JP2013208697A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】合金工具鋼等の高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と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）３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、（ｂ）１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層からなる中間層、（ｃ）４〜１４μｍの平均層厚の縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層からなる上部層、前記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の硬質被覆層が化学蒸着により形成された表面被覆切削工具において、（ｄ）上部層を構成する改質Ｔｉ炭窒化物層は、表面から層厚方向に沿って内部側に、深さ０．５〜３．５μｍの範囲内の間隔をおいて、Ａｌ含有量の複数のピークとして観測されるＡｌ含有領域が少なくとも1つ見られ、該Ａｌ含有領域におけるＡｌ平均含有量は２．０〜４．５原子％である。
【選択図】図２

Description

本発明は、合金工具鋼等の高速強断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能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２層以上からなるＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、化学蒸着形成された酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）層、
以上（ａ）および（ｂ）で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られている。さらに、被覆工具の切削性能を向上させるための種々の方法が提案されている。

例えば、特許文献１に示すように、従来被覆工具において、下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層を、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し縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層を形成することにより、硬質被覆層自身の強度向上を図ることが知られている。

また、特許文献２、３に示すように、従来被覆工具において、下部層であるＴｉ化合物層を構成するＴｉＣＮ層について、工具基体側に位置するＴｉＣＮ層の水平方向の結晶粒径（結晶幅）と、上部層側に位置するＴｉＣＮ層の水平方向の結晶粒径（結晶幅）とに所定の関係を維持せしめることにより、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性の向上を図ることも知られている。

さらに、特許文献４に示すように、ＴｉＣＮ層とＡｌＮ層とからなる複層構造の層を単位層とし、この単位層を工具基体上に少なくとも１単位層以上被覆することにより、耐酸化性、耐クラック性の向上を図ることも知られている。

特開平６−８０１０号公報 特開平１０−１０９２０６号公報 特許第４２８４１４４号公報 特開２００２−２７３６０７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の傾向にあるが、従来被覆工具においては、これを合金工具鋼等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、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速強断続切削に用いた場合には、硬質被覆層にチッピング（微小欠け）、欠損等が発生し易くなり、また、耐摩耗性も十分であるとは言えないため、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、被覆工具の硬質被覆層の耐チッピング性、耐摩耗性向上を図るべく、これの上部層に高い高温硬さと高温強度を有し、かつ、図１（ａ）に模式図で示される通り、格子点にＴｉ、炭素、および窒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（なお、図１（ｂ）は（０１１）面で切断した状態を示す）を有する縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層（以下、ｌ−ＴｉＣＮ層という）を形成することに着目し、鋭意研究を行った。

（ａ）まず、従来被覆工具の硬質被覆層は、例えば、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成：容量％で、ＴｉＣｌ_４：２〜１０％、ＣＨ_３ＣＮ：０．５〜３％、Ｎ_２：１０〜３０％、Ｈ₂：残り、
反応雰囲気温度：８００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
の条件（通常条件という）でｌ−ＴｉＣＮ層からなる下部層を蒸着した後、この上に、Ａｌ_２Ｏ_３層を蒸着することにより形成される。
（ｂ）本発明者らは、前記Ａｌ_２Ｏ_３層を蒸着した後、さらに、この上に、前述の通常の条件でｌ−ＴｉＣＮ層からなる上部層を蒸着した。
（ｃ）このとき、前記ｌ−ＴｉＣＮ層を通常条件で蒸着する成膜工程の途中段階で、前記反応雰囲気圧力を低下させ、同時に、微量のＡｌＣｌ_３およびＮＨ_３を短時間反応ガス中に添加して成膜を行い、その後は、通常条件にしたがって、ｌ−ＴｉＣＮ層を成膜する。
さらに（ｃ）の工程を繰り返し行うことにより、ｌ−ＴｉＣＮ層内に所定の間隔をおいて複数のＡｌ含有領域、すなわち、ＡｌＮ層を形成するには至っていないＡｌが存在している領域が形成されることが確認された。そして、このＡｌ含有領域を１つ以上形成することにより、ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶粒の組織微細効果が顕著になることを見出した。
（ｄ）また、本発明者らは、前述のＡｌ含有領域が形成されているｌ−ＴｉＣＮ層について、その縦断面研磨面に沿ってオージェ電子分光法により、その層厚方向にＡｌ含有量を線分析したところ、Ａｌ_２Ｏ_３層（中間層）とｌ−ＴｉＣＮ層（上部層）の界面から、ｌ−ＴｉＣＮ層の内部側にＡｌ含有領域が形成されると同時に、図２に示すようにｌ−ＴｉＣＮ層の結晶組織が微細化されており、さらに、ｌ−ＴｉＣＮ層の表面から層厚方向に沿って内部側に、０．５〜３．５μｍの範囲内の間隔をおいて、Ａｌ含有量の複数のピークが現れ、また、該ピーク位置におけるＡｌ含有量Ａｌを測定したところ、Ａｌ＝２．０〜４．５原子％であるＡｌ含有領域を１つ以上含むｌ−ＴｉＣＮ層（以下、「改質ｌ−ＴｉＣＮ層」という）が形成されることを見出した。
（ｅ）そして、Ａｌ_２Ｏ_３層（中間層）を蒸着形成した上に、前記少なくとも１つのＡｌ含有領域を備え、かつ、微細化された組織を有する改質ｌ−ＴｉＣＮ層（上部層）を蒸着形成した硬質被覆層を備えた被覆工具は、中間層と上部層との密着性が向上すると同時に、Ａｌ_２Ｏ_３の上にｌ−ＴｉＣＮ層（上部層）を形成しているにもかかわらず、上部層の結晶粒粗大化が抑制されていることから、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速強断続切削に用いた場合でも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出した。

本発明は、前記の知見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硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、工具基体側から
（ａ）３〜２０μｍの合計平均層厚を有し、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層以上のＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層からなる中間層、
（ｃ）４〜１４μｍの平均層厚の縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層からなる上部層、
の積層構造からなるとともに、
（ｄ）上部層を構成する前記縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層は、その縦断面研磨面について、オージェ電子分光法により、上部層表層から層厚方向に沿って上部層全体に亘ってＡｌ含有量をＡＥＳ線分析した場合、Ａｌ含有量のピークとして観測されるＡｌ含有領域が表面から内部側深さ方向に０．５〜３．５μｍの間隔をおいて少なくとも１つ現れ、前記Ａｌ含有領域におけるＡｌの平均含有量が、２．０〜４．５原子％であることを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

つぎに、本発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層について、詳細に説明する。
（ａ）下部層（Ｔｉ化合物層）
ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層（ｌ−ＴｉＣＮ層も含む）、ＴｉＣＯ層、ＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層は、自体が高温強度を有し、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、工具基体と中間層であるＡｌ_２Ｏ_３層の双方に強固に密着し、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、その合計平均層厚が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、その合計平均層厚が２０μｍを越えると、特に高熱発生を伴う高速強断続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３〜２０μｍと定めた。

（ｂ）中間層（Ａｌ_２Ｏ_３層）
下部層の上に形成するＡｌ_２Ｏ_３層からなる中間層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を有し、硬質被覆層の耐摩耗性向上に寄与する作用を有するが、その平均層厚が１μｍ未満では、硬質被覆層に十分な耐摩耗性を発揮せしめることができず、一方、その平均層厚が１５μｍを越えて厚くなり過ぎると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１〜１５μｍと定めた。

（ｃ）上部層の改質ｌ−ＴｉＣＮ層
中間層の上に形成する改質ｌ−ＴｉＣＮ層からなる上部層は、立方晶であるＴｉＣＮ結晶組織中に六方晶であるＡｌＮを取り込むことにより、そこを起点にＴｉＣＮ核再形成がなされＴｉＣＮ粒子の粗大化が阻止される。しかも、ＡｌＮの形成は、短時間、断続的に複数回行うため、ＡｌＮ層を形成せずＡｌが多く存在している領域、すなわち、Ａｌ含有領域として存在する。したがって、ＴｉＣＮの立方晶結晶構造が完全に分断されることがないため、ＴｉＣＮ結晶が有する靱性を損なうことがない。
ここで、上部層の平均層厚が４μｍ未満であると、長期の使用に亘って耐摩耗性を確保できず、一方、１４μｍを超えると、層の肉厚化により耐チッピング性、耐欠損性が低下する。したがって、上部層の平均層厚を、４〜１４μｍと定めた。
既述のとおり、改質ｌ−ＴｉＣＮ層は、ｌ−ＴｉＣＮ層を通常条件で蒸着する成膜工程の途中段階、例えば、所定目標層厚のｌ−ＴｉＣＮ層の成膜が完了する５０〜９０分前の時点で、反応雰囲気圧力を２．５〜３ｋＰａに低下させ、同時に、反応ガスに占める割合を０．６〜１．１容量％となるようにＡｌＣｌ_３および０．５〜１．５容量％となるようにＮＨ_３を６０〜７５秒間反応ガス中に添加して成膜を行い、その後は、通常条件にしたがって、ｌ−ＴｉＣＮ層を成膜する。この工程を所定目標層厚になるまで所定の回数（少なくとも１回）繰り返し行うことにより、形成することができる。成膜された改質ｌ−ＴｉＣＮ層の内側には、図２に示すように、所定の間隔で少なくとも１つのＡｌ含有領域が形成され、しかも、Ａｌ含有領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶粒は微細化組織となる。

改質ｌ−ＴｉＣＮ層の縦断面研磨面について、オージェ電子分光法により、その層厚方向に沿ってＡＥＳ線分析によりＡｌ含有量を測定すると、改質ｌ−ＴｉＣＮ層の表面から層厚方向に沿って内部側に０．５〜３．５μｍの範囲内の間隔をおいて、Ａｌ含有量のピークが現れる少なくとも１つのＡｌ含有領域が存在し、そして、そのＡｌ含有領域におけるＡｌの平均含有量は、２．０〜４．５原子％である。
ここで、本発明におけるＡｌ含有領域は、前述のようにＡｌＮが連続した層を形成していないので、オージェ電子分光によるＡＥＳ線分析にて縦断面研磨面の層厚方向に沿って照射したビーム位置において、図３に示すように、そこに、たまたまＡｌＮが存在していない場合、Ａｌを検出できず、Ａｌ含有領域が存在しているにもかかわらず、検出できないという問題がある。そこで、本発明においては、改質ｌ−ＴｉＣＮ層に対して水平方向に等間隔あけて、５箇所にＡＥＳ線分析を実施して、Ａｌ含有量のピークを検出した。そして、１箇所でもピークが検出されたとき、そこをＡｌ含有領域とし、そして、その時の５箇所のＡＥＳ線分析にて検出されたそれぞれのＡｌ含有量の最大ピークを平均して、そのＡｌ含有領域のＡｌの平均含有量（原子％）と定めた。

Ａｌ含有領域の間隔が０．５μｍ未満の場合には、新たなＴｉＣＮ結晶の核形成により成長した改質ｌ−ＴｉＣＮ層の強度が不十分であり、加工時における層内破壊による剥離を発生しやすくなり、一方、Ａｌ含有領域の間隔が、３．５μｍを超える内部側にある場合には、新たなＴｉＣＮ結晶の核形成により成長した改質ｌ−ＴｉＣＮ層の粒径が大きくなり過ぎる。したがって、Ａｌ含有領域の間隔は、０．５〜３．５μｍと定めた。

また、Ａｌ含有領域におけるＡｌの平均含有量Ａｌが２．０原子％未満の場合には、新たなＴｉＣＮ結晶の核形成が十分でないため、Ａｌ含有領域より上部層側の改質ｌ−ＴｉＣＮ層における結晶粒微細化効果が少なく、一方、Ａｌ含有領域におけるＡｌの平均含有量が４．５原子％を超える場合には、結晶構造の異なるＡｌＮが層として形成され、剥離発生の原因になるので、Ａｌ含有領域におけるＡｌの平均含有量Ａｌは、２．０〜４．５原子％であることが必要である。

さらに、本発明では、中間層（Ａｌ_２Ｏ_３層）の上に形成される改質ｌ−ＴｉＣＮ層において、前記所定の間隔でＡｌ含有量のピークが存在するＡｌ含有領域が少なくとも１つ形成されることによって、このＡｌ含有領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶粒が微細化し、中間層のＡｌ_２Ｏ_３層との密着性が向上するとともに、通常、Ａｌ_２Ｏ_３層の上にＴｉ化合物層を形成すると、結晶粒が粗大化するが、本発明では、改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶粒が微細化され、結晶粒の粗大化による耐チッピング性、耐摩耗性の低下を抑制することができる。さらに改質ｌ−ＴｉＣＮ層を形成するに際し、酸素原子を付加しないので、ＴｉＣＮ層の靭性低下がなく、切削加工中のチッピングが少なくなる。

本発明の被覆工具は、Ａｌ_２Ｏ_３層（中間層）の上に、少なくとも１つのＡｌ含有領域を備え、かつ、微細化された組織を有する改質ｌ−ＴｉＣＮ層（上部層）を蒸着形成されていることにより、中間層と上部層の密着性が向上すると同時に、上部層の改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶粒粗大化が抑制されるとともに、上部層中に実質的に酸素を含まないため靱性の低下が抑制されることから、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速強断続切削に用いた場合でも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。

硬質被覆層の上部層を構成する改質ｌ−ＴｉＣＮ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。 硬質被覆層の縦断面組織構造の一例を示す概略縦断面模式図である。 本発明における改質ｌ−ＴｉＣＮ層のオージェ電子分光によるＡｌ含有領域の特定方法の概念図である。

つぎに、本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・ＣＮＭＧ１２０４０８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。

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、硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件で、表５に示される組み合わせでＴｉ化合物層（但し、改質ｌ−ＴｉＣＮ層を除く）を蒸着形成し、
ついで、中間層としてのＡｌ_２Ｏ_３層を同じく、表３に示される条件で、かつ、同じく表５に示される目標層厚で蒸着形成し、その後、表４に示される条件にて、上部層としての改質ｌ−ＴｉＣＮ層を同じく表５に示される組み合わせ、かつ、目標層厚で蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
さらに、参考の目的で、本発明被覆工具１、３、８、９と同じ工具基体および下部層を中間層の上に、上部層を本発明とは形成条件を変えて形成することにより、参考被覆工具１、３、８、９をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件で、表６に示される組み合わせ、かつ、同じく表６に示される目標層厚でＴｉ化合物層を蒸着形成し、その後、表３に示される条件にて、中間層としてのＡｌ_２Ｏ_３層を、同じく表６に示される目標層厚で蒸着形成し、その後、表３に示される条件で、上部層としての通常のｌ−ＴｉＣＮ層を同じく表６に示される目標層厚で蒸着形成することにより従来被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。

ついで、前記本発明被覆工具の改質ｌ−ＴｉＣＮ層について、縦断面研磨面について、オージェ電子分光法により、その層厚方向に水平方向に等間隔に並ぶ５本のラインに沿ってＡｌ含有量を線分析し、Ａｌ含有量のピークが現れる各ピーク位置を求めるとともに、５本のラインのうち、１つでもピークが現れたとき、その位置をＡｌ含有領域とし、さらにその時の５本のライン上のそれぞれの最大ピークから求めたＡｌ含有量の平均値を求め、それを、そのＡｌ含有領域のＡｌの平均含有量と定めた。

表５に、本発明被覆工具および参考被覆工具の各Ａｌ含有領域におけるＡｌの平均含有量の値を示す。

同様に従来被覆工具のｌ−ＴｉＣＮ層についてもＡｌ含有量を線分析したが、Ａｌは含有していなかった。

さらに、本発明被覆工具の改質ｌ−ＴｉＣＮ層について、電界放出型走査電子顕微鏡および電子後方散乱回折像装置を用いて、各Ａｌ含有領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さを求め、また、各Ａｌ含有領域より内部側にある結晶粒の単位面積当たりの粒界長さを求め、各Ａｌ含有領域の結晶微細化率Ｒ_ＴｉＣＮ（但し、Ｒ＝（Ａｌ含有領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さ）／（Ａｌ含有領域より内部側にある改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さ）を算出した。

ここで、改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さは、以下のようにして測定算出することができる。

すなわち、前記改質ｌ−ＴｉＣＮ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ｌ−ＴｉＣＮ層のＡｌ含有領域における縦断面測定領域を走査し、該測定領域内で粒界として識別される部分の長さＧＢ_ＬＯ（μｍ）を求め、そして、測定した縦断面研磨面の面積Ｇ_ＡＯ（μｍ^２）との比の値ＧＢ_ＬＯ／Ｇ_ＡＯを求めた。

また、同様に、改質ｌ−ＴｉＣＮ層のＡｌ含有領域より内部側における縦断面測定領域を走査し、該測定領域内で粒界として識別される部分の長さＧＢ_ＬＩ（μｍ）を求め、そして、測定した縦断面研磨面の面積Ｇ_ＡＩ（μｍ^２）との比の値ＧＢ_ＬＩ／Ｇ_ＡＩを求めた。

ついで、前記ＧＢ_ＬＯ／Ｇ_ＡＯ（Ａｌ含有領域における単位面積当たりの粒界長さに相当）と、前記ＧＢ_ＬＩ／Ｇ_ＡＩ（Ａｌ含有領域より内部側における単位面積当たりの粒界長さに相当）との比の値を求め、これを、改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶微細化率Ｒ_ＴｉＣＮであると定義した。

即ち、結晶微細化率Ｒ_ＴｉＣＮ
＝（Ａｌ含有領域における改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さ）／（Ａｌ含有領域より内部側にある改質ｌ−ＴｉＣＮ結晶粒の単位面積当たりの粒界長さ）
＝（ＧＢ_ＬＯ／Ｇ_ＡＯ）／（ＧＢ_ＬＩ／Ｇ_ＡＩ）
である。

表５に、本発明被覆工具の改質ｌ−ＴｉＣＮ層についての各Ａｌ含有領域の結晶微細化率Ｒ_ＴｉＣＮの値を示す。

表５に示される通り、本発明被覆工具の改質ｌ−ＴｉＣＮ層は、結晶微細化率Ｒ_ＴｉＣＮがいずれも１３．２より大きく、Ａｌ含有領域においては結晶粒が微細化していることが分かる。

なお、本発明被覆工具および従来被覆工具の下部層、中間層、上部層の厚さを、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（５点測定の平均値）を示した。

つぎに、前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、従来被覆工具１〜１３および参考被覆工具１、３、８、９について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ１１の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．８ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１８分、
の条件（切削条件Ａ）での合金工具鋼の乾式高速強断続切削試験
（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｂ）での合金工具鋼の湿式高速強断続切削試験
（通常の切削速度は、１８０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＨ５５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｃ）での高速度工具鋼の乾式高速強断続切削試験
（通常の切削速度は、１７０ｍ／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７に示した。

表５〜７に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、Ａｌ含有領域を備え、かつ、微細化された組織を有する改質ｌ−ＴｉＣＮ層（上部層）が形成されていることにより、中間層と上部層の密着性が向上すると同時に、上部層の改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶粒粗大化が抑制されることから、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速強断続切削に用いた場合でも、すぐれた耐チッピング性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を示す。

これに対して、硬質被覆層の上部層として、Ａｌ含有領域を備え、かつ、微細化された組織を有する改質ｌ−ＴｉＣＮ層が形成されていない従来被覆工具１〜１３においては、上部層において結晶粒の粗大化が生じやすく、そのため、中間層と上部層の密着性、耐摩耗性が十分でないため、高熱発生を伴い、かつ、切刃部に断続的・衝撃的負荷がかかる高速強断続切削では、チッピング、欠損、剥離等が発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

また、Ａｌ含有領域を備えてはいるが、そのＡｌ平均含有量が２．０〜４．５原子％の範囲でない参考被覆工具１、３、８、９は、従来被覆工具と比べて使用寿命が同等かそれ以上ではあるが、上部層の改質ｌ−ＴｉＣＮ層の結晶粒粗大化抑制作用が十分でなく、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

前述のように、本発明の被覆工具は、合金工具鋼などの高速強断続切削ですぐれた耐チッピング性、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 (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硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、
   前記硬質被覆層が、工具基体側から
   （ａ）３〜２０μｍの合計平均層厚を有し、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層以上のＴｉ化合物層からなる下部層、
   （ｂ）１〜１５μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層からなる中間層、
   （ｃ）４〜１４μｍの平均層厚の縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層からなる上部層、
   の積層構造からなるとともに、
   （ｄ）上部層を構成する前記縦長成長結晶組織をもつ改質Ｔｉ炭窒化物層は、その縦断面研磨面について、オージェ電子分光法により、上部層表層から層厚方向に沿って上部層全体に亘ってＡｌ含有量をＡＥＳ線分析した場合、Ａｌ含有量のピークとして観測されるＡｌ含有領域が表面から内部側深さ方向に０．５〜３．５μｍの間隔をおいて少なくとも１つ現れ、前記Ａｌ含有領域におけるＡｌの平均含有量が、２．０〜４．５原子％であることを特徴とする表面被覆切削工具。