JP2010000570A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】硬質被覆層が高速重切削加工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）下部層としてＴｉ化合物層、（ｂ）中間層として、Ｚｒを含有するα型Ａｌ２Ｏ３層（ｃ）上部層として、α型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、上記（ｂ）、（ｃ）の各層は、平板多角形状（平坦六角形状を含む）かつたて長形状の結晶粒組織構造を有し、各層のうちの所定面積比率の結晶粒は、その内部が、少なくとも一つ以上のΣ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されている。
【選択図】 図３
【解決手段】工具基体の表面に、（ａ）下部層としてＴｉ化合物層、（ｂ）中間層として、Ｚｒを含有するα型Ａｌ２Ｏ３層（ｃ）上部層として、α型Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、上記（ｂ）、（ｃ）の各層は、平板多角形状（平坦六角形状を含む）かつたて長形状の結晶粒組織構造を有し、各層のうちの所定面積比率の結晶粒は、その内部が、少なくとも一つ以上のΣ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されている。
【選択図】 図３
Description
この発明は、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の切削加工を、高い発熱を伴いかつ切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件で行った場合でも、硬質被覆層がチッピングを発生することなく、長期の使用に亘って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、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、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層およびα型Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層を蒸着形成した被覆工具において、
上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶粒の構成結晶面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶粒の相互の結晶方位関係を算出し、界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、
個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークが存在し、かつ前記Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が６０〜８０％である構成原子共有格子点分布グラフを示すα型Ａｌ2Ｏ3層（以下、従来Ａｌ2Ｏ3層という）で上部層を構成した被覆工具（以下、従来被覆工具という）が知られ、この従来被覆工具が、高速断続切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮することが知られている。
特開２００６−１９８７３５号公報
上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶粒の構成結晶面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶粒の相互の結晶方位関係を算出し、界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶粒相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、
個々のΣＮ＋１がΣＮ＋１全体に占める分布割合を示す構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークが存在し、かつ前記Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合が６０〜８０％である構成原子共有格子点分布グラフを示すα型Ａｌ2Ｏ3層（以下、従来Ａｌ2Ｏ3層という）で上部層を構成した被覆工具（以下、従来被覆工具という）が知られ、この従来被覆工具が、高速断続切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮することが知られている。
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、切削加工はより高速化する傾向になってきているが、上記の従来被覆工具においては、高速連続切削や高速断続切削に用いた場合、上部層がすぐれた高温強度を備え、耐衝撃性にすぐれるため、チッピング等の発生を防止できるという点ですぐれているものの、硬質被覆層の上部層を構成する前記従来Ａｌ2Ｏ3層は、高温強度および表面性状が満足できるものではないため、高速条件下での重切削加工を行った場合には、チッピングを発生しやすくなるばかりか、熱塑性変形、偏摩耗をも発生しやすく、これを原因とした耐摩耗性の低下により、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、特に、高速条件での重切削加工において、硬質被覆層がチッピング、欠損、剥離等を発生することなく、しかも、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する上部層の構造について研究を行った結果、次のような知見を得た。
（ａ）上記従来被覆工具の従来Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層は、下部層であるＴｉ化合物層の表面に、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：６〜１０％、
ＣＯ２：１０〜１５％、
ＨＣｌ：３〜５％、
Ｈ2Ｓ：０．０５〜０．２％、
Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：３〜５ｋＰａ、
の条件で蒸着を行うことによって形成することができる。
そして、上記条件で蒸着形成された従来Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合は６０％以上の高い比率を示し、そして、このように高比率のΣ３分布割合を有する従来α型Ａｌ2Ｏ3層は、所定の高温強度と所定の耐衝撃性を備え、耐チッピング性の向上に寄与する。
しかし、上記従来Ａｌ2Ｏ3層を電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察すると、図２（ａ）に示されるように、層厚方向に垂直な面内で見た場合、微細な多角形状であり、また、図２（ｂ）に示されるように、層厚方向に平行な面内で見た場合、層表面に角錐状の凹凸が存在し、層厚方向にたて長形状（以下、「凹凸多角形たて長形状」という）を有する結晶粒からなる組織構造を有し、その表面性状が不満足であるため、このような従来Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層を有する従来被覆工具を、高い発熱を伴いかつ切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件での切削加工に供した場合には、耐摩耗性が不十分となり工具寿命が短命であるという問題点があった。
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：６〜１０％、
ＣＯ２：１０〜１５％、
ＨＣｌ：３〜５％、
Ｈ2Ｓ：０．０５〜０．２％、
Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：３〜５ｋＰａ、
の条件で蒸着を行うことによって形成することができる。
そして、上記条件で蒸着形成された従来Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合は６０％以上の高い比率を示し、そして、このように高比率のΣ３分布割合を有する従来α型Ａｌ2Ｏ3層は、所定の高温強度と所定の耐衝撃性を備え、耐チッピング性の向上に寄与する。
しかし、上記従来Ａｌ2Ｏ3層を電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察すると、図２（ａ）に示されるように、層厚方向に垂直な面内で見た場合、微細な多角形状であり、また、図２（ｂ）に示されるように、層厚方向に平行な面内で見た場合、層表面に角錐状の凹凸が存在し、層厚方向にたて長形状（以下、「凹凸多角形たて長形状」という）を有する結晶粒からなる組織構造を有し、その表面性状が不満足であるため、このような従来Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層を有する従来被覆工具を、高い発熱を伴いかつ切刃に対して高負荷が作用する高速重切削条件での切削加工に供した場合には、耐摩耗性が不十分となり工具寿命が短命であるという問題点があった。
（ｂ）そこで、下部層であるＴｉ化合物層上に、Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層を蒸着形成するにあたり、まず、α型の結晶構造を有し、かつ、Ｚｒを含有する酸化アルミニウム層（以下、改質ＡｌＺｒＯ層という）を特定の蒸着条件でＴｉ化合物層上に中間層として形成し、その後、該中間層上に、上部層としてα型の酸化アルミニウム層を蒸着形成したところ、形成された上部層は、図１（ａ）に示されるように、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状、また、図１（ｂ）に示されるように、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、上記上部層を構成する結晶粒の内、面積比率で４０％以上の結晶粒の内部は、図３に示されるように、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されているα型の酸化アルミニウム層（以下、改質Ａｌ2Ｏ3層という）が形成されることを見出した。
（ｃ）まず、下部層（Ｔｉ化合物層）上に、中間層としての改質ＡｌＺｒＯ層を蒸着形成するには、通常の化学蒸着装置にて、
第1段階として、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３： １〜５ ％、
ＣＯ2： ２〜６ ％、
ＨＣｌ： １〜５ ％、
Ｈ２Ｓ： ０．２５〜０．７５ ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度； ９６０〜１０１０ ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力； ６〜１０ ｋＰａ、
の条件で第1段階の蒸着を行った後、
次に、第2段階として、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３： ６〜１０ ％、
ＺｒＣｌ４： ０．６〜１．２ ％、
ＣＯ2： ４〜８ ％、
ＨＣｌ： ３〜５ ％、
Ｈ２Ｓ： ０．２５〜０．６ ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度； ９２０〜１０００ ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力； ６〜１０ ｋＰａ、
の条件で蒸着を行うことによって、所定の層厚の改質ＡｌＺｒＯ層からなる中間層を形成することができる。
第1段階として、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３： １〜５ ％、
ＣＯ2： ２〜６ ％、
ＨＣｌ： １〜５ ％、
Ｈ２Ｓ： ０．２５〜０．７５ ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度； ９６０〜１０１０ ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力； ６〜１０ ｋＰａ、
の条件で第1段階の蒸着を行った後、
次に、第2段階として、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３： ６〜１０ ％、
ＺｒＣｌ４： ０．６〜１．２ ％、
ＣＯ2： ４〜８ ％、
ＨＣｌ： ３〜５ ％、
Ｈ２Ｓ： ０．２５〜０．６ ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度； ９２０〜１０００ ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力； ６〜１０ ｋＰａ、
の条件で蒸着を行うことによって、所定の層厚の改質ＡｌＺｒＯ層からなる中間層を形成することができる。
（ｄ）そして、上記条件で形成された改質ＡｌＺｒＯ層は、該層におけるＡｌ成分との合量に占めるＺｒ成分の含有割合が０．００２〜０．０１（但し、原子比）を満足する組成を有し、さらに、上記改質ＡｌＺｒＯ層を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察すると、改質ＡｌＺｒＯ層の表面の結晶面は、該層の層厚方向に垂直な面内における結晶面（例えば、（０００１））と同配向を有し、（層厚方向に垂直な面内で見た場合に）大粒径の平板多角形状（図１（ａ）に相当）であり、また、（層厚方向に平行な面内で見た場合に）層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状（図１（ｂ）に相当）を有する結晶粒からなる組織構造を有していることがわかった。
なお、特開２００６−２８９５５７号公報に示されるように、Ｚｒを少量含有するα型のＡｌ2Ｏ3（以下、従来ＡｌＺｒＯという）層を硬質被覆層として蒸着形成した被覆工具も知られているが、この従来ＡｌＺｒＯ層の形成条件は、ガス組成、反応雰囲気温度の点で、この発明の改質ＡｌＺｒＯ層の蒸着条件とは全く異なる条件であって、形成された従来ＡｌＺｒＯ層の結晶粒組織構造も、図２（ａ）、（ｂ）と類似する凹凸多角形たて長形状のものであった。
なお、特開２００６−２８９５５７号公報に示されるように、Ｚｒを少量含有するα型のＡｌ2Ｏ3（以下、従来ＡｌＺｒＯという）層を硬質被覆層として蒸着形成した被覆工具も知られているが、この従来ＡｌＺｒＯ層の形成条件は、ガス組成、反応雰囲気温度の点で、この発明の改質ＡｌＺｒＯ層の蒸着条件とは全く異なる条件であって、形成された従来ＡｌＺｒＯ層の結晶粒組織構造も、図２（ａ）、（ｂ）と類似する凹凸多角形たて長形状のものであった。
（ｅ）さらに、上記改質ＡｌＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、
改質ＡｌＺｒＯ層を構成する平板多角形たて長形状結晶粒の内、面積比率で６０％以上の上記結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面（以下、Σ３対応界面という）で分断されていることがわかった。
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合、
改質ＡｌＺｒＯ層を構成する平板多角形たて長形状結晶粒の内、面積比率で６０％以上の上記結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面（以下、Σ３対応界面という）で分断されていることがわかった。
（ｆ）次に、前記（ｃ）の化学蒸着条件で蒸着形成された改質ＡｌＺｒＯ層からなる中間層の表面に、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：６〜１０％、
ＣＯ２：１０〜１５％、
ＨＣｌ：３〜５％、
Ｈ2Ｓ：０．０５〜０．２％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
（ハ）反応雰囲気圧力：３〜５ｋＰａ、
という条件でα型のＡｌ2Ｏ3層を上部層として蒸着形成し、該上部層の表面を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察したところ、改質ＡｌＺｒＯ層の組織構造と同様に、該上部層を層厚方向に垂直な面内で見た場合に、平板多角形状であり、かつ、層厚方向に垂直な面内における結晶面（例えば、（０００１））と同配向を有し、また、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状（以下、「平板多角形たて長形状」という）を有する結晶粒からなる組織構造を有するα型のＡｌ2Ｏ3（以下、改質Ａｌ2Ｏ3）層が形成されていること、さらに、このような結晶組織、表面性状を有する改質Ａｌ2Ｏ3層は、高速重切削条件下において、すぐれた耐摩耗性を発揮することがわかった。
つまり、中間層として介在形成した前記改質ＡｌＺｒＯ層は、この上に蒸着形成される上部層の結晶組織を制御する層として機能し、その結果、該改質ＡｌＺｒＯ層上に形成された改質Ａｌ2Ｏ3層は、改質ＡｌＺｒＯ層同様、平板多角形（改質ＡｌＺｒＯ層の蒸着条件によっては、平坦六角形となる）たて長形状の結晶粒からなる組織構造、表面性状を有するようになり、その結果、改質Ａｌ2Ｏ3層は、従来Ａｌ2Ｏ3層に比して、すぐれた耐摩耗性を発揮することがわかった。
さらに、上記改質Ａｌ2Ｏ3層について、その構成原子共有格子点形態を求めると、改質ＡｌＺｒＯ層の結晶組織制御作用によって、改質Ａｌ2Ｏ3層を構成する平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒のうちの、面積比率で４０％以上の結晶粒は、その内部が少なくとも一つ以上のΣ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面（以下、Σ３対応界面という）で分断されている結晶組織構造を有するようになり、その結果、改質Ａｌ2Ｏ3層は、すぐれた高温強度を備え、チッピング等の発生を防止できるようになる。
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：６〜１０％、
ＣＯ２：１０〜１５％、
ＨＣｌ：３〜５％、
Ｈ2Ｓ：０．０５〜０．２％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
（ハ）反応雰囲気圧力：３〜５ｋＰａ、
という条件でα型のＡｌ2Ｏ3層を上部層として蒸着形成し、該上部層の表面を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察したところ、改質ＡｌＺｒＯ層の組織構造と同様に、該上部層を層厚方向に垂直な面内で見た場合に、平板多角形状であり、かつ、層厚方向に垂直な面内における結晶面（例えば、（０００１））と同配向を有し、また、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状（以下、「平板多角形たて長形状」という）を有する結晶粒からなる組織構造を有するα型のＡｌ2Ｏ3（以下、改質Ａｌ2Ｏ3）層が形成されていること、さらに、このような結晶組織、表面性状を有する改質Ａｌ2Ｏ3層は、高速重切削条件下において、すぐれた耐摩耗性を発揮することがわかった。
つまり、中間層として介在形成した前記改質ＡｌＺｒＯ層は、この上に蒸着形成される上部層の結晶組織を制御する層として機能し、その結果、該改質ＡｌＺｒＯ層上に形成された改質Ａｌ2Ｏ3層は、改質ＡｌＺｒＯ層同様、平板多角形（改質ＡｌＺｒＯ層の蒸着条件によっては、平坦六角形となる）たて長形状の結晶粒からなる組織構造、表面性状を有するようになり、その結果、改質Ａｌ2Ｏ3層は、従来Ａｌ2Ｏ3層に比して、すぐれた耐摩耗性を発揮することがわかった。
さらに、上記改質Ａｌ2Ｏ3層について、その構成原子共有格子点形態を求めると、改質ＡｌＺｒＯ層の結晶組織制御作用によって、改質Ａｌ2Ｏ3層を構成する平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒のうちの、面積比率で４０％以上の結晶粒は、その内部が少なくとも一つ以上のΣ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面（以下、Σ３対応界面という）で分断されている結晶組織構造を有するようになり、その結果、改質Ａｌ2Ｏ3層は、すぐれた高温強度を備え、チッピング等の発生を防止できるようになる。
（ｇ）以上のとおり、硬質被覆層の中間層として改質ＡｌＺｒＯ層を蒸着形成し、この上に、硬質被覆層の上部層として上記改質Ａｌ2Ｏ3層を蒸着形成すると、中間層の結晶組織制御作用によって、上部層の改質Ａｌ2Ｏ3層は、その表面の結晶面が、該層の層厚方向に垂直な面内における結晶面（例えば、（０００１））と同配向を有し、（層厚方向に平行な面内で見た場合、）層表面はほぼ平坦な平板状に形成されるため、その表面性状の故にすぐれた耐摩耗性を示し、さらに、平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状の結晶粒内部のΣ３対応界面の存在によって結晶粒内強度が高められるため、従来被覆工具の従来Ａｌ2Ｏ3層に比して、一段とすぐれた高温硬さ、高温強度、表面性状を具備し、その結果として、本発明の被覆工具は、高い発熱を伴うとともに切刃部に高負荷が作用する高速重切削加工においても、チッピング、欠損、剥離等を発生することもなく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになる。
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（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、３〜２０μｍの全体平均層厚を有する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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）中間層として、１〜５μｍの平均層厚を有し、Ａｌとの合量に占めるＺｒの含有割合（Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｚｒ）の値）が０．００２〜０．０１（但し、原子比）であるα型の結晶構造を有し、かつ、Ｚｒを含有する酸化アルミニウム層、
（ｃ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、α型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）〜（ｃ）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、
上記上部層（ｃ）を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、
該上部層（ｃ）について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、
上記上部層（ｃ）を構成する結晶粒の内、面積比率で４０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記上部層（ｃ）を電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平坦六角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 前記中間層（ｂ）を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、
該中間層（ｂ）について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、
前記中間層（ｂ）を構成する結晶粒の内、面積比率で６０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されている前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
「（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、３〜２０μｍの全体平均層厚を有する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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）中間層として、１〜５μｍの平均層厚を有し、Ａｌとの合量に占めるＺｒの含有割合（Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｚｒ）の値）が０．００２〜０．０１（但し、原子比）であるα型の結晶構造を有し、かつ、Ｚｒを含有する酸化アルミニウム層、
（ｃ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、α型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）〜（ｃ）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、
上記上部層（ｃ）を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、
該上部層（ｃ）について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、
上記上部層（ｃ）を構成する結晶粒の内、面積比率で４０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記上部層（ｃ）を電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平坦六角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 前記中間層（ｂ）を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、
該中間層（ｂ）について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、
前記中間層（ｂ）を構成する結晶粒の内、面積比率で６０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されている前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
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ついて、より詳細に説明する。
（ａ）下部層（Ｔｉ化合物層）
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層以上からなるＴｉ化合物層は、硬質被覆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の高温強度向上に寄与するほか、工具基体と改質ＡｌＺｒＯ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接合強度を向上させる作用を有するが、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。
（ａ）下部層（Ｔｉ化合物層）
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層以上からなるＴｉ化合物層は、硬質被覆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の高温強度向上に寄与するほか、工具基体と改質ＡｌＺｒＯ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接合強度を向上させる作用を有するが、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）中間層（改質ＡｌＺｒＯ層）
下部層の上に化学蒸着された改質ＡｌＺｒＯ層からなる中間層は、上部層の結晶組織を制御する作用を有するとともに、その構成成分であるＡｌ成分が、該層の高温硬さおよび耐熱性を向上させ、また、層中に微量（例えば、Ａｌとの合量に占める割合で、Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｚｒ）が０．００２〜０．０１（但し、原子比））含有されたＺｒ成分が、改質ＡｌＺｒＯ層自身の結晶粒界強度・高温強度を向上させるが、Ｚｒ成分の含有割合が０．００２未満では、上記作用を期待することはできず、一方、Ｚｒ成分の含有割合が０．０１を超えた場合には、層中にＺｒＯ２粒子が析出することによって粒界強度が低下するため、Ａｌ成分との合量に占めるＺｒ成分の含有割合（Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｚｒ）の比の値）は０．００２〜０．０１（但し、原子比）と定めた。
下部層の上に化学蒸着された改質ＡｌＺｒＯ層からなる中間層は、上部層の結晶組織を制御する作用を有するとともに、その構成成分であるＡｌ成分が、該層の高温硬さおよび耐熱性を向上させ、また、層中に微量（例えば、Ａｌとの合量に占める割合で、Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｚｒ）が０．００２〜０．０１（但し、原子比））含有されたＺｒ成分が、改質ＡｌＺｒＯ層自身の結晶粒界強度・高温強度を向上させるが、Ｚｒ成分の含有割合が０．００２未満では、上記作用を期待することはできず、一方、Ｚｒ成分の含有割合が０．０１を超えた場合には、層中にＺｒＯ２粒子が析出することによって粒界強度が低下するため、Ａｌ成分との合量に占めるＺｒ成分の含有割合（Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｚｒ）の比の値）は０．００２〜０．０１（但し、原子比）と定めた。
上記改質ＡｌＺｒＯ層は、蒸着時の反応ガス組成、反応雰囲気温度および反応雰囲気圧力の各化学蒸着条件を、例えば、以下のとおり調整することによって蒸着形成することができる。
即ち、まず、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３： １〜５ ％、
ＣＯ2： ２〜６ ％、
ＨＣｌ： １〜５ ％、
Ｈ２Ｓ： ０．２５〜０．７５ ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度； ９６０〜１０１０ ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力； ６〜１０ ｋＰａ、
の条件で第1段階の蒸着を約１時間行った後、
次に、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３： ６〜１０ ％、
ＺｒＣｌ４： ０．６〜１．２ ％、
ＣＯ2： ４〜８ ％、
ＨＣｌ： ３〜５ ％、
Ｈ２Ｓ： ０．２５〜０．６ ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度； ９２０〜１０００ ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力； ６〜１０ ｋＰａ、
の条件で第2段階の蒸着を行うことによって、１〜５μｍの平均層厚の蒸着層を成膜すると、Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｚｒ）の比の値が原子比で０．００２〜０．０１である改質ＡｌＺｒＯ層を形成することができる。
即ち、まず、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３： １〜５ ％、
ＣＯ2： ２〜６ ％、
ＨＣｌ： １〜５ ％、
Ｈ２Ｓ： ０．２５〜０．７５ ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度； ９６０〜１０１０ ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力； ６〜１０ ｋＰａ、
の条件で第1段階の蒸着を約１時間行った後、
次に、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３： ６〜１０ ％、
ＺｒＣｌ４： ０．６〜１．２ ％、
ＣＯ2： ４〜８ ％、
ＨＣｌ： ３〜５ ％、
Ｈ２Ｓ： ０．２５〜０．６ ％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度； ９２０〜１０００ ℃、
（ハ）反応雰囲気圧力； ６〜１０ ｋＰａ、
の条件で第2段階の蒸着を行うことによって、１〜５μｍの平均層厚の蒸着層を成膜すると、Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｚｒ）の比の値が原子比で０．００２〜０．０１である改質ＡｌＺｒＯ層を形成することができる。
そして、上記改質ＡｌＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察すると、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、結晶粒径の大きい平板多角形状であり、また、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であって、しかも、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒（平板多角形たて長形状結晶粒）からなる組織構造が形成される。
そして、このような組織構造の改質ＡｌＺｒＯ層は、この上に蒸着形成される上部層（改質Ａｌ2Ｏ3層）の結晶組織を制御し、上部層表面の表面性状（平坦）改善に寄与するとともに、上部層の高温強度向上に寄与する。
特に、前記改質ＡｌＺｒＯ層を、より限定した条件（例えば、第1段階における反応ガス中のＨ２Ｓを０．５０〜０．７５容量％、反応雰囲気温度を９８０〜１０００℃とし、さらに、第2段階における反応ガス中のＺｒＣｌ４を０．６〜０．９容量％、Ｈ２Ｓを０．２５〜０．４０容量％、反応雰囲気温度を９６０〜９８０℃とした条件）で蒸着形成すると、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、大粒径の平坦六角形状であり、かつ、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める組織構造が形成される。
なお、従来ＡｌＺｒＯ層では、その表面の結晶面が、該層の層厚方向に垂直な面内における結晶面（例えば、（０００１））と異なった配向（例えば、（１−１０２）を有するため、（層厚方向に平行な面内で見た場合、）層表面に角錐状の凹凸（図２（ｂ）の形状に相当する）が存在しており、したがって、従来ＡｌＺｒＯ層の上に上部層（従来Ａｌ2Ｏ3層）を蒸着形成した場合には、上部層表面は平坦でなく角錐状の凹凸を有しているため、特に、耐摩耗性の劣るものとなっている。
そして、このような組織構造の改質ＡｌＺｒＯ層は、この上に蒸着形成される上部層（改質Ａｌ2Ｏ3層）の結晶組織を制御し、上部層表面の表面性状（平坦）改善に寄与するとともに、上部層の高温強度向上に寄与する。
特に、前記改質ＡｌＺｒＯ層を、より限定した条件（例えば、第1段階における反応ガス中のＨ２Ｓを０．５０〜０．７５容量％、反応雰囲気温度を９８０〜１０００℃とし、さらに、第2段階における反応ガス中のＺｒＣｌ４を０．６〜０．９容量％、Ｈ２Ｓを０．２５〜０．４０容量％、反応雰囲気温度を９６０〜９８０℃とした条件）で蒸着形成すると、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、大粒径の平坦六角形状であり、かつ、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める組織構造が形成される。
なお、従来ＡｌＺｒＯ層では、その表面の結晶面が、該層の層厚方向に垂直な面内における結晶面（例えば、（０００１））と異なった配向（例えば、（１−１０２）を有するため、（層厚方向に平行な面内で見た場合、）層表面に角錐状の凹凸（図２（ｂ）の形状に相当する）が存在しており、したがって、従来ＡｌＺｒＯ層の上に上部層（従来Ａｌ2Ｏ3層）を蒸着形成した場合には、上部層表面は平坦でなく角錐状の凹凸を有しているため、特に、耐摩耗性の劣るものとなっている。
さらに、改質ＡｌＺｒＯ層について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表すと、
図３に示すように、改質ＡｌＺｒＯ層を構成する上記平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒の内、面積比率で６０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３対応界面で分断されていることがわかる。
そして、改質ＡｌＺｒＯ層は、平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒の６０％以上の結晶粒の内部に、上記のΣ３対応界面が存在することによって、結晶粒内強度の向上が図られ、その結果として、高速重切削加工時に改質ＡｌＺｒＯ層中にクラックが発生することが抑えられ、また、仮にクラックが発生したとしても、クラックの成長・伝播が防止されている。
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表すと、
図３に示すように、改質ＡｌＺｒＯ層を構成する上記平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒の内、面積比率で６０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３対応界面で分断されていることがわかる。
そして、改質ＡｌＺｒＯ層は、平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒の６０％以上の結晶粒の内部に、上記のΣ３対応界面が存在することによって、結晶粒内強度の向上が図られ、その結果として、高速重切削加工時に改質ＡｌＺｒＯ層中にクラックが発生することが抑えられ、また、仮にクラックが発生したとしても、クラックの成長・伝播が防止されている。
なお、改質ＡｌＺｒＯ層からなる中間層の層厚は、１μｍ未満では、上記中間層のすぐれた特性を十分に発揮することができないばかりか、上部層に対する結晶組織制御作用の影響が少なく、一方、中間層の層厚が５μｍを超えると、上部層の改質Ａｌ2Ｏ3層との密着性が低下し、切削時に剥離，チッピングが発生しやすくなることから、中間層の平均層厚を１〜５μｍと定めた。
（ｃ）上部層（改質Ａｌ2Ｏ3層）
中間層の上に蒸着形成された改質Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層は、すぐれた高温硬さ、耐熱性を有し、特に、中間層の存在によってその結晶組織が制御され、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、結晶粒径の大きい平板多角形状であり（改質ＡｌＺｒＯ層を前記限定した条件で蒸着形成した場合には、平坦六角形状となる）、かつ、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であって、しかも、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒（平板多角形たて長形状結晶粒）からなる組織構造（図１（ａ）、（ｂ）参照）が形成される。
中間層の上に蒸着形成された改質Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層は、すぐれた高温硬さ、耐熱性を有し、特に、中間層の存在によってその結晶組織が制御され、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、結晶粒径の大きい平板多角形状であり（改質ＡｌＺｒＯ層を前記限定した条件で蒸着形成した場合には、平坦六角形状となる）、かつ、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であって、しかも、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒（平板多角形たて長形状結晶粒）からなる組織構造（図１（ａ）、（ｂ）参照）が形成される。
上記改質Ａｌ2Ｏ3層は、中間層である上記改質ＡｌＺｒＯ層の表面に、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：６〜１０％、
ＣＯ２：１０〜１５％、
ＨＣｌ：３〜５％、
Ｈ2Ｓ：０．０５〜０．２％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
（ハ）反応雰囲気圧力：３〜５ｋＰａ、
の条件で蒸着を行うことによって形成することができる。
（イ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３：６〜１０％、
ＣＯ２：１０〜１５％、
ＨＣｌ：３〜５％、
Ｈ2Ｓ：０．０５〜０．２％、
Ｈ2：残り、
（ロ）反応雰囲気温度：１０２０〜１０５０℃、
（ハ）反応雰囲気圧力：３〜５ｋＰａ、
の条件で蒸着を行うことによって形成することができる。
改質ＡｌＺｒＯ層（中間層）上に、上記蒸着条件で形成された改質Ａｌ2Ｏ3層（上部層）について、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察すると、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、結晶粒径の大きい平板多角形状であり、また、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であって、しかも、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒（平板多角形たて長形状結晶粒）からなる組織構造（図１（ａ）、（ｂ）に示される組織構造）が形成され、この層表面の平坦性により、表面に凹凸が存在する従来Ａｌ2Ｏ3層に比して、耐摩耗性が一段と向上する。
特に、中間層である前記改質ＡｌＺｒＯ層をより限定した条件（例えば、第1段階における反応ガス中のＨ２Ｓを０．５０〜０．７５容量％、反応雰囲気温度を９８０〜１０００℃とし、さらに、第2段階における反応ガス中のＺｒＣｌ４を０．６〜０．９容量％、Ｈ２Ｓを０．２５〜０．４０容量％、反応雰囲気温度を９６０〜９８０℃とした条件）で蒸着形成し、この上に、改質Ａｌ2Ｏ3層（上部層）を蒸着形成すると、図１（ｃ）に示されるように、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、大粒径の平坦六角形状であり、かつ、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒（図１（ｂ）と同様）が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める組織構造が形成される。
なお、従来Ａｌ2Ｏ3層では、その表面の結晶面が、該層の層厚方向に垂直な面内における結晶面（例えば、（０００１））と異なった配向（例えば、（１−１０２）を有するため、（層厚方向に平行な面内で見た場合、）層表面に図２（ｂ）に示されるような角錐状の凹凸が存在し、これが故に、耐摩耗性の劣るものとなっていた。
特に、中間層である前記改質ＡｌＺｒＯ層をより限定した条件（例えば、第1段階における反応ガス中のＨ２Ｓを０．５０〜０．７５容量％、反応雰囲気温度を９８０〜１０００℃とし、さらに、第2段階における反応ガス中のＺｒＣｌ４を０．６〜０．９容量％、Ｈ２Ｓを０．２５〜０．４０容量％、反応雰囲気温度を９６０〜９８０℃とした条件）で蒸着形成し、この上に、改質Ａｌ2Ｏ3層（上部層）を蒸着形成すると、図１（ｃ）に示されるように、層厚方向に垂直な面内で見た場合に、大粒径の平坦六角形状であり、かつ、層厚方向に平行な面内で見た場合に、層表面はほぼ平坦であり、層厚方向にたて長形状を有する結晶粒（図１（ｂ）と同様）が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める組織構造が形成される。
なお、従来Ａｌ2Ｏ3層では、その表面の結晶面が、該層の層厚方向に垂直な面内における結晶面（例えば、（０００１））と異なった配向（例えば、（１−１０２）を有するため、（層厚方向に平行な面内で見た場合、）層表面に図２（ｂ）に示されるような角錐状の凹凸が存在し、これが故に、耐摩耗性の劣るものとなっていた。
さらに、改質Ａｌ2Ｏ3層（上部層）について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表すと、
図１、図３に示すように、改質Ａｌ2Ｏ3層（上部層）を構成する上記平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒の内、面積比率で４０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３対応界面で分断されおり、そして、上記結晶粒の内部に、上記のΣ３対応界面が存在することによって、結晶粒内強度の向上が図られ、その結果として、高速重切削加工時に改質Ａｌ2Ｏ3層（及び改質ＡｌＺｒＯ層）中にクラックが発生することが抑えられ、また、仮にクラックが発生したとしても、クラックの成長・伝播が妨げられ、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性の向上が図られる。
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表すと、
図１、図３に示すように、改質Ａｌ2Ｏ3層（上部層）を構成する上記平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒の内、面積比率で４０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３対応界面で分断されおり、そして、上記結晶粒の内部に、上記のΣ３対応界面が存在することによって、結晶粒内強度の向上が図られ、その結果として、高速重切削加工時に改質Ａｌ2Ｏ3層（及び改質ＡｌＺｒＯ層）中にクラックが発生することが抑えられ、また、仮にクラックが発生したとしても、クラックの成長・伝播が妨げられ、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性の向上が図られる。
したがって、平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状結晶粒の内部にΣ３対応界面が存在し、表面平坦な表面性状を備えた改質ＡｌＺｒＯ層からなる本発明の上部層は、各種鋼や鋳鉄等の高い発熱を伴い切刃部に対して高負荷が作用する高速重切削加工においても、チッピング、欠損、剥離等を発生することなく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮する。
ただ、改質Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層の層厚が１μｍ未満では、上記上部層のすぐれた特性を十分に発揮することができず、一方、上部層の層厚が１５μｍを超えると偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生しやすくなり、また、チッピングも発生しやすくなることから、上部層の平均層厚を１〜１５μｍと定めた。
ただ、改質Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層の層厚が１μｍ未満では、上記上部層のすぐれた特性を十分に発揮することができず、一方、上部層の層厚が１５μｍを超えると偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生しやすくなり、また、チッピングも発生しやすくなることから、上部層の平均層厚を１〜１５μｍと定めた。
参考のため、硬質被覆層の上部層が従来Ａｌ2Ｏ3層からなる従来被覆工具について、電界放出型走査電子顕微鏡、電子後方散乱回折像装置を用い、上部層の結晶粒の組織構造および構成原子共有格子点形態を調べたところ、結晶粒の組織構造については、図２（ａ）、（ｂ）に示されるような角錐状の凹凸を有し、多角形たて長形状の結晶粒からなる組織構造を有しているため、改質Ａｌ2Ｏ3層（上部層）に比して、耐摩耗性は劣るものであった。
また、結晶粒の構成原子共有格子点形態についても、従来Ａｌ2Ｏ3層を構成する凹凸多角形たて長形状結晶粒の内部にΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率は、３０％以下と少なく、結晶粒内強度の向上は図られていなかった。
したがって、硬質被覆層の上部層が従来Ａｌ2Ｏ3層で構成された従来被覆工具は、高い発熱を伴うとともに切刃部に高負荷が作用する高速重切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の発生を防止することはできず、さらに、耐摩耗性も満足できるものではなかった。
また、結晶粒の構成原子共有格子点形態についても、従来Ａｌ2Ｏ3層を構成する凹凸多角形たて長形状結晶粒の内部にΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率は、３０％以下と少なく、結晶粒内強度の向上は図られていなかった。
したがって、硬質被覆層の上部層が従来Ａｌ2Ｏ3層で構成された従来被覆工具は、高い発熱を伴うとともに切刃部に高負荷が作用する高速重切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の発生を防止することはできず、さらに、耐摩耗性も満足できるものではなかった。
上記のとおり、この発明の被覆工具は、硬質被覆層の中間層として蒸着形成した改質ＡｌＺｒＯ層の結晶組織制御作用により、硬質被覆層の上部層として、表面平坦性を備えた平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状の結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、結晶粒の内部にΣ３対応界面を形成し、結晶粒内強度を強化した改質Ａｌ2Ｏ3層を形成することにより、凹凸多角形たて長形状の結晶粒からなり、結晶粒内にΣ３対応界面の少ない従来Ａｌ2Ｏ3層を上部層とする従来被覆工具に比して、一段とすぐれた耐摩耗性と一段とすぐれた高温強度を兼備し、その結果、各種の鋼や鋳鉄などを、高い発熱を伴うとともに切刃部に対して高負荷が作用する高速重切削条件下で切削加工した場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性とすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の一層の延命化が可能となる。
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２〜４μｍ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・ＣＮＭＧ１２０４０８ＭＡ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〜Ｅ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・ＣＮＭＧ１２０４０８ＭＡのチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ〜ｅを形成した。
ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮ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５に示される組み合わせおよび目標層厚でＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した。
次いで、表４に示される蒸着条件により、同じく表５に示される目標層厚の改質ＡｌＺｒＯ層を硬質被覆層の中間層として蒸着形成した。
そして、表３に示される蒸着条件により、同じく表５に示される目標層厚のＡｌ2Ｏ3層を硬質被覆層の上部層（改質Ａｌ2Ｏ3層）として蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１５をそれぞれ製造した。
なお、本発明被覆工具１１〜１５については、限定された蒸着条件（表４中、形成記号Ｅ、Ｆ）で改質ＡｌＺｒＯ層を形成しているので、その上部層として形成される改質Ａｌ2Ｏ3層の結晶粒は、層厚方向に垂直な面内で平坦六角形状（図１（ｃ）に相当）、かつ、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状（図１（ｂ）に相当）の大きな粒径の組織構造を有するものである。
まず、表３（表３中のｌ−ＴｉＣＮ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５に示される組み合わせおよび目標層厚でＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した。
次いで、表４に示される蒸着条件により、同じく表５に示される目標層厚の改質ＡｌＺｒＯ層を硬質被覆層の中間層として蒸着形成した。
そして、表３に示される蒸着条件により、同じく表５に示される目標層厚のＡｌ2Ｏ3層を硬質被覆層の上部層（改質Ａｌ2Ｏ3層）として蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１５をそれぞれ製造した。
なお、本発明被覆工具１１〜１５については、限定された蒸着条件（表４中、形成記号Ｅ、Ｆ）で改質ＡｌＺｒＯ層を形成しているので、その上部層として形成される改質Ａｌ2Ｏ3層の結晶粒は、層厚方向に垂直な面内で平坦六角形状（図１（ｃ）に相当）、かつ、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状（図１（ｂ）に相当）の大きな粒径の組織構造を有するものである。
また、比較の目的で、本発明被覆工具１〜１５と同条件で下部層を蒸着形成した後、中間層（改質ＡｌＺｒＯ層）を形成せずに、表３に示される蒸着条件で、同じく表６に示される目標層厚のＡｌ2Ｏ3層を硬質被覆層の上部層（従来Ａｌ2Ｏ3層）として蒸着形成し、従来被覆工具１〜１５をそれぞれ製造した。
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１５の硬質被覆層の上部層、中間層を構成する改質Ａｌ2Ｏ3層、改質ＡｌＺｒＯ層、および、従来被覆工具１〜１５の硬質被覆層の上部層を構成する従来Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、結晶粒組織構造を調査した。
すなわち、まず、上記の本発明被覆工具１〜１５の改質Ａｌ2Ｏ3層および従来被覆工具１〜１５の従来Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて観察したところ、本発明被覆工具１〜１０では、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状（図１（ａ）に相当）、かつ、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状（図１（ｂ）に相当）の大きな粒径の結晶粒組織構造が観察された。
また、本発明被覆工具１１〜１５では、層厚方向に垂直な面内で平坦六角形状（図１（ｃ）に相当）、かつ、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状（図１（ｂ）に相当）の大きな粒径の結晶粒組織構造が観察された。
上記平坦六角形状かつたて長形状の大きな粒径の結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において占める面積割合を、電界放出型走査電子顕微鏡により測定したので、その値を表６に示す。
なお、ここでいう「平坦六角形状」とは、より具体的には、「電界放出型走査電子顕微鏡により観察される層厚方向に垂直な面内に存在する粒子のうち、頂角の角度が１００〜１４０°である頂角を６個有する多角形状」であるとして定義する。
一方、従来被覆工具１〜１５では、多角形状かつたて長形状の結晶粒組織（図２（ａ）、（ｂ）に相当）が観察されたが、各結晶粒の粒径は本発明のものに比して小さく、かつ、層表面には角錐状の凹凸が形成されており、本発明被覆工具に比して、上部層の表面性状が劣っていた。
また、上記の本発明被覆工具１〜１５の改質ＡｌＺｒＯ層について、前記と同様に結晶粒組織構造を観察したところ、本発明被覆工具では、改質Ａｌ2Ｏ3層と同様な平板多角形（平坦六角形を含む）状かつたて長形状の大きな粒径の結晶粒組織構造が観察された。
すなわち、まず、上記の本発明被覆工具１〜１５の改質Ａｌ2Ｏ3層および従来被覆工具１〜１５の従来Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて観察したところ、本発明被覆工具１〜１０では、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状（図１（ａ）に相当）、かつ、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状（図１（ｂ）に相当）の大きな粒径の結晶粒組織構造が観察された。
また、本発明被覆工具１１〜１５では、層厚方向に垂直な面内で平坦六角形状（図１（ｃ）に相当）、かつ、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状（図１（ｂ）に相当）の大きな粒径の結晶粒組織構造が観察された。
上記平坦六角形状かつたて長形状の大きな粒径の結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において占める面積割合を、電界放出型走査電子顕微鏡により測定したので、その値を表６に示す。
なお、ここでいう「平坦六角形状」とは、より具体的には、「電界放出型走査電子顕微鏡により観察される層厚方向に垂直な面内に存在する粒子のうち、頂角の角度が１００〜１４０°である頂角を６個有する多角形状」であるとして定義する。
一方、従来被覆工具１〜１５では、多角形状かつたて長形状の結晶粒組織（図２（ａ）、（ｂ）に相当）が観察されたが、各結晶粒の粒径は本発明のものに比して小さく、かつ、層表面には角錐状の凹凸が形成されており、本発明被覆工具に比して、上部層の表面性状が劣っていた。
また、上記の本発明被覆工具１〜１５の改質ＡｌＺｒＯ層について、前記と同様に結晶粒組織構造を観察したところ、本発明被覆工具では、改質Ａｌ2Ｏ3層と同様な平板多角形（平坦六角形を含む）状かつたて長形状の大きな粒径の結晶粒組織構造が観察された。
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１５の硬質被覆層の上部層、中間層を構成する改質Ａｌ2Ｏ3層、改質ＡｌＺｒＯ層、および、従来被覆工具１〜１５の硬質被覆層の上部層を構成する従来Ａｌ2Ｏ3層について、電界放出型走査電子顕微鏡、電子後方散乱回折像装置を用いて、構成原子共有格子点形態の調査と、各層を構成する結晶粒の内部にΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積割合を測定した。
まず、上記の本発明被覆工具１〜１５の上部層を構成する改質Ａｌ2Ｏ3層について、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、前記表面研磨面に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、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、前記結晶粒の各結晶格子面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、改質Ａｌ2Ｏ3層の測定範囲内に存在する全結晶粒のうちで、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率を求め、その値を表５に示した。
また、従来被覆工具１〜１５の上部層を構成する従来Ａｌ2Ｏ3層についても、本発明被覆工具の場合と同様な方法により、従来Ａｌ2Ｏ3層の測定範囲内に存在する全結晶粒のうちで、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率を求め、その値を表６に示した。
まず、上記の本発明被覆工具１〜１５の上部層を構成する改質Ａｌ2Ｏ3層について、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、前記表面研磨面に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、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、前記結晶粒の各結晶格子面のそれぞれの法線が前記表面研磨面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、改質Ａｌ2Ｏ3層の測定範囲内に存在する全結晶粒のうちで、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率を求め、その値を表５に示した。
また、従来被覆工具１〜１５の上部層を構成する従来Ａｌ2Ｏ3層についても、本発明被覆工具の場合と同様な方法により、従来Ａｌ2Ｏ3層の測定範囲内に存在する全結晶粒のうちで、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率を求め、その値を表６に示した。
次に、本発明被覆工具１〜１５の中間層を構成する改質ＡｌＺｒＯ層について、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、前記表面研磨面に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、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、前記結晶粒の各結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、改質ＡｌＺｒＯ層の測定範囲内に存在する全結晶粒のうちで、結晶粒の内部に、少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率を求め、その値を表５に示した。
表５、６に示される通り、本発明被覆工具の改質Ａｌ2Ｏ3層、改質ＡｌＺｒＯ層において、Σ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率は、それぞれ、４０％以上、６０％以上であるのに対して、従来被覆工具の従来Ａｌ2Ｏ3層においては、Σ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率は、３０％以下であって、結晶粒の内部にΣ３対応界面が存在する割合は非常に小さいことがわかる。
さらに、本発明被覆工具１〜１５および従来被覆工具１〜１５の硬質被覆層の各構成層の厚さを、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１〜１５および従来被覆工具１〜１５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、
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの丸棒、
切削速度： ４４０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ２．６ ｍｍ、
送り： ０．６ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： １０ 分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り切削試験（通常の切削速度および送り量は、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、０．３ｍｍ／ｒｅｖ）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の丸棒、
切削速度： ３２０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ４．５ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件でのニッケルクロムモリブデン合金鋼の乾式高速高切込み切削試験（通常の切削速度および切込み量は、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍｍ）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２００の丸棒、
切削速度： ５４５ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ５．７ ｍｍ、
送り： ０．４５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件での鋳鉄の湿式高速高切込み切削試験（通常の切削速度および切込み量は、それぞれ、３５０ｍ／ｍｉｎ、２．５ｍｍ）、
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７に示した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの丸棒、
切削速度： ４４０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ２．６ ｍｍ、
送り： ０．６ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： １０ 分、
の条件での炭素鋼の乾式高速高送り切削試験（通常の切削速度および送り量は、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、０．３ｍｍ／ｒｅｖ）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の丸棒、
切削速度： ３２０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ４．５ ｍｍ、
送り： ０．３ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件でのニッケルクロムモリブデン合金鋼の乾式高速高切込み切削試験（通常の切削速度および切込み量は、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍｍ）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２００の丸棒、
切削速度： ５４５ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ５．７ ｍｍ、
送り： ０．４５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ５ 分、
の条件での鋳鉄の湿式高速高切込み切削試験（通常の切削速度および切込み量は、それぞれ、３５０ｍ／ｍｉｎ、２．５ｍｍ）、
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７に示した。
表５〜７に示される結果から、この発明の被覆工具は、硬質被覆層の中間層を構成する改質ＡｌＺｒＯ層が、平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状の結晶粒の組織構造を有すると同時に、該中間層が上部層に対する結晶組織制御作用を有するため、改質Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層は、中間層同様、平板多角形（平坦六角形を含む）たて長形状の結晶粒の組織構造を有するため表面性状にすぐれ、加えて、上部層（及び中間層）を構成する結晶粒のうち、結晶粒内部に少なくとも一つ以上のΣ３対応界面が存在する結晶粒の面積比率が高いものとなっていることから、本発明の被覆工具は、従来被覆工具の有する高温硬さ、高温強度、耐熱性に加えて、一段とすぐれた表面平坦性と高温強度を兼備し、その結果、各種の鋼や鋳鉄などを、高い発熱を伴い切刃部に高負荷が作用する高速重切削条件の切削加工で用いた場合にも、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性と一段とすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。
これに対して、中間層として改質ＡｌＺｒＯ層が形成されておらず、硬質被覆層の下部層の上に、上部層として従来Ａｌ2Ｏ3層が直接蒸着形成された従来被覆工具においては、高速重切削条件下では摩耗が促進されやすく、また、高温強度も不十分である結果、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
これに対して、中間層として改質ＡｌＺｒＯ層が形成されておらず、硬質被覆層の下部層の上に、上部層として従来Ａｌ2Ｏ3層が直接蒸着形成された従来被覆工具においては、高速重切削条件下では摩耗が促進されやすく、また、高温強度も不十分である結果、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、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に高い発熱を伴うとともに切刃部に対して高負荷が作用する高速重切削加工でも硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性と一段と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。
Claims (3)
- 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、３〜２０μｍの全体平均層厚を有する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層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）中間層として、１〜５μｍの平均層厚を有し、Ａｌとの合量に占めるＺｒの含有割合（Ｚｒ／（Ａｌ＋Ｚｒ）の値）が０．００２〜０．０１（但し、原子比）であるα型の結晶構造を有し、かつ、Ｚｒを含有する酸化アルミニウム層、
（ｃ）上部層として、１〜１５μｍの平均層厚を有し、かつ、α型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）〜（ｃ）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、
上記上部層（ｃ）を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、
該上部層（ｃ）について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、
上記上部層（ｃ）を構成する結晶粒の内、面積比率で４０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されていることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記上部層（ｃ）を電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平坦六角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒が、層厚方向に垂直な面内において全体の３５％以上の面積割合を占める請求項１に記載の表面被覆切削工具。
- 前記中間層（ｂ）を、電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察した場合に、層厚方向に垂直な面内で平板多角形状、また、層厚方向に平行な面内で層厚方向にたて長形状を有する結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、
該中間層（ｂ）について、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用い、表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、六方晶結晶格子からなる結晶格子面のそれぞれの法線が基体表面の法線と交わる角度を測定し、
この測定結果から、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出し、結晶格子界面を構成する構成原子のそれぞれが前記結晶格子相互間で１つの構成原子を共有する格子点（構成原子共有格子点）の分布を算出し、前記構成原子共有格子点間に構成原子を共有しない格子点がＮ個（但し、Ｎはコランダム型六方最密晶の結晶構造上２以上の偶数となるが、分布頻度の点からＮの上限を２８とした場合、４、８、１４、２４および２６の偶数は存在せず）存在する構成原子共有格子点形態をΣＮ＋１で表した場合に、
前記中間層（ｂ）を構成する結晶粒の内、面積比率で６０％以上の結晶粒の内部は、少なくとも一つ以上の、Σ３で表される構成原子共有格子点形態からなる結晶格子界面により分断されている請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具。
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