(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上部層と下部層と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、
（ａ）上記上部層は、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層からなり、
（ｂ）上記下部層は、４〜２０μｍの合計平均層厚を有し、いずれも化学蒸着で形成されたＴｉ化合物層と改質Ｔｉ系炭窒化物層とからなり、
（ｃ）上記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、
（ｄ）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｛１１０｝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、
（ｅ）上記改質Ｔｉ系炭窒化物層は、２〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＺｒＸ）ＣＮ
で表した場合、０．０２≦Ｘ≦０．２５（但し、原子比）を満足するＴｉとＺｒの複合炭窒化物層からなり、さらに、上記改質Ｔｉ系炭窒化物層は、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、高熱発生を伴うとともに、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および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】
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４〜２０μｍ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、２〜１０μｍ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｛１１０｝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、改質ＴｉＣＮという）層、
で構成した被覆工具が知られており、そしてこの被覆工具が、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、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、
（ａ）第１層として、化学蒸着形成されたＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層からなり、０．１〜１μｍの平均層厚を有する第１密着接合層、
（ｂ）第２層として、化学蒸着形成され、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＺｒＸ）ＣＮ（ただし、原子比で、Ｘは０．０２〜０．２５）、
を満足するＴｉとＺｒの複合炭窒化物層からなり、かつ２．５〜１５μｍの平均層厚を有するＴｉ系炭窒化物（以下、従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮという）層、
（ｃ）第３層として、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層からなり、０．１〜１μｍの平均層厚を有する第２密着接合層、
（ｄ）第４層として、化学蒸着形成されたＡｌ2Ｏ3層からなり、かつ１〜１５μｍの平均層厚を有する高温硬質層、
以上（ａ）〜（ｄ）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ていることも知られている。
【特許文献１】特開２００６−２３１４３３号公報
【特許文献２】特開２００１−１１６３２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、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削効率の向上を目的として、切削速度を高速化する傾向にあるが、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、切刃部に繰り返し大きな機械的・衝撃的負荷がかかる高速断続切削条件で用いた場合、これを構成する硬質被覆層は、下部層のＴｉ化合物層による高温強度、同上部層のＡｌ2Ｏ3層による高温硬さを具備するものの、前記改質ＴｉＣＮ層の耐摩耗性は十分でなく、また、従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層の耐熱性も不十分であるために切削加工時の発熱によって熱塑性変形、偏摩耗を生じやすく、そのため、耐摩耗性が低下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】
【０００５】
そこで、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耐摩耗性向上をはかるべく、特に、硬質被覆層を構成するＴｉ系炭窒化物層に着目し、研究を行った結果、
（ａ）従来被覆工具の硬質被覆層を構成するＴｉ系炭窒化物層（従来（Ｔｉ，Ｚｒ）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、ＴｉＣｌ４：１〜５％、ＺｒＣｌ４：０．１〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．６〜５％、Ｎ2：２５〜４５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９８０℃、
反応雰囲気圧力：２．７〜１３．５ｋＰａ、
の条件（通常条件という）で蒸着形成されるが、これを、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：１０〜１５％、ＺｒＣｌ４：０．５〜３．５％、ＣＨ３ＣＮ：３〜８％、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ＴｉＣｌ４およびＣＨ３ＣＮの含有割合を多くし、さらに、ＨＣｌを加えた条件で蒸着形成して、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＺｒＸ）ＣＮ（ただし、原子比で、Ｘ：０．０２〜０．２５）を満足するＴｉ系炭窒化物層（以下、改質Ｔｉ系炭窒化物層、あるいは、改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層という）を形成すると、この結果の改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層は、上記の従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層と同様の結晶構造、すなわち格子点にＴｉ、Ｚｒ、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，Ｚｒ）ＣＮ層に比して一段とすぐれた耐熱性を有すること。
【０００６】
（ｂ）上記の従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層と上記（ａ）の改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ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，Ｚｒ）ＣＮ層は、図４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，Ｚｒ）ＣＮ層は、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、そしてこのような場合に、改質（Ｔｉ，Ｚｒ）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、Ｚｒ含有量を増加したことによる改質（Ｔｉ，Ｚｒ）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，Ｚｒ）ＣＮ層におけるＺｒの含有割合を調整することにより変化すること。
【０００７】
（ｃ）上記の通り、上記改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層の形成に際して、層中のＺｒ含有割合を、Ｔｉとの合量に占める割合（原子比）で０．０２〜０．２５とすることによって、前記改質（Ｔｉ，Ｚｒ）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，Ｚｒ）ＣＮ層中のＺｒ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、Ｚｒ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，Ｚｒ）ＣＮ層のＺｒ成分は、Ｔｉとの合量に占める割合（原子比）で０．０２（２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０．２５（２５原子％）を越えると、高熱発生と衝撃的負荷がかかる高速断続切削加工では、改質（Ｔｉ，Ｚｒ）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０．０２〜０．２５とする必要がある。
【０００８】
（ｄ）硬質被覆層の上部層をＡｌ2Ｏ3層、下部層をＴｉ化合物層と（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層とで構成した被覆工具において、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、｛１１０｝面の測定傾斜角の分布が０〜１０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れ、かつ前記０〜１０度の範囲内に存在する度数割合が４５％以上を占める傾斜角度数分布グラフを示すＴｉの炭窒化物層（改質ＴｉＣＮ層）で構成し、
さらに、上記（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層を、２〜１５μｍの平均層厚を有し、｛１１１｝面の測定傾斜角の分布が０〜１０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れ、かつ前記０〜１０度の範囲内に存在する度数割合が４５％以上を占める改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層とで構成した被覆工具は、改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層が従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層に比して一段と高い耐熱性を有し、また、改質ＴｉＣＮ層がすぐれた耐チッピング性を有し、さらに、硬質被覆層の上部層であるＡｌ2Ｏ3層がすぐれた高温硬さを具備することにより、特に高速断続切削加工に際し、硬質被覆層が耐衝撃性にすぐれチッピングの発生が抑制され、さらに、硬質被覆層がすぐれた耐熱性を備えるため、熱塑性変形、偏摩耗を生じることがなく耐摩耗性にもすぐれるため、長期に亘ってすぐれた工具特性を示すようになること。
以上（ａ）〜（ｄ）に示される研究結果を得たのである。
【０００９】
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、
「  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上部層と下部層と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、
（ａ）上記上部層は、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層からなり、
（ｂ）上記下部層は、４〜２０μｍの合計平均層厚を有し、いずれも化学蒸着で形成されたＴｉ化合物層と改質Ｔｉ系炭窒化物層とからなり、
（ｃ）上記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、
（ｄ）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｛１１０｝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（改質ＴｉＣＮ層）であり、
（ｅ）上記改質Ｔｉ系炭窒化物層（改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層）は、２〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＺｒＸ）ＣＮ
で表した場合、０．０２≦Ｘ≦０．２５（但し、原子比）を満足するＴｉとＺｒの複合炭窒化物層からなり、さらに、上記改質Ｔｉ系炭窒化物層（改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ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こと、
を特徴とする表面被覆切削工具（被覆工具）。」
に特徴を有するものである。
【００１０】
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。
（ａ）下部層の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、このうちの改質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、工具基体と改質ＴｉＣＮ層あるいは改質（Ｔｉ，Ｚｒ）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、下部層の合計平均層厚が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、下部層の合計平均層厚を４〜２０μｍと定めた。
【００１１】
（ｂ）下部層の改質ＴｉＣＮ層
下部層の密着性Ｔｉ化合物層のうちの少なくとも１つの層を改質ＴｉＣＮ層で構成するが、改質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％で、ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．３〜２％、Ｃ２Ｈ４：１〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４０ｋＰａ、
の条件で形成すると、この結果形成された改質ＴｉＣＮ層は、すぐれた高温強度を有し、すぐれた耐機械的衝撃性を具備するようになるが、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。
こと。
【００１２】
（ｃ）そして、改質ＴｉＣＮ層は、図２（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｛１１０｝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。
【００１３】
（ｄ）下部層の改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層
上記の改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層、即ち、改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層の傾斜角度数分布グラフの傾斜角区分における最高ピーク位置および前記最高ピークが存在する所定の傾斜角区分内に存在する度数割合は、上記の通り、層中のＺｒ含有割合（Ｘ値）をＴｉとの合量に占める原子比で、０．０２〜０．２５とすることによって、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークを存在させ、かつ前記０〜１０度の範囲内に存在する度数割合を、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の４５％以上とすることができるものであり、したがって、その含有割合が０．０２未満でも、０．２５を越えても、前記最高ピーク位置の現れる傾斜角区分が０〜１０度の範囲内から外れ、さらに前記０〜１０度の範囲内に存在する度数割合は４５％未満となってしまい、そのため、高温強度の低下をクーリングクラックの均一分散により抑制することができなくなるばかりか、高速断続切削加工におけるすぐれた耐熱性向上効果を確保することができなくなり、熱塑性変形の発生あるいは偏摩耗の発生によって耐摩耗性の劣ったものとなる。
また、改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層におけるＣ成分には層の硬さを向上させ、一方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ようになるものであり、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原子比で０．３５未満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同じく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、Ｃ成分との合量に占めるＮ成分の含有割合は、原子比で０．３５〜０．５５とすることが望ましい。
このように前記改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層は、上記の通り従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層に比して、一段とすぐれた耐熱性を有するようになるが、その平均層厚が２μｍ未満では所望のすぐれた耐熱性向上効果を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を２〜１５μｍと定めた。
【００１４】
（ｅ）上部層のＡｌ2Ｏ3層
Ａｌ2Ｏ3層は、すぐれた高温硬さを有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与するが、その平均層厚が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。
【００１５】
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層を最表面層として、必要に応じ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】
【００１６】
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各種の鋼や鋳鉄などの高速断続切削でも、硬質被覆層の下部層のうちの少なくとも一つの層が改質ＴｉＣＮ層で構成されているためすぐれた高温強度を有し、チッピングの発生が抑えられるとともに、改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層が一段とすぐれた耐熱性と高温強度を有し、熱塑性変形、偏摩耗の発生が抑制されることによって、すぐれた耐摩耗性が維持されることから、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示すものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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】
【００１８】
原料粉末として、いずれも０．５〜３．５μｍ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３６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：０．０８ｍｍ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。
【００１９】
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３６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：０．０８ｍｍ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。
【００２０】
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、Ｔｉ化合物層（少なくとも一層の改質ＴｉＣＮ層を含む）および改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層を表３〜表５に示される条件で、表６に示される組み合わせおよび目標層厚で蒸着形成し、ついで同じく表３に示される条件にて、上部層としてのＡｌ2Ｏ3層を同じく表６に示される組み合わせで、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。
【００２１】
また、比較の目的で、硬質被覆層の下部層として、Ｔｉ化合物層（少なくとも一層の改質ＴｉＣＮ層を含む）および従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層を表３〜表５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、さらに上部層としてのＡｌ2Ｏ3層を、表３に示される条件で、かつ同じく表７に示される目標層厚で蒸着形成することにより比較被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００２２】
ついで、上記の本発明被覆工具と比較被覆工具の硬質被覆層を構成する改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層、従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層および改質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、上記の改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層および従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層については、そ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、傾斜角度数分布グラフを作成した。
また、改質ＴｉＣＮ層についても上記と同様に、｛１１０｝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、傾斜角度数分布グラフを作成した。
【００２３】
この結果得られた改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層および従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層の傾斜角度数分布グラフにおいて、｛１１１｝面が最高ピークを示す傾斜角区分、並びに０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体の傾斜角度数に占める割合を表６，７にそれぞれ示した。
また、改質ＴｉＣＮ層についても同様に、｛１１０｝面が最高ピークを示す傾斜角区分、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体の傾斜角度数に占める割合を表６，７にそれぞれ示した。
【００２４】
上記の各種の傾斜角度数分布グラフにおいて、表６に示される通り、本発明被覆工具１〜１３の改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層は、いずれも｛１１１｝面の測定傾斜角の分布が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れ、かつ０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の割合が４５％以上である傾斜角度数分布グラフを示すのに対して、表７に示される通り、比較被覆工具１〜１３の従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層は、いずれも｛１１１｝面の測定傾斜角の分布が０〜４５度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在せず、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の割合も３０％以下である傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
図３は、本発明被覆工具２の改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層の傾斜角度数分布グラフ、図４は、比較被覆工具２の従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層の傾斜角度数分布グラフをそれぞれ示すものである。
なお、改質ＴｉＣＮ層については、本発明被覆工具１〜１３および比較被覆工具１〜１３のいずれもが、｛１１０｝面の測定傾斜角の分布が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れ、かつ０〜１０度の範囲内の傾斜角区分内に存在する傾斜角度数の割合が４５％以上である傾斜角度数分布グラフを示した。
【００２５】
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、前者および後者とも目標組成と実質的に同じ組成を有するＴｉ化合物層（改質ＴｉＣＮ層を含む）、改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層および従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層、さらにＡｌ2Ｏ3層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。
【００２６】
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：  ４１０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ３  ｍｍ、
送り：  ０．２４  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  ８  分、
の条件（切削条件Ａという）での合金鋼の湿式断続高速切削試験（通常の切削速度は、２５０ｍ／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：  ４１０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ３  ｍｍ、
送り：  ０．３５  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  １０  分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の湿式断続高速切削試験（通常の切削速度は、３００ｍ／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：  ４１０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ３  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断続高速切削試験（通常の切削速度は、２５０ｍ／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８に示した。
【００２７】
【表１】
0005023896.tif 000002
【００２８】
【表２】
0005023896.tif 000003
【００２９】
【表３】
0005023896.tif 000004
【００３０】
【表４】
0005023896.tif 000005
【００３１】
【表５】
0005023896.tif 000006
【００３２】
【表６】
0005023896.tif 000007
【００３３】
【表７】
0005023896.tif 000008
【００３４】
【表８】
0005023896.tif 000009
【００３５】
表６〜８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下部層のうちの改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層が、｛１１１｝面の傾斜角が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分で最高ピークを示すと共に、前記０〜１０度の傾斜角区分範囲内に存在する度数の合計割合が４５％以上を占める傾斜角度数分布グラフを示し、高熱発生を伴うとともに、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、改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層が一段とすぐれた耐熱性と高温強度を有し、熱塑性変形、偏摩耗の発生が防がれることから、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性とともにすぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層の下部層のうちの（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層が、｛１１１｝面の測定傾斜角の分布が０〜４５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従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層で構成された比較被覆工具１〜１３においては、高速断続切削加工では、硬質被覆層の高温強度、耐熱性が不足し、硬質被覆層にチッピングが発生したり、あるいは、熱塑性変形の発生、偏摩耗の発生等により、硬質被覆層の耐摩耗性は非常に劣ったものとなり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００３６】
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、高熱発生を伴うとともに、切刃部に大きな衝撃的・機械的負荷がかかる各種鋼や鋳鉄などの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、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】
【００３７】
【図１】硬質被覆層の下部層を構成する改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層および従来（Ｔｉ，Ｚｒ）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２】硬質被覆層の下部層を構成する改質ＴｉＣＮ層における結晶粒の｛１１０｝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２の硬質被覆層の下部層を構成する改質（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層の｛１１１｝面の傾斜角度数分布グラフである。
【図４】比較被覆工具２の硬質被覆層の下部層を構成する従来（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ層の｛１１１｝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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