(57)【要約】【課題】高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する高速高送り切削条件において、耐チッピング性と耐摩耗性を同時に改善した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、下部層と上部層からなる硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、上部層は、第１Ａｌ２Ｏ３層と、Ｔｉ化合物層からなる分断層と、第２Ａｌ２Ｏ３層から構成し、前記第１Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒は、傾斜角度数分布グラフの３０〜４５度の範囲内の度数割合は５０％以上、７５〜９０度の範囲内の度数割合は３０％以下であり、また、前記第２Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒は、傾斜角度数分布グラフの３０〜４５度の範囲内の度数割合は３０％以下、７５〜９０度の範囲内の度数割合は５０％以上であり、さらに好ましくは、前記第２Ａｌ２Ｏ３層のＴＣ（００６）は１．８以上であり、かつ、該層の残留応力の絶対値は２００ＭＰａ以下である。【選択図】図１
2016165789.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）下部層として、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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）第１Ａｌ２Ｏ３層として、３．０〜１０μｍの平均層厚を有するＡｌ２Ｏ３層、
（ｃ）分断層として、０．５〜１．５μｍの平均層厚を有し、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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｄ）第２Ａｌ２Ｏ３層として、３．０〜１０μｍの平均層厚を有するＡｌ２Ｏ３層、
上記（ａ）〜（ｄ）からなる各層を、工具基体側から順に積層した硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ｅ）前記第１Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、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、その断面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、前記工具基体の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の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表わした場合、その傾斜角が３０〜４５度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の該傾斜角区分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５０％以上の割合を占め、また、その傾斜角が７５〜９０度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の該傾斜角区分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３０％以下を占め、
（ｆ）前記第２Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、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、その断面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、前記工具基体の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の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表わした場合、その傾斜角が３０〜４５度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の該傾斜角区分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３０％以下の割合を占め、また、その傾斜角が７５〜９０度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の該傾斜角区分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５０％以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記第２Ａｌ２Ｏ３層の（００６）面配向係数ＴＣ（００６）が１．８以上であり、かつ、該第２Ａｌ２Ｏ３層の残留応力の絶対値が２００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１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、鋼や鋳鉄等を、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する高速高送り条件で切削加工した場合に、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を備え、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）基超硬合金で構成された基体（以下、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被覆工具が知られており、このような硬質被覆層を被覆形成した被覆工具が、すぐれた耐摩耗性を示すことも知られている。
しかし、最近では切削加工の高速化・高能率化に伴い、被覆工具には、より一層すぐれた切削性能が求められており、これに応えるため、いくつかの提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、被覆工具の耐変形抵抗性、強靭性、耐摩耗性を高めるために、工具基体表面に、Ｔｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層を硬質被覆層として被覆形成した被覆工具において、Ａｌ２Ｏ３層の配向係数ＴＣについて、ＴＣ（００６）を２より大きくし、さらに、二番目に大きい配向係数ＴＣ（１０４）を２＞ＴＣ（１０４）＞０．５の関係を満足するように硬質被覆層の配向性を制御した被覆工具が提案されており、この被覆工具によれば、耐摩耗性が改善されることが記載されている。
しかし、この被覆工具においては、被膜の耐摩耗性は高まるものの、耐チッピング性、耐欠損性が劣るという問題点があった。
【０００４】
また、特許文献２には、工具基体の表面に、Ｔｉ化合物層からなる下部層とＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を硬質被覆層として蒸着形成した表面被覆切削工具において、上記Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、（００６）面配向係数ＴＣ（００６）が１．８以上であり、かつ、（１０４）面と（１１０）面のそれぞれのピーク強度Ｉ（１０４），Ｉ（１１０）の比Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）を０．５〜２．０とし、さらに、Ａｌ２Ｏ３層内の残留応力値の絶対値を１００ＭＰａ以下とした被覆工具が提案され、この被覆工具によれば、高速切削加工における耐チッピング性と耐摩耗性が改善されることが記載されている。
しかし、この被覆工具においては、刃先にかかる負荷が大きな高速高送り切削条件においては、耐チッピング性と耐摩耗性が十分であるとはいえなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２８８９４号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３２７１７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・高能率化の傾向にある。
上記の従来被覆工具は、上部層のＡｌ２Ｏ３層の配向係数ＴＣを調整することにより、被覆工具の耐チッピング性、耐摩耗性の向上を図るものであるが、耐チッピング性と耐摩耗性という双方の特性を同時に改善することは難しく、切削条件等によって、チッピングの発生、耐摩耗性の低下等により、比較的短時間で使用寿命に至るというのが現状である。
【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、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する鋼や鋳鉄等の高速高送り切削条件において、被覆工具の硬質被覆層の耐チッピング性と耐摩耗性を同時に改善すべく、硬質被覆層の上部層であるＡｌ２Ｏ３層の配向性に着目して、鋭意研究を行ったところ、本発明者らは、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層について、これをＴｉ化合物からなる分断層で、層厚方向に上部層をほぼ２分し、基体側には、第１上部層として耐摩耗性にすぐれるＡｌ２Ｏ３層を、一方、表面側には、第２上部層とし耐チッピング性にすぐれるＡｌ２Ｏ３層を形成することによって、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する鋼や鋳鉄等の高速高送り切削条件において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性が発揮されることを見出したのである。
即ち、第１上部層は（００６）配向かつ（１０４）強配向として耐摩耗性をもたせ、また、分断層を介して第２上部層を形成することによって、第１上部層の配向履歴を遮断したうえで、第２上部層は、（００６）配向かつ（１１０）強配向としてブラストによる応力緩和効果を有効にすることによって、耐摩耗性と耐チッピング性の双方に優れた被覆工具を提供できることを見出したのである。
【０００８】
この発明は、上記の知見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、
（ａ）下部層として、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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）第１Ａｌ２Ｏ３層として、３．０〜１０μｍの平均層厚を有するＡｌ２Ｏ３層、
（ｃ）分断層として、０．５〜１．５μｍの平均層厚を有し、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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｄ）第２Ａｌ２Ｏ３層として、３．０〜１０μｍの平均層厚を有するＡｌ２Ｏ３層、
上記（ａ）〜（ｄ）からなる各層を、工具基体側から順に積層した硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ｅ）前記第１Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、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、その断面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、前記工具基体の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の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表わした場合、その傾斜角が３０〜４５度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の該傾斜角区分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５０％以上の割合を占め、また、その傾斜角が７５〜９０度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の該傾斜角区分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３０％以下を占め、
（ｆ）前記第２Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、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、その断面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、前記工具基体の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の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表わした場合、その傾斜角が３０〜４５度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の該傾斜角区分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３０％以下の割合を占め、また、その傾斜角が７５〜９０度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の該傾斜角区分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５０％以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）  前記第２Ａｌ２Ｏ３層の（００６）面配向係数ＴＣ（００６）が１．８以上であり、かつ、該第２Ａｌ２Ｏ３層の残留応力の絶対値が２００ＭＰａ以下であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【０００９】
以下に、本発明の被覆工具について詳細に説明する。
【００１０】
図１に概略縦断面図を示すように、本発明の被覆工具は、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、下部層として、Ｔｉ化合物層を被覆し、その上に第１Ａｌ２Ｏ３層を被覆し、その上にＴｉ化合物層からなる分断層を被覆し、さらにその上に第２Ａｌ２Ｏ３層が被覆形成されている。
【００１１】
Ｔｉ化合物層（下部層）：
Ｔｉ化合物層（例えば、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層）は、基本的にはα型の結晶構造を有する第１Ａｌ２Ｏ３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なるほか、工具基体、第１Ａｌ２Ｏ３層のいずれにも密着し、硬質被覆層の工具基体に対する密着性を維持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２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴う高速断続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、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
【００１２】
第１Ａｌ２Ｏ３層：
工具基体表面の直上に、第１Ａｌ２Ｏ３層を以下の条件、即ち、まず、通常の化学蒸着装置を使用して、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層を蒸着形成した後、
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３  ３〜１０％、ＣＯ２  ０．５〜３％、ＨＣｌ  ０．３〜３％、ＳＦ６  ０．０１〜０．２％、Ｃ２Ｈ４  ０．０１〜０．３％、残部Ｈ２、
反応雰囲気温度：９５０〜１０５０  ℃、
反応雰囲気圧力：２０〜３０  ｋＰａ、
時間：（目標とする層厚になるまで）
という条件で蒸着することにより、（００６）配向しかつ（１０４）強配向する第１Ａｌ２Ｏ３層を形成することができる。
【００１３】
上記第１Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、工具基体の表面の法線に対して、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、前記測定傾斜角のうちの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表わし、その傾斜角が３０〜４５度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数の合計を求めた場合、第１Ａｌ２Ｏ３層全体のＡｌ２Ｏ３結晶粒の全度数に対して５０％以上の割合を占め、また、その傾斜角が７５〜９０度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３０％以下の割合を占める所定の傾斜角度数分布が形成される。
上記傾斜角度数分布を有するＡｌ２Ｏ３結晶粒の、傾斜角が３０〜４５度の区分内の度数割合あるいは傾斜角が７５〜９０度の区分内の度数割合は、上記蒸着条件のうちの、特に、反応雰囲気温度およびＣＯ２、ＳＦ６ガス比によって影響される。
そして、上記傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角が３０〜４５度の区分内の度数割合が度数全体の５０％未満、または傾斜角が７５〜９０度の区分内の度数割合が度数全体の３０％を超えると、Ａｌ２Ｏ３結晶の高温硬さが低下し、所望の切削性能を得られないことから、傾斜角が３０〜４５度の区分内の度数割合は度数全体の５０％以上（好ましくは、６５％〜８０％）、傾斜角が７５〜９０度の区分内の度数割合は度数全体の３０％以下（好ましくは、５％〜２０％）であることが必要である。
【００１４】
上記傾斜角度数分布を有するＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数の合計は、第１Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、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て、その断面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、工具基体の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、その傾斜角が３０〜４５度である結晶粒の度数の合計、また、その傾斜角が７５〜９０度である結晶粒の度数の合計として求められる。
図２に、第１Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒の傾斜角度数分布グラフの一例を示す。
なお、第１Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚が３．０μｍ未満であると、所望の耐摩耗性を長期にわたって発揮することができず、一方、平均層厚が１０μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなることから、第１Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚は３．０〜１０μｍとする。
【００１５】
分断層：
第１Ａｌ２Ｏ３層の表面に形成される分断層は、第１Ａｌ２Ｏ３層と第２Ａｌ２Ｏ３層との結晶面配向性を分断し、第１Ａｌ２Ｏ３層と第２Ａｌ２Ｏ３層の結晶面配向性をそれぞれ独立して制御するために形成される。
分断層としては、下部層のＴｉ化合物層と同様のＴｉ化合物層を形成することができ、具体的には、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなる。
ただし、上記Ｔｉ化合物からなる分断層の平均層厚が、０．５μｍ未満の場合には、第１Ａｌ２Ｏ３層と第２Ａｌ２Ｏ３層の結晶面配向性をそれぞれ独立して制御することができず、一方、分断層の層厚が１．５μｍを超えると、切削加工時の高負荷が作用したとき、分断層において剥離等が発生する恐れがあることから、分断層の平均層厚は、０．５〜１．５μｍと定めた。
分断層は、例えば、ＴｉＣｌ４を１〜１０（容量％）、Ｎ２を１０〜４０（容量％）、残部Ｈ２からなり、９００〜１１００℃、２０〜５０ｋＰａの反応ガス中で処理することにより形成することができる。
【００１６】
第２Ａｌ２Ｏ３層：
この発明では、分断層の表面に、例えば、以下のような成膜を行うことによって、所定の傾斜角度数分布を有する第２Ａｌ２Ｏ３層を蒸着することができる。
反応ガス組成（容量％）：ＡｌＣｌ３  ０．５〜２％、ＣＯ２  ０．１〜１．５％、ＨＣｌ  ３〜５％、Ｈ２Ｓ  ０．０２〜０．４％、Ａｒ  ５〜１２％、残部Ｈ２、
反応雰囲気温度：９５０〜１０５０  ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１３  ｋＰａ、
時間：（目標とする層厚になるまで）
という条件で蒸着することにより、（００６）配向かつ（１１０）強配向を有する第２Ａｌ２Ｏ３層を形成することができる。
【００１７】
上記第２Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、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て、その断面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することにより、工具基体の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の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表わした場合、その傾斜角が３０〜４５度の範囲内にある結晶粒の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表わし、その傾斜角が３０〜４５度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数の合計を求めた場合、第２Ａｌ２Ｏ３層全体のＡｌ２Ｏ３結晶粒の全度数に対して３０％以下の割合を占め、また、その傾斜角が７５〜９０度の範囲内にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数の合計は、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の５０％以上の割合を占める所定の傾斜角度数分布が形成される。
【００１８】
上記傾斜角度数分布を有するＡｌ２Ｏ３結晶粒の、傾斜角が３０〜４５度の区分内の度数割合あるいは傾斜角が７５〜９０度の区分内の度数割合は、上記蒸着条件のうちの、特に、
反応雰囲気温度およびＣＯ２、Ｈ２Ｓガス比によって影響される。
そして、上記傾斜角度数分布グラフにおいて、傾斜角が３０〜４５度の区分内の度数割合が度数全体の３０％を超える、または傾斜角が７５〜９０度の区分内の度数割合が度数全体の５０％未満であると、ブラスト処理を施した場合のＡｌ２Ｏ３層の応力緩和効果が十分に現れないことから、傾斜角が３０〜４５度の区分内の度数割合は度数全体の３０％以下（好ましくは、５％〜２０％）、傾斜角が７５〜９０度の区分内の度数割合は度数全体の５０％以上（好ましくは、６５％〜８０％）であることが必要である。
図３に、第２Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について測定した傾斜角度数分布グラフの一例を示す。
なお、第２Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚が、３．０μｍ未満であると第２Ａｌ２Ｏ３層の耐チッピング性、耐衝撃性が十分でなく、一方、１０μｍを越えると、ブラスト処理を施した場合の応力緩和が不十分となることから、第２Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚は３．０〜１０μｍと定めた。
【００１９】
本発明では、上部層を、前記第１Ａｌ２Ｏ３層、分断層及び第２Ａｌ２Ｏ３層で構成するが、上部層内の残留応力の低減を図ることによって、さらに、耐チッピング性を高めることができる。
具体的には、まず、上部層の第２Ａｌ２Ｏ３層について、ＴＣ（００６）を高めると同時に、該第２Ａｌ２Ｏ３層に対して、例えば、ウエットブラスト処理を施して層内残留応力を除去すると、第２Ａｌ２Ｏ３層のＴＣ（００６）が１．８以上と高い場合であっても、Ｉ（１０４）／Ｉ（１１０）が０．５〜２．０であるために、該第２Ａｌ２Ｏ３層の残留応力値は、絶対値で２００ＭＰａ以下にまで低減することができる。
その結果、この発明の上部層は、高硬度を有し耐摩耗性に優れると同時に、層内の残留応力値が小さく、耐チッピング性が更に向上する。
【００２０】
ここで、具体的なウエットブラスト処理条件としては、例えば、噴射研磨材として、水との合量に占める割合で、１５〜６０質量％のＡｌ２Ｏ３微粒を配合した研磨液を、０．０５〜０．３０ＭＰａのブラスト圧力で工具表面全域に噴射するものである。
本発明の第２Ａｌ２Ｏ３層は、ＴＣ（００６）が１．８以上と高いにもかかわらず、残留応力の緩和が効果的に行われ、残留応力値の絶対値を２００ＭＰａ以下にまで低減することができる。
【００２１】
また、本発明でいう（００６）面配向係数ＴＣ（００６）とは、第２Ａｌ２Ｏ３層についてＸ線回折を行った際の（ｈｋｌ）面から得られるＸ線回折のピーク強度値をＩ（ｈｋｌ）、ＪＣＰＤＳカードＮｏ．４６−１２１２記載の（ｈｋｌ）面の標準回折強度をＩ０（ｈｋｌ）とした場合、
2016165789.tif 000003
であるとして定義される。ここで、（ｈｋｌ）は（０１２）、（１０４）、（１１０）、（００６）、（１１３）、（２０２）、（０２４）、（１１６）の８面である。
【発明の効果】
【００２２】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層が、第１Ａｌ２Ｏ３層と分断層と第２Ａｌ２Ｏ３層で構成され、かつ、第１Ａｌ２Ｏ３層は、傾斜角度数分布グラフにおいて、３０〜４５度の傾斜角区分にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数割合は全度数の５０％以上、また、７５〜９０度の傾斜角区分にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数割合は全度数の３０％以下（即ち、（００６）配向かつ（１０４）強配向するＡｌ２Ｏ３層）であり、一方、第２Ａｌ２Ｏ３層は、傾斜角度数分布グラフにおいて、３０〜４５度の傾斜角区分にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数割合は全度数の３０％以下、また、７５〜９０度の傾斜角区分にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数割合は全度数の５０％以上（即ち、（００６）配向かつ（１１０）強配向するＡｌ２Ｏ３層）であることから、第１Ａｌ２Ｏ３層の備える耐摩耗性と、第２Ａｌ２Ｏ３層の備える耐チッピング性とが相俟って、上部層全体として、また、硬質被覆層全体として、高熱発生を伴い、刃先に高負荷が作用する鋼や鋳鉄等の高速高送り切削条件において、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明被覆工具の概略縦断面図を示す。
【図２】本発明被覆工具の第１Ａｌ２Ｏ３層について作成したＡｌ２Ｏ３結晶粒の傾斜角度数分布グラフの一例を表し、３０〜４５度の傾斜角区分にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数割合は全度数の５０％以上、また、７５〜９０度の傾斜角区分にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数割合は全度数の３０％以下であることを示す。
【図３】本発明被覆工具の第２Ａｌ２Ｏ３層について作成したＡｌ２Ｏ３結晶粒の傾斜角度数分布グラフの一例を表し、３０〜４５度の傾斜角区分にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数割合は全度数の３０％以下、また、７５〜９０度の傾斜角区分にあるＡｌ２Ｏ３結晶粒の度数割合は全度数の５０％以上であることを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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】
【００２５】
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、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〜Ｃをそれぞれ製造した。
【００２６】
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、切刃部分に幅：０．１ｍｍ、角度：２０度のチャンファーホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８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〜ｃを形成した。
【００２７】
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、
（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８，９に示される目標層厚のＴｉ化合物層を蒸着形成した。
（ｂ）ついで、表４に示される条件にて、第１Ａｌ２Ｏ３層を目標層厚になるように成膜し、
（ｃ）ついで、表５に示される条件で、上記第１Ａｌ２Ｏ３層の表面に分断層を目標層厚になるように成膜し、
（ｄ）ついで、上記分断層の表面に、表６に示される条件で、第２Ａｌ２Ｏ３層を目標層厚になるように成膜ことにより、
表８、表９に示す本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００２８】
また、比較の目的で、上記本発明被覆工具１〜１３の上記工程（ｂ），（ｃ），（ｄ）の少なくとも一工程を行わずに、あるいは、本発明から外れる条件（表４、５、６で、それぞれ本発明外として示す）で行うことにより、表１０、表１１に示す比較被覆工具１〜１３を製造した。
【００２９】
ついで、本発明被覆工具の第１Ａｌ２Ｏ３層および比較被覆工具の第１Ａｌ２Ｏ３層（便宜上、本発明の第１Ａｌ２Ｏ３層に対応する比較例被覆工具のＡｌ２Ｏ３層を「第１Ａｌ２Ｏ３層」という）におけるＡｌ２Ｏ３結晶粒について、結晶粒の（０００１）面の法線がなす傾斜角度数分布割合を、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て測定した。
すなわち、上記の本発明被覆工具１〜１３、比較被覆工具１〜１３の下部層と第１Ａｌ２Ｏ３層との界面から第１Ａｌ２Ｏ３層の層厚方向へ０．３μｍ、また、工具基体表面と平行方向に５０μｍの断面研磨面の測定範囲（０．３μｍ×５０μｍ）を、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て、下部層と第１Ａｌ２Ｏ３層との界面から第１Ａｌ２Ｏ３層の層厚方向へ１μｍ以内のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、０．３×５０μｍの測定領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記工具基体の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０〜９０度の範囲にわたって、０．２５度ピッチ毎に区分して測定し、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表し、この測定結果に基づいて、前記傾斜角区分が３０〜４５度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、また、前記傾斜角区分が７５〜９０度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、ついで、傾斜角度数分布グラフ全体に占める度数割合を求めた。
表８〜表１１にこれらの値を示す。
また、図２に、本発明被覆工具１の第１Ａｌ２Ｏ３層について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
【００３０】
さらに、本発明被覆工具１〜１３の第２Ａｌ２Ｏ３層および比較被覆工具１〜１３の第２Ａｌ２Ｏ３層（便宜上、本発明の第２Ａｌ２Ｏ３層に対応する比較例被覆工具のＡｌ２Ｏ３層を「第２Ａｌ２Ｏ３層」という）におけるＡｌ２Ｏ３結晶粒について、結晶粒の（０００１）面の法線がなす傾斜角度数分布グラフを、前記と同様にして測定して作成し、傾斜角区分が３０〜４５度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、また、前記傾斜角区分が７５〜９０度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、ついで、傾斜角度数分布グラフ全体に占める度数割合を求めた。
表８〜表１１にこれらの値を示す。
また、図３に、本発明被覆工具１の第２Ａｌ２Ｏ３層について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
【００３１】
また、本発明被覆工具１〜１３、比較被覆工具１〜１３の硬質被覆層の各構成層の厚さを、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。
【００３２】
また、上記本発明被覆工具１〜１３の第２Ａｌ２Ｏ３層および比較被覆工具１〜１３の第２Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、Ｘ線回折を行い、（０１２），（１０４），（１１０），（００６），（１１３），（２０２），（０２４），（１１６）の各面からのＸ線回折ピーク強度を測定することにより、ＴＣ（００６）を求めた。
表９、表１１にこれらの値を示す。
【００３３】
ついで、上記本発明被覆工具１〜１３、比較被覆工具１〜１３の第２Ａｌ２Ｏ３層の表面に、表７に示す条件でブラスト処理を施した。
ブラスト処理を施した後の第２Ａｌ２Ｏ３層について、ｓｉｎ２Ψ法を用い、Ｘ線回折装置によって残留応力の値を測定した。
測定にはα−Ａｌ２Ｏ３の（１３_１０）面の回折ピークを用い、ヤング率として３８４ＧＰａ、ポアソン比として０．２３２を使用して計算を実施した。
表９、表１１にこれらの値を示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
【表２】
2016165789.tif 000005
【００３６】
【表３】
2016165789.tif 000006
【００３７】
【表４】
2016165789.tif 000007
【００３８】
【表５】
2016165789.tif 000008
【００３９】
【表６】
2016165789.tif 000009
【００４０】
【表７】
2016165789.tif 000010
【００４１】
【表８】
2016165789.tif 000011
【００４２】
【表９】
2016165789.tif 000012
【００４３】
【表１０】
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【００４４】
【表１１】
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【００４５】
つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１３、比較被覆工具１〜１３の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の長さ方向等間隔４本溝入り丸棒、
切削速度：４３０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０  ｍｍ、
送り：０．４５  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の湿式高速高送り断続切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３００ｍ／ｍｉｎ、０．２  ｍｍ／ｒｅｖ）、
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：４００  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０  ｍｍ、
送り：０．４５  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件（切削条件Ｂという）での鋳鉄の湿式高速高送り断続切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、０．２  ｍｍ／ｒｅｖ）、
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するとともに、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷の有無を観察した。
表１２、表１３に、測定結果及び観察結果を示した。
【００４６】
【表１２】
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【００４７】
【表１３】
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【００４８】
表８〜１３に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、第１Ａｌ２Ｏ３層と分断層と第２Ａｌ２Ｏ３層からなる硬質被覆層の上部層を備え、かつ、第１Ａｌ２Ｏ３層は、（００６）配向かつ（１０４）強配向を有するすぐれた耐摩耗性を備えるＡｌ２Ｏ３層、また、第２Ａｌ２Ｏ３層は、（００６）配向かつ（１１０）強配向を有するすぐれた耐チッピング性を備えるＡｌ２Ｏ３層が形成されていることから、鋼や鋳鉄などの切削加工を高速で、かつ切れ刃に対して高負荷が作用する高速高切り込み切削条件で行っても、すぐれた耐チッピング性を示すと同時に、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
また、本発明被覆工具の第２Ａｌ２Ｏ３層が、ＴＣ（００６）の値が１．８以上であって、しかも、残留応力の絶対値が２００ＭＰａの場合には、耐チッピング性が更に向上する。
【００４９】
これに対して、比較被覆工具１〜１３では、高速高切り込み切削加工においては、硬質被覆層のチッピング等の異常損傷の発生により、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】
【００５０】
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通常の条件での連続切削や断続切削は勿論のこと、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高速高送り切削という厳しい切削条件下でも、硬質被覆層のチッピング等の異常損傷が発生することはなく、長期の使用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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