JP5483110B2 - 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
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Description
この発明は、特に各種の鋼や鋳鉄などの被削材の切削加工を、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に対して、衝撃的かつ断続的負荷が作用する高速断続切削条件で行った場合にも、硬質被覆層が長期の使用にわたってすぐれた耐チッピング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、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）上部層が、２〜１５μｍ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酸化アルミニウム（以下、α型Ａｌ２Ｏ３という）層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、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。
（ａ）下部層が、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）上部層が、２〜１５μｍ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酸化アルミニウム（以下、α型Ａｌ２Ｏ３という）層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が知られており、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、例えば、特許文献１に示すように、上記（ａ）のＴｉ化合物層のうちの少なくとも１層のＴｉＣＮ層を、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．３〜２％、Ｃ２Ｈ４：１〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４０ｋＰａ、
という条件の化学蒸着にて形成すると、このＴｉＣＮ層（以下、従来ＴｉＣＮ層という）は、すぐれた高温強度と耐衝撃性を具備するようになり、また、この従来ＴｉＣＮ層についてその表面研磨面の法線に対して、結晶粒の｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、傾斜角度数分布グラフを作成した場合には、０〜１０度の傾斜角区分のＴｉＣＮ結晶粒（以下、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒で示す）が、度数全体の５０〜７５％の割合を占める従来ＴｉＣＮ層が形成され、この被覆工具（以下、従来被覆工具１という）がすぐれた耐チッピング性を有することが知られている。
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．３〜２％、Ｃ２Ｈ４：１〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４０ｋＰａ、
という条件の化学蒸着にて形成すると、このＴｉＣＮ層（以下、従来ＴｉＣＮ層という）は、すぐれた高温強度と耐衝撃性を具備するようになり、また、この従来ＴｉＣＮ層についてその表面研磨面の法線に対して、結晶粒の｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、傾斜角度数分布グラフを作成した場合には、０〜１０度の傾斜角区分のＴｉＣＮ結晶粒（以下、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒で示す）が、度数全体の５０〜７５％の割合を占める従来ＴｉＣＮ層が形成され、この被覆工具（以下、従来被覆工具１という）がすぐれた耐チッピング性を有することが知られている。
また、例えば、特許文献２に示すように、上記（ｂ）のα型Ａｌ２Ｏ３層を、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：３〜１０％、ＣＯ２：０．５〜３％、Ｃ２Ｈ４：０．０１〜０．３％、ＳＦ６：０．０１〜０．２％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａ、
の低温条件で化学蒸着し、加熱処理を施したＡｌ２Ｏ３核を介して、通常の化学蒸着条件でα型Ａｌ２Ｏ３層を形成すると、このα型Ａｌ２Ｏ３層は、すぐれた耐衝撃性を具備し、また、このα型Ａｌ２Ｏ３層について、表面研磨面の法線に対して、（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、傾斜角度数分布グラフを作成した場合に、３３〜４３度の傾斜角区分のα型Ａｌ２Ｏ３結晶粒が、度数全体の４５％以上の割合を占めるようなα型Ａｌ２Ｏ３層が形成され、この被覆工具（以下、従来被覆工具２という）がやはりすぐれた耐チッピング性を示すことが知られている。
尚、前記加熱処理Ａｌ２Ｏ３核の分布割合は、平均値で５〜２００個/μｍ２の範囲内である。
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ３：３〜１０％、ＣＯ２：０．５〜３％、Ｃ２Ｈ４：０．０１〜０．３％、ＳＦ６：０．０１〜０．２％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７５０〜９００℃、
反応雰囲気圧力：３〜１３ｋＰａ、
の低温条件で化学蒸着し、加熱処理を施したＡｌ２Ｏ３核を介して、通常の化学蒸着条件でα型Ａｌ２Ｏ３層を形成すると、このα型Ａｌ２Ｏ３層は、すぐれた耐衝撃性を具備し、また、このα型Ａｌ２Ｏ３層について、表面研磨面の法線に対して、（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定し、傾斜角度数分布グラフを作成した場合に、３３〜４３度の傾斜角区分のα型Ａｌ２Ｏ３結晶粒が、度数全体の４５％以上の割合を占めるようなα型Ａｌ２Ｏ３層が形成され、この被覆工具（以下、従来被覆工具２という）がやはりすぐれた耐チッピング性を示すことが知られている。
尚、前記加熱処理Ａｌ２Ｏ３核の分布割合は、平均値で５〜２００個/μｍ２の範囲内である。
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、切削加工はますます高速化される傾向にあるが、上記の従来被覆工具１、２においては、これを鋼や鋳鉄など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、高い発熱を伴うとともに、切れ刃に断続的かつ衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件に用いた場合には、硬質被覆層の高温強度と耐衝撃性が十分ではなく、また、衝撃等により硬質被覆層にクラックがいったん発生すると、層中の内部応力によってクラックの進展が促進されるために、チッピング、欠損が発生しやすくなり、その結果、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、硬質被覆層の高温強度及び耐衝撃性の向上を図るべく鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。
まず、本発明者等は、上記従来被覆工具１（傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０度の傾斜角区分に度数全体の５０〜７５％の割合を占めるＴｉＣＮ結晶粒が存在する少なくとも１層の従来ＴｉＣＮ層を下部層として備えた特許文献１に記載のもの）において、その上部層として、特許文献２に記載される蒸着条件でα型Ａｌ２Ｏ３層（傾斜角度数分布グラフにおいて、３３〜４３度の傾斜角区分に度数全体の４５％以上の割合を占めるα型Ａｌ２Ｏ３結晶粒が存在するα型Ａｌ２Ｏ３層）を蒸着形成したところ、通常の切削条件下での耐チッピング性、耐欠損性についてはある程度の向上が認められるものの、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工においては、すぐれた高温強度を示すものの、チッピング、欠損等の発生防止を十分満足し得る程度には抑制し得ないことがわかった。
まず、本発明者等は、上記従来被覆工具１（傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０度の傾斜角区分に度数全体の５０〜７５％の割合を占めるＴｉＣＮ結晶粒が存在する少なくとも１層の従来ＴｉＣＮ層を下部層として備えた特許文献１に記載のもの）において、その上部層として、特許文献２に記載される蒸着条件でα型Ａｌ２Ｏ３層（傾斜角度数分布グラフにおいて、３３〜４３度の傾斜角区分に度数全体の４５％以上の割合を占めるα型Ａｌ２Ｏ３結晶粒が存在するα型Ａｌ２Ｏ３層）を蒸着形成したところ、通常の切削条件下での耐チッピング性、耐欠損性についてはある程度の向上が認められるものの、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工においては、すぐれた高温強度を示すものの、チッピング、欠損等の発生防止を十分満足し得る程度には抑制し得ないことがわかった。
そこで、本発明者等は、Ｔｉ化合物層のうちの少なくとも１層のＴｉＣＮ層と
α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層についてさらに検討を進めたところ、上記特許文献１に記載されたＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒を有する少なくとも１層の従来ＴｉＣＮ層を、例えば、
第一段階として、反応ガス組成−体積％で、
ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．０１〜０．０５％、Ｃ２Ｈ４：０．０５〜０．１％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４５ｋＰａ、
という条件で1時間化学蒸着し、その後
第二段階として、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．３〜２％、Ｃ２Ｈ４：０．０５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４５ｋＰａ、
という条件で化学蒸着にて形成すると、このＴｉＣＮ層（以下、改質ＴｉＣＮ層という）は、すぐれた高温強度と耐衝撃性を具備するようになり、また、この改質ＴｉＣＮ層について、工具基体の表面の法線に対して、結晶粒の｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、傾斜角度数分布グラフを作成した場合には、０〜１０度の傾斜角区分のＴｉＣＮ結晶粒（以下、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒で示す）が、度数全体の４０〜７０％の割合を占める改質ＴｉＣＮ層が形成される。
この上に、例えば、特定の二段階の蒸着条件でα型Ａｌ２Ｏ３層（以下、改質α型Ａｌ２Ｏ３層という）を形成した場合には、改質ＴｉＣＮ層からなる下部層のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒とエピタキシャルな位置に、相対的に粗粒なα型Ａｌ２Ｏ３結晶粒からなる組織構造を有する上部層を形成し得ることを見出した。
例えば、上記二段階の蒸着条件とは、以下のとおりである。
第１段階として、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３ ：１１〜１５ ％、
ＣＯ２ ： ９〜１２ ％、
ＨＣｌ ： ５〜７ ％、
Ｈ２ ： 残り、
反応雰囲気温度：１０４０〜１０６０ ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ ｋＰａ、
の条件で３０分間化学蒸着を行い、
次いで、第２段階として、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３ ： ２〜５ ％、
ＣＯ２ ： ３〜９ ％、
ＨＣｌ ： １〜５ ％、
Ｈ２Ｓ ： ０．２５〜０．６ ％、
Ｈ２ ： 残り、
反応雰囲気温度：９６０〜１０００ ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ ｋＰａ、
という二段階の条件で蒸着することにより、改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を形成することができる。
α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層についてさらに検討を進めたところ、上記特許文献１に記載されたＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒を有する少なくとも１層の従来ＴｉＣＮ層を、例えば、
第一段階として、反応ガス組成−体積％で、
ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．０１〜０．０５％、Ｃ２Ｈ４：０．０５〜０．１％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４５ｋＰａ、
という条件で1時間化学蒸着し、その後
第二段階として、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．３〜２％、Ｃ２Ｈ４：０．０５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４５ｋＰａ、
という条件で化学蒸着にて形成すると、このＴｉＣＮ層（以下、改質ＴｉＣＮ層という）は、すぐれた高温強度と耐衝撃性を具備するようになり、また、この改質ＴｉＣＮ層について、工具基体の表面の法線に対して、結晶粒の｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、傾斜角度数分布グラフを作成した場合には、０〜１０度の傾斜角区分のＴｉＣＮ結晶粒（以下、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒で示す）が、度数全体の４０〜７０％の割合を占める改質ＴｉＣＮ層が形成される。
この上に、例えば、特定の二段階の蒸着条件でα型Ａｌ２Ｏ３層（以下、改質α型Ａｌ２Ｏ３層という）を形成した場合には、改質ＴｉＣＮ層からなる下部層のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒とエピタキシャルな位置に、相対的に粗粒なα型Ａｌ２Ｏ３結晶粒からなる組織構造を有する上部層を形成し得ることを見出した。
例えば、上記二段階の蒸着条件とは、以下のとおりである。
第１段階として、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３ ：１１〜１５ ％、
ＣＯ２ ： ９〜１２ ％、
ＨＣｌ ： ５〜７ ％、
Ｈ２ ： 残り、
反応雰囲気温度：１０４０〜１０６０ ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ ｋＰａ、
の条件で３０分間化学蒸着を行い、
次いで、第２段階として、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３ ： ２〜５ ％、
ＣＯ２ ： ３〜９ ％、
ＨＣｌ ： １〜５ ％、
Ｈ２Ｓ ： ０．２５〜０．６ ％、
Ｈ２ ： 残り、
反応雰囲気温度：９６０〜１０００ ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ ｋＰａ、
という二段階の条件で蒸着することにより、改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を形成することができる。
そして、上記の二段階で蒸着形成された改質α型Ａｌ２Ｏ３層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、その断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、工具基体の表面の法線に対して、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の０〜４５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、３５〜４５度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（以下、これを、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒という）の該傾斜角区分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６０％〜８５％の割合を占め、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（以下、これを、Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒という）の該傾斜角区分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１５％〜２５％の割合を占めること、また、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒は、層厚方向にみて、下部層（改質ＴｉＣＮ層）のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒とエピタキシャルな位置に形成されること、さらに、該Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒を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粗大な結晶粒からなる組織構造を有すること、そして、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の平均結晶粒径は、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒以外の結晶粒の平均結晶粒径の２〜５倍であり相対的に粗粒な結晶粒であることを見出したのである。
上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、それ自体で耐チッピング、耐欠損性にすぐれるという特性を備えるが、硬質被覆層形成後の後処理として、例えば、上部層（改質α型Ａｌ２Ｏ３層）の表面にウエットブラスト処理を施したような場合には、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒には微細なクラックが形成され、その結果、上部層（改質α型Ａｌ２Ｏ３層）の内部に存在する残留応力が緩和され、断続的な衝撃に対して、より一段とすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を示すこともわかった。
したがって、この発明の被覆工具は、上記の改質ＴｉＣＮ層を含む下部層と、上記の改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる硬質被覆層を蒸着形成したことによって、高い発熱を伴うとともに、切れ刃に断続的かつ衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件に用いた場合にも、硬質被覆層が一段とすぐれた耐衝撃性、耐チッピング性を備え、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を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）下部層が、３〜２０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、化学蒸着形成された少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含むＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、２〜１５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記（ａ）の下部層のうちの少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の断面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、上記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの０〜４５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わした場合、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒で示す）の該傾斜角区分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４０〜７０％の割合を占めるＴｉの炭窒化物であり、
（ｄ）上記（ｂ）の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の断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、工具基体の表面の法線に対して、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の０〜４５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わした場合、３５〜４５度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒）の該傾斜角区分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６０〜８５％の割合を占め、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒）の該傾斜角区分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１５％〜２５％の割合を占める酸化アルミニウムであり、
（ｅ）上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒は、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粗大な結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の平均結晶粒径は、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒以外の結晶粒の平均結晶粒径の２〜５倍である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 上記（ａ）のＴｉ化合物層が、Ｔｉの炭化物層、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層以上と、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層とからなることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒は、層厚方向にみて、上記（ｃ）のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の形成されている位置の直上または層厚方向延長線上に形成されていることを特徴とする前記（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）下部層が、３〜２０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、化学蒸着形成された少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含むＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、２〜１５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記（ａ）の下部層のうちの少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の断面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、上記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの０〜４５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わした場合、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒で示す）の該傾斜角区分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４０〜７０％の割合を占めるＴｉの炭窒化物であり、
（ｄ）上記（ｂ）の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の断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、工具基体の表面の法線に対して、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の０〜４５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わした場合、３５〜４５度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒）の該傾斜角区分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６０〜８５％の割合を占め、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒）の該傾斜角区分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１５％〜２５％の割合を占める酸化アルミニウムであり、
（ｅ）上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒は、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粗大な結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の平均結晶粒径は、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒以外の結晶粒の平均結晶粒径の２〜５倍である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 上記（ａ）のＴｉ化合物層が、Ｔｉの炭化物層、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層以上と、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層とからなることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒は、層厚方向にみて、上記（ｃ）のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の形成されている位置の直上または層厚方向延長線上に形成されていることを特徴とする前記（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について、詳細に説明する。
（ａ）下部層のＴｉ化合物層
下部層のＴｉ化合物層は、Ｔｉの炭化物（ＴｉＣ）層、窒化物（ＴｉＮ）層、炭窒化物（ＴｉＣＮ）層、炭酸化物（ＴｉＣＯ）層および炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層のうちの１層または２層以上で構成するとともに、そのうちの少なくとも１層は、結晶粒の｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定して作成した傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒）が、度数全体の４０〜７０％の割合を占める改質ＴｉＣＮ層で構成する。
（ａ）下部層のＴｉ化合物層
下部層のＴｉ化合物層は、Ｔｉの炭化物（ＴｉＣ）層、窒化物（ＴｉＮ）層、炭窒化物（ＴｉＣＮ）層、炭酸化物（ＴｉＣＯ）層および炭窒酸化物（ＴｉＣＮＯ）層のうちの１層または２層以上で構成するとともに、そのうちの少なくとも１層は、結晶粒の｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定して作成した傾斜角度数分布グラフにおいて、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒）が、度数全体の４０〜７０％の割合を占める改質ＴｉＣＮ層で構成する。
上記の改質ＴｉＣＮ層、即ち、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒が度数全体の４０〜７０％の割合を占めるＴｉＣＮ層は、例えば、以下の条件の化学蒸着によって成膜することができる。
即ち、
第一段階として、反応ガス組成−体積％で、
ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．０１〜０．０５％、Ｃ２Ｈ４：０．０５〜０．１％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４５ｋＰａ、
という条件で1時間化学蒸着し、その後
第二段階として、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．３〜２％、Ｃ２Ｈ４：０．０５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４５ｋＰａ、
という条件の化学蒸着により、高温強度と耐衝撃性にすぐれた改質ＴｉＣＮ層を形成することができる。
即ち、
第一段階として、反応ガス組成−体積％で、
ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．０１〜０．０５％、Ｃ２Ｈ４：０．０５〜０．１％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４５ｋＰａ、
という条件で1時間化学蒸着し、その後
第二段階として、
反応ガス組成−体積％で、ＴｉＣｌ４：０．２〜１％、ＣＨ３ＣＮ：０．３〜２％、Ｃ２Ｈ４：０．０５〜３％、Ｎ２：１０〜３０％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：７００〜７８０℃、
反応雰囲気圧力：２５〜４５ｋＰａ、
という条件の化学蒸着により、高温強度と耐衝撃性にすぐれた改質ＴｉＣＮ層を形成することができる。
また、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の度数割合は、以下のとおりにして求める。
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、改質ＴｉＣＮ層が被覆されている工具基体の断面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、上記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの０〜４５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し、該傾斜角度分布グラフにおいて、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に存在する結晶粒（ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒）の度数を求め、一方、測定傾斜角範囲０〜４５度の範囲内にある全度数を求め、全度数に占める前記ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の度数の割合を算出することによって、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の度数割合を求めることができる。
電界放出型走査電子顕微鏡を用い、改質ＴｉＣＮ層が被覆されている工具基体の断面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、上記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの０〜４５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し、該傾斜角度分布グラフにおいて、０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に存在する結晶粒（ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒）の度数を求め、一方、測定傾斜角範囲０〜４５度の範囲内にある全度数を求め、全度数に占める前記ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の度数の割合を算出することによって、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の度数割合を求めることができる。
少なくとも上記改質ＴｉＣＮを含むＴｉ化合物層からなる下部層は、α型Ａｌ２Ｏ３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向上に寄与するほか、工具基体とα型Ａｌ２Ｏ３層のいずれにも強固に密着し、硬質被覆層の工具基体に対する密着性を向上させる作用を有し、特に、上記改質ＴｉＣＮ層は、すぐれた高温強度とすぐれた耐衝撃性を有し、下部層の高温強度向上、耐チッピング性向上に寄与するが、下部層の平均層厚が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切削加工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、その平均層厚は３〜２０μｍと定めた。
（ｂ）上部層の改質α型Ａｌ２Ｏ３層
上記ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒を有する少なくとも１層の改質ＴｉＣＮ層を含む下部層の表面に、以下の二段階蒸着によって、改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することができる。
すなわち、第１段階として、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３ ：１１〜１５ ％、
ＣＯ２ ： ９〜１２ ％、
ＨＣｌ ： ５〜７ ％、
Ｈ２ ： 残り、
反応雰囲気温度：１０４０〜１０６０ ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ ｋＰａ、
の条件で３０分間化学蒸着を行い、
次いで、第２段階として、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３ ： ２〜５ ％、
ＣＯ２ ： ３〜９ ％、
ＨＣｌ ： １〜５ ％、
Ｈ２Ｓ ： ０．２５〜０．６ ％、
Ｈ２ ： 残り、
反応雰囲気温度：９６０〜１０００ ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ ｋＰａ、
という条件で蒸着することにより、改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を形成することができる。
上記ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒を有する少なくとも１層の改質ＴｉＣＮ層を含む下部層の表面に、以下の二段階蒸着によって、改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することができる。
すなわち、第１段階として、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３ ：１１〜１５ ％、
ＣＯ２ ： ９〜１２ ％、
ＨＣｌ ： ５〜７ ％、
Ｈ２ ： 残り、
反応雰囲気温度：１０４０〜１０６０ ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ ｋＰａ、
の条件で３０分間化学蒸着を行い、
次いで、第２段階として、
反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣｌ３ ： ２〜５ ％、
ＣＯ２ ： ３〜９ ％、
ＨＣｌ ： １〜５ ％、
Ｈ２Ｓ ： ０．２５〜０．６ ％、
Ｈ２ ： 残り、
反応雰囲気温度：９６０〜１０００ ℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ ｋＰａ、
という条件で蒸着することにより、改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を形成することができる。
そして、上記の二段階で蒸着形成された改質α型Ａｌ２Ｏ３層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、その断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、工具基体の表面の法線に対して、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の０〜４５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、３５〜４５度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒）の該傾斜角区分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６０〜８５％の割合を占め、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（０ ０ ０ １）結晶粒）の該傾斜角区分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１５〜２５％の割合を占める改質α型Ａｌ２Ｏ３層が形成される。
上記の改質α型Ａｌ２Ｏ３層の縦断面を、電界放出型走査電子顕微鏡で観察すると、下部層の改質ＴｉＣＮ層のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒とエピタキシャルな位置、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒が形成されていることがわかる。
また、膜厚方向に垂直な面内の改質α型Ａｌ２Ｏ３層について、同様に電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察をすると、図１に示すように、該面内に存在する上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の、平均結晶粒径は、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒以外の結晶粒の平均結晶粒径の２〜５倍であって、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒は相対的に粗粒であることが観察される。
また、膜厚方向に垂直な面内の改質α型Ａｌ２Ｏ３層について、同様に電界放出型走査電子顕微鏡で組織観察をすると、図１に示すように、該面内に存在する上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の、平均結晶粒径は、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒以外の結晶粒の平均結晶粒径の２〜５倍であって、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒は相対的に粗粒であることが観察される。
上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、通常のＡｌ２Ｏ３層のもつ高硬度と耐熱性に加えて、傾斜角度数分布グラフにおける度数割合で６０〜８５％の上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒、１５％〜２５％以上の上記存Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒が存在することによって、高熱発生を伴い、しかも、断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工において、一段とすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮する。
ただ、上部層の平均層厚が２μｍ未満では、所望のすぐれた耐摩耗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、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚は２〜１５μｍと定めた。
ただ、上部層の平均層厚が２μｍ未満では、所望のすぐれた耐摩耗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、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚は２〜１５μｍと定めた。
本発明の被覆工具においては、硬質被覆層として、少なくとも１層の改質ＴｉＣＮ層を含む下部層と、改質α型Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することにより、すぐれた耐チッピング性を発揮するが、硬質被覆層形成後の後処理として、例えば、改質α型Ａｌ２Ｏ３層表面にウエットブラスト処理を施すことによって、上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒に微細なクラックを生成させ、それによって、改質α型Ａｌ２Ｏ３層の内部残留応力を緩和することにより、高速断続切削加工において、より一段と耐チッピング性、耐欠損性を向上させることができる。
本発明の被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削を、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に対して断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工条件で行った場合でも、硬質被覆層の下部層がすぐれた高温強度、耐衝撃性を備え、硬質被覆層の上部層が、高硬度と耐熱性に加え、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を備えることにより、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮し、使用寿命の一層の延命化を可能とするものである。
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１〜３μｍの平均粒径を有する表１に示される粉末を用意し、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・ＣＮＭＧ１６０４１２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１〜１０をそれぞれ作製した。
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表２に示される粉末を用意し、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・ＣＮＭＧ１６０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体１１〜１６を作製した。
ついで、これらの工具基体１〜１０および工具基体１１〜１６のそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、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）に示される条件および表５に示される改質ＴｉＣＮ層の形成条件にて、表７に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
ついで、表６に示される二段階蒸着条件にて、表７に示される目標層厚の改質α型Ａｌ２Ｏ３層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１６をそれぞれ製造した。
ついで、表６に示される二段階蒸着条件にて、表７に示される目標層厚の改質α型Ａｌ２Ｏ３層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１６をそれぞれ製造した。
上記本発明被覆工具１〜１６の改質ＴｉＣＮ層、改質α型Ａｌ２Ｏ３層については、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、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成した。
即ち、上記の改質ＴｉＣＮ層についての傾斜角度数分布グラフは、改質ＴｉＣＮ層の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、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝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、０〜４５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、該傾斜角度数分布グラフから、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒）の度数割合を求めた。
これらの値を表７に示した。
同様に、上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層の傾斜角度数分布グラフは、上記の改質α型Ａｌ２Ｏ３層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、前記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、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）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、０〜４５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、該傾斜角度数分布グラフから、３５〜４５度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒）の度数割合と０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒）の度数割合を求めた。これらの値を表７に示した。
なお、図２には、一例として、本発明被覆工具２の下部層の改質ＴｉＣＮ層の｛１１０｝面について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
また、図３には、一例として、本発明被覆工具２の上部層（改質α型Ａｌ２Ｏ３層）の（０００１）面について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
即ち、上記の改質ＴｉＣＮ層についての傾斜角度数分布グラフは、改質ＴｉＣＮ層の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、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝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、０〜４５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、該傾斜角度数分布グラフから、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒）の度数割合を求めた。
これらの値を表７に示した。
同様に、上記改質α型Ａｌ２Ｏ３層の傾斜角度数分布グラフは、上記の改質α型Ａｌ２Ｏ３層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、前記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、３０×５０μｍの領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（０００１）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、０〜４５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、該傾斜角度数分布グラフから、３５〜４５度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒）の度数割合と０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒）の度数割合を求めた。これらの値を表７に示した。
なお、図２には、一例として、本発明被覆工具２の下部層の改質ＴｉＣＮ層の｛１１０｝面について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
また、図３には、一例として、本発明被覆工具２の上部層（改質α型Ａｌ２Ｏ３層）の（０００１）面について測定した傾斜角度数分布グラフを示す。
また、本発明被覆工具１〜１６の改質α型Ａｌ２Ｏ３層については、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて膜厚方向と平行な面及び垂直な面のその組織を観察し、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の形状を確認するとともに、その平均結晶粒径を測定した。
前記平均結晶粒径測定は、電界放出型走査電子顕微鏡によって観察される膜厚方向と垂直な面の組織において、膜厚方向と垂直な方向に５０μｍの幅で、上部層改質α型Ａｌ２Ｏ３層の最表面から膜厚方向に上部層の膜厚の１／２の距離に膜厚方向に垂直に直線を引き、その直線と上部層の改質α型Ａｌ２Ｏ３層を形成するＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒との交点のその距離ｄを求め、異なる５箇所の膜厚方向と垂直な方向に５０μｍの幅で前記と同様な方法で求めた距離ｄの平均値をＡl２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の平均粒子径とした。
前記平均結晶粒径測定は、電界放出型走査電子顕微鏡によって観察される膜厚方向と垂直な面の組織において、膜厚方向と垂直な方向に５０μｍの幅で、上部層改質α型Ａｌ２Ｏ３層の最表面から膜厚方向に上部層の膜厚の１／２の距離に膜厚方向に垂直に直線を引き、その直線と上部層の改質α型Ａｌ２Ｏ３層を形成するＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒との交点のその距離ｄを求め、異なる５箇所の膜厚方向と垂直な方向に５０μｍの幅で前記と同様な方法で求めた距離ｄの平均値をＡl２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の平均粒子径とした。
また、上記本発明被覆工具１〜１６のうちのいくつかの被覆工具に対しては、
ウエットブラストにて、噴射研磨剤として、アルミナ砥粒（♯１００〜１０００）を投射圧１〜１０ＭＰａという条件で、上部層（改質α型Ａｌ２Ｏ３層）表面にウエットブラスト処理を施し、微細クラックを形成した。
ウエットブラストにて、噴射研磨剤として、アルミナ砥粒（♯１００〜１０００）を投射圧１〜１０ＭＰａという条件で、上部層（改質α型Ａｌ２Ｏ３層）表面にウエットブラスト処理を施し、微細クラックを形成した。
比較の目的で、上記工具基体１〜６に対して、表３に示される条件および表４に示される従来ＴｉＣＮ層の形成条件にて、表９に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、ついで、表３に示される条件にて、目標層厚のα型Ａｌ２Ｏ３層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより、比較被覆工具１〜６を製造した。
また、上記工具基体７〜１２に対して、表３に示される条件にて、表９に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、ついで、表８に示される蒸着条件にて、表９に示される目標層厚のα型Ａｌ２Ｏ３層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより比較被覆工具７〜１２を製造した。
さらに、上記工具基体１３〜１６に対して、表３に示されるＴｉＣＮの形成条件及び表４に示される従来ＴｉＣＮ層の形成条件にて、表９に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、ついで、表８に示される蒸着条件にて、表９に示される目標層厚のα型Ａｌ２Ｏ３層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより参考被覆工具１３〜１６をそれぞれ製造した。
また、上記工具基体７〜１２に対して、表３に示される条件にて、表９に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、ついで、表８に示される蒸着条件にて、表９に示される目標層厚のα型Ａｌ２Ｏ３層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより比較被覆工具７〜１２を製造した。
さらに、上記工具基体１３〜１６に対して、表３に示されるＴｉＣＮの形成条件及び表４に示される従来ＴｉＣＮ層の形成条件にて、表９に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、ついで、表８に示される蒸着条件にて、表９に示される目標層厚のα型Ａｌ２Ｏ３層を硬質被覆層の上部層として蒸着形成することにより参考被覆工具１３〜１６をそれぞれ製造した。
ついで、上記の比較被覆工具１〜１２及び参考被覆工具１３〜１６の硬質被覆層を構成する下部層（従来ＴｉＣＮ層，表３記載のＴｉＣＮ層，ｌ−ＴｉＣＮ層を含む）と上部層（α型Ａｌ２Ｏ３層）について、本発明被覆工具１〜１６の場合と同様にして、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、傾斜角度数分布グラフをそれぞれ作成し、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒およびＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒、Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒の度数割合を求めた。
これらの値を表９に示した。
さらに、比較被覆工具１〜１２及び参考被覆工具１３〜１６の上部層（α型Ａｌ２Ｏ３層）について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いてその組織を観察し、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の有無、形状およびその平均結晶粒径を測定した。
表９に、観察結果を示す。
これらの値を表９に示した。
さらに、比較被覆工具１〜１２及び参考被覆工具１３〜１６の上部層（α型Ａｌ２Ｏ３層）について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いてその組織を観察し、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の有無、形状およびその平均結晶粒径を測定した。
表９に、観察結果を示す。
表７と表９の比較から、本発明被覆工具１〜１６の上部層の改質α型Ａｌ２Ｏ３層におけるＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の度数割合、Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒の度数割合と、比較被覆工具１〜６の上部層のα型Ａｌ２Ｏ３層におけるそれとを比較すると、本発明被覆工具１〜１６のＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の度数割合は６０〜８５％、Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒の度数割合は１５％〜２５％であるのに対して、比較被覆工具１〜６の従来ＴｉＣＮ層のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の度数割合は５０％以上で、上部層Ａｌ２Ｏ３層はＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の度数割合は３０％未満、Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒の度数割合は１０％未満であり、比較被覆工具７〜１２では、ｌ−ＴｉＣＮ層のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の度数割合は１０％未満で、上部層Ａｌ２Ｏ３層はＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の度数割合は４５％以上、Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒の度数割合は１０％未満（０％）であり、また、参考被覆工具１３〜１６の従来ＴｉＣＮ層のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の度数割合は６０％以上で、上部層Ａｌ２Ｏ３層はＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の度数割合は６０％以上、Ａｌ２Ｏ３（０ ０ ０ １）結晶粒の度数割合は１０％未満（０％）であることがわかる。
つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１６、比較被覆工具１〜１２および参考被覆工具１３〜１６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・Ｓ３０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は３００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．２ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｂという）での合金鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は３００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式断続高切り込み切削試験（通常の切削速度は３００ｍ／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１０に示した。
被削材：ＪＩＳ・Ｓ３０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は３００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．２ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｂという）での合金鋼の湿式高速断続切削試験（通常の切削速度は３００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣＤ４５０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：８分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式断続高切り込み切削試験（通常の切削速度は３００ｍ／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１０に示した。
表７、９、１０に示される結果から、本発明被覆工具１〜１６は、特にその上部層が改質α型Ａｌ２Ｏ３層から構成され、通常のＡｌ２Ｏ３層のもつ高硬度と耐熱性に加えて、傾斜角度数分布グラフにおける度数割合で６０％以上の上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒、１５％以上の上記Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒が存在することによって、高熱発生を伴い、しかも、断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工において、一段とすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮することがわかる。
特に、上部層にウエットブラスト処理を施し、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒に微細クラックを形成した本発明被覆工具１、２、３、１５、１６
においては、より一段とすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮することがわかる。
本発明工具は下部層の改質ＴｉＣＮ層において、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒が、度数全体の４０〜７０％の割合を占め、かつ上部層の改質Ａｌ２Ｏ３層において、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の該傾斜角区分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６０〜８５％の割合を占め、Ａｌ２Ｏ３（０ ０ ０ １）結晶粒の該傾斜角区分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１５〜２５％の割合を占めることによって、下部層にＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒が、度数全体の５０〜７０％の割合を占める従来ＴｉＣＮ層を有する比較被覆工具１〜６及び上部層にＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒が、度数全体の４５％の割合を占めるＡｌ２Ｏ３層を有する比較被覆工具７〜１２と比較し、すぐれた耐チッピング性を有しているのは、おそらく、本発明工具が上記のような上部層と下部層の組合せにより、上部層にＡｌ２Ｏ３（１１−２６）粗大粒が存在することで上部層の引張応力が緩和されたためと考えられる。
また、参考被覆工具１３〜１６は下部層の改質ＴｉＣＮ層において、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒が、度数全体の５０〜７０％の割合を占め、かつ上部層のＡｌ２Ｏ３層において、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の該傾斜角区分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％の割合を占めているが、Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が１０％未満と低いため、本発明工具と比較すると高速断続切削時に耐チッピングにより短時間で工具寿命となったと考えられる。
特に、上部層にウエットブラスト処理を施し、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒に微細クラックを形成した本発明被覆工具１、２、３、１５、１６
においては、より一段とすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮することがわかる。
本発明工具は下部層の改質ＴｉＣＮ層において、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒が、度数全体の４０〜７０％の割合を占め、かつ上部層の改質Ａｌ２Ｏ３層において、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の該傾斜角区分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６０〜８５％の割合を占め、Ａｌ２Ｏ３（０ ０ ０ １）結晶粒の該傾斜角区分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１５〜２５％の割合を占めることによって、下部層にＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒が、度数全体の５０〜７０％の割合を占める従来ＴｉＣＮ層を有する比較被覆工具１〜６及び上部層にＡｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒が、度数全体の４５％の割合を占めるＡｌ２Ｏ３層を有する比較被覆工具７〜１２と比較し、すぐれた耐チッピング性を有しているのは、おそらく、本発明工具が上記のような上部層と下部層の組合せにより、上部層にＡｌ２Ｏ３（１１−２６）粗大粒が存在することで上部層の引張応力が緩和されたためと考えられる。
また、参考被覆工具１３〜１６は下部層の改質ＴｉＣＮ層において、ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒が、度数全体の５０〜７０％の割合を占め、かつ上部層のＡｌ２Ｏ３層において、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の該傾斜角区分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％の割合を占めているが、Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒の該傾斜角区分に存在する度数の合計が１０％未満と低いため、本発明工具と比較すると高速断続切削時に耐チッピングにより短時間で工具寿命となったと考えられる。
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、特に、高熱発生を伴い、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工でもすぐれた耐チッピング性を示し、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）下部層が、３〜２０μｍの合計平均層厚を有し、かつ、化学蒸着形成された少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層を含むＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層が、２〜１５μｍの平均層厚を有し、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有する酸化アルミニウム層、
上記（ａ）、（ｂ）からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、
（ｃ）上記（ａ）の下部層のうちの少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の断面研磨面の測定範囲内に存在する立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射して、上記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１０｝面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうちの０〜４５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わした場合、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（ＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒で示す）の該傾斜角区分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４０〜７０％の割合を占めるＴｉの炭窒化物であり、
（ｄ）上記（ｂ）の上部層について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体の断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、上記工具基体の表面の法線に対して、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の０〜４５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わした場合、３５〜４５度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒という）の該傾斜角区分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６０％〜８５％の割合を占め、０〜１０度の範囲内の傾斜角を有する結晶粒（Ａｌ２Ｏ３（０００１）結晶粒という）の該傾斜角区分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1５％〜２５％の割合を占める酸化アルミニウム層であり、
（ｅ）上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒は、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粗大な結晶粒からなる組織構造を有し、さらに、上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒の平均結晶粒径は、Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒以外の結晶粒の平均結晶粒径の２〜５倍である、
ことを特徴とする表面被覆切削工具。 - 上記（ａ）のＴｉ化合物層が、Ｔｉの炭化物層、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層以上と、少なくとも１層のＴｉの炭窒化物層とからなることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
- 上記Ａｌ２Ｏ３（１１−２６）結晶粒は、層厚方向にみて、上記（ｃ）のＴｉＣＮ｛１１０｝結晶粒の形成されている位置の直上または層厚方向延長線上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
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