硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を備える表面被覆切削工具
【課題】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、耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、（ａ）Ｔｉ化合物層からなる下部層、（ｂ）酸化アルミニウム層からなる上部層、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、上記上部層の層厚方向に０．１μｍの厚み幅間隔で、各厚み幅領域に存在する孔径２〜３０ｎｍの空孔の空孔密度を測定した場合に、空孔密度が２００〜５００個／μｍ２の厚み幅領域と空孔密度が０〜２０個／μｍ２の厚み幅領域とが、上部層の層厚方向に沿って、交互に少なくとも複数領域形成されている空孔分布形態を有する。
【解決手段】ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に、（ａ）Ｔｉ化合物層からなる下部層、（ｂ）酸化アルミニウム層からなる上部層、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、上記上部層の層厚方向に０．１μｍの厚み幅間隔で、各厚み幅領域に存在する孔径２〜３０ｎｍの空孔の空孔密度を測定した場合に、空孔密度が２００〜５００個／μｍ２の厚み幅領域と空孔密度が０〜２０個／μｍ２の厚み幅領域とが、上部層の層厚方向に沿って、交互に少なくとも複数領域形成されている空孔分布形態を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する各種の鋼や鋳鉄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、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。
【背景技術】
【０００２】
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、Ａｌ２Ｏ３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おり、この被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることが知られている。
【０００３】
ただ、上記の被覆工具は、切れ刃に大きな負荷がかかる切削条件では、チッピング、欠損等を発生しやすく、工具寿命が短命であるという問題があるため、これを解消するために、従来からいくつかの提案がなされている。
【０００４】
例えば、引用文献１には、硬質被覆層として、Ａｌ２Ｏ３層の厚さ方向に貫通孔を有する多孔質Ａｌ２Ｏ３層の空孔内にＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮを充填したＡｌ２Ｏ３主体層を形成することにより、硬質被覆層の耐摩耗性を確保しつつ靭性の向上を図り、もって、被覆工具の耐チッピング性を改善することが提案されている。
【０００５】
また、引用文献２、３には、下部層としてＴｉ化合物層、上部層としてＡｌ２Ｏ３層を設けた被覆工具において、上部層を、５〜３０％の空孔率を有する多孔質Ａｌ２Ｏ３層で構成し、該空孔によって機械的、熱的衝撃を緩和させ、耐チッピング性を向上させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２７７００７号公報
【特許文献２】特開２００３−１９６０３号公報
【特許文献３】特開２００３−４８１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下で使用されるようになってきているが、例えば、前記特許文献１〜３に示される被覆工具においても、高熱発生を伴うとともに、より一段と切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いられた場合には、上部層の耐機械的衝撃性、耐熱的衝撃性が十分ではないために、切削加工時の高負荷によって切れ刃にチッピング、欠損が発生しやすく、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱発生を伴い、かつ、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用いられた場合でも、硬質被覆層がすぐれた衝撃吸収性を備え、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得たのである。
【０００９】
即ち、硬質被覆層として、上記従来の多孔質Ａｌ２Ｏ３層を形成したものにおいては、Ａｌ２Ｏ３層内の全体にわたって空孔がほぼ均一に形成されており、そのため、空孔率が高くなるほど機械的、熱的な耐衝撃性は向上するが、その反面、空孔率が高くなるほど多孔質Ａｌ２Ｏ３層の高温強度、高温硬さが低下するため、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができず、また、工具寿命も満足できるものであるとはいえなかった。
【００１０】
そこで、本発明者等は、Ａｌ２Ｏ３層内の空孔分布形態について更に検討を進めたところ、Ａｌ２Ｏ３層からなる硬質被覆層の上部層内に形成された微小空孔を、Ａｌ２Ｏ３層内全体にわたって均一に分散させるのではなく、規則性をもって不均質に分散させることによって、Ａｌ２Ｏ３層の高温強度と高温硬さの低下を招くことなく、機械的、熱的な耐衝撃性を向上させることができることを見出したのである。
【００１１】
そして、上記空孔分布形態を備えるＡｌ２Ｏ３層は、例えば、以下の化学蒸着法によって成膜することができる。
（ａ）工具基体表面に、通常のＴｉ化合物層からなる目標厚さの下部層を蒸着形成し、
（ｂ）下部層の上に、ＡｌＣｌ３−ＨＣｌ−Ｈ２Ｓ−ＣＯ２系反応ガスを用いてＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成し、
（ｃ）上記（ｂ）の成膜過程で、上記反応ガスの導入を停止すると同時に、ＳＦ６系ガスを導入してＳＦ６エッチングを行い、
（ｄ）次いで、上記（ｂ）の工程と上記（ｃ）の工程を繰り返し行ない、目標厚さのＡｌ２Ｏ３層を形成する。
【００１２】
上記（ａ）〜（ｄ）によって、工具基体表面には、目標層厚の下部層と上部層が形成されるが、上記上部層について走査型電子顕微鏡で表面組織観察を行うと、Ａｌ２Ｏ３層中には孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が形成され、しかも、該微小空孔密度は、層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有することが確認される。
【００１３】
そして、硬質被覆層の上部層として、上記の空孔分布形態を有するＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成したこの発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層が耐チッピング性、耐欠損性に優れ、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮し得ることを見出したのである。
【００１４】
この発明は、上記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）下部層は、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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層は、１〜２５μｍの平均層厚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化学蒸着した表面被覆切削工具において、
上記（ｂ）の上部層内部には孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が形成されており、上記（ｂ）の上部層を、工具基体表面と平行に０．１μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する微小空孔密度を測定した場合に、
微小空孔密度が２００〜５００個／μｍ２である厚み幅領域と、微小空孔密度が０〜２０個／μｍ２である厚み幅領域とが、上部層の層厚方向に沿って、交互に少なくとも複数領域形成されていることによって、上部層中の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
【００１５】
（２） 上部層中の微小空孔密度が、周期０．５μｍ〜５μｍで層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１６】
本発明について、以下に詳細に説明する。
下部層の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層以上のＴｉ化合物層からなる下部層は、通常の化学蒸着条件で形成することができ、それ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Ａｌ２Ｏ３からなる上部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もつが、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、チッピングを発生しやすくなることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
上部層のＡｌ２Ｏ３層：
上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層が、高温硬さと耐熱性を備えることは既に良く知られているが、この発明のＡｌ２Ｏ３層で構成された上部層、即ち、孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が、Ａｌ２Ｏ３層内で所定の分布形態で分散分布している上部層は、切れ刃が高温に曝され、しかも、機械的・熱的衝撃を受ける高速断続切削加工においても、すぐれた高温強度、高温硬さを備え、同時に、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮する。
【００１７】
なお、この発明のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層は、その平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用に亘っての耐摩耗性を確保することができず、一方、その平均層厚が２５μｍを越えるとＡｌ２Ｏ３結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、高速断続切削加工時の耐チッピング性、耐欠損性が低下するようになることから、その平均層厚を１〜２５μｍと定めた。
上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の成膜：
この発明の上部層は、通常の化学蒸着条件で成膜した下部層の表面に、例えば、以下の化学蒸着条件によって成膜することができる。
まず、通常の化学蒸着装置を用い、
（ａ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣl３：２〜３ ％，
ＣＯ２：５〜６ ％，
ＨＣｌ：２〜３ ％，
Ｈ２Ｓ：０．１〜０．５ ％，
Ｈ２：残
反応雰囲気温度：９６０〜１０００℃、
反応雰囲気圧力：５〜８ｋＰａ、
の条件で２０〜１８０分間蒸着し、所定層厚のＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成する。
（ｂ）ついで、上記反応ガスの導入を停止し、その代わりに、５〜１０容量％のガス組成となるようにＳＦ６ガスを添加したＨ２ガスを導入し、このＳＦ６ガスにより以下の条件、即ち、
反応ガス組成（容量％）：
ＳＦ６：５〜１０ ％，
Ｈ２：残
反応雰囲気温度：８００〜１０５０ ℃、
反応雰囲気圧力：４〜２７ｋＰａ、
の条件で５〜６０分間ＳＦ６エッチングを行う。
（ｃ）ついで、上記ＳＦ６系ガスの導入を停止し、装置内に、上記（ａ）の反応ガス組成となるようにＨ２Ｓを導入し、上記（ａ）と同じ条件で２０〜１８０分間蒸着し、再度Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成する。
【００１８】
以下、上記（ｂ）と（ｃ）を繰り返し行ない、最終的に目標層厚のＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成する。
上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の空孔分布形態：
図１に、上記の化学蒸着条件で形成されたこの発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の空孔分布形態の概略摸式図を示す。
【００１９】
図１に示されるように、この発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）では、孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が高密度で存在する領域と、微小空孔密度の低い領域とが複数領域形成され、しかも、該複数の微小空孔高密度領域と微小空孔低密度領域とは、層厚方向に沿って周期的に微小空孔密度が変化する空孔分布形態を有している。
【００２０】
図２により、更に詳細に説明する。
【００２１】
図２は、上記の化学蒸着条件で形成されたこの発明の空孔分布形態を有する上部層（Ａｌ２Ｏ３層）における、層厚方向位置−微小空孔密度の相関を表す空孔分布形態図を示す。
【００２２】
この空孔分布形態図は、以下の方法で求めることができる。
【００２３】
まず、上部層を、工具基体表面と平行に０．１μｍの厚み幅領域に夫々区分し（図３において、工具基体表面に平行に引かれた複数の平行線で仕切られた区画が、０．１μｍの厚み幅領域に相当する。）、区分された各厚み幅領域に存在する孔径２〜３０ｎｍの微小空孔の数を長さ合計１０μｍにわたって、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて測定し、該０．１μｍの厚み幅領域に存在する微小空孔密度（個／μｍ２）を求め、各厚み幅領域で求められた微小空孔密度を層厚方向に沿ってグラフ化することにより、図２として示される層厚方向の空孔分布形態図を作成する。
【００２４】
そして、この発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の空孔分布形態によれば、該層厚方向空孔分布形態図において、微小空孔密度が極大値（２００〜５００個／μｍ２の範囲内）となる厚み幅領域と、微小空孔密度が極小値（０〜２０個／μｍ２の範囲内）となる厚み幅領域とが、上部層の層厚方向に沿って、周期的かつ交互に少なくとも複数領域形成される。
【００２５】
例えば、図２においては、微小空孔密度が極大値（２００〜５００μｍ個／μｍ２の範囲内）を示す厚み幅領域が、層厚方向に３箇所形成され、また、微小空孔密度が極小値（０〜２０個／μｍ２の範囲内）を示す厚み幅領域が、層厚方向に３箇所形成されている。
【００２６】
そしてこの層厚方向の空孔分布形態図から、この発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）では、Ａｌ２Ｏ３層内部に形成された孔径２〜３０ｎｍの微小空孔の分布が、層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態が形成されていることがわかる。
【００２７】
この発明で、微小空孔密度の極大値を２００〜５００個／μｍ２の範囲内と定めたのは、微小空孔密度の極大値を２００個／μｍ２未満であると極小領域との差が小さくなりすぎて周期構造の有する特徴を十分に発揮しえなくなり、一方、５００個／μｍ２を超えると空隙率が高くなりすぎ、上部層の脆化とともに耐摩耗性の低下が生じるからである。
【００２８】
また、微小空孔密度の極小値を０〜２０個／μｍ２の範囲内と定めたのは、耐衝撃性に加えて上部層全体としての高温強度、高温硬さを維持するためには、上部層内に微小空孔密度が２０個／μｍ２以下の領域が必要とされるからであり、微小空孔密度の極小値が２０個／μｍ２を超えるような場合には、耐衝撃性にはすぐれたとしても、Ａｌ２Ｏ３層の靭性、耐摩耗性が低下するという理由による。
【００２９】
また、この発明で、微小空孔の孔径を２〜３０ｎｍと定めたのは、Ａｌ２Ｏ３層中に形成される空孔の孔径が２ｎｍ未満では、衝撃緩和効果が期待できず、一方、孔径が３０ｎｍを超えると、Ａｌ２Ｏ３層の靭性低下が大きくなるためであり、Ａｌ２Ｏ３層の高温強度、高温硬さを維持しつつ、断続的・衝撃的負荷に対する衝撃緩和効果を保持するためには、Ａｌ２Ｏ３層内部に形成される微小空孔の孔径は２〜３０ｎｍでなければならない。
【００３０】
また、上記微少空孔の分布形態における層厚方向の周期は、０．５μｍ〜５μｍであることが望ましい。この周期が０．５μｍ未満であるとＡｌ２Ｏ３層からなる上部層の靭性、耐摩耗性が低下傾向を示し、一方、上記周期が５μｍを超えると断続的・衝撃的負荷に対するＡｌ２Ｏ３層の耐衝撃性が低下してくる。
【００３１】
この発明では、硬質被覆層の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）として、微小空孔密度が上記の極大値と極小値を示す厚み幅領域が周期的に交互に現出する空孔分布形態を備えていることから、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工においても、Ａｌ２Ｏ３層が有する本来の高温硬さと耐熱性とを損なうことなく、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮するようになる。
【発明の効果】
【００３２】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層とＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を被覆形成し、かつ、上部層のＡｌ２Ｏ３層の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有していることにより、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の空孔分布形態を有する本発明被覆工具の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の概略摸式図を示す。
【図２】この発明の空孔分布形態を有する上部層（Ａｌ２Ｏ３層）についての層厚方向の微小空孔密度分布図を示す。
【図３】この発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）を、工具基体表面に平行に引かれた複数の（仮想）平行線で、０．１μｍの厚み幅領域に仕切り、区画した状態の摸式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【実施例】
【００３５】
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〜Ｅをそれぞれ製造した。
【００３６】
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〜ｅを形成した。
【００３７】
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
（ａ）硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件かつ表５に示される目標層厚でＴｉ化合物層を蒸着形成する。
（ｂ）次いで、硬質被覆層の中間層として、表３に示される条件で所定の層厚のＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成する。
（ｃ）次いで、表４に示されるエッチング条件で、Ａｌ２Ｏ３層を所定時間ＳＦ６エッチングを行う。
（ｄ）上記（ｂ）、（ｃ）を所定の上部層層厚が得られるまで繰り返し行なう。
【００３８】
上記（ａ）〜（ｄ）によって、表６に示される下部層、および、Ａｌ２Ｏ３層の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有する同じく表７に示される上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１５を製造した。
【００３９】
上記本発明被覆工具１〜１５のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層について、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて、膜厚方向の破断面を複数視野に渡って観察し、図１の概略摸式図に示される空孔分布形態を観察した。
【００４０】
また、同じく走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて、上記本発明被覆工具１〜１５のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層について、図３に示されるように層厚方向に０．１μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する孔径２〜３０ｎｍの微小空孔の数を長さ合計１０μｍにわたって測定し、微小空孔密度（個／μｍ２）を求め、横軸を微小空孔密度（個／μｍ２）、縦軸を層厚方向深さとして、図２に示される空孔分布形態図を作成した。
【００４１】
上記図２において、微小空孔密度が２００〜５００個／μｍ２の間に存在する場合の微小空孔密度の最大の値を極大値Ｄｍａｘとし、一方、微小空孔密度が０〜２０個／μｍ２の間に存在する場合の微小空孔密度の最小の値を極小値Ｄｍｉｎとし、図２として作成した空孔分布形態図から、ＤｍａｘとＤｍｉｎを求め、さらに、層厚方向に沿って、周期的に現れるＤｍａｘ間の距離を微小空孔密度が変化する周期Ｃとして求めた。
【００４２】
表７に、上記極大値Ｄｍａｘ、極小値Ｄｍｉｎ及び周期Ｃの平均値を示す。
【００４３】
また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、表３に示される条件かつ表６に示される目標層厚で本発明被覆工具１〜１５と同様に、硬質被覆層の下部層としてのＴｉ化合物層を蒸着形成した。
【００４４】
次いで、硬質被覆層の上部層として、いくつかのものについては、表３に示される条件かつ表８に示される目標層厚でＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することにより、表８の比較被覆工具１〜５を作製した。
【００４５】
同じく、いくつかのものについては、表５に示される条件（特許文献２，３に記載される条件に相当する）かつ表８に示される目標層厚でＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することにより、表８の比較被覆工具６〜１０を作製した。
【００４６】
また、残りのものについては、表３に示される条件によるＡｌ２Ｏ３層の蒸着形成と、表４に示される条件でＳＦ６エッチングとを繰り返し行なうことにより、Ａｌ２Ｏ３の微小空孔密度が変化するＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することにより、表８の比較被覆工具１１〜１５を作製した。
【００４７】
比較被覆工具１〜１０及び１１〜１５のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層について、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて、Ａｌ２Ｏ３の微小空孔密度を測定した。
【００４８】
比較被覆工具１〜５については、Ａｌ２Ｏ３層の空孔密度は層厚方向に有意な差は認められず、孔径 ５０〜１００ｎｍの空孔が、ほぼ ０〜 ５ 個／μｍ２の密度で層内に均一に分布していた。
【００４９】
また、比較被覆工具６〜１０については、Ａｌ２Ｏ３層の空孔密度は層厚方向に有意な差は認められず、孔径 ２００〜１０００ｎｍの空孔が、１０〜２５％の空孔率で層内に均一に分布していた。
【００５０】
表８には、比較被覆工具１〜１０についての層厚方向全体にわたり均一な孔径、空孔密度の値を示す。
【００５１】
比較被覆工具１１〜１５については、本発明被覆工具１〜１５の場合と同様に層厚方向にわたる空孔分布形態を求めた。
【００５２】
表８に、比較被覆工具１１〜１５について求めた極大値Ｄｍａｘ、極小値Ｄｍｉｎ及び周期Ｃの値を示す。
【００５３】
また、本発明被覆工具１〜１５及び比較被覆工具１〜１５の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも表６〜表８に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【００５７】
【表４】
【００５８】
【表５】
【００５９】
【表６】
【００６０】
【表７】
【００６１】
【表８】
つぎに、上記本発明被覆工具１〜１５及び比較被覆工具１〜１５について、表９に示す条件で切削加工試験を実施し、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
【００６２】
表１０に、この測定結果を示した。
【００６３】
【表９】
【００６４】
【表１０】
表６〜１０に示される結果から、この発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層として、Ａｌ２Ｏ３層内部に形成された微小空孔の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有していることにより、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することが明らかである。
【００６５】
これに対して、上部層のＡｌ２Ｏ３層内のほぼ均一平均粒径である比較被覆工具１〜１０、また、本発明範囲外の結晶粒組織構造を有する比較被覆工具１１〜１５については、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合、チッピング、欠損等の発生により短時間で寿命にいたることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
上述のように、この発明の被覆工具は、例えば鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、高速断続切削加工条件ばかりでなく、高速切削加工条件、高切込み，高送りの高速重切削加工条件等で使用することも勿論可能である。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する各種の鋼や鋳鉄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、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。
【背景技術】
【０００２】
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、Ａｌ２Ｏ３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おり、この被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることが知られている。
【０００３】
ただ、上記の被覆工具は、切れ刃に大きな負荷がかかる切削条件では、チッピング、欠損等を発生しやすく、工具寿命が短命であるという問題があるため、これを解消するために、従来からいくつかの提案がなされている。
【０００４】
例えば、引用文献１には、硬質被覆層として、Ａｌ２Ｏ３層の厚さ方向に貫通孔を有する多孔質Ａｌ２Ｏ３層の空孔内にＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮを充填したＡｌ２Ｏ３主体層を形成することにより、硬質被覆層の耐摩耗性を確保しつつ靭性の向上を図り、もって、被覆工具の耐チッピング性を改善することが提案されている。
【０００５】
また、引用文献２、３には、下部層としてＴｉ化合物層、上部層としてＡｌ２Ｏ３層を設けた被覆工具において、上部層を、５〜３０％の空孔率を有する多孔質Ａｌ２Ｏ３層で構成し、該空孔によって機械的、熱的衝撃を緩和させ、耐チッピング性を向上させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２７７００７号公報
【特許文献２】特開２００３−１９６０３号公報
【特許文献３】特開２００３−４８１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下で使用されるようになってきているが、例えば、前記特許文献１〜３に示される被覆工具においても、高熱発生を伴うとともに、より一段と切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いられた場合には、上部層の耐機械的衝撃性、耐熱的衝撃性が十分ではないために、切削加工時の高負荷によって切れ刃にチッピング、欠損が発生しやすく、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高熱発生を伴い、かつ、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用いられた場合でも、硬質被覆層がすぐれた衝撃吸収性を備え、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得たのである。
【０００９】
即ち、硬質被覆層として、上記従来の多孔質Ａｌ２Ｏ３層を形成したものにおいては、Ａｌ２Ｏ３層内の全体にわたって空孔がほぼ均一に形成されており、そのため、空孔率が高くなるほど機械的、熱的な耐衝撃性は向上するが、その反面、空孔率が高くなるほど多孔質Ａｌ２Ｏ３層の高温強度、高温硬さが低下するため、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができず、また、工具寿命も満足できるものであるとはいえなかった。
【００１０】
そこで、本発明者等は、Ａｌ２Ｏ３層内の空孔分布形態について更に検討を進めたところ、Ａｌ２Ｏ３層からなる硬質被覆層の上部層内に形成された微小空孔を、Ａｌ２Ｏ３層内全体にわたって均一に分散させるのではなく、規則性をもって不均質に分散させることによって、Ａｌ２Ｏ３層の高温強度と高温硬さの低下を招くことなく、機械的、熱的な耐衝撃性を向上させることができることを見出したのである。
【００１１】
そして、上記空孔分布形態を備えるＡｌ２Ｏ３層は、例えば、以下の化学蒸着法によって成膜することができる。
（ａ）工具基体表面に、通常のＴｉ化合物層からなる目標厚さの下部層を蒸着形成し、
（ｂ）下部層の上に、ＡｌＣｌ３−ＨＣｌ−Ｈ２Ｓ−ＣＯ２系反応ガスを用いてＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成し、
（ｃ）上記（ｂ）の成膜過程で、上記反応ガスの導入を停止すると同時に、ＳＦ６系ガスを導入してＳＦ６エッチングを行い、
（ｄ）次いで、上記（ｂ）の工程と上記（ｃ）の工程を繰り返し行ない、目標厚さのＡｌ２Ｏ３層を形成する。
【００１２】
上記（ａ）〜（ｄ）によって、工具基体表面には、目標層厚の下部層と上部層が形成されるが、上記上部層について走査型電子顕微鏡で表面組織観察を行うと、Ａｌ２Ｏ３層中には孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が形成され、しかも、該微小空孔密度は、層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有することが確認される。
【００１３】
そして、硬質被覆層の上部層として、上記の空孔分布形態を有するＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成したこの発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層が耐チッピング性、耐欠損性に優れ、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮し得ることを見出したのである。
【００１４】
この発明は、上記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）下部層は、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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層は、１〜２５μｍの平均層厚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化学蒸着した表面被覆切削工具において、
上記（ｂ）の上部層内部には孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が形成されており、上記（ｂ）の上部層を、工具基体表面と平行に０．１μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する微小空孔密度を測定した場合に、
微小空孔密度が２００〜５００個／μｍ２である厚み幅領域と、微小空孔密度が０〜２０個／μｍ２である厚み幅領域とが、上部層の層厚方向に沿って、交互に少なくとも複数領域形成されていることによって、上部層中の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
【００１５】
（２） 上部層中の微小空孔密度が、周期０．５μｍ〜５μｍで層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１６】
本発明について、以下に詳細に説明する。
下部層の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層以上のＴｉ化合物層からなる下部層は、通常の化学蒸着条件で形成することができ、それ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Ａｌ２Ｏ３からなる上部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もつが、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、チッピングを発生しやすくなることから、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
上部層のＡｌ２Ｏ３層：
上部層を構成するＡｌ２Ｏ３層が、高温硬さと耐熱性を備えることは既に良く知られているが、この発明のＡｌ２Ｏ３層で構成された上部層、即ち、孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が、Ａｌ２Ｏ３層内で所定の分布形態で分散分布している上部層は、切れ刃が高温に曝され、しかも、機械的・熱的衝撃を受ける高速断続切削加工においても、すぐれた高温強度、高温硬さを備え、同時に、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮する。
【００１７】
なお、この発明のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層は、その平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用に亘っての耐摩耗性を確保することができず、一方、その平均層厚が２５μｍを越えるとＡｌ２Ｏ３結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、高速断続切削加工時の耐チッピング性、耐欠損性が低下するようになることから、その平均層厚を１〜２５μｍと定めた。
上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の成膜：
この発明の上部層は、通常の化学蒸着条件で成膜した下部層の表面に、例えば、以下の化学蒸着条件によって成膜することができる。
まず、通常の化学蒸着装置を用い、
（ａ）反応ガス組成（容量％）：
ＡｌＣl３：２〜３ ％，
ＣＯ２：５〜６ ％，
ＨＣｌ：２〜３ ％，
Ｈ２Ｓ：０．１〜０．５ ％，
Ｈ２：残
反応雰囲気温度：９６０〜１０００℃、
反応雰囲気圧力：５〜８ｋＰａ、
の条件で２０〜１８０分間蒸着し、所定層厚のＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成する。
（ｂ）ついで、上記反応ガスの導入を停止し、その代わりに、５〜１０容量％のガス組成となるようにＳＦ６ガスを添加したＨ２ガスを導入し、このＳＦ６ガスにより以下の条件、即ち、
反応ガス組成（容量％）：
ＳＦ６：５〜１０ ％，
Ｈ２：残
反応雰囲気温度：８００〜１０５０ ℃、
反応雰囲気圧力：４〜２７ｋＰａ、
の条件で５〜６０分間ＳＦ６エッチングを行う。
（ｃ）ついで、上記ＳＦ６系ガスの導入を停止し、装置内に、上記（ａ）の反応ガス組成となるようにＨ２Ｓを導入し、上記（ａ）と同じ条件で２０〜１８０分間蒸着し、再度Ａｌ２Ｏ３層を蒸着形成する。
【００１８】
以下、上記（ｂ）と（ｃ）を繰り返し行ない、最終的に目標層厚のＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成する。
上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の空孔分布形態：
図１に、上記の化学蒸着条件で形成されたこの発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の空孔分布形態の概略摸式図を示す。
【００１９】
図１に示されるように、この発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）では、孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が高密度で存在する領域と、微小空孔密度の低い領域とが複数領域形成され、しかも、該複数の微小空孔高密度領域と微小空孔低密度領域とは、層厚方向に沿って周期的に微小空孔密度が変化する空孔分布形態を有している。
【００２０】
図２により、更に詳細に説明する。
【００２１】
図２は、上記の化学蒸着条件で形成されたこの発明の空孔分布形態を有する上部層（Ａｌ２Ｏ３層）における、層厚方向位置−微小空孔密度の相関を表す空孔分布形態図を示す。
【００２２】
この空孔分布形態図は、以下の方法で求めることができる。
【００２３】
まず、上部層を、工具基体表面と平行に０．１μｍの厚み幅領域に夫々区分し（図３において、工具基体表面に平行に引かれた複数の平行線で仕切られた区画が、０．１μｍの厚み幅領域に相当する。）、区分された各厚み幅領域に存在する孔径２〜３０ｎｍの微小空孔の数を長さ合計１０μｍにわたって、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて測定し、該０．１μｍの厚み幅領域に存在する微小空孔密度（個／μｍ２）を求め、各厚み幅領域で求められた微小空孔密度を層厚方向に沿ってグラフ化することにより、図２として示される層厚方向の空孔分布形態図を作成する。
【００２４】
そして、この発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の空孔分布形態によれば、該層厚方向空孔分布形態図において、微小空孔密度が極大値（２００〜５００個／μｍ２の範囲内）となる厚み幅領域と、微小空孔密度が極小値（０〜２０個／μｍ２の範囲内）となる厚み幅領域とが、上部層の層厚方向に沿って、周期的かつ交互に少なくとも複数領域形成される。
【００２５】
例えば、図２においては、微小空孔密度が極大値（２００〜５００μｍ個／μｍ２の範囲内）を示す厚み幅領域が、層厚方向に３箇所形成され、また、微小空孔密度が極小値（０〜２０個／μｍ２の範囲内）を示す厚み幅領域が、層厚方向に３箇所形成されている。
【００２６】
そしてこの層厚方向の空孔分布形態図から、この発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）では、Ａｌ２Ｏ３層内部に形成された孔径２〜３０ｎｍの微小空孔の分布が、層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態が形成されていることがわかる。
【００２７】
この発明で、微小空孔密度の極大値を２００〜５００個／μｍ２の範囲内と定めたのは、微小空孔密度の極大値を２００個／μｍ２未満であると極小領域との差が小さくなりすぎて周期構造の有する特徴を十分に発揮しえなくなり、一方、５００個／μｍ２を超えると空隙率が高くなりすぎ、上部層の脆化とともに耐摩耗性の低下が生じるからである。
【００２８】
また、微小空孔密度の極小値を０〜２０個／μｍ２の範囲内と定めたのは、耐衝撃性に加えて上部層全体としての高温強度、高温硬さを維持するためには、上部層内に微小空孔密度が２０個／μｍ２以下の領域が必要とされるからであり、微小空孔密度の極小値が２０個／μｍ２を超えるような場合には、耐衝撃性にはすぐれたとしても、Ａｌ２Ｏ３層の靭性、耐摩耗性が低下するという理由による。
【００２９】
また、この発明で、微小空孔の孔径を２〜３０ｎｍと定めたのは、Ａｌ２Ｏ３層中に形成される空孔の孔径が２ｎｍ未満では、衝撃緩和効果が期待できず、一方、孔径が３０ｎｍを超えると、Ａｌ２Ｏ３層の靭性低下が大きくなるためであり、Ａｌ２Ｏ３層の高温強度、高温硬さを維持しつつ、断続的・衝撃的負荷に対する衝撃緩和効果を保持するためには、Ａｌ２Ｏ３層内部に形成される微小空孔の孔径は２〜３０ｎｍでなければならない。
【００３０】
また、上記微少空孔の分布形態における層厚方向の周期は、０．５μｍ〜５μｍであることが望ましい。この周期が０．５μｍ未満であるとＡｌ２Ｏ３層からなる上部層の靭性、耐摩耗性が低下傾向を示し、一方、上記周期が５μｍを超えると断続的・衝撃的負荷に対するＡｌ２Ｏ３層の耐衝撃性が低下してくる。
【００３１】
この発明では、硬質被覆層の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）として、微小空孔密度が上記の極大値と極小値を示す厚み幅領域が周期的に交互に現出する空孔分布形態を備えていることから、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工においても、Ａｌ２Ｏ３層が有する本来の高温硬さと耐熱性とを損なうことなく、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮するようになる。
【発明の効果】
【００３２】
この発明の被覆工具は、硬質被覆層として、Ｔｉ化合物層からなる下部層とＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を被覆形成し、かつ、上部層のＡｌ２Ｏ３層の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有していることにより、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の空孔分布形態を有する本発明被覆工具の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）の概略摸式図を示す。
【図２】この発明の空孔分布形態を有する上部層（Ａｌ２Ｏ３層）についての層厚方向の微小空孔密度分布図を示す。
【図３】この発明の上部層（Ａｌ２Ｏ３層）を、工具基体表面に平行に引かれた複数の（仮想）平行線で、０．１μｍの厚み幅領域に仕切り、区画した状態の摸式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【実施例】
【００３５】
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〜Ｅをそれぞれ製造した。
【００３６】
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〜ｅを形成した。
【００３７】
つぎに、これらの工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
（ａ）硬質被覆層の下部層として、表３に示される条件かつ表５に示される目標層厚でＴｉ化合物層を蒸着形成する。
（ｂ）次いで、硬質被覆層の中間層として、表３に示される条件で所定の層厚のＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成する。
（ｃ）次いで、表４に示されるエッチング条件で、Ａｌ２Ｏ３層を所定時間ＳＦ６エッチングを行う。
（ｄ）上記（ｂ）、（ｃ）を所定の上部層層厚が得られるまで繰り返し行なう。
【００３８】
上記（ａ）〜（ｄ）によって、表６に示される下部層、および、Ａｌ２Ｏ３層の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有する同じく表７に示される上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより本発明被覆工具１〜１５を製造した。
【００３９】
上記本発明被覆工具１〜１５のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層について、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて、膜厚方向の破断面を複数視野に渡って観察し、図１の概略摸式図に示される空孔分布形態を観察した。
【００４０】
また、同じく走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて、上記本発明被覆工具１〜１５のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層について、図３に示されるように層厚方向に０．１μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する孔径２〜３０ｎｍの微小空孔の数を長さ合計１０μｍにわたって測定し、微小空孔密度（個／μｍ２）を求め、横軸を微小空孔密度（個／μｍ２）、縦軸を層厚方向深さとして、図２に示される空孔分布形態図を作成した。
【００４１】
上記図２において、微小空孔密度が２００〜５００個／μｍ２の間に存在する場合の微小空孔密度の最大の値を極大値Ｄｍａｘとし、一方、微小空孔密度が０〜２０個／μｍ２の間に存在する場合の微小空孔密度の最小の値を極小値Ｄｍｉｎとし、図２として作成した空孔分布形態図から、ＤｍａｘとＤｍｉｎを求め、さらに、層厚方向に沿って、周期的に現れるＤｍａｘ間の距離を微小空孔密度が変化する周期Ｃとして求めた。
【００４２】
表７に、上記極大値Ｄｍａｘ、極小値Ｄｍｉｎ及び周期Ｃの平均値を示す。
【００４３】
また、比較の目的で、工具基体Ａ〜Ｅおよび工具基体ａ〜ｅの表面に、表３に示される条件かつ表６に示される目標層厚で本発明被覆工具１〜１５と同様に、硬質被覆層の下部層としてのＴｉ化合物層を蒸着形成した。
【００４４】
次いで、硬質被覆層の上部層として、いくつかのものについては、表３に示される条件かつ表８に示される目標層厚でＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することにより、表８の比較被覆工具１〜５を作製した。
【００４５】
同じく、いくつかのものについては、表５に示される条件（特許文献２，３に記載される条件に相当する）かつ表８に示される目標層厚でＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することにより、表８の比較被覆工具６〜１０を作製した。
【００４６】
また、残りのものについては、表３に示される条件によるＡｌ２Ｏ３層の蒸着形成と、表４に示される条件でＳＦ６エッチングとを繰り返し行なうことにより、Ａｌ２Ｏ３の微小空孔密度が変化するＡｌ２Ｏ３層からなる上部層を蒸着形成することにより、表８の比較被覆工具１１〜１５を作製した。
【００４７】
比較被覆工具１〜１０及び１１〜１５のＡｌ２Ｏ３層からなる上部層について、走査型電子顕微鏡（倍率５００００倍）を用いて、Ａｌ２Ｏ３の微小空孔密度を測定した。
【００４８】
比較被覆工具１〜５については、Ａｌ２Ｏ３層の空孔密度は層厚方向に有意な差は認められず、孔径 ５０〜１００ｎｍの空孔が、ほぼ ０〜 ５ 個／μｍ２の密度で層内に均一に分布していた。
【００４９】
また、比較被覆工具６〜１０については、Ａｌ２Ｏ３層の空孔密度は層厚方向に有意な差は認められず、孔径 ２００〜１０００ｎｍの空孔が、１０〜２５％の空孔率で層内に均一に分布していた。
【００５０】
表８には、比較被覆工具１〜１０についての層厚方向全体にわたり均一な孔径、空孔密度の値を示す。
【００５１】
比較被覆工具１１〜１５については、本発明被覆工具１〜１５の場合と同様に層厚方向にわたる空孔分布形態を求めた。
【００５２】
表８に、比較被覆工具１１〜１５について求めた極大値Ｄｍａｘ、極小値Ｄｍｉｎ及び周期Ｃの値を示す。
【００５３】
また、本発明被覆工具１〜１５及び比較被覆工具１〜１５の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも表６〜表８に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【００５７】
【表４】
【００５８】
【表５】
【００５９】
【表６】
【００６０】
【表７】
【００６１】
【表８】
つぎに、上記本発明被覆工具１〜１５及び比較被覆工具１〜１５について、表９に示す条件で切削加工試験を実施し、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
【００６２】
表１０に、この測定結果を示した。
【００６３】
【表９】
【００６４】
【表１０】
表６〜１０に示される結果から、この発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層として、Ａｌ２Ｏ３層内部に形成された微小空孔の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有していることにより、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することが明らかである。
【００６５】
これに対して、上部層のＡｌ２Ｏ３層内のほぼ均一平均粒径である比較被覆工具１〜１０、また、本発明範囲外の結晶粒組織構造を有する比較被覆工具１１〜１５については、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合、チッピング、欠損等の発生により短時間で寿命にいたることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
上述のように、この発明の被覆工具は、例えば鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、高速断続切削加工条件ばかりでなく、高速切削加工条件、高切込み，高送りの高速重切削加工条件等で使用することも勿論可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項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）下部層は、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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層は、１〜２５μｍの平均層厚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化学蒸着した表面被覆切削工具において、
上記（ｂ）の上部層内部には孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が形成されており、上記（ｂ）の上部層を、工具基体表面と平行に０．１μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する微小空孔密度を測定した場合に、
微小空孔密度が２００〜５００個／μｍ２である厚み幅領域と、微小空孔密度が０〜２０個／μｍ２である厚み幅領域とが、上部層の層厚方向に沿って、交互に少なくとも複数領域形成されていることによって、上部層中の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
上部層中の微小空孔密度が、周期０．５μｍ〜５μｍで層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有す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。
【請求項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）下部層は、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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（ｂ）上部層は、１〜２５μｍの平均層厚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化学蒸着した表面被覆切削工具において、
上記（ｂ）の上部層内部には孔径２〜３０ｎｍの微小空孔が形成されており、上記（ｂ）の上部層を、工具基体表面と平行に０．１μｍの厚み幅領域に区分し、該厚み幅領域に存在する微小空孔密度を測定した場合に、
微小空孔密度が２００〜５００個／μｍ２である厚み幅領域と、微小空孔密度が０〜２０個／μｍ２である厚み幅領域とが、上部層の層厚方向に沿って、交互に少なくとも複数領域形成されていることによって、上部層中の微小空孔密度が層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
上部層中の微小空孔密度が、周期０．５μｍ〜５μｍで層厚方向に沿って周期的に変化する空孔分布形態を有す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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１４３８２７（Ｐ２０１２−１４３８２７Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８３４（Ｐ２０１１−２８３４）
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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