(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、４〜２０μｍの合計平均層厚を有する硬質被覆層として、少なくとも、Ｔｉ化合物層とＴｉとＣｒの炭窒化物層とを蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）Ｔｉ化合物層は、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、
（ｂ）上記Ｔｉ化合物層のうちの少なくとも１層は、２〜１０μｍの平均層厚を有し、かつ、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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５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において、０〜１０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０〜１０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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すＴｉの炭窒化物層であり、
（ｃ）上記ＴｉとＣｒの炭窒化物層は、２〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＣｒＸ）ＣＮで表した場合、原子比で、Ｘ：０．１２〜０．２を満足するＴｉとＣｒの炭窒化物層であり、
さらに、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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５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において、０〜１０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０〜１０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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すＴｉとＣｒの炭窒化物層である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記４〜２０μｍの合計平均層厚を有する硬質被覆層の表面に、さらに、１〜１５μｍの平均層厚の酸化アルミニウム層を蒸着形成したことを特徴とする、請求項１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、大きな発熱を伴うとともに、切刃部に大きな衝撃的・機械的負荷がかかる鋼や鋳鉄などの高速断続切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と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】
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）化学蒸着で形成された、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化合物層からなる下部層、
（ｂ）化学蒸着で形成された１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）層からなる上部層、
以上（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層を備える被覆工具において、
上記（ａ）のＴｉ化合物層のうちの１層を、２．５〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５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において、０〜１０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０〜１０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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示す縦長成長結晶組織を有するＴｉＣＮ（以下、従来ＴｉＣＮで示す）層、
で構成した被覆工具（以下、従来被覆工具という）が知られており、そしてこの従来被覆工具が、鋼や鋳鉄の高速断続切削加工ですぐれた耐チッピング性を示すことが知られている。
【０００３】
また、工具基体の表面に、
（ａ）化学蒸着で形成された、粒状結晶組織を有するＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層のうちの１層以上と、縦長成長結晶組織を有するＴｉＣＮ（以下、ｌ−ＴｉＣＮで示す）層からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）化学蒸着で形成された１〜１５μｍの平均層厚を有するＡｌ2Ｏ3層からなる上部層、
以上（ａ）、（ｂ）で構成された硬質被覆層を備える被覆工具において、
上記ｌ−ＴｉＣＮ層に隣接して、ｌ−ＴｉＣＮ層のＴｉの一部を１０原子％以下のＣｒで置換した層（以下、従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層で示す）を１〜１０μｍの平均層厚で介在させることによって、鋼や鋳鉄の高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を示すことが知られている。
【特許文献１】特開２００６−１５４２６号公報
【特許文献２】特開平１０−２４４４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工における省力化および省エネ化、さらに、高効率化、低コスト化の要請は強く、耐チッピング性と耐摩耗性の両特性を備えた被覆工具が望まれているところ、上記の従来被覆工具においては、下部層として所定の高温強度を有する従来ＴｉＣＮ層が、また、上部層としてすぐれた高温硬さを有するＡｌ2Ｏ3層が設けられていることから、これを鋼や鋳鉄などの高速断続切削に用いた場合に、チッピングの発生については特に問題は生じなかったが、従来ＴｉＣＮ層の耐熱性が十分でないため、熱塑性変形、偏摩耗を発生しやすく、耐摩耗性については満足できる特性を備えているとはいえなかった。
そこで、上記従来被覆工具の耐摩耗性を改善するために、硬質被覆層の構成層として、耐摩耗性にすぐれた前記従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層をさらに設けることが考えられるが、従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層は、切刃部に大きな衝撃的・機械的負荷がかかり、さらに、高熱発生を伴う高速断続切削加工では、耐熱性が依然として不十分であるため、熱塑性変形による偏摩耗発生を防止することはできず、その結果、従来ＴｉＣＮ層と従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層を設けた被覆工具では、耐チッピング性と耐摩耗性の両特性を向上させることは非常に困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来被覆工具の硬質被覆層の耐チッピング性とともに耐摩耗性の向上を図るべく、硬質被覆層の構成層について研究を行った結果、以下の知見を得た。
【０００６】
（ａ）従来被覆工具の硬質被覆層の下部層を構成するＴｉ化合物層のうちの前記従来ＴｉＣＮ層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９２０℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件で蒸着を行うとともに、上記の反応ガスを構成するＣＨ３ＣＮの成膜開始時点と成膜終了時点の含有割合を上記の含有範囲内で、層厚に応じて調整し、さらに、相対的に含有割合を低くした前記成膜開始時点から相対的に含有割合を高くした前記成膜終了時点に向けて、ＣＨ３ＣＮの含有割合を連続的または断続的に漸増させた条件でＴｉＣＮ層を蒸着することによって形成できること。
【０００７】
（ｂ）そして、前記従来ＴｉＣＮ層は、図１（ａ），（ｂ）に概略説明図で示されるように、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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５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において、０〜１０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０〜１０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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すこと（図３参照）。
【０００８】
（ｃ）さらに、上記従来ＴｉＣＮ層の形成に際して、上記反応ガスにおけるＣＨ３ＣＮの含有量を０．５〜３％とし、かつ、前記含有範囲内で、層厚に対応させて成膜開始時点と成膜終了時点のＣＨ３ＣＮの含有量を調整すると共に、前記成膜開始時点から成膜終了時点に向けてＣＨ３ＣＮの含有量を漸次増加する（即ち、層厚の薄いほど成膜開始時点と成膜終了時点のＣＨ３ＣＮの含有量を前記０．５〜３％の範囲内で低い側に定め、層厚が中間では成膜開始時点と成膜終了時点のＣＨ３ＣＮの含有量を前記範囲内の中間の含有量とし、さらに層厚が厚くなるほど、前記ＣＨ３ＣＮの含有範囲の高い側に定める）と共に、その含有幅（即ち、（成膜終了時点のＣＨ３ＣＮ含有量）−（成膜開始時点のＣＨ３ＣＮ含有量）の値）を１±０．１５％とするのが望ましく、この含有幅が０．８５％未満では、前記０〜１０度の範囲内に存在する最高ピークの度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％未満となってしまい、ＴｉＣＮ層に所望のすぐれた高温強度を確保することができず、また、前記含有幅が１．１５％を越えた場合には、最高ピークが現れる傾斜角区分が０〜１０度の範囲から外れてしまい、ＴｉＣＮ層に所望のすぐれた高温強度を確保することができないこと。
【０００９】
（ｄ）一方、前記の従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ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、ＴｉＣｌ４：３〜１０％、ＣｒＦ５：０．１〜０．４％、ＣＨ３ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ2：２０〜４０％、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）で蒸着形成されるが、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：１〜５％、ＣｒＣｌ３：０．７〜２．５％、ＣＨ３ＣＮ：３〜６％、Ｎ2：２０〜４０％、ＨＣｌ：０．５〜２％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：５〜２０ｋＰａ、
の条件、すなわち上記の通常条件に比して、反応ガス成分の一つであるＣｒＦ５にかえて、少量のＣｒＣｌ３およびＨＣｌを加え、さらに、ＴｉＣｌ４およびＣＨ３ＣＮの含有割合を多くした条件で蒸着形成して、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＣｒＸ）ＣＮ（ただし、原子比で、Ｘ：０．１２〜０．２０）、
を満足する（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層を形成すると、この結果の（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層（以下、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層という）は、上記の従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層と同様の結晶構造、すなわち格子点にＴｉ、Ｃｒ、炭素（Ｃ）、および窒素（Ｎ）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するが、前記従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層に比して一段とすぐれた耐熱性を有すること。
【００１０】
（ｅ）そして、上記従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層と上記改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５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した場合、前記従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層は、図５に例示される通り、｛１１１｝面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、前記改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層は、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、そしてこのような場合に、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層にはクーリングクラックが均一に分散し、これによって、Ｃｒ含有量を増加したことによる改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の高温強度の低下を抑制することができ、しかも、このシャープな最高ピークは、グラフ横軸の傾斜角区分に現れる高さおよび傾斜角区分位置が前記改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層におけるＣｒの含有割合を調整することにより変化すること。
【００１１】
（ｆ）上記の通り、上記改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の形成に際して、層中のＣｒ含有割合を、Ｔｉとの合量に占める割合（原子比）で０．１２〜０．２０とすることによって、前記改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の傾斜角度数分布グラフで、シャープな最高ピークが傾斜角区分の０〜１０度の範囲内に現れ、かつ、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数割合が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上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のであり、したがって、前記改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ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、傾斜角度数分布グラフにおけるシャープな最高ピークが傾斜角区分の０〜１０度の範囲から外れ、かつ、前記０〜１０度の範囲内に存在する度数数割合も４５％未満になってしまい、この場合は一段の耐熱性向上効果を期待できないばかりか、Ｃｒ含有割合を増加したことによる高温強度の低下をクーリングクラックの均一分散によって抑制することはできないこと。
つまり、上記改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層のＣｒ成分は、Ｔｉとの合量に占める割合（原子比）で０．１２（１２原子％）以上で所望の耐熱性向上効果が現れるが、その含有割合が０．２０（２０原子％）を越えると、高熱発生を伴う高速断続切削加工では、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層は急激に軟化し、熱塑性変形、偏摩耗を生じやすくなることから、その含有割合は、Ｔｉとの合量に占める割合（原子比）で０．１２〜０．２０とする必要がある。
【００１２】
（ｇ）そこで、切削工具基体の表面に、硬質被覆層として、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化合物層と、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層とを設け、そして、Ｔｉ化合物層のうちの少なくとも1層は前記従来ＴｉＣＮ層とすることによって、硬質被覆層全体としての高温強度を高めると同時に耐摩耗性を大幅に改善することができるので、上記硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具は、高い発熱を伴うとともに、大きな機械的・衝撃的負荷がかかる高速断続切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐チッピング性を示すとともに、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになる。
【００１３】
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）ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、４〜２０μｍの合計平均層厚を有する硬質被覆層として、少なくとも、Ｔｉ化合物層とＴｉとＣｒの炭窒化物層とを蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）Ｔｉ化合物層は、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層、およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなり、
（ｂ）上記Ｔｉ化合物層のうちの少なくとも１層は、２〜１０μｍの平均層厚を有し、かつ、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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１２｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５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において、０〜１０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０〜１０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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すＴｉの炭窒化物層（従来ＴｉＣＮ層）であり、
（ｃ）上記ＴｉとＣｒの炭窒化物層は、２〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＣｒＸ）ＣＮで表した場合、原子比で、Ｘ：０．１２〜０．２を満足するＴｉとＣｒの炭窒化物層であり、
さらに、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立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５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において、０〜１０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０〜１０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４５％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すＴｉとＣｒの炭窒化物層（改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層）である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具（被覆工具）。
（２）前記４〜２０μｍの合計平均層厚を有する硬質被覆層の表面に、さらに、１〜１５μｍの平均層厚のＡｌ2Ｏ3層を蒸着形成したことを特徴とする、請求項１記載の表面被覆切削工具（被覆工具）。」
に特徴を有するものである。
【００１４】
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、上記の通りに数値限定した理由を以下に説明する。
【００１５】
（ａ）Ｔｉ化合物層
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（なお、このうちの従来ＴｉＣＮ層については、後記（ｂ）参照）は、それ自体が所定の高温強度を有し、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、工具基体と従来ＴｉＣＮ層あるいは改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層のいずれとも強固に密着し、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４μｍ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、高速断続切削加工で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、Ｔｉ化合物層の合計平均層厚を４〜２０μｍと定めた。
【００１６】
（ｂ）従来ＴｉＣＮ層
Ｔｉ化合物層のうちの従来ＴｉＣＮ層は、既に述べたとおり、例えば、反応ガスの構成成分であるＣＨ３ＣＮの含有割合を０．５〜３％とすると共に、成膜開始時点から成膜終了時点に向けてＣＨ３ＣＮの含有量を漸次増加することにより、｛１１２｝面の法線がなす傾斜角の度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０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０〜１０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４５％以上の割合を占め、かつ、縦長成長結晶組織を有し、すぐれた高温強度を具備する従来ＴｉＣＮ層を蒸着形成することができるが、その平均層厚が２μｍ未満では所望のすぐれた高温強度向上効果を発揮することができず、一方その平均層厚が１０μｍを越えると、偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し易くなり、摩耗が加速するようになることから、その平均層厚を２〜１０μｍと定めた。
【００１７】
（ｃ）改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層
組成式：（Ｔｉ１−ＸＣｒＸ）ＣＮで表される改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層については、層中のＣｒ含有割合（Ｘ値）をＴｉとの合量に占める原子比で、０．１２〜０．２とすることによって、縦長成長結晶組織を有し、かつ、｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を集計してなる傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０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０〜１０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４５％以上の割合を占める改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層を形成することができるが、この改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層は、すぐれた耐熱性を備え、さらに、クーリングクラックが均一に分散して存在し、Ｃｒ含有量を増加したことによる層の高温強度の低下を防止できることから、すぐれた高温強度を発揮し、耐チッピング性ばかりか耐摩耗性の大幅な向上が図られる。
したがって、その含有割合が０．１２未満でも、０．２を越えても、高温強度と耐熱性の向上効果を期待することができなくなるため、高熱発生を伴い、かつ、断続的な繰り返しの衝撃的負荷がかかる高速断続切削加工においては、熱塑性変形、偏摩耗の発生等によって耐チッピング性、耐摩耗性がともに劣ったものとなる。
そして、従来ＴｉＣＮの場合と同様に、その平均層厚が２μｍ未満ではすぐれた高温強度、耐熱性向上効果を期待することはできず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると、偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生し易くなり、摩耗が加速するようになることから、その平均層厚を２〜１５μｍと定めた。
【００１８】
また、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層におけるＴｉ、Ｃｒ以外の構成成分であるＣとＮについて言えば、Ｃ成分には層の硬さを向上させ、また、Ｎ成分には高温強度を向上させる作用があり、これら両成分を共存含有することにより高い硬さとすぐれた強度を具備する炭窒化物層となるのであり、したがって、層中のＮ成分の含有割合がＣ成分との合量に占める割合（＝Ｎ／（Ｃ＋Ｎ））で０．３５未満（但し、原子比）では所望の強度を確保することができず、一方、その含有割合が０．５５を越えると、相対的にＣ成分の含有割合が少なくなり過ぎて、所望の高硬度が得られなくなることから、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層におけるＣ成分との合量に対するＮ成分の含有割合（＝Ｎ／（Ｃ＋Ｎ））は、原子比で０．３５〜０．５５とすることが望ましい。
【００１９】
なお、本発明は、硬質被覆層を、少なくとも、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（但し、このうちの少なくとも1層は前記従来ＴｉＣＮ層である）と、前記改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層とで構成することが必要であるが、従来ＴｉＣＮ層と改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層とを相隣接して設けることは必ずしも必要でなく、また、従来ＴｉＣＮ層、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層を硬質被覆層のうちの第何層として設けるかについても特に制限するものではなく、その設けた位置によって硬質被覆層全体としての作用効果に大きな変化が生じるものではない。
【００２０】
（ｄ）Ａｌ2Ｏ3層
被覆工具の耐摩耗性改善を図るため、硬質被覆層の表面構成層としてＡｌ2Ｏ3層を設けることは従来から良く知られているが、本発明においても、Ｔｉ化合物層あるいは改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の表面にＡｌ2Ｏ3層をさらに蒸着形成することにより、硬質被覆層の表面をＡｌ2Ｏ3層で構成することができ、これによって、本発明の被覆工具の耐摩耗性のより一層の改善を図ることができる。
また、Ａｌ2Ｏ3層としては、α型Ａｌ2Ｏ3層、κ型Ａｌ2Ｏ3層等種々の結晶構造のＡｌ2Ｏ3層が知られているが、これらの結晶構造のいずのＡｌ2Ｏ3層を蒸着被覆しても良く、その結晶構造については特に制限されるものではない。
ただ、Ａｌ2Ｏ3層を蒸着形成する際に、その平均層厚が１μｍ未満では、硬質被覆層のさらなる耐摩耗性向上を期待することはできず、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、その平均層厚は１〜１５μｍとすることが必要である。
【００２１】
さらに、切削工具の使用前後の識別を目的として、例えば、黄金色の色調を有するＴｉＮ層を最外表面層としてさらに蒸着形成することも可能であるが、識別効果という点からは、ＴｉＮ層の平均層厚は０．１〜１μｍあれば十分である。
【発明の効果】
【００２２】
この発明の被覆工具は、高熱発生を伴うとともに、断続的に大きな衝撃的・機械的な負荷が繰り返しかかる鋼や鋳鉄等の高速断続切削でも、硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層の少なくとも１層が従来ＴｉＣＮ層で構成されているためすぐれた高温強度を有し、また、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層がすぐれた高温強度に加えてすぐれた耐熱性を有するため、その結果、硬質被覆層は長期に亘って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ようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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】
【００２４】
原料粉末として、いずれも０．３〜３μｍ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・ＣＮＭＧ１２０４１２に規定するスローアウエ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。
【００２５】
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：０．０９ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｆを形成した。
【００２６】
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、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層（このうちの少なくとも一層は従来ＴｉＣＮ層）と改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層とを、表３、表４、表６に示される条件で、表７に示される組み合わせおよび目標層厚で蒸着形成し、さらに、その表面に、表３に示される条件かつ表７に示される目標層厚でＡｌ2Ｏ3層を蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１３を製造した。
【００２７】
また、比較の目的で、硬質被覆層としてＴｉ化合物層（このうちの少なくとも一層は従来ＴｉＣＮ層）と、従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層とを表３、表４、表５に示される条件で、表８に示される組み合わせおよび目標層厚で蒸着形成し、さらに、その表面に、表３に示される条件かつ表８に示される目標層厚でＡｌ2Ｏ3層を蒸着形成することにより比較被覆工具１〜１３を製造した。
【００２８】
ついで、上記の本発明被覆工具および比較被覆工具の硬質被覆層を構成する従来ＴｉＣＮ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、上記の従来ＴｉＣＮ層の表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、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する立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、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１２｝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、０〜４５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。
次に、本発明被覆工具の硬質被覆層を構成する改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層および比較被覆工具の硬質被覆層を構成する従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層について、前記と同様に、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、上記改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層および従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の表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、前記表面研磨面の測定範囲内に存在する立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、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１１｝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、０〜４５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。
【００２９】
本発明被覆工具５の従来ＴｉＣＮ層の｛１１２｝面について求めた傾斜角度数分布グラフを図３に示し、また、本発明被覆工具５の改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面について求めた傾斜角度数分布グラフを図４に示し、また、比較被覆工具５の従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面について求めた傾斜角度数分布グラフを図５に示す。
また、従来ＴｉＣＮ層の｛１１２｝面、従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層および改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面について求めた傾斜角度数分布グラフにおける最高ピークの存在する傾斜角区分および最高ピークの度数割合を、表７，８にそれぞれ示す。
【００３０】
表７に示されるとおり、本発明被覆工具１〜１３の従来ＴｉＣＮ層の｛１１２｝面の最高ピークの度数割合、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面の最高ピークの度数割合は、いずれも４５％以上を示している。
これに対して、表８に示されるように、比較被覆工具１〜１３の従来ＴｉＣＮ層の｛１１２｝面の最高ピークの度数割合は４５％以上を示しているものの、従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面の最高ピークの度数割合はいずれも３０％未満の値となっている。
【００３１】
さらに、上記の本発明被覆工具１〜１３および比較被覆工具１〜１３について、これの硬質被覆層の構成層を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）および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、前者は目標組成と実質的に同じ組成を有するＴｉ化合物層と、従来ＴｉＣＮ層および改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層からなり、後者についても目標組成と実質的に同じ組成を有するＴｉ化合物層と、従来ＴｉＣＮ層および従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層とからなることが確認された。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。なお、表面層として蒸着形成したＡｌ2Ｏ3層についても、目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）が測定された。
【００３２】
つぎに、上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および比較被覆工具１〜１３について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０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：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．２４  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  ８  分、
の条件（切削条件Ａという）での合金鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は、２５０  ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４０Ｃ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：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．３５  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  １０  分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は、２５０  ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ３５０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：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．２５  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  ８  分、
の条件（切削条件Ｃという）でのダクタイル鋳鉄の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は、２５０  ｍ／ｍｉｎ）、
を行い、
いずれの切削試験（水溶性切削油使用）でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表９に示した。
【００３３】
【表１】
0005003308.tif 000002
【００３４】
【表２】
0005003308.tif 000003
【００３５】
【表３】
0005003308.tif 000004
【００３６】
【表４】
0005003308.tif 000005
【００３７】
【表５】
0005003308.tif 000006
【００３８】
【表６】
0005003308.tif 000007
【００３９】
【表７】
0005003308.tif 000008
【００４０】
【表８】
0005003308.tif 000009
【００４１】
【表９】
0005003308.tif 000010
【００４２】
表７〜９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従来ＴｉＣＮ層の｛１１２｝面の最高ピークの度数割合が４５％以上であり、これがすぐれた高温強度を有し、さらに、改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面の最高ピークの度数割合が４５％以上を示し、これがすぐれた高温強度とともにすぐれた耐熱性を有することから、高熱発生を伴い、かつ、大きな衝撃的・機械的負荷がかかる鋼や鋳鉄などの高速断続切削加工でも、硬質被覆層はすぐれた高温強度と耐熱性を具備し、その結果として、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、硬質被覆層として改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層を備えない従来被覆工具１〜１３においては、従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面の最高ピークの度数割合が３０％未満であるため、高速断続切削加工においては、硬質被覆層の特に耐熱性が不十分であり、熱塑性変形による偏摩耗の発生等により、硬質被覆層の耐摩耗性が劣ったものとなるか、あるいは、チッピングの発生により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００４３】
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、大きな発熱を伴い、しかも、切刃部に大きな衝撃的・機械的負荷がかかる高速断続切削加工でも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性ばかりか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】
【００４４】
【図１】硬質被覆層を構成する従来ＴｉＣＮ層における結晶粒の｛１１２｝面の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。
【図２】硬質被覆層を構成する改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層における結晶粒の｛１１１｝面の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。
【図３】本発明被覆工具５の硬質被覆層を構成する従来ＴｉＣＮ層の｛１１２｝面の傾斜角度数分布グラフである。
【図４】本発明被覆工具５の硬質被覆層を構成する改質（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面の傾斜角度数分布グラフである。
【図５】比較被覆工具５の硬質被覆層を構成する従来（Ｔｉ，Ｃｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面の傾斜角度数分布グラフである。
【図１】
0005003308.tif 000011
【図２】
0005003308.tif 000012
【図３】
0005003308.tif 000013
【図４】
0005003308.tif 000014
【図５】
0005003308.tif 000015