(57)【要約】      （修正有）【課題】高速断続切削加工において、すぐれた耐異常損傷性を発揮する表面被覆切削工具を提供する【解決手段】下部層と上部層からなる硬質被覆層が被覆形成された表面被覆切削工具で、（ａ）下部層は、層厚３〜１５μｍのＴｉ化合物層からなり、１層のＴｉ炭窒化物層を備え、（ｂ）上部層は、層厚２〜２０μｍの化学蒸着したα型の酸化アルミニウム層からなり、（ｃ）下部層を構成する１層のＴｉ炭窒化物層の内の層厚が最も厚く１．５μｍ以上の層厚を有するＴｉ炭窒化物層には、該層の層厚の１／３から２／３の領域に、平均径２５〜２００ｎｍの微小空孔が３個／μｍ２以上２０個／μｍ２未満の平均密度で存在するクラック起点層が、０．５μｍから当該Ｔｉ炭窒化物層の１／３の厚さで形成され、（ｄ）クラック起点層から基体側の下部層には、０．２本／μｍ以上２本／μｍ未満の平均密度でクラックが存在する応力緩和層が形成されている表面被覆切削工具。【選択図】図１
2015188995.tif 000002
【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トで構成された基体の表面に、下部層と上部層からなる硬質被覆層が被覆形成された表面被覆切削工具であって、
（ａ）前記下部層は、合計平均層厚３〜１５μｍのＴｉ炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層及び炭窒酸化物層の内の１層または２層以上のＴｉ化合物層からなるとともに、少なくとも１層のＴｉ炭窒化物層を備え、
（ｂ）前記上部層は、平均層厚２〜２０μｍの化学蒸着した状態でα型の酸化アルミニウム層からなり、
（ｃ）前記下部層を構成する少なくとも１層のＴｉ炭窒化物層の内の平均層厚が最も厚く１．５μｍ以上の層厚を有するＴｉ炭窒化物層には、該層の層厚の１／３から２／３の領域に、平均径２５〜２００ｎｍの微小空孔が３個／μｍ２以上２０個／μｍ２未満の平均密度で存在するクラック起点層が、０．５μｍから当該Ｔｉ炭窒化物層の１／３の厚さで形成され、
（ｄ）前記クラック起点層から基体側の下部層には、基体表面に平行な方向に測定した場合、０．２本／μｍ以上２本／μｍ未満の平均密度でクラックが存在する応力緩和層が形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が作用する焼結合金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異常損傷性を示し、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。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被覆工具には、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インサート、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、さらに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ソリッドタイプのエンドミルなどがあり、また前記スローアウエイインサートを着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。
【０００３】
そして、高熱発生を伴い、切刃に大きな機械的・衝撃的負荷がかかる断続切削等の高速高能率条件における、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷発生を防止するため、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１に示すように、被覆工具において、工具基体表面の第１被覆層は、化学蒸着により形成され引張応力が残留する層であって、亀裂が導入され、該亀裂の平均間隔が１０〜１００μｍで層厚方向の亀裂長さの平均が層厚−２μｍから層厚＋５μｍの微細な亀裂を有し、周期律表の４Ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、炭酸窒化物、ホウ窒化物、ホウ炭窒化物、及びアルミナから選ばれた少なくとも１種の単層又は複層からなり、また、第１被覆層の上に設けられた第２被覆層は、周期律表の４Ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、炭酸窒化物、及びアルミナ、窒化チタンアルミニウム、酸窒化チタンアルミニウムから選ばれた少なくとも１種の単層又は複層からなり、圧縮応力の残留する物理蒸着で被覆形成した層からなる被覆工具が提案されており、この被覆工具によれば、工具基体への優れた密着強度と被覆層全体での良好な残留応力のバランスとが得られたため、優れた耐摩耗性を有すると同時に耐欠損性を大幅に向上させることができるとされている。
【０００４】
また、特許文献２に示すように、工具金基体の表面に、粒状結晶組織のＴｉ化合物層と、縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層と、粒状結晶組織を有するα型および／またはκ型酸化アルミニウム層を被覆した被覆工具において、縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層における上記酸化アルミニウム層存在側面にそって、直角研磨断面の走査型電子顕微鏡による組織観察で、表面から、１μｍ〜（上記縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層の平均層厚×０．５）μｍの範囲内の深さ、に亘って微小空孔分散帯域を形成した被覆工具が提案されており、この微小空孔帯域が、縦長成長結晶組織の炭窒化チタン層と酸化アルミニウム層の間の熱膨張の差を十分に吸収することから、熱発生の大きい切削条件下でも剥離の発生は生じないとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１７７４１１号公報
【特許文献２】特開２０００−７１１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、切削加工は高速化・高能率化の傾向にある。
そして、上記の従来被覆工具を、鋼や鋳鉄等の通常の切削加工の用いた場合には特に問題はないが、例えば、焼結合金等の、特に、高熱発生を伴うとともに、切刃に大きな機械的・衝撃的負荷がかかる断続切削加工等の高速高能率切削加工に供した場合には、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生し易く、これを原因として短時間で工具寿命に至るという問題がある。
【０００７】
すなわち、特許文献１に記載の被覆工具は、第２被覆層が物理蒸着で形成されているために、第１被覆層と第２被覆層の密着性が十分とはいえず、焼結合金の切削加工においては、溶着チッピング等が発生し、層間剥離が生じやすい。
【０００８】
また、上記特許文献２で提案されている被覆工具は、微小空孔分散帯域の形成によって、縦長成長結晶組織の炭窒化チタン層と酸化アルミニウム層の間の熱膨張差を吸収するため、層間剥離の発生は防止し得るものの、図２に示すように断続加工において発生するクラックの層厚方向への伝播進展を抑制する効果は少ないことから、クラックの伝播進展に起因する異常損傷の発生を抑制することはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上述のような観点から、焼結合金等の高速高能率切削条件、即ち、高熱発生を伴うとともに、切刃に大きな機械的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件、で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐異常損傷性を示すとともにすぐれた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。
【００１０】
その結果、ＷＣ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基体の表面に、少なくとも、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物からなるＴｉ化合物の一種又は二種以上を下部層として蒸着形成し、さらに、この上に酸化アルミニウム層を上部層として蒸着形成した被覆工具において、工具基体表面の下部層のうちの最も層厚の厚いＴｉ化合物の一部に空孔密度の高いクラック起点層を形成し、次いで、上部層を蒸着形成した後、上部層表面からウエットブラスト等を施して、下部層中のクラック起点層から基体側にクラックを形成すると、この領域で残留応力が緩和されることを見出した。
【００１１】
さらに、前記クラック起点層から基体側にクラックが形成された残留応力が緩和された領域（以下、「応力緩和層」という）は、高速断続切削加工における高負荷によって、上部層に発生したクラックが下部層側へと伝播進展してきた場合にも、前記応力緩和層がクラックの更なる伝播進展を抑制する作用があるため、クラックが基体にまで貫通することを防止し、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷発生抑制に前記応力緩和層が大きく貢献することを見出したのである。
【００１２】
つまり、下部層と上部層とを被覆形成した被覆工具において、下部層の一部に空孔密度の高いクラック起点層を形成し、ウエットブラスト等により、該クラック起点層と基体との間に応力緩和層を形成することによって、高熱発生を伴うとともに、切刃に大きな機械的・衝撃的負荷が作用する焼結合金等の高速断続切削加工において、すぐれた耐異常損傷性を示すことによって、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を見出したのである。
【００１３】
この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであって、
「  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トで構成された基体の表面に、下部層と上部層からなる硬質被覆層が被覆形成された表面被覆切削工具であって、
（ａ）前記下部層は、合計平均層厚３〜１５μｍのＴｉ炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層及び炭窒酸化物層の内の１層または２層以上のＴｉ化合物層からなるとともに、少なくとも１層のＴｉ炭窒化物層を備え、
（ｂ）前記上部層は、平均層厚２〜２０μｍの化学蒸着した状態でα型の酸化アルミニウム層からなり、
（ｃ）前記下部層を構成する少なくとも１層のＴｉ炭窒化物層の内の、平均層厚が最も厚く１．５μｍ以上の層厚を有するＴｉ炭窒化物層には、該層の層厚の１／３から２／３の領域に、平均径２５〜２００ｎｍの微小空孔が３個／μｍ２以上２０個／μｍ２未満の平均密度で存在するクラック起点層が、０．５μｍから当該Ｔｉ炭窒化物層の１／３の厚さで形成され、
（ｄ）前記クラック起点層から基体側の下部層には、基体表面に平行な方向に測定した場合、単位長さあたり０．２本／μｍ以上２本／μｍ未満の平均密度でクラックが存在する応力緩和層が形成されていることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１４】
以下、本発明について、詳細に説明する。
【００１５】
下部層（Ｔｉ化合物層）：
本発明では、硬質被覆層の下部層として、Ｔｉ炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層及び炭窒酸化物層の内の１層または２層以上のＴｉ化合物層を化学蒸着により被覆形成し、その内の少なくとも１層はＴｉ炭窒化物層にて形成する。
下部層のＴｉ化合物層は、それ自体が高温強度を有し、これの存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と酸化アルミニウムからなる上部層のいずれにも強固に密着し、硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用を有する。
下部層の層厚は、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、チッピング、欠損、剥離等の発生の原因となることから、その合計平均層厚は３〜２０μｍとすることが望ましい。
なお、本発明では、下部層のうちの少なくとも１層はＴｉ炭窒化物層にて形成するとしているが、これは、後記するように、平均層厚が最も厚く１．５μｍ以上の層厚を有するＴｉ炭窒化物層の一部領域に、所定径の微小空孔を所定密度で備えたクラック起点層を形成するために必要となるからである。
【００１６】
本発明では、化学蒸着により前記クラック起点層を有する下部層を形成した後、その上に上部層を形成し、次いで、ショットブラスト等の後処理を施すことにより、前記クラック起点層から基体側にクラックを積極的に形成し、応力緩和層を形成することによって下部層の残留応力の低減化を図る。
図１には、基体上に形成した下部層（ＴｉＣＮ層）にクラック起点層を形成し、さらに、ショットブラスト等の後処理によってクラック起点層から基体側に向かって積極的に導入したクラックが存在する硬質被覆層の縦断面模式図を示す。
【００１７】
本発明における前記クラック起点層は、例えば、下部層を化学蒸着で形成するにあたり、下部層を構成する少なくとも１層のＴｉ炭窒化物層の内の平均層厚が最も厚いＴｉ炭窒化物層の層厚の１／３から２／３の領域に、以下に示す化学蒸着を行うことによって、所定の平均径及び所定の空孔密度を有し、０．５μｍから当該Ｔｉ炭窒化物層の１／３の厚さを有するクラック起点層を形成することができる。
クラック起点層を形成するための蒸着条件：
反応ガス組成(容量％)：
ＴｉＣｌ４：１〜５％，Ｎ２：２〜１５％，ＣＨ３ＣＮ：６〜１５％，Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８６０〜９００  ℃
反応雰囲気圧力：２０〜６６．６  ｋＰａ
上記蒸着条件で蒸着することによって、平均層厚が最も厚いＴｉ炭窒化物層の層厚の１／３から２／３の領域に、所定の平均径及び所定の空孔密度を有し、０．５μｍから当該Ｔｉ炭窒化物層の１／３の厚さを有するクラック起点層を形成することができる。
なお、クラック起点層を形成しない領域におけるＴｉ炭窒化物層の蒸着は、例えば、
反応ガス組成(容量％)：
ＴｉＣｌ４：１〜５％，Ｎ２：２〜２０％，ＣＨ３ＣＮ：０．５〜４％，Ｈ２：残部
反応雰囲気温度：８６０〜１０００  ℃
反応雰囲気圧力：５〜１３．３  ｋＰａ
という条件によって蒸着形成する。
つまり、クラック起点層を形成するためには、反応ガス成分であるＣＨ３ＣＮの組成割合を増加させるとともに、反応雰囲気圧力を高めた条件で成膜することが必要となる。
【００１８】
上記クラック起点層を形成するＴｉ炭窒化物層の位置を、平均層厚が最も厚いＴｉ炭窒化物層の層厚の１／３から２／３の領域と定めたのは、クラック起点層が存在するＴｉ炭窒化物層の強度の過度の低下を防止するという理由による。
また、クラック起点層の厚さを、０．５μｍから当該Ｔｉ炭窒化物層の１／３の厚さと定めたのは、０．５μｍを下回ると所望の空孔径を有するクラック起点層を形成することが困難になり、また、当該Ｔｉ炭窒化物層の１／３の厚さを超えた場合、Ｔｉ炭窒化物層の強度が低下し、層内破壊を生じてしまい、工具寿命が極端に低下するという理由による。
【００１９】
上記で成膜したクラック起点層において、形成される微小空孔の平均径が２５ｎｍ未満では、ウエットブラストによる後処理を施したとしても、クラック起点層から基体側に向けた所望のクラックを形成する効果が少ないため、下部層の十分な応力緩和を図ることができず、一方、微小空孔の平均径が２００ｎｍを超えると、クラック起点層が存在するＴｉ炭窒化物層自体の強度が低下するため、微小空孔の平均径は２５〜２００ｎｍと定めた。
【００２０】
上記クラック起点層における微小空孔の径は、クラック起点層が含まれる硬質被覆層の縦断面を研磨面とした後、走査型電子顕微鏡で直接空孔の径、密度を測定することによって求めることができる。
なお、微小空孔の平均径とは、複数箇所における微小空孔の径を測定し、これを平均化したものである。
【００２１】
上記クラック起点層において、その縦断面を基体表面を観察し、クラック起点層内の任意の１０μｍ２について単位面積当たりの微小空孔の密度を求めた時、微小空孔の平均密度が３個／μｍ２未満である場合には、下部層の十分な応力緩和を図ることができず、一方、微小空孔の平均密度が２０個／μｍ２以上となると、クラック起点層が存在するＴｉ炭窒化物層自体の強度が低下するため、微小空孔の密度は３個／μｍ２以上２０個／μｍ２未満と定めた。
【００２２】
上記クラック起点層における微小空孔の密度は、クラック起点層が含まれる硬質被覆層の縦断面を研磨面とした後、走査型電子顕微鏡で直接空孔の径、密度を測定することによって求めることができる。
なお、微小空孔の平均密度とは、複数箇所における微小空孔の密度を測定し、これを平均化したものである。
【００２３】
上記所望の平均径、平均密度のクラック起点層を備えるＴｉ炭窒化物層を形成し、さらに、この上に上部層を形成した後、上部層の表面からウエットブラスト等を施すことによって前記クラック起点層から基体側の下部層に、層厚方向に０．２本／μｍ以上２本／μｍ未満の平均密度でクラックが存在する応力緩和層を形成する。
応力緩和層におけるクラックの平均密度が０．２本／μｍ未満である場合には、下部層の十分な応力緩和を図ることができず、一方、クラックの平均密度が２本／μｍ以上である場合には、下部層自体の強度が低下してしまうことから、クラックの平均密度は０．２本／μｍ以上２本／μｍ未満と定めた。
なお、この場合、応力緩和層より上方に位置する下部層あるいは上部層においては、０．２本／μｍ未満の平均密度のクラックが形成される状態となる。
【００２４】
応力緩和層におけるクラックの密度は、応力緩和層が含まれる硬質被覆層の縦断面を研磨面とした後、エッチングし、光学顕微鏡で観察し、基体表面と平行な方向に延びる基準線を縦断するクラックの本数を測定することによって求めることができ、複数箇所の測定値を平均化したものがクラックの平均密度である。
【００２５】
そして、このような平均クラック密度を有する応力緩和層は、例えば、ウエットブラスト処理を施すことによって形成することができる。
ただし、応力緩和層におけるクラックの形成されやすさは、上部層の層厚、下部層の全体層厚によって自ずと変化することから、応力緩和層において、クラック起点層から基体側に形成される所望のクラック平均密度に応じて、ウエットブラスト条件は調整する必要がある。
【００２６】
なお、ウエットブラスト処理とは、すでによく知られているように、噴射研磨材を含有した液体（一般的には水）である研磨液を被処理物に噴射して、圧縮残留応力を付与したり、表面の研磨を行ったりする処理であるが、このようなウエットブラスト処理の噴射研磨材としては、硬質の微粒メディアであれば材質としてはアルミナ、炭化珪素、ジルコニア、樹脂系、ガラス系など種々使用可能であり、平均粒子径としては約１〜５００μｍ程度が望ましく、約１０〜２５０μｍ程度がより好ましい。
また、ウエットブラスト条件としては、例えばメディアとしてアルミナを使用する場合には液体（水）と混合した状態において１５〜６０重量％の範囲となるようにメディアを含有させて研磨液を調整し、ブラストガンに供給する圧縮空気の圧力すなわち噴射圧力を０．０５〜０．５ＭＰａ、好ましくは０．１〜０．３ＭＰａの範囲として噴射するのが望ましい。
【００２７】
上部層（α型酸化アルミニウム層）：
化学蒸着した状態でα型の酸化アルミニウム層は、一般的にすぐれた高温硬さと化学的安定性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が２μｍ未満では、長期の使用にわたって硬質被覆層に十分な耐摩耗性を発揮せしめることができない。一方、その平均層厚２０μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピング、欠損、剥離層の異常損傷が発生し易くなることから、平均層厚の上限は２０μｍとする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の被覆工具は、下部層の一部に所定の空孔平均径、平均密度を有するクラック起点層が形成され、該クラック起点層から基体側には、所定のクラック平均密度を有する応力緩和層が形成されていることによって、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が作用する焼結合金等の高速断続切削加工においても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明被覆工具の硬質被覆層におけるクラックの状態を示す模式図である。
【図２】従来の被覆工具の硬質被覆層におけるクラックの状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
なお、ここでは、基体として炭化タングステン基超硬合金を使用した場合について説明するが、基体が炭窒化チタン基サーメットの場合も同様である。
【実施例】
【００３１】
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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ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：０．０２ｍｍ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を製造した。
【００３２】
ついで、工具基体Ａを、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、表２（表２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５に示される目標層厚のＴｉ化合物層からなる下部層を蒸着形成した。
ここで、下部層としてのＴｉ炭窒化物層を形成するにあたり、特定のＴｉ炭窒化物層（表５における「クラック起点層を形成した層」）に対しては、該層の層厚の１／３から２／３の領域にかけて、表３に示される条件で、表５に示される厚さのクラック起点層を形成した。
ついで、表２に示される条件で、α型酸化アルミニウム層からなる上部層を、表５に示される所定の目標層厚で蒸着形成した。
ついで、上部層の表面に表４に示される条件でウエットブラスト処理を施すことにより、表5に示される応力緩和層を形成し、同時に、応力緩和層中に所定密度のクラックを形成することにより、本発明被覆工具１〜１０を作製した。
【００３３】
また、比較の目的で、工具基体Ａを、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、表２に示される条件にて、表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層からなる下部層を蒸着形成し、
ついで、表３に示される条件にて、特定のＴｉ炭窒化物層（表６における「クラック起点層を形成した層」）に対して、該層の層厚の１／３から２／３の領域にかけて、表３に示される条件で、表６に示される厚さのクラック起点層を形成し、
ついで、表２に示される条件で、α型酸化アルミニウム層からなる上部層を、表６に示される所定の目標層厚で蒸着形成し、
ついで、上部層の表面に表４に示される条件でウエットブラスト処理を施すことにより、表６に示される応力緩和層を形成し、同時に、応力緩和層中に所定密度のクラックを形成することにより、比較例被覆工具１〜４を作製した。
【００３４】
さらに、比較の目的で、工具基体Ａを、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、表２に示される条件にて、表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層からなる下部層を蒸着形成し、
ついで、表２に示される条件で、α型酸化アルミニウム層からなる上部層を、表６に示される所定の目標層厚で蒸着形成し、
ついで、上部層の表面に表４に示される条件でウエットブラスト処理を施すことにより、表６に示される比較例被覆工具５〜８を作製した。
【００３５】
さらに、参考のため、工具基体Ａを、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、表２に示される条件にて、表６に示される目標層厚のＴｉ化合物層からなる下部層を蒸着形成し、
ついで、表２に示される条件で、α型酸化アルミニウム層からなる上部層を、表６に示される所定の目標層厚で蒸着形成することにより、表６に示される参考例被覆工具９，１０を作製した。
【００３６】
ついで、上記本発明工具１〜１０、比較例工具１〜８及び参考例工具９，１０について、下部層のクラック起点層における微小空孔の平均径、平均密度を測定し、さらに、応力緩和層におけるクラックの平均密度を測定した。なお、参考のため、上部層表面に形成されているクラックの平均密度についても測定した。
すなわち、上記クラック起点層における微小空孔の径、密度は、クラック起点層が含まれる硬質被覆層の縦断面を研磨面とした後、走査型電子顕微鏡で直接空孔の径、密度を測定することによって求めることができる。
なお、通常のＴｉ炭窒化物層にはクラックが殆ど見られず、クラック起点層には有意に空孔が出現することから、クラック起点層を導入するＴｉ炭窒化物層の中で、最も基体から距離が近い部分に観察される空孔の膜厚方向の位置をクラック起点層の始点とし、同様に最も離れた位置にある空孔の位置を終点とする。
次いで、硬質被覆層の縦断面において基体と平行な方向に任意の１００μｍの範囲わたり観察をおこなった結果、クラック起点層を設けることによって形成された微小空孔のうち最も基体側に近い空孔が当該Ｔｉ炭窒化物層最下面からＴｉ炭窒化物層厚の１／３の領域に存在せず、同じく最も基体から離れた位置に存在する空孔が当該Ｔｉ炭窒化物層最上面から基体側方向にＴｉ炭窒化物層厚の１／３の領域に存在せず、最も基体側に近い空孔の基体までの距離をａ、最も基体から離れた位置にある空孔の基体までの距離をｂとしたときにｂ−ａが０．５μｍ以上であることを確認した。微小空孔の径は走査型電子顕微鏡の画像より計測し、空孔がいびつな形状をしている場合は楕円として扱い、長半径と短半径の加重平均により実質的な微小空孔の径を求めた。
なお、微小空孔の平均径とは、複数箇所における微小空孔の径を測定し、これを平均化したものであり、微小空孔の平均密度とは、複数箇所における微小空孔の密度を測定し、これを平均化したものである。
また、応力緩和層におけるクラックの密度、上部層表面に形成されているクラックの密度は、応力緩和層と上部層表面を含む硬質被覆層の縦断面を研磨面とした後、エッチングし、光学顕微鏡で観察し、応力緩和層内に形成されているクラックのうち、クラック起点層の下０．５μｍの領域において、基体表面と平行な方向に延びる基準線を縦断するクラックの本数を測定することによって求めることができ、複数箇所の、基体に平行な方向１００μｍを基準長さとして測定値を平均化することによってクラックの平均密度を求めることができる。また、上部層表面に形成されているクラックの本数を複数箇所で測定し、それを平均化することによって、上部層表面に形成されているクラックの平均密度を求めることができる。
【００３７】
また、本発明工具１〜１０、比較例工具１〜８及び参考例工具９，１０の硬質被覆層の各構成層の厚さを、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて測定（縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。
表５、表６に、上記で求めた値を示す。
【００３８】
【表１】
2015188995.tif 000003
【００３９】
【表２】
2015188995.tif 000004
【００４０】
【表３】
2015188995.tif 000005
【００４１】
【表４】
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【００４２】
【表５】
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【００４３】
【表６】
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【００４４】
つぎに、上記本発明工具１〜１０、比較例工具１〜８及び参考例工具９，１０を、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・Ｐ２０４４の焼結合金の長さ方向等間隔２本縦溝入り丸棒、
切削速度：  ３３０      ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：    ２    ｍｍ、
送り：    ０．１    ｍｍ／ｒｅｖ、
衝撃回数の最大値：５０００回
の条件での焼結合金からなる歯車端面の乾式高速断続切削試験を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
表７にこの結果を示した。
また、図１には、上記切削試験終了後の本発明工具の硬質被覆層に発生したクラックの概略模式図を示し、図２には、上記切削試験終了後の比較例工具の硬質被覆層に発生したクラックの概略模式図を示す。
【００４５】
【表７】
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【００４６】
表５〜７に示される結果から、本発明の被覆工具は、下部層の一部に所定の空孔平均径、平均密度を有するクラック起点層が形成され、該クラック起点層から基体側には、所定のクラック平均密度を有する応力緩和層が形成されていることによって、高熱発生を伴い、切刃に高負荷が作用する焼結合金等の高速断続切削加工においても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、本発明範囲外の空孔平均径、密度が形成された比較例工具１〜４のうち、比較例工具１、２はクラック平均密度が低いため応力緩和効果がなく、短時間でチッピング、欠損を発生し、比較例工具３は、微小空孔の平均径が大き過ぎるため下部層自体の強度低下によりチッピング、欠損を発生し、また、比較例工具４は、微小空孔の平均密度が大き過ぎるためにチッピング、欠損を発生し、比較例工具１〜４のいずれも異常損傷の発生を原因として、所定の切削を終える前に工具寿命となった。
また、ウエットブラスト処理が施されたものの、クラック起点層が形成されておらず、また、その結果として応力緩和層が形成されていないために、比較例工具５〜８は応力の緩和が不十分であって切削中の異常損傷を抑制することが出来ず欠損やチッピングによりに寿命に至った。
さらに、従来の工具である参考例工具９，１０は、膜の応力緩和がされておらず、膜に残留する引張応力により切削の初期から異常損傷が急速に進行し早期に切削不能になった。
【図１】
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【図２】
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