CN102398049B - 耐崩刀的表面包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在硬质合金钢的高速断续切削加工中发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具。在工具基体表面蒸镀形成由下部层、中间层、和上部层构成的硬质包覆层的表面包覆切削工具中，下部层为Ti化合物层，中间层为(0001)面取向率高的α型Al₂O₃层，上部层为混合组织层，具有Al₂O₃相与Cr₂O₃相的混合组织且在比上部层的中间层侧(工具基体侧)更靠上部层的表面侧含有更多的氧化铬，另外，计算在该混合组织层的各晶面中相互邻接的晶粒的界面上，共有1个构成原子的晶格点(构成原子共有晶格点)的分布，以∑N+1表示在所述构成原子共有晶格点之间存在N个不共有构成原子的晶格点的构成原子共有晶格点形态时，在∑3处存在最高峰且∑3在整体∑N+1中所占的分布比例为30～50％。

Description

耐崩刀的表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种即使在伴随高热产生的高速断续切削条件下进行硬化钢等硬质合金钢的切削加工时，硬质包覆层也发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具(以下，称为包覆工具)。

背景技术

以往，公知有如下包覆切削工具(称为以往包覆工具)：在由碳化钨(以下，以WC表示)基超硬合金等构成的基体(以下将这些总称为工具基体)的表面，首先形成Ti碳化物层作为下部层，接着，在其上形成由Al₂O₃与Cr₂O₃的相互固溶体构成的上部层。

专利文献1：日本专利公开昭53-116239号公报

目前为如下现状：近年来，切削装置的高性能化异常显著，另一方面对切削加工的节省劳力化及节能化以及低成本化的要求强烈，伴随此，切削加工具有高速化的倾向，但在上述的以往包覆工具中，将此用于钢或铸铁等的一般条件下的高速断续切削加工时虽然没有问题，但特意将此用于硬化钢等硬质合金钢的伴随高热产生的高速断续切削加工时，在将上述以往的Al₂O₃与Cr₂O₃的相互固溶体作为上部层的硬质包覆层中，不能说具有足够的高温硬度和高温强度，所以容易产生崩刀(微小碎片)，其结果在较短时间内达到使用寿命。

发明内容

因此，本发明者们从如上述的观点考虑，为谋求包覆工具的硬质包覆层的耐崩刀性的提高，进行深入研究的结果，得到以下见解。

作为上述先行技术文献引用的以往包覆工具的硬质包覆层，首先，形成Ti碳化物层作为下部层，接着，在其上交替层压由Al₂O₃构成的层和由Cr₂O₃构成的层之后，通过对此进行热处理形成由Al₂O₃与Cr₂O₃的相互固溶体构成的上部层(以下，以以往(Al、Cr)O层表示)。

但是，本发明者们发现如下现象：若在由Ti化合物构成的下部层表面，首先形成作为中间层的改质氧化铝层(以下，称为改质Al₂O₃层)，通过该改质Al₂O₃层形成Al₂O₃与Cr₂O₃的混合层，而且，在比上部层的中间层侧(工具基体侧)更靠上部层的表面侧形成含有更多氧化铬的混合组织层，则结果可以蒸镀形成高温硬度和高温强度都优异的由Al₂O₃与Cr₂O₃的混合层(以下，以改质(Al、Cr)O层表示)构成的上部层。

上述改质Al₂O₃层可以设为如下而蒸镀形成。

即，用一般化学蒸镀装置，例如在以容量％计，AlCl₃：3～10％、CO₂：0.5～3％、C₂H₄：0.01～0.3％、H₂：余量的反应气体组成，

反应气氛温度：750～900℃，

反应气氛压力：3～13kPa的低温条件下，在由Ti化合物层构成的下部层的表面形成Al₂O₃核，此时，所述Al₂O₃核优选为具有20～200nm的平均层厚的Al₂O₃核薄膜，接着，以在将反应气氛改为压力：3～13kPa的氢气气氛并将反应气氛温度升温至1100～1200℃的条件下，对所述Al₂O₃核薄膜施以加热处理，在这种状态下，可以通过以一般条件形成α型Al₂O₃层而蒸镀形成改质Al₂O₃层。

对上述改质Al₂O₃层制作了倾斜角度数分布图，此时，所述以往Al₂O₃层如图4例示那样，(0001)面的测量倾斜角的分布在0～45度范围内显出无偏倾斜角度数分布图，相反蒸镀形成于所述加热处理Al₂O₃核薄膜上的改质Al₂O₃层如图3例示那样，在倾斜角划分区域的特定位置处出现明显的最高峰，就该明显的最高峰位置而言，根据使所述Al₂O₃核薄膜的平均层厚变化来改变出现于图横轴的倾斜角划分区域的位置，该倾斜角度数分布图如下制作：用场致发射扫描电子显微镜，如图1的(a)、(b)中以简要说明图所示，对存在于截面研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的α型Al₂O₃晶粒分别照射电子射线，测量所述晶粒的晶面(0001)面的法线相对于基体表面的法线所成的倾斜角，按0.25度间距划分所述测量倾斜角中处于0～45度范围内的测量倾斜角，且总计存在于各划分区域内的度数而构成倾斜角度数分布图。

即，由此可知，蒸镀形成于加热处理Al₂O₃核薄膜上的改质Al₂O₃层为具有(0001)面取向率高的α型晶体结构的Al₂O₃层。

而且，对由蒸镀形成于上述改质Al₂O₃层上的上述改质(Al、Cr)O层构成的上部层制作了构成原子共有晶格点分布图，此时，如图5所示，在∑3处存在最高峰且所述∑3在整体∑N+1中所占的分布比例为30～50％，而且，由此可知，该改质(Al、Cr)O层与以往包覆工具的以往(Al、Cr)O层相比，具有更加优异的高温硬度及高温强度，该构成原子共有晶格点分布图如下制作：用场致发射扫描电子显微镜向存在于截面研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测量所述晶粒的晶面(0001)面及(10-10)面的法线相对于所述截面研磨面的法线所成的倾斜角，根据从该结果得到的测量倾斜角，计算在相互邻接的晶粒的界面上，各所述构成原子在所述晶粒相互之间共有1个构成原子的晶格点(构成原子共有晶格点)的分布，以∑N+1表示在所述构成原子共有晶格点之间存在N个(其中，N成为刚玉型密排六方晶系的晶体结构上2以上的偶数，但从分布频率方面考虑，将N的上限设为28时，不存在偶数4、8、14、24、及26)不共有构成原子的晶格点的构成原子共有晶格点形态，求出每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例，由此制作表示每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例的构成原子共有晶格点分布图(此时，从上述结果，不存在∑5、∑9、∑15、∑25、及∑27的构成原子共有晶格点形态)。

此外，关于所述专利文献1中的以往(Al、Cr)O层，与上述相同地制作了表示每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例的构成原子共有晶格点分布图的结果，如图6所示，显出∑3的分布比例为20％以下的相对低的构成原子共有晶格点分布图。即，改质(Al、Cr)O层与以往(Al、Cr)O层不同，蒸镀形成改质Al₂O₃层作为中间层，从而∑3对应粒界的分布比例变得非常高，其结果可知，与以往(Al、Cr)O层相比，高温硬度及高温强度进一步提高。

如上所述，作为硬质包覆层在由Ti化合物层构成的下部层的表面蒸镀形成改质Al₂O₃层作为中间层，并在其上进一步蒸镀形成作为上部层的改质(Al、Cr)O层，这种本发明的包覆工具与以往包覆工具相比，具有更加优异的高温硬度及高温强度，所以即使在伴随高热产生的硬质合金钢的高速断续切削条件中使用时，也发挥优异的耐崩刀性。

该发明是根据上述见解完成的，其具有如下特征，

“(1)一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基超硬合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体表面蒸镀形成由下部层、中间层和上部层构成的硬质包覆层，

所述表面包覆切削工具通过蒸镀形成由以下(a)～(c)构成的硬质包覆层而构成：

(a)下部层为Ti化合物层，该Ti化合物层由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的1层或2层以上构成且具有3～20μm的整体平均层厚；

(b)中间层为α型氧化铝层，该α型氧化铝层在化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构且具有1～3μm的平均层厚，

对该中间层用倾斜角度数分布图表示，此时，在0～10度范围内的倾斜角划分区域处存在最高峰，且在所述0～10度范围内存在的度数的合计占倾斜角度数分布图中的度数整体的45％以上比例，该倾斜角度数分布图如下制作：用场致发射扫描电子显微镜对存在于截面研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测量所述晶粒的晶面(0001)面的法线相对于基体表面的法线所成的倾斜角，按0.25度间距划分所述测量倾斜角中处于0～45度范围内的测量倾斜角，且总计存在于各划分区域内的度数而构成倾斜角度数分布图；

(c)上部层为α型氧化铝相与氧化铬相的混合组织层，该混合组织层在化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构且具有2～15μm的平均层厚，而且，具有在α型氧化铝相的基础材料中分散分布氧化铬相的组织，另外，在比上部层的中间层侧(工具基体侧)更靠上部层的表面侧含有更多氧化铬，

该层在构成原子共有晶格点分布图中，在∑3处存在最高峰且所述∑3在整体∑N+1中所占的分布比例为30～50％，该构成原子共有晶格点分布图如下制作：用场致发射扫描电子显微镜对存在于截面研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测量所述晶粒的晶面(0001)面及(10-10)面的法线相对于所述截面研磨面的法线所成的倾斜角，根据从该结果得到的测量倾斜角，计算在相互邻接的晶粒的界面上，各所述构成原子在所述晶粒相互之间共有1个构成原子的晶格点(构成原子共有晶格点)的分布，以∑N+1表示在所述构成原子共有晶格点之间存在N个(其中，N成为刚玉型密排六方晶系的晶体结构上2以上的偶数，但从分布频率方面考虑，将N的上限设为28)不共有构成原子的晶格点的构成原子共有晶格点形态时，求出每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例，由此制作表示每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例的构成原子共有晶格点分布图；

(2)上述(1)记载的表面包覆切削工具，其特征在于，混合组织层为氧化铬含量从上部层的中间层侧(工具基体侧)朝向上部层的表面侧连续增加的混合组织层；

(3)上述(1)记载的表面包覆切削工具，其特征在于，混合组织层是作为上部内面层和上部外面层的层压结构而构成的混合组织层，所述上部内面层中形成于上部层的中间层侧(工具基体侧)的氧化铬含量少，所述上部外面层中形成于上部层的表面侧的氧化铬含量多。”

以下对此发明的包覆工具的硬质包覆层的结构层进行详细说明。

下部层的Ti化合物层：

Ti化合物层作为改质Al₂O₃层的下部层而存在，除了通过自身所具备的优异的高温强度有助于提高硬质包覆层的高温强度以外，还有均牢固附着于工具基体和改质Al₂O₃层而提高对硬质包覆层的工具基体的附着性的作用，但如果其平均层厚不到3μm，就无法充分发挥所述作用，另一方面若其平均层厚超过20μm，则尤其在高速断续切削中因热冲击而容易引起热塑性变形，这成为偏磨的原因，所以将其平均层厚定为3～20μm。

中间层的改质Al₂O₃层：

构成中间层的改质Al₂O₃层可以通过如下形成：在一般化学蒸镀装置中，例如在以容量％计，AlCl₃：3～10％、CO₂：0.5～3％，C₂H₄：0.01～0.3％、H₂：余量的反应气体组成，

反应气氛温度：750～900℃，

反应气氛压力：3～13kPa的低温条件下，在由Ti化合物层构成的下部层的表面形成Al₂O₃核，此时，所述Al₂O₃核优选为具有20～200nm的平均层厚的Al₂O₃核薄膜，接着，在将反应气氛改为压力：3～13kPa的氢气气氛并将反应气氛温度升温至1100～1200℃的条件下，对所述Al₂O₃核薄膜施以加热处理，在这种状态下，可以通过以一般条件蒸镀α型Al₂O₃层而形成。

中间层的改质Al₂O₃层具备优异的高温硬度，不仅有助于提高耐磨性，而且均牢固附着于下部层的Ti化合物层及上部层的改质(Al、Cr)O层而提高作为硬质包覆层整体的剥离强度。

另外，上述改质Al₂O₃层用倾斜角度数分布图表示，此时，在0～10度范围内的倾斜角划分区域处存在最高峰，且存在于所述0～10度范围内的度数的合计占倾斜角度数分布图中的度数整体的45％以上比例，且(0001)面取向率高，该倾斜角度数分布图如下制作：用场致发射扫描电子显微镜对存在于截面研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测量所述晶粒的晶面(0001)面的法线相对于基体表面的法线所成的倾斜角，按0.25度间距划分所述测量倾斜角中处于0～45度范围内的测量倾斜角，且总计存在于各划分区域内的度数而构成倾斜角度数分布图。

而且，通过在这种(0001)面取向率高的改质Al₂O₃层上蒸镀形成作为上部层的改质(Al、Cr)O层(α型氧化铝相与氧化铬相的混合组织层)，尽管在该改质(Al、Cr)O层中含Cr成分，也以较高的比例形成∑3对应粒界而提高粒界强度，其结果，改质(Al、Cr)O层具备优异的高温硬度，同时具备优异的高温强度。

即，中间层的改质Al₂O₃层担负如提高上部层的改质(Al、Cr)O层的∑3对应粒界的比例这种较大任务。

在有关上述改质Al₂O₃层的倾斜角度数分布图中，存在于0～10度范围内的度数的合计不到倾斜角度数分布图中的度数整体的45％时，无法期待上部层中的∑3对应粒界的比例增加，所以通过在加热处理Al₂O₃核薄膜上进一步蒸镀α型Al₂O₃层来形成改质Al₂O₃层时，优选将Al₂O₃核薄膜的平均层厚设为20～200nm。

此外，如果由改质Al₂O₃层构成的中间层的平均层厚不到1μm时，(0001)面取向率就成为不到45％，另一方面，平均层厚超过3μm时，与作为上部层的改质(Al、Cr)O层的粘合强度下降，所以其平均层厚定为1～3μm。

上部层的改质(Al、Cr)O层：

构成上部层的改质(Al、Cr)O层可通过如下形成：在一般化学蒸镀装置中，例如在以容量％计，AlCl₃：6～10％、CrCl₃：0.4～1.2％，CO₂：10～15％、HCl：3～5％、H₂S：0.05～0.2％、H₂：余量的反应气体组成，

反应气氛温度：950～1000℃，

反应气氛压力：3～5kPa的条件下，并且，至少在蒸镀反应结束之前使反应气体中的CrCl₃的含有比例增加而蒸镀上部层。

上部层的改质(Al、Cr)O层表示在α型氧化铝相的基础材料上分散分布氧化铬相的混合组织层，构成基础材料的α型氧化铝相尤其能提高层的高温硬度及耐热性，并且分散分布于基础材料中的氧化铬相尤其能提高高温强度和耐热塑性变形。

并且，由改质(Al、Cr)O层构成的上部层在构成原子共有晶格点分布图中，在∑3处存在最高峰且所述∑3在整体∑N+1中所占的分布比例为30～50％，该构成原子共有晶格点分布图如下制作：用场致发射扫描电子显微镜对存在于截面研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测量所述晶粒的晶面(0001)面及(10-10)面的法线相对于所述截面研磨面的法线所成的倾斜角，根据从该结果得到的测量倾斜角，计算在相互邻接的晶粒的界面上，各所述构成原子在所述晶粒相互之间共有1个构成原子的晶格点(构成原子共有晶格点)的分布，以∑N+1表示在所述构成原子共有晶格点之间存在N个(其中，N成为刚玉型密排六方晶系的晶体结构上2以上的偶数，但从分布频率方面考虑，将N的上限设为28)不共有构成原子的晶格点的构成原子共有晶格点形态时，求出每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例，由此制作表示每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例的构成原子共有晶格点分布图。

即，将改质Al₂O₃层作为中间层来设置，在其上蒸镀形成上部层的改质(Al、Cr)O层，由此增加∑3对应粒界的比例而提高粒界强度，所以其结果，改质(Al、Cr)O层成为高温硬度、高温强度更加优异的层而使耐崩刀性、耐热缺损性提高。

另外，在本发明中，为了使上部层兼具高温强度和耐热冲击性，由在比上部层的中间层侧(工具基体侧)更靠上部层的表面侧含有更多氧化铬(Cr成分)的改质(Al、Cr)O层构成上部层的结构。

由此，即使将本发明的包覆工具提供至硬质合金钢的高速断续切削加工时，也能够充分且同时发挥优异的耐崩刀性和耐磨性。

例如，若由倾斜组成混合组织层构成上部层，则在氧化铬含量少的中间层侧(工具基体侧)的区域(即，与中间层的界面)中，∑3对应粒界的分布比例相对变高，所以粒界强度提高并显出优异的高温强度，并且，在氧化铬含量多的上部层的表面侧的区域中，Cr成分的含量高，所以耐热冲击性相对提高，作为上部层整体的耐崩刀性提高，同时抑制偏磨等的产生并提高耐磨性。

此外，为了将∑3对应粒界的分布比例设为上述30～50％，需要使上部层中的Cr在Cr与Al的总量中所占的含有比例(Cr/(Al+Cr))为0.05～0.2，Cr含有比例不到0.05时，即使可以增加∑3对应粒界的分布比例，上部层的耐热塑性变形性也会变得不充分，存在由偏磨的产生等引起的耐磨性劣化的忧虑。另一方面，如Cr含有比例超过0.2时，∑3对应粒界的分布比例变为不到30％，从而无法期待高温强度的提高。优选的Cr含有率，在上部内面层中为0.05～0.1，在上部外面层中为0.1～0.2.

由改质(Al、Cr)O层构成的上部层如果其平均层厚不到2μm时，就无法发挥优异的高温强度，另一方面，若其平均层厚超过15μm，则容易产生崩刀等，所以其平均层厚定为2～15μm。

此外，从防止崩刀产生等观点考虑，由改质Al₂O₃层构成的中间层和由改质(Al、Cr)O层构成的上部层的合计平均层厚优选设为3～15μm。

发明效果

此本发明的包覆工具即使在伴随高发热的高速断续切削条件下进行硬化钢等硬质合金钢的切削加工中使用时，设置改质Al₂O₃层作为硬质包覆层的中间层，另外，在其上进一步设置提高了∑3对应粒界的分布比例的改质(Al、Cr)O层，由此硬质包覆层也具备优异的高温硬度和高温强度，其结果，在长期使用中发挥更加优异的耐崩刀性。

附图说明

图1是表示(Al、Cr)O层及α型Al₂O₃层中的晶粒的(0001)面及(10-10)面的倾斜角的测量状态的简要说明图。

图2是表示相互邻接的晶粒的界面处的构成原子共有晶格点形态的单位形态的示意图，(a)表示∑3的单位形态，(b)表示∑7的单位形态，(c)表示∑11的单位形态。

图3是本发明的包覆工具3的改质Al₂O₃层的倾斜角度数分布图。

图4是比较包覆工具4的以往Al₂O₃层的倾斜角度数分布图。

图5是本发明的包覆工具3的改质(Al、Cr)O层的构成原子共有晶格点分布图。

图6是比较包覆工具4的以往(Al、Cr)O层的构成原子共有晶格点分布图。

具体实施方式

接着，通过实施例进一步具体说明此发明的包覆工具。

[实施例]

作为原料粉末，准备均具有平均粒径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、及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，进一步加入石蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥之后，以98MPa的压力挤压成型为预定形状的压坯，在5Pa的真空中，在1370～1470℃的范围内的预定温度中保持1小时的条件下真空烧结该压坯，烧结之后，对刀刃部施以R：0.07mm的珩磨加工，由此分别制造了具有ISO·CNMG160412规定的多刃刀片形状的WC基超硬合金制的工具基体A～F。

并且，作为原料粉末，准备均具有平均粒径0.5～2μm的TiCN(以质量比计，为TiC/TiN＝50/50)粉末、Mo₂C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末，及Ni粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，用球磨机湿式混合24小时，干燥之后，以98MPa的压力挤压成型为压坯，在1.3kPa的氮气气氛中，在以温度：1540℃中保持1小时的条件下烧结该压坯，烧结之后，对刀刃部施以R：0.07mm的珩磨加工，由此分别形成了具有ISO规格·CNMG16412的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体a～f。

接着，将这些工具基体A～F及工具基体a～f分别装入一般化学蒸镀装置中，首先，用表3(表3中的1-TiCN表示日本专利公开平6-8010号公报中记载的具有纵长生长结晶组织的TiCN层的形成条件，除此以外表示一般的粒状结晶组织的形成条件)所示的条件，以表8、9所示的组合及目标层厚蒸镀形成Ti化合物层作为硬质包覆层的下部层，接着，同样用表4所示的条件，以表8、9所示的组合及目标层厚蒸镀形成改质Al₂O₃层作为硬质包覆层的中间层。

接着，用表5所示的条件，以表8所示的组合及目标层厚蒸镀形成由倾斜组成混合组织层构成的改质(Al、Cr)O层作为硬质包覆层的上部层，由此分别制造了本发明的包覆工具1～10。

并且，用表6所示的条件下，以表9所示的组合及各自的目标层厚蒸镀形成有层压结构混合组织层构成的改质(Al、Cr)O层作为硬质包覆层的上部层，由此分别制造了本发明的包覆工具11～20。

从比较的目的考虑，如表10所示，用表3所示的条件以表10所示的目标层厚形成以往α型Al₂O₃层作为硬质包覆层的中间层，且用表7所示的(Al、Cr)O层形成条件以表10所示的组合及目标层厚蒸镀形成以往(Al、Cr)O作为硬质包覆层的上部层，由此分别制造了比较包覆工具1～10。

接着，对上述本发明的包覆工具1～20及比较包覆工具1～10的构成硬质包覆层的中间层的改质Al₂O₃层及以往Al₂O₃层各自分别制作倾斜角度数分布图，该倾斜角度数分布图如下制作：用场致发射扫描电子显微镜对存在于截面研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测量所述晶粒的晶面(0001)面的法线相对于基体表面的法线所成的倾斜角，按0.25度间距划分所述测量倾斜角中处于0～45度范围内的测量倾斜角，且总计存在于各划分区域内的度数而构成倾斜角度数分布图。

即，通过如下过程制作：在将与工具基体表面垂直的面分别设为研磨面的状态下，设处于场致发射扫描电子显微镜的镜筒内，以与所述研磨面70度的入射角度且以1nA的照射电流对存在于各自所述研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射15kV的加速电压的电子线，用电子背散射衍射装置在30×50μm的区域以0.1μm/step的间隔测量所述晶粒的晶面(0001)面的法线相对于基体表面的法线所成的倾斜角，根据该测量结果，按0.25度的间距划分所述测量倾斜角中处于0～45度范围内的测量倾斜角，且总计存在于各划分区域内的度数。

从该结果得到的各种改质Al₂O₃层及以往Al₂O₃层的倾斜角度数分布图求出最高峰所存在的倾斜角划分区域、及存在于0～10度范围内的度数的合计在倾斜角度数分布图中的度数整体中所占的比例，将该值分别示于表8～10。

如表8、9中分别所示，在上述各种倾斜角度数分布图中，本发明的包覆工具的改质Al₂O₃层在0～10度范围内都存在最高峰且倾斜角度数分布图中存在于0～10度范围内的度数的合计在度数整体中所占的比例显出45％以上，相反以往Al₂O₃层如表10中分别所示，在0～10度范围内都不存在最高峰，而且存在于0～10度范围内的度数的合计比例为小值，没有向特定方向的(0001)面的取向性。

此外，图3表示本发明的包覆工具3的改质Al₂O₃层的倾斜角度数分布图，图4表示比较包覆工具4的以往Al₂O₃层的倾斜角度数分布图。

接着，用场致放射扫描电子显微镜对构成上述本发明的包覆工具1～20及比较包覆工具1～10的硬质包覆层的上部层的改质(Al、Cr)O层及以往(Al、Cr)O层各自，分别制作了构成原子共有晶格点分布图。

即，上述构成原子共有晶格点分布图通过如下制作：在将上述改质(Al、Cr)O层及以往(Al、Cr)O层的截面分别设为研磨面的状态下，设置于场致发射扫描电子显微镜的镜筒内，以与所述研磨面70度的入射角度且以1nA的照射电流对存在于所述截面研磨面的测量范围内的晶粒分别照射15kV的加速电压的电子线，用电子背散射衍射装置在30×50μm的区域以0.1μm/step的间隔测量所述晶粒的晶面(0001)面及(10-10)面的法线相对于所述截面研磨面的法线所成的倾斜角，根据从该结果得到的测量倾斜角，如图2所示，计算在相互邻接的晶粒的界面上，各所述构成原子在所述晶粒相互之间共有1个构成原子的晶格点(构成原子共有晶格点)的分布，以∑N+1表示在所述构成原子共有晶格点之间存在N个(其中，N成为刚玉型密排六方晶系的晶体结构上2以上的偶数，但从分布频率方面考虑，将N的上限设为28时，不存在偶数4、8、14、24、及26)不共有构成原子的晶格点的构成原子共有晶格点形态时，求出每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例，由此制作构成原子共有晶格点分布图。

在该结果得到的各种改质(Al、Cr)O层及以往(Al、Cr)O层的构成原子共有晶格点分布图中，分别求出∑3在整体∑N+1(从上述结果，∑3、∑7、∑11、∑13、∑17、∑19、∑21、∑23、及∑29各自的分布比例的合计)中所占的分布比例，将该值分别示于表8～10。

另外，关于本发明的倾斜组成混合组织层，将沿该层的层厚方向的中间位置的∑3的分布比例的值设为“∑3的分布比例的平均值”而示于表8。并且，关于本发明的层压结构混合组织层，分别将“上部内面层的∑3的分布比例”及“上部外面层的∑3的分布比例”的值示于表9。

在上述各种构成原子共有晶格点分布图中，如表8、9中分别所示，本发明的包覆工具的改质(Al、Cr)O层均显出∑3所占的分布比例为30～50％的构成原子共有晶格点分布图，相反比较包覆工具的以往(Al、Cr)O层，如表10中分别所示，均显出∑3的分布比例为20％以下的构成原子共有晶格点分布图，且∑3对应粒界的分布比例较小。

此外，图5表示本发明的包覆工具3的改质(Al、Cr)O层的构成原子共有晶格点分布图，图6表示比较包覆工具4的以往(Al、Cr)O层的构成原子共有晶格点分布图。

并且，用扫描电子显微镜测量(测量纵截面)本发明的包覆工具1～20及比较包覆工具1～10的硬质包覆层的各结构层的厚度的结果，均显出实际上与目标层厚相同的平均层厚(5点测量的平均值)。

接着，对于上述本发明的包覆工具1～20及比较包覆工具1～10，均以使用固定夹具拧紧在工具钢制切刀的前端部的状态，进行在

被切削材料：JIS·SCr420H的沿长度方向等间隔配置的4条有纵槽圆棒、

切削速度：250m/min、

吃刀深度：0.10mm、

给料速度：0.15mm/rev、

切削时间：3分钟的条件(称为切削条件A)下的硬化铬钢的干式高速断续切削试验(一般的切削速度为200m/min)；

在

被切削材料：JIS·SCM415H的沿长度方向等间隔配置的4条有纵槽圆棒、

切削速度：250m/min、

吃刀深度：0.10mm、

给料速度：0.17mm/rev、

切削时间：3分钟的条件(称为切削条件B)下的硬化铬钼钢的干式高速断续切削试验(一般的切削速度为200m/min)，在所有切削试验中测量了刀刃后刀面的磨损宽度。将该测量结果示于表11。

从表8～11中所示的结果明确了如下内容：本发明的包覆工具1～20在由改质Al₂O₃层构成的中间层上形成有上部层，该上部层在比上部层的中间层侧(工具基体侧)更靠上部层的表面侧含有更多氧化铬，而且由∑3对应粒界的分布比例高的混合组织层(改质(Al、Cr)O层)构成，由此即使在伴随高热产生冲击的硬质合金钢的高速断续切削中，硬质包覆层也具有优异的高温硬度及高温强度，显出优异的耐崩刀性，相反在以往Al₂O₃层上形成有∑3对应粒界的分布比例少的以往(Al、Cr)O层的比较包覆工具在硬质合金钢的高速断续切削加工中，硬质包覆层的高温硬度、高温强度尤其不充分，因此在硬质包覆层产生崩刀，较短时间内达到使用寿命。

工业实用性

如上所述，此发明的包覆工具不仅在需要高温硬度、高温强度的硬质合金的伴随高热产生的高速断续切削加工中使用，而且还可以在各种钢或铸铁等的一般条件下的断续切削加工或断续切削加工中使用，具备对各种被切削材料的通用性，而且长期发挥优异的切削性能，所以能充分满足地对应切削装置的高性能化及切削加工的省劳力化及节能化、以及低成本化。

Claims (3)

1.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基超硬合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面蒸镀形成由下部层、中间层和上部层构成的硬质包覆层，其特征在于，

所述表面包覆切削工具通过蒸镀形成由以下(a)～(c)构成的硬质包覆层而构成：

(a)下部层为Ti化合物层，所述Ti化合物层由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层、及碳氮氧化物层中的1层或2层以上构成且具有3～20μm的整体平均层厚；

(b)中间层为α型氧化铝层，所述α型氧化铝层在化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构且具有1～3μm的平均层厚，

对该中间层用倾斜角度数分布图表示，此时，在0～10度范围内的倾斜角划分区域处存在最高峰，且在所述0～10度范围内存在的度数的合计占倾斜角度数分布图中的度数整体的45％以上比例，所述倾斜角度数分布图如下制作：用场致发射扫描电子显微镜对存在于截面研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测量所述晶粒的晶面(0001)面的法线相对于基体表面的法线所成的倾斜角，按0.25度间距划分所述测量倾斜角中处于0～45度范围内的测量倾斜角，且总计存在于各划分区域内的度数而构成倾斜角度数分布图；

(c)上部层为α型氧化铝相与氧化铬相的混合组织层，所述混合组织层在化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构且具有2～15μm的平均层厚，而且，具有在α型氧化铝相的基础材料中分散分布氧化铬相的组织，另外，在比上部层的中间层侧，即工具基体侧更靠上部层的表面侧含有更多氧化铬，

该层在构成原子共有晶格点分布图中，在∑3处存在最高峰且所述∑3在整体∑N+1中所占的分布比例为30～50％，所述构成原子共有晶格点分布图如下制作：用场致发射扫描电子显微镜对存在于截面研磨面的测量范围内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测量所述晶粒的晶面(0001)面及(10-10)面的法线相对于所述截面研磨面的法线所成的倾斜角，根据从该结果得到的测量倾斜角，计算在相互邻接的晶粒的界面上，各所述构成原子在所述晶粒相互之间共有1个构成原子的晶格点，即构成原子共有晶格点的分布，以∑N+1表示在所述构成原子共有晶格点之间存在N个不共有构成原子的晶格点的构成原子共有晶格点形态时，求出每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例，由此制作表示每个∑N+1在整体∑N+1中所占的分布比例的构成原子共有晶格点分布图，其中，N为刚玉型密排六方晶系的晶体结构上2以上的偶数，但从分布频率方面考虑，将N的上限设为28。

2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

混合组织层为氧化铬含量从上部层的中间层侧，即工具基体侧朝向上部层的表面侧连续增加的混合组织层。

3.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

混合组织层是作为上部内面层和上部外面层的层压结构而构成的混合组织层，所述上部内面层形成于上部层的中间层侧，即工具基体侧，所述上部外面层形成于上部层的表面侧。