向に対して０～５５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計したとき、０～１５度の範囲内の傾斜角区分に結晶方位＜１１１＞が存在する結晶粒の面積割合が結晶粒全面積の５０％以上
（ｂ）結晶粒界を構成する隣り合う結晶粒同士のなす角が０度を超え１５度以下である小角粒界の割合が全粒界の５０％以上
組成式：（Ａｌ１－ＸＴｉＸ ）Ｎ（Ｘは０．４０～０．６０）、平均層厚１～１０μｍの複合窒化物層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、下記（ａ）、（ｂ）を満たす複合窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより高速重切削加工で優れた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具が提案されている。
（ａ）表面研磨面の法線方向に対する結晶粒の結晶方位＜１１１＞がなす傾斜角について、法線方向に対して０～５５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分して各区分内に存在する度数を集計したとき、０～１５度の範囲内の傾斜角区分に結晶方位＜１１１＞が存在する結晶粒の面積割合が結晶粒全面積の５０％以上
（ｂ）結晶粒界を構成する隣り合う結晶粒同士のなす角が０度を超え１５度以下である小角粒界の割合が全粒界の５０％以上
また、特許文献２には、被覆層のＸ線回折における（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）としたときにＩ（２００）／Ｉ（１１１）の値が２．０以下であり、前記被覆層の上に更にＴｉとＡｌの複合窒酸化物を被覆した表面被覆エンドミルが提案されている。
加えて、特許文献３には、被覆層が、オキシ窒化アルミニウムまたは複合オキシ窒化アルミニウムおよびアルミナまたは複合アルミナを含む、複数の副相群を含む耐火性層を含有した被覆切削工具が提案されている。
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、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性が求められている。
しかし、前記特許文献１～３で提案されている被覆工具では、合金鋼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において、耐チッピング、耐摩耗性が未だ十分ではなく、満足できる工具寿命を有しているとはいえない。
しかし、前記特許文献１～３で提案されている被覆工具では、合金鋼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において、耐チッピング、耐摩耗性が未だ十分ではなく、満足できる工具寿命を有しているとはいえない。
そこで、本発明は前記課題を解決し、合金鋼等の高速断続切削等に供した場合であっても、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、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。
本発明者は、ＴｉとＡｌとの複合炭窒化物層（ＴｉＡｌＣＮと表すことがある）を少なくとも含む硬質被覆層を工具基体に設けた被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性の改善を図るべく、特に、当該硬質被覆層の表面のみならず、厚さ方向にわたっての微量のＯの積極的な添加が耐チッピング性、耐摩耗性の向上にどのような影響を与えるかについて鋭意検討した。
すなわち、ＴｉＡｌＮ皮膜に微量のＣを添加したＴｉＡｌＣＮ皮膜はＴｉＡｌＮ皮膜に比して、Ｃの添加による格子歪みを有するために硬さが向上しているものであるが、さらに、微量のＯを積極的に添加すると、加えて、皮膜の厚さ方向に微量のＯの所定の分布を与えると、ＴｉＡｌＣＮ皮膜自体の耐酸化性が向上して、高速断続切削における耐チッピング性、耐摩耗性がより一層向上することを知見した（以下、ＴｉＡｌＣＮにＯを積極的に添加した層を「ＴｉＡｌＣＮＯ層」と表すことがある）。
なお、前記特許文献２では、最外層のＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物に酸素を含有させると、摩擦係数の低減が可能となり切削熱の低減によって工具寿命が向上すること、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｉ、Ｗ、Ｃｒのうちの１種または２種以上の成分をＴｉに対して０．０５～６０ａｔ％の範囲で置き換えることにより耐酸化性の向上が可能となることが、それぞれ、記載されているものの、前者は耐酸化性の向上についての言及はなく、しかも、含有させる酸素量については指針となるものさえ開示しておらず、後者は耐酸化性の向上はＴｉに対してＺｒ等の置き換えによってもたらされるとの記載に留まっており、いずれも、微量のＯの積極的な添加により、工具基体表面の法線方向のどの部分においてもＴｉＡｌＣＮＯが形成されることによって耐酸化性が向上する前記知見を示唆すらしないものである。
なお、前記特許文献２では、最外層のＴｉとＡｌの複合窒化物、炭窒化物に酸素を含有させると、摩擦係数の低減が可能となり切削熱の低減によって工具寿命が向上すること、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｉ、Ｗ、Ｃｒのうちの１種または２種以上の成分をＴｉに対して０．０５～６０ａｔ％の範囲で置き換えることにより耐酸化性の向上が可能となることが、それぞれ、記載されているものの、前者は耐酸化性の向上についての言及はなく、しかも、含有させる酸素量については指針となるものさえ開示しておらず、後者は耐酸化性の向上はＴｉに対してＺｒ等の置き換えによってもたらされるとの記載に留まっており、いずれも、微量のＯの積極的な添加により、工具基体表面の法線方向のどの部分においてもＴｉＡｌＣＮＯが形成されることによって耐酸化性が向上する前記知見を示唆すらしないものである。
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）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３．０～２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層の組成を組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ－ｚＯｚ）で表した場合、ＡｌのＴｉおよびＡｌの合量に占める平均含有割合ｘ、ＣのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｙ、並びに、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｚ（ただし、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０．０１０≦ｙ≦０．０５０、０．０６０≦ｚ≦０．１００を満足する、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉとＡｌ複合炭窒酸化物の結晶粒の占める割合が６０面積％以上であ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ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層と隣接してその直下に、前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層とは組成の異なる平均層厚０．０５～１．００μｍのＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物下部層を有し、
当該複合炭窒酸化物下部層の組成を組成式：（Ｔｉ１－ｓＡｌｓ）（ＣｔＮ１－ｔ－ｕＯｕ）で表した場合、ＡｌのＴｉおよびＡｌの合量に占める平均含有割合ｓ、ＣのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｔ、並びに、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｕ（ただし、ｓ、ｔおよびｕはいずれも原子比）は、それぞれ、０．００＜ｓ＜ｘ、０．０００＜ｔ≦０．０５０、０．０００＜ｕ≦０．１００を満足する、
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）前記工具基体に隣接してその直上に、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層以上からなり、合計平均層厚として０．１～２０．０μｍのＴｉ化合物層を有することを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層の上に、１．０～２５．０μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層を有する層を少なくとも有することを特徴とする（１）～（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（６）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層は、層厚方向に２等分し、工具基体側領域のＯの平均含有割合をｚａ、工具表面側領域のＯの平均含有割合をｚｂ（ただし、ｚａおよびｚｂはいずれも原子比）とするとき、ｚａ＜ｚｂであることを特徴とする（１）～（４）に記載の表面被覆切削工具。
（７）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層において、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める含有割合が、当該層の層厚方向で工具基体から工具表面方向に向かって連続的に増加することを特徴とする（６）に記載の表面被覆切削工具。」
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３．０～２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層の組成を組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ－ｚＯｚ）で表した場合、ＡｌのＴｉおよびＡｌの合量に占める平均含有割合ｘ、ＣのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｙ、並びに、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｚ（ただし、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０．０１０≦ｙ≦０．０５０、０．０６０≦ｚ≦０．１００を満足する、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉとＡｌ複合炭窒酸化物の結晶粒の占める割合が６０面積％以上であ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ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層と隣接してその直下に、前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層とは組成の異なる平均層厚０．０５～１．００μｍのＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物下部層を有し、
当該複合炭窒酸化物下部層の組成を組成式：（Ｔｉ１－ｓＡｌｓ）（ＣｔＮ１－ｔ－ｕＯｕ）で表した場合、ＡｌのＴｉおよびＡｌの合量に占める平均含有割合ｓ、ＣのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｔ、並びに、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｕ（ただし、ｓ、ｔおよびｕはいずれも原子比）は、それぞれ、０．００＜ｓ＜ｘ、０．０００＜ｔ≦０．０５０、０．０００＜ｕ≦０．１００を満足する、
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）前記工具基体に隣接してその直上に、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層以上からなり、合計平均層厚として０．１～２０．０μｍのＴｉ化合物層を有することを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層の上に、１．０～２５．０μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層を有する層を少なくとも有することを特徴とする（１）～（４）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（６）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層は、層厚方向に２等分し、工具基体側領域のＯの平均含有割合をｚａ、工具表面側領域のＯの平均含有割合をｚｂ（ただし、ｚａおよびｚｂはいずれも原子比）とするとき、ｚａ＜ｚｂであることを特徴とする（１）～（４）に記載の表面被覆切削工具。
（７）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層において、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める含有割合が、当該層の層厚方向で工具基体から工具表面方向に向かって連続的に増加することを特徴とする（６）に記載の表面被覆切削工具。」
である。
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、硬質被覆層として、平均層厚３．０～２０．０μｍのＴｉＡｌＣＮＯ層を少なくとも含み、該ＴｉＡｌＣＮＯ層を、組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ－ｚＯｚ）で表した場合、ＡｌのＴｉおよびＡｌの合量に占める平均含有割合ｘ、ＣのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｙ、並びに、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｚ（ただし、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０．０１０≦ｙ≦０．０５０、０．０６０≦ｚ≦０．１００を満足する。すなわち、微量のＯの積極的な添加により、ＴｉＡｌＣＮＯ層を含む硬質被覆層の高硬度化と耐酸化性がもたらされ、合金鋼等の高速断続切削加工に供した場合であっても、本発明の被覆工具は優れた耐チッピング性を備えるとともに、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮する。
また、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合が６０面積％以上とすることにより、前記硬質被覆層の硬さが向上し、より優れた耐摩耗性を発揮する。
さらに、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層を層厚方向に２等分し、工具基体側領域のＯの平均含有割合をｚａ、工具表面側領域の前記平均含有割合をｚｂとするとき、ｚａ＜ｚｂであることを満足する。すなわち、前記ＴｉＡｌＣＮ層への微量のＯの積極的な添加と、工具基体側領域に比して工具表面側領域のＯ平均含有割合が高いという分布により、切削加工時に当該ＴｉＡｌＣＮＯ層の工具表面側領域に、酸化物層が形成されやすくなり、この酸化物層が保護層となって耐チッピング性および耐欠損性が向上し、優れた耐チッピング性を発揮する。
加えて、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層とは組成の異なるＴｉＡｌＣＮＯ層を隣接して工具基体側に下部層として設けたことにより、前記硬質被覆層との付着強度が向上し、一層優れた耐チッピング性を発揮する。
また、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合が６０面積％以上とすることにより、前記硬質被覆層の硬さが向上し、より優れた耐摩耗性を発揮する。
さらに、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層を層厚方向に２等分し、工具基体側領域のＯの平均含有割合をｚａ、工具表面側領域の前記平均含有割合をｚｂとするとき、ｚａ＜ｚｂであることを満足する。すなわち、前記ＴｉＡｌＣＮ層への微量のＯの積極的な添加と、工具基体側領域に比して工具表面側領域のＯ平均含有割合が高いという分布により、切削加工時に当該ＴｉＡｌＣＮＯ層の工具表面側領域に、酸化物層が形成されやすくなり、この酸化物層が保護層となって耐チッピング性および耐欠損性が向上し、優れた耐チッピング性を発揮する。
加えて、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層とは組成の異なるＴｉＡｌＣＮＯ層を隣接して工具基体側に下部層として設けたことにより、前記硬質被覆層との付着強度が向上し、一層優れた耐チッピング性を発揮する。
本発明について、以下に詳細に説明する。なお、本明細書および特許請求の範囲において数値範囲を「～」で表現するとき、その範囲は上限および下限の数値を含んでいる。
ＴｉＡｌＣＮＯ層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ－ｚＯｚ）で表されるＴｉＡｌＣＮＯ層を少なくとも含む。このＴｉＡｌＣＮＯ層は、硬さが高く、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、特に平均層厚が３．０～２０．０μｍのとき、その効果が際立って発揮される。これは、平均層厚が３．０μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用にわた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２０．０μｍを超えると、ＴｉＡｌＣＮＯ層の結晶粒が粗大化しやすくなり、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３．０～２０．０μｍと定めた。より好ましくは５．０～１５．０μｍである。
本発明の硬質被覆層は、組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ－ｚＯｚ）で表されるＴｉＡｌＣＮＯ層を少なくとも含む。このＴｉＡｌＣＮＯ層は、硬さが高く、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、特に平均層厚が３．０～２０．０μｍのとき、その効果が際立って発揮される。これは、平均層厚が３．０μｍ未満では、層厚が薄いため長期の使用にわた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２０．０μｍを超えると、ＴｉＡｌＣＮＯ層の結晶粒が粗大化しやすくなり、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３．０～２０．０μｍと定めた。より好ましくは５．０～１５．０μｍである。
ＴｉＡｌＣＮＯ層の平均組成：
本発明におけるＴｉＡｌＣＮＯ層の組成は、
ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合（以下、「Ａｌの平均含有割合」という）ｘが、
ＣのＣ、ＮとＯの合量に占める平均含有割合（以下、「Ｃの平均含有割合」という）ｙが、
ＯのＣ、ＮとＯの合量に占める平均含有割合（以下、「Ｏの平均含有割合」という）ｚが、
それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０．０１０≦ｙ≦０．０５０、０．０６０≦ｚ≦０．１００（ただし、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）を満足するように定める。
その理由は、以下のとおりである。
Ａｌの平均含有割合ｘが０．６０未満であると、ＴｉＡｌＣＮＯ層は硬さが劣るため、合金鋼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く、一方、０．９５を超えると相対的にＴｉの平均含有割合が減少するため脆化が起こりやすくなり、耐チッピング性が低下する。したがって、０．６０≦ｘ≦０．９５としたが、より好ましくは０．７０≦ｘ≦０．９０である。
また、Ｃの平均含有割合ｙを０．０１０≦ｙ≦０．０５０と定めたのは、前記範囲において耐チッピング性を保ちつつ硬さを向上させることができるためである。
さらに、Ｏの平均含有割合ｚは、０．０６０未満であると耐酸化性を十分に与えることがなく、０．１００を超えると酸化物の偏析が起こり、耐チッピング性が低下するため好ましくない。
本発明におけるＴｉＡｌＣＮＯ層の組成は、
ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合（以下、「Ａｌの平均含有割合」という）ｘが、
ＣのＣ、ＮとＯの合量に占める平均含有割合（以下、「Ｃの平均含有割合」という）ｙが、
ＯのＣ、ＮとＯの合量に占める平均含有割合（以下、「Ｏの平均含有割合」という）ｚが、
それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０．０１０≦ｙ≦０．０５０、０．０６０≦ｚ≦０．１００（ただし、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）を満足するように定める。
その理由は、以下のとおりである。
Ａｌの平均含有割合ｘが０．６０未満であると、ＴｉＡｌＣＮＯ層は硬さが劣るため、合金鋼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く、一方、０．９５を超えると相対的にＴｉの平均含有割合が減少するため脆化が起こりやすくなり、耐チッピング性が低下する。したがって、０．６０≦ｘ≦０．９５としたが、より好ましくは０．７０≦ｘ≦０．９０である。
また、Ｃの平均含有割合ｙを０．０１０≦ｙ≦０．０５０と定めたのは、前記範囲において耐チッピング性を保ちつつ硬さを向上させることができるためである。
さらに、Ｏの平均含有割合ｚは、０．０６０未満であると耐酸化性を十分に与えることがなく、０．１００を超えると酸化物の偏析が起こり、耐チッピング性が低下するため好ましくない。
ＴｉＡｌＣＮＯ層内のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する個々の結晶粒の面積割合：
前記ＴｉＡｌＣＮＯ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合が６０面積％以上であることが好ましい。これにより、高硬度であるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合が六方晶構造の結晶粒に比べて相対的に高くなり、硬さが向上するという効果を得ることができる。この面積割合は、より好ましくは７５面積％以上である。
前記ＴｉＡｌＣＮＯ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合が６０面積％以上であることが好ましい。これにより、高硬度であるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合が六方晶構造の結晶粒に比べて相対的に高くなり、硬さが向上するという効果を得ることができる。この面積割合は、より好ましくは７５面積％以上である。
ＴｉＡｌＣＮＯ層における工具基体側と工具表面側のＯの平均含有割合：
ＴｉＡｌＣＮＯ層において、当該層を層厚方向に２等分した領域において、工具基体側領域のＯの平均含有割合をｚａ、工具表面側領域のＯの平均含有割合をｚｂとするとき、ｚａ＜ｚｂであることにより、切削加工時に工具表面側領域に酸化物が形成されやすくなり、この酸化物が保護層となって耐チッピング性および耐欠損性が向上する。すなわち、ｚｂがｚａより小さいと、工具基体側領域の酸化物の形成が多くなってしまい、ＴｉＡｌＣＮＯ層と工具基体との付着強度を確保できず耐チッピング性が損なわれてしまう。Ｏの含有割合の層厚方向の変化については後述する。
なお、ｚｂは、０．１００＜ｚｂ≦０．１５０であることが望ましい。
ＴｉＡｌＣＮＯ層において、当該層を層厚方向に２等分した領域において、工具基体側領域のＯの平均含有割合をｚａ、工具表面側領域のＯの平均含有割合をｚｂとするとき、ｚａ＜ｚｂであることにより、切削加工時に工具表面側領域に酸化物が形成されやすくなり、この酸化物が保護層となって耐チッピング性および耐欠損性が向上する。すなわち、ｚｂがｚａより小さいと、工具基体側領域の酸化物の形成が多くなってしまい、ＴｉＡｌＣＮＯ層と工具基体との付着強度を確保できず耐チッピング性が損なわれてしまう。Ｏの含有割合の層厚方向の変化については後述する。
なお、ｚｂは、０．１００＜ｚｂ≦０．１５０であることが望ましい。
ＴｉＡｌＣＮＯ層と隣接してその直下に設ける前記ＴｉＡｌＣＮＯ層とは組成の異なるＴｉとＡｌの複合炭窒化酸化物下部層：
本発明では、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層と隣接して直下に、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層とは組成の異なるＴｉとＡｌの複合炭窒化酸化物下部層（以下、「下部ＴｉＡｌＣＮＯ層」ということがあり、表中には「下部層」と表記する）を設けてもよい。
この下部ＴｉＡｌＣＮＯ層を設けることにより、長期の使用にわたってより優れた耐チッピング性、耐摩耗性を確実に発揮することができる。
ここで、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の組成は、
ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合（以下、「Ａｌの平均含有割合」という）ｓが、
ＣのＣ、ＮとＯの合量に占める平均含有割合（以下、「Ｃの平均含有割合」という）ｔが、
ＯのＣ、ＮとＯの合量に占める平均含有割合（以下、「Ｏの平均含有割合」という）ｕが、
それぞれ、０．００＜ｓ＜ｘ、０．０００＜ｔ≦０．０５０、０．０００＜ｕ≦０．１００（ただし、ｓ、ｔ、ｕはいずれも原子比）を満足するように定める。
その理由は、以下のとおりである。
Ａｌが含有されることで耐チッピング性を保ちつつ硬さが向上し、ｘより小さいと前記ＴｉＡｌＣＮＯ層と工具基体もしくは工具基体上の下部層との密着性が向上し、耐剥離性が向上する。一方で、ｘより大きいと付着強度が低下し、耐剥離性が低下する。
また、Ｃの平均含有割合ｔを０．０００＜ｔ≦０．０５０と定めたのは、Ｃを含有させることで、硬さを向上させることができ、平均含有割合が０．０５０以下の範囲であれば耐チッピング性を保ちつつ硬さを向上させることができるためである。さらに、Ｏを含有させると耐チッピング性が向上するが、その平均含有割合ｕは０．１００を超えると酸化物の偏析が起こり、耐チッピング性が低下するため好ましくない。
さらに、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の層厚は０．０５～１．００μｍのとき、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層と工具基体表面との付着強度が向上し、耐チッピング性が向上する。０．０５μｍ未満となると、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の効果を十分に発揮できず、１．００μｍより厚くなると前記ＴｉＡｌＣＮＯ層との付着強度が低下し、耐チッピング性が低下するため、０．０５～１．００μｍと定めた。
本発明では、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層と隣接して直下に、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層とは組成の異なるＴｉとＡｌの複合炭窒化酸化物下部層（以下、「下部ＴｉＡｌＣＮＯ層」ということがあり、表中には「下部層」と表記する）を設けてもよい。
この下部ＴｉＡｌＣＮＯ層を設けることにより、長期の使用にわたってより優れた耐チッピング性、耐摩耗性を確実に発揮することができる。
ここで、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の組成は、
ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合（以下、「Ａｌの平均含有割合」という）ｓが、
ＣのＣ、ＮとＯの合量に占める平均含有割合（以下、「Ｃの平均含有割合」という）ｔが、
ＯのＣ、ＮとＯの合量に占める平均含有割合（以下、「Ｏの平均含有割合」という）ｕが、
それぞれ、０．００＜ｓ＜ｘ、０．０００＜ｔ≦０．０５０、０．０００＜ｕ≦０．１００（ただし、ｓ、ｔ、ｕはいずれも原子比）を満足するように定める。
その理由は、以下のとおりである。
Ａｌが含有されることで耐チッピング性を保ちつつ硬さが向上し、ｘより小さいと前記ＴｉＡｌＣＮＯ層と工具基体もしくは工具基体上の下部層との密着性が向上し、耐剥離性が向上する。一方で、ｘより大きいと付着強度が低下し、耐剥離性が低下する。
また、Ｃの平均含有割合ｔを０．０００＜ｔ≦０．０５０と定めたのは、Ｃを含有させることで、硬さを向上させることができ、平均含有割合が０．０５０以下の範囲であれば耐チッピング性を保ちつつ硬さを向上させることができるためである。さらに、Ｏを含有させると耐チッピング性が向上するが、その平均含有割合ｕは０．１００を超えると酸化物の偏析が起こり、耐チッピング性が低下するため好ましくない。
さらに、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の層厚は０．０５～１．００μｍのとき、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層と工具基体表面との付着強度が向上し、耐チッピング性が向上する。０．０５μｍ未満となると、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の効果を十分に発揮できず、１．００μｍより厚くなると前記ＴｉＡｌＣＮＯ層との付着強度が低下し、耐チッピング性が低下するため、０．０５～１．００μｍと定めた。
ＴｉＡｌＣＮＯ層内の前記Ｏの含有割合の層厚方向の変化：
ＴｉＡｌＣＮＯ層内のＯの含有割合は、層厚方向に工具基体側から工具表面側に向かって、連続的に増加していることが好ましい。連続的に増加していると工具表面側に酸化物がより一層形成されやすくなり、この酸化物層が保護層となって耐チッピング性および耐欠損性がより向上するためである。
ここで、本発明において、連続的に増加しているとは、工具基体直上から工具表面まで層厚方向に０．５μｍごとのＯの含有割合を測定し、その値を最小自乗法を用いて直線近似したとき、当該層厚方向に工具基体側から工具表面側に向かって正の傾きの直線が得られることをいう。
ＴｉＡｌＣＮＯ層内のＯの含有割合は、層厚方向に工具基体側から工具表面側に向かって、連続的に増加していることが好ましい。連続的に増加していると工具表面側に酸化物がより一層形成されやすくなり、この酸化物層が保護層となって耐チッピング性および耐欠損性がより向上するためである。
ここで、本発明において、連続的に増加しているとは、工具基体直上から工具表面まで層厚方向に０．５μｍごとのＯの含有割合を測定し、その値を最小自乗法を用いて直線近似したとき、当該層厚方向に工具基体側から工具表面側に向かって正の傾きの直線が得られることをいう。
次に、本発明のＴｉＡｌＣＮＯ層および下部ＴｉＡｌＣＮＯ層を成膜するための条件を示すと、例えば、以下のとおりである。
反応ガス組成（以下の％は、ガス群Ａおよびガス群Ｂをあわせた全体に対する容量％である）
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０～６．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ：０．５～１．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～９００℃
供給周期１．０～５．０秒
１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒
ここで、ガス群Ｂの成分としてＣＯを添加することが本発明に係る被覆工具を製造するための特徴である。このＣＯガスは、ＴｉＡｌＣＮＯ層のＣおよびＯの供給源となる。なお、ＣおよびＯの供給源として、ＣＯ２ガスを用いることもできる。
また、本発明のＴｉＡｌＣＮＯ層の直下に設ける下部ＴｉＡｌＣＮＯ層を成膜するための条件を示すと、例えば、以下のとおりである。
反応ガス組成（以下の％は、ガス群Ａおよびガス群Ｂをあわせた全体に対する容量％である）
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０～６．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．２～０．５％、ＴｉＣｌ４：０．３～０．５％、ＣＯ：０．０～１．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０～４．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～９００℃
供給周期１．０～５．０秒
１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒
反応ガス組成（以下の％は、ガス群Ａおよびガス群Ｂをあわせた全体に対する容量％である）
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０～６．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ：０．５～１．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～９００℃
供給周期１．０～５．０秒
１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒
ここで、ガス群Ｂの成分としてＣＯを添加することが本発明に係る被覆工具を製造するための特徴である。このＣＯガスは、ＴｉＡｌＣＮＯ層のＣおよびＯの供給源となる。なお、ＣおよびＯの供給源として、ＣＯ２ガスを用いることもできる。
また、本発明のＴｉＡｌＣＮＯ層の直下に設ける下部ＴｉＡｌＣＮＯ層を成膜するための条件を示すと、例えば、以下のとおりである。
反応ガス組成（以下の％は、ガス群Ａおよびガス群Ｂをあわせた全体に対する容量％である）
ガス群Ａ：ＮＨ３：２．０～６．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ３：０．２～０．５％、ＴｉＣｌ４：０．３～０．５％、ＣＯ：０．０～１．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０～４．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～９００℃
供給周期１．０～５．０秒
１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒
また、本発明の工具基体側と工具表面側で酸素の平均含有割合の異なるＴｉＡｌＣＮＯ層を成膜するための条件を示すと、例えば、以下のとおりである。なお、反応ガス組成の％は、ガス群Ａおよびガス群Ｂをあわせた全体に対する容量％である。
１．工具基体側領域
ガス群Ａ： ＮＨ３：２．０～５．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％
ガス群Ｂ： ＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ２：０．０～０．６％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～９００℃
供給周期：１．０～５．０秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０～０．２０秒
２．工具表面側領域
ガス群Ａ： ＮＨ３：２．０～５．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％
ガス群Ｂ： ＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ２：０．７～１．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～９００℃
供給周期：１．０～５．０秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０～０．２０秒
３．層厚方向に工具基体側から工具表面側に向かってＯの含有割合の連続的増加
ＴｉＡｌＣＮＯ層内のＯの含有割合は、層厚方向に工具基体側から工具表面側に向かって、連続的に増加させるために、成膜開始から成膜終了時までＣＯ２ガスの割合を連続的に増加させながら成膜を行う。
１．工具基体側領域
ガス群Ａ： ＮＨ３：２．０～５．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％
ガス群Ｂ： ＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ２：０．０～０．６％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～９００℃
供給周期：１．０～５．０秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０～０．２０秒
２．工具表面側領域
ガス群Ａ： ＮＨ３：２．０～５．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％
ガス群Ｂ： ＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ２：０．７～１．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り
反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～９００℃
供給周期：１．０～５．０秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差：０．１０～０．２０秒
３．層厚方向に工具基体側から工具表面側に向かってＯの含有割合の連続的増加
ＴｉＡｌＣＮＯ層内のＯの含有割合は、層厚方向に工具基体側から工具表面側に向かって、連続的に増加させるために、成膜開始から成膜終了時までＣＯ２ガスの割合を連続的に増加させながら成膜を行う。
その他の層：
本発明は、硬質被覆層としての前記ＴｉＡｌＣＮＯ層、当該ＴｉＡｌＣＮＯ層とは組成の異なる下部ＴｉＡｌＣＮＯ層を設けることによって十分な耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、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層以上からなり、０．１～２０．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含む下部層を工具基体に隣接して設けた場合、および／または、少なくとも酸化アルミニウム層が１．０～２５．０μｍの合計平均層厚で上部層として前記ＴｉＡｌＣＮＯ層の上に設けられた場合（ｚａ＜ｚｂであるときを除く）には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層優れた耐摩耗性および熱的安定性を発揮することができる。
ここで、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、２０．０μｍを超えると下部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。また、酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１．０μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２５．０μｍを超えると上部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。
本発明は、硬質被覆層としての前記ＴｉＡｌＣＮＯ層、当該ＴｉＡｌＣＮＯ層とは組成の異なる下部ＴｉＡｌＣＮＯ層を設けることによって十分な耐チッピング性、耐摩耗性を有するが、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層以上からなり、０．１～２０．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を含む下部層を工具基体に隣接して設けた場合、および／または、少なくとも酸化アルミニウム層が１．０～２５．０μｍの合計平均層厚で上部層として前記ＴｉＡｌＣＮＯ層の上に設けられた場合（ｚａ＜ｚｂであるときを除く）には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層優れた耐摩耗性および熱的安定性を発揮することができる。
ここで、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、２０．０μｍを超えると下部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。また、酸化アルミニウム層を含む上部層の合計平均層厚が１．０μｍ未満では、上部層の効果が十分に奏されず、一方、２５．０μｍを超えると上部層の結晶粒が粗大化しやすくなり、チッピングを発生しやすくなる。
本発明被覆工具において、上記各層を積層した模式図を図１に示す。
また、本発明被覆工具において、工具基体側と表面領域側で酸素濃度が異なる層を積層した模式図を図２に示す。
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、ＷＣ基超硬合金あるいはＴｉＣＮ基サーメットを用いた場合について説明するが、ｃＢＮ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。
なお、以下の実施例では、工具基体として、ＷＣ基超硬合金あるいはＴｉＣＮ基サーメットを用いた場合について説明するが、ｃＢＮ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。
＜実施例１＞
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。
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。
次に、これらの工具基体Ａ～Ｄの表面に、ＣＶＤ装置を用い、ＴｉＡｌＣＮＯ層を形成した。
ＣＶＤによる成膜条件は、次のとおりである。
表４、表５に示される形成条件Ａ～Ｇ、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＣＯ、Ｎ２、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をあわせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ３：２．０～６．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ：０．５～１．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１．０～５．０秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒とし、所定時間、ＣＶＤを行った。
前記の条件でＴｉＡｌＣＮＯ層を形成することにより、表７に示す平均層厚、Ａｌの平均含有割合ｘ、ｓ、Ｃの平均含有割合ｙ、ｔ、Ｏの平均含有割合ｚ、ｕを有する本発明被覆工具１～１２を製造した。
また、本発明被覆工具４～９については、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に表４、表５に示される形成条件Ｈ～Ｊにより、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。なお、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層は、例えば、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＣＯ、Ｎ２、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をあわせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ３：２．０～６．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．２～０．５％、ＴｉＣｌ４：０．３～０．５％、ＣＯ：０．０～１．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０～４．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１．０～５．０秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒とし所定時間成膜することで得られる。
なお、本発明被覆工具６～１１については、表３に示される形成条件で、表６に示される下部層および／または上部層を形成した。
ＣＶＤによる成膜条件は、次のとおりである。
表４、表５に示される形成条件Ａ～Ｇ、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＣＯ、Ｎ２、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をあわせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ３：２．０～６．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ：０．５～１．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１．０～５．０秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒とし、所定時間、ＣＶＤを行った。
前記の条件でＴｉＡｌＣＮＯ層を形成することにより、表７に示す平均層厚、Ａｌの平均含有割合ｘ、ｓ、Ｃの平均含有割合ｙ、ｔ、Ｏの平均含有割合ｚ、ｕを有する本発明被覆工具１～１２を製造した。
また、本発明被覆工具４～９については、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に表４、表５に示される形成条件Ｈ～Ｊにより、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。なお、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層は、例えば、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＣＯ、Ｎ２、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をあわせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ３：２．０～６．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．２～０．５％、ＴｉＣｌ４：０．３～０．５％、ＣＯ：０．０～１．０％、Ｃ２Ｈ４：０．０～４．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１．０～５．０秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒とし所定時間成膜することで得られる。
なお、本発明被覆工具６～１１については、表３に示される形成条件で、表６に示される下部層および／または上部層を形成した。
また、比較の目的で、工具基体Ａ～Ｄの表面に表４、表５に示される形成条件Ａ´～Ｇ´でＣＶＤにより成膜を行うことにより、表８に示される平均層厚を有し、少なくともＴｉＡｌＣＮＯ層を含む硬質被覆層を蒸着形成して比較被覆工具を製造した。なお、Ｅ´～Ｇ´についてはＣＯガスの代わりにＣ２Ｈ４ガスを使用することで、ＴｉＡｌＣＮ層を形成した。ただし、酸素の存在が完全否定されないため、ＴｉＡｌＣＮＯが存在する可能性があり、表８では「ＴｉＡｌＣＮＯ層」と表記している。
また、本発明被覆工具４～９と同様に、比較被覆工具４～９については、表４～５に示される形成条件Ｈ´～Ｊ´で、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具６～１１と同様に、比較被覆工具６～１１については、表３に示される形成条件で、表６に示される下部層および／または上部層を形成した。
また、本発明被覆工具４～９と同様に、比較被覆工具４～９については、表４～５に示される形成条件Ｈ´～Ｊ´で、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具６～１１と同様に、比較被覆工具６～１１については、表３に示される形成条件で、表６に示される下部層および／または上部層を形成した。
平均層厚は、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に垂直な方向の断面（縦断面）を、走査型電子顕微鏡を用いて適切な倍率(例えば倍率５０００倍)を選択して観察し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して求めた。
ＴｉＡｌＣＮＯ層のＡｌの平均含有割合ｘ、ｓについては、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｐｒｏｂｅ－Ｍｉｃｒｏ－Ａｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）を用い、縦断面を研磨した試料において、電子線を試料縦断面側から照射し、得られた特性Ｘ線の解析結果の１０点平均からＡｌの平均含有割合ｘ、ｓを求めた。
Ｃの平均含有割合ｙ、ｔについては、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ－Ｉｏｎ－Ｍａｓｓ－Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）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。Ｃの平均含有割合ｙ、ｔはＴｉＡｌＣＮＯ層および下部ＴｉＡｌＣＮＯ層についての深さ方向の平均値を示す。
ただし、Ｃの平均含有割合には、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。
Ｏの平均含有割合ｚ、ｕについては、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用い、試料断面を研磨した試料において、電子線を縦断面側から各層に照射し、得られたオージェ電子の解析結果よりＯの平均含有割合ｚ、ｕを求めた。
表７、表８に、前記で求めたｘ、ｙ、ｚ、ｓ、ｔ、ｕの値を示す（ｘ、ｙ、ｚ、ｓ、ｔ、ｕは、いずれも原子比）。
Ｃの平均含有割合ｙ、ｔについては、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ－Ｉｏｎ－Ｍａｓｓ－Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）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。Ｃの平均含有割合ｙ、ｔはＴｉＡｌＣＮＯ層および下部ＴｉＡｌＣＮＯ層についての深さ方向の平均値を示す。
ただし、Ｃの平均含有割合には、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。
Ｏの平均含有割合ｚ、ｕについては、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用い、試料断面を研磨した試料において、電子線を縦断面側から各層に照射し、得られたオージェ電子の解析結果よりＯの平均含有割合ｚ、ｕを求めた。
表７、表８に、前記で求めたｘ、ｙ、ｚ、ｓ、ｔ、ｕの値を示す（ｘ、ｙ、ｚ、ｓ、ｔ、ｕは、いずれも原子比）。
また、ＴｉＡｌＣＮＯ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合は、測定範囲を、縦断面方向（縦断面に垂直な方向（工具基体表面に平行な方向））に１００μｍ、膜厚方向は膜厚の測定範囲で十分な長さの範囲とし、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層の縦断面を研磨し、電子線後方散乱回折像装置を用いて、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流で、電子線を０．０１μｍ間隔で照射して得られる電子線後方散乱回折像に基づき個々の結晶粒の結晶構造を解析することにより求めた。その結果を、表７および表８に示す。
次に、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、合金鋼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、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
工具基体：ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ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：７６４ ｍｉｎ－１、
切削速度：３００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．０ ｍｍ、
一刃送り量：０．３０ ｍｍ／刃、
切削時間：８分、
（通常の切削速度：１５０～２００ｍ／ｍｉｎ）
表９に、その結果を示す。
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：７６４ ｍｉｎ－１、
切削速度：３００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．０ ｍｍ、
一刃送り量：０．３０ ｍｍ／刃、
切削時間：８分、
（通常の切削速度：１５０～２００ｍ／ｍｉｎ）
表９に、その結果を示す。
＜実施例２＞
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１０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。
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１０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１１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。
次に、これらの工具基体α～γおよび工具基体δの表面に、ＣＶＤ装置を用い、表４、表５に示される形成条件Ａ～Ｇ、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＣＯ、Ｎ２、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をあわせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ３：２．０～６．０％、Ｈ２：６５．０～７５．０％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．６～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ：０．５～１．０％、Ｎ２：０．０～１０．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１．０～５．０秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２５秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．２０秒として、所定時間、ＣＶＤを行った。
前記の条件でＴｉＡｌＣＮＯ層を形成することにより、表１３に示す平均層厚、Ａｌの平均含有割合ｘ、ｓ、Ｃの平均含有割合ｙ、ｔ、Ｏの平均含有割合ｚ、ｕを有する本発明被覆工具１３～２４を製造した。
また、本発明被覆工具１６～２１については、実施例１と同様に、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に表４、表５に示される形成条件Ｈ～Ｊにより、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具１８～２３については、表３に示される形成条件で、表１２に示される下部層および／または上部層を形成した。
前記の条件でＴｉＡｌＣＮＯ層を形成することにより、表１３に示す平均層厚、Ａｌの平均含有割合ｘ、ｓ、Ｃの平均含有割合ｙ、ｔ、Ｏの平均含有割合ｚ、ｕを有する本発明被覆工具１３～２４を製造した。
また、本発明被覆工具１６～２１については、実施例１と同様に、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に表４、表５に示される形成条件Ｈ～Ｊにより、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具１８～２３については、表３に示される形成条件で、表１２に示される下部層および／または上部層を形成した。
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、ＣＶＤ装置を用い、表４および表５に示される条件かつ表１４に示される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１４に示される比較被覆工具１３～２４を製造した。
また、本発明被覆工具１６～２１と同様に、比較被覆工具１６～２１については、表４～５に示される形成条件Ｈ´～Ｊ´で、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具１８～２３と同様に、比較被覆工具１８～２３については、表３～表５に示される形成条件で、表１２に示される下部層および／または上部層を形成した。
また、本発明被覆工具１６～２１と同様に、比較被覆工具１６～２１については、表４～５に示される形成条件Ｈ´～Ｊ´で、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具１８～２３と同様に、比較被覆工具１８～２３については、表３～表５に示される形成条件で、表１２に示される下部層および／または上部層を形成した。
平均層厚は、本発明被覆工具１３～２４、比較被覆工具１３～２４の各構成層の断面を、走査電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて観察し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して求めた。
また、実施例１と同様に、前記本発明被覆工具１３～２４、比較被覆工具１３～２４のＴｉＡｌＣＮＯ層および下部ＴｉＡｌＣＮＯ層について、Ａｌの平均含有割合ｘ、ｓとＣの平均含有割合ｙ、ｔ、Ｏの平均含有割合ｚ、ｕを測定し、さらに、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合を求めた。これらの結果を表１３、表１４に示す。
次に、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：
工具基体：ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３３０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ ｍｍ、
送り：０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５ 分、
（通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ）、
切削条件２：
工具基体：ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ６００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：２．０ ｍｍ、
送り：０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５ 分、
（通常の切削速度は、１８０ｍ／ｍｉｎ）、
表１５に、前記切削試験の結果を示す。
切削条件１：
工具基体：ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３３０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ ｍｍ、
送り：０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５ 分、
（通常の切削速度は、２２０ｍ／ｍｉｎ）、
切削条件２：
工具基体：ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ６００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：２．０ ｍｍ、
送り：０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５ 分、
（通常の切削速度は、１８０ｍ／ｍｉｎ）、
表１５に、前記切削試験の結果を示す。
＜実施例３＞
表１および表２に示した工具基体Ａ～Ｄの表面に、ＣＶＤ装置を用い、表１６、表１７に示される形成条件Ｋ～Ｎにおいて、Ｋ１～Ｍ１、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＣＯ２、Ｎ２、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（％は、ガス群Ａおよびガス群Ｂをあわせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ３：２．５～５．０％、Ｈ２：６８．０～７５．０％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．７～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ２：０．０～０．６％、Ｎ２：０．０～５．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１．０～３．０秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２０秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．１５秒とし、所定時間、ＣＶＤにより、工具基体側領域の成膜を行った。次に、表１６、表１７に示される形成条件を示す形成記号Ｋ～Ｎにおいて、Ｋ２～Ｍ２、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＣＯ２、Ｎ２、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（％は、ガス群Ａおよびガス群Ｂをあわせた全体に対する容量％）を、ＮＨ３：２．５～５．０％、Ｈ２：６８．０～７５．０％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．７～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ２：０．７～０．８％、Ｎ２：０．０～５．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１．０～３．０秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２０秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．１５秒とし、所定時間、ＣＶＤにより、工具表面側領域の成膜を行った。
また、表１６、表１７に示される形成条件Ｎでは、成膜開始時から成膜終了時にかけてＣＯ２ガス割合を連続的に増加（単調増加関数の増加）させ、前記ＴｉＡlＣＮＯ層の層厚方向にＯの含有割合が工具基体側領域から工具表面領域側に向かって連続的に増加するよう、成膜を行った（詳細は表１６、表１７を参照）。
また、本発明被覆工具２９、３０については、実施例１と同様に、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に表４、表５に示される形成条件Ｈ、Ｊにより、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具２８～３０については、表３に示される形成条件で、表１８に示される下部層を形成した。
前記の条件でＴｉＡｌＣＮＯ層を形成することにより、表１９に示す平均層厚、Ａｌの平均含有割合ｘ、ｓ、Ｃの平均含有割合ｙ、ｔ、Ｏの平均含有割合ｚ、ｕを有する本発明被覆工具２５～３０を製造した。
表１および表２に示した工具基体Ａ～Ｄの表面に、ＣＶＤ装置を用い、表１６、表１７に示される形成条件Ｋ～Ｎにおいて、Ｋ１～Ｍ１、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＣＯ２、Ｎ２、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（％は、ガス群Ａおよびガス群Ｂをあわせた全体に対する容量％）を、ガス群ＡとしてＮＨ３：２．５～５．０％、Ｈ２：６８．０～７５．０％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．７～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ２：０．０～０．６％、Ｎ２：０．０～５．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１．０～３．０秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２０秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．１５秒とし、所定時間、ＣＶＤにより、工具基体側領域の成膜を行った。次に、表１６、表１７に示される形成条件を示す形成記号Ｋ～Ｎにおいて、Ｋ２～Ｍ２、すなわち、ＮＨ３とＨ２からなるガス群Ａと、ＡｌＣｌ３、ＴｉＣｌ４、ＣＯ２、Ｎ２、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（％は、ガス群Ａおよびガス群Ｂをあわせた全体に対する容量％）を、ＮＨ３：２．５～５．０％、Ｈ２：６８．０～７５．０％、ガス群ＢとしてＡｌＣｌ３：０．７～０．９％、ＴｉＣｌ４：０．２～０．３％、ＣＯ２：０．７～０．８％、Ｎ２：０．０～５．０％、Ｈ２：残り、反応雰囲気圧力：４．５～５．０ｋＰａ、反応雰囲気温度：７００～９００℃、供給周期１．０～３．０秒、１周期当たりのガス供給時間０．１５～０．２０秒、ガス群Ａとガス群Ｂの供給の位相差０．１０～０．１５秒とし、所定時間、ＣＶＤにより、工具表面側領域の成膜を行った。
また、表１６、表１７に示される形成条件Ｎでは、成膜開始時から成膜終了時にかけてＣＯ２ガス割合を連続的に増加（単調増加関数の増加）させ、前記ＴｉＡlＣＮＯ層の層厚方向にＯの含有割合が工具基体側領域から工具表面領域側に向かって連続的に増加するよう、成膜を行った（詳細は表１６、表１７を参照）。
また、本発明被覆工具２９、３０については、実施例１と同様に、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に表４、表５に示される形成条件Ｈ、Ｊにより、下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具２８～３０については、表３に示される形成条件で、表１８に示される下部層を形成した。
前記の条件でＴｉＡｌＣＮＯ層を形成することにより、表１９に示す平均層厚、Ａｌの平均含有割合ｘ、ｓ、Ｃの平均含有割合ｙ、ｔ、Ｏの平均含有割合ｚ、ｕを有する本発明被覆工具２５～３０を製造した。
また、比較の目的で、同じく工具基体Ａ～Ｄの表面に、ＣＶＤ装置を用い、表１６、表１７に示される形成条件Ｋ´～Ｎ´で成膜を行うことにより、表２０に示される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２０に示される比較被覆工具２５～３０を製造した。
また、本発明被覆工具２９、３０と同様に、比較被覆工具２９、３０については、表４～５に示される形成条件Ｈ´、Ｊ´で、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具２８～３０と同様に、比較被覆工具２９～３０については、表３に示される形成条件で、表１８に示される下部層を形成した（比較被覆工具２８については下部層を設けていない）。
また、本発明被覆工具２９、３０と同様に、比較被覆工具２９、３０については、表４～５に示される形成条件Ｈ´、Ｊ´で、前記ＴｉＡlＣＮＯ層形成前に下部ＴｉＡｌＣＮＯ層の成膜を行った。
なお、本発明被覆工具２８～３０と同様に、比較被覆工具２９～３０については、表３に示される形成条件で、表１８に示される下部層を形成した（比較被覆工具２８については下部層を設けていない）。
平均層厚は、本発明被覆工具２５～３０、比較被覆工具２５～３０の各構成層の断面を、走査電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて観察し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して求めた。
また、前記本発明被覆工具２５～３０、比較被覆工具２５～３０のＴｉＡｌＣＮＯ層について、Ａｌの平均含有割合ｘ、ｓとＣの平均含有割合ｙ、ｔ、Ｏの平均含有割合ｚ、ｕを測定し、また、前記ＴｉＡｌＣＮＯ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合を実施例１、２と同様に求めた。さらに、工具基体側と工具表面側でＯの平均含有割合ｚａ、ｚｂ値およびＯの含有割合の層厚方向の変化の有無を測定した。これらの結果を表１９、表２０に示す。
次に、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１～４および２５～３０、比較被覆工具１～４および２５～３０について、以下に示す、鋳鉄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、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。また、本発明被覆工具２５～２８、比較被覆工具２５～２８について、以下に示す合金鋼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、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
切削条件１：
工具基体：ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ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・ＦＣＤ６００ 幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
回転速度：７６４ ｍｉｎ－１、
切削速度：３００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ ｍｍ、
一刃送り量：０．２０ ｍｍ／刃、
切削時間：８分、
（通常の切削速度：１８０～２２０ｍ／ｍｉｎ）
切削条件２：
工具基体：ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ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：８０２ ｍｉｎ－１、
切削速度：３１５ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．０ ｍｍ、
一刃送り量：０．２０ ｍｍ／刃、
切削時間：８分、
（通常の切削速度：１５０～２００ｍ／ｍｉｎ）
表２１に、その結果を示す。
工具基体：ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ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・ＦＣＤ６００ 幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
回転速度：７６４ ｍｉｎ－１、
切削速度：３００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ ｍｍ、
一刃送り量：０．２０ ｍｍ／刃、
切削時間：８分、
（通常の切削速度：１８０～２２０ｍ／ｍｉｎ）
切削条件２：
工具基体：ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ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：８０２ ｍｉｎ－１、
切削速度：３１５ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．０ ｍｍ、
一刃送り量：０．２０ ｍｍ／刃、
切削時間：８分、
（通常の切削速度：１５０～２００ｍ／ｍｉｎ）
表２１に、その結果を示す。
表９、表１５および表２１に示される結果から、本発明の被覆工具は、ＴｉＡｌＣＮＯ層にＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を含み、所定のＡｌの平均含有割合、Ｃの平均含有割合、Ｏの平均含有割合を有していることから高硬度でかつ耐酸化性が高く、その結果、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用いた場合でも、チッピング、欠損の発生もなく、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、ＴｉＡｌＣＮＯ層において、所定のＡｌの平均含有割合、Ｃの平均含有割合、Ｏの平均含有割合を満足していない比較被覆工具は、高速断続切削加工において、チッピング等の異常損傷の発生、あるいは、摩耗進行により、短時間で寿命に至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、合金鋼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、長期の使用にわたって優れた切削性能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に満足する対応ができるものである。
Claims (7)
- 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３．０～２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層の組成を組成式：（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）（ＣｙＮ１－ｙ－ｚＯｚ）で表した場合、ＡｌのＴｉおよびＡｌの合量に占める平均含有割合ｘ、ＣのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｙ、並びに、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｚ（ただし、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦ｘ≦０．９５、０．０１０≦ｙ≦０．０５０、０．０６０≦ｚ≦０．１００を満足する、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層は、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有するＴｉとＡｌ複合炭窒酸化物の結晶粒の占める割合が６０面積％以上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。
- 前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層と隣接してその直下に、前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層とは組成の異なる平均層厚０．０５～１．００μｍのＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物下部層を有し、
当該複合炭窒酸化物下部層の組成を組成式：（Ｔｉ１－ｓＡｌｓ）（ＣｔＮ１－ｔ－ｕＯｕ）で表した場合、ＡｌのＴｉおよびＡｌの合量に占める平均含有割合ｓ、ＣのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｔ、並びに、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める平均含有割合ｕ（ただし、ｓ、ｔおよびｕはいずれも原子比）は、それぞれ、０．００＜ｓ＜ｘ、０．０００＜ｔ≦０．０５０、０．０００＜ｕ≦０．１００を満足する、
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。 - 前記工具基体に隣接してその直上に、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層以上からなり、合計平均層厚として０．１～２０．０μｍのＴｉ化合物層を有することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層の上に、１．０～２５．０μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層を有する層を少なくとも有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層は、層厚方向に２等分し、工具基体側領域のＯの平均含有割合をｚａ、工具表面側領域のＯの平均含有割合をｚｂ（ただし、ｚａおよびｚｂはいずれも原子比）とするとき、ｚａ＜ｚｂであることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記ＴｉとＡｌの複合炭窒酸化物層において、ＯのＣ、ＮおよびＯの合量に占める含有割合が、当該層の層厚方向で工具基体から工具表面方向に向かって連続的に増加することを特徴とする請求項６に記載の表面被覆切削工具。
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