JP4351521B2

JP4351521B2 - 表面被覆切削工具

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Publication number: JP4351521B2
Application number: JP2003397310A
Authority: JP
Inventors: 博規石井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005153098A

Description

本発明は、優れた耐チッピング性および耐摩耗性を有する硬質被覆膜を表面に被着形成した表面被覆切削工具に関し、特に金属の断続切削等の大きな衝撃が切刃にかかるような切削に際しても、安定して優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する表面被覆切削工具に関する。

従来より、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、超硬合金やサーメット、セラミックス等の母材の表面に、ＴｉＣ膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＣＮ膜およびＡｌ_２Ｏ_３膜等の硬質被覆膜を複数層被着形成した表面被覆切削工具が多用されている。

かかる表面被覆切削工具においては、最近の切削加工の高能率化に従って金属の重断続切削等の大きな衝撃が切刃にかかるような過酷な切削条件で使われるようになっており、従来の工具では硬質被覆膜が突発的に発生する大きな衝撃に耐えきれず、チッピングや硬質被覆膜の剥離によって母材が露出してしまい、これが引き金となって切刃に大きな欠損や異常摩耗が発生して工具寿命の長寿命化ができないという問題があった。

そこで、特許文献１には、筋状ＴｉＣＮ結晶（縦長成長ＴｉＣＮ結晶）からなるＴｉＣＮ膜を設けるとともに、その間を粒状のＴｉＮ層で分割することにより層間剥離を抑制でき、工具の耐欠損性が向上すると記載されている。

また、特許文献２には、筋状ＴｉＣＮ結晶（縦長成長ＴｉＣＮ結晶）からなるＴｉＣＮ膜の炭素Ｃと窒素Ｎとの比率を変えた構成とし、上層（Ａｌ_２Ｏ_３膜）側を窒素の含有量の多いＴｉＣＮ膜、下層（母材）側を炭素の含有量の多いＴｉＣＮ膜とすることにより、高速切削におけるチッピングの発生を低減できることが記載されている。
特許第３２３０３７２号公報特開２０００−１５８２０５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたＴｉＣＮ膜の構成によっても、重断続切削等の突発的に大きな衝撃がかかるような切削においては、依然としてＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜との界面にてチッピングや硬質被覆膜の剥離が発生する場合があったり、逆に硬質被覆膜全体が剥離して母材が露出してしまい急激に摩耗が進行する場合もあり、いずれの場合にも工具寿命が短くなっていた。

また、特許文献２のようにＡｌ_２Ｏ_３膜側を窒素含有量の多いＴｉＣＮ膜−下層を炭素含有量の多いＴｉＣＮ膜にて構成した場合、高切込みや高送りなどの高速切削におけるチッピング性は全体的に向上する。しかしながら、被削材がねずみ鋳鉄（ＦＣ材）やダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ材）等の鋳物である場合や、鋼であっても被削材の性能バラツキによって部分的に硬かったり形状の異常があったりする場合には、チップの切刃に突発的に大きな衝撃がかかってＴｉＣＮ膜も含めて被覆膜が剥離して母材が露出してしまい、急激に摩耗が進行するという問題があった。さらには、チップ間の性能バラツキによって最も耐摩耗性と耐欠損性に大きな影響を与えるＡｌ_２Ｏ_３膜の膜厚が薄くなると耐摩耗性の低下によって塑性変形を引き起こし、逆にＡｌ_２Ｏ_３膜の膜厚が厚く成膜されたような場合には、被覆膜がＴｉＣＮ膜も含めて剥離して母材が露出してしまい急激に摩耗が進行するという不具合が発生し、膜厚に対応する特性バラツキが顕著であった。

従って、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、断続切削等の突発的に工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、連続切削等の耐摩耗性が重視される切削条件においても、安定して母材−ＴｉＣＮ膜−Ａｌ_２Ｏ_３膜の層間でチッピングや剥離が発生することなく、ばらつきなく優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する長寿命の切削工具を提供することにある。

本発明者は、上記課題に対し、母材表面にＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜を順に設けた硬質被覆膜を具備する切削工具において、耐摩耗性を損なわずに耐欠損性を高める方法について検討した。その結果、ＴｉＣＮ膜を母材との界面に対して垂直な方向に成長した筋状ＴｉＣＮ結晶とするとともに、上層（前記Ａｌ_２Ｏ_３膜）側に１．５≦Ｃ／Ｎ≦４である炭素冨化ＴｉＣＮ膜を、下層（母材）側に０．２≦Ｃ／Ｎ≦０．７である窒素冨化ＴｉＣＮ膜を配置する構成とした。これによって、連続切削においては母材−ＴｉＣＮ膜−Ａｌ_２Ｏ_３膜間で硬質被覆膜が剥離することなく高い耐摩耗性を発揮する。また、断続切削において、例え突発的に大きな衝撃が硬質被覆膜にかかったときでも、Ａｌ_２Ｏ_３膜が炭素冨化ＴｉＣＮ膜に対して最適な付着力を有するために、炭素冨化ＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜との界面にてＡｌ_２Ｏ_３膜がわずかに剥離したりクラックを発生させたりすることによって衝撃を吸収することができる。そのために、Ａｌ_２Ｏ_３膜が広範囲にわたって剥離したり、硬質被覆膜全体がチッピングしたり剥離したりすることを防止できる。さらに、Ａｌ_２Ｏ_３膜が剥離した後に残存して露出する炭素冨化ＴｉＣＮ膜も高い耐摩耗性を有することから、例え試料間バラツキによってＡｌ_２Ｏ_３膜の膜厚が厚くなって硬質被覆膜の耐欠損性が低下したり、Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚が薄くなって硬質被覆膜の耐摩耗性が低下した場合でも、塑性変形することなく、残ったＴｉＣＮ膜がカバーして安定した耐摩耗性および耐欠損性を発揮することを知見した。

上記効果は、ねずみ鋳鉄（ＦＣ材）やダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ材）のような高硬度黒鉛粒子が分散した鋳鉄等の金属の重断続切削等のような工具切刃に強い衝撃がかかる過酷な切削条件や、連続切削条件、さらにはこれら断続切削と連続切削とを組み合わせた複合切削条件において得に有効であり、優れた耐摩耗性および耐欠損性を安定して有する切削工具が得られるものである。

すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、硬質合金からなる母材の表面に、少なくともＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜とを順次被着形成した硬質被覆膜を具備し、前記ＴｉＣＮ膜が、縦断面で見て、前記母材との界面に対して垂直な方向に成長した筋状ＴｉＣＮ結晶からなるとともに、前記ＴｉＣＮ膜の炭素Ｃと窒素Ｎの構成比Ｃ／Ｎが、前記Ａｌ_２Ｏ_３膜側の最上層に位置して１．５≦Ｃ／Ｎ≦４である炭素冨化ＴｉＣＮ膜と、該炭素冨化ＴｉＣＮ膜の下層に位置して該炭素冨化ＴｉＣＮ膜との界面が不連続な組織からなり０．２≦Ｃ／Ｎ≦０．７である窒素冨化ＴｉＣＮ膜と、の構成比Ｃ／Ｎの異なる２層以上にて構成し、かつＸ線回折パターンにおいて回折角２θ＝６０．４°〜６１．５°の範囲内に前記ＴｉＣＮ膜のピークが２本以上存在するとともに、前記窒素冨化ＴｉＣＮ膜の膜厚みｔ _Ｎに対する炭素冨化ＴｉＣＮ膜の膜厚みｔ _Ｃの比ｔ _Ｃ／ｔ _Ｎが０．８〜１．２であり、さらに前記ＴｉＣＮ膜において、前記炭素冨化ＴｉＣＮ膜中の筋状ＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅が前記窒素冨化ＴｉＣＮ膜中の筋状ＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅より大きいことを特徴とするものである。

ここで、炭素冨化ＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜の間にＴｉ（Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ）（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１）の中間膜が存在することが、炭素冨化ＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜の界面での付着力を最適化させることができるとともに、Ａｌ_２Ｏ_３膜中のＡｌ_２Ｏ_３の結晶構造をα−Ａｌ_２Ｏ_３としやすいため、硬質被覆膜全体としての耐摩耗性および耐欠損性を高めるために望ましい。なお、数種類あるＡｌ_２Ｏ_３の結晶構造のなかで、α−Ａｌ_２Ｏ_３は高温で安定であり高温特性に優れるという長所を持つ。

また、前記Ａｌ_２Ｏ_３膜の厚みが１〜１０μｍ、ＴｉＣＮ膜の総厚みが３〜１５μｍであることが、硬質皮膜全体として耐摩耗性および耐欠損性のバランスを最適化するために望ましい。

さらに、前記窒素冨化ＴｉＣＮ膜の厚みｔ_Ｎに対する炭素冨化ＴｉＣＮ膜の厚みｔ_Ｃがｔ_Ｃ／ｔ_Ｎの比率で０．８〜１．２であることが、耐摩耗、耐欠損性の性能のバランスを最適化するために重要である。

さらには、前記ＴｉＣＮ膜が、前記炭素冨化ＴｉＣＮ膜中の筋状ＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅が前記窒素冨化ＴｉＣＮ膜中の筋状ＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅より大きいことが、膜界面での付着力を向上させるために重要である。

上記本発明の表面被覆切削工具は、母材表面にＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜を順に設けた硬質被覆膜において、ＴｉＣＮ膜を母材との界面に対して垂直な方向に成長した筋状ＴｉＣＮ結晶とするとともに、前記Ａｌ_２Ｏ_３膜側に１．５≦Ｃ／Ｎ≦４である炭素冨化ＴｉＣＮ膜を、下層に０．２≦Ｃ／Ｎ≦０．７である窒素冨化ＴｉＣＮ膜を配することによって、連続切削において母材−ＴｉＣＮ膜−Ａｌ_２Ｏ_３膜間で硬質被覆膜が剥離することなく高い耐摩耗性を発揮できる。また、断続切削において、例え突発的に大きな衝撃が硬質被覆膜にかかったときでも、炭素冨化ＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜との界面にてＡｌ_２Ｏ_３膜がわずかに剥離したりクラックを発生させたりすることによって衝撃を吸収して、Ａｌ_２Ｏ_３層が広範囲にわたって剥離したり、硬質被覆膜全体がチッピングしたり剥離したりすることを防止できる。さらに、Ａｌ_２Ｏ_３膜が剥離した後に残存した炭素冨化ＴｉＣＮ膜も高い耐摩耗性を有することから、例え試料間バラツキによってＡｌ_２Ｏ_３膜の膜厚が厚くなって硬質被覆膜の耐欠損性が低下したり、Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚が薄くなって硬質被覆膜の耐摩耗性が低下した場合でも、残ったＴｉＣＮ膜がカバーして安定した耐摩耗性および耐欠損性を発揮する。

特に、本発明の上記構成は、ねずみ鋳鉄（ＦＣ材）やダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ材）のような高硬度黒鉛粒子が分散した鋳鉄等の金属の重断続切削等のような工具切刃に強い衝撃がかかる過酷な切削条件や、連続切削条件、さらにはこれら断続切削と連続切削とを組み合わせた複合切削条件において、優れた耐摩耗性および耐欠損性を発揮するものである。

本発明の表面被覆切削工具の一例について説明する。

本発明の表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す。）は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）の鉄属金属からなる結合相にて結合させた超硬合金、または炭化チタン（ＴｉＣ）や炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を含んで周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）の鉄属金属から成る結合相にて結合させたサーメット、さらには、ダイヤモンド質焼結体、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）質焼結体等の硬質合金からなる母材の表面に硬質被覆膜を被着形成したものである。

本発明によれば、硬質被覆膜として、少なくとも炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層とを順次被着形成した構成からなり、ＴｉＣＮ膜が母材との界面に対して垂直な方向に成長した筋状ＴｉＣＮ結晶からなるとともに、ＴｉＣＮ膜の炭素Ｃと窒素Ｎの構成比Ｃ／Ｎが、前記Ａｌ_２Ｏ_３膜側の最上層に位置する１．５≦Ｃ／Ｎ≦４である炭素冨化ＴｉＣＮ膜と、該炭素冨化ＴｉＣＮ膜の下層に位置する０．２≦Ｃ／Ｎ≦０．７である窒素冨化ＴｉＣＮ膜と、の構成比Ｃ／Ｎの異なる２層以上にて構成し、かつＸ線回折パターンにおいて回折角２θ＝６０．４°〜６１．５°の範囲内にＴｉＣＮ膜のピークが２本以上存在することが大きな特徴である。なお、ＴｉＣＮ膜の炭素Ｃと窒素ＮとのＣ／Ｎ比は、被覆膜の破断面もしくは破断面を鏡面加工した加工面についてオージェ電子分光分析器を用いて測定面からの深さが１μｍの位置にて測定する。

上記構成によって、母材とＴｉＣＮ膜（炭素冨化ＴｉＣＮ膜と窒素冨化ＴｉＣＮ膜）とＡｌ_２Ｏ_３層間の層間密着性を向上させ、かつＡｌ_２Ｏ_３層の密着力を適正な範囲に制御することができ、連続切削時には硬質被覆膜が剥離することなく優れた耐摩耗性を発揮し、断続切削時には例え突発的に大きな衝撃が被覆膜にかかったときでもＡｌ_２Ｏ_３層が微小剥離やクラックの生成等によって衝撃を吸収できる。それにより、Ａｌ_２Ｏ_３層が広範囲にわたって剥離したり、硬質被覆膜全体がチッピングしたり剥離したりすることを防止できる。さらに、その後、Ａｌ_２Ｏ_３層が剥離した後にも残存し露出した炭素冨化ＴｉＣＮ膜が高い耐摩耗性を備えるので、急激に摩耗が進行することなく、安定した耐摩耗性および耐欠損性を有する工具１が得られる。

ここで、Ｘ線回折パターンにおいて回折角２θ＝６０．４°〜６１．５°の範囲内に存在する２本以上のＴｉＣＮ膜のピークのうち、低角度側に観測されるピークは炭素冨化ＴｉＣＮ膜に起因するピークであり、高角度側に観測されるピークは窒素冨化ＴｉＣＮ膜に起因するピークである。

なお、本発明のＴｉＣＮ膜（炭素冨化ＴｉＣＮ膜、窒素冨化ＴｉＣＮ膜）は、硬質被覆膜の厚み方向（母材との界面に対して垂直な方向）の結晶長さ／平均結晶幅＝アスペクト比が２以上の筋状ＴｉＣＮ結晶からなることが望ましく、縦断面組織にて観察したとき、粒状ＴｉＣＮ結晶が３０面積％以下の割合で混合した混晶であってもよい。

また、窒素冨化ＴｉＣＮ膜の厚みｔ_Ｎに対する炭素冨化ＴｉＣＮ膜の厚みｔ_Ｃがｔ_Ｃ／ｔ_Ｎの比率で０．８〜１．２であることが、耐摩耗、耐欠損性の性能のバランスを最適化するために重要である。

さらに、ＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜以外に、ＴｉＮ膜、ＴｉＣ膜、ＴｉＣＮＯ膜、ＴｉＣＯ膜、ＴｉＮＯ膜の群から選ばれる少なくとも１層が含まれていてもよくこれによって、母材の成分の拡散防止、硬質被覆膜の各層間密着力の向上、工具表面を明るい色にして使用の有無を識別する等の効果をもたせることもできる。さらに、ＴｉＣＮ膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜の組織、結晶構造を制御することも可能である。

具体的には、ＴｉＣＮ膜と母材の間に、付着力向上および母材成分の拡散による耐摩耗性の低下を防ぐため窒化チタン（ＴｉＮ）層（最下層）を被覆することが望ましい。また、ＴｉＮ層の層厚は０．１〜２μｍの範囲であることが付着力の低下を防ぐ点で望ましい。

また、Ａｌ_２Ｏ_３膜の上層に、硬質被覆膜の表面層としてＴｉＮ層（表層）を形成することによって、工具が金色を呈するため、工具１を使用したときに表層が摩耗して使用済みかどうかの判別がつきやすく、また、摩耗の進行を容易に確認できるため望ましい。

一方、本発明に使用されるＡｌ_２Ｏ_３膜としては、結晶構造がα型であることが望ましい。しかし、α型結晶構造をもつＡｌ_２Ｏ_３は優れた耐摩耗性を持つが、ＴｉＣＮ膜４との付着力は極端に弱くなりやすい。そこで、Ａｌ_２Ｏ_３膜の下層に位置する炭素冨化ＴｉＣＮ膜の平均粒子幅は０．５〜１μｍとすることが望ましい。

なお、Ａｌ_２Ｏ_３膜をα型結晶構造とする場合には、ＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜との間に０．２μｍ以下のＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層またはＴｉＣＮＯ層のいずれかよりなる中間層を介装することにより安定してα型結晶構造を成長させることができる。

また、Ａｌ_２Ｏ_３膜の層厚が１〜１０μｍ、特に３〜８μｍ、さらに３．５〜７μｍであり、かつＴｉＣＮ膜４の総膜厚が３〜１５μｍ、特に５〜１０μｍあることが耐摩耗性、特に鋳鉄に対する耐摩耗性および耐溶着性を維持しつつ、膜剥離を防止して耐欠損性を高めることができる点で望ましい。

（製造方法）
上述した表面被覆切削工具を製造するには、まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形した後、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金からなる母材を作製する。

次に、上記母材２の表面を所望によって研磨加工した後、その表面に例えば化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって硬質被覆膜を成膜する。筋状ＴｉＣＮ膜４の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積％でＴｉＣｌ_４ガスを０．１〜１０体積％、Ｎ_２ガスを０〜８０体積％、ＣＨ_４ガスを０〜０．１体積％、ＣＨ_３ＣＮガスを０．１〜３体積％、残りがＨ_２ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａにて成膜する。

ここで、本発明では、ＴｉＣＮ膜のＣ／Ｎ比を変えるために、反応ガスの量を変える。ＴｉＣＮ膜の構成比１．５≦Ｃ／Ｎ≦４の炭素冨化ＴｉＣＮ膜を成膜するには、ＣＨ_３ＣＮガスを０．９〜３．０体積％にし、Ｎ_２ガスを３０〜４０体積％にする。構成比０．２≦Ｃ／Ｎ≦０．７の窒素冨化ＴｉＣＮ膜を成膜するには、ＣＨ_３ＣＮガスを０．１〜０．７体積％、Ｎ_２ガスを３５〜４５体積％にすることで調整可能である。

ここで、上記成膜条件のうち、反応ガス中のＣＨ_３ＣＮガスの割合が０．１体積％より少ないと筋状ＴｉＣＮ結晶に成長させることができず粒状結晶となる。また、上記反応ガス流量が上記範囲を外れるとＴｉＣＮ膜のＣ／Ｎ比が本発明の範囲から外れる傾向にある。さらに、ＴｉＣＮ膜を成膜する際の成膜温度を８５０℃〜１０５０℃の範囲で調整することによりＴｉＣＮ膜中の筋状ＴｉＣＮ粒子の結晶幅を変えることができる。

そして、本発明によれば、引き続き、Ａｌ_２Ｏ_３膜を成膜する。Ａｌ_２Ｏ_３膜の成膜方法としては、ＡｌＣｌ_３ガスを３〜２０体積％、ＨＣｌガスを０．５〜３．５体積％、ＣＯ_２ガスを０．０１〜５．０体積％、Ｈ_２Ｓガスを０〜０．０１体積％、残りがＨ_２ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａとするにより成膜できる。

また、ＴｉＮ膜を成膜するには、反応ガス組成としてＴｉＣｌ_４ガスを０．１〜１０体積％、Ｎ_２ガスを０〜６０体積％、残りがＨ_２ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａとすればよい。

さらに、ＴｉＣＮＯ膜、ＴｉＣＯ膜、ＴｉＮＯ膜を成膜するには、ＴｉＣｌ_４ガスを０．１〜３体積％、ＣＨ_４ガスを０〜１０体積％、ＣＯ_２ガスを０．０１〜５体積％、Ｎ_２ガスを０〜６０体積％、残りがＨ_２ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜８５ｋＰａとすればよい。

平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％、平均粒径２．０μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．５質量％、ＴａＣ粉末を５質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。

そして、上記超硬合金に対して、ＣＶＤ法により表１に示す条件で各種の硬質被覆膜を形成して表２に示す多層膜構成からなる試料Ｎｏ．１〜１０の表面被覆切削工具を作製した。得られた工具のすくい面について、２θ＝１０〜７０°の範囲でＸ線回折測定を行ない、その回折パターンからＪＣＰＤＳカードに基づいてＴｉＮ及びＴｉＣのピーク（２θ＝６１．９８°、６０．２４°）を同定するとともに、回折角２θ＝６０．４°〜６１．５°の範囲内に存在するＴｉＣＮ膜のピークの本数を確認した。なお、回折角２θ＝６０．４°〜６１．５°の範囲内に存在するピークの形がいびつでピークの本数が確認できない場合には、回折角２θ＝６０〜６５°の範囲で再度精密なＸ線回折測定を行ないピークの本数を特定した。結果は表２に示した。

そして、この切削工具を用いて下記の条件により、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。

（連続切削試験）
被削材：ダクタイル鋳鉄スリーブ材（ＦＣＤ７００）
工具形状：ＣＮＭＡ１２０４１２
切削速度：２５０ｍ／分
送り速度：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削時間：２５分
その他：水溶性切削液使用
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、フランク摩耗量・先端摩耗量を測定
（断続試験）
被削材：ダクタイル鋳鉄４本溝付スリーブ材（ＦＣＤ７００）
工具形状：ＣＮＭＡ１２０４１２
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他：水溶性切削液使用
評価項目：欠損に至る衝撃回数（試料１０個を評価した際の最小値）

表２、３より、ＴｉＣＮ膜を１層のみ成膜したＮｏ．７では、耐欠損性が低いものであった。

また、母材側からＣ／Ｎ比が３の炭素冨化ＴｉＣＮ膜、Ｃ／Ｎ比が０．４５の窒素冨化ＴｉＣＮ膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜の順に成膜した構成のＮｏ．８では、Ａｌ_２Ｏ_３膜が剥離する際にＴｉＣＮ膜ごと剥離して母材が露出してしまい、早期に剥離やチッピングが生じて、連続切削、断続切削ともに本発明品よりも劣る結果となった。

これに対して、本発明に従い、母材側から０．２≦Ｃ／Ｎ≦０．７である窒素冨化ＴｉＣＮ膜、１．５≦Ｃ／Ｎ≦４である炭素冨化ＴｉＣＮ膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜と順次成膜し、かつＸ線回折パターンにおいて回折角２θ＝６０．４°〜６１．５°の範囲内に前記ＴｉＣＮ膜のピークが２本以上存在した構成のＮｏ．１〜６では連続切削においても断続切削においてもばらつきなく長寿命であり、安定して耐欠損性および耐摩耗性とも優れた切削性能を有するものであった。

Claims

硬質合金からなる母材の表面に、少なくともＴｉＣＮ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜とを順次被着形成した硬質被覆膜を具備し、前記ＴｉＣＮ膜が、縦断面で見て、前記母材との界面に対して垂直な方向に成長した筋状ＴｉＣＮ結晶からなるとともに、前記ＴｉＣＮ膜の炭素Ｃと窒素Ｎの構成比Ｃ／Ｎが、前記Ａｌ_２Ｏ_３膜側の最上層に位置して１．５≦Ｃ／Ｎ≦４である炭素冨化ＴｉＣＮ膜と、該炭素冨化ＴｉＣＮ膜の下層に位置して該炭素冨化ＴｉＣＮ膜との界面が不連続な組織からなり０．２≦Ｃ／Ｎ≦０．７である窒素冨化ＴｉＣＮ膜と、の構成比Ｃ／Ｎの異なる２層以上にて構成し、かつＸ線回折パターンにおいて回折角２θ＝６０．４°〜６１．５°の範囲内に前記ＴｉＣＮ膜のピークが２本以上存在するとともに、前記窒素冨化ＴｉＣＮ膜の膜厚みｔ _Ｎに対する炭素冨化ＴｉＣＮ膜の膜厚みｔ _Ｃの比ｔ _Ｃ／ｔ _Ｎが０．８〜１．２であり、さらに前記ＴｉＣＮ膜において、前記炭素冨化ＴｉＣＮ膜中の筋状ＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅が前記窒素冨化ＴｉＣＮ膜中の筋状ＴｉＣＮ結晶の平均結晶幅より大きいことを特徴とする表面被覆切削工具。
前記炭素冨化ＴｉＣＮ膜と前記Ａｌ_２Ｏ_３膜の間にＴｉ（Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ）（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１）の中間膜が存在することを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
前記Ａｌ_２Ｏ_３膜の厚みが１〜１０μｍ、前記ＴｉＣＮ膜の総厚みが３〜１５μｍであることを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆切削工具。