(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）５〜２０μｍの合計平均層厚を有し、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、かつ、上部層と接する下部層は３μｍ以上の平均層厚の縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層からなる下部層、
（ｂ）１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層からなる上部層、
前記（ａ）、（ｂ）の硬質被覆層が化学蒸着により形成された表面被覆切削工具において、
（ｃ）上部層と接する前記縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層は、その縦断面研磨面について、オージェ電子分光法により、その層厚方向に沿って酸素含有量を線分析した場合、上部層と下部層の界面から、前記縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層の内部側に深さ０．５〜２．０μｍの範囲内の間隔をおいて、酸素含有量の複数のピークが現れ、該ピーク位置における酸素含有量ＯＭＡＸは、ＯＭＡＸ＝３〜８原子％である酸素濃化領域を少なくとも３つ備え、
（ｄ）酸化アルミニウム層からなる前記上部層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、その縦断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、前記縦断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、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（０００１）面の法線同士の交わる角度を求め、前記（０００１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の界面を粒界であるとして、前記縦断面研磨面の測定範囲内における粒界の全長ＧＢＬ（μｍ）を求めた場合、測定した粒界の全長ＧＢＬ（μｍ）と、測定した縦断面研磨面の面積ＧＡ（μｍ２）との比の値が、ＧＢＬ／ＧＡ＝２２〜４１の関係を満足する微細結晶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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鋼や鋳鉄等の高速連続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘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】
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、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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）上部層が、化学蒸着形成された、１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる従来被覆工具が知られている。
【０００３】
また、特許文献１に示すように、前記従来被覆工具において、下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着し縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層を形成することにより、硬質被覆層自身の強度向上を図ることが知られている。
【０００４】
さらに、特許文献２、３に示すように、前記従来被覆工具において、下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層について、工具基体側に位置するＴｉ化合物層の水平方向の結晶粒径（結晶幅）と、上部層側に位置するＴｉ化合物層の水平方向の結晶粒径（結晶幅）とに所定の関係を維持せしめることにより、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性の向上を図ることも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−８０１０号公報
【特許文献２】特開平１０−１０９２０６号公報
【特許文献３】特許第４２８４１４４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速化の傾向にあるが、前記従来被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削に用いた場合には問題はないが、特にこれを、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速連続切削に用いた場合には、硬質被覆層にはチッピング（微小欠け）、欠損等が発生し易くなり、また、耐摩耗性も十分であるとは言えないため、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、本発明者らは、前述のような観点から、前記被覆工具の硬質被覆層の耐チッピング性、耐摩耗性向上を図るべく、これの下部層、特に、上部層に隣接し相対的に高い高温硬さと高温強度を有し、かつ、図１（ａ）に模式図で示される通り、格子点にＴｉ、炭素、および窒素からなる構成原子がそれぞれ存在するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造（なお、図１（ｂ）は（０１１）面で切断した状態を示す）を有する縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層（以下、ｌ−ＴｉＣＮ層という）に着目し、鋭意研究を行った。
【０００８】
（ａ）まず、従来被覆工具の硬質被覆層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件（通常条件という）でｌ−ＴｉＣＮ層からなる下部層を蒸着した後、この上に、Ａｌ２Ｏ３層を上部層として蒸着することにより形成される。
（ｂ）本発明者らは、前記ｌ−ＴｉＣＮ層を通常条件で蒸着する成膜工程の途中段階で、前記反応雰囲気圧力を低下させ、同時に、微量のＣＯ２成分を短時間反応ガス中に添加して成膜を行い、その後は、前記通常条件にしたがって、所定目標層厚のｌ−ＴｉＣＮ層が形成されるまで蒸着を継続し、その後、この上にＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成したところ、成膜されたｌ−ＴｉＣＮ層の表層近傍には酸素濃化領域が形成され、しかも、成膜されたｌ−ＴｉＣＮ層の酸素濃化領域における結晶粒は微細化組織となり、そして、この上に蒸着形成されたＡｌ２Ｏ３層の結晶粒も微細化されることを見出したのである。
さらに（ｂ）の工程を繰り返し行うことにより、ｌ−ＴｉＣＮ層の内側に所定の間隔をおいて複数の酸素濃化領域が形成されることが確認された。そして、この酸素濃化領域を３つ以上形成することにより、Ａｌ２Ｏ３層の結晶粒も微細効果が顕著になることを見出したのである。
【０００９】
（ｃ）また、本発明者らは、前記の酸素濃化領域が形成されているｌ−ＴｉＣＮ層について、その縦断面研磨面に沿ってオージェ電子分光法により、その層厚方向に酸素含有量を線分析したところ、Ａｌ２Ｏ３層（上部層）とｌ−ＴｉＣＮ層（下部層）の界面から、ｌ−ＴｉＣＮ層の内部側に酸素濃化領域が形成されると同時に、図２に示すようにｌ−ＴｉＣＮ層の結晶組織が微細化されており、さらに、該ｌ−ＴｉＣＮ層の内部側の深さ０．５〜２．０μｍの範囲内の間隔をおいて、酸素含有量の複数のピークが現れ、また、該ピーク位置における酸素含有量ＯＭＡＸを測定したところ、ＯＭＡＸ＝３〜８原子％であるｌ−ＴｉＣＮ層（以下、「改質ｌ−ＴｉＣＮ層」という）が形成されることを見出した。
【００１０】
（ｄ）また、本発明者らは、前記改質ｌ−ＴｉＣＮ層の上に蒸着形成されるＡｌ２Ｏ３層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、その縦断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、前記縦断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、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（０００１）面の法線同士の交わる角度を求め、前記（０００１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の界面を粒界であるとして、前記縦断面研磨面の測定範囲内における粒界の全長ＧＢＬ（μｍ）を求め、さらに、測定した粒界の全長ＧＢＬ（μｍ）と、測定した縦断面研磨面の面積ＧＡ（μｍ２）との比の値を求めたところ、
ＧＢＬ／ＧＡ＝２２〜４１
の関係を満足する微細結晶粒からなるＡｌ２Ｏ３層が形成されていることを見出した。
【００１１】
（ｅ）そして、前記少なくとも３つの酸素濃化領域を備えかつ微細化された組織を有する改質ｌ−ＴｉＣＮ層（下部層）の上に、前記微細結晶粒からなるＡｌ２Ｏ３層（上部層）を蒸着形成した硬質被覆層を備えた本発明の被覆工具は、下部層と上部層の密着性が向上すると同時に、上部層のＡｌ２Ｏ３の結晶粒粗大化が抑制されることから、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速連続切削に用いた場合でも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
【００１２】
本発明は、前記の知見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）５〜２０μｍの合計平均層厚を有し、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、かつ、上部層と接する下部層は３μｍ以上の平均層厚の縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層からなる下部層、
（ｂ）１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層からなる上部層、
前記（ａ）、（ｂ）の硬質被覆層が化学蒸着により形成された表面被覆切削工具において、
（ｃ）上部層と接する前記縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層は、その縦断面研磨面について、オージェ電子分光法により、その層厚方向に沿って酸素含有量を線分析した場合、上部層と下部層の界面から、前記縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層の内部側に深さ０．５〜２．０μｍの範囲内の間隔をおいて、酸素含有量の複数のピークが現れ、該ピーク位置における酸素含有量ＯＭＡＸは、ＯＭＡＸ＝３〜８原子％である酸素濃化領域を少なくとも３つ備え、
（ｄ）酸化アルミニウム層からなる前記上部層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、その縦断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、前記縦断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、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（０００１）面の法線同士の交わる角度を求め、前記（０００１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の界面を粒界であるとして、前記縦断面研磨面の測定範囲内における粒界の全長ＧＢＬ（μｍ）を求めた場合、測定した粒界の全長ＧＢＬ（μｍ）と、測定した縦断面研磨面の面積ＧＡ（μｍ２）との比の値が、ＧＢＬ／ＧＡ＝２２〜４１の関係を満足する微細結晶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。」
に特徴を有するものである。
【００１３】
つぎに、本発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、詳細に説明する。
（ａ）下部層（Ｔｉ化合物層）
ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層（ｌ−ＴｉＣＮ層も含む）、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層と後述する改質ＴｉＣＮ層からなるＴｉ化合物層は、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、工具基体と上部層である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寄与する作用をもつが、その合計平均層厚が５μｍ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、特に高熱発生を伴う高速連続切削でチッピングを起し易くなることから、その合計平均層厚を５〜２０μｍと定めた。
【００１４】
（ｂ）下部層の改質ｌ−ＴｉＣＮ層
下部層は前記のとおりＴｉ化合物層で構成するが、上部層に隣接する下部層については、少なくとも、３μｍ以上の平均層厚の改質ｌ−ＴｉＣＮ層で構成することが必要である。
既述のとおり、改質ｌ−ＴｉＣＮ層は、ｌ−ＴｉＣＮ層を通常条件で蒸着する成膜工程の途中段階、例えば、所定目標層厚のｌ−ＴｉＣＮ層の成膜が完了する６０〜８０分前の時点で、反応雰囲気圧力を２．５〜３ｋＰａに低下させ、同時に、反応ガスに占める割合を０．５〜１．８容量％となるようにＣＯ２を５０〜７０秒間反応ガス中に添加して成膜を行い、その後は、通常条件にしたがって、所定目標層厚になるまでｌ−ＴｉＣＮ層を成膜する。この工程を所定の回数（少なくとも３回）繰り返し行うことにより、形成することができる。
図２に示すように、成膜された改質ｌ−ＴｉＣＮ層の内側には、所定の間隔で少なくとも３つの酸素濃化領域が形成され、しかも、酸素濃化領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶粒は微細化組織となる。
改質ｌ−ＴｉＣＮ層の縦断面研磨面について、オージェ電子分光法により、その層厚方向に沿って酸素含有量を線分析すると、上部層（Ａｌ２Ｏ３層）と下部層（改質ｌ−ＴｉＣＮ層）の界面から、改質ｌ−ＴｉＣＮ層の内部側の深さ０．５〜２．０μｍの範囲内の間隔をおいて、酸素含有量の複数のピークが現れる少なくとも３つの酸素濃化領域が存在し、そして、該ピーク位置における酸素含有量ＯＭＡＸは、ＯＭＡＸ＝３〜８原子％である。
酸素含有量のピークが０．５μｍ未満の深さ位置にある場合には、新たなＴｉＣＮ結晶の核形成により成長した改質ｌ−ＴｉＣＮ層の強度が不十分であり、加工時における層内破壊による剥離を発生しやすくなり、一方、酸素含有量のピーク位置が、２．０μｍを超える内部側にある場合には、新たなＴｉＣＮ結晶の核形成により成長した改質ｌ−ＴｉＣＮ層の粒径が大きくなり過ぎ、この上に蒸着形成されたＡｌ２Ｏ３層の結晶粒が微細化されなくなる。したがって、酸素濃化領域の間隔は、０．５〜２．０μｍと定めた。
また、ピーク位置における酸素含有量ＯＭＡＸが３原子％未満の場合には、新たなＴｉＣＮ結晶の核形成が十分でないため、酸素濃化領域より上部層側の改質ｌ−ＴｉＣＮ層における結晶粒微細化効果が少なく、一方、ピーク位置における酸素含有量ＯＭＡＸが８原子％を超える場合には、結晶構造の異なるＴｉ２Ｏ３が形成され、剥離発生の原因になるので、ピーク位置における酸素含有量ＯＭＡＸは、ＯＭＡＸ＝３〜８原子％であることが必要である。
なお、本発明の改質ｌ−ＴｉＣＮ層について、その表層から、例えば２．５μｍ以上の深さの内部側での平均酸素含有量ＯＡＶを測定したところ、ＯＭＡＸの値とＯＡＶの値には、２ＯＡＶ≦ＯＭＡＸ≦５ＯＡＶの関係が成立することを確認した。
従来から、下部層を形成するＴｉ化合物層の一種としてＴｉＣＮＯ層がよく知られているが、ＴｉＣＮＯの蒸着条件の調整によっては、前記の如きＯＭＡＸ＝３〜８原子％かつ２ＯＡＶ≦ＯＭＡＸ≦５ＯＡＶの関係を満足するＴｉＣＮＯ層を形成することはできないから、この意味で、本発明でいう酸素濃化領域が存在する改質ｌ−ＴｉＣＮ層は、従来知られているＴｉＣＮＯ層とは明確に区別し得るものである。
さらに、本発明では、上部層（Ａｌ２Ｏ３層）に隣接する改質ｌ−ＴｉＣＮ層において、前記所定の深さ位置に酸素含有量のピークが存在する酸素濃化領域が形成されることによって、この酸素濃化領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶粒が微細化し、上部層のＡｌ２Ｏ３層との密着性が向上するとともに、形成されるＡｌ２Ｏ３層の結晶粒も微細化され、結晶粒の粗大化による耐チッピング性、耐摩耗性の低下を抑制することができる。
【００１５】
（ｃ）上部層（Ａｌ２Ｏ３層）
Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、本発明では、前記改質ｌ−ＴｉＣＮ層の酸素濃化領域における微細結晶粒に隣接してＡｌ２Ｏ３層を形成することから、形成されたＡｌ２Ｏ３層における結晶粒も微細なものとなり、耐摩耗性が一段と向上する。
結晶粒の微細化の程度を定量化すべく、改質ｌ−ＴｉＣＮ層上に形成されたＡｌ２Ｏ３層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、その縦断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、前記縦断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、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（０００１）面の法線同士の交わる角度を求め、前記（０００１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の界面を粒界であるとして、前記縦断面研磨面の測定範囲内における粒界の全長ＧＢＬ（μｍ）を求め、また、測定した粒界の全長ＧＢＬ（μｍ）と、測定した縦断面研磨面の面積ＧＡ（μｍ２）との比の値を求めたところ、ＧＢＬ／ＧＡ＝２２〜４１の関係を満足することがわかった。
参考のため、通常条件でｌ−ＴｉＣＮ層を蒸着形成し、さらにこの上に、通常条件でＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成した場合についても上記ＧＢＬ／ＧＡの値を求めたところ、ＧＢＬ／ＧＡ＝３〜１０であった。
したがって、本発明におけるＡｌ２Ｏ３層は、従来のＡｌ２Ｏ３層に比して、単位面積当たりの結晶粒界長さが長いことから、結晶粒が微細化していることが明らかである。
なお、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層の平均層厚が１μｍ未満では、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ず、一方、その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなりすぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の被覆工具は、少なくとも３つの酸素濃化領域を備えかつ微細化された組織を有する改質ｌ−ＴｉＣＮ層（下部層）の上に、微細結晶粒からなるＡｌ２Ｏ３層（上部層）を蒸着形成されていることにより、下部層と上部層の密着性が向上すると同時に、上部層のＡｌ２Ｏ３の結晶粒粗大化が抑制されることから、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速連続切削に用いた場合でも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】硬質被覆層の下部層を構成する改質ｌ−ＴｉＣＮ層が有するＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を示す模式図である。
【図２】硬質被覆層の縦断面組織構造の一例を示す概略縦断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【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、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・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〜Ｆ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、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・ＣＮＭＧ１２０４１２の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〜ｆを形成した。
【００２１】
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件で、Ｔｉ化合物層（但し、改質ｌ−ＴｉＣＮ層を除く）を蒸着形成し、
ついで、改質ｌ−ＴｉＣＮ層を、表４に示される条件で、表５に示される組み合わせ、かつ同じく表５に示される目標層厚で蒸着形成し、その後、表３に示される条件にて、上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を同じく表５に示される組み合わせ、かつ目標層厚で蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００２２】
また、比較の目的で、硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件で、表６に示される組み合わせ、かつ同じく表６に示される目標層厚でＴｉ化合物層を蒸着形成し（但し、上部層と隣接する下部層は、通常のｌ−ＴｉＣＮ層を蒸着形成）、その後、表３に示される条件にて、上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を、表６に示される組み合わせ、かつ同じく表６に示される目標層厚で蒸着形成することにより従来被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００２３】
ついで、前記本発明被覆工具の改質ｌ−ＴｉＣＮ層について、縦断面研磨面について、オージェ電子分光法により、その層厚方向に沿って酸素含有量を線分析し、酸素含有量のピークが現れる各ピーク位置を求めるとともに、該各ピーク位置における酸素含有量ＯＭＡＸの値をそれぞれ求めた。
また、参考のため、改質ｌ−ＴｉＣＮ層の各酸素濃化領域より内部側の深さ位置における酸素含有量についても測定し、その平均酸素含有量ＯＡＶ（但し、５点測定の平均値）を求めた。
表５に、前記酸素含有量ＯＭＡＸ、平均酸素含有量ＯＡＶの値を示す。
同様に従来被覆工具のｌ−ＴｉＣＮ層についても酸素含有量を測定し、その平均酸素含有量ＯＡＶ（但し、５点測定の平均値）を求めた。
表６に、平均酸素含有量ＯＡＶの値を示す。
【００２４】
さらに、本発明被覆工具の改質ｌ−ＴｉＣＮ層について、電界放出型走査電子顕微鏡及び電子後方散乱回折像装置を用いて、各酸素濃化領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さを求め、また、各酸素濃化領域より内部側にある結晶粒の単位面積当たりの粒界長さを求め、各酸素濃化領域の結晶微細化率ＲＴｉＣＮ（但し、Ｒ＝（酸素濃化領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さ）／（酸素濃化領域より内部側にある改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さ）を算出した。
ここで、改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さは、以下のようにして測定算出することができる。
すなわち、前記改質ｌ−ＴｉＣＮ層の縦断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、前記縦断面研磨面の測定範囲内に存在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、所定測定領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記縦断面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、さらに、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型走査電子顕微鏡により、改質ｌ−ＴｉＣＮ層の酸素濃化領域における縦断面測定領域を走査し、該測定領域内で粒界として識別される部分の長さＧＢＬＯ（μｍ）を求め、そして、測定した縦断面研磨面の面積ＧＡＯ（μｍ２）との比の値ＧＢＬＯ／ＧＡＯを求めた。
また、同様に、改質ｌ−ＴｉＣＮ層の酸素濃化領域より内部側における縦断面測定領域を走査し、該測定領域内で粒界として識別される部分の長さＧＢＬＩ（μｍ）を求め、そして、測定した縦断面研磨面の面積ＧＡＩ（μｍ２）との比の値ＧＢＬＩ／ＧＡＩを求めた。
ついで、前記ＧＢＬＯ／ＧＡＯ（酸素濃化領域における単位面積当たりの粒界長さに相当）と、前記ＧＢＬＩ／ＧＡＩ（酸素濃化領域より内部側における単位面積当たりの粒界長さに相当）との比の値を求め、これを、改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶微細化率ＲＴｉＣＮであると定義した。
即ち、結晶微細化率ＲＴｉＣＮ
＝（酸素濃化領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さ）／（酸素濃化領域より内部側にある改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さ）
＝（ＧＢＬＯ／ＧＡＯ）／（ＧＢＬＩ／ＧＡＩ）
である。
表５に、本発明被覆工具の改質ｌ−ＴｉＣＮ層についての各酸素濃化領域の結晶微細化率ＲＴｉＣＮの値を示す。
【００２５】
また、前記本発明被覆工具と従来被覆工具の硬質被覆層の上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層についても、前記改質ｌ−ＴｉＣＮ層の場合と同様にして、縦断面研磨面測定範囲内における粒界の全長ＧＢＬ（μｍ）を求め、測定した縦断面研磨面の面積ＧＡ（μｍ２）との値から、単位面積当たりの粒界長さＧＢＬ／ＧＡを算出した。
表５、表６に、本発明被覆工具と従来被覆工具のＡｌ２Ｏ３層についての、単位面積当たりの粒界長さＧＢＬ／ＧＡを示す。
【００２６】
表５、６にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具の改質ｌ−ＴｉＣＮ層は、結晶微細化率ＲＴｉＣＮがいずれも７．２より大きく、酸素濃化領域においては結晶粒が微細化していることが分かる。
また、本発明被覆工具のＡｌ２Ｏ３層の単位面積当たりの粒界長さＧＢＬ／ＧＡは、従来被覆工具のＡｌ２Ｏ３層の単位面積当たりの粒界長さＧＢＬ／ＧＡより大であって、従来被覆工具のＡｌ２Ｏ３層に比して、本発明被覆工具のＡｌ２Ｏ３層が微細化していることが分かる。
【００２７】
なお、本発明被覆工具および従来被覆工具の下部層、上部層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（同じく縦断面測定）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】
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【００３０】
【表３】
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【００３１】
【表４】
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【００３２】
【表５】
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【００３３】
【表６】
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【００３４】
つぎに、前記の各種の被覆工具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、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３について、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１８分、
の条件（切削条件Ａ）での炭素鋼の乾式高速連続切削試験
（通常の切削速度は、２５０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．８ｍｍ、
送り：０．３２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１３分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金鋼の乾式高速連続切削試験
（通常の切削速度は、２５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｃ）での鋳鉄の乾式高速連続切削試験
（通常の切削速度は、３００ｍ／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７に示した。
【００３５】
【表７】
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【００３６】
表５〜７に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、酸素濃化領域を備えかつ微細化された組織を有する改質ｌ−ＴｉＣＮ層（下部層）の上に、微細結晶粒からなるＡｌ２Ｏ３層（上部層）が形成されていることにより、下部層と上部層の密着性が向上すると同時に、上部層のＡｌ２Ｏ３の結晶粒粗大化が抑制されることから、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速連続切削に用いた場合でも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を示す。
これに対して、硬質被覆層の下部層として、酸素濃化領域を備えかつ微細化された組織を有する改質ｌ−ＴｉＣＮ層が形成されていない従来被覆工具１〜１３においては、下部層と上部層において結晶粒の粗大化が生じやすく、そのため、下部層と上部層の密着性、耐摩耗性が十分でないため、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速連続切削では、チッピング、欠損、剥離等が発生し、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】
【００３７】
前述のように、この発明の被覆工具は、各種鋼や鋳鉄などの高速連続切削ですぐれた耐チッピング性、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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