(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、
（ａ）下部層が、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、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２〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、０．５〜６μｍの一層平均層厚を有するＡｌ−Ｚｒ複合酸化物層と、０．５〜３μｍの一層平均層厚を有する改質Ｔｉ炭窒酸化物層の交互積層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層をいずれも化学蒸着で形成してなる表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記上部層の交互積層を構成するＡｌ−Ｚｒ複合酸化物層は、
組成式：（Ａｌ１−ＸＺｒＸ）２Ｏ３、
で表した場合、０．００３≦Ｘ≦０．０５（但し、Ｘは原子比）を満足するＡｌ−Ｚｒ複合酸化物層であり、
（ｄ）上記上部層の交互積層を構成する改質Ｔｉ炭窒酸化物層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記層の縦断面研磨面の幅３０μｍ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、前記縦断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、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、また、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、層の縦断面研磨面における測定領域について、粒界として識別される部分のうち前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界の長さ（μｍ）を求め、この粒界の長さ（μｍ）と測定したＴｉ炭窒酸化物層の層厚（μｍ）との比の値が３２０〜６００を示すＴｉ炭窒酸化物層である、
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、被削材自身が高い粘性を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この結果切削抵抗のきわめて高いものとなる軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速高送り切削加工で、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（以下、被覆工具という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の被覆工具として、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、
（ａ）下部層として、ＴｉＣ、ＴｉＣＮからなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層として、Ａｌ２Ｏ３層と、ＴｉＣＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯからなるＴｉ化合物層の交互積層
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が知られている。
また、Ａｌ２Ｏ３層の耐衝撃性の改善を図るため、Ａｌ２Ｏ３層にかえて（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層を蒸着形成することも知られており、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】特開昭５４−６６９１２号公報
【特許文献１】特開２００６−２８９５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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、省エネ化、高効率化、低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と過酷な条件下で行われる傾向にあるが、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、特にこれを軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速高送り切削加工に用いた場合には、切刃部には高負荷がかかることに加え、前記難削材自身が高い粘性を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この傾向は切削加工時に発生する高熱によって一段と増大することと相俟って、切削抵抗のきわめて高いものとなり、一方、硬質被覆層の高温強度、耐熱性が不十分であるため、切刃部に作用する高負荷、高切削抵抗によって硬質被覆層にはチッピング（微小欠け）、熱塑性変形が発生し易くなり、その結果、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】
【０００４】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、硬質被覆層の上部層を、Ａｌ２Ｏ３層とＴｉＣＮＯ層の交互積層で構成した従来被覆工具の耐チッピング性向上を図るべく研究を行った結果、以下の知見を得た。
（ａ）上記従来被覆工具の硬質被覆層の上部層、すなわち、ＴｉＣＮＯ層とＡｌ２Ｏ３層との交互積層構造で構成される上部層において、その構成層であるＡｌ２Ｏ３層を、Ａｌ２Ｏ３層に比して耐衝撃性にすぐれる（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層で置き換ええて、ＴｉＣＮＯ層と（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層の交互積層構造からなる上部層を構成し、硬質被覆層として、このような上部層と、従来Ｔｉ化合物からなる下部層を蒸着形成した被覆工具を、難削材の高速高送り切削加工に用いたところ、（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層が耐衝撃性にすぐれることから、ある程度チッピング発生を抑えることはできるものの、従来Ｔｉ化合物の高温強度、耐熱性が不十分であるために、十分に満足できる耐チッピング性を得ることはできない。
（ｂ）ところで、上記従来被覆工具の硬質被覆層において、上記交互積層の構成層であるＴｉＣＮＯ（以下、従来ＴｉＣＮＯという）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、ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＯ：１〜５％、ＣＨ４：０．１〜５％、Ｎ２：５〜３０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜２５ｋＰａ、
の条件（通常条件という）で蒸着形成されるが、
この蒸着条件を変更し、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＯ：１〜５％、Ｎ２：５０〜６０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：１０〜２２ｋＰａ、
の条件、即ち、通常条件に比して、メタン無添加の高窒素ガス組成かつ低温の蒸着条件で目標層厚（０．５〜３μｍ）になるまで蒸着形成すると、このような条件で蒸着形成されたＴｉＣＮＯ（以下、「改質ＴｉＣＮＯ」という）層は、高温強度及び耐熱性が一段と向上するために、切刃部に高負荷、高切削抵抗が作用したとしてもチッピングの発生を抑制することができ、また、切刃部が過熱されても耐熱塑性変形性にすぐれ、偏摩耗の発生も抑制されるので、改質ＴｉＣＮＯ層を硬質被覆層の構成層とする被覆工具は、難削材の高速高送り切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮するとともに、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すようになる。
（ｃ）そして、上記の改質ＴｉＣＮＯ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、縦断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、前記縦断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、この場合前記結晶粒は、格子点にＴｉ、炭素、窒素および酸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、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求めた場合に、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定し、その上で電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記改質ＴｉＣＮＯ層の縦断面研磨面を、例えば、層厚（μｍ）×幅３０（μｍ）の範囲で測定し、粒界として識別される部分のうち前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界の長さ（μｍ。以下、ＧＢＬという）を求め、さらに、このＧＢＬと改質ＴｉＣＮＯ層の層厚（μｍ。以下、Ｔで示す）の比（即ち、ＧＢＬ／Ｔ）を求めると、前記改質ＴｉＣＮＯ層は、表７に示される通り、ＧＢＬ／Ｔが３２０〜６００の範囲の大きな値を示し、この高いＧＢＬ／Ｔの値は、成膜時の反応ガス組成、反応雰囲気温度、反応雰囲気圧力の組み合わせによって変化すること（なお、前記通常条件で蒸着形成された従来ＴｉＣＮＯ層は、表８に示される通り、ＧＢＬ／Ｔは小さな値である。）。
（ｄ）したがって、硬質被覆層の上部層が、Ａｌ２Ｏ３層と従来ＴｉＣＮＯ層との交互積層構造で構成される従来被覆工具において、Ａｌ２Ｏ３層に代えて、耐衝撃性にすぐれる（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層を蒸着形成し、また、従来ＴｉＣＮＯ層に代えて、高温強度、耐熱性、耐熱塑性変形性にすぐれる改質ＴｉＣＮＯ層を蒸着形成し、（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層と改質ＴｉＣＮＯ層との交互積層構造からなる硬質被覆層の上部層を形成したところ、このような硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具は、（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層がすぐれた高温硬さ、耐熱性および耐衝撃性を備えると共に、改質ＴｉＣＮＯ層がすぐれた耐熱性、耐熱塑性変形性と一段とすぐれた高温強度を備えることから、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に高負荷、高切削抵抗が作用する、軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の高速高送り切削条件で用いた場合にも、従来被覆工具に比して、硬質被覆層が一段とすぐれた耐チッピング性を示すとともに、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
【０００５】
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、
（ａ）下部層が、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、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２〜１５μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、０．５〜６μｍの一層平均層厚を有するＡｌ−Ｚｒ複合酸化物（（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３）層と、０．５〜３μｍの一層平均層厚を有する改質Ｔｉ炭窒酸化物（改質ＴｉＣＮＯ）層の交互積層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層をいずれも化学蒸着で形成してなる表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記上部層の交互積層を構成するＡｌ−Ｚｒ複合酸化物（（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３）層は、
組成式：（Ａｌ１−ＸＺｒＸ）２Ｏ３、
で表した場合、０．００３≦Ｘ≦０．０５（但し、Ｘは原子比）を満足するＡｌ−Ｚｒ複合酸化物（（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３）層であり、
（ｄ）上記上部層の交互積層を構成する改質Ｔｉ炭窒酸化物（改質ＴｉＣＮＯ）層は、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記層の縦断面研磨面の幅３０μｍ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、前記縦断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、この測定傾斜角から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、また、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、層の縦断面研磨面における測定領域について、粒界として識別される部分のうち前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界の長さ（μｍ）を求め、この粒界の長さ（μｍ）と測定したＴｉ炭窒酸化物層の層厚（μｍ）との比の値が３２０〜６００を示すＴｉ炭窒酸化物（改質ＴｉＣＮＯ）層である、
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。
【０００６】
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（Ｔｉ化合物層）
少なくとも、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層（ｌ−ＴｉＣＮ層も含む）、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層のいずれかからなるＴｉ系化合物層は、それぞれ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、工具基体と交互積層構造からなる上部層の構成層である（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層および改質ＴｉＣＮＯ層のいずれにも強固に密着し、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２μｍ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１５μｍを越えると、特に、切刃部に対して大きな負荷がかかる難削材の高速高送り切削でチッピングを起し易くなることから、その合計平均層厚を２〜１５μｍと定めた。
（ｂ）上部層の交互積層構造の構成層である（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層
交互積層の構成層である上記（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層は、例えば、次のようにして蒸着形成することができる。
（イ）まず、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：２．３〜４％、ＺｒＣｌ４：０．０２〜０．１３％、ＣＯ２：１〜５％、ＨＣｌ：１．５〜３％、Ｈ2Ｓ：０．０５〜０．２％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で、下部層であるＴｉ化合物層の表面に、あるいは、交互積層の構成層である改質ＴｉＣＮＯ層（後記）の表面に、
組成式：（Ａｌ１−ＸＺｒＸ）２Ｏ３、（ただし、Ｘは、Ａｌとの合量に占めるＺｒの含有割合を示し、原子比で、０．００３≦Ｘ≦０．０５。以下も同じ）を満足する（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３核を生成（この場合、（Ａｌ，Ｚｒ）2Ｏ3核は２０〜２００ｎｍ（０．０２〜０．２μｍ）の平均層厚を有する（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３核薄膜であるのが望ましい）させ(「第１段蒸着」という)、
（ロ）引き続いて、加熱雰囲気を圧力：３〜１３ｋＰａの水素雰囲気に変え、かつ加熱雰囲気温度を１１００〜１２００℃に昇温した条件で前記（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３核薄膜に加熱処理を施した状態で、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：２．３〜４％、ＺｒＣｌ４：０．０２〜０．１３％、ＣＯ２：３〜８％、ＨＣｌ：１．５〜３％、Ｈ2Ｓ：０．０５〜０．２％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で、同じく組成式：（Ａｌ１−ＸＺｒＸ）２Ｏ３、（ただし、原子比で、Ｘ：０．００３〜０．０５）を満足する（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層を形成する(「第２段蒸着」という)ことにより、上部層の交互積層構造の構成層である（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層を蒸着形成することができる。
そして、加熱処理を施した（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３核薄膜上に蒸着形成された前記（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層は、組成式：（Ａｌ１−ＸＺｒＸ）２Ｏ３（ただし、原子比で、０．００３≦Ｘ≦０．０５）を満足した場合に、Ａｌ2Ｏ3層自体のもつすぐれた高温硬さと耐熱性に加えて、すぐれた高温強度を有するようになり、硬質被覆層の耐チッピング性改善に寄与するが、層中のＺｒ含有割合（Ｘ値）が前記の範囲から外れた場合には、所望の高温強度向上効果が得られなくなる。
また、上部層の交互積層を形成する（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層の一層平均層厚が０．５μｍ未満では、前記特性を十分に発揮することができず、一方、その一層平均層厚が６μｍを越えると、チッピングを発生し易くなることから、その一層平均層厚を０．５〜６μｍと定めた。
（ｃ）上部層の交互積層構造の構成層である改質ＴｉＣＮＯ層
交互積層の構成層である改質ＴｉＣＮＯ層は、下部層であるＴｉ化合物層の表面に、あるいは、交互積層の構成層である前記（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層の表面に、
例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ４：２〜１０％、ＣＯ：１〜５％、Ｎ２：５０〜６０％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：８５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：１０〜２２ｋＰａ、
の条件で化学蒸着することにより形成することができる。
【０００７】
上記蒸着条件で形成した改質ＴｉＣＮＯ層は、縦長成長結晶組織を有し、図１に示されるように、格子点にＴｉ、炭素、窒素および酸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ており、さらに、この改質ＴｉＣＮＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、縦断面研磨面の測定範囲内に存在する改質ＴｉＣＮＯ層の結晶粒個々に電子線を照射して、前記縦断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から、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、さらに、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型走査電子顕微鏡により、改質ＴｉＣＮＯ層の縦断面研磨面を、測定領域、例えば、層厚（μｍ）×幅３０（μｍ）の範囲で測定し、粒界として識別される部分のうちで前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界（以下、大傾角粒界という）についてその粒界の長さＧＢＬ（μｍ）を求め、そして、ＧＢＬ（μｍ）と、改質ＴｉＣＮＯ層の層厚Ｔ（μｍ）との比を求めると、ＧＢＬ／Ｔは３２０〜６００という値を示す。
【０００８】
そして、ＧＢＬ／Ｔがこのように大きな値を示す改質ＴｉＣＮＯ層は、すぐれた耐熱性、耐熱塑性変形性とともに一段とすぐれた高温強度を備えるようになるため、難削材の高速高送り切削加工において、切刃部に大きな負荷・切削抵抗が作用したとしても、硬質被覆層の上部層にチッピングが発生する危険性を大幅に低減することができる。
【０００９】
しかし、ＧＢＬ／Ｔ値が６００を超えるようになると、改質ＴｉＣＮＯ層自体に脆化傾向がみられるようになり、一方、ＧＢＬ／Ｔ値が３２０未満の小さな値（通常条件で蒸着形成した従来ＴｉＣＮＯ層のＧＢＬ／Ｔ値は３２０未満である）になると、高温強度が不足し、耐チッピング性の改善を期待することはできないため、ＧＢＬ／Ｔの値を３２０〜６００と定めた。
【００１０】
なお、ＧＢＬ／Ｔの値は、反応ガス組成、反応雰囲気温度によって影響され、例えば、改質ＴｉＣＮＯ層の蒸着条件に比して、低窒素ガス組成かつ高温条件で蒸着形成された従来ＴｉＣＮＯ層におけるＧＢＬ／Ｔの値は、２００未満程度の小さな値（表８参照）であって、耐熱性、耐熱塑性変形性、高温強度の改善が図られていないため、難削材の高速高送り切削という厳しい切削条件では硬質被覆層にチッピングの発生が見られた（表９参照）。
【００１１】
また、前記改質ＴｉＣＮＯ層は、従来ＴｉＣＮＯ層に比して一段とすぐれた高温強度を有するが、その一層平均層厚が０．５μｍ未満では十分な高温強度向上効果を期待できず、一方、その一層平均層厚が３μｍまでであれば十分な耐チッピング性を発揮できることから、その一層平均層厚を０．５〜３μｍと定めた。
（ｄ）交互積層構造からなる上部層の層厚
一層平均層厚が０．５〜６μｍの上記（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層と、一層平均層厚が０．５〜３μｍの上記改質ＴｉＣＮＯ層の交互積層からなる上部層は、（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層と改質ＴｉＣＮＯ層とを１単位層とした場合、耐チッピング性の向上を図るためには、少なくとも１単位層以上交互に積層形成することが必要であるが、積層数を増大し上部層を過度に厚くした場合には、耐チッピング性の低下傾向がみられるため、上部層の層厚（交互積層の合計層厚）は、１〜２０μｍとすることが望ましい。
【００１２】
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、硬質被覆層の最表面に必要に応じ蒸着形成することができるが、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】
【００１３】
この発明の被覆工具は、大きな発熱を伴うとともに、切刃部に高負荷・高切削抵抗が作用する軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の高速高送り切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層の下部層が所定の高温強度を備え、また、交互積層からなる上部層の構成層である（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層がすぐれた高温硬さ、耐熱性とすぐれた高温強度を備え、さらに、交互積層からなる上部層の構成層である改質ＴｉＣＮＯ層がすぐれた耐熱性、耐熱塑性変形性とともに一段とすぐれた高温強度を備えていることから、硬質被覆層にチッピングの発生はなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性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】
【００１４】
ここから
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】
【００１５】
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のホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４１２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〜Ｆをそれぞれ製造した。
【００１６】
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：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２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〜ｆを形成した。
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、表３に示される条件、かつ、表６に示される組み合わせで、硬質被覆層の下部層としてＴｉ化合物層を蒸着形成した。
【００１７】
次に、上記下部層の上に、改質ＴｉＣＮＯ層を、表４に示される条件で、表７に示される組み合わせ、一層目標平均層厚で蒸着形成し、
ついで、（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層を、表５に示される条件で、表７に示される組み合わせ、一層目標平均層厚で蒸着形成し、
さらに、改質ＴｉＣＮＯ層と（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層の交互蒸着を繰り返し行って、表７に示される合計目標平均層厚の交互積層からなる上部層を形成し、
上記下部層と上記上部層からなる硬質被覆層を有する本発明被覆工具１〜１３を製造した。
また、比較の目的で、表３に示される条件、かつ、表６に示される組み合わせで、硬質被覆層の下部層としてＴｉ化合物層を蒸着形成した後、表３、表５に示される条件で、従来ＴｉＣＮＯ層と（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層との交互積層からなる上部層を表８に示される組み合わせ、一層目標平均層厚で蒸着形成し、比較被覆工具１〜１０を製造した。
【００１８】
さらに、表３に示される条件で、硬質被覆層の下部層としてＴｉ化合物層を蒸着形成した後、表３に示される条件で従来ＴｉＣＮＯ層を、また、表３に示される条件でＡｌ２Ｏ３層を形成し、従来ＴｉＣＮＯ層とＡｌ２Ｏ３層との交互積層からなる上部層を、表８に示される組み合わせ、一層目標平均層厚で蒸着形成し、比較被覆工具１１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１９】
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の上部層の交互積層を構成する改質ＴｉＣＮＯ層および従来ＴｉＣＮＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、上記各層の縦断面研磨面のＧＢＬ（μｍ）を測定し、そして、ＧＢＬ（μｍ）と、ＴｉＣＮＯ層の層厚（μｍ）の比を求めた。
【００２０】
すなわち、交互積層を構成する上記の各改質ＴｉＣＮＯ層および各従来ＴｉＣＮＯ層の縦断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、前記縦断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、所定測定領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記縦断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、それぞれ隣接する結晶粒相互間の界面における（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度を求め、さらに、前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が２度以上の場合を粒界であるとして設定した上で、電界放出型走査電子顕微鏡により、改質ＴｉＣＮＯ層の縦断面研磨面の測定領域（層厚（μｍ）×幅３０（μｍ）の範囲の領域）を走査し、該測定領域内で、粒界として識別される部分のうちで前記（００１）面の法線同士、および（０１１）面の法線同士の交わる角度が１５度以上の粒界についてその粒界の長さＧＢＬ（μｍ）を求めた。そして、ＧＢＬ（μｍ）と、改質ＴｉＣＮＯ層の層厚Ｔ（μｍ）との比の値（改質ＴｉＣＮＯ層の単位層厚当たりの粒界の長さに相当）を求めた。
【００２１】
本発明被覆工具の改質ＴｉＣＮＯ層についてのＧＢＬ，Ｔ，ＧＢＬ／Ｔの値、および比較被覆工具の従来ＴｉＣＮＯ層についてのＧＢＬ，Ｔ，ＧＢＬ／Ｔの値を、それぞれ表７、８に示した。
【００２２】
表７、８にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具の改質ＴｉＣＮＯ層は、いずれもＧＢＬ／Ｔの値が３２０〜６００の範囲内の数値であるのに対して、比較被覆工具の従来ＴｉＣＮＯ層は、いずれもＧＢＬ／Ｔの値が３２０未満であった。
【００２３】
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、改質ＴｉＣＮＯ層と（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層からなり、また、後者は、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ＴｉＣＮＯ層とＡｌ２Ｏ３層あるいは（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層からなることが確認された。
【００２４】
また、これらの被覆工具の硬質被覆層の下部層の層厚および交互積層の一層層厚、合計層厚を、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、一層平均層厚、合計平均層厚（いずれも、５点測定の平均値）を示した。
【００２５】
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・ＳＵＳ４３０の丸棒、
切削速度：  ３００  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）でのステンレス鋼の乾式高速高送り連続切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１５０ｍ／ｍｉｎ、０．２ｍｍ／ｒｅｖ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：  ３２０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ２．５  ｍｍ、
送り：  ０．５  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ｂ）での軟鋼の乾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、２００ｍ／ｍｉｎ、０．２ｍｍ／ｒｅｖ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４４３Ｈの丸棒、
切削速度：  ３００  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ２．５  ｍｍ、
送り：  ０．５  ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  ５  分、
の条件（切削条件Ｃ）での高マンガン鋼の乾式高速高送り連続切削試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ、０．２５ｍｍ／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した。この測定結果を表９に示した。
【００２６】
【表１】
0005099500.tif 000002
【００２７】
【表２】
0005099500.tif 000003
【００２８】
【表３】
0005099500.tif 000004
【００２９】
【表４】
0005099500.tif 000005
【００３０】
【表５】
0005099500.tif 000006
【００３１】
【表６】
0005099500.tif 000007
【００３２】
【表７】
0005099500.tif 000008
【００３３】
【表８】
0005099500.tif 000009
【００３４】
【表９】
0005099500.tif 000010
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上部層の交互積層を構成する（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層がすぐれた高温硬さ、耐熱性および耐衝撃性を備え、さらに、同じく上部層の交互積層を構成する改質ＴｉＣＮＯ層のＧＢＬ／Ｔ＝３２０〜６００であり、すぐれた耐熱性、耐熱塑性変形性と一段とすぐれた高温強度を有することから、切刃部に対して高負荷、高切削抵抗が作用する軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の高速高送り切削でも、前記改質ＴｉＣＮＯ層と（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層との交互積層として構成された上部層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、耐衝撃性および高温強度を備え、すぐれた耐チッピング性を発揮し、同時にすぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層の上部層が、ＧＢＬ／Ｔ値が３２０未満である従来ＴｉＣＮＯ層と（Ａｌ，Ｚｒ）２Ｏ３層との交互積層として構成された比較被覆工具１〜１０、および、硬質被覆層の上部層が、ＧＢＬ／Ｔ値が３２０未満である従来ＴｉＣＮＯ層とＡｌ２Ｏ３層との交互積層として構成された比較被覆工具１１〜１３においては、硬質被覆層の特に高温強度、耐熱性が不十分であるために、難削材の高速高送り切削加工では硬質被覆層にチッピングが発生し、あるいは、耐摩耗性が低下し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００３５】
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、切刃部に対して高負荷、高切削抵抗が作用する軟鋼、ステンレス鋼、高マンガン鋼などの難削材の高速高送り切削加工で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】
【００３６】
【図１】硬質被覆層の上部層の交互積層を構成する改質ＴｉＣＮＯ層（従来ＴｉＣＮＯ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】硬質被覆層の上部層の交互積層を構成する改質ＴｉＣＮＯ層（従来ＴｉＣＮＯ層）における、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１】
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【図２】
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