JP7121234B2

JP7121234B2 - 硬質被覆層が優れた耐チッピング性を発揮する表面切削工具

Info

Publication number: JP7121234B2
Application number: JP2018131117A
Authority: JP
Inventors: 光亮柳澤; 卓也石垣; 賢一佐藤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: JP2020006487A

Description

本発明は、鋳鉄のように靱性が要求される被削材の切削加工において、特に切刃に対して衝撃的な負荷が作用する高速断続切削加工時に硬質被覆層が優れた耐チッピング性を備えることにより、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、「被覆工具」ということがある）に関するものである。

従来、一般に、炭化タングステン（以下、「ＷＣ」で示す）基超硬合金、炭窒化チタン（以下、「ＴｉＣＮ」で示す）基サーメットあるいは立方晶窒化ホウ素（以下、「ｃＢＮ」で示す）基超高圧焼結体で構成された工具基体（以下、これらを総称して「工具基体」という）の表面に、硬質被覆層として、Ｔｉ－Ａｌ系の複合窒化物層をＰＶＤ法やＣＶＤ法により被覆形成した被覆工具があり、これらは、優れた耐摩耗性を発揮することが知られている。
ただ、前記従来のＴｉ－Ａｌ系の複合窒化物層や複合炭窒化物層を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速断続切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいことから、硬質被覆層の改善についての種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、硬質被覆層として、Ｔｉ_１－ｘＡｌ_ｘＮ層および／またはＴｉ_１－ｘＡｌ_ｘＣ層および／またはＴｉ_１－ｘＡｌ_ｘＣＮ層（式中、ｘは０．６５～０．９５である）の上にＡｌ_２Ｏ_３層が外層として配置されている被覆工具が記載されている。

また、例えば、特許文献２には、硬質被覆層として、外層が、Ｔｉ_１－ｘＡｌ_ｘＮ、Ｔｉ_１－ｘＡｌ_ｘＣ、および／またはＴｉ_１－ｘＡｌ_ｘＣＮ（式中、０．６５≦ｘ≦０．９、好ましくは０．７≦ｘ≦０．９）からなり、この外層が１００～１１００ＭＰａの範囲内、好ましくは４００～８００ＭＰａの範囲内の圧縮応力を有し、ＴｉＣＮ層またはＡｌ_２Ｏ_３層がこの外層の下に配置されている被覆工具が記載されている。

さらに、例えば、特許文献３には、工具基体と、その表面に形成された硬質被膜とを含む表面被覆切削工具であって、前記硬質被膜は、１または２以上の層により構成され、前記層のうち少なくとも１層は、ＣＶＤ法により形成され、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造を含み、前記第１単位層は、Ｔｉと、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とを含む第１化合物を含み、前記第２単位層は、Ａｌと、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とを含む第２化合物を含む、被覆工具が記載されている。

加えて、例えば、特許文献４には、工具基体と、その表面に形成された硬質被膜とを含む表面被覆切削工具であって、前記硬質被膜は１または２以上の層により構成され、前記層のうち少なくとも１層は、硬質粒子を含む層であり、前記硬質粒子は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造を含み、前記第１単位層は、周期表の４族元素、５族元素、６族元素およびＡｌからなる群より選ばれる１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる第１化合物を含み、前記第２単位層は、周期表の４族元素、５族元素、６族元素およびＡｌからなる群より選ばれる１種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる第２化合物を含む、被覆工具が記載されている。

特表２０１１－５１６７２２号公報特表２０１１－５１３５９４号公報特開２０１４－１２８８４８号公報特開２０１４－１２９５６２号公報

近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、高効率化の傾向にあり、被覆工具には、より一層、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の耐異常損傷性が求められるとともに、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性が求められている。
しかし、前記特許文献１～４に記載された被覆工具は、所定の硬さを有し耐摩耗性に優れているものの靱性に劣るため、鋳鉄の高速断続切削加工等に供したときに、チッピング、欠損等の異常損耗が発生しやすく、満足できる切削性能を有しているとはいえない。

そこで、本発明は前記課題を解決し、鋳鉄の高速断続切削等に供した場合であっても、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者は、ＴｉとＡｌとの複合窒化物または複合炭窒化物（以下、「ＴｉＡｌＣＮ」と表すことがある）層を少なくとも含む硬質被覆層を工具基体に設けた被覆工具の耐チッピング性の改善を図るべく、鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得た。

すなわち、アモルファス相を主とする金属酸化物層がＴｉＡｌＣＮ層の直上に存在することにより、耐酸化性が優れ、さらに、摩擦抵抗を低減し刃先で生じる切削熱を低減することによって刃先温度を下げ、熱亀裂の発生進展を抑制するという驚くべき知見を得た。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットまたは立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体のいずれかで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層とその直上に金属酸化物層を含む被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１．０～２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒酸化物層は、工具基体の表面と垂直な縦断面から分析した場合、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を７０面積％以上含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層の組成を組成式：（Ｔｉ_１－ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１－ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉおよびＡｌの合量に占める平均含有割合ｘ_ａｖｇ、ＣのＣおよびＮの合量に占める平均含有割合ｙ_ａｖｇ（ただし、ｘ_ａｖｇ、ｙ_ａｖｇはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦ｘ_ａｖｇ≦０．９５、０．００００≦ｙ_ａｖｇ≦０．００５０を満足し、
（ｄ）前記金属酸化物層の平均層厚は０．１～５．０μｍであり、
（ｅ）前記金属酸化物層は、５.０原子％以上のＡｌ、３０.０原子％以上のＯ原子、および０．５原子％以上２０．０原子％以下のＭｎ原子を含み、
（ｆ）前記金属酸化物層は、アモルファス相が占める割合が５０面積％～１００面積％を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記金属酸化物層は、Ｃ原子を０．５原子％以上１０．０原子％以下含むことを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記金属酸化物層は、Ｓｉ原子を０．５原子％以上２０．０原子％以下含むことを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
である。

本発明に係る被覆工具は、ＴｉＡｌＣＮ層の直上にアモルファス相を主とする金属酸化物層が存在することにより、優れた耐酸化性を有し、特にすくい面において、当該金属酸化物層が軟質であるため切屑の排出を容易にして摩耗を低減させ刃先温度を下げることができ、熱亀裂の発生、進展を抑制するという優れた効果を発揮する。

本発明に係る被覆工具の一実施態様を示す断面模式図である。

次に、本発明の被覆工具の硬質被覆層について、より具体的に説明する。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「～」で表現するとき、その範囲は上限および下限の数値を含んでいる。

１．ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚
ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚は、１．０～２０．０μｍとする。その理由は、平均層厚が１．０μｍ未満であると、層厚が薄いため長期の使用にわたって耐摩耗性を十分に発揮することができず、一方、平均層厚が２０．０μｍを超えると、ＴｉＡｌＣＮ層の結晶粒が粗大化しやすくなって、チッピングが発生しやすくなるためである。なお、より好ましい平均層厚は、３．０～１５．０μｍである。

ここで、ＴｉＡｌＣＮ層の平均層厚は、工具基体に垂直な方向の断面（縦断面）を研磨し、研磨した断面を走査型電子顕微鏡を用いて適切な倍率（例えば、倍率５０００倍）で測定し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して求めることができる。

２．ＴｉＡｌＣＮ層のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合
ＴｉＡｌＣＮ層におけるＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が７０面積％以上存在することが必要である。その理由は、ＮａＣｌ型の面心立方構造は高硬度であるため、六方晶構造の結晶粒が存在してもＴｉＡｌＣＮ層の硬さを確保することができるが、７０面積％未満であると硬さが不十分になりチッピング等の異常損傷を生じやすくなる。一方、この面積割合は高い方が望ましいため、９５面積％以上であることがより望ましく、上限値は１００面積％である。

ここで、ＮａＣｌ型の面心立方構造の面積割合は以下のような手順で算出できる。ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒の面積割合は電子線後方散乱回折装置を用いて縦断面において膜厚方向に０．１μｍ間隔で解析し、幅１０μｍ、縦は膜厚の範囲内での測定を５視野で実施し、該複合窒化物または複合炭窒化物層を構成する立方晶構造を有する結晶粒に属するピクセル数を求め、前記５視野での測定において全測定ピクセル数との比によって、ＴｉＡｌＣＮ層のＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒が占める面積割合（面積％）を求める（１ピクセルの大きさは、ＮａＣｌ型の面心立方構造の結晶粒の大きさをもとに任意に決められるが、例えば、０．１μｍ×０．１μｍ以下の大きさが例示できる）。

３．ＴｉＡｌＣＮ層の組成
本発明のＴｉＡｌＣＮ層の組成は、前記組成式：（Ｔｉ_１－ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１－ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める平均含有割合ｘ_ａｖｇおよびＣのＣとＮの合量に占める平均含有割合ｙ_ａｖｇ（但し、ｘ_ａｖｇ、ｙ_ａｖｇはいずれも原子比）が、それぞれ、０．６０≦ｘ_ａｖｇ≦０．９５、０．００００≦ｙ_ａｖｇ≦０．００５０を満足するように制御する。
その理由は、Ａｌの平均含有割合ｘ_ａｖｇが０．６０未満であると、ＴｉＡｌＣＮ層は耐酸化性に劣るため、鋳鉄の断続切削加工や合金鋼等の高速断続切削に供した場合には、耐摩耗性が十分でない。一方、Ａｌの平均含有割合ｘ_ａｖｇが０．９５を超えると、硬さに劣る六方晶の析出量が増大して硬さが低下するため、耐摩耗性が低下する。

また、ＴｉＡｌＣＮ層に含まれるＣ成分の平均含有割合ｙ_ａｖｇは、０．００００≦ｙ_ａｖｇ≦０．００５０の範囲の微量であるとき、ＴｉＡｌＣＮ層と工具基体もしくは下部層との密着性が向上し、かつ、潤滑性が向上することによって切削時の衝撃を緩和し、結果としてＴｉＡｌＣＮ層の耐欠損性および耐チッピング性が向上する。一方、Ｃ成分の平均含有割合ｙが０．００００≦ｙ_ａｖｇ≦０．００５０の範囲を外れると、ＴｉＡｌＣＮ層の靭性が低下するため耐欠損性および耐チッピング性が逆に低下するため好ましくない。

ここで、ＴｉＡｌＣＮ層のＡｌの平均含有割合ｘ_ａｖｇは、オージェ電子分光法（ＡｕｇｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用い、試料断面を研磨した試料において、電子線を縦断面側から照射し、膜厚方向に５本の線分析を行って得られたオージェ電子の解析結果を平均したものである。また、Ｃの平均含有割合ｙ_ａｖｇについては、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ－Ｉｏｎ－Ｍａｓｓ－Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）により求めることができる。すなわち、試料表面を研磨した試料において、ＴｉＡｌＣＮ層の表面側からイオンビームを７０μｍ×７０μｍの範囲に照射し、イオンビームによる面分析とスパッタイオンビームによるエッチングとを交互に繰り返すことにより深さ方向の濃度測定を行う。まず、ＴｉＡｌＣＮ層についての層の深さ方向へ０．５μｍ以上侵入した箇所から０．１μｍ以下のピッチで少なくとも０．５μｍの長さの測定を行ったデータの平均を求める。さらに、これを少なくとも試料表面の５箇所において繰り返し算出した結果を平均してＣの平均含有割合ｙ_ａｖｇとして求めることが出来る。

４．金属酸化物層の平均層厚
金属酸化物層の平均層厚は、０．１～５．０μｍとする。その理由は、平均層厚が０．１μｍ未満であると、層厚が薄いため長期の使用にわたって耐摩耗性を十分に発揮することができず、一方、平均層厚が５．０μｍを超えると、金属酸化物層とＴｉＡｌＣＮ層の界面において剥離が生じやすくなるためである。

ここで、金属酸化物層の平均層厚は、工具基体に垂直な方向の断面（縦断面）を研磨し、研磨した断面を透過型電子顕微鏡もしくは走査型電子顕微鏡を用いて適切な倍率（例えば、倍率１００００～４００００倍）で測定し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して求めることができる。

５．金属酸化物層の組成（総論）
金属酸化物層は、Ａｌ原子を５．０原子％以上およびＯ原子を３０．０原子％以上含む。このように規定する理由は、Ａｌ原子が５．０原子％未満であると、耐熱性が低下し、酸化物層の摩滅がはやくなり、熱亀裂が発生しやすくなり、Ｏ原子が３０．０原子％未満であると、耐酸化性が十分ではなくなり摩耗の進行やチッピングが発生しやすくなるためである。
そして、この金属酸化物層には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ原子を含有してもよい。その他、ごく微量のＴｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃｒ、Ｓ、Ｃｌ等が含まれていても前記性能向上効果は損なわない。

６．金属酸化物層の組成（各論）
（１）Ｃ原子
金属酸化物層の組成としてＣ原子を０．５原子％以上１０．０原子％以下含むことが好ましい。Ｃ原子を所定の範囲で含むことにより、金属酸化物層の潤滑性が高まり切屑の排出性が向上することによって刃先温度の低減を図ることが出来る。Ｃ原子が０．５原子％未満となると前記効果が小さくなり、１０．０原子％を超えると切削時に金属酸化物層を維持できなくなり摩滅が進むため、金属酸化物層にＣ原子が存在する効果が得られなくなる。

（２）Ｍｎ原子
金属酸化物層の組成としてＭｎ原子を０．５原子％以上２０．０原子％以下含むことが好ましい。Ｍｎ原子を所定の範囲で含むことにより、金属酸化物層の高温安定性が高まり、切削時に長期にわたって金属酸化物層を維持することが出来る。Ｍｎ原子が０．５原子％未満となると前記効果が小さくなり、２０．０原子％を超えるとＭｎが過剰となり、金属酸化物層の高温硬さが低下することで耐摩耗性が低下し、金属酸化物層にＭｎ原子が存在する効果が得られなくなる。

（３）Ｓｉ原子
金属酸化物層の組成としてＳｉ原子を０．５原子％以上２０．０原子％以下含むことが好ましい。Ｓｉ原子を所定の範囲で含むことにより、金属酸化物層の潤滑性が高まり切屑の排出性が向上することによって刃先温度の低減を図ることが出来る。Ｓｉ原子が０．５原子％未満となると前記効果が小さくなり、２０．０原子％を超えると切削時に金属酸化物層を維持できなくなり摩滅が進むため、金属酸化物層にＳｉが存在する効果が得られなくなる。

各元素の平均含有割合については、二次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ－Ｉｏｎ－Ｍａｓｓ－Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）により求めることができる。イオンビームを表面側から７０μｍ×７０μｍの範囲に照射し、イオンビームによる面分析とスパッタイオンビームによるエッチングとを交互に繰り返すことにより深さ方向の濃度測定を行った。

７．アモルファス酸化物相の面積割合
アモルファス酸化物相の面積が前記金属酸化物層に対して占める面積割合は、５０～１００面積％とする。この面積割合とする理由は、５０面積％未満となると、切削加工時に摩耗を低減させ、刃先温度を下げる効果が得られなくなる。なお、ここで、アモルファスとは実質的に非晶質であると見なせることをいう。
金属酸化物層において占めるアモルファス酸化物相の面積割合は、縦断面からナノビーム電子回折を用いた結晶性の同定、もしくは透過電子後方散乱回折（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｅｄＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎＰａｔｔｅｒｎ）のマッピングによりアモルファス部分の占める面積を算出し、金属酸化物層の膜厚方向断面に占める割合を測定する。面積割合の算出は、少なくとも幅５００ｎｍの異なる領域の面積割合を５領域以上求め、平均することで算出する。ここで、アモルファス酸化物相の面積割合とは、前記金属酸化物層の中でポアや結晶質部分として測定されない部分かつ、波長分散形Ｘ線分光器（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ－ｒａｙＳｐｅｃｔｏｒｏｍｅｔｅｒ）等による元素分析から金属酸化物相であることが確認された領域の面積割合を表している。

８．その他の層
本発明の表面被覆切削工具が有する硬質被覆層（ＴｉＡｌＣＮ層）は、それだけでも十分に前記効果を奏するが、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり、合計で０．１～２０．０μｍの平均層厚を有する下部層を設けた場合には、これらの層が奏する効果と相俟って、一層優れた特性を創出することができる。Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなる下部層を設ける場合、下部層の合計平均層厚が０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分に奏されず、一方、２０．０μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。

９．製造方法
本発明で規定する硬質被覆層は、例えば、以下に示す化学蒸着法による製造法（製造条件）により、工具基体上に成膜することができる。
（１）ＴｉＡｌＣＮ層の形成
反応ガス組成（％は容量％を表し、ガス群Ａとガス群Ｂの和を１００容量％とする）
ガス群Ａ：ＮＨ_３：２．０～３．０％、Ｈ_２：６０～７５％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ_３：０．６０～１．００％、ＴｉＣｌ_４：０．０７～０．４０％、
Ｃ_２Ｈ_４：０．００～０．５０％、Ｎ_２：０．０～１２．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～８５０℃
供給周期：１．００～５．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂとの供給の位相差：０．１０～０．２０秒
（２）金属酸化物層の形成
反応ガス組成（％は容量％を表し、ガス群Ａとガス群Ｂの和を１００容量％とする）
ガス群Ａ：Ｈ_２：３０～４５％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ_３：１．００～３．００％、
ＳｉＣｌ_４：０．００～２．００％、Ｍｎ（Ｃ_５Ｈ_５）_２：０．００～２．００％、
Ｃ_２Ｈ_４：０．００～０．５０％、ＣＨ_３ＣＮ：０．００～５．００％、
Ｈ_２Ｓ：０．００～０．３０％、ＨＣｌ：１．００～３．００％、
ＣＯ_２：５．０～１５．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～８５０℃
供給周期：１．００～５．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂとの供給の位相差：０．１０～０．２０秒

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明被覆工具の具体例として、工具基体としてＷＣ基超高圧焼結体を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ基超高圧焼結体を用いた場合であっても同様であるし、さらには、ドリル、エンドミルに適用した場合も同様である。

原料粉末として、いずれも１～３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＺｒＣ粉末、ＴｉＮ粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０～１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ～ＣおよびＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ｄ～Ｆをそれぞれ製造した。

次に、これら工具基体Ａ～Ｆの表面に、表２および３に示す成膜条件によりＣＶＤ装置を用いて、ＴｉＡｌＣＮ層および金属酸化物層を形成し、表４に示す条件で表５に示す下部層を成膜した。
ＴｉＡｌＣＮ層の成膜条件は、表２および３に記載したとおりであるが、概ね次のとおりである。
（１）ＴｉＡｌＣＮ層の形成
反応ガス組成（％は容量％を表し、ガス群Ａとガス群Ｂの和を１００容量％とする）
ガス群Ａ：ＮＨ_３：２．０～３．０％、Ｈ_２：６０～７５％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ_３：０．６０～１．００％、ＴｉＣｌ_４：０．０７～０．４０％、
Ｃ_２Ｈ_４：０．００～０．５０％、Ｎ_２：０．０～１２．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～８５０℃
供給周期：１．００～５．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂとの供給の位相差：０．１０～０．２０秒
（２）金属酸化物層の形成
反応ガス組成（％は容量％を表し、ガス群Ａとガス群Ｂの和を１００容量％とする）
ガス群Ａ：Ｈ_２：３０～４５％
ガス群Ｂ：ＡｌＣｌ_３：１．００～３．００％、
ＳｉＣｌ_４：０．００～２．００％、Ｍｎ（Ｃ_５Ｈ_５）_２：０．００～２．００％、
Ｃ_２Ｈ_４：０．００～０．５０％、ＣＨ_３ＣＮ：０．００～５．００％、
Ｈ_２Ｓ：０．００～０．３０％、ＨＣｌ：１．００～３．００％、
ＣＯ_２：５．０～１５．０％、Ｈ_２：残
反応雰囲気圧力：４．０～５．０ｋＰａ
反応雰囲気温度：７００～８５０℃
供給周期：１．００～５．００秒
１周期当たりのガス供給時間：０．１５～０．２５秒
ガス群Ａとガス群Ｂとの供給の位相差：０．１０～０．２０秒

また、比較の目的で工具基体Ａ～Ｆの表面に、表２および３に示す成膜条件によりＣＶＤ装置を用いて、ＴｉＡｌＣＮ層を形成し、表４に示す条件で表５に示す下部層を成膜した。

また、本発明被覆工具１～１６（本発明被覆工具１、２、５、６、８～１０、１２～１４、１６は参考例である）、比較被覆工具１～１６の硬質被覆層について、前述した方法を用いて、ＴｉＡｌＣＮ層の平均Ａｌ含有割合ｘ_ａｖｇ、平均Ｃ含有割合ｙ_ａｖｇおよび、金属酸化物層のＡｌ、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ原子の平均含有割合を求め、これらの結果を表６にまとめた。なお、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎについては、０．１原子％未満は存在しないものとして扱っている。

続いて、前記本発明被覆工具および比較被覆工具について、以下に示す、鋳鉄の湿式高速断続切削試験（切削条件１）と鋳鉄の乾式高速断続切削試験（切削条件２）を実施して、いずれも切刃の逃げ面の摩耗幅を測定した。その結果を表７、表８に示す。なお、比較被覆工具については、チッピングが原因で寿命に至ったため、寿命に至るまでの時間を示す。

切削条件１：湿式高速正面フライス、センターカット切削加工
カッタ径：１２５ｍｍ
被削材：ＪＩＳＦＣＤ７００幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍブロック材
回転速度：８９１／ｍｉｎ
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．０ｍｍ
一刃送り量：０．３ｍｍ／刃
切削時間：５分
（通常切削速度は、１５０～２５０ｍ／ｍｉｎ）
切削条件２：乾式高速断続切削加工
被削材：ＪＩＳＦＣＤ７００長さ方向等間隔８本の縦溝入り丸棒
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：１．５ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５分
（通常切削速度は、１５０～２００ｍ／ｍｉｎ）

表７および表８に示される結果から、本発明被覆工具１～１６（本発明被覆工具１、２、５、６、８～１０、１２～１４、１６は参考例である）は、いずれも、硬質被覆層とその直上の金属酸化物層を含む被覆層を含むため、鋳鉄の高速断続切削加工においてチッピングの発生がなく、長期にわたって優れた切削性能を発揮する。これに対して、本発明の被覆工具に規定される事項を一つでも満足していない比較被覆工具１～１６は、鋳鉄の高速断続切削加工においてチッピングが発生し、短時間で使用寿命に至っている。

前述のように、本発明の被覆工具は、鋳鉄の高速断続切削加工のように靱性が要求される被削材の高速断続切削加工ばかりでなく、各種の被削材の被覆工具として用いることができ、しかも、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに、低コスト化に十分に満足する対応ができるものである。

Claims

炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットまたは立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結体のいずれかで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層とその直上に金属酸化物層を含む被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚１．０～２０．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層を少なくとも含み、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒酸化物層は、工具基体の表面と垂直な縦断面から分析した場合、ＮａＣｌ型の面心立方構造を有する結晶粒を７０面積％以上含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層または複合炭窒化物層の組成を組成式：（Ｔｉ_１－ｘＡｌ_ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１－ｙ）で表した場合、ＡｌのＴｉおよびＡｌの合量に占める平均含有割合ｘ_ａｖｇ、ＣのＣおよびＮの合量に占める平均含有割合ｙ_ａｖｇ（ただし、ｘ_ａｖｇ、ｙ_ａｖｇはいずれも原子比）は、それぞれ、０．６０≦ｘ_ａｖｇ≦０．９５、０．００００≦ｙ_ａｖｇ≦０．００５０を満足し、
（ｄ）前記金属酸化物層の平均層厚は０．１～５．０μｍであり、
（ｅ）前記金属酸化物層は、５.０原子％以上のＡｌ、３０.０原子％以上のＯ原子、および０．５原子％以上２０．０原子％以下のＭｎ原子を含み、
（ｆ）前記金属酸化物層は、アモルファス相が占める割合が５０面積％～１００面積％を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
前記金属酸化物層は、Ｃ原子を０．５原子％以上１０．０原子％以下含むことを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
前記金属酸化物層は、Ｓｉ原子を０．５原子％以上２０．０原子％以下含む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。