(57)【要約】【課題】炭素鋼、ステンレス鋼等の高速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、耐剥離性、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】この表面被覆切削工具は、工具基体の表面に、少なくとも、下層と上層からなる硬質被覆層を被覆形成しており、下層は、ゾル−ゲル法で形成された０．５〜４．０μｍの平均層厚を有する結晶質Ａｌ２Ｏ３層、上層は、０．２〜３．０μｍの平均層厚を有する非晶質Ａｌ２Ｏ３層または非晶質ＳｉＯ２層から構成し、上記下層には凹部が形成され、該凹部の平均深さは０．４〜４．０μｍ、該凹部の平均アスペクト比は１．０〜４０、該凹部相互の平均水平間隔は０．５〜２０μｍである。【選択図】  図１
2014037048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面被覆切削工具であって、
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からなる工具基体と、
前記工具基体の表面に被覆形成された、少なくとも、下層と上層とからなる硬質被覆層とを有し、
（ａ）前記下層は、ゾル−ゲル法で形成された０．５〜４．０μｍの平均層厚を有する結晶質酸化アルミニウム層であり、
（ｂ）前記上層は、０．２〜３．０μｍの平均層厚を有する非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層であって、
（ｃ）前記下層の結晶質酸化アルミニウム層の表面には、凹部が形成されており、前記上層の非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層は、前記下層の前記凹部を埋め込むように充填成膜されており、
（ｄ）前記下層に形成された前記凹部の平均深さは、０．４〜４．０μｍの範囲（但し、下層の平均層厚よりは小さい）であり、
（ｅ）前記下層に形成された前記凹部の平均アスペクト比は、１．０〜４０の範囲であり、
（ｆ）前記下層に形成された前記凹部相互の平均水平間隔は、０．５〜２０μｍの範囲であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる請求項１に記載の表面被覆切削工具であって、
上記工具基体の表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのＣｏの平均含有量が、２．０質量％未満である表面被覆切削工具。
【請求項３】
炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる請求項１に記載の表面被覆切削工具であって、
上記工具基体の表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのＣｏ及びＮｉの合計平均含有量が、２．０質量％未満である表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して断続的・衝撃的負荷が作用するステンレス、炭素鋼などの高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた潤滑性、耐チッピング性、耐剥離性および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。
【背景技術】
【０００２】
工具基体表面に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜を下部層として成膜し、その上に、さらに上部層としての酸化アルミニウム層を被覆形成した被覆工具は、例えば、特許文献１に示すように、従来から知られている。
そして、酸化アルミニウム層は、通常は、化学蒸着（ＣＶＤ）によって成膜されるが、その他、物理蒸着（ＰＶＤ）法、ゾル−ゲル法によっても酸化アルミニウム層を被覆形成し得ることも知られている。
例えば、特許文献２に示すように、工具基体表面に、物理蒸着（ＰＶＤ）法で下部層を形成した後、該下部層を酸化することによって酸化物含有層を形成し、該酸化物含有層上に酸化アルミニウム層を物理蒸着（ＰＶＤ）することにより、耐摩耗性、耐熱性に優れた被覆工具を得ることが提案されている。
また、特許文献３には、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ層からなる下部層と酸化アルミニウム層（好ましくは、γ型アルミナ層）からなる上部層を、物理蒸着（ＰＶＤ）法で成膜した被覆工具が提案されている。
さらに、特許文献４に示すように、機械特性、耐久性がある酸化アルミニウム被覆構造体の製造方法として、母材上に、結晶構造がアモルファス構造、又はγ型のアルミナ、又はそれらの混合物からなる第１のアルミナ層をゾル−ゲル法で被覆した後、スパッタリングにより、γ型を主体とする第２のアルミナ層を被覆形成することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２２９１４４号公報
【特許文献２】特開２００４−１２４２４６号公報
【特許文献３】特開２００７−７５９９０号公報
【特許文献４】特開２００６−２０５５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
化学蒸着（ＣＶＤ）法、物理蒸着（ＰＶＤ）法あるいはゾル−ゲル法で酸化アルミニウム層を被覆形成していた従来の被覆工具においては、これを通常条件の高速切削、断続切削に用いた場合には特段の支障はない。しかし、特にこれを、高熱発生を伴い、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用するステンレス、炭素鋼等の高速断続切削に用いた場合には、表面潤滑性が乏しいことによる溶着や上記方法で成膜した酸化アルミニウム層に不可避的に存在する微小亀裂や熱膨張差に起因するクーリングクラック等によってチッピングや剥離が生じた。即ち従来の被覆工具には、長期の使用にわたって満足できる切削性能を発揮し得ないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者等は、耐チッピング性、耐剥離性にすぐれ、高速断続切削という厳しい条件下でも、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を提供すべく、鋭意研究を行ったところ、次のような知見を見出したのである。
【０００６】
即ち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からなる工具基体表面上に、硬質被覆層を被覆形成するにあたり、下層は、ゾル−ゲル法により形成され、その表面に凹部を有する耐摩耗性の高い結晶質酸化アルミニウム層で構成し、一方、上層は、平滑かつ潤滑性にすぐれ、下層との密着性が大であるゾル−ゲル法で成膜された非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層で構成する。本発明者等は、上記硬質被覆層の構成によれば、耐チッピング性、耐剥離性、耐摩耗性に優れた硬質被覆層を成膜し得ることを見出したのである。
【０００７】
つまり、従来の化学蒸着（ＣＶＤ）法、物理蒸着（ＰＶＤ）法あるいはゾル−ゲル法で成膜した結晶質酸化アルミニウム層では、潤滑性や平滑性が足りないために溶着などによりチッピング、剥離等の異常損傷やクレーター摩耗が短時間で発生していた。一方、本発明で示すように、ゾル−ゲル法で成膜した結晶質酸化アルミニウム層を下層とし、その上層としてゾル−ゲル法で成膜した非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層を成膜した場合には、潤滑性、平滑性が向上し、高い耐摩耗性と切屑排出性を発揮し得る。さらに、本発明の上記構成では、上層と下層の界面が凹形状となっているため、衝撃的負荷が作用する高速断続切削においても、アンカー効果により上層が剥離しにくくなる。加えて、本発明の上記構成では、硬質被覆層の摩耗が進行した際にも、凹部に上層の非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層が充填されるように成膜されているために、上層の潤滑性と下層の耐摩耗性を、長期間にわたって同時に発揮することができる。
【０００８】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、以下の特徴を有する。
（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からなる工具基体の表面に、少なくとも、下層と上層とからなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）下層は、ゾル−ゲル法で形成された０．５〜４．０μｍの平均層厚を有する結晶質酸化アルミニウム層、
（ｂ）上層は、０．２〜３．０μｍの平均層厚を有する非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層であって、
（ｃ）下層の結晶質酸化アルミニウム層の表面には、凹部が形成されており、上層の非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層は、下層の上記凹部を埋め込むように充填成膜されており、
（ｄ）下層に形成された凹部の平均深さは、０．４〜４．０μｍの範囲（但し、下層の平均層厚よりは小さい）であり、
（ｅ）下層に形成された凹部の平均アスペクト比は、１．０〜４０の範囲であり、
（ｆ）下層に形成された凹部相互の平均水平間隔は、０．５〜２０μｍの範囲であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる前記（１）に記載の表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのＣｏの平均含有量が、２．０質量％未満である。
（３）炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる前記（１）に記載の表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのＣｏ及びＮｉの合計平均含有量が、２．０質量％未満である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の被覆工具では、工具基体の表面に、直接、あるいは、下地層を介して、ゾル−ゲル法により形成された特定の凹形状を有する結晶質酸化アルミニウム層が下層として形成され、さらにその上に、ゾル−ゲル法により形成された非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層が設けられている。この構成によれば、硬質被覆層の潤滑性、平滑性が向上し、高い耐摩耗性と切屑排出性を有するとともに、上層と下層の密着性が大で剥離が生じにくい。従って、高熱発生を伴うと主に、断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削に本発明の被覆工具を用いた場合、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明被覆工具の硬質被覆層の縦断面の構成図を示す。
【図２】本発明被覆工具の硬質被覆層の縦断面模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について、本発明の一実施形態を用いて詳細に説明する。
【００１２】
本実施形態の被覆工具では、炭化タングステン基超硬合金（例えば、ＷＣ−Ｃｏ）、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に直接、上述した結晶質酸化アルミニウム層からなる下層と、非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層からなる上層、とからなる硬質被覆層を被覆形成できる。更に、本実施形態の被覆工具では、上記工具基体表面と上記下層の間に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物を含有する下地層（硬質皮膜）を、物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、またはゾル−ゲル法により形成した後、該硬質皮膜の表面に上記結晶質酸化アルミニウム層を被覆形成することもできる。
下地層の具体例としては、例えば、化学蒸着によって形成したＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層等のＴｉ化合物層を挙げることができ、また、物理蒸着によって形成したＴｉとＡｌの複合窒化物層、ＣｒとＡｌの複合窒化物層等を挙げることができる。
【００１３】
図１に、本実施形態の被覆工具の硬質被覆層縦断面の構成図を、また、図２に、本実施形態被覆工具の硬質被覆層の縦断面模式図を示す。
図１に示される本実施形態の被覆工具は、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体３（なお、工具基体直上に図２に示されるように下地層３Ａが形成されていても良い）上に、ゾルーゲル法で成膜形成された０．５〜４．０μｍの平均層厚を有する結晶質酸化アルミニウム層からなる下層２が被覆形成され、この上に、０．２〜３．０μｍの平均層厚を有する非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層からなる上層１が被覆形成されている。
下層２の結晶質酸化アルミニウム層はコランダム構造を有するα型アルミナが望ましい。該下層２は、ゾル−ゲル法で成膜されているため、下地層が有する起伏に沿って充填成膜されることから、密着力に優れる。また、下層２である該結晶質酸化アルミニウム層の表面には、凹部が形成されており、上層１の非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層は、下層２の凹部を埋め込むように充填成膜されている。
図２からも明らかなように、下層２の凹部を埋め込むように上層１の非晶質酸化アルミニウム（または非晶質酸化シリコン）が充填され、上層１の表面が平滑化されていることが分かる。
【００１４】
ここで、下層２の平均層厚を０．５〜４．０μｍと定め、また、上層１の平均層厚を０．２〜３．０μｍと定めている。これは、それぞれの層厚が下限値（下層２：０．５μｍ，上層１：０．２μｍ）を下回った場合には、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、上限値（下層２：４．０μｍ，上層１：３．０μｍ）を超える場合には、チッピングを発生しやすくなるということによる。下層２の好ましい平均層厚は２．０〜４．０μｍであり、より好ましい平均層厚は２．５〜３．８μｍである。上層１の好ましい平均層厚は０．８〜２．８μｍであり、より好ましい平均層厚は１．０〜２．５μｍである。
本実施形態において、平均層厚は視野領域６×７μｍの範囲として透過型走査型電子顕微鏡を用いた縦断面観察により、５点の層厚を測定し、その平均値を算出した値である。
【００１５】
また、下層２の表面に形成されている凹部について述べる。
まず、下層２の凹部の平均深さ（ｃ）（図１参照）は、０．４〜４．０μｍである。上層の潤滑性と下層の耐摩耗性を同時に発揮できる最適範囲と非晶質酸化シリコンの焼成時の熱膨張を考慮すると、凹部の平均深さ（ｃ）は、好ましくは２．０〜３．０μｍの範囲内にあり、より好ましくは２．２〜２．８ μｍである。下層２の凹部の平均深さ（ｃ）が０．４μｍ未満である場合には、下層２表面がほぼ平坦となり、下層２−上層１間でのアンカー効果が小さくなるため、上層１が剥離しやすくなることから、凹部の平均深さ（ｃ）は０．４μｍ以上必要である。一方、下層２の最大平均層厚が４．０μｍなのであるから、下層２の凹部の平均深さの最大値は、自ずと４．０μｍとなる。
ここで凹部の平均深さ（ｃ）は、視野領域１０×１２μｍの範囲として走査型電子顕微鏡を用いた縦断面観察により、５点の凹部の深さを測定し、その平均値を算出した値である。
【００１６】
次に、本実施形態では下層２の凹部の平均アスペクト比（ｄ）を凹部最大深さに対する基体水平方向における凹部の最大幅の比として定義する（幅／深さ）。本実施形態では、該平均アスペクト比（ｄ）が１．０〜４０、好ましくは５．０〜２５、より好ましくは７．０〜２０の範囲内にある。平均アスペクト比（ｄ）が前記範囲内であれば、焼成時の上層１と下層２の熱膨張係数差に起因する凹部における応力が小さくなるため、密着性が高まり、下層の凹部は長方形に近い方がアンカー効果が高い。平均アスペクト比（ｄ）が４０を超えると、硬質皮膜（上層１と下層２からなる硬質被覆層）の上部では非晶質酸化シリコンの割合が多くなり、下部では結晶質酸化アルミニウムの割合が少なくなるため、非晶質酸化シリコンの潤滑性と結晶質酸化アルミニウムの耐摩耗性を長期にわたって両立させることができない。一方、平均アスペクト比（ｄ）が１．０未満であると、上層１と下層２の異なる機械的・熱的特性に起因して凹部の付け根から異常損傷を起こしやすくなり、アンカー効果が小さくなるために上層が剥離しやすくなり、結果的に切屑排出性が悪くなるために大きな発熱が生じる。
ここで平均アスペクト比（ｄ）は、視野領域１０×１２μｍの範囲として走査型電子顕微鏡を用いた縦断面観察により、凹部のアスペクト比を凹部最大深さに対する凹部最大幅の比と定義して５点測定したのち、該アスペクト比の平均を算出した値である。
【００１７】
また、下層２に形成された凹部相互の平均水平間隔（ｅ）は、０．５〜２０μｍ、好ましくは２．０〜１０μｍ、より好ましくは４．０〜８．０μｍの範囲内にある。平均水平間隔（ｅ）が前記範囲内であれば、比較的靭性が低下する凹部に焼成時負荷される応力に十分耐えうる形成密度となる平均水平間隔になるために密着性が高い。下層２に形成された凹部相互の平均水平間隔（ｅ）が０．５μｍ未満であると、下層２の結晶質酸化アルミニウムが相対的に少なくなるため高い耐摩耗性を発揮することができない。一方、平均水平間隔（ｅ）が２０μｍを超えると、非晶質酸化シリコンが相対的に少なくなるために、潤滑性を十分に発揮することができないばかりか、アンカー効果も低下してくるため上層−下層間での密着強度が低下する。従って、下層２に形成された凹部相互の平均水平間隔は、０．５〜２０μｍの範囲と定めた。
ここで平均水平間隔（ｅ）は、凹部の中心を凹部最大幅を示す線分の中点とし、互いに最も近い、凹部相互の平均水平間隔を該中心間の距離として視野領域２０×２５μｍの範囲として走査型電子顕微鏡を用いた縦断面観察により、５箇所測定し、その平均を算出した値である。
【００１８】
なお、上記結晶質酸化アルミニウム層（下層２）は、工具基体３に直接成膜することで、その性能を発揮することは可能であるが、炭窒化チタンを含む超硬合金を工具基体３とする場合は窒素雰囲気中での焼成により、工具基体３表面付近に、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒのうち、少なくとも１種の耐摩耗性の高い炭窒化物を多く含有させ、基体表面硬化層を形成させるとともに、結晶質酸化アルミニウム層と工具基体との密着強度を向上させ、工具寿命を延長することが可能となる。基体表面硬化層の平均層厚は、好ましくは１．０〜３．０μｍであり、より好ましくは１．５〜２．５μｍである。なお、該基体表面硬化層形成後の超硬合金基体の硬さはビッカース硬さ（Ｈｖ）で２２００以上、２８００以下であることが好ましい。その際、炭窒化物を多く含有させることで工具基体３表面付近におけるＣｏは相対的に減ることとなり、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの断面観察を行い、分析視野領域１×１μｍの範囲にて波長分散型Ｘ線分光法による定量分析により、結合相金属としてのＣｏの含有量を検出した場合に、Ｃｏの含有量を２．０質量％未満にすれば、工具基体３の表面硬化の要因となる炭窒化物が十分に形成され、耐摩耗性がより向上する。Ｃｏの含有量はより好ましくは０．２〜１．０質量％である。
【００１９】
また、炭窒化チタン基サーメットを工具基体３とする場合には、基体表面硬化層の焼結工程において昇温及び最高温度で保持する際の雰囲気を所定の窒素雰囲気とし、保持の途中もしくは降温する際に減圧することにより、全焼結工程を一定圧力の窒素雰囲気中で実施した場合よりも表面を硬化させることができる。基体表面硬化層の焼結工程において、最高温度で保持するまでの工程を一定の窒素圧力下で実施すると、工具基体３内部に均一に硬さの高い炭窒化物が分散形成される。一方、該焼結工程において、昇温、または温度保持の途中までは比較的高い窒素圧力下で処理し、温度保持の途中もしくは降温時から、より減圧された窒素雰囲気にして処理すると、工具基体３のごく表面のみ脱窒されることにより、ＮｉやＣｏ金属結合相へのＴｉやＮｂなどの溶解及び内部から工具基体表面への拡散が活発となり、ＴｉやＮｂなどの炭窒化物の形成が表面にて促進され、基体表面硬化層が形成される。なお、該基体表面硬化層形成後のサーメット基体の硬さはビッカース硬さ（Ｈｖ）で２０００以上、２６００以下であることが好ましい。また、その際は上記超硬基体と同様に、基体表面付近におけるＮｉ及びＣｏは相対的に減ることとなり、結合相金属としてのＮｉ及びＣｏの含有量を２．０質量％未満にすれば、工具基体３の表面硬化の要因となる炭窒化物が十分に形成され、耐摩耗性がより向上する。Ｎｉ及びＣｏの合計含有量はより好ましくは０．２〜１．０質量％である。
【００２０】
次に、本実施形態の被覆工具１０を得るための硬質被覆層の成膜法の一例について、以下に述べる。
【００２１】
まず、必要に応じて、工具基体３表面と下層２間に介在形成する下地層３Ａ、即ち、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも一種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物を含有する下地層３Ａを、従来から知られている化学蒸着法、物理蒸着法またはゾル−ゲル法によって形成すれば良い。下地層３Ａは、特段、成膜法を限定されない。
【００２２】
次に、結晶質酸化アルミニウムからなる下層２については、例えば、以下のゾル−ゲル法により０．５〜４．０μｍの平均層厚になるように成膜する。
この成膜により、本実施形態で規定される所定の凹部が下層２に形成されている場合には、この上に、後記する成膜法によって上層１を形成する。一方、成膜した結晶質酸化アルミニウムからなる下層２に、所定の凹部が形成されていない場合には、例えば、エッチング処理工程とブラスト処理工程からなる凹部形成処理を成膜後に施すことにより、下層２に所定の凹部を形成することができる。
凹部形成処理におけるエッチング処理工程は、結晶質酸化アルミニウム層上にレジスト膜を成膜し、所望の凹パターンを有するマスクを使用し、露光、現像を行い、凹部を形成させたい部分のみレジスト膜を除去する。その後、例えば反応性イオンエッチング法により、該結晶質酸化アルミニウム層をエッチングし、凹部を形成する。残存するレジスト膜除去には剥離液を使用し、エッチングの際に発生するデポ物も除去することが望ましい。また、凹部を強調するために、エッチング処理工程後にブラスト処理工程を行うことが望ましく、特に、ブラスト投射角度：４０〜７０度、ブラスト投射圧力：１００〜１６０ｋＰａ、ショットの粒径：０．２〜０．２５ｍｍ、の条件にて鋼球をブラストするショットブラスト処理が望ましい。
なお、下層２に所定の凹部を形成するための手段は、上記エッチング処理やブラスト処理ばかりでなく、成膜後の熱処理による凹部形成や乾燥及び焼成時におけるゾル−ゲルの体積収縮をアルミナゾル調製時の溶液組成によって制御し、本実施形態の凹部形状を形成することも勿論可能である。
【００２３】
下層形成用アルミナゾルの調製：
まず、アルミニウムのアルコキシド（例えば、アルミニウムセカンダリブトキシド、アルミニウムプロポキシド）にアルコール（例えば、エタノール、１−ブタノール。）を添加し、さらに、酸（例えば、塩酸、硝酸）を添加（同時に、平均粒径１０〜３００ｎｍのαアルミナ粒子を添加してもよい）した後、１０℃以下の温度範囲にて攪拌し、かつ、例えば、１２時間以上の熟成処理を行うことによってアルミナゾルを形成する。
下層形成用アルミナゾルにおいては、アルミニウムのアルコキシドが８．０〜１３．０質量％、アルコールが３０．０〜５０．０質量％、酸が１．０〜３．０質量％含有されていると好ましい。
【００２４】
なお、アルコール添加に際し、下層２となる結晶性酸化アルミニウム層の形成時における結晶核生成促進による低温成膜及び結晶性向上のために、平均粒径１０〜３００ｎｍのαアルミナ粒子をあらかじめ含有させておいたアルコールを添加することが均一なゾルを作製する点から好ましい。平均粒径１０〜３００ｎｍのαアルミナ粒子をあらかじめ含有していると、コーティングした際にαアルミナ粒子が結晶成長の起点となる核となるため、焼成工程の早い段階で結晶化させる効果がある。αアルミナ粒子を含有するアルコールを添加する場合に、αアルミナ粒子の平均粒径が１０ｎｍ未満であると、結晶成長の起点となりうる臨界核サイズに達しないため、αアルミナ粒子周囲のアルミナゾルからの結晶成長が起きず、孤立してしまい、焼成後は周囲の結晶粒との結合力が弱い箇所となりやすい。一方、平均粒径が３００ｎｍを超えると、αアルミナ粒子を起点とする結晶核が過度に粗大粒子として成長してしまい、膜硬度の低下、膜中欠陥を誘発するため、添加するαアルミナ粒子の平均粒径は１０〜３００ｎｍとする。
ここで、平均粒径とは各粒子の投影面積と等しい面積を有する円の直径を示し、走査型電子顕微鏡によって測定された値である。
また、アルコール中のαアルミナ粒子含有量は、アルミニウムのアルコキシドに対して０．５質量％未満であると、結晶核を一定密度以上で膜中に均一分布させるために必要な核生成数を満足できず、膜中の結晶性が場所によって不均一になってしまうため、切削の際に異常摩耗を誘発させやすい。アルミニウムのアルコキシドに対して５質量％を超えるとアルミナゾル中においてαアルミナ粒子の凝集が起きやすく、酸化アルミニウム層形成時に該凝集部が膜中の粗大粒子として形成し、膜中欠陥を誘発するという理由からαアルミナ粒子の添加量はアルミニウムのアルコキシドに対して０．５〜５質量％の範囲とすることが望ましい。
【００２５】
また、添加する酸の濃度は、０．０１〜４．０Ｎが望ましく、アルコールに対する酸の添加量は、０．５〜５倍（容量）が望ましい。
【００２６】
通常行われるアルミナゾルの調製においては、４０〜８０℃での攪拌と、その攪拌温度で数時間程度の熟成処理が行われるが、この発明における下層となる結晶性酸化アルミニウム層は、１０℃以下の低温度範囲における攪拌を、例えば、１２時間以上という長時間をかけた低温熟成処理を行うことが結晶性向上の点から望ましい。
【００２７】
ここで、攪拌時の温度が１０℃を超えると加水分解が急速に進んでしまうため、前駆体が密に形成されず、後工程の焼成工程でαアルミナが形成されなくなることから、攪拌時の温度を１０℃以下の低温温度範囲とした。
【００２８】
なお、熟成時間を１２時間以上という長時間にしたのは、低温で徐々に加水分解を促し、酸化アルミニウム前駆体を密に生成させるという理由による。
【００２９】
乾燥・焼成：
上記で調製したアルミナゾルを、工具基体３の表面へ直接、あるいは、工具基体３表面に形成した硬質皮膜（下地層３Ａ）の最表面へ塗布し、それに続き１００〜４００℃、より好ましくは２５０〜３５０℃での乾燥処理を１回以上繰り返し行い、次いで、５００〜１０００℃、より好ましくは６００〜９００℃の温度範囲で焼成処理を行って結晶性酸化アルミニウム層を被覆形成する。
【００３０】
上記乾燥処理によってアルミナの乾燥ゲルが形成され、焼成処理によって、硬質皮膜表面に、コランダム型の結晶構造を有するαアルミナ構造の結晶性酸化アルミニウム層が被覆形成される。
【００３１】
次いで、上層１との付着強度を高めるために、下層２の表面に所定の凹部を形成するが、例えば、凹部の深さ、アスペクト比については上記乾燥・焼成工程における処理温度により調整することができる（例えば、処理温度を高くすれば、形成される凹部の深さ、アスペクト比は大になる）。また、凹部相互の水平間隔については、一回当たりの塗布厚さを変化させることにより（例えば、一回当たりの塗布厚さを厚くすれば、凹部相互の水平間隔は大になる）調整することができる。
所定の凹部が形成されていない場合には、例えば、エッチング処理工程とブラスト処理工程からなる凹部形成処理を成膜後に施すことにより、下層に所定の凹部を形成することができる。
【００３２】
次に、非晶質酸化アルミニウムまたは非晶質酸化シリコンからなる上層１を上記下層２の表面に、０．２〜３．０μｍの平均層厚となるように成膜する。成膜方法としては、凹部に欠陥等なく充填させるよう成膜できるためにゾル−ゲル法による成膜が望ましい。
ゾル−ゲル法による非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層の形成は、調製及び保持を施したアルミナゾル、シリカゾルを下層の表面に塗布し、これを乾燥・焼成することによって成膜することができる。
この工程を、より具体的に述べれば、以下のとおりである。
【００３３】
まず、非晶質酸化アルミニウム層の成膜について述べる。
アルミナゾルの調製：
まず、アルミニウムのアルコキシド（例えば、アルミニウムセカンダリブトキシド、アルミニウムプロポキシド）にアルコール（例えば、エタノール、１−ブタノール。）を添加し、さらに、酸（例えば、塩酸）を添加した後、２０〜４０℃の温度範囲にて１〜３時間攪拌することによってアルミナゾルを調整する。
上層形成用アルミナゾルにおいては、アルミニウムのアルコキシドが８．０〜１３．０質量％、アルコールが３０〜５０質量％、酸が３．５〜５．０質量％含有されていると好ましい。
【００３４】
上層形成用アルミナゾルの保持：
次いで、上記アルミナゾルについて、ゾル中で起きている加水分解・縮合反応が平衡状態に至るまで待つ目的で０〜３０℃の温度範囲にて１２時間以上保持する。なお、上層１に形成する酸化アルミニウム層は潤滑性の観点から非晶質であることが求められるため、低温成膜や結晶性向上に効果のあるアルミナゾルへのαアルミナ粒子の添加や低温の熟成処理は行わないことが望ましい。
【００３５】
乾燥・焼成：
上記アルミナゾルを、工具基体３の表面へ直接形成された下層２、あるいは、工具基体３表面に被覆形成した下地層３Ａ上に形成された下層２の上に塗布し、それに続き１００〜３００℃での乾燥処理を繰り返し行い、次いで、３００〜６００℃の温度範囲で焼成処理を行って、０．２〜３．０μｍの平均層厚を有する非晶質酸化アルミニウム層を成膜する。
【００３６】
次に、非晶質酸化シリコン層の成膜について述べる。
上層形成用シリカゾルの調製：
まず、シリコンのアルコキシド（例えば、テトラエトキシシラン）にアルコール（例えば、１−ブタノール）を添加し、さらに、所定濃度の酸（例えば、塩酸）を添加した後、２０〜４０℃の温度範囲にて１〜３時間攪拌することによってシリカゾルを調製する。
上層形成用シリカゾルにおいては、シリコンのアルコキシドが８．０〜１３．０質量％、アルコールが４０．０〜６０．０質量％、酸が０．１〜１．０質量％含有されていると好ましい。
【００３７】
シリカゾルの保持：
次いで、上記シリカゾルについて、ゾル中で起きている加水分解・縮合反応が平衡状態に至るまで待つ目的で２０〜８０℃の温度範囲にて１２時間以上保持する。
【００３８】
乾燥・焼成：
上記シリカゾルを、下地層３Ａ上に被覆形成した下層２上に塗布し、それに続き７０〜２００℃での乾燥処理を繰り返し行い、次いで、３００〜７００℃の温度範囲で焼成処理を行って、０．２〜３．０μｍの平均層厚を有する非晶質酸化シリコン層を成膜する。
【００３９】
上記非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層の層厚は、ゾルの塗布厚さおよび塗布回数に依存するが、層厚が０．２μｍ未満では、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、層厚が３．０μｍを越えると剥離、チッピングが生じやすくなる。上記非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層からなる上層１の平均層厚は０．２〜３．０μｍとする。
【００４０】
以上、本実施形態の被覆工具によれば、工具基体３の表面に、直接、あるいは、下地層３Ａを介して、ゾル−ゲル法により形成された特定の凹形状を有する結晶質酸化アルミニウム層が下層１として形成され、さらにその上に、ゾル−ゲル法により形成された非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層が上層１として設けられている。このような本実施形態の構成によれば、上層１と下層２とからなる硬質被覆層の潤滑性、平滑性が向上し、高い耐摩耗性と切屑排出性が付与される。更に、本実施形態の被覆工具１０は、上層１と下層２の密着性が大で剥離が生じにくいことから、高熱発生を伴うとともに、断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削に用いた場合でも、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができるのである
【００４１】
つぎに、この発明を実施例により具体的に説明する。
【実施例１】
【００４２】
原料粉末として、平均粒径０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、平均粒径２〜３μｍの中粒ＷＣ粉末といずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示す所定の配合組成に配合し、さらにワックスを原料粉末１００質量部に対して０．５質量部加えて２５０質量部のアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥して紛体を得た。その後、前記紛体を用い、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体をプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１４００℃の温度にて１時間保持の条件で真空焼結し、焼結体を得た。その後、焼結体の切刃部にＲ：０．０５ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ（工具基体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉという）を製造した。但し、１４００℃にて１時間保持後１３２０℃までの冷却を、超硬基体Ｆについては、３．３ｋＰａの窒素雰囲気中にて４０分間行い、超硬基体Ｇについては、２ｋＰａの窒素雰囲気中にて４０分間、超硬基体Ｈについては、１ｋＰａの窒素雰囲気中にて１０分間、超硬基体Ｉについては、３．３ｋＰａの窒素雰囲気中にて１２０分間かけて冷却することで基体表面を硬化処理した。
【００４３】
【表１】
2014037048.tif 000003
【００４４】
ついで、上記工具基体Ａ〜Ｉに対して、下層を形成した。
なお、下層の形成にあたり、上記工具基体Ａ及びＢについては、化学蒸着装置に装入し、表２に示す成膜条件を用いて、粒状結晶組織を有するＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層、縦長成長結晶組織のＴｉＣＮ層（以下、ｌ−ＴｉＣＮで示す）からなるＴｉ化合物層を表４に示す皮膜構成にて下地層を予め形成した。一方、上記工具基体Ｃについては、物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、表４に示す膜厚のＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
また、上記工具基体Ｄについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、表４に示す膜厚のＡｌ０．７Ｃｒ０．３Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
一方、上記工具基体Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉについては、下地層の形成を特に行わなかった。
【００４５】
ついで、下地層を形成した上記工具基体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、および、下地層を形成していない上記工具基体Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉのいずれに対しても、次の（イ）〜（ハ）の工程で、所定目標層厚になるまで結晶質酸化アルミニウム層を成膜した。
（イ）まず、反応原料における各成分の溶液組成はモル比で、
（アルミニウムセカンダリブトキシド）：（水）：（エタノール）：（塩酸）
＝１：１００：２０：０．５
になるよう添加して、恒温槽中５℃に保持したまま、２４時間攪拌を継続し、さらに、５℃で２４時間低温熟成処理することにより、アルミナゾルを調製した。
なお、エタノールは、結晶性向上のために、平均粒径１００ｎｍのαアルミナ粒子をアルミニウムのアルコキシドに対して２質量％添加したものを使用した。
（ロ）ついで、上記工具基体Ａ〜Ｉの下地層又は基体の表面に上記アルミナゾルを塗布した。
（ハ）ついで、上記塗布したアルミナゾルを、大気中１５０℃で０．５時間の乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、大気中８００℃で１時間の焼成処理を行うことにより下層を形成した。
なお、工具基体Ａ〜Ｉに形成された結晶質酸化アルミニウム層（下層）においては、焼成後、本発明で規定する凹部の形状、サイズが得られていなかったので、表３に示す条件で凹部形成処理を行い、本発明で規定する範囲内の凹部形状、サイズを形成した。エッチングガスはＣＦ４−ＣＨＦ３−Ａｒを用いた。
さらに、工具基体Ａ〜Ｉの下層に形成されている凹部について、走査型電子顕微鏡を用いた縦断面観察により、５点の凹部の深さを測定し、その平均値を算出した。また、走査型電子顕微鏡を用いた縦断面観察により、凹部のアスペクト比を凹部最大深さに対する凹部最大幅の比と定義して５点測定したのち、該アスペクト比の平均を本発明の凹部の平均アスペクト比として算出した。また、それと同様に、凹部の中心を凹部最大幅を示す線分の中点とし、互いに最も近い、凹部相互の平均水平間隔を該中心間の距離として走査型電子顕微鏡を用いて５箇所測定し、その平均を算出した結果を表４に示す。（但し、いずれの測定も、凹部形成処理実施後の測定である。）
【００４６】
ついで、それぞれ下層を被覆形成した上記工具基体Ａ〜Ｉに対して、次の（イ）〜（ハ）の工程で、上層である非晶質酸化アルミニウム層をゾルーゲル法で被覆形成した。
（イ）まず、反応原料における各成分の溶液組成はモル比で、
（アルミニウムセカンダリブトキシド）：（水）：（エタノール）：（塩酸）
＝１：１００：１０：０．１
になるよう添加して、恒温槽中３０℃で攪拌を行い、さらに、３０℃で２時間保持させることで、アルミナゾルを調製した。
（ロ）ついで、上記工具基体Ａ〜Ｉの下層表面に上記アルミナゾルを塗布した。
（ハ）ついで、上記塗布したアルミナゾルを、大気中３００℃で０．５時間の乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、大気中６００℃で１時間の焼成処理を行うことにより、表４に示す本発明の被覆工具１〜９（本発明工具１〜９という）を製造した。
【００４７】
上記本発明工具１〜９について、下層、上層の結晶構造を透過電子顕微鏡により、制限電子回折による構造解析を行ったところ、下層は明瞭な電子回折パターンが得られ、結晶質酸化アルミニウム、また、上層はハローパターンが得られたことから非晶質酸化アルミニウムで構成されていることが確認された。また、本発明工具１〜９について、透過電子顕微鏡を用いた縦断面観察を行い、凹部近傍の下層と上層との界面を詳細に観察したところ、下層の凹部に上層の非晶質酸化アルミニウムがポア等なく埋め込まれたような状態で充填されていることが確認された。また、同時に上層、下層の平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。なお、下地層を設けず超硬基板に直接結晶質酸化アルミニウムを下層として成膜した工具については、超硬基体表面のＣｏの含有量を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた波長分散型Ｘ線分光法により超硬基体の縦断面観察視野において基板表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの範囲内における１×１μｍの面分析にて５視野を定量分析し、その平均値を採用した。
【００４８】
【表２】
2014037048.tif 000004
【００４９】
【表３】
2014037048.tif 000005
【００５０】
【表４】
2014037048.tif 000006
【実施例２】
【００５１】
前記実施例１と同様に、工具基体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄには下地層を形成後、工具基体Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉには下地層を形成せずにゾル−ゲル法により、所定目標層厚になるまで結晶質酸化アルミニウム層を成膜して下層を形成し、表３に示す種々の条件で各工具基体に凹部形成処理を施した。表４に、工具基体Ａ〜Ｉの下層に形成されている凹部について、縦断面の走査電子顕微鏡観察において測定した凹部の形状、サイズの平均値を示す。
【００５２】
ついで、それぞれ下層を被覆形成した上記工具基体Ａ〜Ｉに対して、次の（イ）〜（ハ）の工程で、上層である非晶質酸化シリコン層をゾルーゲル法で被覆形成した。
（イ）まず、反応原料における各成分の溶液組成はモル比で、
（テトラエトキシシラン）：（水）：（１−ブタノール）：（塩酸）
＝１：１００：５：０．２
になるよう添加して、恒温槽中３０℃で攪拌を行い、さらに、６０℃で１２時間保持させることで、攪拌を継続し、シリカゾルを調製した。
（ロ）ついで、上記工具基体Ａ〜Ｉの下層表面に上記シリカゾルを塗布した。
（ハ）ついで、上記塗布したシリカゾルを、大気中１５０℃で０．５時間の乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、大気中６００℃で１時間の焼成処理を行うことにより、表４に示す本発明の被覆工具１０〜１８（本発明工具１０〜１８という）を製造した。
【００５３】
上記本発明工具１０〜１８について、下層、上層の結晶構造を透過電子顕微鏡により、制限電子回折による構造解析を行ったところ、下層は明瞭な電子回折パターンが得られ、α型の結晶構造を有する酸化アルミニウム、また、上層はハローパターンが得られたことから非晶質酸化シリコンで構成されていることが確認された。また、本発明工具１０〜１８について、透過電子顕微鏡を用いた縦断面観察を行い、凹部近傍の下層と上層との界面を詳細に観察したところ、下層の凹部に上層の非晶質酸化シリコンがポア等なく埋め込まれたような状態で充填されていることが確認された。また、同時に上層、下層の平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。なお、下地層を設けず超硬基板に直接結晶質酸化アルミニウムを下層として成膜した工具については、超硬基体表面のＣｏの含有量を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた波長分散型Ｘ線分光法により超硬基体の縦断面観察視野において基板表面から深さ方向に０．５〜３．０μｍの範囲内における１×１μｍの面分析にて５視野を定量分析し、その平均値を採用した。
【比較例１】
【００５４】
次に、被覆工具の切削性能に及ぼす下層（結晶質酸化アルミニウム層）の平均層厚と凹部の形状・サイズの影響を調査するため、工具基体Ａ〜Ｉを用いて、表５に示す下層の平均層厚、凹部形成処理条件を変更することにより、１８種類の比較材１〜１８を作製した。
そして、その結果得られた比較材１〜１８に形成された下層の凹部形状・サイズを測定し、その平均値を求めた。
表５に、下層の成膜条件、平均層厚、また、その結果得られた下層の凹部形状・サイズの測定平均値を示す。
【００５５】
【表５】
2014037048.tif 000007
【００５６】
ついで、上記比較材１〜１８に対して、実施例１、実施例２と同様な工程で、アルミナゾルまたはシリカゾルの調製、保持を行い、下層表面に塗布、乾燥、焼成を行うことで、表５に示す比較例の被覆工具１〜１８（比較例工具１〜１８という）を作製した。
【００５７】
上記比較例工具１〜１８について、下層、上層の結晶構造を透過電子顕微鏡を用いて構造解析したところ、下層は結晶質酸化アルミニウム、また、上層は非晶質酸化アルミニウムまたは非晶質酸化シリコンで構成されていることが確認された。しかし、凹部近傍の下層と上層との界面を詳細に観察したところ、一部の比較例工具では、下層の凹部に上層の非晶質酸化アルミニウムまたは非晶質酸化シリコンが十分に充填されておらず、空孔や密度の薄い部分が存在した。また、前記実施例と同様に上層、下層の平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定するとともに、下地層を設けず超硬基板に直接結晶質酸化アルミニウムを下層として成膜した工具については、超硬基体表面のＣｏの含有量を波長分散型Ｘ線分光法により定量分析した。
【００５８】
つぎに、上記本発明工具１〜１８、比較例工具１〜１８について、次の条件で湿式高速断続切削加工試験を行った。
【００５９】
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ４１０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  １８０  ｍ／ｍｉｎ、
切込み：  １．０  ｍｍ、
送り：  ０．２０  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  ５  分
切削加工試験（通常の切削速度は、それぞれ、１２０ ｍ／ｍｉｎ．）後の、それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行うとともに、硬質被覆層の損傷状況を観察した。
逃げ面摩耗量は、ミクロメータ付きの光学顕微鏡にて測定を行った。硬質被覆層の損傷状況については、光学顕微鏡にて観察を行い、切れ刃にチッピングや欠けが無く、刃先稜線が残っており、以降も切削を続けられる状態を正常摩耗とし、切れ刃に大きな欠けが生じ、刃先稜線が残っておらず、加工面精度に不備が出てしまい、以降の切削が出来ない状態を欠損とした。
表６に、これらの結果を示す。
【００６０】
【表６】
2014037048.tif 000008
【００６１】
表４〜６の結果によれば、下層に形成された凹部の平均深さ、平均アスペクト比および平均水平間隔が本発明で規定する範囲を外れる比較例工具１〜１８は、本発明工具１〜１８に比して、耐チッピング性、耐剥離性および耐摩耗性に劣ることは明らかである。
【実施例３】
【００６２】
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、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これらを表７に示す所定の配合組成に配合し、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、焼結体を得た。その後、焼結体の切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒ（工具基体Ｊ〜Ｒという）を製造した。但し、工具基体Ｏについては１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、昇温速度を２℃／ｍｉｎとし、室温より１５４０℃まで昇温させ３０分保持した後、１３Ｐａの真空とし、さらに、１５４０℃にて３０分保持後降温させて表面硬化させた。工具基体Ｐについては、常に１３Ｐａの真空中にて昇温および１５４０℃にて６０分保持、工具基体Ｑについては１．３ｋＰａの窒素雰囲気中で室温より１５４０℃まで昇温させ３０分保持した後、１３Ｐａの真空とし、さらに、１５４０℃にて５分保持、工具基体Ｒについては１．３ｋＰａの窒素雰囲気中で室温より１５４０℃まで昇温させ３０分保持した後、１３Ｐａの真空とし、さらに、１５４０℃にて９０分保持後降温させて表面硬化させた。
【００６３】
【表７】
2014037048.tif 000009
【００６４】
ついで、上記工具基体Ｊ〜Ｒに対して、下層を形成した。
なお、下層の形成にあたり、上記工具基体Ｊ及びＫについては、化学蒸着装置に装入し、表２に示す成膜条件を用いて、表８のＴｉ化合物からなる皮膜構成にて下地層を予め形成した。一方、上記工具基体Ｌについては、物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、表８に示す膜厚のＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
また、上記工具基体Ｍについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、表９に示す膜厚のＡｌ０．７Ｃｒ０．３Ｎ層からなる下地層を予め形成した。
一方、上記工具基体Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒについては、下地層の形成を特に行わず、工具基体Ｌ、Ｍ、Ｎの表面に直接下層を被覆形成した。
なお、工具基体Ｊ〜Ｒに形成された結晶質酸化アルミニウム層（下層）においては、焼成後、本発明で規定する凹部の形状、サイズが得られていなかったので、表３に示す条件で凹部形成処理を施し、下層に、本発明で規定する範囲内の凹部形状、サイズを形成した。
表８に、工具基体Ｊ〜Ｒの下層に形成されている凹部について、縦断面の走査型電子顕微鏡観察において測定した凹部の形状、サイズの平均値を示す。（但し、いずれの測定も、凹部形成処理実施後の測定である。）
【００６５】
なお、下地層を形成した上記工具基体Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍおよび、下地層を形成していない上記工具基体Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒのいずれに対しても、実施例１と同様にゾル−ゲル法により、所定目標層厚になるまで結晶質酸化アルミニウム層を成膜することにより下層を形成した。
【００６６】
ついで、それぞれ下層を被覆形成した上記工具基体Ｊ〜Ｒに対して、実施例１の前記上層である非晶質酸化アルミニウム層の形成工程（イ）〜（ハ）と同様の処理を施すことにより、表８に示す本発明の被覆工具１９〜２７（本発明工具１９〜２７という）を、製造した。
【００６７】
上記本発明工具１９〜２７について、実施例１と同様に下層、上層の結晶構造を透過電子顕微鏡により、制限電子回折による構造解析を行ったところ、下層は明瞭な電子回折パターンが得られ、結晶質酸化アルミニウム、また、上層はハローパターンが得られたことから非晶質酸化アルミニウムで構成されていることが確認された。また、透過電子顕微鏡を用いた縦断面観察を行い、凹部近傍の下層と上層との界面を詳細に観察したところ、下層の凹部に上層の非晶質酸化アルミニウムがポア等なく埋め込まれたような状態で充填されていることが確認された。また、前記実施例１と同様に上層、下層の平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定するとともに、下地層を設けずサーメット基板に直接結晶質酸化アルミニウムを下層として成膜した工具については、サーメット基体表面のＣｏ及びＮｉの含有量を波長分散型Ｘ線分光法により定量分析した。
【００６８】
【表８】
2014037048.tif 000010
【実施例４】
【００６９】
前記実施例３で用いたのと同じ工具基体Ｊ〜Ｒを用いて、実施例２と同様に、ゾル−ゲル法により、表９に示す所定目標層厚になるまで結晶質酸化アルミニウム層を成膜して下層を形成し、表３に示す種々の条件で凹部形成処理を施した。
表８に、工具基体Ｊ〜Ｒの下層に形成されている凹部について、縦断面の走査電子顕微鏡観察において測定した凹部の形状、サイズの平均値を示す。
【００７０】
ついで、それぞれ下層を被覆形成した上記工具基体Ｊ〜Ｒに対して、実施例２と同様に、次の（イ）〜（ハ）の工程で、非晶質酸化シリコン層をゾルーゲル法で被覆形成した。
（イ）まず、反応原料における各成分の溶液組成はモル比で、
（テトラエトキシシラン）：（水）：（エタノール）：（硝酸）
＝１：１００：５：０．２
になるよう添加して、恒温槽中３０℃で攪拌を行い、さらに、６０℃で１２時間保持させることで、攪拌を継続し、シリカゾルを調製した。
（ロ）ついで、上記工具基体Ｊ〜Ｒの下層表面に上記シリカゾルを塗布した。
（ハ）ついで、上記塗布したシリカゾルを、大気中１５０℃で０．５時間の乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、大気中６００℃で１時間の焼成処理を行うことにより、表８に示す本発明の被覆工具２８〜３６（本発明工具２８〜３６という）を製造した。
【００７１】
上記本発明工具２８〜３６について、下層、上層の結晶構造を透過電子顕微鏡により、制限電子回折による構造解析を行ったところ、下層は明瞭な電子回折パターンが得られ、結晶質酸化アルミニウム、また、上層はハローパターンが得られたことから非晶質酸化シリコンで構成されていることが確認された。また、透過電子顕微鏡を用いた縦断面観察を行い、凹部近傍の下層と上層との界面を詳細に観察したところ、下層の凹部に上層の非晶質酸化シリコンがポア等なく埋め込まれたような状態で充填されていることが確認された。また、前記実施例と同様に上層、下層の平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定するとともに、下地層を設けずサーメット基板に直接結晶質酸化アルミニウムを下層として成膜した工具については、サーメット基体表面のＣｏ及びＮｉの含有量を波長分散型Ｘ線分光法により定量分析した。
【比較例２】
【００７２】
次に、被覆工具の切削性能に及ぼす下層（結晶質酸化アルミニウム層）の平均層厚と凹部の形状・サイズの影響を調査するため、工具基体Ｊ〜Ｒを用いて、下層の平均層厚、凹部形成処理条件を変更することにより、１８種類の比較材１９〜３６を作製した。
そして、その結果得られた比較材１９〜３６に形成された下層の凹部形状・サイズを測定し、その平均値を求めた。
表９に平均層厚、また、その結果得られた下層の凹部形状・サイズの測定平均値を示す。
【００７３】
ついで、上記比較材１９〜３６に対して、実施例３、実施例４と同様な工程で、アルミナゾル、シリカゾルの調製、保持を行い、下層表面に塗布、乾燥、焼成を行うことで、表９に示す比較例の被覆工具１９〜３６（比較例工具１９〜３６という）を作製した。
【００７４】
上記比較例工具１９〜３６について、下層、上層の結晶構造を透過電子顕微鏡を用いて構造解析したところ、下層は結晶質酸化アルミニウム、また、上層は非晶質酸化アルミニウムまたは非晶質酸化シリコンで構成されていることが確認された。しかし、縦断面も同様に、透過電子顕微鏡を用いて凹部近傍の下層と上層との界面を観察したところ、一部の比較例工具では、下層の凹部に上層の非晶質酸化アルミニウムまたは非晶質酸化シリコンが十分に充填されておらず、空孔や密度の薄い部分が存在した。また、前記実施例と同様に上層、下層の平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定するとともに、下地層を設けずサーメット基板に直接結晶質酸化アルミニウムを下層として成膜した工具については、サーメット基体表面のＣｏ及びＮｉの含有量を波長分散型Ｘ線分光法により定量分析した。
【００７５】
【表９】
2014037048.tif 000011
【００７６】
つぎに、上記本発明工具１９〜３６、比較例工具１９〜３６について、次の条件で乾式高速断続切削加工試験を行った。
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  ３４０  ｍ／ｍｉｎ、
切込み：  １．６  ｍｍ、
送り：  ０．２４  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  ５  分
切削加工試験（通常の切削速度は、それぞれ、２２０ ｍ／ｍｉｎ．）後の、それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行うとともに、硬質被覆層の損傷状況を観察した。逃げ面摩耗量の測定方法及び硬質被覆層の損傷状況の判断については、本発明工具１〜１８、比較例工具１〜１８と同様の方法で行った。
これらの結果を表１０に示す。
【００７７】
【表１０】
2014037048.tif 000012
【００７８】
表８〜１０の結果によれば、下層に形成された凹部の平均深さ、平均アスペクト比および平均水平間隔が本発明で規定する範囲を外れる比較例工具１９〜３６は、本発明工具１９〜３６に比して、耐チッピング性、耐剥離性および耐摩耗性に劣ることは明らかである。
【００７９】
以上のとおり、本発明の被覆工具によれば、硬質被覆層の下層が、ゾル−ゲル法により形成された特定の凹形状を有する結晶質酸化アルミニウム層で構成され、その上層として、ゾル−ゲル法により形成された非晶質酸化アルミニウム層または非晶質酸化シリコン層が設けられていることから、硬質被覆層の潤滑性、平滑性が向上し、高い耐摩耗性と切屑排出性を有するとともに、上層と下層の密着性が大で剥離が生じにくいことがわかる。
【００８０】
これに対して、硬質被覆層の下層が、本発明外の凹形状を有する結晶質酸化アルミニウム層で構成されている比較例の被覆工具では、硬質被覆層の潤滑性、平滑性が劣り、また、耐摩耗性も劣り、さらに、剥離も生じるため、短時間で使用寿命に至ることは明らかである。
なお、前記実施例では、インサート形状の工具を用いて硬質被覆層の性能を評価したが、ドリル、エンドミルなどでも同様の結果が得られることはいうまでもない
【００８１】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
この発明の耐チッピング性、耐剥離性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具によれば、高熱発生を伴うと主に、断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削に用いた場合に、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、工具寿命の長寿命化を図れるばかりか、製造工程上の省資源、省エネにも寄与し得るものであって、実用上の効果が大である。
【符号の説明】
【００８３】
１      上層
２      下層
３      下地層
３Ａ    下地層
（ｃ）  凹部の平均深さ
（ｄ）  凹部の平均アスペクト比
（ｅ）  凹部相互の平均水平間隔
【図１】
2014037048.tif 000013
【図２】
2014037048.tif 000014