JP2007296624A - 硬質被覆層が高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質被覆層が高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体の表面に、（ａ）下部層が、化学蒸着により形成されたＴｉ化合物層、（ｂ）中間層が、化学蒸着により形成されたα型Ａｌ₂Ｏ₃層、（ｃ）上部層が、特定の組成式：（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ａｌ_ＸＭ_Ｙ）Ｎであり、Ｍは、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｂから選ばれた１種または２種以上の添加成分を示す）を満足する物理蒸着により形成されたＴｉとＡｌ（とＭ）の複合窒化物層、で構成された５〜３０μｍの全体平均層厚の硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具において、中間層を構成するα型Ａｌ₂Ｏ₃層の個々の結晶粒の（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、４５〜９０度の範囲を傾斜角度数分布グラフで表した場合、８３〜９０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、この度数合計が、度数全体の４５％以上となるα型Ａｌ₂Ｏ₃層で中間層を構成する。
【選択図】なし

Description

この発明は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を高速で行った場合にも、硬質被覆層が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。

従来、一般に、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）下部層が、いずれも化学蒸着形成された、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１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）中間層が、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有するＡｌ_２Ｏ_３層（以下、α型Ａｌ_２Ｏ_３層という）、
（ｃ）上部層が、１〜１０μｍの平均層厚を有し、かつ、組成式：（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ａｌ_ＸＭ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、０．３０≦Ｘ≦０．７０、かつ、Ｙ＝０あるいは０．０１≦Ｙ≦０．１０であり、また、Ｍは、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｂから選ばれた１種または２種以上の添加成分を示す）を満足する物理蒸着により形成されたＴｉとＡｌ（とＭ）の複合窒化物（以下、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎで示す）層、
以上（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を、化学蒸着法と物理蒸着法とを組み合わせて蒸着形成した被覆工具が知られており、そして、化学蒸着法と物理蒸着法とを組み合わせたことにより、硬質被覆層の密着性を高めるとともに硬質被覆層に圧縮残留応力を付与することができ、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ることは良く知られている。

また、上記の被覆工具の下部層を構成するＴｉ化合物層や、中間層を構成するα型Ａｌ_２Ｏ_３層が粒状結晶組織を有し、そして、前記Ｔｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、層自身の強度向上を目的として、通常の化学蒸着装置にて、反応ガスとして有機炭窒化物を含む混合ガスを使用し、７００〜９５０℃の中温温度域で化学蒸着することにより形成して縦長成長結晶組織をもつようにすることも知られている。
さらに、上記被覆工具の上部層を構成するＴｉとＡｌ（とＭ）の複合窒化物層（（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層）が、例えば、図１の概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＴｉ−Ａｌ（−Ｍ）合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電流：９０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、そして、上記工具基体に、例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加することにより、工具基体の表面に、上記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層を蒸着することにより製造されることも知られている。
特開昭６２−１９２５７６号公報 特開平５−１７７４１３号公報 特開２００５−２９７１４３号公報

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、切削加工は一段と高速化する傾向にあり、上記の従来被覆工具においては、化学蒸着法と物理蒸着法とを組み合わせて硬質被覆層を形成することにより、硬質被覆層の密着性、耐欠損性、耐摩耗性を高めており、これを通常の条件での鋼、鋳鉄などの連続切削、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う高速切削条件で用いた場合には、硬質被覆層を構成するα型Ａｌ_２Ｏ_３層の耐摩耗性が不十分となり、摩耗が急速に進行するようになり、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記のα型Ａｌ_２Ｏ_３層が硬質被覆層の中間層を構成する被覆工具に着目し、特に前記α型Ａｌ_２Ｏ_３層の耐摩耗性向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）上記の従来被覆工具の中間層を構成するα型Ａｌ_２Ｏ_３層（以下、従来α型Ａｌ₂Ｏ₃層という）は、一般に、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：１〜５％、ＣＯ₂：３〜７％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ₂Ｓ：０．０２〜０．４％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：９５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１３ｋＰａ、
の条件（以下、通常条件という）で形成されるが、この通常条件形成の従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図２（ａ），（ｂ）に概略説明図で示される通り、表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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すると、図４に例示される通り、（０００１）面の測定傾斜角の分布が４５〜９０度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示すこと。

（ｂ）一方、上記の従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層に代って、同じく通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ₃：１〜５％、ＣＯ₂：３〜７％、ＨＣｌ：０．３〜３％、ＳＦ_６：０．１〜１％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：５５〜８０ｋＰａ、
の相対的に低温高圧条件で、かつ反応ガスとして、Ｈ₂Ｓに代ってＳＦ_６を使用する条件で形成すると、この結果形成されたα型Ａｌ_２Ｏ_３層（以下、改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層という）は、同じく電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図２（ａ），（ｂ）に示される通り、同じく表面研磨面の測定範囲内に存在する六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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で表した場合、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、試験結果によれば、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を、上記の通り５５〜８０ｋＰａの範囲内で変化させると、上記シャープな最高ピークの現れる位置が傾斜角区分の８３〜９０度の範囲内で変化すると共に、前記８３〜９０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ようになり、この結果の傾斜角度数分布グラフにおいて８３〜９０度の範囲内に傾斜角区分の最高ピークが現れる改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層は、上記の通常条件形成の従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層に比して、一段とすぐれた耐摩耗性を示すこと。

（ｃ）したがって、化学蒸着により形成されたＴｉ化合物層からなる下部層、同じく化学蒸着により形成されたＡｌ_２Ｏ_３層からなる中間層、物理蒸着により形成された（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層によって構成された硬質被覆層において、中間層である従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層に代えて、表面研磨面の測定で、（０００１）面の測定傾斜角の分布が８３〜９０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８３〜９０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改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層で構成してなる被覆工具は、高速切削条件で切削加工を行っても、前記硬質被覆層の中間層が、同じく（０００１）面の測定傾斜角の分布が４５〜９０度の範囲内で不偏的な傾斜角度数分布グラフを示す前記従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層で構成された従来被覆工具に比して、一段とすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。

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、工具基体の表面に、
（ａ）下部層が、いずれも化学蒸着により形成された、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、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）中間層が、化学蒸着により形成された１〜１５μｍの平均層厚を有するα型Ａｌ₂Ｏ₃層、
（ｃ）上部層として、１〜１０μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ａｌ_ＸＭ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、０．３０≦Ｘ≦０．７０、かつ、Ｙ＝０あるいは０．０１≦Ｙ≦０．１０であり、また、Ｍは、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｂから選ばれた１種または２種以上の添加成分を示す）を満足する物理蒸着により形成されたＴｉとＡｌの複合窒化物層あるいはＴｉとＡｌとＭの複合窒化物層、
以上（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を５〜３０μｍの全体平均層厚で蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
中間層を構成する酸化アルミニウム層を、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六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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で表した場合、８３〜９０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８３〜９０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酸化アルミニウム層（改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層）で構成してなる、
硬質被覆層が高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具に特徴を有するものである。

以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉ化合物層は、基本的には改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層の下部層として存在し、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層が高温強度を具備するようにするほか、工具基体と改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層のいずれにも強固に密着し、よって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有するが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴う高速切削では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、その平均層厚を３〜２０μｍと定めた。

（ｂ）改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層（中間層）
上記の通り、改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層の傾斜角度数分布グラフにおける測定傾斜角の最高ピーク位置は、化学蒸着装置における反応雰囲気圧力を変化させることによって変化するが、試験結果によれば、前記反応雰囲気圧力を、５５〜８０ｋｐａとすると、最高ピークが、８３〜９０度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記８３〜９０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ようになるものであり、したがって、前記反応雰囲気圧力が前記範囲から低い方に外れても高い方に外れても、測定傾斜角の最高ピーク位置は８３〜９０度の範囲から外れてしまい、このような場合には所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができないものである。
さらに、改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層は、圧縮応力が残留する上部層と引張応力が残留する下部層の両層の境界面にあって、境界界面に発生する大きな残留内部応力を、そのクーリングクラックによって緩和する機能を果たし、その結果として、チッピングの発生を抑制するという作用も有する。
そして、改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層全体の平均層厚が１μｍ未満では、これのもつすぐれた特性を十分に発揮させることができず、一方その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなりすぎると、切刃部にチッピング（微少欠け）が発生し易くなることから、その全体平均層厚を１〜１５μｍと定めた。

（ｃ）ＴｉとＡｌ（とＭ）の複合窒化物層（上部層）
上部層を構成するＴｉとＡｌ（とＭ）の複合窒化物層（（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層）の構成成分であるＡｌ成分には硬質被覆層における高温硬さと耐熱性を向上させ、また、同Ｔｉ成分には高温強度を向上させる作用がある。さらに、上記複合窒化物層に含有される添加成分ＭとしてのＳｉは、該層の耐熱性および耐熱塑性変形性向上に寄与し、Ｃｒは、耐熱性および高温強度の向上に寄与し、Ｖは、潤滑性向上に寄与し、Ｙは、高温耐酸化性の向上に寄与し、さらに、Ｂは、熱伝導性の向上に寄与し、いずれの添加成分も、上部層の特性を向上させる作用があることから、上部層の所望特性に応じて、添加成分Ｍとして、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｂの１種または２種以上を上部層中に含有させることができる。
そして、Ａｌの割合を示すＸ値がＴｉとＭとの合量に占める割合（原子比、以下同じ）で０．３０未満になると、所定の高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、これが耐摩耗性低下の原因となり、一方Ａｌの割合を示すＸ値が同０．７０を越えると、相対的にＴｉの割合が０．３０未満となってしまい、高い発熱を伴う高速切削加工で必要とされる高温強度を確保することができず、チッピングの発生を防止することが困難になることから、Ｘ値を０．３０〜０．７０と定めた。
また、添加成分ＭとしてのＳｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｂは、各成分の合計含有割合が、ＴｉとＡｌとの合量に占める割合で０．０１未満では、各成分元素を含有させたことによる効果が期待できず、一方、各成分の合計含有割合が、ＴｉとＡｌとの合量に占める割合で０．１を越えると、相対的に、ＴｉとＡｌの含有割合が低下してしまい、高い発熱を伴う高速切削加工で要求される上部層の高温硬さ、耐熱性、高温強度を維持できなくなるために、添加成分Ｍの合計含有割合を表すＹ値を０．０１〜０．１０と定めた。
また、上部層の平均層厚が１μｍ未満では、自身のもつすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方その平均層厚が１０μｍを越えると、高速切削加工時にチッピングが発生し易くなることから、上部層の平均層厚を１〜１０μｍと定めた。

なお、改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層（中間層）上に、ＴｉとＡｌ（とＭ）の複合窒化物層（上部層）を形成するにあたり、改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層（中間層）の表面上に、予め化学蒸着で０．１〜１．０μｍのＴｉＮ層を形成しておけば、より容易に物理蒸着で上部層を形成することができる。
さらに、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、必要に応じて硬質被覆層の最表面層とし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による。

この発明の被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工を高速で行っても、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉ化合物層がすぐれた高温強度を備えるとともに上部層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層がすぐれた高温硬さと高温強度を備え、さらに、硬質被覆層の中間層を構成する改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層が、特に一段とすぐれた耐摩耗性を発揮することから、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。

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。

原料粉末として、いずれも０．５〜３μｍ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、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：０．０５ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８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。

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・ＣＮＭＧ１２０４０８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。

ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｆおよび工具基体ａ〜ｆのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
（ａ）まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣ_０．５Ｎ_０．５層は特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表４に示される組み合わせおよび目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として化学蒸着で形成し、
（ｂ）ついで、表３に示される低温高圧条件で、表４に示される組み合わせおよび目標層厚で、同じく中間層である改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層を化学蒸着で形成し、
（ｃ）ついで、中間層である改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層と、上部層となる（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層との密着性を確保するために、表３に示される条件で０．１〜１．０μｍの目標層厚のＴｉＮ層を密着接合層として化学蒸着で形成し、
（ｄ）その後、下部層、中間層および密着接合層を化学蒸着した上記工具基体Ａ〜Ｆ、ａ〜ｆのそれぞれを、図１に概略示されるアークイオンプレーティング装置に装入し、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して４Ｐａの反応雰囲気とすると共に、工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつカソード電極の上部層形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｍ合金とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に、表４、表５に示される目標組成、目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層からなる上部層を１〜１０μｍの平均層厚で蒸着形成することにより、本発明被覆工具１〜２６をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、硬質被覆層の中間層として、表３に示される通常条件で、表６、表７に示される組み合わせおよび目標層厚で、従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層を蒸着形成する以外は、上記の本発明被覆工具１〜２６のそれぞれと対応して同じ条件で従来被覆工具１〜２６をそれぞれ製造した。

ついで、上記の本発明被覆工具１〜２６および従来被覆工具１〜２６の硬質被覆層の中間層を構成する改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層および従来α型Ａｌ_２Ｏ_３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、上記改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層および従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層のそれぞれ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、それぞれの前記研磨面の測定範囲内に存在する六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、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）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、４５〜９０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。

この結果得られた各種のα型Ａｌ_２Ｏ_３層の傾斜角度数分布グラフにおいて、表４、表５にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具１〜２６の改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が、８３〜９０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れ、かつ前記８３〜９０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のに対して、表６、表７に示されるとおり、従来被覆工具１〜２６の従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が４５〜９０度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在せず、かつ前記８０〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、度数全体の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。
また表４〜表７には、上記の各種のα型Ａｌ_２Ｏ_３層の傾斜角度数分布グラフにおいて、それぞれ８３〜９０度の範囲内の傾斜角区分に存在する全傾斜角度数の傾斜角度数分布グラフ全体に占める割合を示した。
なお、図３は、本発明被覆工具１の改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層の傾斜角度数分布グラフ、図４は、従来被覆工具１の従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層の傾斜角区分を示す傾斜角度数分布グラフである。

また、この結果得られた本発明被覆工具１〜２６および従来被覆工具１〜２６の硬質被覆層の構成層の各層厚および硬質被覆層の全体層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定（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。

つぎに、上記の本発明被覆工具１〜２６および従来被覆工具１〜２６の各種の被覆工具について、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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度： ４５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．３ ｍｍ、
送り： １．５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ９ 分、
の条件（切削条件Ａという）で、水溶性切削油使用の合金鋼の連続湿式高速切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ５００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｂという）で、水溶性切削油使用の鋳鉄の断続湿式高速切削試験（通常の切削速度は３５０ｍ／ｍｉｎ．）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度： ４００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件（切削条件Ｃという）で、炭素鋼の連続乾式高速切削試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）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８、表９に示した。

表４〜９に示される結果から、本発明被覆工具１〜２６は、いずれも硬質被覆層の中間層である改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層が、（０００１）面の傾斜角度数分布グラフで、８３〜９０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８３〜９０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し、より一段とすぐれた耐摩耗性を具備するようになることから、鋼や鋳鉄の切削加工を、高速条件で行っても、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、硬質被覆層の中間層が、（０００１）面の測定傾斜角の分布が４５〜９０度の範囲内で不偏的で、最高ピークが存在せず、かつ前記８３〜９０度の範囲内に存在する度数の合計が、度数全体の３０％以下である傾斜角度数分布グラフを示す従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層で構成された従来被覆工具１〜２６においては、いずれも前記従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層の耐摩耗性不足が原因で、高速切削条件では硬質被覆層の摩耗が著しく促進し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

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、高熱の発生を伴う高速切削においても、チッピングの発生なく、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。

アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。 硬質被覆層の中間層を構成するα型Ａｌ_２Ｏ_３層における結晶粒の（０００１）面の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。 本発明被覆工具１の硬質被覆層の中間層を構成する改質α型Ａｌ_２Ｏ_３層の（０００１）面の傾斜角度数分布グラフである。 従来被覆工具１の硬質被覆層の中間層を構成する従来α型Ａｌ_２Ｏ_３層の（０００１）面の傾斜角度数分布グラフである。

Claims (1)

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層以上からなり、かつ３〜２０μｍの全体平均層厚を有する化学蒸着により形成されたＴｉ化合物層、
   （ｂ）中間層として、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、かつ１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
   （ｃ）上部層として、１〜１０μｍの平均層厚を有し、かつ、
   組成式：（Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ａｌ_ＸＭ_Ｙ）Ｎ（ただし、原子比で、０．３０≦Ｘ≦０．７０、かつ、Ｙ＝０あるいは０．０１≦Ｙ≦０．１０であり、また、Ｍは、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｂから選ばれた１種または２種以上の添加成分を示す）を満足する物理蒸着により形成されたＴｉとＡｌの複合窒化物層あるいはＴｉとＡｌとＭの複合窒化物層、
   以上（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を５〜３０μｍの全体平均層厚で蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
   中間層を構成する酸化アルミニウム層を、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六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、前記研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、４５〜９０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で表した場合、８３〜９０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８３〜９０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酸化アルミニウム層で構成したこと、
   を特徴とする硬質被覆層が高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具。
   

Images