JP2018051705A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】断続切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体の表面に、ＴｉＡｌＮ層を含む硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、ＴｉＡｌＮ層は、組成式：（ＴｉｘＡｌｙ）Ｎｚで表した場合、０．０５≦ｘ≦０．１７、０．３３≦ｙ≦０．４５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足する（ただし、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）平均組成を有し、ＴｉＡｌＮ層中には、高Ｔｉ組成領域が、層中の任意の方向（三次元的）に均一に分散形成されており、Ｔｉ成分の組成が１．０３ｘ〜１．１５ｘであるＴｉ最高含有点と、０．８５ｘ〜０．９７ｘであるＴｉ最低含有点が繰り返し存在し、かつ、隣り合うＴｉ最高含有点とＴｉ最低含有点との平均間隔は１ｎｍ〜５０ｎｍである。【選択図】 図１

Description

この発明は、合金鋼などの断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

一般に、被覆工具として、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるエンドミル、前記被削材の歯形の歯切加工などに用いられるソリッドホブ、ピニオンカッタなどが知られている。
そして、被覆工具の切削性能改善を目的として、従来から、数多くの提案がなされている。

例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、物理蒸着によって堆積された耐火性層を含むコーティングを含む被覆工具であって、 前記耐火性層がＭ_１−ｘＡｌ_ｘＮ（式中、ｘ≧０．６８であり、ＭがＴｉ、ＣｒまたはＺｒである）を含み、前記耐火性層が立方晶結晶相を含有し、少なくとも２５ＧＰａの硬度を有する厚膜、高硬度および低残留応力の耐摩耗性被覆工具が提案されている。

また、特許文献２には、工具基体表面にＴｉＡｌＮ層からなる硬質被覆層を被覆した被覆工具において、上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点（Ｔｉ最低含有点）とＡｌ最低含有点（Ｔｉ最高含有点）とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ（Ｔｉ）含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．７０〜０．９５を示す）、上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．４０〜０．６５を示す）、をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである耐摩耗性にすぐれた被覆工具が提案されている。

特開２０１５−３６１８９号公報 特開２００３−２１１３０４号公報

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工はますます高速化・高能率化の傾向にあるが、上記従来の被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工に用いた場合には、特段の問題は生じないが、これを、例えば、合金鋼等の断続切削加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷がかかる切削加工に用いた場合には、クラックの発生・伝播を抑制することができず、また、摩耗進行も促進されるため、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

例えば、特許文献１に示される従来被覆工具においては、Ｍ_１−ｘＡｌ_ｘＮの一つの形態であるＴｉＡｌＮ層は高硬度で耐摩耗性にすぐれる層であり、Ａｌ含有量が多いほど耐熱性にすぐれるが、その一方で、Ａｌ量の増加と共に硬さに劣る異方性結晶である六方晶の析出が生じ耐摩耗性が低下するという問題がある。
また、特許文献２に示される従来被覆工具においては、層厚方向に組成変化を形成することで高温硬さと耐熱性、靱性を両立せしめることができるが、層内の異方性によって、層厚と垂直方向のクラックの発生・伝播を十分に防止することはできないという問題がある。

そこで、本発明者等は、上述の観点から、合金鋼などの断続切削加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する切削加工条件下で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を両立し得る被覆工具を開発すべく、硬質被覆層を構成する成分および層構造に着目し研究を行った結果、以下のような知見を得た。

即ち、本発明者は、工具基体表面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物（以下、「ＴｉＡｌＮ」で示す場合がある。）層からなる硬質被覆層を形成した被覆工具において、該層におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める組成割合を比較的高くし、もって、硬質被覆層全体としての耐熱性を確保するとともに、層内には、Ｔｉ成分の組成が相対的に高い領域（Ａｌ成分の組成が相対的に低くなる領域に相当。以下、「高Ｔｉ組成領域」という場合がある。）を任意の方向に均一に分散形成することによって、前記特許文献１に示されるような硬さに劣る異方性結晶である六方晶が形成されるＡｌの高含有率においても耐摩耗性を維持し、かつ前記特許文献２に示されるような硬質被覆層の異方性を解消するとともに、高Ｔｉ組成領域の存在によって硬質被覆層の靱性を向上させることができることを見出した。
したがって、本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する断続切削加工条件下で、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を両立することができるのである。

この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に、０．５〜１０．０μｍの平均層厚のＴｉとＡｌの複合窒化物層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、その組成を、
組成式：（Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙ）Ｎ_ｚ
で表した場合、０．０５≦ｘ≦０．１７、０．３３≦ｙ≦０．４５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１（ただし、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、
前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層中には、前記Ｔｉ成分の平均組成ｘに比して、Ｔｉ成分の組成が相対的に高い領域とＴｉ成分の組成が相対的に低い領域が、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面の任意の異なる方向の複数の線分上に存在することを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面について、工具基体表面に対する傾斜角度がそれぞれ異なる任意の複数本の線分上におけるＴｉ成分の組成を求めた場合、それぞれの線分上において、Ｔｉ成分の組成が１．０３ｘ〜１．１５ｘ（但し、ｘは、前記組成式におけるＴｉ成分の平均組成）の範囲内にあるＴｉ最高含有点と、Ｔｉ成分の組成が０．８５ｘ〜０．９７ｘの範囲内にあるＴｉ最低含有点が繰り返し存在し、かつ、隣り合う前記Ｔｉ最高含有点と前記Ｔｉ最低含有点との平均間隔Ｌは１ｎｍ〜５０ｎｍ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の複合窒化物層の縦断面におけるＡｌ成分の組成の変動幅は、Ａｌ成分の平均組成をｙとした場合、０.０１ｙ〜０．０６ｙであ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ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、立方晶構造の結晶粒と六方晶構造の結晶粒の混合組織からなり、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面に占める立方晶構造の結晶粒の面積割合は３０面積％以上であることを特徴とする(１)乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

つぎに、この発明の被覆工具について、詳細に説明する。

ＴｉＡｌＮ層の平均層厚：
硬質被覆層は、少なくともＴｉＡｌＮ層を含むが、該ＴｉＡｌＮ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、ＴｉＡｌＮ層によって付与される耐摩耗性向上効果が十分に得られず、一方、平均層厚が１０．０μｍを超えると、ＴｉＡｌＮ層の中の歪みが大きくなり自壊しやすくなるため、ＴｉＡｌＮ層の平均層厚を０．５〜１０．０μｍとする。

ＴｉＡｌＮ層の平均組成：
ＴｉＡｌＮ層を、
組成式：（Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙ）Ｎ_ｚ
で表した場合、０．０５≦ｘ≦０．１７、０．３３≦ｙ≦０．４５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足する（ただし、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）平均組成を有することが必要である。
Ｔｉ成分の平均組成を表すｘが０．０５未満である場合、あるいは、Ａｌ成分の平均組成を表すｙが０．４５を超える場合には、立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の形成が困難となり、ＴｉＡｌＮ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができない。
一方、Ｔｉ成分の平均組成を表すｘが０．１７を超える場合、あるいは、Ａｌ成分の平均組成を表すｙが０．３３未満となる場合には、Ａｌ成分が不足し、耐熱性、すなわち高温硬さおよび高温耐酸化性が低下する。
したがって、Ｔｉ成分の平均組成ｘは、０．０５≦ｘ≦０．１７、また、Ａｌ成分の平均組成ｙは、０．３３≦ｙ≦０．４５とする。
また、Ｎ成分の平均組成ｚは、ＴｉとＡｌの複合窒化物の化学量論比である０．５０には限定されず、これと同等な効果が得られる範囲である０．７≦（ｘ＋ｙ）／ｚ≦１．２を満足すればよく、この範囲であれば特段の支障はない。また、工具表面の汚染の影響などで不可避的に含まれる酸素や炭素を除いた評価のため、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１としている。

Ｔｉ成分の分布形態：
本発明では、ＴｉＡｌＮ層中に、Ｔｉ成分の平均組成ｘに比して、Ｔｉ成分の組成が相対的に高い高Ｔｉ組成領域を、ＴｉＡｌＮ層の層中のあらゆる方向に均一に分散させて形成する。
そして、このような高Ｔｉ組成領域を層中に分散させて形成することにより、ＴｉＡｌＮ層全体としての高硬度を維持すると同時に靱性を高めることができるため、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する切削加工条件下で、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮することができる。
また、高Ｔｉ組成領域が、層中のあらゆる方向に均一に分布して存在し、三次元的な高Ｔｉ組成領域の均一分布が確保されることによって、特に、硬質被覆層表面に対する切削加工時の機械的衝撃の大きさおよび方向が変化するような切削加工条件であっても、チッピングに対する耐性が向上する。

本発明のＴｉＡｌＮ層におけるＴｉ成分の分布形態を、より具体的に説明すれば、次のとおりである。

図１（ａ）〜（ｃ）は、ＴｉＡｌＮ層の断面のＴｉ成分の分布形態を測定するための概略説明図である。
図１（ａ）は、本発明のＴｉＡｌＮ層を模式化して表した模式図であって、この図において、高Ｔｉ組成領域は、斑状に分布する濃い灰色の領域として示されている。
図１（ｂ）は、図１（ａ）における一つの方向（工具基体表面と平行。Ａ方向という）の線分上で測定したＴｉ成分の組成変化を示す図であり、また、図１（ｃ）は、前記Ａ方向とは別の方向（工具基体表面に９０度の角度を有する方向。Ｂ方向という）の線分上で測定したＴｉ成分の組成変化を示す図である。
なお、図１（ｂ）、図１（ｃ）においては、Ａ方向とＢ方向は、直交する二本の線分としたが、Ａ方向とＢ方向の線分は、必ずしも直交する二本の線分である必要はなく、例えば、工具基体表面に平行な方向と工具基体表面に対して４５度傾斜する方向の二本の線分でもよく、また、工具基体表面に平行な方向の線分と工具基体表面に対してそれぞれ３０度、６０度傾斜する二本の線分からなる合計三本の線分等であっても良い。
要するに、層断面において、工具基体表面に対して異なる傾斜角度を有する任意の複数本の線分上におけるＴｉ成分の組成変化を求めることによって、ＴｉＡｌＮ層における三次元的なＴｉ成分の分布状態、言い換えれば、三次元的な高Ｔｉ組成領域の分布状態を測定することができる。

例えば、図１（ａ）にその模式図を示したＴｉＡｌＮ層の断面について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）（以下、「ＴＥＭ−ＥＤＳ」という。）により、Ａ方向に沿ってＴｉの組成を測定した場合、図１（ｂ）に示す組成変化が得られ、また、Ａ方向に直交するＢ方向に沿ってＴｉの組成を測定した場合、図１（ｃ）に示す組成変化が得られる。
図１（ｂ）、（ｃ）において、測定されたＴｉ最高含有点を黒丸として示し、また、Ｔｉ最低含有点は三角として示す。

本発明においては、例えば、前記の図１（ｂ）、（ｃ）で示すＡ方向およびＢ方向におけるＴｉ成分の組成変化を測定した後、それぞれの方向におけるＴｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の間隔を測定し、これらの平均値を、Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点との平均間隔Ｌとした場合、Ｌの値は、１ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。
これは、Ｌが１ｎｍ未満では、高Ｔｉ組成領域同士が近接しすぎて形成されることになるため、硬質被覆層の耐摩耗性向上効果を望めず、一方、Ｌが５０ｎｍを超えると、高Ｔｉ組成領域が広くなりすぎるため耐摩耗性が低下するからである。

また、例えば、前記の図1（ｂ）、（ｃ）から、Ａ方向およびＢ方向におけるＴｉ成分のＴｉ最高含有点および最低含有点の値を求めたとき、Ｔｉ最高含有点の値が１．０３ｘ（ｘは、Ｔｉの平均組成）未満の場合、あるいは、Ｔｉ最低含有点の値が０．９７ｘを超える場合には、高Ｔｉ組成領域の形成が十分でないため、高硬度と高靱性の両立を図ることができない。
一方、Ｔｉ最高含有点の値が１．１５ｘを超える場合、あるいは、Ｔｉ最低含有点の値が０．８５ｘ未満の場合には、ＴｉＡｌＮ層内の歪みが大きくなるため、耐チッピング性が低下する。
したがって、Ｔｉ最高含有点の値は、１．０３ｘ〜１．１５ｘの範囲内であることが望ましく、また、Ｔｉ最低含有点の値は、０．８５ｘ〜０．９７ｘの範囲内であることが望ましい。

本発明でいう「Ｔｉ成分の平均組成ｘに比して、Ｔｉ成分の組成が相対的に高い領域が、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の層中のあらゆる方向に均一に分散して形成されている」とは、ＴｉＡｌＮ層の断面について、任意の複数の方向について求めた前記Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点との平均間隔Ｌが１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内であり、しかも、Ｔｉ最高含有点の値が１．０３ｘ〜１．１５ｘの範囲内かつＴｉ最低含有点の値が０．８５ｘ〜０．９７ｘの範囲内であるＴｉ成分の分布形態をいう。

Ａｌ成分の組成の変動幅：
本発明では、Ａｌ成分の分布形態を特に制限するものではないが、Ｔｉ成分の組成が前記の分布形態をとる場合には、Ａｌ成分の組成の変動幅は、０.０１ｙ〜０．０６ｙの範囲内となり、Ａｌ成分の組成の変動幅は、Ｔｉの組成変化（Ｔｉ最高含有点の値は、１．０３ｘ〜１．１５ｘで、Ｔｉ最低含有点の値は、０．８５ｘ〜０．９７ｘで、Ｔｉ最高含有点の値からＴｉ最低含有点の値を引きｘを除した値）に比して小さい。
なお、ｙは、前記組成式におけるＡｌ成分の平均組成である。

ＴｉＡｌＮ層の結晶構造：
本発明のＴｉＡｌＮ層は、立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒と六方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒によって構成され、前述のＴｉ成分の分布形態（およびＡｌ成分の分布形態）を有することによって、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を備える。
しかし、ＴｉＡｌＮ層中の立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の割合が、ＴｉＡｌＮ層の縦断面で観察した面積割合で３０面積％未満になると、ＴｉＡｌＮ層全体としての耐摩耗性が低下することから、ＴｉＡｌＮ層の縦断面に占める立方晶のＴｉＡｌＮ結晶粒の面積割合は、３０面積％以上とすることが望ましい。

ＴｉＡｌＮ層の成膜方法：
前記特徴を備える本発明のＴｉＡｌＮ層は、例えば、以下の方法によって成膜することができる。
図２（ａ）、（ｂ）に、本発明のＴｉＡｌＮ層を成膜するための、アークイオンプレーティング（以下、「ＡＩＰ」という）装置の概略図を示す。
図２（ａ）、（ｂ）に示すＡＩＰ装置内に、所定組成のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを配置するとともに、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体をＡＩＰ装置の回転テーブル上に載置し、工具基体の温度（成膜温度）および成膜時のバイアス電圧を制御してアーク放電を発生させることにより、本発明のＴｉＡｌＮ層を成膜することができる。
特に、低バイアス電圧での成膜工程と高バイアス電圧での成膜工程とを繰り返し行うことによって、高バイアス電圧での成膜で硬質層表面に瞬間的に熱エネルギーを付与することで、自発的に、Ｔｉ成分の前述した分布形態を形成することができる。
また、工具基体の温度を制御することにより、原子の拡散速度を制御し、Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の組成変化幅（１．０３ｘ〜１．１５ｘのＴｉ最高含有点と、０．８５ｘ〜０．９７ｘのＴｉ最低含有点の変動幅）および平均間隔Ｌを調整することができる。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層のＴｉＡｌＮ層を、立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒と六方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒によって構成し、ＴｉＡｌＮ層中に高Ｔｉ組成領域を層中のあらゆる方向に均一に分布するように形成することによって、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する切削加工条件下で、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を両立することができる。
特に、硬質被覆層表面に対する切削加工時の負荷の大きさおよび方向が変化するような場合であっても、ＴｉＡｌＮ層中に、三次元的なあらゆる方向に高Ｔｉ組成領域が均一に分布して存在することによって、層の異方性がなく、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を長期に亘って発揮する。

本発明被覆工具のＴｉＡｌＮ層の断面のＴｉ成分の分布形態を測定するための一つの測定法を例示した概略説明図であり、（ａ）は、本発明のＴｉＡｌＮ層を模式化して表した模式図、（ｂ）は、（ａ）における一つの方向（Ａ方向）の線分に沿って測定したＴｉ成分の組成変化を示す模式図、（ｃ）は、前記（ｂ）におけるＡ方向に直交する方向（Ｂ方向）の線分に沿って測定したＴｉ成分の組成変化を示す図である。 本発明被覆工具のＴｉＡｌＮ層を成膜するのに用いるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。

つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
なお、具体的な説明としては、ＷＣ基超硬合金を工具基体とする被覆工具について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメットあるいは立方晶窒化硼素焼結体を工具基体とする被覆工具についても同様である。

工具基体の作製：
原料粉末として、いずれも０．５〜５μｍの平均粒径を有する、Ｃｏ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＷＣ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ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力でプレス成形し、これらの圧粉成形体を焼結し、所定寸法となるように加工して、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金工具基体１〜２を製造した。

上記の工具基体１〜２のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図２に示すＡＩＰ装置の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、ＡＩＰ装置内に、所定組成のＴｉ−Ａｌ合金ターゲット（カソード電極）を配置し、
まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒータで工具基体を４００℃に加熱した後、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット（カソード電極）に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって工具基体表面をボンバード洗浄し、
ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す窒素圧とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の温度を表２に示す温度範囲内に維持し、表２に示す直流の低バイアス電圧と直流の高バイアス電圧を交互に繰り返して印加し、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット（カソード電極）に表２に示すアーク電流を流してアーク放電を発生させることにより、
表４に示す目標平均層厚、平均組成（ｘ、ｙ、ｚ）、Ｔｉ成分の分布形態（最高含有点と最低含有点の組成および平均間隔Ｌ）、Ａｌ成分の組成の変動幅、立方晶結晶構造の結晶粒の相縦断面に占める面積割合を有する本発明被覆工具１〜１０（以下、本発明工具１〜１０という）をそれぞれ製造した。

比較の目的で、図２に示すＡＩＰ装置を用いて、表３に示す成膜条件でＴｉＡｌＮ層を形成することにより、表５に示す比較例被覆工具１〜１０（以下、比較例工具１〜１０という）をそれぞれ製造した。

上記で作製した本発明工具１〜１０および比較例工具１〜１０のＴｉＡｌＮ層の層全体としての平均組成を、ＴＥＭ−ＥＤＳにより５箇所の視野範囲で面分析し、その測定値の平均値を、ＴｉＡｌＮ層の平均組成ｘ、ｙ、ｚとして求めた。
表４、表５に、それぞれの値を示す。

また、ＴＥＭ−ＥＤＳにより、Ｔｉ成分の分布形態（Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点における組成、平均間隔）およびＡｌ成分の組成の変動幅を測定した。
具体的には、一つの測定範囲において、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＴｉＡｌＮ層の縦断面について、工具基体表面と任意の角度をなす方向をＡ方向とし、また、縦断面に属しかつＡ方向に垂直な方向をＢ方向とし、Ａ方向に沿う線分上及びＢ方向に沿う線分上でＴＥＭ−ＥＤＳにより線分析を行い、それぞれの線分上におけるＴｉ成分の組成を測定し、この測定値から得られた組成変化に基づきＴｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の組成と位置を特定し、さらに、Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の間隔を測定した。
なお、測定した線分の長さは、少なくとも５００ｎｍ以上となるように定めた。
また、前記と同様にして、他の４箇所の測定範囲においても、Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の組成、位置、間隔を測定し、これらの合計５箇所の測定範囲の測定値を平均することにより、Ｔｉ最高含有点とＴｉ最低含有点の組成、位置、平均間隔を求めた。
また、Ｔｉ成分の場合と同様に、線分析を行うことにより、線分上におけるＡｌ成分の組成を測定し、この測定値からＡｌ成分の組成の変動幅を求めた。
表４、表５に、それぞれの値を示す。

また、電子線後方散乱回折装置を用いて、本発明工具１〜１０、比較例工具１〜１０のＴｉＡｌＮ層の工具基体表面に垂直な方向の断面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、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、前記断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射し、工具基体と水平方向に長さ１００μｍ、工具基体表面と垂直な方向の断面に沿って層厚以下の距離の測定範囲内について０．０１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、電子線後方散乱回折像を測定し、個々の結晶粒の測定点での結晶構造を解析することで、立方晶構造または六方晶構造と同定した全測定点数に対する立方晶構造と同定した測定点数の割合から、立方晶構造の結晶粒の面積割合を測定した。なお、０．０１μｍ／ｓｔｅｐの間隔とした測定点は、より詳細には、測定範囲内を充填するように一辺が０．０１μｍの正三角形を配置して、その各々の正三角形の頂点を測定点としており、一つの測定点での測定結果はこの正三角形一つの面積の測定結果を代表する測定結果となっている。従って、上記に示したように、測定点数の割合から面積割合が求められる。
上記測定を５箇所の測定範囲で行い、これらの平均値として、立方晶構造の結晶粒の面積割合を算出した。
表４、表５に、その値を示す。

次いで、本発明工具１〜１０および比較例工具１〜１０について、以下の条件で、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。
切削試験：乾式高速正面フライス、センターカット切削加工、
カッタ径： １２５ ｍｍ、
被削材： ＪＩＳ・ＳＣＭ４４５幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
一刃送り量： ０．２ ｍｍ／刃、
切削時間： ９分、
表６に、試験結果を示す。

表６に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層としてＴｉＡｌＮ層を含み、該には、高Ｔｉ組成領域が三次元的に均一に分布して存在し、これによって、靱性が向上し、かつ、層中の異方性がないために、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼の断続切削加工において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する。

これに対して、ＴｉＡｌＮ層中に、高Ｔｉ組成領域が形成されていない比較例の被覆工具は、チッピングの発生によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

この発明の被覆工具は、合金鋼などの断続切削加工に供した場合に、すぐれた耐チッピング性とともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、切削加工装置のＦＡ化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (4)

1. ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に、０．５〜１０．０μｍの平均層厚のＴｉとＡｌの複合窒化物層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
   前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、その組成を、
   組成式：（Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙ）Ｎ_ｚ
   で表した場合、０．０５≦ｘ≦０．１７、０．３３≦ｙ≦０．４５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１（ただし、ｘ、ｙ、ｚはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、
   前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層中には、前記Ｔｉ成分の平均組成ｘに比して、Ｔｉ成分の組成が相対的に高い領域とＴｉ成分の組成が相対的に低い領域が、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面の任意の異なる方向の複数の線分上に存在することを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面について、工具基体表面に対する傾斜角度がそれぞれ異なる任意の複数本の線分上におけるＴｉ成分の組成を求めた場合、それぞれの線分上において、Ｔｉ成分の組成が１．０３ｘ〜１．１５ｘ（但し、ｘは、前記組成式におけるＴｉ成分の平均組成）の範囲内にあるＴｉ最高含有点と、Ｔｉ成分の組成が０．８５ｘ〜０．９７ｘの範囲内にあるＴｉ最低含有点が繰り返し存在し、かつ、隣り合う前記Ｔｉ最高含有点と前記Ｔｉ最低含有点との平均間隔Ｌは１ｎｍ〜５０ｎｍ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。
3. 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面におけるＡｌ成分の組成の変動幅は、Ａｌ成分の平均組成をｙとした場合、０.０１ｙ〜０．０６ｙであることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、立方晶構造の結晶粒と六方晶構造の結晶粒の混合組織からなり、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面に占める立方晶構造の結晶粒の面積割合は３０面積％以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。