(57)【要約】      （修正有）【課題】  硬質被覆層が高速重切削で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、下部層が３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、上部層が、６〜３０μｍの平均層厚を有する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層、で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具において、前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層が第１単位層、第２単位層と、第１単位層と第２単位層との間に介在する歪緩和層とからなる積層構造となし、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、前記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、前記測定傾斜角のうち、第１単位層、第２単位層および歪緩和層の各層について、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５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すると各々が特定の傾斜角度数分布グラフを示す蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層で構成する。【選択図】図２
2007061922.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３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）第１単位層と第２単位層と歪緩和層との積層構造からなり、かつ６〜３０μｍの全体平均層厚を有する酸化アルミニウム層からなる上部層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
上記酸化アルミニウム層からなる上部層を、１．５〜５μｍの平均層厚を有する第１単位層と、１．５〜５μｍの平均層厚を有する第２単位層と、第１単位層と第２単位層との間に介在する３〜６μｍの平均層厚を有する歪緩和層とからなる積層構造となし、さらに電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体表面と平行な研磨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、前記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、前記測定傾斜角のうち、上記第１単位層、第２単位層および歪緩和層の各層について、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５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てなる傾斜角度数分布グラフで現した場合、
（Ａ）上記第１単位層は、０〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
（Ｂ）上記第２単位層は、７０〜９０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記７０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すこと、
（Ｃ）上記歪緩和層は、３０〜６０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記３０〜６０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すこと、
を特徴とする硬質被覆層が高速重切削ですぐれた耐チッピング性を発揮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、特に硬質被覆層の構成層である酸化アルミニウム層（以下、Ａｌ2Ｏ3層で示す）を厚膜化した状態で、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を、高速で、かつ高い機械的衝撃を伴なう高切り込みや高送りなどの重切削条件で行った場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を示し、したがってチッピング（微少欠け）などの発生なく、長期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、
（ａ）下部層が、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層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、厚膜化した状態も含めると、１〜１２μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層（以下、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層で示す）、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具が、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は良く知られている。
【０００３】
また、一般に、上記の被覆工具の硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層や蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層が粒状結晶組織を有し、さらに、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身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形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
【特許文献１】特開平６−３１５０３号公報
【特許文献２】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】
【０００４】
近年の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、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は最大層厚で２０μｍの厚膜化を必要とされ、さらに切削加工は一段と高速化すると共に、高切り込みや高送りなどの重切削条件での切削加工が強く求められている。上記の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すぐれた耐摩耗性を発揮することができる。しかし、これを高速重切削条件で用いた場合、特に硬質被覆層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の高温硬さおよび高温強度が不十分であるために、摩耗が急速に進行し、かつチッピングも発生し易くなり、さらに前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の厚膜化によってチッピングは一段と発生し易くなることから、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】
【０００５】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層が硬質被覆層の上部層を構成する被覆工具に着目し、特に前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の高速重切削における耐チッピング性を向上させるべく研究を行った結果、
（ａ）上記の従来被覆工具の硬質被覆層としての蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、一般に、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ3  １〜５％、ＣＯ2  ３〜７％、ＨＣｌ  ０．３〜３％、Ｈ2Ｓ  ０．０２〜０．４％、Ｈ2  残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａ、
の条件（以下、通常条件という）で形成されるが、この通常条件形成の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に概略説明図で示される通り、工具基体表面と平行な研磨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、前記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、前記測定傾斜角のうち、それぞれ０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５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てなる傾斜角度数分布グラフを作成すると、図５に例示される通り、（０００１）面の測定傾斜角の分布がいずれの範囲（例えば、０〜２０度および７０〜９０度および３０〜６０度）でも不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すこと。
【０００６】
（ｂ）一方、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ3  ６〜１０％、ＣＯ2  １．０〜１．５％、ＨＣｌ  ０．３〜３．０％、Ｈ2Ｓ  ０．５〜１．０％、Ａｒ  ５〜１０％、Ｈ2  残り、
反応雰囲気温度：１０００〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：５〜８ｋＰａ、
の条件、すなわち反応ガス組成を調整して上記の通常条件の反応ガス組成とは異なった反応ガス組成とした条件（反応雰囲気の温度および圧力は上記の通常条件と同じ。以下、反応ガス組成調整条件という）で形成すると、この結果形成された蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、同じく電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に示される通り、工具基体表面と平行な研磨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、前記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、前記測定傾斜角のうち、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５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てなる傾斜角度数分布グラフで現した場合、図２に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り５〜８ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の０〜２０度の範囲内で変化すると共に、前記０〜２０度の範囲内に存在する度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占めるようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて０〜２０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、上記の通常条件形成の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層に比して、相対的にすぐれた高温強度を有すること。
【０００７】
（ｃ）さらに、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ3  １〜５％、ＣＯ2  ２〜４％、ＨＣｌ  ０．３〜３％、Ｈ2Ｓ  ０．０２〜０．４％、Ｈ2  残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：３０〜４０ｋＰａ、
の相対的に低温高圧条件（反応ガス組成は上記の通常条件と同じ。以下、低温高圧条件という）で形成すると、この結果形成された蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、同じく電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に示される通り、上記工具基体表面と平行な研磨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、前記縦断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、前記測定傾斜角のうち、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５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てなる傾斜角度数分布グラフで現した場合、図３に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り２０〜３０ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の７０〜９０度の範囲内で変化すると共に、前記７０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占めるようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて７０〜９０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、上記の通常条件形成の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層に比して、相対的に高い高温硬さを有すること。
【０００８】
（ｄ）さらに、蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ3  １〜５％、ＣＯ2  １．５〜２．５％、ＨＣｌ  ０．３〜３．０％、Ｈ2Ｓ  ０．０５〜０．３％、Ａｒ  １〜５％、Ｈ2  残り、
反応雰囲気温度：９００〜１０００℃、
反応雰囲気圧力：１０〜１５ｋＰａ、
の条件、即ち、通常条件と比較すると反応ガス組成を調整し相対的に低温高圧化した条件（以下、低温高圧反応ガス組成調整条件という）で形成すると、この結果形成された蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、同じく電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１（ａ），（ｂ）に示される通り、上記工具基体表面と平行な研磨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、前記縦断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、前記測定傾斜角のうち、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５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てなる傾斜角度数分布グラフで現した場合、図４に例示される通り、傾斜角区分の特定位置にシャープな最高ピークが現れ、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り１０〜１５ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の３０〜６０度の範囲内で変化すると共に、前記３０〜６０度の範囲内に存在する度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占めるようになる。そして、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて３０〜６０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、所定の高温強度と高温硬さをバランス良く兼ね備えること。
【０００９】
（ｅ）上記（ｂ）の反応ガス組成調整条件の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を第１単位層、上記（ｃ）の低温高圧条件の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を第２単位層、上記（ｄ）の低温高圧反応ガス組成調整条件の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を歪緩和層とすると共に、第１単位層及び第２単位層のそれぞれの平均層厚を１．５〜５μｍとし、歪緩和層の平均層厚を３〜６μｍとし、第１単位層及び第２単位層の間に歪緩和層を介在させて層積層構造となし、かつ全体平均層厚を６〜３０μｍとしてなる蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を、下部層がＴｉ化合物層からなる硬質被覆層の上部層として構成してなる被覆工具は、すぐれた高温硬さと高温強度を具備するようになり、特に最大で３０μｍに厚膜化した状態で、高速重切削条件で切削加工を行っても、上記の硬質被覆層の上部層が、（０００１）面の測定傾斜角の分布がそれぞれ０〜９０度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示す蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層で構成された従来被覆工具に比して、硬質被覆層にチッピングの発生なく、一段とすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｅ）に示される研究結果を得たのである。
【００１０】
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、工具基体の表面に、
（ａ）下部層が、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、かつ６〜３０μｍの全体平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
上記酸化アルミニウム層を、１．５〜５μｍの平均層厚を有する第１単位層と、１．５〜５μｍの平均層厚を有する第２単位層と、第１単位層と第２単位層との間に介在する歪緩和層とからなる積層構造となし、該積層構造は、第１単位層と第２単位層との間に歪緩和層を介在させた状態で、複数層の第１単位層と複数層の第２単位層とが交互に積層される交互積層構造であって、さらに電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体表面と平行な研磨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、前記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、前記測定傾斜角のうち、上記第１単位層、第２単位層および歪緩和層の各層について、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５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てなる傾斜角度数分布グラフで現した場合、
（Ａ）上記第１単位層は、０〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、
（Ｂ）上記第２単位層は、７０〜９０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記７０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すこと、
（Ｃ）上記歪緩和層は、３０〜６０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記３０〜６０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示してなる、
硬質被覆層が高速重切削ですぐれた耐チッピング性を発揮する被覆工具に特徴を有するものである。
【００１１】
以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉ化合物層は、基本的には蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の下部層として存在し、自身の具備する優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、工具基体と蒸着α型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有するが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴なう高速重切削では熱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、その平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
【００１２】
（ｂ）蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）
上記の通り、第１、第２単位層および歪緩和層のそれぞれの傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置は、いずれも化学蒸着装置における反応雰囲気温度・圧力や反応ガス組成を変化させることによって変化するが、試験結果によれば、前記反応雰囲気圧力を、第１単位層では５〜８ｋｐａ、第２単位層では２０〜３０ｋＰａ、また歪緩和層では１０〜１５ｋＰａとすると、最高ピークが、上記第１単位層では０〜２０度、上記第２単位層では７０〜９０度、上記歪緩和層では３０〜６０度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記０〜２０度、７０〜９０度および３０〜６０度の範囲内に存在する度数の合計が、いずれの場合も傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５５〜７５％の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すようになるものであり、したがって、所定の反応雰囲気温度・圧力および反応ガス組成から外れてしまうと、測定傾斜角の最高ピーク位置はそれぞれ０〜２０度、７０〜９０度および３０〜６０度の範囲から外れてしまい、このような場合には第１単位層であれば所望の高温強度、第２単位層であれば同じく高温硬さを具備することができず、さらに、歪緩和層であればバランスのとれた所定の高温強度と高温硬さを有するとともに、第１単位層と第２単位層間の歪緩和作用を発揮することができない。
また、第１、第２単位層および歪緩和層のもつそれぞれの特性、すなわち高温強度、高温硬さおよび歪緩和作用を上部層に十分に、かつ層厚全体に亘って均一に具備させるには、前記単位層のそれぞれの平均層厚を１．５〜５μｍにし、歪緩和層の平均層厚を３〜６μｍにして、第１単位層と第２単位層との間に歪緩和層を介在させ積層構造とする必要があり、したがって平均層厚が前記範囲から外れた場合、前記特性のうちの少なくともいずれかの特性が不十分であり、所望のすぐれた高温強度、高温硬さおよび歪緩和作用を発揮せしめることができない。
第１単位層と第２単位層とでは、それぞれ優勢となる結晶成長方向が相異なるために、第１単位層と第２単位層との界面（境界領域）には成長方向の乱れによる歪が発生しやすくなり、第１単位層と第２単位層との間の密着性の低下を招きかねない。
特に、上部層の厚膜化を図った場合には、各単位層間の密着性を確保し、内部歪のない品質の高い健全な上部層を形成することが重要である。そこで、第１単位層と第２単位層との間に歪緩和作用を有する歪緩和層を介在させることにより、第１単位層と第２単位層との界面（境界領域）に生じる内部応力の発生を抑え、もって，第１単位層と第２単位層に発生する内部歪、或いは、上部層全体に発生する内部歪の低減を図る必要がある。
歪緩和層としては、第１単位層と第２単位層の双方に対して、結晶成長方向が大きく異なるものであってはいけないことから、すでに述べたような低温高圧反応ガス組成調整条件の化学蒸着によって形成される蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層（歪緩和層）を用いることができる。低温高圧反応ガス組成調整条件の化学蒸着によって形成される蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層を歪緩和層として用いることにより、第１単位層と第２単位層間に発生する内部応力を抑え、第１単位層と第２単位層間の密着性を十分に確保することができるとともに、上部層全体としても、内部応力、内部歪が極めて少ない、品質の高い健全な上部層を形成することができ、さらに、所望の高温強度、高温硬さの両者をバランス良く具備した上部層を得ることができる。
中間層の厚さとしては、第１単位層と第２単位層との間の歪緩和作用を発揮することができる程度の厚みが最小限必要とされ、一方、厚すぎては、第１単位層と第２単位層がそれぞれに有する特性を十分に生かすことができず、上部層全体の特性として、必要とされる所望の高温強度、高温硬さの両者をバランス良く確保することができないことから、歪緩和層の平均層厚は、３〜６μｍであることが望ましい。
また、第１単位層、第２単位層、歪緩和層の積層構造からなる上部層（蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層）全体の平均層厚が６μｍ未満では、これのもつすぐれた特性を長期に亘って十分に発揮することができず、一方その平均層厚が３０μｍを越えて厚くなりすぎると、切刃部にチッピング（微少欠け）が発生し易くなることから、その全体平均層厚を６〜３０μｍと定めた。
【００１３】
なお、切削工具の使用前後の識別を目的として、黄金色の色調を有するＴｉＮ層を、必要に応じて硬質被覆層の最表面層として蒸着形成してもよいが、この場合の平均層厚は０．１〜１μｍでよく、これは０．１μｍ未満では、十分な識別効果が得られず、一方前記ＴｉＮ層による前記識別効果は１μｍまでの平均層厚で十分であるという理由からである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の層厚を厚膜化した状態で、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を高速で、かつ高い機械的衝撃を伴なう高切り込みや高送りなどの重切削条件で行っても、前記蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層が、内部歪が小さく密着性にすぐれ、かつ、すぐれた高温強度と高温硬さを有することから、硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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】
【００１６】
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のホーニング加工することによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウェイチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製工具基体Ａ〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００１７】
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、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の圧力で所定の形状の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のホーニング加工することによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４１２に規定するスローアェイチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製工具基体ａ〜ｆをそれぞれ製造した。
【００１８】
ついで、これらの超硬製工具基体Ａ〜Ｆおよびサーメット製工具基体ａ〜ｆの表面に、通常の化学蒸着装置を用いて、
（ａ）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、
（ｂ）ついで、反応ガス組成（容量％）で、
ＡｌＣｌ3  ８．０％、ＣＯ2  １．２％、ＨＣｌ  １．５％、Ｈ2Ｓ  ０．８％、Ａｒ  ７％、Ｈ2  残り、
反応雰囲気温度：１０１０℃、
反応雰囲気圧力：５〜８ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の反応ガス組成調整条件で第１単位層、
（ｃ）また、反応ガス組成（容量％）で、
ＡｌＣｌ3  ２．２％、ＣＯ2  ２．５％、ＨＣｌ  ２．０％、Ｈ2Ｓ  ０．１５％、Ｈ2  残り、
反応雰囲気温度：８５０℃、
反応雰囲気圧力：３０〜４０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の低温高圧条件で第２単位層、
（ｄ）さらに、反応ガス組成（容量％）で、
ＡｌＣｌ3  ３．０％、ＣＯ2  ２．０％、ＨＣｌ  ２．０％、Ｈ2Ｓ  ０．１％、Ａｒ  ３％、Ｈ2  残り、
反応雰囲気温度：９３０℃、
反応雰囲気圧力：１０〜１５ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の低圧高温反応ガス組成調整条件で歪緩和層、
をそれぞれ表４に示される目標層厚の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層となるように上部層を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。
【００１９】
また、比較の目的で、硬質被覆層の上部層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の形成を、
反応ガス組成（容量％）で、
ＡｌＣｌ3  ２．２％、ＣＯ2  ５．０％、ＨＣｌ  ２．０％、Ｈ2Ｓ  ０．１５％、Ｈ2  残り、
反応雰囲気温度：１０２０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の通常条件で、表５に示される通りの目標層厚で形成する以外は、上記の本発明被覆工具１〜１３と同一の条件で従来被覆工具１〜１３をそれぞれ作製した。
【００２０】
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１３の硬質被覆層の上部層を構成する第１、第２単位層および歪緩和層と、従来被覆工具１〜１３の上部層を構成する蒸着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。
すなわち、上記傾斜角度数分布グラフは、上記の本発明被覆工具１〜１３の上部層の第１単位層、第２単位層および歪緩和層については、工具基体表面と平行な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、それぞれの前記研磨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、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、上記第１単位層、第２単位層および歪緩和層の各層について、０〜９０度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５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することにより作成した。
また、従来被覆工具１〜１３の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層についても、工具基体表面と平行な任意研磨面を同一の条件で観察し、同一の条件で傾斜角度数分布グラフを作成した。
【００２１】
この結果得られた各種の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、表４、５にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具１〜１３の上部層を構成する第１、第２単位層および歪緩和層は、いずれも（０００１）面の測定傾斜角の分布が、前記第１単位層では０〜２０度、第２単位層では７０〜９０度、歪緩和層では３０〜６０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れる傾斜角度数分布グラフを示した。これに対して、従来被覆工具１〜１３の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が、０〜９０度のいずれの範囲内でも不偏的で、最高ピークが存在しない傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
また表５には、上記の各種の蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、それぞれ０〜２０度、７０〜９０度および３０〜６０度の範囲内の傾斜角区分に存在する全傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体に占める割合を示した。
なお、図２は、本発明被覆工具１の上部層を構成する第１単位層の傾斜角度数分布グラフ、図３は同第２単位層の傾斜角度数分布グラフ、図４は歪緩和層の傾斜角度数分布グラフ、図５は従来被覆工具１の上部層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層のそれぞれ０〜９０度の傾斜角区分を示す傾斜角度数分布グラフである。
【００２２】
また、この結果得られた本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３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。
【００２３】
つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３からなる各種の被覆工具について、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−Ｓ４５Ｃ  、
切削速度：５００  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５  ｍｍ、
送り：    ０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式連続高速高送り切削試験（通常の切削速度および送りは２００ｍ／ｍｉｎ．および０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：  ＪＩＳ−ＳＮＣＭ４３９  、
切削速度：４５０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３．５  ｍｍ、
送り：    ０．４０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ６  分、
の条件（切削条件Ｂという）での合金鋼の乾式断続高速高切込み切削試験（通常の切削速度および切り込みは２００ｍ／ｍｉｎ．および１．５ｍｍ）、さらに、
被削材：  ＪＩＳ−ＦＣＤ４５０  、
切削速度：４００  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：４．０  ｍｍ、
送り：    ０．３５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ７  分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式連続高速高切り込み切削試験（通常の切削速度および切り込みは２００ｍ／ｍｉｎ．および１．５ｍｍ）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６に示した。
【００２４】
【表１】
2007061922.tif 000003
【００２５】
【表２】
2007061922.tif 000004
【００２６】
【表３】
2007061922.tif 000005
【００２７】
【表４】
2007061922.tif 000006
【００２８】
【表５】
2007061922.tif 000007
【００２９】
【表６】
2007061922.tif 000008
【００３０】
表６に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、いずれも硬質被覆層の上部層が第１単位層、第２単位層および歪緩和層の積層構造を有し、かつ前記第１、第２単位層および歪緩和層のそれぞれが、（０００１）面の傾斜角度数分布グラフで前記第１単位層では０〜２０度、第２単位層では７０〜９０度、歪緩和層では３０〜６０度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示し、また、第１単位層と第２単位層間には、（０００１）面の傾斜角度数分布グラフで３０〜６０度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示す歪緩和層が介在することにより、上部層の内部応力、内部歪が極めて小さく密着性にもすぐれ、品質が良好で健全な上部層を形成することができ、かつ、該上部層はすぐれた高温強度と高温硬さを具備するようになることから、硬質被覆層の上部層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の層厚を厚膜化した状態で、各種の鋼や鋳鉄の切削加工を、高速で、かつ高い機械的衝撃を伴う高速重切削条件で行っても、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示す。一方、従来被覆工具１〜１３は、硬質被覆層の上部層全体が、（０００１）面の測定傾斜角の分布が０〜９０度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在しない傾斜角度数分布グラフを示す蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の高温強度および高温硬さ不足が原因で、高速重切削条件では硬質被覆層にチッピングが発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００３１】
上述のように、この発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の層厚を厚膜化した状態で、各種鋼や鋳鉄などの通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、特に高速重切削加工でも硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示し、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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】硬質被覆層の上部層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の第１、第２単位層および歪緩和層における結晶粒の（０００１）面を測定する場合の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。
【図２】本発明被覆工具１の硬質被覆層の上部層を構成する第１単位層の（０００１）面の傾斜角度数分布グラフである。
【図３】本発明被覆工具１の硬質被覆層の上部層を構成する第２単位層の（０００１）面の傾斜角度数分布グラフである。
【図４】本発明被覆工具１の硬質被覆層の上部層を構成する歪緩和層の（０００１）面の傾斜角度数分布グラフである。
【図５】従来被覆工具１の硬質被覆層の上部層を構成する蒸着α型Ａｌ2Ｏ3層の（０００１）面の傾斜角度数分布グラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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