CN101468401B - 硬质包覆层发挥优异耐磨性的表面包覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及表面包覆切削工具。该表面包覆切削工具在工具基体的表面蒸镀形成有作为(a)下部层的Ti化合物层，和作为(b)上部层的具有平板多边形(包括平坦六边形)且竖长状的晶粒组织结构、含有Zr的α型Al2O3。对于该表面包覆切削工具，上部层的晶粒中，以面积比率计为60％以上的晶粒的内部，被至少一个以上的、包括用∑3表示的构成原子共有阵点形态的晶体点阵界面隔断。
Description
技术领域
本发明涉及表面包覆切削工具(以下称为包覆工具)，该表面包覆切削工具即便在伴有高发热且对切削刃作用高负荷的高速重切削条件下进行各种钢或铸铁等的被切削材料的切削加工时，硬质包覆层也不发生崩刃，经长期使用也可发挥优异的耐磨性。
背景技术
以往已知以下包覆工具。由碳化钨(以下用WC表示)基硬质合金(camented carbide)或碳氮化钛(以下用TiCN表示)基金属陶瓷构成的基体(以下将其统称为工具基体)的表面上蒸镀形成有包括Ti化合物层的下部层和包括α型Al2O3层的上部层作为硬质包覆层。该包覆工具中，对于上部层，使用场致发射型扫描电子显微镜和电子背散射衍射图像装置，对存在于表面抛光面的测定范围内的晶粒逐个照射电子射线，测定包括六方晶晶体点阵的晶粒的构成晶面的各个法线与上述表面抛光面的法线相交的角度。由该测定结果算出相邻晶粒的相互的晶体取向关系，算出各个构成界面的构成原子在上述晶粒相互间共有一个构成原子的阵点(构成原子共有阵点)的分布。用∑N+1表示存在N个上述构成原子共有阵点间不共有构成原子的阵点(其中，N为刚玉型密排六方晶体的晶体结构上2以上的偶数，在分布频率上N的上限为28时，不存在4、8、14、24和26的偶数)时，在表示各∑N+1占∑N+1全体的分布比例的构成原子共有阵点分布图中，∑3存在最高峰，且由表示上述∑3占∑N+1全体的分布比例为60～80％的构成原子共有阵点分布图的α型Al2O3层构成上部层。已知该包覆工具在高速间歇切削加工中发挥优异的耐崩刃性。
另外，对于上述包覆工具，还已知由含有少量Zr的α型(Al，Zr)2O3层(以下称为现有AlZrO层)构成其上部层的包覆工具(以下称为现有包覆工具)。而且，已知该现有包覆工具也与上述一样，可在高速间隔切削加工中发挥耐崩刃性。
专利文献1：特开2006-198735号公报
专利文献2：特开2006-289557号公报
发明内容
近年来切削装置的高性能化显著，另一方面对切削加工的省力化和节能化、以及低成本化的要求高。随之而来，切削加工有更加高速化的趋势，但对于上述现有包覆工具，在高速连续切削或高速间歇切削中使用时，上部层具有优异的高温强度，耐冲击性优异，因此在可防止崩刃等发生上优异。但是，构成硬质包覆层的上部层的上述α型Al2O3层、上述现有AlZrO层的高温强度和表面性状无法令人满意，因此在更高速条件下进行重切削加工时，不仅容易发生崩刃，而且还容易发生热塑性变形、不均匀磨损。现状是由于其引起的耐磨性的降低在较短时间内就达到使用寿命。
于是，本发明人出于上述观点，特别是对于在更高速条件下的切削加工中，不发生硬质包覆层崩刃、缺损、剥离等，而且经长期使用可发挥优异的耐磨性的上部层的构造进行了研究，结果得出下述见解。
(a)包括上述现有包覆工具的现有AlZrO层的上部层，例如用通常的化学蒸镀装置，作为第1阶段，在下述条件下，在作为下部层的Ti化合物层的表面形成具有满足组成式(Al1-xZrx)2O3(其中，以原子比计，X为0.003～0.05)、优选20～200nm(0.02～0.2μm)的平均层厚的Al-Zr复合氧化物核(以下称为AlZrO核)薄膜，
反应气体组成(容量％)：
AlCl3：2.3～4％、
ZrCl4：0.02～0.13％、
CO2：1～5％、
HCl：1.5～3％、
H2S：0.05～0.2％、
H2：余量、
反应气氛温度：750～900℃、
反应气氛压力：6～10kPa。
接着，将加热气氛变为压力为3～13kPa的氢气氛，且将加热气氛温度升温为1100～1200℃，在上述条件下对上述AlZrO核薄膜实施加热处理的状态下，作为第2阶段，在下述条件下进行蒸镀，
反应气体组成(容量％)：
AlCl3：2.3～4％、
ZrCl4：0.02～0.13％、
CO2：3～8％、
HCl：1.5～3％、
H2S：0.05～0.2％、
H2：余量、
反应气氛温度：1020～1050℃、
反应气氛压力：6～10kPa。
结果，形成了具有Zr成分占其与Al成分的总量的含量比例为0.003～0.05(原子比)组成的现有AlZrO层。而且，用场致发射型扫描电子显微镜对该现有AlZrO层进行组织观察时，具有包含晶粒的组织结构，所述晶粒如图2(a)所示，在垂直于层厚方向的面内观察时，为微细的多边形，另外，如图2(b)所示，在平行于层厚方向的面内观察时，在层表面存在角锥状的凹凸，在层厚方向呈竖长状(以下称为“凹凸多边形竖长状”)。
(b)另一方面，在作为硬质包覆层的下部层的Ti化合物层上用通常的化学蒸镀装置，首先，作为第1阶段，在下述条件下进行蒸镀，
(1)反应气体组成(容量％)：
AlCl3：1～5％、
CO2：2～6％、
HCl：1～5％、
H2S：0.25～0.75％、
H2：余量、
(2)反应气氛温度：960～1010℃、
(3)反应气氛压力：6～10kPa。
之后，作为第2阶段，在下述条件下进行蒸镀，
(1)反应气体组成(容量％)：
AlCl3：6～10％、
ZrCl4：0.6～1.2％、
CO2：4～8％、
HCl：3～5％、
H2S：0.25～0.6％、
H2：余量、
(2)反应气氛温度：920～1000℃、
(3)反应气氛压力：6～10kPa。
结果，形成了包括平均层厚为2～15μm的含Zr的α型氧化铝层(以下称为“改性AlZrO层”)的上部层。在该条件下形成的改性AlZrO层，具有满足该层中Zr成分占其与Al成分的总量的含有比例为0.002～0.01(原子比)的组成。
(c)然后，用场致发射型扫描电子显微镜对上述改性AlZrO层进行组织观察。具有包含晶粒的组织结构，所述晶粒如图1(a)所示，在垂直于层厚方向的面内观察时，为大粒径的平板多边形，另外，如图1(b)所示，在平行于层厚方向的面内观察时，层表面几乎平坦，在层厚方向呈竖长状(以下称为“平板多边形竖长状”)。
特别是在上述改性AlZrO层的蒸镀形成之际，以进一步限定的蒸镀条件(例如，第1阶段的反应气体中的H2S为0.50～0.75容量％，反应气氛温度为980～1000℃，第2阶段的反应气体中的ZrCl4为0.6～0.9容量％，H2S为0.25～0.4容量％，反应气氛温度为960～980℃的条件)进行蒸镀。结果，如图1(c)所示，在垂直于层厚方向的面内观察时，晶粒为大粒径的平坦六边形。另外，在平行于层厚方向的面内观察时，与图1(b)所示的相同，层表面几乎平坦，晶粒在层厚方向呈竖长状。形成该晶粒在垂直于层厚方向的面内占全体35％以上的面积比例的组织结构。
对于该改性AlZrO层，使用场致发射型扫描电子显微镜和电子背散射衍射图像装置，对存在于表面抛光面的测定范围内的晶粒逐个照射电子射线，测定包括六方晶晶体点阵的晶体点阵面的各个法线与上述表面抛光面的法线相交的角度。由该测定结果算出相邻晶体点阵相互的晶体取向关系，算出各个构成晶体点阵界面的构成原子在上述晶体点阵相互间共有1个构成原子的阵点(构成原子共有阵点)的分布。用∑N+1表示存在N个上述构成原子共有阵点间不共有构成原子的阵点(其中，N为刚玉型密排六方晶体的晶体结构上2以上的偶数，在分布频率上N的上限为28时，不存在4、8、14、24和26的偶数)的构成原子共有阵点形态时，如图3所示，构成改性AlZrO层的平板多边形竖长状晶粒中，以面积比率计为60％以上的上述晶粒的内部被至少一个以上的、包括用∑3表示的构成原子共有阵点形态的晶体点阵界面(以下称为∑3对应界面)隔断。
(d)包括以上述(b)的第1阶段和第2阶段的化学蒸镀条件(以下称为本发明条件)蒸镀形成的改性AlZrO层的上部层，其表面的晶面与垂直于该层的层厚方向的面内的晶面(例如(0001))具有相同取向。为此，(在平行于层厚方向的面内观察时，)层表面形成几乎平坦的平板状，由于该表面性状而显示优异的耐崩刃性。进而，由于平板多边形竖长状的晶粒内部的∑3对应界面的存在而提高晶粒内强度，因此与现有包覆工具的现有AlZrO层相比，具有格外优异的高温硬度、高温强度、表面性状。结果，本发明的改性AlZrO层即便在伴有高发热的同时对切削刃部作用高负荷的高速重切削加工中，也不会发生崩刃、缺损、剥离等，可长期发挥优异的耐磨性。
本发明基于上述发现而成，具有以下特征。
(1)一种表面包覆切削工具(包覆工具)，其在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面上，蒸镀形成包括下述(a)、(b)的硬质包覆层，
(a)下部层为包括全体平均层厚为3～20μm的Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层、和碳氮氧化物层中的1层或2层以上的Ti化合物层，
(b)上部层为具有2～15μm的平均层厚，且具有α型的晶体结构，含有Zr的氧化铝层；
用场致发射型扫描电子显微镜对上述上部层进行组织观察时，具有包括在垂直于层厚方向的面内具有平板多边形、及在平行于层厚方向的面内在层厚方向呈竖长状的晶粒的组织结构，进一步地，
对于该上部层，使用场致发射型扫描电子显微镜和电子背散射衍射图像装置，对存在于表面抛光面的测定范围内的晶粒逐个照射电子射线，测定包括六方晶晶体点阵的晶体点阵面的各个法线与上述表面抛光面的法线相交的角度，
由该测定结果算出相邻晶体点阵相互的晶体取向关系，算出各个构成晶体点阵界面的构成原子在上述晶体点阵相互间共有1个构成原子的阵点(构成原子共有阵点)的分布，用∑N+1表示存在N个上述构成原子共有阵点间不共有构成原子的阵点(其中，N为刚玉型密排六方晶体的晶体结构上2以上的偶数，在分布频率上N的上限为28时，不存在4、8、14、24和26的偶数)的构成原子共有阵点形态时，构成上述上部层的晶粒中，以面积比率计为60％以上的晶粒的内部被至少一个以上的、包括用∑3表示的构成原子共有阵点形态的晶体点阵界面隔断。
(2)如上述(1)所述的表面包覆切削工具(包覆工具)，其中，用场致发射型扫描电子显微镜对上述上部层(b)进行组织观察时，在垂直于层厚方向的面内具有平坦六边形、及在平行于层厚方向的面内在层厚方向呈竖长状的晶粒，在垂直于层厚方向的面内占全体35％以上的面积比例。
下面对于本发明的包覆工具的硬质包覆层的构成层进行更详细地说明。
(a)下部层(Ti化合物层)
包括Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层、和碳氮氧化物层中的1层或2层以上的Ti化合物层，作为硬质包覆层的下部层存在。由于自身具有的优异的高温强度，除了有助于提高硬质包覆层的高温强度，此外还牢固地密合于工具基体和改性AlZrO层中任一个上。因此，具有提高对硬质包覆层的工具基体的接合强度的作用。但是，如果其平均层厚不到3μm，则无法充分发挥上述作用。另一方面，如果其平均层厚超过20μm，则在伴有热别高热发生的高速切削中易于引起热塑性变形，这会引起不均匀磨损，因此将其平均层厚规定为3～20μm。
(b)上部层(改性AlZrO层)
对于包括在下部层上化学蒸镀有改性AlZrO层的上部层，由于其构成成分的Al成分，使层的高温硬度和耐热性提高。另外，层中微量(以其占与Al的总量的比例计，Zr/(Al+Zr)为0.002～0.01(原子比))含有的Zr成分提高改性AlZrO层的晶体晶界强度，有助于提高高温强度。但是，如果Zr成分的含有比例不到0.002，则无法实现上述作用。另一方面，如果Zr成分的含有比例超过0.01，则由于层中析出ZrO2粒子，晶界强度降低。因此，Zr成分占其与Al成分的总量的含有比例(Zr/(Al+Zr)的比值)优选为0.002～0.01(原子比)。
上述改性AlZrO层，例如可通过如下调整蒸镀时的反应气体组成、反应气氛温度和反应气氛压力的各化学蒸镀条件而蒸镀形成。
即，首先，在下述条件下，进行第1阶段的蒸镀约1小时。
(1)反应气体组成(容量％)：
AlCl3：1～5％、
CO2：2～6％、
HCl：1～5％、
H2S：0.25～0.75％、
H2：余量、
(2)反应气氛温度：960～1010℃、
(3)反应气氛压力：6～10kPa。
之后，在下述条件下进行第2阶段的蒸镀。
(1)反应气体组成(容量％)：
AlCl3：6～10％、
ZrCl4：0.6～1.2％、
CO2：4～8％、
HCl：3～5％、
H2S：0.25～0.6％、
H2：余量、
(2)反应气氛温度：920～1000℃、
(3)反应气氛压力：6～10kPa。
由此，如果成膜2～15μm的平均层厚的蒸镀层，则可形成Zr/(Al+Zr)的比值以原子比计为0.002～0.01的改性AlZrO层。
对于上述改性AlZrO层，用场致发射型扫描电子显微镜进行组织观察。如图1(a)所示，在垂直于层厚方向的面内观察时，为晶体粒径大的平板多边形，另外，如图1(b)所示，在平行于层厚方向的面内观察时，形成层表面几乎平坦，且包括在层厚方向呈竖长状的晶粒(平板多边形竖长状晶粒)的组织结构。由于改性AlZrO层的该层表面的平坦性，与表面存在凹凸的现有AlZrO层相比，耐崩刃性格外提高。
特别是，在上述改性AlZrO层的蒸镀中，以进一步限定的条件(例如，第1阶段的反应气体中的H2S为0.50～0.75容量％，反应气氛温度为980～1000℃，第2阶段的反应气体中的ZrCl4为0.6～0.9容量％，H2S为0.25～0.4容量％，反应气氛温度为960～980℃的条件)进行蒸镀。结果，如图1(c)所示，在垂直于层厚方向的面内观察时，为大粒径的平坦六边形。另外，在平行于层厚方向的面内观察时，与图1(b)所示的相同，层表面几乎平坦。形成在层厚方向呈竖长状的晶粒在垂直于层厚方向的面内占全体35％以上的面积比例的组织结构。
应说明的是，在现有AlZrO层中，其表面的晶面具有与垂直于该层的层厚方向的面内的晶面(例如(0001))不同的取向(例如，(1-102)。因此，(在平行于层厚方向的面内观察时)如图2(b)所示，层表面存在角锥状的凹凸，为此，耐崩刃性变差。
对于该改性AlZrO层，使用场致发射型扫描电子显微镜和电子背散射衍射图像装置，对存在于表面抛光面的测定范围内的晶粒逐个照射电子射线，测定包括六方晶晶体点阵的晶体点阵面的各个法线与上述表面抛光面的法线相交的角度。由该测定结果算出相邻晶体点阵相互的晶体取向关系，算出各个构成晶体点阵界面的构成原子在上述晶体点阵相互间共有1个构成原子的阵点(构成原子共有阵点)的分布。用∑N+1表示存在N个上述构成原子共有阵点间不共有构成原子的阵点(其中，N为刚玉型密排六方晶体的晶体结构上2以上的偶数，在分布频率上N的上限为28时，不存在4、8、14、24和26的偶数)的构成原子共有阵点形态时，如图3所示，可知构成改性AlZrO层的上述平板多边形(包括平坦六边形)竖长状晶粒中，以面积比率计为60％以上的晶粒的内部，被至少一个以上的、∑3对应界面隔断。
在改性AlZrO层的平板多边形(包括平坦六边形)竖长状晶粒的内部，存在上述∑3对应界面。由此，可实现晶粒内强度的提高。结果，在高速重切削加工时，可抑制改性AlZrO层中发生裂纹。另外，即便发生裂纹，也可以阻碍裂纹的扩大、传播，可实现耐崩刃性、耐缺损性、耐剥离性的提高。
因此，在平板多边形(包括平坦六边形)竖长状晶粒的内部存在∑3对应界面，包括具备表面平坦的表面性状的改性AlZrO层的本发明上部层，即便在伴有各种钢、铸铁等高发热且对切削刃部作用高负荷的高速重切削加工中，也不会发生崩刃、缺损、剥离等，可长期发挥优异的耐磨性。
但是，如果包括改性AlZrO层的上部层的层厚小于2μm，则无法充分发挥上述上部层的优异的特性。另一方面，如果上部层的层厚超过15μm，则容易发生由不均匀磨损引起的热塑性变形，还容易发生崩刃。因此，将上部层的平均层厚规定为2～15μm。
应说明的是，对于硬质包覆层的上部层包括现有AlZrO层的现有包覆工具，使用场致发射型扫描电子显微镜、电子背散射衍射图像装置，考察上部层的晶粒的组织结构和构成原子共有阵点形态。对于晶粒的组织结构，具有图2(a)、(b)所示的角锥状的凹凸，具有包括多边形竖长状的晶粒的组织结构，因此与改性AlZrO层相比，耐磨性不充分。
另外，对于晶粒的构成原子共有阵点形态，构成现有AlZrO层的凹凸多边形竖长状晶粒的内部存在的∑3对应界面的晶粒的面积比例小至40％以下，无法实现晶粒内强度的提高。因此，硬质包覆层的上部层由现有AlZrO层构成的现有包覆工具，在伴有高发热的同时对切削刃部作用高负荷的高速重切削加工中，无法防止崩刃、缺损、剥离等的发生，进而无法满足耐磨性。
如上所述，本发明的包覆工具，对于构成上部层的改性AlZrO层，制成包括具备表面平坦性的平板多边形(包括平坦六边形)竖长状的晶粒的组织结构。进而，在上述晶粒内部形成∑3对应界面，强化了晶粒内强度。因此，与包括凹凸多边形竖长状的晶粒、将晶粒内∑3对应界面少的现有AlZrO层作为上部层的现有包覆工具相比，除了现有AlZrO层具有的高温硬度、耐热性，还兼具格外优异的高温强度和格外优异的耐磨性。结果，在伴有高发热的同时对切削刃部作用高负荷的高速重切削条件下切削加工各种钢或铸铁等时，也可以发挥硬质包覆层优异的耐崩刃性、耐缺损性、耐剥离性和优异的耐磨性，可进一步延长使用寿命。
附图说明
图1(a)是对于本发明包覆工具1的包括改性AlZrO层的上部层，在垂直于层厚方向的面内利用场致发射型扫描电子显微镜观察而得到的显示平板多边形的晶粒组织结构的示意图。(b)是同样地在平行于层厚方向的面内利用场致发射型扫描电子显微镜观察而得到的表示层表面几乎平坦、层厚方向呈竖长状的晶粒组织结构的示意图。(c)是对于本发明包覆工具11的包括改性AlZrO层的上部层，在垂直于层厚方向的面内利用场致发射型扫描电子显微镜观察而得到的显示平坦六边形的晶粒组织结构的示意图。
图2(a)对于现有包覆工具1的包括现有AlZrO层的上部层，在垂直于层厚方向的面内利用场致发射型扫描电子显微镜观察而得到的显示多边形的晶粒组织结构的示意图。(b)是同样地在平行于层厚方向的面内利用场致发射型扫描电子显微镜观察而得到的表示层表面具有角锥状的凹凸、层厚方向呈竖长状的晶粒组织结构的示意图。
图3是对于本发明包覆工具1的包括改性AlZrO层的上部层，使用场致发射型扫描电子显微镜和电子背散射衍射图像装置测定的在垂直于层厚方向的面内的晶界解析图。实线表示用场致发射型扫描电子显微镜观察的平板多边形的晶体晶界，虚线表示通过电子背散射衍射图像装置测定的∑3对应界面。
具体实施方式
下面，通过实施例更具体地说明本发明的包覆工具。
实施例
作为原料粉末，准备平均粒径均为2～4μm的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、和Co粉末。将这些原料粉末按表1所示的配合组成配合。再加入蜡，在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥。之后，在98MPa的压力下冲压成形为规定形状的压粉体。将该压粉体在5Pa的真空中、于1370～1470℃的范围内的规定温度保持1小时的条件下真空烧结。烧结后，通过对切削刃部实施R：0.07mm的珩磨加工，分别制造具有ISOCNMG120408MA规定的可转位刀片形状(throw away tip)的WC基硬质合金制的工具基体A～E。
另外，作为原料粉末，准备平均粒径均为0.5～2μm的TiCN(以质量比计TiC/TiN＝50/50)粉末、Mo2C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末、和Ni粉末。将这些原料粉末按表2所示的配合组成配合。用球磨机湿式混合24小时，干燥。之后，在98MPa的压力下冲压成形为压粉体。将该压粉体在1.3kPa的氮气氛中、温度1540℃下保持1小时的条件下烧结。烧结后，通过对切削刃部实施R：0.07mm的珩磨加工，形成具有ISO CNMG120408MA规定的刀片(tip)形状的TiCN基金属陶瓷制的工具基体a～e。
然后，将这些工具基体A～E和工具基体a～e分别装入通常的化学蒸镀装置，首先利用表3(表3中的1-TiCN表示特开平6-8010号公报记载的具有竖长生长晶体组织的TiCN层的形成条件，除此之外表示通常的粒状晶体组织的形成条件)所示的条件，以表6所示的组合和目标层厚，将Ti化合物层蒸镀形成为硬质包覆层的下部层。
接着，利用表4所示的蒸镀条件，通过同样地将表6所示的目标层厚的改性AlZrO层蒸镀形成为硬质包覆层的上部层，分别制造本发明包覆工具1～15。
另外，为了比较，在与本发明包覆工具1～15相同条件下蒸镀形成下部层后，作为硬质包覆层的上部层，在表5所示的条件下，以表7所示的组合和目标层厚形成现有AlZrO层，由此分别制造现有包覆工具1～15.
接着，对于构成上述本发明包覆工具1～15和现有包覆工具1～15的硬质包覆层的上部层的改性AlZrO层和现有AlZrO层，使用场致发射型电子显微镜、电子背散射衍射图像装置，考察晶粒组织结构和构成原子共有阵点形态。
即，首先，对于上述本发明包覆工具1～15的改性AlZrO层和现有包覆工具1～15的现有AlZrO层，使用场致发射型扫描电子显微镜观察。对于本发明包覆工具，观察到图1(a)、(b)代表性地表示的平板多边形(包括平坦六边形)且竖长状的大粒径的晶粒组织结构(应说明的是，图1(a)是垂直于层厚方向的面内观察到的本发明包覆工具1的组织结构示意图，而图1(c)是垂直于层厚方向的面内观察到的本发明包覆工具11的平坦六边形且竖长状的大粒径晶粒组织结构示意图)。
另一方面，对于现有包覆工具，如图2(a)、(b)代表性地所示，观察到多边形且竖长状的晶粒组织。但是，各晶粒的粒径比本发明的小，且从图2(b)可以明显看出层表面形成了角锥状的凹凸(应说明的是，图2(a)、(b)是现有包覆工具1的组织结构示意图)。
接着，对于上述本发明包覆工具1～15的改性AlZrO层和现有包覆工具1～15的现有AlZrO层，测定构成各层的晶粒的内部存在∑3对应界面的晶粒的面积比例。
首先，对于上述本发明包覆工具1～15的改性AlZrO层，以使其表面为抛光面的状态，固定在场致发射型扫描电子显微镜的镜筒内。对上述表面抛光面，以1nA的照射电流，向各个上述表面抛光面的测定范围内存在的具有六方晶晶体点阵的晶粒分别以70度的入射角度照射15kV的加速电压的电子射线。使用电子背散射衍射图像装置，对30×50μm的区域以0.1μm/步的间隔，测定上述晶粒的各晶体点阵面的各法线与上述表面抛光面的法线相交的角度。由该测定结果，算出相邻晶体点阵相互的晶体取向关系，算出构成晶体点阵界面的各构成原子在上述晶体点阵相互间共有1个构成原子的阵点(构成原子共有阵点)的分布。用∑N+1表示存在N个(其中，N为刚玉型密排六方晶体的晶体结构上2以上的偶数，在分布频率上N的上限为28时，不存在4、8、14、24和26的偶数。)上述构成原子共有阵点间不共有构成原子的阵点的构成原子共有阵点形态时，求出改性AlZrO层的测定范围内存在的所有晶粒中，在晶粒内部存在至少一个以上的∑3对应界面的晶粒的面积比例，将其值示于表6。
接着，对于现有包覆工具1～15的现有AlZrO层，也通过与本发明包覆工具时的相同的方法，求出现有AlZrO层的测定范围内存在的所有晶粒中，在晶粒内部存在至少一个以上的∑3对应界面的晶粒的面积比例，将其值示于表7。
如表6、表7所示，在本发明包覆工具的改性AlZrO层中，存在∑3对应界面的晶粒的面积比例为60％以上。与此相对，在现有包覆工具的现有AlZrO层中，存在∑3对应界面的晶粒的面积比例为40％以下。可知晶粒内部存在∑3对应界面的比率非常小。
进而使用扫描型电子显微镜测定(纵切面测定)本发明包覆工具1～15和现有包覆工具1～15的硬质包覆层的构成层的厚度。均显示了与目标层厚基本相同的平均层厚(测定5点的平均值)。
另外，对于本发明包覆工具11～15的改性AlZrO层，使用场致发射型扫描电子显微镜，求出垂直于层厚方向的面内存在的大粒径的平坦六边形晶粒的面积比例，将其值示于表6。
应说明的是，本发明所说的“大粒径的平坦六边形”的晶粒是指“计测通过场致发射型扫描电子显微镜观察的垂直于层厚方向的面内存在的粒子的直径，10个粒子的平均值为3～8μm，具有6个顶点的角度为100～140°的顶角的多边形。”。
接着，对于上述本发明包覆工具1～15和现有包覆工具1～15的各种包覆工具，均在工具钢制车刀的前端部用固定夹具螺栓固定，在该状态下进行以下试验。
[切削条件A]
被切削材料：JIS S45C的圆棒
切削速度：450m/min
切深：2.5mm
进给：0.7mm/rev
切削时间：8分钟
在上述条件下进行碳素钢的干式高速高进给切削试验(通常的切削速度和进给量分别是250m/min、0.3mm/rev)。
[切削条件B]
被切削材料：JIS SCM440的圆棒
切削速度：320m/min
切深：2.2mm
进给：0.3mm/rev
切削时间：5分钟
在上述条件下进行铬钼合金钢的干式高速高切深切削试验(通常的切削速度和切深量分别是250m/min、1.5mm)。
[切削条件C]
被切削材料：JIS FC300的圆棒
切削速度：545m/min
切深：5.6mm
进给：0.6mm/rev
切削时间：5分钟
在上述条件下进行铸铁的湿式高速高切深切削试验(通常的切削速度和切深量分别是350m/min、2.5mm)。
所有的切削试验均测定切削刃的后刀面磨耗宽度。该测定结果见表8。
表1
表2
表3
表6
(下部层的栏目的括号内数字是目标层厚)
表7
表8
现有包覆工具的切削试验结果表示直至崩刃或由于后刀面磨耗(寿命判定基准：后刀面磨耗宽度为0.5mm)而达到寿命为止的切削时间(分钟)。
应说明的是，栏中的*符号表示由于崩刃而达到寿命的情况。
由表6～8所示的结果得到如下结论。本发明的包覆工具，其构成上部层的含Zr的氧化铝层(改性AlZrO层)作为平板多边形(平坦六边形)竖长状的晶粒的组织结构而构成，而且晶粒内部存在至少一个以上的∑3对应界面的晶粒的面积比例高。由此，除了现有包覆工具的现有AlZrO层具有的高温硬度、高温强度、耐热性，还兼具格外优异的表面平坦性和格外优异的高温强度。结果，在伴有高发热的同时对切削刃部作用高负荷的高速重切削条件下的切削加工中使用各种钢或铸铁等时，硬质包覆层也可以发挥优异的耐崩刃性、耐缺损性、耐剥离性和格外优异的耐磨性，可进一步延长使用寿命。与此相对，对于蒸镀形成现有AlZrO层作为硬质包覆层的上部层的现有包覆工具1～15，在高速重切削条件下，高温强度不充分，同时易于促进磨耗，结果在较短时间内达到使用寿命。
如上所述，本发明的包覆工具，不要说在各种钢或铸铁等的通常条件下的切削加工，即便是伴有特别高发热的同时对切削刃部作用高负荷的高速重切削条件下的切削加工中，硬质包覆层也显示出优异的耐崩刃性、耐缺损性、耐剥离性和格外优异的耐磨性，经长期使用可发挥优异的切削性。因此，可令人十分满意地应对切削装置的高性能化以及切削加工的省力化和节能化、以及低成本化。
Claims (2)
1.一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面上，蒸镀形成包括下述(a)下部层、(b)上部层的硬质包覆层，
(a)下部层为整体平均层厚为3～20μm的包括Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层、和碳氮氧化物中的1层或2层以上的Ti化合物层，
(b)上部层为具有2～15μm的平均层厚，且具有α型的晶体结构，含有Zr的氧化铝层；
用场致发射型扫描电子显微镜对上述上部层进行组织观察时，具有包括在垂直于层厚方向的面内具有平板多边形、及在平行于层厚方向的面内在层厚方向呈竖长状的晶粒的组织结构，
对于该上部层，使用场致发射型扫描电子显微镜和电子背散射衍射图像装置，对存在于表面抛光面的测定范围内的晶粒逐个照射电子射线，测定包括六方晶晶体点阵的晶体点阵面的各个法线与上述表面抛光面的法线相交的角度，
由该测定结果算出相邻晶体点阵相互的晶体方位关系，算出各个构成晶体点阵界面的构成原子在上述晶体点阵相互间共有1个构成原子的阵点、即构成原子共有阵点的分布，用∑N+1表示存在N个上述构成原子共有阵点间不共有构成原子的阵点的构成原子共有阵点形态时，构成上述上部层的晶粒中，以面积比率计为60％以上的晶粒的内部，被至少一个以上的、包括用∑3表示的构成原子共有阵点形态的晶体点阵界面隔断，
其中，N为刚玉型密排六方晶体的晶体结构上2以上的偶数，在分布频率上N的上限为28时，不存在4、8、14、24和26的偶数。
2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其中，用场致发射型扫描电子显微镜对上述上部层(b)进行组织观察时，在垂直于层厚方向的面内具有平坦六边形、及在平行于层厚方向的面内在层厚方向呈竖长状的晶粒，在垂直于层厚方向的面内占全体35％以上的面积比例。
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