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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-09
(45)【発行日】2024-05-17
(54)【発明の名称】表面被覆切削工具
(51)【国際特許分類】
B23B 27/14 20060101AFI20240510BHJP
C23C 16/40 20060101ALI20240510BHJP
C23C 16/32 20060101ALI20240510BHJP
C23C 16/34 20060101ALI20240510BHJP
C23C 16/36 20060101ALI20240510BHJP
【ＦＩ】
B23B27/14 A
C23C16/40
C23C16/32
C23C16/34
C23C16/36
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2020056630
(22)【出願日】2020-03-26
(65)【公開番号】P2021154430
(43)【公開日】2021-10-07
【審査請求日】2023-02-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100208568
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 孔一
(74)【代理人】
【識別番号】100204526
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 靖
(74)【代理人】
【識別番号】100139240
【弁理士】
【氏名又は名称】影山 秀一
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 賢一
(72)【発明者】
【氏名】東城 俊介
(72)【発明者】
【氏名】真田 智啓
(72)【発明者】
【氏名】小林 航
【審査官】増山 慎也
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－２０５３０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－００５８６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０８３８７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２３７３３０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｂ ２７／１４
Ｂ２３Ｂ ５１／００
Ｂ２３Ｃ ５／１６
Ｂ２３Ｐ １５／１８
Ｃ２３Ｃ １６／３０－４０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
工具基体と、該工具基体の表面に下部層と上部層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、前記下部層はＴｉの化合物層であり、
前記上部層は２．０～２０．０μｍの平均層厚を有し、Ａｌ２Ｏ３層を含み、該Ａｌ２Ｏ３層内において隣接する２のＡｌ２Ｏ３結晶粒の粒界において、ＴｉとＳが共存し、ＴｉとＳの濃度の最大値に対応する位置が、前記粒界から前記粒界を挟む２の結晶粒内へ１０ｎｍ以内の領域内に存在し、かつ、前記最大値が前記粒界から１０ｎｍを超えて５０ｎｍまでの前記粒界を挟む前記２の結晶粒内の領域におけるＴｉとＳの濃度の最大値と比較してそれぞれ２．００倍以上である偏析をしている粒界の数が、全粒界の数の２０％以上である
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項2】
前記Ａｌ２Ｏ３層は、α型の結晶構造を有し、Σ３～Σ２９の構成原子共有格子点分布グラフにおいてΣ３に最高ピークを有し、Σ３の全体に占める割合は６０％以上であ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3】
前記Ａｌ２Ｏ３層内にＴｉとＳが共存しているＡｌ２Ｏ３結晶粒界の割合がすべてのＡｌ２Ｏ３結晶粒界数に対して３０～８０％であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。
【背景技術】
【0002】
切削工具の切削性能の改善を目的として、従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金等の工具基体の表面に、Ｔｉ化合物等の硬質被覆層を蒸着法により被覆形成した被覆工具がある。これは、優れた耐摩耗性を発揮することが知られているが、さらなる硬質被覆層の改善についての種々の提案がなされている。
【0003】
例えば、特許文献１には、工具基体と、該工具基体上に形成された１以上の被膜（硬質被覆層）とを備え、前記被膜は、少なくとも酸化アルミニウム多層被膜を含み、前記酸化アルミニウム多層被膜は、添加元素を含有する酸化アルミニウムによって構成される単位層を２種以上含み、かつその２種以上の単位層を周期的に繰り返して積層させた構造を有し、前記単位層の各々は、前記添加元素の種類または組み合せが異なっており、前記添加元素は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ｙ、Ｃａ、Ｍｇ、ＢおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素である被覆工具が記載され、この被覆工具は、耐摩耗性が向上しているとされている。
【0004】
また、例えば、特許文献２には、チタンの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物から選ばれる単層、または、２層以上の複層からなるチタン系下層と、α型結晶構造をなす酸化アルミニウム層とからなる硬質被覆層を備え、硫化チタン（ＴｉｘＳｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））部が前記チタン系下層の界面から前記酸化アルミニウム層内に突出した状態で前記酸化アルミニウム層内に分散分布する被覆工具が記載され、ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄等の切削においても、この被覆工具は、優れた耐チッピング性、耐欠損性を有するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００８－１６８３６４号公報
【文献】特開２００６－２０５３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
近年の切削加工における省力化および省エネルギー化の要求は強く、これに伴い、被覆工具の硬質被覆層には、より一層、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の耐異常損傷性が求められるとともに、長期の使用にわたって優れた耐久性が求められている。
【0007】
しかし、前記特許文献１および２に記載された被覆工具は、それぞれの文献に記載された切削条件では耐久性を有するものの、合金鋼の高速断続切削加工においては、耐チッピング性や耐欠損性が十分とはいえず、満足する耐久性を有しているとはいえなかった。
本発明は、この状況を鑑みて、合金鋼の高速断続切削加工おいて、十分な耐久性を有する被覆工具を提供することを目的とする。
本発明は、この状況を鑑みて、合金鋼の高速断続切削加工おいて、十分な耐久性を有する被覆工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者は、下部層としてＴｉの化合物層、上部層として酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示すことがある）層の２層を含む硬質被覆層を有する切削工具の耐久性の向上について鋭意検討を重ねた。その結果、上部層のＡｌ２Ｏ３層を構成する結晶粒の粒界にＴｉとＳが共存して偏析していると、耐摩耗性を発揮しつつ、耐欠損性および耐チッピング性を備えた硬質被覆層が得られ、合金鋼の高速断続切削加工おいて耐久性が向上するという知見を得た。
【0009】
本発明は、この知見に基づくもので以下のとおりのものである。
「（１） 工具基体と、該工具基体の表面に下部層と上部層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記下部層はＴｉの化合物層であり、
前記上部層は２．０～２０．０μｍの平均層厚を有し、Ａｌ２Ｏ３層を含み、該Ａｌ２Ｏ３層内において隣接する２のＡｌ２Ｏ３結晶粒の粒界において、ＴｉとＳが共存し、ＴｉとＳの濃度の最大値に対応する位置が、前記粒界から前記粒界を挟む２の結晶粒内へ１０ｎｍ以内の領域内に存在し、かつ、前記最大値が前記粒界から１０ｎｍを超えて５０ｎｍまでの前記粒界を挟む前記２の結晶粒内の領域におけるＴｉとＳの濃度の最大値と比較してそれぞれ２．００倍以上である偏析をしている粒界の数が、全粒界の数の２０％以上である
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記Ａｌ２Ｏ３層は、α型の結晶構造を有し、Σ３～Σ２９の構成原子共有格子点分布グラフにおいてΣ３に最高ピークを有し、Σ３の全体に占める割合は６０％以上であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記Ａｌ２Ｏ３層内にＴｉとＳが共存しているＡｌ２Ｏ３結晶粒界の割合がすべてのＡｌ２Ｏ３結晶粒界数に対して３０～８０％であることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
「（１） 工具基体と、該工具基体の表面に下部層と上部層を含む硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記下部層はＴｉの化合物層であり、
前記上部層は２．０～２０．０μｍの平均層厚を有し、Ａｌ２Ｏ３層を含み、該Ａｌ２Ｏ３層内において隣接する２のＡｌ２Ｏ３結晶粒の粒界において、ＴｉとＳが共存し、ＴｉとＳの濃度の最大値に対応する位置が、前記粒界から前記粒界を挟む２の結晶粒内へ１０ｎｍ以内の領域内に存在し、かつ、前記最大値が前記粒界から１０ｎｍを超えて５０ｎｍまでの前記粒界を挟む前記２の結晶粒内の領域におけるＴｉとＳの濃度の最大値と比較してそれぞれ２．００倍以上である偏析をしている粒界の数が、全粒界の数の２０％以上である
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記Ａｌ２Ｏ３層は、α型の結晶構造を有し、Σ３～Σ２９の構成原子共有格子点分布グラフにおいてΣ３に最高ピークを有し、Σ３の全体に占める割合は６０％以上であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記Ａｌ２Ｏ３層内にＴｉとＳが共存しているＡｌ２Ｏ３結晶粒界の割合がすべてのＡｌ２Ｏ３結晶粒界数に対して３０～８０％であることを特徴とする（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
【発明の効果】
【0010】
本発明の被覆工具は、合金鋼の高速断続切削加工おいて優れた耐久性を有する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】観察領域内におけるＡｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒とその粒界の一例を模式的に示した図である。
【図2】Ａｌ２Ｏ３層のＡｌ２Ｏ３結晶粒の粒界を中心にＴｉとＳの組成の線分析を行った結果、ＴｉとＳの偏析があると判断される一例を模式的に示した図である。
【図3】後述する本発明被覆工具５における、対応粒界分布グラフを示す。
【図4】後述する比較被覆工具３における、対応粒界分布グラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明について、以下に詳細に説明する。なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ａ～Ｂ」（Ａ、Ｂはともに数値）で表現するときは、その範囲は上限値（Ｂ）および下限値（Ａ）を含んでおり、上限値（Ｂ）と下限値（Ａ）の単位は同じである。
また、後述するＴｉＣ層等のＴｉ化合物層、およびＡｌ２Ｏ３層の組成は、化学量論的組成に限定されず、従来公知のすべての原子比の組成を含むものである。
また、後述するＴｉＣ層等のＴｉ化合物層、およびＡｌ２Ｏ３層の組成は、化学量論的組成に限定されず、従来公知のすべての原子比の組成を含むものである。
【0013】
硬質被覆層：
硬質被覆層は、ＴｉＣ層等を含むＴｉの化合物層である下部層とＡｌ２Ｏ３層を含む上部層を有する。以下、順にこれら層について説明する。
硬質被覆層は、ＴｉＣ層等を含むＴｉの化合物層である下部層とＡｌ２Ｏ３層を含む上部層を有する。以下、順にこれら層について説明する。
【0014】
下部層：
下部層に含まれるＴｉ化合物層（例えば、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層の少なくとも１つ）は、工具基体とＡｌ２Ｏ３層を含む上部層の間に存在し、単層であっても複数層であってもよく、その高い硬度によって、硬質被覆層に対して耐摩耗性を付与するものである。また、Ｔｉ化合物層は、工具基体の表面、および、Ａｌ２Ｏ３層を含む上部層のいずれとも密着性を付与する役割を有する。
下部層に含まれるＴｉ化合物層（例えば、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層の少なくとも１つ）は、工具基体とＡｌ２Ｏ３層を含む上部層の間に存在し、単層であっても複数層であってもよく、その高い硬度によって、硬質被覆層に対して耐摩耗性を付与するものである。また、Ｔｉ化合物層は、工具基体の表面、および、Ａｌ２Ｏ３層を含む上部層のいずれとも密着性を付与する役割を有する。
【0015】
下部層の平均層厚は、３．０～２０．０μｍがより好ましい。３．０～２０．０μｍにあるとき、より耐久性が向上し、長期にわたって耐チッピング性や耐欠損性、耐摩耗性を発揮することができる。平均層厚は、５．０～１５．０μｍがより一層好ましい。
【0016】
上部層：
＜平均層厚＞
上部層は、Ａｌ２Ｏ３層を含み、その平均層厚は、２．０～２０．０μｍであることが好ましい。その理由は、２．０μｍ未満であると、薄いため長期の使用にわたって耐久性を十分に確保することができず、一方、２０．０μｍを超えると、結晶粒が大きくなってしまいチッピングが発生しやすくなるためである。
＜平均層厚＞
上部層は、Ａｌ２Ｏ３層を含み、その平均層厚は、２．０～２０．０μｍであることが好ましい。その理由は、２．０μｍ未満であると、薄いため長期の使用にわたって耐久性を十分に確保することができず、一方、２０．０μｍを超えると、結晶粒が大きくなってしまいチッピングが発生しやすくなるためである。
【0017】
＜ＴｉとＳの偏析＞
ＴｉとＳの偏析がある粒界の割合は、例えば、次のようにして確認する。
ＴｉとＳの偏析がある粒界の割合は、例えば、次のようにして確認する。
【0018】
（１）観察領域の決定
Ａｌ２Ｏ３層の縦断面（工具基体の表面に垂直な断面）において、工具基体の表面に平行な方向に１０μｍ、Ａｌ２Ｏ３層の層厚方向に平均層厚以上の長さの領域の少なくとも１０箇所を観察領域と決定する。
Ａｌ２Ｏ３層の縦断面（工具基体の表面に垂直な断面）において、工具基体の表面に平行な方向に１０μｍ、Ａｌ２Ｏ３層の層厚方向に平均層厚以上の長さの領域の少なくとも１０箇所を観察領域と決定する。
【0019】
（２）各観察領域内の粒界の決定
この各観察領域に対して、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用い、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ：Ｈｉｇｈ－ａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＴＥＭ）により観察を行う。図１は、この観察結果の一例を示す模式図である。本発明でいう粒界とは、結晶粒界のうち隣接する２の結晶粒に接する部分であり、この部分を１個の粒界とする。すなわち、１個の結晶粒界は複数の粒界から構成される。ちなみに、図１では、Ａ～Ｈの８の結晶粒が図示されている。例えば、Ｂの結晶粒についてみると、Ａ、Ｃ、ＥおよびＦの各結晶粒と粒界を有し、その中でＡおよびＦの結晶粒との粒界を粒界として図示している。図１において、すべての結晶粒における粒界の総数（この観察領域における全粒界の数）は１３である。
この各観察領域に対して、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用い、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ：Ｈｉｇｈ－ａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＴＥＭ）により観察を行う。図１は、この観察結果の一例を示す模式図である。本発明でいう粒界とは、結晶粒界のうち隣接する２の結晶粒に接する部分であり、この部分を１個の粒界とする。すなわち、１個の結晶粒界は複数の粒界から構成される。ちなみに、図１では、Ａ～Ｈの８の結晶粒が図示されている。例えば、Ｂの結晶粒についてみると、Ａ、Ｃ、ＥおよびＦの各結晶粒と粒界を有し、その中でＡおよびＦの結晶粒との粒界を粒界として図示している。図１において、すべての結晶粒における粒界の総数（この観察領域における全粒界の数）は１３である。
【0020】
（３）各組成の線分析
この粒界のすべてに対して、当該粒界を中心として隣接する２の結晶粒の粒界に対して垂直な方向に、エッジオン条件にて、該粒界を中心にこの粒界を跨いで測定長１００ｎｍの領域にてＴｉとＳにつき、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ：Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による組成の線分析を実施する。
ここで、エッジオン条件とは、粒界と平行な軸を中心に試料を傾けたときに電子線入射方向と粒界の深さ方向が平行となる角度にて測定を行う条件のことをいう（例えば、特開２０１７－５００４号公報を参照）。
この粒界のすべてに対して、当該粒界を中心として隣接する２の結晶粒の粒界に対して垂直な方向に、エッジオン条件にて、該粒界を中心にこの粒界を跨いで測定長１００ｎｍの領域にてＴｉとＳにつき、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ：Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による組成の線分析を実施する。
ここで、エッジオン条件とは、粒界と平行な軸を中心に試料を傾けたときに電子線入射方向と粒界の深さ方向が平行となる角度にて測定を行う条件のことをいう（例えば、特開２０１７－５００４号公報を参照）。
【0021】
（４）各観察領域におけるＴｉとＳ偏析の有無の確認
各粒界に対して組成の線分析を行った結果、ＴｉとＳの検出強度の最大値を与える（ＴｉとＳの濃度の最大値に対応する）位置が、前記粒界から前記２の結晶粒内へ１０ｎｍ以内の領域内に存在し、かつ、前記最大値が粒界から１０ｎｍを超えて５０ｎｍまでの前記２の結晶粒内の領域におけるＴｉとＳの検出強度の最大値と比較してそれぞれ２．００倍以上であることを満たしているとき（濃度の比が２．００倍以上のとき）、当該粒界はＴｉとＳ元素が共存して粒界へ偏析していると判断する。
図２は、ＴｉとＳが共存して偏析があると判断されるＴｉとＳの検出濃度の変化の一例を模式的に示したものであり、同図では、粒界が横軸の測定長の５０ｎｍの位置となるように測定の起点を定めている。
各粒界に対して組成の線分析を行った結果、ＴｉとＳの検出強度の最大値を与える（ＴｉとＳの濃度の最大値に対応する）位置が、前記粒界から前記２の結晶粒内へ１０ｎｍ以内の領域内に存在し、かつ、前記最大値が粒界から１０ｎｍを超えて５０ｎｍまでの前記２の結晶粒内の領域におけるＴｉとＳの検出強度の最大値と比較してそれぞれ２．００倍以上であることを満たしているとき（濃度の比が２．００倍以上のとき）、当該粒界はＴｉとＳ元素が共存して粒界へ偏析していると判断する。
図２は、ＴｉとＳが共存して偏析があると判断されるＴｉとＳの検出濃度の変化の一例を模式的に示したものであり、同図では、粒界が横軸の測定長の５０ｎｍの位置となるように測定の起点を定めている。
【0022】
（５）各観察領域におけるＴｉとＳが共存して偏析している粒界の割合の算出
このＴｉとＳの粒界への偏析があると判断される粒界の数が全粒界の数（各観察領域におけるすべての結晶粒における粒界の総数）に占める割合（個数割合）を求める。
このＴｉとＳの粒界への偏析があると判断される粒界の数が全粒界の数（各観察領域におけるすべての結晶粒における粒界の総数）に占める割合（個数割合）を求める。
【0023】
（６）ＴｉとＳが共存して偏析がある粒界の割合の導出
こうして、観察領域ごとに求めた個数割合の算術平均を算出して、ＴｉとＳが共存して偏析している粒界の数が、全粒界の数に占める割合を導出する。
こうして、観察領域ごとに求めた個数割合の算術平均を算出して、ＴｉとＳが共存して偏析している粒界の数が、全粒界の数に占める割合を導出する。
【0024】
そして、前記割合が２０％以上であるときに粒界の強度が向上し、硬質被覆層の靭性が向上する。その理由は、定かではないが、ＴｉとＳ原子の偏析が適切になされ、強度を損なうことなくＡｌ２Ｏ３層内の残留応力が緩和され、耐欠損性が向上するためと考えられる。この割合は、２０％以上であれば、その上限に制約はないが、３０～８０％の割合であると耐欠損性を向上する効果がより確実に発揮されるため、３０～８０％がより好ましい。
【0025】
また、Ａｌ２Ｏ３層結晶粒は、α型の結晶構造を有し、構成原子共有格子点分布グラフにおいて、Σ３に最高ピークを有し、Σ３のΣＮ＋１全体に占める分布割合は、６０％以上であることがより好ましい。６０％以上であると、さらに、粒界強度が高まり、耐摩耗性向上効果を高めることができる。この割合の上限に制約はないが、６０～９０％のとき、ここの耐摩耗性向上効果がより一層確実に発揮される。
【0026】
ここで、構成原子共有格子点は、以下の方法により、測定、算出される。
すなわち、前記α型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層結晶粒について、結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線が、観察研磨面に法線となす傾斜角を測定する。前記結晶粒は、格子点にＡｌおよび酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方晶の結晶構造を有する。測定により得られた傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記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）からなる対応粒界の分布を算出し、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（ただし、Ｎはコランダム型六方晶の結晶構造上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からなる対応粒界をΣＮ＋１で表した個々の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を求める。
すなわち、前記α型の結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層結晶粒について、結晶面である（０００１）面および（１０-１０）面の法線が、観察研磨面に法線となす傾斜角を測定する。前記結晶粒は、格子点にＡｌおよび酸素からなる構成原子がそれぞれ存在するコランダム型六方晶の結晶構造を有する。測定により得られた傾斜角に基づいて、相互に隣接する結晶粒の界面で、前記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）からなる対応粒界の分布を算出し、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（ただし、Ｎはコランダム型六方晶の結晶構造上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からなる対応粒界をΣＮ＋１で表した個々の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を求める。
【0027】
上部層における構成原子共有格子点分布グラフの作成方法：
硬質被覆層の上部層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭを用いて、Ａｌ２Ｏ３結晶粒の結晶格子面のそれぞれの法線が、観察研磨面の法線となす角度を測定するとともに、その測定結果より、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出することにより、上部層のＡｌ２Ｏ３の対応粒界分布グラフを求める。
硬質被覆層の上部層のＡｌ２Ｏ３結晶粒について、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭを用いて、Ａｌ２Ｏ３結晶粒の結晶格子面のそれぞれの法線が、観察研磨面の法線となす角度を測定するとともに、その測定結果より、隣接する結晶格子相互の結晶方位関係を算出することにより、上部層のＡｌ２Ｏ３の対応粒界分布グラフを求める。
【0028】
上部層の界面領域および表面領域のそれぞれの断面を研磨面（研磨面とする手段は、後述する平均層厚を測定する際に用いる手段を使用できる）とした状態で、前記被覆工具を電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記断面の研磨面に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、それぞれの前記断面の研磨面の測定範囲内に存在するコランダム型六方晶結晶格子を有する結晶粒個々に電子線を照射する。より詳細には、電子線後方散乱回折装置を用い、工具基体表面に平行する方向に５０μｍ、工具基体の表面に直交する方向にＡｌ２Ｏ３層の層厚を上限とする領域で０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で電子線を照射し、電子線が照射された各測定点において前記結晶粒を構成する結晶格子の各面の法線の方位を測定する。
【0029】
この測定結果から、隣接する測定点における結晶格子相互の結晶方位関係を算出した。すなわち、隣接する相互の測定点間において、結晶方位角度差が５度以上である測定点間に結晶粒界が存在するとみなし、この結晶粒界に囲まれた測定点の集合を１つの結晶粒と特定し、全体の結晶粒を特定する。
それとともに、結晶格子界面を構成する測定点間の結晶方位関係が、対応粒界を構成する結晶粒間のなす角度の値に対して誤差Δθ＝５°の範囲内となった場合に、その測定点間に対応粒界が存在するとみなし、全粒界長に対するΣＮ＋１対応粒界の割合を求める。
それとともに、結晶格子界面を構成する測定点間の結晶方位関係が、対応粒界を構成する結晶粒間のなす角度の値に対して誤差Δθ＝５°の範囲内となった場合に、その測定点間に対応粒界が存在するとみなし、全粒界長に対するΣＮ＋１対応粒界の割合を求める。
【0030】
その他の層：
上部層の上部に、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり０．１～５．０μｍの合計平均層厚を有する最外層を設けると、より一層優れた耐溶着性、耐摩耗性が発揮されて好ましい。ここで、合計平均層厚が０．１μｍ未満であると、最外層を設けた効果が十分に発揮されず、一方、５．０μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなる。
上部層の上部に、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり０．１～５．０μｍの合計平均層厚を有する最外層を設けると、より一層優れた耐溶着性、耐摩耗性が発揮されて好ましい。ここで、合計平均層厚が０．１μｍ未満であると、最外層を設けた効果が十分に発揮されず、一方、５．０μｍを超えると、チッピングが発生しやすくなる。
【0031】
平均層厚の測定：
ここで、硬質被覆層を構成する各層の平均層厚は、例えば、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ ｓｙｓｔｅｍ）、クロスセクションポリッシャー装置（ＣＰ：Ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）等を用いて、硬質被覆層を任意の位置で切断して観察用の試料を作製し、その縦断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）またはＴＥＭ、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、あるいはＳＥＭまたはＴＥＭ付帯のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置を用いて複数箇所（例えば、５箇所）で観察して、その結果を平均することにより得ることができる。
ここで、硬質被覆層を構成する各層の平均層厚は、例えば、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ ｓｙｓｔｅｍ）、クロスセクションポリッシャー装置（ＣＰ：Ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）等を用いて、硬質被覆層を任意の位置で切断して観察用の試料を作製し、その縦断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）またはＴＥＭ、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、あるいはＳＥＭまたはＴＥＭ付帯のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置を用いて複数箇所（例えば、５箇所）で観察して、その結果を平均することにより得ることができる。
【0032】
工具基体：
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。例をあげるならば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（Ｔｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、ｃＢＮ焼結体、またはダイヤモンド焼結体であり、これらのいずれかであることが好ましい。
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。例をあげるならば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（Ｔｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、ｃＢＮ焼結体、またはダイヤモンド焼結体であり、これらのいずれかであることが好ましい。
【0033】
製造方法：
本発明の被覆工具の硬質被覆層は、（１）下部層の成膜工程、（２）上部層の成膜工程、そして、（３）上部層のエッチング工程の３工程を含む工程により作製される。
本発明の被覆工具の硬質被覆層は、（１）下部層の成膜工程、（２）上部層の成膜工程、そして、（３）上部層のエッチング工程の３工程を含む工程により作製される。
【0034】
（１）下部層の成膜工程
Ｔｉの炭窒化物層を有するＴｉの化合物層である下部層は、例えば、平均層厚が３．０～２０．０μｍとなるように、公知の成膜条件によって成膜することができる。
Ｔｉの炭窒化物層を有するＴｉの化合物層である下部層は、例えば、平均層厚が３．０～２０．０μｍとなるように、公知の成膜条件によって成膜することができる。
【0035】
（２）上部層の成膜工程
この工程は、Ｓが粒界に偏析するＡｌ２Ｏ３層を含む上部層を、その平均層厚が２．０～２０．０μｍとなるように成膜する。成膜条件として、例えば、
反応ガス：ＡｌＣｌ３ １．０～１．８％、ＣＯ２ ３．０～５．０％、
ＨＣｌ １．０～３．０％、Ｈ２Ｓ ０．７５～１．５０％、Ｈ２ 残部
反応雰囲気温度：９００～１０００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
をあげることができる。
この工程は、Ｓが粒界に偏析するＡｌ２Ｏ３層を含む上部層を、その平均層厚が２．０～２０．０μｍとなるように成膜する。成膜条件として、例えば、
反応ガス：ＡｌＣｌ３ １．０～１．８％、ＣＯ２ ３．０～５．０％、
ＨＣｌ １．０～３．０％、Ｈ２Ｓ ０．７５～１．５０％、Ｈ２ 残部
反応雰囲気温度：９００～１０００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１０．０ｋＰａ
をあげることができる。
【0036】
（３）上部層のエッチング工程
この工程は、上部層の成膜後、Ｔｉを含むガスによりエッチングと熱処理を行うことにより、上部層のＡｌ２Ｏ３層の結晶粒の粒界にＴｉとＳを共存させて偏析させることができる。エッチング条件として、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ４ １．０～２．０％、Ｈ２ 残部
反応雰囲気温度：９００～１０００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１５．０ｋＰａ
処理時間：３０～１２０分
をあげることができる。
この工程は、上部層の成膜後、Ｔｉを含むガスによりエッチングと熱処理を行うことにより、上部層のＡｌ２Ｏ３層の結晶粒の粒界にＴｉとＳを共存させて偏析させることができる。エッチング条件として、例えば、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ４ １．０～２．０％、Ｈ２ 残部
反応雰囲気温度：９００～１０００℃
反応雰囲気圧力：５．０～１５．０ｋＰａ
処理時間：３０～１２０分
をあげることができる。
【実施例】
【0037】
次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明の被覆工具の実施例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、前記したものを用いた場合であっても同様であるし、ドリル、エンドミルに適用した場合も同様である。
ここでは、本発明の被覆工具の実施例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、前記したものを用いた場合であっても同様であるし、ドリル、エンドミルに適用した場合も同様である。
【0038】
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、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、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ～Ｃをそれぞれ製造した。
【0039】
ついで、これらの工具基体Ａ～Ｃのそれぞれを、化学蒸着装置に装入し、以下の手順にて本発明被覆工具１～１０をそれぞれ製造した。
（ａ）まず、表２に示される条件にて、表４に示される目標合計平均層厚の下部層（第１層、第２層、第３層の順に工具基体に近い）としてのＴｉ化合物層を蒸着形成した。
（ｂ）次に、表３に示される条件にて、化学蒸着にてＡｌ２Ｏ３層を成膜後、ＴｉＣｌ４とガスＨ２ガスの混合ガスによるエッチング工程を経て、表４に示される目標平均層厚の上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を得た。
これら、表２および３に記載されている条件は、前述の製造方法一例として記載されたものである。
（ａ）まず、表２に示される条件にて、表４に示される目標合計平均層厚の下部層（第１層、第２層、第３層の順に工具基体に近い）としてのＴｉ化合物層を蒸着形成した。
（ｂ）次に、表３に示される条件にて、化学蒸着にてＡｌ２Ｏ３層を成膜後、ＴｉＣｌ４とガスＨ２ガスの混合ガスによるエッチング工程を経て、表４に示される目標平均層厚の上部層としてのＡｌ２Ｏ３層を得た。
これら、表２および３に記載されている条件は、前述の製造方法一例として記載されたものである。
【0040】
また、比較の目的のために、本発明で規定する事項を満足しない硬質被覆層を形成すべく、表２および３に記載された条件にて成膜を行うことにより、表５に示される比較被覆工具１～１０をそれぞれ製造した。
【0041】
また、本発明被覆工具１～１０、比較被覆工具１～１０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（縦断面にて測定）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。測定結果を表４に示す。
また、それぞれ、前述の方法により、本発明被覆工具１～１０、比較被覆工具１～１０の前記Ａｌ２Ｏ３層内のＡｌ２Ｏ３結晶粒についてＴｉとＳの粒界への偏析の有無を確認し、ＴｉとＳの偏析のある結晶粒界数の全結晶粒の全粒界数に対して占める割合、α型Ａｌ２Ｏ３結晶粒における対応粒界分布グラフのピーク位置およびΣ３対応界面割合（％）を求めた。測定結果を表４、表５に示す。加えて、図３に本発明被覆工具５の対応粒界分布グラフ、図４に比較被覆工具３の対応粒界分布グラフを示す。
また、それぞれ、前述の方法により、本発明被覆工具１～１０、比較被覆工具１～１０の前記Ａｌ２Ｏ３層内のＡｌ２Ｏ３結晶粒についてＴｉとＳの粒界への偏析の有無を確認し、ＴｉとＳの偏析のある結晶粒界数の全結晶粒の全粒界数に対して占める割合、α型Ａｌ２Ｏ３結晶粒における対応粒界分布グラフのピーク位置およびΣ３対応界面割合（％）を求めた。測定結果を表４、表５に示す。加えて、図３に本発明被覆工具５の対応粒界分布グラフ、図４に比較被覆工具３の対応粒界分布グラフを示す。
【0042】
【表1】
【0043】
【表2】
【0044】
【表3】
【0045】
【表4】
【0046】
【表5】
【0047】
次に、本発明被覆工具１～１０、比較被覆工具１～１０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、以下に示す切削試験、クロムモリブデン合金鋼の湿式高速高切込切削試験（切削条件Ａ）、および、クロムモリブデン合金鋼の湿式高速断続切削試験（切削条件Ｂ）を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、表６にその測定結果を示す。なお、切削試験の途中で硬質被覆層の剥離やチッピングが発生したものについては、これらが発生までの切削時間を測定した（表６の下部のチッピング発生とは硬質被覆層の剥離を含む）。
【0048】
切削条件Ａ；
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り棒材、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．０ｍｍ
送り ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５分
（通常の切削速度、切り込み、送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍｍ、０．２０ｍｍ／ｒｅｖである。）
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り棒材、
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．０ｍｍ
送り ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５分
（通常の切削速度、切り込み、送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍｍ、０．２０ｍｍ／ｒｅｖである。）
【0049】
切削条件Ｂ；
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０ ４スリット材
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：１．５ｍｍ
１回転あたりの送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５分
（通常の切削速度、切り込み、送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ、１．０ｍｍ、０．２ｍｍ／ｒｅｖである。）
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０ ４スリット材
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：１．５ｍｍ
１回転あたりの送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５分
（通常の切削速度、切り込み、送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ、１．０ｍｍ、０．２ｍｍ／ｒｅｖである。）
【0050】
【表6】
【0051】
表６に示される結果より、本発明被覆工具１～１０は、硬質被覆層が、上部層としてＡｌ２Ｏ３層を少なくとも含み、前記Ａｌ２Ｏ３層内のＡｌ２Ｏ３結晶粒の粒界部にＴｉとＳを共存して偏析させることにより、剥離やチッピングを発生することなく、優れた切削性能を発揮するものである。
これに対して、比較例被覆工具１～１０は、硬質被覆層の剥離発生や、チッピングの発生により、比較的短時間で使用寿命に至っている。
これに対して、比較例被覆工具１～１０は、硬質被覆層の剥離発生や、チッピングの発生により、比較的短時間で使用寿命に至っている。
【産業上の利用可能性】
【0052】
前述のとおり、本発明の被覆工具は、合金鋼の高速断続切削においても、優れた耐摩耗性と耐剥離性および耐チッピング性を発揮し、長期の使用にわたって優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および切削加工の省力化、さらには、低コスト化に十分満足するものである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】