(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）中間層が、１〜５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
（ｃ）上部層が、２〜１５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有するＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層、
上記（ａ）〜（ｃ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記（ｂ）の中間層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで現した場合、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
上記（ｃ）の上部層は、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有するＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層であり、
また、上記（ｃ）の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで現した場合、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
さらに、上記（ｃ）の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、上記（ｃ）の上部層を構成する結晶粒の内、面積比率で６０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上のΣ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されているＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記（ｃ）の上部層を電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平坦六角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記（ｃ）の上部層は、０．０５〜０．３μｍの範囲内の表面粗さ（Ｒａ）を有する請求項１又は２のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の切削加工を、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して、断続的かつ衝撃的負荷が繰り返し作用する高速断続切削条件で行った場合でも、硬質被覆層がチッピングを発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に示すように、従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、
（ａ）下部層が、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有すると共に、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にＡｌおよび酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方最密晶の結晶構造を有し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（ただし、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４、および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で現した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークが存在し、かつ前記Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が６０〜８０％である構成原子共有格子点分布グラフを示すα型Ａｌ2Ｏ3層（従来α型Ａｌ2Ｏ3層という）、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具（従来被覆工具１という）が知られており、この従来被覆工具１は、α型Ａｌ2Ｏ3層がすぐれた高温強度を有することから、高速断続切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮することが知られている。
また、特許文献２に示すように、上記従来被覆工具１の上部層（ｂ）の代わりに、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ等の周期律表の４ａ族の酸化物を含有するＡｌ2Ｏ3層（以下、従来ＡｌＴｉＺｒＯ層で示す）を硬質被覆層として蒸着形成してなる被覆工具（以下、従来被覆工具２という）が知られており、この従来被覆工具２は耐摩耗性にすぐれることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９８７３５号公報
【特許文献２】特開平１０−２９１１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の切削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、切削加工は一段と高速化、高能率化する傾向にあるが、上記従来被覆工具１，２においては、これを低合金鋼や炭素鋼などの一般鋼、さらにねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄の高速切削加工、高速断続切削加工に用いた場合には特に問題はないが、特にこれを、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合には、硬質被覆層の高温強度および表面性状が満足できるものでないため、切刃部にチッピング（微少欠け）を発生しやすくなり、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して断続的かつ衝撃的負荷が繰り返し作用する高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合にも、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
【０００６】
（ａ）上記の従来被覆工具１における従来α型Ａｌ2Ｏ3層は、
例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：６〜１０％、ＣＯ2：１０〜１５％、ＨＣｌ：３〜５％、Ｈ2Ｓ：０．０５〜０．２％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：３〜５ｋＰａ、
の条件で蒸着形成することができるが、
同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：３〜１０％、ＣＯ2：０．５〜３％、Ｃ2Ｈ4：０．０１〜０．３％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａ、
の低温条件で、下部層であるＴｉ化合物層の表面にＡｌ2Ｏ3核を形成し、この場合前記Ａｌ2Ｏ3核は２０〜２００ｎｍの平均層厚を有するＡｌ2Ｏ3核薄膜であるのが望ましく、引き続いて、反応雰囲気を圧力：３〜１３ｋＰａの水素雰囲気に変え、反応雰囲気温度を１１００〜１２００℃に昇温した条件で前記Ａｌ2Ｏ3核薄膜に加熱処理を施した状態で、硬質被覆層としてのα型Ａｌ2Ｏ3層を通常の条件で形成すると、この結果の前記加熱処理Ａｌ2Ｏ3核薄膜上に蒸着形成されたα型Ａｌ2Ｏ3層（以下、改質α型Ａｌ2Ｏ3層という）について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、図２に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り５〜８ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の０〜１０度の範囲内で変化すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占めるようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて０〜１０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、従来被覆工具１の従来α型Ａｌ2Ｏ3層が具備するすぐれた高温硬さと耐熱性に加えて、一段とすぐれた高温強度を有する。
【０００７】
（ｂ）さらに、上記（ａ）のような条件で蒸着形成した改質α型Ａｌ2Ｏ3層を中間層として、その上に、上部層として、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有するＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層を更に蒸着形成することにより硬質被覆層を構成したところ、工具基体表面に、Ｔｉ化合物層からなる下部層、改質α型Ａｌ2Ｏ3層からなる中間層およびＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層からなる上部層を硬質被覆層として蒸着形成した被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して断続的かつ衝撃的負荷が繰り返し作用する高速断続切削条件下においても、一段とすぐれた高温強度と表面性状を有することにより、すぐれた耐チッピング性を発揮することを見出した。
【０００８】
（ｃ）上記ＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層は、中間層である上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層の上に、例えば、
まず、第1段階として、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：  １〜５  ％、
ＴｉＣｌ４：  ０〜０．０１  ％、
ＺｒＣｌ４：  ０．０５〜０．１  ％、
ＣＯ2：  ２〜６  ％、
ＨＣｌ：  １〜５  ％、
Ｈ２Ｓ：  ０．２５〜０．７５  ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度；  ９６０〜１０１０  ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力；  ６〜１０  ｋＰａ、
の条件で第1段階の蒸着を１時間行った後、
次に、第2段階として、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：  ６〜１０  ％、
ＴｉＣｌ４：  ０．０５〜０．６  ％、
ＺｒＣｌ４：  ０．６〜１．２  ％、
ＣＯ2：  ２〜１０  ％、
ＨＣｌ：  ３〜５  ％、
Ｈ２Ｓ：  ０〜０．５  ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度；  ９４０〜９８０  ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力；  ６〜１０  ｋＰａ、
の条件で蒸着を行うことにより、２〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、Ａｌ成分との合量に占めるＴｉ成分の含有割合が０．００２〜０．０１およびＺｒ成分の含有割合が０．００２〜０．０１（但し、原子比）を満足し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有するＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層（以下、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層という）を形成することができる。
【０００９】
（ｄ）そして、上記改質ＡｌＴｉＺｒＯ層を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察すると、図３（ａ）に示されるように、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、大粒径の平板多角形状であり、また、図３（ｂ）に示されるように、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状（以下、「平板多角形たて長形状」という）を有する結晶粒からなる組織構造を有する。
なお、前記改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の蒸着形成に際して、より限定した蒸着条件（例えば、第1段階における反応ガス中のＴｉＣｌ４を０容量％、ＺｒＣｌ４を０．０５〜０．１容量％、Ｈ２Ｓを０．５０〜０．７５容量％、反応雰囲気温度を９９０〜１０１０℃とし、さらに、第2段階における反応ガス中のＴｉＣｌ４を０．０５〜０．２容量％、ＺｒＣｌ４、Ｈ２Ｓを０．０５〜０．１容量％、反応雰囲気温度を９４０〜９６０℃とした条件）で蒸着を行うと、図３（ｃ）に示されるように、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、大粒径の平坦六角形状であり、かつ、層厚方向に平行な面内で見た場合に、図３（ｂ）に示されるのと同様、層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める組織構造が形成される。
【００１０】
（ｅ）また、上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層の場合と同様に、上記改質ＡｌＴｉＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成したところ、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、傾斜角区分０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占める改質ＡｌＴｉＺｒＯ層が形成され、この改質ＡｌＴｉＺｒＯ層は、従来被覆工具の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層に比して、前記傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角０〜１０度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合が６０％以上と高められると同時に一段とすぐれた高温強度を有する。
【００１１】
（ｆ）更に、上記改質ＡｌＴｉＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、
図４に示されるように、電界放出型走査電子顕微鏡で観察される改質ＡｌＴｉＺｒＯ層を構成する平板多角形たて長形状の結晶粒の内、面積比率で６０％以上の上記結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面（以下、Σ３対応界面という）で分断されている組織を示すようになる。
【００１２】
（ｈ）上記のとおり、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる上部層は、傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角０〜１０度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合が高められ、その表面の結晶面が、該層の層厚方向に垂直な面内における結晶面（例えば、（０００１））とほぼ近い配向を有するため、（層厚方向に平行な面内で見た場合、）層表面はほぼ平坦な平板状に形成され、その表面性状の故にすぐれた耐チッピング性を示し、さらに、平板多角形たて長形状の結晶粒内部にΣ３対応界面が存在することによって結晶粒内強度が高められるため、従来ＡｌＴｉＺｒＯ層に比して、一段とすぐれた高温硬さ、高温強度を備え、すぐれた耐チッピング性を示す。
【００１３】
（ｉ）したがって、硬質被覆層として、傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角０〜１０度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合が高く、すぐれた高温強度を有する改質α型Ａｌ2Ｏ3層を中間層として備え、更に、すぐれた高温硬さ、高温強度、表面性状を有する改質ＡｌＴｉＺｒＯ層を上部層として備えるこの発明の被覆工具は、従来被覆工具１，２に比して、一段とすぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度を具備し、その結果として、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して断続的かつ衝撃的負荷が繰り返し作用する高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合にも、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するのである。
【００１４】
この発明は、上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または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ、３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）中間層が、１〜５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
（ｃ）上部層が、２〜１５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有するＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層、
上記（ａ）〜（ｃ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記（ｂ）の中間層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで現した場合、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
上記（ｃ）の上部層は、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有するＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層であり、
また、上記（ｃ）の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで現した場合、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
さらに、上記（ｃ）の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、上記（ｃ）の上部層を構成する結晶粒の内、面積比率で６０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上のΣ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されているＴｉおよびＺｒ含有酸化アルミニウム層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）  前記（ｃ）の上部層を電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平坦六角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）  前記（ｃ）の上部層は、０．０５〜０．３μｍの範囲内の表面粗さ（Ｒａ）を有する前記（１）又は（２）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１５】
以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、より詳細に説明する。
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層は、基本的には中間層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた靭性及び耐摩耗性によって硬質被覆層の高温強度向上に寄与するほか、工具基体と改質α型Ａｌ2Ｏ3層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上にも寄与する作用を有するが、その合計平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計平均層厚が２０μｍを越えると、特に断続的・衝撃的な高負荷が繰り返し作用する高速断続切削条件では熱塑性変形を起し易くなり、これが偏摩耗の原因となることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
【００１６】
（ｂ）改質α型Ａｌ2Ｏ3層（中間層）
中間層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、既に述べたように、
通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：３〜１０％、ＣＯ2：０．５〜３％、Ｃ2Ｈ4：０．０１〜０．３％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａ、
の低温条件で、下部層であるＴｉ化合物層の表面にＡｌ2Ｏ3核を形成し、この場合前記Ａｌ2Ｏ3核は２０〜２００ｎｍの平均層厚を有するＡｌ2Ｏ3核薄膜であるのが望ましく、引き続いて、反応雰囲気を圧力：３〜１３ｋＰａの水素雰囲気に変え、反応雰囲気温度を１１００〜１２００℃に昇温した条件で前記Ａｌ2Ｏ3核薄膜に加熱処理を施した状態で、硬質被覆層としてのα型Ａｌ2Ｏ3層を通常の条件で形成し、前記加熱処理Ａｌ2Ｏ3核薄膜上にα型Ａｌ2Ｏ3層を蒸着することによって形成することができる。
そして、下部層の上に化学蒸着された改質α型Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、図２に例示される通り、傾斜角区分０〜１０度の範囲内にシャープな最高ピークが現れる。
そして、改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置は、所定層厚のＡｌ2Ｏ3核（薄膜）形成後に加熱処理を施すことによって変化させることができ、それと同時に、傾斜角区分０〜１０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになるものであり、したがって、上記Ａｌ2Ｏ3核（薄膜）の層厚が小さい方に外れても、また大きい方に外れても、測定傾斜角の最高ピーク位置は０〜１０度の範囲から外れてしまうと共に、これに対応して傾斜角度数分布グラフにおける前記０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合も度数全体の４５％未満となってしまい、すぐれた高温強度を確保することができない。
改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、従来被覆工具の従来α型Ａｌ2Ｏ3層のもつすぐれた高温硬さと耐熱性に加えて、さらに一段とすぐれた高温強度を有するが、改質α型Ａｌ2Ｏ3層を、傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角0〜10度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の割合の高い中間層として構成しておくことにより、この上に蒸着形成される改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角0〜10度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の割合を高めることができ、その結果として、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる上部層の表面性状の改善を図るとともに高温強度の向上を図ることができる。
ただ、改質α型Ａｌ2Ｏ3層からなる中間層の平均層厚が１μｍ未満では改質α型Ａｌ2Ｏ3層の有する前記の特性を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、一方、その平均層厚が５μｍを越えると、切削時に発生する高熱と切刃に作用する断続的かつ衝撃的高負荷によって、偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し易くなり、摩耗が加速するようになることから、その平均層厚は１〜５μｍと定めた。
【００１７】
（ｃ）改質ＡｌＴｉＺｒＯ層（上部層）
中間層の上に化学蒸着された改質ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる上部層は、その構成成分であるＡｌ成分が、層の高温硬さおよび耐熱性を向上させ、また、層中に微量（Ａｌとの合量に占める割合で、Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．００２〜０．０１、Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．００２〜０．０１（但し、いずれも原子比））含有されたＴｉ及びＺｒ成分が、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の結晶粒界面強度を向上させ、高温強度の向上に寄与するが、Ｔｉ及びＺｒ成分の含有割合が０．００２未満では、上記作用を期待することはできず、一方、Ｔｉ及びＺｒ成分の含有割合が０．０１を超えた場合には、層中にＴｉ酸化物およびＺｒ酸化物粒子が析出することによって粒界面強度が低下するため、Ａｌ成分との合量に占めるＴｉ及びＺｒ成分の含有割合（Ｔｉ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）及びＺｒ／（Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｚｒ）の比の値）は、それぞれ０．００２〜０．０１（但し、原子比）であることが望ましい。
【００１８】
上記改質ＡｌＴｉＺｒＯ層は、蒸着時の反応ガス組成、反応雰囲気温度および反応雰囲気圧力の各化学蒸着条件を、例えば、以下のとおり調整することによって蒸着形成することができる。
即ち、まず、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：  １〜５  ％、
ＴｉＣｌ４：  ０〜０．０１  ％、
ＺｒＣｌ４：  ０．０５〜０．１  ％、
ＣＯ2：  ２〜６  ％、
ＨＣｌ：  １〜５  ％、
Ｈ２Ｓ：  ０．２５〜０．７５  ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度；  ９６０〜１０１０  ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力；  ６〜１０  ｋＰａ、
の条件で第1段階の蒸着を１時間行った後、
次に、第2段階として、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：  ６〜１０  ％、
ＴｉＣｌ４：  ０．０５〜０．６  ％、
ＺｒＣｌ４：  ０．６〜１．２  ％、
ＣＯ2：  ２〜１０  ％、
ＨＣｌ：  ３〜５  ％、
Ｈ２Ｓ：  ０〜０．５  ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度；  ９４０〜９８０  ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力；  ６〜１０  ｋＰａ、
の条件で第2段階の蒸着を行うことによって、２〜１５μｍの平均層厚の蒸着層を成膜すると、Ａｌ成分との合量に占めるＴｉ成分の含有割合が０．００２〜０．０１およびＺｒ成分の含有割合が０．００２〜０．０１（但し、いずれも原子比）を満足する改質ＡｌＴｉＺｒＯ層を形成することができる。
【００１９】
そして、上記改質ＡｌＴｉＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察すると、図３（ａ）に示されるように、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、結晶粒径の大きい平板多角形状であり、また、図３（ｂ）に示されるように、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であって、しかも、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒（平板多角形たて長形状結晶粒）からなる組織構造が形成される。
【００２０】
上記改質ＡｌＴｉＺｒＯ層について、中間層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層の場合と同様に、その表面研磨面の法線に対して、（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定することにより傾斜角度数分布グラフを作成すると、傾斜角区分０〜１０度の範囲内にピーク存在するとともに、０〜１０度の範囲内の度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の６０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、上部層を構成する改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の前記傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角０〜１０度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合が高いことがわかる。
即ち、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層は、中間層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角0〜10度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の割合が４５％以上のものとして形成されていることから、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層も傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角０〜１０度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合の高い層（（その度数割合は６０％以上）として形成される。
そして、上記上部層を層厚方向に平行な面内で見た場合、層表面はほぼ平坦な平板状に形成され、すぐれた表面性状を呈し、その結果として、従来ＡｌＴｉＺｒＯ層に比して、一段とすぐれた耐チッピング性を示す。
【００２１】
また、上記改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の蒸着において、より限定した条件（例えば、第1段階における反応ガス中のＴｉＣｌ４を０容量％、ＺｒＣｌ４を０．０５〜０．１容量％、Ｈ２Ｓを０．５０〜０．７５容量％、反応雰囲気温度を９９０〜１０１０℃とし、さらに、第2段階における反応ガス中のＴｉＣｌ４を０．０５〜０．２容量％、ＺｒＣｌ４、Ｈ２Ｓを０．０５〜０．１容量％、反応雰囲気温度を９４０〜９６０℃とした条件）で蒸着を行うと、図３（ｃ）に示されるように、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、大粒径の平坦六角形状であり、かつ、層厚方向に平行な面内で見た場合に、図３（ｂ）に示されるのと同様、層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める組織構造が形成される。
【００２２】
さらに、上記改質ＡｌＴｉＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表すと、
図４に示すように、電界放出型走査電子顕微鏡で観察される改質ＡｌＴｉＺｒＯ層を構成する平板多角形たて長形状の結晶粒の内、上記平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒の内、面積比率で６０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３対応界面で分断されていることがわかる。
そして、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒の内部に、上記のΣ３対応界面が存在することによって、結晶粒内強度の向上が図られ、その結果として、高負荷が作用する高硬度鋼の高速断続切削加工時に、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層中にクラックが発生することが抑えられ、また、仮にクラックが発生したとしても、クラックの成長・伝播が妨げられ、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性の向上が図られる。
【００２３】
したがって、傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角０〜１０度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分０〜１０度の範囲内に存在する度数の割合が高く表面平坦な表面性状を備え、かつ、平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状の結晶粒の内部にΣ３対応界面が存在する改質ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる本発明の上部層は、高熱発生を伴うとともに、断続的かつ衝撃的高負荷が切刃に対して作用する高硬度鋼の高速断続切削加工においても、チッピング、欠損、剥離等を発生することなく、また、熱塑性変形、偏摩耗等の発生もなく、すぐれた耐チッピング性及び耐摩耗性を長期に亘って発揮する。
ただ、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる上部層の層厚が２μｍ未満では、上記上部層のすぐれた特性を十分に発揮することができず、一方、上部層の層厚が１５μｍを超えると偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生しやすくなり、また、チッピングも発生しやすくなることから、上部層の平均層厚を２〜１５μｍと定めた。
【００２４】
参考のため、従来ＡｌＴｉＺｒＯ層（前記特許文献２に記載のもの）について、電界放出型走査電子顕微鏡、電子後方散乱回折像装置を用い、上部層の結晶粒の組織構造および構成原子共有格子点形態を調べたところ、結晶粒の組織構造については、図５（ａ）、（ｂ）に示されるような角錐状の凹凸を有し、多角形たて長形状の結晶粒からなる組織構造を有しているため、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層に比して、耐摩耗性は不十分であった。
また、結晶粒の構成原子共有格子点形態については、従来ＡｌＴｉＺｒＯ層を構成する凹凸多角形たて長形状の結晶粒の内部にΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率は１２％以下と少なく、結晶粒内強度の向上が図られているとはいえなかった。
したがって、硬質被覆層の上部層が従来ＡｌＴｉＺｒＯ層で構成された従来被覆工具７は、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して断続的かつ衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の発生を防止することはできず、また、熱塑性変形、偏摩耗等も発生し、工具性能は劣るものであった。
【００２５】
また、本発明の被覆工具においては、上部層の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層を形成した後、その表面に対して、砥石による研磨処理あるいはウエットブラストによる研磨処理等を施し、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の表面粗さをさらに調整することができる。例えば、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の表面粗さを、Ｒａ０．０５〜０．３μｍに調整することにより、切削時の表面被覆工具への溶着発生を抑制することができる。
なお、本発明でいう表面粗さＲａとは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１（１９９４）で規定される算術平均粗さＲａの値をいい、また、その測定法については特段限定されるものではない。
【発明の効果】
【００２６】
上記のとおり、この発明の被覆工具は、傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角0〜10度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の割合が高く、すぐれた高温硬さ、耐熱性に加えて、すぐれた高温強度を有する改質α型Ａｌ2Ｏ3層を中間層とするとともに、上部層を構成する改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角0〜10度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の割合を高くすることにより、表面平坦性を備えた平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状の結晶粒からなる組織構造とし、さらに、上記結晶粒の内部にΣ３対応界面を形成し、結晶粒内強度を強化したことにより、凹凸多角形たて長形状の結晶粒からなり、結晶粒内に、Σ３対応界面の少ない従来ＡｌＴｉＺｒＯ層に比して、一段とすぐれた表面性状、高温強度を具備し、その結果、高熱発生を伴い、切刃に対して断続的・衝撃的高負荷が作用する高硬度鋼の高速断続切削加工においても、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性とすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の一層の延命化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】硬質被覆層を構成するα型Ａｌ2Ｏ3層の結晶粒の（０００１）面を測定する場合の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。
【図２】本発明被覆工具７の硬質被覆層の中間層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層の（０００１）面の傾斜角度数分布グラフである。
【図３】（ａ）は、本発明被覆工具１〜１０の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる上部層について、層厚方向に垂直な面内での電界放出型走査電子顕微鏡による観察で得られた、平板多角形状の結晶粒組織構造を示す模式図であり、（ｂ）は、同じく、層厚方向に平行な面内での電界放出型走査電子顕微鏡による観察で得られた、層表面がほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒組織構造を示す模式図であり、（ｃ）は、本発明被覆工具１１〜１５の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる上部層について、層厚方向に垂直な面内での電界放出型走査電子顕微鏡による観察で得られた、平坦六角形状の結晶粒組織構造を示す模式図である。
【図４】本発明被覆工具１の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡および電子後方散乱回折像装置を用いて測定した、層厚方向に垂直な面における粒界解析図であり、実線は、電界放出型走査電子顕微鏡で観察される平板多角形状の結晶粒界を示し、破線は、電子後方散乱回折像装置により測定された結晶粒内のΣ３対応界面を示す。
【図５】（ａ）は、比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる上部層について、層厚方向に垂直な面内での電界放出型走査電子顕微鏡による観察で得られた、多角形状の結晶粒組織構造を示す模式図であり、（ｂ）は、同じく、層厚方向に平行な面内での電界放出型走査電子顕微鏡による観察で得られた、層表面で角錐状の凹凸を有し、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒組織構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【実施例】
【００２９】
原料粉末として、いずれも２〜４μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ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、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８ＭＡに規定するスローアウエイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｅをそれぞれ製造した。
【００３０】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ2Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８ＭＡのチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｅを形成した。
【００３１】
ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
（ａ）まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表７に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｂ）ついで、表４に示される条件にて、表８に示される目標層厚の改質α型Ａｌ2Ｏ3層を硬質被覆層の中間層として蒸着形成し、
（ｃ）次に、表５に示される蒸着条件により、同じく表８に示される目標層厚の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１５をそれぞれ製造した。
【００３２】
また、比較の目的で、硬質被覆層の下部層を表３に示される条件にて形成し、上部層を表６に示される条件（特許文献２に開示された従来ＡｌＴｉＺｒＯ層の蒸着条件に相当）にて形成することにより、表９に示される目標層厚のＴｉ化合物層と従来ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる硬質被覆層を設けた比較被覆工具１〜１０（従来被覆工具２に相当）をそれぞれ製造した。
なお、比較被覆工具１〜１０の工具基体種別、下部層種別及び下部層厚は、それぞれ、本発明被覆工具１〜１０のそれと同じである。
【００３３】
さらに、参考のために、硬質被覆層の下部層を表３に示される条件にて形成し、α型Ａｌ2Ｏ3層を表４に示される条件（特許文献１に開示された従来α型Ａｌ2Ｏ3層の蒸着条件に相当）にて形成することにより、表９に示される目標層厚のＴｉ化合物層と従来α型Ａｌ2Ｏ3層からなる硬質被覆層を設けた参考被覆工具１１〜１５（従来被覆工具１に相当）をそれぞれ製造した。
なお、参考被覆工具１１〜１５の工具基体種別、下部層種別及び下部層厚は、それぞれ、本発明被覆工具１１〜１５のそれと同じである。
【００３４】
また、本発明被覆工具のうちのいくつかの改質ＡｌＴｉＺｒＯ層、比較被覆工具のうちのいくつかの従来ＡｌＴｉＺｒＯ層の表面には、投射圧０．１５ＭＰａ，２００メッシュのＡｌ2Ｏ3粒子でウエットブラスト処理からなる後処理を施した。なお、後処理としては、弾性砥石による研磨処理でも構わない。
表８、表９には、後処理を施した上記本発明被覆工具の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層（表８中で、＊印を付したもの）、比較被覆工具の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層（表９中で、＊印を付したもの）の表面粗さ（Ｒａ（μｍ））の値を示す。
（参考のために、後処理を施していない本発明被覆工具、比較被覆工具についてのＲａの値も表８、表９に示す。）
【００３５】
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１５の硬質被覆層の中間層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層、同上部層を構成する改質ＡｌＴｉＺｒＯ層、および、比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層、参考被覆工具１１〜１５の従来α型Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の本発明被覆工具１〜１５、比較被覆工具１〜１０、参考被覆工具１１〜１５の各層について、それぞれの表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、それぞれの前記表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうちの０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより、傾斜角度数分布グラフ作成した。
傾斜角度数分布グラフの一例として、図２に、本発明被覆工具７の硬質被覆層の中間層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層について作成した（０００１）面の傾斜角度数分布グラフを示す。
なお、この発明でいう“表面”とは、基体表面に平行な面ばかりでなく、基体表面に対して傾斜する面、例えば、層の切断面、をも含む。
【００３６】
この結果得られた本発明被覆工具の改質α型Ａｌ2Ｏ3層、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層、および、比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層、参考被覆工具１１〜１５の従来α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、表８、表９にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具の改質α型Ａｌ2Ｏ3層、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が、それぞれ０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れる傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層、参考被覆工具１１〜１５の従来α型Ａｌ2Ｏ3層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在しない傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
また、表８、表９には、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の、傾斜角度数分布グラフ全体に占める割合を示した。
【００３７】
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１５の上部層を構成する改質ＡｌＴｉＺｒＯ層および比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡、電子後方散乱回折像装置を用いて、結晶粒組織構造および構成原子共有格子点形態を調査した。
すなわち、まず、上記の本発明被覆工具１〜１５の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層および比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて観察したところ、本発明被覆工具１〜１５では、図３（ａ）、（ｂ）で代表的に示される平板多角形（平坦六角形を含む）状かつたて長形状の大きな粒径の結晶粒組織構造が観察された（図３（ａ）は、層厚方向に垂直な面内で見た本発明被覆工具１〜９の組織構造模式図、また、図３（ｃ）は、層厚方向に垂直な面内で見た本発明被覆工具１０〜１５の、平坦六角形状かつたて長形状の大きな粒径の結晶粒からなる組織構造模式図）。
一方、比較被覆工具１〜１０では、図５（ａ）、（ｂ）で代表的に示されるように、多角形状かつたて長形状の結晶粒組織が観察されたが、各結晶粒の粒径は本発明のものに比して小さく、かつ、図５（ｂ）からも明らかなように、層表面には角錐状の凹凸が形成されていた（図５（ａ）、（ｂ）は、比較被覆工具１〜１０の組織構造模式図）。
【００３８】
つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１５の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層、比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層について、それぞれの層を構成する結晶粒の内部にΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積割合を測定した。
まず、上記の本発明被覆工具１〜１５の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層について、その表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、前記表面研磨面に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、それぞれの前記表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、電子後方散乱回折像装置を用い、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記結晶粒の各結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層の測定範囲内に存在する全結晶粒のうちで、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率を求め、その値を、Σ３対応界面割合（％）として表８に示した。
次に、比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層についても、本発明被覆工具の場合と同様な方法により、従来ＡｌＴｉＺｒＯ層の測定範囲内に存在する全結晶粒のうちで、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率を求め、その値を、Σ３対応界面割合（％）として表９に示した。
【００３９】
表８、９に示される通り、本発明被覆工具１〜１５の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層において、結晶粒の内部に少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率は６０％以上であるのに対して、比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層において、結晶粒の内部に少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率は４０％以下であって、結晶粒の内部にΣ３対応界面が存在する率は非常に小さいことがわかる。
【００４０】
また、本発明被覆工具１１〜１５の改質ＡｌＴｉＺｒＯ層および比較被覆工具１〜１０の従来ＡｌＴｉＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、層厚方向に垂直な面内に存在する、大粒径の平坦六角形状の結晶粒の面積割合を求めた。この値を表８、表９に示す。
なお、ここで言う「大粒径の平坦六角形状」の結晶粒とは、
「電界放出型走査電子顕微鏡により観察される層厚方向に垂直な面内に存在する粒子の直径を計測し、１０粒子の平均値が３〜８μｍであり、頂点の角度が１００〜１４０°である頂角を６個有する多角形状である。」
と定義する。
【００４１】
ついで、本発明被覆工具１〜１５、比較被覆工具１〜１０および参考被覆工具１１〜１５の硬質被覆層の各構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（縦断面測定）したが、いずれもの場合も、目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
【００４２】
つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１５、比較被覆工具１〜１０および参考被覆工具１１〜１５について、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（ＨＲＣ６２）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  ２５０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．１５  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ａという）での軸受鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ１１（ＨＲＣ５８）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  ３００  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．１５  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ｂという）での合金工具鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫ３（ＨＲＣ６１）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  ２５０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．１５  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ｃという）での炭素工具鋼の乾式高速断続切削試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表１０に示した。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
【表２】
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【００４５】
【表３】
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【００４６】
【表４】
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【００４７】
【表５】
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【００４８】
【表６】
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【００４９】
【表７】
0005454923.tif 000008
【００５０】
【表８】
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【００５１】
【表９】
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【００５２】
【表１０】
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【００５３】
表８〜１０に示される結果から、本発明被覆工具１〜１５は、硬質被覆層の中間層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角0〜10度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の割合が４５％以上の高い比率を示し、すぐれた高温強度を有することに加えて、上部層を構成する改質ＡｌＴｉＺｒＯ層が、平板多角形（平坦六角形）たて長形状の結晶粒の組織構造を有し、傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角0〜10度の範囲内にシャープな最高ピークが現れ、かつ傾斜角区分0〜10度の範囲内に存在する度数の割合が６０％以上の高い比率を示し、また、結晶粒の内部に少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率が６０％以上と高いことによって、あるいは、さらに、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層に後処理が施され、その表面平滑性が向上されていることによって、改質ＡｌＴｉＺｒＯ層が一段とすぐれた高温強度と結晶粒内強度を有し、また、一段とすぐれた表面平坦性とを兼備する結果、高熱発生を伴い、かつ、断続的かつ衝撃的高負荷が繰り返し切刃に作用する合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速断続切削加工で、硬質被覆層が一段とすぐれた耐チッピング性を発揮するとともに、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を示し、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。
これに対して、硬質被覆層がＴｉ化合物層と従来ＡｌＴｉＺｒＯ層からなる比較被覆工具１〜１０、および、硬質被覆層がＴｉ化合物層と従来α型Ａｌ2Ｏ3層からなる参考被覆工具１１〜１５においては、チッピング発生、摩耗促進等によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
上述のように、この発明の被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常条件の切削加工は勿論のこと、高熱発生を伴うとともに切刃に対して断続的かつ衝撃的高負荷が繰り返し作用する高硬度鋼の高速断続切削加工でも、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示し、長期に亘ってすぐ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満足に対応できるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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