WO2018037625A1 - 表面被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents

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WO2018037625A1
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layer
atomic concentration
cutting tool
lower layer
chlorine
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光平 吉村
今村　晋也
秀明 金岡
アノンサック パサート
聡 小野
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住友電工ハードメタル株式会社
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    • C23C16/403—Oxides of aluminium, magnesium or beryllium
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    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45523—Pulsed gas flow or change of composition over time

Definitions

  • the present invention relates to a surface-coated cutting tool and a manufacturing method thereof.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-163628, which is a Japanese patent application filed on August 24, 2016. All the descriptions described in the Japanese patent application are incorporated herein by reference.
  • Patent Document 2 In European Patent Application No. 2570510 (Patent Document 2), an ⁇ -Al 2 O 3 layer having a (0012) texture and containing 100 ppm or more of sulfur is provided on a substrate made of a cemented carbide. Thus, cutting tools with improved wear resistance have been proposed.
  • Patent Document 3 SUMMARY OF THE INVENTION In 2013-111722 (Patent Document 3), and (0001) by lowering the orientation of the base material side of the layers of ⁇ -Al 2 O 3 layer is oriented, alpha-Al 2 O 3 layer A surface-coated cutting tool has been proposed in which the adhesion between the ⁇ -Al 2 O 3 layer and the layer disposed between the substrates is enhanced.
  • JP2015-009358A European Patent Application Publication No. 2705510 JP 2013-111722 A
  • the surface-coated cutting tool is a surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the substrate, and the coating includes an ⁇ -Al 2 O 3 layer.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer includes a plurality of ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains and chlorine, and the TC (006) exceeds 5 in the orientation index TC (hkl).
  • the 2 O 3 layer includes a lower layer located on the substrate side in the thickness direction and an upper layer located on the opposite side of the substrate side, and the lower layer has a thickness of 1.0 ⁇ m,
  • the upper layer has a thickness of 0.5 ⁇ m or more, and the chlorine has a concentration distribution in which the atomic concentration decreases in the direction away from the substrate in the thickness direction of the lower layer.
  • the method for producing a surface-coated cutting tool includes a step of forming the coating film including the ⁇ -Al 2 O 3 layer on the base material by a CVD method,
  • the formation of the ⁇ -Al 2 O 3 layer is started by setting the amount of HCl gas contained in the gas to 6 to 10% by volume, and then the amount is decreased to 0.5 to 6% by volume.
  • FIG. 1 is a drawing-substituting photograph showing measurement points in an ⁇ -Al 2 O 3 layer set for measuring the atomic concentration of chlorine (Cl) and sulfur (S) using EDS superimposed on a micrograph. is there.
  • the surface-coated cutting tool of Patent Document 1 has room for improvement in performance such as toughness and peel resistance.
  • the cutting tool of Patent Document 2 has insufficient chipping resistance.
  • the surface-coated cutting tool of Patent Document 3 has insufficient wear resistance due to the lowered orientation of the base layer.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a surface-coated cutting tool that has excellent wear resistance and that can achieve a long life by preventing coating loss such as peeling and chipping, and a method for manufacturing the same. For the purpose. [Effects of the present disclosure]
  • a surface-coated cutting tool is a surface-coated cutting tool including a base material and a coating film formed on the base material, wherein the coating film is ⁇ -Al 2 O 3.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer includes a plurality of ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains and chlorine, and the orientation index TC (hkl) has a TC (006) of more than 5,
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer includes a lower layer located on the substrate side in the thickness direction and an upper layer located on the side opposite to the substrate side, and the lower layer has a thickness of 1.0 ⁇ m.
  • the upper layer has a thickness of 0.5 ⁇ m or more, and the chlorine has a concentration distribution in which the atomic concentration decreases in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer.
  • the surface-coated cutting tool having such a configuration has excellent wear resistance and can prevent the loss of the coating such as peeling and chipping, thereby achieving a long life.
  • the chlorine preferably has a maximum atomic concentration of less than 0.3 atomic% in the lower layer.
  • the chlorine preferably has a maximum atomic concentration of less than 0.05 atomic% in the upper layer. Thereby, the wear resistance of the surface-coated cutting tool can be improved.
  • the TC (006) is more preferably more than 6. Thereby, the wear resistance of the surface-coated cutting tool can be improved more effectively.
  • the lower layer contains sulfur
  • the lower layer is defined as C ClS
  • the sum of the atomic concentration of chlorine at a predetermined measurement point and the atomic concentration of sulfur at the measurement point is In the thickness direction, it is preferable to have a distribution in which the C ClS decreases in a direction away from the substrate side. Thereby, the improvement of chipping resistance, in particular, peeling resistance and chipping resistance can be further improved.
  • the lower layer contains sulfur, and the lower layer has a value obtained by dividing the atomic concentration of chlorine at a predetermined measurement point by the atomic concentration of sulfur at the measurement point as C Cl / S.
  • the thickness direction it is preferable to have a distribution in which the C Cl / S decreases in a direction away from the substrate side. As a result, it is possible to further improve the chipping resistance, particularly the peeling resistance and chipping resistance.
  • a surface-coated cutting tool includes a step of forming the coating film including the ⁇ -Al 2 O 3 layer on the base material by a CVD method.
  • the formation of the ⁇ -Al 2 O 3 layer is started by setting the amount of HCl gas to be 6 to 10% by volume, and then the amount is decreased to 0.5 to 6% by volume.
  • the atomic ratio when a compound or the like is represented by a chemical formula, when the atomic ratio is not particularly limited, it should include any conventionally known atomic ratio and should not necessarily be limited to a stoichiometric range.
  • metal elements such as titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), tantalum (Ta), chromium (Cr), nitrogen (N), oxygen (O), carbon (C), etc.
  • the nonmetallic element does not necessarily have to have a stoichiometric composition.
  • the surface-coated cutting tool includes a base material and a film formed on the base material.
  • the coating preferably covers the entire surface of the substrate. However, even if a part of the substrate is not coated with this coating or the configuration of the coating is partially different, it does not depart from the scope of the present invention.
  • Surface coated cutting tools include drills, end mills, drill tip changeable cutting tips, end mill tip replacement cutting tips, milling tip replacement cutting tips, turning tip replacement cutting tips, metal saws, gear cutting tools, It can be suitably used as a cutting tool such as a reamer or a tap.
  • any substrate can be used as long as it is conventionally known as this type of substrate.
  • cemented carbide for example, WC-based cemented carbide, including WC, including Co or containing carbonitride such as Ti, Ta, Nb), cermet (TiC, TiN, TiCN, etc.) Main component
  • high-speed steel ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body or diamond sintered body preferable.
  • cemented carbide especially WC-based cemented carbide
  • cermet particularly TiCN-based cermet
  • These base materials have an excellent balance between hardness and strength at high temperatures, and have excellent properties as base materials for surface-coated cutting tools for the above applications.
  • free carbon and an abnormal layer called ⁇ phase or ⁇ phase may be included in the structure.
  • the base material may have a modified surface.
  • a de- ⁇ layer may be formed on the surface, or in the case of cermet, a surface hardened layer may be formed. Even if the surface of the substrate is modified, the desired effect is exhibited.
  • the base material includes those having a chip breaker and those having no chip breaker.
  • the edge of the cutting edge is sharp edge (the ridge where the rake face and flank face intersect), honing (the sharp edge is given a radius), negative land (the chamfered), and the combination of honing and negative land Any shape may be used.
  • the coating includes an ⁇ -Al 2 O 3 layer.
  • the coating can be composed of a plurality of layers including one or more ⁇ -Al 2 O 3 layers and further including other layers.
  • TiCNO layer TiBN layer, TiC layer, TiN layer, TiAlN layer, TiSiN layer, AlCrN layer, TiAlSiN layer, TiAlNO layer, AlCrSiCN layer, TiCN layer, TiSiC layer, CrSiN layer, AlTiSiCO layer, TiSiCN layer Etc.
  • TiCNO layer TiBN layer, TiC layer, TiN layer, TiAlN layer, TiSiN layer, AlCrN layer, TiAlSiN layer, TiAlNO layer, AlCrSiCN layer, TiCN layer, TiSiC layer, CrSiN layer, AlTiSiCO layer, TiSiCN layer Etc.
  • the thickness of the coating is preferably 5 to 30 ⁇ m. More preferably, it is 10 to 25 ⁇ m. If this thickness is less than 5 ⁇ m, the wear resistance may be insufficient. When this thickness exceeds 30 ⁇ m, when a large stress is applied between the coating and the substrate in the intermittent processing, the coating may be peeled off or broken frequently.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer includes crystal grains of a plurality of ⁇ -Al 2 O 3 (aluminum oxide whose crystal structure is ⁇ -type) and chlorine (Cl).
  • ⁇ -Al 2 O 3 layer contains the ⁇ -Al 2 O 3 of containing crystal grains of a plurality of ⁇ -Al 2 O 3 polycrystal.
  • ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains have a particle size of about 0.1 to 2 ⁇ m.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer is (006) oriented.
  • “(006) orientation” means that each (hkl) reflecting surface (described later in this embodiment) in the XRD data of an ⁇ -Al 2 O 3 layer obtained by analysis using an X-ray diffraction apparatus described later.
  • the orientation index TC (hkl) of (eight reflective surfaces) is compared, it means that the reflective surface showing the highest numerical value is the (006) plane.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer has a TC (006) of more than 5 in the orientation index TC (hkl) represented by the following formula (1).
  • I (hkl) represents the X-ray diffraction intensity of the (hkl) reflecting surface
  • I 0 (hkl) represents the standard intensity according to ICDD PDF card number 00-042 to 1468.
  • n in Formula (1) shows the number of reflection used for calculation, and is 8 in this embodiment.
  • the (hkl) plane used for reflection is (012), (104), (110), (006), (113), (024), (116), and (300).
  • ICDD International Center for Diffraction Data (International Diffraction Data Center).
  • PDF registered trademark
  • the TC (006) of the ⁇ -Al 2 O 3 layer in the present embodiment can be expressed by the following formula (2).
  • TC (006) exceeds 5 in the orientation index TC (hkl) means that the numerical value obtained by the above equation (2) obtained by substituting TC (006) into the above equation (1) exceeds 5. means.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer having a TC (006) of more than 5 is superior in impact and vibration due to severe cutting conditions in hardness and Young's modulus, and can contribute to improvement in wear resistance.
  • TC (006) preferably exceeds 6. As TC (006) is larger, the wear resistance can be effectively improved.
  • the upper limit of TC (006) is not limited, but is 8 or less because there are eight reflecting surfaces used in the calculation.
  • TC (hkl) is, for example, an X-ray diffractometer (trade name: “SmartLab (registered trademark)”, manufactured by Rigaku Corporation, scan speed: 21.7 ° / min, step: 0.01 °, scan range: 15 ⁇ 140 °) can be measured under the following conditions.
  • XRD result the result of TC (hkl) measurement using an X-ray diffractometer is referred to as “XRD result”.
  • Characteristic X-ray Cu-K ⁇ Tube voltage: 45kV Tube current: 200mA
  • Filter Multi-layer mirror
  • X-ray irradiation range A pinhole collimator is used to irradiate a range of 0.3 ⁇ m in diameter.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer preferably has a thickness of 2 to 15 ⁇ m. Thereby, both wear resistance and chipping resistance can be achieved. If the thickness of the ⁇ -Al 2 O 3 layer is less than 2 ⁇ m, there is a possibility that the wear easily proceeds. If this thickness exceeds 15 ⁇ m, the fracture resistance may be reduced.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer includes a lower layer located on the base material side in the thickness direction and an upper layer located on the side opposite to the base material side.
  • the lower layer has a thickness of 1.0 ⁇ m. This lower layer refers to a region of 1 ⁇ m from the substrate side, which is determined for measuring the concentration distribution of Cl described later.
  • the upper layer has a thickness of 0.5 ⁇ m or more. The upper limit of the thickness of the upper layer is 14 ⁇ m.
  • the upper layer has a thickness of 0.5 ⁇ m or more, the portion of the ⁇ -Al 2 O 3 layer opposite to the base material side has a sufficiently low portion of Cl, which will be described later, having a sufficient thickness. Further, Cl does not adversely affect the wear resistance of the ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains. However, if the thickness of the upper layer exceeds 14 ⁇ m, the entire coating including the ⁇ -Al 2 O 3 layer becomes thick. Therefore, when a large stress is applied between the coating and the substrate in intermittent processing, the coating is peeled off. Or destruction may occur frequently.
  • the thickness of the coating, the thickness of the ⁇ -Al 2 O 3 layer, and the thickness of the upper layer of the ⁇ -Al 2 O 3 layer each mean an average thickness. These thicknesses can be measured by the following method using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM).
  • the base material coated with the coating is cut along a plane parallel to the normal line of the rake face of the base material to expose the cross section.
  • the observation cross section is polished by polishing the exposed cross section.
  • the thickness is determined by observing any five locations (5 visual fields) including the coating portion appearing on the observation polished surface at a magnification of 5000 times. Finally, an average value of the values of the five fields of view can be obtained and used as the average thickness of the film.
  • alpha-Al 2 O 3 layer as well as alpha-Al 2 when measuring the thickness of the upper layer of O 3 layer, appeared to observation polished surface alpha-Al 2 O 3 layer portion, as well as alpha-Al 2 O 3 layer
  • the arbitrary five places (5 visual fields) including the upper layer portion of each are observed at a magnification of 5000 times to obtain the thickness.
  • the average value of the five fields of view is obtained, and this can be set as the average thickness of the ⁇ -Al 2 O 3 layer and the upper layer of the ⁇ -Al 2 O 3 layer, respectively.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer is a region whose lower layer is 1 ⁇ m from the substrate side, and the remaining thickness of the ⁇ -Al 2 O 3 layer excluding the lower layer is calculated as the thickness of the upper layer. It is.
  • a conventionally well-known method can be used about grinding
  • a smooth polished polishing surface can be obtained by performing ion milling using argon ions on the cross section of the substrate.
  • the conditions for the ion milling treatment with Ar ions are, for example, as follows. Accelerating voltage: 6kV Irradiation angle: 0-5 ° from the normal of the rake face of the substrate Irradiation time: 6 hours.
  • the smoothened polished surface for observation may be analyzed using FE-SEM.
  • Chlorine contained in the ⁇ -Al 2 O 3 layer (hereinafter sometimes referred to as the element symbol “Cl”) is a concentration distribution in which the atomic concentration decreases in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer.
  • the element symbol “Cl” is a concentration distribution in which the atomic concentration decreases in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer.
  • the “concentration distribution in which the atomic concentration decreases in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer” of chlorine refers to the direction in which the atomic concentration of chlorine moves away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer. It means that it is sufficient to include a decreasing part.
  • the point that touches the interface with the base material in the lower layer is the X point
  • the X point is the point in contact with the interface with the adjacent layer on the side opposite to the substrate side of the layer.
  • the Y point if the atomic concentration of Cl at these points is measured, the atomic concentration of Cl at the X point is always greater than the Y point. It means that it has a concentration distribution which becomes the atomic concentration of Cl.
  • the atomic concentration of chlorine includes a portion that decreases in the direction away from the substrate side, and the atomic concentration of Cl at the X point> the atomic concentration of Cl at the Y point, the Cl atoms in the direction away from the substrate side There may be a portion where the concentration is constant. Furthermore, there may be a portion where the atomic concentration increases in the direction away from the substrate side, or there may be a portion not containing Cl.
  • the maximum atomic concentration of chlorine in the lower layer is preferably less than 0.3 atomic%. More preferably, it is 0.02 to 0.2 atomic%.
  • the lower limit of the maximum atomic concentration in the lower layer is 0.01 atomic%.
  • the maximum atomic concentration of chlorine in the upper layer is less than 0.05 atomic%. More preferably, it is 0 to 0.04 atomic%.
  • the lower limit of the maximum atomic concentration in the upper layer is 0 atomic%. If the maximum atomic concentration in the upper layer of chlorine is 0.05 atomic% or more, the wear resistance of the coating film may be lowered due to the chlorine concentration being too high.
  • C Clmax-1 the maximum atomic concentration of chlorine in the lower layer, when the maximum atomic concentration of chlorine in the upper layer was C Clmax-2, satisfying the relationship C ClMAX-1 ⁇ 2C ClMAX- 2 It is preferable. Thereby, it is possible to obtain better effects of providing excellent wear resistance and preventing film defects such as peeling and chipping. More preferably, the relationship between C ClMAX-1 and C ClMAX-2 satisfies C ClMAX-1 ⁇ 3C ClMAX-2 .
  • C ClMAX-1 ⁇ 2C ClMAX-2 the chlorine concentration approaches to be equivalent in the lower layer and the upper layer, so the effect of achieving both excellent wear resistance and fracture resistance is ineffective. There is a tendency to be sufficient. If the relationship CClMAX-1 > 10CClMAX-2 is satisfied, the difference in chlorine concentration tends to be too large between the lower layer and the upper layer, and the fracture resistance tends to be insufficient.
  • the above - mentioned C ClMAX-1 is reduced from the interface between the lower layer and the base material or from the interface between the lower layer and the layer adjacent to the base material side of the lower layer (such as a TiCN layer or a TiCNO layer). It preferably appears in the region up to 5 ⁇ m.
  • the minimum atomic concentration of chlorine in the lower layer is C ClMIN-1
  • this C ClMIN-1 is 0.5 ⁇ m from the interface between the lower layer and the adjacent layer on the side opposite to the substrate side in the thickness direction. It is preferable that it appears in the region.
  • C ClMAX-1 is preferably 0.1 to 0.3 atomic%
  • C ClMIN-1 is preferably 0.01 to 0.05 atomic%.
  • the difference between C ClMAX-1 and C ClMIN-1 is more preferably 0.5 atomic% or more. This difference may be within 2 atomic%. If the difference between C ClMAX-1 and C ClMIN-1 exceeds 2 atomic%, the fracture resistance may be insufficient. Since the Cl concentration distribution as described above provides excellent adhesion between the coating and the substrate, the fracture resistance of the tool can be dramatically improved.
  • the atomic concentration of Cl contained in the lower layer and the upper layer of the ⁇ -Al 2 O 3 layer is expressed in atomic%.
  • the atomic concentration of Cl is the atomic composition percentage [Cl / (all element types) with the total number of atoms of all element types contained in the ⁇ -Al 2 O 3 layer as the denominator and the number of Cl atoms as molecules. ) ⁇ 100].
  • the element species contained in the ⁇ -Al 2 O 3 layer is Al, O, C, Cl, Ti, S
  • the atomic concentration of Cl is the number of Al atoms, the number of O atoms, the number of C atoms.
  • the atomic composition percentage [Cl / (Al + O + C + Cl + Ti + S) ⁇ 100] with the total of the number of Cl atoms, the number of Ti atoms and the number of S atoms as the denominator and the number of Cl atoms as the numerator can be expressed.
  • the atomic concentration of Cl is determined by an energy dispersive X-ray analyzer (EDS: Energy) attached with FE-SEM to the observation polished surface used for measuring the average thickness of the ⁇ -Al 2 O 3 layer. It can be measured by analyzing using Dispersive X-ray Spectroscopy).
  • EDS energy dispersive X-ray analyzer
  • the atomic concentration of Cl can be measured by EDS (trade name (model number): “SU6600”, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) with FE-SEM.
  • the acceleration voltage of the FE-SEM is set to 15 kV.
  • the number of frames is set to 150 and the selected atoms are set to C, O, Al, S, Cl, and Ti, respectively.
  • FIG. 1 from the interface portion (TiCNO layer 3) of the ⁇ -Al 2 O 3 layer 1 to the base layer (TiCN layer 2) toward the surface of the coating, at a predetermined interval in the thickness direction.
  • the atomic composition percentage described above is obtained. Based on the above, the atomic concentration of Cl can be specified.
  • FIG. 1 shows measurement points 4 in the ⁇ -Al 2 O 3 layer 1 set for measuring the atomic concentration of Cl and the atomic concentration of S described later using EDS, superimposed on a micrograph.
  • a TiCN layer 2 is formed on a substrate (not shown), a TiCNO layer 3 is laminated on the TiCN layer 2, and an ⁇ -Al 2 O 3 layer 1 is formed on the TiCNO layer 3 as a coating.
  • a TiCN layer 2 is formed on a substrate (not shown)
  • a TiCNO layer 3 is laminated on the TiCN layer 2
  • an ⁇ -Al 2 O 3 layer 1 is formed on the TiCNO layer 3 as a coating.
  • Measurement points 4 were set. Thereby, at each measurement point from the first measurement point 41 to the fifth measurement point 45, the atomic concentration of Cl and the atomic concentration of S described later were calculated.
  • FIG. 1 shows only the measurement point 4 set in the lower layer.
  • the measurement points described above are plural (at least 5 points) at equal intervals so that the atomic concentration of Cl and the atomic concentration of S described later can be measured from the base material side interface to the coating surface side interface in the thickness direction of the lower layer portion. ) It is preferable to set.
  • the maximum atomic concentration of Cl in the lower layer can be calculated by obtaining the maximum value of the atomic concentration of Cl calculated at each of the measurement points described above.
  • the maximum atomic concentration of Cl in the upper layer can be calculated in the same manner as in the lower layer.
  • the lower layer preferably contains sulfur (hereinafter sometimes referred to as an element symbol “S”).
  • S sulfur
  • Lower layer when the addition value obtained by combining the atomic concentration of sulfur atom concentration of chlorine and surveying a fixed point at a predetermined measurement point and the C cls, in its thickness direction, is C cls away from the substrate side Preferably it has a decreasing distribution.
  • the lower layer when the value obtained by dividing the atomic concentration of sulfur surveying a fixed point the atomic concentration of chlorine was C Cl / S at a predetermined measuring point, in the thickness direction, C Cl in a direction away from the substrate side It is preferable to have a distribution in which / S decreases.
  • the value of C Cl / S is assumed to be 50. It is further preferable that the distribution of C Cl / S does not increase consistently in the direction away from the substrate side but decreases monotonously.
  • the surface-coated cutting tool according to the present embodiment has excellent wear resistance by having the above-described relationship between chlorine and sulfur in the lower layer, and has an effect of preventing film loss such as peeling and chipping. It can be improved dramatically.
  • “distribution in which C ClS decreases in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer” includes a portion in which the value of C ClS decreases in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer. It means that it should have been.
  • the point of contact with the interface with the base material in the lower layer if there is a layer adjacent to the base material side of the lower layer (TiCN layer, TiCNO layer, etc.) is the T point,
  • the value of C ClS at these points is always the value of C ClS at the T point> C at the U point. It has a distribution of ClS values.
  • the value of C cls is included the portion decreases in a direction away from the substrate side, and as long as the value of C cls value> U point C cls the T point, the value of C cls in a direction away from the substrate side There may be a portion where becomes constant. Furthermore, there may be a portion where the value of C ClS increases in the direction away from the substrate side.
  • C value of Cl / S is included the portion decreases in a direction away from the substrate side, and as long as the values of the C Cl / S values> U point C Cl / S of T point, the substrate side There may be a portion where the value of C Cl / S is constant in the direction away from the substrate, and there may be a portion where the value of C Cl / S increases in the direction away from the substrate side.
  • the distribution of C Cl / S has a distribution that always decreases in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer. In that case, the distribution of C Cl / S has a portion which the value of C Cl / S in a direction away from the substrate side is the value of C Cl / S in a direction away from the portion and the substrate side becomes constant increases Not.
  • C ClS and C Cl / S will be described from the viewpoint of the concentration distribution of sulfur. That is, for example, sulfur contained in the lower layer may or may not have a constant atomic concentration in a direction away from the substrate in the thickness direction.
  • the atomic concentration of sulfur is not constant, for example, it decreases when the atomic concentration of Cl decreases in the direction away from the substrate side, and increases when the atomic concentration of Cl increases. It is preferable to have a distribution that increases or decreases.
  • the increase / decrease width of the sulfur atomic concentration is preferably smaller than the increase / decrease width of the Cl atomic concentration.
  • the atomic concentration of S contained in the lower layer is expressed in atomic% similarly to the atomic concentration of Cl. Therefore, the atomic concentration of S is the atomic composition percentage [S / (all element species) ⁇ 100 with the total number of atoms of all element species contained in the ⁇ -Al 2 O 3 layer as the denominator and the number of S atoms as the molecule. ].
  • the atomic concentration of S can be expressed by [S / (Al + O + C + Cl + Ti + S) ⁇ 100].
  • the atomic concentration of S can also be measured by the same method as the measuring method of the atomic concentration of Cl. Accordingly, by specifying the atomic concentration of S and the atomic concentration of Cl at each predetermined measurement point (for example, the first measurement point 41 to the fifth measurement point 45 in FIG. 1), the values of C ClS and C Cl / S are determined. Will also be determined.
  • the grain size of ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains in the ⁇ -Al 2 O 3 layer can be measured using the above-described observation polished surface. Specifically, the surface of the ⁇ -Al 2 O 3 layer appearing on the polishing surface for observation (if there is a layer adjacent to the side opposite to the substrate side of the Al 2 O 3 layer, A part 0.5 ⁇ m away from the interface) to the substrate side of the ⁇ -Al 2 O 3 layer is observed with a FE-SEM at a magnification of 5000 times.
  • the grain size of the ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains can be measured from the microscopic image using the intercept method.
  • the intercept method used in the present embodiment is a method of calculating the particle diameter by counting the number of particles crossing a specific width and dividing the width by the number of particles.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer is measured parallel to the interface with the adjacent layer on the surface or on the side opposite to the substrate side and located at a depth of 0.5 ⁇ m from the surface or the interface.
  • ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains having a grain size of 0.2 to 2 ⁇ m occupy 20 to 80 area%. If the grain size of ⁇ -Al 2 O 3 occupying 20 to 80 area% on this measurement surface is less than 0.2 ⁇ m, the fracture resistance may be lowered. If this particle diameter exceeds 2 ⁇ m, the wear resistance may be reduced.
  • the upper limit of the grain size of ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains is preferably 1.85 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the particle size is 0.2 ⁇ m, which is a preferable value as long as it is not less than 0.2 ⁇ m.
  • the wear resistance and the fracture resistance can be improved.
  • the proportion of ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains having a grain size of 0.2 to 2 ⁇ m on the measurement surface is less than 20 area% or 80 area% or more, the chipping resistance and It is impossible to achieve both wear characteristics.
  • a more preferable ratio of ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains having a grain size of 0.2 to 2 ⁇ m is 50 to 70 area%.
  • the coating can include other layers in addition to the ⁇ -Al 2 O 3 layer.
  • examples of such other layers include a TiCN layer. Since this TiCN layer is excellent in wear resistance, it is possible to impart suitable wear resistance to the coating.
  • the TiCN layer is particularly preferably formed by MT-CVD (medium temperature CVD).
  • the MT-CVD method can form a film at a relatively low temperature among the CVD methods of about 800 to 1000 ° C., and can reduce damage to the substrate due to heating during film formation.
  • the TiCN layer can be disposed, for example, between the ⁇ -Al 2 O 3 layer and the base material (intermediate layer described later).
  • the coating can include an outermost surface layer, an intermediate layer, and the like, which will be described later, as other layers.
  • the coating may have an outermost surface layer mainly composed of Ti carbide, nitride or boride on the surface thereof.
  • the outermost surface layer is a layer disposed on the most surface side in the coating. However, it may not be formed in the region including the edge of the cutting edge. For example, when no other layer is formed on the ⁇ -Al 2 O 3 layer, the outermost surface layer is disposed directly on the ⁇ -Al 2 O 3 layer.
  • the main component is any one of Ti carbide, nitride, and boride” means that 90% by mass or more of any of Ti carbide, nitride, and boride is included. Furthermore, it means that it consists of any one of Ti carbide, nitride and boride except for inevitable impurities.
  • the corner identification (identification of the used part) of the cutting tip after cutting is facilitated by the effect of exhibiting a clear color.
  • the outermost layer preferably has an average thickness of 0.05 to 1 ⁇ m.
  • the upper limit of the average thickness of the outermost surface layer is preferably 0.8 ⁇ m, more preferably 0.6 ⁇ m.
  • the lower limit of this average thickness is preferably 0.1 ⁇ m, more preferably 0.2 ⁇ m. If this average thickness is less than 0.05 ⁇ m, the chipping resistance may not be sufficiently obtained. If this average thickness exceeds 1 ⁇ m, the adhesion with the layer adjacent to the outermost surface layer may be reduced.
  • the coating preferably has an intermediate layer between the ⁇ -Al 2 O 3 layer and the substrate.
  • the intermediate layer include a TiN layer, a TiCN layer, a TiCNO layer, and a TiBN layer.
  • the intermediate layer is disposed between the ⁇ -Al 2 O 3 layer, the ⁇ -Al 2 O 3 layer, and the base material, whereby the adhesion of the ⁇ -Al 2 O 3 layer in the coating can be improved.
  • the intermediate layer can be formed by a known method.
  • the average thickness of the TiCN layer and the TiBN layer is preferably 2 to 20 ⁇ m. If the average thickness is less than 2 ⁇ m, the wear may easily proceed. If this average thickness exceeds 20 ⁇ m, the chipping resistance may be lowered.
  • the TiN layer preferably has an average thickness of 0.3 to 1 ⁇ m. With a thickness in this range, the adhesion of the ⁇ -Al 2 O 3 layer in the coating can be further enhanced.
  • the TiN layer is more preferably 0.4 to 0.8 ⁇ m.
  • the thickness of an intermediate layer such as a TiN layer, a TiCN layer, a TiCNO layer, or a TiBN layer can be measured by the same method as that used for measuring the thickness of the ⁇ -Al 2 O 3 layer.
  • the surface-coated cutting tool according to the present embodiment has excellent wear resistance, and can prevent the film from being lost such as peeling and chipping, thereby achieving a long life.
  • the method for manufacturing a surface-coated cutting tool includes a step of forming a coating film containing an ⁇ -Al 2 O 3 layer on a base material by a CVD method.
  • the formation of the ⁇ -Al 2 O 3 layer is started by setting the amount of HCl gas contained in the raw material gas to 6 to 10% by volume, and then the amount is reduced to 0.5 to 6% by volume.
  • the surface-coated cutting tool can be preferably manufactured by forming a film on a substrate by a chemical vapor deposition (CVD) method.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the film forming temperature is 800 to 1200 ° C., which is higher than the physical vapor deposition method, and the adhesion to the substrate is improved.
  • other layers other than the ⁇ -Al 2 O 3 layer are formed, these layers can be formed by a conventionally known method.
  • the thickness of the ⁇ -Al 2 O 3 layer and other layers can be adjusted by appropriately adjusting the film formation time (the film formation speed of each layer is about 0.5 to 2.0 ⁇ m / hour). .
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer can be formed by the following method using a CVD method.
  • a TiCN layer is formed on the substrate by a known method with or without another layer, and a TiCNO layer is formed on the surface of the TiCN layer. Further, the surface of the TiCNO layer is oxidized to nucleate ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains. Subsequently, an ⁇ -Al 2 O 3 crystal is grown to form an ⁇ -Al 2 O 3 layer, and a lower layer and an upper layer of the ⁇ -Al 2 O 3 layer are formed.
  • the blending amount of HCl gas blended in the raw material gas is started at 6 to 10% by volume, and then the blending amount is 0.5 to 6%. Reduce to volume percent.
  • the blending amount of the HCl gas blended in the raw material gas may be constant at 0.5 to 6% by volume.
  • the compounding amount of each composition gas other than HCl gas of the raw material gas is 1.3 to 2.5% by volume for AlCl 3 , 1 to 5% by volume for CO, 0.4 to 3% by volume for CO 2 , H 2 S Is 0.4 to 3% by volume, and the balance is H 2 .
  • the variation amount of the HCl gas may be adjusted by adjusting the amount of H 2 gas occupying the remainder of the raw material gas.
  • the compounding quantity of other gas, the furnace temperature of a CVD apparatus, and the furnace pressure can be made unchanged.
  • the furnace temperature of the CVD apparatus is 970 to 1020 ° C.
  • the furnace pressure is 70 to 110 hPa.
  • the surface of the TiCNO layer is oxidized by CO and CO 2 in the composition of the source gas.
  • the variation in the amount of HCl gas added when the lower layer of the ⁇ -Al 2 O 3 layer is formed will be described.
  • the amount of HCl gas in the starting material gas is 6 to 10% by volume.
  • it is 8 to 10% by volume.
  • the blending amount is lowered to 0.5 to 6% by volume, and then the formation of the lower layer is completed.
  • the blending amount is preferably lowered to 0.5 to 4% by volume.
  • the variation in the amount of HCl gas may take a form in which the amount is continuously reduced over time, or may be in a stepwise (multi-stage) manner in which the amount is reduced at regular intervals.
  • the blending amount may be decreased instantaneously (rapidly) from 0.5% to 6% by volume.
  • an ⁇ -Al 2 O 3 layer having a concentration distribution in which the atomic concentration of Cl decreases in the thickness direction away from the substrate side can be formed.
  • the time required to reduce the compounding amount of HCl gas from 6 to 10% by volume to 0.5 to 6% by volume is appropriately determined according to the ⁇ -Al 2 O 3 layer to be formed and the thickness of the lower layer. Adjust it.
  • the amount of HCl gas contained in the raw material gas for forming the ⁇ -Al 2 O 3 layer was about 0.5 to 2% by volume during the formation start the ⁇ -Al 2 O 3 layer. This is because it was considered that a low Cl component was preferable for nucleation of ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer formed under these conditions has insufficient adhesion, and there is room for improvement in chipping resistance and chipping resistance.
  • the blending amount of HCl gas is about 5 to 8% by volume, which is more blending amount than the present embodiment. Tended to be more.
  • the amount of HCl gas added is large, a large amount of Cl impurities are contained in the ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains or in the crystal grain boundaries, leading to a decrease in wear resistance.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer is formed under the above-described conditions for these problems, and includes a lower layer having a concentration distribution in which the Cl atomic concentration decreases in the direction away from the substrate side in the thickness direction. Therefore, it has become possible to achieve a long service life by providing excellent wear resistance and preventing film loss such as peeling and chipping.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer by varying the amount of H 2 S gas contained in the source gas in addition to the variation of the HCl gas described above.
  • the variation form of the H 2 S gas content is the same as the variation of the HCl gas, for example. Specifically, when the amount of HCl gas is continuously reduced, the amount of H 2 S gas is also continuously reduced. When the amount of HCl gas decreases stepwise, the amount of H 2 S gas is also decreased stepwise. Or if the amount of the HCl gas is reduced momentarily (descent), the amount of H 2 S gas also reduces instantaneously.
  • the decreasing rate of the H 2 S gas content is set smaller than the decreasing rate of the HCl gas content.
  • both C Cl / S and C Cl / S have a distribution that decreases in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer. Therefore, it is possible to manufacture a surface-coated cutting tool that has excellent wear resistance and can further prevent coating loss such as peeling and chipping.
  • Example 1 Preparation of substrate>
  • the base material which consists of the cemented carbide base material (made by Sumitomo Electric Industries) which has the shape of CNMG120408 prescribed
  • the prepared substrates were classified into 8 groups named Samples A1 to A8. There are four substrates in one group. These substrates have a composition comprising 90.0 wt% WC, 5.0 wt% Co, 1.0% TaC, 2.0 wt% NbC, and 2.0 wt% TiC. .
  • samples A1 to A6 are examples
  • samples A7 to A8 are comparative examples.
  • the coating was formed so as to be a 0.3 ⁇ m TiN layer, an 8 ⁇ m TiCN layer, a 0.3 ⁇ m TiCNO layer, and a 6 ⁇ m ⁇ -Al 2 O 3 layer in this order from the substrate side.
  • Table 2 shows the layer structures and thicknesses ( ⁇ m) of Samples A1 to A8. Table 2 also shows the thickness ( ⁇ m) of the upper layer of the ⁇ -Al 2 O 3 layer.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer oxidizes the surface of the TiCNO layer formed on the surface of the TiCN layer by CVD to nucleate ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains, and then continues to ⁇ -Al 2 O 3 The crystal grains were grown and formed.
  • Table 3 shows the blending amount of each component of the raw material gas for forming the ⁇ -Al 2 O 3 layer, the variation of the blending amount of the HCl gas, and the variation form.
  • stepped means a form in which the amount of HCl gas is lowered stepwise at regular intervals
  • continuous means the passage of time.
  • it refers to a form in which the amount of HCl gas is continuously reduced
  • suffi drop refers to a form in which the amount of HCl gas is instantaneously reduced from 10% to 4 or 6% by volume.
  • the amount of HCl gas is constant.
  • Example 1 ⁇ Content of the test>
  • four surface-coated cutting tools are manufactured for each of the samples A1 to A8.
  • the flank face was irradiated with X-rays on the first of the four tools, and the TC (006) of the ⁇ -Al 2 O 3 layer was measured using the X-ray diffraction method under the conditions described above.
  • the atomic concentration of Cl and the atomic concentration of S in the ⁇ -Al 2 O 3 layer were measured using EDS by the measurement method described above.
  • the wear resistance was evaluated for the third piece, and the fracture resistance was evaluated for the fourth piece.
  • the atomic concentration of Cl and the atomic concentration of S in the lower layer of the ⁇ -Al 2 O 3 layer were measured at equal intervals in the thickness direction. Specifically, because of its thickness from the interface 1.0 ⁇ m of the TiCNO layer lower portion is adjacent to the substrate side of the ⁇ -Al 2 O 3 layer, the substrate of ⁇ -Al 2 O 3 layer in the coating section Measurement points (first measurement point to fifth measurement point) were set every 0.2 ⁇ m from the point in contact with the interface with the adjacent TiCNO layer to the coating surface side. Thereby, the atomic concentration of Cl and the atomic concentration of S in the lower layer were calculated (see FIG. 1).
  • the evaluation methods for wear resistance and fracture resistance are as follows.
  • Table 4 the TC (006) of the ⁇ -Al 2 O 3 layer for samples A1 to A8, the atomic concentration of Cl at each measurement point, the maximum atomic concentration of Cl at the lower layer and the upper layer, and at each measurement point The atomic concentration of S is shown.
  • Table 5 the added value C ClS and the numerical value C Cl / S at each measurement point for the samples A1 to A8, and the evaluation of wear resistance and fracture resistance are shown together with the performance rank.
  • the above-mentioned surface-coated cutting tool is set on an NC lathe and the cutting of the above-mentioned work material is started.
  • the time until the maximum width of the exposed portion of the material exceeded 0.1 mm was evaluated. It can be evaluated that the longer this time is, the better the wear resistance is.
  • each of the above surface-coated cutting tools was set on an NC lathe, the work material was cut for 5 minutes under the above conditions, and the chipping state at that time was compared visually. did.
  • the time to that point was evaluated. It can be evaluated that the chipping state after cutting for 5 minutes remains in wear (normal wear), and that chipping or chipping is not observed, the chip is excellent in chipping resistance. Furthermore, it can be evaluated that the longer the time until chipping or chipping is, the better the chipping resistance.
  • the performance rank indicated by symbol A or the like is defined as follows.
  • B Excellent wear resistance and fracture resistance (time (min) until the maximum width of the exposed portion of the substrate exceeds 0.1 mm is more than 10 minutes and 15 minutes or less, and the fracture resistance is The condition is normal wear or wear disturbance due to minute chipping)
  • C Insufficient wear resistance or fracture resistance (at least the time (minutes) until the maximum width of the exposed portion of the substrate exceeds 0.1 mm is 10 minutes or less, or the fracture resistance is The state is chipping or chipping (including the case where cutting cannot be continued and the time is indicated).
  • the maximum atomic concentration in the lower layer of chlorine is less than 0.3 atomic%
  • the maximum atomic concentration in the upper layer is less than 0.05 atomic%
  • the maximum atomic concentration of chlorine in the lower layer is C ClMAX- 1.
  • the wear resistance of samples A1 to A3 satisfying at least one of the requirements of satisfying the relationship of C ClMAX-1 ⁇ 2C ClMAX-2 was even better.
  • C ClS had a distribution that decreased in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer.
  • C Cl / S also had a distribution that decreased in the direction away from the substrate side in the thickness direction of the lower layer.
  • Example 2 >> ⁇ Preparation of substrate> A base material made of a cemented carbide base material (manufactured by Sumitomo Electric Industries) having the same composition and the same shape (CNMG120408) as in Example 1 was prepared. The prepared substrates were classified into 8 groups named Samples B1 to B8. There are four substrates in one group. As will be described later, samples B1 to B6 are examples, and samples B7 to B8 are comparative examples.
  • the coating was formed so as to be a 0.3 ⁇ m TiN layer, an 8 ⁇ m TiCN layer, a 0.3 ⁇ m TiCNO layer, and a 10 ⁇ m ⁇ -Al 2 O 3 layer in this order from the substrate side.
  • Table 6 shows the layer structures and thicknesses ( ⁇ m) of Samples B1 to B8. Table 6 also shows the thickness ( ⁇ m) of the upper layer of the ⁇ -Al 2 O 3 layer.
  • the ⁇ -Al 2 O 3 layer oxidizes the surface of the TiCNO layer formed on the surface of the TiCN layer by CVD to nucleate ⁇ -Al 2 O 3 crystal grains, and then continues to ⁇ -Al 2 O 3 The crystal grains were grown and formed.
  • Table 7 shows the blending amount of each component of the raw material gas for forming the ⁇ -Al 2 O 3 layer, the variation amount of the blending amount of the HCl gas, and the variation form thereof.
  • Example 2 includes an example in which the blending amount of the H 2 S gas contained in the raw material gas is also varied along with the above-described variation of the HCl gas.
  • the amount of change in the blending amount of H 2 S gas is shown in Table 7.
  • the amount of HCl gas contained in the source gas is lowered in three steps (stepped) like the sample B1, while the amount of H 2 S gas contained in the source gas is reduced.
  • the amount of H 2 S gas contained in the source gas was reduced.
  • the blending amount of 0.5% by volume is started and the blending amount is increased in three stages (stepped), specifically, H 2 S in the order of 0.7% by volume, 0.8% by volume, and 1% by volume. After increasing the amount of gas, the formation of the lower layer was completed.
  • Example 2 ⁇ Content of the test>
  • four surface-coated cutting tools are produced for each of the samples B1 to B8.
  • the flank face was irradiated with X-rays on the first of the four tools, and the TC (006) of the ⁇ -Al 2 O 3 layer was measured using the X-ray diffraction method under the conditions described above.
  • the atomic concentration of Cl and the atomic concentration of S in the ⁇ -Al 2 O 3 layer were measured using EDS by the measurement method described above.
  • the wear resistance was evaluated for the third piece, and the fracture resistance was evaluated for the fourth piece.
  • the atomic concentration of Cl and the atomic concentration of S in the lower layer of the ⁇ -Al 2 O 3 layer were measured at equal intervals in the thickness direction. Specifically, because of its thickness from the interface 1.0 ⁇ m of the TiCNO layer lower portion is adjacent to the substrate side of the ⁇ -Al 2 O 3 layer, the substrate of ⁇ -Al 2 O 3 layer in the coating section Measurement points (first measurement point to fifth measurement point) were set every 0.2 ⁇ m from the point in contact with the interface with the adjacent TiCNO layer to the coating surface side. Thereby, the atomic concentration of Cl and the atomic concentration of S in the lower layer were calculated (see FIG. 1).
  • Example 1 The methods for evaluating wear resistance, chipping resistance and performance rank are the same as those in Example 1.
  • Table 8 TC of the ⁇ -Al 2 O 3 layer for samples B1 to B8 (006), the atomic concentration of Cl at each measurement point, the maximum atomic concentration of Cl at the lower layer and the upper layer, and at each measurement point The atomic concentration of S is shown. Further, in Table 9, the added value C ClS and the numerical value C Cl / S at each measurement point regarding the samples B1 to B8, and the evaluation of wear resistance and fracture resistance are shown together with the performance rank.
  • the maximum atomic concentration in the lower layer of chlorine is less than 0.3 atomic%
  • the maximum atomic concentration in the upper layer is less than 0.05 atomic%
  • the maximum atomic concentration of chlorine in the lower layer is C ClMAX- 1.
  • the maximum atomic concentration of chlorine in the upper layer is C ClMAX-2
  • samples B1, B2, and B3 satisfying at least one of the requirements of satisfying the relationship of C ClMAX-1 ⁇ 2C ClMAX-2
  • the abrasion resistance and fracture resistance evaluation was further excellent.
  • the sample has a distribution in which C ClS decreases in the direction away from the substrate side and the distribution in which C Cl / S decreases in the direction away from the substrate side.
  • B2 and B3 were found to have much more excellent wear resistance and fracture resistance than the sample B1.

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Abstract

表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備え、前記被膜は、α－Ａｌ2Ｏ3層を含み、前記α－Ａｌ2Ｏ3層は、複数のα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒と塩素とを含み、かつ配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）が５を超え、前記α－Ａｌ2Ｏ3層は、その厚み方向において基材側に位置する下部層と、前記基材側と反対側に位置する上部層とを含み、前記下部層は、１．０μｍの厚みを有し、前記上部層は、０．５μｍ以上の厚みを有し、前記塩素は、前記下部層の厚み方向において、前記基材側から遠ざかる方向にその原子濃度ＣClが減少する濃度分布を有する。

Description

表面被覆切削工具およびその製造方法
　本発明は、表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。本出願は、２０１６年８月２４日に出願した日本特許出願である特願２０１６－１６３６２８号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載されたすべての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
　従来から、基材上に被膜を形成した表面被覆切削工具が用いられている。最近、Ａｌ2Ｏ3の結晶配向性を変化させることによって被膜の膜質改良を図るなど、表面被覆切削工具の性能向上を狙った様々な技術が提案されている。たとえば、特開２０１５－００９３５８号公報（特許文献１）では、基材上の被膜に含まれるα－Ａｌ2Ｏ3層の配向性を制御し、配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００１２）が５を超え、かつロッキングカーブピークの半値幅を３０°以下とすることにより、耐摩耗性の向上、特に耐クレーター摩耗性を向上させた表面被覆切削工具が提案されている。
　欧州特許出願公開第２５７０５１０号明細書（特許文献２）では、超硬合金からなる基材上に、（００１２）集合組織を有し、かつ硫黄を１００ｐｐｍ以上含むα－Ａｌ2Ｏ3層を備えることにより、耐摩耗性を向上させた切削工具が提案されている。特開２０１３－１１１７２２号公報（特許文献３）では、（０００１）配向であるα－Ａｌ2Ｏ3層のうち基材側の層の配向性を下げることにより、α－Ａｌ2Ｏ3層と、このα－Ａｌ2Ｏ3層と基材との間に配置される層との密着力を高めた表面被覆切削工具が提案されている。
特開２０１５－００９３５８号公報 欧州特許出願公開第２５７０５１０号明細書 特開２０１３－１１１７２２号公報
　本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備えた表面被覆切削工具であって、前記被膜は、α－Ａｌ2Ｏ3層を含み、前記α－Ａｌ2Ｏ3層は、複数のα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒と塩素とを含み、かつ配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）が５を超え、前記α－Ａｌ2Ｏ3層は、その厚み方向において基材側に位置する下部層と、前記基材側と反対側に位置する上部層とを含み、前記下部層は、１．０μｍの厚みを有し、前記上部層は、０．５μｍ以上の厚みを有し、前記塩素は、前記下部層の厚み方向において、前記基材側から遠ざかる方向に原子濃度が減少する濃度分布を有する。
　さらに、本発明の一態様に係る表面被覆切削工具の製造方法は、前記基材上にＣＶＤ法で前記α－Ａｌ2Ｏ3層を含む前記被膜を形成する工程を含み、前記工程において、原料ガスに含まれるＨＣｌガスの配合量を６～１０体積％として前記α－Ａｌ2Ｏ3層の形成を開始し、その後前記配合量を０．５～６体積％まで下げる。
図１は、ＥＤＳを用いて塩素（Ｃｌ）および硫黄（Ｓ）の原子濃度を測定するために設定したα－Ａｌ2Ｏ3層内の測定点を顕微鏡写真に重ねて示した図面代用写真である。
　［本開示が解決しようとする課題］
　しかしながら、上記特許文献１の表面被覆切削工具は、靱性および耐剥離性などの性能において改善の余地があった。上記特許文献２の切削工具は、耐チッピング性が不十分であった。上記特許文献３の表面被覆切削工具は、基材側の層の配向性を下げたことにより耐摩耗性が不十分となった。
　本発明は、上記実情に鑑みてなされ、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防いで、長寿命化を達成可能な表面被覆切削工具およびその製造方法を提供することを目的とする。
　［本開示の効果］
　上記によれば、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防いで、長寿命化を達成することができる表面被覆切削工具が提供される。
　［本発明の実施形態の説明］
　本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ね、本発明に到達した。α－Ａｌ2Ｏ3層の核生成時および結晶成長時において原料ガス中のＨＣｌの配合量を制御することにより、その厚み方向に塩素の濃度分布を持たせた。具体的には、α－Ａｌ2Ｏ3層の厚み方向において、基材側から遠ざかる方向に減少していく塩素の濃度分布を持たせた。これにより、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防ぐことができる表面被覆切削工具が達成されることを見出した。
　以下、まず最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
　［１］本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備えた表面被覆切削工具であって、上記被膜は、α－Ａｌ2Ｏ3層を含み、上記α－Ａｌ2Ｏ3層は、複数のα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒と塩素とを含み、かつ配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）が５を超え、上記α－Ａｌ2Ｏ3層は、その厚み方向において基材側に位置する下部層と、上記基材側と反対側に位置する上部層とを含み、上記下部層は、１．０μｍの厚みを有し、上記上部層は、０．５μｍ以上の厚みを有し、上記塩素は、上記下部層の厚み方向において、上記基材側から遠ざかる方向に原子濃度が減少する濃度分布を有する。このような構成の表面被覆切削工具は、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防いで、長寿命化を達成することができる。
　［２］上記塩素は、上記下部層における最大原子濃度が０．３原子％未満であることが好ましい。これにより、表面被覆切削工具の耐欠損性の向上、特に耐剥離性および耐チッピング性を向上させることができる。
　［３］上記塩素は、上記上部層における最大原子濃度が０．０５原子％未満であることが好ましい。これにより、表面被覆切削工具の耐摩耗性を向上させることができる。
　［４］上記表面被覆切削工具は、上記下部層における上記塩素の最大原子濃度をＣClMAX-1、上記上部層における上記塩素の最大原子濃度をＣClMAX-2としたとき、ＣClMAX-1≧２ＣClMAX-2の関係を満たすことが好ましい。これにより、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防ぐ効果をよりよく得ることができる。
　［５］上記ＴＣ（００６）は、６を超えることがより好ましい。これにより、表面被覆切削工具の耐摩耗性をより効果的に向上させることができる。
　［６］上記下部層は、硫黄を含み、上記下部層は、所定の測定点における上記塩素の原子濃度と上記測定点の上記硫黄の原子濃度とを合わせた加算値をＣClSとしたとき、その厚み方向において、上記基材側から遠ざかる方向に上記ＣClSが減少する分布を有することが好ましい。これにより、耐欠損性の向上、特に耐剥離性および耐チッピングをより向上させることができる。
　［７］上記下部層は、硫黄を含み、上記下部層は、所定の測定点における上記塩素の原子濃度を上記測定点の上記硫黄の原子濃度で除した数値をＣCl/Sとしたとき、その厚み方向において、上記基材側から遠ざかる方向に上記ＣCl/Sが減少する分布を有することが好ましい。これにより、耐欠損性の向上、特に耐剥離性および耐チッピングをさらに向上させることができる。
　［８］本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、上記基材上にＣＶＤ法で上記α－Ａｌ2Ｏ3層を含む上記被膜を形成する工程を含み、上記工程において、原料ガスに含まれるＨＣｌガスの配合量を６～１０体積％として上記α－Ａｌ2Ｏ3層の形成を開始し、その後上記配合量を０．５～６体積％まで下げる。このような構成により、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防いで、長寿命化を達成することができる表面被覆切削工具を製造することができる。
　［本発明の実施形態の詳細］
　以下、本発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）についてさらに詳細に説明する。ここで、本明細書において「Ａ～Ｂ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｂ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｂにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＢの単位とは同じである。
　さらに、本明細書において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるべきではない。たとえば「ＴｉＡｌＮ」と記載されている場合、ＴｉＡｌＮを構成する原子数の比はＴｉ：Ａｌ：Ｎ＝０．５：０．５：１に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。このことは、「ＴｉＡｌＮ」以外の化合物の記載についても同様である。本実施形態において、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）などの金属元素と、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）などの非金属元素とは、必ずしも化学量論的な組成を構成している必要がない。
　≪表面被覆切削工具≫
　本実施形態に係る表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備える。被膜は、基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、基材の一部がこの被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても本発明の範囲を逸脱するものではない。
　表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具として好適に使用することができる。
　＜基材＞
　基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえば、ＷＣ基超硬合金、ＷＣのほか、Ｃｏを含み、あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの炭窒化物を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮなどを主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化ホウ素焼結体またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
　これらの各種基材の中でも超硬合金（特にＷＣ基超硬合金）またはサーメット（特にＴｉＣＮ基サーメット）を選択することが好ましい。これらの基材は、高温における硬度と強度のバランスに優れ、上記用途の表面被覆切削工具の基材として優れた特性を有している。基材としてＷＣ基超硬合金を用いる場合、その組織中に遊離炭素、ならびにη相またはε相と呼ばれる異常層などを含んでいてもよい。
　さらに基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば超硬合金の場合、その表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合に表面硬化層が形成されていたりしてもよい。基材は、その表面が改質されていても所望の効果が示される。
　表面被覆切削工具が刃先交換型切削チップなどである場合、基材はチップブレーカーを有するものも、有さないものも含まれる。刃先稜線部は、その形状がシャープエッジ（すくい面と逃げ面とが交差する稜）、ホーニング（シャープエッジに対してアールを付与したもの）、ネガランド（面取りをしたもの）、ホーニングとネガランドを組み合わせたものなど、いずれの形状であってもよい。
　＜被膜＞
　被膜は、α－Ａｌ2Ｏ3層を含む。たとえば被膜は、α－Ａｌ2Ｏ3層を１層以上含み、さらに他の層を含んだ複数の層から構成することができる。
　上記他の層として、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＢＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＡｌＮ層、ＴｉＳｉＮ層、ＡｌＣｒＮ層、ＴｉＡｌＳｉＮ層、ＴｉＡｌＮＯ層、ＡｌＣｒＳｉＣＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＳｉＣ層、ＣｒＳｉＮ層、ＡｌＴｉＳｉＣＯ層、ＴｉＳｉＣＮ層などを例示することができる。
　被膜は、その厚みが５～３０μｍであることが好ましい。さらに好ましくは、１０～２５μｍである。この厚みが５μｍ未満であれば、耐摩耗性が不十分となる恐れがある。この厚みが３０μｍを超えると、断続加工において被膜と基材との間に大きな応力が加わった際に、被膜の剥離または破壊が高頻度に発生する恐れがある。
　＜α－Ａｌ2Ｏ3層＞
　α－Ａｌ2Ｏ3層は、複数のα－Ａｌ2Ｏ3（結晶構造がα型である酸化アルミニウム）の結晶粒と塩素（Ｃｌ）とを含む。α－Ａｌ2Ｏ3層は、複数のα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒を含んだ多結晶のα－Ａｌ2Ｏ3を含んでいる。通常α－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒は、約０．１～２μｍ程度の大きさの粒径をもつ。
　さらにα－Ａｌ2Ｏ3層は（００６）配向している。ここで「（００６）配向する」とは、後述するＸ線回折装置を用いた分析により得られるα－Ａｌ2Ｏ3層のＸＲＤデータにおいて、各（ｈｋｌ）反射面（本実施形態において後述する８つの反射面）の配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）を比べたとき、最も高い数値を示す反射面が（００６）面であることを意味する。特に、α－Ａｌ2Ｏ3層は、下記式（１）で示される配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）が５を超える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）中、Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射面のＸ線回折強度を示し、Ｉ0（ｈｋｌ）は、ＩＣＤＤのＰＤＦカード番号００－０４２－１４６８による標準強度を示す。また式（１）中のｎは、計算に用いた反射数を示し、本実施形態では８である。反射に用いた（ｈｋｌ）面は、（０１２）、（１０４）、（１１０）、（００６）、（１１３）、（０２４）、（１１６）および（３００）である。
　ＩＣＤＤ（登録商標）とは、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｅｎｔｒｅ　ｆｏｒ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｄａｔａ（国際回折データセンター）の略称である。ＰＤＦ（登録商標）とは、Ｐｏｗｄｅｒ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｆｉｌｅの略称である。
　本実施形態におけるα－Ａｌ2Ｏ3層のＴＣ（００６）は、下記式（２）で示すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　「配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）が５を超える」とは、上記式（１）にＴＣ（００６）を代入してなる上記式（２）により求まる数値が５を超えることを意味する。ＴＣ（００６）が５を超えるα－Ａｌ2Ｏ3層は、硬度とヤング率が過酷な切削条件に伴う衝撃および振動に対し優位になるため、耐摩耗性の向上に資することができる。
　上記ＴＣ（００６）は、６を超えることが好ましい。ＴＣ（００６）が大きいほど、耐摩耗性を効果的に向上させることができる。ＴＣ（００６）の上限は制限されないが、計算に用いた反射面が８つであるから、８以下となる。
　以上のようなＴＣ（ｈｋｌ）の測定は、Ｘ線回折装置を用いた分析により可能となる。ＴＣ（ｈｋｌ）は、たとえば、Ｘ線回折装置（商品名：「ＳｍａｒｔＬａｂ（登録商標）」、リガク株式会社製、スキャンスピード：２１．７°／分、ステップ：０．０１°、スキャン範囲：１５～１４０°）を用いて以下の条件で測定することができる。本実施形態において、Ｘ線回折装置を用いたＴＣ（ｈｋｌ）の測定の結果を「ＸＲＤ結果」と称する。
　特性Ｘ線：　Ｃｕ－Ｋα
　管電圧：　４５ｋＶ
　管電流：　２００ｍＡ
　フィルター：　多層ミラー
　光学系：　集中法
　Ｘ線回折法：　θ－２θ法
　Ｘ線照射範囲：　ピンホールコリメーターを使用し、直径０．３μｍの範囲にＸ線を照射。
　＜α－Ａｌ2Ｏ3層の厚み＞
　α－Ａｌ2Ｏ3層は、その厚みが２～１５μｍであることが好ましい。これにより、耐摩耗性と耐欠損性とを両立させることができる。α－Ａｌ2Ｏ3層の厚みを２μｍ未満とすれば、摩耗が進みやすくなる恐れがある。この厚みが１５μｍを超えると耐欠損性が低下する恐れがある。
　（上部層および下部層）
　さらにα－Ａｌ2Ｏ3層は、その厚み方向において基材側に位置する下部層と、基材側と反対側に位置する上部層とを含む。下部層は、１．０μｍの厚みを有する。この下部層は、後述するＣｌの濃度分布を測定するために定められる基材側から１μｍの領域を指す。上部層は、０．５μｍ以上の厚みを有する。上部層の厚みの上限値は、１４μｍである。
　上部層が０．５μｍ以上の厚みを有することにより、α－Ａｌ2Ｏ3層の基材側とは反対側において、後述するＣｌの濃度が極めて低い部分が十分な厚みを有することになるため、α－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒に備わる耐摩耗性にＣｌが悪影響を及ぼすことがなくなる。ただし、上部層の厚みが１４μｍを超えると、α－Ａｌ2Ｏ3層を含む被膜全体が厚くなるため、断続加工において被膜と基材との間に大きな応力が加わった際に、被膜の剥離または破壊が高頻度に発生する恐れがある。
　本実施形態において被膜の厚み、α－Ａｌ2Ｏ3層の厚み、ならびにα－Ａｌ2Ｏ3層の上部層の厚みは、それぞれ平均厚みを意味する。これらの厚みは、電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ：Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）用い、次のような手法により測定することができる。
　まず被膜で被覆された基材を、基材のすくい面の法線と平行な平面で切断し、その断面を露出させる。続いて、この露出させた断面を研磨することにより観察用研磨面を作製する。被膜の厚みを測定する場合、この観察用研磨面に現れた被膜部分を含む任意の５か所（５視野）を５０００倍の倍率により観察して、その厚みを求める。最後に上記５視野の値の平均値を求め、これを被膜の平均厚みとすることができる。α－Ａｌ2Ｏ3層、ならびにα－Ａｌ2Ｏ3層の上部層の厚みを測定する場合、観察用研磨面に現れたα－Ａｌ2Ｏ3層部分、ならびにα－Ａｌ2Ｏ3層の上部層部分を含むそれぞれ任意の５か所（５視野）を、５０００倍の倍率により観察して、その厚みを求める。最後に上記５視野の値の平均値を求め、これをそれぞれα－Ａｌ2Ｏ3層、ならびにα－Ａｌ2Ｏ3層の上部層の平均厚みとすることができる。ここでα－Ａｌ2Ｏ3層は、その下部層が基材側から１μｍの領域を指し、この下部層を除くα－Ａｌ2Ｏ3層の残りの厚みを上部層の厚みとして算出するものである。
　被膜で被覆された基材の断面の研磨については、従来公知の方法を用いることができる。たとえば、基材の断面に対してアルゴンイオンを用いたイオンミーリング処理を行なうことにより、平滑化した観察用研磨面を得ることができる。Ａｒイオンによるイオンミーリング処理の条件は、たとえば以下のとおりである。
加速電圧：　６ｋＶ
照射角度：　基材のすくい面の法線から０－５°
照射時間：　６時間。
　その後、上記の平滑化された観察用研磨面を、ＦＥ－ＳＥＭを用いて解析すればよい。
　＜α－Ａｌ2Ｏ3層に含まれる塩素の濃度分布＞
　α－Ａｌ2Ｏ3層に含まれる塩素（以下、元素記号である「Ｃｌ」で記す場合がある）は、下部層の厚み方向において、基材側から遠ざかる方向に原子濃度が減少する濃度分布を有している。たとえば、これを概念的に説明すれば、下部層の厚み方向において基材側から遠ざかる方向へ順にＡ点、Ｂ点、Ｃ点を設定する場合、Ａ点のＣｌの原子濃度＞Ｂ点のＣｌの原子濃度＞Ｃ点のＣｌの原子濃度となる濃度分布を有している。このようなＣｌの濃度分布の形態により、基材との間で優れた密着力が得られるため、工具の耐欠損性を飛躍的に向上させることができる。
　ここで、塩素の「下部層の厚み方向において、基材側から遠ざかる方向に原子濃度が減少する濃度分布」とは、下部層の厚み方向において、塩素の原子濃度が基材側から遠ざかる方向に減少する部分が含まれていればよいことを意味する。さらに、下部層における基材との界面（下部層の基材側に隣接する層（ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層など）がある場合には、その層との界面）に接する点をＸ点とし、下部層の基材側とは反対側に隣接する層との界面に接する点をＹ点としたとき、これらの点のＣｌの原子濃度を測定すれば、必ずＸ点のＣｌの原子濃度＞Ｙ点のＣｌの原子濃度となる濃度分布を有することを意味する。
　上記塩素の原子濃度が基材側から遠ざかる方向に減少する部分が含まれ、かつＸ点のＣｌの原子濃度＞Ｙ点のＣｌの原子濃度となる限り、基材側から遠ざかる方向においてＣｌの原子濃度が一定となる部分があってもよい。さらに、基材側から遠ざかる方向に原子濃度が増加する部分があってもよいし、Ｃｌが含まれていない部分などがあってもよい。
　塩素は、下部層における最大原子濃度が、０．３原子％未満であることが好ましい。さらに好ましくは、０．０２～０．２原子％である。下部層における最大原子濃度の下限値は、０．０１原子％である。塩素の下部層における最大原子濃度が０．３原子％以上であると、塩素濃度が高過ぎることにより基材との間での密着力が不十分となる恐れがある。
　塩素は、上部層における最大原子濃度が、０．０５原子％未満であることが好ましい。さらに好ましくは、０～０．０４原子％である。上部層における最大原子濃度の下限値は、０原子％である。塩素の上部層における最大原子濃度が０．０５原子％以上であると、塩素濃度が高過ぎることにより被膜の耐摩耗性が低下する恐れがある。
　さらに本実施形態において、下部層における塩素の最大原子濃度をＣClMAX-1、上部層における塩素の最大原子濃度をＣClMAX-2としたとき、ＣClMAX-1≧２ＣClMAX-2の関係を満たすことが好ましい。これにより、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防ぐ効果をよりよく得ることができる。ＣClMAX-1とＣClMAX-2との関係は、ＣClMAX-1≧３ＣClMAX-2を満たすことがより好ましい。ＣClMAX-1とＣClMAX-2との関係の限界値は、ＣClMAX-1＝１０ＣClMAX-2であり、ＣClMAX-1＜２ＣClMAX-2である。ＣClMAX-1＜２ＣClMAX-2の関係となれば、塩素の濃度が下部層と上部層とにおいて等価となることに近づくため、優れた耐摩耗性と耐欠損性とを両立させる効果が不十分となる傾向がある。ＣClMAX-1＞１０ＣClMAX-2の関係となれば塩素の濃度の差が下部層と上部層との間で大きくなり過ぎ、耐欠損性が不十分となる傾向がある。
　上記ＣClMAX-1は、下部層の厚み方向において、下部層と基材との界面または下部層と下部層の基材側に隣接する層（ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層など）との界面から０．５μｍまでの領域に現れることが好ましい。下部層における塩素の最小原子濃度をＣClMIN-1としたとき、このＣClMIN-1はその厚み方向において、下部層と基材側とは反対側に隣接する層との界面から０．５μｍまでの領域に現れることが好ましい。ＣClMAX-1は０．１～０．３原子％であることが好ましく、ＣClMIN-1は０．０１～０．０５原子％であることが好ましい。
　このほか、ＣClMAX-1とＣClMIN－１との差は０．５原子％以上であることがさらに好ましい。この差は、２原子％以内とすればよい。ＣClMAX-1とＣClMIN－１との差が２原子％を超えて大きくなると、耐欠損性が不十分となる恐れがある。以上のようなＣｌの濃度分布の形態により、被膜と基材との間で優れた密着力が得られるため、工具の耐欠損性を飛躍的に向上させることができる。
　ここでα－Ａｌ2Ｏ3層の下部層および上部層に含まれるＣｌの原子濃度は原子％で表される。具体的には、Ｃｌの原子濃度はα－Ａｌ2Ｏ3層に含まれる全元素種の原子数の合計を分母とし、Ｃｌの原子数を分子とする原子組成百分率［Ｃｌ／（全元素種）×１００］で表すことができる。たとえば、α－Ａｌ2Ｏ3層に含まれる元素種が、Ａｌ、Ｏ、Ｃ、Ｃｌ、Ｔｉ、Ｓである場合、Ｃｌの原子濃度はＡｌの原子数、Ｏの原子数、Ｃの原子数、Ｃｌの原子数、Ｔｉの原子数およびＳの原子数の合計を分母とし、Ｃｌの原子数を分子とする原子組成百分率［Ｃｌ／（Ａｌ＋Ｏ＋Ｃ＋Ｃｌ＋Ｔｉ＋Ｓ）×１００］で表すことができる。
　Ｃｌの原子濃度は、上述のα－Ａｌ2Ｏ3層の平均厚みなどを測定するのに用いた観察用研磨面に対し、ＦＥ－ＳＥＭを付帯したエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ－ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｐｙ）を用いて分析することによって測定可能である。
　たとえば、ＦＥ－ＳＥＭを付帯したＥＤＳ（商品名（型番）：「ＳＵ６６００」、株式会社日立ハイテクノロジーズ社製）によりＣｌの原子濃度を測定することができる。測定時には、ＦＥ－ＳＥＭの加速電圧を１５ｋＶに設定する。さらにＥＤＳの条件として、フレーム数：１５０、選択原子：Ｃ、Ｏ、Ａｌ、Ｓ、Ｃｌ、Ｔｉにそれぞれ設定する。図１に示すように、α－Ａｌ2Ｏ3層１の基材側の層（ＴｉＣＮ層２）との界面部（ＴｉＣＮＯ層３）から被膜の表面側へ向け、厚み方向に所定の間隔で測定点４を複数設定し、これらの測定点においてα－Ａｌ2Ｏ3層１に含まれるＣ、Ｏ、Ａｌ、Ｓ、Ｃｌ、Ｔｉの原子濃度をそれぞれ測定することにより、上述した原子組成百分率に基づいてＣｌの原子濃度を特定することができる。
　図１には、ＥＤＳを用いてＣｌの原子濃度および後述するＳの原子濃度を測定するために設定されるα－Ａｌ2Ｏ3層１内の測定点４が、顕微鏡写真に重ねられて示されている。図１において、基材（図示せず）上にＴｉＣＮ層２が形成され、このＴｉＣＮ層２上にＴｉＣＮＯ層３が積層され、ＴｉＣＮＯ層３上にα－Ａｌ2Ｏ3層１がそれぞれ被膜として積層されている。分析では、α－Ａｌ2Ｏ3層１のＴｉＣＮ層２との界面部であるＴｉＣＮＯ層３と接する点から、被膜の表面側へ厚み方向に所定の間隔（たとえば、０．２μｍ毎）で、測定点４（第１測定点４１、第２測定点４２、第３測定点４３、第４測定点４４、第５測定点４５）を設定した。これにより、第１測定点４１から第５測定点４５の各測定点において、それぞれＣｌの原子濃度および後述するＳの原子濃度を算出した。ただし図１には、下部層において設定した測定点４のみが表されている。上述の測定点は、下層部の厚み方向における基材側の界面から被膜表面側の界面までのＣｌの原子濃度および後述するＳの原子濃度を測定できるように、等間隔に複数（少なくとも５点）設定することが好ましい。
　下部層におけるＣｌの最大原子濃度は、上述した測定点でそれぞれ算出したＣｌの原子濃度の最大値を求めることにより算出することができる。上部層におけるＣｌの最大原子濃度は、下部層と同様にして算出することができる。
　＜下部層に含まれる塩素と硫黄との関係＞
　本実施形態において下部層は、硫黄（以下、元素記号である「Ｓ」で記す場合がある）を含むことが好ましい。下部層は、所定の測定点における塩素の原子濃度と該測定点の硫黄の原子濃度とを合わせた加算値をＣClSとしたとき、その厚み方向において、基材側から遠ざかる方向にＣClSが減少する分布を有することが好ましい。
　さらに下部層は、所定の測定点における塩素の原子濃度を該測定点の硫黄の原子濃度で除した数値をＣCl/Sとしたとき、その厚み方向において、基材側から遠ざかる方向にＣCl/Sが減少する分布を有することが好ましい。ここで、所定の測定点における硫黄の原子濃度が０ａｔ％であった場合、ＣCl/Sの値は５０とするものとする。ＣCl/Sの分布は、基材側から遠ざかる方向に一貫して増加することがなく、単調に減少することがさらに好ましい。本実施形態に係る表面被覆切削工具は、下部層において上述のような塩素と硫黄との関係を有することにより、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防ぐ効果を飛躍的に向上させることができる。
　たとえば、これらを概念的に説明すれば、以下のとおりとなる。すなわち、所定の測定点における塩素の原子濃度と該測定点の硫黄の原子濃度とを合わせた加算値ＣClSについては、下部層の厚み方向において基材側から遠ざかる方向へ順にＤ点、Ｅ点、Ｆ点を設定する場合、Ｄ点のＣClSの値＞Ｅ点のＣClSの値＞Ｆ点のＣClSの値となる分布を有している。
　さらに「下部層の厚み方向において、基材側から遠ざかる方向にＣClSが減少する分布」とは、下部層の厚み方向において、ＣClSの値が基材側から遠ざかる方向に減少する部分が含まれていればよいことを意味する。下部層における基材との界面（下部層の基材側に隣接する層（ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層など）がある場合には、その層との界面）に接する点をＴ点とし、下部層における下部層の基材側とは反対側に隣接する層との界面に接する点をＵ点としたとき、これらの点のＣClSの値は、必ずＴ点のＣClSの値＞Ｕ点のＣClSの値となる分布を有する。
　ＣClSの値が基材側から遠ざかる方向に減少する部分が含まれ、かつＴ点のＣClSの値＞Ｕ点のＣClSの値となる限り、基材側から遠ざかる方向においてＣClSの値が一定となる部分があってもよい。さらに、基材側から遠ざかる方向にＣClSの値が増加する部分があってもよい。
　さらに所定の測定点における塩素の原子濃度を該測定点の硫黄の原子濃度で除した数値ＣCl/Sについても、上記Ｄ点、Ｅ点およびＦ点で算出する場合、Ｄ点のＣCl/Sの値＞Ｅ点のＣCl/Sの値＞Ｆ点のＣCl/Sの値となる分布を有する。上記Ｔ点およびＵ点で算出したとき、必ずＴ点のＣCl/Sの値＞Ｕ点のＣCl/Sの値となる。ＣCl/Sの値が基材側から遠ざかる方向に減少する部分が含まれ、かつＴ点のＣCl/Sの値＞Ｕ点のＣCl/Sの値の値となる限り、基材側から遠ざかる方向においてＣCl/Sの値が一定となる部分があってもよく、基材側から遠ざかる方向にＣCl/Sの値が増加する部分があってもよい。特に、ＣCl/Sの分布ついては、下部層の厚み方向において基材側から遠ざかる方向に必ず減少する分布を有することがより好ましい。その場合、ＣCl/Sの分布は、基材側から遠ざかる方向においてＣCl/Sの値が一定となる部分および基材側から遠ざかる方向にＣCl/Sの値が増加する部分を有していない。
　ここで上記のＣClSおよびＣCl/Sを、硫黄の濃度分布の観点から説明する。すなわち下部層に含まれる硫黄は、たとえば、その厚み方向において基材側から遠ざかる方向にその原子濃度が一定であってもよいし、一定でなくてもよい。硫黄の原子濃度は一定でない場合、たとえば基材側から遠ざかる方向にＣｌの原子濃度が減少すれば減少し、Ｃｌの原子濃度が増加すれば増加するというように、Ｃｌの原子濃度と連動して増減する分布を有することが好ましい。この場合、硫黄の原子濃度の増減の幅は、Ｃｌの原子濃度の増減の幅よりも小さいことが好ましい。
　下部層に含まれるＳの原子濃度は、Ｃｌの原子濃度と同様に原子％で表される。したがって、Ｓの原子濃度はα－Ａｌ2Ｏ3層に含まれる全元素種の原子数の合計を分母とし、Ｓの原子数を分子とする原子組成百分率［Ｓ／（全元素種）×１００］で表すことができる。たとえば、α－Ａｌ2Ｏ3層に含まれる元素種が、Ａｌ、Ｏ、Ｃ、Ｃｌ、Ｔｉ、Ｓである場合、Ｓの原子濃度は［Ｓ／（Ａｌ＋Ｏ＋Ｃ＋Ｃｌ＋Ｔｉ＋Ｓ）×１００］で表すことができる。
　Ｓの原子濃度も、Ｃｌの原子濃度の測定方法と同じ方法により測定することができる。したがって、所定の測定点ごと（たとえば図１における第１測定点４１～第５測定点４５）においてＳの原子濃度およびＣｌの原子濃度が特定されることにより、ＣClSおよびＣCl/Sの値も定まることとなる。
　＜α－Ａｌ2Ｏ3層におけるα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の粒径＞
　本実施形態では、α－Ａｌ2Ｏ3層におけるα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の粒径の測定を、上述した観察用研磨面を用いて行うことができる。具体的には、その観察用研磨面に現れたα－Ａｌ2Ｏ3層の表面（Ａｌ2Ｏ3層の基材側とは反対側に隣接する層がある場合には、その層との界面）からα－Ａｌ2Ｏ3層の基材側へ０．５μｍ離れた箇所をＦＥ－ＳＥＭで５０００倍の倍率により観察する。α－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の粒径は、その顕微鏡像から切片法を用いて測定することができる。本実施形態で用いる切片法とは、特定の幅を横切る粒子の数を数え、その幅を粒子数で除することで粒径を算出する方法である。
　α－Ａｌ2Ｏ3層は、その表面またはその基材側とは反対側に隣接する層との界面に平行であって、かつ該表面または該界面から０．５μｍの深さに位置する測定面において、粒径が０．２～２μｍであるα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒が２０～８０面積％を占めることが好ましい。この測定面において、２０～８０面積％を占めるα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の粒径が０．２μｍ未満であれば、耐欠損性が低下する恐れがある。この粒径が２μｍを超えると、耐摩耗性が低下する恐れがある。
　α－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の粒径の上限値は、好ましくは１．８５μｍ以下である。一方、この粒径の下限値は０．２μｍであり、０．２μｍ未満とならない限り、好ましい値である。このような粒径の範囲であれば、耐摩耗性と同時に耐欠損性を向上させることができる。上記測定面において粒径が０．２～２μｍであるα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の占める割合が、２０面積％未満であったり、８０面積％以上であったりすると、耐欠損性および耐摩耗性の両立が図れなくなる。粒径が０．２～２μｍであるα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒が占めるさらに好ましい割合は、５０～７０面積％である。
　＜他の層＞
　被膜は上述のとおり、α－Ａｌ2Ｏ3層以外に他の層を含むことができる。そのような他の層として、たとえばＴｉＣＮ層を挙げることができる。このＴｉＣＮ層は耐摩耗性に優れるため、被膜により好適な耐摩耗性を付与することができる。ＴｉＣＮ層は、とりわけＭＴ－ＣＶＤ（ｍｅｄｉｕｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ＣＶＤ）法により形成することが好ましい。ＭＴ－ＣＶＤ法は約８００～１０００℃というＣＶＤ法の中でも比較的低温で成膜することができ、成膜時の加熱による基材のダメージを低減することができる。ＴｉＣＮ層は、たとえば、α－Ａｌ2Ｏ3層と基材との間（後述する中間層）に配置することができる。被膜は、後述する最表面層、中間層なども他の層として含むことができる。
　（最表面層）
　被膜は、その表面にＴｉの炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とする最表面層が配置されてもよい。最表面層は、被膜において最も表面側に配置される層である。ただし、刃先稜線部を含む領域においては形成されない場合もある。最表面層は、たとえば、α－Ａｌ2Ｏ3層上に他の層が形成されていない場合、α－Ａｌ2Ｏ3層の直上に配置される。
　「Ｔｉの炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とする」とは、Ｔｉの炭化物、窒化物および硼化物のいずれかを９０質量％以上含むことを意味する。さらに、好ましくは不可避不純物を除きＴｉの炭化物、窒化物および硼化物のいずれかからなることを意味する。
　最表面層を構成した場合、明瞭な色彩色を呈するなどの効果によって、切削使用後の切削チップのコーナー識別（使用済み部位の識別）が容易となる。
　最表面層は、平均厚みが０．０５～１μｍであることが好ましい。最表面層の平均厚みの上限は好ましくは０．８μｍであり、さらに好ましくは０．６μｍである。この平均厚みの下限は好ましくは０．１μｍであり、さらに好ましくは０．２μｍである。この平均厚みを０．０５μｍ未満とすれば、耐欠損性が十分に得られない恐れがある。この平均厚みが１μｍを超えると、最表面層に隣接する層との密着性が低下する恐れがある。
　（中間層）
　被膜は、α－Ａｌ2Ｏ3層と基材との間に中間層を有することが好ましい。中間層の例として、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＢＮ層などが例示される。たとえば中間層はα－Ａｌ2Ｏ3層と、α－Ａｌ2Ｏ3層および基材の間に配置されることにより、被膜中におけるα－Ａｌ2Ｏ3層の密着性を高めることができる。中間層は、公知の方法により形成可能である。
　ＴｉＣＮ層およびＴｉＢＮ層は、平均厚みが２～２０μｍであることが望ましい。この平均厚みを２μｍ未満とすれば摩耗が進みやすくなる恐れがある。この平均厚みが２０μｍを超えると耐欠損性が低下する恐れがある。
　またＴｉＮ層は、平均厚みが０．３～１μｍであることが好ましい。この範囲の厚みにより、被膜中のα－Ａｌ2Ｏ3層の密着性をさらに高めることができる。ＴｉＮ層は、より好ましくは、０．４～０．８μｍである。ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＢＮ層などの中間層の厚みは、α－Ａｌ2Ｏ3層の厚みの測定に用いた方法と同じ方法により測定することができる。
　以上より、本実施形態に係る表面被覆切削工具は、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防いで、長寿命化を達成することができる。
　≪表面被覆切削工具の製造方法≫
　本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材上にＣＶＤ法でα－Ａｌ2Ｏ3層を含む被膜を形成する工程を含む。該工程においては、原料ガスに含まれるＨＣｌガスの配合量を６～１０体積％としてα－Ａｌ2Ｏ3層の形成を開始し、その後上記配合量を０．５～６体積％まで下げる。
　＜被膜を形成する工程＞
　表面被覆切削工具は、基材上に被膜を、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法により形成することによって好適に製造することができる。ＣＶＤ法を用いると、成膜温度が８００～１２００℃であるので物理蒸着法と比較して高く、基材との密着性が向上する。被膜のうち、α－Ａｌ2Ｏ3層以外の他の層を形成する場合、それらの層は従来公知の方法で形成することができる。α－Ａｌ2Ｏ3層およびその他の層の厚みは、成膜時間を適宜調節することにより調整することができる（各層の成膜速度は、約０．５～２．０μｍ／時間である）。
　（α－Ａｌ2Ｏ3層の形成）
　α－Ａｌ2Ｏ3層は、ＣＶＤ法を用い、以下の方法によって形成することができる。
　まず、基材上に他の層を介して、または介さずに公知の方法でＴｉＣＮ層を形成し、このＴｉＣＮ層の表面にＴｉＣＮＯ層を形成する。さらに、ＴｉＣＮＯ層の表面を酸化し、α－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の核生成を行なう。引き続き、α－Ａｌ2Ｏ3の結晶を成長させてα－Ａｌ2Ｏ3層を形成し、α－Ａｌ2Ｏ3層の下部層および上部層を形成する。このうちα－Ａｌ2Ｏ3層の下部層を形成する際には、原料ガスに配合されるＨＣｌガスの配合量を６～１０体積％で開始し、その後上記配合量を０．５～６体積％まで下げる。α－Ａｌ2Ｏ3層の上部層を形成する際は、原料ガスに配合されるＨＣｌガスの配合量を０．５～６体積％で一定とすればよい。
　原料ガスのＨＣｌガス以外の各組成ガスの配合量は、ＡｌＣｌ3が１．３～２．５体積％、ＣＯが１～５体積％、ＣＯ2が０．４～３体積％、Ｈ2Ｓが０．４～３体積％であり、残部がＨ2である。ＨＣｌガスの配合量の変動分については、原料ガスの残部を占めるＨ2ガスの配合量を調節することにより調整すればよい。これにより、その他のガスの配合量およびＣＶＤ装置の炉内温度、炉内圧力を不変とすることができる。さらに、ＣＶＤ装置の炉内温度は、９７０～１０２０℃、炉内圧力は、７０～１１０ｈＰａである。ＴｉＣＮＯ層の表面は、原料ガスの組成のうちのＣＯおよびＣＯ2によって酸化される。
　ここでα－Ａｌ2Ｏ3層の下部層を形成する際のＨＣｌガスの配合量の変動について説明する。上述のとおり、下部層を形成する際、その開始時の原料ガスにおけるＨＣｌガスの配合量は６～１０体積％である。好ましくは８～１０体積％である。その後上記配合量を０．５～６体積％まで下げた後、下部層の形成を完了させる。上記配合量は０．５～４体積％まで下げることが好ましい。ＨＣｌガスの配合量の変動形態は、時間の経過とともに連続的に配合量を下げる形態をとってもよく、一定時間ごとに階段状（多段的）に配合量を下げる形態をとってもよく、６～１０体積％から０．５～６体積％まで瞬間的（急降下）に配合量を下げる形態をとってもよい。いずれの形態であっても、その厚み方向において基材側から遠ざかる方向にＣｌの原子濃度が減少する濃度分布を有するα－Ａｌ2Ｏ3層を形成することができる。ＨＣｌガスの配合量を６～１０体積％から０．５～６体積％まで下げるのに必要な時間については、形成しようとするα－Ａｌ2Ｏ3層およびこの下部層の厚みに応じて適宜調整すればよい。
　従来、α－Ａｌ2Ｏ3層を形成する原料ガスに含まれるＨＣｌガスの配合量は、α－Ａｌ2Ｏ3層を形成開始時において０．５～２体積％程度であった。この理由は、α－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の核生成を行なうのに、Ｃｌ成分が少ないことが好ましいと考えられていたからである。しかしながら、この条件で形成されたα－Ａｌ2Ｏ3層は、密着力が不十分であって耐チッピング性、耐欠損性に改善の余地があった。さらに従来のα－Ａｌ2Ｏ3層において本実施形態における上部層に相当する箇所を形成する際には、ＨＣｌガスの配合量は５～８体積％程度であり、本実施形態よりも配合量が多い傾向にあった。しかし、ＨＣｌガスの配合量が多いと、α－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒中または結晶粒界にＣｌの不純物が数多く含まれることとなり、耐摩耗性の低下につながっていた。
　本実施形態では、これらの課題を上述した条件でα－Ａｌ2Ｏ3層を形成し、厚み方向において基材側から遠ざかる方向にＣｌの原子濃度が減少する濃度分布を有する下部層を含むことにより解決し、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防いで、長寿命化を達成することが可能となった。
　ここで、本実施形態では、上述したＨＣｌガスの変動に加え、原料ガスに含まれるＨ2Ｓガスの配合量も変動させてα－Ａｌ2Ｏ3層を形成することも好ましい。Ｈ2Ｓガスの配合量の変動形態は、たとえばＨＣｌガスの変動と同じとする。具体的には、ＨＣｌガスの配合量が連続的に減少する場合、Ｈ2Ｓガスの配合量も連続的に減少させる。ＨＣｌガスの配合量が階段状で減少する場合には、Ｈ2Ｓガスの配合量も階段状で減少させる。あるいはＨＣｌガスの配合量が瞬間的（急降下）に減少する場合、Ｈ2Ｓガスの配合量も瞬間的に減少させる。ただし、Ｈ2Ｓガスの配合量の減少率は、ＨＣｌガスの配合量の減少率よりも小さくする。本実施形態では原料ガスに含まれるＨ2Ｓガスの配合量を一定としてα－Ａｌ2Ｏ3層を形成することも好ましい。これによりα－Ａｌ2Ｏ3層を形成すれば、上記ＣCl/SおよびＣCl/Sが共に、下部層の厚み方向において基材側から遠ざかる方向に減少する分布を有することになる。したがって、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損をより防ぐことができる表面被覆切削工具を製造することができる。
　以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　≪実施例１≫
　＜基材の調製＞
　ＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｓｔａｎｄａｒｄ）　Ｂ　４１２０（２０１３）に規定されるＣＮＭＧ１２０４０８の形状を有する超硬合金母材（住友電気工業製）からなる基材を準備した。準備した基材を、試料Ａ１～Ａ８と名付けた８グループに分類した。基材は一つのグループに４個ずつ存在する。これらの基材は、９０．０ｗｔ％のＷＣと、５．０ｗｔ％のＣｏと、１．０％のＴａＣと、２．０ｗｔ％のＮｂＣと、２．０ｗｔ％のＴｉＣとからなる組成を有する。後述するように、試料Ａ１～Ａ６が実施例であり、試料Ａ７～Ａ８が比較例である。
　＜被膜の形成＞
　試料Ａ１～Ａ８の基材をＣＶＤ装置内にセットし、その表面にそれぞれＣＶＤ法で被膜を形成した。被膜の形成条件に関し、α－Ａｌ2Ｏ3層を除く各層の形成条件を表１に記載した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
[規則91に基づく訂正 07.11.2017]　
　被膜は、基材側から順に０．３μｍのＴｉＮ層、８μｍＴｉＣＮ層、０．３μｍのＴｉＣＮＯ層、６μｍのα－Ａｌ2Ｏ3層となるように形成した。表２において試料Ａ１～Ａ８の層構造およびその厚み（μｍ）を示した。表２にはα－Ａｌ2Ｏ3層の上部層の厚み（μｍ）も示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　α－Ａｌ2Ｏ3層は、ＣＶＤ法でＴｉＣＮ層の表面に形成したＴｉＣＮＯ層の表面を酸化することでα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の核生成を行ない、引き続きα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒を成長させて形成した。α－Ａｌ2Ｏ3層を形成するための原料ガスの各成分の配合量、ＨＣｌガスの配合量の変動およびその変動形態を表３に記載した。
　α－Ａｌ2Ｏ3層の下層部は、たとえば試料Ａ１では、原料ガスに含まれるＨＣｌガスの配合量を１０体積％として下部層の形成を開始し、３段階（階段状）でＨＣｌガスの配合量を下げ、具体的には８体積％、６体積％、４体積％の順にＨＣｌガスの配合量を下げた後、下部層の形成を完了した。引き続きＨＣｌガスの配合量を４体積％で一定とし、上部層を形成した。表３に示すとおり試料Ａ１～Ａ８においては、Ｈ2Ｓガスの配合量はα－Ａｌ2Ｏ3層を形成する全過程において一定とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　ここで、表３のＨＣｌガスの変動形態の欄において、「階段状」とは、一定時間ごとに階段状にＨＣｌガスの配合量を下げる形態をいい、「連続的」とは、時間の経過とともに連続的にＨＣｌガスの配合量を下げる形態をいい、「急降下」とは、１０体積％から４または６体積％まで瞬間的にＨＣｌガスの配合量を下げる形態をいい、「フラット」とは、ＨＣｌガスの配合量が一定である形態をいう。以上により、α－Ａｌ2Ｏ3層の形成方法（ＨＣｌガスの配合量の変動量および変動形態）が異なる試料Ａ１～Ａ８の表面被覆切削工具を製造した。
　＜試験の内容＞
　実施例１では上述のとおり、試料Ａ１～Ａ８につき各４個の表面被覆切削工具が製造されている。その４個の工具のうち１個目に対し、逃げ面にＸ線を照射し、上述した条件の下でＸ線回折法を用いてα－Ａｌ2Ｏ3層のＴＣ（００６）を測定した。２個目に対し、上述の測定方法によりＥＤＳを用いてα－Ａｌ2Ｏ3層のＣｌの原子濃度およびＳの原子濃度を測定した。３個目に対して耐摩耗性を評価し、４個目に対して耐欠損性を評価した。
　特に、α－Ａｌ2Ｏ3層の下部層におけるＣｌの原子濃度およびＳの原子濃度のは、その厚み方向に等間隔に測定した。具体的には、下層部がα－Ａｌ2Ｏ3層の基材側に隣接するＴｉＣＮＯ層との界面から１．０μｍの厚みを有するため、被膜断面におけるα－Ａｌ2Ｏ3層の基材側に隣接するＴｉＣＮＯ層との界面と接する点から被膜表面側へ０．２μｍ毎に測定点（第１測定点～第５測定点）を設定した。これにより下部層のＣｌの原子濃度およびＳの原子濃度を算出した（図１参照）。さらに、Ｃｌの原子濃度およびＳの原子濃度の算出に基づき、これらの測定点における塩素の原子濃度と該測定点の硫黄の原子濃度とを合わせた加算値ＣClS、および上記測定点における塩素の原子濃度を該測定点の硫黄の原子濃度で除した数値ＣCl/Sも算出した。
　耐摩耗性および耐欠損性の評価方法は、それぞれ以下に示すとおりである。表４において、試料Ａ１～Ａ８に関するα－Ａｌ2Ｏ3層のＴＣ（００６）、各測定点でのＣｌの原子濃度、下部層および上部層におけるＣｌの最大原子濃度、ならびに各測定点でのＳの原子濃度を示した。さらに表５において、試料Ａ１～Ａ８に関する各測定点での加算値ＣClSおよび数値ＣCl/S、ならびに耐摩耗性および耐欠損性の評価を性能ランクとともに示した。
　＜耐摩耗性評価＞
　被削材：　ＳＵＪ２
　切削速度：　３００ｍ／ｍｉｎ
　送り：　０．３ｍｍ／ｒｅｖ
　切込み：　１．５ｍｍ
　切削油：　湿式
　評価：　基材が露出した部分の最大幅が０．１ｍｍを超えるまでの時間を評価。
　具体的には、耐摩耗性の評価においては、上述の表面被覆切削工具をそれぞれＮＣ旋盤にセットし、上記の被削材の切削を開始したときから、切削により工具表面が摩耗などして基材が露出した部分の最大幅が０．１ｍｍを超えるまでの時間を評価した。この時間が長いほど耐摩耗性に優れていると評価することができる。
　＜耐欠損性評価＞
　被削材：　ＳＣＭ４３５溝材
　切削速度：　１５０ｍ／ｍｉｎ
　送り：　０．２ｍｍ／ｒｅｖ
　切込み：　１．５ｍｍ
　切削油：　湿式
　評価：　５分切削後のチッピング状態を目視で比較。５分経過までにチッピングまたは欠損などにより切削が継続不可能となった場合、その時間を評価。
　具体的には、耐欠損性の評価においては、上述の表面被覆切削工具をそれぞれＮＣ旋盤にセットし、被削材を上記の条件で５分切削し、その時点でのチッピング状態を目視で比較した。５分経過までにチッピングまたは欠損などにより切削が継続不可能となった場合には、その時点に至る時間を評価した。５分切削後のチッピング状態が摩耗（正常磨耗）に留まり、チッピングまたは欠損が認められないほど、耐欠損性に優れていると評価することができる。さらに、チッピングまたは欠損に至るまでの時間が長いほど耐欠損性に優れていると評価することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　表５中、記号Ａなどで示した性能ランクは、以下のように定義される。
Ａ：耐摩耗性および耐欠損性が非常に優れている（基材が露出した部分の最大幅が０．１ｍｍを超えるまでの時間（分）が１５分超であり、かつ耐欠損性の状態が正常摩耗である）
Ｂ：耐摩耗性および耐欠損性が優れている（基材が露出した部分の最大幅が０．１ｍｍを超えるまでの時間（分）が１０分超１５分以下であり、かつ耐欠損性の状態が正常摩耗または微小なチッピングによる摩耗乱れがある状態である）
Ｃ：耐摩耗性または耐欠損性が不十分である（少なくとも基材が露出した部分の最大幅が０．１ｍｍを超えるまでの時間（分）が１０分以下であるか、または耐欠損性の状態がチッピングもしくは欠損（切削が継続不可能となり、その時間を表記した場合を含む）である）。
　＜評価結果＞
　表４、５から理解されるように、試料Ａ１～Ａ６である実施例において、試料Ａ７～Ａ８である比較例より、優れた耐摩耗性および耐欠損性を備えると評価することができた。すなわち、塩素がα－Ａｌ2Ｏ3層における下部層の厚み方向において、基材側から遠ざかる方向に原子濃度が減少する濃度分布を有する試料Ａ１～Ａ６の表面被覆切削工具は、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防いで、長寿命化を達成することができると理解される。
[規則91に基づく訂正 07.11.2017]　
　特に、塩素の下部層における最大原子濃度が０．３原子％未満であること、上部層における最大原子濃度が０．０５原子％未満であること、下部層における塩素の最大原子濃度をＣClMAX-1、上部層における塩素の最大原子濃度をＣClMAX-2としたとき、ＣClMAX-1≧２ＣClMAX-2の関係を満たすことのいずれかの要件を少なくとも満たす試料Ａ１～Ａ３の耐摩耗性、耐欠損性評価はさらに優れていた。試料Ａ１～Ａ６において、ＣClSはいずれも、下部層の厚み方向において基材側から遠ざかる方向に減少する分布を有していた。ＣCl/Sも、下部層の厚み方向において基材側から遠ざかる方向に減少する分布を有していた。
　≪実施例２≫
　＜基材の調製＞
　実施例１と同じ組成および同じ形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）を有する超硬合金母材（住友電気工業製）からなる基材を準備した。準備した基材を、試料Ｂ１～Ｂ８と名付けた８グループに分類した。基材は一つのグループに４個ずつ存在する。後述するように、試料Ｂ１～Ｂ６が実施例であり、試料Ｂ７～Ｂ８が比較例である。
　＜被膜の形成＞
　α－Ａｌ2Ｏ3層を除き、実施例１と同じ条件で、試料Ｂ１～Ｂ８の基材を化学気相蒸着装置内にセットし、その表面にそれぞれＣＶＤ法で被膜を形成した（表１参照）。
[規則91に基づく訂正 07.11.2017]　
　被膜は、基材側から順に０．３μｍのＴｉＮ層、８μｍＴｉＣＮ層、０．３μｍのＴｉＣＮＯ層、１０μｍのα－Ａｌ2Ｏ3層となるように形成した。表６において試料Ｂ１～Ｂ８の層構造およびその厚み（μｍ）を示した。表６にはα－Ａｌ2Ｏ3層の上部層の厚み（μｍ）も示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　α－Ａｌ2Ｏ3層は、ＣＶＤ法でＴｉＣＮ層の表面に形成したＴｉＣＮＯ層の表面を酸化することでα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒の核生成を行ない、引き続きα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒を成長させて形成した。α－Ａｌ2Ｏ3層を形成するための原料ガスの各成分の配合量、ＨＣｌガスの配合量の変動量およびその変動形態を表７に記載した。
　特に実施例２では、上述したＨＣｌガスの変動とともに、原料ガスに含まれるＨ2Ｓガスの配合量も変動させる例を含ませた。Ｈ2Ｓガスの配合量の変動量については表７に記載した。
　α－Ａｌ2Ｏ3層の下層部は、たとえば試料Ｂ１では、原料ガスに含まれるＨＣｌガスの配合量を１０体積％として下部層の形成を開始し、３段階（階段状）でＨＣｌガスの配合量を下げ、具体的には８体積％、６体積％、４体積％の順にＨＣｌガスの配合量を下げた後、下部層の形成を完了した。原料ガスに含まれるＨ2Ｓガスの配合量を１体積％として下部層の形成を開始し、３段階（階段状）でその配合量を下げ、具体的には０．８体積％、０．７体積％、０．５体積％の順にＨＣｌガスの配合量を下げた後、下部層の形成を完了した。引き続きＨＣｌガスの配合量を４体積％、Ｈ2Ｓガスの配合量を０．５体積％でそれぞれ一定とし、上部層を形成した。
　試料Ｂ２では、下部層を形成するに際し、原料ガスに含まれるＨＣｌガスの配合量を試料Ｂ１と同じ様に３段階（階段状）で下げる一方、原料ガスに含まれるＨ2Ｓガスの配合量を０．６体積％として一定とした。さらに、たとえば試料Ｂ３では、下部層を形成するに際し、原料ガスに含まれるＨＣｌガスの配合量を試料Ｂ１と同じ様に３段階（階段状）で下げる一方、原料ガスに含まれるＨ2Ｓガスの配合量を０．５体積％として開始し、３段階（階段状）でその配合量を上げ、具体的には０．７体積％、０．８体積％、１体積％の順にＨ2Ｓガスの配合量を上げた後、下部層の形成を完了した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　ここで、表７のＨＣｌガスの変動形態の欄における「階段状」、「連続的」および「急降下」の用語の意味は、表３のそれらと同じである。以上により、α－Ａｌ2Ｏ3層の形成方法（ＨＣｌガスの配合量の変動量、変動形態およびＨ2Ｓガスの配合量の変動量）が異なる試料Ｂ１～Ｂ８の表面被覆切削工具を製造した。
　＜試験の内容＞
　実施例２では上述のとおり、試料Ｂ１～Ｂ８につき各４個の表面被覆切削工具が製造されている。この４個の工具のうち１個目に対し、逃げ面にＸ線を照射し、上述した条件の下でＸ線回折法を用いてα－Ａｌ2Ｏ3層のＴＣ（００６）を測定した。２個目に対し、上述の測定方法によりＥＤＳを用いてα－Ａｌ2Ｏ3層のＣｌの原子濃度およびＳの原子濃度を測定した。３個目に対して耐摩耗性を評価し、４個目に対して耐欠損性を評価した。
　特に、α－Ａｌ2Ｏ3層の下部層におけるＣｌの原子濃度およびＳの原子濃度のは、その厚み方向に等間隔に測定した。具体的には、下層部がα－Ａｌ2Ｏ3層の基材側に隣接するＴｉＣＮＯ層との界面から１．０μｍの厚みを有するため、被膜断面におけるα－Ａｌ2Ｏ3層の基材側に隣接するＴｉＣＮＯ層との界面と接する点から被膜表面側へ０．２μｍ毎に測定点（第１測定点～第５測定点）を設定した。これにより下部層のＣｌの原子濃度およびＳの原子濃度を算出した（図１参照）。さらに、Ｃｌの原子濃度およびＳの原子濃度の算出に基づき、これらの測定点における塩素の原子濃度と該測定点の硫黄の原子濃度とを合わせた加算値ＣClS、および上記測定点における塩素の原子濃度を該測定点の硫黄の原子濃度で除した数値ＣCl/Sも算出した。
　耐摩耗性、耐欠損性および性能ランクの評価方法は、実施例１と同じである。表８において、試料Ｂ１～Ｂ８に関するα－Ａｌ2Ｏ3層のＴＣ（００６）、各測定点でのＣｌの原子濃度、下部層および上部層におけるＣｌの最大原子濃度、ならびに各測定点でのＳの原子濃度を示した。さらに表９において、試料Ｂ１～Ｂ８に関する各測定点での加算値ＣClSおよび数値ＣCl/S、ならびに耐摩耗性および耐欠損性の評価を性能ランクとともに示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　＜評価結果＞
　表８、９から理解されるように、試料Ｂ１～Ｂ６である実施例において、試料Ｂ７～Ｂ８である比較例より、優れた耐摩耗性および耐欠損性を備えると評価することができた。すなわち、塩素がα－Ａｌ2Ｏ3層における下部層の厚み方向において、基材側から遠ざかる方向に原子濃度が減少する濃度分布を有する試料Ｂ１～Ｂ６の表面被覆切削工具は、優れた耐摩耗性を備え、かつ剥離、チッピングなどの被膜の欠損を防いで、長寿命化を達成することができると理解される。
　特に、塩素の下部層における最大原子濃度が０．３原子％未満であること、上部層における最大原子濃度が０．０５原子％未満であること、下部層における塩素の最大原子濃度をＣClMAX-1、上部層における塩素の最大原子濃度をＣClMAX-2としたとき、ＣClMAX-1≧２ＣClMAX-2の関係を満たすことのいずれかの要件を少なくとも満たす試料Ｂ１、試料Ｂ２、試料Ｂ３の耐摩耗性、耐欠損性評価はさらに優れていた。
　さらに、α－Ａｌ2Ｏ3層の厚み方向において、基材側から遠ざかる方向にＣClSが減少する分布を有し、かつ基材側から遠ざかる方向にＣCl/Sが減少する分布を有する試料Ｂ２、Ｂ３は、試料Ｂ１よりも、さらに優れた耐摩耗性、耐欠損性を有することが分かった。
　表４、５、８、９から明らかなように、実施例の表面被覆切削工具は、耐摩耗性、耐欠損性が優れていた。以上の結果、各実施例は各比較例に比して優れ、長寿命化を果たすことができるといえる。
　以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形したりすることも当初から予定している。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　α－Ａｌ2Ｏ3層、２　ＴｉＣＮ層、３　ＴｉＣＮＯ層、４　測定点、４１　第１測定点、４２　第２測定点、４３　第３測定点、４４　第４測定点、４５　第５測定点。

Claims (8)

  1. 　基材と該基材上に形成された被膜とを備えた表面被覆切削工具であって、
    　前記被膜は、α－Ａｌ2Ｏ3層を含み、
    　前記α－Ａｌ2Ｏ3層は、複数のα－Ａｌ2Ｏ3の結晶粒と塩素とを含み、かつ配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）が５を超え、
    　前記α－Ａｌ2Ｏ3層は、その厚み方向において前記基材側に位置する下部層と、前記基材側と反対側に位置する上部層とを含み、
    　前記下部層は、１．０μｍの厚みを有し、
    　前記上部層は、０．５μｍ以上の厚みを有し、
    　前記塩素は、前記下部層の厚み方向において、前記基材側から遠ざかる方向に原子濃度が減少する濃度分布を有する、表面被覆切削工具。
  2. 　前記塩素は、前記下部層における最大原子濃度が０．３原子％未満である、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
  3. 　前記塩素は、前記上部層における最大原子濃度が０．０５原子％未満である、請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具。
  4. 　前記表面被覆切削工具は、前記下部層における前記塩素の最大原子濃度をＣClMAX-1、前記上部層における前記塩素の最大原子濃度をＣClMAX-2としたとき、ＣClMAX-1≧２ＣClMAX-2の関係を満たす、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
  5. 　前記ＴＣ（００６）は、６を超える、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
  6. 　前記下部層は、硫黄を含み、
    　前記下部層は、所定の測定点における前記塩素の原子濃度と前記測定点の前記硫黄の原子濃度とを合わせた加算値をＣClSとしたとき、その厚み方向において、前記基材側から遠ざかる方向に前記ＣClSが減少する分布を有する、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
  7. 　前記下部層は、硫黄を含み、
    　前記下部層は、所定の測定点における前記塩素の原子濃度を前記測定点の前記硫黄の原子濃度で除した数値をＣCl/Sとしたとき、その厚み方向において、前記基材側から遠ざかる方向に前記ＣCl/Sが減少する分布を有する、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
  8. 　請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
    　前記基材上にＣＶＤ法で前記α－Ａｌ2Ｏ3層を含む前記被膜を形成する工程を含み、
    　該工程において、原料ガスに含まれるＨＣｌガスの配合量を６～１０体積％として前記α－Ａｌ2Ｏ3層の形成を開始し、その後前記配合量を０．５～６体積％まで下げる、表面被覆切削工具の製造方法。
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