(57)【要約】 【課題】  切削時に加わる高負荷によって工具基体が変形をおこしやすい高負荷切削においても、硬質被覆層が変形性にすぐれ、剥離等の異常損傷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を提供する。【解決手段】ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、Ｔｉ化合物層からなる下部層とα型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、上部層縦断面の結晶方位解析を行い、α型Ａｌ２Ｏ３結晶粒の（０００１）面の法線が前記工具基体表面の法線に対してなす結晶方位の重み付け平均角度を求めた場合、下部層との界面から前記上部層の層厚の１／２までの厚さの領域では、重み付け平均角度θＬは７〜１５度の範囲内にあり、また、前記上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域では、重み付け平均角度θＵは２〜１０度の範囲内にあり、さらに、θＬ＞θＵの関係を満足する。【選択図】図１
2015085441.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ットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）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、３〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、かつ、２〜２０μｍの平均層厚を有するα型酸化アルミニウム層からなる上部層、
上記（ａ）、（ｂ）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、
（ｃ）電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折像装置を用い、前記上部層の縦断面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有するα型酸化アルミニウムの結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、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、０〜２２度の範囲内にある測定傾斜角を１．０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、さらに、測定傾斜角と各区分における度数から、α型酸化アルミニウム結晶粒の（０００１）面の法線が前記工具基体表面の法線に対してなす結晶方位の重み付け平均角度を求めた場合、前記下部層との界面から前記上部層の層厚の１／２までの厚さの領域では、重み付け平均角度θＬは７〜１５度の範囲内にあり、また、前記上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域では、重み付け平均角度θＵは２〜１０度の範囲内にあり、さらに、θＬ＞θＵの関係を満足す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、合金鋼の高負荷切削のように、切削時に加わる高負荷によって工具基体が塑性変形をおこしやすい切削条件においても、硬質被覆層が、剥離等の異常損傷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】
従来、一般に、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、
下部層として、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、
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α型Ａｌ２Ｏ３層、
上記の下部層及び上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られている。
そして、この被覆工具は、すぐれた高温硬さおよび耐熱性を具備することから、一般鋼や普通鋳鉄などの高速切削加工などに用いた場合、すぐれた切削性能を発揮することが知られているが、耐摩耗性、耐チッピング性等の切削性能のより一層の向上を図るため、各種の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、被覆工具に耐変形性、耐摩耗性及び高靭性を付与するため、特定の組織係数（ＴＣ）を有する柱状粒子からなる２〜９μｍ厚のα型Ａｌ２Ｏ３層を少なくとも含む硬質被覆層を蒸着形成することが提案されている。
ここで、ＴＣ（００６）は２を超え、ＴＣ（０１２）、ＴＣ（１１０）、ＴＣ（１１３）、ＴＣ（２０２）、ＴＣ（０２４）及びＴＣ（１１６）は全て１未満であり、そして、ＴＣ（１０４）は二番目に高い組織係数である。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、難削材の高速重切削条件における耐摩耗性を改善するために、工具基体の表面に、下部層、補強層、上部層および最外層を被覆形成し、下部層はＴｉ化合物層で構成し、補強層は、Ａｌ２Ｏ３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て傾斜角度数分布グラフを作成した場合、７５〜９０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、その度数割合が５０％以上を占める傾斜角度数分布グラフを示すα型Ａｌ２Ｏ３層で構成し、上部層は、Ａｌ２Ｏ３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て傾斜角度数分布グラフを作成した場合、０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、その度数割合が５０％以上を占める傾斜角度数分布グラフを示す改質α型Ａｌ２Ｏ３層で構成し、さらに、工具すくい面領域にのみ、酸化チタン層（ＴｉＯＸ。但し、原子比で、１．２≦Ｘ≦１．７）と窒酸化チタン層（ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ。但し、原子比で、０．０１≦Ｙ≦０．４）からなる最外層を設けることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１２−５１２７５３号公報
【特許文献２】特開２００８−５５５８２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負荷化の傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、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に用いた場合には問題はないが、特にこれを高送り、高切り込み等の高負荷切削加工に用いた場合には、切刃部には非常に大きな機械的負荷が作用するため、工具基体は塑性変形を生じやすく、一方、硬質被覆層はこのような工具基体の変形に追従できないため、硬質被覆層の剥離が生じやすくなり、これを原因として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】
【０００７】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、切削加工時に工具基体の変形を伴う、高送り、高切り込み等の高負荷切削条件においても、硬質被覆層の剥離等の異常損傷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被覆工具を開発すべく、硬質被覆層、特に、上部層のα型Ａｌ２Ｏ３層、の結晶方位に着目して鋭意研究を行った結果、以下のことを見出したのである。
即ち、Ｔｉ化合物層からなる下部層の表面に、α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着するにあたり、α型Ａｌ２Ｏ３層の蒸着初期、蒸着中期及び蒸着後期の蒸着条件を変更することによって、上部層の厚さ方向に亘って結晶方位分布の異なるα型Ａｌ２Ｏ３層を形成し得ること、そして、蒸着初期（目標層厚の１／３〜１／２を蒸着するまでの時間）には、切削加工時の工具基体、下部層の変形に追従可能であるような変形性にすぐれた結晶方位分布を有するα型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着し、また、蒸着後期（目標層厚の１／２を超えた時点、あるいは、目標層厚の２／３を超えた時点から、目標層厚を蒸着完了するまでの時間）には、すぐれた硬さ、耐摩耗性を発揮し得る結晶方位分布を有するα型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着し、上部層の厚さ方向に沿って、異なる結晶方位分布を有するα型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成することによって、上部層全体としてすぐれた硬さとともにすぐれた耐変形性および耐剥離性を備えたα型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を形成することができ、そして、上記のα型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を被覆した被覆工具は、高送り、高切り込み等の高負荷切削条件下で使用した場合でも、すぐれた変形性および耐異常損傷性を示し、もって、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具が得られることを見出したのである。
【０００８】
この発明は、上記の研究結果に基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ットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）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、３〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、かつ、２〜２０μｍの平均層厚を有するα型酸化アルミニウム層からなる上部層、
上記（ａ）、（ｂ）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、
（ｃ）電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折像装置を用い、前記上部層の縦断面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有するα型酸化アルミニウムの結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、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、０〜２２度の範囲内にある測定傾斜角を１．０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、さらに、測定傾斜角と各区分における度数から、α型酸化アルミニウム結晶粒の（０００１）面の法線が前記工具基体表面の法線に対してなす結晶方位の重み付け平均角度を求めた場合、前記下部層との界面から前記上部層の層厚の１／２までの厚さの領域では、重み付け平均角度θＬは７〜１５度の範囲内にあり、また、前記上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域では、重み付け平均角度θＵは２〜１０度の範囲内にあり、さらに、θＬ＞θＵの関係を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【０００９】
以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層について、詳細に説明する。
【００１０】
下部層（Ｔｉ化合物層）：
Ｔｉ化合物層は、基本的には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高温強度によって硬質被覆層が高温強度を具備するようにするほか、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１５μｍを越えると、特に高切り込み、高送りの高負荷切削では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３〜１５μｍと定めた。
【００１１】
上部層（α型Ａｌ２Ｏ３層）：
この発明では、２〜２０μｍの平均層厚を有するα型Ａｌ２Ｏ３層を上部層として形成するが、その平均層厚が２μｍ未満では、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ず、一方、その平均層厚が２０μｍを越えると、高負荷切削条件下でチッピング、剥離等の異常損傷を発生し易くなることから、上部層の平均層厚は、２〜２０μｍと定めた。
また、この発明では、α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を、層厚方向に沿って、結晶方位分布が異なる層として構成する。
具体的には、上部層のうちの基体側のα型Ａｌ２Ｏ３層（下部層との界面から上部層の目標層厚の１／２までの厚さの領域）について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、該下部層側のα型Ａｌ２Ｏ３層の縦断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、工具基体表面の法線に対して、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、０〜２２度の範囲内にある測定傾斜角を１．０度のピッチ毎に区分すると共に、各区分に存在する度数を集計し、さらに、測定傾斜角と各区分における度数から、α型Ａｌ２Ｏ３結晶粒の（０００１）面の法線が前記工具基体表面の法線に対してなす結晶方位の重み付け平均角度θＬを求めた場合、前記下部層との界面から前記上部層の層厚の１／２までの厚さの領域では、重み付け平均角度θＬ（後記する）が７〜１５度の範囲内にある結晶方位分布を有するα型Ａｌ２Ｏ３層にて構成する。
このような結晶方位分布を有するα型Ａｌ２Ｏ３層により基体側のα型Ａｌ２Ｏ３層を構成することによって、高負荷により工具基体が変形をおこすような場合であっても、工具基体及び下部層の変形に追従して基体側のα型Ａｌ２Ｏ３層が変形することが可能となるため、下部層−上部層間での剥離発生等の異常損傷の発生を抑制することができる。
ただ、重み付け平均角度θＬが７度未満であると、工具基体、下部層の変形への追従性が低下し、一方、重み付け平均角度θＬが１５度を超えると耐摩耗性が低下することから、重み付け平均角度θＬは７〜１５度の範囲内と定めた。
【００１２】
一方、上部層のうちの表面側のα型Ａｌ２Ｏ３層（上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域）について、同じく電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、該表面側のα型Ａｌ２Ｏ３層の縦断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、工具基体表面の法線に対して、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、０〜２２度の範囲内にある測定傾斜角を１．０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、さらに、測定傾斜角と各区分における度数から、α型Ａｌ２Ｏ３結晶粒の（０００１）面の法線が工具基体表面の法線に対してなす結晶方位の重み付け平均角度θＵ（後記する）を求めた場合、前記上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域では、重み付け平均角度θＵ（後記する）が２〜１０度の範囲内にある結晶方位分布を有するα型Ａｌ２Ｏ３層にて構成する。
このような結晶方位分布を有する上部層表面側のα型Ａｌ２Ｏ３層は、すぐれた硬さを有することから、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。そして、上部層の基体側は、前記のように工具基体及び下部層の変形に追従することが可能な変形性を有するα型Ａｌ２Ｏ３層で構成されていることから、α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層全体としては、すぐれた耐摩耗性を発揮すると同時に、すぐれた耐剥離性を示し、高負荷切削条件下で使用された場合であっても、すぐれた変形性と耐異常損傷性を発揮する。
ただ、重み付け平均角度θＵが２度未満であると、基体側のα型Ａｌ２Ｏ３層と表面側のα型Ａｌ２Ｏ３層とに急激な結晶方位分布変化が生じるため、上部層内での層内破壊を生じやすくなり、一方、重み付け平均角度θＵが１０度を超えると硬さが低下し、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なくなることから、重み付け平均角度θＵは２〜１０度の範囲内と定めた。
【００１３】
ここで、重み付け平均角度について、図１を用いて説明する。
図１は、本発明の被覆工具のα型Ａｌ２Ｏ３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て、層の縦断面（例えば、下部層との界面から前記上部層の層厚の１／２までの厚さの領域、或いは、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域）の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有するα型Ａｌ２Ｏ３結晶粒個々に電子線を照射して、工具基体の法線に対して、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、０〜２２度の範囲内にある測定傾斜角を１．０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た傾斜角度数分布グラフ（横軸：測定傾斜角θ。縦軸：度数Ｉ）である。
図１に示す傾斜角度数分布グラフにおいて、度数Ｉｎ（但し、ｎ＝０〜２２）は、該測定傾斜角区分θｎ（但し、ｎ＝０〜２２）に存在する度数をいう。
そして、上記傾斜角度数分布グラフにおいて、測定傾斜角０〜２２度の範囲内にある度数の相加平均Ｉａｖｅは、
Ｉａｖｅ＝（Ｉ０＋Ｉ１＋Ｉ２＋・・＋Ｉ２２）／２３
として求められる。
したがって、重み付け平均角度θａｖｅは、
θａｖｅ＝［（Ｉ０×０）＋（Ｉ１×１）＋（Ｉ２×２）＋・・＋（Ｉ２２×２２）］／Ｉａｖｅ
として求められる。
この発明では、上部層と下部層との界面から上部層の層厚の１／２までの厚さの領域について、前記の結晶方位解析よって測定・算出した重み付け平均角度θａｖｅを、θＬで表わし、また、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域ついて、前記の結晶方位解析よって測定・算出した重み付け平均角度θａｖｅを、θＵで表わす。
【００１４】
この発明では、上部層と下部層との界面から上部層の層厚の１／２までの厚さの領域における結晶方位解析によって求められた、α型Ａｌ２Ｏ３結晶粒（０００１）面の法線が工具基体表面の法線に対してなす結晶方位の重み付け平均角度θＬが７〜１５度の範囲内にあり、また、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域における結晶方位解析によって求められた重み付け平均角度θＵが２〜１０度の範囲内にあることによって、高負荷切削条件下で使用された場合であっても、α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は全体として、すぐれた変形性と耐異常損傷性を示すと共に、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
さらに、この発明では、前記θＬとθＵが、θＬ＞θＵの関係を有することによって、基体側のα型Ａｌ２Ｏ３層から表面側のα型Ａｌ２Ｏ３層に亘って、層厚方向に沿って順次に結晶方位分布が変化してゆくため、α型Ａｌ２Ｏ３層の層厚方向の急激な特性変化を抑えることができる、高負荷が作用した場合であっても、α型Ａｌ２Ｏ３層の内部破壊を生じることがない。
なお、本発明は、α型Ａｌ２Ｏ３層の結晶方位分布を傾斜角区分ピーク及び該区分における度数割合によって規定した従来の（例えば、特許文献２に記載されるような）ものと異なり、結晶方位の重み付け平均角度θＬとθＵ（但し、θＬ＞θＵ）によってα型Ａｌ２Ｏ３層の結晶方位分布を規定したことによって、特に、高負荷が作用した場合のα型Ａｌ２Ｏ３層の内部破壊発生を防止し得る点を大きな特徴とするものである。
言い方をかえれば、従来技術における傾斜角区分ピーク及び該区分における度数割合による規定は、被削材の擦過で硬質被覆層にマクロ的な摩耗が生じるような摩耗形態に対しては特性改善指標として適しているが、本発明で対象とする工具基体の変形を原因とする硬質被覆層の破壊抑制（即ち、切削加工時に工具基体の変形を伴う、高送り、高切り込み等の高負荷切削条件において発生しやすい、硬質被覆層の剥離等の異常損傷の発生防止）という観点からは、特性評価指標としては十分でない。つまり、工具基体の変形を原因とする硬質被覆層の破壊抑制においては、傾斜角区分ピーク及び該区分における度数割合より、むしろ、破壊の起点となりやすい結晶方位を持った結晶粒がどの程度存在するかが重要である。そこで、この発明では、破壊の起点となりやすい結晶方位を持った結晶粒がどのような傾斜角区分に、どの程度存在するのかという結晶方位の分布頻度をも反映させるべく、その指標として、０〜２２度の範囲内における重み付け平均角度を用いた。
【００１５】
上部層（α型Ａｌ２Ｏ３層）の成膜方法：
下部層側の上部層の重み付け平均角度θＬが７〜１５度であり、また、表面側の上部層の重み付け平均角度θＵが２〜１０度であり、さらに、θＬ＞θＵの関係を満足する結晶方位分布を有するこの発明の上部層（α型Ａｌ２Ｏ３層）は、例えば、蒸着初期、中期、後期の各段階に応じて、以下に示す条件で化学蒸着することによって成膜することができる。
≪蒸着初期≫
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：２〜４％、ＣＯ２：１〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ２Ｓ：０％、Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：１０５０〜１０９０  ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０  ｋＰａ
≪蒸着中期≫
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：１〜５％、ＣＯ２：３〜７％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ２Ｓ：０．０２〜０．０４％、Ａｒ：０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：１０５０〜１０９０  ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０  ｋＰａ
≪蒸着後期≫
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：３〜５％、ＣＯ２：３〜５％、ＨＣｌ：１〜３％、Ｈ２Ｓ：０．１〜０．５％、Ａｒ：０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：１０５０〜１０９０  ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０  ｋＰａ
なお、蒸着初期とは、目標層厚の１／３〜１／２を蒸着するまでの段階、また、蒸着後期とは、目標層厚の１／２を超えた時点、あるいは、目標層厚の２／３を超えた時点から、目標層厚を蒸着完了するまでの段階をいい、蒸着中期は、蒸着初期と蒸着後期との間の段階をいう。
上記各段階の蒸着条件から、この発明の上部層（α型Ａｌ２Ｏ３層）の形成は、各段階における反応ガス中のＨ２Ｓ含有量によって特徴づけられることがわかる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ２Ｏ３層が、上部層と下部層との界面から上部層の層厚の１／２までの厚さの領域において、重み付け平均角度θＬが７〜１５度の範囲内にある結晶方位分布を有し、また、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域において、重み付け平均角度θＵが２〜１０度の範囲内にある結晶方位分布を有し、さらに、θＬ＞θＵの関係を満足することによって、α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層全体として、すぐれた変形性と剥離等に対するすぐれた耐異常損傷性を示し、この結果、高負荷切削条件下で使用した場合であっても、長期の使用に亘って、すぐれた耐異常損傷性、耐摩耗性を発揮するようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明被覆工具３の硬質被覆層を構成するα型Ａｌ２Ｏ３層についての、下部層との界面から上部層の層厚の１／２までの厚さの領域（代表する位置として、下部層との界面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置）について測定した傾斜角度数分布グラフである。
【図２】本発明被覆工具３の硬質被覆層を構成するα型Ａｌ２Ｏ３層についての、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域（代表する位置として、上部層の表面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置）について測定した傾斜角度数分布グラフである。
【図３】比較例被覆工具１の硬質被覆層を構成するα型Ａｌ２Ｏ３層についての、下部層との界面から上部層の層厚の１／２までの厚さの領域（代表する位置として、下部層との界面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置）について測定した傾斜角度数分布グラフである。
【図４】比較例被覆工具１の硬質被覆層を構成するα型Ａｌ２Ｏ３層についての、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域（代表する位置として、上部層の表面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置）について測定した傾斜角度数分布グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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】
【００１９】
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、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２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、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことにより、中心部に工具取り付け用ボルト貫通孔を有する形式で、ＩＳＯ規格にＣＮＭＧ１６０４１２として規定され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〜Ｃをそれぞれ製造した。
【００２０】
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、Ｍｏ2 Ｃ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、工具本体にクランプ駒による挟み締めにより取り付けられる穴なし形式で、ＩＳＯ規格にＣＮＭＧ１６０４１２として規定されるインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｃを形成した。
【００２１】
ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｃおよび工具基体ａ〜ｃのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
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４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、
ついで、表５に示される条件にて、表７に示される目標層厚のα型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成することにより、本発明被覆工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２２】
また、比較の目的で、表３に示される条件にて、表４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、ついで、表６に示される条件にて、表８に示される目標層厚のα型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成することにより、比較例被覆工具１〜１０をそれぞれ製造した。
なお、表５，表６に記載される、「蒸着初期」、「蒸着中期」、「蒸着後期」とは、それぞれ以下のとおりである。
蒸着初期：Ａｌ２Ｏ３層の蒸着開始から２０分間まで。
蒸着中期：蒸着開始から２０分経過後から、総Ａｌ２Ｏ３層蒸着時間の１／２の時間まで。
蒸着後期：総Ａｌ２Ｏ３層蒸着時間の１／２から最後まで。
【００２３】
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１０と比較例被覆工具１〜１０の硬質被覆層の上部層を構成するα型Ａｌ２Ｏ３層について、蒸着初期に形成されたα型Ａｌ２Ｏ３層および蒸着後期に形成された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。
即ち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の本発明被覆工具１〜１０と比較例被覆工具１〜１０のα型Ａｌ２Ｏ３層の縦断面の測定範囲の所定の領域（即ち、上部層のα型Ａｌ２Ｏ３層の縦断面を研磨し、下部層との界面から上部層の層厚の１／２までの厚さの領域の結晶方位を代表する位置として、下部層との界面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置、また、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域の結晶方位を代表する位置として、上部層の表面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置）を、それぞれ電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記領域に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、それぞれの領域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、２〜２０×１００μｍの範囲を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、工具基体表面の法線に対して、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、０〜２２度の範囲内にある測定傾斜角を１．０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た。
【００２４】
図１〜４に、上記で測定した測定傾斜角と各区分における度数の関係の一例を示す。
図１は、本発明被覆工具３のα型Ａｌ２Ｏ３層について、下部層との界面から上部層の層厚の１／２までの厚さの領域（代表する位置として、下部層との界面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置）について、また、図２は、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域（代表する位置として、上部層の表面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置）について測定した傾斜角度数分布グラフである。
図３は、比較例被覆工具１のα型Ａｌ２Ｏ３層について、下部層との界面から上部層の層厚の１／２までの厚さの領域（代表する位置として、下部層との界面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置）について、また、図４は、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域（代表する位置として、上部層の表面から上部層層厚の１／４だけ上部層内部の位置）について測定した傾斜角度数分布グラフである。
【００２５】
ついで、上記で測定した測定傾斜角と各区分における度数の関係を示すグラフから、測定傾斜角０〜２２度の範囲内にある度数の相加平均Ｉａｖｅを、
Ｉａｖｅ＝（Ｉ０＋Ｉ１＋Ｉ２＋・・＋Ｉ２２）／２３
として求める。
ついで、下部層との界面から上部層の層厚の１／２までの厚さの領域における結晶方位分布の重み付け平均角度θＬと、上部層の層厚の１／２から上部層表面までの厚さの領域における結晶方位分布の重み付け平均角度θＵの値を、
θＬ，θＵ
＝［（Ｉ０×０）＋（Ｉ１×１）＋（Ｉ２×２）＋・・＋（Ｉ２２×２２）］／Ｉａｖｅ
の式から求めることができる。
表７，表８に、上記で求めたθＬ及びθＵの値、さらに、（θＬ−θＵ）の値を示す。  
【００２６】
表７，表８にそれぞれ示されるとおり、本発明被覆工具１〜１０は、θＬが７〜１５度、θＵが２〜１０度の範囲内にあり、しかも、θＬ＞θＵの関係を満足するものである。
これに対して、比較例被覆工具１〜１０においては、比較例被覆工具１，２，５，７，９，１０ではθＬ＜７あるいはθＬ＞１５であって、本発明の７≦θＬ≦１５の範囲を外れており、また、比較例被覆工具３〜９はθＵ＞１０であって、本発明で規定する２≦θＵ≦１０の範囲を外れている。さらに、比較例被覆工具１〜１０のいずれも、本発明で規定するθＬ＞θＵの関係を満足していない。
【００２７】
また、本発明被覆工具１〜１０および比較例被覆工具１〜１０の硬質被覆層の構成層の厚さを、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。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【表２】
2015085441.tif 000004
【００３０】
【表３】
2015085441.tif 000005
【００３１】
【表４】
2015085441.tif 000006
【００３２】
【表５】
2015085441.tif 000007
【００３３】
【表６】
2015085441.tif 000008
【００３４】
【表７】
2015085441.tif 000009
【００３５】
【表８】
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【００３６】
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１０および比較例被覆工具１〜１０の各種被覆工具について、いずれも工具鋼製バイトの先端部にボルト止めまたはクランプ駒による挟み締め止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎＣ４４３の丸棒、
切削速度： ９０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ｍｍ、
送り： １．１  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分
の条件（切削条件Ａという）でのマンガンクロム鋼の乾式高送り切削試験（通常の送りは、０．３ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４４３の丸棒、
切削速度： ２８０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３．６ ｍｍ、
送り： ０．７ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１１分
の条件（切削条件Ｂという）でのマンガン鋼の乾式高切込み切削試験（通常の切込みは、１．８ｍｍ）、
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。
表９に、この測定結果を示した。
【００３７】
【表９】
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【００３８】
表７〜９に示される結果から、本発明被覆工具１〜１０は、上部層の下部層側が、工具基体及び下部層の変形に追従することが可能な変形性にすぐれたα型Ａｌ２Ｏ３層で構成され、また、上部層の表面側は、すぐれた硬さ、耐熱性を備えるα型Ａｌ２Ｏ３層はで構成されていることから、α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層全体としては、すぐれた変形性、耐剥離性を備え、高負荷切削条件下で使用された場合であっても、すぐれた耐異常損傷性と耐摩耗性を示す。
これに対して、比較例被覆工具１〜１０は、いずれも、硬質被覆層に発生した剥離、チッピング等の異常損傷が原因で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】
【００３９】
上述のように、この発明の被覆工具は、各種鋼や鋳鉄などの高速切削加工は勿論のこと、特に切刃にかかる機械的負荷が大きい合金鋼等の高負荷切削加工に用いた場合であっても、変形性、耐異常損傷性および耐摩耗性にすぐれ、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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