(57)【要約】      （修正有）【課題】高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】工具基体の表面に、Ｃｒ含有割合が０．０１〜０．１（原子比）であるＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層とＡｌ２Ｏ３層とを交互に積層した硬質被覆層を設け、あるいは、この交互積層を上部層とし、上部層と工具基体表面間に、下部層として、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、あるいは前記下部層の少なくとも１層のＴｉ成分をＺｒで置換した（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層の１層または２層以上を設け、かつ、上部層の構成層であるＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、表面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒の（００１）面および（０１１）面の法線と、表面研磨面の法線とがなす傾斜角の測定結果に基づいて作成された構成原子共有格子点分布グラフであるＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層で構成する。【選択図】図３
2008093770.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、少なくとも、
（ａ）０．２〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、チタンとクロムの合量に対するクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｔｉ＋Ｃｒ））が、原子比で０．０１〜０．１であるチタンとクロムの複合炭窒化物層、
（ｂ）０．２〜２μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）および（ｂ）を少なくとも３層以上交互に積層し、合計平均層厚が１〜６μｍとなるように化学蒸着で形成した硬質被覆層を設けてなることを特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮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、少なくとも、上部層と下部層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、
上記上部層は、
（ａ）０．２〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、チタンとクロムの合量に対するクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｔｉ＋Ｃｒ））が、原子比で０．０１〜０．１であるチタンとクロムの複合炭窒化物層、
（ｂ）０．２〜２μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）および（ｂ）を少なくとも３層以上交互に積層し、合計平均層厚が１〜６μｍとなるよう化学蒸着で形成した交互積層からなり、
また、上記下部層は、
（ｃ）合計平均層厚２〜１０μｍの化学蒸着で形成した窒化チタン層、炭化チタン層、炭窒化チタン層のうちの１層または２層以上からなる、
ことを特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具。
【請求項３】
請求項２記載の表面被覆切削工具において、
上記下部層（ｃ）のうちの少なくとも１層は、チタンの一部をジルコニウムで置換したチタンとジルコニウムの複合窒化物層、チタンとジルコニウムの複合炭化物層あるいはチタンとジルコニウムの複合炭窒化物層、
であることを特徴とする請求項２記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
請求項２または３記載の表面被覆切削工具において、
上部層と下部層の間に、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層および炭窒酸化チタン層のうちの１層または２層以上からなる合計平均層厚０．２〜１μｍの中間層を介在させたことを特徴とする請求項２または３記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の表面被覆切削工具において、
上記（ａ）のチタンとクロムの複合炭窒化物層は、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（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にチタンとクロムと炭素と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（ＮはＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造上２以上の偶数となる）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体（ただし、頻度の関係で上限値を２８とする）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、いずれも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％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示すチタンとクロムの複合炭窒化物層であることを特徴とする請求項１乃至４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、特に鋼、工具鋼および鋳鉄などのミーリング加工を、高速で、かつ、高送り、高切り込みなどの高速重切削条件で行った場合に、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング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、一般的に、炭化タングステン基（以下、ＷＣ基で示す）超硬合金または炭窒化チタン基（以下、ＴｉＣＮ基で示す）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、硬質被覆層の下部層として、Ｔｉ炭窒化物層（以下、「従来ＴｉＣＮ層」で示す）等のＴｉ化合物層、あるいは、チタンとクロムの複合炭窒化物層（以下、「Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層」で示す）を蒸着形成し、硬質被覆層の上部層としてＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成した被覆工具が知られており、これらの被覆工具が、例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられることも良く知られている。
【０００３】
そして、上記従来ＴｉＣＮ層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＴｉＣｌ４：２〜１０％、
ＣＨ３ＣＮ：１〜５％、
Ｎ2：１０〜３０％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度：８００〜９３０℃、
（ハ）反応雰囲気圧力：６〜１５ｋＰａ、
の条件で蒸着形成されることが知られ、また、
上記Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、例えば、上記従来ＴｉＣＮ層を形成する反応ガスに、ＣｒＣｌ３を微量添加して化学蒸着を行うことにより形成されることが知られている。
【０００４】
また、上記の被覆工具において、硬質被覆層の構成層は、一般に粒状結晶組織を有するが、従来ＴｉＣＮ層の強度向上を目的として、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することにより縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層（以下、ｌ−ＴｉＣＮ層で示す）を形成することも知られている。
【特許文献１】特開平１０−２４４４０５号公報
【特許文献２】特開２００１−１１６３２号公報
【特許文献３】特開平６−８０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工の省力化および省エネ化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、また、高送り高切込み化の傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを鋼、工具鋼および鋳鉄などの通常の加工条件でのミーリング切削に用いた場合には問題はないが、これを高速高送り高切込み加工に用いた場合、硬質被覆層のＡｌ２Ｏ３層の高温強度が十分でないために、高速高送り高切り込みミーリング加工下における機械的・熱的な負荷に耐えることができず、早期にチッピング（微小欠け）が発生し、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】
【０００６】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、Ａｌ２Ｏ３層の下部層として、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層を設けた被覆工具の硬質被覆層の耐チッピング性向上を図るべく、研究を行った結果、
（ａ）Ａｌ２Ｏ３層を上部層とし、また、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層を下部層とする従来被覆工具において、Ａｌ２Ｏ３層は、高温硬さと耐熱性にすぐれるものの、高送り、高切り込みなどの高速重切削条件下では、満足できる高温強度を備えるものではないが、Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚を０．２〜２μｍとし、さらに、０．２〜２μｍの平均層厚を有するＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層との交互積層構造として硬質被覆層を形成することにより、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層の備えるすぐれた高温強度によって、Ａｌ２Ｏ３層の強度が補完され、硬質被覆層は、全体として、すぐれた高温硬さ、耐熱性およびすぐれた高温強度を相兼ね備えたものとなり、その結果として、高速重切削条件下でのチッピング発生が抑制されること。
即ち、上記交互積層構造の構成層であるＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＴｉＣｌ４：２〜１０％、
ＣｒＣｌ３：０．０２〜１％、
ＣＨ３ＣＮ：１〜５％、
Ｎ2：１０〜３０％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度：８００〜９３０℃、
（ハ）反応雰囲気圧力：１５〜２５ｋＰａ、
の条件で蒸着することによって形成され、この結果形成されたＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、Ｔｉとの合量に占める割合で１〜１０原子％の割合でＣｒを含有し、上記の従来ＴｉＣＮ層と同じＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造（上記図１参照）、すなわち、Ｔｉ原子の一部がＣｒ原子で置換されたＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造をもつものになると共に、置換含有したＣｒの作用で、高温強度が一段と向上したものになるため、切刃部にきわめて高い機械的・熱的負荷がかかる高速高送り高切り込みミーリング切削において、前記硬質被覆層の耐チッピング性を向上させること。
【０００７】
（ｂ）上記従来ＴｉＣＮ層および上記Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層について、
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図２（ａ），（ｂ）に概略説明図で例示される通り、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、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（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角（図２(ａ)には前記結晶面のうち（００１）面の傾斜角が０度、（０１１）面の傾斜角が４５度の場合、同（ｂ）には（００１）面の傾斜角が４５度、（０１１）面の傾斜角が０度の場合を示しているが、これらの角度を含めて前記結晶粒個々のすべての傾斜角）を測定し、この結果得られた測定傾斜角に基づいて、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（ＮはＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造上２以上の偶数となる）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表し、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体（ただし、頻度の関係でＮの上限値を２８とする）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を作成した場合、前記従来ＴｉＣＮ層は、図４に例示される通り、Σ３の分布割合が３０％以下の相対的に低い構成原子共有格子点分布グラフを示すのに対して、前記Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、図３に例示される通り、Σ３に最高ピークが存在し、かつ、Σ３の分布割合が６０％以上のきわめて高い構成原子共有格子点分布グラフを示し、しかも、前記Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層のΣ３の分布割合は、層中のＣｒ含有量によって変化し、さらに、層中のＣｒ含有量は、反応ガス中のＣｒＣｌ３の配合割合によって調整できること。
【０００８】
（ｃ）つまり、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層の蒸着形成に際し、蒸着時の反応ガス中のＣｒＣｌ３含有量を０．０２〜１容量％とし、形成されたＴｉ−Ｃｒ複合窒化物層中のＣｒ含有割合を、Ｔｉとの合量に占める割合で１〜１０原子％とすることによって、構成原子共有格子点分布グラフでのΣ３の分布割合が６０％以上のきわめて高いものになり、この結果、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は上記従来ＴｉＣＮ層と比べ、一段と高温強度が向上したものとなるのであり、したがって、層中のＣｒ含有割合が前記の範囲から低い方に外れても、あるいは高い方に外れても、構成原子共有格子点分布グラフでのΣ３の分布割合が６０％未満になってしまい、所望の高温強度向上効果が得られなくなること。
【０００９】
（ｄ）そして、上記のＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、従来ＴｉＣＮ層が具備する硬さと強度に加えて、上記従来ＴｉＣＮ層に比べて一段と高い高温強度を有するので、上記Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層とＡｌ２Ｏ３層とを化学蒸着により交互に積層した積層構造の硬質被覆層を備えた被覆工具は、極めて高い機械的・熱的負荷のかかる高速高送り高切り込みミーリング加工においても、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を示し、長期に亘ってすぐれた性能を発揮するようになること。
【００１０】
（ｅ）上記のＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層とＡｌ２Ｏ３層との交互積層構造からなる硬質被覆層を設けた被覆工具において、さらに、硬質被覆層の下部層とし、合計平均層厚２〜１０μｍの窒化チタン（ＴｉＮ）層、炭化チタン（ＴｉＣ）層、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層のうちの１層または２層以上、あるいは、これらの層のうちの少なくとも１層のチタン成分の一部をジルコニウムで置換したチタンとジルコニウムの複合窒化物（以下、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎで示す）層、チタンとジルコニウムの複合炭化物（以下、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃで示す）層あるいはチタンとジルコニウムの複合炭窒化物（以下、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮで示す）層、を化学蒸着で形成することにより、硬質被覆層の強度が確保され、高速重切削条件下でのチッピング発生が抑制されること。
【００１１】
（ｆ）上記下部層の形成について、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層は、従来法と同様な形成条件で蒸着形成することができ、また、これらの層のチタン成分の一部をジルコニウムで置換した（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ層あるいは（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層は、それぞれ、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層を形成する反応ガスに、ＺｒＣｌ４を微量添加して化学蒸着を行うことにより形成できこと。
以上（ａ）〜（ｆ）に示される研究結果を得たのである。
【００１２】
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、
「（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、少なくとも、
（ａ）０．２〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、チタンとクロムの合量に対するクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｔｉ＋Ｃｒ））が、原子比で０．０１〜０．１であるチタンとクロムの複合炭窒化物層、
（ｂ）０．２〜２μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）および（ｂ）を少なくとも３層以上交互に積層し、合計平均層厚が１〜６μｍとなるように化学蒸着で形成した硬質被覆層を設けてなることを特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具。
（２）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、少なくとも、上部層と下部層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、
上記上部層は、
（ａ）０．２〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、チタンとクロムの合量に対するクロムの含有割合（Ｃｒ／（Ｔｉ＋Ｃｒ））が、原子比で０．０１〜０．１であるチタンとクロムの複合炭窒化物層、
（ｂ）０．２〜２μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）および（ｂ）を少なくとも３層以上交互に積層し、合計平均層厚が１〜６μｍとなるよう化学蒸着で形成した交互積層からなり、
また、上記下部層は、
（ｃ）合計平均層厚２〜１０μｍの化学蒸着で形成した窒化チタン層、炭化チタン層、炭窒化チタン層のうちの１層または２層以上からなる、
ことを特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具。
（３）前記（２）記載の表面被覆切削工具において、
上記下部層（ｃ）のうちの少なくとも１層は、チタンの一部をジルコニウムで置換したチタンとジルコニウムの複合窒化物層、チタンとジルコニウムの複合炭化物層あるいはチタンとジルコニウムの複合炭窒化物層、
であることを特徴とする前記（２）記載の表面被覆切削工具。
（４）前記（２）または（３）記載の表面被覆切削工具において、
上部層と下部層の間に、炭酸化チタン層、窒酸化チタン層および炭窒酸化チタン層のうちの１層または２層以上からなる合計平均層厚０．２〜１μｍの中間層を介在させたことを特徴とする前記（２）または（３）記載の表面被覆切削工具。
（５）前記（１）乃至（４）記載の表面被覆切削工具において、
上記（ａ）のチタンとクロムの複合炭窒化物層は、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（００１）面および（０１１）面の法線がなす傾斜角を測定し、この場合前記結晶粒は、格子点にチタンとクロムと炭素と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（ＮはＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造上２以上の偶数となる）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体（ただし、頻度の関係で上限値を２８とする）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、いずれも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％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示すチタンとクロムの複合炭窒化物層であることを特徴とする前記（１）乃至（４）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。
【００１３】
つぎに、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）交互積層構造の構成層であるチタンとクロムの複合炭窒化物層（Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層）
上記Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、すぐれた高温硬さおよびすぐれた高温強度を有するが、この特性は、反応ガスにＣｒＣｌ３を０．０２〜１容量％の割合で添加して化学蒸着し、蒸着形成された層中のＣｒ含有割合をＴｉとの合量に占める割合で１〜１０原子％とした結果として、構成原子共有格子点分布グラフにおけるΣ３の分布割合が６０％以上となることにより得られるものであって、一方、Σ３の分布割合が６０％未満では、高温強度の向上効果が少なく、高速高送り高切り込みミーリング加工において、硬質被覆層にチッピングが発生することは避けられず、すぐれた耐摩耗性を発揮することはできないことから、ＴｉとＣｒの合量に対するＣｒの含有割合（Ｃｒ／（Ｔｉ＋Ｃｒ））を０．０１〜０．１（但し,原子比）と定め、また、Σ３の分布割合を６０％以上と定めた。  
また、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、その平均層厚が０．２μｍ未満では、交互積層構造の構成層であるＡｌ２Ｏ３層の高温強度不足を補完し、硬質被覆層全体としての高温強度向上を図ることはできず、一方、平均層厚が２μｍを超えると、隣接するＡｌ２Ｏ３層との十分な付着強度を確保することができなくなり、硬質被覆層にチッピングがおこりやすくなるため、その平均層厚を０．２〜２μｍと定めた。
【００１４】
（ｂ）交互積層構造の構成層である酸化アルミニウム層（Ａｌ２Ｏ３層）
上記Ａｌ２Ｏ３層は、高温硬さと耐熱性にすぐれ、切削加工時の摩耗に対して耐摩耗性を示すが、その平均層厚が０．２μｍ未満では、十分な耐摩耗性を発揮することができず、また、その平均層厚が２μｍ以上の場合は、隣接するＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層との十分な付着強度を確保することができなくなるばかりか、高速重切削条件下では高温強度の不足によりチッピングが発生しやすくなることから、その平均層厚を０．２〜２μｍとした。
【００１５】
（ｃ）酸化アルミニウム層（Ａｌ２Ｏ３層）と、チタンとクロムの複合炭窒化物層（Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層）からなる交互積層（上部層）
上記Ａｌ２Ｏ３層と上記Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層を、少なくとも３層以上交互に積層し、合計平均層厚が１〜６μｍとなるように交互積層構造の硬質被覆層（上部層）を化学蒸着で形成し、Ａｌ２Ｏ３層の高温強度不足を、すぐれた高温強度を有するＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層を交互積層することによって補完し、硬質被覆層（上部層）全体としての耐チッピング性を確保するが、交互積層構造からなる硬質被覆層（上部層）の合計平均層厚が１μｍ未満では、高速高送り高切り込みミーリング加工において十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、合計平均層厚が６μｍを超えると、チッピングや異常摩耗が発生し易くなるため、硬質被覆層（上部層）の合計平均層厚を１〜６μｍと定めた。
【００１６】
（ｄ）窒化チタン（ＴｉＮ）層、炭化チタン（ＴｉＣ）層、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層のうちの１層または２層以上からなる下部層、あるいは、これらの層のうちの少なくとも１層は、チタンの一部をジルコニウムで置換したチタンとジルコニウムの複合窒化物（（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ）層、チタンとジルコニウムの複合炭化物（（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ）層あるいはチタンとジルコニウムの複合炭窒化物（（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ）層で形成した下部層
硬質被覆層の下部層を構成するＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、また、これらの層のうちの少なくとも１層を（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ層あるいは（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層とした下部層は、いずれも、すぐれた強度を備えるとともに、硬質被覆層の上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層とすぐれた密着性・接合強度を有し、高速重切削条件下での耐チッピング改善に寄与する。
上記各下部層のうち、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層の形成条件は従来法と同様であり、また、Ｔｉの一部をＺｒで置換した（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層は、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層を形成するそれぞれの反応ガス中に、０．１〜１％のＺｒＣｌ４を添加含有させ、通常の化学蒸着装置で蒸着することによって形成することができる。そして、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層におけるＴｉとＺｒの合量に対するＺｒの含有割合（Ｚｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ））について、Ｚｒの含有割合が０．０２未満の場合には、強度向上効果を期待することができず、一方、Ｚｒの含有割合が０．１５を超えた場合には、硬さが低下するため、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層におけるＺｒの含有割合は、原子比で０．０２〜０．１５とすることが望ましい。
【００１７】
（ｅ）炭酸化チタン層（ＴｉＣＯ層）、窒酸化チタン層（ＴｉＮＯ層）および炭窒酸化チタン層（ＴｉＣＮＯ層）のうちの１層または２層以上からなる合計平均層厚０．２〜１μｍの中間層
炭酸化チタン（ＴｉＣＯ）層、窒酸化チタン（ＴｉＮＯ）層および炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）層のうちの１層または２層以上からなる合計平均層厚０．２〜１μｍの中間層を、上部層と下部層との間に介在させると、上記中間層は、上記上部層と下部層のいずれに対しても密着性にすぐれ、また、付着強度も大きいため、上記上部層と下部層間の接合強度を高め、その結果、硬質被覆層全体としての高温強度をより一層高めて耐チッピング性をさらに向上させる効果があるが、その合計平均層厚が０．２μｍ未満では接合強度の向上効果が少なく、また、合計平均層厚が１μｍを超えると、チッピングなどの異常損傷が生じやすくなることから、中間層の合計平均層厚を０．２〜１μｍと定めた。
【００１８】
なお、被覆工具の切削後の使用コーナーの識別を容易にする目的で、硬質被覆層の上層に、金色を有するＴｉＮ層を被覆することが一般的に知られているが、本発明被覆工具においても、使用コーナー識別の目的で、Ａｌ２Ｏ３層とＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層の交互積層構造からなる上部層の最表層に、ＴｉＮ層を被覆してもよい。その際のＴｉＮ層の被覆層厚は０．２〜１μｍで十分である。
【００１９】
また、近年、硬質被覆層を形成後、物理的な手法、具体的には砥石、ナイロン製等のブラシ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３およびＺｒＯ２粒子等をメディアとして使用する乾式あるいは湿式ブラスト処理等により、硬質被覆層の表面を平滑化し、耐溶着性を向上させることが知られているが、本発明被覆工具に対してこれを適用することも勿論可能である。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の被覆工具は、その表面に、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層とＡｌ２Ｏ３層の交互積層構造からなる硬質被覆層を備え（請求項１）、あるいは、これを上部層とし、上部層と工具基体間にＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層のうちの１層または２層以上からなる下部層、あるいは、これらの層のうちの少なくとも１層を（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ層、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ層あるいは（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層とした下部層を設け（請求項２、３）、或いは更に、上部層と下部層間に、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなる中間層を設け（請求項４）、さらに、前記Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層が、Ｔｉとの合量に占める割合で１〜１０原子％のＣｒを含有し、構成原子共有格子点分布グラフでのΣ３の分布割合が６０％以上のきわめて高いものとして構成されている（請求項５）ので、各種の鋼、工具鋼および鋳鉄などの通常条件でのミーリング加工は勿論のこと、特に、機械的・熱的負荷が大きく、かつ高い発熱を伴う高速高送り、高切り込み切削でも、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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】
【００２２】
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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末を準備し、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ルコール中で１０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、切刃部に幅０．１５ｍｍ、角度２０度のチャンフォーホーニング加工することによりＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１に規定するスローアウェイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００２３】
ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆ表面に、まず、表５に示される条件かつ表７に示される目標平均層厚で下部層を蒸着形成し、或いは更に表６に示される条件かつ表７に示される目標平均層厚で中間層を蒸着形成した後、通常の化学蒸着装置を用いて、表２に示される条件かつ表８に示される目標平均層厚でＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層を蒸着形成し、ついで、表４に示される条件かつ表８に示される目標平均層厚でκ型もしくはα型の結晶形態を有するＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成し、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層とＡｌ２Ｏ３層の交互積層からなる硬質被覆層を有する本発明被覆工具１〜１８を製造した。（なお、表２、５でいう「目標含有割合」は、原子比で表したＣｒ／（Ｔｉ＋Ｃｒ）又はＺｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）の値である。）
【００２４】
比較の目的で、表３に示される条件かつ表１０に示される目標平均層厚でＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層の代わりにＴｉＣＮ層を形成し、他の条件（例えば、下部層、中間層、Ａｌ２Ｏ３層の形成条件等）については上記本発明被覆工具１〜１８と同一の条件とすることにより、比較被覆工具１〜１８をそれぞれ製造した。（比較被覆工具１〜１８の下部層、中間層、層厚を表９に示す。）
なお、例えば、特開平６−８０１０号公報に示されるような層の強度向上を目的として形成された縦長成長結晶組織を有するＴｉＣＮ層を、表５中では「ｌ−ＴｉＣＮ」として示す。
【００２５】
ついで、上記の本発明被覆工具の硬質被覆層の交互積層構造を構成するＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層、および、比較被覆工具の硬質被覆層の交互積層構造を構成するＴｉＣＮ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、構成原子共有格子点分布グラフを作成した。
すなわち、上記構成原子共有格子点分布グラフは、上記本発明Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層、および、従来ＴｉＣＮ層の表面をそれぞれ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、前記表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、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、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（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、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（ＮはＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造上２以上の偶数となる）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体（ただし、頻度の関係で上限値を２８とする）に占める分布割合を求めることにより作成した。
【００２６】
この結果得られた本発明被覆工具の硬質被覆層の交互積層構造を構成するＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層の構成原子共有格子点分布グラフにおいて、ΣＮ＋１全体（Ｎは２〜２８の範囲内のすべての偶数）に占めるΣ３の分布割合をそれぞれ表８に示した。
また、比較のために、比較被覆工具のＴｉＣＮ層の構成原子共有格子点分布グラフにおいて、ΣＮ＋１全体（Ｎは２〜２８の範囲内のすべての偶数）に占めるΣ３の分布割合をそれぞれ表１０に示した。
【００２７】
上記の各種の構成原子共有格子点分布グラフにおいて、表８、１０にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具１〜１８の交互積層構造を構成するＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、いずれもΣ３の占める分布割合が６０％以上である構成原子共有格子点分布グラフを示すのに対して、比較被覆工具１〜１８の従来ＴｉＣＮ層は、いずれもΣ３の分布割合が３０％未満の構成原子共有格子点分布グラフを示すものであった。
なお、図３は、本発明被覆工具５のうちＡ−７の条件にて形成したＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層の構成原子共有格子点分布グラフ、図４は、比較被覆工具５のうち、ａ−７の条件にて形成した従来ＴｉＣＮ層の構成原子共有格子点分布グラフをそれぞれ示すものである。
【００２８】
さらに、上記の本発明被覆工具１〜１８および比較被覆工具１〜１８について、これらの硬質被覆層の構成層をオージェ分光分析装置を用いて観察（層の縦断面を観察）したところ、目標組成と実質的に同じ組成を有することが確認され、また、これらの被覆工具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（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。
【００２９】
まず、上記の本発明被覆工具１〜１８および比較被覆工具１〜１８について、次の切削条件Ａ〜Ｃにより、単刃での正面フライス加工を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：      ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈのブロック材、
切削速度：  ３８０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ４  ｍｍ、
一刃送り量：  ０．４  ｍｍ／刃、
切削時間：  ５  分、
の条件での合金鋼の湿式高速高切り込み高送り切削試験（通常の切削速度、切り込み、送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍｍ、０．２ｍｍ／刃）、
[切削条件Ｂ]
被削材：      ＪＩＳ・ＳＫＤ１１のブロック材、
切削速度：  ３２０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ３．５  ｍｍ、
一刃送り量：  ０．４  ｍｍ／刃、
切削時間：  ５  分、
の条件での工具鋼の湿式高速高切り込み高送り切削試験（通常の切削速度、切り込み、送りは、それぞれ、１５０ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍｍ、０．１５ｍｍ／刃）、
[切削条件Ｃ]
被削材：      ＪＩＳ・ＦＣ３５０のブロック、
切削速度：  ４２０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ４．３  ｍｍ、
送り：  ０．４５  ｍｍ／刃、
切削時間：  ５  分、
の条件での鋳鉄の湿式高速高切り込み高送り切削試験（通常の切削速度、切り込み、送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍｍ、０．２ｍｍ／刃）、
そして、上記の各切削試験における切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、この測定結果を表１１に示した。
【００３０】
【表１】
2008093770.tif 000003
【００３１】
【表２】
2008093770.tif 000004
【００３２】
【表３】
2008093770.tif 000005
【００３３】
【表４】
2008093770.tif 000006
【００３４】
【表５】
2008093770.tif 000007
【００３５】
【表６】
2008093770.tif 000008
【００３６】
【表７】
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【００３７】
【表８】
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【００３８】
【表９】
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【００３９】
【表１０】
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【００４０】
【表１１】
2008093770.tif 000013
【００４１】
表８、１０、１１に示される結果から、本発明被覆工具１〜１８は、硬質被覆層の上部層が、Ｔｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層とＡｌ２Ｏ３層の交互積層構造から構成され、かつ、前記交互積層構造の構成層であるＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層は、Ｔｉとの合量に占める割合で１〜１０原子％のＣｒを含有し、構成原子共有格子点分布グラフでのΣ３の分布割合が６０％以上のきわめて高いものとして構成されているので、機械的・熱的負荷が大きく、しかも、高い発熱を伴う各種の鋼、工具鋼および鋳鉄などの高速高送り、高切り込みミーリング切削において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層の交互積層構造が従来ＴｉＣＮ層とＡｌ２Ｏ３層で形成された比較被覆工具１〜１８においては、高速高送り、高切り込みミーリング切削の激しい機械的・熱的負荷に耐えられず、硬質被覆層にはチッピングが発生し、また摩耗も促進され、これが原因となり比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００４２】
上述のように、この発明の被覆工具は、各種の鋼、工具鋼および鋳鉄などの通常の条件でのミーリング加工は勿論のこと、特に、機械的・熱的負荷が大きく、かつ高い発熱を伴う高速高送り高切り込みの高速重切削条件でも、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なら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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】硬質被覆層の従来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】ＮａＣｌ型面心立方晶の結晶構造を有する結晶粒の（００１）面および（０１１）面の傾斜角の測定態様を示す概略説明図である。
【図３】本発明被覆工具５の形成条件Ａ−７で形成したＴｉ−Ｃｒ複合炭窒化物層の構成原子共有格子点分布グラフである。
【図４】比較被覆工具５の形成条件ａ−７で形成した従来ＴｉＣＮ層の構成原子共有格子点分布グラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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