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
【課題】難削材の高速切削加工等で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を提供する。
【解決手段】工具基体の表面に、（ａ）Ｔｉ化合物層からなる下部層、（ｂ）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て傾斜角度数分布グラフを作成した場合、０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、その度数割合が５０％以上を占める傾斜角度数分布グラフを示す改質α型Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具すくい面領域にのみ、さらに、酸化チタン層（下側層）と窒酸化チタン層（上側層）からなる最外層を設ける。
【解決手段】工具基体の表面に、（ａ）Ｔｉ化合物層からなる下部層、（ｂ）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て傾斜角度数分布グラフを作成した場合、０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在し、その度数割合が５０％以上を占める傾斜角度数分布グラフを示す改質α型Ａｌ2Ｏ3層からなる上部層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、工具すくい面領域にのみ、さらに、酸化チタン層（下側層）と窒酸化チタン層（上側層）からなる最外層を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被削材自身が高い粘性を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この結果切削抵抗のきわめて高いものとなる軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工等においても、硬質被覆層が長期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。
【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、
（１）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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（２）上部層が、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１に概略説明図で示される通り、上記工具基体表面と平行な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、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において、図２に例示される通り、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１．５〜６μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層（以下、改質α型Ａｌ2Ｏ3層という）、
以上（１）および（２）で構成された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、この被覆工具は、上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層がα型Ａｌ2Ｏ3自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性に加えて、すぐれた高温強度を具備することから、例えば各種の一般鋼や普通鋳鉄などの高速切削加工などに用いた場合にも、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮することも知られている。
【０００３】
また、一般に、上記の被覆工具の硬質被覆層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層が、通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：０．１〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．５〜１％、Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で蒸着形成されることも知られている。
さらに、同じく硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層や改質α型Ａｌ2Ｏ3層が粒状結晶組織を有し、さらに、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。
【特許文献１】特開２００５−２０５５８６号公報
【特許文献２】特開平６−８０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、上記の従来被覆工具においては、これを低合金鋼や炭素鋼などの一般鋼、さらにねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄の高速切削に用いた場合には問題はないが、特にこれを軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工に用いた場合には、切刃部には非常に大きな機械的負荷が加わり、さらに、前記難削材自身が高い粘性を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この傾向は高速切削時に発生する高熱によって一段と増大することと相俟って、切削抵抗のきわめて高いものとなり、特に、被覆工具のすくい面では難削材の切粉に対する耐摩耗性が不十分なものとなり、これらが原因で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】
【０００５】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の改質α型Ａｌ2Ｏ3層が硬質被覆層の上部層を構成する被覆工具に着目し、特に、難削材の高速切削という厳しい切削条件下での被覆工具逃げ面の耐摩耗性の向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）と改質α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）とからなる硬質被覆層を有する上記従来被覆工具の、上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層の表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
（１）まず、下側層として、反応ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ4：０．２〜１０％、
ＣＯ2：０．１〜１０％、
Ａｒ：５〜６０％、
Ｈ2：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：４〜７０ｋＰａ（３０〜５２５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、オージェ分光分析装置で測定して、Ｔｉに対する酸素の割合が原子比で１．２５〜１．９０、即ち、
組成式：ＴｉＯＷ 、
で表わした場合、
Ｗ：原子比で１．２５〜１．９０、
を満足する酸化チタン層を形成し、
（２）ついで、上記酸化チタン層（下側層）の上に、上側層として、通常の条件、即ち、反応ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ4：０．２〜１０％、
Ｎ2：４〜６０％、
Ｈ2：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：４〜９０ｋＰａ（３０〜６７５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、０．０５〜２μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層を形成すると、
（３）上記ＴｉＮ層（上側層）形成時に、上記下側層を構成する酸化チタン層の酸素が拡散してきて前記上側層（ＴｉＮ層）が、窒酸化チタン層で構成されるようになるが、この場合上記上側層（前記窒酸化チタン層）形成後の上記下側層である酸化チタン層は、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、酸素の割合がＴｉに対する原子比で１．２〜１．７、即ち、
組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、
Ｘ：原子比で１．２〜１．７、
を満足する酸化チタン層となり、
（４）また、上記窒酸化チタン層で構成された上側層は、同じく厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、拡散酸素の割合が窒素（Ｎ）に対する原子比で０．０１〜０．４、即ち、
組成式：ＴｉＮ1-Y（Ｏ）Y、
で表わした場合（ただし、（Ｏ）は上記酸化チタン層からの拡散酸素を示す）、
Ｙ：原子比で０．０１〜０．４、
を満足する窒酸化チタン層となること。
【０００６】
（ｂ）そして、上記（ａ）によって改質α型Ａｌ2Ｏ3層上に形成された上記窒酸化チタン層（上側層）および酸化チタン層（下側層）からなる被覆層（以下、「最外層」という）は、それ自体耐熱性にすぐれているため、高熱を発生する難削材の高速切削加工において、主として切粉との擦過によって生じる被覆工具すくい面でのクレーター摩耗の発生が抑制されるようになることから、被覆工具すくい面の上記改質α型酸化アルミニウム層上にのみ、さらに、上記窒酸化チタン層（上側層）および酸化チタン層（下側層）からなる最外層を設けてすくい面の耐摩耗性を向上させ、一方、被覆工具逃げ面は、硬質被覆層の最表面層を上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層で構成して逃げ面に必要とされる高温硬さと耐摩耗性を確保すれば、その結果として、被覆工具全体としての耐摩耗性が向上し、工具の使用寿命の延命化が可能となること。
以上（ａ）、（ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００７】
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、
「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）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化合物層からなる下部層、
（ｂ）化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体表面と平行な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、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において、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１．５〜５．９μｍの平均層厚を有する改質α型酸化アルミニウム層からなる上部層、
以上（ａ）、（ｂ）の各層を、工具基体側から順に蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記表面被覆切削工具のすくい面を構成する工具基体の表面領域の上記改質α型酸化アルミニウム層上にのみ、さらに、
（ｃ）０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、１．２≦Ｘ≦１．７を満足する酸化チタン層からなる下側層、
（ｄ）０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ、
で表わした場合［ただし、（Ｏ）は上記酸化チタン層からの拡散酸素を示す］、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、０．０１≦Ｙ≦０．４を満足する窒酸化チタン層からなる上側層、
上記（ｃ）、（ｄ）からなる最外層を設けたことを特徴とする被覆工具（表面被覆切削工具）。」
に特徴を有するものである。
【０００８】
以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層の下部層、上部層、最外層について、上記の通りに限定した理由を説明する。
（１）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉ化合物層は、基本的には改質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を具備するようにするほか、工具基体と補強α型Ａｌ2Ｏ3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、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
【０００９】
（２）改質α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）
改質α型Ａｌ2Ｏ3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、上記蒸着条件のうちの反応雰囲気圧力を６〜１０ｋｐａとすると、最高ピークが、０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記０〜１５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５０％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、また高い方に外れても、前記０〜１５度の範囲内に測定傾斜角の最高ピークが現れなくなり、このような場合には所望のすぐれた高温強度を具備することができないものである。
また、改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、α型Ａｌ2Ｏ3自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性に加えて、高温強度も具備するようになるが、その平均層厚が１．５μｍ未満では、前記特性を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、また、その平均層厚が５．９μｍを越えると、難削材の高速切削加工ではチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１．５〜５．９μｍと定めた。
【００１０】
（３）最外層
被覆工具のすくい面領域にのみ設けられた最外層の上側層を構成する窒酸化チタン層は、上記の通り、まず、酸素の割合をＮに対する原子比で１．２５〜１．９０（Ｗ値）とした酸化チタン層を形成し、ついで、前記酸化チタン層の上に通常の条件でＴｉＮ層を蒸着することにより形成されるものであり、したがって前記ＴｉＮ層形成時における前記酸化チタン層からの酸素の拡散が不可欠となるが、前記酸化チタン層のＷ値が１．２５未満であると、前記ＴｉＮ層への酸素の拡散反応が急激に低下し、上側層における拡散酸素の割合（Ｙ値）を原子比で０．０１以上にすることができず、一方同Ｗ値が１．９０を越えると、前記上側層における拡散酸素の割合（Ｙ値）が原子比で０．４０を越えて多くなってしまうことから、Ｗ値を１．２５〜１．９０と定めたものであり、この場合、上側層形成後の下側層（酸化チタン層）における酸素の割合（Ｘ値）は原子比で１．２〜１．７の範囲内の値をとるようになる、言い換えれば上側層形成後の下側層のＸ値が１．２〜１．７を満足する場合に、前記上側層のＹ値は０．０１〜０．４０を満足するものとなる。
そして、被覆工具のすくい面領域にのみ形成されている最外層は、既に述べたように難削材の高速切削において切粉による擦過で発生するクレーター摩耗の抑制に寄与するが、下側層のＸ値および上側層のＹ値がそれぞれ１．２〜１．７および０．０１〜０．４０を外れた場合には、切粉に対する耐熱性作用が不十分なものとなりクレーター摩耗の発生を抑えることできなくなるので、被覆工具のすくい面領域の最外層による切粉に対する耐熱性作用の発現という観点から、下側層のＸ値を１．２〜１．７、また、上側層のＹ値を０．０１〜０．４０と定めた。
また、上側層および下側層の平均層厚を、それぞれ０．０５〜２μｍおよび０．１〜３μｍとしたのは、その平均層厚が０．０５μｍ未満および０．１μｍ未満では、すくい面領域における切粉に対する耐熱性を十分に発揮することができず、一方、その平均層厚がそれぞれ２μｍおよび３μｍを越えると、すくい面領域にチッピングが発生しやすくなるという理由から、最外層の上側層および下側層の平均層厚を、それぞれ０．０５〜２μｍおよび０．１〜３μｍと定めた。
なお、被覆工具のすくい面領域にのみ最外層を蒸着形成する手段については特に限定するものではないが、例えば、被覆工具のすくい面領域、逃げ面領域の改質α型Ａｌ2Ｏ3層全面に最外層を蒸着形成した後で、逃げ面領域の最外層のみをブラスト、研磨などで除去することによって、すくい面領域にのみ最外層を残すことが可能であり、あるいは、最外層を蒸着形成するに当たり、被覆工具の逃げ面領域の改質α型Ａｌ2Ｏ3層にマスキングを施し、この状態で蒸着を行い、すくい面領域にのみ最外層を蒸着形成することも勿論可能である。いずれにしても、この発明では、被覆工具のすくい面領域にのみ最外層を蒸着形成する手段については、特にその手段を限定するものではなく、いかなる手段をも採用することができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の被覆工具は、そのすくい面領域に蒸着形成された改質α型Ａｌ2Ｏ3層上に、さらに、切粉に対する耐熱性にすぐれた最外層を蒸着形成してあることにより、特に切刃にかかる機械的な負荷が大きく、さらに、切粉の粘性が高く、かつ工具表面に溶着し易いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材（被削材）の切削加工を高熱発生を伴う高速切削条件で行ない、前記被削材および切粉が高温に加熱されて粘性および溶着性が一段と増すようになっても、前記硬質被覆層のもつすぐれた高温硬さと耐熱性作用によって、前記硬質被覆層の摩耗抑制効果が十分に発揮され、この結果、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すようになるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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】
【００１３】
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、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、中心部に工具取り付け用ボルト貫通孔を有する形式で、ＩＳＯ規格にＣＮＭＧ１２０４１２として規定され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。
【００１４】
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、Ｍｏ2 Ｃ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、工具本体にクランプ駒による挟み締めにより取り付けられる穴なし形式で、ＩＳＯ規格にＣＮＭＮ１２０４１２として規定されるスローアウエイ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。
【００１５】
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−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６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、
（ｂ）ついで、反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：１．５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．７５％、Ａｒ：２６．５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０７０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の条件で同じく表６に示される目標層厚で、同じく上部層として改質α型Ａｌ2Ｏ3層を蒸着形成し、
（ｃ）さらに、最外層の下側層形成用酸化チタン層［ＴｉＯＷ（１）〜（６）のいずれか］を表４に示される条件で、表６に示される目標層厚で蒸着形成した後、最外層の上側層形成用窒化チタン層（ＴｉＮ層）を同じく表３に示される条件で、表６に示される目標層厚で蒸着形成して、表５に示される組成、すなわち厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、それぞれ表５に示されるＸ値およびＹ値の下側層および上側層からなる最外層を形成し、
（ｄ）引き続いて、工具すくい面以外の領域に対してウエットブラストを施して最外層を除去し、工具すくい面領域にのみ上記最外層を設けた本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１６】
また、比較の目的で、表６に示される通り、硬質被覆層の上部層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層条に、上記最外層の蒸着形成を行わない以外は同一の条件で、従来被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１７】
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１３と従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の上部層を構成する改質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、上記の本発明被覆工具１〜１３と従来被覆工具１〜１３の改質α型Ａｌ2Ｏ3層について、それぞれ工具基体表面と平行な面をそれぞれ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、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た。
【００１８】
この結果得られた各種の改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、表７にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が、それぞれ０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れる傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
また表７には、上記の各種の改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、それぞれ７５〜９０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２は、本発明被覆工具４の改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフを示すものである。
【００１９】
また、この結果得られた本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の構成層の厚さを、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。
【００２０】
つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の各種被覆工具について、いずれも工具鋼製バイトの先端部にボルト止めまたはクランプ駒による挟み締め止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ４３０の丸棒、
切削速度： ３２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分
の条件（切削条件Ａという）でのステンレス鋼の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ３７０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．０ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分
の条件（切削条件Ｂという）での軟鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４４３Ｈの丸棒、
切削速度： ３３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分
の条件（切削条件Ｃという）での高マンガン鋼の乾式連続高速切削試験（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に示した。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】
【表３】
【００２４】
【表４】
【００２５】
【表５】
【００２６】
【表６】
【００２７】
【表７】
【００２８】
【表８】
【００２９】
表５〜８に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、硬質被覆層の上部層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層が、すぐれた高温硬さ、高温強度を有するとともに、本発明被覆工具１〜１３のすくい面には、耐熱性にすぐれた最外層が設けられ、切粉によるすくい面摩耗の発生が抑制されているため、特に切刃部にきわめて高い機械的負荷と切削抵抗が加わる難削材の高速切削加工でも、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って示すのに対して、工具すくい面領域の硬質被覆層として最外層が蒸着形成されていない従来被覆工具１〜１３においては、難削材の高速切削加工における摩耗、特にすくい面摩耗、の進行を抑えることができないため、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００３０】
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高速切削加工は勿論のこと、特に切刃にかかる機械的負荷が大きく、さらに、それ自身の粘性が高いばかりか、切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この結果切削抵抗のきわめて高いものとなる軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工に用いた場合であっても、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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】硬質被覆層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層における結晶粒の（０００１）面を測定する場合の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。
【図２】本発明被覆工具４の硬質被覆層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層の０〜４５度の傾斜角区分を示す傾斜角度数分布グラフである。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被削材自身が高い粘性を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この結果切削抵抗のきわめて高いものとなる軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工等においても、硬質被覆層が長期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。
【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、
（１）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の合計平均層厚を有するＴｉ化合物層、
（２）上部層が、化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、図１に概略説明図で示される通り、上記工具基体表面と平行な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、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において、図２に例示される通り、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１．５〜６μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層（以下、改質α型Ａｌ2Ｏ3層という）、
以上（１）および（２）で構成された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、この被覆工具は、上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層がα型Ａｌ2Ｏ3自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性に加えて、すぐれた高温強度を具備することから、例えば各種の一般鋼や普通鋳鉄などの高速切削加工などに用いた場合にも、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮することも知られている。
【０００３】
また、一般に、上記の被覆工具の硬質被覆層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層が、通常の化学蒸着装置を用い、
反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：１〜５％、ＣＯ2：０．１〜２％、ＨＣｌ：０．３〜３％、Ｈ2Ｓ：０．５〜１％、Ａｒ：２０〜３５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０５０〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａ、
の条件で蒸着形成されることも知られている。
さらに、同じく硬質被覆層を構成するＴｉ化合物層や改質α型Ａｌ2Ｏ3層が粒状結晶組織を有し、さらに、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。
【特許文献１】特開２００５−２０５５８６号公報
【特許文献２】特開平６−８０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、上記の従来被覆工具においては、これを低合金鋼や炭素鋼などの一般鋼、さらにねずみ鋳鉄などの普通鋳鉄の高速切削に用いた場合には問題はないが、特にこれを軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工に用いた場合には、切刃部には非常に大きな機械的負荷が加わり、さらに、前記難削材自身が高い粘性を有し、かつ切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この傾向は高速切削時に発生する高熱によって一段と増大することと相俟って、切削抵抗のきわめて高いものとなり、特に、被覆工具のすくい面では難削材の切粉に対する耐摩耗性が不十分なものとなり、これらが原因で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】
【０００５】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の改質α型Ａｌ2Ｏ3層が硬質被覆層の上部層を構成する被覆工具に着目し、特に、難削材の高速切削という厳しい切削条件下での被覆工具逃げ面の耐摩耗性の向上を図るべく研究を行った結果、
（ａ）Ｔｉ化合物層（下部層）と改質α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）とからなる硬質被覆層を有する上記従来被覆工具の、上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層の表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
（１）まず、下側層として、反応ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ4：０．２〜１０％、
ＣＯ2：０．１〜１０％、
Ａｒ：５〜６０％、
Ｈ2：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：４〜７０ｋＰａ（３０〜５２５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、オージェ分光分析装置で測定して、Ｔｉに対する酸素の割合が原子比で１．２５〜１．９０、即ち、
組成式：ＴｉＯＷ 、
で表わした場合、
Ｗ：原子比で１．２５〜１．９０、
を満足する酸化チタン層を形成し、
（２）ついで、上記酸化チタン層（下側層）の上に、上側層として、通常の条件、即ち、反応ガス組成を、体積％で、
ＴｉＣｌ4：０．２〜１０％、
Ｎ2：４〜６０％、
Ｈ2：残り、
とし、かつ、
反応雰囲気温度：８００〜１１００℃、
反応雰囲気圧力：４〜９０ｋＰａ（３０〜６７５ｔｏｒｒ）、
とした条件で、０．０５〜２μｍの平均層厚を有するＴｉＮ層を形成すると、
（３）上記ＴｉＮ層（上側層）形成時に、上記下側層を構成する酸化チタン層の酸素が拡散してきて前記上側層（ＴｉＮ層）が、窒酸化チタン層で構成されるようになるが、この場合上記上側層（前記窒酸化チタン層）形成後の上記下側層である酸化チタン層は、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、酸素の割合がＴｉに対する原子比で１．２〜１．７、即ち、
組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、
Ｘ：原子比で１．２〜１．７、
を満足する酸化チタン層となり、
（４）また、上記窒酸化チタン層で構成された上側層は、同じく厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、拡散酸素の割合が窒素（Ｎ）に対する原子比で０．０１〜０．４、即ち、
組成式：ＴｉＮ1-Y（Ｏ）Y、
で表わした場合（ただし、（Ｏ）は上記酸化チタン層からの拡散酸素を示す）、
Ｙ：原子比で０．０１〜０．４、
を満足する窒酸化チタン層となること。
【０００６】
（ｂ）そして、上記（ａ）によって改質α型Ａｌ2Ｏ3層上に形成された上記窒酸化チタン層（上側層）および酸化チタン層（下側層）からなる被覆層（以下、「最外層」という）は、それ自体耐熱性にすぐれているため、高熱を発生する難削材の高速切削加工において、主として切粉との擦過によって生じる被覆工具すくい面でのクレーター摩耗の発生が抑制されるようになることから、被覆工具すくい面の上記改質α型酸化アルミニウム層上にのみ、さらに、上記窒酸化チタン層（上側層）および酸化チタン層（下側層）からなる最外層を設けてすくい面の耐摩耗性を向上させ、一方、被覆工具逃げ面は、硬質被覆層の最表面層を上記改質α型Ａｌ2Ｏ3層で構成して逃げ面に必要とされる高温硬さと耐摩耗性を確保すれば、その結果として、被覆工具全体としての耐摩耗性が向上し、工具の使用寿命の延命化が可能となること。
以上（ａ）、（ｂ）に示される研究結果を得たのである。
【０００７】
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、
「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）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化合物層からなる下部層、
（ｂ）化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体表面と平行な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、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において、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１．５〜５．９μｍの平均層厚を有する改質α型酸化アルミニウム層からなる上部層、
以上（ａ）、（ｂ）の各層を、工具基体側から順に蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記表面被覆切削工具のすくい面を構成する工具基体の表面領域の上記改質α型酸化アルミニウム層上にのみ、さらに、
（ｃ）０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、１．２≦Ｘ≦１．７を満足する酸化チタン層からなる下側層、
（ｄ）０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ、
で表わした場合［ただし、（Ｏ）は上記酸化チタン層からの拡散酸素を示す］、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、０．０１≦Ｙ≦０．４を満足する窒酸化チタン層からなる上側層、
上記（ｃ）、（ｄ）からなる最外層を設けたことを特徴とする被覆工具（表面被覆切削工具）。」
に特徴を有するものである。
【０００８】
以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層の下部層、上部層、最外層について、上記の通りに限定した理由を説明する。
（１）Ｔｉ化合物層（下部層）
Ｔｉ化合物層は、基本的には改質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を具備するようにするほか、工具基体と補強α型Ａｌ2Ｏ3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、その合計平均層厚を３〜２０μｍと定めた。
【０００９】
（２）改質α型Ａｌ2Ｏ3層（上部層）
改質α型Ａｌ2Ｏ3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、上記蒸着条件のうちの反応雰囲気圧力を６〜１０ｋｐａとすると、最高ピークが、０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に現れると共に、前記０〜１５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５０％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、また高い方に外れても、前記０〜１５度の範囲内に測定傾斜角の最高ピークが現れなくなり、このような場合には所望のすぐれた高温強度を具備することができないものである。
また、改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、α型Ａｌ2Ｏ3自身のもつすぐれた高温硬さおよび耐熱性に加えて、高温強度も具備するようになるが、その平均層厚が１．５μｍ未満では、前記特性を硬質被覆層に十分に具備せしめることができず、また、その平均層厚が５．９μｍを越えると、難削材の高速切削加工ではチッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１．５〜５．９μｍと定めた。
【００１０】
（３）最外層
被覆工具のすくい面領域にのみ設けられた最外層の上側層を構成する窒酸化チタン層は、上記の通り、まず、酸素の割合をＮに対する原子比で１．２５〜１．９０（Ｗ値）とした酸化チタン層を形成し、ついで、前記酸化チタン層の上に通常の条件でＴｉＮ層を蒸着することにより形成されるものであり、したがって前記ＴｉＮ層形成時における前記酸化チタン層からの酸素の拡散が不可欠となるが、前記酸化チタン層のＷ値が１．２５未満であると、前記ＴｉＮ層への酸素の拡散反応が急激に低下し、上側層における拡散酸素の割合（Ｙ値）を原子比で０．０１以上にすることができず、一方同Ｗ値が１．９０を越えると、前記上側層における拡散酸素の割合（Ｙ値）が原子比で０．４０を越えて多くなってしまうことから、Ｗ値を１．２５〜１．９０と定めたものであり、この場合、上側層形成後の下側層（酸化チタン層）における酸素の割合（Ｘ値）は原子比で１．２〜１．７の範囲内の値をとるようになる、言い換えれば上側層形成後の下側層のＸ値が１．２〜１．７を満足する場合に、前記上側層のＹ値は０．０１〜０．４０を満足するものとなる。
そして、被覆工具のすくい面領域にのみ形成されている最外層は、既に述べたように難削材の高速切削において切粉による擦過で発生するクレーター摩耗の抑制に寄与するが、下側層のＸ値および上側層のＹ値がそれぞれ１．２〜１．７および０．０１〜０．４０を外れた場合には、切粉に対する耐熱性作用が不十分なものとなりクレーター摩耗の発生を抑えることできなくなるので、被覆工具のすくい面領域の最外層による切粉に対する耐熱性作用の発現という観点から、下側層のＸ値を１．２〜１．７、また、上側層のＹ値を０．０１〜０．４０と定めた。
また、上側層および下側層の平均層厚を、それぞれ０．０５〜２μｍおよび０．１〜３μｍとしたのは、その平均層厚が０．０５μｍ未満および０．１μｍ未満では、すくい面領域における切粉に対する耐熱性を十分に発揮することができず、一方、その平均層厚がそれぞれ２μｍおよび３μｍを越えると、すくい面領域にチッピングが発生しやすくなるという理由から、最外層の上側層および下側層の平均層厚を、それぞれ０．０５〜２μｍおよび０．１〜３μｍと定めた。
なお、被覆工具のすくい面領域にのみ最外層を蒸着形成する手段については特に限定するものではないが、例えば、被覆工具のすくい面領域、逃げ面領域の改質α型Ａｌ2Ｏ3層全面に最外層を蒸着形成した後で、逃げ面領域の最外層のみをブラスト、研磨などで除去することによって、すくい面領域にのみ最外層を残すことが可能であり、あるいは、最外層を蒸着形成するに当たり、被覆工具の逃げ面領域の改質α型Ａｌ2Ｏ3層にマスキングを施し、この状態で蒸着を行い、すくい面領域にのみ最外層を蒸着形成することも勿論可能である。いずれにしても、この発明では、被覆工具のすくい面領域にのみ最外層を蒸着形成する手段については、特にその手段を限定するものではなく、いかなる手段をも採用することができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の被覆工具は、そのすくい面領域に蒸着形成された改質α型Ａｌ2Ｏ3層上に、さらに、切粉に対する耐熱性にすぐれた最外層を蒸着形成してあることにより、特に切刃にかかる機械的な負荷が大きく、さらに、切粉の粘性が高く、かつ工具表面に溶着し易いステンレス鋼や高マンガン鋼、さらに軟鋼などの難削材（被削材）の切削加工を高熱発生を伴う高速切削条件で行ない、前記被削材および切粉が高温に加熱されて粘性および溶着性が一段と増すようになっても、前記硬質被覆層のもつすぐれた高温硬さと耐熱性作用によって、前記硬質被覆層の摩耗抑制効果が十分に発揮され、この結果、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すようになるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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】
【００１３】
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、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、中心部に工具取り付け用ボルト貫通孔を有する形式で、ＩＳＯ規格にＣＮＭＧ１２０４１２として規定され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。
【００１４】
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、Ｍｏ2 Ｃ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、工具本体にクランプ駒による挟み締めにより取り付けられる穴なし形式で、ＩＳＯ規格にＣＮＭＮ１２０４１２として規定されるスローアウエイ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。
【００１５】
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−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６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、
（ｂ）ついで、反応ガス組成：容量％で、ＡｌＣｌ3：２．２％、ＣＯ2：１．５％、ＨＣｌ：２％、Ｈ2Ｓ：０．７５％、Ａｒ：２６．５％、Ｈ2：残り、
反応雰囲気温度：１０７０℃、
反応雰囲気圧力：６〜１０ｋＰａの範囲内の所定の圧力、
の条件で同じく表６に示される目標層厚で、同じく上部層として改質α型Ａｌ2Ｏ3層を蒸着形成し、
（ｃ）さらに、最外層の下側層形成用酸化チタン層［ＴｉＯＷ（１）〜（６）のいずれか］を表４に示される条件で、表６に示される目標層厚で蒸着形成した後、最外層の上側層形成用窒化チタン層（ＴｉＮ層）を同じく表３に示される条件で、表６に示される目標層厚で蒸着形成して、表５に示される組成、すなわち厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、それぞれ表５に示されるＸ値およびＹ値の下側層および上側層からなる最外層を形成し、
（ｄ）引き続いて、工具すくい面以外の領域に対してウエットブラストを施して最外層を除去し、工具すくい面領域にのみ上記最外層を設けた本発明被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１６】
また、比較の目的で、表６に示される通り、硬質被覆層の上部層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層条に、上記最外層の蒸着形成を行わない以外は同一の条件で、従来被覆工具１〜１３をそれぞれ製造した。
【００１７】
ついで、上記の本発明被覆工具１〜１３と従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の上部層を構成する改質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、上記の本発明被覆工具１〜１３と従来被覆工具１〜１３の改質α型Ａｌ2Ｏ3層について、それぞれ工具基体表面と平行な面をそれぞれ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、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た。
【００１８】
この結果得られた各種の改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、表７にそれぞれ示される通り、本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の改質α型Ａｌ2Ｏ3層は、（０００１）面の測定傾斜角の分布が、それぞれ０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが現れる傾斜角度数分布グラフを示すものであった。
また表７には、上記の各種の改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフにおいて、それぞれ７５〜９０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２は、本発明被覆工具４の改質α型Ａｌ2Ｏ3層の傾斜角度数分布グラフを示すものである。
【００１９】
また、この結果得られた本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の硬質被覆層の構成層の厚さを、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。
【００２０】
つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１３および従来被覆工具１〜１３の各種被覆工具について、いずれも工具鋼製バイトの先端部にボルト止めまたはクランプ駒による挟み締め止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ４３０の丸棒、
切削速度： ３２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分
の条件（切削条件Ａという）でのステンレス鋼の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ３７０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．０ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分
の条件（切削条件Ｂという）での軟鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４４３Ｈの丸棒、
切削速度： ３３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分
の条件（切削条件Ｃという）での高マンガン鋼の乾式連続高速切削試験（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に示した。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】
【表３】
【００２４】
【表４】
【００２５】
【表５】
【００２６】
【表６】
【００２７】
【表７】
【００２８】
【表８】
【００２９】
表５〜８に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、硬質被覆層の上部層である改質α型Ａｌ2Ｏ3層が、すぐれた高温硬さ、高温強度を有するとともに、本発明被覆工具１〜１３のすくい面には、耐熱性にすぐれた最外層が設けられ、切粉によるすくい面摩耗の発生が抑制されているため、特に切刃部にきわめて高い機械的負荷と切削抵抗が加わる難削材の高速切削加工でも、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って示すのに対して、工具すくい面領域の硬質被覆層として最外層が蒸着形成されていない従来被覆工具１〜１３においては、難削材の高速切削加工における摩耗、特にすくい面摩耗、の進行を抑えることができないため、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００３０】
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高速切削加工は勿論のこと、特に切刃にかかる機械的負荷が大きく、さらに、それ自身の粘性が高いばかりか、切削時の切削工具表面部の硬質被覆層に対する粘着性も高く、この結果切削抵抗のきわめて高いものとなる軟鋼やステンレス鋼、さらに高マンガン鋼などの難削材の高速切削加工に用いた場合であっても、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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】硬質被覆層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層における結晶粒の（０００１）面を測定する場合の傾斜角の測定範囲を示す概略説明図である。
【図２】本発明被覆工具４の硬質被覆層を構成する改質α型Ａｌ2Ｏ3層の０〜４５度の傾斜角区分を示す傾斜角度数分布グラフである。
【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）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化合物層からなる下部層、
（ｂ）化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体表面と平行な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、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において、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１．５〜５．９μｍの平均層厚を有する改質α型酸化アルミニウム層からなる上部層、
以上（ａ）、（ｂ）の各層を、工具基体側から順に蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記表面被覆切削工具のすくい面を構成する工具基体の表面領域の上記改質α型酸化アルミニウム層上にのみ、さらに、
（ｃ）０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、１．２≦Ｘ≦１．７を満足する酸化チタン層からなる下側層、
（ｄ）０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ、
で表わした場合［ただし、（Ｏ）は上記酸化チタン層からの拡散酸素を示す］、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、０．０１≦Ｙ≦０．４を満足する窒酸化チタン層からなる上側層、
上記（ｃ）、（ｄ）からなる最外層を設けたことを特徴とする表面被覆切削工具。
【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）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化合物層からなる下部層、
（ｂ）化学蒸着した状態でα型の結晶構造を有し、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、上記工具基体表面と平行な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、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において、０〜１５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０〜１５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５０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、かつ１．５〜５．９μｍの平均層厚を有する改質α型酸化アルミニウム層からなる上部層、
以上（ａ）、（ｂ）の各層を、工具基体側から順に蒸着形成した表面被覆切削工具において、
上記表面被覆切削工具のすくい面を構成する工具基体の表面領域の上記改質α型酸化アルミニウム層上にのみ、さらに、
（ｃ）０．１〜３μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＯX 、
で表わした場合、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、１．２≦Ｘ≦１．７を満足する酸化チタン層からなる下側層、
（ｄ）０．０５〜２μｍの平均層厚を有し、かつ、
組成式：ＴｉＮ１−Ｙ（Ｏ）Ｙ、
で表わした場合［ただし、（Ｏ）は上記酸化チタン層からの拡散酸素を示す］、厚さ方向中央部をオージェ分光分析装置で測定して、原子比で、０．０１≦Ｙ≦０．４を満足する窒酸化チタン層からなる上側層、
上記（ｃ）、（ｄ）からなる最外層を設けたことを特徴とする表面被覆切削工具。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−５５５８３（Ｐ２００８−５５５８３Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３８３３８（Ｐ２００６−２３８３３８）
【出願日】平成１８年９月１日（２００６．９．１）
【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２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１日（２００６．９．１）
【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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